DE102008048779A1

DE102008048779A1 - Schachtofen mit Gichtgasrückführung

Info

Publication number: DE102008048779A1
Application number: DE102008048779A
Authority: DE
Inventors: Heinz Kadelka; Hans Ulrich Feustel
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: FUSORIS ENGINEERING GMBH & CO. KG, DE; Linde GmbH
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2010-03-25
Also published as: FR2936257A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Einsatzgut in einem Schachtofen (1), wobei zumindest ein Teil der Gichtgase aus dem Schachtofen (1) abgezogen, mittels eines sauerstoffhaltigen Gases nach dem Strahlpumpenprinzip angesaugt, mit dem sauerstoffhaltigen Gas gemischt und wieder in den Schachtofen (1) eingebracht wird, wobei dem Schachtofen (1) zusätzlich Verbrennungsluft zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Einsatzgut in einem Schachtofen, wobei zumindest ein Teil der Gichtgase aus dem Schachtofen abgezogen, mittels eines sauerstoffhaltigen Gases nach dem Strahlpumpenprinzip angesaugt, mit dem sauerstoffhaltigen Gas gemischt und wieder in den Schachtofen eingebracht wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Schachtofen mit ein oder mehreren Absaugöffnungen zum Absaugen von Gichtgas und ein oder mehreren in den Schachtofen mündenden Gichtgasbrennern, wobei der oder die Gichtgasbrenner mit einer Treibdüse zur Beschleunigung eines über den oder die Gichtgasbrenner zugeführten Treibgases versehen sind, und wobei die Absaugöffnung(en) mit mindestens einem Gichtgasbrenner verbunden sind.
In einem Kupolofen wird ein Einsatz, der meist aus Roheisen, Gussbruch, Stahlschrott und sonstigen Ferrolegierungen besteht, aufgeschmolzen. Als Brennstoff wird im Kupolofen in der Regel Gießereikoks eingesetzt, der durch Umsetzung mit Sauerstoff verbrannt wird und dabei die zum Schmelzen des Eisensatzes notwendigen Energiemengen freisetzt.
Ursprünglich wurde der Koks mit Luft als Oxidationsmittel verbrannt. Mittlerweile gehört jedoch der Einsatz von mit Sauerstoff angereicherter Luft beim Schmelzen im Kupolofen zum technischen Standard. Der Vorteil gegenüber der Verwendung von Luft liegt darin, dass höhere Verbrennungstemperaturen erzeugt werden können und der Schmelzprozess schneller abläuft.
Aus der EP 0 762 068 A1 ist ein Verfahren zur Zuführung von Verbrennungsluft in einen Kupolofen bekannt, bei dem Sauerstoff in den Kupolofen eingedüst wird und der dabei entstehende Unterdruck ausgenutzt wird, um weitere Verbrennungsluft in den Kupolofen zu saugen.
Bei der Verbrennungsreaktion des Sauerstoffes und der Luft mit dem Koks entstehen im Kupolofen Gichtgase, die sich im Wesentlichen aus CO₂, CO, H₂O und N₂ zusammensetzen. Bedingt durch die bei der Koksumsetzung im Schacht herrschenden temperatur- und konzentrationsabhängigen Reaktionsgleichgewichte verlässt ca. 25% der eingesetzten Energie den Kupolofen in Form vom CO.
Bei der sogenannten Untergichtabsaugung werden die Gichtgase über einen Ringspalt am Ofen abgezogen, in einer Brennkammer nachverbrannt und dann einem Rekuperator zur Wärmerückgewinnung zugeführt. Die gewonnene Wärme wird zur Vorwärmung der dem Kupolofen zugeführten Verbrennungsluft genutzt (Heißwindbetrieb des Kupolofens).
Bei einer Obergichtabsaugung werden die Gichtgase dagegen oberhalb der Begichtungsöffnung für den Kupolofeneinsatz abgezogen. Hierbei wird ständig Falschluft erfasst, wodurch das Gichtgas verdünnt und eine thermische Nutzung unwirtschaftlich wird.
Die beim Kupolofenbetrieb anfallenden Gichtgasmengen sind sehr hoch und die gesetzlichen Anforderungen an die Reinheit von Abgasen steigen ständig, wodurch spezielle und kostenintensive Verfahren zur Reinigung des als Abgas an die Umgebung abgegebenen Gichtgases notwendig werden.
In der EP 0 614 060 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kupolofens beschrieben, bei dem ein Teil des Gichtgases aus dem Kupolofen abgezogen und an anderer Stelle dem Kupolofen gemeinsam mit Sauerstoff wieder zugeführt wird. Das im Gichtgas enthaltene CO wird dann im Kupolofen mit dem Sauerstoff zu CO₂ nachverbrannt, wobei Energie frei wird. Die Abgasmenge des Ofens wird dadurch deutlich reduziert.
Das Verfahren gemäß der EP 0 614 060 A1 bringt jedoch beim Einsatz im industriellen Maßstab zahlreiche Probleme mit sich. So reichen beispielsweise die abgesaugten Gichtgasmengen nicht aus, um im Kupolofen die gewünschten Prozessbedingungen aufrechtzuerhalten. Zudem kühlt das Gichtgas aufgrund der relativ geringen Gasmenge im Kupolofen zum Teil soweit ab, dass der Taupunkt des Gichtgases unterschritten wird.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb eines Schachtofens und einen entsprechenden Schachtofen zu entwickeln, um die Abgasmengen auch beim Einsatz im industriellen Maßstab deutlich zu senken.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Schmelzen von Einsatzgut in einem Schachtofen gelöst, wobei zumindest ein Teil der Gichtgase aus dem Schachtofen abgezogen, mittels eines sauerstoffhaltigen Gases nach dem Strahlpumpenprinzip angesaugt, mit dem sauerstoffhaltigen Gas gemischt und wieder in den Schachtofen eingebracht wird, und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass dem Schachtofen zusätzlich Verbrennungsluft zugeführt wird.
Der erfindungsgemäße Schachtofen besitzt ein oder mehrere Absaugöffnungen zum Absaugen von Gichtgas und ein oder mehrere in den Schachtofen mündende Gichtgasbrenner, wobei der oder die Gichtgasbrenner mit einer Treibdüse zur Beschleunigung eines über den oder die Gichtgasbrenner zugeführten Treibgases versehen sind, und wobei die Absaugöffnung(en) mit mindestens einem Gichtgasbrenner verbunden sind, wobei der Schachtofen dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine Winddüse vorgesehen ist, wobei die Winddüse mit einer Zuleitung für ein Treibgas, mit einer Treibdüse zur Beschleunigung des Treibgases versehen ist und mit einer Zuleitung für Verbrennungsluft versehen ist.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass es für den Einsatz des in der EP 0 614 060 A1 beschriebenen Verfahrens wesentlich ist, dem Schachtofen zusätzlich zu dem abgesaugten Gichtgas noch Verbrennungsluft zuzuführen, obwohl dadurch die Abgasmenge gegenüber dem Verfahren der EP 0 614 060 A1 erhöht wird. Durch die erfindungsgemäße Zufuhr von zusätzlicher Verbrennungsluft können sowohl die Temperatur- als auch die Druckverhältnisse im Schachtofen positiv beeinflusst und an die gewünschten Betriebsbedingungen angepasst werden.
Zum einen wird durch die Erfindung gewährleistet, dass das Gichtgas am oberen Ende eine ausreichend hohe Temperatur besitzt, so dass es zu keinen Taupunktunterschreitungen des Gichtgases kommt. Die im Vergleich zu dem Verfahren gemäß der EP 0 614 060 A1 höhere Gichtgastemperatur stellt weiterhin sicher, dass der dem Schachtofen zugeführte Einsatz, beispielsweise Schrott, durch das Gas ausreichend vorgewärmt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der höhere Druck im Ofen. Über die Menge der dem Ofen zugeführten Verbrennungsluft können der Ofendruck und damit die gesamte Prozessführung beeinflusst werden. So ist es beispielsweise erst ab einem bestimmten Ofendruck möglich, einen Abstichsiphon zum Abziehen des sich am Boden des Ofens ansammelnden schmelzflüssigen Eisens in ausreichend sicherem Abstand zu den Düsen zu betreiben. Ohne Abstichsiphon kann jedoch keine ausreichende Trennung von Eisen und Schlacke gewährleistet werden.
Bei der Rückführung des abgezogenen Gichtgases in den Schachtofen wird das darin enthaltene CO mit dem gleichzeitig zugeführten sauerstoffhaltigen Gas nachverbrannt, wobei Energie frei wird. Die in dem rückgeführten Gichtgas enthaltene Energie muss nicht mehr über Koks oder einen anderen Brennstoff dem Schachtofen zugeführt werden, wodurch die notwendigen Koks- bzw. Brennstoffmengen deutlich reduziert werden können.
Die Erfindung bezieht sich auf alle Arten von Schachtöfen, ist aber ganz besonders für Kupolöfen geeignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das aus dem Schachtofen abgezogene Gichtgas mit einem sauerstoffhaltigen Gas angesaugt, dessen Sauerstoffanteil mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 95% beträgt. Ganz besonders bevorzugt wird technisch reiner Sauerstoff eingesetzt. Das sauerstoffhaltige Gas bzw. der Sauerstoff wird in einer Treibdüse beschleunigt. Nach dem Bernoulli-Prinzip wird dieser Geschwindigkeitsanstieg von einem Abfall des statischen Drucks begleitet. Die kinetische Energie des strömenden Gases bewirkt einen Unterdruck, der genutzt wird, um die Gichtgase anzusaugen (Strahlpumpenprinzip). Die Gichtgase werden dann mit dem sauerstoffhaltigen Gas gemischt und in den Ofen eingeblasen.
Von Vorteil werden die Gichtgase im oberen Teil des Schachtofens, bevorzugt im oberen Drittel des Ofens, abgesaugt, in dem im Hinblick auf das Oxidations- bzw. Reduktionsverhalten im Wesentlichen chemisch neutrale Reaktionsbedingungen vorliegen. Ist der Schachtofen, insbesondere der Kupolofen, mit einer Untergichtabsaugung ausgerüstet, so wird das rückgeführte Gichtgas ebenfalls im Bereich der Untergichtabsaugung, vorzugsweise unterhalb der Untergichtabsaugung, abgezogen.
Von Vorteil wird die zusätzliche Verbrennungsluft auf analoge Weise dem Schachtofen zugeführt, das heißt durch Ansaugen mittels eines Treibgases nach dem Strahlpumpenprinzip. Vorzugsweise wird als Treibgas ebenfalls ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%, besonders bevorzugt mehr als 95%, eingesetzt.
Vorzugsweise wird die dem Kupolofen, oder allgemein dem Schachtofen, zugeführte Verbrennungsluft vorgewärmt, d. h. der Kupolofen wird im Heißwindbetrieb gefahren. Hierzu wird der Teil der nicht in den Kupolofen zurückgeführten Gichtgase in eine Brennkammer geleitet, in der das enthaltene Kohlenmonoxid vollständig verbrannt wird. Häufig wird hierzu in der Brennkammer ein Erdgasbrenner als Stützbrenner eingesetzt.
Die CO-freien Gichtgase verlassen die Brennkammer und werden durch einen Rekuperator geführt, um deren Wärmeenergie zurückzugewinnen. Die Verbrennungsluft für den Ofen wird im Gegenstrom zu den Gichtgasen durch den Rekuperator geleitet, dabei auf beispielsweise 500°C vorgewärmt und als Heißwind dem Ofen zugeführt.
Durch die Kombination von erfindungsgemäßer Gichtgasabsaugung und -Rückführung in den Schachtofen einerseits und Nutzung der chemisch gebundenen Energie der Gichtgase zur Heißwinderzeugung andererseits wird eine optimale Energieausnutzung erreicht, die sich in einer deutlichen Reduzierung der erforderlichen Brennstoffmenge niederschlägt. Bei einem koksbefeuerten Ofen kann damit bei optimaler Schmelzleistung die Koksmenge verringert werden.
Von Vorteil werden die Zusammensetzung und der Energiegehalt des Gichtgases über die Verhältniseinstellungen von rückgeführtem Gichtgas, zugeführtem sauerstoffhaltigen Gas, insbesondere Sauerstoff, und Verbrennungsluft optimiert:
Das Verhältnis von rückgeführtem Gichtgas zu zusätzlichem Verbrennungssauerstoff wird bevorzugt auf einen Wert zwischen 1 zu 0,8 bis 1 zu 2 eingestellt und prozessabhängig geregelt. Die Regelung des genannten Verhältnisses erfolgt vorzugsweise über Regelklappen, die Sauerstoffmenge und/oder über den Sauerstoffdruck.
Das Verhältnis von sauerstoffhaltigem Gas zu angesaugtem Gichtgas liegt vorzugsweise zwischen 80 und 200% jeweils bezogen auf Nm³/h.
Es hat sich als günstig erwiesen, zwischen 10 und 30% des in dem Kupolofen aufsteigenden Gichtgasstromes abzusaugen und wieder in den Ofen zurückzuführen.
Das Verhältnis von sauerstoffhaltigem Gas zu angesaugter Verbrennungsluft liegt vorzugsweise zwischen 200% und 400%, jeweils bezogen auf Nm³/h.
Der erfindungsgemäße Schachtofen ist mit ein oder mehreren Absaugöffnungen zum Absaugen von Gichtgas und ein oder mehreren in den Schachtofen mündenden Gichtgasbrennern ausgerüstet. Der oder die Gichtgasbrenner besitzen eine Zuführung für ein Treibgas, insbesondere Sauerstoff, und eine Treibdüse zur Beschleunigung des Treibgases. Das beschleunigte Treibgas saugt über eine Verbindungsleitung zwischen dem Gichtgasbrenner und einer oder mehreren Absaugöffnungen nach den Strahlpumpenprinzip Gichtgas aus dem Kupolofen an. Zusätzlich weist der Schachtofen mindestens eine Winddüse zur Zuführung von Verbrennungsluft auf. Hierzu ist die Winddüse ebenfalls mit einer Zuleitung für ein Treibgas und mit einer Treibdüse zur Beschleunigung des Treibgases versehen. Eine Zuleitung für Verbrennungsluft ist an die Winddüse so angeschlossen, dass im Betrieb, das heißt bei Zuführung und Beschleunigung eines Treibgases in der Winddüse, Verbrennungsluft aus der Verbrennungsluftzuleitung angesaugt, mit dem Treibgas zumindest teilweise vermischt und in den Schachtofen eingedüst wird.
Vorzugsweise ist der Schachtofen als Kupolofen ausgeführt.
Von Vorteil sind der oder die Gichtgasbrenner mit einer Wasserkühlung ausgestattet. Für die Winddüsen hat sich dagegen gezeigt, dass eine Wasserkühlung nicht notwendig ist. Diese werden daher von Vorteil ohne Wasserkühlung betrieben.
Die Erfindung eignet sich für alle Arten von Schachtöfen, insbesondere für Öfen mit Obergichtabsaugung, für solche mit Untergichtabsaugung als auch für Kupolöfen mit einer Kombination aus Ober- und Untergichtabsaugung.
Im Hinblick auf das zu schmelzende Einsatzgut ist die Erfindung im Wesentlichen für alle Arten von Einsatzgut geeignet, insbesondere für Kupolöfen zum Schmelzen von eisenmetallischen Werkstoffen oder Öfen zur Herstellung von Gusseisen oder zur Herstellung von mineralischen Schmelzen und Glasschmelzen.
Die Erfindung besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:

• Die eingesetzten Verbrennungsluftmengen können im Vergleich zu herkömmlichen Kupolofen-Fahrweisen um mehr als 60% verringert werden. Entsprechend werden die Gichtgasmengen wesentlich reduziert.
• Der Energiegehalt des Gichtgases wird deutlich erhöht. So kann beispielsweise der CO-Gehalt im Gichtgas auf Werte von mehr als 30% ansteigen.
• Durch die Verringerung der Abgasmenge und der Anhebung des Eneregiegehalts des Gichtgases werden die Kosten für nachfolgende Abgasreinigungs- und Entstaubungsanlagen reduziert.
• Der Primärenergieeinsatz, d. h. zum Beispiel die Koksmenge, kann aufgrund der Rückführung und Nachverbrennung des Gichtgases reduziert werden. Entsprechend erhöht sich der energetische Wirkungsgrad des Kupolofens.
• Hoher metallurgischer Wirkungsgrad, d. h. geringer Abbrand an Legierungselementen Der metallurgischer Wirkungsgrad ist dabei definiert als das Verhältnis der Menge an Legierung in der Schmelze zu der Menge an Legierung im Einsatz (jeweils in kg)
• Leistungssteigerung ohne erhöhten Staubaustrag
• Verringerung der Wärmeverluste

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigt die
Figur schematisch einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Kupolofen.
Der in der Figur schematisch dargestellte Kupolofen 1 besitzt einen Schacht 1 mit einer Untergichtabsaugung 2. Der Schacht 1 besitzt an seinem oberen Ende eine Beschickungsöffnung 3, die mittels eines Deckels 4 verschlossen werden kann.
Die über die Untergichtabsaugung 2 abgezogenen Gichtgase werden in bekannter Weise einer in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkammer zugeführt und dort nachverbrannt. Die resultierenden heißen Verbrennungsgase werden in einem Rekuperator zur Vorwärmung von Verbrennungsluft für den Kupolofen verwendet.
Im Rekuperator wird die Verbrennungsluft von Umgebungstemperatur auf über 500°C angewärmt, in den den Kupolofen ringförmig umfassende Windring 5 eingespeist, um anschließend in den Kupolofen eingespeist zu werden (Heißwindbetrieb).
Im unteren Teil des Schachtes 1 sind mehrere Winddüsen 6 angebracht. Den Winddüsen 6 wird technisch reiner Sauerstoff zugeführt und in einer Treibdüse 7 beschleunigt. Der dabei auftretende Unterdruck saugt einen Teil der vorgewärmten Verbrennungsluft über die Saugleitung 8 aus dem Windring 5 an. Weitere Verbrennungsluft strömt in herkömmlicherweise über die Luftleitung 9 zur Winddüse 6. Die gesamte Verbrennungsluft wird gemeinsam mit dem Sauerstoff in den Kupolofen eingedüst.
In einem Bereich knapp unterhalb der Untergichtabsaugung 2 sind mehrere Absaugöffnungen 10 in dem Mantel des Schachtes 1 angebracht. Mit den Absaugöffnungen 10 sind Saugleitungen 11 verbunden, die in einem oder mehreren Gichtgasbrennern 12 enden. Dem Gichtgasbrenner 12 wird gasförmiger Sauerstoff mit einer technischen Reinheit von mindestens 95% zugeführt und in einer Treibdüse 13 beschleunigt. Bei der Beschleunigung des Sauerstoffs werden nach dem Strahlpumpenprinzip über die Saugleitung 11 Gichtgase aus der chemisch neutralen Zone des Kupolofens abgezogen und in den Gichtgasbrenner 12 eingesaugt. Im Gichtgasbrenner 12 vermischen sich die Gichtgase mit dem Sauerstoff und werden gemeinsam in den Kupolofen eingedüst. Im Kupolofen findet eine Nachverbrennung des in den Gichtgasen noch enthaltenen CO zu CO₂ statt.
Die Winddüsen 6 und die Gichtgasbrenner 12 sind gleichmäßig um den Umfang des Kupolofens verteilt und auf derselben Höhe angeordnet. Die Gichtgasbrenner 12 sind mit einer in der Figur nicht gezeigten Wasserkühlung versehen.
Durch die erfindungsgemäße Rückführung von Gichtgas in den Schachtofen konnte die für den Betrieb des Ofens erforderliche Heißwindmenge mindestens halbiert werden. Entsprechend reduzierte sich auch die insgesamt abgezogene Abgasmenge um 50% und mehr.
Die Gichtgasrückführung in Kombination mit der Energierückgewinnung durch Heißwinderzeugung ermöglicht die Einstellung optimaler Schmelzbedingungen im Kupolofen, die sich in einer deutlichen Reduzierung der Menge des eingesetzten Kokses von ursprünglich 11% auf 8% niederschlug.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0762068 A1 [0004]
- EP 0614060 A1 [0009, 0010, 0014, 0014, 0015]

Claims

Verfahren zum Schmelzen von Einsatzgut in einem Schachtofen (1), wobei zumindest ein Teil der Gichtgase aus dem Schachtofen (1) abgezogen, mittels eines sauerstoffhaltigen Gases nach dem Strahlpumpenprinzip angesaugt, mit dem sauerstoffhaltigen Gas gemischt und wieder in den Schachtofen (1) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schachtofen (1) zusätzlich Verbrennungsluft zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gichtgas mit einem sauerstoffhaltigen Gas mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%, nach dem Strahlpumpenprinzip angesaugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft mit einem sauerstoffhaltigen Gas mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%, nach dem Strahlpumpenprinzip angesaugt, mit dem sauerstoffhaltigen Gas gemischt und dem Schachtofen (1) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 10 Vol-% und 30 Vol-% der Gichtgase aus dem Schachtofen (1) abgezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schachtofen (1) mit Koks und oder Koksersatzstoffen betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gichtgas aus einer Zone des Schachtofens (1) abgezogen wird, in der eine Temperatur zwischen 180°C und 300°C herrscht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schachtofen (1) vorgewärmte Verbrennungsluft zugeführt wird.
Schachtofen (1) mit ein oder mehreren Absaugöffnungen (10) zum Absaugen von Gichtgas und ein oder mehreren in den Schachtofen (1) mündenden Gichtgasbrennern (12), wobei der oder die Gichtgasbrenner (12) mit einer Treibdüse (13) zur Beschleunigung eines über den oder die Gichtgasbrenner (12) zugeführten Treibgases versehen sind, und wobei die Absaugöffnung(en) (10) mit mindestens einem Gichtgasbrenner (12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Winddüse (6) vorgesehen ist, wobei die Winddüse (6) mit einer Zuleitung für ein Treibgas, mit einer Treibdüse (7) zur Beschleunigung des Treibgases versehen ist und mit einer Zuleitung (8) für Verbrennungsluft versehen ist.
Schachtofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schachtofen (1) mit einer Untergichtabsaugung versehen ist.
Schachtofen nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Gichtgasbrenner (12) wassergekühlt ist/sind.