DE3324064A1

DE3324064A1 - Verfahren und vorrichtung zum reduzieren von eisenerz mit c-haltigen brennstoff und sauerstoff und zur erzeugung eines co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) freien gases

Info

Publication number: DE3324064A1
Application number: DE3324064A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr.-Ing. 4130 Moers Schmitt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-07-04
Filing date: 1983-07-04
Publication date: 1985-01-17
Also published as: DE3324064C2

Description

Verfahren und Vorrichtungen zum Reduzieren von Eisenerz mit C-haltigem Brennstoff und Sauerstoff und zur Erzeugung eines . . C0₂-freien Gases .. 33 24064

Die Erfindung hat die Reduktion von feinkörnigem und stückigem Eisenerz; auf der Energiebasis von C-haltigem Brennstoff mit vor zugsweise technisch reinem Sauerstoff und die Erzeugung eines -freien Gases zum Ziel.

Die Reduktion von Eisenerz auf der Energiebasis von vorwiegend C-haltigem Brennstoff findet in der Regel im Hochofen statt. Dabei bildet der Koks die Grundlage. Im Gestell wird heißer Wind eingeblasen, dessen Sauerstoff mit dem Brennstoff zu CO reagiert. Dieses CO verbindet sich mit.dem'Erzsauerstoff zu CO₂, das aber bei den hohen Temperaturen im Unterofen wieder zu 2 CO reduziert wird. Dieses Gas wird im Gegenstrom zur· Beschickung durch diese nach oben geführt, wobei es unter Wärmeabgabe diese vorwärmt und auch das Erz vorreduziert. In dem Bereich verringerter Temperatur kann das dabei gebildete CO₂ aber nicht mehr zu CO reduziert werden, so daß ein Gichtgas mit relativ großen COp-Anteilen und damit mit geringem Gebrauchswert erhalten wird.

Durch eine intensive Vorbehandlung der Erze über die Agglomerie- " rung von feinkörnigem Erz, über. Erzbrech- und Siebanlagen einerseits und Koksbrech- und Siebanlagen andererseits gepaart mit einer qualitativ ausgerichteten Versuchsarbeit einschließlich aufwendigen Meß- und Kontrolleinrichtungen am Hochofen wurden vor allem in Jüngerer Zeit Leistungs-, Haltbarkeits- und Verbrauchsergebnisse erzielt, die nur noch wenig verbessert werden können. Als Folge dieser Maßnahmen wurde der Heizwert des Gichtgases soweit abgesenkt, daß es nur noch bedingt verwendbar ist. Im Rahmen dieser Bemühungen wurde auch der Wind mit Sauerstoff angereichert, was jedoch nur im Bereich von 21 % bis max. 24 % möglich war.

Neuere Vorschläge· haben zum Ziel, über den Einbau und Betrieb von ÖL- bzw. Erdgas-Sauerstoffbrennern im Gestell den Koksver-

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brauch zu senken, was jedoch in der Praxis kein Interesse bisher gefunden hat.

Das sogenannte Direktreduktionsverfahren stellt eine andere Möglichkeit dar, Erz auf der Basis von C-haltigen Brennstoffen zu reduzieren. Hierbei wird das Erz im festen Aggregatzustand mit einem aus CO und H₂ bestehenden Gas, das aus Erdgas, öl oder Kohle erzeugt wird, zu Eisenschwamm reduziert wird. Da dieser noch sämtliche Schlackenbestandteile des Erzes beinhaltet und zudem porös vorliegt, kann er einerseits nur aus schlackenarmen und damit aufzubereitenden und zu agglomerierenden Erzen erzeugt und andererseits nur im Ε-Ofen mit der teuren Sekundärenergie Strom verarbeitet werden. Dieses Verfahren läßt sich somit nur bei einer billigen Reduktionsenergie wirtschaftlich anwenden. ■ . ·

Zur Verarbeitung von feinkörnigem Erz wurden Schmelzreduktionsverfahren vorgeschlagen und z. T. erprobt, bei denen das Erz nach ihrer Verflüssigung reduziert wird. Diese Verfahren sind aber bisher bedeutungslos geblieben, weil sie einerseits auf die teure Sekundärenergie Strom angewiesen sind und zum anderen das Haltbarkeitsproblem bei dem aggressiven flüssigen Erz nicht befriedigend gelöst werden konnte.

Im folgenden wird ein Schmelzreduktionsverfahren beschrieben, bei dem diese Probleme auf der Energiebasis von C-haltigem Brennstoff gelöst sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Mengenverhältnis von Brennstoff zu Erz von größer 0,7 das Erz, der Brennstoff und die Zuschläge weitgehend gleichmäßig gemischt verarbeitet werden, wobei die zu verbrennenden Anteile des Brennstoffes mit Sauerstoff zu CO verbrannt werden und die bei der Verbrennung und Reduktion entstehenden Reaktionsgase.vorzugs-.weise nur noch im Kontakt mit dem heißen Koks bzw. dem heißen Koks und dem. reduzierten flüssigen Eisen abgezogen werden.

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Dieses Verfahren läßt sich erfindungsgemäß mit den in den Ansprü^ · chen 10, 11 und 14 gekennzeichneten Anlagen, die Beispiele darstellen, durchführen. ' ~· .-

Erfindungsgemäß ist das Arbeiten mit der Mischung im angezeigten Mengenverhältnis mit mehreren Vorteilen grundsätzlicher'Art verbunden. So ermöglicht es diese Verfahrensweise, den Brennstoff mit vorzugsweise reinem Sauerstoff zu verbrennen. Die dabei sonst gegebenen hohen Verbrennungstemperaturen werden auf zweierlei. . Weise vermieden. Einmal ist der Wärmebedarf für die Erzreduktion i_m flüssigen Zustand sehr hoch. Zum anderen gelangen die Reaktionsteilnehmer ohne Vorwärmung in die Reaktionszone.

Ein anderer sehr wesentlicher Vorteil ist damit gegeben, daß neben zerkleinerten stückigem Erz vorzugsweise feinkörniges Erz ohne Agglomerierung verarbeitet wird. Damit entfallen die dazu. erforderlichen Anlagen, die an sich schon aber vor allem durch die umweltbedingten Zusatzanlagen sehr aufwendig und kostspielig zu betreiben sind. Aber auch dann ergeben sich immer noch infolge " der großen Abgasmengen Umweltprobleme.

Ein sehr bedeutungsvoller Vorteil ist auch in der Vergasungsmöglichkeit großer Kohlen- bzw. Koksmengen in ein technisch freies COp-Gas, das außerdem nur geringe Mengen Schwefel aufweist, mit einem relativ hohen Heizwert zu sehen.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Umstand, daß neben dem Koks bis zu 60 % Kohle verarbeitet werden können. Je nach Ausführung der Anlage kann diese stückig oder staubförmig verar-r beitet werden.

Der Verfahrensablauf wird'im folgenden anhand der Fig. 1-4 erläutert, die beispielsweise Ausführungen der erfindungsgemäßen Anlagen darstellen. Fig. 1 und 2 stellen Anlagen dar, mit denen Erz mit Koks bzw. Koks und stückiger Kohle reduziert wird. Fig. 3 zeigt eine Anlage,, die mit Koks und staubförmiger Kohle

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betrieben wird. Bei der Anlage in Fig. 4 ist an das Reduktionsgefäß ein Schrottvörwärm- und Schrottschmelzgefäß angeschlossen.

Das in Fig. 1 dargestellte Reduktionsgefäß 1 wird über die Beschickungsvorrichtung 2 beschickt, über die Düsen 3 wird Sauer-. ■ stoff oder ein anderes oxydierendes Mittel eingeblasen und das Reaktionsgas nach unten über die Gasabzugsöffnungen 4 über die Verbindungsstücke 5, die Ringleitung 6 und das Verbindungsstück in den Abhitzekessel 8 abgezogen, von wo es den nichteingezeich-

• rieten Gasbehandlungsanlagen zugeführt ⁼ wird. ' .

10. Das Reduktionsgefäß 1 ist bis etwa unterhalb der Sauerstoffdüsen

• mit Koks gefüllt. Daran.schließt sich nach oben die eigentliche Reaktionszone an, die weiter nach oben durch die kalte Beschickungsmischung abgedeckt wird. Mit Hilfe des Sauerstoffs wird z. B. beim Arbeiten mit nur Koks dieser anteilmäßig verbrannt. Damit wird Raum geschaffen für nachwandernden Koks, wodurch gleichzeitig die dem Koks zugemessene Menge Erz und Zuschläge in die Reaktionszone gelangen. Bei den hohen Verb rennungstemp era t.uren werden diese sehr schnell erhitzt und geschmolzen. Da die Reaktionsfähigkeit im flüssigen Zustand erheblich größer als im festen ist, wird " ■20 das Erz durch das CO sehr schnell beim Durchlaufen der Kokssäule reduziert. Das CO wird $a im Gleichstrom mit der Beschickung nach unten abgezogen. Das bei der Reduktion entstehende CO₂ wird von dem heißen Koks wieder.sehr schnell und gänzlich zu 2 CO reduziert. Dieses somit weitestgehend nur aus CO und H₂ bestehende Gas wird ohne Berührung mit dem Erz nach unten durch die Abzugsöffnungen und die Verbindungskanäle 5, 6 und 7 zum Abhitzekessel abgezogen.

Da in der Regel mit basischer Schlacke gearbeitet wird, ist das Gas auch weitgehend schwefelfrei.

Das reduzierte Eisen sammelt sich nach Durchlaufen der Kokssäule 30' am Gefäßboden, von wo es mit der Schlacke abgestochen werden kann.

In Fig. 2 ist als Beispiel ein Reduktionsgefäß dargestellt, bei · dem die Reaktionsgase nach beendeter Reduktionsarbeit im Zentrum-

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des Gefäßes nach oben abgezogen werden. Dies wird gemäß Anspruch 1 · ohne weitgehende Berührung des Erzes wie folgt erreicht.

Das Reduktionsgefäß ist erfindungsgemäß durch ein Höhen-Durchmesserverhältnis von kleiner als 1 gekennzeichnet, wobei im Zentrum des Ge-fäßdeckels 11 der Gasabzug 5 mit der Abzugsöffnung angeordnet ist. Der Gasabzug 5 ragt am unteren Ende mit der öffnung 4 vorzugsweise 2 - 3 m in den Ofenraum hinein. Sein !Durchmesser ist so bemessen, daß zwischen der Gefäßwand 15 und dem Abzugsrohr 13 ein Ringraum mit einer Ringbreite von 1,5 bis 4 m vorzugsweise 1,5 bis 3 m entsteht. Auf der ringförmigen Decke 11 · sind die Beschickungsvorrichtungen 2 installiert. Eine weitere Einsetzvorrichtung 16 ist am oberen Ende des Gasabzuges eingerichtet. Die Sauerstoffdüsen 3 sind vorzugsweise in der Gefäßwand oder auch im Deckel 11 zwischen den Beschickungsvorrichtungen 2 so angeordnet oder so eingerichtet, daß der Strom des Sauerstoffs oder eines anderen .oxydierenden Mittels vorzugsweise in der. Reduktionszone nach unten .gerichtet ist.

Dieses Gefäß wird über die Beschickungsvorrichtungen'2 mit der schon beschriebenen Mischung beschickt. Dabei' bildet diese zunächst einen Ring. Beim Absinken der Mischung bildet sich unterhalb der Gasabzugsöffnung 4 eine Mulde, die infolge des Fließverhaltens von groben und feinkörnigen Stoffen weitgehend nur aus dem groben Koks gebildet wird. ■ ' " ·

Bei dieser Anlage spielen sich die Reduktionsreaktionen weitgehend in der Randzone ab, was über die Strömungsrichtung des oxidierenden Mittels intensiviert wird. Das bei der Reduktion entstehende ^ COp wird dabei spätestens im Kokskern im Zentrum wieder zu 2 CO reduziert, so daß auch hierbei erfindungsgemäß ein nur aus CO ■ und Hp-bestehendes'Gas erhalten wird.

Z₀ Die Reduktionsanlagen nach Fig. 1.und 2 können bei Koksanteilen von 40 bis 100 % mit stückiger Kohle betrieben werden. Dabei wird die stückige Kohle mit den anderen Einsatzstoffen als Mischung '

verarbeitet. Im Kontakt mit dem Sauerstoff wird sie wegen ihrer* . größeren Verbrennlichkeit im wesentlichen vor dem Koks verbrennen, so daß der zurückbleibende Koks die diesem zugeordnete Funktion des Gerüstbildners beibehält.

Fig. 3 zeigt als Beispiel eine Anlage, mit der die anteilige Kohle in Form von Kohlenstaub zum Einsatz kommt. Auch bei dieser .. Anlage wird das Reaktionsgas wie bei derjenigen nach Fig. 1 im Gleichstrom mit der Beschickung nach unten durch die Gasabzugs-Öffnungen 4 abgezogen. Er unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten dadurch, daß sich unterhalb der Gefäßdecke 11 und dem Beginn der Kokssäule ein freier Raum befindet, in dessen begrenzenden·Seitenwänden Vergasungsdüsen 9 für Kohlenstaub in üblicher Ausführung eingebaut sind. ■ · ■

In die bei der Vergasung der Kohle entstehenden heißen Gase werden kontinuierlich über die Beschickungsvorrichtungen 2 die Möllermischung, die aus dem Erz, dem jeweiligen noch verbleiben-.den Koksanteil und den Zuschlagen bestehen, eingerieselt, so daß diese durch die heißen Gase vorgewärmt auf die darunter befindliche Kokssäule fallen. Auch die Kokssäule wird von. den noch ;. heißen Gasen, die ja durch diese hindurch gezogen werden, erhitzt und auf Temperatur gehalten, wobei jedoch noch Zusatzwärme wirksam wird, die durch die zusätzliche Verbrennung von Koks mit dem über die Düsen 3. eingeblasenen Sauerstoff erzeugt wird. Das vorgewärmte Erz wird verflüssigt und,wie bereits schon beschrieben, ' reduziert. Auch hierbei verläßt das Gas das Reaktionsgefäß 1 . über die Abzugsöffnungen 4 als CO und Hl·?. · ' '

Die Arbeitsweise der Reaktionsgefäße nach Fig. 1, 2 und 3 kann durch die im Gestell des Gefäßes angeordneten Düsen 10, denen · "jedoch nur eine Wärmefunktion im Sinne der Erwärmung des reduzierten Eisens zukommt, vervollkommnet werden.

Zur Ausnutzung der fühlbaren Wärme des Gases ist in Fig. 4 dem .Reduktionsgefäß 1 eine Schrottvorwärm- und Schrottschmelzanlage angeschlossen. Es handelt sich um einen Schachtofen, der oberhalb der Gasabzugsöffnung 25 mit einer Gasschleuse-24 ausgerüstet ist,

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über die mit der Mulde 23 der Schrott eingesetzt wird. Im Herdbereich des Schachtofens 19 sind Brenner 20 zum Schmelzen des Schrottes angeordnet. Das Schmelzen kann mit Sauerstoff oder mit diesem und Brennstoff vorgenommen werden. Im gezeigten Beispiel besteht zum Reduktionsgefäß 1 die Verbindung 7 für das heiße Gas. und die Verbindung 21 für das flüssige Eisen, das in diesem Falle kontinuierlich in den Herd des Schrottschmelzgefäßes 19 fließt. Hier vereinigt es sich mit der C-armen Schrottschmelze; die auf diese Weise eine Mischschmelze mit entsprechend geringerem C-Gehalt und sonstigen Begleitelementen bilden. Damit und der höheren Schmelzentemperatur, die sich bei der Arbeitsweise mit Sauerstoff einstellen, sind gute Voraussetzungen für eine kontinuierliche Stahlerzeugung geschaffen.

Bei der Anlage nach Fig. 2 kann das Gasabzugsrohr 5 als Schrottvorwärmaggregat ausgebildet sein. Dazu wird die wassergekühlte Gasabzugsvorrichtung 5 oberhalb des Gasabzuges 17 mit der in Fig. beschriebenen Schrotteinsetzanlage z. B. ergänzt. Die vorerhitzte Schrottsäule ruht auf dem heißen Koksbett und wird hier kontinuierlich von den heißen Reaktionsgasen eingeschmolzen.

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Claims

PatentansprücheΛ ....

1. Verfahren zur Reduktion von feinkörnigen und stückigen Eisenerzen unter gleichzeitiger Erzeugung eines kalorienreichen Gases dadurch gekennzeichnet, daß auf der Energiebasis von 100 % C-haltigem Brennstoff das Mengenverhältnis von C-haltigem Brennstoff zu Erz größer als 0,7 ist, die Einsetzstoffe Erz, Brennstoff und die Zuschläge weitgehend gleichmäßig gemischt verarbeitet werden, der C-haltige Brennstoff bis auf den für die Reduktion des Erzes erforderlichen Anteil mit Sauerstoff vorzugsweise hoher Konzentration zu CO verbrannt ' wird, das dann gemeinsam mit dem bei der Erzreduktion entstandene Reaktionsgas vorzugsweise nur noch im Kontakt mit dem heißen Koks bzw. dem Koks und dem reduzierten Eisen aus dem Reaktionsgefäß entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der C-haltige Brennstoff bei einem Koksanteil von 30 - 100 % aus Koks und stückiger Kohle besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Koksanteil von 40 - 100 % der C-haltige Brennstoff aus Koks und Kohlenstaub bzw. Öl besteht.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas im Gleichstrom mit der Beschickung nach unten abgezogen wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas durch eine im Zentrum der Beschickungssäule befindliche Zone, die weitgehend aus Koks besteht, nach oben abgezogen wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas weitestgehend CO^-frei und nur noch geringe Anteile Schwefel aufweist. ^; .

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7. Verfahren nach Ansprüchen 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß ' die fühlbare Wärme des Gases zur Vorwärmung und Schmelzung von Schrott genutzt wird, wobei der Schmelzprozeß durch eine Zusatzfeuerung aus Sauerstoff bzw. Sauerstoff plus Brennstoff unterstützt wird. ' ·

8. Verfahren nach .Ansprüchen 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierte Eisen kontinuierlich im Herd des Schrottschmelzgefäßes gemischt und dann kontinuierlich in Stahl überführt wird. ■■--..

9. Verfahren nach Ansprüchen 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß ^: die fühlbare Wärme des Gases ganz oder zum Teil zur.Dampferzeugung genutzt wird. " ^f .

10. Schachtofen zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen " 1, 2, 4, 6 dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Schachtofen mit einer maximalen lichten Höhe von 15 m die Vorrichtungen zum Einblasen des Sauerstoffs mindestens 3m oberhalb der · Gasabzugsöffnungen 4 angeordnet ,sind.

11. Schachtofen zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1» 3, 4, 6 dadurch gekennzeichnet, daß unter der Schachtofendecke 11 ein freier Raum mit einer Höhe von vorzugsweise

4 - 7 m besteht, der seitlich von der Wand 25 umschlossen wird, ' in die Vergasungsdüsen 9 üblicher Ausführung für Kohlenstaub . .oder Öl installiert sind, und die Gasabzugsöffnungen 4 mindestens 4 m unterhalb von diesen Vergasungsdüsen 9 ange- ■· ordnet sind.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen und 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in einer Ringleitung 6 gesammelt wird, die außerhalb des Schachtofens 1 angeordnet ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1, 2 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von lichter

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Gefäßhöhe zu lichtem Gefäßdurchmesser kleiner als 1 ist, das Gefäß 1 nach oben durch die Decke 11 abgeschlossen ist, im Zentrum der Decke 11 die Vorrichtung 5 für den Gasabzug und auf dem von der Decke 11 gebildeten Ring die Einsetzvorrichtungen 2 installiert sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß der

; untere Teil 13 der Gasabzugsvorrichtung 5 1,5-4 m vorzugsweise 2 - 3'm in den Ofenraum hineinragt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffdüsen so angeordnet und ausgebildet sind, daß der Sauerstoffstrom und der daraus folgende Gasstrom im Reaktionsräum vorzugsweise nach unten im Gleichstrom mit der Beschickung ausgerichtet ist. ■ ·

16. Vorrichtung nach Ansprüchen 13, 14 und 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabzugsvorrichtung 5 eine Mindesthöhe von 5 m hat, seine Wände wassergekühlt sind und oberhalb des Gasabzuges 17 über eine mit Gasschleuse 24 ausgerüstete Schrotteinsetzvorrichtung 22 eingerichtet ist. ■ "

17. Vorrichtung nach Ansprüchen 10 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgefäß 1 über die Verbindungen 7 und 21 mit einem Schrottschmelzgefäß 9 verbunden ist.

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