DE102016224116A1

DE102016224116A1 - Verfahren und Vorrichtung zur NOx-Minderung in Abgasströmen metallurgischer Gefäße und Öfen

Info

Publication number: DE102016224116A1
Application number: DE102016224116.8A
Authority: DE
Inventors: Lukas Peter Voj; Fabian Krause
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2018-06-07
Also published as: WO2018104169A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Stickoxid(NO)-Minderung in Abgasströmen (15) metallurgischer Gefäße oder Öfen (2) zur thermischen und/oder chemischen Behandlung von metallhaltigem, insbesondere eisenhaltigem, Material, vorzugsweise Metallschmelzen, bevorzugt Eisenschmelzen, bei welchem beim Betrieb des Gefäßes oder des Ofens (2) dem jeweils entstehenden, in einer Abgasleitung (3) geführten Abgasstrom (15) an einer Harnstoffzugabestelle (16) Harnstoff (19) zugeführt und mit dem Stickoxid (NO) des Abgasstroms (15) zur Reaktion gebracht wird, soll eine Lösung geschaffen werden, die auch bei niedrigen Abgastemperaturen eine Entstickung eines bei einer thermischen und/oder chemischen, insbesondere metallurgischen, Behandlung von metallhaltigem, insbesondere eisenhaltigem, Material entstehenden Abgases mittels Harnstoff ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, dass der Abgasstrom (15) in der Abgasleitung (3) benachbart zur Harnstoffzugabestelle (16) des Harnstoffs auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 1.000 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 800 °C, aufgeheizt wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Stickoxid(NO_x)-Minderung in Abgasströmen metallurgischer Gefäße oder Öfen zur thermischen und/oder chemischen Behandlung von metallhaltigem, insbesondere eisenhaltigem, Material, vorzugsweise Metallschmelzen, bevorzugt Eisenschmelzen, bei welchem beim Betrieb des Gefäßes oder des Ofens dem jeweils entstehenden, in einer Abgasleitung geführten Abgasstrom an einer Harnstoffzugabestelle Harnstoff (CO(NH₂)₂) oder Ammoniak zugeführt und mit dem Abgasstrom zur Reaktion gebracht wird.
Ebenso richtet sich der Erfindung auf eine Vorrichtung , insbesondere Gefäß oder Ofen, zur thermischen und/oder chemischen Behandlung von metallhaltigem, insbesondere eisenhaltigem, Material, vorzugsweise Metallschmelzen, bevorzugt Eisenschmelzen, mit einer angeschlossenen Abgasleitung, die eine darin ausgebildete Harnstoffzugabestelle aufweist, mittels welcher beim Betrieb des Gefäßes oder Ofens dem jeweils entstehenden, in der Abgasleitung geführten Abgasstrom Harnstoff (CO(NH₂)₂) oder Ammoniak zuführbar und mit dem Abgasstrom zur Reaktion zu bringen ist.
In metallurgischen Gefäßen, wie Elektrolichtbogenöfen, in welchen Stahlschrott, Eisenschwamm oder ähnliches Material eingeschmolzen wird, aber auch in LD-Konvertern, kommt es bei Temperaturen von über 1000° C zur Bildung von Stickoxiden (NO_x). Beim Betrieb eines Elektrolichtbogenofens erzeugen die Lichtbögen im Plasma und die heiße Ofenatmosphäre diese Stickoxide; beim BOF-Konverter sind dies die hohen Abgastemperaturen. Die Entstehung derartiger thermischer Stickoxide kann sowohl unmittelbar im Ofengefäß selbst als auch im Abgas erfolgen, beispielsweise wenn dem aus dem Ofengefäß abgeleiteten Abgasstrom bei hoher Temperatur Umgebungsluft zugemischt wird, wie dies beispielsweise bei Lichtbogenöfen aufgrund eines in der Abgasleitung ausgebildeten Krümmerspaltes der Fall ist. Da es sich bei Stickoxiden NO_x um umweltschädliche und giftige Gase handelt, die sowohl unmittelbar die Gesundheit gefährden also auch als Treibhausgas zur Erderwärmung beitragen, ist es erstrebenswert, die Ableitung von Stickoxiden in die Umwelt zu vermeiden.
In der WO 2012/146462 A1 ist daher schon vorgeschlagen worden, zur Minderung der NO_x-Emissionen dem Abgasstrom Harnstoff zuzuführen und mit den Stickoxiden des Abgasstromes zur Reaktion zu bringen. Bei der aus der WO 2012/146462 A1 bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung und dem aus diesem Dokument bekannten gattungsgemäßen Verfahren wird dem Abgasstrom, dargestellt am Beispiel eines Lichtbogenofens, in der Abgasleitung Harnstoff zugeführt. Insbesondere soll dies erfolgen, wenn die Abgastemperatur sich oberhalb von 500 °C, insbesondere oberhalb von 1000 °C, befindet. Es ist bekannt, dass sich Harnstoff in diesen Abgasen in NH₂-Bestandteile und CO aufspalten lässt, wonach das NH₂ anschließend unmittelbar mit dem Stickoxid (NO) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reagiert.
Problematisch allerdings ist, dass bei den hier angesprochenen metallurgischen Prozessen, beispielsweise bei der Erschmelzung von Stahlschrott in einem Elektrolichtbogenofen, auch Stickoxid beladene Abgase entstehen, die eine Temperatur von nur bis zu 500 °C aufweisen. So treten bei der Erschmelzung von Strahlschrott im Lichtbogenofen hohe Stickstoffkonzentrationen in staubbeladenen Abgasen auf, die eine Temperatur von 200 °C bis 500 °C aufweisen. Insbesondere zu Beginn eines solchen Elektrolichtbogenofen-Prozesses liegt die Abgastemperatur bei lediglich 200 °C und brennt der Lichtbogen frei in einer Luftatmosphäre. Zu einem solchen Zeitpunkt lässt sich der Stickoxidgehalt des Abgases aufgrund der geringen Abgastemperatur mit Hilfe von Harnstoff kaum reduzieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die auch bei niedrigen Abgastemperaturen eine Entstickung eines bei einer thermischen und/oder chemischen, insbesondere metallurgischen, Behandlung von metallhaltigem, insbesondere eisenhaltigem, Material entstehenden Abgases mittels Harnstoff oder Ammoniak ermöglicht.
Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Abgasstrom in der Abgasleitung benachbart zur Harnstoffzugabestelle des Harnstoffs oder Ammoniaks auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 1.000 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 800 °C, aufgeheizt wird.
Ebenso wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs näher bezeichneten Art dadurch gelöst, dass in der Abgasleitung benachbart zur Harnstoffzugabestelle eine Abgasstromheizeinrichtung angeordnet ist, mittels welcher der in der Abgasleitung geführte Abgasstrom auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 1.000 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 800 °C, aufheizbar ist.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass zusätzlich zu der Zugabe oder Eindüsung von Harnstoff in den während eines solchen thermischen und/oder chemischen, metallurgischen Prozesses entstehenden Abgasstrom, dieser in der Abgasleitung zusätzlich auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 1000 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 800 °C aufgeheizt wird. Die jeweils eingestellte Temperatur kann bezüglich der jeweils ablaufenden Reaktion optimiert werden. Jedenfalls aber ist Kern der Erfindung, dass das Abgas in der Abgasleitung auf eine Temperatur erwärmt wird, in der die NO_x-Minderung mittels Harnstoff oder Ammoniak gut durchführbar ist. Der Harnstoff oder harnstoffreiche Flüssigkeiten oder Ammoniak werden in den entstehenden Abgasstrom eingebracht und der Abgasstrom wird benachbart zur Harnstoffzugabestelle in unmittelbarer Nähe mittels einer Abgasstromheizeinrichtung auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt.
Hierbei ist es zweckmäßig und vorteilhaft, den Abgasstrom mittels einer in den Abgasstrom gerichteten Brennerflamme aufzuheizen und die Abgasstromheizeinrichtung als solche auszubilden, die einen eine Brennerflamme erzeugenden Brenner umfasst, welche Ausgestaltungen die Erfindung bezüglich des Verfahrens und der Vorrichtung vorsieht.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn austrittsnah zu seinem Austritt aus dem metallurgischen Gefäß oder Ofen in die Abgasleitung dem Abgasstrom der Harnstoff oder das Ammoniak zugegeben und der Abgasstrom aufgeheizt werden, was die Erfindung in Ausgestaltung weiterhin vorsieht. Wenn das Reduktionsmittel Harnstoff oder das Ammoniak in einer heißen Brennerflamme kurz nach dem Austritt aus dem metallurgischen Gefäß mit den im Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden in Reaktion gebracht wird, existiert mit der Brennerflamme ein gut definierbarer und ausbildbarer Reaktionsraum, in welchem das Reduktionsmittel Harnstoff bzw. (daraus gebildetes) Ammoniak (NH₃) mit den Stickoxiden reagieren kann. Gleichzeitig werden mittels der Brennerflamme die nicht mit dem Harnstoff oder Ammoniak reagierenden weiteren Abgaskomponenten, wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder OH-Bestandteile verbrannt.
Um dies zu ermöglichen, zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in Ausgestaltung ebenfalls dadurch aus, dass die Harnstoffzugabestelle und die Abgasstromheizeinrichtung austrittsnah zum Austritt des Abgasstromes in die angeschlossene Abgasleitung in der Abgasleitung angeordnet sind.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn zunächst der Harnstoff oder des Ammoniak in das Abgas eingebracht und danach das schon Harnstoff oder Ammoniak enthaltende Abgas auf die jeweils gewünschte Temperatur gebracht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher in Weiterbildung vor, dass der Harnstoff oder das Ammoniak in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts der Abgasstromaufheizung dem Abgasstrom zugegeben wird. In analoger Weise zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in Ausgestaltung dadurch aus, dass die Harnstoffzugabestelle in der Abgasleitung in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts der Abgasstromheizeinrichtung angeordnet ist.
Zur optimalen Reduktion von Stickoxiden (NO_x) mittels Harnstoff bzw. (daraus gebildetes) Ammoniak (NH₃) sind Temperaturen von 600 °C bis 800 °C besonders gut geeignet. Bei der Erschmelzung von Schrott in Elektrolichtbogenöfen ist die Abgastemperatur zu Beginn des Schmelzprozesses aber deutlich geringer, so dass sich die Erfindung insbesondere für die Anwendung bei Elektrolichtbogenofen-Prozessen eignet, auch wenn sie sich genauso bei Konverter-Prozessen, bei BOF-Konvertern, LD-Konvertern, Pfannenöfen, Hochöfen und anderen metallurgischen Gefäßen, Öfen und Einrichtungen verwenden lässt. In Ausgestaltung sieht das erfindungsgemäße Verfahren daher schließlich auch vor, dass die Zugabe von Harnstoff oder Ammoniak zum Abgasstrom und die Aufheizung des Abgasstroms bei einem Lichtbogenofen in einem deckelnahen Bogen der Lichtbogenofen-Abgasleitung, insbesondere in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts eines Sauerstoff ansaugenden, in der Lichtbogenabgasleitung ausgebildeten Ringspaltes, durchgeführt wird.
In analoger Weise zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung schließlich dadurch aus, dass die Harnstoffzugabestelle und die Abgasstromheizeinrichtung bei einem Lichtbogenofen in einem deckelnahen Bogen der Lichtbogenofenabgasleitung, insbesondere in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts eines Sauerstoff ansaugenden, in der Lichtbogenabgasleitung ausgebildeten Ringspaltes, ausgebildet sind.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer einzigen Figur beispielhaft näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt die insgesamt mit 1 bezeichneten Vorrichtung, in diesem Fall ein Elektrolichtbogenofen 2, mit angeschlossener Abgasleitung 3 sowie eine vergrößerte Einzelheit der Abgasleitung 3 in ihrem unteren Teilbild.
Der Lichtbogenofen 2 ist schematisch mit seinem Ofengefäß 2a, der Elektrodenhalterung 4 und einem Lanzenmanipulator 5 mit angeschlossenem Staubbunker 6 dargestellt.
Beim Betrieb eines solchen Lichtbogenofens oder einer solchen Vorrichtung wird Schrott oder Eisenschwamm im Ofenraum 7 mittels Lichtbögen 8 erschmolzen. Das dabei entstehende Abgas wird am Deckel 9 über einen Bogen 10 der Abgasleitung 3 zugeführt, wobei der Bogen 10 Bestandteil der Lichtbogenabgasleitung 3 ist. Durch die Abgasleitung 3 wird das den Lichtbogenofen 2 verlassende Abgas einem Grobabscheider 11 und danach einer Wassereindüsung 12 zugeführt. Danach gelangt das Abgas in eine Filteranlage 13, bevor es in die Umgebung abgeführt wird. Im Übergang vom Bogen 10 zum angrenzenden Bereich der Abgasleitung 3 ist ein Krümmerspalt oder Ringspalt 14 ausgebildet, mittels welchem in den Abgasstrom 15 Sauerstoff von der außen liegenden Umgebung in die Lichtbogenabgasleitung angesaugt werden kann bzw. beim Betrieb des Lichtbogenofens 2 angesaugt wird.
In dem Bogen 10 sind eine Harnstoffzugabestelle 16, die als Harnstoffinjektionseinrichtung ausgebildet ist, und eine Abgasstromheizeinrichtung 17, die als eine Brennerflamme erzeugender Brenner ausgebildet ist, benachbart zueinander angeordnet. Durch ihre Anordnung in dem Bogen 10 sind die Harnstoffzugabestelle 16 und die Abgasstromheizeinrichtung 17 deckelnah an dem Lichtbogenofen 2 und somit austrittsnah zum Austritt des Abgasstromes 15 in die angeschlossene Abgasleitung 3 in der Abgasleitung 3 angeordnet. Hierbei ist in Strömungsrichtung des Abgasstromes 15 die Harnstoffzugabestelle 16 stromaufwärts der Abgasstromheizeinrichtung 17 angeordnet. Hierbei ist die Abgasstromheizeinrichtung 17 weiterhin derart ausgerichtet in dem Bogen 10 angeordnet, dass sich mit der Brennerflamme eine Reaktionszone 18 ausbildet, in welcher die im Abgas 15 enthaltenen Stickoxide (NO_x) nach der Eindüsung von Harnstoff 19 gut reagieren und somit die Umwandlung in Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) erfolgen kann. Um dies durchführen zu können, ist die Abgasstromheizeinrichtung 17 derart ausgelegt, dass sie den Abgasstrom 15 in der Abgasleitung 3 bzw. im Bogen 10 der Abgasleitung 3 auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 1000 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 800 °C, aufheizen kann. Die Strömungsrichtung des Abgasstromes 15 ist durch die Pfeile angedeutet.
Mit der Vorrichtung 1 ist es möglich, die im Elektrolichtbogenofen 2 insbesondere zu Beginn des Prozesses des Schrotteinschmelzens oder Metalleinschmelzens bei frei brennendem Lichtbogen 8 in kalter Atmosphäre entstehenden Stickoxide im Bogen 10 zur Reaktion mit Harnstoff (CO(NH₂)₂) bzw. (daraus gebildetes) Ammoniak (NH₃) zu bringen, da der kalte Abgasstrom im Bogen 10 auf die jeweils gewünschte Temperatur im Temperaturnbereich zwischen 400 °C und 1000 °C erwärmbar ist. Hierzu werden vor dem Zünden des Lichtbogens 8 die Harnstoffeindüsung an der Harnstoffzugabestelle 16 und die im Ausführungsbeispiel eine Brennerflamme erzeugende Abgasstromheizeinrichtung 17 gestartet, so dass unmittelbar bei der dann nachfolgenden Zündung des Lichtbogens 8 im Abgasstrom 15 entstehende erhöhte Stickoxidkonzentrationen im Bogen 10 der gewünschten NO_x-Minderung unterworfen werden können.
Da eine besondere Reinheit der verwendeten Harnstoffes 19 nicht notwendig ist, kann hier beispielsweise auch aus der Landwirtschaft oder aus einem Biokraftwerk stammende harnstoffhaltige Flüssigkeit Verwendung finden. In der Brennerflamme der Abgasstromheizeinrichtung 17 werden zudem weitere, nicht mit dem Harnstoff reagierende Abgaskomponenten wie Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) verbrannt, d.h. oxidiert.
Von Vorteil ist es weiterhin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Ofensteuerung und gewünschtenfalls einer Abgasmessung in Bezug auf Temperaturen und/oder Abgaszusammensetzung ausgestattet ist, welche mit der Regelung der Harnstoffeindüsung oder Harnstoffzugabe und der Brennersteuerung, also der Steuerung der Abgasstromheizeinrichtung 17, gekoppelt sein kann. In Kenntnis des jeweils ablaufenden Prozesses kann die Regelung schon präventiv erfolgen.
Der dem Abgasstrom 15 zugeführte Harnstoff (CO(NH₂)₂) 19 wird gemäß NH₂CONH₂ → 2NH₂ + CO in NH₂ und CO aufgespalten. NH₂ und das im Abgasstrom enthaltene NH₂ reagieren zu Stickstoff N2 und Wasser (NH₂+ NO → N₂ + H₂O). In der Regel erfolgt die Reduktion des NO_x mit Ammoniak (NH₃), wobei der Harnstoff als Ammoniaklieferant (in einer Vorreaktion) dient. Es ist daher auch möglich, Ammoniak oder ein anderes Ammoniak lieferndes Mittel als Harnstoff dem Abgasstrom 15 zuzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Öfen
3: Abgasleitung
10: Bogen
14: Ringspalt
15: Abgasstrom
16: Harnstoffzugabestelle
17: Abgasstromheizeinrichtung
19: Harnstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/146462 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Stickoxid(NO_x)-Minderung in Abgasströmen (15) metallurgischer Gefäße oder Öfen (2) zur thermischen und/oder chemischen Behandlung von metallhaltigem, insbesondere eisenhaltigem, Material, vorzugsweise Metallschmelzen, bevorzugt Eisenschmelzen, bei welchem beim Betrieb des Gefäßes oder des Ofens (2) dem jeweils entstehenden, in einer Abgasleitung (3) geführten Abgasstrom (15) an einer Harnstoffzugabestelle (16) Harnstoff (19) oder Ammoniak zugeführt und mit des Abgasstrom (15) zur Reaktion gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom (15) in der Abgasleitung (3) benachbart zur Harnstoffzugabestelle (16) des Harnstoffs oder Ammoniaks auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 1.000 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 800 °C, aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom (15) mittels einer in den Abgasstrom (15) gerichteten Brennerflamme aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass austrittsnah zu seinem Austritt aus dem metallurgischen Gefäß oder Ofen (2) in die Abgasleitung (3) dem Abgasstrom (15) der Harnstoff (19) oder Ammoniak zugegeben und der Abgasstrom (15) aufgeheizt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff (19) oder Ammoniak in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts der Abgasstromaufheizung dem Abgasstrom (15) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe von Harnstoff (19) oder Ammoniak zum Abgasstrom (15) und die Aufheizung des Abgasstroms (15) bei einem Lichtbogenofen (2) in einem deckelnahen Bogen (10) der Lichtbogenofenabgasleitung (3), insbesondere in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts eines Sauerstoff ansaugenden, in der Lichtbogenabgasleitung (3) ausgebildeten Ringspaltes (14), durchgeführt wird.
Vorrichtung (1), insbesondere Gefäß oder Ofen (2), zur thermischen und/oder chemischen Behandlung von metallhaltigem, insbesondere eisenhaltigem, Material, vorzugsweise Metallschmelzen, bevorzugt Eisenschmelzen, mit einer angeschlossenen Abgasleitung (3), die eine darin ausgebildete Harnstoffzugabestelle (16) aufweist, mittels welcher beim Betrieb des Gefäßes oder Ofens (2) dem jeweils entstehenden, in der Abgasleitung (3) geführten Abgasstrom (15) Harnstoff (19) oder Ammoniak zuführbar und mit dem des Abgasstrom (15) zur Reaktion zu bringen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (3) benachbart zur Harnstoffzugabestelle (16) eine Abgasstromheizeinrichtung (17) angeordnet ist, mittels welcher der in der Abgasleitung (3) geführte Abgasstrom (15) auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 1.000 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 800 °C, aufheizbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasstromheizeinrichtung (17) einen eine Brennerflamme erzeugenden Brenner umfasst.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Harnstoffzugabestelle (16) und die Abgasstromheizeinrichtung (17) austrittsnah zum Austritt des Abgasstromes (15) in die angeschlossene Abgasleitung (3) in der Abgasleitung (3) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Harnstoffzugabestelle (16) in der Abgasleitung (3) in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts der Abgasstromheizeinrichtung (17) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Harnstoffzugabestelle (16) und die Abgasstromheizeinrichtung (17) bei einem Lichtbogenofen (2) in einem deckelnahen Bogen (10) der Lichtbogenofenabgasleitung (3), insbesondere in Abgasströmungsrichtung stromaufwärts eines Sauerstoff ansaugenden, in der Lichtbogenabgasleitung (3) ausgebildeten Ringspaltes (14), ausgebildet sind.