DE19953298A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinsparung bei der Erzeugung von Eisen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinsparung bei der Erzeugung von EisenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Eisen in der Wirbelschicht und im Flugstrom mit Hilfe fossiler und nachwachsender Brennstoffe, bei dem erfindungsgemäß die Reduktion Wüstit zu Eisen in einer weitgehend separaten Prozessstufe durchgeführt wird, der kontinuierlich Wüstit und Reduktionsgas aus interner oder externer Vergasung zugeführt und Eisen bzw. Eisenkarbid sowie Reduktionsgas nach Abschluss der Reduktion von Wüstit zu Eisen bei Temperaturen von 750 DEG C +- 150 K abgeführt werden, wobei ein Teilstrom des abgeführten Gases ohne Auswaschung von Kohlendioxid als Vergasungsmittel der externen oder internen Vergasung der Brennstoffe über spezielle Gassammelräume bzw. die Windformen eines Hochofens wieder zugeführt wird. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist die unabhängige Gestaltung des Temperaturprofils in Schachtöfen durch partielle Oxidation des Gases im Oberteil des Schachtes sowie die Ausstattung der Windformen bei Hochöfen mit Brennern zur Vergasung von Ersatzbrennstoff mit Heißluft und/oder Sauerstoff.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinspa
rung bei der Erzeugung von Eisen aus Eisenerz oder -oxiden, die naturbelassen
oder pelletiert, als Feinerz oder Konzentrat bereitgestellt werden, vorzugsweise
von Roheisen in Hochöfen, aber auch von Eisenschwamm und Eisenkarbid in
Schachtöfen, in der Wirbelschicht und im Flugstrom, mit Hilfe von fossilen und
nachwachsenden Brennstoffen, insbesondere von Stein- und Braunkohlen oder
anderen organischen Brennstoffen, wie Müll und Klärschlamm.
Die Erfindung kann angewendet werden bei allen Prozessen der Eisenverhüttung,
bei denen das Eisen mindestens seine Oxidationsstufen Magnetit und Wüstit
durchläuft.
Das meiste Eisen, Basismaterial für die Stahlerzeugung, wird aus Eisenerz und
mit Hilfe von Hochöfen gewonnen, auch wenn die Wiederverwendung von Schrott
einen großen Teil der Stahlproduktion sichert. Der Produktionsablauf gliedert sich
grundsätzlich in zwei Schritte, die Reduktion des meist aufbereiteten, hämatiti
schen Erzes zu Eisen über die Oxidationsstufen Hämatit, Magnetit und Wüstit und
das Schmelzen des Eisens in direkter Kombination mit der Reduktion wie beim
Hochofen oder extern in Kupol-, SM-, Elektroöfen u. a.
Fundamentale Erkenntnis der Eisenmetallurgie ist, dass nur die Zerfalls- und Ver
gasungsprodukte der Brennstoffe geeignet sind für den Abbau des Sauerstoffs
aus dem Erz, nie die Brennstoffe selbst, auch nicht das gasförmige Methan, wobei
des Zerfallsprodukt Kohlenstoff an der Reduktion wegen Reaktionsträgheit wenig
beteiligt ist.
Die weltweit überwiegende Methode zur Herstellung von Eisen ist die Roheisen
erzeugung in Hochöfen. Bei diesem Prozess sind die erforderlichen Prozess
schritte in optimaler Folge so kombiniert, dass die Brennstoffe in der Schmelzzone
mit Heißwind vergast werden, die dabei anfallende Hochtemperaturwärme die
Schlacke und das Eisen schmilzt sowie die Boudouarreaktion, technisch als
"Direktreduktion" bezeichnet, ermöglicht und das im darüberliegenden Schacht
aus der Schmelzzone aufsteigende Gas das Erz reduziert.
Die Prozessführung bei der Roheisenerzeugung mit Hilfe von Schachtöfen ist seit
Jahrzehnten weitestgehend unverändert geblieben, obwohl eine Vielzahl von
Maßnahmen zur Leistungssteigerung, z. B. durch Vergrößerung der Ofen
abmessungen und Erhöhung des Prozessdrucks, und zur Reduzierung des Koks
verbrauches, z. B. durch Einblasen von anderen Brennstoffen wie Kohle, Heizöl,
Erdgas, Kokereigas, Müll, Klärschlamm, Erz sowie die Verwendung von Sauer
stoff u. a. bekannt geworden sind.
Ergebnisse teilen u. a. Gudenau in der Zeitschrift "Stahl und Eisen" 117 (1997)
Nr. 6 unter dem Titel "Versuche zum kombinierten Einblasen von Kohlenstaub
und feinkörnigem Erz in den Hochofen" und auf dem 1thTIMS/IEHK Metallurgical
Symposium, 28/29 September 1997 in Kairo unter dem Titel "Environmental and
economical benefits by injecting iron containing recyclings and steel plant residues
into the blast furnace" und der VDI mit dem Handbuch "Verwertung durch Ein
schmelzen, Sekundärmetallgewinnung und Energienutzung bei der thermischen
Behandlung von Abfällen" zum Seminar vom 22. und 23.09.1997 in Düsseldorf
mit. Eine grundsätzliche Beschreibung des Hochofenprozesses gibt u. a. das
Lehrbuch von Ost, H.; Rassow, B.: "Lehrbuch der chemischen Technologie", 26.
Auflage, Leipzig, Barth-Verlag, 1955.
Kennzeichnend für den Stand der Technik der Prozessführung in Hochöfen ist die
Vergasung von Koks und anderen organischen Brennstoffen und die Reduktion
des Erzes im Gegenstrom zum Schüttgut, so dass der Prozesswärmebedarf die
Strömungsgeschwindigkeit des Gases und die jeweilige Oxidationsstufe des Erzes
die Gaszusammensetzung und damit die Brennstoffausnutzung im Hochofen
bestimmen. Bezogen auf das Oxidationspotential der Brennstoffe werden im
praktischen Betrieb der Hochöfen die Brennstoffe mit annähernd 65% ausge
nutzt.
Unverzichtbarer Bestandteil des Hochofenprozesses ist deshalb die regenerative
Vorwärmung der Prozessluft, die außerhalb des Hochofens einen Teil der chemi
schen Enthalpie des Gichtgases nutzt und damit in den Prozess zurückführt. Gute
Hochofenanlagen erreichen somit bereits eine Brennstoffausnutzung von 75 bis
80% bei Verwendung eines hohen Anteils von teurem und knappem Hüttenkoks
als Brennstoff.
Trotzdem sind eine Vielzahl von Bemühungen bekannt, die Roheisenerzeugung
und den Hochofenbetrieb weiter zu verbessern. Das betrifft insbesondere die
Substitution von Hüttenkoks durch Ersatzbrennstoffe, die Absenkung des Brenn
stoffverbrauchs durch bessere Ausnutzung des Gases im Ofen, die Steigerung
der Raum-Zeit-Ausbeute vorhandener Anlagen und die bessere externe Verwer
tung des Gichtgases.
So wurde mehrfach vorgeschlagen, Gichtgas durch Auswaschen von Kohlendi
oxid zu Reduktionsgas aufzubereiten und dieses in den Hochofen zurückzuführen.
Austin, P. R. u. a. haben in ISIJ Int. 38 (1998), Nr. 3, S. 239-245 Ergebnisse von
Untersuchungen über die Rezirkulation von Gichtgas in den Hochofenprozess
veröffentlicht. Im Vergleich zur konventionellen Fahrweise ohne Gichtgasrezirku
lation wurde die Rezirkulation von Gichtgas ohne Auswaschen von Kohlendioxid
mit und ohne Sauerstoffanreicherung des Windes und die Rezirkulation mit Aus
waschen von Kohlendioxid und gleichzeitiger Anreicherung des Windes mit
Sauerstoff untersucht. Nur die Variante mit Auswaschung von Kohlendioxid und
gleichzeitiger Sauerstoffanreicherung führte zu Brennstoffeinsparungen und
Leistungssteigerungen.
Wesentlicher Bestandteil des Standes der Technik sind weiterhin Erkenntnisse
über Vorteile, die sich aus der Verwendung von Sauerstoff an Stelle von Heißwind
als Vergasungsmittel in den Wirbelkammern der Hochöfen ergeben.
Bei der Reduktion in Schachtöfen, z. B. in Hochöfen oder beim Corex-Verfahren,
durchströmt das Gas die Schüttung im Gegenstrom. Das hat zur Folge, dass das
Erz seine Oxidationsstufen nacheinander durchläuft, wobei das Gas erst den
Sauerstoff aus dem Wüstit aufnimmt und das dabei entstehende Gas geeignet ist
für die Reduktion von Magnetit und das danach vorliegende Gas wieder für die
Reduktion von Hämatit. Das aufströmende Gas hat gleichzeitig die Aufgabe, das
für die im Ofen ablaufenden chemischen Reaktionen notwendige Temperatur
niveau durch Wärmetransport aus der Formenebene in den Schacht sicherzu
stellen. Reduktionspotential und Wärmekapazität sind somit zwangsgekoppelt.
Beim Stand der Technik wird bei der Reduktion von Hämatit zu Eisen im Schacht
gegenstrom eine Kohlenmonoxid/Wasserstoff-Ausnutzung von annähernd nur
50% erreicht.
Bei der Reduktion von Eisenerz in der Wirbelschicht und in der Flugwolke mit
kontinuierlicher Zugabe von Erz und kontinuierlicher Abführung von Eisen da
gegen laufen die Reduktionsstufen gleichzeitig ab, deshalb wird die Gaszusam
mensetzung bestimmt von der niedrigsten Oxidationsstufe des Erzes als
"Bodenkörper" im Wirbelbett, d. h. bei einer Wirbelbetttemperatur von 800°C kann
das Kohlenmonoxid/Wasserstoff-Gemisch unter Normaldruck nur zu ca. 35%
ausgenutzt werden. Da aber in der Wirbelschicht die Reaktionen von Hämatit zu
Magnetit und Magnetit zu Wüstit vorrangig und gleichzeitig zur Reduktion von
Wüstit zu Eisen ablaufen, wird das Reduktionsgas bereits über diese Reaktionen
mit Kohlendioxid und Wasserdampf belastet und damit in seiner Wirksamkeit für
die Reduktion von Wüstit zu Eisen so reduziert. Der Reduktionsgasbedarf steigt
somit auf ca. 170%, bezogen auf die für die Reduktion von Wüstit zu Eisen
erforderliche Gasmenge. Die tatsächlich umzuwälzende Gasmenge ist meist noch
deutlich höher, weil mit dem Gas die für die Fluidisierung erforderliche kinetische
Energie in den Prozess einzubringen ist.
Beim Stand der Technik wird dem begegnet durch Gaskreisläufe, so z. B. beim
Circored-Verfahren, bei dem das Erz nacheinander eine zirkulierende und eine
stationäre Wirbelschicht durchläuft und dort durch zwei parallele Wasser
stoffströme reduziert wird. Diese Parallelfahrweise der Gasströme ermöglicht von
vornherein nicht die bei Gegenstromfahrweise erreichbare Gasausnutzung. Dem
wird begegnet durch Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsgas und einen
Gaskreislauf, in dessen Folge das während der Reduktion des Erzes gebildete
Wasser durch Kühlung des gesamten Kreislaufgases ausgetaut und der ver
brauchte Wasserstoff durch Zuspeisung ersetzt wird. Somit sichert die Kreislauf
fahrweise eine hohe Brennstoffausnutzung, bei allerdings hohem Aufwand für die
Umwandlung der Brennstoffe in Wasserstoff und an Energie für die Rezirkulation
des Gases und die Fluidisierung der Feststoffe. Der Prozesswärmebedarf wird
durch rekuperative Erwärmung des Kreislaufgases und Zufeuerung im Zuge der
Feststoffvorwärmung gedeckt (Paper presented at the METEC Congress 99 in
Düsseldorf, Germany, from Juni 13-15, 1999). Die rekuperative Wärmeeinkopp
lung erfordert einen hohen apparativen Aufwand.
Mit demselben Paper wird das Circofer-Verfahren vorgestellt, bei dem die redu
zierenden Bestandteile des Kreislaufgases erneuert werden durch eine in den
Kreisprozess integrierte, partielle Oxidation einer Kohle/Erz-Mischung, durchge
führt in einer durch Kreislaufgas fluidisierten Wirbelschicht. Somit wird die Erzeu
gung des Reduktionsgases durch Vergasung von fossilen Brennstoffen, vorzugs
weise Kohle in den Prozess integriert. Das Erz wird wie beim Circored-Verfahren
in zwei gasseitig parallel geschalteten Wirbelbetten reduziert, dabei gebildetes
Kohlendioxid und Wasser werden durch Kühlung und MEA-Wäsche aus dem
Kreislauf ausgeschleust. Der Prozesswärmebedarf wird neben der partiellen Oxi
dation auch hier durch rekuperative Wärmezuführung gedeckt. Dem geringeren
Aufwand für die Erzeugung von Reduktionsgas gegenüber dem Circored-Verfah
ren steht der erhöhte Aufwand für das Auswaschen des Kohlendioxides beim
Circofer-Verfahren gegenüber.
Der für beide Verfahren geltend gemachte, durch hohe Relativgeschwindigkeiten
zwischen Gas und Feststoff erzielte gute Stoffaustausch ist untergeordnet, da in
beiden Fällen die chemische Reaktion der Erzreduktion der geschwindigkeitsbe
stimmende Schritt ist.
Soll in der Wirbelschicht neben der Reduktion von Hämatit zu Eisen auch noch
eine Karbonisierung des Eisens zu Eisenkarbid durchgeführt werden, dann ent
scheidet letztlich die Eisenkarbidbildung über die Gasausnutzung. Unter den in
der Eisenkarbidanlage Trinidad der Nucor gewählten Prozessbedingungen heißt
das, dass gegenüber thermodynamisch optimaler Prozessführung das mehr als
100-fache der erforderlichen Gasmenge umgewälzt wird (Paper presented at the
ISS 56th Ironmaking Conference in April 1997 in Chicago, IL).
Der Stand der Technik ist somit durch zwei Extreme gekennzeichnet:
- - die anlagentechnisch perfektionierte, thermodynamisch vorteilhafte mehr stufige Verhüttung von Erz zu Roheisen im Gegenstrom zwischen Schüttung und Gas in einer Hitze im Hochofen mit der Doppelfunktion des in der Formenebene erzeugten Reduktionsgases und daraus resultierender, un genügender Brennstoffausnutzung und
- - die vom Schmelzvorgang abgekoppelte, einstufige Reduktion des Erzes in der Wirbelschicht mit Kreislaufgas und damit vollständiger Brennstoffaus nutzung bei hohem Apparate- und Energieaufwand.
Mit Bezug auf den fortgeschrittenen Stand der Verhüttung von Eisenerz im Hoch
ofen ist erst einmal festzustellen, dass die schrittweise Reduktion des Erzes über
die Oxidationsstufen Hämatit, Magnetit, Wüstit, Eisen im Hochofenschacht ge
genüber der einstufigen Reduktion im Wirbelbett thermodynamisch vorteilhaft für
die Brennstoffausnutzung ist. Inwieweit diese thermodynamischen Vorteile bei der
Führung des technischen Prozesses derzeit wirklich genutzt werden, soll die
nachfolgende Bewertung praktischer Kennziffern eines Hochofenbetriebes, bezo
gen auf 1 t Roheisen, zeigen.
Brennstoffeinsatz:
Koks: 311 kg
Steinkohle: 185 kg
Luft:
Volumen: 976 m3
Sauerstoffanteil: 24%
Temperatur: 1.228°C
ad. Flammentemp.: 2.150°C
Brennstoffeinsatz:
Koks: 311 kg
Steinkohle: 185 kg
Luft:
Volumen: 976 m3
Sauerstoffanteil: 24%
Temperatur: 1.228°C
ad. Flammentemp.: 2.150°C
Die Stoffbilanz ergibt, dass mit dem Erz 286,5 m3 und mit der Luft 235 m3, zu
sammen 521.5 m3 Sauerstoff/t RE, eingebracht und mit dem Gichtgas 533 m3
ausgebracht wurden. Das mit dem Gichtgas darüber hinaus ausgebrachte
Sauerstoffvolumen von 26 m3 wurde mit den Zuschlägen als Kohlendioxid und mit
dem Schüttgut als Wasser eingetragen.
Mit dem Gichtgas werden somit 338 m3 Kohlendioxid und Wasser ausgetragen,
entstanden im Zuge der Eisenreduktion. Die Bildung von Kohlendioxid und Was
ser aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff während der Reduktion von Hämatit zu
Magnetit und von Magnetit zu Wüstit errechnet sich zu 191 m3, d. h. bei der Re
duktion von Wüstit zu Eisen wurden nur 147 m3 Kohlendioxid und Wasser gebil
det, was einer Reduktionsgasausnutzung von 19% entspricht.
Die thermodynamischen Berechnungen der Reduktion von hämatitischem Erz zu
Eisen für eine Reaktionstemperatur von 800°C und einem Partialdruck der rea
gierenden Gasbestandteile von 1 bar zeigen, dass unabhängig davon, ob der
Prozess in Schachtöfen, z. B. Hochöfen, in stationären oder zirkulierenden Wirbel
schichten oder mit Flugstromverfahren durchgeführt wird, bei jeweils vollständiger
Reduktion von Hämatit zu Magnetit nur 33 m3, von Magnetit zu Wüstit 67 m3, bei
der Reduktion von Wüstit zu Eisen aber 200 m3 Sauerstoff je t Eisen abzubauen
sind, wobei, bezogen auf die Sauerstoffaufnahmefähigkeit eines Kohlenmon
oxid/Wasserstoff-Gemisches als Reduktionsgas, das Gas thermodynamisch be
dingt bei der Reduktion von Wüstit zu Eisen nur mit 35%, bei der Reduktion von
Magnetit zu Wüstit zu ca. 75% und nur bei der Reduktion von Hämatit zu
Magnetit annähernd vollständig ausgenutzt werden kann.
Wird für den Hochofenprozess unterstellt, dass entsprechend dem praktischen
Temperaturniveau bei der Reduktion von Hämatit zu Magnetit und Magnetit zu
Wüstit die Direktreduktion von untergeordneter Rolle ist, und wird der Sauerstoff
im Gichtgas um den mit den Zuschlägen eingebrachten und den während der Re
duktion von Hämatit- und Magnetit aufgenommenen reduziert, dann errechnet
sich für das aus der Prozessstufe "Reduktion von Wüstit zu Eisen" austretende
Gas ein gebundenes Sauerstoffvolumen von 421,5 m3, davon 186,5 m3 aus dem
Erz und 235 m3 aus dem Wind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, aus den dem thermodynami
schen System Eisen-Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Schwefel (Fe-C-H-O-S)
ableitbaren technischen Möglichkeiten zur Leistungssteigerung und Brennstoffein
sparung bei der Verhüttung von Eisenerz mit fossilen Brennstoffen verfahrens
technisch zu nutzen und für die Durchführung geeignete Vorrichtungen sowie das
Verfahren flankierende Maßnahmen zur Optimierung der Anwendung vorzu
schlagen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale unabhängiger Ansprüche
gelöst, die auch unabhängig voneinander technisch genutzt werden können und
eine schrittweise Umrüstung vorhandener Vorrichtungen auf das erfindungs
gemäße Verfahren ermöglichen. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausge
staltungen der Erfindung dar.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, bei dem die Re
duktion von Wüstit zu Eisen in Festbetten oder in Wirbelschichten bzw. Flug
wolken weitgehend unabhängig von der vorgeschalteten Reduktion von Hämatit
und Magnetit und der nachfolgenden Schmelze als verfahrenstechnisch separate
Prozessstufe durchgeführt wird, indem dieser Prozessstufe einerseits Wüstit und
Reduktionsgas, vorzugsweise extern durch Vergasung und/oder Entgasung von
Brennstoffen erzeugt, oder gasförmige, flüssige bzw. feste Brennstoffe, die in der
Prozessstufe selbst durch partielle Oxidation mit Luft und/oder Sauerstoff zu Re
duktionsgas vergast werden, mit für die Reduktion ausreichender Temperatur zu
geführt und andererseits Eisenschwamm und durch die Aufnahme von Sauerstoff
aus dem Wüstit kohlendioxid- und wasserdampfangereichertes Reduktionsrest
gas, unabhängig von der physikalischen Enthalpie dieses Gases, abgeführt wer
den.
Es ist erfindungsgemäß, dass das in der verfahrenstechnisch separaten Prozess
stufe aus Wüstit meist in Form von Eisenschwamm erzeugte Eisen einer internen,
wie beim Hochofen, oder einer externen Schmelzstufe, vorzugsweise einem Elek
troofen, oder aber auch einer Karbonisierung zu Eisenkarbid und das Reduktions
restgas jeweils teilweise der internen oder externen Vergasung der Brennstoffe als
endothermes Vergasungsmittel, zur Reduktion von hämatitischem oder magnetiti
schem Erz zu Wüstit, als Brenngas für die Vorwärmung des dem Prozess zuge
fahrenen Schüttgutes oder für eine koksfreie Eisenschmelze, ähnlich den Sie
mens-Martin-Öfen, oder einer anderen externen Nutzung zugeführt wird.
Die Anwendung der Erfindung bei der Verhüttung von Eisenerz im Hochofen er
folgt erfindungsgemäß mit einer Prozessführung, bei der dem Ofen das aus der
Formenebene und dem unteren Teil des Ofens aufsteigende Gas bei Beginn der
Reduktion des Wüstits vorzugsweise bei einem Temperaturniveau von 750°C ±
150 K über einen unteren Gassammelkanal teilweise oder ganz entnommen wird,
wovon dem Ofen über die Formenebene ein solcher Anteil ohne Abtrennung von
Kohlendioxid wieder zugeführt wird, wie für die Einstellung der gewünschten
Temperatur in der Schmelzzone von vorzugsweise 2.000 bis 2.150°C in Ab
hängigkeit von den dort für die Vergasung zur Verfügung stehenden Brennstoffen,
der Temperatur und Sauerstoffkonzentration des Windes, bis hin zu reinem Sau
erstoff, erforderlich ist, wobei bei der teilweisen Entnahme mindestens soviel Gas
im Ofen verbleibt und weiter im Gegenstrom zum Schüttgut bis zu einem oberen
Gassammelkanal strömt, wie für die Reduktion von Magnetit zu Wüstit erforderlich
ist, während bei vollständiger Gasentnahme ein weiterer Teilstrom, ausreichend
für die Reduktion von Hämatit zu Wüstit und zur Sicherung der dafür erforder
lichen Reaktionstemperatur durch partielle Oxidation mit Luft über den oberen
Gassammelkanal in den Oberteil des Ofenschachtes rückgeführt und über eine
mittlere Gasentnahme, die in der Höhe zwischen dem oberen und unteren Gas
sammelkanal erfolgt, wieder aus dem Ofen abgeführt wird, nachdem dieser Gas
teilstrom das Schüttgut im Gleichstrom durchströmt, dieses auf Reaktions
temperatur vorgewärmt und das hämatitische Erz zu Wüstit reduziert hat.
Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei vollständiger
Gasentnahme erforderliche Trennung der im Ofen auf- und absteigenden Gase
wird erreicht, indem der Druck des im Oberteil des Ofens im Gleichstrom mit dem
Schüttgut geführten Gases bei seiner Zuführung zum Ofen erfindungsgemäß so
eingestellt wird, dass sich die über die erste und zweite Gasentnahme abzufüh
renden Gase in der Schüttung nicht oder nur im beabsichtigten Umfang ver
mischen.
Erfindungsgemäß wird die Gasausnutzung im Ofen und die Wirksamkeit der Gas
rückführungen in den Ofen erhöht, indem das über die erste Gasentnahme dem
Ofen entnommene Gas vor der Rückführung entstaubt, gekühlt, im Druck vor
zugsweise auf Betriebsdruck der Winderhitzung sowie rekuperativ und/oder re
generativ bis auf Temperaturen über 1.000°C erhöht wird.
Es ist auch erfindungsgemäß, das im Ofen befindliche Gas ohne Entnahme von
Gas über die untere Gasentnahme vor Einsetzen der Reduktion von Hämatit zu
Magnetit durch Zuführung von Luft im Ofen temperaturerhöhend partiell zu oxidie
ren oder bei teilweiser Gasentnahme über die untere Gasentnahme vorzugsweise
vollständig zu verbrennen und das oxidierte Gas bzw. das anfallende Ver
brennungsgas zur Vorwärmung des Schüttgutes auf 600 bis 700°C im Ofen
selbst zu verwenden und dabei auf vorzugsweise 150 bis 250°C abzukühlen.
Die Prozesstemperatur bei der Reduktion von Hämatit zu Magnetit oder Wüstit
durch das im Gleichstrom durch das Schüttgut geführte Gas wird erfindungs
gemäß eingestellt durch den Wärmeeintrag mit dem rezirkulierten, regenerativ
und/oder rekuperativ erwärmten Gas und gegebenenfalls durch Zumischung von
Luft und damit partielle Oxidation im oberen Schachtbereich des Hochofens.
Erfindungsgemäß ist es auch, Gas aus der unteren Gasentnahme einem externen
Prozess zur Vergasung von Ersatzbrennstoff zu Reduktionsgas für die Einblasung
in den Hochofen bei der Roheisenerzeugung, die Eisenschwamm- und Eisen
karbiderzeugung als Vergasungsmittel zuzufahren oder unter erhöhtem Prozess
druck direkt für die Eisenkarbiderzeugung zu nutzen.
Die Verwertung des bei der teilweisen Entnahme von Gas aus der unteren Gas
entnahme nicht als Vergasungsmittel in den Ofen rückgeführten bzw. des aus der
oberen Gasentnahme entnommenen Gases erfolgt nach dessen Entstaubung und
Reinigung sowie Druckerhöhung vorzugsweise auf Heißwinddruck außerhalb des
Ofens erfindungsgemäß, indem es in den Winderhitzern zum Zwecke der
regenerativen Luft- oder Gaserhitzung und in Zusatzbrennkammern unter Druck
verbrannt wird zu Arbeitsmittel für vorzugsweise Turbolader, die für die
prozessinterne Luft- und Gasverdichtung sowie Drucklufterzeugung für die Luft
zerlegung eingesetzt werden, aber auch für Expansionsturbinenanlagen zur
Stromerzeugung.
Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Brennstoffausnutzung ist erfin
dungsgemäß die Einblasung des Ersatzbrennstoffes an Stelle über übliche Ein
blaslanzen über vorzugsweise in die Windformen integrierte Brenner, die den Er
satzbrennstoff während der Einblasung mit so viel Heißwind und/oder Sauerstoff,
gegebenenfalls unter Zugabe von rezirkuliertem Gas aus der ersten Gas
entnahme, Gichtgas oder extern erzeugtem Reduktionsgas, vermischen, wie für
die vollständige Vergasung des Ersatzbrennstoffes in den Wirbelkammern auch
bei hohen Einblasraten und für die Reduktion des Kohlendioxides und des Was
serdampfes des rezirkulierten Gases zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei vor
gegebenen Temperaturen in der Formenebene erforderlich ist.
Eine maximale Leistungssteigerung des Hochofens wird erfindungsgemäß er
reicht, indem mit dem Ersatzbrennstoff über die Brenner neben dem für die Ver
gasung der Ersatzbrennstoffe erforderlichen, auch der für die anteilige Vergasung
des im Schüttgut befindlichen Kokses erforderliche Sauerstoff eingeblasen wird,
wobei auch in diesem Falle des Übergangs zum "Stickstofffreibetrieb" durch voll
ständigen Ersatz der Heißluft durch Sauerstoff das Temperaturniveau in der
Formenebene mit aus der ersten Gasentnahme rezirkuliertem Gas, Gichtgas oder
mit extern erzeugtem Reduktionsgas eingestellt wird.
Erfindungsgemäß werden bei Realisierung des Stickstofffreiprozesses in Hoch
öfen die Winderhitzer zur regenerativen Vorwärmung des dem Ofen über die un
tere Gasentnahme entnommenen Gases und das Heißwindsystem für die Rück
führung des Gases zum Ofen verwendet.
Die Anwendung der Erfindung mit Hilfe der Wirbelschicht- oder Flugstromtechnik
erfolgt erfindungsgemäß, indem die die Prozessstufe bildenden, stationären oder
zirkulierenden Wirbelschichten oder der Flugstrom überwiegend aus wirbel- oder
blasfähigem Eisen gebildet werden, denen kontinuierlich Wüstit zu und aus denen
Eisen kontinuierlich abgeführt wird, wobei das die Wirbelschicht oder den Flug
strom antreibende, der Prozessstufe zugeführte Gas vorzugsweise durch Ver
gasung extern erzeugt wird und ein Volumenverhältnis der reduzierenden Be
standteile Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu den oxidierenden Bestandteilen
Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist, das kleiner ist als das des aus der
Prozessstufe abgeführten Gases.
Es ist aber auch erfindungsgemäß, das aus der durch Wirbelschicht oder Flug
wolke gebildeten Prozessstufe abzuführende Gas im Druck zu erhöhen und in den
Prozess zurückzuführen, wobei entweder gleichzeitig Brennstoff, Luft und/oder
Sauerstoff zugeführt oder vor der Rückführung Kohlendioxid und Wasser aus dem
Gas entfernt werden.
Das aus der durch Wirbelschichten oder Flugstrom gebildeten Prozessstufe abzu
führende Gas wird neben der Rezirkulation erfindungsgemäß auch anteilig ver
wendet als endothermes Vergasungsmittel bei der externen Reduktionsgas
erzeugung, zur Reduktion von hämatitischem oder magnetitischem Erz zu Wüstit
sowie als Brennstoff für die Erzvorwärmung und Erzeugung von Arbeitsmittel für
Kraftprozesse.
Die Produktion von Eisenkarbid ist ein besonders wirtschaftlicher Anwendungsfall
der Erfindung. Für die Karbonisierung von Eisen zu Eisenkarbid ist Kohlenstoff,
vorzugsweise in Form von Kohlenmonoxid, unentbehrlich. Die Bildung von Eisen
karbid aus Eisen und Kohlenmonoxid ist eine druck- und temperaturabhängige
chemische Reaktion, die einen diesbezüglichen Mindestgehalt an Kohlenmonoxid
bei möglichst niedrigen Anteilen Kohlendioxid und Wasser aber auch an Wasser
stoff erfordert.
Erfindungsgemäß wird deshalb die Produktion von Eisenkarbid unter Normaldruck
aus Eisenschwamm in einer durch stationäre Schütt- oder Wirbelschicht, zirkulie
rende Wirbelschicht oder durch Flugstrom u. a. gebildete Prozessstufe durchge
führt, indem der Prozessstufe schütt-, wirbel- bzw. blasfähiger Eisenschwamm
und durch Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugtes Reduk
tionsgas zugeführt wird, dessen Kohlenmonoxidgehalt gegebenenfalls durch die
Verwendung von Kohle, Koks, z. B. Petrolkoks, als Brennstoff und gegebenenfalls
Kohlendioxid als endothermes Vergasungsmittel und/oder Abtrennung von Was
serstoff auf mindestens ein Drittel der Summe aus Kohlenmonoxid und Wasser
stoff angehoben wurde, wobei der Anteil der oxidierenden Gasbestandteile Koh
lendioxid und Wasserdampf zusammen 3 Vol.-% nicht überschreiten soll, bei ei
nem Partialdruck der reagierenden Gasbestandteile von mindestens 1 bar und
einer Prozesstemperatur <750°C.
Das aus der Prozessstufe Karbonisierung von Eisen zu Eisenkarbid abzuführende
Gas und der bei der Herstellung des dafür erforderlichen Gases gegebenenfalls
anfallende Wasserstoff wird erfindungsgemäß verwendet als Reduktionsgas bei
der der Karbonisierung vorangehenden Reduktion von Wüstit zu Eisen.
Die Produktion von Eisenkarbid aus Wüstit erfolgt erfindungsgemäß mit prozess-
intern oder -extern erzeugtem Vergasungsgas aus fossilen oder nachwachsenden
Brennstoffen bei Prozessdrücken <10 bar und aus Magnetit <25 bar, jeweils bei
Prozesstemperaturen von 600 bis 800°C.
Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in stationären und zirku
lierenden Wirbelschichten und im Flugstrom können die bekannten, dem Stand
der Technik entsprechenden Vorrichtungen bei geringfügiger Modifikation einge
setzt werden, da die Merkmale der Erfindung erreicht werden durch die erfin
dungsgemäßen Vorgaben an die Qualität der zu- und abgeführten Stoffe sowie
die Art der Energiezuführung.
Die Realisierung der Erfindung in Festbettschüttungen in Schachtöfen, z. B. Hoch
öfen, erfordert jedoch teilweise eine grundsätzliche Weiterentwicklung der Vorrich
tungen und deren peripherer Anlagen, die nachfolgend erfindungsgemäß gekenn
zeichnet werden.
Eine Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Entkopplung der chemischen Reak
tionen der Eisenerzreduktion vom Wärmetransport durch das im Ofen aufstei
gende Gas entspricht einem Schachtofen, z. B. Hochofen des Standes der Tech
nik, der erfindungsgemäß mit einer Einrichtung, vorzugsweise einem Hohlkegel
oder einem Rohrrost, ausgerüstet wird, die die über einen oder mehrere Kanäle
zugeführte Luft für die partielle Oxidation im Schüttgut, vorzugsweise vor Beginn
der Erzreduktion, verteilt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung eines weiteren Merkmals des er
findungsgemäßen Verfahrens ist neben der Einrichtung zur partiellen Oxidation
des im Ofen aufsteigenden Gases im Schüttgut durch Luft vor Beginn der Erz
reduktion gekennzeichnet durch Brenner zur Vergasung der Ersatzbrennstoffe in
der Formenebene mit Heißluft und/oder Sauerstoff, die vorzugsweise in die
Windformen integriert sind und den über pneumatische Dichtstromförderung zu
gefahrenen, blasfähigen Ersatzbrennstoff mit der Heißluft und/oder dem Sauer
stoff so zerstäuben, dass der Ersatzbrennstoff auch bei hohen Einblasraten in den
Wirbelkammern weitgehend vergast.
Die Vorrichtung zur Realisierung aller Merkmale des erfindungsgemäßen Ver
fahrens in einer Feststoffschüttung in Kombination mit der Roheisenerzeugung
entspricht in ihrem unteren Teil bis in mittlerer Höhe einem Hochofen mit den be
reits beschriebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Verbesserung des
Eintrags von Ersatzbrennstoff, während der obere Teil der Vorrichtung erfin
dungsgemäß aus einem Füllschacht und einem gasdichten Zylinder oder Kegel
stumpf besteht, die mit der Schüttung den oberen Gassammelkanal bilden, aus
dem bei durchgängiger Gegenstromfahrweise mit oder ohne teilweiser Gasent
nahme das Gas vollständig aus dem Ofen abgeführt wird, wobei Ober- und Unter
teil der Vorrichtung mit dem Schüttgut den unteren Gassammelkanal bilden, über
den das im Unterteil des Ofens aufsteigende Gas teilweise oder ganz aus dem
Ofen abgeleitet und der erfindungsgemäßen Rückführung und Verwertung zuge
führt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Heißgaseinblas
vorrichtung auf, die in ihrer äußeren Gestaltung einer üblichen Windform ent
spricht, welche erfindungsgemäß mit einem Brenner zur Vergasung von Ersatz
brennstoff, vorzugsweise Kohlebrennstaub oder blasfähiger Feinkoks, mit Sauer
stoff ausgerüstet ist, wobei über diese Einblasvorrichtung entweder Heißwind oder
heißes, aus der ersten Gasentnahme rezirkuliertes und/oder heißes Reduk
tionsgas aus externer Produktion in die Formenebene des Ofens eingeleitet wird
und mit Hilfe des Brenners das rück- oder zugeführte Gas, der Ersatzbrennstoff
sowie Luft und/oder Sauerstoff in die Formenebene so eingebracht werden, dass
im Ofen eine Wirbelkammer freigeblasen wird, in der sich rückgeführtes Gas,
Ersatzbrennstoff, Luft und/oder Sauerstoff bei Temperaturen von über 1.900°C
zu Reduktionsgas umsetzen.
Für die Erzeugung von Eisenschwamm oder Eisenkarbid aus körnigem, stückigem
oder pelletiertem Eisenerz wird vorzugsweise eine Vorrichtung zur Realisierung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Feststoffschüttung vorgeschlagen, die
ähnlich der für die Roheisenerzeugung aus einem Füllschacht und einem gas
dichten Oberteil besteht, die mit der Schüttung einen oberen Gassammelkanal
bilden, über den das Verbrennungsgas aus der Schüttgutvorwärmung abgeführt
wird, während, wie bei der Vorrichtung zur Roheisenerzeugung, das Ofenoberteil
mit dem Unterteil und der Feststoffschüttung den unteren Gassammelkanal bil
den, über den das aus der zu Wüstit reduzierten Schüttung austretende Gas teil
weise entnommen und der erfindungsgemäßen Verwertung zugeführt werden
kann. Das Unterteil des Ofens wird vorzugsweise durch einen Rost abgeschlos
sen, über den zum Zweck der Kühlung der Schüttung kaltes Reduktionsgas in den
Ofen eingeleitet und in Abhängigkeit vom CO-Partialdruck im Reduktionsgas und
dem Prozessdruck entweder Eisenschwamm oder -karbid ausgetragen werden
kann. Wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Roheisenerzeugung
befindet sich im oberen Teil des Ofens eine Einrichtung, vorzugsweise ein Kegel
oder Rohrrost mit Bohrungen, der über eine Zuleitung Luft für die Verbrennung
des nach der Reduktion von Hämatit zu Magnetit im Schacht strömenden Gases
zugeführt wird.
Eine spezielle Vorrichtung zur Erzeugung von Eisenkarbid ist darüber hinaus mit
einer zusätzlichen Gaszuführung, die zwischen Rost und unterem Gassammel
kanal angeordnet ist, ausgerüstet, über die im Falle einer vorgeschalten Anreiche
rung von Kohlenmonoxid im Reduktionsgas der separierte Wasserstoff dem Re
duktionsprozess zugeführt werden kann.
Beschrieben wird die erfindungsgemäße Methode zur Verbesserung
der Gichtgasverwertung mit Hilfe der Fig. 1
Das nach der Reinigung vorliegende Gichtgas wird über eine Kaltgasleitung 1 zur
Kompressionsstufe 2 eines Turboladers 3 gefahren, dort auf den zulässigen Be
triebsdruck der Winderhitzer verdichtet, dem unter Betriebsbedingungen befindli
chen Winderhitzer II 4 teilweise zugeleitet und dort mit Druckluft verbrannt. Das
Verbrennungsgas kühlt sich im Winderhitzer II 4 ab, wird danach mit einer Tem
peratur von 300 bis 600°C zu einer Druckbrennkammer 5 geleitet, dort durch
Verbrennen des anderen Teils des komprimierten Gichtgases mit Druckluft in sei
ner Temperatur auf das Eingangsniveau der Expansionsstufe 6 des Turboladers 3
angehoben und unter Abgabe der für die Gichtgaskompression erforderlichen
technischen Arbeit entspannt. Das Turboladerabgas wird im Rekuperator 7 ge
kühlt und danach an die Umgebung abgegeben.
Die für den Hochofenbetrieb und die Verbrennung des Gichtgases erforderliche
Luft wird von der Kompressionsstufe eines zweiten Turboladers 9 angesaugt und
auf den Betriebsdruck des vorhandenen Heißwindsystems komprimiert und im
Rekuperator 7 durch Turboladerabgas vorgewärmt. Der für den Hochofen benö
tigte Teilstrom vorgewärmter Luft wird einem zweiten Winderhitzer 10 zugeleitet,
dort auf geforderte Heißwindtemperatur erhitzt und über das vorhandene Heiß
windsystem 11 dem Hochofen zur Verfügung gestellt, während der andere Teil
strom der Druckluft der Brennkammer 5 zugefahren wird. Das für den Antrieb der
Turbolader 3 und 9 nicht benötigte Druckverbrennungsgas aus der Brennkammer
5 wird in der Expansionsturbine 12 unter Abgabe von technischer Arbeit für die
Erzeugung von Elektroenergie entspannt. Das Turbinenabgas wird wie das aus
den Turboladern 3 und 9 über den Rekuperator 7 an die Umgebung abgeführt.
Die Zu- und Ableitungen der Winderhitzer für Druckluft und Druckgichtgas sind so
mit Absperrorganen und Drosselklappen ausgerüstet, dass die Winderhitzer 4 und
10 zyklisch durch Gichtgasverbrennung unter Druck aufgeheizt und durch
Winderhitzung abgekühlt werden.
Beschrieben wird mit Hilfe von Fig. 2 die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Produktion von Roheisen wie folgt:
Ein Hochofen des Standes der Technik wird erfindungsgemäß im oberen Schacht
abschnitt mit einer Einrichtung (Hohlkegel, Rohrrost u. a.) 9 zum Einbringen und
Verteilen von Luft 7, vorzugsweise vorgewärmt, ausgestattet. Die Luft 7 wird der
Einrichtung 9 und von diesem und dem Schüttgut gebildeten Gasraum 10 über
einen oder mehrere Kanäle 8 der Schüttung zugeführt, mit Gichtgas vermischt
und zur Reaktion gebracht. Die dabei anfallende Reaktionswärme hebt die Tem
peratur des Schüttgutes an, so dass die Reduktionstemperatur unabhängig von
der Temperatur und dem Massenstrom des Gichtgases erreicht wird.
Mit dieser Maßnahme wird es möglich, die Reduktionsgaserzeugung in der Ebene
der Formen und der Direktreduktion auf den für die Reduktion von Wüstit zu Eisen
erforderlichen Massenstrom zu reduzieren und das Reduktionsgas annähernd bis
zum thermodynamischen Gasgleichgewicht der Phasengrenze Eisen/Wüstit ent
sprechend auszunutzen. Im Vergleich zum im Stand der Technik beschriebenen
Hochofen können durch diese erfindungsgemäße Maßnahme folgende wirtschaft
lichen Vorteile erzielt werden:
- - Absenkung der Reduktionsgaserzeugung in der Formenebene von 1.338 auf 1.170 m3/t Roheisen und damit Steigerung der Roheisen leistung auf bis zu 114%
- - Senkung des spezifischen Brennstoffverbrauchs um 14%,
davon
- - Senkung des Koksverbrauchs um 30 von 311 auf 281 kg/t Roheisen
- - Senkung der Kohleeinblasung um 42 von 185 auf 143 kg/t Roheisen.
Die zweite Ausbaustufe kann gekennzeichnet sein durch den Einbau von Bren
nern 19, vorzugsweise in die Windformen 14, geeignet zur Vergasung von Ersatz
brennstoff 20, insbesondere von Kohlebrennstaub, mit Sauerstoff 23 und/oder
Heißluft 24.
Mit dieser Maßnahme gelingt es, den Ersatzbrennstoff in den Wirbelkammern
weitgehend zu Reduktionsgas zu vergasen, die Beeinflussung der Gasdurch
gängigkeit des Schüttgutes durch den Ersatzbrennstoff zu reduzieren, die Einblas
rate für Ersatzbrennstoff zu erhöhen und die Koksrate weiter, möglicherweise bis
zum technologisch bedingten Minimum, zu senken.
Die Vorrichtung 1 besteht aus dem Füllschacht 12, dem über die Schleuse 15 das
Schüttgut 6, bestehend aus Eisenerz, Koks und Zuschlägen zugeführt wird. Der
Füllschacht 12 ragt in das Ofenoberteil 5 und bildet mit diesem und dem Schütt
gut 6 den oberen Gassammelkanal 16. Diese Anordnung verhindert den Direkt
kontakt der Schleuse 15 mit heißem Gas, das über den Gassammelkanal 12 aus
dem Ofen abgeführt oder diesem zugeführt wird. Die bei durchgängiger Gegen
stromfahrweise erforderliche Gasableitung aus dem oberen Sammelkanal 16 er
folgt über die Heißgasleitung 13. Bei vollständiger Gasentnahme über den unteren
Gassammelkanal 3 erfolgt über die Heißgasleitung 13 die Gasrückführung für die
Reduktion des Hämatit über Magnetit zu Wüstit im Ofenoberteil 5 bei Gleichstrom
zum Schüttgut. Ofenoberteil 5 oder dessen Feuerfestzustellung und Ofenunterteil
4 bilden mit dem Schüttgut 6 den unteren Gassammelkanal 3, dem über die
Heißgasleitung 2 das im Ofenunterteil 4 aufsteigende Gas, je nach gewählter
Betriebsweise, teilweise oder ganz entnommen wird.
Im zylindrischen Ofenoberteil 5 ist eine Einrichtung 9 verankert, im Beispiel ein
Kegel, die mit dem Schüttgut 6 einen Gasraum 10 bildet, dem bei durchgängiger
Gegenstromfahrweise über die Heißgasleitung 8 Verbrennungsluft 7 zum Zwecke
der partiellen Oxidation und damit Anhebung der Schüttguttemperatur zugeführt
wird. Bei Gleichstromfahrweise im Ofenoberteil 5 wird das über den oberen Gas
sammelraum 16 zugefahrene Gas über den Gasraum 10, die Einrichtung 9 und
die Heißgasleitung 8 wieder aus der Vorrichtung 1 abgeführt.
Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung so betrieben, dass im Ofenoberteil 5 die
Reduktion von Magnetit zu Wüstit weitgehend abgeschlossen wird, so dass dem
Ofenunterteil 4 überwiegend Wüstit zugeführt wird, das das aus der Formenebene
11 und der Direktreduktionszone 17 aufsteigende Reduktionsgas zu Eisen
schwamm reduziert.
Während erfindungsgemäß das Temperaturniveau im Ofenoberteil 5 durch parti
elle Oxidation unabhängig von der Prozessführung im Ofenunterteil 4 gestaltet
werden kann, muss in der Formenebene 11 die für das Schmelzen, die Vor
wärmung des Schüttgutes auf Schmelztemperatur und die Direktreduktion erfor
derliche Wärme freigesetzt und das Reduktionsgas für die die Direktreduktion er
gänzende Gasreduktion erzeugt werden.
Zu diesem Zwecke wird dem Ofenunterteil über die Windformen 14 entweder, wie
beim Stand der Technik, über die Heißwindleitungen 18 zugeführter Heißwind, ge
gebenenfalls sauerstoffangereichert, und über eine Dichtstromförderung 20 bereit
gestellter Ersatzbrennstoff über Einblaslanzen oder aber erfindungsgemäß, Heiß
wind und Ersatzbrennstoff zugefahren, der durch Heißwind und/oder Sauerstoff
über vorzugsweise in die Windformen 14 integrierte Brenner 19 so in den Wirbel
kammern vor den Windformen 14 vermischt wird, dass eine, die Vergasungs
reaktion beschleunigende intensive Stoffverteilung sichergestellt ist. Die Schmelze
wird aus der Vorrichtung 1, wie beim Stand der Technik der Roheisenerzeugung,
getrennt als Roheisen 21 und Schlacke 22 abgezogen.
Der wirtschaftliche Vorteil dieser Ausbaustufe besteht darin, dass der Ofen auf
"Stickstofffreibetrieb" umgestellt und damit seine Leistung auf 135 bis 150% ge
steigert werden kann.
Beschrieben wird das erfindungsgemäße Verfahren und das Zusam
menwirken der mit der Erfindung vorgeschlagenen verfahrens
tragenden Vorrichtungen am Beispiel der Roheisenerzeugung mit
Hilfe von Fig. 3:
Eisenerz und -pellets, Koks und Zuschläge werden über die Schleusen 15 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung eines Ofens für die Roheisenerzeugung 1 als
Schüttgut 6 zugeführt. Das Schüttgut 6 sinkt in der Vorrichtung 1 im Gegenstrom
zum im Ofenunterteil 4 produzierten Reduktionsgas, das teilweise über den unte
ren Gassammelraum 3 und die Heißgasleitung 8 aus der Vorrichtung 1 abgeleitet
wird. Das im Ofenoberteil 5 verbleibende Gas wird nach Abschluss der Reduktion
von Magnetit zu Wüstit und von Hämatit zu Magnetit im Ofenoberteil 5 mit über
die Heißgasleitung 8 und den Verteilerkegel 9 zugeführter Luft im Gasraum 10
weitgehend verbrannt. Das Verbrennungsgas wärmt das Schüttgut 6 vor, kühlt
sich dabei ab, und wird danach mit einer Temperatur von ca. 200°C über den
oberen Gassammelkanal 16 aus der Vorrichtung 1 über eine Gasreinigung 25 an
die Umgebung abgegeben.
Die Erzeugung des Reduktionsgases erfolgt in der Ebene der Windformen 11
durch Vergasung von mit dem Schüttgut 6 eingebrachtem Koks und Kohlebrenn
staub als Ersatzbrennstoff, mit Sauerstoff und ohne Kohlendioxidentfernung rück
geführtem, dem unteren Gassammelkanal 3 entnommenen Gas als endothermes
Vergasungsmittel, mit Hilfe von in die Windformen 14 integrierte Brenner 19 sowie
durch Direktreduktion in der Schüttung über der Schmelzzone 17.
Das dem unteren Gassammelkanal 3 entnommene Gas wird vor seiner Verwen
dung als endothermes Vergasungsmittel im Rekuperator 26 gekühlt, danach in 27
gewaschen und mit dem Turbolader 28 auf den für die Rückführung in die Wind
formen 14 erforderlichen Druck erhöht. Die Rückführung des Gases erfolgt nach
Wiedererwärmung im Rekuperator 26 und Überhitzung in den erfindungsgemäß
auf durchgängigen Druckbetrieb umgestellten Heißwinderzeugern 29 über das
Heißgassystem 18.
Der Teil des dem Ofen über den Gassammelraum 3 entnommenen Gases, der
nicht für die Druckfeuerung in den Winderhitzern 29 und nicht als endothermes
Vergasungsmittel für die Reduktionsgaserzeugung in der Formenebene 11 be
nötigt wird, wird einer Brennkammer 30 zugeführt, in der das Druckabgas aus der
Befeuerung der Winderhitzer 31 auf die Eintrittstemperatur der Expansionsstufen
32 der Turbolader 28 durch Verbrennen mit Druckluft angehoben wird. Die
Brennkammer 30 produziert auf diese Art erfindungsgemäß Arbeitsmittel für die
Turbolader 28, das seinerseits während der Expansion 32 die technische Arbeit
für die Kompression des dem Gassammelraum 3 entnommenen Gases und die
Erzeugung von Druckluft für die Druckfeuerungen in den Winderhitzern 31, der
Brennkammer 30 und im Ofenoberteil 10 sowie für die Luftzerlegung 33 und damit
die Sauerstofferzeugung, aber auch für die Elektroenergieerzeugung 34 leistet.
Die für die Druckverbrennung in 31, 30 und 10 komprimierte Luft wird im
Rekuperator 35 im Gegenstrom zum Turboladerabgas vorgewärmt.
Der wesentliche Vorteil der dritten Ausbaustufe über die bereits mit den Aus
baustufen erzielten Vorteile hinaus besteht darin, dass sich das aus dem Ofen
abzuführende "Nutzgasvolumen" gegenüber den heute üblichen Gichtgas
volumina auf annähernd die Hälfte reduziert, wovon wiederum fast 30% als Ver
gasungsmittel dem Ofen wieder zugeführt werden, während das restliche Gas für
die Heißgas- und Elektroenergieerzeugung verwendet werden. Das so energe
tisch optimierte Hüttenwerk arbeitet mit vollständiger Brennstoffausnutzung ein
schließlich Sauerstofferzeugung energieautark.
Beschrieben wird hier die Anwendung der Erfindung für die Erzeu
gung von Eisenschwamm und Eisenkarbid in Kopplung mit einer
externen Kohlevergasung am Beispiel von Fig. 4:
Bei der Anwendung der Erfindung für die Eisenschwamm- und Eisenkarbiderzeu
gung ist zu beachten, dass die Eisenkarbidbildung eine chemische Reaktion ist,
die stark von Prozesstemperatur und -druck abhängig ist. Neben den für Reduk
tionsgas geltenden Anforderungen an die Partialdrücke der reduzierenden und
oxidierenden Bestandteile entscheidet letztlich die Kohlenmonoxidkonzentration
über die Karbonisierung des Eisens.
Somit ergibt sich, dass Vergasungsgas aus Kohle bessere Voraussetzungen für
die Karbonisierung von Eisen aufweist als das aus Methan, dessen Kohlenmon
oxidkonzentration beim Stand der Technik durch Austauen von Wasser, Aus
waschen von Kohlendioxid und Abtrennen von Wasserstoff angehoben wird, was
bei Anwendung der Erfindung wie nachfolgend beschrieben nicht erforderlich ist.
Blasfähige Kohle wird über ein pneumatisches Fördersystem 1 dem endothermen
Teil 2 eines zweistufigen Vergasungsreaktors 3 zugeführt und dort mit dem aus
der Schmelzkammer 4 austretenden wasserdampf- und kohlendioxidhaltigen Gas
5 endotherm teilweise zu Reduktionsgas vergast. Es ist vorteilhaft, der Kohle vor
ihrer Einblasung Kalk-, Kalkhydroxid- oder Kalksteinpulver zuzugeben, das sich im
Temperaturbereich von 800 bis 1.100°C mit dem mit der Kohle eingebrachten
Schwefel zu Kalziumsulfid umwandelt. Der Restkoks aus der Vergasung und das
Kalziumsulfid werden mit dem 700 bis 1.000°C heißen Reduktionsgas über die
Heißgasleitung 6 der Heißgasentstaubung 7 zugeführt und dort entstaubt. Das in
der Entstaubung 7 anfallende Gemisch aus Restkoks und Kalziumsulfid wird über
die Schleuse 8 aus der Entstaubung 7 ausgetragen, pneumatisch zur Brenn
kammer 4 gefördert und dort mit im Rekuperator 9 vorgewärmter Luft oder
Sauerstoff oberhalb der Schmelztemperatur der Kohleasche vergast. Das
Kalziumsulfid wird dabei weitgehend in die Schlacke eluierfest eingeschmolzen.
Das aus der Entstaubung 7 abgeleitete Reduktionsgas wird über eine weitere
Heißgasleitung 10 einer Heißgasfeinentschwefelung 11, die vorzugsweise mit Ei
sen arbeitet, zugeführt und dort weitgehend entschwefelt. Annähernd 70% des so
gereinigten Reduktionsgases werden mit einer Temperatur von 700 bis 900°C
über den Gassammelraum 12 in den Reduktionsreaktor 13 eingeleitet und dort in
das aus Eisenschwamm bestehende Schüttgut 14 verteilt. Der andere Teil des
Reduktionsgases wird im Rekuperator 9 gekühlt und als Kühlmedium über einen
Rost 15 durch das Schüttgut 14 geleitet.
Die Zusammensetzung des Reduktionsgases wird bestimmt vom Brennstoff und
vom Vergasungsmittel, somit ist es möglich durch die Mischung von Luft und
Sauerstoff den Kohlenmonoxidpartialdruck so zu regeln, dass im Zusammen
wirken von Druck und Temperatur in der mittleren Prozessstufe 16 Eisen
schwamm aus Wüstit reduziert wird, während in der Kühlzone 18 oberhalb des
Rostes 15 mit der gleichen Gaszusammensetzung Eisenschwamm zu Eisenkarbid
karbonisiert wird. Somit ist es möglich, aus dem gleichen Prozess neben Eisen
karbid auch Eisenschwamm zu gewinnen, der über eine Schleuse 19 aus dem
oberen Bereich der Kühlzone 18 aus dem Reaktor 13 abgezogen werden kann.
Die Bildung von Eisenkarbid kann weiterhin unterbunden werden, indem der Anteil
der oxidierenden Gaskomponenten im Kühlgas, z. B. durch Zumischung 20 von
Reduktionsrestgas aus der Reduktion von Wüstit zu Eisen, erhöht wird. Die Re
duktion von hämatitischem und magnetitischem Erz zu Wüstit erfolgt in der obe
ren Prozessstufe 21, bevor das danach vorliegende Gas zum Zwecke der
Schüttgutvorwärmung auf Reaktionstemperatur durch Zufuhr von Verbrennungs
luft 22 vollständig verbrannt wird. Das dabei entstehende Verbrennungsgas kühlt
sich im Schüttgut ab und wird danach über eine Gasreinigung 25 an die Um
gebung abgegeben.
Erfindungsgemäß verfügt auch diese Vorrichtung über einen mittleren Gassam
melkanal 23, über den das nach der Prozessstufe "Reduktion zu Eisen" vorlie
gende Reduktionsrestgas, das nicht für die Reduktion von Magnetit zu Wüstit und
die Schüttgutvorwärmung in der oberen Prozessstufe 21 benötigt wird, aus dem
Reaktor 13 abgeleitet wird. Dieses Gas wird verwendet als endothermes Ver
gasungsmittel bei der Kohlevergasung in der Brennkammer 4, zur Vorwärmung
der Verbrennungsluft im Rekuperator 24 und für externe Aufgaben, z. B. für die
Deckung des Elektroenergiebedarfs des Prozesses sowie gegebenenfalls zur
Zumischung zum Kühlgas 20.
Der Vorzug dieser Anwendung der Erfindung liegt insbesondere in der Verwen
dung von Kohle als Brennstoff und in der hohen Ausnutzung der Brennstoffe bei
geringem Energieaufwand für die Gasrezirkulation.
Die technische Umsetzung der Erfindung ist in Abhängigkeit des jeweiligen An
wendungsfalles optimal gestaltbar. Die Ausführungsbeispiele beschreiben dafür
nur ausgewählte Varianten.
Claims (23)
1. Verfahren zur Erzeugung von Eisen aus Eisenerz oder -oxiden, naturbelassen
oder pelletiert, Feinerz oder Erzkonzentrat, vorzugsweise von Roheisen in
Hochöfen, aber auch von Eisenschwamm und Eisenkarbid in Schachtöfen, in
der Wirbelschicht und im Flugstrom mit Hilfe von fossilen und nachwachsen
den Brennstoffen, insbesondere von Stein- und Braunkohlen oder organischen
Brennstoffen wie Müll und Klärschlamm, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reduktion von Wüstit zu Eisen weitgehend unabhängig von der vorgeschalte
ten Reduktion von Hämatit und Magnetit und der nachfolgenden Schmelze als
verfahrenstechnisch separate Prozessstufe durchgeführt wird, indem dieser
Prozessstufe einerseits überwiegend Wüstit und Reduktionsgas, vorzugsweise
extern durch Vergasung und/oder von Brennstoffen erzeugt oder gasförmige,
flüssige, bzw. feste Brennstoffe, die in der Prozessstufe selbst durch partielle
Oxidation mit Luft und/oder Sauerstoff zu Reduktionsgas vergast werden, mit
für die Reduktion ausreichender Temperatur zugeführt und andererseits
Eisenschwamm und durch die Aufnahme von Sauerstoff aus dem Wüstit
kohlendioxid- und wasserdampfangereichertes Reduktionsgas, unabhängig
von der physischen Enthalpie des Gases abgeführt werden.
2. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass das erzeugte Eisen einer internen, wie beim Hochofen, oder einer
externen Schmelzstufe, vorzugsweise einem Elektroschmelzofen oder aber ei
ner Karbonisierung zu Eisenkarbid und das bei der Reduktion von Wüstit ent
stehende Gas jeweils teilweise der internen oder externen Vergasung der
Brennstoffe als endothermes Vergasungsmittel, zur Reduktion von
hämatitischem oder magnetitischem Erz zu Wüstit, als Brenngas für die Vor
wärmung des dem Prozess zugefahrenen Schüttgutes oder für eine koksfreie
Eisenschmelze, ähnlich den Siemens-Martin-Öfen, oder einer anderen ex
ternen Nutzung zugeführt wird.
3. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach den Ansprüchen 1 und
2, dadurch gekennzeichnet durch eine Prozessführung, beider dem Ofen das
aus der Formenebene und ggf. dem unteren Teil des Ofens aufsteigende Gas
bei Beginn der Reduktion von Wüstit vorzugsweise bei einem Temperatur
niveau von 750°C ± 150 K über einen unteren Gassammelkanal teilweise oder
ganz entnommen wird, wovon dem Ofen über die Formenebene ein solcher
Anteil ohne Abtrennung von Kohlendioxid wieder zugeführt wird, wie für die
Einstellung der gewünschten Temperatur in der Schmelzzone von vorzugs
weise 2.000 bis 2.100°C in Abhängigkeit von den dort für die Vergasung zur
Verfügung stehenden Brennstoffen, der Temperatur und Sauerstoffkonzen
tration des Windes, bis hin zu reinem Sauerstoff erforderlich ist, wobei bei der
teilweisen Entnahme mindestens soviel Gas im Ofen verbleibt und weiter im
Gegenstrom zum Schüttgut bis zu einem oberen Gassammelkanal strömt, wie
für die Reduktion von Magnetit zu Wüstit erforderlich ist, während bei voll
ständiger Gasentnahme ein weiterer Teilstrom, ausreichend für die Reduktion
von Hämatit zu Wüstit und zur Sicherung der dafür erforderlichen Reaktions
temperatur durch partielle Oxidation mit Luft, über den oberen Gassammel
kanal in den Oberteil des Ofenschachtes rückgeführt und über eine mittlere
Gasentnahme, die in der Höhe zwischen dem oberen und unteren Gas
sammelkanal erfolgt, wieder aus dem Ofen abgeführt wird, nachdem dieser
Gasteilstrom das Schüttgut im Gleichstrom durchströmt, dieses auf Reaktions
temperatur vorgewärmt und das hämatitische Erz zu Wüstit reduziert hat.
4. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die bei vollständiger Gasentnahme erforderliche Tren
nung der im Ofen auf- und absteigenden Gase durchgeführt wird, indem der
Druck des im Oberteil des Ofens im Gleichstrom mit dem Schüttgut geführten
Gas bei seiner Zuführung zum Ofen so eingestellt wird, dass sich die über die
erste und zweite Gasentnahme abzuführenden Gase in der Schüttung nicht
oder nur im beabsichtigten Umfange vermischen.
5. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 oder 4, da
durch gekennzeichnet, dass das über die erste Gasentnahme dem Ofen ent
nommene Gas vor der Rückführung entstaubt, gekühlt, im Druck vorzugsweise
auf Betriebsdruck der Winderhitzung sowie rekuperativ und/oder regenerativ
bis auf Temperaturen über 1.000°C erhöht wird.
6. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 bis 5, da
durch gekennzeichnet, dass das im Ofen befindliche Gas, unabhängig davon,
ob dem Ofen kein oder nur teilweise Gas über die untere Gasentnahme ent
nommen wird, vor Einsetzen der Reduktion von Hämatit zu Magnetit durch Zu
führung von Luft im Ofen temperaturerhöhend partiell oxidiert, bei teilweiser
Gasentnahme vorzugsweise vollständig verbrannt wird und das oxidierte Gas
bzw. das anfallende Verbrennungsgas zur Vorwärmung des Schüttgutes auf
600 bis 700°C im Ofen selbst verwendet und dabei auf vorzugsweise 150 bis
250°C abgekühlt wird.
7. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach den Ansprüchen 3 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur bei der Reduktion
von Hämatit zu Magnetit oder Wüstit durch das rezirkulierte, regenerativ
und/oder rekuperativ erwärmte Gas und gegebenenfalls durch Zumischung
von Luft und damit partielle Oxidation im oberen Schachtbereich des Hoch
ofens eingestellt wird.
8. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass das Gas aus der unteren Gasentnahme einem
externen Prozess zur Vergasung von Ersatzbrennstoff zu Reduktionsgas für
die Einblasung in den Hochofen, die Eisenschwamm- und Eisenkarbid
erzeugung als Vergasungsmittel zuzufahren oder unter erhöhtem Prozess
druck direkt für die Eisenkarbiderzeugung genutzt wird.
9. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 bis 8, da
durch gekennzeichnet, dass das aus dem Ofen abgeführte Gichtgas oder Gas,
das dem Ofen nach Anspruch 3 über die untere Gasentnahme teilweise oder
über die obere Gasentnahme vollständig entnommenen wurde, vorzugsweise
auf Heißwinddruck komprimiert und in den Winderhitzern und in Zusatzbrenn
kammern unter Druck verbrannt wird zu Arbeitsmittel für vorzugsweise Turbo
lader, die für die prozessinterne Luft- und Gasverdichtung sowie Druckluft
erzeugung für die Luftzerlegung eingesetzt werden, aber auch für Expansions
turbinenanlagen zur Stromerzeugung.
10. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, dass die Einblasung des Ersatzbrennstoffes an Stelle
über übliche Einblaslanzen über vorzugsweise in die Windformen integrierte
Brenner, die den Ersatzbrennstoff während der Einblasung mit so viel Heiß
wind und/oder Sauerstoff, gegebenenfalls unter Zugabe von rezirkuliertem Gas
aus der ersten Gasentnahme, Gichtgas oder extern erzeugtem Reduktionsgas,
vermischen, wie für die vollständige Vergasung des Ersatzbrennstoffes in den
Wirbelkammern auch bei hohen Einblasraten und für die Reduktion des
Kohlendioxides und des Wasserdampfes des rezirkulierten Gases zu
Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei vorgegebenen Temperaturen in der
Formenebene erforderlich ist.
11. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, dass mit dem Ersatzbrennstoff über die Brenner neben
dem für die Vergasung der Ersatzbrennstoffe erforderlichen, auch der für die
anteilige Vergasung des im Schüttgut befindlichen Kokses erforderliche
Sauerstoff eingeblasen wird, wobei das Temperaturniveau in der Formen
ebene mit aus dem Ofen rezirkuliertem Gas, Gichtgas oder mit extern erzeug
tem Reduktionsgas eingestellt wird.
12. Verfahren zur Erzeugung von Eisen in Hochöfen nach den Ansprüchen 3 und
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Winderhitzer zur regenerativen Vor
wärmung des dem Ofen über die untere Gasentnahme entnommenen Gases
und das Heißwindsystem für die Rückführung des Gases zum Ofen verwendet
wird.
13. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Verfahren mit Hilfe der Wirbelschicht- oder Flugstrom
technik realisiert wird, indem die die Prozessstufe realisierenden, stationären
oder zirkulierenden Wirbelschichten oder der Flugstrom überwiegend aus wir
bel- oder blasfähigem Eisen gebildet werden, denen kontinuierlich Wüstit zu
und aus denen Eisen kontinuierlich abgeführt wird, wobei das die Wirbel
schicht oder den Flugstrom antreibende, der Prozessstufe zugeführte Gas
vorzugsweise durch Vergasung extern erzeugt wird und ein Volumenverhältnis
der reduzierenden Bestandteile Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu den
oxidierenden Bestandteilen Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist, das
kleiner, vorzugsweise höchstens halb so groß ist, als das des aus der Pro
zessstufe abgeführten Gases.
14. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, dass das aus der durch Wirbelschicht oder Flugwolke gebildeten
Prozessstufe abzuführende Gas im Druck erhöht und in den Prozess zurück
geführt wird, wobei entweder gleichzeitig Brennstoff, Luft und/oder Sauerstoff
zugeführt oder vor der Rückführung Kohlendioxid und Wasser aus dem Gas
entfernt werden.
15. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, dass das aus der durch Wirbelschichten oder Flugstrom gebildeten
Prozessstufe abzuführende Gas neben der Rezirkulation auch anteilig verwen
det wird als endothermes Vergasungsmittel bei der externen Reduktions
gaserzeugung, zur Reduktion von hämatitischem oder magnetitischem Erz zu
Wüstit sowie als Brennstoff für die Erzvorwärmung und Erzeugung von
Arbeitsmittel für Kraftprozesse.
16. Verfahren zur Erzeugung von Eisenkarbid nach Anspruch 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass der Prozess in einer durch stationäre Schütt- oder Wir
belschicht, zirkulierende Wirbelschicht oder durch Flugstrom u. a. gebildeten
Prozessstufe durchgeführt wird und indem der Prozessstufe schütt-, wirbel-
bzw. blasfähiger Eisenschwamm und durch Vergasung von kohlenstoffhaltigen
Brennstoffen erzeugtes Reduktionsgas zugeführt wird, dessen Kohlen
monoxidgehalt durch Verwendung von Koks, vorzugsweise Petrolkoks, oder
Kohle als Brennstoff und gegebenenfalls Kohlendioxid als endothermes Ver
gasungsmittel und/oder Abtrennung von Wasserstoff auf mindestens ein Drittel
der Summe aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff angehoben wurde, wobei der
Anteil der oxidierenden Gasbestandteile Kohlendioxid und Wasserdampf
zusammen 3 Vol.-% nicht überschreiten soll, bei einem Partialdruck der rea
gierenden Gasbestandteile von mindestens 1 bar und einer Prozesstemperatur
<750°C.
17. Verfahren zur Erzeugung von Eisenkarbid nach Anspruch 16, dadurch gekenn
zeichnet, dass das aus der Prozessstufe Karbonisierung von Eisen zu Eisen
karbid abzuführende Gas und der bei der Herstellung des dafür erforderlichen
Gases gegebenenfalls anfallende Wasserstoff verwendet wird als Reduk
tionsgas bei der der Karbonisierung vorangehenden Reduktion von Wüstit zu
Eisen.
18. Verfahren zur Erzeugung von Eisenkarbid, nach den Ansprüchen 16 und 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die Produktion von Eisenkarbid aus Wüstit er
folgt mit prozessintern oder -extern erzeugtem Vergasungsgas aus fossilen
oder nachwachsenden Brennstoffen bei Prozessdrücken <10 bar und aus
Magnetit <25 bar, jeweils bei Prozesstemperaturen von 600 bis 800°C.
19. Hochofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 18, gekenn
zeichnet durch eine Einrichtung, vorzugsweise einen Hohlkegel oder einen
Rohrrost, die die über einen oder mehrere Kanäle zugeführte Luft für die par
tielle Oxidation im Schüttgut, vorzugsweise vor Beginn der Erzreduktion, über
den Schachtquerschnitt verteilt.
20. Hochofen zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch
Brenner zur Vergasung der Ersatzbrennstoffe in der Formenebene mit Heißluft
und/oder Sauerstoff, die vorzugsweise in die Windformen integriert sind und
die die über pneumatische Dichtstromförderung zugefahrenen, blasfähigen
Ersatzbrennstoffe mit Heißluft und/oder Sauerstoff so zerstäuben, dass der
Ersatzbrennstoff auch bei hohen Einblasraten in den Wirbelkammern
weitgehend vergast.
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer Feststoffschüttung in
Kombination mit der Roheisenerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 12, ge
kennzeichnet dadurch, dass diese in ihrem unteren Teil bis in mittlerer Höhe
einem Hochofen mit den Verbesserungen nach den Ansprüchen 19 und 20
entspricht, während der obere Teil der Vorrichtung aus einem Füllschacht und
einem gasdichten Zylinder oder Kegelstumpf besteht, die mit der Schüttung
den oberen Gassammelkanal bilden, aus dem bei durchgängiger Gegenstrom
fahrweise mit oder ohne teilweiser Gasentnahme das Gas vollständig aus dem
Ofen abgeführt wird, wobei Ober- und Unterteil der Vorrichtung mit dem
Schüttgut den unteren Gassammelkanal bilden, über den das im Unterteil des
Ofens aufsteigende Gas teilweise oder ganz aus dem Ofen abgeleitet und der
Rückführung und Verwertung zugeführt wird.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Heißgaseinblasein
richtung, die in ihrer äußeren Gestaltung einer üblichen Windform entspricht,
aber mit einem Brenner zur Vergasung von Ersatzbrennstoff, vorzugsweise
Kohlebrennstaub oder blasfähiger Feinkoks, mit Sauerstoff ausgerüstet ist,
wobei über diese Einblaseinrichtung entweder Heißwind oder heißes, aus der
ersten Gasentnahme rezirkuliertes und/oder heißes Reduktionsgas aus ex
terner Produktion in die Formenebene des Ofens eingeleitet wird und mit Hilfe
des Brenners das rück- oder zugeführte Gas, der Ersatzbrennstoff sowie Luft
und/oder Sauerstoff in die Formenebene so eingebracht werden, dass im Ofen
eine Wirbelkammer freigeblasen wird, in der sich rückgeführtes Gas, Ersatz
brennstoff, Luft und/oder Sauerstoff bei Temperaturen von über 1.900°C zu
Reduktionsgas umsetzen.
23. Vorrichtung zur Erzeugung von Eisenschwamm oder Eisenkarbid aus körni
gem, stückigem oder pelletiertem Eisenerz in der Feststoffschüttung, vorzugs
weise für die Realisierung der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet dadurch,
dass deren gasdichtes Oberteil mit einem Füllschacht und dem Schüttgut ei
nen oberen Gassammelkanal bilden, über den das Verbrennungsgas aus der
Schüttgutvorwärmung abgeführt wird, das Oberteil der Vorrichtung mit dem
Unterteil und der Feststoffschüttung den unteren Gassammelkanal bilden,
über den das aus der zu Wüstit reduzierten Schüttung austretende Gas teil
weise entnommen und der Verwertung zugeführt werden kann, das Unterteil
des Ofens vorzugsweise durch einen Rost abgeschlossen wird, über den zum
Zwecke der Kühlung der Schüttung kaltes Reduktionsgas in den Ofen ein
geleitet und in Abhängigkeit vom CO-Partialdruck im Reduktionsgas und dem
Prozessdruck entweder Eisenschwamm oder Karbid ausgetragen werden
kann, wobei sich im Oberteil des Ofens eine Einrichtung, vorzugsweise ein
Kegel oder Rohrrost mit Bohrungen, der über eine Zuleitung Luft für die Ver
brennung des nach der Reduktion von Hämatit zu Magnetit im Schacht
strömenden Gases zugeführt wird, befindet.
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