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Diese Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von
Eisenmetall durch Reduktion von Eisenerzen, die seine
Oxide enthalten. Genauer betrifft die Erfindung ein
Schmelzreduktionsverfahren, in dem Eisenerz in einem
festen Zustand einem vorbereitenden Reduktionsschritt
(hierin im folgenden als Vorreduktionsschritt
bezeichnet) in einem Vorreduktionsofen unterzogen wird
und danach in einem Schmelzreduktionsofen geschmolzen
wird, um dadurch die endgültige Reduktion des Erzes
durchzuführen. Die Erfindung betrifft ein
Schmelzreduktionsverfahren, durch das insbesondere der Grad
der Energieausnutzung gesteigert und der Verbrauch an
Reaktionsmaterialien wie Kohle, Sauerstoff und Kalk
stark verringert wird.
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Bei dem Schmelzreduktionsverfahren wird allgemein
Eisenerz (Eisenoxid) in geschmolzenem Zustand
reduziert, um dadurch Eisen oder Eisenlegierung
herzustellen. Wegen der vielversprechenden Möglichkeit
seiner Anpassung daran, die künftige Rohmaterial- und
Energiesituation zu meistern, hat dieses
Technologiegebiet in jüngster Zeit viel Aufmerksamkeit erregt,
und Forschung und Entwicklung zu seiner Umsetzung in
die Praxis wird vorangetrieben.
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Die hauptsächlichen vorteilhaften Merkmale, die dieses
Verfahren als ein eisenerzeugendes Verfahren im
Vergleich mit dem Hochofenprozeß liefert, sind die
Verwendung von preisgünstigen Rohmaterialien, die
Verringerung
von vorbereitenden Verarbeitungsschritten
wie Sintern oder Pelletisieren von Groberz, und das
Verkleinern der notwendigen Ausrüstung. Zusätzlich hat
es, als ein Verfahren bei der Herstellung von
Eisenlegierungen, nahezu keine Abhängigkeit von der
Verwendung elektrischer Energie.
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Während verschiedene Verfahren zur Durchführung dieses
Schmelzreduktionsverfahrens vorgeschlagen worden sind
und die darin verwendeten Reduktionsöfen von
unterschiedlicher Form sind, ist der Schmelzreduktionsofen
vom metallschmelzendem Typ eine repräsentative Form.
Im Fall eines Reduktionsofens dieses Typs zur
Herstellung von Eisen, wird zum Beispiel, Eisenerz
zusammen mit Kohle und Sauerstoffin ein geschmolzenes
Eisenbad eingebracht, und das Erz wird auf diese Weise
zur Erhaltung von geschmolzenem Eisen (Roheisen)
reduziert. Die Reaktion ist jedoch schnell, wodurch es
möglich ist, eine Reduktion mit einer Geschwindigkeit
durchzuführen, die hundert Mal oder mehr schneller ist
als die Reduktion des Erzes in festem Zustand, und die
erforderliche Ausrüstung ist von einfacher Art. Aus
diesen und anderen Gründen werden Öfen dieser Art
ausgedehnt in vielen Verfahren verwendet.
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Auf seiner Sollseite hat ein Schmelzreduktionsofen
dieses Typs den Nachteil eines äußerst schlechten
Nutzungsgrades von Energie. Die grundlegende
Reaktionsformel, welche die Reduktion von Eisenoxiden
in einem Ofen dieses Typs darstellt, ist wie folgt.
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Da die aufgewendete Energie in dieser Formel die
Wärmemenge der Verbrennung von C (Kohlenstoff) ist,
wird ihr Wert 1,293·3,391·10&sup7; = 4,385·10&sup7;J (1,293
·8,100 = 10,470 kcal), wenn er berechnet wird aus der
Menge an erzeugter Wärme von C (3,391·10&sup7;J/kg (8.100
kcal/kg)). Andererseits ist die Wärmemenge, die
tatsächlich verwendet worden ist, die Summe von 7,365·
10&sup6;J (1.759 kcal), die Wärmemenge für die Reduktion von
Fe&sub2;O&sub3; (1 kg), und 1,001·10&sup6;J (239 kcal), die
Wärmemenge zum Schmelzen von Fe, das heißt, der
Gesamtbetrag von 8,365·10&sup6;J (1.998 kcal).
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Daher ist der Nutzungsgrad der aufgewendeten Energie
8,365·10&sup6;/4.4385·10&sup7; (1.998/10.470), das heißt, nur
19%. Fast der ganze Rest wird als Abgas entlassen. Um
den Energienutzungsgrad zu steigern, ist es
dementsprechend notwendig, die in diesem Abgas enthaltene
Energie zu nutzen.
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Eine mögliche Maßnahme zu diesem Zweck ist die
sogenannte Sekundärverbrennungstechnik, bei der Sauerstoff
(oder Sauerstoff enthaltendes Gas) in den Gasraumteil
innerhalb des Schmelzreduktionsofens geblasen wird, um
dadurch eine Verbrennung eines Teils des aus der
Oberfläche von geschmolzenem Metall herauskommenden,
brennbaren Gases zu bewirken, und bei der ein Teil der
so erzeugten Wärme zurückgewonnen und in das
geschmolzene Metall zurückgeführt wird, wodurch der
Energienutzungsgrad des Reduktionsofens gesteigert wird.
Diese Maßnahme nutzt die Tatsache, daß die bei der
Umsetzung von CO zu CO&sub2; erzeugte Verbrennungswärme das
2,5fache der während der Umsetzung von C zu CO
erzeugten Verbrennungswärme ist.
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In dem Fall, wo die sekundäre Verbrennungsrate 30%
ist, das heißt, wenn man veranlaßt, daß 30% des aus
der Schmelze in dem Ofen aus strömenden CO-Gases eine
Verbrennung durchmachen und daher zu CO&sub2; umgesetzt
werden, und die Temperatur des Gases in dem Ofen auf
1.600ºC eingestellt ist, wird die grundlegende Formel
der Reaktion in dem Ofen wie folgt.
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In diesem Fall wird, da die hinzugefügte Energie 0,679
· 3,391·10&sup7; = 2,303·10&sup7;J (0,679·8.100 = 5.500
kcal) beträgt, der Energienutzungsgrad 36%. Obwohl
dies eine große Verbesserung ist gegenüber dem in dem
Fall erhältlichen Grad, in dem keine sekundäre
Verbrennung durchgeführt wird, ist er noch unzureichend.
Erhöhen des Grades der sekundären Verbrennung auf ein
extremes Ausmaß verursacht ein übermäßiges Ansteigen
der Temperatur in dem Schmelzreduktionsofen und
verursacht ein Problem insofern, als die Lebensdauer der
feuerfesten Materialien verkürzt wird. Daher ist, um
den Energienutzungsgrad weiter zu erhöhen, die
Einführung einer neueren Technologie notwendig.
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Als eine Konsequenz wurde ein Verfahren vorgeschlagen,
in dem das Rohmaterialerz einer vorbereitenden
Reduktion oder Vorreduktion unterzogen wird,
vorgeschlagen. Wie hierin vorstehend erwähnt, weist dieses
Verfahren ein Vorreduzieren des Erzes in seinem festen
Zustand in einem Vorreduktionsofen, und dann ein
Unterziehen des Erzes einer endgültigen Reduktion in
einem Schmelzreduktionsofen, wie oben beschrieben,
auf. Für das in dem Vorreduktionsofen verwendete
reduzierende Gas wird hauptsächlich während der
endgültigen Reduktion in dem Schmelzreduktionsofen
abgegebenes, Hochtemperaturgas verwendet. Für den
Vorreduktionsofen wird in vielen Fällen ein Ofen vom
Fließbettyp verwendet, in dem das Erz ein Fließbett
ausbildet und so von dem oben erwähnten Gas
kontaktiert wird und mit ihm reagiert. In diesem Ofen
wird die Reaktionstemperatur auf näherungsweise 800ºC
eingestellt, um eine hohe Reduktionseffizienz zu
erhalten, ohne ein Sintern des Erzes zu verursachen.
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Bei einem Schmelzreduktionsverfahren dieser Art, wie
es bis jetzt ausgeführt wurde, werden, um in den
Vorreduktionsofen einen so hohen Reduktionsgrad
(Vorreduktionsgrad) wie möglich zu erhalten, einer
Entwicklung auf dieses Ziel hin Bemühungen gewidmet.
Gewöhnlich wurde der Vorreduktionsgrad auf 70% oder
einen höheren Wert eingestellt. Der Begriff
"Reduktionsgrad", wie er hierin verwendet wird,
bezeichnet das Ausmaß der Abnahme an Sauerstoff auf der
Basis des in dem Rohmaterialeisenerz enthaltenen
Eisenoxids als Bezugsgröße. Zum Beispiel wird in dem
Fall, in dem Fe&sub2;O&sub3; als Bezugsgröße verwendet wird
(Reduktionsgrad 0%), das Erz zu Fe&sub3;O&sub4; reduziert bei
einem Reduktionsgrad von 11,1%, zu FeO bei einem Grad
von 33,3% und zu Fe bei einem Grad von 100%.
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Nun wird der Energienutzungsgrad in einem Verfahren
betrachtet, das durchgeführt wird in einer Anlage mit
einem Vorreduktionsofen und einem
Schmelzreduktionsofen dieser Art. Die grundlegende Formel, die die
Reduktionsreaktion von Eisenoxid in dem
Vorreduktionsofen darstellt, ist wie folgt.
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1,430kg·Fe&sub2;O&sub3;+0,602Nm³·CO
→1kg·Fe(s) +0,602Nm³·CO&sub2;.
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Um jedoch Fe&sub2;O&sub3; bei 800ºC zu Fe zu reduzieren, muß
gemäß dem bekannten Fe-CO-Gleichgewichtsdiagramm
(gezeigt in Fig. 4 der begleitenden Zeichnungen, die
hierin nachstehend kurz beschrieben werden) das
CO/(CO+CO&sub2;)-Verhältnis in dem Gas am Auslaß des
Vorreduktionsofens bei 65% oder einem höheren Wert
gehalten werden.
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Dementsprechend müssen, um in dem Fall, wo bei diesem
Verfahren der Vorreduktionsgrad 100% sein soll, um
die in den Vorreduktionsofen eingespeiste Menge an CO
zu erhöhen, Überschußmengen an C und O&sub2; in den
Schmelzreduktionsofen hinzugefügt werden. In diesem Fall ist
es, da die Reaktion in dem Schmelzreduktionsofen eine
exotherme Reaktion ist, notwendig, ein Kühlmittel in
den Ofen hinzuzufügen, um ein thermisches
Gleichgewicht beizubehalten. Zum Beispiel werden, wenn der
Fall betrachtet wird, in dem CO&sub2; als das Kühlmittel
verwendet wird, die grundlegenden Formeln dafür wie
folgt.
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In dem Vorreduktionsofen
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1,430kg·Fe&sub2;O&sub3;+1,720Nm³·CO
→1kg·Fe(s)+1,118Nm³·CO+0,602Nm³·CO&sub2; . . . (3).
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In dem Schmelzreduktionsofen
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In diesem Fall ist, da die zugefügte Energie die
Verbrennungswärme ist, die C besitzt, das heißt 0,768 x
3,391·10&sup7; = 2,605·10&sup7;J (0,768·8.100 = 6.221
kcal), der tatsächliche-Nutzungsgrad der Wärme 32%.
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In dem Fall, in dem der Vorreduktionsgrad 75% ist,
das heißt, in dem Fe&sub2;O&sub3; zu FeO und Fe in dem
Vorreduktionsofen reduziert wird, werden die Formeln wie
folgt.
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In dem Vorreduktionsofen
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In dem Schmelzreduktionsofen
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Der Energienutzungsgrad ist 39%.
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In einem einen Vorreduktionsofen verwendenden
Verfahren wird auch in einigen Fällen in dem
Schmelzreduktionsofen die Sekundärverbrennungstechnik, wie
oben beschrieben, angewendet. Jedoch, da der
Vorreduktionsgrad einen hohen Wert von 70% oder mehr hat,
ist es notwendig, das Ausmaß der sekundären
Verbrennung bei 30% oder weniger zu halten, um die CO-
Menge in dem Gas für die Vorreduktion sicherzustellen.
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Auf diese Weise werden in einem Verfahren, das einen
Vorreduktionsofen und einen Schmelzreduktionsofen
verwendet, die potentielle Wärme und das
Reduktionsvermögen des aus dem Schmelzreduktionsofen abgegebenen
Gases in dem Vorreduktionsofen genutzt, und
gleichzeitig wird die fühlbare Wärme des in dem
Vorreduktionsofen vorreduzierten Erzes in dem
Schmelzreduktionsofen genutzt, das heißt, in dem Verfahren
selbst wird ein Teil der Energie rezirkuliert. Im
Gegensatz dazu wurde in dem Schmelzreduktionsverfahren
des Stands der Technik die in dem Verfahren nicht
genutzte überschüssige Energie im Abgas verschwendet.
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Die obigen Betrachtungen können wie folgt
zusammengefaßt werden. Bei dem bekannten
Schmelzreduktionsverfahren, das einen Vorreduktionsofen und einen
Schmelreduktionsofen verwendete, boten sich vom
Gesichtspunkt der Energieausnutzung her die folgenden
charakteristischen Merkmale.
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i) Ein Vorreduktionsgrad von 70% oder mehr.
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ii) Eine große Menge an Überschußenergie, die bei
dem Verfahren nicht genutzt wurde, wurde im
Abgas verschwendet.
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Ein ernsthaftes Problem, das das oben beschriebene,
bekannte Schmelzreduktionsverfahren begleitet, ist,
daß das Ausmaß des Verbrauches an Kohlenstoff (C) der
notwendig ist zur Erhaltung von Metall durch
Reduzieren des Metallerzes (Metalloxids), hoch ist,
das heißt, der Energienutzungsgrad ist niedrig. Zum
Beispiel ist dieser Wert selbst im Vergleich mit dem
der Reduktion von Eisenerz nach dem Hochofenverfahren
niedrig. Aus diesem Grund heißt es, daß im Hinblick
auf das Schmelzreduktionsverfahren seine umfassende
Kommerzialisierung schwierig ist, solange dieses
Problem nicht gelöst ist.
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Wegen des großen Verbrauchs an Kohlenstoff wird der
Verbrauch an Sauerstoff groß. Daher tauchen bei der
tatsächlichen Durchführung nicht nur ungünstige
Auswirkungen auf die Produktionsmengen auf, wie die Menge
an erzeugter Schlacke, der Verbrauch von Kohle und der
Verlust von extrahiertem Metall in die Schlacke,
sondern es steigen auch die Kosten der Ausrüstung, um
mit diesen Auswirkungen fertig zu werden.
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Die oben untersuchten Energienutzungsgrade basieren
alle auf den grundlegenden Reaktionsformeln, das
heißt, sie sind Energienutzungsgrade unter idealen
Bedingungen. Bei dem tatsächlichen Reduktionsverfahren
ist C jedoch nicht reiner Kohlenstoff, sondern ist in
der Form von Kohle, und Fe&sub2;O&sub3; ist auch ein Eisenerz,
das Verunreinigungen enthält. Darüber hinaus
beeinflussen Vorkommnisse, wie Entlassung von Wärme aus dem
Ofenaufbau (Wärmeübertragungsverlust) die Ergebnisse,
wodurch die tatsächlichen Grade etwas geringer werden
als diese idealen Grade.
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Weiterhin ist, da in dem konventionellen
Schmelzreduktionsverfahren der Vorreduktionsgrad hoch ist, ein
Vorreduktionsofen von großer Kapazität notwendig. Ein
anderes Problem ist, daß, da metallisches Eisen in dem
Erz (vorreduziertes Eisen) gebildet wird, welches dazu
neigt, aneinander zu haften, das Erz zu großen Klumpen
geformt wird, wodurch man auf Schwierigkeiten wie eine
Hemmung der Reaktion und der Überführung stößt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, die oben
beschriebenen Probleme zu lösen, indem ein
Schmelzreduktionsverfahren zur Verfügung gestellt wird, bei dem
der Energienutzungsgrad auf eine maximale Grenze
angehoben wird und der Verbrauch an Materialien wie Kohle,
Sauerstoff und Kalk so gering wie möglich gemacht
wird.
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Gemäß dieser Erfindung wird, um die oben beschriebenen
Probleme zu lösen, ein Verfahren zur Schmelzreduktion
von Eisenoxiderz zur Verfügung gestellt, welches
aufweist ein Vorreduzieren des in festem Zustand in einem
Vorreduktionsofen (1), danach Schmelzen des Erzes und
Durchführen seiner endgültigen Reduktion in einem
Schmelzreduktionsofen (2), und gleichzeitig Einführen
von Gas, das in dem Schmelzreduktionsofen erzeugt
wurde und reduzierende Fähigkeit hat, in den
Vorreduktionsofen, dadurch gekennzeichnet, daß sekundär
Sauerstoff in den Schmelzreduktionsofen (2) eingeführt
wird, um einen Teil des aus der Oberfläche der
Eisenschmelze hervorgehenden Gases zu veranlassen,
eine sekundäre Verbrennung durchzumachen, die in einem
Bereich von 20 bis 60% gehalten wird, und daß das
Ausmaß des Vorreduzierens des Erzes in dem
Vorreduktionsofen (1) auf einen Wert größer als 10% und weniger
oder gleich 33% gesteuert wird durch Verändern des
Ausmaßes der sekundären Verbrennung.
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Mittels der Ausführung des Schmelzreduktionsverfahrens
dieser Erfindung wird Eisenerz, das in dem
Vorreduktionsofen bis zu einem maximalen Grad von in der
Größenordnung von 33% vorreduziert worden ist,
vollkommen zu 100% in dem Schmelzreduktionsofen von hohem
Reduktionsgrad reduziert, aber da in dem
Reduktionsgas, das in dem Vorreduktionsofen benötigt wird, kein
hohes Reduktionsvermögen notwendig ist, kann die
sekundäre Verbrennung in dem Schmelzreduktionsofen
genügend ausgeführt werden. Daher steigt der
Energienutzungsgrad in dem Gesamtverfahren auf eine maximale
Grenze.
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Die Natur, Nützlichkeit und weitere Merkmale dieser
Erfindung werden klarer deutlich werden aus der
folgenden genauen Beschreibung in Bezug auf bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung, wenn sie in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen
werden, die unten kurz beschrieben werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Ansprüchen 2 bis 4 gezeigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den begleitenden Zeichnungen ist:
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Fig. 1 ein schematisches Flußdiagramm, das ein erstes
Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung
einer Ausführungsform der Erfindung angibt;
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Fig. 2 eine graphische Darstellung, die Beziehungen
angibt zwischen Vorreduktionsgrad, sekundärem
Verbrennungsgrad und Kohleverbrauch in dem in
Fig. 1 gezeigten Schmelzreduktionssystem;
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Fig. 3 ein schematisches Flußdiagramm, das ein
zweites Beispiel einer Vorrichtung zur
Durchführung einer anderen Ausführungsform der
Erfindung angibt;
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Fig. 4 ein Reduktions-Gleichgewichts-Diagramm für die
von CO-Gas herrührende Reduktion von Eisen;
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Fig. 5 ein schematisches Flußdiagramm, das ein
drittes Beispiel einer Vorrichtung zur
Ausführung noch einer anderen Ausführungsform der
Erfindung angibt;
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Fig. 6 ein schematisches Flußdiagramm, das ein
viertes Beispiel einer Vorrichtung zur
Durchführung einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung angibt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nimmt man zuerst auf Fig. 1 bezug, so sind die
hauptsächlichen Bestandteile der darin gezeigten
Vorrichtung zur Durchführung des
Schmelzreduktionsverfahrens dieser Erfindung ein Vorreduktionsofen 1 und
ein Schmelzreduktionsofen 2. Bei der Betriebsweise der
Vorrichtung dieses Beispiels wird Eisenerz zuerst im
festen Zustand in dem Vorreduktionsofen 1 vorbereitend
reduziert oder vorreduziert, und wird danach in dem
Schmelzreduktionsofen 2 geschmolzen und der
endgültigen Reduktion unterzogen, während
Hochtemperaturgas mit reduzierender Fähigkeit das in dem
Schmelzreduktionsofen 2 gebildet worden ist, als ein
Reduktionsgas in den Vorreduktionsofen 1 eingeführt
wird.
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Bei dem Vorreduktionsofen 1 wird partikelförmiges
Eisenerz durch eine Erzbefüllungsleitung 11 in ihn
eingefüllt, während reduzierendes Gas noch oben durch
eine Gasüberführungsleitung 25 und durch eine
perforierte Verteilungsplatte (Rectifizierungsplatte)
1a an einem unteren Teil des Ofens 1 in ihn eingeführt
wird, worauf das Eisenerz in Partikelform auf der
Verteilungsplatte 1a ein Fließbett 1b ausbildet, das
(mittels einer nicht gezeigten Einrichtung) bewegt und
gemischt wird. Das Eisenerz in diesem fluidisiertem
Zustand wird dadurch von dem reduzierenden Gas
kontaktiert, macht eine Reaktion durch, und wird
dadurch vorreduziert.
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Das auf diese Weise vorreduzierte Eisenerz
(vorreduziertes Eisen) tritt durch die Verteilungsplatte 1a
und wird durch eine darunter angeordnete Auslaßleitung
12 oder durch eine Seitenwandung des Ofens 1 durch
eine Auslaßleitung 13 nach außen abgegeben, und wird
zum Beispiel mittels Gastransport durch eine
Überführungsleitung 14 überführt, um in das geschmolzene
Eisen 2a in dem Schmelzreduktionsofen 2 gegeben zu
werden. In das geschmolzene Eisen 2a (und die Schlacke
2b) in dem Schmelzreduktionsofen 2 werden zusätzlich
zu dem oben erwähnten vorreduzierten Eisen Kohle und
Kalk durch eine Befüllungsleitung 21 eingeblasen.
Weiterhin werden Sauerstoff und, falls erforderlich,
Kohlendioxidgas (CO&sub2;) oder Prozeßrückgewinnungsabgas
(CO + CO&sub2; + H&sub2; + H&sub2;O) durch eine Befüllungsleitung 22
eingeblasen. Zusätzlich wird durch eine
Befüllungsleitung 23 Sauerstoff in den Gasraum in den Ofen 2
geblasen, und ein Teil des aus der
Eisenschmelze-Oberfläche hervorgehenden Gases wird veranlaßt, eine
sekundäre Verbrennung durchzumachen. Als ein Ergebnis
wird ein Gas innerhalb des Schmelzreduktionsofen 2
erzeugt, durch eine obere Ofenhaube 24 und die
vorgenannte
Gasüberführungsleitung 25 geleitet und wird in
den Vorreduktionsofen 1 eingeführt, um in dem
Vorreduktionsschritt verwendet zu werden. Das sich
ergebende Abgas in dem Vorreduktionsofen 1 wird durch
eine Abgasleitung 26 nach außen entlassen.
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In dem gegenwärtigen Beispiel wird, um den
Energienutzungsgrad des gesamten Verfahrens zu erhöhen, das
Verfahren so gesteuert, daß fast das gesamte Eisenerz
in dem Vorreduktionsofen 1 zu FeO reduziert werden
wird und das Ausmaß dem sekundären Verbrennung in dem
Schmelzreduktionsofen 2 20 bis 50% ist. In dem Fall,
in dem das Fe&sub2;O&sub3; in den Vorreduktionsofen 1 zu FeO
reduziert wird, ist der Vorreduktionsgrad 33,3%, aber
in dem tatsächlich als ein Rohmaterial verwendeten
Eisenerz ist auch zusätzlich zu Fe&sub2;O&sub3; etwas Fe&sub3;O&sub4; von
leicht geringerem Sauerstoffgehalt enthalten.
Darüberhinaus wird, wenn die Wirtschaftlichkeit des
Vorreduktionsofens im Hinblick auf seine Eigenschaften, da er
vom Fließbettyp ist, betrachtet wird, der tatsächliche
Vorreduktionsgrad näherungsweise 20 bis 33%, das
heißt ein Maximum in der Größenordnung von 33%.
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Der Grund, warum der Energienutzungsgrad hoch gemacht
wird, indem man den Vorreduktionsgrad und den
sekundären Verbrennungsgrad in dieser Weise einstellt,
ist wie folgt.
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In einem Schmelzreduktionssystem, wie es in Fig. 1
angegeben ist, werden in dem Fall, in dem das Erhalten
einer Einheitsmenge von geschmolzenem Eisen (Tonne)
betrachtet wird, die folgenden Beziehungen aus einem
Vergleich und einer Studie der grundlegenden
Reaktionsformeln (1) bis (6), die hierin vorstehend
dargelegt wurden, deutlich gemacht.
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1) Auf der Basis des Vergleichs von (3)·(4) und (5)·(6)
: Durch Verändern des Vorreduktionsgrads in
dem Vorreduktionsofen 1 wird die Menge an CO, die
in dem Vorreduktionsofen 1 benötigt wird,
veranlaßt, sich zu ändern, wodurch sich die Menge an in
dem Schmelzreduktionsofen 2 benötigtem C
verändert.
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2) Auf der Basis des Vergleichs von (1) und (2)
Wenn der sekundäre Verbrennungsgrad in dem
Schmelzreduktionsofen 2 verändert wird, verändert
sich die erforderliche Menge an C.
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3) Auf der Basis des Vergleichs von (1) und (2)
Wenn sich der sekundäre Verbrennungsgrad ändert,
verändert sich die aus dem Schmelzreduktionsofen 2
abgegebene Menge an CO. Da der Vorreduktionsgrad
in dem Vorreduktionsofen 1 veranlaßt wird, sich
durch diese CO-Menge zu verändern (Bezugsstelle:
Fig. 4), beeinflußt der sekundäre Verbrennungsgrad
den Vorreduktionsgrad.
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Aufgrund der obigen Überlegungspunkten kann man
denken, daß durch Auswählen eines geeigneten
Vorreduktionsgrads und eines geeigneten sekundären
Verbrennungsgrads die benötigte Menge an C minimal
gemacht werden kann, in anderen Worten, der effektive
Nutzungsgrad der Energie maximal gemacht werden kann.
Dementsprechend beschlossen wir, den Verbrauch an C zu
bestimmen auf der Basis der grundlegenden
Reaktionsformeln (1) bis (6) im Hinblick auf verschiedene
Kombinationen unterschiedlicher Werte des
Vorreduktionsgrads und des sekundären Verbrennungsgrads.
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Um das Ausmaß des Verbrauchs an C (das heißt Kohle) in
Reduktionsschritten so nahe wie möglich am
tatsächlichen
Fall zu untersuchen, wurden in den
Berechnungen Faktoren wie die in jedem Fall aus dem
Ofenaufbau entlassene Wärme (Wärmeübertragungsverlust)
und die Wärmeüberführungseffizienz in das geschmolzene
Eisen der durch die sekundäre Verbrennung erzeugten
Wärme auf der Basis von Ergebnissen vorläufiger Tests,
die vorher durchgeführt worden waren, in Betracht
gezogen. Zusätzlich wurden, nach dem Einsetzen von
Variablen wie den Anteilen der Rohmaterialien und des
geschmolzenen Eisens, wie unten beschrieben, die
grundlegenden Reaktionsformeln (1) bis (6), nach
Korrekturen, verwendet.
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a) Rohmaterialien:
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Eisenerz: Zusammensetzung (%, trockener Zustand)
. . .
T·Fe: 67,8, FeO: 0,1, LOI: 0,5,
SiO&sub2;: 0,7, CaO: 0,06, MgO: 0,04
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Kohle: Zusammensetzung (%, trockener Zustand)
T·C: 80,0, S: 0,5, H: O, N:1,0
O: 10,0
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Zusammensetzung in Kohlenasche (%, trockener
Zustand)
SiO&sub2;: 60, CaO: 4, MgO: 15
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Kalk: Zusammensetzung (%, trockener Zustand) . . .
CaO: 53,0, MgO: 1,0, LOI: 42,7
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b) Geschmolzenes Eisen: Zusammensetzung (%) . . .
Fe: 94,5, C: 4,5
Temperatur 1.450ºC
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c) Beladungstemperatur: 500ºC von Vorreduktionseisen
in den Schmelzreduktionsofen
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d) Reaktionstemperatur im Vorreduktionsofen:
800ºC
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e) Gas zum Kühlen des Inneren des
Schmelzreduktionsofens: CO&sub2; (25ºC)
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f) CO-Menge innerhalb des Vorreduktionsofens:
Auf der Basis des Gleichgewichts-Diagramms von
Fig. 4 wurde eine geeignete Menge zu dem als
theoretisch notwendig zur Erhaltung des
spezifischen Vorreduktionsgrads erachteten Wert
hinzugefügt, und der sich ergebende Wert wurde als der
erforderliche Minimalwert genommen. Zum Beispiel
ließ man zum Reduzieren von Fe&sub2;O&sub3; zu FeO bei 800ºC
das Verhältnis CO/(CO+CO&sub2;) 30% oder höher sein,
und zur weiteren Reduktion zu Fe ließ man dieses
Verhältnis 70% oder höher sein.
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Als ein Ergebnis der obigen Berechnung und unter
Ausdrücken der Verbrauchsmenge an Kohle, die für die
Erzeugung einer Einheitsmenge (1t) von geschmolzenem
Eisen notwendig ist, als t/t von geschmolzenem Eisen,
wurde die in Fig. 2 gezeigte graphische Darstellung
erhalten. Der Kohleverbrauch wird anstelle des
Energienutzungsgrades unter den idealen Bedingungen,
wie hierin vorstehend erwähnt, als ein Wert genommen,
der den Verbrauchsgrad der tatsächlichen Energie
angibt. Diese graphische Darstellung gibt den
Kohleverbrauch in dem Fall an, in dem der sekundäre
Verbrennungsgrad eingestellt wird in Stufen von 10% von
0% an, und der Vorreduktionsgrad von 0 bis 90%
variiert wird. In dieser graphischen Darstellung sind
Fälle, in denen die Gastemperatur am Auslaß des
Schmelzreduktionsofens 2 1.900ºC überschreitet wegen
der sekundären Verbrennung, ausgeschlossen.
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Wie aus Fig. 2 offensichtlich ist, wird der
Kohleverbrauch minimal, wenn der sekundäre Verbrennungsgrad 50
% ist und der Vorreduktionsgrad näherungsweise 33%
ist. Man kann auch sehen, daß in dem Intervall
zwischen 50 und 20% des sekundären
Verbrennungsgrades und mit einem Vorreduktionsgrad von
näherungsweise 33%, minimale Wert angegeben sind.
Weiterhin zeigt die gleiche graphische Darstellung an,
daß, da in dem Fall, in dem der Vorreduktionsgrad 33%
überschreitet, eine große Menge an CO notwendig ist,
der Kohleverbrauch kolossal ansteigen wird, wenn der
sekundäre Verbrennungsgrad hoch (30% oder höher)
gemacht wird.
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Wenn die nach den obigen Berechnungen bestimmten
Verbrauchsmengen der Kohle, des Sauerstoffs und des Kalk
(pro Tonne an geschmolzenem Eisen) in Bezug zu den
Punkten A bis D in Fig. 2 angegeben werden, erhält man
die folgenden Ergebnisse. Der sekundäre
Verbrennungsgrad wird abgekürzt als S.C.R. und der
Vorreduktionsgrad wird abgekürzt als P.R.
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Punkt A (S.C.R. 20%, P.R. 9,3%)
Kohle 1,73t, Sauerstoff 1.060 Nm³, Kalk 0,31t
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Punkt B (ST.R. 20%, P.R. 33%)
Kohle 1,30t, Sauerstoff 790 Nm³, Kalk 0,24t
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Punkt C (S.C.R. 20%, P.R. 75%)
Kohle 2,70t, Sauerstoff 1,730 Nm³, Kalk 0,47t
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Punkt D (S.C.R. 50%, P.R. 33%)
Kohle 0,71t, Sauerstoff 450Nm³, Kalk 0,15t
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So sind am Punkt B oder D, wo der Kohleverbrauch
niedrig ist (und P.R. in beiden Fällen 33% ist), der
Verbrauch an Sauerstoff und Kalk auch niedrig.
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Die Erfindung wird nun beschrieben werden mit Bezug
auf eine zweite Ausführungsform von ihr und mit Bezug
auf Fig. 3, in der jene Teile, die die gleichen sind
wie oder gleichwertig zu entsprechenden Teilen in Fig.
1
durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Fig. 3
stellt eine Vorrichtung zur Durchführung des
Schmelzreduktionsverfahrens für die Eisenherstellung
gemäß der Erfindung dar, die im Grunde die gleiche ist
wie die in Fig. 1 angegebene. Bei dieser Vorrichtung
wird die Energie von Gas, das in zwei Reduktionsöfen
erzeugt und aus ihnen abgegeben wird, für einen
anderen Zweck außerhalb des Verfahrens verwendet, um
dadurch die Energie wirksam zu nutzen. Auf der Basis
der Analysenergebnisse in der ersten Ausführungsform
der Erfindung ist auch in diesem Beispiel der
Vorreduktionsgrad auf 33% und der sekundäre
Verbrennungsgrad auf 50% eingestellt.
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Dieses Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß das in
dem Schmelzreduktionsofen 2 gebildete Gas veranlaßt
wird, auf seinem Überführungsweg zu dem
Vorreduktionsofen 1 durch einen Entstauber 31, einen Dampferzeuger
32 (Nr. 1 Siedegefäß) und eine
Gas-Teilverbrennungsvorrichtung 33 zu strömen, und das Abgas aus dem
Vorreduktionsofen 1 veranlaßt wird, durch einen
Entstauber 34 und einen Dampferzeuger 35 (Nr. 2 Siedegefäß)
zu strömen. Daher werden diese Gase jeweils durch die
Entstauber 31 und 34 vom Staub gereinigt und in die
Dampferzeuger 32 und 35 geleitet, um als Wärmequellen
zur Erzeugung von Dampf verwendet zu werden. Durch
diese Nutzung dieser Gase wird die Wärme, die diese
Gase besitzen, in Dampfenergie umgewandelt, die daher
verwendet werden kann zur Erzeugung von elektrischer
Energie, für Raumheizung und andere Verwendungen in
der Eisen- und Stahlanlage.
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Die Vorrichtung 33 zur teilweisen Verbrennung von Gas
ist wirksam zum Wiederaufheizen des Gases, dessen
Temperatur in dem Nr. 1 Siedegefäß gesunken ist,durch
Einblasen von Sauerstoff oder eines Sauerstoff
enthaltenden
Gases in dieses Gas und Verbrennen eines
Teils seines brennbaren Bestandteils, um dadurch die
Gastemperatur auf den für den Vorreduktionsofen 1
notwendigen Wert anzuheben. Da der Vorreduktionsgrad in
dem Vorreduktionsofen 1 niedrig ist, ist das
resultierende Gas mehr als befriedigend zur Verwendung als das
Gas für die Vorreduktion, selbst durch diese teilweise
Verbrennung in der ein Teil des CO oder H&sub2; in dem Gas
verbrannt und in CO&sub2; und H&sub2;O umgewandelt wird, wenn die
Gastemperatur ansteigt. Zur Steigerung der thermischen
Effizienz des Nr. 1 Siedegefäßes 32 kann die
Injektionsöffnung zum Einblasen des Sauerstoffes für
die teilweise Verbrennung in dem Gasströmungsweg
innerhalb des Nr. 1 Siedegefäßes 32 vorgesehen werden.
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Die Temperaturen und Zusammensetzungen, die in den
vier Tabellen in Fig. 3 gezeigt sind, sind
quantitative Werte, die die Zustände der Gase an
verschiedenen Punkten in den Gasströmungswegen angeben.
In diesem zweiten Beispiel geben diese Werte
Ergebnisse von Berechnungen an, die ausgeführt wurden unter
Einstellung des Vorreduktionsgrades und des sekundären
Verbrennungsgrades wie oben angegeben unter den
Bedingungen a) bis f) des vorangehenden ersten Beispiels
und den folgenden Bedingungen A), B) und C).
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A) Gastemperaturveränderung im Nr. 1 Siedegefäß 32:
1.700ºC auf 600ºC
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B) Ausmaß der teilweisen Verbrennung (Anteil der
Umwandlung von CO·H&sub2; in CO&sub2;·H&sub2;O am Teilbrenner
33:
15%
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C) Gastemperaturveränderung im Nr. 2 Siedegefäß 35:
800ºC auf 400ºC.
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Unter den Werten in den Tabellen, die bedeutsam sind,
sind diejenigen, die sich auf das Auslaßgas der Gas-
Teilverbrennungsvorrichtung 33 und das Auslaßgas des
Vorreduktionsofens 1 beziehen. Das Verhältnis CO/(CO +
CO&sub2;) des Auslaßgases des Teilbrenners 33 ist 38%, was
weniger als 65% ist. Aus diesem Grund kann, wenn
dieses Gas in den Vorreduktionsofen 1 eingeführt wird,
um bei näherungsweise 800ºC Vorreduktion des
Eisenerzes durchzuführen, kein reines Eisen in dem Eisenerz
erzeugt werden.
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Das Auslaßgas aus dem Vorreduktionsofen 1 enthält CO
und H&sub2; in Mengen, die genügend sind zur Reduktion des
Eisenerzes zu FeO. Das heißt, in dem Fall, in dem C
und H&sub2; in dem Gas vorhanden sind, sind die Bedingungen
zur Erhaltung von FeO bei 800ºC CO/CO&sub2;> 0,35 und
darüberhinaus, H&sub2;/H&sub2;O> 0,34. Diese Bedingungen sind
erfüllt, da die Ergebnisse der Berechnung für das
Auslaßgas des Vorreduktionsofens 1 CO/CO&sub2;= 0,36 und
H&sub2;/H&sub2;O = 1,18 sind. Weiterhin enthält dieses Gas, das
durch den Nr. 2 Siedegefäß 35 abgegeben wird,
vermittels seiner Zusammensetzung chemische Wärme von
3,266·10&sup6; J/Nm³ (780 kcal/Nm³), wodurch es als
Brennstoff verwendet werden kann innerhalb des Eisen- und
Stahlwerks ähnlich wie im Fall von Hochofengas und
dergleichen.
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Die Menge an von den Dampferzeugern 32 und 35
erzeugtem Dampf wird näherungsweise 1,6t (pro Tonne an
geschmolzenem Eisen) insgesamt. Wenn dieser gesamte
Dampf zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet
wird, wird sie näherungsweise 300 kW (pro Tonne an
geschmolzenem Eisen) werden, was bedeutet, das eine
große Menge an Energie außerhalb des Verfahrens
verwendet werden kann.
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Noch ein anderes vorteilhaftes Merkmal der Vorrichtung
dieses Beispiels ist, daß Schwankungen in der
Temperatur und der Zusammensetzung des Gases für die
Vorreduktion, die aus Schwankungen in den
Betriebsbedingungen des Schmelzreduktionsofens 2 entstehen,
durch Verändern des Ausmaßes der teilweisen
Verbrennung unterdrückt werden können. Genauer gesagt,
wird bei dem Betrieb des Schmelzreduktionsofens 2 die
Beladungsmenge der Kohle, des Sauerstoffs oder des
Kalks in Übereinstimmung mit Faktoren, wie dem Ausmaß
des Fortschritts der Reduktionsreaktion variiert. Als
ein Ergebnis schwankt auch die Temperatur und die
Zusammensetzung des in dem Schmelzreduktionsofen 2
gebildeten Gases (das heißt, des Gases für die
Vorreduktion, das in den Vorreduktionsofen 1 eingeführt
wird). Durch Einstellen des Grades der teilweisen
Verbrennung des Gases in der
Gas-Teilverbrennungsvorrichtung 33 in Übereinstimmung mit dieser Schwankung,
können die Temperatur und Zusammensetzung des Gases so
zustande gebracht werden, wie sie für das Gas für die
Vorreduktion wünschenswert sind. In dem Fall zum
Beispiel, in dem als eine Folge einer Erniedrigung des
sekundären Verbrennungsgrades durch Verringern der in
den Schmelzreduktionsofen 2 eingeblasenen Menge an
Sauerstoff, der Gehalt an CO in dem Gas ansteigt und
die Gastemperatur sinkt, kann der Zustand des Gases
durch Erhöhen des Ausmaßes der teilweisen Verbrennung
in der Gas-Teilverbrennungsvorrichtung 33 korrigiert
werden, um zu einem Reduktionsgrad von 33% zu passen.
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Das oben beschriebene Schmelzreduktionsverfahren der
Erfindung ist nicht beschränkt auf die Herstellung von
Eisen durch Reduzieren von Eisenerz, sondern ist auch
anwendbar für die Herstellung anderer Metalle nach
einem ähnlichen Verfahren wie dem der Erhaltung von
Ferrochrom durch Reduzieren von Chromerz (CR&sub2;O&sub3; oder
FeCr&sub2;O&sub4;).
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Durch die Durchführung des oben beschriebenen
Schmelzreduktionsverfahrens werden die folgenden nützlichen
Wirkungen geboten.
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1) Die Verbrauchsmenge an Kohle, die benötigt wird
zur Erhaltung einer spezifischen Menge eines
geschmolzenen Metalls, wird stark verringert.
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2) Zusammen mit der obigen Wirkung 1) werden auch die
Verbrauchsmengen an Sauerstoff und Kalk
verringert.
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3) Zusammen mit den obigen Wirkungen 1) und 2) nimmt
die Menge an gebildetem Abgas ab.
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4) Zusammen mit den obigen Wirkungen 1) und 2) nimmt
die Menge an in dem geschmolzenen Metall
gebildeter Schlacke ab, wodurch der Verlust an
Metall verringert wird und die Ausbeute an Metall
bei seiner Herstellung gesteigert wird.
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5) Zusammen mit den obigen Wirkungen 1) bis 4) können
die Ausrüstung zur Überführung von Materialien wie
Kohle und Kalk, die Ausrüstung zur
Sauerstoffzufuhr und die Ausrüstung zur Behandlung des Abgases
im Maßstab und in den Kosten verringert werden,
und ihre Betriebskosten können gesenkt werden.
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6) Da der Vorreduktionsgrad niedrig ist, kann ein
Vorreduktionsofen von kleinem Ausmaß verwendet
werden.
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7) Da eine geringe Reduktionskapazität (Menge an
reduzierendem Bestandteil) des Gases für die
Vorreduktion ausreichend ist, kann Energie wirksam
ausgenutzt werden, zum Beispiel als die maximale
Rückgewinnung fühlbarer Wärme des Gases in den
Siedegefäßen,
wie in dem zweiten Beispiel
gezeigt.
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Noch ein anderes (drittes) Beispiel einer Vorrichtung
zur Durchführung des Schmelzreduktionsverfahrens
dieser Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. In dieser
Vorrichtung wird das Gas, das nach der sekundären
Verbrennung aus dem Schmelzreduktionsofen 2 erhalten
wird, durch eine mit der oberen Ofenhaube 24
verbundene Gasleitung 41 geführt, und ein Teil dieses Gases
wird verteilt durch eine Zweiggasleitung 41a, die von
der Gasleitung 41 abzweigt, und, einen
Staubabscheider 43 vom Naßtyp, ein Gebläse 44 und eine
Decarbonisiervorrichtung 45 passierend, in einer Gasleitung 42
mit dem Gas, das in der anderen Zweiggasleitung 41b
strömte, vereint und vermischt. Das sich ergebende
gemischte Gas wird durch einen heißen Cyclon 46 und
eine Teilverbrennungsvorrichtung 47 geführt und wird,
als ein Gas für die Vorreduktion, in den
Vorreduktionsofen 1 eingeführt.
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Der Staubabscheider 43 vom Naßtyp ist in seiner Art
nicht beschränkt, solang er eine Vorrichtung ist, die
Kühlen kann und Staub aus dem Gas entfernen kann. Die
Decarbonisiervorrichtung 45 kann auch irgendeine von
verschiedenen Typen von Vorrichtungen zum
Gasreformieren oder Modifizieren sein, zum Beispiel eine
Vorrichtung zum Reformieren von CO&sub2; zu CO oder H&sub2; durch
die Verwendung eines Kohlenwasserstoffs oder
pulverisierter Kohle. In der Vorrichtung 47 zur teilweisen
Verbrennung wird Sauerstoff (oder ein Sauerstoff
enthaltendes Gas) in einen Teil des Gases geblasen, um
einen Teil seines brennbaren Bestandteils zu
veranlassen, eine Verbrennung durchzumachen, um dadurch die
Temperatur des Gases zu erhöhen. Anstelle dieser
Vorrichtung
kann eine Heizvorrichtung irgendeines Typs
zur Erhöhung der Gastemperatur verwendet werden.
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In diesem Beispiel ist der Vorreduktionsofen 1,
ähnlich wie in den vorangehenden Beispielen, vom
Fließbettyp. Eisenerz in partikelförmiger Form, das
durch die Erzbeschickungsleitung 11 in diesen Ofen 1
gefüllt wird, wird durch das Gas für die Vorreduktion,
das durch die Gasleitung 42 in diesen Ofen eingeführt
wird, wie oben beschrieben, veranlaßt, auf der
perforierten Verteilungsplatte (Rectifizierungsplatte) 1a
ein Fließbett auszubilden, und wird in diesem Zustand
von dem Reduktionsgas kontaktiert und reagiert mit
ihm, um vorreduziert zu werden. Das dergestalt
vorreduzierte Eisen wird durch die Auslaßleitung 12 oder 13
abgegeben und wird, zum Beispiel durch Gastransport,
durch die Überführungsleitung 14 überführt, um in den
Schmelzreduktionsofen 2 gegeben zu werden. Das oben
erwähnte, in der Vorreduktion verwendete Gas wird
getrennt aus dem Vorreduktionsofen 1 durch die
Abgasleitung 26 abgegeben.
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In diesem dritten Beispiel sind die charakteristischen
Merkmale des Gases für die Vorreduktion angepaßt, um
den Energienutzungsgrad des gesamten Verfahrens zu
erhöhen, und gleichzeitig wird der sekundäre
Verbrennungsgrad in dem Schmelzreduktionsofen 2
veranlaßt, 60% oder höher zu sein, so daß Reduktion
durchgeführt werden wird, bis in dem Vorreduktionsofen 1
Eisenerz nahezu FeO werden wird. In dem Fall, in dem
Fe&sub2;O&sub3; in dem Vorreduktionsofen zu FeO reduziert wird,
ist der Vorreduktionsgrad 33,3%. Das tatsächlich als
ein Rohmaterial verwendete Eisenerz enthält jedoch
zusätzlich zu FeO&sub3; auch etwas Fe&sub3;O4 von leicht
niedrigem Sauerstoffgehalt. Aus diesem Grund wird der
tatsächliche Vorreduktionsgrad etwas niedriger als
33,3% sein.
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In einem Verfahren, wie es in Fig. 5 angegeben ist,
werden durch Einstellen der charakteristischen
Merkmale des Gases für die Vorreduktion der
Vorreduktionsgrad und der sekundäre Verbrennungsgrad aus
den folgenden Gründen in dieser Weise festgesetzt.
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Wie hierin vorstehend beschrieben, wird das Ausmaß der
Vorreduktion in dem Vorreduktionsofen 1 bestimmt durch
die Menge (Anteil) von CO, die in dem Gas für die
Vorreduktion enthalten ist. Diese CO-Menge, wiederum,
wird bestimmt durch die Menge an C (Kohle), die in den
Schmelzreduktionsofen 2 gefüllt wird, und durch das
Ausmaß der sekundären Verbrennung. Weiterhin variiert
die Menge von C mit dem Vorreduktionsgrad des in den
Schmelzreduktionsofen 2 gefüllten Eisenerzes. Dieser
Trend kann leicht verstanden werden mittels einer
Vergleichsstudie der grundlegenden Reaktionsformeln (2),
(5) und (6) einer Anzahl von Reaktionsformeln, in
denen der sekundäre Verbrennungsgrad und der
Vorreduktionsgrad verändert sind, des bekannten, CO-Gas und
Eisen betreffenden Reduktions-Gleichgewichtsdiagramms,
das in Fig. 4 gezeigt ist, und anderer Daten.
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Aus einer quantitativen Studie der oben betrachteten
Punkte erscheint es möglich, geeignete Werte des
Vorreduktionsgrads und des sekundären
Verbrennungsgrads zu bestimmen zur Verringerung der
Verbrauchsmenge von C für die Gewinnung einer Einheitsmenge an
geschmolzenem Eisen Fe (e) zu einem Minimum, in
anderen Worten, zur Erreichung einer maximalen Nutzung
von Energie. Dementsprechend bestimmten wir diese
Grade durch Rechnung nach dem Festsetzen von
realistischen Bedingungen
(z . B. charakteristische
Merkmale des Eisenerzes und der Kohle und Wärmeverlust
von verschiedenen Teilen). Dann führten wir
Belegexperimente durch. Die so erhaltenen Ergebnisse waren
wie folgt.
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i) Die Verbrauchsmenge an Kohle (C) wird ein Minimum
für einen sekundären Verbrennungsgrad von 20%
oder höher, wenn der Vorreduktionsgrad 33% ist.
Diese Werte sind geringer als die minimale
Kohleverbrauchsmenge in dem Fall, in dem der sekundäre
Verbrennungsgrad weniger als 20% ist. Die
Kohleverbrauchsmenge in dem Fall eines
Vorreduktionsgrades von 33% nimmt ab mit der Zunahme des
sekundären Verbrennungsgrads über 20% hinaus.
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ii) Wenn der sekundäre Verbrennungsgrad 60%
überschreitet, fällt die Menge von CO in dem in dem
Schmelzreduktionsofen erzeugten Gas ab. Daher
kann, außer wenn dieses Gas reformiert oder
modifiziert wurde, ein Vorreduktionsgrad von 33%
nicht erreicht werden.
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Um zusammenzufassen: Halten des Vorreduktionsgrads bei
33% und Erhöhen des sekundären Verbrennungsgrads
soweit wie möglich führt zu einer Verringerung des
Kohleverbrauchs. Zum Beispiel wird der Kohleverbrauch
in dem Fall eines sekundären Verbrennungsgrads von 50
% und eines Vorreduktionsgrads von 33% näherungsweise
40% geringer als der in dem vorher beschriebenen
Beispiel (sekundärer Verbrennungsgrad 0% und
Vorreduktionsgrad 75%). Dies zeigt ein großes Ausmaß an
Verbesserung an.
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Wenn, um den Kohleverbrauch zu verringern, der
sekundäre Verbrennungsgrad auf 60% oder höher
eingestellt wird, kann das von dem Schmelzreduktionsofen 2
erzeugte Gas aus dem in Paragraph ii) oben angegebenem
Grund nicht direkt wie es ist als das Gas für die
Vorreduktion verwendet werden. In diesem Beispiel wurde
aus den oben angegebenen Gründen durch Einstellen der
Merkmale des Gases für die Vorreduktion der
Vorreduktionsgrad auf einen Wert in der Größenordnung von
33% und der sekundäre Verbrennungsgrad auf 60% oder
höher eingestellt.
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Probeweise Berechnungen, die charakteristischen
Merkmale der Gase an verschiedenen Bereichen (Punkte A bis
G in Fig. 5) der Gasleitungen der Vorrichtung des
gegenwärtigen Beispiels betreffend, wurden für den
Fall ausgeführt, in dem, mittels der Verwendung der
Vorrichtung, das Verfahren ausgeführt wird unter den
Bedingungen eines sekundären Verbrennungsgrads in dem
Schmelzreduktionsofen 2 von 65%, einer Verteilung des
erzeugten Gases von der Gasleitung 41 zu 50% auf jede
der Zweigleitungen 41a und 41b, und einer Verbrennung
von 15% des brennbaren Bestandteils des Gases in der
Teilverbrennungsvorrichtung 47, worauf die folgenden
Ergebnisse erhalten wurden.
Bereich Gaszusammensetzung Temp. Gasmenge
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Bei den oben erwähnten Probeberechnungen wurde
angenommen, daß in dem Staubabscheider 43 vom Naßtyp 67Nm³
an H&sub2;O mit dem Kühlen des und mit Staubentfernung aus
dem Gas genommen werden und daß in der
Decarbonisiervorrichtung 45 90% oder 293Nm³ in CO&sub2; in dem Gas
genommen werden, und es wurden eine Verringerung der
Temperaturen der Gase innerhalb der verschiedenen
Vorrichtungen und Gasleitungen und, weiterhin, die
begleitende Shift-Reaktion betrachtet.
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Unter den obigen quantitativen Werten wird die
Gaszusammensetzung am Punkt G (dem Auslaß des
Vorreduktionsofens 1) erwähnt. In dem Gas an diesem Punkt G
sind CO und H&sub2; als der reduzierende Bestandteil
enthalten, und die Prozentmengen daran sind aus den
folgenden Gründen hoch und ausreichend zum Erreichen
eines Vorreduktionsgrads von 33% (Reduktion des
Eisenerzes zu FeO). Das heißt, wenn CO und H&sub2; in dem
Gas vorliegen, ist die Bedingung zum Erhalt von FeO
bei 800ºC CO/CO&sub2;> 0,35, die durch das
Probeberechnungsergebnis von CO/CO&sub2; = 0,36 befriedigt wird.
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Wenn der sekundäre Verbrennungsgrad auf 65% erhöht
wird, während der Vorreduktionsgrad auf einem Wert in
der Größenordnung von 33% gehalten wird durch
Einstellen der charakteristischen Merkmale des Gases für
die Vorreduktion in der oben beschriebenen Weise, wird
der Verbrauch von Kohle weiterhin um mehrere Prozent
verringert im Vergleich mit dem in dem oben
beschriebenen Fall eines sekundären Verbrennungsgrads von 50
%. In diesem Zusammenhang, der Kohleverbrauch in dem
Fall, in dem der sekundäre Verbrennungsgrad 20%
überschreitet, wächst schnell, wenn der Vorreduktionsgrad
33% überschreitet. Andererseits ist, da der
Kohleverbrauch
nur leicht ansteigt, selbst wenn der
Vorreduktionsgrad unterhalb 33% fällt, der tatsächliche
optimale Wert des Vorreduktionsgrads in einem Bereich
von etwas oberhalb 10% bis 33% bei der tatsächlichen
Produktion.
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Durch das Verfahren dieses Beispiels kann der
sekundäre Verbrennungsgrad weiter erhöht werden, wenn
eine große Menge an Gas reformiert wird durch Erhöhen
der Menge an Gas, die in die Gasleitung 41a
hineinverteilt wird. Daher ist es auch möglich, den
Kohleverbrauch weiter zu verringern. Auch in dem Fall, in dem
der sekundäre Verbrennungsgrad 60% oder weniger
beträgt, kann die Reduktionsfähigkeit des Gases für die
Vorreduktion gesteigert werden, wenn die
charakteristischen Merkmale des Gases nach diesem Verfahren
eingestellt werden. Daher werden viele Vorteile geboten,
wie das Erreichen desselben Vorreduktionsgrads (in der
Größenordnung von 33%), unter Verwendung eines
Vorreduktionsofens kleiner Kapazität.
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Ein weiteres (viertes) Beispiel einer Vorrichtung, die
geeignet ist für die Verwendung bei der Ausführung
dieser Erfindung, wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 6
beschrieben werden. Jene Teile in Fig. 6, die die
gleichen sind wie oder gleichwertig sind zu
entsprechenden Teilen in Fig. 5, werden durch gleiche
Bezugsziffern bezeichnet. Eine genaue Beschreibung
derartiger Teile wird nicht wiederholt werden. Dieses
Beispiel in Fig. 6 ist, ähnlich wie das in Fig. 5
gezeigte, dem Schmelzverfahren für Eisen angepaßt, ist
aber dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des
gekühlten und von Staub befreitem Abgas aus dem
Vorreduktionsofen 1, nachdem es reformiert wurde, in das
Gas gemischt wird, das in dem Schmelzreduktionsofen 2
erzeugt wurde, und durch eine Gasleitung 51 in den
Vorreduktionsofen 1 eingeführt wird.
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Genauer wird das Abgas, das aus dem Vorreduktionsofen
1 freigesetzt wurde und durch eine Abgasleitung 58
strömt, gekühlt und in einem Staubabscheider 53 vom
Naßtyp von Staub gereinigt, und danach wird es in
Zweiggasleitungen 58a und 58b verteilt. Das durch die
Gasleitung 58b geführte Gas wird abgegeben und als
Abgas abgeführt. Das durch die Gasleitung 58a
strömende Gas wird durch ein Gebläse 54 und eine
Decarbonisiervorrichtung 55 geführt und kommt zusammen
mit und wird gemischt mit dem oben beschriebenen Gas
in der Gasleitung 51. Ein Teil des sich ergebenden
gemischten Gases macht, ähnlich wie in dem in Fig. 5
gezeigten vorangehenden Beispiel, eine teilweise
Verbrennung in einer Teilverbrennungsvorrichtung 57
durch, um die Temperatur des Gases zu erhöhen, und
wird danach als Gas für die Vorreduktion in den
Vorreduktionsofen 1 eingeführt.
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In diesem Beispiel ist weiterhin, um die
charakteristischen Eigenschaften des Gases für die Vorreduktion
mit noch höherer Genauigkeit und Bestimmtheit
einzustellen, eine Gasleitung 51c vorgesehen, so daß ein
Teil des erzeugten Gases aus dem Schmelzreduktionsofen
2 als Abgas durch diese Gasleitung 51c abgegeben
werden kann, wenn notwendig. Dieses durch die
Gasleitung 51c geleitete Gas kann dazu veranlaßt
werden, mit der Strömung des oben erwähnten Abgases
durch die Gasleitung 58b zusammenzukommen. Da das in
dieser Weise abgegebene Gas einen brennbaren
Bestandteil enthält, kann es innerhalb dem Eisen- und
Stahlerzeugungswerk als Brennstoff verwendet werden.
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In diesem Beispiel sind auch die Gaszusammensetzungen
und Temperaturen so eingestellt, daß der
Vorreduktionsgrad des Eisenerzes in dem Vorreduktionsofen 1
33% sein wird. Daher kann ein hoher sekundärer
Verbrennungsgrad in dem Schmelzreduktionsofen 2 verwendet
werden, und es kann geschmolzenes Eisen erhalten
werden mit einem Kohleverbrauch, der geringer ist als
in einem bekannten Verfahren. In diesem Fall ist es
jedoch notwendig, da das Abgas aus dem
Vorreduktionsofen 1, das weniger CO und H&sub2; besitzt als in dem in
Fig. 5 erläuterten Beispiel, reformiert wird, eine
größere Menge an Gas (zum Beispiel 70 bis 80% der
Gesamtabgasmenge) durch die Gasleitung 58a zu führen
und zu decarbonisieren.
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Andererseits wird durch dieses Beispiel insofern ein
Vorteil geboten, als die Menge des Gases für die
Vorreduktion, selbst im Falle einer Schwankung in der
Menge der Gaserzeugung wegen einer Schwankung im
Betriebszustand des Schmelzreduktionsofens 2, durch
Steigern oder Vermindern der zu der Gasleitung 58a
verteilten Gasmenge oder der durch die Gasleitung 51c
abgegebenen Gasmenge eingestellt werden kann. Dieser
Vorteil ist besonders ausgeprägt in dem Fall, in dem
der Vorreduktionsofen 1 vom Fließbettyp ist, der eine
genaue und bestimmte Einstellung der Strömungsrate des
Gases für die Reduktion erfordert.
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Durch das oben beschriebene Verfahren der Einstellung
der charakteristischen Merkmale des Gases für die
Vorreduktion werden die folgenden vorteilhaften Wirkungen
geboten.
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1) Da die sekundäre Verbrennungsrate auf einen hohen
Wert gesteigert werden kann, wird das Ausmaß des
für die Erhaltung von geschmolzenem Metall
erforderlichen Kohleverbrauchs stark verringert.
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2) Es ist notwendig, nur einen Teil des erzeugten
Gases aus dem Schmelzreduktionsofen oder des
Abgases aus dem Vorreduktionsofens zu reformieren,
und daher sind die Kosten für Einrichtung und
Betrieb der Reformierungsanlage relativ niedrig.