DE102021104000A1

DE102021104000A1 - Verfahren zum Betreiben von Verbrennungseinrichtungen in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, mit reduzierten CO2-Emissionen

Info

Publication number: DE102021104000A1
Application number: DE102021104000.0A
Authority: DE
Inventors: Ralph Schaper; Thomas Lapp
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2021-08-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Verbrennungseinrichtungen, wie Öfen oder Heizkessel in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, mit reduzierten CO2-Emissionen, mittels eines Gasgemisches als Brenngas, bestehend mindestens aus Wasserstoff, Methan und Inertgas. Um ein Verfahren zum Betreiben von Verbrennungseinrichtungen bereitzustellen, bei dem bei der Verbrennung weniger Kohlenstoffdioxid aus fossilen Energiequellen freigesetzt wird, als es bei der Verbrennung von herkömmlichem Koksgas oder Erdgas der Fall ist, wird vorgeschlagen, dass das Brenngas synthetisch hergestellt ist und zumindest ein Teil des Wasserstoffs und/oder zumindest ein Teil des Methans und/oder zumindest ein Teil des Inertgases klimaneutral erzeugt wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Verbrennungseinrichtungen in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, mit reduzierten CO₂-Emissionen, mittels eines Gasgemisches als Brenngas, bestehend mindestens aus Wasserstoff, Methan und Inertgas.
Verbrennungseinrichtungen in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, wie zum Beispiel Öfen oder Heizkessel, benutzen als Brenngas üblicherweise neben Erdgas auch oder ausschließlich Koksgas, welches bei der Herstellung von Koks für die Stahlerzeugung bei der Pyrolyse von Steinkohle in Kokereien entsteht.
Das Koksgas, das als Hauptbestandteile Wasserstoff, Methan und Stickstoff enthält, weist einen etwa halb so hohen Heizwert wie Erdgas auf und wird als Edukt in verschiedensten Verbrennungsprozessen eingesetzt. So wird beispielsweise die für das Aufwärmen von Brammen in den Öfen der Warmbreitbandstraße in einem Stahlwerk erforderliche hohe Temperatur durch Verbrennung von Erdgas oder Koksgas erzielt. Aber auch andere Hochtemperaturprozesse, die z. B. in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, vorhanden sind, erfordern die Verbrennung von Koksgas oder Erdgas, wobei unweigerlich Kohlenstoffdioxid entsteht.
Insbesondere das Verbrennen von Erdgas ist in zweifacher Hinsicht nachteilhaft, da Erdgas, das als Hauptbestandteil Methan enthält, zum einen zu den fossilen Energiequellen zählt, deren Verfügbarkeit bekanntermaßen endlich ist, und zum anderen bei der Verbrennung viel mehr Kohlenstoffdioxid, das als Treibhausgas das Klima und die Umwelt nachhaltig schädigt, freisetzt als Koksgas.
Wo es möglich ist, wird Koksgas als Substitut für Erdgas eingesetzt, um die Energieeffizienz von Hüttenwerken, insbesondere integrierter Hüttenwerke, zu erhöhen. Vor dem Hintergrund der angestrebten Klimaneutralität wird der Rohstahlerzeugungsprozess allerdings so umgestellt werden müssen, dass er ohne den Einsatz von Koks/Steinkohle auskommt. Somit wird man zukünftig Kokereien nicht mehr sinnvoll betreiben können, wodurch auch die Erzeugung und damit die Verfügbarkeit von Koksgas entfällt.
Verbrennungseinrichtungen, die heute mit Koksgas oder einem Gemisch aus Koksgas und Erdgas betrieben werden, z. B. Wärmeöfen oder große Heizkessel, lassen sich nur mit hohem Aufwand auf andere Edukte umstellen und nach heutigem Stand der Technik nicht 1:1 durch nur mit „grünem“ Strom betriebene Aggregate ersetzen. Sie könnten folglich in Zukunft nur noch mit Erdgas betrieben werden, was aus den eingangs genannten Gründen äußerst nachteilhaft wäre.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben von Verbrennungseinrichtungen, wie Öfen oder Heizkesseln in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, bereitzustellen, bei dem bei der Verbrennung weniger Kohlenstoffdioxid aus fossilen Energiequellen freigesetzt wird, als es bei der Verbrennung von herkömmlichem Koksgas oder Erdgas der Fall ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche und insbesondere durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben von Verbrennungseinrichtungen, wie Öfen oder Heizkessel in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, mittels eines Gasgemisches als Brenngas, mindestens bestehend aus Wasserstoff, Methan und Inertgas, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gasgemisch synthetisch hergestellt ist und zumindest ein Teil des Wasserstoffs und/oder zumindest ein Teil des Methans und/oder zumindest ein Teil des Inertgases klimaneutral erzeugt wurde.
Die Erfindung sieht damit vor, als Edukt für Verbrennungsprozesse kein herkömmliches Koksgas einzusetzen, sondern ein synthetisch hergestelltes Gasgemisch, das auch als „synthetisches Koksgas“ bezeichnet wird. Dieses ist dabei in seiner Zusammensetzung dem herkömmlichen, in Kokereien entstehenden Koksgas im Wesentlichen nachempfunden, wobei die Hauptbestandteile des synthetischen Koksgases ganz oder teilweise klimaneutral erzeugt wurden.
Unter „synthetischem Koksgas“ wird für die Zwecke der Erfindung ein Gasgemisch verstanden, das im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung hat wie das Koksgas, das bei der herkömmlichen Verkokung von Kokskohle entsteht, das aber nicht durch einen Verkokungsprozess entstanden ist, sondern durch Mischen der einzelnen gasförmigen Bestandteile. Das synthetische Koksgas weist dabei ähnliche Eigenschaften in Bezug auf die Verbrennung und auf die Regelungstechnik auf wie das herkömmliche Koksgas. Zu diesen Eigenschaften zählen insbesondere der untere Heizwert, die Dichte, der Mindestluftbedarf und die adiabate Verbrennungstemperatur. Wenn diese Parameter mit zulässigen Toleranzen eingehalten werden, kann das Koksgas substituiert werden, ohne an vorhandenen Anlagen die Brenner oder die Regelungstechnik erneuern zu müssen. Entsprechend weichen der untere Heizwert, die Dichte, der Mindestluftbedarf und die adiabate Verbrennungstemperatur des synthetischen Koksgases von den entsprechenden Werten des herkömmlichen Koksgases um jeweils oder in Summe weniger als 15 %, vorzugsweise weniger als 10 %, bevorzugter um weniger als 7 % und am meisten bevorzugt um weniger als 5 % ab.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem integrierten Hüttenwerk eine Kombination mehrerer Fertigungsstufen an einem Standort verstanden, um aus den Einsatzstoffen Erz, Koks und Kalk Stahlprodukte herzustellen. In üblicher Weise besteht das integrierte Hüttenwerk aus einem Hochofen, häufig aus einer Kokerei, einem Stahlwerk, einer Gießerei und einem Walzwerk sowie Nebenanlagen, wie Kraftwerken, Anlagen zur Prozessgaserzeugung und Verwertung von Nebenprodukten.
Bevorzugt weist das synthetische Koksgas als Brenngas dafür folgende Zusammensetzung in Volumen-% auf: 55 bis 75% Wasserstoff, 20 bis 35 % Methan und 4 bis 15 % Stickstoff.
Unter einer „klimaneutralen Erzeugung“ bestimmter Gase wird für die Zwecke der Erfindung eine Gewinnung der Gase durch Prozesse verstanden, die keine Treibhausgasemissionen verursachen. Hierunter wird verstanden, dass entweder Treibhausgasemissionen nicht entstehen oder zu Treibhausgasemissionen führende Gase abgetrennt, eingelagert oder anderweitig gebunden werden.
Koksgas besteht in der Regel zu etwa 55 bis 65 Volumen-% aus Wasserstoff. Weitere Hauptbestandteile von Koksgas sind Methan, dessen Anteil etwa 20 bis 25 Volumen-% des Koksgases ausmacht, und Stickstoff, dessen Anteil etwa 4 bis 10 Volumen-% des Koksgases ausmacht. Zu jeweils geringen Anteilen enthält Koksgas weiterhin üblicherweise Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak und Schwefelwasserstoff als Nebenbestandteile.
Sowohl die Hauptbestandteile als auch die Nebenbestandteile von Koksgas entstehen bei der herkömmlichen Erzeugung durch Verkokung von Kokskohle aus fossilen Energiequellen.
Durch die vorliegende Erfindung wird es nun erstmals ermöglicht, Verbrennungseinrichtungen, wie Öfen oder Heizkesseln in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, mit deutlich verringerten CO₂-Emissionen zu betreiben, wobei ein synthetisch hergestelltes Gasgemisch mit der Zusammensetzung von Koksgas verwendet wird, das größtenteils nicht in fossilen Energiequellen seinen Ursprung hat oder sogar gar keine aus fossilen Energiequellen stammenden Bestandteile aufweist.
Denn die Erfindung sieht vor, ein Gasgemisch, das Wasserstoff, Methan und Stickstoff sowie optional weitere gasförmige Bestandteile enthält, durch Mischen seiner Bestandteile zu synthetisieren, wobei die Bestandteile ganz oder teilweise klimaneutral erzeugt wurden.
Erfindungsgemäß ist dabei zumindest einer der Hauptbestandteile, nämlich Wasserstoff, Methan oder Stickstoff, wobei anstelle von Stickstoff auch ein anderes Inertgas, insbesondere Argon, eingesetzt werden kann, zumindest anteilig klimaneutral erzeugt worden.
Falls notwendig, kann alternativ anstelle von reinem Methan auch Erdgas eingesetzt werden, welches aber im Wesentlichen zu über 80 und bis zu 99 Volumen-% aus Methan besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der in dem erfindungsgemäßen Gasgemisch enthaltene Wasserstoff anteilig, mindestens 5 Volumen-%, mindestens 10 Volumen-%, mindestens 20 Volumen-%, mindestens 30 Volumen-%, mindestens Volumen-40 %, mindestens Volumen-50 %, mindestens 60 Volumen-%, mindestens Volumen-70 %, mindestens 80 Volumen-%, mindestens 90 Volumen-%, mindestens 95 Volumen-%, oder vollständig klimaneutral erzeugt worden.
Die klimaneutrale Erzeugung von Wasserstoff kann dabei insbesondere durch Elektrolyse von Wasser mittels Strom aus CO₂-freier Erzeugung erfolgen, aber auch aus der Abspaltung von Wasserstoff aus Biomethan oder über direkte biologische Erzeugung mittels spezieller Bakterien oder Enzyme oder durch andere technische Einrichtungen, die Wasserstoff ausschließlich mit Hilfe CO₂-freier/klimaneutraler Energien erzeugen. Der auf diese Weise erhaltene Wasserstoff wird im Allgemeinen und speziell im Rahmen dieser Erfindung auch als „grüner“ Wasserstoff bezeichnet.
Alternativ zum „grünen“ Wasserstoff kann der eingesetzte klimaneutrale Wasserstoff auch aus anderen, als „klimaneutral“ eingestuften Verfahren genutzt werden, wie z. B. aus der Dampfreformierung von Erdgas, wobei die klimaschädlichen Kohlenstoffverbindungen so abgetrennt und nachhaltig eingelagert oder anderweitig gebunden werden, dass es zu keinerlei klimaschädlichen Emissionen kommt. Der auf diese Weise erhaltene Wasserstoff wird im Allgemeinen und speziell im Rahmen dieser Erfindung auch als „blauer“ Wasserstoff bezeichnet.
Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung klimaneutralen Wasserstoffs bildet das Verfahren der Methanpyrolyse, wobei auch hier die klimaschädlichen Kohlenstoffverbindungen so abgetrennt und nachhaltig eingelagert oder anderweitig gebunden werden, dass es zu keinerlei klimaschädlichen Emissionen kommt. Der auf diese Weise erhaltene Wasserstoff wird im Allgemeinen und speziell im Rahmen dieser Erfindung auch als „türkiser“ Wasserstoff bezeichnet.
Weitere Arten der klimaneutralen Erzeugung von Wasserstoff, die bekannt oder noch zu entwickeln sind, sind auch von der Erfindung umfasst, solange diese die im Zusammenhang mit der Erfindung gewählte Definition einer „klimaneutralen“ Erzeugung erfüllen.
Selbst in Ausführungsformen, in denen ausschließlich der in dem erfindungsgemäßen Gasgemisch enthaltene Wasserstoff und der enthaltene Stickstoff vollständig klimaneutral erzeugt wurden und die weiteren Inhaltsstoffe nicht klimaneutral erzeugt wurden, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein Einsparpotential an CO₂ bei der Verbrennung des synthetischen Koksgases von mindestens 40 %, im Vergleich zu einer Verbrennung von fossilem Erdgas.
Dies begründet sich wie folgt: Die Menge des derzeit in Kokereien erzeugten Koksgases ist nicht ausreichend, um Koksgas für sämtliche Verbrennungsprozesse, in denen Koksgas als Alternative zu Erdgas verbrannt werden könnte, bereitzustellen. Folglich wird das zur Verfügung stehende Koksgas für einen Teil der Verbrennungsprozesse mit Erdgas gemischt oder es wird für einen weiteren Teil der Verbrennungsprozesse durch Erdgas ersetzt. Würde in diesen Verbrennungsprozessen gänzlich auf den Einsatz von Erdgas als Edukt verzichtet, weil durch die vorliegende Erfindung synthetisches Koksgas in ausreichender Menge in den Verbrennungseinrichtungen eingesetzt werden könnte, so läge das Einsparpotential in Bezug auf das bei der Verbrennung entstehende CO₂ bei mindestens 40 %, selbst wenn nur der in dem synthetischen Koksgas enthaltene Wasserstoff und der enthaltene Stickstoff klimaneutral erzeugt worden wäre. Diese CO₂-Einsparung ließe sich bereits kurzfristig realisieren. Bei der angestrebten Klimaneutralität der Stahlproduktion fallen die Kokereien und damit die Koksgaserzeugung langfristig weg. Dann könnten noch deutlich größere Mengen an Erdgas durch das erfindungsgemäß hergestellte synthetische Koksgas substituiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Gasgemisches ist daher der gesamte eingesetzte Wasserstoff klimaneutral erzeugt worden. Optional ist darüber hinaus zumindest ein Teil des in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Inertgases, in der Regel Stickstoff, und/oder zumindest ein Teil des in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Methans klimaneutral erzeugt worden.
Wie bereits im Voranstehenden ausgeführt, kann der in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Wasserstoff des synthetisch hergestellten Brenngases klimaneutral durch Elektrolyse von Wasser mittels Strom aus CO₂-freier Erzeugung, und/oder durch Dampfreformierung und/oder durch Methanpyrolyse erzeugt worden sein. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Gasgemisches, das zumindest Wasserstoff, Methan und ein Inertgas enthält, weist daher einen dem Mischen der vorgenannten Bestandteile vorgeschalteten Schritt des Erzeugens von Wasserstoff mittels Elektrolyse von Wasser mittels Strom aus CO₂-freier Erzeugung, und/oder durch Dampfreformierung und/oder durch Methanpyrolyse auf, wobei der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff anschließend mit Methan und Inertgas sowie optionalen weiteren Bestandteilen gemischt wird.
Gemäß der Erfindung wird bevorzugt nicht nur Wasserstoff, sondern auch Methan vollständig oder anteilig klimaneutral erzeugt, d.h. das in dem erfindungsgemäßen Gasgemisch enthaltene Methan wurde bevorzugt zumindest teilweise klimaneutral erzeugt. Beispielsweise wurde das in dem erfindungsgemäßen Gasgemisch enthaltene Methan zu mindestens 5 Volumen-%, mindestens 10 Volumen-%, mindestens 20 Volumen-%, mindestens 30 Volumen-%, mindestens 40 Volumen-%, mindestens 50 Volumen-%, mindestens 60 Volumen-%, mindestens 70 Volumen-%, mindestens 80 Volumen-%, mindestens 90 Volumen-%, mindestens 95 Volumen-% oder vollständig klimaneutral erzeugt.
Methan kann klimaneutral aus Biomasse erzeugt werden und/oder es kann synthetisch hergestellt werden, wozu aus der Luft oder Abgasen gewonnenes CO₂ und „grüner“, „türkiser“ oder „blauer“ Wasserstoff benötigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Gasgemisches, das zumindest Wasserstoff, Methan und ein Inertgas enthält, weist daher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen dem Mischen der vorgenannten Bestandteile vorgeschalteten Schritt des Erzeugens von Methan aus Biomasse und/oder der klimaneutralen Herstellung von Methan aus CO₂ der Luft oder aus Abgasen auf, wobei das auf diese Weise erzeugte Methan anschließend mit Wasserstoff und Inertgas sowie optionalen weiteren Bestandteilen gemischt wird.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird, falls erforderlich, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Methan nicht oder nur zum Teil klimaneutral erzeugt, sondern es wird in Form von fossilem Erdgas mit den weiteren Hauptbestandteilen Wasserstoff und Stickstoff gemischt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird auch der als Inertgas in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Stickstoff vollständig oder anteilig klimaneutral erzeugt, d.h. der in dem erfindungsgemäßen Gasgemisch enthaltene Stickstoff wurde bevorzugt zumindest teilweise klimaneutral erzeugt. Beispielsweise wurde der in dem erfindungsgemäßen Gasgemisch enthaltene Stickstoff zu mindestens 5 Volumen-%, mindestens 10 Volumen-%, mindestens 20 Volumen-%, mindestens 30 Volumen-%, mindestens 40 Volumen-%, mindestens 50 Volumen-%, mindestens 60 Volumen-%, mindestens 70 Volumen-%, mindestens 80 Volumen-%, mindestens 90 Volumen-%, mindestens 95 Volumen-% oder vollständig klimaneutral erzeugt.
Stickstoff kann klimaneutral insbesondere durch Zerlegung von Luft erzeugt werden, wobei die dafür erforderliche elektrische Prozessenergie aus CO₂-freier Erzeugung stammen muss. Eine CO₂-neutrale Erzeugung des Stickstoffs aus stickstoffhaltigen Verbindungen, z. B. Ammoniak, ist ebenfalls möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Gasgemisches, das zumindest Wasserstoff, Methan und ein Inertgas enthält, weist daher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen dem Mischen der vorgenannten Bestandteile vorgeschalteten Schritt des Erzeugens von Stickstoff durch Zerlegung von Luft unter Aufwendung von CO₂-frei erzeugter Prozessenergie und/oder durch CO₂-neutrale Erzeugung aus stickstoffhaltigen Verbindungen auf, wobei der auf diese Weise erzeugte Stickstoff anschließend mit Wasserstoff und Methan sowie optionalen weiteren Bestandteilen gemischt wird.
„Anschließend“ bedeutet im Sinne der Erfindung nicht „unmittelbar anschließend“, sondern nur „zeitlich nachfolgend“, d.h. das Mischen der einzelnen Bestandteile kann auch erst mit deutlichem zeitlichem Abstand zu ihrer Erzeugung erfolgen, beispielsweise nach zwischenzeitlicher Speicherung über mehrere Tage oder Wochen.
Zur Mischung der Hauptbestandteile Wasserstoff, Methan und Stickstoff werden diese vorzugsweise separat in eine Mischkammer eingedüst. In der Zuleitung für jede Komponente sind eine Mengenmessung, ein Regelventil und die notwendigen Sicherheitsabsperrungen integriert. Zur Vermeidung einer Strähnenbildung sind in der Mischkammer geeignete statische Mischer integriert. Zur Kontrolle des Mischungsverhältnisses ist hinter der Mischkammer eine Qualitätsmessung angeschlossen, die vorzugsweise den Heizwert und/oder den Mindestluftbedarf und/oder die Dichte des erzeugten Gasgemisches bestimmt.
Optional wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben von Verbrennungseinrichtungen ein synthetisch erzeugtes Gasgemisch eingesetzt, das zumindest Wasserstoff, Methan und ein Inertgas enthält, neben diesen Hauptbestandteilen auch einer oder mehrere weitere Bestandteile mit den vorgenannten Hauptbestandteilen vermischt, die insbesondere aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Mischungen dieser besteht. Optional ist dabei auch einer der weiteren Bestandteile bzw. sind mehrere oder alle der weiteren Bestandteile klimaneutral erzeugt worden.
Insbesondere kann auch unter Verwendung von „grünem“, „türkisen“ oder „blauen“ Wasserstoff klimaneutral erzeugtes Ammoniak in dem erfindungsgemäß erzeugten Gasgemisch enthalten sein. Der in dem erfindungsgemäß erzeugten Gasgemisch enthaltene Wasserstoff wird ohnehin zu Transportzwecken mit Stickstoff in Form von Ammoniak gebunden. Dieses Ammoniak kann erfindungsgemäß entweder direkt mit Wasserstoff, Methan und Inertgas gemischt werden oder erst wieder in seine Ausgangsstoffe Stickstoff und Wasserstoff zerlegt und anschließend mit Methan gemischt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei dem das synthetisch hergestellte Gasgemisch als Brenngas in Verbrennungseinrichtungen eingesetzt wird, Teile von klimaneutral hergestelltem Ammoniak oder anderen Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen an Stelle oder additiv zu den der Erfindung zugrundeliegenden Hauptbestandteilen Wasserstoff, Methan und Inertgas beigemischt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird als Brenngas ein Gasgemisch erzeugt, dessen Bestandteile anteilig, mindestens 5 Volumen-%, mindestens 10 Volumen-%, mindestens 20 Volumen-%, mindestens 30 Volumen-%, mindestens 40 Volumen-%, mindestens 50 Volumen-%, mindestens 60 Volumen-%, mindestens 70 Volumen-%, mindestens 80 Volumen-%, mindestens 90 Volumen-%, mindestens 95 Volumen-% oder vollständig klimaneutral erzeugt wurden und dessen Verbrennungseigenschaften und Stoffwerte, insbesondere der Heizwert, die Dichte, der Mindestluftbedarf und die adiabate Verbrennungstemperatur, im Wesentlichen (d.h. mit allenfalls geringfügigen Abweichungen von jeweils bis zu 5 Volumen-%, bis zu 10 Volumen-% oder bis maximal 15 Volumen-%) denen vom herkömmlichen (in Kokereien erzeugten) Koksgas entsprechen.
Neben dem im Voranstehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erzeugten Gasgemisches, das zumindest Wasserstoff, Methan und ein Inertgas sowie optionale weitere Bestandteile enthält, wobei zumindest ein Teil des enthaltenen Wasserstoffs, zumindest ein Teil des enthaltenen Methans und/oder zumindest ein Teil des enthaltenen Inertgases klimaneutral erzeugt wurden, als Edukt in Verbrennungsprozessen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Gasgemisches bzw. der erfindungsgemäßen Verwendung des erzeugten Gasgemisches liegt in erster Linie darin, dass CO₂-Emissionen von Verbrennungsprozessen um bis zu 100 % reduziert werden können. Die Mischung von klimaneutral erzeugten Gasbestandteilen erfordert darüber hinaus deutlich weniger Aufwand, Ressourcen und Kosten, als wenn die bestehenden Anlagen der Verbrennungsprozesse (z. B. große Wärmeöfen) durch neue, CO₂-freie Anlagen ersetzt würden, die heute noch nicht verfügbar sind.
Mit dem erfindungsgemäß erzeugten Gasgemisch können alle Anlagen betrieben werden, bei denen bislang reines Koksgas oder ein Gemisch aus Koksgas und Erdgas eingesetzt wird. Die vorhandene Infrastruktur wie Gasleitungen und Gasometer für Koksgas kann weiter genutzt werden. Auf diese Weise können sehr schnell und ohne aufwendige und risikobehaftete Um-/Neubauten Hochtemperaturprozesse, die heute mit aus fossiler Steinkohle erzeugtem Koksgas betrieben werden, auf eine klimaneutrale oder klimagasreduzierte Betriebsweise umgestellt werden, sobald einer oder mehrere der erfindungsgemäßen Gasbestandteile verfügbar ist.
Die Erfindung beinhaltet weiterhin den Vorteil, dass der Anteil klimaneutral hergestellter, der Erfindung zu Grunde liegender Gasbestandteile, je nach Verfügbarkeit genutzt werden können und so gegenüber der Verbrennung von 100 % fossilem Erdgas oder aus Steinkohle erzeugtem Koksgas oder einer Mischung aus beidem, zu einer Emissionsreduzierung klimaschädlicher Gase, insbesondere CO₂, beiträgt.
Der Vorteil der erfindungsgemäß erzeugten Gasmischung gegenüber der Verwendung von 100 % synthetisch/klimaneutral hergestelltem Methan liegt in dem deutlich geringeren Energiebedarf für die Herstellung von klimaneutralem/„grünem“, „türkisen“ oder „blauem“ Wasserstoff.
Der Vorteil der erfindungsgemäß erzeugten Gasmischung gegenüber der Verwendung von 100 % klimaneutralem/„grünem“, „türkisen“ oder „blauem‟ Wasserstoff liegt darin, dass die Brennertechnik und die Gasinfrastruktur unverändert weiter genutzt werden können, was zu erheblichen Einsparungen an Ressourcen und Investitionsmitteln führt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass zur Erreichung einer Einsparung von mindestens 40 % der CO₂-Emissionen gegenüber dem Einsatz von Erdgas beim Verbrennen des erfindungsgemäßen Gasgemisches in den Verbrennungseinrichtungen, mindestens der im synthetisch erzeugten Brenngas enthaltene Wasserstoff und der enthaltene Stickstoff vollständig klimaneutral erzeugt wurden.
Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben von Verbrennungseinrichtungen, wie Öfen oder Heizkessel in Hüttenwerken, insbesondere integrierten Hüttenwerken, mit reduzierten CO₂-Emissionen, mittels eines Gasgemisches als Brenngas, bestehend mindestens aus Wasserstoff, Methan und Inertgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas synthetisch hergestellt ist und zumindest ein Teil des Wasserstoffs und/oder zumindest ein Teil des Methans und/oder zumindest ein Teil des Inertgases klimaneutral erzeugt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Verbrennung in den Verbrennungseinrichtungen eingesetzte synthetisch erzeugte Brenngas folgende Zusammensetzung in Volumen-% aufweist: 55 bis 75 % Wasserstoff, 20 bis 35 % Methan und 4 bis 15 % Stickstoff.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Brenngas enthaltende Wasserstoff zu mindestens 5 Volumen-%, mindestens 10 Volumen-%, mindestens 20 Volumen-%, mindestens 30 Volumen-%, mindestens 40 Volumen-%, mindestens 50 Volumen-%, mindestens 60 Volumen-%, mindestens 70 Volumen-%, mindestens 80 Volumen-%, mindestens 90 Volumen-%, mindestens 95 Volumen-% oder vollständig klimaneutral erzeugt wurde.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Brenngas enthaltene Methan zu mindestens 5 Volumen-%, mindestens 10 Volumen-%, mindestens 20 Volumen-%, mindestens 30 Volumen-%, mindestens 40 Volumen-%, mindestens 50 Volumen-%, mindestens 60 Volumen-%, mindestens 70 Volumen-%, mindestens 80 Volumen-%, mindestens 90 Volumen-%, mindestens 95 Volumen-% oder vollständig klimaneutral erzeugt wurde.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Brenngas enthaltene Stickstoff zu mindestens 5 Volumen-%, mindestens 10 Volumen-%, mindestens 20 Volumen-%, mindestens 30 Volumen-%, mindestens 40 Volumen-%, mindestens 50 Volumen-%, mindestens 60 Volumen-%, mindestens 70 Volumen-%, mindestens 80 Volumen-%, mindestens 90 Volumen-%, mindestens 95 Volumen-%, oder vollständig klimaneutral erzeugt wurde.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenngas in den Verbrennungseinrichtungen ein Gasgemisch eingesetzt wird, dessen Bestandteile anteilig, zu mindestens 5 Volumen-%, mindestens 10 Volumen-%, mindestens 20 Volumen-%, mindestens 30 Volumen-%, mindestens 40 Volumen-%, mindestens 50 Volumen-%, mindestens 60 Volumen-%, mindestens 70 Volumen-%, mindestens 80 Volumen-%, mindestens 90 Volumen-%, mindestens 95 Volumen-%, oder vollständig klimaneutral erzeugt wurden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte eingesetzte Wasserstoff und zumindest ein Teil des Inertgases und/oder zumindest ein Teil des Methans klimaneutral erzeugt wurden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Wasserstoff vollständig oder anteilig als klimaneutral erzeugtes Produkt aus der Elektrolyse von Wasser, der Dampfreformierung und/oder der Methanpyrolyse stammt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Wasserstoff und/oder der als Inertgas eingesetzte Stickstoff vollständig oder anteilig aus klimaneutral hergestelltem Ammoniak oder anderen Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen stammt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Methan vollständig oder anteilig klimaneutral aus Biomasse und/oder aus der Luft oder Abgasen gewonnenem CO₂ und „grünem“, „türkisem“ oder „blauem“ Wasserstoff erzeugt wurde.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Inertgas Stickstoff oder Argon ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Stickstoff oder das Argon vollständig oder anteilig als klimaneutral erzeugtes Produkt aus der Zerlegung von Luft stammt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Mischen von Wasserstoff, Methan und dem Inertgas vorgeschalteten Schritt des Erzeugens von Wasserstoff mittels Elektrolyse von Wasser mittels Strom aus CO₂-freier Erzeugung, und/oder durch Dampfreformierung und/oder durch Methanpyrolyse, wobei der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff anschließend mit Methan und Inertgas sowie optionalen weiteren Bestandteilen gemischt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Mischen von Wasserstoff, Methan und dem Inertgas vorgeschalteten Schritt des Erzeugens von Methan aus Biomasse und/oder aus der Luft oder Abgasen gewonnenem CO₂ und „grünem“, „türkisem“ oder „blauem" Wasserstoff, wobei das auf diese Weise erzeugte Methan anschließend mit Wasserstoff und Inertgas sowie optionalen weiteren Bestandteilen gemischt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenngas eingesetzt wird, dessen unterer Heizwert, die Dichte, der Mindestluftbedarf und die adiabate Verbrennungstemperatur des von den entsprechenden Werten des herkömmlichen Koksgases jeweils oder in Summe um weniger als 15 %, vorzugsweise weniger als 10 %, bevorzugter um weniger als 7 % und am meisten bevorzugt um weniger als 5 % abweicht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung einer Einsparung von mindestens 40 % der CO₂-Emissionen gegenüber dem Einsatz von Erdgas beim Verbrennen des erfindungsgemäßen Gasgemisches in den Verbrennungseinrichtungen, mindestens der im synthetisch erzeugten Brenngas enthaltene Wasserstoff und der enthaltene Stickstoff vollständig klimaneutral erzeugt wurden.