DE2166408A1

DE2166408A1 - Verfahren zum herstellen eines reduktionsgases

Info

Publication number: DE2166408A1
Application number: DE19712166408
Authority: DE
Inventors: Nicolas Ponghis; Arthur Poos
Original assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Current assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Priority date: 1970-06-30
Filing date: 1971-06-23
Publication date: 1974-02-28
Also published as: DE2166408C3; DE2166408B2; DE2131045A1; NL7109013A; LU63434A1; DE2131045B2

Description

Ausscheidung aus P 21 Jl 045.2 vom 23.6.I971

Centre de Recherches Metallurg!ques - Centrum voor Research In de Metallurgie - association sans but lucratif Vereniging zonder Winstoogmerk; 4-7, rue Montoyer, Bruxe He s/Be Igi en

Verfahren zum Herstellen eines Reduktionsgases

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Reduktionsgases unter Verwendung eines Plasmabrenners, dem ein gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoff und ein Verbrennungsgas zugeführt werden und in dem die Umsetzung des Kohlenwasserstoffes zu einem Reduktionsgas hoher Temperatur erfolgt.

Für die Reduktion von Erz mit reduzierenden Gasen ist es, beispielsweise aus der DL-PS 28 565, an sich bekannt, Plasmabrenner zum Herstellen des Reduktionsgases zu ver-

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wenden und diese mit einem zu reformierenden Brennstoffgemisch zu speisen. Ein auf diese Weise erzeugtes Reduktionsgas führt aufgrund der höheren erzielbaren Temperaturen und aufgrund geringeren Anfalles an Verunreinigungen zu ökonomischerer und qualitativ verbesserter Stahlerzeugung.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung von Reduktionsfc gas nach dem eingangs genannten Verfahren weiter zu verbessern und ein Verfahren anzugeben, bei dem insbesondere Unzulänglichkeiten herkömmlicher Plasmabrenner aufgrund im Betrieb auftretenden Verschleißes durch verbesserte Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmabogens möglichst ausgeschaltet und die noch immer vorhandenen restlichen Verunreinigungen im Reduktionsgas weiter reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäi dadurch gelöst, daß die Erzeugung und/oder Erhitzung des Plasma mittels elektro-P magnetischer Induktion unter gleichzeitiger Regelung der Temperatur des erzeugten heißen Reduktionsgases erfolgt.

Es wird also nach der Erfindung von der auf anderen Gebieten der Technik, nämlich in der Hochenergiephysik, entwickelten Möglichkeit Gebrauch gemacht, mittels elektromagnetischer Induktion ein Plasma zu erzeugen und zu beeinflussen, und diese Technik wird in dem Teil einer Hochofenanlage angewandt,

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■:em die Bereitstellung eines Reduktionsgases und dessen Injektion in den Hochofen obliegt. Gegenüber herkömmlichen Plasmabrennern weist dabei die erfindungsgemäße Anwendung der elektromagnetischen Induktion wesentliche Vorteile auf, so vor allem in apparativer Hinsicht wegen Portfalles von Elektroden, wodurch wesentliche Verschleißelemente vermieden sind, also die Bereitstellung des Reduktionsgases infolge seltenerer Betriebsunterbrechungen und Reparaturarbeiten verbilligt und verbessert wird. Bei der erfindungsgemäßen Erzeugung des Plasma unter Verwendung der Technik der elektromagnetischen Induktion werden dabei zugleich die aus der Praxis bekannten Probleme und Unzulänglichkeiten hinsichtlich des angestrebten konstanten Dauerbetriebes relativ einfach beherrscht. Schließlich wird die ohnehin schon relativ geringe Verunreinigung des mittels eines Plasmabrenners erzeugten Reduktionsgases durch die Erfindung noch spürbar weiter verringert, da bei Erzeugung und Beeinflussung des Plasma mittels der Technik der elektromagnetischen Induktion keinerlei Rauchentwicklung in der Reaktionszone mehr auftritt; die Erfindung führt' also außer den apparativen Vorteilen zu einem qualitativ verbesserten Reduktionsgas.

Es kann besonders zweckmäßig sein, den Plasmabrenner"im Inneren einer normalen Windform eines Schachtofens anzuordnen. Dadurcn werden Installationen aus speziellen hitze-

beständigen Teilen für die Weiterleitung des reformierten heißen Gases eingespart. Das mittels des Plasmabrenners erzeugte bzw. schon vorhanden gewesene, aber auf die notwendige hohe Temperatur gebrachte reformierte Gas wird in die Blasformen und vorzugsweise durch die Windformen des Schachtofens in diesen injiziert. Da das über den Plasmabrenner in den Schachtofen gelangende Reduktionsgas eine extrem hohe Temperatur aufweist, können bemerkenswerte Mengen an Koks eingespart werden, die ansonsten durch ihre Verbrennung in den Blasformen, die notwendige Wärme für den Ablauf der Reduktionsreaktion im Schachtofen zu liefern hätten.

Da mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus den obengenannten Gründen auf besonders wirtschaftliche Weise ein extrem reines und überaus hocherhitztes Reduktionsgas (mit Temperaturen von mindestens 18OO°C) erzeugt und in die Blasformen injiziert wird, stellt dieses Verfahren eine besonders ökonomische Verbesserung in dem Bemühen dar, den "klassischen" heißen Wind zum Betrieb des Schachtofens wenigstens teilweise zu ersetzen. Dieses in bedeutendem Umfange die herkömmliche Verwendung von Koks ersetzende, aus dem Plasmabrenner gelieferte Reduktionsgas weist im wesentlichen hohe Anteile an CO, Hp und Np auf und stellt in besserer V/eise als der Koks - der teilweise nebenher weiterbenutzt werden kann - die Erwärmung und Reduktion der Charge

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im Schachtofen (insbesondere Hochofen) sicher.

Zur Gewinnung des Reduktionsgases werden dem Plasmabogen im Plasmabrenner die gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffe in geeignetem Mischungsverhältnis zugeführt, beispielsweise in Form von Erdgas, Heizöl oder dergl.j das ferner zugeführte sauerstoffhaltige Verbrennungsgas, z.B. Sauerstoff, Wasserdampf, Luft oder beliebige andere gasförmige Mischungen mit einem Gehalt an Np, Op, Hp, Ho⁰* CO* ^p' ^werden gleichzeitig in den Plasmabrenner eingegeben und leiten eine teilweise Oxydation der Kohlenwasserstoffe zu CO und Hp ein, d.h. eine Umwandlung in ein reformiertes Gas hoher Temperatur, welches dann als Reduktionsgas in die Blasformen eines Schachtofens injiziert wird.

Da es Zweck des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Reduktionsgases ist, mindestens einen Teil des in den Ofen eingeblasenen Windes bzw. der zur Erzeugung dieses Windes herkömmlicherweise benötigten Koksmengen zu ersetzen, indem stattdessen dieses Hochenergie-Reduktionsgas in den Schachtofen injiziert wird, wird es ztnrarzweckmäJSigerweise auf die Flammentemperatur des "klassischen" Ofenganges gebracht. Daraus ergibt sich eine umso höhere Einsparung an Koks, je stärker die ansonsten zu verwendende Windmenge ver-

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ringert wird, ohne die anderen Betriebsbedingungen zu beeinflussen, so daß fortan Winderhitzer geringerer Leistung verwendet oder diese sogar ganz vermieden werden können, falls die Menge und die Temperatur des heißen reformierten und zu injizierenden Gases genügend groB bzw. hoch ist. Die Temperatur des zu injizierenden reformierten Gases wird also zweckmäfigerweise auf einen solchen Wert als optimalen Wert eingestellt, der der Temperatur des P "klassischen" Ofenganges entspricht.

Besonders zweckmäßig im Hinblick auf einen günstigen Wirkungsgrad bei der Zurverfügungstellung des Reduktionsgases ist es, dem Plasmabrenner ein bereits reformiertes und durch herkömmliche Mittel vorerhitztes Gas zur Aufheizung auf die optimale Temperatur zur Verfügung zu stellen. Durch einen derartigen Betrieb des Plasmabrenners mit bereits vorerhitztem Reduktionsgas wird der ganz erhebliche zusätzliche wirtschaftliche Vorteil erzielt, dal die Kalorien zum Vorerhitzen des in den Plasmabrenner einzuführenden Reduktionsgases auf beliebige andere herkömmliche, inbesonders wirtschaftlichere Weise zur Verfügung gestellt werden als durch Bereitstellen der entsprechenden Energie für die elektromagnetische Betriebseinrichtung des Plasmabrenners. Es werden die klassischen Verfahren herangezogen, um die Erhöhung eines niedrigen Energieniveaus des Gases billiger als · mittels eines Plasmabrenners sicherzustellen; und der Plasmabrenner selbst wird dazu benutzt, die extrem hohe Temperatur bereitzustellen, also das hohe Energieniveau sicherzustellen.

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Durch diese Zweiteilung des AufheizungsVorganges für das in den Schachtofen zu injizierende Reduktionsgas bleiben einmal die oben schon ausgeführten Vorteile der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beibehalten und andererseits ist, insgesamt gesehen, dieser Betriebsablauf besonders wirtschaftlich.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß angewandten Plasmabrenners ist es, daß die Temperaturbeeinflussung in ebenfalls besonders wirtschaftlicher Weise insbesondere eine genaue Temperaturregelung bei relativ geringem apparativem Zusatzaufwänd ermöglicht ist. Diese Temperaturregelung erfolgt, nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, zweckmäßig durch Beeinflussung der Prequens und/oder insbesonders der Stärke des Stromes für den Betrieb des auf Basis der elektromagnetischen Induktion arbeitenden Piasmagernators, also über die Generatorintensität, d.h. den Ionisationsstrom für das zu reformierende bzw. nur noch aufzuheizende Gasgemisch.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird zuzusätzlich zu oder statt dieser Temperaturregelung des Reduktionsgases (über den Betriebsstrom des Plasmagenerators) eine Temperaturregelung des gewonnenen Reduktionsgases durch Beeinflussung der Zusammensetzung der Zufuhr für das im Plasmabrenner zu reformierende Gasgemisch ausgeführt. Es wird also für die Temperaturregelung von den bekannten Gesetzmäßigkeiten der

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chemischen Reaktion des Reformierens der Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff Gebrauch gemacht. Gemäß diesen allgemeingültigen Reaktionsgesetzen ergibt sich eine Energiebilanz und eine Endtemperatur, die vom Volumen und von der Natur des der Reformierung unterworfenen Gasgemisches direkt abhängig ist". In praktischer Verwertung dieser Erkenntnisse wird daher die Temperatur des im Plasmabrenner erzeugten Reduktionsgases dadurch beeinflußt, daß in die Zusammen-P Setzung derjenigen Speisegase eingegriffen wird, die Anlaß sind für den Ablauf der Reaktion im Plasmabrenner; denn die Energiebilanz jedes dieser zugeführten Gase ist voneinander unterschiedlich, und diese Gegebenheit wird zur Erhöhung oder Erniedrigung der Endtemperatur des Verfahrensproduktes am Ausgang des Plasmabrenners vorteilhaft heran gezogen, indem die der Reformierung im Plasmabrenner zu unterwerfenden Gase in für die gewünschte Temperatur geeigneter Dosierung zugeführt werden, was ohne apparative Schwierigkeiten durchführbar und meßtechnisch überwachbar ist und noch zusätzlich zur Temperaturregelung über den Betriebsstrom erfolgen kann.

Diese Temperaturregelung weist ganz besondere Vorteile im Hinblick auf den beschriebenen Verwendungszweck des Verfahrensproduktes am Ausgang des Plasmabrenners auf, da eine feine und genaue Temperaturregelung, ohne Zufuhr von Balaststoffen oder Premdgasen in die Reaktionszone, erfolgt, also

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die eingangs geschilderten günstigen Bedingungen hinsichtlich des Betriebes eines Hochofens mit dem erfindungsgemäß gewonnenen besonders reinen Reduktionsgas durch diese Temperaturbeeinflussung nicht beeinträchtigt werden.

Während die beschriebene Temperaturregelung in dem niederenergetischen Stadium des Ablaufes eingreift, ist daneben oder stattdessen auch die vorbeschriebene Temperaturregelung im hochenergetischen Stadium des Verfahrensablaufes, d.h. Beeinflussung des Betriebsstromes möglich, und eine Überlagerung dieser Eingriffe ermöglicht es, allen Betriebserfordernissen hinsichtlich der Verwendung des Reduktionsgases ■ für einen Schachtofen optimal zu genügen.

Die Anwendung des erfindungsgemäß erzeugten hochenergetischen Reduktionsgases erlaubt es zwar, den Aufwand an Koks in einem Schachtofen auf einen sehr geringen Anteil der herkömmlichen Menge herabzusetzen, theoretisch sogar auf den Wert Null abzusenken; in der Praxis wird jedoch eine Restkoksmenge in der Größenordnung von 10 - 80 kg je Tonne weiterhin benutzt. Die Bedeutung dieses Koksrestes liegt darin,die Kohlung des aufbereiteten Metalles zu Ende zu führen, die durch injiziertes CO erst zum Teil bewirkt wurde, und gegebenenfalls die Boudouard-Reaktion oder die "solution loos"-Reaktion entsprechend zu beeinflussen.

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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Maßnahmen beschränkt, sondern umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen Merkmale einschließlich der für das erfindungsgemäße Verfahren typischen Vorrichtungen zum Ausüben des beschriebenen Verfahrens.

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Claims

Ansprüche

1.) Verfahren zum Herstellen eines Reduktionsgases unter Verwendung eines Plasmabrenners, dem ein gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoff und ein Verbrennungsgas zugeführt werden und in dem die Umsetzung des Kohlenwasserstoffes zu einem Reduktionsgas hoher Temperatur erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung und/oder Erhitzung des Plasma mittels elektromagnetischer Induktion unter gleichzeitiger Regelung der Temperatur des erzeugten heißen Reduktionsgases erfolgt.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen und/oder Aufheizen des Reduktions^gases mittels wenigstens eines im Innern der Blasformen des Schachtofens angeordneten Plasmabrenners erfolgt.

3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Schachtofen zu injizierende Reduktionsgas im Plasmabrenner auf die Flammen-Temperatur des "klassischen" Ofengan^es gebracht wird und den herkömmlichen Wind wenigstens teilweise ersetzt.

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4.) Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasmabrenner vorzugsweise ein bereits reformiertes und durch bekannte Mittel vorgeheitzes Reduktionsgas zugeführt wird, das beim Durchgang durch den Plasmabogen erhitzt und dann in die Windformen eines Schachtofens injiziert wird.

5.) Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, * dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturregelung über Beeinflussung des Stromes für Betrieb des Plasmabrenners erfolgt.

6.) Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des heißen Reduktionsgases auf seinen optimalen Wert durch Eingriff in die Zusammensetzung der Mischung der dem Plasmabrenner zugeführten Gase geändert wird.

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