DE2520938A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines reduktionsgases fuer metallurgische anwendungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines reduktionsgases fuer metallurgische anwendungen

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Description

  • VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG EINES REDUKTIONSGASES FÜR METALLURGISCHE ANWENDUNGEN Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Reduktionsgases für metallurgische Anwendungen, vorzugsweise für die Reduktion von Eisenerzen, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Die Anwendung von Reduktionsgasen, die in einem separat geführten chemischen Prozeß erzeugt werden, hat bei der Reduktion von Eisenerzen in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hauptsächlich hat die größere Verbreitung der verschiedenen sogenannten t'Direkt-Reduktionsverfahren, die vorzugsweise der Erzeugung von Eisenpellets dienen, in erheblichem Maße dazu beigetragen. Darüber hinaus wurde versuchsweise bei der Reduktion von Erzen im Hochofen ein Teil des Kokses durch das Einleiten von Reduktionsgasen ersetzt.
  • Das Reduktionsgas wird heute im allgemeinen aus Erdgas hergestellt. Das Erdgas besteht im wesentlichen aus CH4, und über entsprechende chemische Prozesse wird es in ein Gas mit einer ungefähren Zusammensetzung von ca. 75 % H2 und ca. 25 % CO umgewandelt. Selbstverständlich läßt sich ein ähnlich zusammengesetztes Reduktionsgas auch aus anderen kohlenstoff- und kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen erzeugen.
  • Die Herstellung des Reduktionsgases läuft heute im allgemeinen so ab, daß nach der chemischen Umsetzung der Ausgangsgase bzw. der vergasten, festen Substanzen, die im geringen Maße gleichzeitig anfallenden, unerwünschten Begleitgase, CO2, H20 und SO2, aus dem Reduktionsgas entfernt werden. Es gibt eine Reihe physikalischer und chemischer Methoden,die unerwünschten Gasbegleiter kierauszufiltern. Ein gemeinsamer Nachteil dieser bekannten Gasreinigungsverfahren besteht darin, daß sie nur bei relativ niedrigen Temperaturen durchführbar sind. Die Entfernung von C02 und H20 aus den Reduktionsgasen bei ihrer Anwendungstemperatur, die im allgemeinen über 8000C liegt, ist nicht möglich.
  • Da aber die Reduktionsgase bei der, dem Reduktionsprozeß entsprechenden, günstigen Temperatur eingesetzt werden1 um den Reduktionsprozeß sowohl in metallurgischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht optimal ablaufen zu lassen, ist ein Aufheizen der Reduktionsgase nach ihrer Reinigung nötig.
  • Zum Aufheizen der Reduktionsgase benutzt man unterschiedliche, bevorzugt jedoch regenerativ arbeitende, Wärmeaustauscher.
  • Der Gesamtaufwand an Apparaturen und Regel systemen für die Herstellung eines Reduktionsgases für die Reduktion von Eisenerzen ist relativ aufwendig und mit hohen Kosten verbunden.
  • Insbesondere gilt dies für Reduktionsgase, die man in den Hochofen einleiten möchte. Neben den hohen Einsatztemperaturen bis ca. 1 300°C, ist das Gas auch auf einen relativ hohen Druck bis etwa 5 atü zu komprimieren.
  • Von diesem Stand der Technik ausgehend, besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, ein Verfahren zur Umwandlung von kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen in ein für die Reduktion von Eisenerzen geeignetes Reduktionsgas zu schaffen, bei dem der Druck und die Temperatur Werte aufweisen, wie sie für die optimale metallurgische Anwendung, insbesondere das Betreiben eines Reduktionsprozesses, erforderlich sind.
  • Die Aufgabe konnte durch das Verfahren zur Herstellung eines Reduktionsgases für metallurgische Anwendungen, vorzugsweise für die Reduktion von Eisenerzen, erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, daß kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffenthaltende Substanzen in ein Eisenbad unterhalb der Badoberfläche eingeleitet, dort durch Sauerstoff und/oder sauerstoffenthaltende Medien bei einem für das Einleiten in ein metallurgisches Aggregat ausreichenden Druck zu einem im wesentlichen aus CO, H2 und ggf. Inertgas bestehenden Reduktionsgas umgewandelt werden, und daß dieses Reduktionsgas lediglich auf die für den Reduktionsprozeß erforderliche Temperatur abgekühlt und direkt in das metallurgische Aggregat eingeleitet wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden kohlenstoff- und/ oder kohlenwasserstoffenthaltende Substanzen zusammen mit Sauerstoff und/oder sauerstoffenthaltenden Medien in einem Mengenverhältnis, wie es zur stöchiometrischen Verbrennung zum Reduktionsgas erforderlich ist, unter die Oberfläche einer Eisenschmelze eingeleitet. Diese Eisenschmelze befindet sich in einem Reaktorgefäß (Eisenbadreaktor), das die Einstellung von Drücken erlaubt, wie sie das Reduktionsgas, je nach metallurgischem Anwendungsfall, z.B. für einen Reduktionsprozeß, aufweisen soll.
  • Es kann davon ausgegangen werden, daß der Druck in jedem Fall über dem Normaldruck liegt, d.h. größer als 1 ata ist. Die Umsetzung von kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen mit Sauerstoff in einem Eisenbad ermöglicht es, ein Reduktionsgas zu erzeugen, das im wesentlichen nur aus CO und H2 besteht. Ein direkter Umsatz der genannten Stoffe ohne das Zwischenschalten eines Eisenbades würde entweder zu einer starken Rußbildung führen oder, falls man diese unterdrückt, zu erheblichen Anteilen von C02 und H20 führen.
  • Eine Reinigung des Reduktionsgases von den unerwünschten Begleitern führt zu den bekannten Nachteilen, die im wesentlichen den Gesamtprozeß erheblich aufwendiger machen und die Wirtschaftlichkeit verschlechtern.
  • Bei der Anwendung von Gasen zur Reduktion von Eisenerzen sollten der CO2- und H2O-Anteil möglichst niedrig liegen, da schon geringe Prozentsätze dieser Reduktionsbegleiter den Wirkungsgrad bei den Gasreduktionsprozessen ungünstig beeinflussen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treten diese unerwünschten CO2- und H20-Anteile nicht auf. Lediglich kann das erzeugte Reduktionsgas geringe Mengen an Eisendampf enthalten, die dessen metallurgische Verwendung, vorzugsweise zur Reduktion von Eisenerzen, nicht stören und außerdem der Eisendampf sich beim Durchströmen der Erze an diese anlagert.
  • Die in dem Eisenbadreaktor erzeugten Reduktionsgase haben beim Verlassen des Reaktorgefäßes im allgemeinen eine Temperatur von ca. 1 350 bis ca. 1 450°C. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch in diesem Punkt besonders flexibel und erlaubt es, das angegebene Temperaturintervall in weiten Grenzen zu über- und zu unterschreiten. Das Verfahren läßt sich in Abhängigkeit von der zugeführten Wärme durch die kohlenstoff- und kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen durch den Zusatz von beispielsweise C02 und Wasserdampf einerseits, sowie durch Vorheizen der sauerstoffenthaltenden Medien andererseits,hinsichtlich der Temperatur im Eisenbadreaktor steuern.
  • Bei Verwendung verschiedener kohlenstoff- und kohlenwasser stoffenthaltender Substanzen hat sich die Anwendung von feingekörnten Feststoffen als vorteilhaft herausgestellt.
  • Dabei sind alle ubl übl.üerweise im Handel erhältlic-r Kohlesorten, unabhängig von hrem Heizwert und ihrem Schwefelgehalt, eingesetzt worden. Selbstverständlich sind relativ reine, energiereiche Sorten, wie z.B. Anthrazit oder Koks, problemloser zu verarbeiten als er.ergiearme Kohlensorten mit hohem Schwefelante-w. Jedoch kann durch die Schlacke führung, im wesentlichen sind dies basische, kalkreicje Schlacken, im Eisenbadreaktor der Schwefelgehalt deutlich gesenkt werden. Die Anwendung dieser minderwertigen Kohler zur erfindungsgemäßen Reduktionsgaserzeugung ist ohne Schwierigkeiten möglich. Wegen der günstigen Einstandskosten sind gerade energiearme Kohlesorten, wie beispielsweise Braunkohle, auch geschwelte Braunkohle und bituminöse Kohletypen, die hauptsächlich unte: der Bezeichnung "Gasflammkohlen" ir-Handel sind, erprobt worden.
  • Einer der wichtigen Schritte dieses erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die im Eisenbadreaktor erzeugten Reduktionsgase direkt der metallurgischen Anwendung, vorzugsweise einem Reduktionsprozeß, zuzuführen. Auf dem Transportweg zu dem metallurgischen Aggregat werden die Gase auf die gewünschte Temperatur heruntergekühlt, da sie normalerweise beim Velassen des Eisenbadreaktors eine höhere Temperatur, als für den Reduktionsprozeß erforderlich, aufweisen. Das gezielte Abkühlen der Reduktionsgase kann auf übliche Weise in Wärmetauschern erfolgen.
  • Ein vorteilhafter Weg der gesteuerten Temperaturerniedrigung der Reduktionsgase besteht darin, dem Reduktionsgas nach Verlassen des Eisenbad:reaktors kalte Inertgase, wie beispielsweise Stickstoff, zuzumischen. Insbesondere beim Einsatz der Reduktionsgase im Hochofen hat sich das Stickstoff-Zumischen bewährt. Der Stickstoff ist häufig als billiges Gas aus der Sauerstofferzeugung in einem Eisenhüttenbetrieb vorhanden.
  • D das das sehen von Stickstoff als Ballastgas zu dem Reduktionsgas bleibt die Wärmemenge, die aus der Abkühlung gewonnen wird, dem Prozeß erhalten. Weiterhin wird auch durch den Zusatz von Stickstoff die Neigung des Reduktionsgases, hauptsächlich wenn es sich um ein Gas mit höherem CO-Gehalt handelt, zur Rußbildung durch die sogenannte Boudouard-Reaktion weitgehend unterdrückt.
  • Anstatt, wie beschrieben, dem Reduktionsgas nach dem Eisenbadreaktor zur Einstellung der richtigen Anwendungstemperatur Stickstoff beizumischen, kann zu dem gleichen Zweck auch abgekühltes Reduktionsgas selbst angewendet werden. Beispielsweise verläßt das Reduktionsgas bei einigen Direktreduktionsverfahren das Reduktionsaggregat bei tiefen Temperaturen und an ohne Zwischenabkühlung über einen einfachen chemischen Prozeß vom C°2 - und H20-Anteil getrennt werden. Das auf diesem Weg erzeugte saubere, jedoch kalte Reduitionsgas,kann dann, wie beschrieben, zur Temperatureinstellung des im Eisenbadreaktor hergestellten Reduktionsgases herangezogen werden.
  • Dem Eisenbadreaktor für die Erzeugung der Reduktionsgase werden die Reaktionspartner über eine oder mehrere Düsen zugeführt, die unterhalb der Badoberfläche in der feuerfesten Ausmauerung des Reaktors eingebaut sind Der Sauerstoffstrahl ist dabei von einem Schutzmedium aus Kohlenwasserstoff oder kohlenwasserstoffenthaltenden Gasen und/oder Flüssigkeiten umgeben.
  • Die beschriebenen Einleitungsdüsen für die Reaktionspartner brennen gleichmäßig mit dem Verschleiß der feuerfesten Ausmauerung im Eisenbadreaktor zurück.
  • Die Erfindung wird nunmehr an nichteinschränkenden Beispielen und einer Prinzipzeichnung näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt den Schnitt durch einen Eisenbadreaktor für die Erzeugung von Reduktionsgas bei einem Druck von mehr als 1 ata.
  • Der Eisenbadreaktor besteht aus einem druckfesten Stahlblechmantel [1] und kann eine beliebige Form aufweisen, jedoch bevorzugt eine konverterähnliche Form. Das Gefäß ist mit einer feuerfesten Zustellung [2] versehen, und darin befindet sich die Stahlschmelze [3], darauf die Schlacke [4].
  • Diese Schlacke nimmt die Aschenbestandteile und einen großen Anteil des Schwefels der kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen auf.
  • Die kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen [5] werden zusammen mit dem Sauerstoff [63 und einem kohlenwasserstoffhaltigen Schutzmedium [7] durch eine oder mehrere Düsen [83 unter Druck in die Eisenschmelze eingeblasen.
  • Der Druck im Raum [9] oberhalb des Eisenbades [3] und der Schlacke [4] beträgt beispielsweise ca. 5 atü, wenn das Reduktionsgas für den Hochofen bestimmt ist; und beispielsweise ca. 2 atü, wenn es für einen Direktreduktionsprozeß eingesetzt wird. Über eine feuerfest ausgemauerte Leitung [ wird das Reduktionsgas direkt, jedoch ggf. mit gezielter Zwischenabkühlung, dem Reduktionsprozeß zugeführt.
  • Im folgenden Beispiel wird die Anwendung des Reduktionsgases im Hochofen näher erläutert.
  • Ein Hochofen, beispielsweise mit einer Tageserzeugung von 5000 t Roheisen, wird in Verbindung mit einem Eisenbadreaktor für die Reduktionsgaserzeugung, gemäß der vorliegenden Erfindung, betrieben. Der Koksverbrauch des Hochofens liegt, ohne Zufuhr von Reduktionsgas, bei 550 kg/t Roheisen. Durch den Einsatz von Reduktionsgas werden 200 kg KoksXt Roheisen eingespart und dafür täglich insgesamt 1000 t Kohle in dem Eisenbadreaktor vergast.
  • Das Reaktorgefäß für diesen Anwendungsfall weist im neu ausgemauerten Zustand ein freies Volumen von ca. 30 m3 auf. Für einen relativ großen Hochofen ist also nur ein verhältnismäßig kleines Zusatzgerät für die Erzeugung von Reduktionsgas erforderlich. Die Temperatur des Eisenbades liegt bei diesem Beispiel bei etwa 1450 C. Bei der Festlegung der Anwendungstemperatur des Reduktionsgases im Hochofen sind die Betriebsdaten der anderen Hochofenanlagen zu berücksichtigen, beispielsweise die Windtemperatur. Normalerweise wird das Reduktionsgas dem Hochofen bei Temperaturen zwischen ca. 1000 und ca. 1300°C zugeführt. Beispielsweise wird durch den Zusatz von ca. 20 Vol- Stickstoff von Raumtemperatur (200C) eine Reduktionsgastemperatur von ca. 1100°C erreicht. Mit ca. 10 Vol-% Stickstoff unter sonst gleichen Bedingungen ergeben sich rund 13000C für das Reduktionsgas.
  • Bei der Erzeugung von Reduktionsgas für ein Direktreduktionsverfahren, das bei einem Druck von ca. 2 atü arbeitet, ist das Volumen des Eisenbadreaktors etwa 50 % größer, als im vorangegangenen Beispiel beschrieben. Die optimale Reduktionsgastemperatur für die Direktreduktionsverfahren liegt im allgemeinen zwischen ca. 700 bis ca. 1000°C. In diesem Beispiel wird eine Temperatur von ca. 8500C angestrebt. Dies kann durch Zumischen von ca. 45 Vol- Stickstoff erreicht werden.
  • Es liegt im Sinne der Erfindung, die genannten Vorrichtungen und Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Wahrung der Grundprinzipien zu erweitern und demgemäß auszugestalten.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines Reduktionsgases für metallurgische Anwendungen, vorzugsweise für die Reduktion von Eisenerzen, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenstoff-und/oder kohlenwasserstoffenthaltende Substanzen in ein Eisenbad unterhalb der Badoberfläche eingeleitet, dort durch Sauerstoff und/oder sauerstoffenthaltende Medien bei einem für das Einleiten in ein metallurgisches Aggregat ausreichenden Druck,zu zu einem im wesentlichen aus CO, H2 und ggf. Inertgas bestehenden Reduktionsgas umgewandelt werden und daß dieses Reduktionsgas lediglich auf die für den Reduktionsprozeß erforderliche Temperatur abgekühlt und direkt in das metallurgische Aggregat eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Eisenbadreaktor, in dem das Reduktionsgas erzeugt wird, über dem Normaldruck, d.h. über 1 ata, eingestellt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas bei einer Temperatur von vorzugsweise ca. 1 350 bis ca. l 450°C erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoff- und kohlenwasserstoffenthaltende Substanzen Kohle verschiedener Qualitäten, bituminöse Kohlen, z.B. Gasflammkohlen, Braunkohle, geschwelte Braunkohle, Koks, Holzkohle und ähnliche Stoffe einzeln und/oder im Gemisch zur Reduktionsgaserzeugung verwendet werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff, Luft, Heißwind, C02, Wasserdampf, Inertgas, Stickstoff und ähnliche Gase einzeln oder beliebige Mischungen davon für die Reduktionsgaserzeugung angewendet werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas nach dem Verlassen des Eisenbadreaktors durch Einleiten von Inertgas und/oder sich ähnlich verhaltender Gase, vorzugsweise Stickstoff, auf die für den Reduktionsprozeß erforderliche Temperatur abgekühlt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daR die Reaktionspartner dem Eisenbadreaktor durch Düsen, die im feuerfesten Mauerwerk des Eisenbadreaktors eingebaut sind, und durch kohlenwasserstoffenthaltende Medien gegen vorzeitiges Zurückbrennen geschützt werden, unterhalb der Eisenbadoberfläche zugeführt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein druckfestes, konverterähnliches Gefäß El] eine feuerfeste Ausmauerung [2] aufweist, in der unterhalb der Badoberfläche einer Eisenschmelze [3] im Gefäß [1] Düsen eingebaut sind, und daß in dem genannten Gefäß [1] ein Druck größer als 1 ata herrscht.
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