DE102013104002A1

DE102013104002A1 - Verfahren zum Aufheizen von Prozessgasen für Direktreduktionsanlagen

Info

Publication number: DE102013104002A1
Application number: DE102013104002.0A
Authority: DE
Inventors: Hermann Wolfmeir; Thomas Bürgler; Peter Schwab
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz im Direktreduktionsverfahren, wobei durch ein Reduktionsaggregat wie ein Schachtofen das zu reduzierende Eisenerz durchgeführt wird und mit einem Reduktionsgas in Kontakt gebracht wird, wobei das Reduktionsgas in das Reduktionsaggregat eingebracht wird und das Aggregat durchströmt und nach dem Durchströmen des Aggregats aus dem Aggregat abgezogen wird, wobei das Gas nach dem Verlassen des Aggregats aufbereitet und gegebenenfalls mit neuen Reduktionsgasanteilen angereichert und zurückgeführt wird, wobei das Reduktionsgas vor dem Eintritt in das Reduktionsaggregat erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Reduktionsgases vor dem Eintritt in das Aggregat elektrisch erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen von Prozessgasen für Direktreduktionsanlagen
Die Stahlerzeugung wird zur Zeit auf unterschiedliche Arten vorgenommen. Die klassische Stahlerzeugung erfolgt über die Erzeugung von Roheisen im Hochofenprozess aus vorwiegend oxidischen Eisenträgern. Bei diesem Verfahren werden ca. 450 bis 600 kg Reduktionsmittel, zumeist Koks, pro Tonne Roheisen verbraucht, wobei dieses Verfahren sowohl bei der Erzeugung von Koks aus Kohle als auch bei der Erzeugung des Roheisens ganz erhebliche Mengen CO₂ freisetzt. Zudem sind sogenannte "Direktreduktionsverfahren" bekannt (Verfahren entsprechend der Marken, MIDREX, FINMET, ENERGIRON/HYL, etc.), bei denen aus vorwiegend oxidischen Eisenträgern der Eisenschwamm in der Form von HDRI (Hot Direct Reduced Iron), CDRI (Cold Direct Reduced Iron) bzw. sogenanntes HBI (hot briquetted iron) erzeugt wird.
Zudem gibt es noch sogenannte Schmelzreduktionsverfahren, bei denen der Schmelzprozess, die Reduktionsgaserzeugung und die Direktreduktion miteinander kombiniert werden, beispielsweise Verfahren der Marken COREX, FINEX, HiSmelt oder HiSarna.
Eisenschwamm in der Form von HDRI , CDRI bzw. HBI werden üblicherweise in Elektroöfen weiter verarbeitet, was außerordentlich energieintensiv ist. Die Direktreduktion wird mittels Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid aus Erdgas (Methan) und ggf. Synthesegas auch Koksofengas vorgenommen.
Beispielsweise wird beim sogenannten MIDREX-Verfahren zunächst Methan entsprechend der folgenden Reaktion umgesetzt: CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂ und das Eisenoxid reagiert mit dem Reduktionsgas beispielsweise nach: Fe₂O₃ + 6CO(H₂) = 2Fe + 3CO₂ (H₂O) + 3 CO(H₂).
Auch dieses Verfahren stößt somit CO₂ aus.
Aus der DE 198 53 747 C1 ist ein kombinierter Prozess zur Direktreduktion von Feinerzen bekannt, wobei die Reduktion mit Wasserstoff oder einem anderen Reduktionsgas in einer liegenden Wirbelschicht erfolgen soll.
Aus der DE 197 14 512 A1 ist eine Kraftwerksanlage mit Solargewinnung, Elektrolyseeinrichtung und einem industriellen Metallurgieprozess bekannt, wobei dieser industrielle Prozess entweder die stromintensive Metallherstellung von Aluminium aus Bauxit betrifft oder ein Metallurgieprozess mit Wasserstoff als Reduktionsmittel bei der Herstellung von nichtheißen Metallen wie Wolfram, Molybdän, Nickel oder dergleichen oder ein Metallurgieprozess mit Wasserstoff als Reduktionsmittel unter Anwendung des Direktreduktionsverfahren bei der Herstellung von Eisenmetallen sein soll. Dies wird in dieser Schrift jedoch nicht weiter ausgeführt.
Aus der WO 2011/018124 sind Verfahren und Anlagen zum Bereitstellen speicherbaren und transportablen kohlenstoffbasierter Energieträger unter Einsatz von Kohlendioxid und unter Einsatz von regenerativer elektrischer Energie und von fossilen Brennstoffen bekannt. Hierbei werden ein Anteil von regenerativ erzeugtem Methanol und ein Anteil von Methanol bereitgestellt, der mittels nicht regenerativer elektrischer Energie und/oder mittels Direktreduktion und/oder über partielle Oxidation und/oder Reformierung erzeugt wird.
Bei den Direktreduktionsverfahren wird das nach dem Reduktionsschacht austretende Gas nach dessen Reinigung und Abtrennung von Wasser, bei dem HYL-Verfahren zusätzliche CO₂-Abtrennung, beim MIDREX Verfahren optional zusätzliche CO₂-Abtrennung zu einem überwiegenden Anteil als Kreislaufgas wieder in den Prozess zurückgeführt. Diesem Gas wird wiederum in der Regel Erdgas zur Bereitstellung von frischem Reduktionsgas zugesetzt. Bei dem HYL-Verfahren wird hierbei das durch die Gasreinigung abgekühlte Gas von etwa 105°C auf etwa 700 bis 1100°C wieder aufgeheizt und anschließend eine partielle Oxidation mit Sauerstoff durchgeführt.
Bei dem MIDREX-Verfahren werden CO₂ und Wasser mit Erdgas zu H₂ und CO in einem beheizten Reformer in einem Temperaturbereich von etwa 700 bis 1100°C umgesetzt. Beiden Verfahren ist jedoch gleich, dass ein Teilstrom des den Reduktionsschacht verlassenden und gereinigten Gases eingesetzt und Erdgas zugesetzt wird.
Der Reduktionsprozess lässt sich durch die folgende Gleichung darstellen: Fe₂O₃ + 6CO(H₂) = 2Fe + 3CO₂(H₂O) + 3CO(H₂) (1)
Beim MIDREX-Verfahren finden im Reformer folgende Reaktionen statt: CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂ (2) CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (3)
Beim HYL-Verfahren findet die folgende Reaktion statt: CH₄ + ½ O₂ → CO + 2H₂ (4)
Bei beiden Verfahren wird der zusätzlich eingesetzte, fossile Brennstoff, nämlich Erdgas zur Aufheizung der Prozessgase bzw. zur Beheizung des Reformers, verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufheizen der Prozessgase in Direktreduktionsanlagen zu schaffen, mit welchem das Aufheizen der Prozessgase besser und flexibel an einen dem Energiebedarf und der zur Verfügung gestellten Energie angepassten Gesamtprozess angepasst und optimiert ist.
Es ist eine weitere Aufgabe, die CO₂-Emissionen zu reduzieren.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zur Flexibilisierung des Aufheizprozesses wird erfindungsgemäß auf eine elektrische Beheizung der Reduktionsgase bzw. des Reformers umgestellt
Vorzugsweise kann die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen erzeugt und hiermit fossile Energieträger substituiert werden. Dabei wird vorteilhafterweise die Flexibilität des Prozesses hinsichtlich der eingesetzten Energieträger erhöht dies erfolgt durch kombinierte Beheizung mittels variablen Einsatz von fossilen Energieträgern und elektrische Energie.
Bei der Erfindung ist hierbei von Vorteil, dass elektrischer Strom zu 100 % als Exergie anzusehen ist, so dass dieser vollständig in Hochtemperaturwärme gewandelt werden kann. Die unmittelbare Wandlungsfähigkeit von elektrischer Energie in Wärme lässt eine hohe Flexibilisierung auch insbesondere im Hinblick auf den Einsatz von kostengünstig am Markt verfügbaren Stromspitzen zu.
Zudem ist von Vorteil, dass Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasser, Windkraft oder Sonnenenergie in seiner Entstehung keine CO₂-Emissionen verursacht.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen hierbei:
1 beispielhaft das HYL-Energiron-Verfahren nach dem Stand der Technik mit einer erdgasbeheizten Prozessgaserwärmung;
2 das HYL-Energiron-Verfahren nach der Erfindung mit einer elektrischen Beheizung der Prozessgaserwärmung;
3 stark schematisiert das MIDREX-Verfahren;
4 stark schematisiert ein teures und aufwändiges CO₂-optimiertes MIDREX-Verfahren nach dem Stand der Technik mit einem CO₂-Entfernungsaggregat (z.B. VPSA – Vacuum-Pressure Swing Adsorption).
Der HYL-Prozess wird in 2 beispielhaft anhand einer Kapazität von zwei Millionen Tonnen Direct Reduced Iron (DRI) pro Jahr inklusive eines Elektrolichtbogenofens (EAF, Electro Arc Furnace) gezeigt. Das Prozessgas aus dem Schacht, in dem das Eisenerz reduziert wird, wird zunächst über eine Wasserabtrennung und dann eine CO₂-Abtrennung geführt. Der zirkulierende Gasvolumenstrom liegt hierbei bei etwa 500.000 m³ pro Stunde. Diesem Gasstrom werden etwa 72.000 m³ pro Stunde Erdgas zugesetzt, wobei hiervon 56.000 m³ für die Reduktion verwendet werden und hiervon etwa 16.000 m³ für die Prozessgaserhitzung von 105 auf 970°C abgezweigt werden. Dem erhitzten Prozessgas wird anschließend Sauerstoff zugegeben, und dieses dann wieder in den Reduktionsschacht eingeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren (2) wird das Reduktionsgas ebenfalls aus dem Schacht entnommen und über eine Wasserabtrennung und CO₂-Abtrennung geführt. Durch die elektrische Beheizung der Prozessgasaufwärmung muss lediglich eine Menge von etwa 56.000 m³ pro Stunde Erdgas zugesetzt werden, welches entsprechend der bereits genannten Formeln mit Sauerstoff in CO und Wasserstoff gespalten wird. Aus der Tabelle der 2 erkennt man, dass pro Tonne reduziertem Eisen 21 % CO₂ auf diese Weise eingespart werden. Zudem wird der Prozess durch die elektrische Beheizung exakter regelbar und flexibler einsetzbar.
In 3 ist das MIDREX-Verfahren gezeigt, bei dem das Abgas im Reduktionsschacht ebenfalls entnommen wird und in einen Prozessgasstrom und einen Heizgasstrom aufgeteilt wird. Der Prozessgasstrom wird durch einen Prozessgaskompressor geführt bis ihm Erdgas zugeführt wird, insbesondere bei einer Anlage, die gegebenenfalls auf 2 Mio. Tonnen reduziertes Eisen pro Jahr ausgelegt ist, eine Menge von etwa 63.000 m³ Erdgas pro Stunde. Dieses Prozessgas durchläuft einen Wärmetauscher, indem es mit den Abgasen aus dem Reformer auf 600°C vorgeheizt wird und anschließend den Reformer durchläuft und dabei auf 980°C aufgeheizt wird und als Prozessgas unter Zusatz von weiterem Erdgas und Sauerstoff dem Schacht erneut zugeführt wird. Das Heizgas wird ebenfalls aus dem Schachtofen entnommen, mit Erdgas angereichert und zusammen mit vorgeheizter Verbrennungsluft dem Reformer zugesetzt. Die insgesamt benötigte Menge an Erdgas beträgt etwa 68.200 m³ pro Stunde, wobei durch eine elektrische Heizung des Reformers etwa 5.100 m³ pro Stunde Abgas durch 52 Megawatt elektrischer Leistung ausgeglichen werden können. Hierdurch können einerseits 7,5 % CO₂ pro Tonne reduzierten Eisenerzes eingespart werden. Zudem wird auch dieser Prozess durch die elektrische Beheizung flexibler und genauer regelbar.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass eine einfach und rasch einsetzbare Option zur Substitution von fossilen Energieträgern durch Strom aus erneuerbaren Energien geschaffen wird. Zudem werden CO₂-Emissionen von Direktreduktionsanlagen verringert. Darüber hinaus gelingt es, Direktreduktionsanlagen effektiv und flexibel zu betreiben. Insbesondere kann bei einer an die Verfügbarkeit von regenerativen Energien angepasste Stahlerzeugung mit einer elektrisch, und insbesondere mit elektrischem Strom aus erneuerbaren Energien beheizten Prozessgasvorwärmung verbessert und aneinander angepasst werden.
Darüber hinaus ist von Vorteil, dass mit einer derartigen Anlage zur Verfügung stehende Stromspitzen kostengünstig genutzt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19853747 C1 [0007]
DE 19714512 A1 [0008]
WO 2011/018124 [0009]

Claims

Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz im Direktreduktionsverfahren, wobei durch ein Reduktionsaggregat wie einen Reduktionsschacht das zu reduzierende Eisenerz durchgeführt wird und mit einem Reduktionsgas in Kontakt gebracht wird, wobei das Reduktionsgas in das Reduktionsaggregat eingebracht wird und das Aggregat durchströmt und nach dem Durchströmen des Aggregats aus dem Aggregat abgezogen wird, wobei das Gas nach dem Verlassen des Aggregats aufbereitet und gegebenenfalls mit neuen Gasanteilen angereichert und zurückgeführt wird, wobei das generierte Gasgemisch oder die Reduktionsgasprodukte aus dem generierten Gasgemisch vor dem Eintritt in das Reduktionsaggregat auf 700 bis 1100 vorzugsweise 850 bis 1000°C erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung überwiegend insbesondere vollständig elektrisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Beheizung Strom aus regenerativer Energiequellen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nach dem Verlassen des Aggregats mit Erdgas, Koksofengas oder einem Synthesegas aus Biomasse oder Kohle angereichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch mit Sauerstoff angereichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Reduktionsschacht abgezogene Gas mit Erdgas, Koksofengas oder einem Synthesegas aus Biomasse oder Kohle angereichert wird, und anschließend aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Reduktionsschacht abgezogene Gas mit Erdgas, Koksofengas oder einem Synthesegas aus Biomasse oder Kohle angereichert wird, und anschließend in einem Reformer umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels ständiger Evaluierung der Gas- bzw. Strompreise ein kostenoptimierten Einsatz der Energieträger gewährleistet wird.