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Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Reduktionsofens Bei den elektrischen
Reduktionsöfen wird der elektrische Strom dazu verwandt, den Wärmebedarf einschließlich
der Wärmeverluste für die Reduktion des Metalloxydes mit Hilfe von Kohlenstoff zu
decken. Hierbei entsteht ein Reaktionsgas, das zum größeren Teil aus Kohlenmonoxyd
und zum kleineren Teil aus Kohlendioxyd besteht. Die Menge des Reaktionsgases ist
bei den bekannten elektrischen Reduktionsverfahren gegeben durch die Menge des Sauerstoffs,
der aus dem Metalloxyd mit Hilfe von Kohlenstoff entfernt wird. Zum Beispiel beträgt
bei der Reduktion von Eisenerzen mit Kohlenstoff in einem elektrischen Reduktionsofen
die Menge des Reaktionsgases etwa 600 Nm3lt ausgebrachtes Roheisen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit Hilfe dessen
die Menge des Reaktionsgases, die im elektrischen Reduktionsofen entsteht, über
die aus der Reduktionsreaktion stöchiometrisch sich ergebende Menge hinaus gesteigert
wird, und zwar durch Einblasen von Sauerstoff in den Reduktionsofen, derart, daß
der Sauerstoff mit dem Kohlenstoff der Beschickung verbrennt. Dieses Verfahren nach
der Erfindung hat gegenüber dem bekannten Verfahren ohne Sauerstoffeinblasen verschiedene
Vorteile, je nachdem, für welchen Reduktionsprozeß das Verfahren angewandt wird.
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Die wichtigste Anwendungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist
die beim elektrisch erhitzten Fließbettofen. Es sind Verfahren bekannt, bei denen
ein Fließbett aus staubförmigem bis feinkörnigem Brennstoff als elektrischer Widerstand
zwischen in das Fließbett eintauchende Elektroden geschaltet ist und auf diese Weise
elektrisch erhitzt wird. In dieses Elektrofließbett wird Eisenerz eingebracht, das
durch die Einwirkung des Kohlenstoffs bei entsprechend hohen Temperaturen reduziert
wird. Das hierbei entstehende Reduktionsgas dient als gasförmige Komponente für
die Aufrechterhaltung des Brennstofffließbettes. Die Durchführbarkeit eines derartigen
Verfahrens ist davon abhängig, ob die bei der Reduktion entstehende Gasmenge ausreicht,
um die Brennstoffteilchen als Fließbett in der Schwebe zu halten. Im Fall, daß -
wie es zwecks Erzielung eines niedrigen Stromverbrauches pro Tonne reduziertes Eisen
erforderlich ist - das Eisenerz außerhalb des Fließbettofens mittels der Abgase
desselben vorreduziert wird, kann die durch den Abbau des mit dem Eisen verbundenen
Restsauerstoffs des Erzes im Fließbett entstehende Gasmenge so klein werden, daß
ein Fließbettbetrieb nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Es ist in diesem Fall
deshalb notwendig, im Fließbett weitere Gasmengen zur Verfügung zu haben, die die
Brennstoffteilchen in der Schwebe halten.
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Dieselben Bedingungen liegen vor, wenn an sich nicht vorreduziertes
Erz in das Brennstofffließbett eingeführt wird, wenn aber die Brennstoffkörnung
relativ grobkörnig ist, z. B. in einer Korngröße von 2 bis 5 mm. In diesem Fall
reicht die nach oben in dem Fließbett gerichtete Gasgeschwindigkeit; die aus der
Reduktion des Eisenoxydes sich ergibt, nicht aus, um die Kohleteiichen in der Schwebe
zu halten. Es ist hierfür die Einführung weiterer Gas= mengen in das Fließbett erforderlich.
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Es ist auch früher bereits vorgeschlagen worden, im Fall der Reduktion
von Eisenerzen im Fließbett zusätzliche Gase in das Fließbett einzuführen. Dieser
Vorschlag hat aber den wesentlichen Nachteil, daß diese Gase im Fließbett auf die
hohe Temperatur desselben erhitzt werden müssen, wenn man nicht die erhebliche Komplizierung
der Aufheizung derselben außerhalb des Fließbettes in Kauf nehmen will. Das Einblasen
von Sauerstoff in das Fließbett gemäß der vorliegenden Erfindung hat den wichtigen
Vorteil, daß durch die Verbrennung des Sauerstoffs innerhalb des Fließbettes zusätzlich
zur Elektrowärme Verbrennungswärme erzeugt wird, die einmal dazu dient, das eingeblasene
Gas auf die Fließbettempe= ratur zu erhitzen und deren beträchtlicher Überschuß
dazu dient, den Verbrauch des Prozesses an elektrischer Energie zu vermindern.
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Der letztere Vorteil liegt gleichfalls vor, wenn das Einblasen von
Sauerstoff statt in einem Fließbettreduktionsofen in einem normalen elektrischen
Reduktionsofen bekannter Bauart mit festlieizendem
Bett erfolgt.
Auch in diesem Fall dient die durch die Verbrennung des Sauerstoffs mit dem Brennstoff
der Beschickung entstehende Wärmemenge dazu, den Verbrauch an elektrischer Energie
zu verringern.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung sowohl
bei der Reduktion. von Eisenerzen im Elektrofließbett wie im normalen elektrischen
Reduktionsofen mit festliegendem Bett besteht darin, daß die für die Vorreduktion
des Erzes außerhalb des Elektroreduktionsofens zur Verfügung stehende Gasmenge vergrößert
wird. Es ist verschiedentlich vorgeschlagen worden, das aus dem elektrischen Reduktionsofen
entweichende Kohlenoxydgas für die Vorreduktion des Erzes und für die Vorwärmung
des Möllers außerhalb des elektrischen Reduktionsofens heranzuziehen. Diese Vorschläge
haben bisher eine Begrenzung ihrer wirtschaftlichen Möglichkeiten darin, daß die
aus dem Abbau der Eisenoxyde mit Kohlenstoff entstehenden Gasmengen nur für eine
relativ geringe Vorreduktion und Vorwärmung ausreichen. So kann z. B. mit Hilfe
der Ofenabgase ein etwa 20%iger Sauerstoffabbau außerhalb des elektrischen Reduktionsofens
und eine Vorwärmung des Möllers von etwa 800° C erzielt werden. Der Stromverbrauch
könnte beträchtlich abgesenkt werden, wenn es möglich wäre, die Vorreduktion auf
über 50% zu steigern bei einer Vorwärmung von 800 bis 1000° C. Das Verfahren nach
der Erfindung gibt die Möglichkeit zu einer derartigen Verbesserung der elektrischen
Reduktion von Eisenerzen.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung bei elektrischen
Fließbettöfen und bei elektrischen Festbettöfen besteht darin, daß es die Möglichkeit
bietet, den Reaktionsraum des Ofens besser auszunutzen. Vor allem bei elektrischen
Festbettöfen ist es bekannt, daß die elektrisch erzeugte Wärme in einem verhältnismäßig
kleinen Bereich des Ofenherdes konzentriert ist. Ein großer Teil des Rauminhaltes
des Ofenherdes bleibt wesentlich kälter. Die Reaktionsgeschwindigkeit und die Raumausnutzung
in diesem Teil des Ofenherdes bleiben deshalb relativ klein. Bei der Anwendung des
Verfahrens nach der Erfindung kann nun die Einblasung des Sauerstoffs so gelenkt
werden, daß der Sauerstoff in der Hauptsache in den Bereichen des Ofenherdes verbrannt
wird, die bisher durch den elektrischen Strom nur relativ mangelhaft erwärmt werden.
Auf diese Weise wird eine gleichmäßigere Wärmeerzeugung über den gesamten Ofenquerschnitt
und eine entsprechende Produktionssteigerung in einem gegebenen Ofenvolumen erzielt.
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Es ergibt sich hieraus der wichtige Tatbestand, daß bei dem Verfahren
gemäß der Erfindung das Einblasen von Sauerstoff in einen Schachtofen und die elektrische
Erhitzung des Schachtofens einander vorteilhaft ergänzen. Bei einem nur elektrisch
erhitzten Schachtofen, bei dem zwecks Vermeidung zu hoher Wirkverluste die Stromzuführungselektroden
in der Mitte angeordnet sein müssen und nur einen begrenzten Abstand voneinander
haben dürfen, erfolgt die Konzentrierung der Wärmeenergie in der Ofenmitte. Bei
einem nur mit Sauerstoff geblasenen Schachtofen, bei dem normalerweise die Einblasedüsen
in der Ofenwand angeordnet sind, erfolgt die Wärmeentwicklung in einem Ringraum
nahe der Ofenwand, während die Ofenmitte relativ kalt bleibt (»Toter Mann«). Auch
bei solchen mit Sauerstoff geblasenen Schachtöfen, die infolge eines geringen Herddurchmessers
die Erscheinung des »toten Mannes« nicht aufzuweisen haben, bringt das Verfahren
nach der Erfindung beträchtliche Vorteile. In der deutschen Auslegeschrift 1014745
ist dargelegt, daß bei solchen mit Sauerstoff betriebenen Schachtöfen beträchtliche
Schwierigkeiten dadurch auftreten, daß sich wulstartige Ringe von erstarrtem Material
im Unterteil des Ofens herausbilden. Solche wulstartigen Ringe werden bei der Anwendung
des Verfahrens nach der Erfindung ganz oder teilweise dadurch unmöglich gemacht,
daß als zusätzliche Wärmequelle im Bereich dieser Ringe der elektrische Strom zur
Geltung kommt, durch dessen Wärmeerzeugung die erstarrten Bestandteile verflüssigt
werden, ohne daß die in der deutschen Auslegeschrift beschriebenen Maßnahmen komplizierender
Art angewandt werden müssen.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann in verschiedener Weise abgewandelt
werden, je nach der Anwendungsform und den herzustellenden Produkten.
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So kann z. B. das Einblasen des Sauerstoffs in horizontaler Richtung
durch in der Ofenwand angebrachte Einblasedüsen erfolgen. Dieses ist die vornehmliche
Anwendungsform im Fall des elektrischen Festbettofens.
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Das Einblasen kann aber auch schräg von oben oder vertikal von oben
erfolgen. Dies ist die vornehmliche Anwendungsform bei dem elektrischen Fließbettofen.
In beiden Fällen kann die Anordnung der Einblasedüsen sowie deren Blasrichtung und
Einblasegeschwindigkeit so gewählt werden, daß der eingeblasene Sauerstoff die Schlackenschicht
des Ofens und/oder die Schicht des flüssigen Eisens erreicht und hierbei an sich
bekannte Oxydationswirkungen hervorruft.
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Der eingeblasene Sauerstoff kann in Form von hochkonzentriertem Sauerstoff
eingeblasen werden. Es können aber auch Mischungen mit inerten Gasen, wie Stickstoff
oder anderen Reaktionsgasen, wie Wasserdampf und Kohlensäure, zur Anwendung gelangen.
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Des weiteren sollen in den elektrischen Reduktionsofen Mischungen
von Sauerstoff mit Brennstoffen, wie Öl, Kohlenstaub, brennbare Gase, eingeblasen
werden, die entweder kurz vor dem Eintritt in den Reduktionsofen oder in diesem
selbst mit dem Sauerstoff verbrennen.