DE3133575A1

DE3133575A1 - Verfahren zur gaserzeugung

Info

Publication number: DE3133575A1
Application number: DE19813133575
Authority: DE
Inventors: Karl Dr.-Ing. 8458 Sulzbach-Rosenberg Brotzmann
Original assignee: Kloeckner Werke AG
Current assignee: Kloeckner CRA Patent GmbH
Priority date: 1980-08-22
Filing date: 1981-08-25
Publication date: 1983-03-10
Also published as: DE3133575C2

Description

Verfahren zur Gaserzeugung
(Zusatz zu Patent . ... ... (Patentanmeldung P 30 31 680.4) Die kontinuierliche Vergasung von Kohle oder anderen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor, einschließlich Stahlbadreaktor, mit einer Schlackenschicht zu einem im wesentlichen aus CO und H2 bestehenden Gas ist bereits seit langem bekannt. Die deutsche Patentanmeldung P 30 31 680.4-24 bezieht sich auf ein derartiges Verfahren, bei dem zur Vergasung Kohle mit geringerem Heizwert benutzt wird. Da hierbei der aus dem Verbrennungsschritt von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid herrührende Wärmeanteil zu gering ist, um die Wärmebilanz im Reaktorgefäß aufrecht zu erhalten, wird eine teilweise Nachverbrennung der erzeugten Gase dazu benutzt, die notwendigen Wärmemengen dem Prozeß zuzuführen und somit die Wärmebilanz auszugleichen.
Es hat sich nun gezeigt, daß die eingesetzten Rohstoffe bei dem Verfahren nach der deutschen Patentanmeldung P 30 31 680.4 nicht vollständig optimal eingesetzt werden, daß vielmehr noch eine Verbesserung in wirtschaftlicher Hinsicht möglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Verfahren nach der deutschen Patentanmeldung P 30 31 680.4 dahingehend zu verbessern, daß eine wirtschaftliche Optimierung der eingesetzten Stoffe, der erzeugten Gase und zusätzlich noch die Herstellung von Eisen bzw. Stahl ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Hierdurch wird eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach der deutschen Patentanmeldung P 30 31 680.4 erreicht Der Schmelze werden im Reaktorgefäß Stoffe, die Eisen in gebundener oder ungebundener Form enthalten, beispielsweise Erz, zugeführt, um einerseits flüssiges Eisen (Roheisen) herstellen zu können und andererseits gleichzeitig ein Kohlegas nu erzeugen. Sinngemaß wird die aus der teilweisen Nachverbrennung der im Eisenbadreaktor erzeugten Gase entstehende Warme mindestens teilsweise zur Reduktion der Eisen enthaltenden Stoffe genutzt. Der Eisenschmelze im isakog werden hierzu neben den kohlenstoffhaltigen, festen oder flüssigen Brennstoffen, neben dem Sauerstoff und.
den Schlackenbildnern zusätzlich Stoffe, die Eisen nn zumindes teilweise oxidischer Form enthalten, zugeführt. Der wesentliche wirtschaftliche Vorteil dieser erfindungsgemäßen Verfahrensvariante besteht darin, daß mit geringem technischen Aufwand Erz durch eine relativ kleine Menge Kohle direkt reduziert wird und gleichzeitig dabei ein Gas entsteht, das vielseitig anwendbar ist.
Es werden für die Erzeugung einer Tonne Eisen durch Reduktion von Eisenerz ca. 1,1 t Kohle (Zusammensetzung ungefähr 78 % C, 5 % H2, 3 % H2O, 5 % Asche, 5 % O2, 1 e S, Heizwert Hu 7.500 keal/m3) benötigt. Gleichzeitig entsteht ein industriell verwertbares Gas mit der ungefähren Zusammensetzung von 57 % CO, 14 % CO21 14 % H2, 14 % H2O und einem Heizwert Hu von etwa 2.100 kcal/m3.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine wirtschaftliche Optimierung der Eisenherstellung in Kombination mit der Gaserzeugung im Eisenbadreaktor.
Führt man beispielsweise einen ähnlichen Verfahrensschritt ohne die erfindungsgemäße Rückübertragung der Energie aus der teilweisen Nachverbrennung der im Eisenbad erzeugten Gase durch, so wären beim Einsatz der gleichen Kohle zur Herstellung von 1 t Eisen aus Eisenerz ungefähr 3 t Kohle erforderlich. Das Abgas hätte dann eine Zusammensetzung von 70 % CO, 1 % CO2, 27 % H2, 1 % H2O und einen Heizwert Hu von etwa 2.700 kcal/m3.
Die weiterhin bekannten mehrstufigen Verfahren zur Reduktion von Eisenerz und zur Erzeugung von flüssigem Eisen, beispielsweise nach der DE-OS 24 01 909 haben den Nachteil, daß die entstehenden Gase aufgrund ihres niedrigen Heizwertes ohne das kostennachteilige Zumischen von energiereichen Gasen nur noch für untergeordnete Zwecke einsetzbar sind. Bei diesem Prozeß für die Herstellung einer Tonne Eisen sind ca. 650 kg Kohle erforderlich. Es entsteht dabei ein Gas mit der ungefähren Analyse von 41 % CO, 30 % CO2, 18 % H2O, 10 % H2 und einem Heizwert Hu von 1.100 kcal/m3.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Erz in das Eisenbad sowohl durch Bodendüsen direkt oder auch von oben auf das Bad aufgeblasen werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Zugabe des Erzes mindestens teilweise zusammen mit dem Sauerstoff, den man auf das Bad bläst. Bei dieser Arbeitsweise wird das staubförmige Erz bereits in der Gasatmosphäre vorgeheizt und vorreduziert, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Verfahrens gesteigert wird. Zur weiteren Verbesserung dieses Effektes kann es zweckmäßig sein, in der Aufblasdüse Vorrichtungen zu verwenden, die zu einer Aufweitung des Strahles mit den Erzteilchen beitragen, z. B. dadurch, daß der Strahl mit einem Drall die Düse verläßt.
Als Einsatzstoffe, die Eisen mindestens teilweise in oxidischer Form enthalten, eignen sich neben Erz unterschiedlicher Qualität insbesondere Pellets und Briketts aus unvollständig reduziertem Erz.
Das Verfahren der Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft an den Stellen anwenden, die es ermöglichen, die erzeugten Gase in unmittelbarer Nähe als Brenngase zu verwenden, beispielsweise als Ersatz für Erdgas. Das bei dem Prozeß gemäß der Erfindung entstehende und teilweise nachverbrannte Gas hat hauptsächlich aufgrund des relativ hohen CO-Anteils etwa die gleich Flammentemperatur wie Erdgas, kann also ohne wesentliche Umstellungen an den Einrichtungen der Öfen Erdgas substituieren x bswdes vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird das im Eisenbadreaktor erzeugte, heiße Kohlegas zur Reduktion, insbesondere Vorreduktion von Erzen oder anderen, Eisen mindestens teilweise in oxidischer Form enthaltenden Stoffen herangezogen Diese Erze bzw. Stoffe liegen dabei vorzugsweise ein feinkörniger Form vor. Die Gaszusammensetzung des Kohlegases, insbesondere der CO-Anteil und damit das Reduktionspotential dieses Gases hängen von der eingesetzten Kohle sorte und dem Grad der Nachverbrennung (gemäß Patentanmeldung P 30 31 680.4) im Eisenbadreaktor ab. Die Kohle mit der oben spezifizierten Zusammensetzung liefert, wie bereits oben angegeben, ein Gas mit der ungefähren Zusammensetzung von 57 % CO, 14 % CO2, 14 % H2, 14 % H2O und einem Heizwert Hu von etwa 2.100 kcal/m3. Dieses Gas eignet sich zur Erzreduktion. Bei der erfindungsgemäßen Vorreduktion, die z. B. in einem Wirbelschichtreaktor durchgeführt wird, werden die Erze mit Hilfe dieses Gases ausgehend von Fe203 überwiegend in FeO und nur zu einem geringen Teil in Fe reduziert.
Diese Teilreduktion hat den verfahrenstechnischen Vorteil, daß die so vorreduzierten Erze noch nicht zum Versintern, d. h. zum Verkleben, zusammenbacken oder anderweitigem Stückigwerden neigen, wie es bei einer weiterreichenden Reduktion von feinkörnigen Erzen mit Fe-Gehalten von beispielsweise über 30 % der Fall ist. Die vorreduzierten Erze gemäß der Erfindung bestehen im wesentlichen aus FeO und führen somit nicht zur Bildung von größeren Agglomeraten und lassen sich daher weiterhin in einfacher Weise pneumatisch transportieren, insbesondere in einen Eisenbadreaktor einblasen.
In der Praxis hat es sich im Hinblick auf eine optimale Energiebilanz als vorteilhaft erwiesen, wenn das aus dem Eisenbadreaktor austretende, heiße Gas zunächst auf eine optimale Reduktionstemperatur von etwa 700 bis 900 °, vorzugsweise 750 bis 800 °, heruntergekühlt wird und mit dieser Temperatur dem eigentlichen Reduktionsprozeß zugeführt wird. Die hierbei anfallende Wärme wird vorteilhafterweise genutzt, um die Erze vorzuwärmen. Das Reduktionspotential des zugeführten Gases sollte ausreichen, um einen wesentlichen Teil des Erzes zu FeO zu reduzieren. Bei dem Kohlegas der obengenannten Zusammensetzung ist dies der Fall.
Das Gas hat hinter der Reduktionsstufe, die als Wirbelbett ausgebildet ist, ungefähr eine Zusammensetzung von 44 % CO, 27 % CO2, 11 % H2 und 18 % H2O und einen Heizwert Hu von 1.600 kcal/m3. Es eignet sich demzufolge für die Verfeuerung beispielsweise in Industrieofenanlagen. Es ist immer noch energiereicher als das Gichtgas aus dem Hochofenprozeß, das ebenfalls in Industrieöfen verbrannt wird.
Besonders vorteilhaft im Sinne der Erfindung erweist sich eine Prozeßführung, bei der das vorreduzierte Erz im heissen Zustand direkt der Schmelze im Eisenbadreaktor zugeführt wird. Bei dieser Verfahrensweise reichen beispielsweise 650 kg Kohle der genannten Zusammensetzung aus, um eine Tonne Eisen im Eisenbadreaktor zu erzeugen. Es ergibt sich bei dieser Prozeßführung eine geringere Gasmenge und das Gas hat einen niedrigeren Heizwert gegenüber der Prozeßführung ohne Vorreduktion, jedoch ist die Wärmebilanz, d. h.
die Energieausnutzung der Kohle, insgesamt günstiger. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird aufgrund der zusatzlich eingefügten Vorreduktion insgesamt noch flexibler und läßt sich den unterschiedlichen Bedürfnissen in den einzelnen Werken noch besser anpassen. Entscheidend ist dabei, wie schon bei den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere des Patentanspruchs 1, daß das gesamte Verfahren in ein und demselben Reaktor abläuft, wodurch die Gesamtverluste gering sind.
Das nachfolgende Beispiel beschreibt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem konverterähnlichen Reaktorgefäß mit 60 t Eisenschmelze. Im Boden des Konverters sind zehn Düsen mit einem lichten Durchmesser von 28 mm angebracht.
Durch zwei der Düsen wird Kohlenstaub mit einer Menge von 350 kg/min eingeblasen, wobei als Trägergas Stickstoff, Kohlendioxid oder auch Reduktionsgas aus dem Konverter selbst verwendet werden kann. Durch drei Düsen wird Sauerstoff zusammen mit Erz eingeblasen, während die anderen fünf Düsen mit Sauerstoff, teilweise beladen mit Schlackenbildnern wie z. B. Kalk, beschickt werden. Durch eine Seitendüse, die im oberen konischen Teil des Konverters angebracht wird, werden etwa 50 % des Sauerstoffs auf das Bad geleitet. Mit einer Kohle der genannten Zusammensetzung und einem Erz mit 85 % Fe2O3 werden pro Stunde 20 t Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 3 % hergestellt. Der Sauerstoffbedarf für die Vergasung von einer Tonne Kohle bei gleichzeitigem Einschmelzen von 1.450 kg Erz beträgt 580 mm3. Es entsteht ein Kohle- oder Brenngas mit der genannten Zusammensetzung (ca. 57 % CO, 14 % CO2, 14 % H2, 14 % H2O und einem Heizwert Hu von ca. 2.100 kcal/m3).
Es liegt auch im Sinne der Erfindung, das Reaktorgefäß so zu gestalten, daß es gleichzeitig als Konverter dient, um darin direkt Stahl herzustellen. Zu diesem Zweck wird jeweils vor dem Abstich der Kohlenstoffgehalt von ca. 2 bis 3 %, wie er während des normalen Eisenbadreaktorbetriebes ist, auf etwa 0,05 % abgesenkt und eine Teilmenge von etwa 20 t abgestochen. Es verbleibt im Konverter eine Menge von etwa 50 t, die dann beim gleichzeitigen Blasen von Sauerstoff und Kohle mit etwas Kohleüberschuß langsam wieder auf den für den Dauerbetrieb gewünschten Kohlenstoffgehalt von 2 bis 3 % aufgekohlt wird. Bei dieser Arbeitsweise hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, die Schlacke vom Eisenbad zu entfernen, bevor man den Kohlenstoff vollständig herausfrischt, d. h. ungefähr bei einem Restkohlenstoffgehalt zwischen 0,5 bis 2 %. Die anschließend neu gebildete Frischschlacke, die mit dem abgestochenen Stahlbad im Gleichgewicht steht, verbleibt dann im Konverter.
Zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gehört der gesamte Offenbarungsgehalt der älteren deutschen Patentanmeldung P 30 31 680.4.
Das Verfahren nach Anspruch 10 läßt sich besonders vorteilhaft durchführen, wenn das aus dem Eisenbadreaktor austretende, heiße Kohlegas zunächst durch eine Schicht des vorzuwärmenden Erzes hindurchtritt und dort bis auf etwa 750 OC abgekühlt wird. Auf diese Weise wird die Erzschicht vorgewärmt, weiterhin ist es nicht notwendig, das Kohlegas zu entstauben, vielmehr findet in der Erzschicht ein Entstauben statt. Auch die im Kohlegas enthaltenen Eisentröpfchen werden von der Erzschicht zurückgehalten und somit zusammen mit diesem Erz später wieder genutzt.

Claims

Verfahren zur Gaserzeugung (Zusatz zu Patent . O¢ ... (Patentanmeldung P 30 31 680.4) Patentansprüche 1. Verfahren zur Gaserzeugung aus kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen in fester, gemahlener oder flüssiger Form in einem Eisenbadreaktor, bei dem die in der Eisenschmelze des Reaktors erzeugten Gase durch auf die Badoberfläche geblasenen Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Medien (z. B. Luft) im Reaktorraum oberhalb der Schmelze angesaugt und teilweise verbrannt werden und daß dabei entstehende Wärme an die Eisenschmelze übertragen wird nach Patent . ... ,.. (Patentanmeldung P 30 31 680.4), da du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Eisenbadreaktor zusätzlich zum Gas auch und insbesondere gleichzeitig flüssiges Eisen aus Stoffen, die Eisen mindestens teilweise in oxidischer Form enthalten, erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Stoffe, die Eisen mindestens teilweise in oxidischer Form enthalten, insbesondere Erz, teilweise vorreduziertes Erz, wie Pellets und/oder Briketts, dem Eisenbadreaktor zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stoffe, die Eisen in zumindest teilweise oxidischer Form enthalten, zusammen mit dem oxidierenden Gas, hauptsächlich Sauerstoff, auf die Schmelze geblasen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Reaktorgefäß das erzeugte, kohlenstoffhaltige Eisen zu Stahl gefrischt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Menge des auf die Eisenbadoberfläche geblasenen Sauerstoffs auch in Form Sauerstoff enthaltender Medien, mindestens 10 % der Gesamtgasmenge beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g-e k e n n z e i c h n e t, daß die Sauerstoff enthaltenden Medien (z. B. Luft) vorgeheizt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t, daß der für die Gas erzeugung und die teilweise Verbrennung der Gase im Reaktorraum erforderliche Sauerstoff in Form von Sauerstoff oder eines oxidierend wirkenden Mediums (z. B. Luft) unterhalb der Badoberfläche in das Eisenbad und gleichzeitig auf das Eisenbad als auf die Badoberfläche gerichtete Gasstrahlen, zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das im Eisenbadreaktor erzeugte Gas für die ReduktiQNe insbesondere die Vorreduktion der Stoffe, die Eisen mindestens teilweise in oxidischer Form enthalten, genutzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u x c h g e k e n n z e i c h n e t, daß so vorreduziertes Erz dem Eisenbadreaktor zur Eisenerzeugung zugeführt winde
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das heiße, aus dem Eisenbadreaktor austretende Gas auf eine zur Vorreduktion geeignete Temperatur von 700 bis 900 °C, vorzugsweise 750 bis 8Q8 BC, abgekühlt wird und daß die hierbei anfallende Wärme zum Aufheizen des Brzes benutzt wird 11* Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, d a d U r o h g e k e n n z e i c h n e t, daß dem Eisenbadreaktor das vorreduzierte Erz heiß zugeführt wird.