AT506042A1 - Verfahren zum schmelzen von roheisen und stahlvorprodukten in einem schmelzvergaser - Google Patents

Verfahren zum schmelzen von roheisen und stahlvorprodukten in einem schmelzvergaser Download PDF

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AT506042A1
AT506042A1 AT0182407A AT18242007A AT506042A1 AT 506042 A1 AT506042 A1 AT 506042A1 AT 0182407 A AT0182407 A AT 0182407A AT 18242007 A AT18242007 A AT 18242007A AT 506042 A1 AT506042 A1 AT 506042A1
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Description

Mehrlochdüse: Patententwurf Kepplinger
Verfahren zum Schmelzen von Roheisen und Stahlvorprodukten in einem Einschmelzvergaser
Bei der Kapazitätssteigerung von Einschmelzvergasem wird der aktive Bereich des Sauerstoff-Düsengürtels relativ zum Vergaserquerschnitt spezifisch immer kleiner, da der Umfang des Einschmelzvergaser-Herdes nur linear mit dem Durchmesser des Herdes wächst, die Herdfläche nimmt mit dem Quadrat des Herddurchmessers zu. Da der Abstand der Sauerstoffdüsen aus Festigkeitsgründen des Metallmantels des Einschmelzvergasers nicht beliebig klein ausgeführt werden kann, wird die Anzahl der zum Einsatz kommenden Düsen ebenfalls nur linear mit dem Herddurchmesser zunehmen, während die Schmelzleistung mindestens mit dem Quadrat des Herddurchmessers steigt. Das hat zur Folge, dass die zum Einsatz kommenden Düsen eine immer größere Sauerstoffmenge in den Einschmelzvergaser leiten müssen. Da die Eindringtiefe des Sauerstoffstrahls, der sogenannte Raceway, in den Einschmelzvergaser ebenfalls mit zunehmender Gasmenge nicht wesentlich länger wird, ergibt sich der Nachteil einer sehr hohen örtlichen Gasmenge. Durch die Expansion des Gasstrahles durch die stark exotherme Vergasungsreaktion C + 1/2 02 = CO ΔΗ = - llOkJ/mol
Welche bei Temperaturen von über 2500 °C abläuft, verursachen die heißen Gasströme im und in weiten Bereichen über dem Raceway einen Zustand der Wirbelschichtbildung.
In diesem fluiddynamischen Strömungsregime werden Feststoffpartikel in intensive Bewegung gebracht, so dass sich diese ähnlich einer Flüssigkeit verhalten. Aus diesem Grund wird aus dem in Schachtöfen üblichen, für den Energie- und Stoffaustausch vorteilhaften Gegenstrom ein für die vorhin genannten Vorgänge ungünstiger Kreuz-Gegenstrom. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, dass es zu keinem ausgeprägtem Festbett in diesen Bereichen mehr kommt, welches für den idealen Gas-Feststoff-Gegenstrom notwendig ist. Dadurch wird Material, wie Eisenerz und Eisenschwamm mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie Reduktionsgrad und Temperatur mit ebenfalls in unterschiedlichen Zuständen befindlichen Schlacken, Zuschlagstoffen und entgaster Kohle (Char) vermischt. Ein geregelter Energie- und Stoffaustausch ist dadurch nur sehr unvollkommen möglich.
In dem Patent EP 0114 040 wird ein Verfahren beschrieben, wie durch Anordnung von zwei Düsenebenen ein Fluidisieren des vor den Düsen befindlichen Materials vermieden werden kann. Dabei wird der unteren Düsenebene eine geringere Menge von sauerstoffhaltigem Gas zugeführt, so dass eine Festbettschicht gebildet wird, welche den verfahrenstechnischen Effekt der Gegenstromführung mit den vorhin beschriebenen Vorteilen ermöglicht. Mittels dieses Verfahrens kann jedoch nur eine begrenzte Menge an sauerstoffhaltigem Gas eingebracht werden. Der obere Düsengürtel erzeugt nach 2
Mehrlochdüse: Patententwurf Kepplinger ϊ · Ϊ 2(Xf7«ff-04..i i : • · · t · t ··· • t ··· ···· ·· ·« «· wie vor ein Wirbelbett. Die österreichische Patentschrift AT 382 390 B besitzt nur eine einzige Düsenebene mit über und unter dieser befindlichem Festbett aus grobkörnigem Einsatzmaterial. Dieser Weg ist aber nur bei Herddurchmessem bis etwa 7 m erfolgreich, da bei höheren Durchmessern der einleitend erläuterte Effekt der Fluidisierung wieder auftritt, da die einzubringenden Mengen an sauerstoffhaltigem Gas zu groß ist, um ein stabiles Festbett zu ermöglichen. Ein weiteres limitierendes Kriterium ist, dass bei Einsatz von unbehandelter Kohle diese bei der Pyrolyse in kleinere Korngrößen zerfällt, welche ebenfalls das Fluidisieren erleichtern.
Die gegenständliche Erfindung vermeidet diese Nachteile durch den Einsatz von Düsen mit mindestens zwei Auslässen für sauerstoffhaltiges Gas. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, bei gleicher Anzahl von Düsendurchlässen im Stahlmantel des Einschmelzvergasers mindestens die doppelte Anzahl von Einlässen für sauerstoffhaltiges Gas zu schaffen. Damit können die Mengen an eingebrachten Gas für jeweils einen Raceway auf mindestens die Hälfte abgesenkt werden, wodurch eine großräumige Fluidisierung vermieden oder vermindert werden kann.
Um den einzelnen Raceways genügend Abstand gegeneinander zu gewährleisten, werden die Auslassrichtungen des sauerstoffhaltigen Gases aus den Düsen mit leicht geöffneten Winkel zueinander ausgeführt. Dadurch kommt es zu einer gleichmäßigen Durchgasung der Schmelz- und Reaktionszone vor den Düsen. Durch die geringeren Gasmengen erfolgt innerhalb der kreisringförmigen Schmelzzone eine mindesten auf die Hälfte verringerte örtliche Gasströmung. Dadurch ist auch in den Zonen unmittelbar über den Raceways die Gasgeschwindigkeit mindestens halb so groß, wodurch die Bildung einer unzulässigen Vermischung der Einsatzstoffe minimiert wird und der vorteilhafte Gas-Feststoff-Gegenstrom wieder hergestellt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Düsen in vorhandene Anlagen ohne Änderung der Einschmelzvergaser nachgerüstet werden können. Auch die Zuführung von staubförmiger Kohle in den Raceway ist bei der erfindungsgemäßen Form der Düsen möglich. Die Zufuhr der Feinkohle kann in an sich bekannter Weise durch separate Leitungen in den Düsenkörper erfolgen.
Beschreibung der Düse:
Die Sauerstoffdüsen sind, ähnlich wie Blasformen beim Hochofen, in einem bestimmten Abstand über dem Herd am Umfang des Einschmelzvergasers kreisringformig angeordnet und werden über Zuleitungen mit dem sauerstoffhältigem Gas versorgt. Durch hohe Gasgeschwindigkeiten, in der Regel über 100 m/s, bildet sich vor den Düsen der bereits beschriebene Raceway aus. Hier erfolgt die Reaktion mit dem kohlenstoffhältigem Material, welche stark exotherm ist und zum Schmelzen der Einsatzstoffe dient (FIG. 1). Bei der gegenständlichen Erfindung wird jedoch nicht nur eine Düsenöffnung, sondern mindestens zwei vorgesehen, um mindestens zwei Raceways ausbilden zu 3
Mehrlochdüse: Patententwurf Kepplinger • · · · · * · · ·· · · ·· ··· ·· ··· ···· ·· M ·· können. Die Düsen müssen sehr hohen Temperaturen bis über 2000 °C widerstehen können und daher entweder flüssigkeitsgekühlt oder aus geeignetem Refraktärwerkstoffen hergestellt sein.
Um mindestens zwei Gasauslässe zu ermöglichen, sind die Austrittsöffhungen entweder in einem Abstand von einander anzuordnen oder sie müssen in einem Winkel zu einander stehen oder Kombinationen davon. Der Winkel der Gasauslässe liegt dabei zwischen 0 und 45°, vorzugsweise zwischen 5 und 15°. Verschiedene Ausführungsformen sind möglich, die sich in ihrer Herstellung, Regelbarkeit, Überwachungsmöglichkeit etc. unterscheiden. Nachstehend sollen einige mögliche Varianten beschrieben werden.
Ausführung 1: ein gemeinsamer Gaseinlass, der sich auf mindestens zwei Kanäle aufteilt (FIG. 2).
Schauöffiiungen zum Überwachen der Düsenfunktion sind durch geradlinige Gaskanäle möglich, darüber hinaus besteht die Möglichkeit des Eindüsens von kohlestoffhältigen Stäuben durch separate Staubförderleitungen, die den Düsenkörper durchdringen und bei oder in unmittelbarer Nähe der Düsenöffnungen auf der Seite des Raceway enden.
Eine Flüssigkeitskühlung, vornehmlich Wasserkühlung, kann durch geeignete Kanäle im Düsenkörper ermöglicht werden, um die hohen Wärmemengen aus dem Raceway abführen zu können, da als Werkstoff für die Düsenkörper meist Kupfer wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz kommt.
Ausführung 2: Separate Gaseinlässe, welche sich überkreuzen (FIG. 3) Schauöffiiungen zum Überwachen der Düsenfuktion Möglichkeit des Eindüsens von kohlestoffhältigen Stäuben durch separate Staubförderleitungen, die den Düsenkörper durchdringen und bei oder in unmittelbarer Nähe der Düsenöffnungen auf der Racewayseite enden.
Der Vorteil dieser Ausführungsform ist die Einzelregelbarkeit des Gasstromes durch jede der Düsenöflhungen.
Eine Flüssigkeitskühlung, vornehmlich Wasserkühlung, kann durch geeignete Kanäle im Düsenkörper ermöglicht werden, um die hohen Wärmemengen aus dem Raceway abführen zu können, da als Werkstoff für die Düsenkörper meist Kupfer wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz kommt.
Ausführung 3: Bei Düsenkörpem mit mehr als zwei Auslässen, können die Durchmesser der einzelnen Auslässe für das sauerstoffhaltige Gas unterschiedlich sein, um die Gasmenge und Eindringtiefe der jeweiligen Raceways an die energetischen und geometrischen Erfordernisse im Einschmelzvergaser anpassen zu können.
Ausführung 4: Der Gasauslass wird durch eine Schlitzdüse (FIG. 4a, 4b ), welche einen horizontalen Auslass besitzt, gebildet, wobei die Ausströmung des sauerstoffhaltigen Gases durch Leitvorrichtungen aufgefachert werden kann. 4
Mehrlochdüse: Patententwurf Kepplinger
Beispiele:
Im nachfolgendem werden folgende Kennwerte für Einschmelzvergaser unterschiedlicher Schmelzleistung gegenübergestellt: -Absolute Schmelzleistung, in (Tonnen/Tag)
Dieser Wert gibt die Menge an Roheisen einer Schmelzreduktionsanlage an, welche im Normalbetrieb täglich erzeugt wird -Spezifische Herdbelastung, (Tonnen/m2,Tag).
Das ist die auf einen Quadratmeter Herdfläche des Einschmelzvergasers bezogene absolute Schmelzleistung an Roheisen. Dieser Wert charakterisiert die Energieintensität einer Schmelzreduktionsanlage. -Einzel-Schmelzleistung eines Raceways, in (Tonnen/Tag).
Dieser Wert charakterisiert die Schmelzintensität an Roheisen einer einzelnen Düse
Beispiel 1: Ein Einschmelzvergaser mit einer absoluten Schmelzleistung von 1000 Tonnen Roheisen/Tag ist durch folgende Parameter gekennzeichnet:
Gesamtzahl der Raceways 20
Gesamtzahl der Düsen 20
Absolute Schmelzleistung 10001/ d
Herddurchmesser 5,5 m
Spezifische Schmelzleistung der Einzeldüse 501/ d
Spezifische Herdbelastung 45 M m2,d
Beispiel 2: Einschmelzvergaser mit einer absoluten Schmelzleistung von 2500 Tonnen Roheisen/Tag ist durch folgende Parameter gekennzeichnet:
Gesamtzahl der Raceways 28
Gesamtzahl der Düsen 28
Gesamtschmelzleistung 25001/ d
Herddurchmesser 7,5 m
Spezifische Schmelzleistung der Einzeldüse 891/ d
Spezifische Herdbelastung 57 t/ m2,d 5 20(f7»ff-04··· · · • · · · · * • ···· ·· ·· ··
Mehrlochdüse: Patententwurf Kepplinger
Beispiel 3: Einschmelzvergaser mit einer absoluten Schmelzleistung von 4000 Tonnen Roheisen/Tag ist durch folgende Parameter gekennzeichnet:
Gesamtzahl der Raceways 30
Gesamtzahl der Düsen 30
Gesamtschmelzleistung 40001/ d
Herddurchmesser 8,9 m
Spezifische Schmelzleistung der Einzeldüse 1331/ d
Spezifische Herdbelastung 65 t/ m2,d
Beispiel 4: Einschmelzvergaser mit einer absoluten Schmelzleistung von 5800 Tonnen Roheisen/Tag ist durch folgende Parameter gekennzeichnet:
Gesamtzahl der Raceways 34
Gesamtzahl der Düsen 34
Gesamtschmelzleistung 58001/ d
Herddurchmesser 10,2 m
Spezifische Schmelzleistung der Einzeldüse 1711/ d
Spezifische Herdbelastung 71t/m2,d
Wie aus den Beispielen zu ersehen ist, steigt die spezifische Schmelzleistung der Einzeldüsen überproportional zu den spezifischen Herdbelastungen an. Diese höheren Schmelzleistungen bedingen einen höheren Energieeintrag, welcher durch einen höheren Kohlenstoffumsatz mit Sauerstoff erreicht wird. Proportional mit der Erhöhung des Sauerstoffstromes steigt die erzeugte Vergasungsgasmenge an Kohlenmonoxid an. Durch die dadurch erheblich höheren Gasmengen ergeben sich immer stärkere Ausbildungen von fluidisierten Zonen oberhalb der Raceways, was einen nachteiligen Effekt auf die Stabilität des Stoff- und Energieaustausches im Einschmelzvergaser hat. Um die Bedingungen, wie sie im Beispiel 1 und 2 gezeigt sind, auch für größere Einheiten erreichen zu können, sind mehr Düsenöffiiungen als sie bei den derzeitigen Anlagen möglich sind, vorzusehen. Es sind an Stelle von Düsen mit nur einer Auslassöffhung für das sauerstoffhältige Gas solche zu installieren, welche mindestens zwei Auslassöffnungen besitzen. Damit kann die durch den Umsatz von sauerstoffhältigem Gas mit kohlenstoffhaltigem Material freigesetzte Energie pro Auslassöffhung auf die Hälfte oder geringer herabgesetzt werden. Gleichzeitig wird der Energieeintrag gleichmäßiger über den Umfang des Einschmelzvergasers verteilt. 6 2GtJ7.fr·«*..:: : 1 · · · · «
Mehrlochdüse: Patententwurf Kepplinger
Beispiele mit Zweilochdüsen
Beispiel 5: Einschmelzvergaser mit einer absoluten Schmelzleistung von 1000 Tonnen Roheisen/Tag
Installation von Mehrlochdüsen nicht nötig, da spezifische Schmelzleistung der Einzeldüse und spezifische Herdbelastung sehr ähnlich.
Beispiel 6: Einschmelzvergaser mit einer absoluten Schmelzleistung von 2500 Tonnen Roheisen/Tag
Bei guter Möllerverteilung sind Zweilochdüsen noch nicht unbedingt nötig, bei ungünstigen Rohstoffen ist eine 50 %-ige Erhöhung der Zahl der Düsenöffiiungen von 28 auf 42 vorteilhaft. Dies kann durch abwechselnde Anordnung von Einloch- und Zweilochdüsen erreicht werden.
Gesamtzahl der Düsen 28 Gesamtzahl der Raceways 42 Damit ergeben sich folgende Kenngrößen: Spezifische Schmelzleistung der Einzeldüse 591/ d Spezifische Herdbelastung 57 M m2,d
Es werden durch diese Maßnahme die beiden Kennwerte wieder angepasst.
Beispiel 7: Einschmelzvergaser mit einer absoluten Schmelzleistung von 4000 Tonnen Roheisen/Tag
In diesem Fall ist die Abweichung der Kenngrößen spezifische Schmelzleistung und spezifische Herdbelastung sehr unterschiedlich, nämlich 133 zu 65. In diesem Fall ist eine Verdoppelung der Düsenöffiiungen anzustreben. Dies ist durch Anordnung von ausschließlich Zweilochdüsen möglich.
Gesamtzahl der Düsen 30 Gesamtzahl der Raceways 60 Es ergeben sich folgende Kenngrößen: Spezifische Schmelzleistung der Einzeldüse 67 tl d Spezifische Herdbelastung 651/ m2,d
Es werden durch diese Maßnahme die beiden Kennwerte wieder angepasst.
Mehrlochdüse: Patententwurf Kepplinger • · · ♦ · ♦ • · · ·· ·· • · · « · · ···· ·· ·· ··
In Betracht gezogene Literatur: EP 0114 040: Verfahren und Einschmelzvergaser zur Erzeugung von flüssigem Roheisen oder von Stahlvorprodukten AT 382 390 B: Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen oder von Stahlvorprodukten 12

Claims (20)

  1. Mehrlochdttse: Patententwurf Kepplinger ^0<ί7;Η^··· ; Ansprüche: 1. Verfahren zum Schmelzen von Roheisen und Stahlvorprodukten in einem Einschmelzvergaser unter Zufuhr von kohlenstoffhältigem Material und Metalloxiden oder vorreduziertem Metall oder deren Mischungen mittels sauerstoffhaltigem Gas, sowie auch Vergasung von Kohle mittels sauerstoffhaltigem Gas, gekennzeichnet dadurch, dass das sauerstoffhaltige Gas mittels Düsen mit mindestens zwei Auslassöffhungen für das sauerstoffhaltige Gas in den Einschmelzvergaser bzw. Kohlevergaser geleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Auslassöffhungen für das sauerstoffhaltige Gas in einem Winkel von 0 bis 45 ° angeordnet sind,
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Auslassöffhungen für das sauerstoffhaltige Gas vorzugsweise in einem Winkel von 5 bis 15 ° angeordnet sind,
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Auslassöffhungen in einem Abstand zueinander angeordnet sind,
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Auslassöffhungen einen gemeinsamen Auslass bilden,
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, wobei die Auslassöffhungen eine gemeinsame Anspeisung mit dem sauerstoffhaltigem Gas haben,
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, wobei die Auslassöffhungen eine separate Anspeisung mit dem sauerstoffhaltigem Gas haben,
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, wobei bei mehr als zwei Auslässen für sauerstoffhaltiges Gas pro Düse deren Durchmesser unterschiedlich sind,
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, wobei die Düsen eine Zuleitung für das Eindüsen von Feinkohle haben,
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, wobei durch Schaulöcher der Betrieb der Düsen überwacht werden kann,
  11. 11. Vorrichtung zum Einleiten von sauerstoffhaltigem Gas in einen Einschmelzvergaser/Kohlevergaser gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Düsenkörper mit mindestens zwei Auslassöfihungen für das sauerstoffhaltige Gas versehen ist, durch welche das sauerstoffhaltige Gas in den Einschmelzvergaser bzw. Kohlevergaser geleitet wird, 8 Mehrlochdüse: Patententwurf Kepplinger Ϊ 20<f7.ff4}· ·· · ! • · · ♦ · · i ··· ···· ·· ·· ··
  12. 12. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auslassöffiiungen für das sauerstoffhaltige Gas in einem Winkel von 0 bis 45 0 angeordnet sind,
  13. 13. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auslassöffiiungen für das sauerstoffhaltige Gas vorzugsweise in einem Winkel von 5 bis 15 0 angeordnet sind,
  14. 14. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auslassöffiiungen einen Abstand von 0 bis 3-mal des Düsendurchmessers besitzen,
  15. 15. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auslassöffiiungen einen Abstand von mehr als 3-mal des Düsendurchmessers besitzen,
  16. 16. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auslässe für das sauerstoffhaltige Gas eine einzige gemeinsame Anspeisung und eine Verzweigung innerhalb der Düse besitzen,
  17. 17. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wobei jeder der Auslässe für das sauerstoffhaltige Gas eine eigene Anspeisung für die Auslässe besitzt,
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, wobei bei mehr als zwei Auslässen für sauerstoffhaltiges Gas pro Düse deren Durchmesser unterschiedlich sind,
  19. 19. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9 und 16, wobei die Anspeisungen für das sauerstoffhaltige Gas einzeln geregelt werden können und zwar für Menge und Druck,
  20. 20. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Düsen mindestens eine Zuleitung für das Eindüsen von Feinkohle haben. 9
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