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Verfahren zur Führung von Schachtöfen Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Führung von Schachtöfen, insbesondere von Hochöfen fUr erz führendes
Material, bzw. Eisenerz.
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Es ist Fachleuten bekannt, daß der Koks in Schachtöfen einen vielfältigen
Einfluss hat, der kurz in folgender Weise beschrieben werden kann a) Der den Windformen
zugeführte Wind ruft die Verbrennung eines großen Teiles oder des gesamten Kcks
der Charge hervor. Der Anteil des verbrannten Koks liegt zwischen 60 und 100 % entsprechend
physikalisch-chemischen Eigenschaften der behaidelten Mineralien bzw.
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Erze und der sie begleitenden Metalle und hängt ab von den Bedingungen
der Ofenführung, von der Temperatur, dem Gehalt an Sauerstoff und der Feuchtigkeit
des
eingeblasenen Windes. Als Beispiele können Kupfer und Eisen genannt werden. Während
der Aufarbeitung von Kupfer entspricht der in Blaformen verbrannte Koks 100 ffi
des gesamten Verbrauches an Koks, während beim Eisen dieser Anteil zwischen 60 und
70 % des geverbrauches samten Koks/beträgt. Diese Verbrennung gibt ein Gas -gemisch
frei, das im wesentlichen aus CO, H2 und N2 besteht, das eine Temperatur zwischen
1200 und 2700° Celsius gemäß den Bedingungen des Ofenganges und den physikalisch-chemischen
Eigenschaften der behandel -ten Mineralien und der sie begleitenden Metalle aufweist.
Dieses Gas übt einen zweifachen Einfluß aus, nämlich die die Charge des Ofens bildenden
Materia -lien zu erhitzen und zu reduzieren.
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b) Bei Metallen, deren Oxyde nur bei hoher Temperatur
Celsius) reduziert werden können beispielsweise Eisenoxyd (FeO), bei dem die Reduktion
der folgenden Reaktion abläuft
läuft eine zweite Reaktion ab
die unter dem Namen1tBoudc uard-Reaktion" oder "solution loss" bekannt ist. Diese
zweite Reaktion verbraucht Kohlenstoff und folglich Koks. Bei Kupfer können die
Oxyde bei niedriger Temperatur reduziert werden und die vorstehende Reaktion findet
nicht statt; hingegen findet beim Eisen diese letztere Reaktion statt und und verbraucht
entsprechend dem Ofengang 70 bis 120 kg Koks pro Tonne erzeugter Schmelze.
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c) Bei Metallen, die stabile Kohlenstoffverbindungen bilden, dient
eine kleine Menge des eingebrachten Kokses dazu, um das geschmolzene Metall zu kohlen.
Dies gilt genau bei Eisen; die durch Aufkohlung verbrauchte Menge Koks liegt in
der Größenordnung von 50 bis 70 kg Koks pro Tonne der erzeugten Schmelze.
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Ganz allgemein gesprochen, wird der Gesamtverbrauch an Koks bei einem
Schachtofen durch die Summe der einzelnen Verbrauchsanteile an Koks gebildet, die
den obigen drei Reaktionsabläufen zuzuschreiben sind.
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Schließlich spielt der Koks auch eine mechanische Rolle indem er eine
feste Abstützung bildet, die von den Fachleuten "Koksgitter" genannt wird3 die die
Bewegung der Gase und der flüssigen Bestandteile (Schlacken, Metalle, Verbindungen,
Gesteine und Speisen) in Gegenrichtung sicherstellt. Dieser Effekt ist ohne Verbrauch
von Kcks wirksam.
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Aufgrund der wachsenden Schwierigkeiten bei der Beschaffung von zu
verkokenden Kohlen und aufgrund der dadurch bedingten Preiserhöhungen des Kokses
wird schon seit einigen Jahren versucht, den entscheidenden Einfluß,d.h.
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den Verbrauch des Kokses im Schachtofen herabzusetzen.
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Deshalb wurden auch insbesondere Injektionsverfahren von Schlamm (Slurries,
d.h. pulversisierte Kohle, suspendiert in einer Flüssigkeit) durchgeführt sowie
von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen, die einen Ersatz eines kleinen
Anteiles des Kokses ermöglichen (im allgemeinen 10 % des gesamten Kokses. Diese
Verfahren weisen jedoch Nachteile auf, wie z.B. Abkühlen der Flamme in -folge des
Krackens der Kohlenwasserstoffe unmittelbar vor den Windformmen, sodaß sich fllr
die injizierbaren Mengen eine Grenze ergab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen
und den Verbrauch an Koks in einem Schachtofen stark herabzusetzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen da -durch gelöst,
daß in den Ofen statt des Windes ein warmes Reduktionsgas injiziert wird, beispielsweise
eine Mischung von CO, H2 und N2 mit einem eventuellen ge -ringen
Anteil
an C02 und/oder H20 wobei die Temperatur entsprechend geregelt und die Menge des
Reduktionsgases gesteuert wird, und zwar derart, daß der Wärmebedarf des Ofens erfüllt
wird, insbesondere hinsichtlich der beabsichtigten Qualität, d.h. der Natur, der
Zusammensetzung und der Temperatur des Metalles, des zu verarbeitenden Gesteins
oder der zu verarbeitenden Speise.
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Wenn eine Schmelze in einem Hochofen erschmolze werden soll, wird
erfindungsgemäß das warme Reduktionsgas mit einer Temperatur zwischen 1700 und 24000
Celsius injiziert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt praktisch den Verbrauch von
verbranntem Koks an den Blasformen zu vermei -den> beinahe den Verbrauch an Koks
für die Boudouard-Re -aktion oder die solution lose" völlig zu vermeiden sowie einen
Großteil des Kokses für die Kohlung einzusparen.
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Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete
gasförmige-Mischung kann durch jeglichen geeigneten Prozeß erhalten werden, beispielsweise
durch Reformierung eines Kohlenwasserstoffes.
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Unter "reformiertes Gas" ist jeder flüssige Kohlenwasserstoff zu verstehen,
der einer oxydierenden Umwandlung und/oder thermischen Krackung unterzogen wurde,
deren Resultat ein gasförmiges Gemisch ist mit beträchtlichen Anteil an Wasserstoff
und/oder Kohlenoxyd. Diese Behandlung wird im allgemeinen in einer geeigneten Vorrichtung
außerhalb des Hochofens durchgeführt.
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Erfindungsgemäß wird die Erhitzung des Reduktionsgases durch einen
Wärmetauscher oder auf elektrischem Wege oder durch Kombination dieser beiden Verfahren
durchgeführt.
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Die Höhe, in der das gasförmige Gemisch in den Ofen injiziert wird,
kann beliebig sein; es wurde jedoch als
insbesondere vorteilhaft
gefunden, die gasförmige Mi -schung durch die »klassischen Windformen zu injizie
-ren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein Teil oder das gesamte Re -duktionsgas in das Gestell des Schachtofens eingeblasen.
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Es wurde bereits oben betont, daß der Ofengang oder, mit anderen Worten
: die Güte (Zusammensetzung und Temperatur) des erhaltenen Metalles oder der erhaltenen
Ver -bindung von der Injektions-Temperatur des Reduktionsga -ses abhängt. Es kann
deshalb die Steuerung des Ofenganges durch jegliches Mittel vorgenommen werden,
das geeignet ist, diese Temperatur zu beeinflussen. Es kann insbesondere auf direktem
Wege auf die Heizeinrichtung für das Gas entsprechend eingewirkt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Regelung in der Weise durch -geführt, indem
die Injektionen unter Erwärmung oder Ab -kühlung vorgenommen werden, insbesondere,
indem gleich -zeitig mit dem warmen Reduktionsgas entweder weniger warmes Reduktionsgas
oder mittels entsprechender Vorrich -tungen Mischungen von reduzierenden Substanzen
und von warmen oder kalten oxydierenden Substanzen injiziert werden, wobei der Anteil
derart ist, daß die Reaktionspro -dukte dieser Substanzen CO, H2 und N2 enthalten.
In der Praxis ergibt eine derartige Reaktion zwischen reduzierenden und oxydierenden
Substanzen ein Gas mit einem Gehalt an CO, H2 und N2 sowie geringen Mengen an C02,
H20 und C (Ruß).
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Unter reduzierenden Substanzen sind Kohlenwasserstoffe zu verstehen,
feste oder gasförmige Produkte mit einem Kohlenstoffgehalt, gasförmigen Kohlenwasserstoffen
oder Gase mit CO, C02, H2 oder H20. Unter oxydierenden Sub -stanzen sind Gase oder
Dämpfe mit einem Gehalt an freiem Sauerstoff oder in Verbindung mit Kohlenstoff
und
Wásserstoff zu verstehen, wie z.B. Luft, mit Sauerstoff angereicherte
Luft, Sauerstoff, C02 CO und 2 H20.
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Ein reformiertes warmes Gas wird derzeitig in speziel -len Vorrichtungen,
die in der Nähe des Hochofens ange -ordnet sind, hergestellt. Jedoch kann das Gas,
obwohl es auf Temperaturen von 1000 bis 14000 Celsius erhitzt ist, nicht in großen
Mengen den Blasformen zugeführt werden, da es die untere Zone des Hochofens abkühlen
würde. Man muß deshalb die Injektion auf die Rast und den unteren Teil des Hochofens
beschränken und auf geringe Mengen durch die Windformen. Unter diesen Be -dingungen
kann das injizierte Gas nur diejenige Menge des Kokses ersetzen, die zur Reduzierung
der Oxyde der Charge dient.
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Eine andere Möglichkeit, durch reformiertes warmes Gas größere Mengen
Koks zu ersetzen, insbesondere den Koks, der durch die Verbrennung in den Blasformen
die notwendige Wärme für den Ablauf der Reduktionsreaktionen liefert, besteht darin,
daß das reformierte Gas auf eine sehr hohe Temperatur von mindestens 18000 Celsius
er -hitzt und in die Blasformen injiziert wird, wodurch mindestens zum Teil der
warme "klassische" Wind ersetzt wird.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Erzeugung und/oder Erwärmung eines Reduktionsgases mit einem wesentlichen Anteil
an CO, H2 und N2 zu schaffen, das entweder ganz oder teilweise den Koks ersetzen
kann, der bisher die Erwärmung und die Reduktion der Charge im Hochofen sicherstellte.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Plasma
für die Erzeugung und/oder für die Erwär -mung eines reformierten Gases verwendet
wird und daß dieses reformierte Gas die Blasformen und vorzugsweise
durch
die Windformen des Schachtofens injiziert wird.
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Unter "Verwendung eines Plasmas für die Erzeugung und/ oder Erwärmung
eines Gases" sind folgende beide Mög -lichkeiten zu verstehen 1.) Es werden die
technischen Herstellungsverfahren für ein Plasma verwendet, um das für die Injektion
in den Schachtofen bestimmte Gas in einen Plasmazustand Uberzuführen, von dem man
die Eigenschaften und insbesondere die Temperatur kennt, 2.) es werden die Herstellungsverfahren
für ein Plasma verwendet, um einen Plasma-ähnlichen Zustand in einem Raum herzustellen
und man injiziert in diesen Raum das für die Injektion in einen Schachtofen bestimmte
Gas, wobei dieser Plasma-ähnliche Zustand die Rolle des Trägers für das Gas, das
in den Schachtofen zu injizieren ist, spielt.
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Eine vorteilhafte Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, gleichzeitig und in ge -eigneten Anteilen dem Bogen eines Plasmas
einen gasför -migen oder flüssigen Kohlenwasserstoff zuzuführen, bei -spielsweise
Erdgas, Heizöl oder dergleichen und ein sauerstoffhaltiges Gas, wie z.B. Sauerstoff,
Wasserdampf, Luft oder jede beliebige gasförmige Mischung mit einem Gehalt an N2,
02> H2, H20, CO> C02, um in dem Plasma eine teilweise Oxydation des Kohlenwasserstoffes
zu CO und H2 einzuleiten, d.h. die Umwandlung in ein reformiertes Gas mit hoher
Temperatur, um dieses reformierte warme Gas in die Blasformen eines Schachtofens
zu injizieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Abwandlung des erfindungsge -mäßen Verfahrens
werden vorzugsweise Plasmabogenbrenner verwendet, die im Inneren der normalen Windformen
eines Schachtofens angeordnet sind. Diese Anordnung erfordert
keine
Installation von speziellen hitzebeständigen Teilen für die Weiterleitung des reformierten
warmen Gases.
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Es sind sämtliche technischen Abwandlungen elektrischer Bögen für
diesen Fall einsbar, sei es die Verwendung von Gleichstrom oder von Wechselstrom,und
zwar einen einphasigen oder mehrphasigen.
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Es kann jedoch der Fall eintreten, daß es vorteilhafter ist, ein anderes
Herstellungsverfahren für ein Plasma zu verwenden , d.h. die elektromagnetische
Induktion.
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Die Hauptaufgabe der Metallurgen besteht demnach darin, ein hitzebeständiges
Material auszuwählen, das den ho -hen Temperaturen eines Plasmas Widerstand leisten
kann.
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Im Zusammenhang mit diesen Überlegungen liegt der Erfindung weiterhin
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das von einem Plasma für die Herstellung
und/ oder Aufheizung eines Gases, insbesondere eines refor -mierten Gases, Gebrauch
macht, für die Injizierung dieses Gases durch Blasformen und vorzugsweise Windformen
eines Schachtofens; diese Aufgabe wird nach der Erfindung im wesentlichen durch
die Erzeugung eines Plasmas mittels der Technik der elektromagnetischen Induktion
durchgeführt.
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Erfindungsgemäß wird die Temperatur des reformierten Gases auf seinen
optimalen Wert eingestellt, die der Temperatur des "klassischen" Ofenganges entspricht,
sei es, indem die Zusammensetzung bzw. die Anteile des gasförmigen Gemisches geändert
wird bzw. werden, sei es, indem mit einer Temperaturerniedrigung verbundene In -jektionen
vorgenommen werden, sei es, indem die Stärke des Stromes, der das Gas ionisiert,
geändert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Abwandlung des erfindungsge -mäßen Verfahrens
wird ein Plasma zum Aufheizen eines bereits reformierten und durch bekannte Mittel
bereits
vorgeheizten Gases verwendet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, das darin besteht, ein reformiertes
Gas zu erzeugen, oder ein derartiges vorzugsweise reformiertes Gas zu erhitzen,
indem es auf die der Temperatur der Flamme des klassischen" Ofen -ganges gebracht
wird, erlaubt es, mindestens einen Teil des in den Ofen eingeblasenen Windes zu
ersetzen. Da -raus ergibt sich eine umso höhere Einsparung an Koks,je stärker die
Windmenge verringert wird, wobei die ande -ren Betriebsbedingungen gleichgehalten
werden, sodass Winderhitzer geringerer Leistung verwendet oder diese ganz vermieden
werden können, falls die Menge und die Temperatur des warmen reformierten und injizierten
Gases genügend groß bzw. hoch ist.
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Die Erfindung betrifft in gleicher Weise Vorrichtungen und Anordnungen
für die Durchführung des soeben beschriebenen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, den Aufwand an Koks auf
einen sehr geringen Anteil herabzusetzen, der theoretisch Null sein könnte, der
jedoch in der Praxis in der Größenordnung von 10 bis 80 kg pro Tonne liegt. Der
Einfluß dieses Kokses liegt darin, die Kohlung des aufbereiteten Metalles zu Ende
zu führen, die durch injiziertes CO zum Teil bewirkt wurde und gegebenenfalls die
Boudouard-Reaktion oder die solution loss-Reaktion entsprechend zu beeinflussen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand von zwei
Ausführungsbeispielen, die die metallurgische Behandlung von Eisen betreffen, erläutert.
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Herstellung einer phosphorfreien Schmelze klassischer erfindungs-Ofengang
gemäß er Ofengang ~ In den Blasformen verbrannter Koks kg/tf+) 501 0 Koksanteil
bei der direkten Vertrennung kg/tf 145 30 Koksanteil bei der Kohlung der Schmelze
kg/tf 54 40 Koksanteil im angefallenen Staub bzw. Rauch kg/tf 6 0,6 Gesamt kg/tf
506 70,6 +) = tf = Tonne Schmelze Schmelze : C % 4,57 4,57 Si % 0,57 0,57 P % 0,13
0,13 In den Blasformen gebildetes Gas Menge m3/tf 1360 CO % 35,0 H2 % 1,9 N2 % 63,0
Temperatur °C 2514 In die Blasformen injiziertes Gas Menge m3/tf 1850 CO % 37,8
H2 % 29,6 N2 % 32,6 Temperatur °C 2314 In die Blasformen eingeblasener Wind : Menge
m5/tf 1104 0 Temperatur °C 1075
nicht Herstellung einerVphosphorfreien
Schmelze klassi- erfin -scheer dungsge-Ofengang mäßer Ofengang In den Blasformen
verbrannter Koks kg/tf 450 0 Koksanteil bei der direkten Ver -brennung kg/tf 139
29 Koksanteil bei der Kohlung der Schmelze kg/tf 46 57 Koksanteil im anefallenen
Staub bzw. Rauch kg/tf 21 1,4 Gesamt kg/tf 656 67,4 In die Windformen injizierter
Brennstoff kg/tf 50 0 Schmelze : C % 3,94 3,94 Si % 0,49 0,49 P % 1,69 1,69 In den
Blasformen gebildetes Gas Menge m3/tf 2345 CO % 33,8 H2 % 3,70 N2 % 62,5 Temperatur
0C 1875 In die Blasformen injiziertes Gas Menge m5/tf 3172 CO % 37,8 H2 % 29,6 N2
% 32,6 Temperatur °C 1875 In die Blasformen eingeblasener Wind : Menge m3/tf 1852
0 Temperatur °C 820 - Ansprüche -