DE4421673A1 - Verfahren zur Herstellung von Roheisen oder flüssigen Stahlvorprodukten aus eisenerzhältigen Einsatzstoffen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Roheisen oder flüssigen Stahlvorprodukten aus eisenerzhältigen EinsatzstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Roheisen oder flüssigen
Stahlvorprodukten aus eisenerzhältigen Einsatzstoffen, die in einem Reduktions-Schachtofen
mittels eines Reduktionsgases reduziert werden, wobei die erhaltenen reduzierten Eisenpartikel
in einem Einschmelzvergaser unter Zuführung von Kohle und sauerstoffhältigem Gas bei
gleichzeitiger Bildung des Reduktionsgases eingeschmolzen werden, das Reduktionsgas der
Reduktionszone des Reduktions-Schachtofens zugeführt und nach Durchtritt durch diesen als
Topgas abgezogen wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der EP-B 0 010 627 bekannt. Bei diesem wird
in der Einschmelzvergasungszone aus stückigen Kohlenstoffträgern durch Einblasen von
sauerstoffhältigem Gas ein Fließbett gebildet, in welchem die in der Direktreduktionszone
gebildeten und der Einschmelzvergasungszone von oben zugeführten Eisenschwammpartikel
abgebremst und geschmolzen werden. In der Direktreduktionszone fällt eine große Menge an
Topgas an, welches einen erheblichen Gehalt an Kohlenmonoxid und Wasserstoff aufweist.
Das bei diesem Verfahren entstehende Topgas besteht zum Großteil aus H₂ und CO₂, weist
jedoch auch noch einen beträchtlichen Anteil an CO auf. Kann dieses Topgas wirtschaftlich
genutzt werden, liegen die Erzeugungskosten für Roheisen bzw. Stahlvorprodukte sehr
niedrig.
Aus der DE-A 40 37 977 ist es bekannt, zur Erhöhung der Roheisenerzeugungskapazität
dieses Topgas nach einer Aufbereitung einem weiteren separaten Reduktionsschacht zur
Herstellung von weiterem Eisenschwamm zuzuleiten. Der für die weitere Verwendung des
Topgases hierbei störende CO₂-Anteil wird mittels physikalischer Adsorptionsanlagen
(Druckwechseladsorption) quantitativ aus dem Gas entfernt. Es entsteht somit ein kaltes CO-
und H₂-reiches Gas, welches nun wieder reduktionsaktiv ist und problemlos in einem weiteren
Reduktionsschacht verwendet werden kann.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Roheisenerzeugungskapazität eines Hüttenwerkes
durch Einsatz eines Hochofens zusätzlich zu dem eingangs beschriebenen Erzeugungsverfahren
zu erhöhen. Hierbei soll das in der Direktreduktionszone anfallende Topgas wirtschaftlich für
den Hochofen derart genutzt werden können, daß es zu einer Leistungssteigerung und/oder zur
Senkung des Koksverbrauches im Hochofen kommt.
Hierbei stellt sich jedoch das Problem, daß nach der Entfernung des für die Verwendung in
einem Hochofen störenden CO₂-Anteiles des Topgases das Topgas nur eine relativ niedrige
Temperatur aufweist, für eine wirtschaftlich und technisch sinnvolle Verwendung im Hochofen
jedoch eine Temperatur mindestens von etwa 800°C aufweisen sollte. Es ist daher erforderlich,
das vom CO₂ gereinigte Topgas zusätzlich zu erwärmen. Führt man eine solche Erwärmung in
einem Wärmetauscher durch, zerfällt der CO-Anteil des Topgases entsprechend dem
Boudouard-Gleichgewicht in elementaren Kohlenstoff (Ruß) und CO₂.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, diese Schwierigkeiten zu vermeiden und ein
Verfahren zur Herstellung von Roheisen oder flüssigen Stahlvorprodukten der eingangs
beschriebenen Art unter Ausnutzung des hohen Reduktionspotentials des dabei entstehenden
Topgases mit einem in einem Hochofen durchgeführten Reduktions- und Einschmelzverfahren
zu kombinieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
- - daß ein Teil der eisenerzhältigen Einsatzstoffe in einem Hochofen reduziert und eingeschmolzen wird,
- - daß dem aus dem Reduktions-Schachtofen austretenden Topgas CO₂ entzogen wird,
- - daß das weitgehend CO₂-freie Topgas mit heißem Stickstoff oder mit heißem stickstoff- und argonhältigem Gas vermischt und damit auf über 800°C erwärmt wird, wobei das Mischen in einer sehr kurzen Zeitspanne unter Vermeidung einer Umsetzung des CO- Gases durchgeführt wird, und
- - daß das erwärmte Topgas in den Hochofen als Reduktionsgas eingeleitet wird.
Durch das Vermischen des gereinigten Topgases mit heißem Stickstoff oder mit heißem
stickstoff- und argonhältigem Gas gelingt es, eine schnelle Aufheizung des Topgases unter
einer Umgehung der Zersetzung des CO-Anteiles des Topgases durchzuführen, da das
ungünstige Boudouard-Gleichgewicht extrem schnell durchlaufen werden kann.
Für eine besonders effiziente Erhitzung des gereinigten Topgases ist es vorteilhaft, wenn das
von CO₂ befreite Topgas vor seiner Aufheizung mit Hilfe des Stickstoffes oder des stickstoff-
und argonhältigen Gases rekuperativ oder regenerativ auf einen Temperaturbereich zwischen
400 und 500°C vorerwärmt wird.
Ein bis zu etwa 450°C bereits vorerhitztes gereinigtes Topgas läßt sich dann durch Mischen
mit dem heißen Stickstoff oder mit dem heißen stickstoff- und argonhältigen Gas in noch
kürzerer Zeit auf eine Temperatur von über 800°C erwärmen, so daß das ungünstige
Boudouard-Gleichgewicht noch schneller durchlaufen werden kann.
Zweckmäßig wird Stickstoff oder stickstoff- und argonhältiges Gas zugemischt, der bzw. das
eine Temperatur von etwa 1000°C aufweist, wobei der Stickstoff oder das stickstoff- und
argonhältige Gas vorteilhaft rekuperativ oder regenerativ aufgeheizt wird.
Besonders kostengünstig läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren verwirklichen, wenn der
Stickstoff von einer Sauerstofferzeugungsanlage abgeleitet wird, die für die Herstellung des in
den Einschmelzvergaser eingeleiteten sauerstoffhältigen Gases herangezogen wird.
Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
- - mit einem Reduktions-Schachtofen für stückiges Eisenerz, der eine Zuleitung für ein Reduktionsgas, eine Leitung für das in ihm gebildete Reduktionsprodukt sowie eine Topgas-Ableitung aufweist, und
- - mit einem Einschmelzvergaser, in den eine das Reduktionsprodukt aus dem Reduktions- Schachtofen zuführende Leitung mündet und der Zuleitungen für sauerstoffhältige Gase und Kohlenstoffträger sowie eine in den Reduktions-Schachtofen mündende Zuleitung für gebildetes Reduktionsgas sowie Abstiche für Roheisen und Schlacke aufweist,
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Topgas-Ableitung in eine CO₂-Entfernungseinrichtung
mündet, von der eine weitgehend CO₂-freies Topgas zu einer Mischeinrichtung führende
Leitung ausgeht, wobei in die Mischeinrichtung eine ein heißes Stickstoffgas oder ein heißes
stickstoff- und argonhältiges Gas zuführende Leitung mündet und von der Mischeinrichtung
eine das heiße Mischgas einem Hochofen zuführende Leitung ausgeht.
Vorzugsweise mündet die das heiße Mischgas dem Hochofen zuführende Leitung in die
Heißwindringleitung des Hochofens ein, so daß für den Hochofen keine Umbauten erforderlich
sind.
Zweckmäßig ist zwischen der CO₂-Entfernungseinrichtung und der Mischeinrichtung eine
Vorwärmeinrichtung, wie ein Rekuperator oder Regenerator, vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform geht die das Stickstoffgas zur Mischeinrichtung
zuführende Leitung von einer Sauerstofferzeugungsanlage aus, deren Sauerstoff-Leitung in den
Einschmelzvergaser mündet.
Vorteilhaft ist der Mischeinrichtung eine Heizeinrichtung für den Stickstoff oder das stickstoff-
und argonhältige Gas, wie ein Rekuperator oder Regenerator, vorgeordnet.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung in
schematischer Darstellung dargestellt ist, näher erläutert.
Mit 1 ist eine als Reduktions-Schachtofen ausgebildete Direktreduktionseinrichtung
bezeichnet, in deren Direkt-Reduktionszone 2 von oben über eine Zuleitung 3 stückige
eisenoxidhältige Einsatzstoffe 4, gegebenenfalls zusammen mit über eine Zuleitung 5
eingebrachten ungebrannten Zuschlägen, chargiert werden. Der Schachtofen 1 steht mit einem
Einschmelzvergaser 6 in Verbindung, in dem aus Kohlenstoffträgern und sauerstoffhältigem
Gas ein Reduktionsgas erzeugt wird, welches über eine Zuleitung 7 dem Schachtofen 1
zugeführt wird, wobei in der Zuleitung 7 eine Gasreinigungs- und eine Gaskühlungseinrichtung
8 vorgesehen sind.
Der Einschmelzvergaser 6 weist eine Zuführung 9 für feste, stückige Kohlenstoffträger,
Zuleitungen 10, 11 für sauerstoffhältige Gase und Zuleitungen 12, 13 für bei Raumtemperatur
flüssige oder gasförmige Kohlenstoffträger, wie Kohlenwasserstoffe, sowie für gebrannte
Zuschläge auf. In dem Einschmelzvergaser 6 sammelt sich unterhalb der
Einschmelzvergasungszone 15 schmelzflüssiges Roheisen 16 und schmelzflüssige Schlacke 17,
die über je einen eigenen Abstich 18, 19 getrennt abgestochen werden.
Das im Schachtofen 1 in der Direktreduktionszone 2 zu Eisenschwamm reduzierte stückige
Erz wird zusammen mit den in der Direktreduktionszone 2 gebrannten Zuschlägen über den
Schachtofen 1 mit dem Einschmelzvergaser 6 verbindende Leitungen 20 zugeführt,
beispielsweise mittels nicht dargestellter Austragsschnecken.
Am oberen Teil des Schachtofens 1 schließt eine Topgas-Ableitung 21 für das sich in der
Direktreduktionszone 2 bildende Topgas an. Dieses Topgas, das eine Temperatur von etwa
300°C aufweist, wird über eine Gasreinigungseinrichtung 22 einem CO₂-Wäscher 23
zugeleitet, bei dessen Eintritt es eine Temperatur von etwa 50°C aufweist. Die chemische
Zusammensetzung des Topgases lautet wie folgt:
35% CO₂
40% CO
20% H₂
5% N₂ u. a.
40% CO
20% H₂
5% N₂ u. a.
Nach Austritt aus dem CO₂-Wäscher weist das im wesentlichen CO₂-freie Topgas folgende
chemische Zusammensetzung auf:
60% CO
30% H₂
3% CO₂
7% N₂u. a.
30% H₂
3% CO₂
7% N₂u. a.
Es wird sodann mit einer Temperatur von 50°C einem Rekuperator oder einem Regenerator 24
zugeführt, in dem es auf eine Temperatur von etwa 450°C aufgewärmt wird. Danach gelangt
das gereinigte und im wesentlichen CO₂-freie Topgas in eine Mischeinrichtung 25 mit einer
Mischkammer 26, in der es mit heißem Stickstoff (oder mit heißem stickstoff- und
argonhältigem Gas) in einer sehr kurzen Zeitspanne gemischt und auf 850 bis 950°C aufgeheizt
wird. Der Stickstoff wird als Nebenprodukt aus einer Sauerstofferzeugungsanlage 27
gewonnen, die für die Herstellung des in den Einschmelzvergaser 6 eingeleiteten
sauerstoffhältigen Gases dient. Der Stickstoff, der über die Leitung 28 der Mischeinrichtung 25
zugeführt wird, wird vor Einleiten in die Mischkammer 26 in einem Rekuperator oder
Regenerator 29 auf etwa 1000°C erwärmt.
Das mit heißem Stickstoff in der Mischkammer 26 gemischte Topgas weist folgende chemische
Zusammensetzung auf:
30% CO
1,5% CO₂
15% H₂
53,5% N₂.
1,5% CO₂
15% H₂
53,5% N₂.
Das in der Mischkammer 26 aufgeheizte und von CO₂ im wesentlichen befreite Topgas wird
über eine Leitung 30 einer Heißwindringleitung 31 eines Hochofens 32 zugeführt. Dem
Hochofen, der von beliebiger herkömmlicher Bauart sein kann, werden über eine Zuleitung 33
von oben Erz 4 samt Zuschlägen zugeleitet. Schmelzflüssiges Roheisen 16 und schmelzflüssige
Schlacke 17 werden in üblicher Weise über eigene Abstiche 34, 35 abgestochen. Heißwind
kann über die Heißwindzuleitung 36 zugeführt werden.
Erfindungsgemäß ergehen sich folgende Vorteile:
- - Besonders effiziente Erweiterung der Roheisenherstellungskapazität bei bereits vorhandenem Hochofen durch das Direktreduktionsverfahren.
- - Wirtschaftliche Verwertung des bei dem Direktreduktionsverfahren anfallenden Topgases zur zusätzlichen Herstellung von Roheisen in vorhandenen Hochöfen.
- - Einsparung von Koks im Hochofen, da ein Teil der Vorreduktion (indirekte Reduktion) des Erzes mittels des eingedüsten gereinigten Topgases erfolgen kann.
- - Leistungssteigerung des Hochofens durch Erhöhung der Metallisierung des Möllers und damit Verbesserung des Wärmehaushaltes im Rast- und Herdbereich des Hochofens.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung von Roheisen oder flüssigen Stahlvorprodukten aus
eisenerzhältigen Einsatzstoffen (4), die in einem Reduktions-Schachtofen (1) mittels eines
Reduktionsgases reduziert werden, wobei die erhaltenen reduzierten Eisenpartikel in einem
Einschmelzvergaser (6) unter Zuführung von Kohle und sauerstoffhältigem Gas bei
gleichzeitiger Bildung des Reduktionsgases eingeschmolzen werden, das Reduktionsgas der
Reduktionszone (2) des Reduktions-Schachtofens (1) zugeführt und nach Durchtritt durch
diesen als Topgas abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein Teil der eisenerzhältigen Einsatzstoffe in einem Hochofen (32) reduziert und eingeschmolzen wird,
- - daß dem aus dem Reduktions-Schachtofen (1) austretenden Topgas CO₂ entzogen wird,
- - daß das weitgehend CO₂-freie Topgas mit heißem Stickstoff oder mit heißem stickstoff- und argonhältigem Gas vermischt und damit auf über 800°C erwärmt wird, wobei das Mischen in einer sehr kurzen Zeitspanne unter Vermeidung einer Umsetzung des CO- Gases durchgeführt wird, und
- - daß das erwärmte Topgas in den Hochofen (32) als Reduktionsgas eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von CO₂ befreite
Topgas vor seiner Aufheizung mit Hilfe des Stickstoffes oder des heißen stickstoff- und
argonhältigen Gases rekuperativ oder regenerativ auf einen Temperaturbereich zwischen 400
und 500°C vorerwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoff oder
stickstoff- und argonhältiges Gas zugemischt wird, der bzw. das eine Temperatur von etwa
1000°C aufweist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stickstoff oder das stickstoff- und argonhältige Gas rekuperativ oder regenerativ
aufgeheizt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stickstoff von einer Sauerstofferzeugungsanlage (27) abgeleitet wird, die für die
Herstellung des in den Einschmelzvergaser (6) eingeleiteten sauerstoffhältigen Gases
herangezogen wird.
6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5,
- - mit einem Reduktions-Schachtofen (1) für stückiges Eisenerz (4), der eine Zuleitung (7) für ein Reduktionsgas, eine Leitung (20) für das in ihm gebildete Reduktionsprodukt sowie eine Topgas-Ableitung (21) aufweist, und
- - mit einem Einschmelzvergaser (6), in den eine das Reduktionsprodukt aus dem Reduktions-Schachtofen (1) zuführende Leitung (20) mündet und der Zuleitungen (9 bis 13) für sauerstoffhältige Gase und Kohlenstoffträger sowie eine in den Reduktions- Schachtofen (1) mündende Zuleitung (7) für gebildetes Reduktionsgas sowie Abstiche (18, 19) für Roheisen (16) und Schlacke (17) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Topgas-Ableitung (21) in eine CO₂-Entfernungseinrichtung
(23) mündet, von der eine das weitgehend CO₂-freie Topgas zu einer Mischeinrichtung (25)
führende Leitung ausgeht, wobei in die Mischeinrichtung (25) eine ein heißes Stickstoffgas
oder ein heißes stickstoff- und argonhältiges Gas zuführende Leitung (28) mündet und von der
Mischeinrichtung (25) eine das heiße Mischgas einem Hochofen (32) zuführende Leitung (30)
ausgeht.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das heiße Mischgas dem
Hochofen (32) zuführende Leitung (30) in die Heißwindringleitung (31) des Hochofens (32)
einmündet.
8. Anlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der CO₂-
Entfernungseinrichtung (23) und der Mischeinrichtung (25) eine Vorwärmeinrichtung (24), wie
ein Rekuperator oder Regenerator, vorgesehen ist.
9. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die das Stickstoffgas zur Mischeinrichtung (25) zuführende Leitung (28) von einer
Sauerstofferzeugungsanlage (27) ausgeht, deren Sauerstoff-Leitung (10, 11) in den
Einschmelzvergaser (15) mündet.
10. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mischeinrichtung (25) eine Heizeinrichtung (29) für den Stickstoff oder das stickstoff- und
argonhältige Gas, wie ein Rekuperator oder Regenerator, vorgeordnet ist.
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