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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung von schmelzflüssigem Metall durch
Reduktion von Oxiden des Metalls. Dieses schließt die Herstellung von schmelzflüssigem Eisen und
einschließlich
Roheisen und Gusseisen sowie Metalllegierungen ein.
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Reduktionsprozesse
sollen entweder Stahl direkt aus Eisenerz herstellen oder ein Produkt
erzeugen, das einem Hochofen-Roheisen zur Verwendung in Prozessen
zur konventionellen Stahlerzeugung gleichwertig ist, oder um kohlenstoffarmes
Eisen als Beschickungsgut für
die Herstellung von Stahl mit Hilfe konventioneller Prozesse zu
erzeugen. Dieser Prozess soll generell die Hochöfen als Quelle für die Herstellung
von geschmolzenem Eisen zur Stahlerzeugung ersetzen.
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Hochöfen bestehen
im typischen Fall aus einem vertikalen Turm, worin eine Charge,
die Eisenerz aufweist, Pellets oder Agglomerate zusammen mit Koks
und Kalkstein nacheinander durch die Gicht des Ofens zur Erzeugung
einer kontinuierlichen Säule
von Beschickungsgut zugeführt
werden. In den unteren Abschnitt des Ofens wird der Charge Außenluft zugeführt, die
vorgewärmt
sein kann. Wenn das Beschickungsgut mit den heißen Gasen, die aus dem Gestell
aufsteigen, in Kontakt gelangt, wird der Koks durch diese Gase vorerhitzt,
so dass, wenn er den unteren Abschnitt des Ofens erreicht und mit
der darin eingeführten
Luft in Kontakt gelangt, sein Abbrand bewirkt wird. Bei den resultierenden
hohen Temperaturen, die an dieser Stelle des Ofens vorherrschen, ist
Kohlendioxid nicht stabil und reagiert sofort mit Kohlenstoff unter
Erzeugung von Kohlenmonoxid. Diese Reaktion ist nicht nur die Hauptwärmequelle für den Schmelzvorgang,
sondern sie erzeugt auch ein reduzierendes Gas (CO), das durch den
Ofen nach oben steigt, wo es vorerhitzt wird und das Eisenoxid in
der Charge, wenn diese sich durch den Ofen nach unten bewegt, reduziert.
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Die
Produktionskapazität
eines Hochofens ist eine Funktion des Innenvolumens oder des Bereichs
der Ofen-Bemessungsparameter für
eine vorgegebene Produktionskapazität. Demzufolge erfordert die
Erhöhung
der Kapazität
eine Vergrößerung der
Größe des Hochofens
und dementsprechende Einstellung der Bemessungsparameter.
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Die
EP-A-551 992 offenbart ein Verfahren zur Gewinnung von wertvollen
Metallen aus einem agglomerierten Eisenoxid-Staub unter Verwendung eines
Schachtofens.
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Die
US-A-4 488 905 offenbart ein Verfahren zum Reduzieren und Gewinnen
von flüchtigem
Metall aus Metalloxiden unter Verwendung eines mit Koks gefüllten und
mit einem Plasmabrenner ausgestatteten Schachtreaktors.
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Die
EP-A-387 479 beschreibt ein Schacht-Retortenverfahren mit kontinuierlicher
Beschickung sowie Apparat zur Gewinnung von Nichteisenmetallen aus
pyrometallurgischen Produktstäuben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung gewährt
eine Verbesserung gegenüber
dem vorstehend beschriebenen konventionellen Hochofenbetrieb in
der Herstellung von schmelzflüssigem
Metall und speziell schmelzflüssigem
Eisen. Speziell wird das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung
mit einem Hochofen angewendet, bei dem Gusseisen, Roheisen oder
andere Metalllegierungen kostengünstiger erzeugt
werden können,
als bei Anwendung konventioneller Schmelzverfahren und einschließlich Hochöfen.
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Die
Erfindung gewährt
ferner einen Vorteil insofern, dass die Umwandlung feiner Materialien
aus den Gichtgasen in Form der Oxide von Metallen, wie beispielsweise
Zink, Cadmium und dergleichen möglich
wird und die Gewinnung und Rückführung dieser Metalle
und Oxide in den Kreislauf erlaubt.
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Das
Verfahren zum Reduzieren von Metalloxiden gemäß der Verbesserung der vorliegenden
Erfindung gewährt
Vorteile gegenüber
den konventionellen Praktiken durch die Verwendung eines neuartigen
Hochofens zum Schmelzen. In dieser Hinsicht umfasst das Verfahren
das Umsetzen einer Charge eines Metalloxids und eines reduzierenden
Materials zur Erzeugung eines primären schmelzflüssigen Metalls
des Metalloxids und Gas, das Kohlenmonoxid enthält, sowie ein zusätzliches
sekundäres
Metall und Oxide, die von dem primären schmelzflüssigen Metall
und Metalloxid verschieden sind. Das Gas wird in den Schachtofen
nach oben und weg von dieser Charge gerichtet. Die Temperatur des
Gases wird an einer Stelle im Schachtofen oberhalb der Charge so geregelt,
dass es sich bei einer Temperatur befindet, die höher ist
als die Temperatur des Kondensierens des sekundären Metalls und dieser Oxide.
Dieses verhindert ein Anhaften der sekundären Metalle und Oxide in dem
Gas an der Innenwand des Schachtofens. Danach werden, wenn das Gas
nach oben strömt
und aus dem Ofen abgezogen wird, das sekundäre Metall und die Oxide aus
dem Gas entfernt. Diese können
auf unterschiedliche Weise in den Kreislauf zurückgeführt werden und einschließlich eine
Verwendung derselben in der Erzeugung von Agglomeraten zur Verwendung
in der zu beaufschlagenden Charge.
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Die
Temperatur des Gases wird geregelt, indem die Höhe der Charge im Inneren des
Schachtofens variiert wird. Zusätzlich
kann die Temperatur des Gases geregelt werden, indem die Verbrennungsgeschwindigkeit
des Gases unter Verwendung eines Brenners zur Erhitzung des Gases
variiert wird, wenn das Gas im Inneren des Schachtofens nach oben
geleitet wird.
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Die
Temperatur des Gases kann zusätzlich geregelt
werden, indem die Reaktionsgeschwindigkeit der Charge geregelt wird.
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Das
aus dem Ofen abgezogene Gas besteht im Wesentlichen aus Kohlendioxid
und Stickstoff.
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In
die Charge kann Eisenoxid einbezogen sein. Zusätzlich können in die Charge Agglomerate einbezogen
werden, die selbstreduzierend sind, selbstgehend sind oder beides.
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In
konventionellen Praktiken der Reduktion läuft die Reduktion über das
aus der teilweisen Verbrennung des Kokses erzeugten CO ab. Das CO breitet
sich im Inneren der Charge aus und die Reduktion erfolgt nach der
Reaktion Me + CO → Me + CO2
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Das
in dieser Reaktion erzeugte CO2-Gas breitet
sich in der entgegengesetzten Richtung zu dem CO aus. Diese Reaktion
nimmt eine bestimmte Zeitdauer für
die vollständige
Diffusion im Inneren der Charge in Anspruch. Dieses erfordert Öfen mit
Verweilzeiten der Charge im Inneren des Ofens, die für Hochöfen typisch
ist.
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Selbstreduzierende
Agglomerate zeigen jedoch Bedingungen, die für die Reduktion deutlich günstiger
sind. Der innigere Kontakt zwischen dem Erz oder dem Oxid und dem
Kohlenstoff des reduzierenden Materials (Kohle oder Koks) erlaubt
eine kürzere
Reaktionszeit, da es keine Notwendigkeit zum Ausbreiten des CO im
Inneren des Agglomerats gibt. Die Reduktion läuft nach den nachfolgenden
Gleichungen ab und ist für
diese Aufgabe im Inneren des Agglomerats vorbestimmt: 2MeO + C → 2Me
+ CO2 CO2 + C → 2CO MeO + CO → Me
+ CO2
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Das
Agglomerat selbst stellt in der Praxis ein halb geschlossenes System
dar, worin die Atmosphäre
während
der gesamten Dauer, in der im Inneren des Agglomerats Kohlenstoff
verfügbar
ist, eine reduzierende Atmosphäre
ist. Mit anderen Worten bleiben die selbstreduzierenden Agglomerate,
was aus einer solchen Bezeichnung hervorgeht, innerhalb ihrer eigenen
reduzierenden Atmosphäre,
die von den Eigenschaften der äußeren Atmosphäre unabhängig ist,
d.h. der Atmosphäre,
die im inneren des Schachtofens vorherrscht, wie sie von den aufsteigenden
Gasen bereitgestellt wird.
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Es
ist daher möglich,
durch teilweise Verbrennung des Brennstoffes und durch die reduzierende
Reaktion, die im Inneren der Agglomerate ablaufen, für das in
der Ofenatmosphäre
vorhandene CO Energie für
den Prozess zu über führen und
zusätzlich
die Regelung der Temperatur und der Charakteristik (Oxidieren oder
Reduzieren) der Gichtgase zu ermöglichen.
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In
den Schmelzprozessen, bei denen Schachtöfen zur Anwendung gelangen,
folgen der vorhandene Koks oder anderer Brennstoff in fester Form,
die durch den oberen Teil des Ofens im Verlaufe des Betriebs beaufschlagt
werden, einen absteigenden Weg mit dem Rest der Charge, die mit
dem aufsteigenden CO2 reagiert, in einer
Gegenstrombeziehung entsprechend der Reaktionsgleichung CO2 + C → 2CO.
Dieses führt
zu einem höheren
Verbrauch an kohlenstoffhaltigem Material und verhindert damit dessen
wirksame Nutzung für
das Verfahren zum Reduzieren/Schmelzen.
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Aufgrund
der kurzen Verweilzeit, die in dem selbstreduzierenden erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich
ist, ist es möglich,
den erfindungsgemäßen Ofen
mit geringen Chargenhöhen
zu betreiben. Ebenfalls ist es möglich,
die Abgastemperatur der Gichtgase zu regeln und damit die Oxide
oder Metalle in Dampfform oder in Form feiner Festkörperteilchen
zu halten, die den in den Agglomeraten verwendeten Rest verunreinigen.
Damit lässt
sich dieses Material in dem Gaswäschesystem
gewinnen. Aufgrund der Reduktion des Inhaltes und der in dem Rückstand
vorhandenen nichtmetallischen Substanzen zeigen die Feinanteile,
die in dem Gaswäschesystem
gewonnen werden, hohe Konzentrationen an diesen Oxiden und Metallen
wie beispielsweise mehr als 20%, womit deren nachfolgende Gewinnung
auf wirtschaftliche Weise ausführbar
wird. In Fällen,
in denen festgestellt wird, dass die Konzentration der Oxide oder
Metalle den gewünschten
Wert für
eine wirtschaftliche Rückgewinnung
nicht erreichen, ist es möglich,
diese Feinanteile so oft wie nötig
in den Kreislauf zurückzuführen, indem
diese in die Erzeugung der selbstreduzierenden Agglomerate einbezogen
werden, um deren Gehalt in den Agglomeraten zu erhöhen und
damit deren Konzentration in den rückgewonnenen Feinanteilen zu
verringern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische, perspektivische Teilansicht einer der Ausführungsformen
der Einrichtung zur Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Seitenansicht im Aufriss der Einrichtung von 1;
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3 eine
Querschnittansicht der Verteilungsvorrichtungen für die Charge
dieser Einrichtung;
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4 ein
Gaswaschsystem zur Veranschaulichung, das in der Lage ist, die im
Inneren des Ofens verdampften Metalle und die Feinanteile von Metalloxiden,
die den Ofen gemeinsam mit den Gichtgasen verlassen, zurückzuhalten;
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5 eine
Querschnittansicht einer Haubenkonstruktion, die Brenner zur Regelung
der Verbrennung des Abgases aus dem Ofen enthält.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Der
erfindungsgemäße Ofen
erlaubt die Regelung der Abgastemperatur der Heißgase über die höhere oder geringere Verbrennungsgeschwindigkeit der
verbrennbaren Gase, die aus den unteren Bereichen kommen, sowie
die Reduktion der in den Agglomeraten vorhandenen Oxide. Auf diese
Weise ist es möglich,
Metalle und Oxide, die in den Rohagglomeraten vorhanden sind, im
Dampfzustand oder im feindispersen Zustand zu haften. Dieses schließt Material
mit Verdampfungstemperaturen unterhalb von 1.000°C ein, wie beispielsweise Zn,
Cd und Pb, die sich andernfalls an den Wänden des Ofens abscheiden würden.
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Damit
werden die bei hohen Temperaturen den Dampf der Verunreinigungsmetalle
oder deren Oxide in Form von Feinanteilen enthalten, aus dem Ofen
abgezogen, wie in 4 gezeigt wird, und gelangen
durch den Gasaustritt 3 in das Gaswäschesystem, worin an den Trennvorrichtungen 6 (z.B.
Vorrichtungen vom Typ eines Zyklons oder Abscheiders) die Abscheidung
dieser Dämpfe
und deren Trennung zusammen mit den verbleibenden Feinanteilen aus den
Gichtgasen erfolgt, die einem Verlauf durch den verbleibenden Abschnitt
des Gaswäschesystems 7 folgen.
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Die
in diesen Separatoren 6 abgefangenen Feinanteile haben
Konzentrationen oberhalb von 20% der Verunreinigungsmetalle oder
Oxide, was auf die Verringerung des Anteils des in den Rohstoffen vorhandenen
Eisens zurückzuführen ist
und wodurch deren Gewinnung wirtschaftlich machbar wird.
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Sollte
die Rückstandmenge,
die Verunreinigungen enthält,
nicht ausreichen, um eine wirtschaftlich machbare Konzentration
dieser Metalle oder Oxide zu gewährleisten,
ist es möglich,
den erfindungsgemäßen Ofen
so zu betreiben, dass die Agglomerate, die diese Verunreinigungsstoffe
enthalten, lediglich an einem der Abschnitte des Ofens zugeführt werden,
wie beispielsweise an deren einem Ende, und diese Metalle vor der
vollständigen
Mischung der Gichtgase des Restes des Ofens abgezogen und getrennt
werden, um für
deren Konzentration in wirtschaftlich ausführbaren Mengen zu sorgen.
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Die
neuartige Ofenkonstruktion, wie sie in den 1 bis 3 gezeigt
wird, besteht im Wesentlichen aus einem oberen Schacht 1,
der zylindrisch oder konisch ist, und einen rechteckigen Querschnitt hat
und an seinem oberen Teil eine Beschickungsvorrichtung oder -vorrichtungen
einschließlich Öffnung(en) 2 enthält, mit
Verteilungsvorrichtungen 4 für die Charge ausgestattet ist,
um die Positionierung der Agglomerate oder Charge in den richtigen
Stellen im Inneren des Ofens zu ermöglichen und die Agglomerate
zu konzentrieren, die die Metalle oder Oxide enthalten, die aufkonzentriert
werden sollen. Es gibt einen Gasaustritt oder -austritte 3 zum
Abziehen von Gasen, die hauptsächlich
verschiedene Inhalte von CO2, CO, H2 und N2 zusätzlich zu
den durch den Abbau der Charge erzeugten Feinanteilen enthalten. Die
Dämpfe
oder Oxide in Form von feindispersen Teilchen können entlang der Schicht 5 zu
dem Gaswäschesystem 7 und
den Trennvorrichtungen für Feinanteile 6 geführt werden,
die den abgeschiedenen Feinanteil von Metall oder Oxiden zurückhalten. Die
Gase werden danach zu den Rückgewinnungsvorrichtungen
oder Wärmeregeneratoren
(nicht gezeigt) geführt,
um die Blasluft vorzuwärmen
oder für irgendwelche
anderen Aufgaben.
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In
dem oberen Schacht gibt es eine Reihe oder mehrere Reihen von Blasdüsen 8,
mit denen heiße
Luft oder kalte Luft entweder angereichert mit O2 oder
nicht angereichert für
die Verbrennungsreaktion von CO und irgendwelchen anderen brennbaren Gasen,
die vorhanden sein können,
zu Kohlendioxid entsprechend den Reaktionsgleichungen zu blasen: C + O2 → CO2 CO + 1/2 O2 → CO2 2H2 + O2 → 2H2O
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Um
der Charge Wärme
zuzuführen,
die aus selbstreduzierenden Agglomeraten, Erz oder Eisenoxiden und
Rest besteht, der Eisen und Verunreinigungsstoffe enthält, und
selbstgehend ist oder nicht, sowie Roheisen, Schrott, Eisenschwamm,
und zwar entweder in Form von Briketts oder in anderer Form, Schrott
aus Gießerei
oder Stahlgussanlagen oder Mischungen solcher Komponenten in den
verschiedenen möglichen
Anteilen.
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Die
Anlage oder der Ofen enthalten außerdem einen unteren Schacht 9 mit
zylindrischer oder konischer Form mit einem rechteckigen Querschnitt, der über größere Seiten
im seinem oberen Teil als der untere Schacht 1 verfügt, ausreichend
zum Positionieren der Beschickungsvorrichtungen zum Zuführen von
Koks oder Kohle oder irgendwelcher anderer fester Brennstoffe. Um
den unteren Schacht 9 herum ist in einer ausreichend höheren Ebene
als die Basis des oberen Schachtes 1 eine Sektion zur kontinuierlichen
Brennstoffzuführung
vorgesehen, wie sie in 2 gezeigt ist, wobei diese Sektion über eine Rohrleitung
oder andere Beschickungssektionen gespeist wird, die über kompakte
Ventile 10 für
festen Brennstoff versorgt werden. Der Beschickungssektion für feste
Brennstoff können
wahlweise unabhängige
Rohre 11 zur Zuführung
von zusätzlichen
brennbaren Materialien hinzugefügt
werden, um für
eine geeignete Versorgung des Brennstoffbettes zu sorgen und speziell
von feinteiligen Materialien, die andernfalls mit den Gasen von
dem zentralen oberen Schacht 1 abgezogen werden könnten, oder
mit brennbaren Materialien, wie beispielsweise Altreifen, Kunststoff,
usw.
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In
den unteren Schacht 9 einbezogen sind eine oder mehrere
Reihen von primären
Blasdüsen 12,
die so angeordnet sind, dass sie vorerhitzte oder nicht vorerhitzte
Luft entweder angereichert mit O2 oder nicht
blasen und flüssige,
gasförmige
oder feste pulverförmige
Brennstoffe für
die Teilverbrennung oder vollständige
Verbrennung des Brennstoffes eindüsen und für die Wärmeenergie sorgen, die zum Reduzieren
und/oder Schmelzen der Charge erforderlich ist. In den oberen Schacht 1 und
den unteren Schacht 9 kann ein monolithisches Feuerfestmaterial einbezogen
sein (in den 3 und 4 mit schraffierten
Linien gezeigt) und können
ferner Mittel zum Kühlen
einbezogen sein.
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Das
geschmolzene Metall und die Schlacke verlassen den Ofen durch dessen
unteren Teil.
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Der
Brennstoff braucht bei diesem Ofentyp nicht gemeinsam mit der Charge
im oberen Teil des Schachtes zugeführt werden, wie es übliche Praxis ist.
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Dieser
mit derartigen Verbesserungen ausgestattete Ofen verfügt über verschiedene
Atmosphärenzonen
mit Charakteristiken, die mit Hilfe des eingesetzten Brennstoff-Typs
und einer größeren oder
geringeren Eindüsung
von Brennluft an den verschiedenen für diesen Zweck vorgesehenen
Stellen geregelt werden. Es ist dadurch möglich, in Abhängigkeit
von dem Oxidationspotential des zu gewinnenden Metalls zu CO2 und der Charakteristik (Oxidieren oder
Reduzieren) der im Inneren des Ofens vorherrschenden Atmosphäre das Metall
in oxidierter oder metallischer Form zu gewinnen.
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Die
aus der unteren Zone kommenden Gase, die zur Charge zurückströmen, übertragen
an letztere die zum Erhitzen und Reduzieren oder einfach zum Schmelzen
erforderliche Wärmeenergie.
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Da
die Charge im oberen Schacht 1 keine größeren Mengen an Koks, künstlicher
Kohle oder anderen Feststoff enthält, wird die Boudouard-Reaktion,
CO2 + C → 2CO,
die Wärme
verbraucht und worin zusätzlich
erhebliche Mengen Kohlenstoff verbraucht werden, minimiert. Damit
bestehen die Abgase, die die Anlage verlassen, im Wesentlichen aus CO2 und N2. Allerdings
können
in anderen Betriebsarten unterschiedliche Anteile von CO verwendet werden,
die dem Gichtgas eine reduzierende Charakteristik vermitteln sowie
ausreichend Wärmeenergie,
die zur Vorerhitzung der Gebläseluft
oder in anderen Teilen der Anlage verwendet werden soll.
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Da
die Regelung der Atmosphäre
innerhalb des Ofens sowie die Temperatur der Gichtgase möglich ist,
ist es in diesem Ofen möglich,
die Ansammlung von in dem Abgas eingeschlossenen Metallen und/oder
Oxiden an den Innenwänden
des Ofens zu vermeiden, was typischerweise im Fall von Kupolöfen und
Hochöfen
der Fall ist.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine größere Flexibilität des Betriebs,
indem das Schmelzen von Schrott (einschließlich Schrott, der hohe Anteile
von Verunreinigungen anderer Metalle außer Eisen enthält, wie
beispielsweise Zink), Roheisen, Eisenschwamm oder irgendeine andere
Art von vorreduziertem Material möglich wird, das in Form von
Briketts vorliegen kann.
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Dieser
Schachtofen, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird,
bietet gegenüber
dem Kupolofen oder Hochofen insofern einen Vorteil, dass er für eine größere Wirtschaftlichkeit in
Bezug auf den Brennstoff bietet, da das Kohlenmonoxid oder andere
in dem unteren Teil des Ofens erzeugte Gase im oberen Teil abgebrannt
werden können.
Dieses überträgt die während der
Reaktion gelieferte Wärmeenergie
an die durch den Schacht absteigende Charge. Die Abgase werden im
Wesentlichen aus Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserdampf und kontrollierten
Mengen von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen gebildet.
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Dieser
Schachtofen lässt
sich gemäß der Erfindung
auch zum Reduzieren und Schmelzen von selbstreduzierenden Agglomeraten
von Erz oder technischen Rückständen mit
oder ohne metallischen Verunreinigungen betreiben, die aus den Gichtgasen
als Dampf oder Feinanteile der Oxide davon gewonnen werden können. Ebenfalls
wird in diesem Fall das gebildete Kohlenmonoxid entlang des Schachtes
verbrannt und die dadurch erzeugte Wärme fast vollständig an
die sich abwärts
bewegende Charge übertragen,
wodurch der thermische Wirkungsgrad der Anlage erheblich verbessert
wird. Da die Anlage außerdem
keine Schichten von Kohle oder Koks oder anderen festen Brennstoffen
in der Charge des Schachtes enthält,
läuft die
Reaktion CO2 + C → 2CO nicht so ab, dass eine
Verringerung des Brennstoffverbrauches erfolgt.
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Die
Sektion für
die Beschickung des festen Brennstoffes ist außerdem mit einer Vorrichtung
zur Gasentfernung 13 ausgestattet, die mit Ventilen 14 für die Durchflussregelung
versehen ist, die die Passage einer bestimmten Gasmenge gewährleisten können um
für ein
Vorwärmen,
Vortrocknen und Abdestillieren flüchtiger Fraktionen zu sorgen,
die in verschiedenen festen Brennstoffen vorhanden sind, wie beispielsweise
Steinkohle, Brennholz und/oder verschiedene kohlenstoffhaltige Rückstände.
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Um
die Temperatur des Abgases zu regeln und zu erhöhen, um ein Abscheiden von
Metallabscheidungen zu vermeiden, kann die Haube 16 des Ofens
mit einem Brenner ausgestattet sein, um dieses Gas zu erhitzen.