DE10248568B3 - Verfahren zum Erzeugen von Metall aus Metallerzen - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen von Metall aus Metallerzen, bei dem das Metalloxide enthaltende Erz mit einem zumindest Kohlenstoff enthaltenden Reduktionsgas in Reaktionskontakt gebracht wird, welches zuvor aus festen kohlenstoffhaltigen Substanzen und Kunststoff gewonnen wurde, mit den Schritten Bereitstellen des Kunststoffes in zerkleinerter Form, Mischen des Kunststoffes mit kohlenstoffhaltigen Substanzen, wobei der Anteil des Kunststoffes am Gemisch zwischen 5 und 50 Gew.-% beträgt, und Einblasen des Gemisches in den Windstrom im Gestell eines metallurgischen Schachtofens ist dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltige Substanz Aktivkohle, Aktivkoks oder unverbrannter Kohlenstoff, insbesondere aus Kraftwerksaschen, oder eine Mischung aus diesen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Metall aus Metallerzen, bei dem das Metalloxide enthaltende Erz mit einem zumindest Kohlenstoff enthaltenen Reduktionsgas in Reaktionskontakt gebracht wird, welches zuvor aus festen kohlenstoffhaltigen Substanzen und Kunststoff gewonnen wurde, wobei der Kunststoff in zerkleinerter Form mit kohlenstoffhaltigen Substanzen gemischt wird, wobei der Anteil des Kunststoffes am Gemisch zwischen 5 und 50 Gew.-% beträgt, und das Gemisch in den Windstrom im Gestell eines metallurgischen Schachtofens eingeblasen wird.
• Ein solches Verfahren ist aus G. Schwanekamp "Einsatz von geshredderten Kunststoffreststoffen als Reduktionsmittel und/oder Energieträger in Schmelzaggregaten der Eisen- und Stahlindustrie (Hochofen, Kupolofen)", Berichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen, 1997, bekannt. Dort ist das Umsetzungsverfahren von Niederbergkohle bei unterschiedlichen Anteilen Polyethylen und bei unterschiedlichen Anteilen Mischkunststoffen sowie von Lohbergkohle, ebenso bei unterschiedlichen Anteilen Mischkunststoffen, untersucht. Es ist gefunden worden, daß die Zugabe von bis 30 % Polyethylen zur Niederbergkohle zu einer Verbesserung des maximalen Umsetzungsgrades von 61 % auf 78 % führt. Bei Mischkunststoffen beträgt der maximale Umsetzungsgrad bei 20 % Anteil etwa 88 %, während er bei reiner Lohbergkohle nur bei 76 % liegt. Auch der Umsetzungsgrad von Niederbergkohle läßt sich durch Zusatz von Mischkunststoffen erheblich verbessern.
• Die oben angesprochenen Mischkunststoffe stammten dabei aus der Gelben Tonne bzw. dem Gelben Sack aus der Sammlung der Der Grüne Punkt – Duales System Deutschland AG. Die Sammlung enthält vorwiegend Kunststoffverpackungen und kunststoffhaltige Artikel, die in der Regel aus Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol oder Polyethylenterephthalat bestehen. Solche Mischkunststoffe werden schon seit langem bei der Gewinnung von Roheisen aus Eisenerz eingesetzt, wie es beispielsweise in der EP 0 622 465 A1 beschrieben ist. Dort wird der Kunststoff in grobkörniger Form eingeblasen, wobei die Teilchengröße des Kunststoffes vorwiegend im Bereich von 1 bis 10 mm liegt. Es wird ausgenutzt, daß das grobe Kunststoffkorn als Agglomerat vorliegt, das sich durch eine hohe spezifische Oberfläche auszeichnet.
• Der Stand der Technik zeigt, daß im Hochofen eine sinnvolle energetische Verwertung von Mischkunststoffabfällen möglich ist.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, weitere kohlenstoffhaltige Substanzen zur Verfügung zu stellen, die bei der Metallerzeugung im Schachtofen eingesetzt werden können.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die kohlenstoffhaltige Substanz Aktivkohle in beladenem oder unbeladenem Zustand, oder Aktivkoks oder unverbrannter Kohlenstoff, insbesondere aus Kraftwerksaschen, oder eine Mischung aus diesen ist. Aktivkohle und Aktivkoks werden als Filtermaterialien eingesetzt, sind daher oft mit Schadstoffen belastet und können nur aufwendig entsorgt werden. Dasselbe gilt für unverbrannten Kohlenstoff, insbesondere aus Kraftwerksaschen, der geradezu als Problemabfall anzusehen ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können diese Stoffe nicht nur sicher verwertet werden, sie stellen auch weiter Ersatzstoffe für den ansonsten zur Reduktion des Metallerzes notwendigen Koks dar. Es hat sich dabei gezeigt, daß die Kombination dieser kohlenstoffhaltigen Substanzen mit Kunststoffen bezüglich des Umsetzungsgrades einen Synergieeffekt zeigen, denn es hat beispielsweise eine Aktivkohle wie reiner Kunststoff nur einen mäßigen Umsetzungsgrad, während Mischungen diesen um bis zu 30 % steigern können.
• Dieses Verhalten war nicht zu erwarten. Aktivkohle wird aus Steinkohle gewonnen. Da sie thermisch behandelt ist und dabei nahezu vollständig graphitisiert wird und ein stark ausgeprägtes Kristallgitter zeigt, sind annehmbare Umsetzungsgrade nicht zu erwarten und für die meisten Anwendungen als Filtermaterial auch gar nicht erwünscht. Ähnliches gilt für Aktivkoks, der aus Braunkohle mit einem sehr geringen Inkohlungsgrad hergestellt wird. Da seine Struktur eher amorph als kristallin ist, werden höhere Umsetzungsgrade erreicht, als bei Aktivkohle, die jedoch immer noch nicht befriedigend sind. Unverbrannter Kohlenstoff, insbesondere aus Kraftwerksaschen, hat einen vergleichsweisen hohen Anteil an Aschebestandteilen und deshalb einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, der bei etwa 62 % liegt. Für die Zukunft ist zu erwarten, daß durch neue Technologien unverbrannte Kunststoffe (UBC) konzentrierter und vor allem mit höherer Qualität bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 80 % erzeugt werden. Die Verwertung dieser Stoffe ist bisher noch nicht gelöst worden. Mit der Erfindung gelingt dies problemlos. Es ist bekannt, daß praktisch alle toxischen Stoffe zerstört werden, wenn kohlenstoffhaltige Reststoffe bei hohen Temperaturen umgesetzt werden. Die Neubil dung beispielsweise von Dioxinen und Furanen kann wegen der hohen Prozeßtemperaturen und der reduzierenden Atmosphäre im Schacht nahezu ausgeschlossen werden.
• Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Aktivkohle, der Aktivkoks und der unverbrannte Kohlenstoff sowie der Kunststoff relativ grobkörnig als Gemenge oder Gemisch eingesetzt. Bevorzugte Korngrößen liegen zwischen 1 und 10 mm, besonders bevorzugt sind Korngrößen zwischen 5 und 10 mm. Der Kunststoff mit seinem relativ hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen wirkt sozusagen als Zünder für den Kohlenstoff. Es ist auch möglich, die Mischung aus den kohlenstoffhaltigen Bestandteilen, wie Aktivkohle, Aktivkoks und unverbranntem Kohlenstoff, mit dem Kunststoff zu einem Agglomerat zu konfektionieren. Auch in diesem Fall kann mit dem obengenannten Korngrößenspektrum gearbeitet werden.
• Bei dem Verfahren können entweder reine Kunststoffe oder Mischkunststoffe verwendet werden, solche aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyamid und Polyethylenterephthalat sind bevorzugt. Hiermit sind die meisten Verpackungsmaterialien abgedeckt. Für die Erfindung spielt es keine Rolle, in welcher Zusammensetzung die Kunststoffe im Kunststoffgemisch enthalten sind.
• Der Anteil des Kunststoffes am Gemisch mit den ausgewählten kohlenstoffhaltigen Substanzen kann zwischen 30 und 35 Gew.-% betragen.
• Vorteilhaft wird das Gemisch mit einer Einblasrate bis zu 300 kg/tRE in den Windstrom eingeblasen. Gegebenenfalls kann der Windstrom mit Sauerstoff angereichert werden.
• Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung und anhand von Beispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt
• 1 eine graphische Darstellung des Umsetzungsverhaltens von Aktivkohle und Mischkunststoffen aus der Sammlung des Dualen Systems, dort als DSD-Fraktion bezeichnet, im Hochofen; und
• 2 eine schematische Darstellung einer Laboranlage gemäß G. Schwanekamp "Einsatz von geshredderten Kunststoffreststoffen als Reduktionsmittel und/oder Energieträger in Schmelzaggregaten der Eisen- und Stahlindustrie (Hochofen, Kupolofen)", Berichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen, 1997.
• Bei den durchgeführten Experimenten wurde mit einer Laboranlage gearbeitet, mit deren Hilfe der Reaktionsablauf beim Einblasen von Reduktionsmittel in der Düsenspitze, der Blasform und im vorderen Teil der Wirbelzone eines Hochofens simuliert werden kann. In dieser Anlage können die Reduktionsmittel unter hochofennahen Bedingungen umgesetzt werden.
• Die Anlage ist in 2 schematisch dargestellt. Der Bereich zwischen den Magnetventilen M1 und M2 ist als Niederdruckteil ausgelegt, der Teil vor dem Magnetventil M₁ als Hochdruckteil. Direkt hinter dem Magnetventil M₁ befindet sich die Einfüllöffnung E für die Reduktionsmittelproben. Bei gleichzeitigem Öffnen der Magnetventile M₁ und M₂ verwirbelt der Verbrennungsstoff mit dem Transportgas aus dem Hochdruckteil und vermischt sich dann mit dem heißen Sauerstoff, der in einem Vorwärmofen V auf eine Temperatur von etwa 1200 °C gebracht wird. Die Brennstoffe gelangen dann in den Hochtemperaturteil, d. h. den Induktionsofen I der Anlage, der Temperaturen von bis zu 1700 °C erreicht.
• Die aus der Umsetzung im Induktionsofen entstehenden Produktgase werden zunächst in einem evakuierten Gassammelbehälter G aufgefangen, der hinter dem Magnetventil M₂ angeschlossen ist. Durch entsprechend gewählte Drücke und Temperaturen in den einzelnen Bereichen der Anlage stellen sich die charakteristischen Strömungsgeschwindigkeiten und Verweilzeiten so ein, wie sie bei einem realen Ofenbetrieb vorliegen.
• Mit Hilfe von Gasanalysatoren werden die Konzentrationen an CO, CO₂, CH₄, H₂ und O₂ im Produktgas gemessen. Anhand dieser Gaskonzentrationen, der bekannten Temperaturen in der Anlage sowie der Volumina und Drücke im Hoch- und Niederdruckbereich kann auf bekannte Weise der Umsetzungsgrad berechnet werden. Als Umsetzungsgrad wird der prozentuale, in den gasförmigen Zustand übergegangene Anteil des Gesamtkohlenstoffs des Reduktionsmittels bezeichnet.
• Zur Variation des O/C-Verhältnisses während der Verbrennung werden pro Meßreihe mehrere verschiedene Proben eingeblasen.
• Beispiel 1
• Aktivkohle hat in reiner Form bei einem O/C-Verhältnis von 2,1 einen geringen Umsetzungsgrad von etwa 45 %. Die Zugabe von DSD-Fraktion kann das Umsetzungsverhalten deutlich verbessern. Bei Zugabe von 10 % DSD-Fraktion wird der Umsetzungsgrad auf etwa, 57 % angehoben. Bei Zugabe von 20 % DSD-Fraktion bzw. 30 % DSD-Fraktion liegen die Umsetzungsgrade niedriger, aber immer noch deutlich oberhalb der Kurve für reine Aktivkohle bzw. reine DSD-Fraktion. In 1 ist der Umsetzungsgrad in Prozent gegen das Atomverhältnis O/C bei verschiedenen Anteilen von Kunststoff (DSD-Fraktion) aufgetragen.
• Beispiel 2
• Aktivkoks zeigt in reiner Form bei einem O/C-Verhältnis von 2,1 einen Umsetzungsgrad von etwa 60 %. Bei Zugabe von 30 % DSD-Fraktion steigt der Umsetzungsgrad auf etwa 65 %.
• Beispiel 3
• Unverbrannter Kohlenstoff (UBC) aus Kraftwerksaschen zeigt in reiner Form bei einem O/C-Verhältnis von 2,1 einen Umsetzungsgrad von nur etwa 30 %. Bei Zugabe von 30 % DSD-Fraktion steigt der Umsetzungsgrad um bis zu 80 % auf etwa 52 %.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erzeugen von Metall aus Metallerzen, bei dem das Metalloxide enthaltende Erz mit einem zumindest Kohlenstoff enthaltenden Reduktionsgas in Reaktionskontakt gebracht wird, welches zuvor aus festen kohlenstoffhaltigen Substanzen und Kunststoff gewonnen wurde, mit den Schritten: – Bereitstellen des Kunststoffes in zerkleinerter Form, – Mischen des Kunststoffes mit kohlenstoffhaltigen Substanzen, wobei der Anteil des Kunststoffes am Gemisch zwischen 5 und 50 Gew.-% beträgt; und – Einblasen des Gemisches in den Windstrom im Gestell eines metallurgischen Schachtofens; dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltige Substanz Aktivkohle oder Aktivkoks in beladenem oder unbeladenem Zustand oder unverbrannter Kohlenstoff, insbesondere aus Kraftwerksaschen, oder eine Mischung aus diesen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff einen oder mehrere Polymere aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyamid und Polyethylenterephthalat enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Kunststoffes am Gemisch zwischen 10 und 35 Gew.-% beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch mit einer Einblasrate bis zu 300 kg/tRE in den Windstrom eingeblasen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Windstrom mit Sauerstoff (O₂) angereichert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch mit einem Korngrößenspektrum von 1 bis 10 mm, bevorzugt 5 bis 10 mm, vorliegt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch vor dem Einblasen zu Agglomerat konfektioniert wird.