DE2261766C3

DE2261766C3 - Verfahren zum Erschmelzen von Roheisen in Hochöfen

Info

Publication number: DE2261766C3
Application number: DE2261766A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Dr.Mont. 6374 Steinbach Fink
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-12-16
Filing date: 1972-12-16
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DE2261766B2; DE2261766A1

Description

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 1050⁰C verlaufende Gasreduktion (indirekte Reduktion) günstigste Temperaturverteilung im Ofen schafft und betriebssicher aufrechterhält.

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 45% 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 Reduktionsgasmenge im Hochofen und den Wasserstoffgehalt in

ίο 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 günstigste Windtempera tür rund 1300⁰C im Dauerbetrieb beträgt Diese Schranke begrenzt somit auch die ins Gestell einbringbare Kohlenwasserstoffnaenge. 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, indem sie das Einbringen größerer Kohlenwasserstoffmengen 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, indem man mehr Kohlenwasserstoffe mit dem Heißwind ins Gestell einbringt, gelten in Fachkreisen als nicht mehr möglich, und man sucht nach neuen Wegen.

Bekannt ist ebenso beim Heißwind-Hochofen das Eindosen von zusätzlichen, außerhalb des Hochofens hergestellten und etwa 1000° C 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 17 83 065 bekannt

F i g. 1 zeigt das Schema dieses Verfahrens. Es verhüttet 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 eingedost wird, wobei im Gestell des Hochofens lediglich die für die spätere bei vollständiger »indirekter Reduktion« verbrauchte Reduktionsgasmenge aus Brennstoff und Sauerstoff hergestellt wird und die gesamte, aus der Gicht austretende, zum Teil bei der vollständigen »indirekten Reduktion« des Erzes verbrauchte Gasmenge 8 gefaßt und in einer Gastrennung 10 zugeführt wird, in der das bei der vollständigen »indirekten Reduktion« verbrauchte Gasvolumen II, 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« notwendi gen 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 Kreislauf abgezweigt (12).

Dieser noch nicht verwirklichte Vorschlag arbeitet also ohne Heißwind jedoch mit technischem Sauerstoff. Das Schachtgas enthält keinen nennenswerten Stickstoff mehr, und man erreicht damit, daß der Abbau des Erzsauerstoffs ohne nennenswerte Anteile an direkier Reduktion geschieht Wegen der begrenzten Gasnut- ,₀ zung im Schacht arbeitet dieses Verfahren im Gestell mit zu großen Gasmengen, was zu niedrigen Flamrnentemperaturen 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 1000⁰C) mit dem Geschehen im Oberofen (im Temperaturbereich unterhalb etwa 1000⁰C) nur dann übereinstimmt, wenn die Flammentemperatnr zwischen 1800 und 1900⁰C liegt Diese Temperaturen sind etwas niedrig: Heute zieht der Hochöfner an dieser Stelle 2000 bis 2100⁰C vor, und sichert damit die hohe Schmelzleistung moderner Hochöfen.

Fig.2 zeigt in vereinfachter Form die Reichardt-Schaubilder eines Hochofens mit rund 40% direkter Reduktion und eines zweiten mit 0% direkter Reduktion nach der erwähnten DE-OS 17 83 065. 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-Schaubild die »Gaslinien 13, 14, 15 und 16« den Knick der Möllertemperatu- bei etwa 1000⁰C berühren. Nur unter dieser Bedingung ist im Hochofen die S-förmige Temperaturverteilung zu erhalten, in deren mittlerem »senkrechten« Teil Möller und Gas praktisch dieselbe Temperatur haben. Diese S-förmige Temperaturverteilung begünstigt bekanntlich die indirekte Reduktion.

Beim Hochofen mit 0% direkter Reduktion nach der DE-OS 17 83 065 verbietet die erwähnte Bedingung, nämlich daß im Reichardt-Schaubild die Gaslinie den Möllerknick bei 1000⁰C 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 1000⁰C, und man erreicht auch zulässige Gichttemperaturen. Von hoher Flammentemperatur ausgehend schneidet Linie 14 jedoch den Möllerknick und verläuft im Oberofen rechts von der Möllerlinie. In diesem 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 der DE-OS 17 83 065 zu beheben und die Vorteile der hohen Flammentempera' tür und der stabilen S-förmigen Temperaturverteilung der herkömmlichen Heißwindhochöfen mit dem Fortschritt der Roheisenerzeugung ohne direkte Reduktion nach der DE-OS 17 83 065 zu verbinden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Hochofen in an sich bekannter Weise mit einer Formenebene am Gestell und einer zweiten an der Rast ausgerüstet ist und daß mit den Formen am Gestell nur die für den Bedarf des Hochofens oberhalb 1050⁰C notwendige Gasmenge von ausreichender Temperatur mittels Umlaufgas und Sauerstoff hergestellt wird und daß mit den Formen an der Rast mittels Umlaufgas und Sauerstoff weiteres Reduktionsgas erzeugt wird, welches zusammen mit dem aus dem Gestell kommenden Reduktionsgas im Schacht den für die vollständige Unterdrückung der direkten Reduktion notwendigen Reduktionsgasüberschuß und die für die ausreichende wärmetechnische Schachtarbeit im Bereich unterhalb 1050⁰C verlangte Gasmenge bildet

Es wurde nämlich gefunden, daß man durch Aufteilung der nach der DE-OS 17 83 065 herzustellenden Reduktionsgasmengen auf Gestell und Rast und durch Abzweigung eines Teils der nach der DE-OS 17 83 065 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

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der in Fig. 3 dargestellten Anlage näher erläutert: Diese Anlage besteht aus dem Hochofen 1, welcher mit zwei Formenebenen 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 ihm werden Roheisen 4 und Schlacke 5 erschmolzen. Die Gicht verläßt ein Gas 8, das je nach Gasnutzung veränderliche Anteile an Kohlendioxid (und Wasserdampf) enthält. Nach der Gasreinigung 9 gelangt dieses Gas in die Kohlensäurewäsche 10. In dieser wird Kohlendioxid 11 abgeschieden und so reines Kohlenmonoxid, welches als Umlaufgas 6 den Gestellformen 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 Hilfsbrem.^toffe 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 für 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 Heißwind-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-Hochofen diese an sich schon vorher bekannte Maßnahme zur Verbesserung der indirekten Reduktion, keineswegs aber zur vollständigen Vermeidung der direkten Reduktion. Selbst bei der rechnerischen Optimierung dieses Verfahrens erhält man noch 20% an direkter Reduktion. (Ergebnis der Nachrechnung der Ergebnisse in »La reduction directe

au haut-fourneau«, von M. A. P ο ο s, R. V i d a I und R.Michel, Commission Economique pour 1'Europe, Comite d I'Acier, Seminaire sur les aspects economiques et techniques de la reduction directe du minerals 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 500⁰C 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 erfindurigsgemäße Verfahren hebt sich auch vom ·■$ Stand nach der DE-OS 17 83 065 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 Direktreduktionsverfahren, 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 21 in F i g. 2. Durch diese Maßnahme wird die S-förmige Temperaturverteilung im Hochofen auch ohne direkte Reduktion herbeigeführt und stabilisiert was bei ausreichender Gasmenge die vollständige indirekte Reduktion sichert

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 Zusammenset- so zung 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: ⁶S

Ins Gestell werden durch gemeinsame Formen eingebracht:

Sauerstoff 195Nm³

Heizöl 100 kg

Umlaufgas 217 Nm³

Im Gestell entstehen aus den genannten Mengen 776 Nm³ Reduktionsgas, welches 2050⁰C heiß ist.

In die Rast werden durch gemeinsame Formen eingeführt:

Sauerstoff

Heizöl

Umlaufgas

68Nm³
85 kg
134Nm³

In der Rast entstehen aus den erwähnten Mengen 404 Nm³ Reduktionsgas, welches 1000⁰C heiß ist.

Die Gichtgasmenge beträgt 1180Nm³. 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 Gcal.

Mit dem 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 1300⁰C und Heizöl als Hilfsbrennstoff verbraucht ein moderner Großhochofen folgende Mengen:

Koks
Heizöl

400 kg
60 kg

Die Schlackenmenge ist hier größer wegen dei größeren Koksaschenmenge. Sie beträgt 220 kg. Die Gasgutschrift beträgt nach Abzug der Verluste 700 Nm³ mit einem Heizwert von 760 kcal/Nm³, was etwa 0^3 Gcal entspricht

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist neben dei Brennstoffersparnis die Gasgutschrift größer und Kok: weitgehend durch Heizöl ersetzt

Beispiel 2

Dem Hochofen werden je 1000 kg Roheisen folgende Mengen aufgegeben:

Sintererz
Koks (trocken)

1540 kg
200 kg

Ins Gestell werden durch gemeinsame Former eingebracht:

179Nm³

81kg

352

Sauerstoff Reinkohle Umlaufgas

Im Gestell entstehen aus den genannten Stoffei 776 Nm³ Reduktionsgas, welches 2050⁰C heiß ist

In die Rast werden durch gemeinsame Formel eingeführt:

Sintererz
Koks (trocken)

1540 kg
200 kg

Sauerstoff Reinkohle Umlaufgas

54Nm³ 67 kg 250Nm³

In der Rast entstehen aus den erwähnten Mengen 404 Nm'Reduktionsgas, welches 1000⁰C heiß ist.

Die Gichtgasmenge beträgt 1180Nm^J und wird zur Kohlensäurewäsche 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 es nur die für die Durchgasung des Möllers und das Koksgerüst im Gestell notwendige Koksmenge. Der andere Wärmebedarf wird durch preiswertere Austauschbrennstoffe gedeckt.

Als zweites fährt es mit dem in der Praxis niedrigst möglichen Verbrauch an Reduktionsmitteln und Wärme, indem es die direkte Reduktion vollständig unterdrückt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erschmelzen von Roheisen in Hochöfen aus Eisenerz mit üblichen Brennstoffen 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 Hochofen in an sich bekannter Weise mit einer Formenebene am Gestell und einer zweiten an der Rast ausgerüstet ist und daß mit den Formen am Gestell nur die für den Bedarf des Hochofens oberhalb 1050⁰C notwendige Gasmenge von ausreichender Temperatur mittels Umlaufgas und Sauerstoff hergestellt wird und daß mit den Formen an der Rast mittels Umlaufgas und Sauerstoff weiteres Reduktionsgas erzeugt wird, welches zusammen mit dem aus dem Gestell kommenden Reduktionsgas im Schacht den für die vollständige 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, indem sie durch die Gestell- und Rastformen in den Hochofen eingebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stückige Hochofenkoks durch flüssige und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe ersetzt wird, indem sie durch die Gestell- und Rastformen in den Hochofen 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 Überschußgas aus dem Kreislauf entfernt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Rastformen hergestellte Reduktionsgas Temperaturen von 750 bis 1200° C aufweist