AT510313B1 - Verfahren zur erhöhung der eindringtiefe eines sauerstoffstrahles - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Eindringtiefe eines mit einem Volumsstrom und einem Massestrom in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates, bevorzugterweise eines Schmelzreduktionsaggregates/Einschmelzvergasers oder eines sauerstoffblasenden Hochofens, eintretenden Sauerstoffstrahles von technisch reinem Sauerstoff zur Vergasung von in der Schüttung vorhandenen Kohlenstoffträgern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom des Sauerstoffstrahles vergrößert wird.

Description

österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15

Beschreibung Bezeichnung der Erfindung VERFAHREN ZUR ERHÖHUNG DER EINDRINGTIEFE EINES SAUERSTOFFSTRAHLES Gebiet der Technik [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Eindringtiefe eines mit einem Volumsstrom und einem Massestrom in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates eintretenden Sauerstoffstrahles von technisch reinem Sauerstoff zur Vergasung von in der Schüttung vorhandenen Kohlenstoffträgern.

Stand der Technik [0002] Bei der Herstellung von Roheisen in einem Roheisenerzeugungsaggregat, wie beispielsweise einem Hochofen oder einem Schmelzreduktionsaggragat wie etwa einem bei den Verfahren COREX® oder FINEX® genutzten Einschmelzvergaser, wird ein Reduktionsgas durch Vergasung von Kohlenstoffträgern unter Einblasen eines Heißwindes oder Sauerstoffstrahles gewonnen. Mittels dieses Reduktionsgases werden oxidische Eisenträger reduziert und in weiterer Folge wird das erhaltene reduzierte Material zu Roheisen erschmolzen.

[0003] Bei den beim COREX® und FINEX®-Verfahren verwendeten Einschmelzvergasern sind Sauerstoffdüsen am Umfang des Einschmelzvergasers zwischen Herd und Charbett des Einschmelzvergasers eingebaut, um den Sauerstoff für die Vergasung von Kohlenstoff zur Herstellung des Reduktionsgases und Bereitstellung der zum Einschmelzen der Eisenträger erforderlichen Energie möglichst gleichmäßig am Umfang des Einschmelzvergasers in die Schüttung des Einschmelzvergasers einzublasen. Beim Einschmelzen der Eisenträger entstehen flüssiges Roheisen und flüssige Schlacke. Als Herd wird dabei der Bereich des Einschmelzvergasers unterhalb der Sauerstoffdüsen bezeichnet, in dem keine Durchströmung durch Reduktionsgas stattfindet. Im Herd befinden sich flüssiges Roheisen, flüssige Schlacke und ein Teil des Chars. Als Char werden thermisch entgaste Kohlenstoffträger bezeichnet. Als Charbett wird dabei der Bereich im Einschmelzvergaser bezeichnet, der oberhalb der Sauerstoffdüsen liegt; er enthält neben flüssigem Roheisen und flüssiger Schlacke sowie Char auch ungeschmolzene und teilreduzierte Eisenträger und Zuschläge. Das Charbett wird vom Reduktionsgas, das unter Umsetzung des eingebrachten Sauerstoffs gebildet wird, durchströmt. Die durch die Sauerstoffdüsen in den Einschmelzvergaser eintretenden Sauerstoffstrahlen bilden im Inneren des Einschmelzvergasers den sogenannten Race-Way, in dem bereits Vergasung von Kohlenstoffträgern stattfindet, wobei bereits Reduktionsgas entsteht. Unter Race-way wird dabei die Wirbelzone vor den Sauerstoffdüsen verstanden, in der das Reduktionsgas aus Sauerstoff und Kohlenstoffträgern entsteht. Der Begriff Wirbelzone gibt dabei die hoch turbulenten wirbelschichtähnlichen Strömungsverhältnisse im Bereich des Race-way wieder. Der eintretende Sauerstoffstrahl erzeugt eine Kaverne in der Schüttung des Charbettes. Die Kaverne entsteht durch den Impuls des eintretenden Sauerstoffstrahles und durch die Vergasungsreaktion des Sauerstoffs mit dem Char. Der Bereich der Kaverne wird als Race-way bezeichnet. Der Race-way hat im Vergleich zum Charbett, das ein Fließbett darstellt, einen deutlich höheren Lückengrad. Der Race-way erstreckt sich entsprechend der Anordnung der Sauerstoffdüsen am Umfang des Einschmelzvergasers im Inneren des Einschmelzvergasers in einer horizontalen Ebene. Die Querschnittsfläche, die bei Betrachtung von oben durch die Länge des Race-ways gebildet wird, wird auch als aktive Ringfläche bezeichnet, wobei sich in dem Begriff aktive Ringfläche aktiv darauf bezieht, dass Drainage von flüssigem Roheisen und flüssiger Schlacke aufgrund des Lückengrades des Race-way besonders gut durch den Race-way erfolgt, und dass durch Vergasung von Kohlenstoffträgern entstandenes Reduktionsgas aus dem Race-way in das Charbett eintritt. Die Breite der aktiven Ringfläche ist durch die Längenerstreckung des Race-way, und damit durch die Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles bestimmt. 1 /12 österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15 [0004] Auch bei einem Hochofen, bei dem durch entsprechende um den Umfang des Hochofens verteilte Düsen, auch Windformen genannt, Heißwind oder Sauerstoff eingeblasen wird, bilden sich im Bereich der Düsen Race-ways mit aktiver Ringfläche.

[0005] Für das Charbett eines Einschmelzvergasers ergibt sich bei der üblichen Verwendung eines Sauerstoffstrahls aus technisch reinem Sauerstoff mit einer Temperatur zwischen -15°C und + 45°C, und aufgrund des im Vergleich zu mit Heißwind betriebene Hochöfen geringeren Durchmessers der eingesetzten Sauerstoffdüsen, im Vergleich zu dem in einem mit Heißwind betriebenen Hochofen vorliegenden Festbett eine deutlich geringere Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles in die Schüttung. Damit ergibt sich durch den kürzeren beziehungsweise schmäleren Race-Way im Charbett eine im Vergleich zu einem mit Heißwind betriebenen Hochofen vergleichsweise geringe aktive Ringfläche am Umfang des Einschmelzvergasers, wodurch die Gasdurchlässigkeit für Reduktionsgas in das Charbett beziehungsweise die Drainage von flüssigem Roheisen und flüssiger Schlacke in den Herd vergleichsweise schlechter sind. Weiters wird im Vergleich zum mit Koks betriebenen Hochofen durch den Einsatz von Stückkohle und/oder Kohlebriketts als Kohlenstoffträger der hydraulische Durchmesser der Charmatrix in einem Einschmelzvergaser verringert, womit das Abfließen von flüssigem Roheisen und von flüssiger, speziell von hochviskoser, Schlacke erschwert wird, was zu Störungen durch Rückstau von flüssigem Roheisen und/oder flüssiger Schlacke vor den Sauerstoffdüsen führen kann.

[0006] Eine Erhöhung der Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles in die Schüttung würde sowohl bei einem mit Sauerstoff betriebenen Hochofen als auch bei einem Einschmelzvergaser die aktive Fläche deutlich erhöhen und damit das Abfließen von flüssigem Roheisen und von flüssiger Schlacke verbessern.

[0007] Das Reduktionsgas strömt im Wesentlichen nach oben. In Strömungsrichtung des Re-duktionsgases gesehen nach dem Race-way, also oberhalb des Race-way, kommt es in der Schüttung eines Einschmelzvergasers oder Hochofens zu unerwünschten fluidisierten Bereichen, auch genannt Blasen- oder Kanalbildung. In diesen Bereichen tritt eine Gasmenge unter hohem Druck in die Schüttung aus Feststoffen ein, und die entstehende Mischung von Feststoffen und Gas verhält sich wie ein Fluid. Die Bildung fluidisierter Bereiche ist unerwünscht, weil sie zu sogenannten Durchbläsern durch die Schüttung des Einschmelzvergasers beziehungsweise Hochofens führen können. Durchbläser führen zu plötzlich ansteigenden Änderungen der Gasströmung, Staubbelastung und Zusammensetzung des aus dem Einschmelzvergaser oder Hochofen ausgeleiteten Gases, was den Betrieb solcher Aggregate schwerer beherrschbar macht. Weiters werden bei Durchbläsern Partikel aus dem Einschmelzvergaser oder Hochofen in Leitungen zur Ableitung von Reduktionsgas oder Gichtgas ausgetragen.

[0008] Außerdem sind fluidisierte Bereiche unerwünscht, da eine optimale Phasenführung von Gas und Feststoff durch sie behindert wird. In fluidisierten Bereichen kann es zu einer Vermischung von Material aus dem oberen und aus dem unteren Bereich des Charbettes kommen -so gelangt beispielsweise Eisenoxid aus dem oberen Bereich des Charbettes in den unteren Bereich des Charbettes, und fertigreduziertes und teilweise schon geschmolzenes Eisen aus dem unteren Bereich des Charbettes wird in dessen oberen Bereich transportiert.

[0009] Bei Einbringung einer größeren Gasmenge, speziell einer größeren Sauerstoffmenge in die Schüttung, bei Einschmelzvergaser und mit Sauerstoff betriebenen Hochöfen, steigt bei gleichbleibender Eindringtiefe die Gefahr der Entstehung fluidisierter Bereiche.

[0010] Wenn die Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles gegenüber einem Grundzustand vergrößert wird, kann eine bestimmte Gasmenge über eine im Vergleich zum Grundzustand vergrößerte Fläche aus dem Race-way in die Schüttung entweichen. Entsprechend werden zur Bildung fluidisierter Bereiche führende Druck-Bedingungen in der Nachbarschaft zu den Sauerstoffdüsen im Vergleich zum Grundzustand räumlich und zeitlich seltener vorliegen, und als Resultat werden fluidisierte Bereiche in der Nachbarschaft der Sauerstoffdüsen weniger groß und weniger häufig vorliegen.

[0011] In einem Einschmelzvergaser liegt im Bereich des Eintritts des Sauerstoffstrahles in die 2/12 österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15

Schüttung, also dem Race-way, auf Grund der hohen Strömungsgeschwindigkeit - die im Vergleich zu einem Hochofen um ein Vielfaches höher ist - , der chemischen und thermischen Volumsexpansion, und auf Grund der kleineren Chargröße im Vergleich zur mittleren Größe des Koks im Hochofen, eine Wirbelzone vor. Gemäß bekannter Gesetzmäßigkeiten wird praktisch keine Erhöhung der Eindringtiefe durch höhere Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffstrahles erzielt. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffstrahles würde die mechanische Beanspruchung des Chars erhöhen. Die mechanische Beanspruchung würde sich durch Impulsübertragung zwischen den Teilchen des Sauerstoffstrahles und den Bestandteilen des Charbettes - also des Chars - sowie in der Folge durch Impulsübertragung zwischen den Bestandteilen des Charbettes untereinander erhöhen. Durch infolge des durch die Impulsübertragung beziehungsweise die dadurch hervorgerufene mechanische Beanspruchung hervorgerufenen Abriebes beziehungsweise Zerfall des Chars würde mehr Feinkorn in der Wirbelzone gebildet werden.

[0012] Für den Zerfall des Chars ist der pro Flächeneinheit übertragene spezifische Impuls die bestimmende Größe. Die Kenngröße dafür ist die Impulskraft, welche den spezifischen auf eine Flächeneinheit bezogenen Impuls darstellt. Mehr Feinkorn in der Wirbelzone führt jedoch zu einer Verminderung des hydraulischen Durchmessers der Wirbelzone des Race-ways, was wiederum das Abfließen von flüssigem Roheisen und von flüssiger Schlacke durch die aktive Ringfläche verschlechtert.

[0013] Im Falle eines Festbettes in einem Hochofen kann eine Erhöhung der Eindringtiefe durch Erhöhung der Sauerstoffgeschwindigkeit erzielt werden.

[0014] Dabei besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen einem mit Heißwind betriebenen Hochofen und einem mit Sauerstoff betriebenen Hochofen. Die Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles ist bei einem mit Sauerstoff betriebenen Hochofen im Vergleich zur Eindringtiefe von Heißwind in einem mit Heißwind betriebenen Hochofens gleicher Leistung deutlich geringer. Das deshalb, weil der Massestrom von eingebrachtem Gas beim Sauerstoffstrom geringer ist, da nicht wie beim Heißwind zusammen mit der benötigten Menge Sauerstoff eine große Menge Stickstoff mit eingebracht wird. Im Falle eines mit Sauerstoff betriebenen Hochofens müßte zur Erzielung einer Eindringtiefe, die bei einem mit Heißwind betriebenen Hochofen gleicher Leistung vorliegt, die Sauerstoffgeschwindigkeit im Vergleich zur Geschwindigkeit des Heißwindes erhöht werden - dabei käme es jedoch, wie vorab beschrieben, zu erhöhter mechanischen Zerstörung des Kokses im Hochofen infolge Impulsübertragung und entsprechend durch Feinkornbildung zu einer geringeren Gasdurchlässigkeit des Festbettes im Hochofen.

Zusammenfassung der Erfindung

Technische Aufgabe [0015] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Einbringung eines Sauerstoffstrahles in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden.

Technische Lösung [0016] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erhöhung der Eindringtiefe eines mit einem Volumsstrom und einem Massestrom in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates, eintretenden Sauerstoffstrahles von technisch reinem Sauerstoff zur Vergasung von in der Schüttung vorhandenen Kohlenstoffträgern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom des Sauerstoffstrahles vergrößert wird.

[0017] Technisch reiner Sauerstoff weist einen Sauerstoffgehalt von zumindest 85 Vol%, besonders bevorzugt zumindest 90 Vol% auf.

[0018] Bevorzugterweise ist das Roheisenerzeugungsaggregat ein Schmelzreduktionsaggregat wie beispielsweise ein Einschmelzvergaser oder ein sauerstoffblasender Hochofen. 3/12 österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung [0019] Die Eindringtiefe wird dadurch erhöht, dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom vergrößert wird.

[0020] Massestrom und Volumsstrom beziehen sich auf einen gegebenen Betriebszustand; es sind also Massestrom und Volumsstrom bei den bei dem gegebenen Betriebszustand herrschenden Druck und Temperaturbedingungen gemeint.

[0021] Durch die Erhöhung der Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles in die Schüttung wird die aktive Ringfläche des Einschmelzvergasers vergrößert. Somit ergibt sich eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit von Reduktionsgas, wenn dieses durch das Charbett nach oben strömt. Damit wird einerseits eine für in einem Einschmelzvergaser vorliegende Wirbelschichten typische, jedoch ungewünschte Blasenbildung verringert, und andererseits der Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem Reduktionsgas und der Schüttung im Einschmelzvergaser verbessert.

[0022] Die zum Abfließen von flüssigem Roheisen und von flüssiger Schlacke zur Verfügung stehende Fläche wird vergrößert, womit ein für die zur Einbringung des Sauerstoffstrahles in den Einschmelzvergaser verwendeten Sauerstoffdüsen kritischer Rückstau dieser Flüssigkeiten verringert wird. Zudem ergeben sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles bessere metallurgische Bedingungen im Herd -beispielsweise besserer Phasenaustausch zwischen festen und flüssigen Phasen von Schlacke und Roheisen - und gegenüber einer geringeren Eindringtiefe verbesserte Abstichbedingungen - es treten weniger Störungen beim Abstichprozess auf.

[0023] Vorzugsweise wird bei gleichbleibendem Massestrom der Volumsstrom erhöht.

[0024] In diesem Fall wird pro Zeiteinheit eine gleichbleibende Menge Sauerstoff in die Schüttung eingebracht.

[0025] Gleichbleibender Massestrom ist dabei im anlagentechnischen Sinne zu verstehen und umfasst auch die durch Regelung auf einen gegebenen Betriebszustand - wie beispielsweise durch gegebene Schmelzleistung, Wärmebedarf, Art der eingesetzten Rohstoffe, Druck, Temperatur, bestimmt - hin auftretenden Schwankungen von bis zu +/-10 % von dem Wert, der bei einem gegebenen Betriebszustand gewünscht ist.

[0026] Der Sauerstoffstrahl tritt mit einer Strömungsgeschwindigkeit in die Schüttung ein.

[0027] Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Sauerstoffstrahles erhöht. Durch die Erhöhung der Temperatur wird das Verhältnis Volumsstrom zu Massenstrom erhöht.

[0028] Vorteilhafterweise kann durch den damit verbundenen Eintrag von Energie in das Roheisenerzeugungsaggregat anders gearteter Energieeintrag, beispielsweise über Brennstoffzugabe in das Roheisenerzeugungsaggregat, eingespart werden.

[0029] Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Sauerstoffstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit erhöht.

[0030] Dabei ist gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit im anlagentechnischen Sinne zu verstehen und umfasst auch die durch Regelung auf einen gegebenen Betriebszustand hin auftretenden Schwankungen von bis zu +/- 10 % von dem Wert, der bei einem gegebenen Betriebszustand gewünscht ist.

[0031] Durch die Maßnahme, die Strömungsgeschwindigkeit gleichbleibend zu erhalten, wird der durch die Strömungsgeschwindigkeit begründete Impuls des Sauerstoffstrahls konstant gehalten. Bei vergrößerter Eindringtiefe und Eintrittsfläche wird dann die Impulskraft verringert. Dadurch wird entsprechend weniger Feinkorn gebildet.

[0032] Um bei einer gegenüber einem Ausgangswert erhöhten Temperatur des Sauerstoffstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit einen konstanten Massenfluss zu gewährleisten, obwohl bei einer Zunahme der Temperatur die Dichte des Sauerstoffstrahles abnimmt, 4/12 österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15 wird der Durchmesser der bei der erhöhten Temperatur einzusetzenden Sauerstoffdüsen entsprechend größer ausgeführt.

[0033] Weiters ist es empfehlenswert, die Sauerstoffdüsen innen zu isolieren beziehungsweise die Sauerstoffzuleitung zu den Sauerstoffdüsen zu isolieren und/oder so auszuführen, dass die Wärmeverluste gering sind.

[0034] Zur Erhöhung der Temperatur des Sauerstoffstrahles wird er vor dem Eintritt in die Schüttung des Roheisenerzeugungsaggregates vorgewärmt.

[0035] Dies kann mittels einer einzelnen oder mehrerer der nachfolgend genannten Verfahren in Kombination geschehen: [0036] - Verbrennung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes - beispielsweise aus dem Prozess zur Roheisenerzeugung, in dem das Roheisenerzeugungsaggregat eingesetzt wird, anfallende Prozessgase wie beispielsweise Topgas aus einem Reduktionsschacht; beispielsweise Erdgas - mit Sauerstoff über einen Brenner, und Vermischung des dabei erhaltenen heißen Gases mit dem Sauerstoff.

[0037] Bevorzugterweise findet die Vermischung in diesem Fall mit dem Sauerstoff in der Brennkammer des Brenners statt, um den Temperatureinfluss auf die Ausmauerung von den Sauerstoff führenden Leitungen zu minimieren.

[0038] - Vermischung von Sauerstoff mit Dampf und/oder heißem Stickstoff in Mischkammer oder an der Einblasstelle [0039] - Verwendung von indirekten Wärmetauschern, beispielsweise [0040] - unter Vorwärmung durch Nutzung von Abwärme von COREX®/FINEX@-Prozessga- sen, [0041] - unter Vorwärmung durch Dampf, [0042] - unter Vorwärmung durch sonstige Wärmeträger wie beispielsweise Thermoöl oder

Stickstoff, [0043] - unter Vorwärmung über heiße Rauchgase aus Verbrennung von Brennstoffen. Das kann beispielsweise auch über heiße Rauchgase aus bestehenden Anlagen wie beispielsweise Anlagen zur Kohletrocknung, Reduktionsgasöfen, Kraftwerken erfolgen.

[0044] Bei Vorwärmung durch Dampf können beispielsweise Kondensations- oder Gegen-druckdampfwärmetauscher eingesetzt werden. Die Dampfquellen müssen jedenfalls eine hohe Verfügbarkeit aufweisen.

[0045] Lieferung von erwärmtem Sauerstoff kann direkt von der für seine Bereitstellung eingesetzten Sauerstofferzeugungsanlage erfolgen. Es kann also auch in einer Sauerstofferzeugungsanlage anfallender warmer Sauerstoff, und zwar mit oder ohne zusätzliche Erwärmung, genutzt werden. Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante wird dabei der Sauerstoff bei der Sauerstofferzeugungsanlage durch indirekten Wärmetausch des Sauerstoffes mit heißer Prozessluft des Sauerstofferzeugungsprozesses erwärmt. Nach einer anderen Ausführungsvariante wird der Sauerstoff durch adiabate Verdichtung von gasförmigem Sauerstoff erwärmt.

[0046] Die Erwärmung von Sauerstoff kann auch 2-stufig erfolgen, indem beispielsweise zuerst eine Vorwärmung auf beispielsweise 100 -150°C bei niedrigem Sauerstoffdruck erfolgt, und in weiterer Folgen eine adiabate Verdichtung auf circa 300 °C durchgeführt wird.

[0047] Die Vorwärmung des Sauerstoffes kann nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mittels Vorheizung von Sauerstoff mittels eines Plasmabrenners und Vermischung mit nicht derart vorgeheiztem Sauerstoff geschehen.

[0048] Bevorzugt ist es, den Sauerstoff durch Abwärme der Sauerstofferzeugungsanlage und/oder durch Abwärme eines Kraftwerkes zu erwärmen.

[0049] Als Sauerstofferzeugungsanlage ist dabei in erster Linie eine Air Separation Unit ASU 5/12 österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15 gemeint. In einer solchen ASU sind eine Vielzahl von Kompressoren wie etwa Main Air Com-pressor MAC, Booster Air Compressor (BAC) vorhanden. Speziell in Combined Cylce Power Plants sind Gasturbinen vorhanden, die mit Luftkompressoren gekoppelt sind.

[0050] Stromabwärts solcher Kompressoren in Lufterzeugungsanlagen oder Kraftwerken fällt durch Kompression erhitztes Gas an, dessen Wärme als Abwärme an die Umwelt abgegeben wird. Diese Abwärme wird bevorzugterweise zur Erwärmung des Sauerstoffes genutzt, der in das Festbett eines Einschmelzvergaser eingebracht wird. Eine Erhöhung der Temperatur des Sauerstoffstrahles führt zu einem verminderten Bedarf an Kohlenstoffträgern zur Bereitstellung der zum Einschmelzen der Eisenträger erforderlichen Energie. Damit wird der Prozess der Roheisenerzeugung kostengünstiger und es werden die spezifischen Emissionen, speziell von C02, bei der Roheisenerzeugung vermindert.

[0051] Der Sauerstoffstrahl tritt unter einem Eintrittsdruck in die Schüttung ein, der so gewählt ist, dass der beim Strömen des bei der Umsetzung des Sauerstoffs gebildete Reduktionsgas über das Charbetts bis zum Beruhigungsraum auftretende Druckverlust überwunden werden kann.

[0052] Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Eintrittdruck bei gleichbleibendem Massenstrom vermindert. Um den Prozess der Roheisenerzeugung weiter ablaufen lassen zu können, wird dabei gleichzeitig beispielsweise der Druck im Beruhigungsraum gesenkt oder das Charbett zwecks Verminderung des Druckverlustes verkleinert. Durch die Verminderung des Eintrittdruckes kann ein höherer Volumenstrom bei gleich bleibendem Massestrom erzielt werde. Gleichbleibender Massestrom ist dabei im anlagentechnischen Sinne zu verstehen und umfasst auch die durch Regelung auf einen gegebenen Betriebszustand hin auftretenden Schwankungen von bis zu +/- 10 % von dem Wert, der bei einem gegebenen Betriebszustand gewünscht ist.

[0053] Um bei einem gegenüber einem Ausgangswert verminderten Eintrittsdruck des Sauerstoffstrahles einen gleichbleibenden Massefluss zu gewährleisten, obwohl bei einer Verminderung des Drucks die Dichte des Sauerstoffstrahles abnimmt, wird der Durchmesser der bei dem verminderten Druck einzusetzenden Sauerstoffdüsen entsprechend größer ausgeführt.

[0054] Vorzugsweise beträgt die Temperatur des in die Schüttung eintretenden Sauerstoffstrahles zumindest 200°C, bevorzugt zumindest 250^0.

[0055] Vorzugsweise beträgt die Strömungsgeschwindigkeit des in die Schüttung eintretenden Sauerstoffstrahles im Bereich 100 m/s bis Schallgeschwindigkeit, bevorzugt im Bereich 150 -300 m/s. Dabei ist die Schallgeschwindigkeit unter den Druck/Temperaturbedingungen des Sauerstoffs beim Eintritt gemeint.

[0056] Unter 100 m/s Gefahr besteht eine große Gefahr von Düsenschäden durch Rückströmung von flüssigem Roheisen in die Düsen. Ab Schallgeschwindigkeit ergibt sich ein hoher Druckverlust über die Sauerstoffdüsen und hoher Energiebedarf zum Aufbau des für eine solche Geschwindigkeit notwendigen Druckes. Zudem trägt der mit so hohen Geschwindigkeiten verbundene große Impuls des Sauerstoffstrahles stark zur unerwünschten Feinkornbildung bei.

[0057] Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zusammen mit dem Sauerstoffstrahl eine Eindüsung von Kohlenstoffträgern in fester oder flüssiger oder gasförmiger Form, beispielsweise Kohle/Öl/Eigengas, in den Sauerstoffstrahl vor dem, im Bereich des Eintritts des Sauerstoffstrahles in die Schüttung gebildeten, Race-way und/oder in dem Race-way. Dabei wird der Effekt erzielt, dass durch Vergasung dieser Kohlenstoffträger ein effektiv größeres Gasvolumen im Race-way gebildet und in die Schüttung eingebracht wird, als wenn nur der Sauerstoffstrom in die Schüttung eintritt - denn das eingebrachte Gasvolumen setzt sich aus dem eintretenden Sauerstoff strahl und dem bei der Vergasung entstehenden Gas zusammen - genannt resultierender Gasstrahl. Bei gleicher in die Schüttung eintretender Menge Sauerstoff wird also eine Erhöhung des Verhältnisses Volumsstrom zu Massestrom des eintretenden, resultierenden Gasstrahles erzielt. Die Mengen der Eindüsung und die Reinheit des Sauerstoffstrahles, in den eingedüst wird, beziehungsweise in dessen 6/12 österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15

Race-way eingedüst wird, sind so gewählt, dass es sich bei dem resultierenden Gasstrahl immer noch um technisch reinen Sauerstoff handelt.

[0058] Kohle wird beispielsweise als Kohlestaub zugeführt.

[0059] Öl wird beispielsweise fein zerstäubt zugeführt.

[0060] Das Eigengas ist bevorzugterweise auf die Temperatur des Sauerstoff ström es vorgewärmt. Unter Eigengas ist beim Prozess der Roheisenerzeugung, zu dem der Sauerstoff beiträgt, gebildetes Reduktionsgas oder Exportgas zu verstehen.

[0061] Die Angaben Massestrom, Volumsstrom, Temperatur, Druck des Sauerstoffstrahles, sowie die Werte für Massestrom, Volumsstrom, Temperatur, Druck des Sauerstoffstrahles beziehen sich auf die Stelle der Zufuhr des Sauerstoffstrahles in die Schüttung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Kurze Beschreibung der Ausführungsformen [0062] Die Figuren 1 bis 3 zeigen anhand von Diagrammen die erfindungsgemäß erzielten Effekte.

[0063] Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen beispielhaft und schematisch, wie die Temperatur des Sauerstoffstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.

[0064] Die Figur 1 zeigt ein Beispiel dafür, dass bei einer Vergrößerung des Verhältnisses Volumsstrom zu Massenstrom eines Sauerstoffstrahles die Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles zunimmt. Der Massestrom ist konstant. Figur 1 zeigt beispielsweise, dass bei einer Erhöhung des Verhältnisses Volumsstrom zu Massestrom von etwa 90% von knapp 0,22 auf knapp 0,42 m3/kg die Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles um knapp 15% zunimmt. Das trifft auf beide gezeigten Strömungsgeschwindigkeiten zu.

[0065] Auch die Figur 2 zeigt ein Beispiel dafür, dass die Eindringtiefe eines Sauerstoffstrahles in die Schüttung eines Einschmelzvergasers zunimmt, wenn das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom des Sauerstoffstrahles vergrößert wird. Der Massestrom des Sauerstoffstrahles ist gleichbleibend. Damit bei erhöhter Temperatur des Sauerstoffstrahles die Strömungsgeschwindigkeit gleich bleibt, werden bei höheren Temperaturen größere Durchmesser der Sauerstoffdüsen - in der Figur abgekürzt mit Nozzledia - verwendet. Aus der Figur 2 ist zu entnehmen, dass bei gleichbleibendem Massestrom und gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit die Eindringtiefe mit steigender Temperatur zunimmt. Da steigende Temperatur über abnehmende Dichte größeres Volumen bedeutet, ergibt sich eine steigende Eindringtiefe mit Vergrößerung des Verhältnisses Volumsstrom zu Massestrom des Sauerstoffstrahles.

[0066] Figur 3 zeigt, dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massenstrom eines Sauerstoffstrahles mit sinkendem Eintrittsdruck beziehungsweise mit zunehmender Temperatur zunimmt.

[0067] Die Basis für die präsentierten Figuren waren ein Massestrom von 2200 Nm3/h von reinem Sauerstoff, und ein Absolutdruck am Austritt des Sauerstoffs aus der Sauerstoffdüse von 5,5 beziehungsweise 4,5 bar.

[0068] Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen beispielhaft und schematisch, wie die Temperatur des Sauerstoffstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden kann. Dabei ist jeweils am rechten Bildrand schematisch eine Sauerstoffdüse angedeutet.

[0069] Figur 4 zeigt schematisch, wie Sauerstoff 1 dadurch erwärmt wird, dass ein gasförmiger Brennstoff - in diesem Fall aus dem Prozess zur Roheisenerzeugung, in dem das Roheisenerzeugungsaggregat eingesetzt wird, anfallendes Topgas 2 aus einem nicht dargestellten Reduktionsschacht - mit einem Teil des Sauerstoffs 1 in einem Brenner 3 verbrannt wird, und sich das bei der Verbrennung erhaltende heiße Gas mit dem unverbrannten Sauerstoff 1 vermischt. Die Vermischung findet in diesem Fall in der Brennkammer 4 des Brenners 3 statt, um den Temperatureinfluss auf die Ausmauerung von den Sauerstoff führenden Leitungen zu minimieren. Der 7/12 österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15

Druck des Sauerstoffstrahles bleibt dabei gleich, nur die Temperatur steigt.

[0070] Figur 5 zeigt schematisch, wie Sauerstoff 1 durch Verwendung indirekter Wärmetauscher 5 erwärmt wird. Im indirekten Wärmetauscher 5 wird Wärme von Dampf 6 auf den Sauerstoff übertragen, wobei der Druck des Sauerstoffstrahles gleich bleibt.

[0071] Figur 6 zeigt schematisch, wie eine Erwärmung von Sauerstoff 1 zweistufig erfolgt. Zuerst wird eine Vorwärmung bei niedrigem Druck des Sauerstoffstrahles mittels eines indirekten Wärmetauschers 5 und Dampf 6 vorgenommen, und dann erfolgt eine adiabate Verdichtung des derart vorgewärmten Sauerstoffs in einem Kompressor 7. Dabei wird vor der Vorwärmung der Sauerstoffstrahl durch adiabate Entspannung in einer Entspannungsvorrichtung 8 von einem Anfangsdruck auf einen Zwischendruck entspannt, wobei die Temperatur des Sauerstoffstrahles abnimmt. Nach der darauffolgenden Vonwärmung des unter dem Zwischendruck stehenden Sauerstoffs wird der Sauerstoff dann bei der adiabaten Verdichtung wieder auf den Anfangsdruck gebracht und dabei auf die gewünschte Temperatur erwärmt.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

Sauerstoff 1

Topgas 2

Brenner 3

Brennkammer 4 Wärmetauscher 5

Dampf 6

Kompressor 7

Entspannungsvorrichtung 8 8/12

Claims (9)

1. österreichisches Patentamt AT510 313B1 2013-06-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Erhöhung der Eindringtiefe eines mit einem Volumsstrom und einem Massestrom in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates, bevorzugterweise eines Schmelzreduktionsaggregates/Einschmelzvergasers oder eines sauerstoffblasenden Hochofens, eintretenden Sauerstoffstrahles von technisch reinem Sauerstoff zur Vergasung von in der Schüttung vorhandenen Kohlenstoffträgern zur Gewinnung eines Reduktionsgases zur Herstellung von Roheisen durch Reduktion von oxidischen Eisenträgern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom des Sauerstoffstrahles vergrößert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichbleibendem Massestrom der Volumsstrom erhöht wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Sauerstoff strahl mit einer Strömungsgeschwindigkeit in die Schüttung eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sauerstoffstrahles erhöht wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sauerstoffstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sauerstoffstrahles mittels einer einzelnen oder mehrerer der nachfolgend genannten Verfahren in Kombination erhöht wird: - Verbrennung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes mit Sauerstoff über einen Brenner, und Vermischung des dabei erhaltenen heißen Gases mit dem Sauerstoff, - Vermischung von Sauerstoff mit Dampf und/oder heißem Stickstoff in Mischkammer o-der an der Einblasstelle, - Verwendung von indirekten Wärmetauschern, - Vorheizung von Sauerstoff mittels eines Plasmabrenners und Vermischung mit nicht derart vorgeheiztem Sauerstoff.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sauerstoffstrahl unter einem Eintrittsdruck in die Schüttung eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittdruck bei gleichbleibendem Massenstrom vermindert wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des in die Schüttung eintretenden Sauerstoffstrahles zumindest 200°C, bevorzugt zumindest 250 °C beträgt.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des in die Schüttung eintretenden Sauerstoffstrahles im Bereich 100 m/s bis Schallgeschwindigkeit, bevorzugt im Bereich 150 - 300 m/s, liegt.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit dem Sauerstoffstrahl eine Eindüsung von Kohlenstoffträgern in fester oder flüssiger o-der gasförmiger Form, in den Sauerstoffstrahl vor dem, im Bereich des Eintritts des Sauerstoffstrahles in die Schüttung gebildeten, Race-way und/oder in den Race-way erfolgt. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 9/12