DE2048827A1

DE2048827A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Re duktion von Erzen, insbesondere Eisen

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Publication number: DE2048827A1
Application number: DE19702048827
Authority: DE
Priority date: 1969-10-07
Filing date: 1970-10-05
Publication date: 1971-04-22
Also published as: NL7014705A; NL170310C; AT313941B; YU247470A; SE426709B; JPS5110169B1; LU61811A1; DE2048827B2; FR2064179B1; FR2064179A1; GB1314039A; NL170310B; BE757182A

Description

Oesterreichisch-Älpine Mont an^es ell schaft in V/i en

Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Erzen, insbesondere Eisenerzen.

Die Reduktion von Eisenerzen erfolgt üblicherweise im Hochofen, wobei Eisenerz, gegebenenfalls Zuschlagstoffe für die Schlackenbildung und Koks von der Gicht aus in den Schacht eingebracht werden und die Verbrennungsluft ("Wind") durch die unten im Gestell angeordneten Windformen zugeführt wird. Beim klassischen Hochofenverfahren muß die gesamte Sehmelzarbeit und Reduktionsarbeit vom Koks geleistet werden und es sind daher große Mengen an Koks erforderlich. Dies ist insbesondere in Ländern, welche über keine eigenen Vorkommen an verkokbarer Kohle verfügen, nachteilig. Es ist daher bereits bekannt, den Koksverbrauch durch Zuführung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen in den unteren Schachtteil bzw. in die Rast dee Hochofens zu vermindern. Bei diesem bekannten Verfahren werden die Kohlenwasserstoffe durch die Windformen oder durch gesonderte Düsen in den Hochofen eingeblasen.Hiebei wurde auch bereits vorgeschlagen, die flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffe in teilverbranntem Zustand in den Hochofen einzuführen, wobei die bei der Teilverbrennung gebildeten Gase CO und H₂ einen Teil der Reduktioneerbeit übernehmen. Auf diese Weise ist es möglich, den Kokeverbrauch herabzusetzen, jedoch aind immer noch beträchtliche

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Koksinengen für den Betrieb des Hochofens erforderlich. Wenn auch die reduzierenden Gase in heißem Zustand, bei~ · spielsweise mit Temperaturen von 95o bis looo⁰ C eingeblasen werden und ihre Wärme an das Erz abgeben, so wird bei einem solchen Verfahren doch noch der Großteil der Schmelz- und Reduktionsarbeit vom Koks geleistet.

Bei allen Verfahren, bei welchen neben dem Eisenerz auch Koks an der Gicht aufgegeben wird und somit das Eisenerz mit dem Koks im Gleichstrom im Schacht nach Maßgabe des Schmelzvorganges absinkt, tritt überdies die sogenannte Boudouardreaktion auf, welche darin besteht, daß sich der Sauerstoff der Kohlensäure mit dem Kohlenstoff des Kokses verbindet. Es tritt eine Rückreduktion von CO₂ zu CO ein, welche in Temperaturlagen über 1000⁰C stattfindet und diese Rückreduktion stellt einen beträchtlichen Verlust dar.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Reduktion von Eisenerzen in einem Schachtofen zu schaffen, bei welchem diese Nachteile vermieden werden und besteht im wesentlichen darin, daß im oberen Teil des Schachtofens Erz und gegebenenfalls Zuschläge ohne Brennstoff bzw. ohne Koks zugeführt wird und im unteren Teil desselben aus einer Teilverbrennung etammende reduzierende Gaae mit ihrer Verbrennungswärme und zusätzlicher Wärme sowie gegebenenfalls fester Kohlenetoff in Pulverform, insbesondere in Form von aus der Teilverbrennung stammendem Ruß, zugeführt werden. Eb iet somit für das βrfindungagemäße Verfahren wesentlich, daß an der Gioht dem Möller keine Brennstoffe zugesetzt werden, sodaß bei Absinken des Möllers kein Kohlenstoff entsteht und somit auch keine Boudouard-Reaktion vor sich gehen kann. Gemäß der Erfindung erfolgt die Teilverbrennun^ zweokmäßig unmittelbar vor Eintritt des Brennstoffes in

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den Schachtofen selbst, sodaß die Verbrennungswärme in einfacher V/eise ausgenützt wird. Gegebenenfalls aber könnte die Teilverbrennung auch außerhalb des Schachtofens erfolgen, wobei die Verbrennungswärme mittelbar dem Schachtofenprozeß zugeführt wird. Zur Erhöhung der Temperatur erscheint es zweckmäßig, die Teilverbrennung mit Heißwind durchzuführen. Zum Zwecke der Temperaturerhöhung kann weiters die Teilverbrennung auch mit Sauerstoff erfolgen, sodaß der Stickstoffballast nicht mit erhitzt werden muß.

Als Brennstoffe für den Teilverbrennungsvorgang können flüssige und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe und/oder feste Brennstoffe verwendet werden. Da die aus dem Teilverbrennun:=;svorgang stammende Wärme für das Niederschmelzen des Eisens nicht ausreicht, wird zusätzliche Wärme im Bereich der Zone, in welche die teilverbrannten G-ase eingeführt werden, zugeführt. Gemäß der Erfindung wird diese zusätzliche Wärme zweckmäßig in Form von elektrisch erzeugter Wärme, beispielsweise durch Anwendung von Plasma- oder Flammbögen bzw. Spannungsfeldern in den Brennern und/oder in Form von durch lichtbogen oder Induktion erzeugter Wärme zugeführt. Durch die Zufuhr der zusätzlichen Wärme kann dem für die Schmelzung, die Reduktionsarbeit etc., erforderlichen Wärmebedarf Rechnung getragen werden, ohne daß die erforderliche Reduktionsarbeit der G-ase in irgendeiner Weise berührt wird.

Dadurch, daß die Zugabe von Koks und anderen Brennatoffen an der Gicht des Schachtofens zur Gänze vermieden wird und die Möllersäule ausschließlich Erz und gegebenenfalls zur Schlackenbildung dienende Zuschläge enthält, wird eine Rückreduktion (Boudouardreaktion) der Kohlensäure, welche bei den bekannten Verfahren Verluste mit sich bringt, völlig vermieden. Es strömen nun lediglich die heißen,aus

dem Teilverbrennungsvorgang gewonnenen Reduktionsgase, und zwar Kohlenmonoxyd und Wasserstoff, der niedergehenden Erzmöllersäule entgegen und bewirken die Reduktion. Der bei der Teilverbrennung gewonnene Ruß dient zur direkten Reduktion und zur Aufkohlung des Eisenbades. Durch Steuerung der anfallenden Menge an Ruß kann die Höhe der Aufkohlung des Eisenbades geregelt werden und es kann auf diese Weise ein Endprodukt erzielt werden, welches im Bereich zwischen Roheisen und überfrischtem Stahl liegt. Die anfallende Rußmenge und damit der Aufkohlungegrad des Eisenbades kann in einfacher Weise durch Regelung der Sauerstoffzufuhr zum Teilverbrennungsvorgang geregelt werden. Zweckmäßig wird das Verfahren so durchgeführt, daß die teilverbrannten Gase in den unteren Teil des Schachtofens in verschiedenen Höhen und allenfalls mit verschiedenen Sauerstoffmengen und verschiedenen Temperaturen eingeführt werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer optimalen Anpassung an den im Ofen erforderlichen Temperatur- und Reduktionsmittelverlauf.

Die Erfindung ermöglicht somit eine völlige Einsparung von Koks, was in solchen Ländern, welche über keine oder nur über beschränkte Vorkommen von verkokbarer Kohle verfügen, von besonderer Wichtigkeit ist. Weiters wird die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens durch Entfall der Boudouardreaktion verbessert und ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Verfahren jederzeit steuerbar durchgeführt werden kann. Diese Steuerbarkeit ist dadurch gegeben, daß die Möllersäule nur Erz und keinen Koks enthält und daß die Zuführung der reduzierenden Gase jederzeit präzise eingestellt werden kann, wobei insbesondere dann, wenn die zusätzliche Wärme auf elektrischem Wege erzeugt wird, auch die Wärmezufuhr präzise regelbar ist.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist

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gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen Schachtofen, in dessen unterem Teil Spaltbrenner (im vorliegenden Falle sollen unter Spaltbrennern solche Brenner verstanden «erden, in welchen der Brennstoff lediglich teilweise zu reduzierenden Gasen verbrannt wird) vorgesehen sind. Diese Spaltbrenner können zur Erzeugung der gewünschten reduzierenden Gase bzw. des Süßes entsprechend eingestellt werden» Zweckmäßig sind diese Spaltbrenner in verschiedenen Höhen vorgesehen, wobei es vorteilhaft ist, wenn gemäß der Erfindung die tiefer angeordneten Spaltbrenner mehr der Wärmeerzeugung und die höher angeordneten Spaltbrenner in erster Linie der Erzeugung von Reduktionsgas und RuB dienen·

Bei Durchführung des Verfahrens in einem Hochofen der bekannten Art werden an der Gicht ausschließlich Erz und gegebenenfalls zur Schlackenbildung dienende Zuschläge zugeführt, wobei die teilverbrannten Gase in die Hast und/oder im Gestell eingeführt werden. Ein üblicher Hochofen ist jedoch für die Aufgabe von Erz und Koks an der Gicht berechnet und es erscheint daher zweckmäßig, einen besonders gestalteten Schachtofen vorzusehen, dessen unterer Teil, zu welchem die Spaltbrenner führen, gegenüber dem Schacht erweitert ist, zweckmäßig wenigstens den 1,5-fachen, vorzugsweise etwa den 2-fachen bis 4—fachen Querschnitt aufweist als der Schacht.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch erläutert.

Fig. 1 bis 4 zeigen Vertikalschnitte durch verschiedene Ausbildung eines Schachtofens.

Bei dem Schachtofen nach Fig.l erfolgt die Aufgab« de· Erzes und der Zuschläge in ähnlicher Weise wie bei einem Hochofen an der Gicht *■ über einen Fülltrichter 2. 3 stellt den Gichtgasabzug dar. Das Eisenerz gelangt in den Schacht 4, wobei die Erzmölleraäule 5 lediglich Erz und gegebenenfalls Zuschläge, aber keinen Koks enthält. Bei 6 ist der Schacht ähnlich der Rast «Ines Hochofens verengt. Der untere Teil 7 des Schachtes ist gegenüber dem Schacht 4 erweitert.

1 0 θ 81 7 / 1 3~5 Ö⁵

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Leitungen θ, durch welche öl oder andere Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, führen zu Spaltbrennern 9, welche rund um den Schacht angeordnet sind. Ober Leitungen Io wird technisch reiner Sauerstoff und/oder Heißwind den Spaltbrennern zugeführt. 11 deutet die Zuführung elektrischer Energie für die Erzeugung der zusätzlichen Wärme an. Es können die Spaltbrenner 9 selbst als Elektroden ausgebildet sein oder Elektroden enthalten und die zusätzliche Wärmemenge kann mit elektrischen Flamiabogen oder Plasma erzeugt werden.

In dem Spaltbrenner 9 wird durch Teilverbrennung Kohlenmonoxid und Wasserstoff erzeugt, welche Gase entgegen der niedergehenden Erzmöllersäule 5 nach oben strömen und die Reduktion bewirken. Gleichzeitig wird in den Spaltbrennern auch Kohlenstoff in Form von Huß erzeugt, der die Aufkohlung bewirkt. Unter der Wärme ei !«wirkung wird das Eisen und die Schlacke geschmolzen, wobei 12 das Eisenbad darstellt.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fi^.1 lediglich dadurch,daß nun für die Erzeugung der zusätzlichen Wärme eine Induktionsspule 13 vorgesehen ist.

Die Ausführungaform nach Fig. 3 unterscheidet aich von der Ausführungsform nach Fig. 1 durch die Anordnung von gesonderten Elektroden 14.

Die Anordnung nach Fig. 4 unterscheidet aich von der Anordnung nach Fi^. 3 dadurch, daß die Spalt brenner 9 aia eingezogenen Schachtteil 6 vorgesehen sind, welcher der Rast beim Hochofen entspricht. Es werden wieder Ul oder andere Kohlenwaaaeratoffe durch die Leitungen 8 und technisch reiner Sauerstoff mit oder ohne Heißwind durch die Leitungen Io den Spaltbrennern 9 zugeführt, und die zusätzliche Wärmezufuhr erfolgt wieder mit Lichtbogen

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durch Elektroden 14.

>7ird beim erfindungsgemäßen Verfahren als Brennstoi'f Heizöl verwendet und dieses Heizöl z.B. mit nicht vorgewärmter Luft zu etwa 6 lim Gas pro Kilogramm Heizöl teilweise verbrannt, so ergibt sich eine Plammentemperatur von 75o bis 8oo°C. Bei Teilverbrennung des gleichen Heizöles im gleichen Ausmaß mittels technisch reinen Sauerstoffes wird eine Plammentemperatur von etwa 14oo C erzielt; diese Plamment eDiperatur kann bei der Teilverbrennun^ des Heizöles mittels Luft ebenso erreicht werden, wenn diese Luft auf 1100 bis 1200⁰C erhitzt wird. Wird zusätzliche Wärme in Form elektrischer Energie, z.B. mittels Plasma- oder Flaminbogen im Brenner in einer Menge von etwa 1 kWh/kg Heizöl zugeführt, steigt die Plammentemperatur auf 1700 bis 180O⁰G, bei welcher Temperatur ohne weiteres Stahl aus Erz erschmolzen werden kann. Ifoch höhere elektrische Energiezufuhr pro kg Heizöl läßt die Piaminentemperatur weiter steigen. Bei der Teilverbrennung des Brennstoffes entstehendes Kohlenoxyd bzw. entstehender Wasserstoff kann vor allem im Ofenschacht Eisenoxyde nach der allgemeinen Gleichung

Pe 0 + y.CO = x.Pe + y.C0₉ ' χ y c.

bzw.
Pe_xOy + y.H₂ = x.Pe + y.HpO

reduzieren.

Verbleibende Eisenoxydreste können ähnlich wie beim klassischen Hochofenverfahren direkt durch festen Kohlenstoff reduziert werden. Der bei der Teilverbrennung des Brennstoffes entstehende Kohlenstoff ist in der Lage, Erz im Sinne der Gleichung

PeO + C = Pe + CO

direkt*zu reduzieren und überschüssiger Kohlenstoff bewirkt eine Aufkohlung des Eisens.

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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ähnlich wie in einem in normaler Weise betriebenen Hochofen ein wesentlicher Anteil des Erzes durch reduzierende Gase reduzierti jedoch ist dieser Anteil beim erfindungsgemäßen Verfahren noch wesentlich größer als im normal betriebenen Hochofen.

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Claims

2040827 Patentansprüche :

1. Verfahren zur Reduktion von Erzen, insbesondere Eisenerzen in einem Schachtofen, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil (4) des Schachtofens Erz (5) und gegebenenfalls der Schlackenbildung dienende Zuschläge ohne Brennstoff bzw. ohne Koks zugeführt werden und im unteren Teil (6,7) des Ofens aus einer Teilverbrennung stammende reduzierende Gase mit ihrer Verbrennungswärme und zusätzlicher Wärme sowie allenfalls fester Kohlenstoff in Pulverform, insbesondere in Form von aus der Teilverbrennung stammendem Ruß zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilverbrennung unmittelbar beim Eintritt des Brennstoffes in den Schachtofen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff flüssige und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe und/oder feste Brennstoffe verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung mit Heißwind und/oder technisch reinem bzw. hochkonzentriertem Sauerstoff erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Einführungszone (6,7) der teilverbrannten Gase die zusätzliche V/ärme in Form von elektrisch, beispielsweise durch Plasma, Plammbö'gen, Spannungsfeldern, Lichtbogen oder Induktion erzeugter V/firme zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ¹J _t dadurch gekennzeichnet, daß bei Durchführung in einem Hochofen an der Gicht (1) ausschließlich Erz (5)» allenfalls zusammen

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mit Zuschlagstoffen zugeführt wird, und die teilverbrannten Gase in der Rast (6) und/oder im Gestell (7) eingeführt wi_rd. -

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Wärme in einer zum Niederschmelzen des bei der Reduktion von Erz entstandenen Metalls ausreichenden Menge zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Reduktion von Eisenerzen die Aufkohlung des Eisenbadea durch Regelung der Sauerstoffzufuhr zum Teilverbrennungsvorgang und damit durch Regelung der erzeugten Rußmenge eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ö, dadurch gekennzeichnet, daß die teilverbrannten G-ase in den unteren Teil (6,7) des Schachtofens in verschiedenen Höhen eingeführt werden, wobei die Teilverbrennung der weiter unten zugeführten Gase unter größerem Sauerstoffmangel durchgeführt wird als die Teilverbrennung der weiter oben zugeführten Gase.

Io.Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Schachtofen, in dessen unterem Teil (6,7) Spaltbrenner (9) vorgesehen sind.

11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbrenner (9) in verschiedenen Höhen vorgesehen sind.

12.Vorrichtung nach Anspruch Io oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil (7) des Schachtofens, zu welchem die Spaltbrenner führen, gegenüber dem Schacht (4) erweitert ist, zweckmäßig wenigstens den 1,5-fachen, vorzugsweise etwa den 2-fachen bis 4-fachen Querschnitt aufweist als der Schacht (4).

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