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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Roheisen- und/oder Stahlerzeugung, wobei aus eisenerzhaltigen Rohmaterialien unter Zufuhr von Sauerstoff Roheisen und/oder Stahl gewonnen wird.
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Es ist bekannt, dass zur Herstellung von Roheisen und/oder Stahl beträchtliche Mengen an Sauerstoff erforderlich sind. So benötigt beispielsweise der Hochofenprozess bis zu 85 Nm3 (Normkubikmeter) Sauerstoff pro zu erzeugender Tonne Roheisen, für übliche Schmelzreduktionsanlagen sind etwa 450–520 Nm3 Sauerstoff erforderlich. Für die Umwandlung von Roheisen zu Stahl durch die Reduzierung des Kohlenstoffanteils unterhalb eines Volumenanteils von 2 Gew.-% in einem Konverter oder entsprechenden mit Elektrolichtbogenöfen kombinierten Konvertern müssen ca. 50–55 Nm3 Sauerstoff aufgebracht werden.
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Üblicherweise wird zur Erzeugung des Sauerstoffs das Verfahren der kryogenen Luftzerlegung, welches auch als Linde-Verfahren bezeichnet wird, angewandt. Hierbei muss die notwendige Verdichtungs- und Kühlleistung als Kompressionsarbeit, d. h. im Wesentlichen als mechanische Energie, zugeführt werden. Entsprechend trägt die kryogene Luftzerlegung wesentlich zur Gesamtenergiebilanz entsprechender Anlagen zur Roheisen- und/oder Stahlerzeugung bei.
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Wenngleich in den letzten Jahrzehnten verschiedene Ansätze zur Prozessoptimierung entsprechender Verfahren zur Herstellung von Roheisen bzw. Stahl, wie etwa das sogenannte Corex®- oder das Finex®-Verfahren, vorgeschlagen wurden, ist die Energiebilanz des Gesamtprozesses, insbesondere im Hinblick auf die für die Sauerstofferzeugung aufzubringende Energiemenge, weiterhin verbesserungsbedürftig.
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Der Erfindung liegt sonach das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Roheisen- und/oder Stahlerzeugung insbesondere dahingehend zu verbessern, dass die für die Sauerstofferzeugung erforderliche Energiemenge verringert wird.
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Das Problem ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Erzeugung des Sauerstoffs wenigstens teilweise mittels einer Reaktion, wobei Sauerstoff aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas bei einer ersten Temperatur an wenigstens ein Trägermaterial gebunden und bei einer über der ersten Temperatur liegenden zweiten Temperatur von dem Trägermaterial gelöst und isoliert dargestellt wird, erfolgt, wobei die zur Durchführung der Reaktion erforderliche thermische Energie wenigstens teilweise der beim Betrieb der Anlage zur Roheisen- und/oder Stahlerzeugung entstehenden Abwärme entnommen wird.
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Die vorliegende Erfindung sieht demnach im Wesentlichen eine Abkehr von der aus dem Stand der Technik bekannten kryogenen Luftzerlegung vor und verwendet einen alternativen, in energetischer Hinsicht günstigeren Prozess, bei welchem die im Rahmen des Verfahrens zur Herstellung von Roheisen respektive Stahl entstehende Abwärme wenigstens teilweise zur Sauerstofferzeugung verwendet wird, vor. Mithin handelt es sich um ein im Vergleich hocheffizientes Prinzip, bei welchem die im Prozess entstehende thermische Energie für die Erzeugung von Sauerstoff aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas, wie insbesondere Luft, verwendet wird.
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Die hierfür durchzuführende, insbesondere chemische, Reaktion beruht auf dem Prinzip einer Anbindung des in dem Sauerstoff enthaltenden Gas enthaltenen Sauerstoffs an ein Trägermaterial in einem ersten, bei einer ersten Temperatur erfolgenden Reaktionsschritt und der folgenden Abtrennung reinen Sauerstoffs von dem mit dem Sauerstoff beladenen Trägermolekül, welches gegebenenfalls eine Zwischenform einnimmt, bei einer zweiten, oberhalb der ersten Temperatur liegenden Temperatur in einem zweiten Reaktionsschritt. Mithin liegt das Trägermaterial nach Abtrennung des Sauerstoffs wieder in seiner ursprünglichen Form vor und kann entsprechend wiederverwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird die für die Durchführung der Reaktion erforderliche thermische Energie an verschiedenen Abwärme liefernden Stellen der Anlage zur Erzeugung von Roheisen respektive Stahl entnommen. Grundsätzlich kann jeder Abwärme liefernde Prozess oder Teilprozess im Rahmen des Herstellungsverfahrens zur Erzeugung von Roheisen respektive Stahl als Abwärme zur Bereitstellung der für die oben beschriebene Reaktion erforderlichen thermischen Energie verwendet werden.
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Wenngleich es angestrebt ist, die für die Roheisen- bzw. Stahlerzeugung erforderliche Gesamtmenge an Sauerstoff über das beschriebene Verfahren zu gewinnen, kann es auch sein, dass nur eine Teilmenge des erforderlichen Sauerstoffs über das beschriebene Verfahren erzeugt wird. In letzterem Fall müssen weitere Sauerstoffquellen herangezogen werden, um die Roheisen- respektive Stahlerzeugung ordnungsgemäß durchführen zu können.
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Es ist grundsätzlich bevorzugt, die für das Ablaufen der Reaktion erforderliche thermische Energie komplett über die entsprechende Abwärmequellen bereitzustellen. Jedoch kann es auch sein, dass nur ein Teil der thermischen Energie aus entsprechenden Abwärmequellen entnommen wird und der übrige Teil über alternative Wärmequellen zur Verfügung gestellt wird.
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Besonders bevorzugt wird zur Erzeugung des Sauerstoffs der Brin-Prozess verwendet. Dieser Prozess beruht im Wesentlichen auf der Umsetzung eines Sauerstoff enthaltenden Gases, wie z.B. Luft, mit Bariumoxid (BaO), welches bei einer ersten Temperatur im Bereich von ca. 500° C zu Bariumperoxid (BaO2) umgesetzt wird. Mithin dient Bariumoxid als Trägermaterial und bindet den in dem entsprechenden Gas enthaltenen Sauerstoff in einem ersten Reaktionsschritt im Rahmen der Umsetzung zu Bariumperoxid. Bei weiterer Zufuhr thermischer Energie, d. h. einer Temperaturerhöhung auf über 700° C erfolgt eine Freisetzung des reinen Sauerstoffs durch Thermolyse, d.h. einer Reaktion, bei der der Ausgangsstoff (Bariumperoxid) durch Erhitzen in mehrere Produkte (Bariumoxid und Sauerstoff) zersetzt wird.
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Der Brin-Prozess lässt sich im Wesentlichen durch folgende chemische Reaktionsgleichung darstellen: 2BaO + O2 ⇌ 2BaO2.
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Das Gleichgewicht der Reaktion lässt sich entsprechend über die Temperatur nach rechts oder links verschieben.
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Die Abwärme kann aus im dem Rahmen des Verfahrens verwendeten oder erzeugten Prozessgasen mittels wenigstens eines Wärmetauschers und/oder direkt aus dem jeweiligen Stoffstrom an erzeugtem Eisen bzw. Stahl entnommen werden. Wärmetauscher sind somit an den entsprechenden Abwärmequellen vorgesehen und über eine geeignete Leitungsverbindung zu den entsprechenden Reaktoren zur Erzeugung von Sauerstoff zu leiten. Denkbar ist es weiterhin, die Abwärme über Wärmestrahlung, Konvektion und/oder Wärmeleitung aus einem entsprechenden Massestrom, d. h. beispielsweise dem durch den Hochofenprozess gelieferten Roheisenstrom oder einem entsprechenden Stahlstrom eines Konverters zu entnehmen. Selbstverständlich sind die vorgenannten Alternativen zur Entnahme der Abwärme auch parallel anwendbar.
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Im Weiteren werden bevorzugte Abwärmequellen genannt. Demnach ist es bevorzugt, dass die Abwärme aus wenigstens einer der folgenden Abwärmequellen entnommen wird: einer Reduktionsanlage zur Reduzierung der eisenerzhaltigen Schmelze, insbesondere einem Wirbelschichtreaktor, einem Hochofen, einem Schmelzofen, einem Konverter zur Stahlerzeugung, einer Kokereianlage, einer Ofenanlage, insbesondere einer Lichtbogenofenanlage zur Stahlgewinnung, einer Sinteranlage, einem sich an die Anlage anschließendem Walzwerk oder darin befindlichen Komponenten, insbesondere Ofenanlagen. Die Aufzählung ist lediglich beispielhaft und nicht abschließend. Wie eingangs erwähnt, sind sämtliche potentielle Abwärmequellen im Rahmen des Herstellungsverfahrens zur Erzeugung von Roheisen respektive Stahl verwendbar. Hierunter sind insbesondere sämtliche ein heißes Prozessgas bereitstellende Prozesse oder Teilprozesse zu verstehen.
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Bezüglich des erzeugten Sauerstoffs kann es vorgesehen sein, dass dieser oder ein Teil davon z. B. einem Schmelzofen, einer Reduktionsanlage zur Reduzierung der eisenerzhaltigen Schmelze oder einer Anlage zur Erzeugung eines Formiergases zugeführt wird. Grundsätzlich kann der Sauerstoff jedwedem im Rahmen der Herstellung von Roheisen respektive Stahl verwendeten, Sauerstoff verbrauchenden Prozess oder Teilprozess zur Verfügung gestellt werden. Auch eine Speicherung des oder eines Teils des erzeugten Sauerstoffs über geeignete Speichermittel ist denkbar.
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Die Erzeugung des Sauerstoffs kann gleichzeitig oder abwechselnd in wenigstens zwei parallel angeordneten Reaktoren erfolgen. Insbesondere bei abwechselnder Taktung entsprechender Reaktoren kann in wenigstens einem ersten Reaktor oder einer ersten Reaktorgruppe die Durchführung des ersten Reaktionsschritts, d. h. die Beladung des Trägermaterials mit dem in dem Sauerstoff enthaltenden Gas enthaltenen Sauerstoff bei der ersten Temperatur erfolgen, während parallel dazu in wenigstens einem zweiten Reaktor oder einer zweiten Reaktorgruppe die Durchführung des zweiten Reaktionsschritts, d. h. die Abtrennung von reinem Sauerstoff von dem Trägermaterial bei der zweiten Temperatur erfolgt. Die ersten und zweiten Reaktoren bzw. Reaktorgruppen werden dann wechselweise zur Durchführung des ersten oder zweiten Reaktionsschritts betrieben. Selbstverständlich ist auch ein synchroner Betrieb entsprechender Reaktoren respektive Reaktorgruppen möglich, so dass in allen Reaktoren gemeinsam, d. h. zeitgleich die jeweiligen Reaktionsschritte durchgeführt werden.
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Es ist ferner denkbar, dass der oder ein Teil des erzeugten Sauerstoffs zur Anreicherung eines Sauerstoffs enthaltenden Gases verwendet wird, welches im Weiteren einer kryogenen Luftzerlegung zur Sauerstoffgewinnung zugeführt wird. Hierbei erfolgt durch den durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Sauerstoff eine Anreicherung eines separaten, insbesondere Sauerstoff enthaltenden Gases, welches im Weiteren einer kryogenen Luftzerlegung zur Sauerstofferzeugung zugeführt wird. Entsprechend ist durch die Anreicherung des den Sauerstoff enthaltenden Gases auf einen erhöhten Sauerstoffanteil, beispielsweise von 40 Gew.-% (vgl. Luftsauerstoffanteil von ca. 23 Gew.%), die kryogene Luftzerlegung mit einem entsprechend reduzierten Energieaufwand durchführbar, so dass sich die Energiebilanz des Gesamtprozesses gegebenenfalls verbessern lässt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Anlage zur Roheisengewinnung, welche Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist; und
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2 eine Prinzipdarstellung zweier Reaktoren zur Umsetzung von einem Sauerstoff enthaltenden Gas in Sauerstoff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Anlage zur Roheisengewinnung 1, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Insbesondere ist die Anlage zur Durchführung des sogenannten Finex®-Verfahrens zur Roheisengewinnung ausgebildet. Das Finex®-Verfahren ist an sich bekannt, so dass es hier nur im Wesentlichen dargestellt wird. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Prinzip auch auf andere Anlagentypen zur Roheisen- und/oder Stahlerzeugung übertragbar.
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Das Finex®-Verfahren sieht vor, fein gemahlenes, gegebenenfalls mit bestimmten Additiven versetztes, in einer Trocknungsvorrichtung 2 vorgetrocknetes Eisenerz in in Serie geschaltete Wirbelschichtreaktoren 3a–3d unter Zugabe von Additiven wie z. B. Kalkstein oder Dolomit zuzuführen. Bei Durchlaufen der Wirbelschichtreaktoren 3a–3d wird das Eisenerz erhitzt und zu Roheisen reduziert. Dies erfolgt unter Zuströmen eines Reduziergases.
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Das partikelförmig vorliegende Roheisen wird nach Verlassen des Wirbelschichtreaktors 3d in einer Verdichtungsvorrichtung 4 verdichtet und in einen oberhalb eines Schmelzvergasers 5 positionierten Trichter 6 geleitet. Die Roheisenpartikel werden schwerkraftbedingt in den Schmelzvergaser 5 geführt und dort aufgeschmolzen. Das derart entstehende Roheisen kann im unteren Bereich des Schmelzvergasers 5 abgestochen werden.
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Im Rahmen des Aufschmelzens werden in den Dom des Schmelzvergasers 5 kohlehaltige Stoffe wie z. B. Feinkohlebriketts und/oder Stückkohle eingebracht (vgl. Pfeil 7). Ferner wird Kohlestaub zusammen mit Sauerstoff in den Schmelzvergaser 5 eingeleitet (vgl. Pfeil 8). Durch Vergasen der Kohle entsteht ein im Wesentlichen Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) enthaltendes Reduziergas (vgl. Pfeil 9). Das Reduziergas kann nach Austritt aus dem Schmelzvergaser 5 z. B. zur Reduzierung der Eisenerzfeinstoffe in die Wirbelschichtreaktoren 3a–3d geführt werden.
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Ersichtlich ist im Rahmen des beschriebenen Prozesses an unterschiedlichen Stellen die Zufuhr reinen Sauerstoffs erforderlich (vgl. Pfeile O2). Diese Stellen sind vornehmlich der Schmelzvergaser 5, die Wirbelschichtreaktoren 3a–3d, ein Generator 10 zur Erzeugung eines Reformiergases, in welchem Sauerstoff mit Erdgas unter Moderation von Wasserdampf zu einem entsprechenden Reformiergas umgesetzt wird.
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Das erfindungsgemäße Prinzip schlägt vor, anstelle der üblicherweise zur Sauerstofferzeugung verwendeten kryogenen Luftzerlegung, zur Sauerstofferzeugung eine Reaktion, wobei Sauerstoff aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas bei einer ersten Temperatur an wenigstens ein Trägermaterial gebunden und bei einer über der ersten Temperatur liegenden zweiten Temperatur von dem Trägermaterial gelöst und isoliert dargestellt wird, zu verwenden. Es handelt sich dabei um ein in energetischer Hinsicht besonders günstiges Verfahren.
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Die Reaktion basiert auf dem Prinzip des Brin-Prozesses, mithin dient Bariumoxid (BaO) als Trägermaterial, welches bei etwa 500° C den in dem Sauerstoff enthaltenden Gas enthaltenen Sauerstoff unter Reaktion zu Bariumperoxid (BaO2) umsetzt. Bei weiterer Zufuhr thermischer Energie respektive einer Erhöhung der Temperatur auf über 700° C kann Bariumperoxid unter Abgabe von reinem Sauerstoff zu Bariumoxid zurückreagieren. Es handelt sich demnach um eine Abhängigkeit der Temperatur reversible Reaktion.
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Erfindungsgemäß wird die zur Durchführung der Reaktion erforderliche thermische Energie wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, der beim Betrieb der Anlage zur Roheisenerzeugung 1 entstehenden Abwärme entnommen.
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Bevorzugte, jedoch lediglich beispielhaft zu verstehende Abwärmequellen sind dabei die mit T gekennzeichneten Stellen in 1. Dabei handelt es sich um Abgase von wenigstens einem der Wirbelschichtreaktoren 3a–3d, Abgase aus dem Schmelzvergaser 5, einem diesem nachgeschalteten Abscheider 11 oder dem Trichter 6. Gleichermaßen kann auch im Bereich des Abstichs des Roheisens des Schmelzvergasers 5 thermische Energie entnommen werden.
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Grundsätzlich ist es möglich, sämtliche Abwärmequellen der Anlage zur Roheisenerzeugung 1 zu nutzen. Dabei kann die Abwärme aus verwendeten oder erzeugten Prozessgasen mittels entsprechenden Wärmetauschern und/oder direkt aus dem jeweiligen Stoffstrom an erzeugtem Roheisen entnommen werden. Insbesondere sind Stellen, an denen heiße Abgas anfallen, relevant, um die zur Durchführung der Reaktion zur Sauerstofferzeugung erforderliche thermische Energie bereitzustellen.
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Berechnungen haben gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Reduzierung des energetischen Leistungsbedarfs des Gesamtprozesses von ca. 0,6–6 % möglich ist. Gleiches gilt für eine Reduktion der Kohlendioxid-Emissionen.
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Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Sauerstoff kann gegebenenfalls auch wenigstens teilweise zur Anreicherung eines Sauerstoffs enthaltenden Gases verwendet werden, welches im Weiteren einer kryogenen Luftzerlegung zur Sauerstoffgewinnung zugeführt wird. Entsprechend ist derart der Wirkungsgrad der kryogenen Sauerstofferzeugung steigerbar.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung zweier Reaktoren 12, 13 zur Umsetzung von einem Sauerstoff enthaltenden Gas in Sauerstoff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Hieran ist es ersichtlich, wie die erfindungsgemäße Erzeugung von Sauerstoff mit der Verwendung zweier parallel geschalteter Reaktoren 12, 13 besonders effizient gestaltet werden kann. In die jeweiligen Reaktoren 12, 13 ist über mit Ventilen 14, 15 versehen Zuführleitungen 16, 17 ein Sauerstoff enthaltendes Gas, insbesondere Luft, zuführbar. Gleichermaßen werden beide Reaktoren 12, 13 über eine Leitung 18 mit thermischer Energie, welche einer Temperatur von etwa 1000° C entspricht, versorgt, sofern die jeweiligen Ventile 19, 20 geöffnet sind. Über entsprechende Ableitungen 21, 22 ist der in den jeweiligen Reaktoren 12, 13 erzeugte Sauerstoff abführbar und entsprechenden Sauerstoff benötigenden Prozessen zuführbar.
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Über eine entsprechende Betätigung der Ventile 14, 15, 19, 20 ist es möglich, die Reaktoren, 12, 13 so zu betreiben, dass eine kontinuierliche Erzeugung von Sauerstoff möglich ist. D. h. während in dem Reaktor 12, ein Beladen des als Trägermaterials dienenden Bariumoxid (BaO) bei einer ersten Temperatur erfolgt, kann in dem zweiten Reaktor 13 ein Abtrennen von reinem Sauerstoff, d. h. eine Umwandlung von Bariumperoxid zu Bariumoxid, bei einer zweiten Temperatur durchgeführt werden. Die erste Temperatur liegt beispielsweise bei ca. 500° C, die zweite Temperatur liegt beispielsweise bei ca. 700° C.
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Selbstverständlich ist es auch denkbar, die beiden Reaktoren 12, 13 synchron zu betrieben, d. h. in beiden Reaktoren 12, 13 entweder das Trägermaterial Bariumoxid mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas zu versetzen oder entsprechend aus dem mit Sauerstoff beladenen Bariumperoxid Sauerstoff abzutrennen.
