DE3912260A1 - Verfahren und geraet zum schmelzen von eisen- und stahlschrott - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen von Eisen- und Stahlschrott, wobei ein Schachtofen verwen­ det wird, welcher im unteren Teil eine Schmelzzone und im oberen Teil eine Vorwärmzone aufweist, wobei das Verfahren weiterhin aus den folgenden Schritten besteht: Zufuhr der für das Schmelzen benötigten Energie als fühlbare Wärme eines Reduktionsgases, welches vorzugsweise dadurch gebil­ det wird, daß Luft einen Plasma-Erzeuger durchströmt und Kohle und/oder Kohlenwasserstoff in das genannte Gas ein­ geblasen wird; und Zufuhr der für die Vorwärmung benötigten Wärme durch Einführung von sauerstoffhaltigem Gas in die Vorwärmzone zur Verbrennung des Reduktionsgases, so daß das aus der Vorwärmzone austretende Gas im wesentlichen vollständig verbrannt ist.

Die Erfindung besteht weiterhin aus einem Gerät zur Durch­ führung des Verfahrens.

Zur bisherigen Lehre gehört die Verwendung von Elektro­ lichtöfen und Induktionsöfen und Öfen, bei denen auf die Verbrennung von fossilen Brennstoffen zurückgegriffen wird, wie zum Beispiel Kuppelöfen. Während andere Verfahren ver­ sucht worden sind, handelt es sich bei der überwiegenden Mehrheit der heutigen, betreffenden Anwendungsfälle um einen der beiden oben genannten Verfahrenstypen.

Elektrolichtbogenöfen haben den Nachteil, daß elektrische Energie vielerorts verhältnismäßig teuer ist. Da moderne Hochleistungsöfen sehr effizient arbeiten, sind die Mög­ lichkeiten für weitere Kostensenkungen beschränkt.

Kuppelöfen und andere fossile Brennstoffe verwendende Öfen haben den Nachteil des vergleichsweise hohen Gesamtenergie­ verbrauchs, da überschüssiger Brennstoff dazu verwendet werden muß, zu verhindern, daß das Eisen und der Stahl oxi­ diert wird, wenn es bzw. er über eine bestimmte Temperatur hinaus erwärmt wird, beispielsweise über etwa 1000 °C. Bei den Kuppelöfen wird der Koks oben eingespeist, was weiter dazu beiträgt, daß das Abgas einen hohen CO-Gehalt aufweist.

Zu der bisherigen Lehre gehört ebenfalls das Verfahren, in dem die fühlbare Wärme des in einem Plasmabrenner erwärmten Reduktionsgases dazu verwendet wird, Metall aufzuschmelzen, wobei die Vorwärmung des Metalls auf die Schmelztemperatur durch die Verbrennung des genannten Reduktionsgases er­ folgt.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein Gerät zur Verfügung zu stellen, welches eine Kombination von elektrischer Energie und von fossilem Brennstoff gewonnener Energie auf eine Art und Weise verwendet, die zum Ergebnis führt, daß das Schmelzen von Eisen- und Stahlschrott zu sehr niedrigen Kosten er­ folgt, ohne bei der Erzielung der für die Weiterverarbei­ tung gewünschten Qualität des flüssigen Metalls auf irgend­ welche Vorteile des herkömmlichen Schrottschmelzverfahrens zu verzichten. Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung be­ steht darin, ein Schrottschmelzverfahren mit möglichst niedrigem Energieverbrauch bei einem verhältnismäßig ge­ ringen Investitionsaufwand vorzusehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, Eisen- und Stahlschrott in einem Ofen zu schmelzen, der im unteren Teil eine Schmelzzone besitzt und im oberen Teil eine Vor­ wärmzone aufweist, in die der Schrott eingespeist wird, wobei die für das Schmelzen benötigte Energie als fühl­ bare Wärme eines Reduktionsgases zugeführt wird, wobei die für die Vorwärmung benötigte Wärme dadurch geliefert wird, daß sauerstoffhaltiges Gas zur Verbrennung des Reduktions­ gases in die Vorwärmzone eingeführt wird, so daß das aus der Vorwärmzone austretende Gas im wesentlichen vollständig verbrannt ist, wobei vor diesem Hintergrund das erfindungs­ gemäße Verfahren weiterhin aus den folgenden Schritten be­ steht: Verwendung eines Reduktionsgases mit einem Sauer­ stoffpotential von weniger als 0,2; Einführung des sauer­ stoffhaltigen Gases in die Vorwärmzone an einer Vielzahl von Stellen entlang des Strömungsweges des Reduktionsgases, und zwar zur stufenweisen Verbrennung des Reduktionsgases; Angleichung der Einführung des sauerstoffhaltigen Gases an der genannten Vielzahl von Stellen, um zu bewirken, daß das Gas bei Schrottemperaturen über 1000°C weiterhin redu­ zierend auf den Metallschrott wirkt.

Das Sauerstoffpotential wird hierbei als das Verhältnis

(CO₂+H₂O)/(CO₂+H₂O+CO+H₂)

definiert.

Vorzugsweise wird das Verfahren dergestalt ausgeführt, daß das Gas bei Schrottemperaturen über 800°C weiterhin redu­ zierend auf den Metallschrott wirkt. Vorzugsweise wird das Reduktionsgas dadurch gebildet, daß Luft einen Plasma-Er­ zeuger durchströmt und kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Kohle und/oder Kohlenwasserstoff) in die genannte Luft ein­ geblasen wird.

Wesentliche Merkmale des erfindungsgemäßen Geräts bestehen darin, daß dessen Vorwärmzone an einer Vielzahl von Stellen entlang des Strömungsweges des Reduktionsgases Vorrich­ tungen zur Einführung des sauerstoffhaltigen Gases in die Vorwärmzone aufweist, und zwar zur stufenweisen Verbrennung des Reduktionsgases, und weiterhin eine Vorrichtung auf­ weist, die dazu dient, die Einführung des sauerstoff­ haltigen Gases an der genannten Vielzahl von Stellen anzu­ gleichen, um zu bewirken, daß das Gas bei Schrottempera­ turen über 1000°C, und vorzugsweise über 800°C, weiter­ hin reduzierend auf den Metallschrott wirkt.

Andere Gegenstände und Merkmale der Erfindung werden im folgenden erläutert.

Im folgenden wird das Verfahren und das Gerät anhand der beigefügten Zeichnung erläutert, bei der

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Ofens zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der bevorzugten Weise schematisch darstellt.

Der Ofen besteht aus einer Schmelzzone 2 und einer darüber angeordneten Vorwärmzone 3. Am Boden der Schmelzzone ist der Ofen mit einer Abstichvorrichtung 4 zur Entnahme von Metall und Schlacke versehen. Im oberen Bereich der Vor­ wärmzone besitzt er eine Öffnung 5 zur Einspeisung von Schrott. Die Schmelzzone 2 ist mit einer Anzahl von Öffnungen versehen, und zwar zur Einführung von heißem Plasmagas von einem Plasma-Erzeugungssystem 6, welches später ausführlicher beschrieben wird. Das Plasma-Erzeu­ gungssystem 6 wird bevorzugt und kann sogar für den wirk­ samen Betrieb der Erfindung von kritischer Bedeutung sein.

Die Vorwärmzone 3 ist mit in wenigstens drei Ebenen ange­ ordneten zur Einführung von Verbrennungsluft dienenden Düsen 7 versehen. Die Anzahl der Ebenen der Düsen ist von entscheidender Bedeutung in bezug auf den wirksamen Betrieb der vorliegenden Erfindung, wie im folgenden erklärt wird. Der obere Bereich der Vorwärmung 3 ist außerdem mit einer Öffnung 8 und einer Rohrleitung 9 versehen, und zwar zur Ableitung von Abgas aus dem Ofen zu geeigneten Reinigungs- und Entsorgungseinrichtungen bekannter herkömmlicher Bau­ art, welche keiner weiteren Erläuterung bedürfen.

Das Plasma-Erzeugungssystem 6 besteht aus einem Plasma-Er­ zeuger 10 mit nicht übertragenem Lichtbogen, einer Vorrich­ tung zum Einblasen von Kohle, Pulver oder anderem geeigneten fossilen Brennstoff an einer dem Plasma-Erzeugerauslaß 11 nachgeschalteten Stelle, sowie aus einem Reaktionsvolumen 12, in welchem der fossile Brennstoff zu im wesentlichen CO+H₂ vergast wird. Bei der bevorzugten Betriebsweise wird der Plasma-Erzeuger 10 mit Luft als Plasmagas be­ trieben, und zwar in einem derartigen Verhältnis zur einge­ blasenen Kohle, daß 100 bis 120% des zur Reduzierung des in der Luft befindlichen Sauerstoffs zu CO benötigten Kohlenstoffes geliefert wird.

Die Düsen 7 in der Vorwärmzone 3 werden mittels einer ge­ eigneten Vorrichtung betrieben, und zwar dergestalt, daß das sogenannte Sauerstoffpotential im Gas auf einem be­ stimmten Niveau aufrechterhalten wird. Dieses Niveau ent­ spricht dem Gleichgewichtswert für die Oxidation von Eisen einer Oberflächentemperatur, die größer oder ungefähr gleich 800°C ist. Unterhalb dieser Temperatur ist die Kinetik der Oxidation von Eisen sehr langsam. Dies wird da­ durch erreicht, daß die Menge der auf jeder Ebene herein­ gelassenen Verbrennungsluft geregelt wird, um die erzeugte Energie auf die Menge zu beschränken, die benötigt wird, um die gewünschten Bedingungen aufrechtzuerhalten, d. h., um zu bewirken, daß das Gas bei Schrottemperaturen über etwa 800°C weiterhin reduzierend auf den Metallschrott wirkt. Die kritischen Betriebsparameter werden in der fol­ genden Beschreibung der bevorzugten Betriebsweise ausführ­ licher erläutert.

Die bevorzugte Betriebsweise wird in Fig. 2 dargestellt, welches die Gastemperatur und das Sauerstoffpotential und die Schrottemperatur in Abhängigkeit der erreichten prozen­ tualen Vorwärmung grafisch darstellt. Ebenfalls in Fig. 2 dargestellt wird das Gleichgewichtssauerstoffpotential für den Schrott bei der tatsächlichen Schrottemperatur. Fig. 2 ist in dem Sinne idealisiert, daß eine ausreichende Schachthöhe (Verweilzeit) vorgesehen wird, um einen Aus­ gleich der Schrottemperatur (d. h. der unendlichen Leit­ fähigkeit gleichkommend) zu ermöglichen. Fig. 2 wurde unter Verwendung von fünf (5) gleichen Ebenen der Einführung von Luft in die Vorwärmzone erstellt, bei 70-, 60-, 50-, 40- und 30%iger Vorwärmung. Bei dieser Betriebsweise hat das Sauerstoffpotential des Gases erst bei einer Schrottempe­ ratur von etwa 800°C eine oxidierende Wirkung auf den Schrott. Der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Sauer­ stoffpotential und dem Gleichgewichtswert nimmt zu, während das Gas in den oberen Bereich des Schachts steigt und dabei mit Schrott in Berührung kommt, welcher eine progressiv nie­ drigere Temperatur aufweist. Der größte Unterschied tritt bei einer Schrottemperatur von etwa 400°C ein, bei der die Oxidationsquoten bekanntlich vernachlässigbar sind (bei Kohlenstoffstählen sind die Oxidationsquoten sogar unter­ halb von etwa 650°C vernachlässigbar). Fig. 2 stellt eine weitere wichtige Bedingung dar, und zwar am Austritt der Schmelzzone / Eintritt der Vorwärmzone (bezüglich der Gas­ strömung). Hier ist die Gastemperatur bezogen auf die Schrottemperatur etwas hoch, so daß eine erhebliche Vor­ wärmung noch stattfinden kann, bevor es notwendig wird, die sekundäre Verbrennung einzuleiten. Dies bietet einen weiteren Schutz vor der Förderung von Schrott oxidierenden Verhältnissen.

Ein weiterer wichtiger Parameter hängt mit der Teilver­ brennung der Kohle mit dem Sauerstoff im Plasmagas zusammen (im vorliegenden Fall Plasmagas Luft). Bei dem im Zusammen­ hang mit der Erfindung verwendeten stöchiometrischen Ver­ hältnis SR=ungefähr 0,5 (SR=1,0 für die vollständige Verbrennung zu CO₂ und H₂O) beträgt die für eine hohe Ver­ brennungsleistung CE (definiert als das Verhältnis des zu CO oder CO₂ oxidierten Kohlenstoffs zur Gesamtkohlenstoff­ eingabe) benötigte Verweilzeit wenigstens 0,1 Sekunden. Dies bestimmt das für das Reaktionsvolumen 12 benötigte Mindestvolumen.

Die Vorteile des Schmelzens von Eisen- und Stahlschrott ge­ mäß dem Verfahren dieser Erfindung verdeutlicht die nach­ stehende Tabelle, welche eine Zusammenstellung der be­ trieblichen Erfordernisse pro Tonne Flüssigstahl darstellt, und zwar für die Betriebsweisen: Mit vollständiger Ver­ brennung und ohne zusätzliche Kohle in der Schmelzzone; und mit vollständiger Verbrennung und 10% zusätzlicher Kohle in der Schmelzzone (zur Verkohlung). Der Stromverbrauch macht etwa ein Drittel des Gesamtenergieverbrauchs aus der sich auf etwa 30% des Stromverbrauchs eines typischen Elektrolichtbogenofens beläuft.

Tabelle 1

Zusammenfassung der Betriebserfordernisse pro Tonne Flüssigstahl (berechnet)

Claims (8)

1. Ein Verfahren zum Schmelzen von Eisen- und Stahlschrott, und zwar in einem Schachtofen, welcher im unteren Teil eine Schmelzzone und im oberen Teil eine Vorwärmzone aufweist, wobei die für das Schmelzen benötigte Energie als fühl­ bare Wärme eines Reduktionsgases zugeführt wird, wobei die für die Vorwärmung benötigte Wärme dadurch geliefert wird, daß ein sauerstoffhaltiges Gas zur Verbrennung des Reduk­ tionsgases in die Vorwärmzone eingeführt wird, so daß das aus der Vorwärmzone austretende Gas im wesentlichen voll­ ständig verbrannt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Reduktionsgas mit einem Sauer­ stoffpotential von weniger als 0,2 verwendet wird, sowie dadurch, daß das sauerstoffhaltige Gas an einer Vielzahl von Stellen entlang des Strömungsweges des Reduktionsgases in die Vorwärmzone eingeführt wird, und zwar zur stufen­ weisen Verbrennung des Reduktionsgases, sowie dadurch, daß die Einführung des sauerstoffhaltigen Gases an der ge­ nannten Vielzahl von Stellen angeglichen wird, um zu be­ wirken, daß das Gas bei Schrottemperaturen oberhalb von 1000°C auf den Metallschrott weiterhin reduzierend wirkt.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einführung von sauerstoffhaltigem Gas an der ge­ nannten Vielzahl von Stellen angeglichen wird, um zu be­ wirken, daß das Gas die reduzierende Wirkung auf den Metallschrott bei Schrottemperaturen oberhalb von 800°C beibehält.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, welches darin be­ steht, daß das Reduktionsgas dadurch gebildet wird, daß Luft einen Plasma-Erzeuger durchströmt und anschließend Kohle und/oder Kohlenstoff in die Luft hineingeblasen wird.

4. Ein Gerät zum Schmelzen von Eisen- und Stahlschrott be­ stehend aus einem Schachtofen, welcher im unteren Teil eine Schmelzzone und im oberen Teil eine Vorwärmzone aufweist, einer Vorrichtung zur Erzeugung eines heißen Reduktions­ gases, einer Vorrichtung zur Einführung des heißen Reduk­ tionsgases in die Schmelzzone, sowie einer Vorrichtung zur Einführung von sauerstoffhaltigem Gas in die Vorwärmzone zur Verbrennung des Reduktionsgases zwecks Vorwärmung des Schrotts, gekennzeichnet durch Öffnungen zur Einführung von sauerstoffhaltigem Gas in die Vorwärm­ zone an einer Vielzahl von Stellen entlang des Strömungs­ weges des Reduktionsgases, sowie durch eine Vorrichtung zur Angleichung der Einführung des sauerstoffhaltigen Gases an der genannten Vielzahl von Stellen, um zu bewirken, daß das Gas bei Schrottemperaturen oberhalb von 1000°C seine re­ duzierende Wirkung auf den Metallschrott beibehält.

5. Ein Gerät gemäß Anspruch 4, wobei die Vorrichtung zur Bildung eines heißen Reduktionsgases aus einem Plasma- Erzeuger, einer Vorrichtung zur Durchströmung des Plasma- Erzeugers mit Luft, sowie aus einer Vorrichtung zum Ein­ blasen von Kohle und/oder Kohlenwasserstoff in das vom Plasma-Erzeuger erzeugte Gas besteht.

6. Ein Gerät gemäß Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Einstellung des Sauerstoffpotentials des Reduktionsgases auf weniger als 0,2.

7. Ein Gerät gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Angleichung der Einführung von sauer­ stoffhaltigem Gas so angeordnet ist, daß das Gas bei Schrottemperaturen oberhalb von 800°C seine reduzierende Wirkung auf den Metallschrott beibehält.

8. Ein Gerät nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Öffnungen zur Einführung von sauerstoffhal­ tigem Gas in die Vorwärmzone entlang des Strömungsweges des Reduktionsgases auf wenigstens drei Ebenen vorgesehen sind.