Bereits im Frühjahr 2010 begann in Weilbach unter messtechnischer Begleitung des Instituts für Gießereitechnik (IfG), Düsseldorf, ein Vorversuch mit einer provisorischen Versuchsanlage, um erste Erkenntnisse über die Auswirkung des Einblasens von Petrolkoksstaub in den Kupolofen zu gewinnen. Hierbei wurde der Staub über eine Big-Bag-Anlage mittels separater Lanzen, die seitlich neben der TDI-Jet-Lanze angebracht waren, in die Schmelzzone injiziert. Auf Grund der positiven Erkenntnisse aus diesen Vorversuchen, wie z. B. der spontanen CO-Erhöhung im Gichtgas und der Eisentemperaturerhöhung bei Einsatz von Petrolkoksstaub, wurde im Spätsommer 2010 beschlossen, einen Langzeitversuch unter Produktionsbedingungen durchzuführen. Die Versuchsreihe sollte entsprechend Bild 1 über ein Jahr mit kontinuierlicher Reduzierung des Kokses bei gleichzeitigem Einsatz von Petrolkoksstaub erfolgen. Der Start erfolgte dann ab Oktober 2011.
 

Petrolkoks (Bild 2) als fester Rückstand der Erdölraffination wird seit jeher weltweit als preisgünstiger Festbrennstoff großtechnisch in Kraftwerks- und Zementfeuerungen eingesetzt. Der nach dem Cracken des Vakuumrückstandes durch eine Trommelverkokung gewonnene sogenannte Grünkoks weist als herausragendes Merkmal einen extrem niedrigen Aschegehalt von <0,5 % auf, der wiederum einen hohen Kohlenstoffgehalt und damit verbunden hohen Heizwert von über 31 000 kJ/kg im Rohzustand bewirkt. Weltweit werden zurzeit ca. 110 Mio. t Petrolkoks mit steigender Tendenz vornehmlich in den USA und Südamerika produziert. Verlässliche Zahlen über die Produktion und den Verbrauch in Asien sind schwer zugänglich. Da diese aber insbesondere in China komplett verbraucht werden, sind sie für den europäischen Markt ohnehin von geringer Bedeutung. Die nach Westeuropa importierten Mengen schwanken in erster Linie – abhängig von der Nachfrage – zwischen 2 – 4 Mio. t jährlich. In der BRD wird Petrolkoks an 2 Standorten produziert, und zwar der BP-Raffinerie in Gelsenkirchen und der Esso-Raffinerie in Karlsruhe mit einer Kapazität von jeweils ca. 350 000 – 400 000 t/a. Somit kann festgestellt werden, dass in der BRD eine einheimische Produktionskapazität in der Größenordnung zwischen 400 000 – 500 000 t/a vorhanden ist, die dauerhaft zu einem preislich interessanten Niveau auch für die deutsche Gießerei-Industrie zur Verfügung stehen.
 

Die Idee, Petrolkoksstaub auch in kleineren Industriefeuerungen einzusetzen, kam in den 1980er Jahren in der BRD nach der 2. Ölkrise insbesondere in der Glas- und Keramikindustrie auf und führte vorübergehend zu meist werkseigenen Entwicklungen in der Dosier- und Brennertechnik. Die konsequente Umsetzung erfolgte jedoch aufgrund des erforderlichen Anlageninvestments für die Staubtechnologie vor dem Hintergrund des sich wieder auf niedrigem Niveau stabilisierenden Öl- bzw. Gaspreisniveaus Ende der 1980er Jahre nicht. Aufgrund des langfristig absehbaren hohen Energiepreisniveaus für Öl und Gas werden derzeit in mehreren Industriezweigen die Ideen zur Nutzung von Petrolkoksstaub wieder aufgegriffen. Hierbei wird der Einsatz von Petrolkoks insbesondere in den Industrieöfen favorisiert, in denen ein niedriger Ascheeintrag über den Festbrennstoff z. B. zur Vermeidung von Verunreinigungen im Ofengut zwingend erforderlich ist.

Darüber hinaus sind insbesondere in der Kalkindustrie in den letzten 10 Jahren mehrere Anlagen zur Befeuerung von sogenannten Ringschachtöfen in Betrieb genommen worden. Generell ist hierbei von erheblichem Investitionsvorteil, dass Anlagen für Petrolkoksstaub aufgrund der produktspezifischen Sicherheitsanforderungen mit deutlich geringerem Aufwand gebaut und betrieben werden können, da im Gegensatz zu Förder- und Dosieranlagen für höherflüchtige Stäube wie Steinkohle- oder Braunkohlenstaub auf tertiäre Maßnahmen zum Explosionsschutz, wie z. B. druckstoßfeste Silos, gänzlich verzichtet werden kann.
 

Eine bereits vorhandene Versuchsanlage der Dako Kohlen Ex- Import GmbH wurde für den Einsatz in Weilbach modifiziert und den spezifischen Bedingungen angepasst. Ein eigens entwickeltes Prozessfließbild mit automatischer Petrolkoksmengenregelung wurde in der Ofenwarte der Kupolofenanlage installiert, maßgebende Prozessparameter dafür sind der CO-Gehalt im Gichtgas und die Temperatur in der Brennkammer. Aus dem Vorratssilo wird der Petrolkoksstaub über eine Förderschnecke entsprechend der Materialanforderung des Dosierbehälters durch PC Vario zugeführt. Der PC Vario in der in Weilbach ausgeführten Funktions- und Bauweise ist das Kernstück der Anlage. Neben seiner Funktion als Puffervolumen hat der Dosierbehälter primär die Aufgabe, die erforderliche kontinuierliche Staubzufuhr zum Kupolofen zu gewährleisten. Zu diesem Zweck ist der PC Vario mit insgesamt 3 Auslauforganen, bestehend aus jeweils einer drehzahlüberwachten Zellenradschleuse und azugehörigem Injektor ausgerüstet, die bei einem eventuellem Ausfall eines Abzugorganes automatisch auf das nächste umschalten. Aufgrund des geringen Ofengegendruckes und des Druckverlustes bis zum Ofen arbeitet dieser praktisch staub- und drucklos im Schüttgutbetrieb, was im Vergleich zu anderen Systemen mit beispielsweise Druckwechselbehältern erheblich kostengünstiger in Anschaffung und Betrieb ist. Die Mengenzufuhr des Petrolkoksstaubes auf die Blasleitung zum Ofen erfolgt durch die Drehzahlregelung der Zellenradschleusen mittels Frequenzumrichter. Die Aufzeichnung der verbrauchten Mengen erfolgt über die Messungen der Gewichtsveränderungen über Druckmessdosen mit einer Genauigkeit von 0,5 Gew. %. Die weitere Verteilung zu den Ofendüsen erfolgt über einen statischen Staubverteiler. Zur Überwachung der Anlage sind an geeigneten Stellen Durchflussmessungen installiert, zusätzlich überwachen Druckmessungen den einwandfreien Förderbetrieb (Bilder 3 und 4).​​​
 

Technischer Sauerstoff wird mit hohem Druck durch eine Lavaldüse in das TDI-System eingetragen. Durch den vor der Lavaldüse entstehenden Unterdruck wird ein Teilstrom des Primärwindes, der sogenannte Injektorwind (Bild 5) angesaugt, gemessen und geregelt. Der eingetragene Injektorwind kann so in jeder beliebigen möglichen Menge in den Sauerstoffstrom eingetragen werden. So können hohe Sauerstoffkonzentrationen (30 – 50 %) und Geschwindigkeiten von über 90 m/s im Kaltwindbetrieb und 250 m/s im Heißwindbetrieb erzielt werden. Bis zu 50 % des für das Schmelzen benötigten Sauerstoffes kann so durch das TDI-System eingesetzt werden.
 

Ein Hauptziel der Versuchsreihe war von Beginn an die Petrolkoksstaubeindüsung in Kombination mit dem Linde High-Jet-TDI-Verfahren zu optimieren, da die  Verfahrenstechnischen Vorteile wie höhere Strömungsgeschwindigkeit und somit Durchdringung der Schmelzzone sowie sofortige Umsetzung des einzelnen Kohlepartikels im Sauerstoffstrom offensichtlich sind. Zu Versuchsbeginn wurde die Anordnung der Petrolkoksstaublanzen so gewählt, dass diese seitlich und am Ende im TDI-Jet eindüsten. Eine Optimierung der Gas-/Feststoffvermischung wurde in einem zweiten Schritt durch Verkürzung der Petrolkokslanzen und Einbau eines kegelförmigen Diffusors erreicht (Bild 6). Hierdurch wird der Feststoff gleichmäßig in den Gasstrom mit einer Geschwindigkeit von ca. 70 m/s und einer Sauerstoffkonzentration von bis zu 40 % verteilt.
 

Vorversuche
Bereits in den Vorversuchen mit provisorischer Big-Bag-Beschickung zeigten sich schon bei geringer Staubzugabe signifikante Effekte, wie eine CO-Erhöhung im Gichtgas und eine deutliche Rinneneisentemperatursteigerung, ohne dass die Gichtgastemperaturen anstiegen. Dies deutete auf eine völlige Umsetzung der unter 90 μm gemahlenen Staubpartikel in der Schmelzzone hin. Zudem konnten in den Vorversuchen keine negativen Auswirkungen auf Metallurgie und Emissionen gemessen werden. Die Bilanzierung des höheren Schwefeleintrages durch Petrolkoks wurde vom IfG anhand von SO2-Emissionsmessungen und gleichzeitigen Messungen der Schwefelgehalte im Eisen vorgenommen. Beide Untersuchungen wiesen keine höheren Konzentrationen auf (Bild 7).
 

Der Satzkoks wurde im Laufe der Versuchsreihen schrittweise reduziert, entsprechend wurde Petrolkoksstaub über die Versuchanlage eingeblasen, der Trend ist in Bild 8 dargestellt. Aus brennstofftechnischer Sicht ist besonders bedeutsam, dass offensichtlich für das erzielbare Austauschverhältnis Petrolkoksstaub/Gießkoks beim Eindüsen in den Schmelzbereich des Kupolofens tatsächlich das Verhältnis der Heizwerte (Hu GK/Hu PC ~0,83) ausschlaggebend ist und nicht der für die Beurteilung von festen Brennstoffen in metallurgischen Prozessen oftmals herangezogene fixe Kohlenstoff (Cfix=100-Asche-Flüchtige), da dieser bei beiden Brennstoffen fast identisch ist.
 

Prozessergebnisse im Langzeitversuch
Nach mehrmonatiger Petrolkoksstaubeindüsung unter Betriebsbedingungen bei einem konstanten Kokssatz von 7,8 % ist als Kernaussage festzuhalten, dass es bislang bei dieser Betriebsweise keine relevanten negativen Auswirkungen auf den Schmelzprozess gibt. Zudem führt die Substitution von Gießereikoks mit Petrolkoksstaub dazu, dass der CO-Gehalt im Gichtgas konstant auf hohem Niveau gehalten wird, was sich auch am Erdgasverbrauch der Brennkammer widerspiegelt (Bild 9).