DE19953298C2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinsparung bei der Erzeugung von Eisen - Google Patents

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 1^th TIMS/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 Gaszusammensetzung 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 dem selben 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
Formgasvolumen: 1.338 m³

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.
* Für nachfolgende Berechnungen korrigiert um Kohlendioxid und Feuchte aus Zuschlägen bzw. Schüttung.

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) ableitbare technische 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. gebildeten 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 zugefahrenen, 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.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1 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 4 teilweise zugeleitet und dort mit Druckluft verbrannt. Das Ver­ brennungsgas kühlt sich im Winderhitzer 4 ab, wird danach mit einer Temperatur von 300 bis 600°C zu einer Druckbrennkammer 5 geleitet, dort durch Verbrennen des anderen Teils des komprimierten Gichtgases mit Druckluft in seiner Tempe­ ratur auf das Eingangsniveau der Expansionsstufe 6 des Turboladers 3 ange­ hoben und unter Abgabe der für die Gichtgaskompression erforderlichen techni­ schen Arbeit entspannt. Das Turboladerabgas wird im Rekuperator 7 gekühlt 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 Wind­ erhitzung abgekühlt werden.

Beispiel 2 Beschrieben wird mit Hilfe von Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Produktion von Roheisen wie folgt: Ausbaustufe 1

Ein Hochofen des Standes der Technik wird erfindungsgemäß im oberen Schacht­ abschnitt mit einer Einrichtung (Hohlkegel, Rohrrost u. a.) 13 zum Einbringen und Verteilen von Luft 7, vorzugsweise vorgewärmt, ausgestattet. Die Luft 14 wird der Einrichtung 13 und von diesem und dem Schüttgut gebildeten Gasraum 15 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.

Ausbaustufe 2

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.

Ausbaustufe 3

Die Vorrichtung besteht aus dem Füllschacht 16, dem über die Schleuse 17 das Schüttgut 18, bestehend aus Eisenerz, Koks und Zuschlägen zugeführt wird. Der Füllschacht 16 ragt in das Ofenoberteil 19 und bildet mit diesem und dem Schütt­ gut 18 den oberen Gassammelkanal 20. Diese Anordnung verhindert den Direkt­ kontakt der Schleuse 17 mit heißem Gas, das über den Gassammelkanal 20 aus dem Ofen abgeführt oder diesem zugeführt wird. Die bei durchgängiger Gegen­ stromfahrweise erforderliche Gasableitung aus dem oberen Sammelkanal 20 er­ folgt über die Heißgasleitung 21. Bei vollständiger Gasentnahme über den unteren Gassammelkanal 22 erfolgt über die Heißgasleitung 21 die Gasrückführung für die Reduktion des Hämatit über Magnetit zu Wüstit im Ofenoberteil 23 bei Gleich­ strom zum Schüttgut. Ofenoberteil 23 oder dessen Feuerfestzustellung und Ofen­ unterteil 24 bilden mit dem Schüttgut 18 den unteren Gassammelkanal 22, dem über die Heißgasleitung 13 das im Ofenunterteil 24 aufsteigende Gas, je nach ge­ wählter Betriebsweise, teilweise oder ganz entnommen wird.

Im zylindrischen Ofenoberteil 19 ist eine Einrichtung 13 verankert, im Beispiel ein Kegel, die mit dem Schüttgut 18 einen Gasraum 15 bildet, dem bei durchgängiger Gegenstromfahrweise über die Heißgasleitung 25 Verbrennungsluft zum Zwecke der partiellen Oxidation und damit Anhebung der Schüttguttemperatur zugeführt wird. Bei Gleichstromfahrweise im Ofenoberteil 19 wird das über den oberen Gas­ sammelraum 20 zugefahrene Gas über den Gasraum 15, die Einrichtung 13 und die Heißgasleitung 25 wieder aus der Vorrichtung abgeführt.

Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung so betrieben, dass im Ofenoberteil 19 die Reduktion von Magnetit zu Wüstit weitgehend abgeschlossen wird, so dass dem Ofenunterteil 24 überwiegend Wüstit zugeführt wird, das das aus der Formen­ ebene 26 und der Direktreduktionszone 27 aufsteigende Reduktionsgas zu Eisen­ schwamm reduziert.

Während erfindungsgemäß das Temperaturniveau im Ofenoberteil 19 durch parti­ elle Oxidation unabhängig von der Prozessführung im Ofenunterteil 24 gestaltet werden kann, muss in der Formenebene 26 die für das Schmelzen, die Vor­ wärmung des Schüttgutes auf Schmelztemperatur und die Direktreduktion erforderliche Wärme freigesetzt und das Reduktionsgas für die die Direktreduktion er­ gänzende Gasreduktion erzeugt werden.

Zu diesem Zwecke wird dem Ofenunterteil über die Windformen 28 entweder, wie beim Stand der Technik, über die Heißwindleitungen 29 zugeführter Heißwind, ge­ gebenenfalls sauerstoffangereichert, und über eine Dichtstromförderung 30 bereit­ gestellter Ersatzbrennstoff über Einblaslanzen oder aber erfindungsgemäß, Heiß­ wind und Ersatzbrennstoff zugefahren, der durch Heißwind und/oder Sauerstoff über vorzugsweise in die Windformen 28 integrierte Brenner 31 so in den Wirbel­ kammern vor den Windformen 28 vermischt wird, dass eine, die Vergasungs­ reaktion beschleunigende intensive Stoffverteilung sichergestellt ist. Die Schmelze wird aus der Vorrichtung 32, wie beim Stand der Technik der Roheisenerzeugung, getrennt als Roheisen 33 und Schlacke 34 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.

Beispiel 3 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 17 der erfindungsgemäßen Vorrichtung eines Ofens für die Roheisenerzeugung 32 als Schüttgut 18 zugeführt. Das Schüttgut 18 sinkt in der Vorrichtung 32 im Gegen­ strom zum im Ofenunterteil 24 produzierten Reduktionsgas, das teilweise über den unteren Gassammelkanal 22 und die Heißgasleitung 25 aus der Vorrichtung 32 abgeleitet wird. Das im Ofenoberteil 23 verbleibende Gas wird nach Abschluss der Reduktion von Magnetit zu Wüstit und von Hämatit zu Magnetit im Ofenoberteil 23 mit über die Heißgasleitung 25 und den Verteilerkegel 13 zugeführter Luft im Gasraum 15 weitgehend verbrannt. Das Verbrennungsgas wärmt das Schüttgut 18 vor, kühlt sich dabei ab, und wird danach mit einer Temperatur von ca. 200°C über den oberen Gassammelkanal 20 aus der Vorrichtung 32 über eine Gasreinigung 36 an die Umgebung abgegeben.

Die Erzeugung des Reduktionsgases erfolgt in der Ebene 26 der Windformen durch Vergasung von mit dem Schüttgut 18 eingebrachtem Koks und Kohlebrenn­ staub als Ersatzbrennstoff, mit Sauerstoff und ohne Kohlendioxidentfernung rück­ geführtem, dem unteren Gassammelkanal 22 entnommenen Gas als endo­ thermes Vergasungsmittel, mit Hilfe von in die Windformen 28 integrierten Brennern 31 sowie durch Direktreduktion in der Schüttung über der Schmelzzone (Direkt­ reduktionszone 27).

Das dem unteren Gassammelkanal 22 entnommene Gas wird vor seiner Verwen­ dung als endothermes Vergasungsmittel im Rekuperator T gekühlt, danach im Wäscher 37 gewaschen und mit dem Turbolader 3 auf den für die Rückführung in die Windformen 28 erforderlichen Druck erhöht. Die Rückführung des Gases erfolgt nach Wiedererwärmung im Rekuperator 7 und Überhitzung in den erfin­ dungsgemäß auf durchgängigen Druckbetrieb umgestellten Heißwinderzeugern 38 über die Heißwindleitung 29.

Der Teil des dem Ofen über den Gassammelraum 28 entnommenen Gases, der nicht für die Druckfeuerung in den Winderhitzern 38 und nicht als endothermes Vergasungsmittel für die Reduktionsgaserzeugung in der Formenebene 26 be­ nötigt wird, wird einer Brennkammer 39 zugeführt, in der das Druckabgas aus der Befeuerung der Winderhitzer 4 auf die Eintrittstemperatur der Expansionsstufen 6 der Turbolader 3 durch Verbrennen mit Druckluft angehoben wird. Die Brenn­ kammer 39 produziert auf diese Art erfindungsgemäß Arbeitsmittel für die Turbo­ lader 3, das seinerseits während der Expansion in 6 die technische Arbeit für die Kompression des dem Gassammelraum 22 entnommenen Gases und die Erzeugung von Druckluft für die Druckfeuerungen in den Winderhitzern 4, der Brennkammer 39 und im Ofenoberteil (Gasraum 15) sowie für die Luftzerlegung 40 und damit die Sauerstofferzeugung, aber auch für die Elektroenergieerzeugung 41 leistet. Die für die Druckverbrennung in 4, 39 und 15 komprimierte Luft wird im Rekuperator 7 im Gegenstrom zum Turboladerabgas vorgewärmt.

Der wesentliche Vorteil der dritten Ausbaustufe über die bereits mit den Ausbau­ stufen erzielten Vorteile hinaus besteht darin, dass sich das aus dem Ofen abzu­ führende "Nutzgasvolumen" gegenüber den heute üblichen Gichtgasvolumina auf annähernd die Hälfte reduziert, wovon wiederum fast 30% als Vergasungsmittel dem Ofen wieder zugeführt werden, während das restliche Gas für die Heißgas- und Elektroenergieerzeugung verwendet werden. Das so energetisch optimierte Hüttenwerk arbeitet mit vollständiger Brennstoffausnutzung einschließlich Sauer­ stofferzeugung energieautark.

Beispiel 4 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, Auswaschen 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 42 dem endo­ thermen Teil 43 eines zweistufigen Vergasungsreaktors 44 zugeführt und dort mit dem aus der Schmelzkammer 45 austretenden wasserdampf- und kohlendioxid­ haltigen Gas 46 endotherm teilweise zu Reduktionsgas vergast. Es ist vorteilhaft, der Kohle vor ihrer Einblasung Kalk-, Kalkhydroxid- oder Kalksteinpulver zu­ zugeben, 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 Re­ duktionsgas über die Heißgasleitung 25 der Heißgasentstaubung 47 zugeführt und dort entstaubt. Das in der Entstaubung 47 anfallende Gemisch aus Restkoks und Kalziumsulfid wird über die Schleuse 48 aus der Entstaubung 47 ausgetra­ gen, pneumatisch zur Brennkammer 39 gefördert und dort mit im Rekuperator 7 vorgewärmter Luft oder Sauerstoff oberhalb der Schmelztemperatur der Kohle­ asche vergast. Das Kalziumsulfid wird dabei weitgehend in die Schlacke eluierfest eingeschmolzen. Das aus der Entstaubung 47 abgeleitete Reduktionsgas wird über eine weitere Heißgasleitung 21 einer Heißgasfeinentschwefelung 49, die vor­ zugsweise mit Eisen arbeitet, zugeführt und dort weitgehend entschwefelt. An­ nähernd 70% des so gereinigten Reduktionsgases werden mit einer Temperatur von 700 bis 900°C über den Gassammelraum 50 in den Reduktionsreaktor ein­ geleitet und dort in das aus Eisenschwamm bestehende Schüttgut 18 verteilt. Der andere Teil des Reduktionsgases wird im Rekuperator 7 gekühlt und als Kühlme­ dium über einen Rost 51 durch das Schüttgut 18 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 Zusammenwirken von Druck und Temperatur in der mittleren Prozessstufe 52 Eisen­ schwamm aus Wüstit reduziert wird, während in der Kühlzone 53 oberhalb des Rostes 51 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 48 aus dem oberen Bereich der Kühlzone 53 aus dem Reaktor abgezogen werden kann.

Die Bildung von Eisenkarbid kann weiterhin unterbunden werden, indem der Anteil der oxidierenden Gaskomponenten im Kühlgas, z. B. durch Zumischung 54 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 55, bevor das danach vorliegende Gas zum Zwecke der Schütt­ gutvorwärmung auf Reaktionstemperatur durch Zufuhr von Verbrennungsluft 35 vollständig verbrannt wird. Das dabei entstehende Verbrennungsgas kühlt sich im Schüttgut ab und wird danach über eine Gasreinigung 56 an die Umgebung ab­ gegeben.

Erfindungsgemäß verfügt auch diese Vorrichtung über einen mittleren Gassam­ melkanal 20, 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 55 benötigt wird, aus dem Reaktor abgeleitet wird. Dieses Gas wird verwendet als endothermes Ver­ gasungsmittel bei der Kohlevergasung in der Brennkammer (Schmelzkammer 45), zur Vorwärmung der Verbrennungsluft im Rekuperator 7 und für externe Auf­ gaben, z. B. für die Deckung des Elektroenergiebedarfs des Prozesses sowie gegebenenfalls zur Zumischung 54 zum Kühlgas.

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.

Bezugszeichenliste

1

Kaltgasleitung

2

Kompressionsstufe

3

Turbolader

4

Winderhitzer

5

Druckbrennkammer

6

Expansionsstufe

7

Rekuperator

8

Kanäle

9

Turbolader II

10

Winderhitzer II

11

Heißwindsystem

12

Expansionsturbine

13

Hohlkegel

14

Luft

15

Gasraum

16

Füllschacht

17

Schleuse

18

Schüttgut

19

Ofenoberteil

20

Gassammelkanal oben

21

Heißgasleitung

22

Gassammelkanal unten

23

Ofenoberteil

24

Ofenunterteil

25

Heißgasleitung

26

Formenebene

27

Direktreduktionszone

28

Windformen

29

Heißwindleitung

30

Dichtstromförderung

31

Brenner

32

Vorrichtung

33

Roheisen

34

Schlacke

35

Verbrennungsluft

36

Gasreinigung

37

Wascher

38

Heißwinderzeuger

39

Brennkammer

40

Luftzerlegung

41

Elektroenergieerzeugung

42

Pneumatischer Förderer

43

Endothermer Teil

44

Vergasungsreaktor

45

Schmelzkammer

46

Gas

47

Heißgasentstaubung

48

Schleuse

49

Heißgasentschwefelung

50

Gassammelraum

51

Rost

52

Prozeßstufe

53

Kühlzone

54

Zumischung

55

obere Prozeßstufe

56

Gasreinigung

Claims (18)

1. Verfahren zur Erzeugung von Eisen aus Eisenerz oder -oxiden mit Hilfe von fossilen und nachwachsenden Brennstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion von Wüstit zu Eisen unabhängig von der vorgeschalteten Re­ duktion von Hämatit und Magnetit und den nachfolgenden Prozeßstufen, wie Schmelzen, Karbidbildung oder Kühlung, als verfahrenstechnisch separate Prozeßstufe durchgeführt wird, indem dieser Prozeßstufe einerseits Wüstit und Reduktionsgas, extern hergestellt durch Vergasung von Brennstoffen, und/oder gasförmige, flüssige bzw. feste Brennstoffe, die in der Prozeßstufe selbst durch partielle Oxidation mit Luft und/oder Sauerstoff zu Reduktions­ gas vergast werden, mit für die Reduktion ausreichender Temperatur zuge­ führt und andererseits Eisenschwamm und durch die Aufnahme von Sauer­ stoff aus dem Wüstit kohlendioxid- und wasserdampfangereichertes Re­ duktionsgas, unabhängig von der physischen Enthalpie des Gases abgeführt werden.

2. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Eisen einer internen, wie beim Hoch­ ofen, oder einer externen Schmelzstufe, einem Elektroschmelzofen oder aber einer Karbonisierung zu Eisenkarbid und das bei der Reduktion von Wüstit entstehende Gas jeweils teilweise der internen oder externen Ver­ gasung der Brennstoffe als endothermes Vergasungsmittel, zur Reduktion von hämatitischem oder magnetitischem Erz zu Wüstit, als Brenngas für die Vorwärmung des dem Prozeß zugefahrenen Schüttgutes oder für eine koks­ freie Eisenschmelze, ähnlich den Siemens-Martin-Öfen, oder einer anderen externen Nutzung zugeführt wird.

3. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Prozeßführung, bei der dem Ofen das aus der Formenebene und/oder dem unteren Teil des Ofens aufsteigende Gas bei Beginn der Reduktion von Wüstit bei einem Temperaturniveau von 750°C ± 150 K über einen unteren Gassammelkanal teilweise oder ganz ent­ nommen wird, wovon dem Ofen über die Formenebene ein solcher Anteil ohne Abtrennung von Kohlendioxid wieder zugeführt wird, wie für die Ein­ stellung der gewünschten Temperatur in der Schmelzzone erforderlich ist, wobei bei der teilweisen Entnahme mindestens soviel Gas im Ofen verbleibt und weiter im Gegenstrom zum Schüttgut bis zu einem oberen Gassammel­ kanal 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 erfor­ derlichen 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 Gassammelkanal erfolgt, wieder aus dem Ofen abgeführt wird, nachdem dieser Gasteilstrom das Schüttgut im Gleichstrom durchströmt, dieses auf Reaktionstemperatur 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 Gases bei seiner Zuführung zum Ofen so eingestellt wird, daß sich die über die untere und mittlere Gasentnahme abzuführenden Gase in der Schüttung nicht oder nur im beabsichtigten Umfange vermischen.

5. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das über die erste Gasentnahme dem Ofen entnommene Gas vor der Rückführung entstaubt, gekühlt, im Druck auf Betriebsdruck der Winderhitzung sowie rekuperativ und/oder rege­ nerativ bis auf Temperaturen über 1.000°C erhöht wird.

6. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das im Ofen befindliche Gas, unab­ hängig davon, ob dem Ofen kein oder nur teilweise Gas über die untere Gasentnahme entnommen wird, vor Einsetzen der Reduktion von Hämatit zu Magnetit durch Zuführung von Luft im Ofen temperaturerhöhend partiell oxi­ diert, bei teilweiser Gasentnahme vollständig verbrannt wird und das oxi­ dierte Gas bzw. das anfallende Verbrennungsgas zur Vorwärmung des Schüttgutes auf 600 bis 700°C im Ofen selbst verwendet und dabei auf 150 bis 250°C abgekühlt wird.

7. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur bei der Re­ duktion von Hämatit zu Magnetit oder Wüstit durch das rezirkulierte, regene­ rativ und/oder rekuperativ erwärmte Gas und durch Zumischung von Luft und damit partielle Oxidation im oberen Schachtbereich des Hochofens einge­ stellt wird.

8. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus der unteren Gasent­ nahme einem externen Prozeß zur Vergasung von Ersatzbrennstoff zu Re­ duktionsgas für die Einblasung in den Hochofen, die Eisenschwamm- und Eisenkarbiderzeugung als Vergasungsmittel zugeführt oder unter erhöhtem Prozeßdruck direkt für die Eisenkarbiderzeugung genutzt wird.

9. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Ofen abgeführte Gichtgas oder Gas, das dem Ofen über die untere Gasentnahme teilweise oder über die obere Gasentnahme vollständig entnommenen wurde, auf Heißwinddruck komprimiert und in den Winderhitzern und in Zusatzbrennkammern unter Druck verbrannt wird zu Arbeitsmitteln, die für die prozeßinterne Luft- und Gasverdichtung sowie Drucklufterzeugung für die Luftzerlegung eingesetzt werden, oder für Expansionsturbinenanlagen zur Stromerzeugung.

10. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasung des Ersatzbrennstoffes über in die Windformen integrierte Brenner, die den Ersatzbrennstoff während der Einblasung mit so viel Heißwind und/oder Sauerstoff, 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 re­ zirkulierten 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, dadurch 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 erforderli­ che Sauerstoff eingeblasen wird, wobei das Temperaturniveau in der Formenebene mit aus dem Ofen rezirkuliertem Gas, Gichtgas oder mit extern erzeugtem Reduktionsgas eingestellt wird.

12. Verfahren zur Erzeugung von Eisen in Hochöfen nach einem der Ansprüche 3 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Winderhitzer zur regenerati­ ven Vorwärmung des dem Ofen über die untere Gasentnahme entnomme­ nen Gases und das Heißwindsystem für die Rückführung des Gases zum Ofen verwendet werden.

13. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 1, 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 wirbel- 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 durch Vergasung extern erzeugt wird und ein Volumenverhältnis der reduzie­ renden Bestandteile Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu den oxidierenden Bestandteilen Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist, das kleiner, höchs­ tens halb so groß ist, als das des aus der Prozeßstufe abgeführten Gases.

14. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach einem der Ansprüche 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der durch Wirbelschicht oder Flug­ wolke gebildeten Prozeßstufe abzuführende Gas im Druck erhöht und in den Prozeß zurückgeführt 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 den Ansprüchen 1 und 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der durch Wirbelschichten oder Flugstrom gebildeten Prozeßstufe abzuführende Gas neben der Rezirkula­ tion auch anteilig verwendet wird als endothermes Vergasungsmittel bei der externen Reduktionsgaserzeugung, 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 den Ansprüchen 1 und 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeß in einer durch stationäre Schütt- oder Wirbelschicht, 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 Kohlenmonoxidgehalt durch Verwendung von Koks oder Kohle als Brennstoff 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 Prozeß­ temperatur < 750°C.

17. Verfahren zur Erzeugung von Eisenkarbid nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Prozeßstufe Karbonisierung von Eisen zu Eisenkarbid abzuführende Gas und der bei der Herstellung des dafür erfor­ derlichen Gases anfallende Wasserstoff verwendet wird als Reduktionsgas 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 erfolgt 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.