DE1958214A1

DE1958214A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einblasen eines reduzierenden Gases in einen Hochofen

Info

Publication number: DE1958214A1
Application number: DE19691958214
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Hara; Hyogo Himeji; Masaaki Iguchi; Kazuo Omori
Original assignee: Fuji Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Fuji Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 1968-11-20
Filing date: 1969-11-19
Publication date: 1970-07-30
Also published as: CA939505A; GB1277606A; DE1958214B2; US3759698A; NL147480B; FR2023710A1; NL6917494A

Description

Dipl.-Ing. H. Sauenland · Dr.-Ing. R. König Patentanwälte · 4oqd Düsseldorf ■ Cecilienallee ve · Telefon 43273a

18ο November 1969 Unsere Akte; 25 374 111/Fu₀

Fuji Iron & Steel Co., Ltd₀, No₀ 10-1, 3~chome, Marunouchi,, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

"Verfahren und Vorrichtung .zum Einblasen eines reduzierenden Gases in einen Hochofen"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einblasen eines reduzierenden Gases in einen Hochofen, mit dem der Koksverbrauch beim Erschmelzen von Roheisen verringert und die Wirtschaftlichkeit des Hochofenprozesses verbessert werden kann₀

Es sind bereits eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, in einem separaten Aggregat hergestellte reduzierende Gase in einen Hochofen einzublasen₀ Die dabei auftretenden Probleme konnten aber bislang noch nicht gelöst werden, so daß noch kein wirtschaftlich arbeitendes Verfahren bekannt geworden ist«,

Ein wichtiges Problem liegt in der ständigen Änderung der Zusammensetzung und Temperatur des Reduktionsgases in Abhängigkeit vom Druck des Hochofens. Selbst bei konstantem Ofendruck ist der von dem in den Ofen eingeblasenen reduzierenden Gas zu überwindende Gegendruck wegen der sich ändernden Teilchengröße und dem Erweichen des Möllers in der Nähe der Einblasöffnung sowie des Anbackens und Lösens von Mölleransätzen im Bereich der Einblasöffnung schwankend. Die Druckschwankungen über-

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mm 2. —

tragen sich von der Düse durch die Gasleitung auf den Gasgenerator, so daß auch die Beschickung des Gasgenerators, d.ho die Mengen an Brennstoff, beispielsweise Kohle, Erdöl und Erdgas, an Sauerstoffträgern, "beispielsweise Luft oder Sauerstoff, und Dampf sowie der Verbrauch an kompressiblen Gasen wie gasförmige Brennstoffe, Oxydationsmittel und Dampf merklich schwankt und dementsprechend die Zusammensetzung und Temperatur des reduzierenden Gases unterschiedlich ist_o

So vermindert sich beispielsweise bei einem plötzlichen Anstieg des Einblasdruckes des reduzierenden Gases und konstanter Aufgabe von festem oder flüssigem Brennstoff mittels einer Pumpe der Verbrauch an Oxydationsmittel und Dampf, so daß der Anteil unverbrannter Bestandteile wie Ruß und Methan im Reduktionsgas ansteigt und die Temperatur des Gasgenerators augenblicklich abfällt«,

Sinkt der Einblasdruck des Reduktionsgases plötzlich, so wird augenblicklich eine große Menge Oxydationsmittel und Dampf zugeführt, so daß der Brennstoff explosionsartig verbrennt und die Gefahr einer Explosion besteht Ähnliche Schwierigkeiten können sich bei der Benutzung gasförmiger Brennstoffe ergeben, wenn die Charakteristiken der Mengenmesser für die Ausgangsstoffe nicht übereinstimmen. Aber selbst wenn es angesichts der großen Wärmeentwicklung bei der vorerwähnten starken Verbrennung . nicht zu einer Explosion kommt, steigt die Temperatur des Gasgenerators, so daß nicht nur das Generatorfutter sondern auch der Brenner anschmelzen und beschädigt werden. Dadurch wird der Generatorgang häufig εο beeinträoli« tigt, daß es unmöglich ist, weiterhin Reduktionsgas in den Hochofen einzublasen_o

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Wegen der Schwankungen bei den dem Generator zugeführten Ausgangsstoffen- ergibt sich eine ständige Änderung der Temperatur und Reduktionswirkung des Gases, die durch die folgende Gleichung für die Reduktionsziffer R definiert ist:

CO-+ H₉

CO₂ + H₂O.

Beim Einblasen eines solchermaßen schwankenden Reduktionsgases ändern sich die Reduktionsbedingungen im Hochofen, ins* besondere die Ausnutzung des Wasserstoffs und die Gasdurchlässigkeit der Beschickung entsprechend«, Wegen der Änderung der Reduktionsbedingungen schwanken auch der Siliziumgehalt des Roheisens und der Niedergang des Möllers, so daß ein gleichmäßiger Ofenbetrieb unmöglich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert; in der Zeichnung beinhalten Fig. 1 bis 4 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Druckänderungen im Gasgenerator und der Temperatur sowie der Reduktionsziffer des Gases * Dabei sind die Aufgabe der Ausgangsmaterialien für den Gasgenerator mit (a) und die Ofenbedingungen des Hochofens mit (b) gekennzeichneto' Im einzelnen beziehen sich

Fig_o 1 (a) auf eine übliche Steuerung

(b) auf einen zum Hängen und Stürzen neigenden Hochofen,

Fig, 2 (a) auf eine Steuerung gemäß Fig. 1,

(b) auf eine zum Zusetzen neigende Düse für das Reduktionsgas,

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Fig» 3 (a) auf eine erfindungsgemäße Steuerung,

(b) auf einen zum Hängen und Stürzen neigenden Hochofen gemäß Fig. 1,

Fig. 4 (a) auf eine erfindungsgemäße Steuerung wie Fig_e 3» (ta) auf eine zum Zusetzen neigende Düse für das Reduktionsgas wie Fig, 2,

FJg₀ 5 auf die Abhängigkeit der Wasserstoffausnutzung von der Temperatur des eingeblasenen Reduktionsgases,

Fig« 6 auf das kritische Druckverhältnis beim Betrieb des des Gasgenerators mit beispielsweise Erdgas,

Fig» 7 auf die Beziehung der spezifischen Wärme zum kritischen Druckverhältnis bei der Verwendung von Brenngasen,

Fig» 8 auf eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß betriebenen Hochofenanlage,

Fig. 9 auf eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Steuern der Generatorbeschickung,

Fig. 10 bis 14 auf Blockdiagramme bzw. schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Temperatursteuerung des Reduktionsgases für den Fall einer Kühlung durch Beimischen eines Reduktionsgasstromes niedrigerer Temperatur, und im einzelnen

Fig. 10 auf ein Blockdiagramm für die Verwendung eines Teilstromes des Reduktionsgases hoher Temperatur,

Fig. 11 auf ein Blockdiagramm für das Beimischen eines Reduktionsgases niedrigerer Temperatur aus einem Vorratsbehälter,

Fig. 12 auf ein Blockdiagramm einschließlich der Vorrichtung nach Fig. 10 und eines Abhitzekessels,

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Figo 15 auf ein Blockdiagramm einschließlich der Vorrichtung nach Fig. 10 und eines Abhitzekessels,

Fig«, 14 auf eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Intensivkühlers.

Zunächst werden anhand der Figuren 1 und 2 die Schwierigkeiten bei der herkömmlichen Steuerung der gasförmigen Ausgangsstoffe und des schweren Heizöls unter Verwendung einer Pumpe mit Volumenkonstanz erläuterte

Figo 1 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen dem Ofendruck, der Temperatur und der Reduktionsziffer des in einem Gasgenerator erzeugten Reduktionsgases für"den Fall eines zum Hängen und Stürzen neigenden Hochofens.

Wie sich aus den Kurven ergibt, spricht bei einem allmählichen Ansteigen des Ofendrucks (a) zu Beginn des Hängens die übliche Steuerung hinreichend an und kann der Verbrauch des Generators an gasförmigen Ausgangsstoffen etwa konstant gehalten werden. Fällt jedoch der Ofendruck jenseits der Ansprechempfindlichkeit der Steuergeräte (b) während des Stürzens ab, wird das Verhältnis der Brennstoffmenge, des Sauerstoffs und des Wasserdampf sofort gestört und ergibt sich demzufolge eine Schwankung der Gastemperatur und der Reduktionsziffer. Insbesondere führt eine so plötzliche Temperaturänderung zu einem schwererwiegenden Problem das weiter unten des näheren erläutert wird.

Fig., 2 zeigt die sich ändernde Beziehung zwischen dem Einblaswiderstand und der Temperatur sowie der Reduktiönsziffer des Reduktionsgases für den Fall eines Zuwachsens der Gasdüse.

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Übersteigt die Temperatur des Reduktionsgases die Erweichungstemperatur des Möllers, wird der Möller im Bereich der Düse aufgeschmolzen und setzt sich an der Düse fest, so daß deren Austrittsquerschnitt verringert wird und der Druck des Reduktionsgases plötzlich ansteigt (c), als Folge davon fallen die Sauerstoff- und Dampfmengen plötzlich ab. Wenn sich der Ansatz an der Düse dann aber plötzlich wieder löst, fällt der Druck des Reduktionsgases augenblicklich, ab (d), so daß ebenso plötzlich der Verbrauch an Sauerstoff und Dampf ansteigt» Bei einer ™ schnellen und starken Änderung des Gasdruckes bleiben aber die Verbrauchsmengen der vorerwähnten Ausgangsstoffe eine gewisse Zeitlang konstant, obgleich sich die Abweichung von dem vorgegebenen Wert allmählich verringert, so daß die Temperatur und Reduktionswirkung des Abgases merklich schwanken.

Bei einer solchen plötzlichen Druckschwankung bringt der Generatorbetrieb erhebliche Gefahren mit sich. Der Anteil an unverbrannten Bestandteilen im Reduktionsgas steigt mit der Erhöhung des Einblasdrucks, so daß es bei sinkendem Einblasdruck und demzufolge erhöhtem Sauerstoffangebot zu einer explosionsartigen Verbrennung einer großen Menge der unverbrannten Bestandteile kommt. Wiederholt sich dieses Spiel, so kann es schließlich zu einer Explosion kommen, die den Gasgenerator zerstört und Ie- · bensgefährlich ist.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß es ohne Lösung des ersten der eingangs erwähnten Probleme unmöglich ist, ein Reduktionsgas gleichbleibender Zusammensetzung stetig in einen Hochofen einzublasen.

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Das zweite der eingangs erwähnten Probleme besteht darin, •daß die Temperatur eines im Gasgenerator unter wirtschaftlichen Bedingungen erzeugten Reduktionsgases im allgemeinen höher ist als die beim Einblasen des Gases in den Hochofen zulässige Höchsttemperatur,, Dabei sollte wegen der Abhängigkeit der richtigen Temperatur des Reduktionsgases von der Möllerzusammensetzung und des Mischungsgrades desselben sowie der Ofenbedingungen die Einblastemperatur des Reduktionsgases in Abhängigkeit von der Hochofentemperatur gesteuert werden, da sie sich über die Kühlung mittels eines üblichen Abhitzekessels nicht ausreichend einstellen läßt_e In Sonderheit müssen im Hinblick auf einen wirtschaftlichen Ofenbetrieb die Reduktionsziffer größer als 3 oder für den Fall der Verwendung schweren Heizöls als Brennstoff der Anteil unverbrannter Bestandteile 1 bis 4%, bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des Öls, betragen. Bei wirtschaftlicher Erzeugung übersteigt die Temperatur eines solchen Reduktionsgases 14OO°C. Andererseits ist es von der Wirksamkeit des Reduktionsgases her betrachtet unter Zugrundelegung der Wasserstoffausnutzung gemäß Fig. 5 ausreichend, wenn die Gastemperatur etwa 850⁰C beträgt (Fig. 5) ο

Bei dem Diagramm der Fig. 5 ist auf der Ordinate die Wasserstoffausnutzung und auf der Abszisse die Temperatur des Reduktionsgases aufgetragen; die Verknüpfung dieser beiden Variabelri zeigt die Kurve e. Während die Wasserstoff ausnutzung unterhalb 850⁰C merklich abfällt, bleibt sie oberhalb 850⁰C angesichts der nur äußerst leichten Steigung praktisch konstant. Von der Wärmewirtschaft des Hochofens aus betrachtet, sollte die Gastemperatur dagegen so hoch wie möglich sei. Die Erweichungstemperatur des Möllers liegt bei etwa 900 bis 1200⁰C je nach der Zusammensetzung und Durchmischung.

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Beim Einblasen eines Reduktionsgases, dessen Temperatur den Erweichungspunkt des Möllers übersteigt, kommt es im Bereich der Düse zu einem teilweisen Aufschmelzen und Verkleben des Brenners, wodurch die Gasdurchlässigkeit der Beschickung und der Niedergang des Möllers im Ofen beeinträchtigt werden, so daß ein gleichmäßiger Ofengang unmöglich wird«

Bei den herkömmlichen Abhitzekesseln, deren Kühlwirkung durch die Kühlfläche bestimmt wird, ist eine Steuerung der Gaskühlung praktisch unmöglich, auch wenn Menge und Druck des Kühlwassers geregelt werden. Außerdem schwankt die Kühlwirkung in Abhängigkeit von der sich auf der Wärmeaustauschfläche absetzenden und wieder lösenden Menge an Ruß. Demzufolge eignet sich ein solcher Abhitzekessel ohne besondere Maßnahmen nicht für eine feinfühlige Temperatursteuerung, wie sie die Erfindung angesichts der großen Menge zu kühlenden Reduktionsgases hoher Temperatur erfordert.

Die Dritte der eingangs erwähnten Schwierigkeiten betrifft die Beeinflussung eines Reduktionsgases schwankender Temperatur und sich ändernder Reduktionswirkung in der Anfahrphase des Gasgenerators.

Um einen Hochofen gleichmäßig zu fahren, ist es erforderlich, ein Reduktionsgas mit nahezu konstanter Temperatur und Reduktionsziffer in den Ofen einzublasen, denn jegliche Schwankung wirkt sich auf den Ofengang nachteilig aus. Demzufolge sollte ein Reduktionsgas mit schwankender Temperatur und sich ändernder Reduktionsziffer nicht direkt in den Hochofen eingeblasen, sondern zunächst normalisiert werden.

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Die vierte Schwierigkeit besteht in der Verwendung des Reduktionsgases/bei kurzfristigem Stillsetzen des Hochofens. Wird nämlich der Betrieb des Gasgenerators während eines kurzfristigen Stillsetzens des Hochofens zum Reparieren des Schlackenlochs oder der Windformen unterbrochen, so ergeben sich verschiedene Probleme, beispielsweise die Gefahr einer Futterbeschädigung infolge der unvermeidlichen Temperaturänderung beim Stillsetzen des Generators, Schwierigkeiten beim Anfahren und Stillsetzen des Generators und eine Verzögerung des Einblasens von Reduktionsgas in den Hochofen während der Anfahrphase„ Diese Schwierigkeiten beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit der Gaserzeugung und -verwendung.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die vorerwähnten Schwierigkeiten zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen eines Reduktionsgases außerhalb des Hochofens bzw. zum Einblasen desselben in den Hochofen zu schaffen, bei dem fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoff, Sauerstoff oder Luft und Dampf einem Gasgenerator gesteuert zugeführt werden,,

Die Gase werden dem Generator über einen Brenner über Mengenmesser zugeführt. Dabei hängt der Gasdruck hinter dem Mengenmesser vom Gasdruck im Generator und dem Druckabfall im Brenner ab; er schwankt in der oben erwähnten Weise» Aus diesem Grunde wird der Gasdruck vor dem Gasmengenmesser erfindungsgemäß konstant gehalten, so daß das Verhältnis der Gasdrücke hinter und vor dem Gasmengenmesser das sich aus^:der Hydrodynamik ergebende kritische Druckverhältnis nicht übersteigt«, Außerdem wird das im Gasgenerator erzeugte Reduktionsgas mit gesteuerter Temperatur in den Hochofen eingeblasen.

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Weiterhin besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Einstellen der Temperatur des vorerwähnten Reduktionsgases, dem erfindungsgemäß ein Reduktionsgasstrom niedrigerer Temperatur beigemischt wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Reduktionsgas, die im wesentlichen aus einem Generator mit Zuführungen für die Ausgangsstoffe unter konstantem Druck und einer Temperatursteuerung für das . Reduktionsgas besteht, die die hohe Temperatur des Re-™ duktionsgases auf die richtige Einblastemperatur verringerte Die Vorrichtung besteht des weiteren aus einem Absperrventil für das in den Hochofen einzuleitende Reduktionsgas, mit dem ein Eindringen von Hochofengas in die Reduktionsgasleitung verhindert werden kann, sowie einer Reduktionsgasdüse und den verschiedensten Rohrleitungen mit den verschiedensten Abzweigungen und einem rasch wirkenden Kühler mit einem nachgeordneten Absperrventil .

Schließlich gehört zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch eine Steuerung für die Temperatur des dem Hochofen ^ zugeführten Reduktionsgases, die ein Abkühlen des heißen Reduktionsgases durch Beimischen eines Gases mit niedrigerer Temperatur bewirkt.

Es wurde festgestellt, daß sich die Schwankungen der . Gaszusammensetzung und -temperatur mit Hilfe der bekannten hydrodynamischen Gesetzmäßigkeiten beherrschen lassen» So ist es bekannt, daß beim Strömen eines korn- . pressiblen Gases in einer Rohrleitung mit einer Verengung oder einem ähnlich wirkenden Einbau, wenn der Druck eingangsseitig konstant gehalten wird, das Verhältnis

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.vom Eingangsdruck zum Ausgangsdruck den kritischen Wert nicht übersteigt und die Strömungsgeschwindigkeit in der Verengung gleich der Schallgeschwindigkeit ist sowie die zeitliche Gasmenge ohne Beeinflussung durch ausgangsseitige Druckschwankungen konstant gehalten werden kann« Diese Beziehung ergibt sich aus Fig₀ 6_O

In Fig., 6 ist auf der Ordinate die Strömungsgeschwindigkeit in kg/cm oh und auf der Abszisse das Verhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck aufgetragen. Bei konstantem Eingangsdruck ändert sich die zeitliche Gasmenge mit jeder ausgangsseitigen Druckänderung. Es liegt auf der Hand, daß mit steigendem Eingangsdruck die zeitliche Gasmenge ansteigt, wie sich aus den Kurven A, B, C, ergibt. In jedem Falle ergeben sich aber zwei Zonen, in deren einer (D) die Gasmenge ohne Beeinflussung durch ausgangsseitige Druckänderungen bei konstantem Eingangsdruck konstant ist, während in der anderen (E) sich die Gasmenge je Zeiteinheit ändert» In der Zone (D.) übersteigt das Druckverhältnis den kritischen Wert 06 nicht, während in der Zone (E) das Druckverhältnis den kritischen Wert cC übersteigt.

Durch zahlreiche Versuche unter Anwendung der vorerwähnten Gesetzmäßigkeit auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Reduktionsgases, das völlig frei von Druckschwankungen im Hochofen ist, wurde festgestellt, daß der einzig wirtschaftliche Weg die Anwendung dieser Gesetzmäßigkeit auf die Gaszuleitung zum Gasgenerator ist.

Die Experimente fanden auf zweierlei Weise statt; in einem Falle wurde das Verhältnis des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck mittels einer Verengung in Gestalt einer Blende oder eines Druckventils in der den Gasgenerator

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und die Reduktionsgasdüse im Hochofen verbindenden Leitung in der obenerwähnten Zone (D) gehalten. Im anderen Falle befand sich eine Verengung in Gestalt eines Strömungseinstellventils, einer Blende oder einer Düse in der Gaszuleitung zum Generator, um das Verhältnis der eingangs- und ausgangsseitigen Drücke in der obenerwähnten Zone (D) zu halten.

Die ersteVersuchsreihe ergab jedoch Schwierigkeiten, weil der durch die hohe Temperatur und hohe Geschwindigkeit des Reduktionsgasstromes bedingte Verschleiß zu groß ist, um die obenerwähnte Bedingung ständig einzuhalten. Außerdem ist die gegen höhe Drücke beständige Heißgasleitung vom Generator zur Verengung kompliziert und verhindert ein kontinuierliches Einspeisen des Reduktionsgases in den Hochofen, obgleich vorteilhafterweise die Temperatur und die Reduktionswirkung des Gases ebenso wie dessen Volumen konstant gehalten werden konnten.

Bei der zweiten Versuchsreihe ergaben sich dagegen die vorerwähnten Schwierigkeiten nicht, so dafr nach diesem Verfahren bei Verwendung der nachfolgend im einzelnen erläuterten Temperatursteuerung ein eigenschaftskonstantes Reduktionsgas erzeugt und kontinuierlich in den Hochofen eingeblasen werden kann.

Eine Anlage zur Durchführung der vorerwähnten Versuche., d.h. zum Erzeugen eines Reduktionsgases unter Verwendung eines mittels einer ein konstantes Volumen liefernden Pumpe zugeführten Schweröls als Brennstoff wird nachfolgend anhand der Diagramme der Figuren 3 und 4 er-, läutert.

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Fig. 3 zeigt ebenso wie Fig. 1 den Zusammenhang zwischen Ofendruck und Temperatur sowie Reduktionsziffer des Gases. Wird das Reduktionsgas bei konstantem Druck der in den Gasgenerator in gleichbleibender Menge zugeführten Verbrennungsgase wie Sauerstoff und Dampf erzeugt, so daß das Verhältnis des ausgangsseitigen Druckes zum Eingangsdruck den kritischen Wert nicht übersteigt, auch wenn der Ofendruck so weit ansteigt wie im Falle eines Hängens und Stürzens, dann bleibt gleichwohl die Menge und die Reduktionswirkung des Gases konstant,, Aus den Diagrammen ergibt sich deutlich, daß bei einer beträchtlichen Schwankung des Ofendrucks zu Beginn des Hängens (a) und Stürzens (b) der Druck im Gasgenerator dementsprechend stark schwankt.

Andererseits ist aber die Mengenschwankung des dem Generator zugeführten Sauerstoffs und Dampfes vernachlässigbar klein, so daß dementsprechend auch die Schwankungen der Temperatur und der Reduktionsziffer vernachlässigbar klein sind. Auf diese Weise kann ein Reduktionsgas mit gesteuerter Temperatur kontinuierlich in einen Hochofen eingeblasen werden, ohne daß sich Schwierigkeiten beim Erzeugen des Gases, beim Einblasen in den Hochofen oder beim Hochofenbetrieb ergeben.

Fig. 4 zeigt wie Fig. 2 die Abhängigkeit der Temperatur und der Reduktionsziffer eines aus gasförmigen Ausgangsstoffen hergestellten reduzierenden Gases vom Ofendruck, das ähnlich wie das im Zusammenhang mit Fig. 3 erwähnte Gas hergestellt wurde und bei sich zusetzender Düse in den Hochofen eingeblasen wurde.

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Die Kurven zeigen, daß der Gasdruck bei .einem Zusetzen der Düse mit angeschmolzenem Möller stark ansteigt und ebenso rasch wieder abfällt, wenn sich die gebildeten Ansätze wieder lösen, und daß der Druck im Gasgenerator diesen Druckänderungen entsprechend folgt.

Gleichwohl ist die Mengenänderung der Verbrennungsgase sehr gering, so daß auch die Schwankungen der Temperatur und der Reduktionsziffer des Gases vernachlässigbar klein sind, so daß sowohl die Erzeugung des Reduktionsgases als auch dessen Einblasen in den Hochofen und der Ofenbetrieb kontinuierlich und gleichmäßig durchgeführt werden können·

Auf Basis dieser Erkenntnisse besteht die Erfindung unter anderem in einem neuen Verfahren und einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Reduktionsgases mit im wesentlichen konstanter Temperatur und Reduktionsziffer, die unbeeinflußt von sich beim Zusetzen der Reduktionsgasdüse ergebenden Druckänderungen bleiben.

In Fig. 7 sind die kritischen Druckverhältnisse verschiedener Gase in Abhängigkeit von der auf der Abszisse aufgetragenen spezifischen Wärme mittels einer Geraden f dargestellt, Fig. 7 zeigt, daß das kritische Druckverhältnis des Erdgases bei etwa O,55| des Sauerstoffs bei etwa 0,53 und des Wasserdampfes bei etwa 0,54 liegt. Zur Beeinflussung der Temperatur des heißen Reduktionsgases zum Konstanthalten der Temperatur und Reduktionsziffer bzw. zur Verringerung der Temperatur auf einen für das Einblasen in den Hochofen geeigneten Wert wird ein Teilstrom des heißen Reduktionsgases in einem Schnellkühler (Fig. 14) auf etwa 40⁰G abgekühlt und dem Hauptgasstrom wieder beigemischt. Die Temperatur des in den Hochofen einzuleitenden Reduktionsgases kann jedoch auch in der

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Weise gesenkt werden, daß ihm ein in einem anderen Aggregat erzeugtes Reduktionsgas mit niedrigerer Temperatur beigemischt wird.

Zahlreiche Versuche haben ergeben, daß sich das vorerwähnte Verfahren zum Einstellen bzw. Senken der Temperatur des heißen Reduktionsgases durch Beimischen eines Reduktionsgases niedrigerer Temperatur hinsichtlich Ansprechgeschwindigkeit und Genauigkeit bei großen Gasmengen am besten eignet.

Das Einstellen der Temperatur des Reduktionsgases kann jedoch auch zunächst mittels eines Abhitzekessels erfolgen, hinter dem dem bereits teilweise abgekühlten Reduktionsgas ein Reduktionsgasstrom mit niedrigerer Temperatur entsprechend der Änderung der Wärmekapazität des Boilers und der vom Hochofen geforderten Temperatur beigemischt wird.

Weiterhin wird erfindungsgemäß im Hinblick auf eine wirtschaftliche und gleichbleibende Erzeugung des Reduktionsgases sowie dessen kontinuierliches Einblasen in den Hochofen die Hauptgasleitung mit einem Schnellkühler verbunden, so daß das in der Anfahrphase oder während des StLllsetzens des Hochofens anfallende Reduktionsgas einem anderen Verwendungszweck zugeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Fig. 8 bis 14 dargestellten Vorrichtungen des näheren erläutert.

Aus der schematischen Darstellung der Fig. 8 ergibt sich, daß die Ausgangsstoffe aus einer Aufgabevorrichtung 1 in den Gasgenerator 2 gelangen, aus dem das Reduktionsgas über eine Hauptleitung 3 in den Hochofen 10 gelangt. Die

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Hauptleitung 3 ist mit einem Temperaturregler 4 zum Steuern der Beimischung kälteren Reduktionsgases, einem Absperrventil 5 für das Heißgas, einer Abzweigleitung 8 mit einem Intensivkühler 6 und einem Absperrventil 7 sowie einem Dehnungsstück 9 zwischen dem Absperrventil 5 und der (nicht dargestellten) Düse ausgestattet.

Die Vorrichtung 1 zum Zuführen der Ausgangsstoffe, im vorliegenden Falle Öl, ist in Fig. 9 dargestellt; sie besteht aus einer in eine Crackanlage 11 für Schweröl münde'nden Sauerstoffleitung 12, einer Schwerölleitung 13 und einer Dampfleitung 14. Die Sauerstoffleitung 12 und! die Dampfleitung 14 sind mit Druckeinstellventilen 15 ausgestattet, die durch Signale je zweier Drucksteuergeräte PIC betätigt werden, sowie durch Mengenregler 16, die durch Mengenmeßgeräte FIC gesteuert werden, ausgestattet«

Sauerstoff und Dampf gelangen durch die Leitungen 12 und 14 sowie das Schweröl über eine Volumenpumpe 17 durch die Schwerölleitung 13 zu einem Crackbrenner 18»

ITm ein Reduktionsgas zu erzeugen, werden Sauerstoff und Dampf in den Crackofen 11 eingeleitet, wobei die jeweiligen Drücke mittels der Druckventile 16 oder auch mittels Blenden oder Düsen konstant gehalten werden, so daß das Verhältnis des ausgangsseitigen Drucks zum eingangsseitigen Druck das kritische Druckverhältnis *C« nicht übersteigt. Auf diese Weise können die Temperatur- und Reduktionsziffer des Reduktionsgases unabhängig von Änderungen des Ofendrucks oder einem Zuwachsen der Düsen— öffnung am Hochofen konstant gehalten werden.

Das Einstellen der Temperatur des Reduktionsgases durch

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Beimischen eines Reduktionsgases niedrigerer Temperatur wird nachfolgend anhand der Figuren 10 Ms 14 des näheren erläutert.

Ein Teilstrom des im Gasgenerator 2 erzeugten Reduktionsgases hoher Temperatur wird in einen Schnellkühler 21 (Figo 14 eingeleitet, in dem es direkt - gegebenenfalls auch in einem Sprühkühler 22 - mit Wasser gekühlt und dann einem Kompressor 23 zugeführt .wird, in dem der Gasdruck erhöht wird. Über ein Mengenventil 24, das von einem Temperaturfühler TIC in. der Hauptgasleitung 3 gesteuert wird, gelangt das abgekühlte Reduktionsgas in die Hauptleitung 3/ in der es sich mit dem Reduktionsgas hoher Temperatur vermischt«,

Auf diese Weise kann die Temperatur des heißen Reduktionsgases auf eine bestimmte vorgegebene Temperatur eingestellt werden, ohne daß sich Schwierigkeiten beispielsweise aus der Änderung der Kühlkapazität, einer schlechten Überwachung der Kühltemperatur usw. ergeben, wie sie häufig bei der Verwendung von Abhitzekesseln auftreten.

Bei der Anlage nach Fig. 11 erfolgt das Einstellen der Temperatur nicht über das Abkühlen und spätere Beimischen eines Teilstroms des heißen Reduktionsgases, sondern durch ein Reduktionsgas niedrigerer Temperatur, beispielsweise ein Konverterabgas eines LD-Tiegels, Rohgas aus der Ammoniakherstellung, Gichtgas, Koksofengas oder Petroleumabgas von Raumtemperatur«, Derartiges Reduktionsgas niedrigerer Temperatur gelangt aus einem Vorratsbehälter 31 * über einen Kompressor 23 sowie ein von einem Temperaturfühler TIC gesteuertes Mengenventil 24 in die Hauptgasleitung 3, wo es den Heizgasstrom abkühlt.

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Weitere Möglichkeiten für die Temperaturregelung des heißen Reduktionsgases durch Beimischen eines Reductions-, gases niedrigerer Temperatur unter Verwendung eines Abhitzekessels 41 ergeben sich aus den Fig. 12 und 13«. '

Von der Austrittsleitung 3 des Abhitzekessels 41 zweigt eine Leitung 42 zu einem Sprühkühler 43 ab, in dem das vorgekühlte Reduktionsgas weiterhin abgekühlt wird. Vom Kühler 43 gelangt das Reduktionsgas über einen Kompressor 23 und ein Mengenventil 24, das durch einen Temperatur- w fühler TIC in der Hauptleitung 3 gesteuert wird, in die Hauptleitung zwischen Gasgenerator 2 und Abhitzekessel 41, wo es sich mit dem heißen Reduktionsgas vermischt (Fig. 12).

Gemäß Fig. 13 wird ein auf Raumtemperatur befindliches Reduktionsgas aus einem Vorrats- bzw. Kaltgasbehälter 31 über einen Kompressor 23 und ein Mengenventil 24, das durch einen Temperaturfühler TIC in der Hauptleitung ge^- steuert wird, in die Gasleitung zwischen dem·Gasgenerator 2 und dem Abhitzekessel 41 eingespeist, um die Temperatur des heißen Reduktionsgases aus dem Gasgenerator ■· ι zu erniedrigen bzw. einzustellen.

Die Vorrichtungen gemäß Fig» 12 und 13 ergeben ähnliche Resultate wie die Vorrichtungen gemäß 10 und 11; sie vermeiden die sonst auftretenden Schwierigkeiten bei der Verwendung von Abhitzekesseln durch Einstellen der Temperatur des Reduktionsgases mittels eines kälteren Reduktionsgases.

Die Wirkungsweise des in der Abzweigung 8 angeordneten Schnellkühlers 6 mit dem zugehörigen Absperrventil! 7

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wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 14 des näheren erläutert. In der Zweigleitung 8 ist während der Anfahrphase des Gasgenerators 2 zunächst das Absperrventil 7 geöffnet und in der Hauptleitung das Absperrventil 5 geschlossen; das heißt, während derjenigen Phase, während derer die Temperatur, die Reduktionsziffer und der Anteil an unverbrannten Bestandteilen des Reduktionsgases nicht konstant sind oder das erzeugte Reduktionsgas wegen eines kurzfristigen Stillsetzens nicht in den Hochofen eingeleitet werden kann«, Auf diese Weise gelangt das heiße Reduktionsgas durch den Schnellkühler 6, in dem es abgekühlt wird, in einen Abgaskamin 67. Es kann jedoch auch als Heißgas oder als Kaltgas für das Einstellen der Temperatur eines heißen Reduktionsgases verwendet werden,,

Der Schnellkühler 6 gemäß Fig. 8, 14 ist ähnlich aufgebaut wie der Kühler 21 gemäß Fig. 10. Die Kühler 6 und 21 besitzen eine unterschiedliche Kapazität, d.h_o der Kühler 6 kühlt das Gas auf etwa 100⁰C ab, während der Kühler 21 die Gastemperatur auf etwa 40⁰C verringert. Der Kühler 6 besteht aus einer Kühlkammer 61, in die das Ende der Zweigleitung 8 hineinragt, einem Zylinder 63 zwischen dem Leitungsende 62 und der Kammer 61 sowie einer an der Leitung 8 oberhalb des Zylinders 63 befestigten Sperrplatte 68 für Wasserdampf.

Im unteren Teil der Kühlkammer 61 geht eine Abwasserleitung 64 mit einem Absperrventil 65 ab, das durch Signale von einem Wasserstandsfühler LTC gesteuert wird, der seinerseits die aus der Wasserleitung 66 zugeführte und in der Kühlkammer 61 verbleibende Wassermenge überwacht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Versuchsbeispielen des näheren erläutert.

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Ein kaltes Reduktionsgas mit einer Temperatur von 40°C wurde in einer Menge von 14000 Nm /h einem heißen Reduktionsgas unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 10 "beigemischt und auf diese Weise dessen Temperatur auf 1100⁰C eingestellt. Andererseits wurde ein wasserstoffreiches Rohgas der Ammoniakherstellung mit einer Temperatur von 3O⁰C aus einem Vorratsbehälter in die Verbindungsleitung zwischen einem Gasgenerator und einem Abhitzekessel in einer mittleren Menge von etwa 6000 Nm /h eingespeist, wodurch die Heißgastemperatur t auf 1100⁰C eingestellt wurde«, Die Gase des erstgenannten Kühlverfahrens G und des letztgenannten Eühlverfahrens F wurden in einen Hochofen mit einem Fassungsvermögen von 1600" m eingeleitet»

Das Reduktionsgas wurde unter folgenden Bedingungen erzeugt:

Schweröl 9*4 t/h Pumpe mit konstantem Volumen Sauerstoff 8000 Nm⁵/h 20 kg/cm² Dampf 1,50 t/h 20 kg/cm² Gasmenge 30000Nm^/h 4 ± 2 kg/'cm² (Generator-Gastemperatur 160O⁰C druck)

V Reduktions- -_Q
ziffer ■ ^y

Das im Generator erzeugte Reduktionsgas wurde unter folgenden Bedingungen in den Hochofen eingeblasen;

F G .·

Einblasstelle (#)*	⁰O	20	35
Einblastemperatur (		1100	1100
Gasmenge	36000	30000

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* Verhältnis des Abstandes zwischen Windformebene und Einblasstelle zum Abstand zwischen der Windformebene und der Gicht,

Zum Vergleich wurde ein unter denselben Bedingungen erzeugtes Reduktionsgas unter Verwendung einer herkömmlichen Vorrichtung mittels eines Abhitzekessels gekühlt und in einen Hochofen mit einem Fassungsvermögen mit 1600 nr an einer Einblasstelle von 20% mit einer Temperatur von 1100⁰C und in einer Menge von 15000 Nnr/h in den Hochofen eingeblasen.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Daten der Vergleichsversuche, und zwar der erfindungsgemäßen Verfahren F und G, des vorerwähnten Vergleichsversuchs H und eines herkömmlichen Verfahrens K zum Einblasen eines Reduktionsgases in einen Hochofen einander gegenübergestellt.

■ F G HK

Relative Blaszeit (%) * 97,5 97,9 23,8

Gasmenge 195 196 28 —

(Nm⁵/t RE)

Roheisenmenge (t/d) 3705 3669 3207 3218 Kokssatz (kg) 418 424 485 483 Prozent Si im RE ic 0,674 0.669 0,733 0,661

ί 0,118 0,113 0,163 0,105

* Die relative Blaszeit errechnet sich nach der folgenden Formel:

Gesamtblaszeit _x Betriebszeit

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Aus der vorstehenden Tabelle ergibt sich, daß nach den erfindungsgemäßen Verfahren F und G während nahezu.der gesamten Betriebszeit Reduktionsgas in den Hochofen geblasen werden kann, womit eine merkliche Steigerung der Roheisenproduktion und eine erhebliche Verringerung des Kokssatzes verbunden ist« Demgegenüber wird bei dem Vergleichsversuch H die Temperatur des Reduktionsgases durch den Druck im Hochofen beeinflußt; diese Temperaturschwankung konnte.nicht beseitigt werden, so daß sich an der Düsenöffnung Ansätze bildeten, die während der Ansatzbildung und beim späteren Lösen zu der oben erwähnten explosionsartigen Verbrennung im Gasgenerator führt und die Explosionsgefahr erhöht. Außerdem sind die Temperaturschwankungen im Möller und die Schwankungen der reduzierenden Bedingungen im Ofen so stark, daß auch der Siliziumgehalt im Roheisen im starken Maße schwankt, was wiederum zu einem unregelmäßigen Niedergehen des Möllers und häufigem Hängen und Stürzen führt.. Die Folge davon sind plötzliche Druckänderungen im Gasgenerator und somit häufige Unterbrechungen beim Einblasen des Reduktionsgases. Auf diese Weise läßt sich im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren K keine Verbesserung des Ofenbetriebs erreichen; vielmehr sind die Ergebnissehäufig noch schlechter als sich aus dem oben erwähnten Beispiel ergibt. Insbesondere wird die Schwankungsbreite des Siliziumgehaltes im Roheisen in starkem Maße vergrößert und der Ofengang außerordentlich ungleichmäßig.

Im Rahmen der Erfindung gelingt es dagegen, ein Reduktionsgas mit gleichbleibender Temperatur und Zusammensetzung auf wirtschaftliche Weise und mit hohem Wirkungsgrad in einem mit einem Hochofen verbundenen Gasgenerator zu - erzeugen und das Reduktionsgas mit vorgegebener Temperatur in den Hochofen einzuspeisen, um auf diese Weise die Leistung des Hochofens zu erhöhen und den Kokssatz zu verringern. 009831/0 953

Claims

19582U

Fuji Iron & Steel Co«,. Ltd_e, No. 10-1, 3-chome, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo _t Japan

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Einblasen eines in einem Gasgenerator erzeugten Reduktionsgases in einen Hochofen, d a d u r c h gekennzeichnet , daß der Gasgenerator mit Gasen konstanten Drucks gespeist und das Verhältnis des Drucks an der Ausgangsseite zum Druck an der Eingangsseite das kritische Druckverhältnis nicht übersteigt und das Reduktionsgas mit vorgegebener Temperatur in den Hochofen eingeblasen wird«

2* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet , daß die Temperatur des heißen Reduktionsgases durch Beimischen eines kälteren Reduktionsgases geregelt wird*

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gasgenerator (2) mit einer Gaszuführung (1), der über eine Hauptleitung (3) mit einem Temperaturregler (4), einem Absperrventil (5) und einem Dehnungsstück (9) mit einer Reduktionsgasdüse des Hochofens (10) verbunden ist, und durch eine von der Hauptleitung (3) abgehende, zu einem Intensivkühler (6) führende Abzweigleitung (8) sowie eine Leitung (6?) vom Intensivkühler (6) zu einem Absperrventil (7).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß in einer Dampfleitung

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(14) und in einer Sauerstoff leitung (12)je ein von einem Drucksteuergerät (PIC)gesteuertes Druckeinstellventil (15) sowie je ein durch ein Mengenmeßgerät (FIC) gesteuerter Mengenregler (16) und in einer Schwerölleitung (13) eine Pumpe (17) angeordnet sind, und daß die Leitungen (12, 13, 14) zu einem Brenner (18) in einen Crackofen (11) führen.

5_e Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kaltgasbehälter (31) über einen Kompressor (23) und ein von einem Temperaturfühler (TIC) in der Hauptleitung (3) gesteuertes Mengenventil (24) mit der Hauptleitung (3) verbunden ist.

β Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß in einer von der Hauptgasleitung (3) abzweigenden By-pass-Leitung hintereinander ein Intensivkühler (21), ein Sprühkühler (22), ein Kompressor (23) und ein von einem Temperaturfühler (TIC) in der Hauptgasleitung (3) gesteuertes Mengenventil (24) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß in einer zwischen dem Hochofen (10) und einem Abhitzekessel (41) bzw. Temperaturfühler (TIC)von der Hauptgasleitung (3) abzweigenden Rückleitung (42) hintereinander ein Kühler (A3), ein Kompressor (23) und ein vom Temperaturfühler (TIC) gesteuertes Mengenventil (24) angeordnet sind und die Rückleitung (42) zwischen dem Gasgenerator (2) und dem Abhitzekessel (41) in die Hauptgasleitung (3) mündet,

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch

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gekenn ζ -ei c h n e t , daß in der Hauptgasleitung (3) ein Abhitzekessel (41) und ein Temperaturfühler (TIC) angeordnet sindj und daß ein Kaltgasbehälter (31) über einen Kompressor (23) und ein vom Temperaturfühler gesteuertes Mengenventil (24) mit der Hauptgasleitung (3) zwischen dem Gasgenerator (2) und dem Abhitzekessel (41) verbunden ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennze-ichnet , daß die Abzweigleitung (8) mit einer Wasserleitung (66) verbunden ist und in einer Kühlkammer (61) endet, in der ihr Ende von einem offenen Zylinder (63) umgeben ist, oberhalb dessen sich eine Sperrplatte (68) befindet, und daft von der Kammer (61), eine Gasleitung (67) sowie eine Abwasserleitung (64)' mit einem von einem Wasserstandsmesser (LTC) gesteuerten Ablaßventil (65) abgehen«,

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