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DE102016122083A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen aus Eisenerz - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen aus Eisenerz Download PDF

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DE102016122083A1
DE102016122083A1 DE102016122083.3A DE102016122083A DE102016122083A1 DE 102016122083 A1 DE102016122083 A1 DE 102016122083A1 DE 102016122083 A DE102016122083 A DE 102016122083A DE 102016122083 A1 DE102016122083 A1 DE 102016122083A1
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DE
Germany
Prior art keywords
gas
reduction reactor
direct reduction
direct
electrolysis cell
Prior art date
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Pending
Application number
DE102016122083.3A
Other languages
English (en)
Inventor
Simon Kroop
Alexander Redenius
Ralph Schaper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Salzgitter Flachstahl GmbH
Original Assignee
Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Salzgitter Flachstahl GmbH filed Critical Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority to DE102016122083.3A priority Critical patent/DE102016122083A1/de
Priority to PCT/DE2017/100897 priority patent/WO2018091028A1/de
Priority to EP17801589.7A priority patent/EP3541964A1/de
Publication of DE102016122083A1 publication Critical patent/DE102016122083A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors (1) zur Herstellung von direktreduziertem Eisen (2) aus Eisenerz (3), wobei das bei der Herstellung von direktreduziertem Eisen (2) entstehende CO- und HO-haltige Gichtgas (4) aus dem Direktreduktionsreaktor (1) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das CO- und HO-haltige Gichtgas (4) einer Hochtemperaturelektrolysezelle (5) zugeführt wird, in welcher mittels Co-Elektrolyse CO und Henthaltendes Synthesegas (6) und Sauerstoff (7) erzeugt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direktreduziertem Eisen aus Eisenerz. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei im Vergleich zu bekannten Verfahren zur Herstellung von direktreduziertem Eisen insbesondere durch eine erhöhte Prozessökonomie aus, dadurch, dass konventionell erforderliche Verfahrensschritte eingespart werden können, sowie durch eine umweltfreundliche und Ressourcen schonende Verfahrensführung.
  • Stand der Technik
  • Im Stand der Technik wird direkt reduziertes Eisen insbesondere durch das ENERGIRON ZR-Verfahren (HYL-III-Verfahren) oder durch das MIDREX-Verfahren gewonnen. Bei beiden vorgenannten Verfahren werden stückige Eisenerze nach dem Gegenstromprinzip von einem Reduktionsgasgemisch reduziert. Der wesentliche Unterschied zwischen dem ENERGIRON ZR-Verfahren und dem MIDREX-Verfahren besteht dabei darin, dass das Reduktionsgasgemisch bei dem ENERGIRON ZR-Verfahren durch Spaltung von Erdgas direkt in dem Direktreduktionsreaktor erzeugt wird, während die Reduktionsgaserzeugung im MIDREX-Verfahren in einem dem Direktreduktionsreaktor vorgeschalteten Gasreformator erfolgt.
  • Das bei der Herstellung von direkt reduziertem Eisen in dem Direktreduktionsreaktor entstehende Gichtgas wird gemäß dem ENERGIRON ZR-Verfahren zum Abtrennen des enthaltenen Wassers gequenscht und dabei herabgekühlt. Nach einem weiteren Reinigungsschritt wird mit Hilfe von Aminen das im Gichtgas enthaltene CO2 herausgewaschen.
  • Gemäß dem MIDREX-Verfahren wird zwar auf den Schritt der CO2-Wäsche verzichtet, dafür ist bei diesem Verfahren allerdings ein zusätzlicher Schritt für die Spaltung des eingesetzten Erdgases und des rückgeführten, CO2-haltigen Prozessgases in einem separaten Reformator erforderlich.
  • Ebenfalls bekannt, jedoch nicht im Zusammenhang mit der Herstellung von direktreduziertem Eisen, ist das Verfahren der Co-Elektrolyse in einer Festoxid-Elektrolysezelle. So wird beispielsweise in Journal of The Electrochemical Society, 159 (8) F482-F489 (2012) die Co-Elektrolyse von H2O und CO2 zu H2, CO und O2 beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein alternatives Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Erzeugung von direkt reduziertem Eisen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, wobei sich das Verfahren bevorzugt durch einen gegenüber konventioneller Verfahrensführung reduzierten Energiebedarf sowie durch einen geringeren Bedarf an fossilen Brennstoffen und durch eine geringere CO2-Emission auszeichnet.
  • Allgemeine Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7 insbesondere durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direktreduziertem Eisen aus Eisenerz, wobei das bei der Herstellung von direkt reduziertem Eisen entstehende CO2- und H2O-haltige Gichtgas aus dem Direktreduktionsreaktor entfernt und einer Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt wird, in welcher mittels Co-Elektrolyse CO und H2 enthaltendes Synthesegas und Sauerstoff erzeugt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch die Ansprüche 8 bis 9 angegeben.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Eisenerz wie auch in konventionellen Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen von oben in einen Direktreduktionsreaktor gegeben und im Gegenstrom mit Reduktionsgas, insbesondere Erdgas und/oder Synthesegas kontaktiert. Infolge der Reduktion des Eisenerzes zu direkt reduziertem Eisen wird das Reduktionsgas selbst oxidiert, im Wesentlichen zu CO2 und H2O, welche im oberen Teil des Reaktors als Gichtgas aus diesem entfernt werden. Das CO2- und H2O-haltige Gichtgas enthält in der Regel außerdem noch H2, CO, N2 sowie CH4. Es weist eine Temperatur von ca. 450 °C und einen Druck von ca. 6-8 bar auf.
  • Anders als bei konventionellen Verfahren wird das CO2- und H2O-haltige Gichtgas nach dem Verlassen des Direktreduktionsreaktors erfindungsgemäß jedoch nicht zwecks Wasserentfernung gequenscht und auch nicht zwecks CO2-Entfernung einer Aminwäsche unterzogen, sondern das CO2- und H2O-haltige Gichtgas wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren einer Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt, in welcher aus dem CO2- und H2O-haltigen Gas mittels Co-Elektrolyse Synthesegas, d.h. CO und H2, sowie Sauerstoff erzeugt werden.
  • Die Hochtemperaturelektrolysezelle ist bevorzugt eine Festoxid-Elektrolysezelle, welche einen Elektrolyten aufweist, der bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 800-900 °C ionenleitfähig ist. Insbesondere ist der Elektrolyt bei den vorgenannten Temperaturen leitfähig für Sauerstoffionen.
  • Optional wird das CO2- und H2O-haltige Gichtgas vor der Zuführung zur Hochtemperaturelektrolysezelle vorgereinigt, z.B. in einer Einrichtung zur Vorreinigung. Bei der Vorreinigung werden insbesondere Staubpartikel entfernt, weshalb die Einrichtung zur Vorreinigung bevorzugt ein Staubfilter ist.
  • Da das CO2- und H2O-haltige Gichtgas beim Verlassen des Direktreduktionsreaktors eine Temperatur von etwa 450 °C aufweist, wird dieses vor der Zuführung zur Hochtemperaturelektrolysezelle vorzugsweise erwärmt, insbesondere auf Temperaturen oberhalb von 800 °C, z.B. auf 850-1000 °C und bevorzugt auf etwa 900-950 °C. Die Erwärmung des CO2- und H2O-haltigen Gichtgases kann z.B. in einer Einrichtung zur Nacherwärmung erfolgen, welche über eine Leitung mit dem Direktreduktionsreaktor verbunden ist.
  • Das Druckniveau des aus dem Direktreduktionsreaktor kommenden CO2- und H2O-haltigen Gichtgases wird bevorzugt bis zu dessen Zuführung zur Hochtemperaturelektrolysezelle erhalten. Dies sind in der Regel 6-8 bar.
  • In der Hochtemperaturelektrolysezelle erfolgt die Co-Elektrolyse des optional vorgereinigten und/oder nacherwärmten CO2- und H2O-haltigen Gichtgases, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 850 und 950 °C. An der Kathode werden dabei unter Anlegen von elektrischem Strom CO2 und H2O zu CO und H2 umgesetzt. Die bei der Umsetzung freiwerdenden Sauerstoffionen wandern durch den Elektrolyten, welcher insbesondere ein Festoxid umfasst oder daraus besteht, und werden an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in der Hochtemperaturelektrolysezelle durch Co-Elektrolyse des CO2- und H2O-haltigen Gichtgases entstehenden Produkte sind somit CO, H2 und O2.
  • Das in der Hochtemperaturelektrolysezelle gebildete Synthesegas kann anschließend in verschiedenen Verfahren eingesetzt werden, insbesondere in der chemischen Industrie, z.B. als Ausgangsstoff in der Methanolherstellung, oder in der Stahlindustrie, z.B. in Feuerungsanlagen oder als Reduktionsgas.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das an der Kathode der Hochtemperaturelektrolysezelle gebildete Synthesegas anschließend wieder als Reduktionsgas dem Direktreduktionsreaktor zugeführt. Auf diese Weise muss deutlich weniger Erdgas/Synthesegas von extern als Reduktionsgas in den Direktreduktionsreaktor geleitet werden, wodurch natürliche Ressourcen geschont werden. Außerdem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auch die CO2-Emission reduziert, da das in dem Gichtgas enthaltene CO2 nicht wie in herkömmlichen Verfahren abgetrennt wird, sondern in der Hochtemperaturelektrolysezelle zu CO umgesetzt wird.
  • Das in der Hochtemperaturelektrolysezelle erzeugte Synthesegas weist beim Verlassen der Elektrolysezelle bevorzugt eine Temperatur zwischen 850 und 950 °C auf. Bevor es gemäß der bevorzugten Ausführungsform wieder als Reduktionsgas in den Direktreduktionsreaktor geleitet wird, wird das Synthesegas vorzugsweise in einer Einrichtung zur Gaserwärmung auf ca. 1000 °C erwärmt und von dort in den Reaktor geleitet.
  • Der in der Hochtemperaturelektrolysezelle entstehende Sauerstoff kann vorteilhafterweise ebenfalls für verschiedene industrielle Prozesse genutzt werden, so zum Beispiel im Hüttenwerk zum Betreiben eines Konverters oder eines Hochofens. Alternativ kann der Sauerstoff auch wieder zum Beheizen des Direktreduktionsreaktors verwendet werden.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in der Hochtemperaturelektrolysezelle erzeugte Sauerstoff zum Beheizen der Einrichtung zur Gaserwärmung verwendet, in der das in den Direktreduktionsreaktor einzubringende Synthesegas und/oder Erdgas auf ca. 1000 °C erwärmt wird. In der Einrichtung zur Gaserwärmung, bevorzugt einem Gaserhitzer, wird das Reduktionsgas dabei insbesondere mittels eines mit reinem Sauerstoff betriebenen Oxyfuel-Brenners erhitzt, was nicht nur den Vorteil mit sich bringt, dass auf diese Weise höhere Temperaturen erreicht werden können als bei Verbrennung mit Luft, sondern auch, dass kein Stickstoff in das System eingeführt wird. Das in der Einrichtung zur Gaserwärmung entstehende Abgas besteht daher in dieser Ausführungsform im Wesentlichen aus H2O und CO2 und enthält keine Stickoxide. Daher wird das in der Einrichtung zur Gaserwärmung entstehende Abgas bevorzugt auch wieder der Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt, optional nach vorheriger Nacherwärmung.
  • Der Kohlenstoff, der in Form von Reduktionsgas in den Direktreduktionsreaktor eingebracht wird, wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren daher bevorzugt im Wesentlichen im Kreis gefahren: Im Direktreduktionsreaktor wird der im Erdgas und/oder CO enthaltene Kohlenstoff zu CO2 umgesetzt, das anschließend in der Hochtemperaturelektrolysezelle wieder zu CO reduziert wird und so wieder zusammen mit dem ebenfalls gebildeten H2 als Reduktionsgas für weitere Reduktionsprozesse im Direktreduktionsreaktor zur Verfügung steht. In diesem Kohlenstoff-Kreislauf wird lediglich ein geringer Anteil des Kohlenstoffs in Form des hergestellten direktreduzierten Eisens gebunden, welches in der Regel einen Kohlenstoffgehalt von etwa 4 Gew.-% aufweist. Um diesen geringen Verlust an Kohlenstoff auszugleichen, muss ein geringer Anteil einer Kohlenstoffquelle in das Verfahren eingeführt werden, z.B. in Form von Erdgas, welches in den Direktreduktionsreaktor geleitet wird.
  • Neben den bereits genannten Vorteilen, die das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf die Umwelt mit sich bringt, zeichnet sich das Verfahren überdies durch ein hohes Energieeinsparpotential aus. Zum einen können nämlich mehrere bei konventionellen Verfahren erforderliche Verfahrensstufen entfallen, so insbesondere die im ENERGIRON ZR-Verfahren zwecks H2O-Entfernung erforderliche Abkühlung des CO2- und H2O-haltigen Gichtgases, die anschließende Trocknung sowie die zur Entfernung von CO2 erforderliche Aminwäsche oder die im MIDREX-Verfahren erforderliche Dampfreformierung in einem separaten Reformator. Zum anderen wird die in dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehende Abwärme sehr effizient genutzt. Denn das CO2- und H2O-haltige Gichtgas, das den Direktreduktionsreaktor mit einer Temperatur von etwa 450 °C und einem Druck von etwa 6-8 bar verlässt, wird erfindungsgemäß nicht abgekühlt, sondern unter Erhaltung des Druckniveaus auf etwa 800-1000 °C erhitzt, bevor es der Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt wird. Das die Hochtemperaturelektrolysezelle in dem erfindungsgemäßen Verfahren verlassende Synthesegas hat eine Temperatur von etwa 900-950 °C und muss nur vergleichsweise geringfügig erhitzt werden, bis es mit etwa 1000 °C wieder dem Direktreduktionsreaktor zugeführt werden kann.
  • Da das in einem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Synthesegas gemäß der bevorzugten Ausführungsform wieder als Reduktionsmittel dem Direktreduktionsreaktor zugeführt wird, betrifft die Erfindung auch die Verwendung des in einem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Synthesegases als Reduktionsmittel für die Reduktion von Eisenerz in einem Direktreduktionsreaktor.
  • Außerdem betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direktreduziertem Eisen aus Eisenerz, die einen Direktreduktionsreaktor und eine Hochtemperaturelektrolysezelle umfasst, wobei der Direktreduktionsreaktor mit der Hochtemperaturelektrolysezelle über eine Rohrleitung zum Transport des Synthesegases verbunden ist.
  • In dem Direktreduktionsreaktor erfolgt die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebene Reduktion des Eisenerzes durch Reduktionsgas, das insbesondere CO und H2 enthält oder daraus besteht. Das dabei entstehende CO2- und H2O-haltige Gichtgas verlässt den Reaktor durch die Leitung, mittels derer der Reaktor mit der Hochtemperaturelektrolysezelle verbunden ist. Da das CO2- und H2O-haltige Gichtgas vor der Zuführung zur Hochtemperaturelektrolysezelle bevorzugt vorgereinigt und/oder nacherwärmt wird, ist in der Rohrleitung zwischen dem Direktreduktionsreaktor und der Hochtemperaturelektrolysezelle bevorzugt auch eine Einrichtung zur Vorreinigung und/oder eine Einrichtung zur Nacherwärmung angeordnet. Die optionale Einrichtung zur Vorreinigung ist dabei insbesondere ein Staubfilter und die optionale Einrichtung zur Nacherwärmung ist bevorzugt eingerichtet, das CO2- und H2O-haltige Gichtgas auf eine Temperatur oberhalb von 800 °C zu erwärmen, insbesondere auf etwa 850-950 °C. Die Leitung, mittels derer der Direktreduktionsreaktor mit der Hochtemperaturelektrolysezelle verbunden ist, kann daher faktisch aus mehreren Leitungsstücken bestehen, z.B. aus einem Leitungsstück zwischen dem Direktreduktionsreaktor und der Einrichtung zur Vorreinigung, einem weiteren Leitungsstück zwischen der Einrichtung zur Vorreinigung und der Einrichtung zur Nacherwärmung und noch einem weiteren Leitungsstück zwischen der Einrichtung zur Nacherwärmung und der Hochtemperaturelektrolysezelle.
  • Das in der Hochtemperaturelektrolysezelle erzeugte Synthesegas wird wie vorstehend beschrieben bevorzugt wieder als Reduktionsgas dem Direktreduktionsreaktor zugeführt. Daher ist die Hochtemperaturelektrolysezelle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt noch über eine weitere Rohrleitung mit dem Direktreduktionsreaktor verbunden, durch welche Synthesegas von der Hochtemperaturelektrolysezelle in den Direktreduktionsreaktor geleitet wird. In dieser Leitung ist vorzugsweise eine Einrichtung zur Gaserwärmung angeordnet, die eingerichtet ist, das Synthesegas auf ca. 950-1000 °C zu erhitzen.
  • Bevorzugt umfasst die Einrichtung zur Gaserwärmung einen Oxyfuel-Brenner, mit dem das Synthesegas vor der Einleitung in den Reaktor erwärmt wird. Der zum Betreiben des Oxyfuel-Brenners erforderliche Sauerstoff ist bevorzugt der in der Hochtemperaturelektrolysezelle durch Co-Elektrolyse erzeugte Sauerstoff. Dementsprechend ist die Hochtemperaturelektrolysezelle in dieser Ausführungsform über eine Rohrleitung mit dem Oxyfuel-Brenner verbunden.
  • Da für den Fall, dass die Erwärmung des Synthesegases in der Einrichtung zur Gaserwärmung mittels eines Oxyfuel-Brenners erfolgt, das in der Einrichtung zur Gaserwärmung entstehende Abgas im Wesentlichen aus H2O und CO2 besteht und insbesondere keinen Stickstoff enthält, kann das CO2- und H2O-haltige Abgas wieder zwecks Co-Elektrolyse der Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt werden. Dazu ist die Einrichtung zur Gaserwärmung in dieser Ausführungsform über eine weitere Leitung mit der Hochtemperaturelektrolysezelle verbunden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin noch eine Zuführeinrichtung, zum Beispiel eine Rohrleitung oder ein Transportband, für die Einbringung einer Kohlenstoffquelle in das System auf. Denn auch wenn der im System befindliche Kohlenstoff erfindungsgemäß als CO zurückgewonnen wird und so für weitere Reduktionsprozesse zur Verfügung steht, wird doch immer ein geringer Anteil an Kohlenstoff in dem gebildeten direktreduzierten Eisen gebunden und muss aus externer Quelle ersetzt werden. Die Zuführeinrichtung mündet entweder direkt in den Direktreduktionsreaktor oder bevorzugt in die Einrichtung zur Gaserwärmung.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen und mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen
    • - die 1 ein Prozessschaubild für die Herstellung von direktreduziertem Eisen mittels eines konventionell betriebenen Direktreduktionsreaktors zeigt,
    • - die 2 ein Prozessschaubild für die Herstellung von direktreduziertem Eisen mittels eines nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Direktreduktionsreaktors zeigt, und
    • - die 3 ein Prozessschaubild für die Herstellung von direktreduziertem Eisen mittels eines nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Direktreduktionsreaktors zeigt.
  • Die 1 zeigt ein Prozessschaubild für die Herstellung von direktreduziertem Eisen mittels eines konventionell betriebenen Direktreduktionsreaktors, beispielsweise nach dem ENERGIRON ZR-Verfahren.
  • In dem konventionellen Direktreduktionsprozess wird Eisenerz 3 in einen Direktreduktionsreaktor 1 gegeben und zur Reduktion im Gegenstrom mit Reduktionsgas 16 kontaktiert, welches vorher in einer Einrichtung zur Gaserwärmung 9 durch eingeleitetes Heiz- oder Brenngas 18 unter CO2-Emission auf ca. 925 °C erhitzt wurde. In dem Direktreduktionsreaktor 1 entsteht dabei direktreduziertes Eisen 2. Im oberen Teil des Reaktors 1 wird das bei der Reduktion entstehende CO2- und H2O-haltige Gichtgas 4 aus dem Reaktor 1 entfernt. Zwecks Kühlung des Gichtgases 4 zur Abtrennung des enthaltenen Wassers wird dieses durch einen Wärmetauscher 17 und anschließend durch einen Lufttrockner 13 geleitet. Nach Durchströmen eines Prozessgaskompressors 14 durchläuft das Gichtgas eine CO2-Wäsche 15. Der nach Entfernung des CO2 übrigbleibende CO- und H2-haltige Gasstrom wird in der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 vortemperiert und anschließend wieder in den Direktreduktionsreaktor 1 geleitet.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors 1 können wesentliche Verfahrensschritte des in 1 schematisch dargestellten konventionellen Prozesses zur Herstellung von direktreduziertem Eisen 2 eingespart werden, wie anhand der 2 und 3 ersichtlich ist.
  • 2 zeigt das Prozessschaubild zur Durchführung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie auch in dem konventionellen Direktreduktionsprozess wird Eisenerz 3 in einen Direktreduktionsreaktor 1 gegeben und zur Reduktion im Gegenstrom mit Reduktionsgas 16 kontaktiert. Das dabei entstehende CO2- und H2O-haltige Gichtgas 4, welches eine Temperatur von etwa 450 °C und einen Druck von 6-8 bar aufweist, wird über die aus mehreren Leitungsstücken bestehende Leitung 11 aus dem Reaktor 1 entfernt und unter Erhalt des Druck- und Temperaturniveaus optional zunächst einer Einrichtung zur Vorreinigung 8 zugeführt, die vorzugsweise ein Staubfilter ist. Anschließend wird das CO2- und H2O-haltige Gichtgas 4 weiter optional einer Einrichtung zur Nacherwärmung 12 zugeführt, in der es auf ca. 850-950 °C erwärmt wird, bevor es der nachgeordneten Hochtemperaturelektrolysezelle 5 zugeführt wird. Anstelle der separaten Einrichtung zur Nacherwärmung 12 kann das CO2- und H2O-haltige Gichtgas 4 auch mittels der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 auf eine Temperatur von ca. 850-950 °C erwärmt werden.
  • In der Hochtemperaturelektrolysezelle 5, die bevorzugt einen Elektrolyten aufweist, der ein Festoxid umfasst oder daraus besteht, werden durch Co-Elektrolyse des CO2- und H2O-haltigen Gichtgases 4 bei ca. 950 °C Synthesegas 6 und Sauerstoff 7 erzeugt. Das Synthesegas 6 wird wie auch von extern zugeführtes Reduktionsgas 16 mittels der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 noch weiter erwärmt, insbesondere bis auf ca. 1000 °C, bevor es als Reduktionsmittel für weitere Reduktionsprozesse wieder in den Direktreduktionsreaktor 1 geleitet wird. Der in der Hochtemperaturelektrolysezelle entstehende Sauerstoff 7 wird ebenfalls dem Direktreduktionsreaktor 1 wieder zugeführt.
  • In 3 ist ein Prozessschaubild zu einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dieses unterscheidet sich von der schematisch in 2 gezeigten Verfahrensführung im Wesentlichen dadurch, dass der in der Hochtemperaturelektrolysezelle 5 entstehende Sauerstoff 7 zum Erhitzen des Synthesegases 6 mittels eines Oxyfuel-Brenners in der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 verwendet wird. Da der Oxyfuel-Brenner mit reinem Sauerstoff betrieben wird, besteht das in der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 entstehende Abgas im Wesentlichen aus CO2 und H2O und enthält insbesondere keine Stickoxide, sodass das CO2- und H2O-haltige Abgas 10 aus der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 wieder zwecks neuer Co-Elektrolyse der Hochtemperatur-elektrolysezelle 5 zugeführt werden kann, optional nach Erwärmung in der Einrichtung zur Nacherwärmung 12. Das CO2- und H2O-haltige Abgas 10 aus der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 kann daher zunächst mit dem CO2- und H2O-haltigen Gichtgas 4 vereint und dann der Einrichtung zur Nacherwärmung 12 zugeführt werden, in der das Gas wieder auf ca. 850-950 °C erhitzt wird und anschließend der Hochtemperaturelektrolysezelle 5 zugeführt wird. Dadurch, dass der CO2 Kreislauf annähernd geschlossen ist, wird im Vergleich mit den Stand der Technik deutlich weniger CO2 in die Atmosphäre abgegeben.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Figuren sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Direktreduktionsreaktor
    2
    Direktreduziertes Eisen
    3
    Eisenerz
    4
    CO2- und H2O-haltige Gichtgas
    5
    Hochtemperaturelektrolysezelle
    6
    Synthesegas
    7
    Sauerstoff
    8
    Einrichtung zur Vorreinigung
    9
    Einrichtung zur Gaserwärmung
    10
    CO2-und H2O-haltiges Abgas
    11
    Rohrleitung
    12
    Einrichtung zur Nacherwärmung
    13
    Lufttrockner
    14
    Prozessgaskompressor
    15
    CO2-Wäsche
    16
    Reduktionsgas
    17
    Wärmetauscher
    18
    Heiz-oder Brenngas

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors (1) zur Herstellung von direktreduziertem Eisen (2) aus Eisenerz (3), wobei das bei der Herstellung von direktreduziertem Eisen (2) entstehende CO2- und H2O-haltige Gichtgas (4) aus dem Direktreduktionsreaktor (1) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2- und H2O-haltige Gichtgas (4) einer Hochtemperaturelektrolysezelle (5) zugeführt wird, in welcher mittels Co-Elektrolyse CO und H 2 enthaltendes Synthesegas (6) und Sauerstoff (7) erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Co-Elektrolyse entstehende Synthesegas (6) wieder als Reduktionsmittel dem Direktreduktionsreaktor (1) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2- und H2O-haltige Gichtgas (4) vor dessen Zuführung zur Hochtemperaturelektrolysezelle (5) auf 850-1000 °C erwärmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2- und H2O-haltige Gichtgas (4) vor der Zuführung zur Hochtemperaturelektrolysezelle (5) einer Einrichtung zur Vorreinigung (8) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Co-Elektrolyse erzeugte Synthesegas (6) vor der Zuführung zum Direktreduktionsreaktor (1) in einer Einrichtung zur Gaserwärmung (9) auf ca. 1000 °C erwärmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Co-Elektrolyse erzeugte Sauerstoff (7) für die Erwärmung des Synthesegases (6) in der Einrichtung zur Gaserwärmung (9) verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Erwärmung des Synthesegases (6) in der Einrichtung zur Gaserwärmung (9) entstehende CO2- und H2O-haltige Abgas (10) der Hochtemperaturelektrolysezelle (5) zugeführt wird.
  8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 umfassend einen Direktreduktionsreaktor (1) und eine Hochtemperaturelektrolysezelle (5), die mit dem Direktreduktionsreaktor (1) verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Direktreduktionsreaktor (1) und der Hochtemperaturelektrolysezelle eine Einrichtung zur Vorreinigung (8) und/oder eine Einrichtung zur Nacherwärmung (12) des im Kreis geführten Synthesegases angeordnet ist.
  10. Verwendung des mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugten Synthesegases (6) als Reduktionsmittel für die Reduktion von Eisenerz (3) in einem Direktreduktionsreaktor (1).
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