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Verfahren zum Schmelzen von Eisen in einem Einschmelz-
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vergaser, sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Verfahren
zum Schmelzen von Eisen in einem Einschmelzvergaser, sowie Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen von
Eisen in einem Einschmelzvergaser, bei welchem zumindest teilweise reduziertes Eisenerz,
insbesondere Eisenschwamm, dem Vergaserkopf aufgegeben wird und feste Energieträger,
insbesondere Kohle, einer Teilverbrennung zur Erzielung der Schmelztemperatur dem
Vergaserkopf zugeführt werden und Reduktionsgase vom Vergaserkopf abgezogen werden,
sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Bei einem derartigen
Verfahren wird in einem Einschmelzvergaser Kohle mit eingeblasenem, sauerstoffhaltigen
Gas einer Teilverbrennung unterworfen, wodurch die zum Schmelzen des reduzierten
Materials erforderliche Wärme und ein Reduktionsgas erzeugt werden. Gemäß einem
bekannten Verfahren dieser Art, wie es beispielsweise in der DE-OS 28 43 303 beschrieben
ist, werden die abgezogenen Reduktionsgase einer Festkörperabscheidung unterworfen
und es werden die im wesentlichen aus staubförmigem Kohlenstoff bestehenden Feststoffe
zumindest teilweise im Kreislauf geführt, um eine vollständige Vergasung zu erzielen.
Bei der Teilverbrennung werden im Kopf des Einschmelzvergasers in der Wirbelschicht
Temperaturen von etwa 16000C erreicht, wodurch die für das Schmelzen erforderliche
Temperatur erzielt wird und Reduktionsgase mit einer hinreichend hohen Temperatur
abgezogen werden, welche die unmittelbare Verwendung dieser Reduktionsgase zum Reduzieren
von Eisenerz in einem vorgeschalteten Reduktionsofen ermöglichen. Beim Absinken
in der Schmelze in den unteren Teil des Einschmelzvergasers ergeben sich jedoch
aufgrund der Redoxvorgänge innerhalb des Einschmelzvergasers relativ starke Abkühlungen,
so daß ein relativ kühles Eisenbad im Vergleich zu den in Hochöfen vorherrschenden
Badtemperaturen erzielt wird. Metallurgisch gesehen ist die Schmelze
in
aller Regel relativ kalt, wodurch sich eine Reihe von Nachteilen beim Abstich und
nach dem Abstich bei der Weiterbehandlung der Schmelze ergeben. Es wurde daher bereits
zur Verbesserung vorgeschlagen, die Temperatur durch Zufuhr von Energie, beispielsweise
durch elektrischen Strom, z.B. über Plasmabrenner, zu erhöhen oder aber vorgewärmten
Sauerstoff in den unteren Bereich des Einschmelzvergasers einzublasen. Durch derartige
Maßnahmen wird das Temperaturniveau im Kopfbereich des Einschmelzvergasers weiter
erhöht, so daß weiterhin ein Gleichgewicht zwischen relativ zu kaltem unteren Bereich
des Einschmelzvergasers und relativ überhitztem Einschmelzvergaser in der Druckvergasungszone
bzw. der Wirbelschicht aufrecht bleibt.
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Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, daß der Temperaturgradient von der Druckvergasungszone
bis zum Abstich aus dem Einschmelzvergaser in vertikaler Richtung verringert wird,
ohne daß es zu einer Uberhitzung des Einschmelzvergasers kommt. Zur Lösung dieser
Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß eine Teilmenge der Reduktionsgase
dem unteren Bereich des Einschmelzvergasers rückgeführt wird und mit im unteren
Bereich zugeführtem Sauerstoff verbrannt wird. Dadurch, daß eine Teilmenge der Reduktionsgase
im unteren Bereich des Einschmelzvergasers unterhalb der Druckvergasungszone bzw.
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der Wirbelschicht rückgeführt wird und mit dem im unteren Bereich
zugeführten Sauerstoff vollständig verbrannt wird, wird im unteren Bereich eine
weitere Temperaturerhöhung erzielt. Das aufsteigende, nunmehr oxydierte Gas wird
in der Druckvergasungszone bzw. der Wirbelschicht mit der Kohle neuerlich reduziert
und das Verfahren muß so geführt werden, daß am Kopf des Vergasers Reduktionsgase
abgezogen werden können. Diese Reduktion der im unteren Bereich oxydierten Reduktionsgase
führt zu einer Absenkung der Temperatur im Vergaserkopf und dadurch unter Berücksichtigung
der Temperaturerhöhung im unteren Bereich des Einschmelzvergasers zu einer Vergleichmäßigung
des Temperaturgradienten vom Vergaserkopf bis zum Abstich. Es wurde gefunden, daß
ein Fließbett, vornehmlich eine Wirbelschicht, hinsichtlich vertikaler Temperaturverteilung
aufgrund der Gas-Feststofführung mit einem Einschmelzvergaser nur eine relativ geringe
Temperaturdifferenz
zwischen oben und unten aufweist. Diese geringe Temperaturdifferenz innerhalb der
Wirbelschicht bzw. der Druckvergasungszone führt gleichfalls dazu, daß die Temperatur
am Kopf des Einschmelzvergasers relativ zu hoch und am Fuß der Wirbelschicht relativ
zu niedrig ist. Es wurde weiters festgestellt, daß große Einschmelzvergaserraumanteile
um und oberhalb der im unteren Bereich des Einschmelzvergasers üblicherweise vorgesehenen
Sauerstoffdüsen Sauerstoffüberschüsse im Vergleich zur stöchiometrischen Umsetzung
zeigen und aus diesem Grund neben dem Aufschmelzen der chargierten heißen Metallpartikel
bzw. des Eisenschwammes keine oder nur eine vernachlässigbare metallurgische Arbeit,
wie z.B. Restreduktion und Kohlung, erfolgt. Auch ist die kurze Verweilzeit, d.h.
das rasche Durchfallen des Eisenschwammes bzw. der Metallpartikel durch die Wirbelschicht,
für diese ungenügende Restreduktion bzw.
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Kohlung von Nachteil. Dadurch, daß nun erfindungsgemäß die fühlbare
Wärme der Schmelze, d.h. die Temperatur der Schmelze, erhöht wird, ohne daß die
Qualität des eingesetzten Energieträgers, d.h. der Kohle, gegenüber der üblicherweise
verwendeten Kohle geändert werden muß, werden die Verhältnisse in der Wirbelschicht
nahezu kaum beeinflußt. Die erfindungsgemäße Rückführung einer Teilmenge der Reduktionsgase
im unteren Teilbereich des Einschmelzvergasers nützt vielmehr die Tatsache aus,
daß im Bereich der Sauerstoffdüsen im unteren Teilbereich des Einschmelzvergasers
Gaszonen bestehen, innerhalb welcher freier Sauerstoff existiert. Die beim Durchfallen
des Eisenschwammes vom Kopf des Einschmelzvergasers nach unten in den Einschmelzvergaserunterteil
gelangenden geschmolzenen Partikel erfahren praktisch keine nennenswerte thermische
Beeinflussung mehr, sobald sie die Ebene der Sauerstoffdüsen passiert haben.
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Das bloße Einblasen von Sauerstoff in den Einschmelzvergaserunterteil
führt somit lediglich zu einer weiteren Erwärmung des Bereiches oberhalb der Ebene
der Sauerstoffdüsen. Durch die Verbrennung von Reduktionsgasen in diesem Bereich
mit Sauerstoff wird eine stark strahlende Flamme gebildet, deren Temperatur im Einschmelzvergaserunterteil
eine merkliche Anhebung der Badtemperatur bewirkt, wobei dieser Effekt neben der
Verbrennung auch auf die starke Strahlung der Flamme
zurückzuführen
ist. Für die Erzielung einer derartig strahlenden Flamme ist ein hochwertiger Energieträger
erforderlich und ein derartiger hochwertiger Energieträger wird aus dem oberen Teilbereich
des Einschmelzvergasers unmittelbar abgezogen. Bei der Verfahrensführung ist lediglich
zu berücksichtigen, daß die neuerliche Reduktion der im unteren Bereich des Einschmelzvergasers
oxydierten Reduktionsgase nicht zu einer Abkühlung der Wirbelschicht führen darf,
bei welcher die abgezogenen Reduktionsgase eine zu niedrige Temperatur, beispielsweise
eine 0 Temperatur von etwa 900 C oder darunter, erreichen. Ein derartiges Reduktionsgas
wäre für die unmittelbare Verwendung zur Reduktion von Eisenerz zu kalt, und es
muß daher die im unteren Bereich des Einschmelzvergasers eingeblasene Teilmenge
des Reduktionsgases so gewählt werden, daß ein Absinken der Temperatur des abgezogenen
Reduktionsgases unterhalb dieses kritischen Wertes nicht auftritt.
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Der im unteren Teilbereich zugeführte Sauerstoff soll hiebei in im
wesentlichen stöchiometrischer Menge vorliegen, um eine vollständige Oxydation der
Reduktionsgase zu CO2 und dampfförmigem Wasser zu erzielen. Für die Einhaltung der
Bedingung, daß das am Vergaserkopf abgezogene Reduktionsgas eine kritische Temperatur
nicht unterschreiten darf, wird in der Regel so vorgegangen, daß dem unteren Bereich
des Vergasers 5 - 50 %, vorzugsweise 15 - 40 %, der aus dem Vergaserkopf abgezogenen
Reduktionsgasmenge rückgeführt wird.
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Eine weitere Erhöhung der Energieübertragung im unteren Bereich des
Einschmelzvergasers kann dadurch erzielt werden, daß die Reduktionsgase gemeinsam
mit dem abgezogenen kohlenstoffhältigen Staub bzw. Feinkoks im unteren Bereich des
Einschmelzvergasers rückgeführt werden. Durch die Rückführung von kohlenstoffhältigem
Staub gemeinsam mit den Reduktionsgasen in den unteren Bereich wird eine stark leuchtende
Flamme erzielt, deren Strahlung zu einer wesentlichen Anhebung der Badtemperatur
beiträgt. Die Verbrennungsprodukte im unteren Teilbereich des Einschmelzvergasers
sind hoch überhitzt und reagieren auf dem Weg nach oben im Einschmelzvergaser mit
dem Kohlenstoff des festen Energieträgers, wobei wiederum Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
bei einer gleichzeitigen Absenkung der Temperatur im
Einschmelzvergaseroberteil
auftritt. Der Gesamtmassenumsatz innerhalb des Einschmelzvergasers wird hiebei nicht
verändert.
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Lediglich die per Zeiteinheit durchzusetzende Gasmenge wird um die
Menge der rezirkulierten Reduktionsgasmenge bzw. der aus dieser entstehenden Produkte
vermehrt, was jedoch durch geänderte Dimensionierungen des Einschmelzvergasers oder
eine geringfügige Leistungsrücknahme kompensiert werden kann.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt keine Änderung der erzielbaren
Gesamtumsetzungen pro Brennstoffeinheit innerhalb des gesamten Einschmelzvergasers.
Es wird lediglich erreicht, daß die Temperaturen im Vergaserunterteil angehoben
und im Vergaseroberteil analog gesenkt werden. Durch diese Absenkung der Temperatur
im Vergaserkopf werden die Kühlverluste bei der Temperaturabsenkung des Gases zwischen
dem Vergaser und dem Reduktionsschacht kleiner gehalten, wobei selbstverständlich
darauf geachtet werden muß, daß eine vollständige Reduktion beim Aufsteigen der
oxydierten Gase durch die Wirbelschicht wiederum erfolgt, da die Qualität der Reduktionsgase
in keiner Weise beeinflußt werden soll.
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In bevorzugter Weise erfolgt die Rückführung der Reduktionsgase unterhalb
der Ebene der Vergasersauerstoffdüsen. Im Rahmen des erfindunsgemäßen Verfahrens
können die Reduktionsgase und gegebenenfalls der Kohlenstoffstaub mit ihrer fühlbaren
Wärme, d.h. ohne zwischengeschaltete Kühlung, dem Vergaser rückgeführt werden, wodurch
sich eine besonders gute Energiebilanz ergibt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß im Vergaserunterteil zusätzlich
zu den Sauerstoffdüsen weitere Düsen angeordnet sind, welche über Verbindungsleitungen
mit der Gasabzugsleitung aus dem Vergaserkopf verbunden sind. Zur besseren Einhaltung
der verfahrensmäßigen Bedingungen in bezug auf die Qualität der Reduktionsgase,
welche im Vergaserkopf abgezogen werden, und in bezug auf die Temperatur der abgezogenen
Reduktionsgase ist in vorteilhafterweise die Ausbildung so getroffen, daß die Verbindungsleitungen
über ein einstellbares Drosselorgan mit der Abzugsleitung verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
und anhand einer für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung näher erläutert.
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Für die Energiebilanz des herkömmlichen Verfahrens zum Schmelzen
von Eisen in einem Einschmelzvergaser ergeben sich nachfolgende Werte, wobei Koks
mit 87 % Kohlenstoff angesetzt wurde.
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0,870 kg C + 0,81 Nm302l,62 Nm3 CO - 8030 kJ (=4957 kJ/Nm3 CO) Es
wurde nun dieses Verfahren so durchgeführt, daß 30 z des anfallenden Reduktionsgases
im Kreislauf geführt wurde und im Vergaserunterteil verbrannt wurde. Unter Zugrundelegung
der vorgenannten Werte ergibt sich hiebei folgende Aufstellung 1,62 Nm3 CO (wie
oben)
70 % = 1,134 Nm3 CO 30 % = 0,486 Nm3 CO 1) 0,609 kg C + 0,567 Nm3 O2 - ,1,134 Nm3
CO - 5600 kJ 2) 0,486 Nm3 CO + 0,243 Nm3 °2 ;>0,486 Nm3 CO2- 6130 kJ 3) 0,486
Nm3 C02 + 0,261 kg C 0,972 Nm3 CO + 3690 kJ 8040 kJ Von den aus 3) erhaltenen 0,972
Nm3 CO sind 0,486 Nm3 als "Kreislaufgas" abzuziehen, so daß (1,134 Nm3 CO plus 0,486
Nm3 CO) 1,62 Nm3 CO wie bei der konventionellen Verfahrensführung gegeben sind.
Die Summe der Wärmetönungen ist naturgemäß konstant.
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Allerdings kann gebebenenfalls bei 2) die fühlbare Wärme des Gases
mit 800 bis 10000C in der Größenordnung von 540 bis 690 kJ/0,486 Nm3 CO zugezählt
werden, woraus eine Verbrennungs-Temperaturerhöhung von zumindest 200 bis 3000C
erhalten werden kann.
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Wird beispielsweise eine Gasflammkohle den Betrachtungen zugrundegelegt
(C = 83,6 %, H = 5,7 %, 0 = 8,5 %, N = 1,5 %, S = 0,7 %, fl. Bestandteile = 38 %
im waf-Zustand), errechnet sich eine Wärmetönung für die Ent- und Vergasung von
6900 kJ/kg.
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Hiebei entstehen rd. 1,6 Nm3 CO und rd. 0,75 m3 H2, in Summe also
rd. 2,35 Nm3 Gas mit 2936 kJ/Nm3 CO + H2-Gas.
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Eine ähnliche einfache Darstellung wie bei Koks läßt sich mit flüchtige
Bestandteile enthaltenden Kohlen nicht anstellen, da gegenseitige und rückläufige
Beeinflussungen bei Ent- und Vergasung, Verbrennung und Reduktion der Verbrennungsprodukte
mittels Kohlenstoff bei gleichzeitiger Freisetzung von H2 eintreten.
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Trotzdem lassen sich unter der Annahme einer Rezirkulation und Verbrennung
von 30 % des Gesamtgases je Brennstoffeinheit folgende orientierende Vergleiche
anstellen.
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Die gebildeten Wärmemengen, unterteilt nach Zonen und Brennstoffeinheit
a) konventionelle Einschmelzvergasung b) Totalverbrennung von 30 % Gas im untersten
Teil c) Wärmeverbrauch für die Zerlegung der Verbrennungsprodukte aus verhalten
sich prozentmäßig wie folgt: Koks: Gasflammkohle: a) 70 % 70 % b) 76 % 123 % c)
-46 % -93 % 100 % 100 % Je größer b) wird, umso größer wird die Temperatur (unter
oxidierenden) Bedingungen im Vergaserunterteil. Die unter c) angeführte Zahl stellt
ein Maß für die Abkühlung in der Wirbelschicht durch die Reduktion der Verbrennungsgase
mittels Kohlenstoff dar.
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Hiebei könnte jener nicht mehr zulässige Fall auftreten, bei welchem
die Vergaserkopfgastemperaturen so weit sinken, daß einerseits die erforderlichen
Temperaturen für den Reduktionsschacht (etwa 9000C) nicht mehr erreicht werden und/oder
die Qualität des erzeugten Gases, z.B. infolge schlechter Kohlever-und -entgasung
(Zunahme von CO2 und H2OD), nicht mehr entspricht.
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Daraus ergibt sich, daß der jeweils optimale Prozentsatz an rezirkuliertem
Reduktionsgas hinsichtlich unterschiedlicher
Kohlen nur mittels
Versuchen im Einzelfall festgestellt werden kann. Je nach eingesetzter Kohle ergeben
sich hiebei Werte von wenigen Prozent bis zu 40 % der Gesamtgasmenge, welche im
Kreislauf geführt werden dürfen.
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In der Zeichnung ist mit 1 der Glockenverschluß für die Erzaufgabe
auf einen Reduktionsschacht 2 bezeichnet. Über einen Verteiler 3 werden in den Reduktionsschacht
2 Reduktionsgase eingebracht, wobei die zugehörige Reduktionsgasleitung mit 4 bezeichnet
ist. Das im Reduktionsschacht niedergehende Erz wird bei Temperaturen von etwa 9000C
über Eisenschwammaustragsschnecken 5 und Eisenschwammfallrohre 6 in den Einschmelzvergaser
7 eingebracht, wobei eine Kühlgasringleitung 8 für die Eisenschwammfallrohre vorgesehen
ist.
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In dem Einschmelzvergaser 7 wird im oberen Bereich ein Fließkohlebett
9 aufrechterhalten, in welchem die Vergasung der eingebrachten Kohle durchgeführt
wird und die für das Erschmelzen des Metalles erforderliche Energie erzeugt wird.
Die Kohlezuführung erfolgt hiebei an den mit 10 bezeichneten Stellen. Mit 11 ist
der Vergaseraustritt bezeichnet. Über eine Kühlgasleitung 12 wird dem Vergaserkopf
Kühlgas zugeführt. Das aus dem Vergaserkopf bei 11 abgezogene heiße Reduktionsgas
wird einem Heißzyklon 13 zugeführt, in welchem Kohlestaub abgeschieden wird. An
die Leitung 14 zu diesem Heißzyklon ist eine Zweigleitung 15 angeschlossen, über
welche eine Teilmenge des heißen Reduktionsgases abgeführt werden kann und im unteren
Bereich 16 unterhalb des Fließkohlebettes 9 neuerlich in den Einschmelzvergaser
eingebracht werden kann. Die Sauerstoffeindüsung erfolgt über eine Ringleitung 17
in diesen unteren Teilbereich 16 des Einschmelzvergasers und die Düsen für das rückgeführte
heiße Reduktionsgas münden unmittelbar neben den Düsen für die Sauerstoffeinblasung.
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In die Leitung 15 ist ein einstellbares Drosselventil 18 eingeschaltet,
über welches der Anteil des rückgeführten Reduktionsgases eingestellt werden kann.
Aus dem Heißzyklon 13 werden heiße Staubpartikel ausgetragen und über eine Leitung
19 und ein einstellbares Ventil 20 der rückgeführten Menge des Reduktionsgases zudosiert,
wodurch sich das Ausmaß der Strahlung der Flamme einstellen läßt. Das Schmelzbad
kann über ein Abstichloch 21 ausgebracht werden.
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