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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen oder Stahlvor- produkten aus teilchenförmigem eisenhältigem Material - insbesondere aus vorreduziertem Eisen- schwamm-sowie zur Erzeugung von Reduktionsgas in einem Einschmelzvergaser, wobei aus festem kohlenstoffhältigem Material, insbesondere Kohle, im mittleren Bereich des Einschmelzver- gasers eine Fliessbettzone (ein Wirbelbett) gebildet wird, in welcher das eisenhältige Material re- duziert und geschmolzen wird und schmelzflüssiges Gut im Bodenbereich des Einschmelzvergasers gesammelt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-A-28 43 303 bekannt. Im Bodenbereich des Ein- schmelzvergasers bildet sich ein Metall- und darüber ein Schlackenbad, die in bestimmten Zeit- intervallen abgestochen werden. Die Fliessbettzone (das Wirbelbett) wird nach der DE-A-28 43 303 durch Einblasen von sauerstoffhältigem Gas oberhalb des Schlackenbades und Zugabe stückiger
Kohle von oben gebildet. In der Fliessbettzone wird die zum Schmelzen von Eisenschwammpartikeln erforderliche Temperatur erreicht und ein hochwertiges, vorwiegend aus Kohlenmonoxyd und durch zusätzliches Einführen von Wasserdampf und/oder Kohlenwasserstoffen auch aus Wasserstoff bestehendes Reduktionsgas erzeugt. Das Reduktionsgas wird abgezogen und kann zur Direktreduktion von oxydischem Eisenerz zu Eisenschwamm in einem Schachtofen eingesetzt werden.
Die heisseste Zone im Wirbelbett wird in Höhe der Einblasdüsenmündungen für das sauer- stoffhältige Gas aufgebaut. Nach oben hin nimmt die Temperatur des Wirbelbettes infolge der stattfindenden wärmeverbrauchenden Vorgänge, wie Aufheizen, Entwässern und Entgasen der eingebrachten Kohle sowie Erhitzen des eingebrachten Eisenschwammes, ab.
Die aufgegebenen Eisenschwammpartikel werden beim Durchfallen durch das Wirbelbett abgebremst, wodurch ihre Verweilzeit in der heissen Zone des Wirbelbettes verlängert und ihr Aufschmelzen begünstigt wird. Trotz dieser Wirkung des Wirbelbettes hat sich gezeigt, dass grössere Eisenschwammpartikel die heisse Zone des Wirbelbettes durchwandern, ohne vollkommen aufgeschmolzen zu werden. Sie werden erst in der flüssigen Schlacke und dem darunter liegenden Metallbad vollkommen geschmolzen, wobei sie die dazu erforderliche Wärme der Schlacke und dem Metallbad entziehen ; dabei wird jedoch die für eine Nachbehandlung der Schmelze erforderliche Temperatur oftmals nicht erreicht, was nachteilig ist.
Zur Vermeidung eines solchen unerwünschten Temperaturabfalles im schmelzflüssigen Bad wird nach einem noch unveröffentlichten Vorschlag eine Teilmenge des im Einschmelzvergaser gebildeten Reduktionsgases, gegebenenfalls gemeinsam mit aus dem Gas abgeschiedenem kohlenstoffhältigem Staub bzw. Feinkoks, unterhalb des Kohlewirbelbettes in den Einschmelzvergaser rückgeführt und dort mit Sauerstoff verbrannt. Dabei bildet sich eine strahlende Flamme, die ihre Temperatur zum Teil an die Schlacke und über diese an das Metallbad abgibt, wodurch die Temperatur des Schmelzenbades erhöht werden kann.
Bei dieser Arbeitsweise ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, dass wegen der vor den Einleitdüsen des rückgeführten Gases überschüssig vorhandenen glühenden Kohlepartikel eine vollständige Verbrennung des Gases zu COz-also eine vollständige Nutzung der Verbrennungswärme- nicht möglich ist. Die im Einschmelzvergaser durchzusetzende Gasmenge wird um die aus dem rückgeführten Gas entstandenen Produkte vermehrt, was durch geänderte Dimensionierung des Vergasers oder durch Leistungsrücknahme kompensiert werden muss.
Die Erfindung bezweckt die Überwindung der aufgezeigten Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, den Erfordernissen unterschiedlicher Betriebsbedingungen entsprechend den Temperaturverlauf in der Fliessbettzone beeinflussen und die Temperatur des Schmelzenbades regeln zu können.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs definierten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass a) das kohlenstoffhältige Material in eine Grobfraktion und eine Feinfraktion mit einer
Korngrösse von mehr bzw. weniger als etwa 3 mm aufgetrennt wird, b) die Feinfraktion mit Sauerstoff und/oder Luft unter Ausbildung von Verbrennungszonen in den Bereich unterhalb der Fliessbettzone (des Wirbelbettes) eingebracht wird und c) die Grobfraktion dem Einschmelzvergaser durch Chargieröffnungen von oben zugeführt wird, wobei
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d) die aus den Verbrennungszonen aufsteigenden Verbrennungsgase mit den Teilchen der
Grobfraktion die Fliessbettzone (das Wirbelbett) bilden.
Als kohlenstoffhältiges Material kommt neben Steinkohle beispielsweise auch getrocknete und vorverkokte Braunkohle für den Einsatz im Einschmelzvergaser in Frage. Die Auftrennung des
C-hältigen Materials, wie Rohkohle, in eine Grob- und eine Feinfraktion vor dem Einbringen in den Einschmelzvergaser kann beispielsweise mittels einer Siebanlage erfolgen, jedoch sind auch andere Klassierungstechniken geeignet.
Vorteilhaft wird aus dem erzeugten Reduktionsgas abgeschiedener, überwiegend aus Koks be- stehender Staub der in den Einschmelzvergaser einzubringenden Feinfraktion zugesetzt.
Nach einer besonders zweckmässigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird zur Einstellung eines vorbestimmten Verhältnisses von CO : CO : in den Verbrennungsgasen die pro
Zeiteinheit eingebrachte Menge an feinteiligem kohlenstoffhältigem Material bei konstanter Sauer- stoffzufuhr geändert.
Bei der vollständigen Verbrennung des feinteiligen kohlenstoffhältigen Materials, wofür technisch reiner Sauerstoff, aber auch beispielsweise Luft als sauerstoffhältiges Gas eingesetzt werden kann, resultieren sehr heisse, überwiegend aus Kohlendioxyd bestehende, leuchtende Ver- brennungsgase, welche mit der unterhalb der Fliessbettzone befindlichen Schlackenschmelze in
Kontakt treten und einen Teil ihres Wärmeinhaltes unmittelbar an die Schlacke sowie durch
Wärmeleitung an das darunterliegende flüssige Metallbad abgeben. In der Fliessbettzone wird das
Kohlendioxyd mit dem Kohlenstoff entsprechend dem Boudouard-Gleichgewicht unter Wärmeverbrauch zu Kohlenmonoxyd umgesetzt, wodurch die in der Fliessbettzone erzeugten Reduktionsgase mit ver- gleichsweise niedriger Temperatur anfallen.
Wird bei zu hoher Temperatur unmittelbar an der Schmelzbadoberfläche die pro Zeiteinheit eingebrachte Menge an feinteiligem C-hältigem Material bei gleichbleibendem Sauerstoffangebot erhöht, findet nur mehr unvollständige Verbrennung statt und der Kohlenmonoxydanteil in den im
Vergleich zu bei vollständiger Verbrennung erhaltenen Gasen geringer temperierten Verbrennungs- gasen erhöht sich.
Anderseits muss in der Fliessbettzone um so weniger CO : endotherm zu CO umgesetzt werden, je höher der CO-Anteil der Verbrennungsgase ist und der Temperaturabfall solcher Gase beim Durchströmen der Fliessbettzone ist daher geringer, so dass heissere Reduktionsgase erhalten werden.
Bei im wesentlichen vollständiger Verbrennung des eingebrachten feinteiligen C-hältigen Materials muss der dem Einschmelzvergaser von oben zugeführte Anteil an Grobfraktion entsprechend erhöht werden. Wird durch unvollständige Verbrennung der Feinfraktion bzw. des abgeschiedenen Koksstaubes ein CO-reiches Verbrennungsgas erhalten, ist der Anteil der zuzuführenden Grobfraktion geringer zu halten.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es somit ohne aufwendige Massnahmen möglich, das Temperaturprofil in Richtung der Längsachse des Einschmelzvergasers zu beeinflussen und die Temperatur des Schmelzenbades - beispielsweise vor oder nach zusätzlichem Einbringen von Zuschlagstoffen - in geeigneter Weise zu regeln.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit einem feuerfest ausgekleideten Einschmelzvergaser, welcher eine Auffangwanne für schmelzflüssiges Gut im Bodenbereich, einen zur Aufnahme eines Fliessbettes (Wirbelbettes) bestimmten mittleren Bereich und einen Beruhigungsraum im oberen Bereich aufweist und welcher weiters mit Chargieröffnungen für kohlenstoffhältiges und eisenhältiges Material sowie mit einem Abzug für das erzeugte Reduktionsgas ausgestattet ist.
Für die Vorrichtung ist kennzeichnend, dass unterhalb des mittleren Bereiches über den Umfang des Einschmelzvergasers verteilt feuerfest ausgekleidete, in den Innenraum des Einschmelzvergasers ausmündende Brennkammern in die Wand des Einschmelzvergasers eingefügt sind, an welche Brennkammern Zuleitungen für sauerstoffhältiges Gas und feinteiliges kohlenstoffhältiges Material angeschlossen sind.
Vorteilhaft stehen die Brennkammern - schachtförmig ausgebildet - vom Einschmelzvergaser nach aussen ab, wobei ihre Längsachsen in Mündungsrichtung gesehen vorzugsweise konver-
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gierend nach unten gerichtet sind.
Bei dieser Ausführungsform prallen die aus den Brennkammern austretenden Verbrennungsgase direkt auf die Oberfläche des Schlackenbades, wo als Folge von Verwirbelungseffekten gute Wärmeübertragung stattfindet und die Gase nach oben umgelenkt werden.
Die Erfindung wird durch die Zeichnungen näher erläutert, wobei Fig. 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung vorstellt. In Fig. 2 ist der Temperaturverlauf für Kohle und Gas sowie die Temperatur des erzeugten Roheisens in einem bekannten Einschmelzvergaser für das bekannte Verfahren (unterbrochene Linien) dem entsprechenden Temperaturverlauf bzw. der Temperatur für das erfindungsgemässe Verfahren (voll ausgezogene Linien) unter gleichen Betriebsbedingungen hinsichtlich der eingesetzten Kohle und des eingesetzten eisenhältigen Materials gegenübergestellt.
In Fig. 1 ist mit --1-- allgemein ein gasdichter Einschmelzvergaser bezeichnet, dessen Wand - aus einem mit feuerfestem Material ausgekleideten Stahlmantel besteht. Der Einschmelzver-
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flüssiges Gut, nämlich für flüssiges Metall --3-- und das Schlackenbad --4--. Zum Abziehen des
Metalls ist eine Abstichöffnung --5-- und zum Entfernen der Schlacke ist eine Abstichöffnung --6-- vorgesehen.
Unterhalb des mittleren Bereiches --II-- sind schachtelförmig ausgebildete, von der Wand - -2-- des Einschmelzvergasers --1-- abstehende, gleichfalls feuerfest ausgekleidete Brennkam- mern --7-- in die Wand --2-- eingefügt, deren Längsachsen in Mündungsrichtung gesehen nach unten geneigt sind. Die geringfügig erweiterten Mündungen der Brennkammern --7--, von denen nur zwei einander gegenüberliegend dargestellt sind, befinden sich annähernd in einer einzigen horizontalen Ebene und liegen in der Innenbegrenzung der feuerfesten Zustellung des Einschmelz- vergasers.
An die Brennkammern --7-- sind jeweils Zuleitungen --8-- für sauerstoffhältiges Gas und - für feinteiliges kohlenstoffhältiges Material angeschlossen. Die Verbrennung der Feststoffe kann beispielsweise mittels gasdicht in die Brennkammern --7-- eingesetzter Brenner --10-- vor- genommen werden.
Das kohlenstoffhältige feste Rohmaterial --11-- wird in einer Trenneinrichtung --12-- in eine Grobfraktion und eine Feinfraktion aufgetrennt. Die Feinfraktion gelangt über Zuleitungen - in die Brennkammern --7--, wobei der Feinfraktion durch die Zuführung --13-- auch überwiegend aus Koks bestehender Staub zugesetzt werden kann, welcher aus dem durch einen oder mehrere Abzüge --14-- im Deckel des Einschmelzvergasers abgeleiteten Reduktionsgas --15-abgeschieden wurde. Diese Staubabscheidung wird beispielsweise in einem nicht in der Zeichnung veranschaulichten Heisszyklon vorgenommen.
Im Deckel des Einschmelzvergasers-l-sind weiters Chargieröffnungen --16-- für die Grobfraktion --17-- des kohlenstoffhältigen Materials aus der Trenneinrichtung --12-- sowie Chargieröffnungen --18-- für teilchenförmiges eisenhältiges Material --19-- vorgesehen.
Werden die Brennkammern --7-- mit feinteiligem C-hältigem Material und sauerstoffhältigem Gas beaufschlagt, bilden sich nach Zündung des Gemisches Verbrennungszonen aus, von welchen die Verbrennungsgase zunächst auf die Oberfläche des sich im unteren Bereich --1-- des Einschmelzvergasers sammelnden schmelzflüssigen Gutes treffen und von dort nach oben umgelenkt werden. Der resultierende Gasstrom ist schematisch durch die gekrümmten Pfeile 20 angedeutet.
Die aufsteigenden Verbrennungsgase bilden mit den von oben zugeführten Teilchen der Grobfraktion --17-- eine Fliessbettzone (ein Wirbelbett) --21-- im nach oben hin konisch erweitert ausgeführten mittleren Bereich Wird das feinteilige, C-hältige Material möglichst vollständig verbrannt und bestehen die Verbrennungsgase somit überwiegend aus C02, findet mit der im Wirbelbett im Überschuss vorhandenen Kohle - wie bereits erwähnt-die Umsetzung CO2 + C + 2CO statt, wobei sich das Gasvolumen theoretisch auf das Doppelte vergrössert.
Die konisch erweiterte Ausbildung des das Wirbelbett aufnehmenden mittleren Bereiches hat den Zweck, eine sonst mit der Volumensvergrösserung verbundene zu hohe Gasgeschwindigkeit, welche zu
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einem Materialaustrag aus dem Wirbelbett führen würde, zu vermeiden.
Der mittlere Bereich--II--setzt sich nach nochmaliger Erweiterung in den oberen, als Be- ruhigungsraum--22--dienenden oberen Bereich--III--fort.
Teilchen des eisenhältigen Materials--19--, welche nach Durchwandern der Fliessbettzone - -21--, in welcher sie abgebremst werden, noch nicht vollständig aufgeschmolzen sind, kühlen das in der Auffangwanne befindliche schmelzflüssige Gut nicht ab, da dem Schlackenbad--4-- bzw. dem flüssigen Metall --3-- erfindungsgemäss genügend Wärmeenergie zugeführt werden kann.
In Fig. 2 sind die Temperaturen der Verbrennungs- oder Reduktionsgase, der Kohle und des
Roheisens in den verschiedenen, wie in Fig. l mit--I, II und III-- bezeichneten Bereichen des
Einschmelzvergasers in Abhängigkeit von der Höhe über dessen Boden aufgetragen. Der Anteil an Grobfraktion in der eingesetzten Kohle betrug dabei etwa 40% Masse.
Es ist ersichtlich, dass nach dem erfindungsgemässen Verfahren ein Roheisen mit höherer
Temperatur (1450 C) erhalten wird. Gleichzeitig hat das Reduktionsgas im oberen Bereich --III-- des Einschmelzvergasers vergleichsweise niedrigere Temperatur.
PATENTANSPRÜCHE : l. Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen oder Stahlvorprodukten aus teilchen- förmigem eisenhältigem Material - insbesondere aus vorreduziertem Eisenschwamm - sowie zur Er- zeugung von Reduktionsgas in einem Einschmelzvergaser, wobei aus festem kohlenstoffhältigem
Material, insbesondere Kohle, im mittleren Bereich des Einschmelzvergasers eine Fliessbettzone (ein
Wirbelbett) gebildet wird, in welcher das eisenhältige Material reduziert und geschmolzen wird und schmelzflüssiges Gut im Bodenbereich des Einschmelzvergasers gesammelt wird, dadurch gekenn- zeichnet, dass a) das kohlenstoffhältige Material (11) in eine Grobfraktion (17) und eine Fein- fraktion mit einer Korngrösse von mehr bzw.
weniger als 3 mm aufgetrennt wird, b) die Feinfraktion mit Sauerstoff und/oder Luft unter Ausbildung von Verbrennungs- zonen in den Bereich unterhalb der Fliessbettzone (des Wirbelbettes) (21) einge- bracht wird und c) die Grobfraktion (17) dem Einschmelzvergaser (1) durch Chargieröffnungen (16) von oben zugeführt wird, wobei d) die aus den Verbrennungszonen aufsteigenden Verbrennungsgase mit den Teilchen der Grobfraktion (17) die Fliessbettzone (das Wirbelbett) (21) bilden.