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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung einer Feinkohle in einem Prozess zur Verhüttung eines metallhaltigen Einsatzstoffes, insbesondere vorreduziertem Eisenerz, vorzugsweise zur Erzeugung von Roheisen und/oder flüssigen Stahlvorprodukten, in einem metallurgischen Aggregat.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Einsatz von Feinkohle in einem Aggregat zur Erzeugung von Roheisen und/oder Stahlvorprodukten bekannt.
In der Veröffentlichung W09901583A1 wird beispielsweise vorgeschlagen, Feinkohle zu trocknen, mit Bitumen zu mischen und nachfolgend einer Brikettieranlage zu zuführen.
In der betrieblichen Praxis erweist sich diese Vorgangsweise als aufwendig und, insbesondere aufgrund der hohen und marktabhängigen Bitumenpreise, als unwirtschaftlich.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden, und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 weiter zu entwickeln, durch welches ein wirtschaftlicherer Betrieb eines Verfahrens zur Erzeugung von Metallschmelzen und/oder Metallvorprodukten ermöglicht wird.
Die erfindungsgemässe Aufgabe wird nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung betrifft nach einer besonderen Ausführungsform die Verhüttung von Metallerzen, insbesondere Eisenerzen, zur Gewinnung entsprechender Metalle. Unter Metallerzen versteht der Fachmann metallhaltige Einsatzstoffe, insbesondere Eisenschwamm oder andere, beispielsweise brikettierte und/oder vorreduzierte, Metalloxide, zu verstehen.
Die Erfindung betrifft nach einer weiteren Ausführungsform die Verhüttung von eisenhaltigen Verbindungen, insbesondere Eisenerzen, zur Gewinnung von Roheisen. Unter eisenhaltigen Verbindungen sind dabei sämtliche eisenhaltige Einsatzstoffe, insbesondere Eisenerze und/oder Eisenschwamm oder andere, beispielsweise brikettierte und/oder vorreduzierte, Eisenoxide, zu verstehen.
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Ein metallurgisches Aggregat stellt nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ein Schmeizaggregat und/oder ein Reduktionsaggregat, insbesondere einen Einschmelzvergaser, dar.
Der Preis für Erdölderivate, insbesondere für Bitumen, unterliegt je nach Marktsituation beträchtlichen Schwankungen. Besonders Verfahren für deren Betrieb grosse Mengen an Erdölderivat, insbesondere Bitumen, notwendig sind, sind in einem durch hohe Nachfrage bestimmten Markt unwirtschaftlich. Bitumen gilt im Stand der Technik als vorteilhaftes Bindemittel zur Kompaktierung von Feinkohle.
Dadurch, dass die Feinkohle erfindungsgemäss mit einer erdölderivathaltigen, insbesondere bitumenhaitigen, Emulsion versetzt wird, kann, gegenüber dem Stand der Technik, die Menge des eingesetzten Erdölderivates, insbesondere des Bitumens, wesentlich verringert werden.
Durch die Verringerung der eingesetzten Bitumenmenge, infolge des erfindungsgemässen Einsatzes einer Bitumenlösung, verringert sich die Abhängigkeit
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des Betreibers eines solchen Verfahrens vom Bitumenmarkt, wodurch sich wesentliche Kosteneinsparungen ergeben.
Nach einer weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens weist die kompaktierte, insbesondere brikettierte, nach dem erfindungsgemässen Verfahren behandelte, Feinkohle eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf : * Die mittlere Korngrösse (d50) der kompaktierten Feinkohle beträgt entsprechend den
Erfordernissen mehr als 20 mm * Das mittlere Volumen der kompaktierten Feinkohle beträgt entsprechend den
Erfordernissen mehr als 20 cm3 * Verbesserte mechanische, thermische und metallurgische Eigenschaften gegenüber stückigen Ausgangskohlen, insbesondere eine oder mehrere der folgenden
Eigenschaften :
* Höhere Shatterfestigkeit * Höhere Trommelfestigkeit Höhere thermische Stabilität # Höhere thermomechanische Stabilität 'Verbesserter Reaktivitätsindex des Pyrolyserückstandes # Höhere Festigkeit des Pyrolyserückstandes nach eine C02-Partialvergasung Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren weisen die Briketts nach ihrer Pyrolyse, beispielsweise in einem Einschmelzvergaser, eine wesentlich höhere thermische und/oder thermomechanische Stabilität und/oder bessere metallurgische Eigenschaften, als eine pyrolisiert stückige Ausgangskohle, auf.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird zumindest eine der eingesetzten Bitumenemulsionen, vorzugsweise der Bitumen - in Wasser - Emulsionen, unter Zuhilfenahme anionischer als auch kationischer Emulgatoren hergestellt. Nach einer weiteren Ausführungsform können sowohl
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Industriebitumen, beispielsweise sogenannte Strassenbaubitumen, als auch oxidierte
Bitumen, beispielsweise Dachbitumen, und/oder Spezialbitumen emulgiert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Feinkohle einen, gegebenenfalls ausschliesslichen, Kornbereich von 6, 3 und 0, 01 mm auf. Besonders bevorzugt gilt, dass die mittlere Korngrösse (d50) weniger als 1 mm beträgt.
Nach einer zusätzlichen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden die kompaktierten, beispielsweise brikettierten, Einsatzstoffe aus Mischungen von feuchter Feinkohle mit 3 bis 10 Gew% einer Bitumenemulsion, mit vorzugsweise 50 bis
60 Gew% Bitumenanteil, sowie gegebenenfalls anderen kohlenstoffhaltigen Stoffen mit variablen Prozentsätzen hergestellt.
Vorzugsweise wird dabei eine erdölderivathaltige, insbesondere bitumenhaitige,
Emulsion als alleiniges, insbesondere erdölderivathaltiges und/oder bitumenhaltiges, Bindemittel zur Kompaktierung der Feinkohle verwendet.
Nach einem zusätzlichen Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens wird die bitumenhaltige Emulsion mit der kalten, insbesondere ungetrockneten, besonders bevorzugt feuchten, Kohle und/oder anderen Kohlenstoffträgern gemischt.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens bildet die mit der erdölderivathaltigen Emulsion versetzte und zumindest teilweise kompaktierte Feinkohle in dem Schmeizaggregat eine permeable Schüttung aus.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Feinkohle bei der Versetzung mit der bitumenhaitigen Emulsion zumindest teilweise in ungetrocknetem, insbesondere feuchtem, Zustand eingesetzt. Durch den Entfall der Trocknung kann eine wesentliche Vereinfachung des Verfahren erreicht werden.
Wesentliche Energiekosten können auf diese Weise eingespart werden.
Der Fachmann war bisher, angesichts des Standes der Technik, der Ansicht, dass die Feinkohle vor einem Kompaktierungsprozess einer Trocknung unterzogen werden müsste. Nur bei trockener Feinkohle könnten, nach Ansicht der Fachwelt, entsprechend formstabile und hitzebeständige kompaktierte Kohlen hergestellt werden.
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Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird durch den Einsatz der ungetrockneten Kohle die Gefahr eines Kornzerfalls verringert, da infolge einer allfälligen Trocknung und einer dadurch herbeigeführten Versprödung im
Kompaktierungsprozess ein Kornzerfall auftreten könnte.
Unter einer feuchten Feinkohle versteht der Fachmann nach einer bevorzugten Ausführungsform Kohlen mit weniger als 12 Gew% H20.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die mit der erdölderivathaltigen, insbesondere bitumenhaltigen, Emulsion versetzte Feinkohle vor der zumindest teilweisen Kompaktierung, gegebenenfalls nach einer zumindest teilweisen Homogenisierung, in einer Aktivierungs- und Benetzungseinrichtung, insbesondere einem Kneter, gegebenenfalls unter Zusatz von Wasserdampf, mit der bitumenhaitigen Emulsion, insbesondere dünnschichtig, benetzt.
Diese Benetzung kann mit einer weiteren Homogenisierung einhergehen.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die einzusetzende, vorzugsweise feuchte, Kohle zuerst mit einer oder mehreren Erdölderivatemulsionen, insbesondere Bitumenemulsionen, und gegebenenfalls mit anderen kohlenstoffhaltigen Feinsubstanzen, vorzugsweise kalt, gemischt und nachfolgend in einem Kneter mit Wasserdampf kontaktiert und auf Temperaturen über den Erweichungspunkt des emulgierten Erdölderivats, insbesondere des Bitumens, gebracht.
Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt die Kompaktierung, insbesondere Brikettierung, bei einer Temperatur unterhalb von 100 C.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt die Kompaktierung, insbesondere Brikettierung, bei Temperaturen entsprechend dem Erweichungspunkt des eingesetzten Bitumen, beispielsweise unterhalb von 85 oC.
Die Erfindung ist weiters durch ein Verfahren nach Anspruch 6 gekennzeichnet.
Die Erfindung ist weiters durch eine Verwendung nach Anspruch 7 gekennzeichnet.
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Nach einer Ausführungsform bezieht sich die Erfindung insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von kohlehaltigen kaltgepressten Briketts, welche direkt, insbesondere nach der Abkühlung, ohne einer Nachbehandlung unterzogen werden zu müssen, in einen Einschmeizvergaser oder Koksofen eingebracht werden können.
Nach einer anderen Ausführungsform zielt die Erfindung darauf ab, ohne eine thermische Nachbehandlung kaltgepresste Kohlebriketts aus Kohle und/oder anderen kohlenstoffhaltigen Hüttenabfallstoffen sowie allfälligen anderen Abfallstoffen, sowie gegebenenfalls Additiven, direkt in einen Einschmelzvergaser oder Koksofen einzubringen.
Nach einer Ausführungsform werden zur Lösung dieser Aufgabe vor dem Brikettieren getrocknete und/oder ungetrocknete Feinkohle und/oder andere kohlenstoffhaltige Stoffe zuerst mit der Bitumenemulsion vermischt, wonach die Mischung durch Kneten, vorzugsweise in Anwesenheit von Wasserdampf, weiter homogenisiert und kontaktiert wird. Nach einer besonderen Ausführungsform wird die Mischung durch Behandlung mit Wasserdampf im Kneter über den Erweichungspunkt des emulgierten Bitumens erwärmt, wobei die metastabile Emulsion in ihre Initialbestandteile zerlegt wird.
Bei der Behandlung im Kneter wird eine Benetzung der zu brikettierenden Materialpartikel mit einer dünnen Schicht des Erdölderivats, insbesondere des Bitumens, ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird in einer nachgeschalteten Entwrasungsstufe der Feuchtegehalt und die Temperatur des Brikettierungsgutes eingestellt und kontrolliert.
Nach einer Ausführungsform stellt sich die Erfindung beim Einsatz von bitumenhaltigen Emulsionen als besonders vorteilhaft dar, wobei sowohl auf Grundlage anionischer als auch kationischer Emulgatoren hergestellte ( in-Wasser-Emulsionen verwendet werden können. Das Benetzungsverhalten entsprechend der Emulsionseigenschaften und der Eigenschaften der Kohlenoberflächen, im speziellen der Oberflächenladung, kann gezielt gesteuert werden. Zusätzlich erlauben unterschiedliche Emulgatoren einerseits die Herstellung von Emulsionen unterschiedlichster Stabilität als auch den Einsatz eines sehr breiten Spektrums an zu emulgierende Erdölderivaten,
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Nach einer Ausführungsform ist es ein wesentlichster Vorteil beim Einsatz von Bitumen-
Emulsionen, dass im Vergleich zur Brikettierung mit nur Bitumen, bei gleicher Qualität des kompaktierten Einsatzstoffes, insbesondere der Briketts, der Anteil an Bitumen um bis zu mehr als 50 % reduziert werden kann, wodurch ein entscheidender wirtschaflicher
Vorteil beim Brikettieren erzielt werden kann.
Nach einer Ausführungsform ist es ausserdem ein wesentlicher verfahrenstechnischer und wirtschaftlicher Vorteil, dass, im Vergleich zur bekannten Kaltbrikettierung von
Feinkohlen mit Bitumen, bei der ausschliesslich trockene Einsatzkohle verwendet wird, als Brikettiergut feuchte Kohle, vorzugsweise mit einem Feuchtegehalt bis maximal 12 %, eingesetzt werden kann. Damit kann eine vorgeschaltete Trocknungsstufe entfallen.
Nach einer Ausführungsform zeigt es sich weiters von besonderem Vorteil, dass bei geeigneter Wahl des Emulsionssystems, jüngere Kohlen unterschiedlichsten
Inkohlungsgrades, vor allem Kohle mit geringem Inkohlungsgrad, brikettiert werden können wobei die erforderlichen mechanischen und themomechanischen Anforderungen für den Einsatz im metallurgischen Bereich eingestellt werden können.
Nach einer Ausführungsform kann durch den Einsatz hochkohlenstoffhaltiger Erdölderivate, insbesondere Bitumen, als Emulsionsbestandteil ausserdem die Qualität minderwertiger Einsatzkohle, wie sie beispielsweise für den Einsatz in einem COREXVerfahren bestimmt sind, verbessert werden, was sich vor allem in einer Verbesserung der thermischen und/oder metallurgischen Eigenschaften des Brikett-Chars äussert.
Nach einer Ausführungsform wird dadurch ausserdem das Spektrum an verwendbaren Kohlen um Kohlen mit geringerem lnkohlungsgrad in Richtung qualitativ minderwertiger Einsatzstoffe erweitert, wodurch ein ökonomischer Vorteil beim Zukauf von Kohlen, insbesondere für den Betrieb des COREX-Prozesses entsteht.
Nach einer Ausführungsform erlaubt es der Einsatz von Bitumenemulsionen ausserdem, Spezialbitumen mit längerkettigen Kohlenwasserstoffgerüsten zu verwenden. Die Verwendung von Spezialbitumen mit einem höheren Erweichungspunkt führt einerseits zu wärmebeständigeren Briketts, wodurch das Handling der Briketts vor allem in klimatischen Gebieten mit höheren Temperaturen in der warmen Jahreszeit erleichtert wird, andererseits wird durch die Verwendung von Spezialbitumen mit höherem Brechungsindex im allgemeinen auch die Sprödigkeit der Briketts herabgesetzt
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(beispielsweise höhere Shatter-Festigkeit in der kalten Jahreszeit).
Nach einer weiteren besonderen Ausführungsform stabilisieren Bitumen mit längerkettigen
Kohlenstoffgerüsten die produzierten Briketts während der Pyrolyse unter
Prozessbedingungen durch multiple Kohlenstoff-Brückenbildung zwischen den einzelnen Kohlepartikeln.
Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispieles beschrieben :
In einen Einschmelzvergaser wird über eine Zuführung zumindest teilweise reduzierter
Eisenschwamm eingebracht, der im Einschmelzvergaser, gegebenenfalls nach einer
Fertigreduktion, eingeschmolzen wird, und zwar bei Durchtritt durch ein aus kohlenstoffhaltigem Material gebildetes Bett. Der Einschmelzvergaser ist weiters mit einer Zuleitung für Sauerstoff bzw. eines sauerstoffhaltiges Gas, mit Zuleitungen für kohlenstoffhaltiges Material, mit einer Ableitung für im Einschmeizvergaser gebildetes Reduktionsgas sowie mit Abstichen für schmelzflüssiges Roheisen bzw. schmelzflüssige Schlacke ausgestattet.
Das zum Einsatz gelangende kohlenstoffhaltige Material wird durch eine Siebvorrichtung in verschiedene Fraktionen getrennt, wobei eine erste grobe Fraktion (Korngrösse grösser als 20 mm) direkt in den Einschmelzvergaser aufgegeben werden kann. Eine mittlere Fraktion zwischen 8 und 20 mm kann, gegebenenfalls nach einer Trocknung, ebenfalls einer direkten Verwertung zugeführt werden. Die feine Fraktion unterhalb von 8 mm wird gegebenenfalls getrocknet und in behandelter, insbesondere brikettierter, Form dem Einschmelzvergaser zugeführt.
Das stückige kohlenstoffhaltige Material (grobe und mittlere Fraktionen) wird über die Zuleitung direkt dem Einschmelzvergaser zugeführt. Die feine Fraktion gelangt in einen Vorratsbehälter und von diesem zu einem Mischer, in dem die Feinkohle mit einer Erdölderivatemulsion, insbesondere einer Bitumenemulsion, vermischt wird, die einem entsprechenden Emulsionstank entnommen wird.
Die eingesetzte Bitumenemulsion kann gewöhnliches Erdölbitumen für Strassenbauzwecke mit einem Erweichungspunkt unter 75 C und/oder Oxidierten Bitumen mit einem Erweichungspunkt unter 90 C und/oder Spezialbitumen mit einem Erweichungspunkt unterhalb von 120 OC enthalten. Das Gemisch aus Feinkohle,
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gegebenenfalls Kohlestaub und/oder kohlenstoffhaltigen Hüttenreststoffen, und
Bitumenemulsion wird anschliessend mittels einer Kaltbrikettiereinrichtung bei einer
Temperatur entsprechend circa 5 Grad über der Erweichungstemperatur des eingesetzten Bitumens, vorzugsweise im Bereich von etwa 60 bis 115 C, kalt brikettiert.
Für die Brikettierung wird auf diese Weise keine zusätzliche thermische Energie aufgewendet. Die erzeugten Briketts werden schliesslich einer Einrichtung zum Abscheiden von Brikettbruchstücken zugeführt, wobei die Einrichtung zum Abscheiden gleichzeitig als Kühleinrichtung dienen kann.
Die Briketts werden hierbei beispielsweise auf eine Temperatur von unter 450C abgekühlt.
Die Brikettbruchstücke, die nicht die für den Einsatz in den Einschmelzvergaser erforderliche Korngrösse aufweisen, werden in den Brikettierungsprozess rezykliert. Sie gelangen zunächst in einen Sammelbehälter und von diesem in den Vorratsbehälter für Feinkohle.
Die Briketts werden über eine Zuleitung dem Einschmelzvergaser zugeführt, in dem sie einer Schock-Erhitzung unterzogen werden. In Versuchen hat sich gezeigt, dass die kompaktierte Feinkohle eine äusserst hohe Thermostabilität aufweist, die sogar höher ist als die Thermostabilität des stückigen kohlenstoffhaltigen Materials.
Durch die erfindungsgemässe Vorgangsweise werden somit Briketts aus Feinkohle und Kohlestaub produziert, die eine überaus hohe Thermostabilität aufweisen, und die ohne weiteres in einen Einschmelzgaser eingesetzt werden können, wobei die Zerfallserscheinung der Briketts auch bei den schockartig einwirkenden Temperaturen des Einschmelzvergasers von ca. 1000 C sehr gering ist. Hierdurch gelingt der Einsatz von Feinkohle und Kohlestaub in einen Einschmelzvergaser in ökonomischer Weise, und zwar in der Art, dass die aus der Feinkohle und dem Kohlestaub erzeugten Briketts zum Aufbau eines aus Kohlenstoffträgern gebildeten Betts im Einschmelzvergaser beitragen, wodurch beträchtliche Kosten für den Einsatz stückigen kohlenstoffhaltigen Materials eingespart werden können.
Der Prozess zur Herstellung der metallurgischen Kohleagglomerate unterscheidet sich entsprechend verschiedener Ausführungsformen der Erfindung durch eines oder
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mehrere der folgenden Merkmale, von den aus dem Stand der Technik bekannten
Verfahren : Änderung der Oberflächeneigenschaften der Kohlepartikel vor der Zugabe der Erdölderivat-Emulsion
Ausnutzung der physikalische Eigenschaften der Erdölderivatemulsion,
vorzugsweise der Bitumenemulsion Oberflächenaktivierung der Kohlepartikel der zu brikettierenden Kohlemischung 'Benetzung der Kohlepartikeloberfläche mit dem Erdölderivat und dadurch signifikante Verringerung der aktuellen Bitumenzusatzmenge * Aktivierung der maximalen Kohäsion-/Adhäsionskraft der benetzten
Kohlepartikeloberfläche * Optimierung der physikalischen Eigenschaften der Brikettmischung vor dem
Kompaktierungsprozess (beispielsweise : Mischungstemperatur ;
Mischungsfeuchte) * Optimierung der Einzugseigenschaften (Fliesseigenschaften) der Brikettmischung und dadurch Erreichen eines optimalen Füllungsgrades der Pressformen des
Kompaktierverfahrens * Optimierung der Kompaktiereigenschaften (Pressdruck, Walzenumdrehung, etc. ) entsprechend der verwendeten Kohle (entsprechend dem jeweiligen Inkohlungsgrad) Die höhere Thermostabilität sowie die bessere Festigkeit nach der Reaktion der Briketts gegenüber der stückigen Ausgangskohle in dem Einschmeizaggregat führt zu folgenden Prozessvorteilen im Schmelzaggregat, insbesondere im Einschmelzvergaser :
* Aufbau einer permeablen Schüttung, die eine problemlose Durchgasung ermöglicht * Aufbau eines stabilen Charbettgerüstes, welches eine bessere Drainage der
Flüssigphase sowie eine vorteilhafte Durchgasung des Festbettes ermöglicht * Aufbau eines stabilen Hohlraumes (raceway) vor den Düsen zur Zufuhr des
Sauerstoffträgers in den Einschmeizvergaser
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# Bereitstellung einer losen bis semifluidisierten Charschüttung für chemische
Reaktionen innerhalb des Einschmelzvergasers 'Aufbau eines stabilen "Toten Mannes"