DE19917128C1 - Roheisenerzeugung mit Sauerstoff und Kreislaufgas in einem koksbeheizten Schachtofen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Roheisenerzeugung mit technischem Sauerstoff anstelle von Heißwind und Rückführung von Gichtgas als Kreislaufgas in einem koksbeheizten Schachtofen, wie z. B. einem Hochofen. Für das Verfahren ist kennzeichnend, daß ein Teilstrom des Gichtgases abgesaugt und sein Volumenstrom gemessen wird und danach zusammen mit Sauerstoff und/oder mit Verbrennungsluft im Bereich der indirekten Reduktion (9) in den Ofenschacht eingeblasen und unterstöchiometrisch verbrannt wird und/oder ein weiterer Teilstrom des ungereinigten Gichtgases abgesaugt und sein Volumenstrom gemessen wird und danach zusammen mit Sauerstoff und/oder Verbrennungsluft in die Hochtemperaturzone (10) im Bereich Gestell/Rast des Schachtofens eingeblasen wird. Vorteilhafterweise verbessert sich die Schmelzleistung, der Reduktionskoksverbrauch ist geringer und die Prozeßgasmenge reduziert sich. Die gesamte klassische Windwirtschaft entfällt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Roheisenerzeugung mit technischem Sauerstoff anstelle von Heißwind und Rückführung von Gichtgas als Kreislaufgas in einem koksbeheizten Schachtofen.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß die konventionelle Roheisenerzeugung in einem koksbeheizten Schachtofen, wie einem Hochofen, ein bereits weitgehend opti­ miertes Hochleistungsverfahren darstellt, das sich vor allem bezüglich Reduktionsmittel­ verbrauch, Heißwindtemperatur und Sauerstoffgehalt des Heißwindes seinen verfahrenstechnisch bedingten Grenzen nähert. So hat sich der Reduktionsmittelver­ brauch moderner Hochöfen asymptodisch einem in den letzten 10 Jahren kaum noch veränderten Wert von ca. 500 kg/t Roheisen genähert (Jahrbuch Stahl 1997, Bd. I, S. 252 und 1998, Bd. I, S. 224).

Die Heißwindtemperatur ist durch die Heißstandfestigkeit des feuerfesten Materials in den Winderhitzern begrenzt und liegt bei modernen Hochöfen in der Regel über 1200°C (Jahrbuch Stahl 1996, Bd. I, S. 240), übersteigt aber technisch bedingt nicht 1400°C. Der Sauerstoffgehalt im Heißwind wird sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus verfah­ renstechnischen Gründen selten über 30%, gewöhnlich sogar unter 25% O₂, einge­ stellt.

Bekannt sind ebenfalls Verfahren und Vorrichtungen, die den O₂-Anteil im Heißwind weiter steigern bzw. den Heißwind durch O₂ vollständig ersetzen.

Das in DE 32 40 656 C2 dargestellte Verfahren zur Herstellung von Metallen oder Me­ tallegierungen durch Schmelzreduktion von Erz oder Erzgemischen mit Hilfe von Kohle und/oder Prozeßgas in einem Reaktionsgefäß, wie einem Konverter oder Schachtofen, ist dadurch charakterisiert, daß die benötigte Kohle bzw. das Reduktionsgas mit Sauer­ stoff in eine im Reaktionsgefäß erzeugte flüssige Erzsäule in Höhe oberhalb des sich bildenden Metallschmelzbades eingebracht wird, damit die reduzierten nach unten ab­ sinkenden Metalltropfen kohlenstoffarm in das Metallschmelzbad gelangen. Das Erz wird hierbei bis zu einer solchen Höhe im Reaktionsgefäß oberhalb der Einbringstelle für Kohlenstoff und Sauerstoff verflüssigt, daß Kohlenstoff nur vollständig oxidiert, d. h. als CO₂ aus dem Reaktionsgefäß entweicht. Dieses Schmelzreduktionsverfahren arbeitet einstufig, wodurch zusätzliche Maßnahmen, wie Abgasreinigung, Erzvorreduktion oder Frischen der Metallschmelze vermieden werden sollen. Die Nachteile des Verfahrens bestehen aber darin, daß kein Prozeßgas aus dem Reaktionsgefäß selbst verfah­ rensintern zur Reduktion in das Reaktionsgefäß zurückgeführt werden kann, da dieses Prozeßgas nur vollständig zu CO₂ ausreagiertes CO enthält und damit nicht reduzierend wirkt. Des weiteren kann keine latente, sondern nur die fühlbare Wärme in diesem Pro­ zeßgas genutzt werden.

Verfahrenstechnisch, anlagentechnisch und wirtschaftlich aufwendig ist das durch DE 29 07 022 A1 bekannte Verfahren zur Direktreduktion von Erzen mit aufbereiteten Gasen aus einer Kohlevergasungsanlage, bei dem das Rohgas durch fraktionierte Destillation in drei Teilströme aufgeteilt wird. Ein Teilstrom wird mit Kreislaufgas vermischt, aufge­ heizt und als Reduktionsgas verwendet, ein zweiter Teilstrom wird zum Aufheizen des ersten Teilstromes und des Kreislaufgases auf Reduktionstemperatur verwendet und ein dritter Teilstrom wird extern auf elementaren Schwefel weiterverarbeitet, wobei er zu ei­ nem geringen Teil dem ersten Teilstrom und/oder dem Kreislaufgas vor der Aufheizung zur Vermeidung von Rußbildung dosiert zugemischt werden kann.

Weiterhin ist durch DE 43 26 562 C2 ein Verfahren zur Direktreduktion von Feinerzen bzw. Feinerzkonzentraten, insbesondere von Eisenerzen, in einem liegenden Reaktor mit einem Reduktionsgas und einem Wärmeträgergas in einer Wirbelschicht bekannt, bei dem unter Druck stehende Gichtgase nach dem Durchlaufen von Reinigungs- und Verdichtungsstufen als Kreislaufgas mit einem Reduktionsgas gemischt und nach der Erwärmung dem Reaktor wieder zugeführt werden. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sollen so eine bessere Wirtschaftlichkeit hinsichtlich Anlage- und Betriebskosten sichern.

Wesentliche technische und verfahrenstechnische Nachteile werden aber gerade in den aufwendigen Reinigungs-, Verdichtungs- und Erwärmungsstufen zur Rückführung des Gichtgases als Kreislaufgas gesehen.

Der Kreislaufgasbetrieb mit Gichtgas, das als Trägergas zum Einblasen von Gichtstaub genutzt werden soll, wird in DE 33 15 067 C2 als Verfahren zum Verwerten von Gicht­ staub im Hochofen dargestellt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Gichtgas nicht vorgewärmt ist. Da auch eine Sauerstoffanreicherung fehlt, kann das ent­ stehende Energiedefizit nicht ausgeglichen werden und so wird die Wärmebilanz des Hochofens negativ beeinflußt.

Der vollständige Ersatz des Verbrennungsmittels Heißwind durch technischen Sauerstoff ist aus der Gießereiindustrie bekannt. So zeichnet sich das Verfahren zum Schmelzen von eisenmetallischen Werkstoffen nach DE 43 01 322 C2 durch eine höhere metallur­ gische Aktivität gegenüber dem klassischen Kupolofenprozeß aus. Dies wird erreicht, indem unverbranntes Prozeßgas teilweise aus der Vorwärmzone des Ofenschachtes abgezogen und als Kreislaufgas zusammen mit Sauerstoff in die Schmelz- und Überhit­ zungszone wieder zugeführt und dort vollständig verbrannt wird. Damit wird die beim klassischen Kupolofenprozeß erforderliche externe Nachverbrennung der CO-haltigen Gichtgase verfahrensgemäß direkt in die Schmelz- und Überhitzungszone des Koksku­ polofens verlegt. Hierdurch wird zusätzliche Energie eingetragen, und wegen der tempe­ raturbedingten Verschiebung des Boudouard-Gleichgewichtes sowie infolge des feh­ lenden Stickstoffanteils stellen sich höhere CO-Gehalte im Prozeßgas ein, die wiederum ein verstärktes Aufkohlungsverhalten von eisenmetallischen Werkstoffen und geringere metallurgische Abbrände bewirken. Durch die geringeren Prozeßgasmengen vermindern sich die Gasgeschwindigkeiten im Ofenschacht, und die Staubausträge sind geringer. Nachteilig ist, daß dieses Verfahren nicht auf den Hochofenprozeß übertragen werden kann. Im Kupolofen besteht die Aufgabe darin, eisenmetallische Werkstoffe zu schmel­ zen und zu legieren. Im Gegensatz dazu werden im Hochofen Eisenerze, d. h. minerali­ sche Stoffe (Sinter, Pellets, Stückerze) zunächst weitestgehend durch das CO-haltige Prozeßgas reduziert (indirekte Reduktion), und danach die Produkte dieser Reduktions­ arbeit geschmolzen und dabei vollständig reduziert (direkte Reduktion). Es wird ein ho­ her Anteil der indirekten Reduktion am Gesamtprozeß angestrebt, um den Reduktions­ mittelverbrauch niedrig zu halten. Voraussetzung dafür ist aber ein hoher CO- Partialdruck im Prozeßgas. Der benötigte Partialdruck ist zwar verfahrensgemäß nach DE 43 01 322 C2 einstellbar, führt aber zu einer Verringerung des thermischen Wir­ kungsgrades im Hochofen.

Ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad, speziell bei der Vorwärmung der Schüttung im Ofenschacht, soll durch das in DE 43 24 699 C2 dargestellte Verfahren zur vollstän­ digen Nachverbrennung von Prozeßgasen in einem koksbeheizten Schachtofen erreich­ bar sein. Hier wird das vollständig aus dem Bereich der Vorwärmzone abgesaugte Pro­ zeßgas außerhalb des Ofen nachverbrannt und danach dem Ofenschacht oberhalb der Absaugstelle wieder zugeführt. Nachteilig ist, daß ein vollständiger Abzug des Prozeß­ gases im koksbeheizten Schachtofen zur Roheisenerzeugung nicht möglich ist, da durch die physikalische Beschaffenheit der Einsatzmaterialien und durch den größeren Schachtdurchmesser hohe Strömungswiderstände und komplizierte Strömungsverhält­ nisse entstehen.

Der Stand der Technik zum vollständig mit Sauerstoff betriebenen Hochofen-Prozeß, der vorteilhafterweise durch eine höhere Produktivität, höhere Kohlestaub- Injektionsraten, niedrigere Koksanteile und eine Verstärkung des Reduktionspotentials charakterisiert ist, basiert auf der Anordnung von bis zu zwei Düsenreihen, über die rei­ ner Sauerstoff, wahlweise Schweröl oder Kohlestaub, CO₂-freies oder CO₂-haltiges Gichtgas injiziert werden (Ironmaking and Steelmaking 1998 Vol. 15 No. 6 S. 287-292). Nachteilig ist allen beschriebenen Verfahren zur Roheisenerzeugung, daß

• - die Rückführung des Gichtgases jeweils durch Druckerhöhung mittels der Kompres­ soren erfolgt,
• - das komprimierte Gichtgas in einer Brennkammer außerhalb des Hochofens mit Sauerstoff verbrannt und die heißen Verbrennungsprodukte dem Hochofenschacht im oberen Schachtbereich zugeführt werden, wobei offen bleibt, ob diese Verbren­ nung über- oder unterstöchiometrisch erfolgt, d. h. ob ein Heizgas oder ein Redukti­ onsgas erzeugt wird,
• - die für normale Betriebsbedingungen erforderliche Begrenzung der theoreti­ schen Verbrennungstemperatur auf ca. 2000 bis 2450°C dadurch realisiert wird, daß große Mengen von Reduktionsmitteln, z. B. 261-350 kg Kohlestaub/t Roheisen bzw. 209-280 kg C/t RE eingeblasen werden, wobei Gichtgas als Trä­ gergas dient
• - und das rückgeführte Gichtgas vor der Verbrennung bzw. vor seinem Einsatz als Trägergas zusätzlich noch gereinigt wird, in dem das in ihm enthaltene CO₂ zu­ mindest teilweise ausgewaschen wird.

Der Einsatz von Treibdüsenbrennern an konventionell betriebenen Hochöfen war bisher für den Fachmann sowohl technisch als auch wirtschaftlich nicht naheliegend, da verfah­ rensspezifisch alle Zusätze, wie Zusatzbrennstoffe (z. B. Heizöl, Kohlenstaub, Erdgas), Wasserdampf oder Sauerstoff bisher im konventionellen Hochofenbetrieb durch Über­ druck zugeführt werden.

Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Roheisenerzeugung mit technischem Sauerstoff anstelle von Heißwind und Rückfüh­ rung von Gichtgas ohne CO₂-Wäsche als Kreislaufgas in einem koksbeheizten Schach­ tofen zu schaffen, welche die technischen und wirtschaftlichen Grenzen bei der klassi­ schen Roheisenerzeugung überwinden.

Zur Lösung dieses Problems ist der eingangs genannte koksbeheizte Schachtofen zur Roheisenerzeugung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Verfahrensanspruchs (1) und durch den Vorrichtungsanspruch (2) weitergebildet.

Damit ist der Vorteil erzielbar, daß eine Erhöhung, bspw. eine Verdoppelung des CO- Partialdruckes im Prozeßgas eintritt, sich somit der Anteil der indirekten Reduktion er­ höht und zu einem niedrigeren Reduktionskoksverbrauch führt.

Die Prozeßgasmenge reduziert sich, so daß unter Beibehaltung des beim Heißwindbe­ trieb üblichen Druckniveaus eine Steigerung der Schmelzleistung zu verzeichnen ist. Die gesamte Windwirtschaft entfällt, und an ihre Stelle tritt eine Sauerstoffanlage bzw. eine Fremdversorgung mit Sauerstoff. Wesentliche Vorteile werden durch den Einsatz eines beim Schmelzen von eisenmetallischen Werkstoffen bekannten Düsensystems, wie z. B. in DE 44 22 694 A1 beschrieben, für die erfindungsgemäße Roheisenerzeu­ gung erreicht. Diese auch als Treibdüsenbrenner bezeichneten Düsensysteme erzeugen beim Betrieb mit Sauerstoff einen Unterdruck, der das Absaugen eines Teils des Gicht­ gases garantiert. Durch die Treibdüsenbrenner können dem Gichtgas vorteilhafterweise auch gasförmige, flüssige oder feste Kohlenwasserstoffe, wie Erdgas, Schmieröl, Koh­ lenstoff oder andere Kohlenstoff und/oder Wasserstoff enthaltene Gase zugemischt werden. Das Gichtgas ist auch durch diese Gase vollständig ersetzbar. Hierzu haben die Treibdüsenbrenner entsprechende Rohrleitungen zu den Versorgungseinrichtungen.

Verfahrensgemäß ist es auch möglich, daß der Teilstrom des ungereinigt abgesaugten Gichtgases vor dem Einblasen in den Ofenschacht vollständig oder teilweise von Staub gereinigt wird oder anstelle des ungereinigten Gichtgases ein Teilstrom des vom Staub gereinigten Gichtgases abgesaugt wird. Dadurch wird der Verschleiß der Rohrleitungen und des Düsensystems durch die abrasive Wirkung von mitgeführten Staubpartikeln vermindert.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel der Roheisenerzeugung in einem Hochofen näher erläutert werden.

Hierzu zeigt die zugehörige Zeichnung, daß von einer im oberen Schachtbereich 8 in­ stallierten Gichtgasabzugseinrichtung 1 die Rohrleitungen 2a, 2b mit nicht dargestellten Meßeinrichtungen zu den im Bereich der indirekten Reduktion 9 und der Hochtempera­ turzone 10 angeordneten bekannten Düsensysteme 3; 6, die in die Ofenbereiche 7; 7' führen und je eine zentrisch geführte Sauerstoffdüse haben, die mit je einer Sauer­ stoffleitung 4; 5 verbunden sowie steuer- und regelungstechnisch miteinander verriegelt sind, führen. Zur verfahrensgemäßen Durchführung werden durch die Meßeinrichtungen der Volumenstrom, der Druck, die Temperatur und/oder die Zusammensetzung des ab­ gesaugten Gichtgases bestimmt und steuerungstechnisch mit den Düsensystemen 3; 6 verbunden. Aus dem Sauerstoffbetrieb resultieren eine Druckverlustsenkung bei gleicher Ofenleistung oder eine Leistungssteigerung im Vergleich zu der Leistung beim ur­ sprünglichen Heißwindbetrieb mit üblichen Druckverhältnissen.

Zur Roheisenerzeugung in einem Hochofen wird dieser wie beim konventionellen Heiß­ windbetrieb in der üblichen Weise mit vorbereitetem Möller und Koks beschickt. Über die Treibdüsenbrenner 6 wird Sauerstoff zugeführt, welcher zu Gichtgas, das im wesentli­ chen aus CO und CO₂ besteht, umgesetzt wird. Das Gichtgas enthält bspw. 50% CO und 40% CO₂. Die Hälfte des entstehenden Gichtgases wird über die Rohrleitung 2b zu den Treibdüsenbrennern 6 gesaugt und somit dem Hochofen als Kreislaufgas zurück­ geführt. Die gesamte im Hochofenschacht durchzusetzende Prozeßgasmenge wird da­ durch gegenüber dem klassischen Hochofenbetrieb gesenkt. Der erfindungsgemäße Hochofenbetrieb führt zu einem Anstieg der indirekten Reduktion. Damit verbunden ist eine entsprechende Senkung des Reduktionskoksverbrauches. Dabei ist die Injektion von Kohlenstaub oder anderen Reduktionsmitteln nicht Voraussetzung für den Hoch­ ofenbetrieb mit Sauerstoff, da sich überraschend herausgestellt hat, daß die technolo­ gisch im Hochofenprozeß erforderliche Begrenzung der theoretischen Verbrennung­ stemperatur bei Einsatz von Treibdüsenbrennern bereits allein durch die Menge des rückgeführten CO₂-haltigen Gichtgases, d. h. ohne Injektion von Reduktionsmitteln, er­ reicht werden kann. An den Blasformen eines konventionellen Hochofens bilden sich bekanntermaßen Zirkulationszonen aus, in denen Koks sowie Schlacke- und Eisentröpf­ chen durch die kinetische Energie des eingeblasenen Heißwindes verwirbelt werden. Anstelle des Heißwindes tritt beim Sauerstoffhochofen ein Sauerstoffstrahl, der mit ho­ her Geschwindigkeit aus den Treibdüsenbrennern ausströmt und der mit einem Mantel von rezirkuliertem Gichtgas umhüllt ist. Diese Umhüllung durch ein im wesentlichen aus CO und CO₂ bestehenden Gas bewirkt, daß der Sauerstoff in unmittelbarer Düsennähe zwar mit CO, jedoch nicht mit Koks und flüssigem Eisen reagieren kann (beginnende Verwirbelung des Mantelgases an der Oberfläche des Sauerstoffstrahls). Es bildet sich somit ein CO₂-Mantel, der einen Teil der Wärmestrahlung aus der Verbrennungszone absorbiert und gleichzeitig Wärme verbraucht, indem CO₂ durch die reduzierende Atmo­ sphäre der Zirkulationszone zu CO reduziert wird.

Beide Vorgänge tragen zum Schutz der wassergekühlten Kupferdüsen bei.

Ein weiterer Anstieg der indirekten Reduktion und damit eine weitere Senkung des Re­ duktionskoksverbrauches werden erreicht, wenn ein Hochofen wie oben dargestellt be­ schickt und mit technischem Sauerstoff betrieben wird, wobei die Hälfte des entstehen­ den Gichtgases über die Rohrleitung 2b zu den Treibdüsenbrennern 6 gesaugt und dem Hochofen als Kreislaufgas wieder zugeführt wird und zusätzlich über die Rohrleitung 2a eine Menge von bspw. 20% des entstehenden Gichtgases zu den mit Sauerstoff betrie­ benen Treibdüsenbrennern 3 gesaugt und über einen zweiten Kreislauf dem Hochofen in den Bereich der indirekten Reduktion 9 wieder zugeführt wird. Der Treibdüsenbrenner 3 wird dabei unterstöchiometrisch gefahren.

Vorteilhafterweise erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei der das Gichtgas in seiner ursprünglichen chemischen Zusammensetzung durch die Treibdüsenbrenner an­ gesaugt, nicht komprimiert und nicht von CO₂ gereinigt wird, die Verbrennung in dem in der Ofenwandung als Düse angeordneten Treibdüsenbrenner. Das durch unterstöchio­ metrische Verbrennung erzeugte heiße Reduktionsgas wirkt somit unmittelbar in der Schüttsäule des Hochofens.

Claims (2)

1. Verfahren zur Roheisenerzeugung in einem mit Sauerstoff betriebenen Hoch­ ofen, bei dem Sauerstoff mit einem rückgeführten Gichtgas und/oder mit einem Brenn­ stoff im Bereich der indirekten Reduktion (9) und/oder in die Hochtemperaturzone (10) im Gestell eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass

• - der Sauerstoff an den Einblasstellen (9) und/oder (10) durch Treibdüsenbrenner (3, 6) in die Ofenbereiche (7'; 7) eingedüst wird,
• - die erforderlichen Teilströme des ungereinigten Gichtgases durch einen mittels der Treibdüsenbrenner (7'; 7) erzeugten, regelbaren Unterdruck angesaugt und rückgeführt werden und
• - das Gichtgas im Treibdüsenbrenner (7) mit Sauerstoffüberschuß und/oder zur Er­ zeugung eines Reduktionsgases im Treibdüsenbrenner (7') unterstöchiometrisch verbrannt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einer im oberen Schachtbereich (8) installierten Gicht­ gasabzugseinrichtung (1) mehrere Rohrleitungen (2a; 2b) mit Meßeinrichtungen zu den im Bereich der indirekten Reduktion (9) und der Hochtemperaturzone (10) an­ geordneten bekannten Düsensystemen zum Schmelzen von eisenmetallischen Werkstoffen (3; 6) führen, die je eine zentrisch geführte Sauerstofftreibdüse haben, die mit je einer Sauerstoffleitung (4; 5) verbunden sowie steuer- und regelungstech­ nisch miteinander verriegelt sind.