DE102023105805A1 - Process for producing steel with reduced carbon dioxide release - Google Patents

Process for producing steel with reduced carbon dioxide release Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahl durch Umsetzung von Eisenerz mittels eines Reduktionsmittels und einer Kohlenstoffquelle in einem Reaktor, wobei das Eisenerz im Inneren des Reaktors mit einem Flüssig/Gas-Aerosol kontaktiert wird, wobei das Gas zu größer oder gleich 50 mol-% und kleiner oder gleich 100 mol-% Wasserstoff umfasst und die Flüssigkeit ein bei Raumtemperatur flüssiger Kohlenwasserstoff, ein Kohlenwasserstoff-Sauerstoffderivat oder ein Gemisch mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von grünem Stahl.The present invention relates to a method for producing steel by reacting iron ore using a reducing agent and a carbon source in a reactor, wherein the iron ore is contacted with a liquid/gas aerosol inside the reactor, wherein the gas comprises greater than or equal to 50 mol% and less than or equal to 100 mol% hydrogen and the liquid is a hydrocarbon that is liquid at room temperature, a hydrocarbon-oxygen derivative or a mixture of at least two components from this list. Furthermore, the present invention relates to the use of the method according to the invention for producing green steel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahl durch Umsetzung von Eisenerz mittels eines Reduktionsmittels und einer Kohlenstoffquelle in einem Reaktor, wobei das Eisenerz im Inneren des Reaktor mit einem Flüssig/Gas-Aerosol kontaktiert wird, wobei das Gas zu größer oder gleich 50 mol-% und kleiner oder gleich 100 mol-% Wasserstoff umfasst und die Flüssigkeit ein bei Raumtemperatur flüssiger Kohlenwasserstoff, ein Kohlenwasserstoff-Sauerstoffderivat oder ein Gemisch mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von grünem Stahl.The present invention relates to a method for producing steel by reacting iron ore using a reducing agent and a carbon source in a reactor, wherein the iron ore is contacted with a liquid/gas aerosol inside the reactor, wherein the gas comprises greater than or equal to 50 mol% and less than or equal to 100 mol% hydrogen and the liquid is a hydrocarbon that is liquid at room temperature, a hydrocarbon-oxygen derivative or a mixture of at least two components from this list. Furthermore, the present invention relates to the use of the method according to the invention for producing green steel.

Stahl ist einer aufgrund seiner besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften einer der wichtigsten Werkstoffe des industriellen Zeitalters. Insbesondere die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Stahls haben dazu geführt, dass sich der Bedarf und infolgedessen auch die Produktion in den letzten Jahrzehnten deutlich steigerte. Als Hauptherstellungswege werden heutzutage Hochofenprozesse, Elektroverfahren und die Direktreduktion genutzt, wobei über Hochofenprozesse weltweit ca. 70% der hergestellten Gesamtmenge gewonnen werden. Basierend auf der Thermodynamik der Umwandlung der zugrundeliegenden Eisenoxide in Stahl ergibt sich, dass die bisherige Stahlproduktion sehr energie- und CO2-intensiv ist. Letzteres ist in Zeiten des schneller voranschreitenden Klimawandels mit der damit verbundenen Erderwärmung ein immer größeres Problem. Insofern wäre es sehr wünschenswert, wenn unter einer vergleichbaren oder besseren Verfahrenseffizienz der CO2-Abdruck der Herstellung deutlich verringert und das Verfahren somit „grüner“ gestaltet werden könnte.Steel is one of the most important materials of the industrial age due to its special chemical and physical properties. In particular, the wide range of possible uses of steel has led to a significant increase in demand and, as a result, production in recent decades. The main production methods used today are blast furnace processes, electrical processes and direct reduction, with blast furnace processes accounting for around 70% of the total quantity produced worldwide. Based on the thermodynamics of the conversion of the underlying iron oxides into steel, it can be seen that steel production to date is very energy and CO 2 intensive. The latter is an ever greater problem in times of rapidly advancing climate change with the associated global warming. In this respect, it would be very desirable if the CO 2 footprint of production could be significantly reduced with comparable or better process efficiency, thus making the process “greener”.

Auch in der Patentliteratur finden sich die unterschiedlichsten Verfahren zur Herstellung von Stahl.The patent literature also contains a wide variety of processes for producing steel.

So beschreibt beispielsweise die DE 10 2014 216 336 A1 ein Verfahren zum pneumatischen Einblasen eines pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels im Dichtstromverfahren mittels eines Transportgases in einen Reaktor, insbesondere in einen Vergasungsreaktor oder über eine Windform in einen Hochofen, so dass das Ersatzreduktionsmittel in einer Vergasungsreaktion vergast wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportgas ein Brenngas, nämlich Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlenwasserstoff, Gichtgas, Erdgas, Koksgas, Konvertergas, ein anderes Kuppelgas oder einer Mischung hiervon aufweist.For example, the EN 10 2014 216 336 A1 a method for pneumatically blowing a powdered substitute reducing agent in the dense phase process by means of a transport gas into a reactor, in particular into a gasification reactor or via a tuyere into a blast furnace, so that the substitute reducing agent is gasified in a gasification reaction, characterized in that the transport gas comprises a fuel gas, namely carbon monoxide, hydrogen, water vapor, oxygen, hydrocarbon, blast furnace gas, natural gas, coke gas, converter gas, another blowpipe gas or a mixture thereof.

In einem weiteren Patentdokument, der DE 21 2007 000 007 A1 , wird ein Kohlenstaub-Einblaslanze für die Zufuhr von Kohlenstaub von einem hinteren Ende der Lanze zu einem vorderen Ende der Lanze, wobei die Lanze Folgendes umfasst: ein Außenrohr zum Fördern von Brenngas; und ein im Außenrohr koaxial angeordnetes Innenrohr zum Fördern des Kohlenstaubs, wobei das Innenrohr eine Trennwand bildet, die zum Trennen des Kohlenstaubs vom Brenngas dient; wobei die Trennwand mindestens teilweise in einem Bereich nahe dem vorderen Ende der Lanze unterbrochen ist, wodurch ein Mischbereich innerhalb der Lanze gebildet wird; dadurch gekennzeichnet , dass das Außenrohr und das Innenrohr im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen; dass das Innenrohr mindestens eine seitliche Öffnung nahe dem vorderen Ende der Lanze umfasst, damit der Kohlenstaub und das Brenngas innerhalb der Kohlenstaub-Einblaslanze nahe dem vorderen Ende in Berührung kommen; und dass das Innenrohr im und vor dem Mischbereich einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.In another patent document, the EN 21 2007 000 007 A1 , a coal dust injection lance for supplying coal dust from a rear end of the lance to a front end of the lance, the lance comprising: an outer tube for conveying fuel gas; and an inner tube arranged coaxially in the outer tube for conveying the coal dust, the inner tube forming a partition wall which serves to separate the coal dust from the fuel gas; the partition wall being at least partially interrupted in a region near the front end of the lance, thereby forming a mixing region within the lance; characterized in that the outer tube and the inner tube have substantially the same length; that the inner tube comprises at least one lateral opening near the front end of the lance so that the coal dust and the fuel gas come into contact within the coal dust injection lance near the front end; and that the inner tube has a substantially constant cross-section in and before the mixing region.

Weiterhin offenbart die DE 19 859 354 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Metall aus Metallerzen, insbesondere von Roheisen aus Eisenerz, bei dem das Metalloxide enthaltende Erz mit einem aus Kohlenstoff und/oder Wasserstoff (sowie ggf. deren Verbindungen) enthaltenden Reduktionsgas in Reaktionskontakt gebracht wird, welches zuvor aus festen kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen gewonnen wurde.Furthermore, the DE 19 859 354 A1 a method and a device for producing metal from metal ores, in particular pig iron from iron ore, in which the ore containing metal oxides is brought into reaction contact with a reducing gas containing carbon and/or hydrogen (and optionally their compounds), which was previously obtained from solid carbon- and/or hydrocarbon-containing substances.

Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten. Dies bezieht sich insbesondere auf die Reproduzierbarkeit der Umsetzung von Eisenerzen zu Stahl, unter besonderer Berücksichtigung der CO2-Verfahrensbilanz.Such state-of-the-art solutions can still offer further potential for improvement. This relates in particular to the reproducibility of the conversion of iron ore into steel, with particular consideration of the CO2 process balance.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, welches mit einem besonders geringen CO2-Fußabdruck sehr reproduzierbar in der Lage ist, aus Eisenerz Stahl herzustellen.It is therefore the object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages known from the prior art. In particular, it is the object of the present invention to provide a process which is able to produce steel from iron ore in a very reproducible manner with a particularly low CO 2 footprint.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche, gerichtet auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, sowie die erfindungsgemäße Verwendung des Verfahrens zur Herstellung grünen Stahls. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren angegeben, wobei weitere in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, solange sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.The object is achieved by the features of the independent claims, directed to the production method according to the invention, as well as the inventive use of the method for producing green steel. Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims, in the description or in the figures, whereby further features described or shown in the subclaims, in the description or in the figures individually or in any combination form an object of the invention. unless the context clearly indicates the opposite.

Erfindungsgemäß ist demzufolge ein Verfahren zur Herstellung von Stahl durch Umsetzung von Eisenerz mittels eines Reduktionsmittels und einer Kohlenstoffquelle in einem Reaktor, wobei das Eisenerz im Inneren des Reaktors mit einem Flüssig/Gas-Aerosol kontaktiert wird, wobei das Gas zu größer oder gleich 50 mol-% und kleiner oder gleich 100 mol-% Wasserstoff umfasst und die Flüssigkeit ein bei Raumtemperatur flüssiger Kohlenwasserstoff, Kohlenwasserstoff-Sauerstoffderivat oder ein Gemisch mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste ist.According to the invention, there is therefore a process for producing steel by reacting iron ore by means of a reducing agent and a carbon source in a reactor, wherein the iron ore is contacted with a liquid/gas aerosol inside the reactor, wherein the gas comprises greater than or equal to 50 mol% and less than or equal to 100 mol% hydrogen and the liquid is a hydrocarbon, hydrocarbon-oxygen derivative or a mixture of at least two components from this list that is liquid at room temperature.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich über oben angegebenes Verfahren reproduzierbar, klimafreundlicherer Stahl aus Eisenerz herstellen lässt. Das Verfahren ist in einem hohen Maße ökonomisch und es können eine Vielzahl unterschiedlicher Eisenerze zu hochwertigem Stahl umgesetzt werden. Neben der erreichbaren Güte des herstellbaren Stahls hat sich zudem gezeigt, dass die im Verfahren anfallende Kohlendioxidmenge im Gegensatz zu den üblichen Herstellungsverfahren deutlich reduziert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass deutlich weniger Kohlendioxid pro Tonne produzierten Stahl in die Umwelt abgegeben wird. Somit ist der Kohlendioxid-Fußabdruck des Verfahrens gegenüber den Stand-der-Technik Verfahren deutlich reduziert. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, scheinen die Vorteile des Herstellverfahren sich insbesondere dadurch zu ergeben, dass anstelle des üblicherweise eingesetzten Kohlenmonoxids nun Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich insbesondere dadurch, dass der zur Stahlherstellung benötigte Kohlenstoff in Form eines Flüssig-Aerosols zum Eisenerz hinzugegeben wird. Die Umsetzung des Eisenerzes zum Stahl erfolgt dabei über den Einsatz des Flüssig-Aerosols sehr schnell und reproduzierbar und generiert nur eine sehr geringe Menge an Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid. Der Einsatz eines Flüssig/Gas-Aerosols ist dabei im Vergleich zum Einsatz festen Kohlenstoffs oder eines Fest/Gas-Aerosols deutlich vorteilhafter. Der über das flüssige Aerosol eingebrachte Kohlenstoffanteil kann dabei so bemessen werden, dass der Kohlenstoff zum größten Teil im Stahl verbleibt. Es ergeben sich zudem in den Fällen besonders umweltfreundliche Verfahren, in denen die flüssige Kohlenstoffkomponente mittels „grüner“ Herstellverfahren gewonnen wurde. In Kombination mit dem Einsatz grünen Wasserstoffs kann ein besonders umwelt- und ressourcenschonendes Gesamtverfahren bereitgestellt werden, welche sich durch eine deutlich verbesserte CO2-Bilanz auszeichnet.Surprisingly, it was found that the above-mentioned process can be used to produce reproducible, climate-friendly steel from iron ore. The process is highly economical and a large number of different iron ores can be converted into high-quality steel. In addition to the achievable quality of the steel that can be produced, it has also been shown that the amount of carbon dioxide generated in the process can be significantly reduced in contrast to conventional production processes. The process according to the invention is characterized in particular by the fact that significantly less carbon dioxide is released into the environment per ton of steel produced. The carbon dioxide footprint of the process is thus significantly reduced compared to the state of the art processes. Without being bound by theory, the advantages of the production process seem to arise in particular from the fact that hydrogen is now used as a reducing agent instead of the carbon monoxide usually used. A further advantage arises in particular from the fact that the carbon required for steel production is added to the iron ore in the form of a liquid aerosol. The conversion of iron ore into steel is very quick and reproducible using the liquid aerosol and generates only a very small amount of carbon monoxide or carbon dioxide. The use of a liquid/gas aerosol is significantly more advantageous than using solid carbon or a solid/gas aerosol. The proportion of carbon introduced via the liquid aerosol can be measured in such a way that most of the carbon remains in the steel. Particularly environmentally friendly processes also result in cases where the liquid carbon component was obtained using "green" manufacturing processes. In combination with the use of green hydrogen, a particularly environmentally and resource-saving overall process can be provided, which is characterized by a significantly improved CO2 balance.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von Stahl durch Umsetzung von Eisenerz mittels eines Reduktionsmittels und einer Kohlenstoffquelle in einem Reaktor. Als Grundstoff für die erfindungsgemäße Stahlherstellung kann üblicherweise eingesetztes Eisenerz verwendet werden. Das Eisenerz kann dabei ein oder mehrere Sauerstoffverbindungen des Eisens und noch weitere Begleitstoffe, Fremdatome oder -Verbindungen umfassen. Ziel der Eisenerzaufbereitung ist, dass das Eisenerz unter Abgabe des Sauerstoffs reduziert und ein gewisser Kohlenstoffanteil in das verbleibende Eisen eingebracht wird. Die entstehende Verbindung mit einem Kohlenstoff-Massenanteil von unter oder um 2% wird dann als Stahl bezeichnet. Es können aber auch Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit höheren Kohlenstoffanteilen hergestellt werden. So ist prinzipiell auch die Herstellung von Gusseisen mit höheren Kohlenstoffanteilen über das erfindungsgemäße Verfahren möglich. Neben dem gewünschten Kohlenstoffanteil kann der Stahl auch weitere nicht-metallische Verunreinigungen wie beispielsweise Phosphor, Schwefel oder weitere metallische Elemente aufweisen. Die Grundumsetzung des Eisenerzes zur Gewinnung des Stahls erfolgt chemisch gesehen über eine Reduktion des Eisens mittels eines Reduktionsmittels. Üblicherweise wird im Stand der Technik Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel in Form von Gichtgas eingesetzt. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung fungiert Wasserstoff als Reduktionsmittel im Sinne einer Direktreduktion des Eisenerzes.The method according to the invention is a method for producing steel by reacting iron ore using a reducing agent and a carbon source in a reactor. Iron ore that is usually used can be used as the basic material for the steel production according to the invention. The iron ore can comprise one or more oxygen compounds of iron and other accompanying substances, foreign atoms or compounds. The aim of iron ore processing is to reduce the iron ore while releasing oxygen and to introduce a certain proportion of carbon into the remaining iron. The resulting compound with a carbon mass fraction of less than or around 2% is then referred to as steel. However, iron-carbon alloys with higher carbon contents can also be produced. In principle, the production of cast iron with higher carbon contents is also possible using the method according to the invention. In addition to the desired carbon content, the steel can also contain other non-metallic impurities such as phosphorus, sulphur or other metallic elements. From a chemical point of view, the basic conversion of the iron ore to produce the steel takes place by reducing the iron using a reducing agent. In the prior art, carbon monoxide is usually used as a reducing agent in the form of blast furnace gas. In the embodiment according to the invention, hydrogen acts as a reducing agent in the sense of a direct reduction of the iron ore.

Das Eisenerz wird im Inneren des Reaktors mit einem Flüssig/Gas-Aerosol kontaktiert. Die Reduktion des Eisenerzes zu Stahl erfolgt innerhalb eines Reaktors, in welchem das Eisenerz vorgelegt und das Flüssig/Gas-Aerosol durch das Erz durchgeleitet wird. Der Prozess verläuft dabei nicht notwendigerweise kontinuierlich, sondern kann auch batchweise durchgeführt werden. Der Reaktor kann im Sinne eines Ofens beheizbar ausgestaltet sein. Die Reaktorausführung kann auch der üblichen Stahlherstellung angelehnt sein. Dies bedeutet, dass die Reaktion auch in einem Hochofen mit vertikaler Zuführung des Aerosols und Durchströmung des Eisenerzes in vertikaler Richtung durchgeführt werden kann. Als Aerosol wird ein Flüssig/Gas-Aerosol eingesetzt, welches bei Aufgabe auf den Reaktor zumindest an der Eintrittsstelle eine Verteilung flüssiger Tropfen in einem Gas oder einem Gasgemisch darstellt. Die Tropfengröße der flüssigen Komponente kann beispielsweise von einigen hundert Nanometern, beispielsweise 250 nm, bis zu 250 µm reichen. Bevorzugt kann die Tropfengröße der Flüssigkeit im Gas größer oder gleich 500 nm und kleiner oder gleich 200 µm, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 1 µm und kleiner oder gleich 150 µm betragen.The iron ore is contacted with a liquid/gas aerosol inside the reactor. The reduction of the iron ore to steel takes place inside a reactor in which the iron ore is placed and the liquid/gas aerosol is passed through the ore. The process is not necessarily continuous, but can also be carried out in batches. The reactor can be designed to be heated like a furnace. The reactor design can also be based on conventional steel production. This means that the reaction can also be carried out in a blast furnace with vertical feeding of the aerosol and flow through the iron ore in a vertical direction. A liquid/gas aerosol is used as the aerosol, which, when applied to the reactor, represents a distribution of liquid droplets in a gas or gas mixture, at least at the entry point. The droplet size of the liquid component can range from a few hundred nanometers, for example 250 nm, to 250 µm. Preferably, the droplet size of the liquid in the gas can be greater than or equal to 500 nm and less than or equal to 200 µm, further preferably greater than or equal to 1 µm and less than or equal to 150 µm.

Das Gas umfasst zu größer oder gleich 50 mol-% und kleiner oder gleich 100 mol-% Wasserstoff. Die Aerosol-Gaskomponente besteht also zum größten Teil aus Wasserstoff. Es können dementsprechend aber noch andere Gase, wie beispielsweise weitere als Reduktionsmittel wirkende Gase oder Inertgase, als gasförmige Komponenten in der Aerosol-Gaskomponente vorhanden sein. Die molare Mengenangabe bezieht sich dabei auf die Gesamtmenge der bei Raumtemperatur (20°C) und Normaldruck gasförmig vorliegenden Bestandteile des Aerosols. Die unter diesen Bedingungen flüssigen Komponenten bleiben unberücksichtigt.The gas contains greater than or equal to 50 mol% and less than or equal to 100 mol% hydrogen. The aerosol gas component therefore consists mainly of hydrogen. However, other gases, such as other gases that act as reducing agents or inert gases, can also be present as gaseous components in the aerosol gas component. The molar quantity refers to the total amount of the aerosol components that are present in gaseous form at room temperature (20°C) and normal pressure. The components that are liquid under these conditions are not taken into account.

Die Flüssigkeit im Aerosol ist ein bei Raumtemperatur flüssiger Kohlenwasserstoff, Kohlenwasserstoff-Sauerstoffderivat oder ein Gemisch mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste. Als flüssiger Bestandteil können also diejenigen Kohlenwasserstoffe oder deren Sauerstoff-Derivate verwendet werden, welche bei 20°C und Normaldruck als Flüssigkeiten vorliegen. Bevorzugt weisen diese Substanzen bei Normaldruck einen Siedepunkt von größer oder gleich 35°C, des Weiteren bevorzugt von größer oder gleich 40°C und weiterhin bevorzugt von größer oder gleich 50°C auf. Als flüssiger Aerosol-Bestandteile können dementsprechend beispielsweise n-Pentan, n-Hexan, n-Heptan usw., deren Stereo-Isomeren und deren Sauerstoffderivate beispielsweise auch in Form der entsprechenden Alkohole oder Carbonsäuren eingesetzt werden. Nach oben hin gibt es eigentlich in der C-Anzahl der flüssigen Komponente keine Begrenzung. Zweckmäßigerweise werden Verbindungen mit einer maximalen Kohlenstoffanzahl von kleiner oder gleich C30, des Weiteren bevorzugt von kleiner oder gleich C25 und weiterhin bevorzugt von kleiner oder gleich C22 eingesetzt. Es können auch zyklische oder aromatische Verbindungen eingesetzt werden. Als flüssige Komponente kann eine einzige chemische Verbindung aus oben genannter Liste oder aber eine komplexe Mischung, welche mehrere, auch unterschiedliche chemische Bestandteile aus obiger Liste umfasst eingesetzt werden. Bevorzugt können die Kohlenwasserstoffe oder deren Sauerstoffderivate mittels biologischer oder „grüner“ Verfahren hergestellt sein. Dies kann noch einmal den CO2-Fußabdruck des Gesamtverfahrens reduzieren.The liquid in the aerosol is a hydrocarbon, hydrocarbon-oxygen derivative or a mixture of at least two components from this list that is liquid at room temperature. The hydrocarbons or their oxygen derivatives that are liquid at 20°C and normal pressure can therefore be used as the liquid component. These substances preferably have a boiling point of greater than or equal to 35°C at normal pressure, more preferably greater than or equal to 40°C and still more preferably greater than or equal to 50°C. Accordingly, liquid aerosol components that can be used include, for example, n-pentane, n-hexane, n-heptane, etc., their stereoisomers and their oxygen derivatives, for example also in the form of the corresponding alcohols or carboxylic acids. There is actually no upper limit on the number of carbon atoms in the liquid component. Compounds with a maximum carbon number of less than or equal to C30, more preferably less than or equal to C25 and still more preferably less than or equal to C22 are expediently used. Cyclic or aromatic compounds can also be used. The liquid component can be a single chemical compound from the above list or a complex mixture that includes several, even different, chemical components from the above list. Preferably, the hydrocarbons or their oxygen derivatives can be produced using biological or "green" processes. This can further reduce the CO2 footprint of the overall process.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die Flüssigkeit aus der Gruppe bestehend aus Ethanol, Methanol, Diesel, Ethyl-tertiär-butylether oder Mischungen mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste ausgesucht sein. Insbesondere diese Auswahl an flüssigen Komponenten im Aerosol kann zu einer besonders effizienten Umsetzung von Eisenerz zu Stahl mit Wasserstoff als gasförmigen Reduktionsmittel beitragen. Die Umsetzungen erfolgen schnell und können in einem moderaten Temperaturbereich durchgeführt werden. Bevorzugt können beispielsweise die eingesetzten Alkoholkomponenten aus „grünen“ Quellen stammen. Dies kann den Kohlendioxid-Fußabdruck des Gesamtverfahrens weiter verringern.In a preferred embodiment of the process, the liquid can be selected from the group consisting of ethanol, methanol, diesel, ethyl tertiary butyl ether or mixtures of at least two components from this list. In particular, this selection of liquid components in the aerosol can contribute to a particularly efficient conversion of iron ore to steel using hydrogen as a gaseous reducing agent. The conversions are rapid and can be carried out in a moderate temperature range. Preferably, for example, the alcohol components used can come from "green" sources. This can further reduce the carbon footprint of the overall process.

Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens können die Flüssigkeitstropfen im Aerosol bei der Eingabe in den Reaktor eine mittlere, anzahlgemittelte Tropfengröße, ermittelt über Laserlichtstreuung, von größer oder gleich 4 µm und kleiner oder gleich 100 µm aufweisen. Für eine schnelle und effiziente Umsetzung und Reduktion des Eisenerzes hat es sich als sehr günstig herausgestellt, dass die Flüssigkeitstropfen im Aerosol eine definierte Größenverteilung aufweisen. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein kann die Größenverteilung auf das Verdampfungsverhalten der Flüssigkeitstropfen im Reaktor Einfluss nehmen. Kleinere Tropfengrößen können nachteilig sein, da schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt eine vollständige Verdampfung der Tropfen erreicht wird. Höhere Tropfengrößen können hingegen nachteilig sein, da zu viel Energie für die Verdampfung der Tropfen aufgewendet und somit der Reaktion entzogen wird.In a further preferred embodiment of the method, the liquid droplets in the aerosol can have a mean, number-averaged droplet size, determined by laser light scattering, of greater than or equal to 4 µm and less than or equal to 100 µm when introduced into the reactor. For rapid and efficient conversion and reduction of the iron ore, it has proven to be very advantageous for the liquid droplets in the aerosol to have a defined size distribution. Without being bound by theory, the size distribution can influence the evaporation behavior of the liquid droplets in the reactor. Smaller droplet sizes can be disadvantageous because complete evaporation of the droplets is achieved at a very early stage. Larger droplet sizes, on the other hand, can be disadvantageous because too much energy is used to evaporate the droplets and is thus withdrawn from the reaction.

Innerhalb eines weiter bevorzugten Aspektes des Verfahrens kann das Gas zu 100 mol-% aus Wasserstoff bestehen. Zur besonders effizienten Umsetzung einer Vielzahl unterschiedlicher Eisenerze hat sich die Verwendung reinen Wasserstoffs als gasförmige Komponente des Aerosols als besonders geeignet herausgestellt. Hierdurch können sehr schnelle und vollständige Umsetzungen des Eisenerzes erreicht werden. Bevorzugt kann als Wasserstoff „grüner“ Wasserstoff eingesetzt werden, wie er beispielsweise durch Wasserelektrolyse mittels durch regenerative Quellen erzeugten Stromes erhalten werden kann.In a further preferred aspect of the process, the gas can consist of 100 mol% hydrogen. The use of pure hydrogen as the gaseous component of the aerosol has proven to be particularly suitable for the particularly efficient conversion of a large number of different iron ores. This enables very rapid and complete conversion of the iron ore to be achieved. Preferably, "green" hydrogen can be used as the hydrogen, such as can be obtained, for example, by water electrolysis using electricity generated from renewable sources.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann das Aerosol in einen Bereich des Reaktors mit einer Temperatur von größer oder gleich 900°C und kleiner oder gleich 1100°C eingebracht werden. Zum besonders effizienten Einsatz insbesondere eines Flüssig/Gas-Aerosols hat es sich als besonders geeignet herausgestellt, dass das Aerosol in einen Reaktor oder einen Teil eines Reaktors eingebracht wird, welcher im oben genannten Temperaturbereich gefahren wird. Dies kann zu einer besonders effizienten und schnellen Umsetzung des Aerosols mit dem vorgeheizten Eisenerz beitragen.In a further preferred embodiment of the method, the aerosol can be introduced into a region of the reactor with a temperature of greater than or equal to 900°C and less than or equal to 1100°C. For particularly efficient use of a liquid/gas aerosol in particular, it has proven particularly suitable for the aerosol to be introduced into a reactor or part of a reactor which is operated in the above-mentioned temperature range. This can contribute to a particularly efficient and rapid reaction of the aerosol with the preheated iron ore.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die Flüssigkeit aus der Gruppe bestehend aus aliphatischen oder aromatischen C5-C20 Kohlenwasserstoffen oder Mischungen mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste ausgesucht sei. Der Einsatz reiner Kohlenwasserstoffe hat sich für eine energieeffiziente und schnelle Umsetzung des Eisenerzes als besonders geeignet herausgestellt. Diese Kohlenwasserstoffe werden in der Reaktionsumgebung der Umsetzung schnell zu gasförmigen Komponenten umgesetzt und können schnell den gewünschten Carbonisierungsgrad des Umsetzungsproduktes bereitstellen.In a further preferred embodiment of the process, the liquid can be selected from the group consisting of aliphatic or aromatic C5-C20 hydrocarbons or mixtures of at least two components from this list. The use of pure hydrocarbons has proven to be an energy-efficient and fast The hydrocarbons have proven to be particularly suitable for the conversion of iron ore. These hydrocarbons are quickly converted into gaseous components in the reaction environment and can quickly provide the desired degree of carbonization of the conversion product.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die Flüssigkeitstropfen im Aerosol bei der Eingabe in den Reaktor eine mittlere Tropfengröße, ermittelt über Laserlichtstreuung, von größer oder gleich 25 µm und kleiner oder gleich 70 µm aufweisen. Zur schnellen Verdampfung und gleichmäßigen Verteilung der flüssigen Aerosolkomponente hat sich oben angegeben Verteilung an Tröpfchengrößen als besonders geeignet herausgestellt. Es wird im Endprodukt eine sehr gleichmäßige C-Verteilung erhalten und der Energieaufwand zur Verdampfung der flüssigen Aerosoltröpfchen ist relativ gering. Bevorzugt kann die mittlere Tropfengröße größer oder gleich 30 µm und kleiner oder gleich 60 µm, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 35 µm und kleiner oder gleich 55 µm betragen.In a further embodiment of the method, the liquid droplets in the aerosol when introduced into the reactor can have an average droplet size, determined by laser light scattering, of greater than or equal to 25 µm and less than or equal to 70 µm. The distribution of droplet sizes specified above has proven to be particularly suitable for rapid evaporation and uniform distribution of the liquid aerosol component. A very uniform C distribution is obtained in the end product and the energy required to evaporate the liquid aerosol droplets is relatively low. The average droplet size can preferably be greater than or equal to 30 µm and less than or equal to 60 µm, further preferably greater than or equal to 35 µm and less than or equal to 55 µm.

Im Rahmen einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Eingabegeschwindigkeit des Aerosols in den Reaktor größer oder gleich 1 m/s und kleiner oder gleich 10 m/s betragen. Für eine homogene Umsetzung des Eisenerzes und insbesondere auch für eine homogene Verteilung des C-Anteils im Eisenerz hat sich der angegebene Bereich an Gasgeschwindigkeiten besonders bewährt. Für Flüssig/Gas-Aerosole lassen sich in diesem Geschwindigkeitsbereich besonders effiziente Umsetzungen erreichen, welche sich insbesondere durch einen geringen Verbrauch an Reduktionsmittel und eine homogene Reaktion innerhalb des Reaktors auszeichnen.In a further preferred embodiment of the method, the speed at which the aerosol enters the reactor can be greater than or equal to 1 m/s and less than or equal to 10 m/s. The specified range of gas velocities has proven particularly useful for homogeneous conversion of the iron ore and in particular for homogeneous distribution of the C content in the iron ore. For liquid/gas aerosols, particularly efficient conversions can be achieved in this speed range, which are characterized in particular by low consumption of reducing agent and a homogeneous reaction within the reactor.

Des Weiteren erfindungsgemäß ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von grünem Stahl. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist insbesondere dazu geeignet, mit einem äußerst geringen Anteil an freigesetztem CO2 aus Eisenerz hochwertigen Stahl herzustellen. Die verwendeten Reaktanden in Form eines Flüssig/Gas-Aerosols können unter Zuhilfenahme regenerativer Energien CO2-neutral oder -frei hergestellt werden. Auch im Verfahren selbst kann im Vergleich zu den bekannten Standardverfahren die zur Umsetzung nötige Energiemenge reduziert werden. Das Verfahren lässt sich über breite Parameterbereiche sehr leicht steuern und es lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Eisenerze umsetzen. Man erhält also eine effiziente Umsetzung, welche im Vergleich zu den bisher benutzen Standardverfahren einen deutlich geringeren CO2-Abdruck aufweist und damit deutlich klimafreundlicher ist.The invention also relates to the use of the method according to the invention for producing green steel. The method proposed according to the invention is particularly suitable for producing high-quality steel from iron ore with an extremely low proportion of CO 2 released. The reactants used in the form of a liquid/gas aerosol can be produced in a CO 2 -neutral or CO 2-free manner with the aid of renewable energies. The amount of energy required for the conversion can also be reduced in the process itself compared to the known standard processes. The process can be controlled very easily over a wide range of parameters and a large number of different iron ores can be converted. This results in an efficient conversion which has a significantly lower CO 2 footprint compared to the standard processes used to date and is therefore significantly more climate-friendly.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014216336 A1 [0004]DE 102014216336 A1 [0004]
  • DE 212007000007 A1 [0005]DE 212007000007 A1 [0005]
  • DE 19859354 A1 [0006]DE 19859354 A1 [0006]

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung von Stahl durch Umsetzung von Eisenerz mittels eines Reduktionsmittels und einer Kohlenstoffquelle in einem Reaktor, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisenerz im Inneren des Reaktors mit einem Flüssig/Gas-Aerosol kontaktiert wird, wobei das Gas zu größer oder gleich 50 mol-% und kleiner oder gleich 100 mol-% Wasserstoff umfasst und die Flüssigkeit ein bei Raumtemperatur flüssiger Kohlenwasserstoff, Kohlenwasserstoff-Sauerstoffderivat oder ein Gemisch mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste ist.Process for producing steel by reacting iron ore by means of a reducing agent and a carbon source in a reactor, characterized in that the iron ore is contacted with a liquid/gas aerosol inside the reactor, wherein the gas comprises greater than or equal to 50 mol% and less than or equal to 100 mol% hydrogen and the liquid is a hydrocarbon, hydrocarbon-oxygen derivative or a mixture of at least two components from this list that is liquid at room temperature. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit ausgesucht ist aus der Gruppe bestehend aus Ethanol, Methanol, Diesel, Ethyl-tertiär-butylether oder Mischungen mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste.Procedure according to Claim 1 , wherein the liquid is selected from the group consisting of ethanol, methanol, diesel, ethyl tertiary butyl ether or mixtures of at least two components from this list. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeitstropfen im Aerosol bei der Eingabe in den Reaktor eine mittlere, anzahlgemittelte Tropfengröße, ermittelt über Laserlichtstreuung, von größer oder gleich 4 µm und kleiner oder gleich 100 µm aufweisen.Method according to one of the preceding claims, wherein the liquid droplets in the aerosol have a mean, number-averaged droplet size, determined by laser light scattering, of greater than or equal to 4 µm and less than or equal to 100 µm when introduced into the reactor. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gas zu 100 mol-% aus Wasserstoff besteht.A process according to any one of the preceding claims, wherein the gas consists of 100 mol% hydrogen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aerosol in einen Bereich des Reaktors mit einer Temperatur von größer oder gleich 900°C und kleiner oder gleich 1100°C eingebracht wird.Process according to one of the preceding claims, wherein the aerosol is introduced into a region of the reactor having a temperature of greater than or equal to 900°C and less than or equal to 1100°C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeit ausgesucht ist aus der Gruppe bestehend aus aliphatischen oder aromatischen C5-C20 Kohlenwasserstoffen oder Mischungen mindestens zweier Komponenten aus dieser Liste.Process according to one of the preceding claims, wherein the liquid is selected from the group consisting of aliphatic or aromatic C5-C20 hydrocarbons or mixtures of at least two components from this list. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeitstropfen im Aerosol bei der Eingabe in den Reaktor eine mittlere Tropfengröße, ermittelt über Laserlichtstreuung, von größer oder gleich 25 µm und kleiner oder gleich 70 µm aufweisen.Method according to one of the preceding claims, wherein the liquid droplets in the aerosol have an average droplet size, determined by laser light scattering, of greater than or equal to 25 µm and less than or equal to 70 µm when introduced into the reactor. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingabegeschwindigkeit des Aerosols in den Reaktor größer oder gleich 1 m/s und kleiner oder gleich 10 m/s beträgt.A method according to any one of the preceding claims, wherein the input velocity of the aerosol into the reactor is greater than or equal to 1 m/s and less than or equal to 10 m/s. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8 zur Herstellung von grünem Stahl.Use of a method according to one of the Claims 1 - 8 for the production of green steel.
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