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Verfahren zum Verhütten eisenhaltige Erze im Hochofen.
Es ist seit langem das Bestreben der Eisenhüttenindustrie, beim Hochofenbetrieb die Menge des erforderlichen teueren Brennstoffes herabzusetzen und im allgemeinen die Wärmewirtschaft des
Hochofenbetriebes zu verbessern. Zu diesem Zwecke wurden die verschiedensten Vorschläge gemacht.
Eine Art der diesbezüglichen Vorschläge beruhte darauf, in den Unterteil des Hochofen neben der Heissluft oder gegebenenfalls neben Sauerstoff zur teilweisen oder vollen Deckung des Kohlenstoffbedarfes Brennstoffe oder kohlenstoffhaltige Reduktionsgas, also Sauerstoffverbraucher, einzuführen, die dann im Hochofen selbst verbrannt werden. So wurde bereits vorgeschlagen (D. R. P. Nr. 105144), in den Heisswind Kohlenwasserstoffe einzuspritzen und die Produkte der unvollkommenen Verbrennung derselben in den Hochofen einzuführen. Es wurde ferner der Vorschlag gemacht (D. R. P. Nr. 55049), die Einführung des ganzen erforderlichen Brennmaterials und der Verbrennungsmittel durch vertikal angeordnete Düsenreihen voneinander getrennt vorzunehmen.
Es wurde auch in Vorschlag gebracht (französische Patentschrift Nr. 466241), in den Hochofen die Gichtgas als Brennmaterial zurück- zuführen und durch besondere Leitungen Sauerstoff einzublasen.
Eine andere Art der bekannten Verfahren (österreichische Patentschrift Nr. 128326) sucht die Verminderung des Brennstoffverbrauches und die Regelung der Temperatur im Hochofen dadurch zu erreichen, dass zusätzliche gasförmige Brennstoffe im Windleitungssystem verbrannt werden.
Bei einer weiteren Art der bekannten Verfahren wird dem Hochofen an Stelle der Heissluft lediglich ein Gemisch von Kohlensäure und Stickstoff zugeführt (britische Patentschrift Nr. 248633), das ausserhalb des Hochofen durch Verbrennung eines Primärbrennstoffes mit Luft hergestellt wird, wobei die Erze und der Koks-zwecks wechselweiser Reduktion und Schmelzung der ersterenschichtenweise gegichtet werden. Zu dieser Gattung der bekannten Verfahren gehört auch jenes Verfahren (amerikanische Patentschrift Nr. 874336), bei welchem die Kohlensäure ausserhalb des Hochofens durch Verbrennung von in einem Gaserzeuger entwickelten Kohlenoxyd mittels Luft gebildet und nach Zusetzen von Wasserdampf in den Hochofen eingeblasen wird, wobei die Verhüttung ausschliesslich durch diesen Gasstrom erfolgen soll, ohne von oben Koks einzuführen.
Schliesslich soll nach einem andern bekannten Verfahren (amerikanische Patentschrift Nr. 1742750) die Reduktion der Eisenerze im Hochofen mittels Kohlenoxyd durchgeführt werden, zu dessen Erzeugung ein Gemisch von Sauerstoff und Kohlensäure mit dem glühenden Kohlenstoff der Beschickung in innige Berührung gebracht wird ; die Kohlensäure soll hiebei als Verdünnungsmittel des Sauerstoffes und als Kühlmittel dienen, um durch ihre stark endothermische Reduktion die bei Verbrennung der Kohle mit Sauerstoff entstehenden sehr hohen Temperaturen möglichst weit (unter 10000 C) herabzusetzen. Zu diesem Zwecke kann dem Gemisch von Sauerstoff und Kohlensäure gegebenenfalls auch Wasserdampf zugesetzt werden.
Die Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren, bei welchem dem Hochofen-ähnlich wie bei dem letztgenannten Verfahren-ein aus Kohlensäure, Wasserdampf, Sauerstoff und gegebenenfalls etwas Stickstoff bestehendes Gasgemisch zugeführt wird, wobei der Hochofen mit einem unmittelbar vorgeschalteten Verbrennungsraum versehen ist, aber kein Windleitungssystem aufweist.
Erfindungsgemäss wird nun zur Bildung des genannten Gemisches im vorgeschalteten Verbrennungsraum ein beliebiger Brennstoff (Primärbrennstoff) mit überschüssigem kaltem oder vorgewärmtem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in Anwesenheit von Wasserdampf restlos zur vollständigen Verbrennung gebracht und das hiebei entstehende, freien Sauerstoff ent-
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herzustellen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kann wie folgt erläutert werden : Wird dem Hochofen ein heisses Verbrennungsgasgemisch der genannten Zusammensetzung zuge führt, so können die Bestandteile dieses Gemisches folgende Reaktionen herbeiführen bzw. erleiden :
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(Der in den Gleichungen angegebene C ist der von oben eingeführte sogenannte fixe Kohlenstoff oder Sekundärbrennstoff.)
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der endothermen Reaktionen. J und 3 zu deeken ; um diesen Unterschied der aufzuwendenden und der entstehenden Wärmemengen zu decken, muss eben dem Hochofen zusätzliche Wärme zugeführt werden.
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Ob und in welchem Masse neben der Reaktion 1 auch die Reaktion 2 bzw. 3 vor sich geht, hängt von der Menge des von unten zugeführten freien O2 ab, vorausgesetzt, dass in den Hochofen von oben eine bestimmte C-Menge beschickt wird. Je mehr C nämlich für die Reaktion 1 verbraucht wird, d. h. je
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erleiden. Im einen theoretischen Grenzfalle also, wenn für die Reaktion 1 der gesamte fixe C verbraucht wird (d. h. von unten so viel freier O2 zugeführt wird, als zur Umwandlung der Gesamtmenge des fixen C in CO erforderlich ist). wird für die Reaktionen 2 und 3 kein fixer C mehr vorhanden sein, so dass
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das CO2 und H20 durch den Hochofen unter Abgabe ihrer fühlbaren Wärme unverändert hindurchziehen.
Im andern theoretischen Grenzfalle wird dagegen die Gesamtmenge des von unten eingeführten H2O und CO2 umgesetzt. Zwischen diesen Grenzfällen sind unzählige Möglichkeiten vorhanden. Durch Regelung der Bestandteile des von unten einzuführenden Gasgemisches hat man also vollkommen in
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ganz oder teilweise zersetzt wird.
Zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes sei noch folgendes erwähnt :
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werden, dass zur Verbrennung des fixen Kohlenstoffes im Hochofen von den Bestandteilen des zugeführten Gasgemisches lediglich der freie Sauerstoff und der gebundene Sauerstoff des Wasserdampfes, der
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letztere teilweise oder ganz, verbraucht werden, die Kohlensaure dagegen an der Verbrennung nicht teilnimmt.
Es ist zu bemerken, dass die Verfahrensweise gemäss der Erfindung praktisch erprobt wurde und die Richtigkeit der Theorie in bezug auf das Nichtzersetzen der Kohlensäure voll bewiesen hat. Diese
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der im Reaktionsraum des Hochofen verlaufenden Reaktionen aufstellt :
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und dann die Gleichgewichtskonstante, d. h. das Produkt der Konzentrationen der Ausgangsstoffe geteilt durch das Produkt der Konzentrationen der Endstoffe, bildet :
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In dieser Konstante fällt die ('0"aus, weil sie sowohl im Zähler als auch im Nenner vorkommt.
Dies beweist, dass die Kohlensäure an der Reaktion nicht teilnimmt.
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dass zunächst die Verbrennung des Kohlenstoffes zu CO stattfindet und dann die Zersetzung des H20 ein- setzt, weil der Wärmeverbrauch dieser endothermischen Reaktion kleiner ist als der der CO2-Zersetzung.
Vorausgesetzt, dass auch die Konzentrationen bzw. Partialdrücke der Bestandteile des Gemisches und das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur Reaktionsgeschwindigkeit entsprechend gewählt sind, wird die CO2 im Reaktionsraum des Hochofen nicht in Reaktion treten, vielmehr unverändert durch den Hochofen hindurchziehen.
Der bei dem Verfahren gemäss der Erfindung verwendete Primärbrennstoff kann beliebiger
Beschaffenheit sein. Es können beispielsweise minderwertige feste Brennstoffe, wie junge Braunkohlen,
Torf, Sägespäne, Kohlenstaub, ferner flüssige Brennstoffe, wie Öl, Teer, und gasförmige Brennstoffe, wie Generatorgas, Gichtgas usw., verwendet werden. Der Zusatz von Wasserdampf richtet sich nach dem Feuchtigkeitsgehalt des Primärbrenhstoffes. Der in den Hochofen von oben einzuführende Brenn- stoff (Sekundärbrennstoff) ist Koks, Holz, Holzkohle u. dgl. Als zu verhüttende Stoffe kommen sämtliche eisenhaltigen Erze, also auch die minderwertigsten, wie z. B. eisenhaltige Kohlensorten, in Betracht.
Werden eisenhaltige Kohlensorten verarbeitet, so wird sich in manchen Fällen die Verwendung eines besonderen Sekundärbrennstoffes erübrigen, weil der zu verhütende Stoff selbst den Sekundärbrennstoff enthält. Die Erze, insbesondere eisenhaltige Bauxite, können auch in Form von Briketts in den Hochofen eingeführt werden, welche aus den ersteren mit Kohlenstoff und/oder Zusätzen gebildet sind.
Die grossen Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind unter anderem die folgenden :
1. Verminderung des Verbrauches an Koks (Holzkohle). Der Koks oder die Holzkohle wird zum Teil durch einen bedeutend billigeren Primärbrennstoff ersetzt, weil ein erheblicher Teil der im Prozess erforderlichen Wärme durch die fühlbare Wärme des dem Hochofen zugeführten primären Verbrennungsgasgemisches geliefert wird.
2. Erzielung von günstigeren Reaktionsbedingungen. Die Bildung der primären Verbrennungsprodukte geht ausserhalb des Hochofen vor sich und der Sauerstoff und die Sauerstoffträger treten mit einer sehr hohen Temperatur, also in einem für die Reaktionen besonders günstigen Zustande in den Reduktionsraum. Die Reaktion des freien Sauerstoffes und des im Wasserdampf enthaltenen gebundenen Sauerstoffes mit dem Kohlenstoff des Kokses oder der Holzkohle ergibt Reduktionsgase (Kohlenmonoxyd und Wasserstoff), die die indirekte Reduktion fördern, so dass sieh das Verhältnis der direkten zur indirekten Reduktion in vorteilhafter Weise zugunsten der letzteren verschiebt.
Der Wasserstoff des im Hochofen zersetzten Wasserdampfes wirkt in dieser Beziehung besonders günstig ein, weil er eines der besten Reduktionsmittel bildet und ausserdem eine die Reduktion fördernde katalytische Wirkung ausübt. Die Kohlensäure, die einen Hauptbestandteil des primären Verbrennungsgasgemisehes bildet, dient lediglich als Wärmeträger und nimmt an den Reaktionen überhaupt nicht teil, so dass für die stark endothermische Zersetzung der Kohlensäure keine Wärme verbraucht wird. Die Kohlensäure stellt übrigens infolge ihrer hohen spez. Wärme einen vorzüglichen Wärmeträger dar. Die Wärmebilanz des Hochofen fällt also sehr günstig aus.
Nachdem ferner der Primärbrennstoff mittels Sauerstoff oder mit Sauerstoff hoehangereieherter Luft verbrannt wird, so wird der bisher unumgängliche Stickstoffballast ganz oder teilweise beseitigt.
3. Erzielung eines hochwertigen Gichtgases von regelbarer Zusammensetzung.
Der Heizwert der Gichtgas wird bedeutend erhöht, weil sie verhältnismässig viel Kohlenmonoxyd und Wasserstoff und wenig oder überhaupt keinen Stickstoff enthalten. Die Zusammensetzung der Gichtgas kann durch Änderung des Sauerstoff-, Wasserdampf-bzw. Kohlensäuregehaltes im eingeführten Gasgemisch je nach den Anforderungen geregelt werden, so dass die Gichtgas auch für die Zwecke der Weiterverarbeitung des Eisens (z. B. für Beheizung von Martinöfen ohne Vermischung mit Zusätzen) und der synthetischen chemischen Industrie herangezogen werden können.
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4. Erhöhung der Kapazität des Hochofens. Nachdem in den Hochofen kein oder nur wenig Stickstoff gelangt, so vermindert sich die eingeführte Gasmenge und kann für eine bestimmte Leistung ein Hochofen von wesentlich kleineren Abmessungen gebaut werden bzw. kann in einem bereits bestehenden Hochofen eine bedeutend grössere Leistung erzielt werden. Der Durchsatz ist nämlich bei dem Verfahren gemäss der Erfindung sehr gross, weil die Durchgangszeit nur 2-3 Stunden beträgt gegenüber den bei rasch arbeitenden Hochöfen bisher erreichten 7-10 Stunden.
5. Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Hochofens. Die beim normalen Hochofenbetrieb erforderlichen Lufterhitzer (wie Cowperapparat usw. ) entfallen. Hiedurch und infolge der kleineren Abmessungen des Hochofens ist der Strahlungsverlust bedeutend kleiner. Nachdem ferner auch die Menge der Gichtgase kleiner ist, so setzt sieh auch der Wärmeverlust durch die fühlbare Wärme der Gichtgase herab. Die Gichtgase können ausserdem für beliebige Zwecke verwendet werden im Gegensatz zu dem normalen Hoehofenbetrieb, wo ein bedeutender Teil der Gichtgase zur Heizung der Cowperapparate, also für den Hochofenbetrieb selbst verwendet wird.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform eines Hochofens zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens abgebildet, u. zw. in Fig. 1 in schematischem Längsschnitt und in Fig. 2 im Querschnitt nach Linie II-ZI der Fig. 1.
In der Zeichnung ist A ein Hochofen normaler Bauart, welcher bekanntlich von oben mit Erzen, Zusätzen und Koks oder Holzkohle beschickt wird. Am Umfange des Gestells des Hochofens A sind gleichmässig verteilte Brenner B angeordnet (Fig. 1 und 2), die den vorgeschalteten Verbrennungsraum bilden. In diese Brenner werden einerseits etwa durch die Leitung a Sauerstoff oder mit Sauerstoff hochangereicherte Luft, gegebenenfalls mit Wasserdampf gesättigt, und anderseits etwa durch die Leitung b in diesem Falle gasförmige Brennstoffe, wie Generatorgas oder die eigenen Gichtgase des Hochofens, eingeführt. Die letzteren werden in den Brennern verbrannt und die Verbrennungsprodukte samt überschüssigem Sauerstoff treten mit einer Temperatur von etwa 1200-20000 C durch die Düsen C in das Gestell des Hochofens.
Im Hochofen wird ein Teil des in der Beschickung enthaltenen Kohlenstoffes mit dem eingeführten Sauerstoff zu Kohlenoxyd verbrannt ; mit dem restlichen Teil des Kohlenstoffes setzt sich der ein-
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bewirkt die indirekte Reduktion der Erze, während der Rest mit den Gichtgasen entweicht und deren Heizwert erhöht.
. Der primäre Verbrennungsraum wird naturgemäss je nach den Anforderungen und je nach dem verwendeten Primärbrennstoff ausgebildet.
Im nachstehenden werden die Betriebsdaten eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Verfahrens bei Verhüttung eines Bauxiterzes mitgeteilt ; die Daten sind auf 1000 kg Roheisen bezogen.
Es werden in den Hochofen eingeführt von oben
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780 kg Schrot,
800 kg gebrannter Kalk, von unten (als Verbrennungsgasgemisch)
2160 m3 gewerblicher Sauerstoff,
1385 m Koksofengas (Primärbrennstoff),
180 kg Wasserdampf.
Diese Rohstoffe und Brennstoffe hatten folgende Zusammensetzung :
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<tb>
<tb> Bauxit <SEP> Koks <SEP> Koksasche <SEP> Kalk
<tb> 45-35% <SEP> Al2O3 <SEP> 82#54% <SEP> C <SEP> 41#89% <SEP> SiO2 <SEP> 96#0 <SEP> CaO
<tb> 20#05% <SEP> Fe2O3 <SEP> 0#97% <SEP> S <SEP> 32#33% <SEP> Al2O3 <SEP> 0#9% <SEP> MgO
<tb> 2-26% <SEP> SiO. <SEP> 0-50% <SEP> 0 <SEP> 14-39% <SEP> FeA <SEP> 0-3% <SEP> SiO
<tb> 1-25% <SEP> TiO. <SEP> 0-50% <SEP> H <SEP> 5'63% <SEP> CaO <SEP> 0'4% <SEP> Fez03
<tb> 1-80% <SEP> CaO <SEP> 0'92% <SEP> N <SEP> 0-29% <SEP> MgO <SEP> 2-4% <SEP> CO,
<tb> 14-54% <SEP> Glühverlust <SEP> 9-67% <SEP> Asche <SEP> 0-49% <SEP> P, <SEP> 0s
<tb> 14-75% <SEP> HO <SEP> 4-90% <SEP> ILO <SEP> 2-44% <SEP> SO,
<tb> 100#00% <SEP> 100#00% <SEP> 97#46% <SEP> 100#0%
<tb> Heizwert <SEP> :
<tb> 6700 <SEP> WE
<tb>
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<tb>
<tb> Gewerblicher <SEP> Sauerstoff <SEP> Koksofengas
<tb> 86% <SEP> O2 <SEP> 10#6% <SEP> CO2
<tb> 14% <SEP> N, <SEP> 27-8% <SEP> CO
<tb> 100% <SEP> 51-3% <SEP> H,
<tb> 2-1% <SEP> CH,
<tb> 0-2% <SEP> CA
<tb> 0-2% <SEP> 0,
<tb> 7#8% <SEP> N2
<tb> 100-0%
<tb>
Die erhaltenen Produkte waren folgende :
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<tb>
<tb> 1000 <SEP> kg <SEP> Roheisen,
<tb> 1755 <SEP> kg <SEP> Zementschlacke,
<tb> 4960 <SEP> m3 <SEP> Gichtgas.
<tb>
Die Zusammensetzung der Produkte war folgende :
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<tb>
<tb> Roheisen
<tb> 94-45% <SEP> Fe
<tb> 3-21% <SEP> C
<tb> 1'98% <SEP> Si
<tb> 0-32% <SEP> S
<tb> 0-04% <SEP> P
<tb> 100'00%
<tb> Zementschlacke
<tb> 43-69% <SEP> AI
<tb> 44#20% <SEP> CaO <SEP> Hydraulischer <SEP> Modul <SEP> :
<tb> 6#63% <SEP> Si02 <SEP> CaO <SEP> + <SEP> MgO
<tb> 1-11% <SEP> TiO, <SEP> mh <SEP> = <SEP> Al@O@ <SEP> + <SEP> SiO@ <SEP> = <SEP> 0#89
<tb> 1#75% <SEP> FeO <SEP> Al2O3 <SEP> + <SEP> SiO2
<tb> 0-44% <SEP> MgO
<tb> 0'45% <SEP> CaS04
<tb> 1-73% <SEP> CaS
<tb> 100-00%
<tb> Gichtgase
<tb> 22#00% <SEP> CO2
<tb> 49-78% <SEP> CO
<tb> 19-40% <SEP> H, <SEP> Heizwert <SEP> : <SEP> 2008 <SEP> WE/tn3
<tb> 8-57% <SEP> N,
<tb> 0#14% <SEP> 0,
<tb> 0-11% <SEP> H, <SEP> S
<tb> 100#00%
<tb>
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