DE2710106B2 - Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen, bei dem in einem Hochofen Eisenoxid, im wesentlichen Eisenerz, durch die Reduktionsgase CO und H2 reduziert wird und die Schmelzwärme für das Metall und die Schlacke mindestens teilweise durch die Verbrennung von Koks, der dem Möller beigegeben ist, mit Heißwind und/oder Sauerstoff, den man in bekannter Weise dem Hochofen zuführt, aufgebracht wird.

Die Herstellung von flüssigem Roheisen im Hochofen ist heute der übliche, wirtschaftliche Weg und bildet weltweit die Grundlage für die Massenstahlproduktion. Der für den Hochofenprozeß erforderliche Koks stellt mit Abstand den größten Kostenfaktor bei der Roheisenerzeugung dar. Es hat aus diesem Grund nicht an Versuchen gefehlt, den Koksverbrauch im Hochofen zu senken. Eine Reihe von bekanntgewordenen Verfahren zielt darauf ab, den Koks durch billigere Energieträger zu ersetzen. Am weitesten verbreitet ist ein Verfahren, nach dem Kohlenwasserstoffe zusammen mit Heißwind in den Ofen eingeleitet werden. Als Kohlenwasserstoff kommen Schweröl, Erdgas und auch Kohlestaub infrage. Die Erfahrung hat gezeigt, daß nach dieser Methode bis zu 120 kg Koks/t eingespart und durch die billigeren Kuhlenwasserstoffe ersetzt werden können.

Eine weiterreichende Kokseinsparung ist nach dem heutigen Stand der Technik nur mit einem erheblichen apparativen Aufwand möglich. Es ist durch die deutsche Offenlegungsschrift 25 20 938 beispielsweise ein Verfahren bekanntgeworden, nach dem Reduktionsgas für metallurgische Anwendungen in einem Eisenbadreaktor außerhalb des Hochofens erzeugt werden. Die Temperatur des Reduktionsgases wird beispielsweise durch Zumischen von Inertgas auf etwa 1000⁰C erniedrigt und in die Redüktionszone des Hochofens eingeleitet

Ein anderer praktizierter Weg zur Reduktionsgaserzeugung besteht darin, aus Erdgas CO und H₂ zu erzeugen, dieses Gas zu reinigen und es anschließend auf etwa 900⁰C aufzuheizen und dem Reduktionsprozeß zuzuführen, beispielsweise in den Hochofen einzuleiten.

Ferner ist in der DE-OS 22 61 766 ein Verfahren zum Erschmelzen von Roheisen im Hochofen bekanntgeworden, bei dem sowohl dein Gestell als auch der Rast bzw. dem Schacht Reduktionsgase zugeführt werden.

Von entscheidender Bedeutung bei der Erzeugung von Reduktionsgas ist es. den Anteil an CO₂ und H₂O sehr gering zu halten. Restgehalte an CO₂ und H₂O von 10%, bezogen auf CO und H₂, vermindern die Reduktionskraft bereits um ein Drittel. Hauptsächlich die Forderung nach hoher Reinheit der Reduktionsgase hat die breite Anwendung beim Hochofenprozeß verhindert.

In neuerer Zeit ist ein Verfahren gemäß deutscher Offenlegungsschrift 24 24 932 zur Erzeugung von flüssigem Roheisen bekanntgeworden, bei dem auf den Einsatz von Hochofenkoks ganz verzichtet wird. Bei diesem Prozeß findet das Reduzieren der Erze und das anschließende Erschmelzen in verschiedenen Gefäßen statt. Diese Trennung von Reduktion und Einschmelzen ist erforderlich, da dem Koks im Schachtofen beim Erweichen der reduzierten Erze eine Stützfunktion zukommt, die bei einem Prozeß ohne Koksanwendung wegfällt. Aus diesem Grund muß bei dem Prozeß ohne Koks das Erz unterhalb seiner Erweichungstemperatur reduziert und anschließend in einem zweiten Gefäß der Einschmelzvorgang, z. B. durch Einbringen der reduzierten Erze in flüssiges Metall, durchgeführt werden. Die erforderliche Wärme für den Einschmelzvorgang wird durch Verbrennung von Kohlenstoff zusammen mit Sauerstoff innerhalb der Schmelze gedeckt. Dabei wird der Kohlenstoff nur bis zum CO oxidiert, so daß als Abgas ein Reduktionsgas entsteht, das nach einer Zwischenkühlung im Reduktionsschacht genutzt wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, die Vorteile des bekannten

Hochofenverfahrens zur Roheisenerzeugung mit erheblich niedrigerem Kokssatz beizubehalten, und die weitgehende Anwendung von Reduktionsgasen aus kostengünstigen, kohlenstoffhaltigen Substanzen ermöglicht s

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen, bei dem in einem Hochofen Eisenoxid, im wesentlichen Eisenerz, di:rch die Reduktionsgase CO und H2 reduziert wird und die Schmelzwäraie für das Metall und die Schlacke to mindestens teilweise durch die Verbrennung von Koks, der dem Möller beigegeben ist, mit Heißwind bzw. Sauerstoff, den man ic bekannter Weise dem Hochofen zuführt, aufgebracht wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Reduktionsgase mit einer Temperatur von etwa 1300⁰C bis 1500⁰C, vorzugsweise 1400⁰C, von der Roheisenschmelze aus in den Ofenschacht eingeleitet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird einem Hochofen nur soviel Koks im Möller beigegeben, daß dessen Verbrennung zu CO im wesentlichen die Schmelzwärme für das Metall und die Schlacke deckt. Die direkte Reduktion nach der Gleichung C + FeO = CO + Fe, die viel Wärme verbraucht, wird vermieden.

Das Reduktionsgas, im wesentlichen aus CO und H2 bestehend, wird mit einer Temperatur von etwa 1300⁰C bis 1500°C, vorzugsweise 1400°C, von der Roheisenschmelzzone des Hochofens aus in den Ofenschacht eingeleitet Der Wärmeinhalt des Reduktionsgases, um es bis auf eine Temperatur von etwa 900⁰C abzukühlen, wird zum Schmelzen des reduzierten Eisenerzes genutzt.

Dieses heiße Reduktionsgas und das aus dem Koks durch Verbrennung erzeugte Reduktionsgas decken bei dem erfinduiiigsgemäßen Verfahren etwa die Hälfte des Bedarfs an Reduktionsgas im Ofenschacht. Der Gesamtbedarf beträgt 1500 m³ CO + H₂ pro Tonne Roheisen.

Die zweite Hälfte des benötigten Reduktionsgases wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erzeugt daß dem Abgas des Hochofens der CO₂-, der H₂O- und ein wesentlicher Staubanteil in einer üblichen Wäsche entzogen werden, das gereinigte Gas danach auf etwa 800⁰C bis 1000⁰C, vorzugsweise 900⁰C, erhitzt wird und dieses oberhalb der Schmelzzone dem Hochofen wieder zugeführt wird. Mit diesem Schritt erreicht man, daß sich im Reduktionsschacht eine ausgedehnte Reduktionszone mit annähernd konstanter Temperatur von etwa 900⁰C ausbildet, die eine gute Ausnutzung der Reduktionsgase gewährleistet.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Reduktionsgas getrennt vom Hochofen, beispielsweise in einem bekannten Eisenbadreaktor, erzeugt und das so hergestellte Reduktionsgas direkt ohne Kühlung und Zwischenreinigung in die Schmelze des Hochofens geleitet werden. Dieser direkte Weg, ein außerhalb des Hochofens erzeugtes Reduktionsgas dem zuzuführen, hai eine Reihe von Vorteilen, insbesondere fällt die Reinigung und Kühlung der im Eisenbadreaktor erzeugten Resduktionsgase weg. Da im Eisenbadreaktor bekanntermaßen sehr reine Reduktionsgase erzeugt werden und munmehr der Einsenbadreaktor direkt mit dem Hochofen gekoppelt werden kann, ohne weitere Aggregate zwischenzuschalten, ist die Gefahr von Undichtigkeiten, die zu Verunreinigungen der erzeugten Reduktionsgase führen, gering. Diese Vorteile und insbesondere die günstige Energiebilanz durch Nutzung der gesamten Wärme der Reduktionsgase aus dem Eisenbadreaktor, ergeben eine hohe Wirtschaftlichkeit dieser Kombination von Hochofen mit Reduktionsgaserzeugungsaggregat

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Reduktionsgas auch direkt im Hochofen erzeugt werden. Dabei werden der Roheisenschmelze im Schachtofen die zu vergasenden Kohlenstoffverbindungen und der dafür erforderliche Sauerstoff über Einleitungsdüsen zugeführt Die Düsen kennen beispielsweise im Mauerwerk angebracht sein und mit einer ICohlenwasserstoffummantelung zum Düsenschutz betrieben werden. Als Kohlenstoffträger haben sich beispielsweise Schweröl oder Kohlestaub bewährt Die Düsen können einmal ähnlich dem Eisenbadreaktor betrieben werden und nur den für die Kohle- bzw. Kohlenwasserstoffvergasung benötigten Sauerstoff zuführen. Andererseits hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, den Sauerstoffsatz zu erhöhen. So kann beispielsweise der Einfachheit halber der gesamte für die Koksverbrennung benötigte Sauerstoffanteil ebenfails durch die Düsen für die Reduktionsgaserzeugung im Roheisen zugeführt werden. Es hat sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, das Verhältnis zwischen Kokssatz und Sauerstoff so zu steuern, daß der nicht verbrannte Kohlenstoffanteil nicht zur Sättigung des Roheisens mit Kohlenstoff ausreicht, sondern sich im Roheisen ein Kohlenstoffgehalt von beispielsweise etwa 3% einstellt. Dadurch wird erreicht, daß bei der Vergasung der Kohlenwasserstoffe mit Sicherheit eine Rußbildung vermieden wird.

Bei der Vergasung von kohlenstoffenthaltenden Substanzen, sowohl im Eisenbadreaktor als auch im Roheisenbad des Hochofens selbst, haben sich hinsichtlich ihrer hohen Wirtschaftlichkeit Schweröle oder Rückstandsöle aus der Rohöldestillation bewährt. Diese Schwerölfraktionen werden auf etwa 150⁰C bis 400⁰C vorzugsweise 300⁰C, vorgeheizt, damit sie gut transportfähig sind und auf einfache Weise dem Vergasungsprozeß zugeführt werden können. Es haben sich aber auch pulverisierte Kohlesorten für die Erzeugung von Reduktionsgas bewährt. Bei der Verwendung von Staubkohle hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, die Kohle zu trocknen, um auf diese Weise ein Reduktionsgas mit höherem Wärmeinhalt zu erzeugen.

Vorzugsweise wird der Hochofen mit Überdruck zwischen 0,5 bis 8 bar, vorzugsweise 3 bar, betrieben. Durch die Anwendung von höheren Drücken im Hochofen kann die Leistung und damit die Erzeugung von Roheisen deutlich gesteigert werden. Ein Druckbereich von 3 bar hat sich in der Praxis als sinnvoll herausgestellt, da dieser Druck den apparativen Aufwand in Grenzen hält und andererseits die Erzeugung auf etwa das Doppelte gegenüber einem Druckbereich von etwa 0,5 bar steigert.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnimg näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Reduktionsgas im Roheisenbad des Hochofens erzeugt wird;

F i g. 2 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Reduktionsgaserzeugung in einem getrennten Eisenbadreaktor erfolgt.

In der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform wird der Hochofen 1 über ein Schleusensystem 2 mit dem Möller, im wesentlichen bestehend aus Erz und Koks, beschickt. Der Kokssatz ist abhängig vom Gangartanteil des Erzes

und beträgt beispielsweise für ein Erz, das pro Tonne Roheisen 500 kg Gangart bzw. Schlackenmenge mitbringt, etwa 200 kg. Das Erz kann dabei in bekannter Weise durch Sintern oder Pelletieren aufbereitet sein. Ebenso läßt sich Stückerz verwenden, wenn dessen Anteil an Feuchte, Hydratwasser oder karbonatisch gebundener Kohlensäure gering ist.

Das Er;e wird im Schacht 3 im Gegenstrom zum Reduktionsgas 4, das in einer Menge von etwa 1500 mVt Roheisen den Ofen durchströmt, vollständig reduziert und in der Schmelzzone 5 aufgeschmolzen. Das Roheisen sammelt sich im Sumpf 6. Im Sumpf 6 sind Einleitungsdüsen 7 für Sauerstoff und beispielsweise Schweröl angebracht. Zur Erzeugung der gewünschten Reduktionsgasmenge sind etwa 200 kg Ol und etwa 280 Nm³ Sauerstoff/t Roheisen erforderlich. Das eingeleitete Schweröl ist auf eine Temperatur von 300⁰C erwärmt Die Temperatur dient einmal der Verflüssigung des Brennstoffs und zum anderen der Aufbesserung der Energiebilanz, die sich durch Einsparung von Koks äußert. So wird bei einer Vorwärmung des Öls auf 300⁰C und einer spezifischen Wärme des Schweröls von 0,5 kcal/kg und "C eine Wärmemenge von 30 000 kcal/t Eisen in die Schmelzzone des Ofens eingebracht, zu deren Deckung andernfalls 15 kg Koks mehr zu setzen wären und nur etwa 10 kg öl abgezogen werden könnten. Das Abgas des Ofens wird zu 80% (12 000NmVt Roheisen) einer Druckwäsche 8 zugeführt. Das Abgas hat vor der Druckwäsche etwa einen Anteil von 40% CO₂ + H₂O, der entfernt wird, und gleichzeitig reinigt man das Gas vom mitgeführten Staub. Diese Gasentstaubung ergibt sich bei der CO₂-Wäsche praktisch zusätzlich. Als Mehraufwand ist lediglich das Waschwasser in bekannter Weise in einem Klärbecken zu reinigen.

Das so gereinigte Gas strömt durch eine Umwälzpumpe 9, die es zur Erwärmung in den Wärmetauscher 10 und von diesem in den Hochofen 1 zurückfördert. Im Wärmetauscher 10 erwärmt sich das Gas auf etwa 900⁰C und wird mit dieser Temperatur über eine zweite Reihe von Einleitungsdüsen 11 in die Reduktionszone des Ofens 1 geleitet Der gesamte Gaskreislauf steht in dem beschriebenen Beispiel unter einem Druck von etwa 4 bis 5 bar. Dadurch erreicht man eine wesentliche Erhöhung der Reduktionsleistung. Außerdem ist das Auswaschen von Kohlensäure bei höherem Druck wesentlich leichter und billiger durchzuführen als bei Normaldruck. Diese Vorteile der Druckerhöhung erhält man in dem beschriebenen Prozeß ohne zusätzlichen Einsatz von Verdichtern, das als gasförmiges Medium nur Sauerstoff von außen dem System zugeführt wird, der in der Regel bereits verdichtet zur Verfügung steht.

Ein kleiner Anteil des Ofenabgases von etwa 20%,

ίο entsprechend etwa 300 NnWt Roheisen, wird in einem Venturiwäscher 12 auf Normaldruck entspannt und damit aus dem Kreislauf ausgeschieden. Dieser Wäscher dient damit gleichzeitig der Druckregelung im gesamten Gaskrcislaufsystcm. Das entspannte und gereinigte Abgas dient nach seiner Verbrennung mit Luft in einer Brennkammer 17 zur Beheizung der beiden Wärmetauscher i0 und 13, die im vorliegenden Beispiel nach dem Prinzip des Hochofenwinderhitzers arbeiten. Wie dem Beispiel zu entnehmen ist, nutzt das erfindungsgemäße Verfahren die gesamte, im Ofen anfallende Abgasmenge aus. In der Zeichnung sind weiterhin die Umschaltorgane 14 und 15 für den wechselweisen Betrieb der Wärmetauscher 10 und 13 dargestellt Die Pumpe 16 fördert Verbrennungsluft in einer Menge von 450 NmVt Eisen in die Brennkammer 17, in die gleichzeitig das Brenngas strömt, um dort verbrannt zu werden. Mit dem Abgas der Brennkammer wird wechselseitig je ein Wärmetauscher beheizt.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt F i g. 2 schematisch wieder. Das Reduktionsgas wird in diesem Beispiel im Eisenbadreaktor 20 außerhalb des Schachtofens 1 erzeugt und in die Schmelzzone 5 des Hochofens über Düsen 21 eingeblasen. Die Einleitungsdüsen 21 tauchen nicht in die Schmelze ein. Die Verbindung zwischen dem Eisenbadreaktor 20 und den Düsen 21 bildet die kurze Verbindungsleitung 22.

Durch das Düsensystem 23 werden dem Eisenbadreaktor Schweröl 24 und Sauerstoff 25 zugeführt

In den Schachtofen wird durch die Düsen 26 der Sauerstoffanteil für die Koksverbrennung eingeleitet Der weitere Prozeßablauf deckt sich mit der Beschreibung nach der ersten Ausführungsform.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen, bei dem in einem Hochofen Eisenoxid, im wesentlichen Eisenerz durch die Reduktionsgase CO und H₂ reduziert wird und die Schmelzwärme für das Metall und die Schlacke mindestens teilweise durch die Verbrennung von Koks, der dem Möller beigegeben ist, mit Heißwind bzw. Sauerstoff, den man in bekannter Weise dem Hochofen zuführt, aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsgase mit einer Temperatur von etwa 1300⁰C bis 1500⁰C, vorzugsweise 1400⁰C, von der Roheisenschmelze aus in den Ofenschacht eingeleitet werden. ι s

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsgase getrennt vom Hochofen in einem Eisenbadreaktor erzeugt und direkt ohne Nachbehandlung in die Roheisenschmelze des Hochofens geleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsgase in der Roheisenschmelze des Hochofens durch Einleiten von vergasbaren' Kohlenstoffverbindungen und den erforderlichen Sauerstoffträgern erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionspartner für die Reduktionsgaserzeugung einerseits Kohle und/oder Schweröl und andererseits Sauerstoff durch im feuerfesten Mauerwerk des Hochofens angeordnete Düsen mit einer zusätzlichen Kohlenwasserstoffummantelung in die Roheisenschmelze eingeleitet werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas des Hochofens, ganz oder teilweise von CO2, H2O und einem wesentlichen Staubanteil gereinigt, auf 800 bis 1000⁰C erhitzt und oberhalb der Roheisenschmelzzone dem Hochofen wieder zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche t bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochofen mit einem Überdruck zwischen 0,5 bis 8 bar, vorzugsweise 3 bar, betrieben wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Reduktionsgaserzeugung eingesetzten Kohlenstoffverbindungen Schweröle oder Rückstandsöle aus der Rohöldestillation sind, die auf ca. 150° C bis 400° C, vorzugsweise 300° C, vorgeheizt werden. so

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Reduktionsgaserzeugung eingesetzten Kohlenstoffverbindungen Staubkohle, vorzugsweise getrocknete Staubkohle und/oder Mischungen davon sind.