DE102018002374A1 - Einblasvorrichtung zum Topgas- bzw. Exportgasrecycling in Hochöfen und Schmelzreduktionsanlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft zwei- bzw. dreizügige koaxiale Einblasvorrichtungen zum Einblasen von rückgeführtem Top- bzw. Exportgas in Hochöfen und Corex-Schmelzreduktionsanlagen, in welche mit Hilfe der koaxialen Einblasvorrichtungen das von CObefreite Top- bzw. Exportgas nicht oxidiert, zur Nutzung der gesamten Oxidationsenergie der eingebrachten Kohle eingeblasen wird. Durch die nahezu vollständige Umsetzung des CO in COwird nur der zur Reduktion benötigte Kohlenstoff genutzt. Die Nachoxidation entspricht der Nachverbrennung in Eisenbad-Schmelzreduktionsanlagen!

Description

• Stand der Technik
• Aktuell wird flüssiges Roheisen in Hochöfen und Schmelzreduktionsanlagen erzeugt. Da beide Verfahren mit Hilfe von Kohlenstoff Eisenoxid zu Roheisen reduzieren und schmelzen fallen als gasförmige Produkte hauptsächlich Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid an. Das Einblasen der ~1200°C heißen, mit sauerstoffangereicherten Luft in Hochöfen bzw. des Sauerstoffs bei T ≤ 50 °C in den COREX^®-Einschmelzvergaser geschieht mit Hilfe wassergekühlter, kupferner Blasformen. Zur Verminderung des Kokses wird weltweit in Hochöfen und damit zur Senkung der Kosten des Hochofenbetriebs die Kohlenstaubeinblasung (PCI) eingesetzt. Hierbei wird der Kohlenstaub mit Hilfe einer in die Blasform eingesteckten koaxialen Lanze zusammen mit Sauerstoff in die Spitze des Blasformdurchgangs eingeblasen, der Kohlenstaub zündet in der einzügigen Blasform und verbrennt in der Wirbelzone zu Kohlenstoffmonoxid und ersetzt damit die Koksverbrennung durch die günstigere Kohleverbrennung.
• Aufgabe der Erfindung
• Ein umweltfreundlicher Betrieb eines Hochofens ist nur mit reinem Sauerstoff und dem Topgasrecycling mit der Nachoxidation des recycelten Kohlenmonoxids zu CO₂ durch den Sauerstoff der bisher nichtreduzierten Eisenerze möglich! Da durch das Recycling des CO- und H₂-Anteils im Gichtgas weniger Kohlenstoff vergast werden muss, sinkt der Kohlenstoffeinsatz und demzufolge auch die Abgasmenge. Erst die Anwendung der erfindungsgemäßen Einblasvorrichtung, in bis gezeigt, ermöglicht das Topgas- bzw. Exportgasrecycling in Hochöfen und COREX^®-Schmelzreduktionsanlagen, denn mit den üblichen Blasformen ist das Recycling des von CO₂-befreiten Top- bzw. Exportgases nicht möglich.
• Schmelzreduktionsanlagen arbeiten mit Sauerstoff, was die Verbrennungsgasmenge gegenüber der Luftverbrennung im Hochofen reduziert, da jedoch beim COREX^®-Verfahren die Verkokung der Kohle im Einschmelzvergaser stattfindet erhöht sich die Abgasmenge um die flüchtigen Bestandteile der eingebrachten Kohle, z. B. enthalten die in der Regel verwendeten, preiswerten Gas- bzw. Gasflammkohlen 35-45 %_Gew. flüchtige Bestandteile.
• Laut „Heat and mass balances“ in „Example of flow sheet in Version 1“ von Danloy, van der Stel und Schmöle veröffentlicht im Ulcos Seminar vom 05.10.2008 werden bei der Erschmelzung von 1000 kg RE im Sauerstoff-Hochofen mit Topgasrückführung 1179 Nm³ Abgas gegenüber der COREX^®-Schmelzreduktionsanlage mit 1650 Nm³ erzeugt. Die Recyclinggasmenge wurde für den ULCOS-TGRBF, Version 1 mit 1120 Nm³ = 95% der Topgasmenge berechnet. Da der Roheiseherzeugungsweg in einer COREX^®-Anlage dem eines Hochofens entspricht, ist es naheliegend die Recyclinggasmenge für eine COREX^®-Anlage mit ≥ 1200 Nm³ der Exportgasmenge anzunehmen und dementsprechend verringert sich die benötigte Sauerstoff- und Kohlemenge.
• Der Vergleich der Reduktionsgasmengen CO und H₂ eines TGRBF, ULCOS-Version 1 gegenüber dem eines Topgasrecycling-Sauerstoffhochofens ausgestattet mit einer Einblasvorrichtung, zeigt eine Erhöhung der Reduktionsgasmenge um 20% bzw. von 20185 mol CO und H₂ auf 24313 mol CO und H₂, die Zunahme der Reduktionsgasmenge betrifft auch eine COREX^®-Schmelzreduktionsanlage mit Exportgasrückführung; denn die Steigerung der Reduktionsgasmenge basiert auf dem Einsatz von Erdgas und da dadurch 15 % der Reduktionsarbeit durch Wasserstoff erbracht werden, vermindert sich das Verhältnis Kohlenstoffeinsatz / erzeugte Roheisenmenge zusätzlich.
• Grundlegendes zur Erfindung
• Beim Recycling des von CO₂ befreiten Abgases von Hochöfen und COREX^®-Schmelzreduktionsanlagen sind folgende Punkte zu berücksichtigen:
• 1. Das Konzept des Topgas- bzw. Exportgasrecyclings beruht auf der Wiederverwendung des Kohlenmonoxids und Wasserstoffs als reaktives Gas, daher muss während des Einblasvorgangs und der anschließenden Kohlenstaubverbrennung das Recyclinggas vom Sauerstoff getrennt sein, eine Vermischung der Gase darf nicht stattfinden.
• 2. Die Kohlenstaubeinblasung (PCI) mit Verbrennung ersetzt in Hochöfen die Koksverbrennung, so werden z. B. von AM-Gent als Ersatz zur Koksverbrennung -240 kg/t RE Kohlenstaub zur Senkung der Betriebskosten eingeblasen und verbrannt. Ein herkömmlicher Hochofen der mit sauerstoffangereicherter, auf ~1200°C erhitzter Luft betrieben wird, verbraucht mit -450 kg Kohlenstoff das 1,35fache gegenüber einem Sauerstoffhochofen mit Topgasrückführung der nach - ULCOS Figure 1. Example of flow sheet in version 1 - nur -330 kg Kohlenstoff zur Erzeugung von 1 t/RE benötigt und entsprechend verringert sich die benötigte Brennstoffmenge einer COREX^®-Schmelzreduktionsanlage mit Exportgasrückführung.
• 3. Die Eindringtiefe des Sauerstoffstrahls eines COREX^®-Schmelzvergasers beträgt ca. 0,7 m, dagegen vergrößert sich bei Verwendung von Heißluft, durch die Masse des Stickstoffs, die Eindringtiefe des Heißluftstrahls im Hochofen auf~2m. Die Topgas- bzw. die Exportgasrückführung erhöht die einzublasende O₂-Gasmasse um die Recyclinggasmasse, vergrößert dadurch die, im Vergleich zum Hochofen geringere Ausdehnung der Raceway mit der aktiven Ringfläche, parallel steigt der Stoffaustausch und erhöht die Roheisenproduktion des Hochofens bzw. der Schmelzreduktionsanlage. Eine weitere Zunahme der Strahleindringtiefe ergibt sich durch den gestuften Strahl in welchem der Kernstrahl, abgeschirmt von dem Koks- bzw. Charbett durch die Verbrennungsprodukte des Trenn- und des Hüllstrahls, reibungslos sich innerhalb des Strahlkegels ausdehnen kann und damit die Raceway vergrößert. Hinzu kommt, wie anhand des Beispiels für einen TGRBF gezeigt, dass die auf das Koks- bzw. Charbett wirkende Pressung (Staudruck) bzw. die kinetische Energiedichte ε_Kin= ½ ∗ ρ ∗ ν² durch den geringeren dyn. Druck des Hüll- und Trennstrahls reduziert wird. Als Beispiel die Stufung der Strahlgeschwindigkeiten für einen Sauerstoffhochofen mit Topgasrecycling:
• • Kernstrahl - Recyclinggas, hohe Geschwindigkeit, υ = 160 m/s
• • Trennstrahl - NG + O₂, mittlere Geschwindigkeit, υ = 130 m/s
• • Hüllstrahl - PC + NG + O₂, niedrige Geschwindigkeit, ν = 63 m/s
• 4. Der COREX^®-Prozess unterscheidet sich gegenüber dem Hochofen durch die Aufteilung des Verfahrens in zwei Reaktionsräume, in einen Reduktionsschacht zur Reduktion der Eisenerze und einen Einschmelzvergaser zur Erzeugung der Reduktionsgase und zum Einschmelzen der im Schacht reduzierten Eisenerze. Das verringert die Höhe der Möllersäule erheblich, denn dadurch besteht die in einem COREX^®-Schmelzgefäß auf dem Charbett lastende Feststoffsäule, im Gegensatz zum Hochofen, nur aus der gegenwärtig benötigten Kohle und den teilreduzierten Erzen die entsprechend dem Bedarf kontinuierlich ergänzt werden. Dagegen wird in Hochöfen metallurgischer Koks mit hoher Festigkeit und niedriger Reaktivität benötigt um:
1. a. die gegenüber dem COREX^®-Einschmelzvergaser deutlich höhere Last aus der über 15 m hohen Möllersäule zutragen
2. b. durch die Stückigkeit des Kokses, der Koks muss unter der aufliegenden Last seine Form behalten, die Voraussetzung zur Durchgasung des Möllers zu schaffen und den Ablauf des flüssigen Eisens sicherzustellen.
3. c. durch die niedrige CO₂-Reaktivität die Kohlenstaubeinblasung zu ermöglichen.
Im Gegensatz zum Hochofen genügt zum Betrieb einer COREX^® Anlage nicht verkokbare Kohle die durch die thermische Spaltung im Schmelzaggregat zu dem geringer belastbaren Schwelkoks, der Char mit einer relativ hohen CO₂ Reaktivität pyrolysiert. Dagegen erlaubt die niedrige CO₂ Reaktivität des metallurgischen Kokses Kohlenstaubmengen
von über 200 kg/ t RE in Hochöfen einzublasen und zu verbrennen. Um ähnlich große Kohlenstaubmengen in eine COREX^®-Anlage einzublasen und zu verbrennen, müsste die zugeführte, zum Teil staubförmige Kohle zu größeren Einheiten brikettiert werden, um eine Char mit niedriger CO₂ Reaktivität, ähnlich dem Koks, in Hochöfen zu erhalten. Darüber hinaus vergrößern sich durch die Stückigkeit der Kohlepresslinge, die zur Durchgasung und dem Ablauf des schmelzflüssigen Eisens notwendigen Freiräume gegenüber dem Charbett aus unbehandelter Kohle.
• 5. Die Erwärmung eines in das glühende Koksbett eines Hochofens bzw. in glühende Charbett des Schmelzgefäßes einer COREX^®-Schmelzreduktionsanlage eindringenden Gasstrahls erfolgt mittels Konvektion mit Stoffaustausch und Wärmestrahlung durch den, den Strahl umgebenden, glühenden Koks radial vom Randbereich des Strahls zur Strahlachse.
• 6. Die Oxidation der in den Hochofen bzw. in das Schmelzgefäß eingeblasenen Brennstoffe und brennbaren Hilfsstoffe finden je nach Aggregatzustand, Gase mit Gasen im homogenen, einphasigen und Feststoffe mit Gasen im heterogenen, zweiphasigen Zustand statt.
• 7. Durch das Fehlen einer Nachverbrennung ist die Energieausnutzung bei den Schmelzreduktionsverfahren unzureichend, so beträgt z. B. der Heizwert H_Abgas eines Ch-Hochofens bzw. einer COREX^®-Schmelzreduktionsanlage 7000 - 8000 kJ/Nm³. Eine wesentlich bessere Ausnutzung von -90% der Gesamtenergie erreicht die Eisenerzreduktion im Schmelzreduktionsverfahren HISARNA, hier reduziert das aufsteigende Kohlenmonoxid das im Schmelzzyklon vorreduzierte, abtropfende Eisenoxid zu Eisen und wird dabei zu Kohlendioxid oxidiert, dadurch bedingt besteht das Abgas zu -90% aus CO₂. Dadurch verbraucht die Roheisenerzeugung nach dem HISARNA-Verfahren gegenüber einem gebräuchlichen Hochofen ~20 % weniger Kohle mit entsprechender CO₂-Verminderung und bei der Roheisenerzeugung in einem Sauerstoffhochofen mit Topgasrecycling verringert sich der Kohle-, der Kokseinsatz und der CO₂-Ausstoss um > 25% im Vergleich zu einem Heißluft-Hochofen.
• 8. Dieser Nachteil der unzulänglichen Energieausnutzung wird durch das Gasrecycling in einem Hochofen bzw. bei dem COREX^®-Festbettreduktionsverfahren durch Umgehung der Reaktion zum Boudouard-Gleichgewicht ausgeglichen.
• Vermeidung der Boudouard-Reaktion:
• I. Hochofen - Bei Temperaturen < 600°C findet nach dem Boudouard-Gleichgewicht keine Reaktion von CO₂ + C → 2CO statt.
• II. COREX^®-Schmelzreduktionsanlage - Da im Reduktionsschacht kein Kohlenstoff existiert, ist die Reaktion von CO₂ + C → 2CO zum Boudouard-Gleichgewicht nicht möglich.
• Hinzu kommt, dass
• 9. Hinzu kommt, dass durch das Reduktionsgasrecycling die Strahlgasmasse um die Masse des rückgeführten Reduktionsgases erhöht, was die Eindringtiefe des Gasstrahls verbessert, und eine weitere Vergrößerung der Eindringtiefe des Gasstrahls wird durch den gestuften Strahl erreicht.
• 10. Durch die Brikettierung sinkt, die eingebrachte Kohle wird fast gänzlich zu Char umgesetzt, der Kohlenstoffbedarf einer COREX^®-Schmelzreduktionsanlage unter die eines konventionellen Hochofens und durch das Exportgasrecycling dürfte sich der Kohlenstoffbedarf und der CO₂-Ausstoss in einer COREX^®-Schmelzreduktionanlage mit Exportgasrecycling analog zu einem Sauerstoffhochofen mit Topgasrecycling einstellen.
• Erläuterung der Erfindung
1. 1) Damit eine Oxidation der Reduktionsgase durch den Sauerstoff des O₂/C-Strahls ausgeschlossen werden kann, erfolgt die Zuführung des Kohlenstaub-Sauerstoffgemisches in der Einblasvorrichtung getrennt vom Recyclinggas. Durch die Trennwand zwischen beiden Stoffströmen findet keine Vermischung der Stoffe vor der Verbrennung des Kohlenstaubs statt.
2. 2) Das Kohlenstaub-Sauerstoffgemisch und das Reduktionsgas werden getrennt eingeblasen. Der Aufbau des Gesamtstrahls muss die Richtung des Wärmeflusses berücksichtigen. Denn, wird das Kohlenstaub-Sauerstoffgemisch als äußerer Ringstrahl in das Koks- bzw. Charbett eingeblasen, erfolgt die Aufheizung des C/O₂-Gemisches durch das umgebende, glühende Koks- bzw. Charbett zusätzlich zur Wärmestrahlung mittels Konvektion mit Stoffaustausch in 100 bis 1000 K/ms. Ist jedoch das Reduktionsgas die äußere Schicht im Strahl, wird sie vor dem O₂/C-Strahl auf die Zündtemperatur aufgeheizt und vom, aus dem O₂/C-Strahl, eingemischten Sauerstoff oxidiert. Das im Strahlinneren liegende Ch/C-Gemisch würde bei dieser Strahlschichtung nur durch die Wärmestrahlung aufgeheizt, eine konvektive Erwärmung wäre dann nicht möglich.
3. 3) Das eingeblasene Kohlenstaub-Sauerstoffgemisch verbrennt heterogen. Das Recyclinggas, CO und H₂, verbrennt in Gegenwart von O₂ homogen und da ein Teil der Aufbereitungszeit, die Diffusion, die Adsorption und die Desorption gegenüber der heterogenen Verbrennung entfällt, geschieht dies in wesentlicher kürzerer Zeit. Außerdem erfolgt bei Gasgemischen die homogene Reaktion im gesamten Gasvolumen und bei der heterogenen Reaktion findet diese nur auf der Kohlekornoberfläche statt. Da in parallelen aneinander angrenzenden Gasstrahlen das Medium mit der geringeren Dichte, in diesem Fall das Reduktionsgas, durch Scherung vom Gasstrahl mit dem höheren Dichte, dem Sauerstoff mit PC mitgerissen - Entrainment - wird, würde ein Teil des Recyclinggases in den Hüllstrahl eingemischt und zu CO₂ und H₂O oxidieren. Eine Isolierung des Reduktionsgasstrahls vom Sauerstoffstrahl ist daher zwingend notwendig!
4. 4) Getrennt durch das, in und gezeigte, dickwandige Rohr des Recyclinggas führenden inneren Kanals und des äußeren C/O₂-Brennstoffstrahls treten das Reduktionsgas und das Kohlenstaub-Sauerstoffgemisch mit einem größeren Abstand in den Hochofen bzw. in das Schmelzgefäss ein. Der Öffnungswinkel eines Freistrahls in einer reibungsarmen Gasumgebung beträgt ~19°, durch den Widerstand der porösen Koksschüttung wird der Strahl gestaucht und der Winkel vergrößert sich, die beiden Gasstrahlen breiten sich im Zuge der Strahlentwicklung stärker radial aus, interagieren und vermischen sich. Eine Abschirmung, eine Trennung der Reduktionsgase vor der Oxidation durch den Sauerstoff im Hüllstrahl schafft eine „quasi inerte“ Gasschicht zwischen beiden Strahlen. Zu diesem Zweck wird zwischen dem inneren Recyclinggas-Kernstahl und dem äußeren O₂/C-Hüllstrahl zur Verbrennung und Bildung eines Trennstrahls CH₄/O₂ gemischt eingeblasen. Durch die Vorvermischung reagieren die Gase nach entsprechender Erwärmung spontan in einer homogenen Reaktion, vor dem heterogen verbrennenden Kohlenstoff im Hüllstrahl, zu einer reaktionsarmen Schicht aus H₂O und CO₂ zwischen dem brennbaren Recyclinggas und dem Kohlenstoff-Sauerstoffgemisch im Hüllstrahl und schützt dadurch das Recyclinggas vor der Oxidation durch den Sauerstoff im Hüllstrahl.
5. 5) Die separierende Wirkung des Trennstrahls ist in deutlich zu erkennen. Die gezeigten Strahlgeschwindigkeiten wurden für einen TGRBF ermittelt, und wären in ähnlicher Größe für eine COREX^®-Schmelzreduktionsanlage denkbar. Aufgrund des dyn. Druckes dringt der Trennstrahl p_Dyn = 36,6 kN/m² zwischen den Sauerstoff führenden Hüllstrahl p_Dyn = 9,9 kN/m² und dem aus brennbaren Recyclinggas bestehenden Kernstrahl p_Dyn = 49,8 kN/m² ein, bildet zwischen den Strahlen, aufgrund des gegenüber dem Hüllstahl fast 4fach größeren dyn. Druckes, den trennenden Ringstrahl und da das Methan mit dem Sauerstoff bereits vorgemischt in den Hochofen eintritt, zündet es spontan und verbrennt zu H₂O und CO₂. Außerdem ist die Oxidation der Reduktionsgase durch den Sauerstoff aus dem äußeren Strahl nach dem Massenwirkungsgesetz nicht möglich, denn dafür müsste der Sauerstoff ohne eine nennenswerte Konzentrationsänderung den Trennstrahl radial durchdringen.
6. 6) Die Beständigkeit und die Stärke des Trennstrahls, dargestellt durch die dyn. Drücke und die Strahlgeschwindigkeiten in , verdeutlicht die trennende Wirkung des Trennstrahls mit der Isolation der Reyclinggase von dem Sauerstoff im Hüllstrahl. Der isolierende Schutz des Trennstrahls überbrückt die Zeitspanne zwischen dem Beginn der prompten homogenen Gas- und der langsameren heterogenen Feststoffverbrennung und da zu diesem Zeitpunkt der gesamte Sauerstoff im Hüllstrahl durch die Kohlenstoffverbrennung gebunden ist, ist eine Oxidation der Recyclinggase nicht möglich.
• Eine Verringerung der Zeitspanne der homogenen Gas- und der heterogenen Feststoffverbrennung ist durch die Verkürzung der Aufbereitungszeit bei der heterogenen Kohlenstoffverbrennung erreichbar. Der Erschließungsvorgang, die Aufbereitungszeit, der heterogenen Kohlenstoffverbrennung gegenüber der homogenen Verbrennung besteht ausfolgenden Schritten:
• ■ der Zuführung und Adsorption des Oxidators
• ■ der Desorption der Verbrennungsprodukte
• ■ der, gegenüber der homogenen Verbrennung, langsamer verlaufenden chemischen Reaktion.
• In dem Erschließungsvorgang, verändern sich die Absorption des Oxidators und die Desorption der Verbrennungsprodukte, die diffusiven Widerstände linear mit dem Partikeldurchmesser und der reaktionskinetisch bedingte Widerstand fällt mit der Temperatur ab, daher kann durch die Verkleinerung des Kohleteilchendurchmessers und der Erhöhung der Gastemperatur im Hüllstahl die Aufbereitungszeit bei der heterogenen Kohlenstoffverbrennung vermindert werden. Der Kohlenstaub, spröde kristalline Steinkohle, z. B. Anthrazit wird mit Erdgas als Treibgas in den O₂-Strom in die Vorrichtung, und , tangential, analog der Strahlgaszuführung in eine Spiralstrahlmühle eingeblasen, mit dem Sauerstoff in den Hochofen transportiert, in kürzester Zeit erwärmt, zündet und verbrennt. Die schnelle, homogene Methanverbrennung steigert die Temperatur im O₂/C-Strahl schlagartig und infolge der Entgasung und des Thermoschocks zerplatzen bzw. zerfallen die entgasten, spröden Kohlekörner aus kristallinem Kohlenstoff in kleinere Kohlepartikel. Die Temperatursteigerung beschleunigt die Verbrennungsreaktion und der Zerfall der Kohlekörner in kleinere Kohleteilchen vermindert durch die Oberflächenvergrößerung die Zeitspanne der diffusiven Prozessschritte.
• Darstellung der Erfindung
• Die Erfindung zeigt vier Formen einer koaxialen Einblasvorrichtung zum Einblasen von festen und gasförmigen Stoffen mit recyceltem, von CO₂ befreitem Topgas bzw. Exportgas als Reduktionsgas in Hochöfen bzw. COREX^®-Einschmelzvergaser:
1. 1. Dreizügige koaxiale Einblasvorrichtung - - zum Einblasen von recyceltem, von CO₂ befreitem Topgas bzw. Exportgas als Reduktionsgas in Hochöfen oder COREX^®-Schmelzreduktionsanlagen. Das Reduktionsgas wird mit Umgebungstemperatur durch den zentralen Kanal auf der Blasformenebene in den Hochofen bzw. im Herdbereich in das Charbett des Schmelzaggregats injiziert, der innere Ringkanal dient der Zuführung eines Sauerstoff-Brenngasgemisches zur Verbrennung in eine „inerte Gas-Trennschicht“ und durch den äußeren Ringkanal wird Kohlenstaub mit Sauerstoff und einem Brenngas, z. B. Erdgas zur Wärme- und Reduktionsgaserzeugung eingeblasen.
2. 2. Eine zweizügige koaxiale Einblasvorrichtung - - mit der durch den inneren Kanal recyceltes Reduktionsgas (von CO₂ befreites Topgas bzw. Exportgas) und durch den äußeren Ringkanal ein Gemisch aus Sauerstoff und brennbarem Gas, z. B. Erdgas im stöchiometrischen bzw. im unterstöchiometrischen Verhältnis über dem Fließbett des COREX^®-Schmelzgefäßes zur Durchmischung der in diesem Bereich befindenden Stoffe eingeblasen wird.
3. 3. Eine zweizügige koaxiale Einblasvorrichtung - - basierend auf der Einblasvorrichtung . Zur Erhöhung des Strahldrucks und der Eindringtiefe des Strahls in das COREX^®-Schmelzaggregat wird in den inneren Kanal eine Laval-Düse installiert. Durch die Erhöhung des Gasdruckes auf > p_Kritisch erreicht das recycelte Reduktionsgas im engsten Querschnitt der Düse Überschallgeschwindigkeit und tritt in einem konzentrierten Überschallstrahl eingehüllt in den brennenden, gleichsinnig strömenden Gasstrahl des Sauerstoff-Brenngasgemisches als „kohärenter Überschallstrahl“ über dem Festbett des COREX^®-Schmelzgefäßes ein. Wird das durch den inneren Kanal eingeblasene Recyclinggas durch Sauerstoff ersetzt, ist durch die formschlüssige, druckdichte Anordnung - durchgesteckt und verschweißt - in dem konischen Behälterdeckel eines HISARNA-Schmelzreduktionsaggregats die zweizügige koaxiale Einblasvorrichtung, durch den O₂-Überschallstrahl zum Aufblasen des Verbrennungssauerstoffs auf das Eisenbad bzw. die Schaumschlacke im Schmelzgefäss einsetzbar. Versuche und Berechnungen der Swinburne University of Technology, Melbourne über die - Axiale Geschwindigkeitsverteilung eines Überschall-Sauerstoffstrahls - stützen diese Anwendungsmöglichkeit, denn sie zeigten, dass ein -500 m/s schneller kohärenter Überschallstrahl bei STP, in einem gleichsinnig bewegten, den O₂-Strahl einhüllenden brennenden Gasstrahl, seine ursprüngliche Geschwindigkeit, die Gaskonzentration und Kraft über eine Entfernung von bis zu 50 Düsen^∅ behält, dadurch entspricht die Strahlkraft in 2,5 m Entfernung bei einer Einblasvorrichtung mit einem Düsen^∅ von 50 mm der am Düsenaustritt; denn durch die gleichsinnig strömende Flammenhülle wird die Mitnahme des umgebenden Gases in den Überschallstrahl reduziert, was zu einer höheren Potentialkernlänge (der Länge, bis zu der die axiale Strahlgeschwindigkeit gleich der Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse ist) des Überschallstrahls führt.
• Der Vorteil dieser Einblaskonfiguration gegenüber einer wassergekühlten Lanze ist offensichtlich, denn:
• Eine Höhenverstellung der Lanze ist nicht notwendig, da die sich die Strahlkraft innerhalb einer Distanz von 50 D nicht ändert und dass außerdem eine verminderte Verfügbarkeit der Lanze durch Metallspritzer und sonstigen temperaturbedingten Schäden konstruktionsbedingt ausgeschlossen werden kann.
• 4. Eine dreizügige koaxiale Einblasvorrichtung - - bestimmt zum Einblasen von recyceltem Reduktionsgas in den unteren Hochofenschacht. Durch den inneren Koaxialkanal der Vorrichtung wird das auf 350°C erwärmte Reduktionsgas in den Hochofen eingeblasen, durch den inneren Ringkanal erfolgt die Zuführung eines Sauerstoff-Brenngasgemisch im stöchiometrischen Verhältnis zur Wärmeerzeugung und durch den äußeren Ringkanal wird ein Sauerstoff-Brenngasgemisch im unterstöchiometrischen Verhältnis zur partiellen Verbrennung und zur Bildung eines ringförmigen Schutzstrahls, zwischen dem heißen Verbrennungsstrahl und der Koksschüttung eingeblasen. Zur Erhöhung des Strahldrucks und der Eindringtiefe des Strahls in das Schmelzaggregat wird in den inneren Kanal eine konvergent-divergente Düse installiert.
• Durch die Erhöhung des Reduktionsgasdruckes auf > p_Kritisch erreicht das recycelte Reduktionsgas im engsten Querschnitt der Düse Überschallgeschwindigkeit und tritt in einem konzentrierten Überschallstrahl eingehüllt in den Ringstrahl aus den Verbrennungsprodukten H₂O und CO₂ des Sauerstoff-Erdgasgemisches von der Umgebung abgeschirmt in das Schmelzaggregat ein.
• 5. Das Einblasen des PC geschieht im Gegensatz zu Strahlmühlen mit dem Strahlgas in die Mischkammer, Pos. 5. In diesem werden die Partikel durch Impulsaustausch mit den Treibstrahlen-CO auf > 50 m/s beschleunigt. Die eingeblasenen Kohleteilchen verwirbeln in der Mischkammer, stoßen zusammen, prallen auf die Mischer- und Rohrwand und werden desagglomeriert.
• Bezugszeichenliste
• Komponenten:

  1

  Ofenwand

  2

  Ofenausmauerung

  3

  zentraler Kanal

  4

  Faserverstärkte Keramische Düse

  5

  Mischkammer

  6

  Elastische Auflage

  7

  äußerer Ringkanal

  8

  innerer Ringkanal

  9

  Konvergent-Divergente-Düse

• Stoffströme und Bereiche:

  a

  Recyclinggas

  b

  Kohlenstaub mit Erdgas / Koksgas als Treibgas

  c

  Sauerstoff, Erdgas / Koksgas

  d

  Trennstrahl bzw. Heizstrahl - Erdgas / Koksgas + O₂

  e

  Kernstrahl - Recyclinggas

  f

  Koks, Char

  g

  Sauerstoff

  h

  Hüllstrahl - O₂ + C + Erdgas bzw. Koksgas

  i

  entgaste Kohle

  k

  Erdgas / Koksgas

  m

  Prozessstaub mit Erdgas / Koksgas als Treibgas

Claims (8)

1. Dreizügige Einblasvorrichtung, in gezeigt, für das Top Gas bzw. Exportgas Recycling, dadurch gekennzeichnet, dass durch Recycling des von CO₂ befreiten Topgases eines Sauerstoff-Hochofens oder Exportgases einer COREX^®-Schmelzreduktionsanlage nach der CO₂-Abtrennung diesen bei Umgebungstemperatur, beim Hochofen in der Blasformebene, der COREX^®-Schmelzreduktionsanlage im oberen Herdbereich durch den zentralen Kanal der Einblasvorrichtung als Reduktionsgas zugeführt wird. Getrennt vom rückgeführten Reduktionsgas wird Sauerstoff, Methan und Kohlenstaub durch den äußeren Kanal der Vorrichtung eingeblasenen und verbrannt. Zur Separation des Kernstrahls aus Recyclinggas vom äußeren Verbrennungsstrahl aus PC, O₂ und einem Brenngas, z. B. Erdgas wird zwischen diesen ein quasi inerter Trennstrahl durch Oxidation von Brenngas mit O₂ zu H₂O und CO₂ erzeugt.
2. Dreizügige Einblasvorrichtung, in dargestellt, für das Top Gas Recycling in den unteren HO-Schacht eines Sauerstoff-Hochofens, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgeführte, von CO₂ befreite, Reduktionsgas mittels eines Wärmetauschers indirekt auf 350 - 400°C erwärmt durch den zentralen Kanal der Vorrichtung in den HO eingeblasen wird. Parallel dazu wird, Erdgas oder ein anderes Brenngas, mit Sauerstoff im stöchiometrischen Verhältnis, durch den inneren Ringkanal dem Hochofen zugeführt, zündet und verbrennt in diesem und erhöht damit die Reduktionsgastemperatur auf > 900°C. Durch den äußeren Ringkanal wird Erdgas oder ein anderes Brenngas mit Sauerstoff im unterstöchiometrischen Verhältnis eingeblasen, dieses verbrennt partiell, die Gastemperatur wird dadurch nur geringfügig erhöht und vermeidet damit eine lokale Temperaturerhöhung mit einer Erweichung und Versinterung der umgebenden Eisenerze. Zur Steigerung der Reduktionsgasgeschwindigkeit = Erhöhung des dynamischen Druckes des Recyclinggases ist im zentralen Kanal eine konvergent-divergente Düse (Laval Düse) angebracht.
3. Zweizügige Einblasvorrichtung, nach , für das Exportgas Recycling einer COREX^®-Schmelzreduktionsanlage, dadurch charakterisiert, dass durch den inneren Kanal recyceltes Reduktionsgas (von CO₂ befreites Exportgas) und durch den äußeren Ringkanal ein Gemisch aus Sauerstoff und brennbarem Gas, z. B. Erdgas im stöchiometrischen bzw. im unterstöchiometrischen Verhältnis über dem Fließbett des COREX^®-Schmelzgefäßes zur Durchmischung der in diesem Bereich befindenden Stoffe eingeblasen wird.
4. Zweizügige Einblasvorrichtung, entsprechend , für das Exportgas Recycling einer COREX^®-Schmelzreduktionsanlage, dadurch charakterisiert, dass durch den inneren Kanal recyceltes Reduktionsgas (von CO₂ befreites Exportgas) und durch den äußeren Ringkanal ein Gemisch aus Sauerstoff und brennbarem Gas, z. B. Erdgas oder ein anderes Brenngas im stöchiometrischen bzw. im unterstöchiometrischen Verhältnis über dem Fließbett des COREX^®-Schmelzgefäßes zur Verwirbelung der in diesem Bereich befindenden Stoffe eingeblasen wird. Zur Steigerung der Reduktionsgasgeschwindigkeit bis zur Überschallgeschwindigkeit, verbunden mit der Erhöhung des dynamischen Druckes des Recyclinggases ist im zentralen Kanal eine konvergent-divergente Düse angebracht.
5. Einblasvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Pos. 4 aufgeführte Düse aus faserverstärkter Keramik besteht.
6. Zweizügige Einblasvorrichtung, in gezeigt, zum Aufblasen des Verbrennungssauerstoffs auf die Schaumschlacke in Eisenbad-Schmelzreduktionsanlagen z. B. in einem HISARNA-Schmelzreduktionsgefäß, dadurch charakterisiert, dass durch den zentralen Kanal Sauerstoff mittels einer konvergenten - divergenten Düse (Lavaldüse) mit Überschallgeschwindigkeit und durch den äußeren Ringkanal ein Gemisch aus Sauerstoff und brennbarem Gas, z. B. Erdgas im stöchiometrischen Verhältnis zur Verbrennung und Bildung eines kohärenten Überschallstrahls eingeblasen wird.
7. Einblasvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Pos. 5 bezeichnete Mischkammer zum tangentialen Einblasen von festen und gasförmigen Stoffen entsprechend der Strahlgaszuführung einer Spiralstrahlmühle ausgeführt wird. Als Treibgas zur Förderung und zum Einblasen der staubförmigen Medien z. B. Kohlenstaub in die Mischkammer dient vorzugsweise ein im Prozess genutzten Gas, wie Kohlenstoffmonoxid.
8. Koaxiale Einblasvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Reduktionsprozessen, diese für separat einzublasende und zu verbrennende, Gase und Feststoff-Gas Gemische genutzt wird.

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