DE112021001757T5

DE112021001757T5 - Unter Verwendung von Biomasse direkt reduziertes Eisen

Info

Publication number: DE112021001757T5
Application number: DE112021001757.8T
Authority: DE
Inventors: Rodney James Dry; Michael Buckley
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2023-01-05
Also published as: US20230131754A1; WO2021184078A1; CN115516115A; BR112022018716A2; CA3172142A1

Abstract

Es werden ein Prozess und eine Vorrichtung zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (Direct Reduced Iron bzw. DRI), auch Eisenschwamm genannt, aus Eisenerz und Biomasse vorgesehen. Der Prozess umfasst das Erhitzen einer Charge aus Eisenerz und Biomasse in einem Chargenofen (3), das Reduzieren von Eisenerz, das Formen eines DRI-Produkts mit einer Metallisierung von 80-90% und das Erzeugen eines Abgases. Der Prozess umfasst das Ausführen des soliden Produkts am Ende des Chargenzyklus und das Ausführen des Abgases während des Chargenzyklus. Der Prozess betreibt den Chargenofen in einem Temperaturbereich von 700-1100°C in einer Chargenzykluszeit von 10-100 Stunden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prozess und eine Vorrichtung zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (Direct Reduced Iron bzw. DRI), auch Eisenschwamm genannt, aus Eisenerz und Biomasse.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Prozess und eine Vorrichtung zum Erzeugen von DRI in mehreren statischen Chargenofen. Das DRI kann für das Herstellen von heißem Metall, kaltem Roheisen oder Stahl in einem elektrischen Schmelzofen verwendet werden.
Unter einem „direkt reduzierten Eisen (DRI)“ ist hier Eisen zu verstehen, das durch die direkte Reduktion von Eisenerz (in der Form von Klumpen, Pellets, Brickets oder Feinteilen) zu Eisen durch ein Reduktionsgas bei Temperaturen unterhalb der Massenschmelztemperatur der Festkörper erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Prozess und eine Vorrichtung zum Erzeugen von geschmolzenem Metall (wie etwa kaltem Roheisen oder Stahl) aus DRI.
STAND DER TECHNIK
Der Klimawandel drängt zu einer fundamentalen Neubewertung zukünftiger Optionen für das Erzeugen von Eisen und Stahl.
Hochöfen dominieren derzeit die Produktion von reinem Eisen und emittieren große Mengen von CO₂, nämlich ungefähr 1,8 bis 2,0 t CO₂ pro Tonne Roheisen.
Eine Alternative zu Hochöfen besteht im Wandeln von erneuerbarer (grüner) Energie zu Wasserstoff (insbesondere während Zeiten, zu denen die Kosten von Wind-/Sonnenenergie niedrig sind), dem folgenden Erzeugen von DRI (unter Nutzung des Wasserstoffs) und dann dem Schmelzen von diesem in einem Elektrolichtbogenofen (EAF) für das Erzeugen von Stahl. Diese Route erfährt große Unterstützung (insbesondere in Europa) und weist das Potential auf, sich zu einem wichtigen Teil einer globalen Lösung zu entwickeln (1). Jedoch sind damit Beschränkungen wie etwa die Folgenden verbunden:

1. Der erforderliche Strombedarf ist hoch (3000 - 4000 kWh/t), und die Kosten für grüne Energie müssen niedrig (bzw. die Kohlenstoffsteuer hoch) sein, um eine Kosteneffizienz zu erzielen.
2. Die Speicherung und der Transport von großen Mengen von Wasserstoff stellen eine technische Herausforderung dar. Unterirdische Salzkavernen und erschöpfte Erdgasreservoirs scheinen ein gutes Potential zu bieten. Jedoch eignen sich nicht alle geographischen Standorte für eine derartige Wasserstoffspeicherung. Außerdem befinden sich geeignete Speicherstandorte unter Umständen nicht in der Nähe von logistischen Einrichtungen für bestehende Hochöfen, was zu Herausforderungen hinsichtlich des Transports führt.
3. Es können nur Eisenerze mit niedriger Gangart in Verbindung mit dieser Kombination verwendet werden. Der EAF funktioniert nicht gut für Eisenerztypen mit einer hohen Gangart, was diese im Wesentlichen wettbewerbsunfähig macht. Das bedeutet, dass der Großteil des aktuell in Hochöfen verwendeten Eisenerzes für diese Prozessroute unwirtschaftlich werden würde.

Es ist wohlbekannt, dass Biomasse ein ergänzender Teil der Lösung sein kann.
Die bisherigen Versuche zum Einführen eines gewissen Anteils von Biomasse in ursprünglich für Kohle entwickelte Prozesse (z.B. Hochöfen und Koksöfen) sind jedoch im besten Fall marginal und gewöhnlich ziemlich enttäuschend, was die gesamte CO₂-Auswirkung angeht. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Beschaffenheit von Biomasse sehr verschieden von derjenigen von Kohle ist. Für eine erfolgreiche Nutzung von Biomasse muss der Prozess um die grundlegende Beschaffenheit von Biomasse herum neu entwickelt werden.
Biomasse kann verschiedene Formen aufweisen (Beispiele sind etwa Elefantengrass, Zuckerrohrbagasse, Holzabfälle, überschüssiges Stroh, Azolla und Algen). Die Vermeidung einer Konkurrenz mit der Lebensmittelproduktion ist ein wichtiger Punkt. Die Verfügbarkeit von Biomasse variiert an verschiedenen geographischen Standorten beträchtlich. Und dies ist höchstwahrscheinlich ein wichtiger Faktor, der den Umfang und Standort von zukünftigen Biomassebasierten Eisenwerken bestimmen wird.
Verschiedene Studien (2) im Labormaßstab haben ergeben, dass durch das Mischen eines Eisenerzes mit Biomasse und das Erhitzen der Mischung in einem kleinen Ofen ein DRI auf eine Weise erzeugt werden kann, die (oberflächlich betrachtet) besser zu sein scheint, als theoretisch zu erwarten war. Die Gründe hierfür sind nicht klar, doch lassen die Ergebnisse einen technischen „Sweetspot“ erkennen. Die technische Herausforderung besteht darin, eine effiziente Implementierung im großen Maßstab zu realisieren.
Hierfür gibt es viele mögliche Ansätze. Ein Ansatz (derzeit durch den Anmelder entwickelt) umfasst das Brikettieren von Erz und Biomasse und dann das Verwenden eines linearen oder rotierenden Herdofens (oder eines rotierenden Brennofens) für das Vorheizen des Materials auf ungefähr 800-900 °C, um es zu verflüchtigen. Es wird erwartet, dass eine Erzvorreduktion unter diesen Bedingungen ungefähr 40-70% erzielt. Darauf folgt dann eine Mikrowellenbehandlungsstufe, in der die Briketts zu ungefähr 1000-1100 °C erhitzt und (unter Verwendung eines residualen Biokohlenstoffs) weiter reduziert werden, wobei die Reduktionen gewöhnlich ungefähr 90-95% betragen und unter Umständen zu einer fast vollständigen Metallisierung führen. Dieses DRI kann dann zu einem Lichtbogenofen (OAF) oder einem Induktionsofen zugeführt werden, um Roheisen zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung sieht einen alternativen Ansatz für die Produktion von DRI vor.
Die vorstehenden Erläuterungen sind nicht derart zu interpretieren, dass es sich bei den genannten Inhalten um allgemeines Wissen in Australien oder in anderen Ländern handelt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Verwendung eines Chargenofens.
Insbesondere beruht die vorliegende Erfindung auf der Realisierung, dass eine angepasste Form eines „Non-Recovery“-Koksofens eine effiziente Möglichkeit für das Erhitzen und Reduzieren von Biomasse-Briketts vorsehen kann.
Ganz allgemein sieht die vorliegende Erfindung einen Prozess für das Erzeugen eines direkt reduzierten Eisens („DRI“), auch Eisenschwamm genannt, aus Eisenerz und Biomasse vor, der das Erhitzen einer Charge aus Eisenerz und Biomasse in einem Chargenofen in einem Temperaturbereich von 700-1100 °C in einer Chargenzykluszeit von 10-100 Stunden, das Reduzieren des Eisenerzes, das Ausbilden eines soliden DRI-Produkts mit einer Metallisierung von 80-99% und gewöhnlich 90-99%, das Erzeugen eines Abgases, das Ausführen des soliden Produkts am Ende des Chargenzyklus und das Ausführen des Abgases während des Chargenzyklus umfasst.
Unter einer „Metallisierung“ ist hier der Wandlungsgrad von Eisenoxid zu metallischem Eisen während der Reduktion des Eisenoxids als ein Prozentsatz der Masse des metallischen Eisens dividiert durch die Masse des gesamten Eisens zu verstehen.
Unter einer „Chargenzykluszeit“ ist hier die Zeit vom Laden einer neuen Charge von zugeführtem Eisenherz und Biomasse in einen Chargenofen bis zum Schieben des (im Wesentlichen gesamten) Produkts aus dem Ofen zu verstehen.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie langsame Eisenerz-Biomasse-Wärmeübertragungsraten unterstützt, was insbesondere wichtig ist, wenn Eisenerz und Biomasse die Form von Briketts aufweisen. Die vorliegende Erfindung erlaubt stark verlängerte Heizzeiten (ungefähr 100-300-fach länger als in anderen Optionen). Auch die Temperaturgradienten sind in einem derartigen System niedriger, sodass ein größerer Anteil der Biomassenenergie aufgefangen und für ein Heizen verwendet werden kann (dadurch wird der Bedarf an einzubringender Energie reduziert). Dies lässt sich in eine höhere thermische Effizienz und in geringere Gesamtbetriebskosten im Vergleich zu den oben erwähnten anderen Optionen übersetzen.
Eine Ausführungsform eines Eisenerz-Biomasse-Brikett-Prozesses der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von einer Non-Recovery-Koksherstellung in verschiedenen Punkten. Insbesondere enthält Biomasse nur ungefähr den halben Brennwert einer entsprechenden Masse von Kohle. Was das Anteilsverhältnis von Biomasse zu Erz in dem Brikett (gewöhnlich 30-40 Gewichtsprozent auf einer nassen Basis) angeht, wird kein Übermaß an Brenngas aus der Biomasse erhalten. Das verfügbare Brenngas muss sparsam genutzt werden. Deshalb werden Oberer-Raum-Brenner mit entweder vorgeheizter Luft oder Sauerstoff (oder einer Mischung aus diesen beiden) geheizt. Im Fall von vorgeheizter Luft stammt die Energie (für das Vorheizen der Luft) aus einem Abgas (Verbrennungsgas). Es wird lediglich eine unbeträchtliche Menge an eingebrachtem, zusätzlichem Brennstoff wie etwa Erdgas, Öl oder Kohle verwendet (mit Ausnahme eines Startbrennstoffs und möglicherweise einer kleinen Zündflammenmenge, um die Sicherheit zu gewährleisten).
Der Chargenofen kann ein statischer Ofen sein.
Der Prozess kann das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases in einem oberen Raum des Chargenofens erzeugten Wärme umfassen.
Der Prozess kann das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases in einem unteren Raum des Chargenofens erzeugten Wärme umfassen.
Der Prozess kann das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases mit einer nominell kalten Sauerstoff-Luft-Mischung mit mindestens 25% Sauerstoff in der Luft-Sauerstoff-Mischung (berechnet als ein gemischter Strom unabhängig davon, ob Luft und Sauerstoff (a) tatsächlich vorgemischt werden oder (b) unabhängig als zwei individuelle Ströme zu den Gasbrennern zugeführt werden) erzeugten Wärme umfassen.
Der Prozess kann das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases mit heißer Luft in einem Temperaturbereich von 400-1200 °C erzeugten Wärme umfassen.
Der Prozess kann das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases mit einer Kombination aus heißer Luft (in einem Temperaturbereich von 25-1200 °C) und kaltem Sauerstoff, wobei die heiße Luft und der Sauerstoff entweder vorgemischt werden oder als individuelle Ströme zu Gasbrennern zugeführt werden, erzeugten Wärme umfassen.
Der Prozentsatz von Biomasse in der zu dem Chargenofen zugeführten Charge kann wenigstens 20 Gewichtsprozent auf einer nassen (wie geladen) Basis des Gesamtgewichts der Charge betragen.
Der Prozentsatz von Biomasse in der zu dem Chargenofen zugeführten Charge kann weniger als 50 Gewichtsprozent auf einer nassen (wie geladen) Basis des Gesamtgewichts der Charge betragen.
Der Prozentsatz von Biomasse in der zu dem Chargenofen zugeführten Charge kann 20-50 Gewichtsprozent auf einer nassen (wie geladen) Basis des Gesamtgewichts der Charge betragen.
Der Rest der zu dem Chargenofen zugeführten Charge kann (a) Eisenerz, (b) Fluss-/Bindemittel und (c) optional ein kohlenstoffhaltiges Material, das Kohle oder eine vorgekohlte Biomasse sein kann, mit einem Anteil von < 5% des Gesamtgewichts der Charge umfassen.
Der Prozentsatz von Biomasse in der zu dem Chargenofen zugeführten Charge kann 30-40 Gewichtsprozent auf einer nassen (wie geladen) Basis des Gesamtgewichts der Charge betragen.
Der Rest der zu dem Chargenofen zugeführten Charge kann (a) Eisenerz, (b) Fluss-/Bindemittel und (c) optional ein kohlenstoffhaltiges Material, das Kohle oder eine vorgekohlte Biomasse sein kann, mit einem Anteil von < 5% des Gesamtgewichts der Charge umfassen.
Der Prozess kann das Erhitzen von Eisenerz und Biomasse zu einem Temperaturbereich von 800-1000 °C in der Chargenzykluszeit und das Reduzieren von Eisenerz zu einer Metallisierung von 85-98% umfassen.
Die Chargenzykluszeit kann 20-70 Stunden betragen.
Die Chargenzykluszeit kann 30-60 Stunden betragen.
Das Eisenerz und die Biomasse in der Charge von Eisenerz und Biomasse können in dem Chargenofen geschichtet werden, sodass wenigstens eine Schicht aus Eisenerz zwischen einer vorausgehenden und einer folgenden Schicht aus Biomasse angeordnet ist.
Das Eisenerz und die Biomasse in der Charge von Eisenerz und Biomasse können vorgemischt werden, wenn die Charge geformt wird, um nicht-gleichmäßige Reduktionszonen in der Charge in dem Chargenofen zu vermeiden.
Die Charge aus Erz und Biomasse kann Briketts aus Eisenerz und Biomasse umfassen, um nicht-gleichmäßige Reduktionszonen in der Charge in dem Chargenofen zu vermeiden.
Der Prozess kann das Transportieren des soliden Produkts (gewöhnlich im heißen Zustand) von dem Chargenofen zu einem elektrischen Schmelzofen, das Verarbeiten des soliden Produkts in dem elektrischen Schmelzofen und das Erzeugen von geschmolzenem Metall wie etwa Roheisen oder Stahl und eines Abgases umfassen.
Der Prozess kann das Verwenden des Lichtbogenofen-Brenngases als einer Energiequelle in dem Chargenofen umfassen.
Die vorliegende Erfindung sieht außerdem einen Prozess zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (DRI), auch Eisenschwamm genannt, aus Eisenerz und Biomasse vor, der das Betreiben einer Vielzahl von Chargenöfen gemäß dem oben beschriebenen Prozess unter Verwendung wenigstens eines Teils eines von wenigstens einem Chargenofen ausgeführten Abgases als einer Energiequelle, d.h. als eines Brenngases, in wenigstens einem anderen Chargenofen und das Steuern der Chargenzyklen und Betriebsbedingungen in den Chargenöfen für ein Ausgleichen der Wärmezufuhr und der Bedarfsanforderungen zwischen den Chargenöfen umfasst.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin einen Prozess zum Erzeugen von geschmolzenem Metall (wie etwa kaltem Roheisen oder Stahl) aus DRI vor, der das Durchführen des oben beschriebenen Prozesses, das Erzeugen eines soliden DRI-Produkts, das Transportieren des soliden DRI-Produkts zu einem elektrischen Schmelzofen, das Verarbeiten des soliden Produkts in dem elektrischen Schmelzofen und das Erzeugen von geschmolzenem Metall wie etwa Roheisen oder Stahl umfasst.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (DRI), auch Eisenschwamm genannt, vor, die eine Vielzahl von Chargenöfen für das Erzeugen von Chargen von DRI aus Chargen von Eisenerz und Biomasse und eine Gassammel-/Gasverteilungsanordnung, die die Chargenöfen verbindet, umfasst, wobei die Gassammel-/Gasverteilungsanordnung einen gemeinsamen Kopfteil und sich zwischen den Chargenöfen und dem Kopfteil erstreckende Rohre für das Zuführen von Brenngas zu dem Kopfteil und für das Zuführen von Brenngas von dem Kopfteil zu den Chargenöfen umfasst.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum Erzeugen von geschmolzenem Metall (wie etwa kaltem Roheisen oder Stahl) aus einem soliden DRI-Produkt vor, die die oben beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen eines DRI-Produkts und einen elektrischen Schmelzofen für das Erzeugen von geschmolzenem Metall wie etwa Roheisen oder Stahl aus dem soliden DRI-Produkt umfasst.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Prozesses und einer Vorrichtung zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (DRI) aus Eisenerz und Biomasse mit einer Vielzahl von Chargenöfen.
2, 3 und 4 sind Prozessflussdiagramme, die eine Ausführungsform eines Prozesses und einer Vorrichtung zum Erzeugen von DRI aus Eisenerz und Biomasse in einem der Chargenöfen von 1 zeigen.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie weiter oben genannt, sieht die vorliegende Erfindung allgemein einen Prozess und eine Vorrichtung zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (Direct Reduced Iron bzw. DRI), auch Eisenschwamm genannt, aus Eisenerz und Biomasse vor, die das Erhitzen einer Charge von Eisenerz und Biomasse in einem Chargenofen in einem Temperaturbereich von 700-1100 °C in einer Chargenzykluszeit von 10-100 Stunden, das Reduzieren von Eisenerz, das Formen eines soliden DRI-Produkts mit einer Metallisierung von 80-99% und gewöhnlich 90-99%, das Erzeugen eines Abgases, das Ausführen des soliden Produkts am Ende des Chargenzyklus und das Ausführen des Abgases während des Chargenzyklus umfassen.
1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Prozesses und einer Vorrichtung zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (DRI) aus Eisenerz und Biomasse basierend auf einer Vielzahl von Chargenöfen.
In 1 umfasst die allgemein durch das Bezugszeichen 3 angegebene Vorrichtung (a) eine Vielzahl von Chargenöfen 5, die in einer Linie angeordnet sind, und (b) eine Gassammel-/Gasverteilungsanordnung, die die Chargenöfen 5 miteinander verbindet.
Die Gassammel-/Gasverteilungsanordnung umfasst einen gemeinsamen Kopfteil 7 und Rohre 9, 11, die sich zwischen den Chargenöfen 5 und dem Kopfteil 7 erstrecken, um bei Bedarf Brenngas zu dem Kopfteil zuzuführen und Brenngas von dem Kopfteil zu den Chargenöfen zuzuführen. Die Rohre 9 können Brenngas von den Chargenöfen 5 zu dem Kopfteil 7 zuführen. Die Rohre 11 können Brenngas von dem Kopfteil 7 zu den Chargenöfen 5 zuführen.
Während der Verwendung empfangen Chargenöfen 5 in frühen (und möglicherweise auch in späten) Teilen eines Chargenzyklus Brenngas von anderen Chargenöfen 5 über den Kopfteil 7 und die Rohre 9.
Außerdem übertragen während der Verwendung Chargenöfen 5 in mittleren (brennstoffreichen) Teilen des Zyklus Brenngas von den Chargenöfen 5 über die Rohre 11 zu dem Kopfteil 7. Dieses Brenngas wird an dem Extraktionspunkt heiß, sodass die Gassammel-/Gasverteilungsanordnung ein Kühlelement 13 umfasst, das das Brenngas kühlt, bevor es in das gemeinsame Gasverteilungssystem in dem Kopfteil 7 gelassen wird.
Das Kühlelement 13 kann ein beliebiges, geeignetes Kühlelement sein. Zum Beispiel kann das Kühlelement die Form eines Nasswäschers oder eines indirekten Wärmetauschers aufweisen (z.B. lange Rohre mit einer Wasser- oder Luftkühlung an der Außenseite). Gewöhnlich enthalten der Kopfteil 7 und der Wärmetauscher Systeme für das Handhaben von Kondensations- und Korrosionsproblemen, damit diese den Prozess nicht beeinträchtigen.
Es ist zu beachten, dass 1 eine Leitung von sieben Chargenöfen 5 zeigt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anzahl von Chargenöfen 5 beschränkt. Gewöhnlich liegt die Anzahl von Chargenöfen 5 bei sechs bis zehn Öfen. In einer gegebenen Situation hängt die Anzahl von Chargenöfen 5 in einem Cluster von der Ofengröße und den physikalischen Beschränkungen für das Anordnen von Chargenöfen und Gassammel-/Gasverteilungseinrichtungen in einer effizienten Anordnung ab.
Es ist zu beachten, dass in 1 die Chargenöfen 5 in einer linearen Anordnung gezeigt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anordnung von Chargenöfen 5 beschränkt.
Die Chargenöfen 5 können eine beliebige, geeignete Form aufweisen. Zum Beispiel kann jeder Chargenofen 5 ein Non-Recovery-Koksofen sein, wobei das Bett von Erz-Biomasse-Briketts vor dem Beginn eines Chargenzyklus in den Ofen geladen wird und am Ende des Chargenzyklus aus dem Ofen herausgeschoben wird.
Das Erz und die Biomasse sollten vorzugsweise in einem engen Kontakt miteinander sein, damit der Prozess effizient ablaufen kann. Um dies zu erzielen, können verschiedene Methoden angewendet werden, von denen eine Brikettierung nur ein Beispiel ist. Andere Optionen sehen ein Erz-Biomasse-Mischen und ein folgendes Rollpressen zu Platten vor, die natürlich (oder absichtlich) aufgebrochen werden, bevor sie geladen werden. Es kann auch eine Art eines nicht-agglomerierten Ladens in die Öfen wie etwa eine alternierende Schichtung von Erz und Biomasse (ähnlich wie bei einem Stampfladen) verwendet werden.
In der folgenden Beschreibung werden Erz-Biomasse-Briketts verwendet.
Die Briketts können durch eine beliebige, geeignete Methode hergestellt werden. Zum Beispiel werden abgemessene Mengen von Eisenfeinerzen, Biomasse und Wasser (kann wenigstens als Feuchtigkeit in der Biomasse vorhanden sein) und optional ein Flussmittel in eine Mischtrommel (nicht gezeigt) mit einer geeigneten Größe geladen und wird die Trommel gedreht, um eine homogene Mischung zu bilden. Danach kann die Mischung zu einer geeigneten Brikettherstellungsvorrichtung transportiert und zu Briketts kaltgeformt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Briketts ein Volumen von ungefähr 20 cm² auf und enthalten 30-40% Biomasse (z.B. Elefantengras mit 20% Feuchtigkeit). Eine kleine Menge eines Flussmittels (wie etwa Kalkstein) kann enthalten sein, während der Rest aus Eisenerzfeinteilen besteht.
In einer Ausführungsform der Erfindung beginnt der Prozess damit, dass eine Schicht von (gewöhnlich) 800 mm tiefen Eisen-Biomasse-Briketts in einen Chargenofen 5 geladen wird.
Während einer anfänglichen Erhitzungsphase des Verfahrens erzeugt das Erhitzen nur Wasser (d.h. nichts Brennbares für eine Unterstützung einer Flamme). Später in dem Erhitzungsprozess übererzeugt das Brikettbett Brenngas. Zu diesem Zeitpunkt kann überschüssiges Brenngas (zum Beispiel von Wandabzügen des Chargenofens 5) wie oben beschrieben über die Rohre 11 gesammelt werden, die das Brenngas zu dem Kopfteil 7 für eine Verwendung in anderen Chargenöfen 5 in anderen, Brenngas benötigenden Stufen des Prozesses transportieren.
Sobald der Chargenprozesszyklus in einem Chargenofen abgeschlossen ist, wird das Brikettbett aus dem Chargenofen 5 auf ähnliche Weise herausgeschoben wie das für Koks in einem Koksofen getan wird.
Der physikalische Aufbau des soliden DRI-Produkts am Ende des Prozesses ist nicht ausschlaggebend.
Der physikalische Aufbau des Produkts kann brüchig sein und einfach brechen oder kann einem robusten, dreidimensionalen „Schokoladenriegel“ ähnlich sein.
Wie weiterhin in 1 gezeigt, wird das solide DRI-Produkt in eine isolierte Kammer (nicht in 1 gezeigt) geschoben, die dann physikalisch (heiß) zu einem nachgeordneten elektrischen Schmelzofen 17 transportiert wird. Hier nimmt ein Zufuhrsystem (nicht in 1 gezeigt) die heiße Kammer auf und führt sie durch ein System von (zum Beispiel) Schiebern und Brechstangen (nicht in 1 gezeigt), um es in das Bad zu führen.
Es ist zu beachten, dass strukturelle Komponenten, die nicht eigens in 1 gezeigt sind, Standardkomponenten sind, wobei der Fachmann eine geeignete Auswahl dieser Komponenten treffen kann.
Es ist zu beachten, dass das solide DRI-Produkt nicht vollständig aufgebrochen werden muss, um es zu dem elektrischen Schmelzofen 17 zuzuführen, sondern lediglich in Klumpen, die ausreichend klein sind, um für eine bessere metallurgische Kontrolle mehr oder weniger stetig in den Ofen zugeführt werden zu können. Es ist zu erwarten, dass ziemlich große Klumpen (z.B. 20-30 zusammengeklumpte Briketts) durch ein derartiges System gehen können, ohne dass dies zu Problemen führt.
2-4 sind Prozessflussdiagramme, die eine Ausführungsform eines Prozesses und einer Vorrichtung zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen („DRI“) aus kalt geformten Briketts aus Eisenerz und Biomasse in einem der Chargenöfen 5 von 1 zeigen.
Die Prozessflussdiagramme von 2-4 zeigen auch das Transportieren des DRI-Produkts von dem Chargenofen 5 zu einem elektrischen Schmelzofen 17 und das Betreiben des Ofens für das Erzeugen von geschmolzenem Metall gemäß einer Ausführungsform eines Prozesses und einer Vorrichtung zum Erzeugen von geschmolzenem Metall (wie etwa kaltem Roheisen oder Stahl) aus DRI.
Die Daten in den Diagrammen von 2-4 wurden aus einem durch den Anmelder entwickelten Modell erhalten.
Der Prozess und die Vorrichtung von 2 zeigen den Start einer Ausführungsform eines Ofenheizzyklus (die ersten drei Stunden eines 48-Stunden-Zyklus) für einen einzelnen Chargenofen 5.
Es ist zu beachten, dass der Ofenheizzyklus von 2-4 unter Umständen nur für einen der Chargenöfen 5 in der Anordnung von 1 gilt. Es ist weiterhin zu beachten, dass die Startzeiten der Ofenheizzyklen für die Chargenöfen 5 von 1 gestaffelt sein können, um den Anforderungen für an die Brenngaserzeugung und Brenngaszufuhr der verschiedenen Chargenöfen 5 zu entsprechen. Es ist weiterhin zu beachten, dass verschiedene Ofenheizzyklen in den Chargenöfen 5 von 1 verwendet werden können, um die Betriebseffizienz in Bezug auf die Brenngasnutzung (oder andere Faktoren wie etwa vorgeordnete Faktoren der Produktion/Zufuhr von Briketts und nachgeordnete Faktoren der Heißmetallproduktion) zu optimieren.
Wie weiterhin in 2 gezeigt, wird in dieser Ausführungsform ein 59 Tonnen schweres kaltgeformtes Brikettbett in einen Chargenofen 5 geladen, der 4 m breit und 15 m tief ist (800 mm Betttiefe). Die Briketts enthalten 38% Elefantengras mit 20% Wasser, 5% Kalkstein und 57% Pilbara Blend-Eisenerzfeinteile. Das Bett ist kalt, und nur Wasserdampf wird während der ersten dreistündigen Periode des Chargenzyklus freigegeben. Brenngas wird über ein Prozessgasaustauschsystem 7 von anderen Chargenöfen 5 (siehe 1), die sich in den „Brennstoffproduktion“-Stufen ihres Zyklus befinden, erhalten. Das über eine Leitung 9 zu dem Chargenofen 5 zugeführte Brenngas wird mit einer Luft-Sauerstoff-Mischung, die 41 % Sauerstoff enthält, in Brennern 23 in dem Chargenofen 5 verbrannt. Sauerstoff wird mittels einer kryogenen Lufttrennung in einer Sauerstoffanlage 19 auf herkömmliche Weise erzeugt und zu den Brennern über eine Leitung 27 zugeführt. In dem Chargenofen 5 erzeugtes Abgas wird von dem Chargenofen ausgeführt und über eine Leitung 21 für eine nachgeordnete Verarbeitung transportiert und in die Atmosphäre abgelassen.
Die nachgeordnete Verarbeitung von in dem Chargenofen 5 erzeugten DRI-Briketts umfasst das Schmelzen des DRI in einem elektrischen Ofen (Lichtbogenofen bzw. OAF) 17 für das Erzeugen von heißem Metall und das folgende Wandeln zu Stahl in einem BOF (Sauerstoffblaskonverter). Der OAF und der BOF erzeugen brennbare Brenngasströme, die hinsichtlich des Gesamtenergiebedarfs klein sind, aber in den Chargenofenbrennern als ergänzender Brennstoff verwendet werden.
In der dreistündigen Periode (in 2 gezeigt) werden 6570 Nm³ Brenngas von anderen Chargenöfen, vermehrt durch 72,9 Nm³ OAF-Gas und 54,0 Nm³ BOF-Gas, eingeführt.
3 zeigt eine dreistündige Periode in der Mitte des 48-Stunden-Chargenzyklus, wenn Brenngas in dem Chargenofen 5 der Figur erzeugt wird. In dieser Stufe weist das Bett eine Temperatur von ungefähr 800 °C auf und überschreitet die Brenngasproduktion die Anforderungen um 3380 Nm³/3h. Dieser Überschuss wird zu dem gemeinsamen Kopfteil 7 für die Verwendung in anderen Chargenöfen 5 exportiert.
4 zeigt die letzten drei Stunden des 48-Stunden-Chargenzyklus. Zu diesem Zeitpunkt hat das Bett 956°C erreicht und liegt die Metallisierung bei ungefähr 98-99%. In diesem Fall ist nur eine kleine Menge von importiertem Brenngas (310 Nm³/3h) für das Aufrechterhalten einer thermischen Ausgeglichenheit erforderlich.
Dieses Beispiel beruht auf mehreren Annahmen hinsichtlich der kinetischen Parameter, wobei präzise Details aufgrund einer verschiedenen Kinetik abweichen können. Die Prinzipien bleiben jedoch unveränderlich, wie insbesondere der Austausch von Brenngas zwischen Chargenöfen 5 innerhalb eines Ofenclusters (siehe 1), sodass jeder Ofen 5 die gleiche Menge von Brenngas in dem gesamten integrierten Zyklus erzeugt und empfängt. Das hier geschilderte Beispiel beruht auf einer konstanten Luft-Sauerstoff-Mischung für die Gasbrenner (41 Volumenprozent Sauerstoff), wobei zu erwarten ist, dass das Verhältnis von Luft zu Sauerstoff auch als ein zusätzlicher Steuerparameter variiert werden kann, um den Prozess weiter zu optimieren.
Ungefähr 60-70% des Energiebedarfs der Anlage (einschließlich der für den elektrischen Schmelzofen und die Sauerstoffanlage erforderlichen Energie) wird aus Restwärme im Abgas (und Brenngas) aus den Öfen erzeugt. Eine mögliche Alternative besteht darin, auf Sauerstoff zu verzichten und den Prozess statt dessen unter Verwendung von vorgeheizter Luft zu betreiben. Eine Luftvorheizung funktioniert hinsichtlich der Energieausgeglichenheit weitgehend gleich wie eine Sauerstoffanreicherung, wobei Wärme für die Luftvorheizung aus dem heißen Verbrennungsstrom unter Verwendung von (zum Beispiel) Pebble-Heizern erhalten werden kann. Es ist zu erwarten, dass diese Variation ähnliche Eigenschaften der Gesamtleistung aufweist, wobei die Steuerung jedoch aufgrund des geringeren Grads an operativer Flexibilität unter Umständen schwieriger ist.
Nachdem die letzten drei Stunden des 48-Stunden-Chargenzyklus abgelaufen sind, wird das Bett aus dem Chargenofen 5 herausgeschoben und zu der OAF-Einheit 17 (die unabhängig von der Bezeichnung „Open Arc Furnace“ in einem Schmelzreduktionsmodus oder einem Offener-Lichtbogen-Modus betrieben werden kann) transportiert. Flussmittel und Koksgrus werden in dem OAF 17 hinzugefügt, um die chemischen Eigenschaften von Metall-Kohlenstoff und Schlacke zu kontrollieren. Es wird ein heißes Metall (geschmolzenes Roheisen in dieser Ausführungsform) erzeugt, das gekühlt und zu Masseln gegossen oder direkt (in flüssiger Form) zu einem Stahlherstellungsgefäß (BOF oder EAF) geführt werden kann.
Es können zahlreiche Modifikationen an der oben beschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
Zum Beispiel verwendet die Ausführungsform von 2-4 ein 59 Tonnen schweres kaltgeformtes Brikettbett, das in einen Chargenofen 5, der 4 m breit und 15 m tief ist (800 mm Betttiefe) geladen wird, wobei die Briketts 38% Elefantengras (mit 20% Wasser), 5% Kalkstein und 57% Pilbara Blend-Eisenerzfeinteile enthalten. Es sollte jedoch deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf ein Brikettbett mit dieser Größe und diese Zusammensetzung der Briketts beschränkt ist.
Referenzen

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2. Strezov, V., Iron ore reduction using sawdust: experimental analysis and kinetic modelling, renewable Energy 31 (12) 1892-1905, Oct 2006
3. Madias, J. und De Cordova, M., Nonrecovery/heat recovery cokemaking: a review of recent developments, AIS Tech 2011 proceedings Vol 1 235-251

Claims

Prozess zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (Direct Reduced Iron bzw. DRI), auch Eisenschwamm genannt, aus Eisenerz und Biomasse, der das Erhitzen einer Charge aus Eisenerz und Biomasse in einem Chargenofen in einem Temperaturbereich von 700-1100 °C in einer Chargenzykluszeit von 10-100 Stunden, das Reduzieren des Eisenerzes, das Ausbilden eines soliden DRI-Produkts mit einer Metallisierung von 80-99% und gewöhnlich 90-99%, das Erzeugen eines Abgases, das Ausführen des soliden Produkts am Ende des Chargenzyklus und das Ausführen des Abgases während des Chargenzyklus umfasst.
Prozess nach Anspruch 1, wobei der Chargenofen ein statischer Ofen ist.
Prozess nach Anspruch 1 oder 2, der das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases in einem oberen Raum des Chargenofens erzeugten Wärme umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, der das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases in einem unteren Raum des Chargenofens erzeugten Wärme umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, der das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases mit einer nominell kalten Sauerstoff-Luft-Mischung mit mindestens 25% Sauerstoff in der Luft-Sauerstoff-Mischung (berechnet als ein gemischter Strom unabhängig davon, ob Luft und Sauerstoff (a) tatsächlich vorgemischt werden oder (b) unabhängig als zwei individuelle Ströme zu den Gasbrennern zugeführt werden) erzeugten Wärme umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, der das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases mit heißer Luft in einem Temperaturbereich von 400-1200 °C erzeugten Wärme umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, der das Erhitzen der Charge aus Eisenerz und Biomasse mittels einer durch die Verbrennung eines Brenngases mit einer Kombination aus heißer Luft (in einem Temperaturbereich von 25-1200 °C) und kaltem Sauerstoff, wobei die heiße Luft und der Sauerstoff entweder vorgemischt werden oder als individuelle Ströme zu Gasbrennern zugeführt werden, erzeugten Wärme umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozentsatz von Biomasse in der zu dem Chargenofen zugeführten Charge 20-50 Gewichtsprozent auf einer nassen (wie geladen) Basis des Gesamtgewichts der Charge beträgt.
Prozess nach Anspruch 8, wobei der Rest der zu dem Chargenofen zugeführten Charge (a) Eisenerz, (b) Fluss-/Bindemittel und (c) optional ein kohlenstoffhaltiges Material, das Kohle oder eine vorgekohlte Biomasse sein kann, mit einem Anteil von < 5% des Gesamtgewichts der Charge umfasst.
Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Prozentsatz von Biomasse in der zu dem Chargenofen zugeführten Charge 30-40 Gewichtsprozent auf einer nassen (wie geladen) Basis des Gesamtgewichts der Charge beträgt.
Prozess nach Anspruch 10, wobei der Rest der zu dem Chargenofen zugeführten Charge (a) Eisenerz, (b) Fluss-/Bindemittel und (c) optional ein kohlenstoffhaltiges Material, das Kohle oder eine vorgekohlte Biomasse sein kann, mit einem Anteil von < 5% des Gesamtgewichts der Charge umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, der das Erhitzen von Eisenerz und Biomasse zu 800-1000 °C in der Chargenzykluszeit und das Reduzieren von Eisenerz zu einer Metallisierung von 85-98% umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Chargenzykluszeit 30-60 Stunden beträgt.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Eisenerz und die Biomasse in der Charge von Eisenerz und Biomasse in dem Chargenofen geschichtet werden, sodass wenigstens eine Schicht aus Eisenerz zwischen einer vorausgehenden und einer folgenden Schicht aus Biomasse angeordnet ist.
Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Eisenerz und die Biomasse in der Charge von Eisenerz und Biomasse vorgemischt werden, wenn die Charge geformt wird, um nicht-gleichmäßige Reduktionszonen in der Charge in dem Chargenofen zu vermeiden.
Prozess nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Charge aus Erz und Biomasse Briketts aus Eisenerz und Biomasse umfasst, um nicht-gleichmäßige Reduktionszonen in der Charge in dem Chargenofen zu vermeiden.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, der das Betreiben einer Vielzahl von Chargenöfen umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, der das Verwenden wenigstens eines Teils eines Abgases, das von wenigstens einigen aus der Vielzahl von Chargenöfen ausgeführt wird, als einer Energiequelle, d.h. als eines Brenngases, in anderen Chargenöfen aus der Vielzahl von Chargenöfen für das Ausgleichen von Wärmezufuhr und Bedarfsanforderungen umfasst.
Prozess nach einem der vorstehenden Ansprüche, der das Transportieren des soliden Produkts (gewöhnlich im heißen Zustand) von dem Chargenofen im Fall der Ansprüche 1 bis 16 oder von der Vielzahl von Chargenöfen im Fall der Ansprüche 17 und 18 zu einem elektrischen Schmelzofen, das Verarbeiten des soliden Produkts in dem elektrischen Schmelzofen und das Erzeugen von geschmolzenem Metall wie etwa Roheisen oder Stahl und eines Abgases umfasst.
Prozess nach Anspruch 19, der die Verwendung des Lichtbogenofen-Brenngases als einer Energiequelle in dem Chargenofen umfasst.
Prozess zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (Direct Reduced Iron bzw. DRI), auch Eisenschwamm genannt, aus Eisenerz und Biomasse, der das Betreiben einer Vielzahl von Chargenöfen gemäß dem oben beschriebenen Prozess unter Verwendung wenigstens eines Teils eines von wenigstens einem Chargenofen ausgeführten Abgases als einer Energiequelle, d.h. als eines Brenngases, in wenigstens einem anderen Chargenofen und das Steuern der Chargenzyklen und Betriebsbedingungen in den Chargenöfen für ein Ausgleichen der Wärmezufuhr und der Bedarfsanforderungen zwischen den Chargenöfen umfasst.
Prozess zum Erzeugen von geschmolzenem Metall (wie etwa kaltem Roheisen oder Stahl) aus direkt reduziertem Eisen (Direkt Reduced Iron bzw. DRI), auch Eisenschwamm genannt, der das Durchführen des oben beschriebenen Prozesses, das Erzeugen eines soliden DRI-Produkts, das Transportieren der soliden DRI-Produkts zu einem elektrischen Schmelzofen, das Verarbeiten des soliden Produkts in dem elektrischen Schmelzofen und das Erzeugen von geschmolzenem Metall wie etwa Roheisen oder Stahl umfasst.
Vorrichtung zum Erzeugen von direkt reduziertem Eisen (Direct Reduced Iron bzw. DRI), auch Eisenschwamm genannt, die eine Vielzahl von Chargenöfen für das Erzeugen von Chargen von DRI aus Chargen von Eisenerz und Biomasse und eine Gassammel-/Gasverteilungsanordnung, die die Chargenöfen verbindet, umfasst, wobei die Gassammel-/Gasverteilungsanordnung einen gemeinsamen Kopfteil und sich zwischen den Chargenöfen und dem Kopfteil erstreckende Rohre für das Zuführen von Brenngas zu dem Kopfteil und für das Zuführen von Brenngas von dem Kopfteil zu den Chargenöfen umfasst.
Vorrichtung zum Erzeugen von geschmolzenem Metall (wie etwa kaltem Roheisen oder Stahl) aus einem soliden DRI-Produkt, die die oben beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen eines DRI-Produkts und einen elektrischen Schmelzofen für das Erzeugen von geschmolzenem Metall wie etwa Roheisen oder Stahl aus dem soliden DRI-Produkt umfasst.