DE2261766A1

DE2261766A1 - Verfahren zum erschmelzen von roheisen in hochoefen

Info

Publication number: DE2261766A1
Application number: DE19722261766
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Dr Fink
Original assignee: FINK FERDINAND DR RER MONT; Battelle Institut eV
Current assignee: FINK FERDINAND DR RER MONT; Battelle Institut eV
Priority date: 1972-12-16
Filing date: 1972-12-16
Publication date: 1974-06-20
Also published as: DE2261766B2; DE2261766C3

Description

Verfahren zum Erschmelzen von Roheisen in Hochöfen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erschmelzen von Roheisen in Hochöfen unter Ausschaltung der direkten Reduktion, wobei man statt mit Heißwind mit technischem Sauerstoff und mit aus dem Gichtgas gewonnenem Reduktionsgas arbeitet, derart, daß man sowohl dem Gestell als auch dem Schacht - entsprechend dem unterschiedlichen Wärmebedarf in diesen Bereichen des Hochofens - die notwendigen Gasmengen mit den erforderlichen Temperaturen getrennt bereitstellt, und damit die für unterhalb etwa lO5O0C verlaufende Gasreduktion (indirekte Reduktion) günstigste Temperaturverteilung im Ofen schafft und betriebssicher aufrecht erhält.
Bekannt ist die Roheisenerzeugung im Hochofen mit Heißwind und Koks. Das gesamte Reduktionsgas (Kohlenmonoxid) entsteht dabei aus Koks. Der hohe Stickstoffgehalt verdünnt die Wirkung des Reduktionsgases, so daß man eine direkte Reduktion von rund 45X in Kauf nehmen muß. Dies empfindet man als Nachteil, denn die direkte Reduktion verbraucht viel Wärme und Reduktionskohlenstoff.
Bekannt ist auch das Einbringen von Kohlenwasserstoffen zusammen mit dem Heißwind durch die Formen ins Gestell.
Man vergrößert damit die Reduktionsgasienge i Hochofen und den Wasserstoffgehalt in dieser und senkt dadurch das Ausmaß der direkten Reduktion auf etwa 40%. Mit steigender Windtemperatur kann man wachsende Mengen an Kohlenwasserstoffen einbringen. In Fachkreisen herrscht jedoch die Ansicht, daß die wirtschaftlich geünstigste Windtemperatur rund 13000C im Dauerbetrieb beträgt. Diese Schranke begrenzt somit auch die ins Gestell einbringbare Kohlenwasserstoffmenge. Mit diesen Maßnahmen senkt man den Anteil an direkter Reduktion bestenfalls auf etwas unterhalb 40% herab.
Bekannt ist weiterhin die Anreicherung des Heißwindes mit Sauerstoff. Sie wirkt wie eine Temperaturerhöhung des Heißwindes, in dem sie das Einbringen größerer Kohlen wasserstoffmengen erlaubt, was zur Erniedrigung der direkten Reduktion führt.
Allgemein weist der Stand der Roheisenerzeugung im Hochofen trotz der vorhin angeführten Maßnahmen nur in seltenen Fällen Anteile an direkter Reduktion von weniger als 40% auf. Besserungen, in dem man mehr Kohlenwasserstoffe mit dem.Heiwind ins Gestell einbringt, gelten in Fachkreisen als nicht mehr möglich, und man sucht nach neuen Wegen.
Bekannt ist ebenso beim Heißwind-Hochofen das Eindüsen ton zusätzlichen, außerhalb des Hochofens hergestellten und etwa 10000C heißem Reduktionsgas in die Rast des-Hochofens.
Durch diese Vergrößerung der Reduktionsgasmenge im Schacht des Hochofens steht eine weitere Absenkung der direkten Reduktion in Aussicht. Berechnungen ergeben, daß man auch mit dieser Maßnahme im Heißwind-Hochofen etwa 20% direkte Reduktion erhalten wird, und zugleich beträchtliche Mengen ungenutzten Reduktionsgases im Gichtgas.
Der neuere Stand ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift 1 783 065 "Verfahren zum Betrieb von Hochöfen" bekannt.
Figur 1 zeigt das Schema dieses Verfahrens. Es verhütet Eisenerz (2) zu Roheisen (4) im Hochofen (1) mit üblichen Brennstoffen (3) und technischem Sauerstoff (7), welcher durch gemeinsame Formen zusammen mit dem aus dem Gichtgas gewonnenem Umlaufgas (6), das aus unverbrauchtem Reduktionsgas besteht, in das Gestell eingedüst wird, gekennzeichnet dadurch, daß im Gestell des Hochofens lediglich die für die spätere bei vollständiger indirekter Reduktion" verbrauchte eduktionsgasmenge aus Brennstoff und Sauerstoff hergestellt wird, daß die gesamte, aus der Gicht austretende, zum Teil bei der vollständigen "indirekten Reduktion1, des Erzes verbrauchte Gasmenge (8) gefaßt und in einer Gastrennung (10) zugeführt wird, in der das bei der vollständigen "indirekten Reduktion" verbrauchte Gasvolumen (11), welches dem im Gestell aus den Brennstoffen entstandenen gleich ist, aus dem Gichtgas ausgeschieden und die so erhaltene unverbrauchte Reduktionsgasmenge im Kreislauf als Umlaufgas (6) zur Schaffung des für eine vollständige indirekte Reduktion" notwendigen Gasüberschusses und zur Bereitstellung der für die ausreichende wärmetechnische Schachtarbeit verlangten Gasmenge mit dem Sauerstoff (7) durch gemeinsame Formen in das Gestell des Hochofens eingeführt wird, Gegebenenfalls wird zur Stickstoffabführung, welcher aus den üblichen Brennstoffen und dem technischen Sauerstoff stammt, Überschußgas im Gestell erzeugt und aus dem Kretslauf abgezweigt. (12).
Dieser noch nicht verwirklichte Vorschlag arbeitet also ohne Heißwind jedoch mit technischem Saue-rstoff. Das Schachtgas enthält keinen nennenswerten Stickstoff mehr und man erreicht damit, daß der Abbau des Erzsauerstoffs ohne nennenswerte Anteile an direkter Reduktion geschieht.
Wegen der begrenzten Gas nutzung im-Schacht arbeitet dieses Verfahren im Gestell mit zu großen Gasmengen, was zu niedrigen Flammentemperaturen vor den Formen zwingt, um mit dem Geschehen im Schacht ins Gleichgewicht zu kommen.
Bilanzrechnungen zeigen, daß das Geschehen im Unterofen (im Temperaturbereich oberhalb etwa 1000°C) mit dem Gescheren im Oberofen (im T-emperaturbereich unterhalb etwa 1000°C) nur dann übereinstimmt, wenn die Flammentemperatur zwischen 1800 und 1900°C liegt. Diese Temperaturen sind etwas niedrig: heute zieht der Hochofner an dieser Stelle 2000 bis 21000e vor, und sichert damit die hohe Schmelzleistung moderner Hochöfen.
Figur 2 zeigt in vereinfachter Form die Reichardt-Schaubilder eines Hochofend mit rund 40% direkter Reduktion und eines zweiten mit 0% direkter -Reduktion-nach der erwähnten OS- 1 783 065. Die Wirkungen hoher und niedriger Flammentemperaturen am Hochofen mit 40% direkter Reduktion sind durch die Linien 13 und 16 dargestellt. Niedrige Flammentemperatur (Linie 16) hat große Gasmengen zur Folge und mit dieser hohe Temperatur an der Gicht. Steigende Flammentemperaturen (Linie 13) ermöglichen beim herkömmlichen Hochofen niedrigere Gichttemperaturen.
Bekanntlich müssen im Reichardt-Schubild die "Gaslinien 13, 14,15 und 16" den Knick der Möllertemperatur bei etwa 1000°C benihren. Nur unter dieser Bedingung ist im Hocbfen die S-förmige Temperaturverteilung zu erhalten, in deren mittlerem "senkrechten" Teil Möller und Gas praktisch diesselbe Temperatur haben. Diese S-för ige Temperaturverteilung begünstigt bekanntlich die indirekte Reduktion.
Beim Hochofen mit 0% direkter Reduktion nach gas 1 783065 verbietet die erwähnte Bedingung, nämlich daß im Reichardt-Schaubild die Gaslinie den Möllerknick bei 1000°C zu berühren hat, die Arbeit mit gleich hoher Flammentemperatur wie beim herkömmlichen, mit Heißwind betriebenen Hochofen. Mit niedrigerer Flammentemperatur nämlich (Linie 15) berührt man den Möllerknick bei 1000°C und man erreicht auch zulässige Gichttemperaturen. Von hoher Flammentemperatur ausgehend schneidet Linie 14 jedoch den Möllerkniek und verlauft im Oberofen rechts von der Möllerlinie. In dieser Falle ist die Gasmenge zu gering, sie reicht zwar zur Deckung des Wärmebedarfs im Unterofen, nicht jedoch für den Bedarf des Oberofens.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde diesen Mangel des Verfahrens nach OS 1 783 065 zu beheben und die Vorteile der hohen Flammentemperatur und der stabilen S-förmigen Temp eraturverteilung der herkömmlichen Heißwind-Hochöfen mit dem Fortschritt der Roheisenerzeugung ohne direkte Reduktion nach OS 1 783 065 zu verbinden.
Es wurde gefunden, daß man durch Aufteilung der nach den OS 1 783 065 herzustellenden Reduktionsgasmengen auf Gestell und Rast und durch Abzweigung eines Teils des nach der OS 1 783 065 für das Gestell vorgesehenen Umlaufgasmenge in die Rast zu den vorteilhaft hohen Temperaturen im Gestell gelangt und zugleich den Schacht mit der für Reduktion und Erwärmung notwendigen Gasmenge versorgt.
Die Aufgabe wird erflndungsgemäß durch die in Figur 3 skizzierte Anlage gelöst. Sie besteht aus dem Hochofen (1), welcher mit zwei Formenetenen ausgerüstet ist, eine am Gestell (17) und eine in Höhe der Rast (18). Der Hochofen (1) wird mit Erz (2) und Koks (3) beschickt, und in im werden Roheisen (4) und Schlacke (5) erschmolzen. Die Gicht verläßt ein Gas (8), das je nach Gasnutzungveränderliche Anteile an Kohlendioxid (und Wasserdampf) enthält.
Nach der Gasreinigung (9) gelangt dieses Gas in die Kohlensäurewäsche (10). In dieser wird Sohlendioxid (11) abgeschieden und so reines Kohlenmonoxid, welches als Umlaufgas (6) den Gesteilformen (17) und als Umlaufgas (19) den Rastformen (18) zugeführt wird. Mit dem Umlaufgas (6) gemeinsam wird Sauerstoff (7) in die Gestellformen (17) eingedüst und mit dem Umlaufgas (19) der Sauerstoff (20) in die Rastformen (18) eingeführt.
Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung kann man mit dem Sauerstoff (7) und (20) auch Hilfsbrennstofife in die Formen (17) und (18) einbringen. Erdgas, Heizöl und Feinkohle sind hierfür brauchbar. Sie ergeben mit der Teilverbrennung mehr Gas als der Koks und verbrauchen Wärme fqr ihre Zersetzung. Daher kann man zwar mit Hilfsbrennstoffen Koks ersetzen, zugleich aber weniger Umlaufgas rückführen, wodurch ein Gasüberschuß (12) sich einstellt, der aus dem Kreislauf genommen werden muß.
Die Verwendung von Kohlensäure und/oder Wasserdampf zur Gasbereitung im Gestell und in der Rast ist grundsätzlich ebenfalls möglich. Deren Spaltung mit Kohlenstoff verbraucht jedoch viel Wärme.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit dem Helßwlnd-Hochofen, dem in die Rast heißes Reduktionsgas eingeblasen wird, nicht vergleichbar.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Reduktionsgas in der Rast des Hochofens selbst mit Brennstoff, Umlaufgas und Sauerstoff erzeugt, während beim Heißwind-Hochofen das Reduktionsgas für die Rast in einem gesonderten an sich bekannten Element hergestellt wird.
Dann dient beim Heißwind-Ilochofen diese an sich schon vorher bekannte Maßnahme zur Verbesserung der indirekter Reduktion, keineswegs -aber zur vollständigen Vermeidung der~direkten Reduktion. Selbst bei der rechnerischen Optimierung dieses Verfahrens erhält man nach 20% an direkter Reduk tion. (Ergebnis der Naçhrechnung der Ergebnisse in "La reduction directe au hautwfourneau" von M.A. Poos, R. Vidal und R. Michel, Commission Economipue pour l'Europe, ComitE d l'Acier, Seminaire sur les aspects economipques et technipqes de la reduction directe du minerais de fer, Bucarest (Rumänien), 18. bis 23. September 1972). Solange man bei diesem Verfahren am Heißwind für das Gestell festhält, ist eine weitere Verbesserung nicht möglich. Beim angeführten Beispiel beträgt die nachrechenbare Gichtgastemperatur bei trockenem Möller fast 500°C und ist somit bedenklich hoch. Jede Erhöhung der in der Rast zugeführten heißen Reduktionsgasmenge, mit dem Ziel die direkte Reduktion auf unterhalb 20% zu bringen, würde die Gichtgastemperatur noch mehr steigern.
Das erfindungsgemäße Verfahren hebt sich auch vom Stand nach OS 1 783 065 sehr stark ab. Sowohl die Arbeit im Gestell als auch das Geschehen im Schacht kann man, ohne daß sie sich gegenseitig nachteilig beeinflußen, optimal einstellen.
Dadurch vereinigt das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile, des herkömmlichen Hochofens mit denen der bekannten pirektreduktionsverfahren, welche das Erz mit Gas im Schachtofen zu Eisenschwamm reduzieren, z.B. die Wiberg-, Purofer-bzw. Midrex-Verfahren. Wie beim herkömmlichen Hochofen werden im Gestell Roheisen und Schlacke bei günstig hoher Temperatur geschmolzen und voneinander geschieden, und wie bei den genannten Verfahren wird im Schacht das Erz mit Reduktionsgas zu Eisenschwamm verarbeitet.
Die Gestellgasmenge ist bei jeder gewählten Temperatur die geringst mögliche, denn es findet keine direkte Reduktion des Eisenerzes statt. Dadurch kann die Schmelzleistung sehr gesteigert werden, denn die Gefahr des "Stauens" bzw. des "Flutens" wird zu wesentlich höheren Durchsätzen verschoben.
Das erfindungsgemäße "Einfeuern" von zusätzlichem Gas in die Rast erhöht die Schachtgasmenge auf das infolge der begrenzten Gasnutzung notwendige Volumen. Dadurch wird auch der Wärmebedarf des Schachtes gedeckt. Die Wirkung dieser Rastgasmenge zeigt schematisch die Linie 2t in Figur 2. Durch diese Maßnahme wird. die S-fõrmige Teinperaturverteilung im Hochofen auch ohne direkte Reduktion herbeigeführt und stabilisiert, was bei ausreichender Gasmenge die vollständige indirekte Reduktion siehert.
Die Steuerbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hervorragend, denn so wie man- die vollständige indirekte Reduktion leicht herbeiführen kann, so kann man auch durch Wahl der Bedingungen im Gestell und durch die Wahl der Temperatur und der Zusammensetzung des in der Rast hergestellten Gases einen beliebigen Grad von direkter.Reduktion herbeiführen, halten und im Betrieb wechseln. Erzeugt man absichtlich ein weniger reduktionskräftiges Gas in der Rast, dann wird das Erz im Schacht vom Gas unvollständig reduziert. Der Abbau des verbleibenden Restes von Erzsauerstoff wird in den Bereich oberhalb 10500C verschleppt, was die direkte Reduktion bewirkt. Kleinere Anteile an direkter Reduktion mögen manchmal ihre wirtschaftliche Rechtfertigung haben, besonders bei sehr reichen Erzen.
Beispiel 1 Dem Hochofen werden je 1000 kg Roheisen-folgende Mengen aufgegeben: Sintererz 1540 kg Koks (trocken) 200 kg Ins Gestell werden durch gemeinsame Formen eingebracht: Sauerstoff 195 Nm5 Heizöl 100 kg Umlaufgas 217 Nm3 Im Gestell entstehen aus den genannten Mengen 776 Nm3 Reduktionsgas, welches 2050°C heiß ist.
In die Rast werden durch gemeinsame Formen eingeführt: Sauerstoff 68 Nm3 Heizöl 85 kg Umlaufgas 134 Nm3 In der Rast entstehen aus den erwähnten Mengen 404 Nm3 Reduktionsgas, welches 10000C heiß ist.
Die Gichtgasmenge beträgt 1180 Nm3. Von dieser werden 665 Nm3 zur Kohlensäurewäsche geleitet und aus dieser 351 Nm3 Umlaufgas erhalten, welche für das Gestell und die Rast aufgeteilt wird.
Neben 1000 kg Roheisen erhält man 200 kg Schlacke und 515 Nm3 überschüssiges Gichtgas mit einem Heizwert von 1550 kcal/Nm3. Nach Abzug der Verluste verbleiben etwa 490 Nm3 als Gutschrift, entsprechend etwa 0,8 Gcl.
Mit Ce' gutgeschriebenen Gasüberschuß wird auch der mit dem technischen Sauerstoff und mit den Brennstoffen eingeschleppte Stickstoff aus dem Kreislauf abgeführt Mit demselben Erzmöller und mit Heißwind von 1300 0C und Heizöl als IIilfsbrellnstoff verbraucht ein moderner Großhochofen folgende Mengen: Koks 400 kg Heizöl 60 kg Die Schlackenmenge ist hier größer wegen der größeren Koksaschenmenge. Sie beträgt 220 kg. Die Gasgutschrift beträgt nach Abzug der Verluste 700 Nm3 mit einem Heizwert von 760 kcal/Nm3, was etwa 0,53 Gcal entspricht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist neben der Brennstoffersparnis die Gasgutschrift größer und Koks weitgehend durch Heizöl ersetzt.
Beispiel 2 Dem Hochofen werden je 1000 kg Roheisen folgende Mengen a aufgegeben: Sintererz 1540 kg Koks (trocken) 200 kg Ins Gestell werden durch gemeinsame Formen eingebracht: Sauerstoff 179 Nm3 Reinkohle 81 kg Umlaufgas 352 Nm3 Im Gestell entstehen aus den genannten Stoffen 776 Nm3 Reduktionsgas, welches 2050°C heiß ist.
In die Rast werden durch gemeinsame Formen eingeführt: Sauerstoff 54 Nm3 feinkohle 67 kg Umlaufgas 250 In der Rast entstehen aus den erwähnten Mengen 404 Nm3 Reduktionsgas, welches 1000°C heiß ist.
Die Gichtgasmenge betragt 1180 Nm3 und wird zur Kohlensäurewasche geleitet. Gasüberschuß entsteht keiner.
Mit den unvermeidlichen Gasverlusten verläßt auch der mit dem technischen Sauerstoff und den Brennstoffen.eingeschleppte Stickstoff den Kreislauf.
Neben 1000 kg Roheisen erhält man etwa 220 kg Schlacke.
Der im Beispiel 1 erwähnte vergleichbare Hochofen mit Heißwind von 13000C verbraucht verglichen mit Beispiel 2 um über ein Drittel mehr Wärme. Hinzu kommt, daß dieser Hochofen mit der doppelten Menge an teurem Koks arbeitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren bucht beim Vergleich mit dem herkömmlichen Hochofen zwei sehr bedeutende Vorteile: Als erstes benötigt er nur die für die Durchgasung des Möllers und das Koksgerüst im Gestell notwendige Koksmenge.
Der andere Wärmebedarf wird durch preiswertere Austauschbrennstoffe gedeckt.
Als zweites fahrt es mit dem in der Praxis niedrigst möglichen Verbrauch an Reduktionsmitteln und Wärme indem er die direkte Reduktion vollständig unterdrückt.

Claims

Patentansprüche

1, Verfahren zum Erschmelzen von Roheisen (4) in Hochöfen (1) aus Eisenerz (2) mit üblichen Brennstoffen (3) und Sauerstoff, welcher durch gemeinsame Formen zusammen mit dem aus dem Gichtgas gewonnenem Umlaufgas, das aus unverbrauchtem Reduktionsgas besteht, in den Hochofen eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ilochofen in an sich bekannter Weine mit einer ?rmenebene am Gestell (17) und einer zweiten an der Rast (18) ausgerüstet ist und daß mit den Formen em Gestell (17) nur die für den Bedarf des Hochofens oberhalb 1050°C notwendige Gasmenge von ausreichender Temperatur, mittels Umlaufgas (6) und Sauerstoff (7) hergestellt wird und daß mit den Formen an der Rast (18) mittels Umlaufgas (19) und Sauerstoff (20) weiteres Reduktionsgas erzeugt wird, welches zusammen mit dem aus dem Gestell kommenden Reduktionsgas im Schacht den für die vollntänßige Unterdrückung der direkten Reduktion notwendigen Reduktionsgasüberschuß und die für die ausreichende wärmetechnische Schachtarbeit im Bereich unterhalb 1050°C verlangte Gasmenge bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stückige Hochofenkoks (3) teilweise durch Kohle und ähnliche feste Brennstoffe ersetzt wird, in dem sie durch die Formen (17) und (-18) in den Hochofen eingebracht werden.
3. Verfahren nach Anspnch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stückige Hochofenkoks (3) durch fIüssige und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe ersetzt wird, in dem sie durch die Formen (17) und (18) in den Hocho'fen eingebracht werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergasung der festen Brennstoffe und der flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff auch Wasserdampf und/oder Kohlensäure verwendet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem technischen Sauerstoff und mit den Brennstoffen eingeschleppte Stickstoff mit dem abgezweigten Oberschußgas (12) aus dem Kreislauf entfernt wird.
6. Verfhren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Rastformen (18) hergestellte Reduktionsgas Temperaturen von 750 bis 12000C aufweist.

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