DE3903705A1 - Verfahren und vorrichtung zur nachverbrennung von reaktionsgasen sowie verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reaktionsgasnachverbrennung, bei dem die Reaktionsgase, insbesondere CO und H₂, aus einem Eisenbad in den Gasraum eines Reaktorgefäßes, das über Einlei­ tungsdüsen unterhalb und Aufblasvorrichtungen oberhalb der Badoberfläche verfügt, gelangen und dann mit oxidierenden Gasen nachverbrannt werden und die dabei freigesetzte Energie mit einem hohen Wirkungsgrad an das Eisenbad übertragen wird.

Die Idee, Reaktionsgase aus einer Eisenschmelze mit Sau­ erstoff oder Luft nachzuverbrennen und die dabei freiwer­ dende Energie zur Verbesserung der Wärmebilanz des Pro­ zesses zu nutzen, ist bekannt. Es hat in der Vergangenheit nicht an Vorschlägen gefehlt, insbesondere bei der Stahlerzeugung das aus der Schmelze austretende CO im Frischgefäß zu CO₂ zu verbrennen und die Wärme für das Verfahren zu nutzen.

Bekanntgewordene Erfindungen auf diesem Gebiet sind bis etwa 1977 im wesentlichen darauf gerichtet, im Gasraum der Stahlerzeugungskonverter einen möglichst hohen Anteil der aus einer Eisenschmelze entweichenden Reaktionsgase nachzuverbrennen, ohne besondere Hinweise zur Rücküber­ tragung der entstehenden Wärme an die Schmelze zu be­ schreiben. Man ging davon aus, daß die freigesetzte Wärme das Mauerwerk im Gasraum des Konverters geringfügig aufheizt und die Energie von dort durch Strahlung an das Bad übertragen wird.

Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 25 22 467 wird die CO-Nachverbrennung im Konverter sogar dazu genutzt, um das Wärmeangebot im Konverterhut zu erhöhen und damit die unerwünschten Ansätze aus Stahlspritzern und Schlacke abzuschmelzen.

Das DDR-Patent 1 01 916 bezieht sich auf die CO-Nachverbrennung im Elektrolichtbogenofen und im Stahl­ erzeugungskonverter. Als erfindungswesentlich sind hier die ungefähr waagerechte Einbaulage der Nachverbrennungs­ düsen und die Regelung der Sauerstoffzufuhr zu diesen Dü­ sen genannt. Die bevorzugte Sauerstoffmenge für die Sei­ tenwanddüsen unmittelbar über dem Bad liegt nach der Erfindung zwischen 25 bis 30%, bezogen auf die Gesamt­ sauerstoffmenge.

Diese bislang beschriebenen Verfahren konnten sich nicht in die Betriebspraxis einführen, da eine Verbesserung der Prozeßwärmebilanz ausblieb und stattdessen ein voreilen­ der Verschleiß der Ausmauerung im oberen Konverterkonus durch eine starke Überhitzung auftrat.

Das Verfahren, mit dem es bei der Stahlerzeugung im Konverter gelungen ist, durch die Nachverbrennung von Re­ aktionsgasen aus der Schmelze das Wärmeangebot im Eisen­ bad und damit den Schrottsatz bei der Stahlerzeugung zu erhöhen, beschreibt die DE-Auslegeschrift 27 55 165. Bei diesem Prozeß werden zwischen 20 bis 80% der gesamten Sauerstoffmenge von oben durch einen oder durch mehrere auf die Badoberfläche gerichtete Gasstrahlen dem Frisch­ prozeß zugeführt, wobei die Gasstrahlen über einen we­ sentlichen Teil des Frischprozesses als in einem Gasraum blasende Freistrahlen wirken, und dabei beträchtliche Mengen der Konverterabgase ansaugen. Mit diesem Verfahren gelingt es betriebssicher, während einer Charge im Mittel ca. 20% CO aus der Schmelze nachzuverbrennen und die da­ bei freiwerdende Wärme mit einem hohen Wirkungsgrad an das Eisenbad rückzuübertragen. Die Schrottsatzsteigerung liegt bei ungefähr 6 Prozentpunkten.

Eine weitere Steigerung des Schrottsatzes ermöglicht das Verfahren gemäß DE-Patent 28 38 983, bei dem zur Verbes­ serung des wärmetechnischen Wirkungsgrades von festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bei der Stahlerzeugung mit erhöhtem Schrottsatz der Sauerstoff gleichzeitig auf und in das Bad geblasen wird. Dieser Prozeß ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff aus einem Abstand von mindestens 2 m über der ruhenden Badoberfläche als ein im Gasraum blasender Strahl zugeführt wird.

Die beiden letztgenannten Prozesse werden im breiten Um­ fang bei der Stahlerzeugung im Konverter angewendet. Al­ lerdings ergeben sich in der betrieblichen Praxis Grenzen im Nachverbrennungsgrad der aus der Schmelze austretenden Reaktionsgase. Der Nachverbrennungsgrad konnte im Mittel nicht über 25% gesteigert werden.

Weiterhin ist die Nachverbrennung der in einem Eisenbad erzeugten Gase aus Kohle bekannt. Gemäß GB-Patent 20 82 624 werden die in einem Eisenbadreaktor erzeugten Gase teilweise nachverbrannt, und die dabei freiwerdende Wärme nutzt man zur Reduktion von Eisenerz und damit zur Eisen­ erzeugung in dem Kohlevergasungsreaktor aus. Durch die Aufteilung der zugeführten Sauerstoffmenge unterhalb und oberhalb der Eisenbadoberfläche ließ sich der Nachver­ brennungsgrad in gewissen Grenzen beeinflussen, jedoch nicht deutlich über 25% steigern.

Bei den bekannten Prozessen sind als Aufblasvorrichtungen hauptsächlich Doppelrohrdüsen zum Einsatz gekommen, bei denen durch das Zentralrohr Sauerstoff strömt und der Ringspalt zum Düsenschutz mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagt wird. Die Aufteilung des Sauerstoffstrahles auf mehrere Bohrungen, vorzugsweise gleichmäßig über eine Kreisfläche verteilt, ist ebenfalls bekannt, hat aber zu keiner deutlichen Steigerung des Nachverbrennungsgrades geführt.

Ein Vorschlag zur Erhöhung der Nachverbrennung über die bei der Stahlherstellung betriebssicher erreichte Ober­ grenze von ca. 25% hinaus, ist in der DE-Offenlegungsschrift 36 07 775 beschrieben. Dieses Ver­ fahren zur Schmelzreduktion von Eisenerzen, bei dem das Eisenoxid im wesentlichen im flüssigen Zustand reduziert wird und die erforderliche Energie zum Ausgleich der Wär­ mebilanz des Prozesses durch die Zugabe kohlenstoffent­ haltender Brennstoffe an die Schmelze und durch die Nach­ verbrennung der entstehenden Reaktionsgase, hauptsächlich CO und H ₂, erzeugt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase nacheinander zweimal oder häufiger in sauerstoffenthaltenden Gasstrahlen, die in Reaktionsräume blasen, die wirkungsmäßig unabhängig voneinander sind, nachverbrannt werden. Mit diesem Verfahren läßt sich in einer ersten Nachverbrennungsstufe in einem Reaktionsraum mit hohem Reduktionspotential ein Nachverbrennungsgrad von 30 bis 50% und in der zweiten Nachverbrennungsphase unter weniger reduzierenden Bedingungen, ein Nachverbren­ nungsgrad von 60 bis 100% erreichen. Bei der Anwendung dieser Lehren in der Betriebspraxis hat es allerdings Probleme bei der Reproduzierbarkeit dieser sehr hohen Nachverbrennungsgrade und der Rückführung der dabei ent­ stehenden Wärme an das Eisenbad gegeben.

Die Erfindung hat sich demzufolge die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachverbrennung zu schaffen, um einen vorbestimmbaren Grad der Nachverbren­ nung betriebssicher und reproduzierbar einzustellen und diese Betriebssicherheit auch bei hohen Nachverbrennungs­ graden der Reaktionsgase aus Eisenschmelzen, die bisher nicht mit der erforderlichen Sicherheit erreichbar war, beizubehalten, um damit neue wirtschaftliche Wege bei der Stahlerzeugung, der Schmelzreduktion von Eisenerz oder vorreduziertem Eisenerz, der Kohlevergasung und bei Verbundprozessen auf diesem Gebiet gehen zu können.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Nachver­ brennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad er­ zeugt werden, oberhalb des Bades mittels wenigstens einem Gasstrahl aus oxidierendem Gas, wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, das dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß der oder die Gasstrahle aus oxidieren­ den Gasen mit einem Drall durch ein oder mehrere Düsen auf die Badoberfläche geblasen werden.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad gebildet werden, oberhalb der Badoberfläche mit Hilfe we­ nigstens eines Gasstrahls aus oxidierenden Gasen, wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Einrichtungen umfaßt, um dem oder den Gasstrahlen aus oxidierenden Ga­ sen einen Drall zu verleihen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad erzeugt werden, oberhalb des Bades mittels wenigstens ei­ nem Gasstrahl aus oxidierendem Gas, wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der oder jeder Gasstrahl aus oxidierenden Gasen in Form eines hohlen Gasstrahls durch eine oder mehrere Düsen auf die Badoberfläche geblasen wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad gebildet werden, oberhalb der Badoberfläche mit Hilfe we­ nigstens eines Gasstrahls aus oxidierenden Gasen, wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens eine Düse zum Aufblasen eines hohlen Gasstrahls aus oxidieren Gasen auf die Badoberfläche aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung der genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Stahlherstel­ lung, zur Eisenerzschmelzreduktion und zur Kohlever­ gasung.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß ein Drall bzw. Wirbel, d. h. physikalisch korrekt ein Drehimpuls, der dem auf die Badoberfläche gerichteten Strahl oxidierend wirkender Gase aufgeprägt wird, die Nachver­ brennung der Reaktionsgase, die der Eisenschmelze entweichen, deutlich verbessert, insbesondere die be­ triebssichere Reproduzierbarkeit des vorbestimmbaren Nachverbrennungsgrades erhöht und somit eine Reihe von vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens zur Reaktionsgasnachverbrennung eröffnet. Unter Drehimpuls wird, wie üblich, die radiale Komponente des Gasstrahles verstanden. Die Wirbelkennzahl ist als das Verhältnis von radialem zu axialem Gasimpuls definiert. Im weiteren wer­ den die Begriffe "Drehimpuls" und "Wirbelkennzahl" in diesem Sinne benutzt.

Gemäß der Erfindung können die Austrittsöffnungen der Aufblasvorrichtungen für den Gasstrahl der oxidierenden Gase, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, hauptsächlich vorgewärmte Luft, wie üblich gestaltet sein, also einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es sind aber genauso beliebige andere geometrische Querschnittsformen anwendbar, und auch eine Aufteilung auf mehrere Aus­ trittsöffnungen kann erfolgen. Erfindungsgemäß ist es nur von Bedeutung, daß der Gasstrahl einen Drehimpuls auf­ weist.

Gemäß der Erfindung kann dieser Drehimpuls, auch Drall oder Wirbel genannt, dem Gasstrahl in beliebiger Weise aufgeprägt werden. Zum Beispiel hat sich der Einbau ent­ sprechender Leitbleche bzw. Strömungskörper vor der Aus­ trittsöffnung in der Aufblasdüse bewährt. Auch eine Viel­ zahl gleichsinnig schräg angeordneter Bohrungen ergibt einen Aufblasstrahl mit radialer Komponente, d. h. mit einem Drall. Erfindungsgemäß kann die Aufblasdüse vor der Austrittsöffnung auch eine Kammer aufweisen, in die das oxidierende Gas tangential einströmt, um auf diese Weise dem Aufblasstrahl einen Drehimpuls mitzugeben.

Mit diesem Gasstrahl nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren, der in Form eines Wirbels auf die Eisenbadoberfläche geblasen wird, läßt sich unter sonst gleichen Vorausset­ zungen gegenüber einem üblichen Freistrahl die Nachver­ brennung um mehr als Zehn Prozent verbessern. Beispiels­ weise kann mit einer Aufblasdüse, deren kreisförmiger Öffnungsdurchmesser 150 mm beträgt, ohne Drall mit Heiß­ wind von 1200°C und einer Blasrate von ca. 85 Nm³/min ein Nachverbrennungsgrad von 30% erreicht werden. Bei Anwen­ dung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich bereits mit einem relativ geringen Drehimpuls, d. h. einer Wir­ belkennzahl von 0.2, der Nachverbrennungsgrad auf 45% steigern.

Gemäß der Erfindung kann der Strahl oxidierender Gase in Form eines Wirbels mit beliebiger Wirbelkennzahl auf die Badoberfläche geblasen werden. Jedoch haben sich für den Drehimpuls, d. h. die radiale Komponente bei dem Aufblasgasstrahl, Wirbelkennzahlen von 0.1 bis 5, vor­ zugsweise jedoch von 0.1 bis 2, bewährt.

Ein wichtiges Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, die Wirbelkennzahl zu variieren. Damit kann zum einen der Nachverbrennungsgrad den Betriebsbe­ dingungen im Reaktionsgefäß angepaßt werden und zum ande­ ren läßt sich durch Variation der Wirbelkennzahl der Pro­ zeß, und insbesondere die Energiezufuhr zum Eisenbad, steuern. So kann zum Beispiel mit der gleichen Düse durch Verändern der Wirbelkennzahl betriebssicher und reprodu­ zierbar der Nachverbrennungsgrad zwischen 35% bis 70% geregelt werden.

Gemäß der Erfindung können der Einbauwinkel und die Ein­ bauhöhe der Aufblasvorrichtungen in weiten Grenzen ge­ wählt werden. Der Einbauwinkel der Aufblasdüsen für den Gasstrahl ist zwischen 10° bis 90°, vorzugsweise jedoch zwischen 30° bis 90°, wählbar. Ebenso kann die Lauflänge der Gasstrahlen im Gasraum der Reaktorgefäße ohne Nach­ teil auf das erfindungsgemäße Verfahren sehr verschieden sein. Selbstverständlich beeinflußt der Aufblasabstand die Größe des Auftreffbereiches der oxidierend wirkenden Gase auf die Eisenbadoberfläche, da sich der Gasstrahl etwa kegelförmig ausbreitet. Bei der Einbauhöhe der Auf­ blasdüsen sind sowohl die Geometrie des Reaktorgefäßes als auch der Prozeß selbst zu berücksichtigen. Zum Bei­ spiel ist bei einem bodenblasenden Stahlerzeugungsverfah­ ren aufgrund der starken Koch- und Eruptionszone die Ein­ bauhöhe etwas größer zu wählen; sie ist jedoch nicht an den für den bekannten Freistrahl ohne Drall geltenden Mindestabstand von 2 m oberhalb der ruhenden Badoberflä­ che gebunden. Bei einem Schmelzreduktionsprozeß in einem trommelförmigem Reaktorgefäß, bei dem nur das Erz und der Brennstoff unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze geleitet und die oxidierenden Gase im wesentlichen auf­ geblasen werden, kann die Laufstrecke des Gasstrahles mit Drall nach der Erfindung geringer angesetzt werden. Bis­ lang haben sich Abstände zwischen der ruhenden Badober­ fläche und der Düsenaustrittsöffnung von ca. 0.1 m bis ca. 10 m bewährt.

Für die oxidierend wirkenden Gase, die erfindungsgemäß als Gasstrahl mit einem Drall bzw. Wirbel, d. h. mit ei­ nem Drehimpuls, aus einer oder mehreren Aufblasdüsen auf die Badoberfläche der Schmelze im Reaktorgefäß geblasen werden, gibt es keine grundsätzlichen Einschränkungen. Es können zum Beispiel Gase, wie Sauerstoff, Luft, Inertgas zusammen mit Sauerstoff, CO₂, H₂O und beliebige Mischun­ gen dieser genannten Gase, zum Einsatz kommen. Es hat sich weiterhin als günstig erwiesen, die Gase vorzuhei­ zen. Damit läßt sich die Gesamtwärmebilanz eines Prozes­ ses, wie beispielsweise eines Schmelzreduktionsverfahrens, verbessern. Es können die heißen Prozeßabgase zum Aufheizen der oxidierenden Gase über entsprechende Wärmeaustauscher genutzt werden. Als vorteilhaft hat sich die Anwendung von vorgeheizter Luft mit einer Temperatur von ca. 1000 bis 1500°C, vorzugs­ weise 1100 bis 1300°C, bei dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren herausgestellt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung, besteht darin, die oxidierend wirken­ den Gase in Form eines Mantelgasstrahles auf die Eisen­ badoberfläche, aus der die Reaktionsgase entweichen, auf­ zublasen. Gemäß der Erfindung wird unter "Mantelgasstrahl" in schirm- oder trichterförmiger Gas­ strahl verstanden, der sich in seiner einfachsten Form beim Austritt von unter erhöhtem Druck stehender Gase aus einer kreisförmigen Düse mit festem Kern ausbildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht an diese einfache Form eines Mantelgasstrahles gebunden, im Gegen­ teil, gerade die Vielzahl der Gestaltungsmöglichkeiten des Mantelgasstrahles charakterisiert die Erfindung. Aus­ gehend von jeder beliebigen geometrischen Form einer Ringschlitzdüse, beispielsweise kreis-, elypsen-, belie­ big kurvenförmig sowie eckigen Formen, wie Dreieck, Rechteck, Parallelogramm, Vieleck, und Schlitzformen, je­ doch alle mit einem festen oder beweglichen Innenkern, kann der Ringschlitz auch unterbrochen und in einzelne Segmente aufgelöst werden. Beispielsweise lassen sich einzelne Düsenbohrungen direkt nebeneinander oder in ge­ wissem Abstand zueinander um ein beliebig geformtes geometrisches Zentrum anordnen. Ebenso haben sich Ring­ schlitze mit Zwischenwänden, beispielsweise zur Abstützung oder mit entsprechenden Leitblechen zur Beein­ flussung der Gasströmung, bewährt.

Gemäß der Erfindung kann auch mit einem doppelten oder mehrfachen Düsenringspalt zur Erzielung eines Mantelgas­ strahles gearbeitet werden. Allerdings handelt es sich dabei um besondere Konstruktionen, die nur von Fall zu Fall angewendet werden. Zum Beispiel läßt sich der Mehr­ fachdüsenringspalt einsetzen, wenn verschiedene oxidierende Gase oder Sauerstoff oder Inertgas, auch Sau­ erstoff und Kohlenwasserstoffe, getrennt der Aufblasdüse zugeführt werden und eine Mischung dieser Gase erst nach Verlassen der Aufblasdüse zustandekommen soll.

Einen Teil der überraschenden, günstigen Wirkung des Man­ telgasstrahles nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie im weiteren noch näher beschrieben wird, kann man sich wahrscheinlich so erklären, daß im Strahlzentrum, d. h. im Innenraum, der durch den mantelförmigen Gasstrahl ge­ bildet wird, ein niedrigerer Druck herrscht als im umgebenden Gasraum des Reaktorgefäßes, in das der Mantel­ gasstrahl geblasen wird. Die besonders vorteilhafte Aus­ gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht selbst­ verständlich für den Mantelgasstrahl auch die Überlagerung mit einem Drehimpuls vor. Das oxidierend wirkende Gas wird dabei in Form eines Wirbels auf die Badoberfläche geblasen. Erfindungsgemäß kann der Drehim­ puls variiert werden, und damit läßt sich in weiten Gren­ zen der Grad der Nachverbrennung steuern. Als Maß für den Drehimpuls gilt selbstverständlich auch bei dem Mantelgasstrahl die Wirbelkennzahl gemäß der genannten Definition in den angeführten Bereichen von beispiels­ weise 0.1 bis ca. 3. Gemäß der Erfindung konnte bei sonst konstanten Bedingungen in einem trommelförmigen Reaktor­ gefäß zur Schmelzreduktion durch die Variation der Wirbelkennzahl von 0.1 bis 2 der Nachverbrennungsgrad beim Aufblasen eines Mantelgasstrahles mit ca. 1200°C vorgewärmter Luft betriebssicher und reproduzierbar von 40% bis 80% gesteuert werden. Der Wärmewirkungsgrad beim Rückübertragen der aus der Nachverbrennung gewonne­ nen Energie an die Eisenschmelze bewegte sich zwischen 80 bis 90%.

Die überraschende Wirkung der Kombination der beiden Aspekte der Erfindung kann theoretisch erklärt werden. Unter der Annahme, daß die Einführung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen unter der Badoberfläche ein turbulentes Bad unter Bildung einer Eruptions- und Mischzone oberhalb der Badoberfläche bildet, nachstehend als "Übergangszone" bezeichnet, daß zusätzlich zu den Re­ aktionsgasen, insbesondere CO und H₂, geschmolzenes Material, wie metallische Tropfen und Spritzer, vom Bad in die Übergangszone gelangen. Das geschmolzene Material verbleibt nicht in der Übergangszone sondern zirkuliert zurück zum Bad. Folglich wird Energie, die auf das ge­ schmolzene Material in der Übergangszone transferiert wird, direkt zum Bad zurückgeführt. Unter diesen Bedin­ gungen und zusätzlich zur Eigenschaft des Gasstrahls, in der Lage zu sein Reaktionsgase aus der Umgebung anzusau­ gen, was auch bei einem freien Gasstrahl ohne Drall er­ folgt, werden in das Zentrum des hohlen Strahles eben­ falls Reaktionsgase eingesaugt. Diese Reaktionsgase werden mittels der oxidierenden Gase des hohlen Gas­ strahls sehr schnell verbrannt, und wenn der Gasstrahl in die Übergangszone gelangt, wird die durch die Verbrennung erhaltene Energie mit hoher Geschwindigkeit auf das ge­ schmolzene Material und dann zurück zum Bad übertragen. Im Vergleich zur bekannten Aufblastechnologie mit einem Freistrahl, der nur Reaktionsgase vom umliegenden Gasraum ansaugt führt die Verwendung eines Hohlstrahles zur Bil­ dung einer zweiten Verbrennungszone im Zentrum des Hohlstrahles. Es wird angenommen, daß dieser vorteilhafte Effekt noch erhöht wird, wenn dem Gasstrahl ein Drall verliehen wird, da mit zunehmender Drallkennzahl der Druck im Zentrum des Hohlstrahles abnimmt und dadurch mehr Gas in den Hohlstrahl gesaugt wird.

Dagegen sind andere Kenndaten eines Freistrahles mit Drehimpuls, beispielsweise der Druckabfall an der Düsen­ öffnung, die Düsenaustrittsgeschwindigkeit und die Druck­ und Geschwindigkeitsabnahme über die Lauflänge des Strahles, sinngemäß auch auf den Mantelgasstrahl zu über­ tragen. Die Sauerstoff- und Temperaturverteilungen, die selbstverständlich die Stöchiometrie und Kinetik der Re­ aktion bei der Nachverbrennung mitbestimmen, sind wahr­ scheinlich bei den beiden Strahlenformen ähnlich.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be­ steht darin, pulverisierte Feststoffe durch den Mantel­ gasstrahl dem Bad zuzuführen. Demgemäß kann der feste Kern bzw. Stempel oder Innenkörper der Düse, mit einem Zuführungskanal für die Feststoffe ausgerüstet sein. Bei­ spielsweise kann ein solcher Zuführungskanal aus einer entsprechenden Bohrung bestehen, die mit einem abriebfe­ sten Material ausgekleidet ist. Die Feststoffe werden dann in Suspension mit einem Trägergas durch diesen Kanal von oben in die Eisenschmelze geblasen. Zum Beispiel hat es sich bei der Schmelzreduktion bewährt, auf diese Weise Eisenerz, vorreduziertes Eisenerz und insbesondere vor­ reduziertes und vorgewärmtes Eisenerz der Schmelze im Re­ aktorgefäß zuzuführen.

Es liegt im Sinne der Erfindung, zur Erzielung eines ho­ hen Nachverbrennungsgrades, die ungestörte Ausbildung ei­ nes Mantelgasstrahles und insbesondere des Aufblaswir­ bels, d. h. eines Mantelgasstrahles mit Drehimpuls, zu gewährleisten. Dieses Merkmal der Erfindung ist bei der Konstruktion der Aufblasdüse selbst, ihrer Anordnung im Reaktorgefäß sowie bei der Gefäßgeometrie, einschließlich der Abgasführung, zu berücksichtigen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt es, die Reakti­ onsgase aus einem Eisenbad, insbesondere sind dies CO und H₂, auf einen vorher bestimmbaren Grad betriebssicher und reproduzierbar nachzuverbrennen und ebenso sicher die da­ bei freigesetzte Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bis ca. 90% an die Eisenschmelze zu übertragen. Der Nachver­ brennungsgrad kann dabei wesentlich durch die Düsengeome­ trie und damit durch die sich ergebende Strahlform und den aufgeprägten Drall, gemessen als Wirbelkennzahl, vor­ herbestimmt werden.

Gemäß den Lehren der Erfindung ließen sich in einem trommelförmigen Reaktionsgefäß für die Schmelzreduktion, bei dem einer Eisenschmelze von ca. 10 t Gewicht ungefähr 30 kg/min Kohle und ungefähr 30 bis 60 kg/min Eisenerz zugeführt und ungefähr 8000 Nm³/h Heißwind mit etwa 1200°C auf die Badoberfläche geblasen werden, Nachver­ brennungsgrade von 38% bis 68% nur durch Verändern der Wirbelkennzahl einstellen. Unter den genannten Bedingun­ gen ist es möglich, mit einer Wirbelkennzahl von ca. 0.1 eine Nachverbrennung von 38% zu erreichen, die man unge­ fähr linear in Korrelation zur Wirbelkennzahl steigern kann. Bei einer Wirbelkennzahl von 0.3 beträgt der Nach­ verbrennungsgrad ca. 48%, bei einer weiteren Erhöhung der Wirbelkennzahl auf 0.6 stellt sich ein Nachverbren­ nungsgrad von 58% ein, und bei der Wirbelkennzahl 0.9 ist der Nachverbrennungsgrad ungefähr 68%. Die Aufblas­ vorrichtung, um diese Nachverbrennungswerte zu erreichen, besteht aus einer Ringspaltdüse mit einer Spaltbreite von 35 mm und einem äußeren Ringdurchmesser von 300 mm. Die Wirbelkennzahl variiert man durch Verändern der tangential angeordneten Gaseintrittsöffnung in das Düsen­ gehäuse.

Gemäß der Erfindung kann zum Beispiel der Nachverbren­ nungsgrad in Stufen, d. h. in größeren Schritten, durch die Geometrie der Aufblasdüse für die oxidierenden Gase eingestellt werden, und die Feinabstimmung bzw. die Stei­ gerung der Nachverbrennung und genaue Regelung zwischen den Stufen wird durch die Variation der Wirbelkennzahl vorgenommen. Demgemäß kann mit einer üblichen Düse, also mit einer kreisförmigen Öffnung ein Nachverbrennungsgrad von ca. 30% bei einer Wirbelkennzahl von 0 erreicht werden, und durch eine Steigerung der Wirbelkennzahl bis ca. 1 erhöht sich die Nachverbrennung auf ca. 55%. Bei einer üblichen Ringspaltdüse zur Erzeugung eines Mantel­ gasstrahles ergeben sich bei einer geringen Wirbelkenn­ zahl von ca. 0.1 Nachverbrennungswerte von mindestens 40%, die sich etwa linear mit zunehmender Wirbelkennzahl (bis ca. 1.2) auf einen Nachbrennungsgrad von ca. 75% steigern lassen. Bei einer optimal ausgelegten Ringspalt­ düse, zum Beispiel mit verringerter Spaltbreite, kann durch die Variation der Wirbelkennzahl der Nachverbren­ nungsgrad zwischen ca. 30% bis 100%, insbesondere 50% bis 90%, geregelt werden.

Die erfindungsgemäße Aufblasdüse zur Durchführung des Verfahrens und insbesondere zur Erzielung eines Mantel­ gasstrahles mit Drall, bei dem im Strahlzentrum ein nied­ rigerer Druck herrscht als im Gasraum, der den mantel­ förmigen Gasstrahl umgibt, kann aus einer Ringdüse beste­ hen, die ein Gehäuse und einen Innenkörper aufweist, wo­ bei der Durchmesser des Innenkörpers mindestens dem dop­ pelten, vorzugsweise mindestens dem fünffachen, Wert der Düsenringbreite entspricht. Dabei kann der Innenkörper, auch Stempel genannt, kolbenförmig und axial verschiebbar sein. Dieser Stempel kann auch als Strömungskörper mit Kolbenstange gestaltet sein. Weiterhin ist auch ein fe­ ster, unbeweglicher Innenkörper möglich.

Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung anhand von nichteinschränkenden Beispielen und Darstellungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch ein trommelförmiges Reaktorgefäß zur Schmelzreduktion. Fig. 2 gibt den Schnitt durch eine Aufblasdüse wieder, und Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf den Austrittsquerschnitt dieser Düse. Fig. 4 stellt im Vergleich zu Fig. 3 die Draufsicht auf den Austrittsquerschnitt einer anderen Aufblasdüse dar.

Das Reaktorgefäß nach Fig. 1 von ungefähr trommelför­ miger Gestalt besteht aus einem Blechmantel 1 mit einer feuerfesten Ausmauerung 2. Unterhalb der Badoberfläche 3 der Eisenschmelze 4 befinden sich Einleitungsdüsen 5. Die Einleitungsdüsen 5 bestehen aus zwei konzentrischen Rohren, nämlich dem Innenrohr 6 und dem äußeren Rohr 7. Während durch den Ringspalt zwischen den beiden Rohren 6 und 7 zum Düsenschutz Kohlenwasserstoffe, in diesem Fall Erdgas, strömen, werden durch die Innenrohre 6 von zwei Düsen Erz und bei zwei anderen Düsen feste Brennstoffe, hauptsächlich gemahlene Kohle, in Suspension mit einem Trägergas, in die Schmelze 4 geleitet.

Mit der Aufblasdüse 8, die in Fig. 2 näher erläutert ist, bläst man oxidierend wirkenden Gase mit einem Dreh­ impuls auf die Eisenbadoberfläche 3. Die weitgehend nach­ verbrannten Abgase verlassen das Reaktorgefäß über die Gefäßöffnung 9.

Die Düse nach Fig. 2 besteht aus einem wassergekühlten Gehäuse 11 mit einem tangential angeordneten Gasein­ trittsquerschnitt 12 und einer kreisförmigen Gasaus­ trittsöffnung 13. In dem wassergekühlten Gehäuse 11 ist ein kolbenförmiger Innenkörper, der Stempel 14, ange­ bracht. Der Stempel besteht im wesentlichen aus einem Strömungskörper 15 und der daran befestigten Kolbenstange 16. Der Stempel 14 läßt sich in axialer Richtung bewegen, und damit ist die Ringspaltbreite 17 nach Fig. 3 veränderbar.

Im Zusammenwirken mit dem tangential eintretenden Gas­ strahl durch die Öffnung 12 in das Gehäuse 11 und dem Strömungskörper 15 wird dem austretenden Gasstrahl aus Öffnung 17 ein Drehimpuls aufgeprägt. Der Drehimpuls des Gasstrahles, d. h. die Wirbelkennzahl, läßt sich durch Verschieben des Strömungskörpers 15 über die Kolbenstange 16 und damit gleichzeitiger Veränderung des Austritts­ querschnittes 17 variieren.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf den Öffnungsquerschnitt einer anderen Düsenform. Dabei beträgt die Breite des Ringspaltes 20 15 mm und der Abstand 21 der zwei mit ge­ ringster Entfernung sich gegenüberliegenden Seiten 16 mm. Dieser Wert des Abstandes 21 korrespondiert mit dem Durchmesser 15 der Fig. 3.

Die Fig. 5 zeigt eine Ansicht auf die Enden einer Dop­ peldüse. Es wird bevorzugt, daß die Drallrichtung in den zwei kreisförmigen Schlitzen 22 und 23 unterschiedlich ist, wie dies durch die beiden Pfeile angegeben ist. Die Düsen bilden einen Doppelhohlstrahl und weisen zwei Kerne 24 und 25 auf. Die Ausdehnung des Gasstrahls in radialer Richtung 26 ist größer als in radialer Richtung 27.

Ein trommelförmiges Reaktorgefäß nach Fig. 1 dient für den Versuchsbetrieb zur Schmelzreduktion. In die Eisenschmelze 4 von ungefähr 12 t werden über zwei Boden­ düsen 5 Kohle mit einer Blasrate von 30 kg/min und über zwei weitere Bodendüsen 5 Erz mit einer Blasrate von 32 kg/min sowie gebrannter Kalk zur Schlackenbildung mit ei­ ner Durchflußrate von 2 kg/min eingeleitet. Zum Transport dieser gemahlenen Feststoffe benötigt man ca. 10 Nm³/min Stickstoff. Gleichzeitig bläst man zum Schutz der Einlei­ tungsdüsen ca. 2 Nm³/min Erdgas durch die Düsenring­ spalte. Auf die Eisenbadoberfläche 3 werden aus einer Düse mit kreisförmigem Austrittsquerschnitt und einem Durchmesser von 200 mm Heißwind mit einer Blasrate von 135 Nm³/min und einer Temperatur von 1200°C aufgeblasen. Dabei beträgt der Überdruck in der Windleitung 0.7 bar und im Reaktorgefäß ca. 0.25 bar. Die erreichbare Nachverbrennung mit dem bekannten, d. h. zum Stand der Technik gehörenden, Freistrahl ohne Drehimpuls, beträgt unter günstigen Bedingungen maximal 30%. Demgegenüber ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Überlagerung eines Drehimpulses auf den Aufblasstrahl be­ triebssicher möglich, den Nachverbrennungsgrad zu erhöhen und mit Variation der Wirbelkennzahl zu steuern. Zum Bei­ spiel ließ sich mit einer Wirbelkennzahl von ca. 0.5 ein Nachverbrennungsgrad von ca. 50% einstellen. Dadurch ist es möglich, die Erzeinblasrate auf etwa 50 kg/min anzuhe­ ben, ohne die Temperatur der Eisenschmelze von ca. 1500°C abzusenken.

In dem gleichen Reaktorgefäß mit im wesentlichen den gleichen Betriebsdaten wie im vorangegangenen Beispiel, kann durch den Einbau einer Aufblasdüse gemäß Fig. 2 mit einer Gasaustrittsöffnung 13 von 300 mm und einer Ring­ spaltbreite 17 von 35 mm der Nachverbrennungsgrad deut­ lich gesteigert werden. Mit einer Wirbelkennzahl von 0.8 läßt sich ein Nachverbrennungsgrad von 65% erreichen, und unter dieser Voraussetzung kann der Reaktor mit einer Kohleblasrate von 25 kg/min und einer Erzblasrate von 60 kg/min betrieben werden.

Bereits bei diesem relativ kleinen Gefäß zur Schmelzreduktion und den versuchsähnlichen Bedingungen, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die angegebe­ nen Nachverbrennungsgrade betriebssicher und reproduzier­ bar eingestellt werden.

Es entspricht dem Sinn der Erfindung, sowohl die Aufblas­ düsenkonstruktion als auch die Anordnung der Aufblasvor­ richtung im Reaktorgefäß und die Wirbelkennzahl den verfahrenstechnischen Bedingungen der einzelnen Prozesse, beispielsweise der Schmelzreduktion, der Stahlerzeugung und der Kohlevergasung, anzupassen.

Claims (27)

1. Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad erzeugt werden, oberhalb des Bades mittels wenigstens einem Gasstrahl aus oxidierendem Gas, wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Gasstrah­ len aus oxidierenden Gasen mit einem Drall durch ein oder mehrere Düsen auf die Badoberfläche geblasen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkennzahlen des oder der Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen im Bereich zwischen 0.1 und 5 liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkennzahlen im Bereich zwischen 0.1 und 2 liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wirbelkennzahl zur Änderung der Nach­ verbrennung einstellbar ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der oder die Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen hohl sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die hohlen Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß pulverisierte, feste Reaktanten zusammen mit den oxidierenden Gasen eingebla­ sen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der oder die Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen in einem Winkel im Bereich zwischen 10° und 90° zur ruhigen Badoberfläche auf das Bad aufge­ blasen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase Sauer­ stoff, Luft oder Mischungen von Inertgas, Kohlendioxyd, Wasserdampf und Sauerstoff, umfassen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase vor dem Aufblasen auf die Badoberfläche vorerwärmt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase aus einer auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1000°C und 1600°C vorerhitzten Luft bestehen.

12. Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktionsga­ sen, die in einem Eisenbad gebildet werden, oberhalb der Badoberfläche mit Hilfe wenigstens eines Gasstrahls aus oxidierenden Gasen, wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Einrichtungen umfaßt, um dem oder den Gas­ strahlen aus oxidierenden Gasen einen Drall zu verleihen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtungen zur Drallerzeugung integrale Teile einer oder mehrerer Düsen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Drallerzeugung zur Änderung der Wirbelkennzahl des oder der Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen verstellbar sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen so ausgestaltet sind, daß ein hohler Gasstrahl aus oxidierenden Gasen ge­ bildet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die oder jede Düse aus einer Ringdüse mit einem Mantel und einem Innenkörper besteht, dessen Durchmesser wenigstens das Doppelte der Breite des Düsenschlitzes aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Düse zur Ein­ führung von pulverisierten, festen Reaktanten ausgerüstet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Düse so ange­ ordnet ist, daß die Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen in einem Winkel im Bereich von 10° bis 90° gegenüber der ruhigen Badoberfläche auf das Bad auftreffen.

19. Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad erzeugt werden, oberhalb des Bades mittels wenigstens einem Gasstrahl aus oxidierendem Gas, wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Gas­ strahl aus oxidierenden Gasen in Form eines hohlen Gas­ strahls durch eine oder mehrere Düsen auf die Badoberflä­ che geblasen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß der oder die hohlen Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die pulverisierten, festen Reaktanten in dem hohlen Teil des oder der hohlen Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen eingeführt werden.

22. Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktionsga­ sen, die in einem Eisenbad gebildet werden, oberhalb der Badoberfläche mit Hilfe wenigstens eines Gasstrahls aus oxidierenden Gasen, wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens eine Düse zum Aufblasen eines hoh­ len Gasstrahls aus oxidierenden Gasen auf die Badoberflä­ che aufweist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die oder jede Düse als Ringdüse ausgebildet ist.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die oder jede Düse Einrichtungen zur Einführung von pulverisierten, festen Reaktanten im hoh­ len Teil des hohlen Gasstrahls aus oxidierenden Gasen aufweist.

25. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 24 für die Stahlherstel­ lung.

26. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 24 in einem Eisenerz- Schmelzreduktions-Verfahren, bei dem Eisenerz in einem Eisenbad reduziert wird.

27. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 in einem Kohlever­ gasungsverfahren, bei dem Kohle in einem Eisenbad vergast wird.