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Verfahren zur Verringerung des Schmelzkoksverbrauches beim Verhütten
von mit Zuschlägen vermischten Eisenerzen im Hochofen Es ist seit langem das Bestreben
der Eisenhüttenwerke, beim Hochofenbetrieb. die Menge .des erforderlichen teueren
Brennstoffes herabzusetzen und im allgemeinen die Wärmewirtschaft des Hochofenbetriebes
zu verbessern. Zu diesem Zwecke wurden schon die verschiedensten Vorschläge gemacht,
die aber keine nennenswerten Fortschritte zu verzeichnen hatten.
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Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Verringerung des Schmelzkoksverbrauches
beim Verhütten von mit Zuschlägen vermischten Eisenerzen oder Briketten aus diesen
Stoffen im Hochofen durch Einführen eines in einem dem Hochofen vorgeschalteten
Verbrennungsraum erhitzten, gegebenenfalls stickstoffhaltigen Gasgemisches in die
Schmelzzone, und zwar wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, unmittelbar in den Schmelzraum
des Hochofens ein oxydierendes Gasgemisch mit einer Temperatur von über i ooo bis
aooo° C einzuführen, das aus Kohlendioxyd, Wasserdampf, freiem Sauerstoff und gegebenenfalls
etwas Stickstoff besteht und in dem vorgeschalteten Verbrennungsraum dadurch erzeugt
wird, .daß ein beliebiger Brennstoff mit überschüssigem kaltem oder vorgewärmtem
Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in Anwesenheit von Wasserdampf
vollständig verbrannt wird. Durch dieses Verfahren werden gegenüber dem gewöhnlichen
Hochofenbetrieb und den verschiedensten bekannten Vorschlägen zu dessen Verbesserung
in vielfacher Hinsicht wesentliche technische Fortschritte erzielt, namentlich dadurch,
daß durch die an sich einfachen Maßnahmen der Erfindung viele Vorteile gleichzeitig
erreicht werden, die bei bekannten Verbesserungsvorschlägen nur einzeln oder teilweise
erzielt werden konnten. Einige dieser Vorteile, die erfindungsgemäß nunmehr gleichzeitig
erreicht werden, seien hier zusammengestellt: i. Verminderung des Verbrauches an
Koks (Holzkohle) Gegenüber dem gewöhnlichen Hochofenbetrieb besteht der wesentliche
Vorteil, daß der Koks (Holzkohle) zum Teil durch einen bedeutend billigeren Brennstoff
(Erstbrennstoff) ersetzt wird, weil der Hochofen von oben mit um -so weniger festem
Kohlenstoff (Zweitbrennstoff) beschickt werden muß, als in diesen von unten mit
der Kohlensäure der Gase eingeführt wird, wobei der Hochofen um jene Schlackenmenge,
die der Menge des mit den Gasen eingeführten Kohlenstoffes entspricht, entlastet
wird. Der Erstbrennstoff kann beliebig gewählt werden und kann fester, flüssiger
oder gasförmiger Beschaffenheit
sein., wobei aus wirtschaftlichen.Gesichtspunkten
die minderwertigen Brennstoffe vorzuziehen sind.
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2. Erzielung von günstigeren Reaktionsbedingungen Die Bildung der
primären Verbrennungserzeugnisse geht größtenteils nicht .im Hochofen selbst, sondern
außerhalb desselben vor sich, und die Sauerstoffträger treten mit einer sehr hohen
Temperatur von über iooo bis 2000° C, also in einem für die Reaktion besonders günstigen
Zustande, in den Reduktionsraum. Die Reaktion der Sauerstoffträger im Hochofen ergibt
Reduktionsgase (Kohlenoxyd und Wasserstoff), die die mittelbare Reduktion fördern,
so daß sich das Verhältnis der unmittelbaren und mittelbaren Reduktion in vorteilhafter
Weise zugunsten der letzteren verschiebt. Der Wasserstoff des im Hochofen zersetzten
Wasserdampfes wirkt, zumal im status nascendi, in dieser Beziehung besonders günstig
ein, weil er eines der besten Reduktionsmittel ist und außerden eine die Reduktion
fördernde katalytische Wirkung ausübt.
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3. Erzielung eines hochwertigen Lichtgases von regelbarer Zusammensetzung
Der Heizwert der Lichtgase wird bedeutend erhöht, weil sie verhältnismäßig viel
Kohlenoxyd und Wasserstoff und wenig oder überhaupt keinen Stickstoff enthalten.
Die Zusammensetzung der Lichtgase kann durch Änderung des Wasserdampf- bzw. Kohlensäuregehaltes
im eingeführten Gasgemisch j e nach den Anforderungen geregelt werden, so daß die
Lichtgase auch für die Zwecke der Weiterverarbeitung des Eisens (z. B. für Beheizung
von Siemens-Martin-Ofen ohne Vermischung mit Zusätzen) und der synthetischen chemischen
Industrie herangezogen werden können. q.. Erhöhung der Leistung des Hochofens und
Herabsetzung des Wärmebedarfes Nachdem in den Hochofen kein oder nur `venig Stickstoff
gelangt, vermindert sich die eingeführte Gasmenge, und für eine bestimmte Leistung
kann ein Hochofen von wesentlich kleineren Abmessungen gebaut werden, bzw. in einem
bereits bestehenden Hochofen kann eine bedeutend größere Leistung erzielt, werden.
Das Fehlen des Stickstoffballastes bedeutet auch eine erhebliche Wärmeersparnis,
weil beim gewöhnlichen Hochofenbetrieb auch der Stickstoff auf die Reaktionstemperatur
zu bringen ist. Bei einem der bekannten Verfahren gelangt wohl auch kein oder nur
wenig Stickstoff in den Hochofen; doch wird dort ein großer Kohlenoxydüberschuß
im Kreislauf gehalten, was wiederum zur Erhöhung der Abmessungen des Hochofens und
des Wärmebedarfes führt.
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5.- Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Hochofens Die beim
gewöhnlichen Hochofenbetrieb erforderlichen Lufterhitzer (wie C'owper-Apparate usw.)
entfallen. Hierdurch und infolge der kleineren Abmessungen des Hochofens: -ist der
Strahlungsverlust bedeutend kleiner: Nachdem ferner auch die Menge der Gichtgase
kleiner ist, so setzt sich auch der Wärmeverlust durch die fühlbare Wärme der Gichtgase
herab. Die Gichtgase können außerdem für beliebige Zwecke verwendet werden, im Gegensatz
zu dem gewöhnlichen Hochofenbetrieb, wo ein bedeutender Teil der Lichtgase zur Heizung
der Cowper-Apparate, also für den-Hochofenbetrieb selbst, verwendet wird.
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6. Erzeugung eines schwefelarmen Eisens Infolge der Möglichkeit, bei
Anwendung des neuen Verfahrens bis etwa zur Hälfte den normalerweise schwefelhaltigen
Satzkoks zu ersparen, sind die im Hochofen zur Verfügung stehenden Schwefelmengen
schon an sich entsprec$end geringer; und diese schon verringerten Schwefelmengen
werden dann noch der Wirkung des eingeführten heißen Wasserdampfes bzw. des aus
ihm reduzierten Wasserstoffes ausgesetzt, wodurch die in das erschmolzene Eisen
übergehenden Schwefelmengen noch weiter verringert werden.
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7. Möglichkeit, innerhalb der theoretisch denkbaren Grenzen die Verminderung
des Koksverbrauches beliebig zu steigern, weil der Zusatz von Wasserdampf es gestattet,
beliebig große Mengen von Zusatzbrennstoff in dem dem Hochofen vorgeschalteten Verbrennungsraum
zu verbrennen, ohne daß zu hohe, etwa die Verbrennungsraumwandungen zerstörende
Temperaturen auftreten.
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Durch .die besondere und eigenartige Vereinigung der als Einzelmaßnahmen
zum Teil bekannten Verfahrensmaßnahmen und die Wirkung, außer sonstigen Vorteilen
insbesondere auch die vorerwähnten 7 Wirkungen gleichzeitig auf eine solch einfache
und betrieblich besonders vorteilhafte Weise. zu erreichen, unterscheidet sich das
Verfahren der Erfindung grundsätzlich von allen gleichzieligen . bekannten Verfahren,
von denen die wesentlichen nachstehend erwähnt seien: Eine Gruppe der bekannten
Vorschläge beruhte darauf, in den Unterteil des Hochofens
zur teilweisen
oder gar vollen Deckung des Kohlenstoffbedarfes, mitunter zur Erhöhung der Wirkung
des Winderhitzers bzw. zur Erzielung besonderer Temperaturverhältnisse Brennstoffe
oder kohlenstoffhaltige Reduktionsgase, also Sauerstoffverbraucher, neben der Heißluft
oder gegebenenfalls neben Sauerstoff einzuführen, die dann im Hochofen selbst verbrannt
werden.
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So wurde bereits vorgeschlagen, in den Heißwind Kohlenwasserstoffe
einzuspritzen und die Erzeugnisse der unvollkommenen Verbrennung derselben in den
Hochofen einzuführen. Es wurde ferner der Vorschlag gemacht, die Einführung des
ganzen erforderlichen Brennstoffes und der Verbrennungsmittel durch senkrecht angeordnete
Düsenreihen voneinander getrennt vorzunehmen. Es wurde auch in Vorschlag gebracht,
in den Hochofen die Gichtgase als Brennstoff zurückzuführen und durch besondere
Leitungen Sauerstoff einzublasen. Außer diesen Verfahren ist auch ein Hochofenbetriebsverfahren
mit gleichzeitiger Portlandzementerzeugung bekannt, bei welchem in den Hochofen
zur Erzielung besonderer Temperaturverhältnisse ein sehr aktives Reduktionsgas,
welches durch unvollkommene Verbrennung eines Brennstaubgichtgasgemisches mittels
Sauerstoff hergestellt wurde, oberhalb der Schmelzzone eingeblasen wird.
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Eine andere Art der bekannten Verfahren sucht die Verminderung des
Brennstoffverbrauches und die Regelung der Temperatur von Hochöfen dadurch zu erreichen,
daß zusätzliche gasförmige Brennstoffe nicht erst im Ofen, sondern bereits im Windleitungssystem
verbrannt werden, wobei der Wärme-oder Temperaturausfall, der durch das Einbringen
der Verbrennungserzeugnisse in den Hochofen eintritt, durch Erhöhung der Windtemperatur
oder Vorerhitzung der zugesetzten Brennstoffe oder Sauerstoffanreicherung ersetzt
wird.
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Des weiteren ist es (österreichische Patentschrift 131o86 bzw. französische
Patentschrift 675189) auch vorgeschlagen worden, im Hochofen einen Kohlenoxydüberschuß
in Kreislauf zu halten, derart, daß die Gichtgase nach Entfernung ihres Kohlensäuregehaltes
in den Verfahrensgang zurückgeführt werden, wobei ein Teil derselben vor der Einführung
in den Hochofen in einem vorgeschalteten Verbrennungsraum mit reinem Sauerstoff
oder sauerstoffangereicherter Luft verbrannt wird, um den restlichen Teil auf die
Reaktionstemperatur zu bringen. Hierdurch ist also ein Hochofenver fahren bekanntgeworden,
bei welchem in den Hochofen ein Teil der erforderlichen Reduktions- und Schmelzwärme
in Form von in einem vorgeschalteten Verbrennungsraum erzeugten Gasen eingeführt
wird, derart jedoch, daß der überwiegende Teil dieser Gase aus brennbarem Gas (Kohlenoxyd)
besteht, das - ohne an der Reaktion teilzunehmen - lediglich als Wärmeüberträger
dient. Dieses bekannte Verfahren arbeitete somit im Gegensatz zum Verfahren der
Erfindung ohne Sauerstoffüberschuß, ferner ohne die für diese kennzeichnende besondere
Art der Verwendung von Wasserdampf und damit auch ohne die durch diese Wasserdampfverwendung
in mehrfacher Hinsicht erreichbaren wertvollen Vorteile.
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Dem vorgenannten bekannten Verfahren schließt sich ein weiterer Vorschlag
an, nach welchem die Gichtgase in den Verfahrensgang unter Zusatz von Sauerstoff
oder Sauerstoff-Luft-Gemischen im Kreislauf zurückgefübrt werden und als Vergasungsmittel
auf einen im Hochofen schwebenden staubförmigen Brennstoff einwirken, und zwar teils
unmittelbar, teils mittelbar durch Verbrennungserzeugnise, die durch teilweises
Verbrennen der Umlaufgase mit Sauerstoff oder Sauerstoff-Luft-Gemischen erzeugt
werden.
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Es sind auch Betriebsverfahren für Schmelzöfen bekannt, bei welchen
metallhaltige Stoffe, wie Stahlschrott, Eisenschwamm o. dA., ohne Einsatz von festem
Brennstoff mit in einem besonderen Gaserhitzer hocherhitzten, hauptsächlich aus
Kohlenoxyd bestehenden Kreislaufgasen umgeschmolzen werden, wobei ein geringer Anteil
dieser Gase vor der Einführung in den Ofen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter
Luft verbrannt werden kann, jedoch nur zu dem Zwecke, eine gewisse zusätzliche Temperaturerhöhung
zu erreichen.
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Schließlich ist es auch schon einmal vorgeschlagen worden, beim Betriebe
von Eisenhochöfen mit unmittelbarer Einführung von Sauerstoff oder von mit diesem
angereicherter Luft gleichzeitig mit dem Sauerstoff als Verdünnungs- und Kühlmittel
Kohlensäure in den Ofen einzuführen, beispielsweise kalte Abgase. Dieser bekannte
Vorschlag läuft gewissertnaßen darauf hinaus, den Stickstoffballast des normalen
Hochofenbetriebes einfach durch Kohlensäure zu ersetzen. Hierbei entsteht jedoch
im Gegensatz zum Verfahren der Erfindung keine Satzkoksersparnis, weil die gesamten
zur Durchführung der wärmeverbrauchenden Hochofenreaktionen erforderlichen Wärmemengen
durch Verbrennen großer Satzkoksmengen mit den in den Ofen eingeführten Sauerstoffmengen
(wie bei jedem gewöhnlichen Hochofen) im Ofen selbst erzeugt werden müssen.
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Wie sehr bisher den Fachleuten die Verwendung von Wasserdampf im Hochofenbetriebe
- namentlich auch in der gemäß der
Erfindung vorgeschlagenen Form
- grundsätzlich ferngelegen hat, mag man daraus ersehen, daß sowohl in anerkannten
Lehrbüchern der Eisenhüttenkunde als auch bei manchem der bekannten Vorschläge das
Fernhalten gerade von Wasserdampf aus den in den Hochofen einzuführenden Gasen bzw.
aus der Verbrennungsluft empfohlen wird, beispielsweise durch Einschaltung von Gas-
bzw. Lufttrocknern. In dieser Hinsicht weist also die Erfindung einen völlig neuen
Weg.
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In der Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen eines
Hochofens zurAusführung des erfindungsgemäßen Verfahrens abgebildet, der betreffend
als Flammhochofen bezeichnet werden kann. Es zeigen Abb. i eine beispielsweise Ausführungsform
des Flammhochofens in schematischem Längsschnitt und Abb. 2 im Querschnitt nach
Linie 11-II der Abb. i, Abb. 3 eine andere beispielsweise Ausführungsform des Flammhochofens
in schematischem Längsschnitt und Abb. 4 im Querschnitt nach Linie IV-IV der Abb.
3.
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In der Zeichnung ist A ein Hochofen gewöhnlicher Bauart, welcher bekanntlich
von oben mit Erzen, Zusätzen. und Koks oder Holzkohle beschickt wird. Gemäß der
Erfindung sind am Umfange des Gestells des Hoch ofensA gleichmäßig verteilte Brenner
B angeordnet (Abb. i und 2), in welche einerseits etwa durch die Leitung a Sauerstoff
oder mit Sauerstoff hochangereicherte Luft, der bzw. die mit Wasserdampf gesättigt
ist, und anderseits etwa durch die Leitung b in diesem Falle gasförmige Brennstoffe,
wie Generatorgas oder die eigenen Lichtgase des Hochofens, eingeführt werden. Die
letzteren -,verden in den den Verbrennungsraum bildenden Brennern verbrannt, und
die Flammen, deren Temperatur etwa tooo bis 2ooo° C beträgt, treten mit überschüssigem
Sauerstoff durch die Flammdüsen C in das Gestell des Hochofens. Hier wird durch
den Kohlenstoff des weißglühenden Kokses die mit der Flamme eingeführte Kohlensäure
in Kohlenoxyd reduziert und der Wasserdampf zersetzt. Der Hauptanteil des gebildeten
Kohlenoxyds und Wasserstoffes bewirkt die mittelbare Reduktion der Erze, während
der Rest mit den Lichtgasen entweicht und deren Heizwert erhöht.
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Der am Umfang des Hochofens angeordnete Verbrennungsraum wird naturgemäß
je nach den Anforderungen und je nach dem verwendeten Brennstoff ausgebildet. Er
kann z. B. auch aus einer einzigen dem Hochofen angeschlossenen Verbrennungskammer
bestehen (Abb. 3 und 4), in welche der Brennstoff und das Verbrennungsmittel (z.
B. durch einen Brenner B1) eingeführt werden und aus welchem die Flammen über einen
Rauchgaskanal E zu den Flammdüsen F gelangen. An Stelle des Brenners Bi kann auch
eine andere Feuerung, z. B. eine Rost-, Kohlenstaub-, Ölfeuerung usw., treten. In
die Verbrennungskammer D kann auch ein Wärmeaustauscher G z. B. in Form von am inneren
Umfang der Kammer in an sich bekannter Weise angeordneten Wasser- oder Luftröhren
eingebaut werden, mittels welchen die freie Wärme der Flammen bzw. die Strahlungswärme
des Verbrennungsraumes zwecks Luftvorwärmung oder Wasserdampferzeugung verwertet
werden kann.
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Die Erze, insbesondere eisenhaltige Bauxite, können auch in Form von
Briketten in den Hochofen eingeführt werden, welche aus den ersteren mit Kohlenstoff
oder üblichen Zuschlägen oder beiden gebildet sind.
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Im nachstehenden werden die Betriebsunterlagen eines Ausführungsbeispieles
des Verfahrens gemäß der Erfindung-bei Verhüttung eines Bauxiterzes mit :einer Tagesausbeute
von too Tonnen Roheisen mitgeteilt.
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Es wurden in den Hochofen in 24 Stunden eingeführt: von oben 424 ooo,
kg Rohbauxit, 594
000 kg kleinkörniger Lignitkoks (Zweitbrennstoff), 305
000 kg Rohkalkstein; von unten (in Form von Flammen) i 18 ooo kg Wasserdampf,
303 000 m3 gewerblicher Sauerstoff, 165 ooo m3 Lichtgase (Erstbrennstoff).
Die eingeführten Roh- und Brennstoffe hatten folgende Zusammensetzung:
| Bauxit Lignitkoks Asche !1_ignitkoksl |
| 49,180/0 A1203 6343 % C 30,410/, Ca0 |
| 26,oo % Fe, 0, 0,55% S 5,6o0/, Mg0 |
| 2,500/0 Si 0, o,650./, H2 22,900/0 Si
0, |
| 2,320/, Ti 02 1,0211/0 02 + N2 I5,78 % Fe203 |
| 2o,oo °/o H20 &,2o % H20 12,85 0o A1201 |
| 26,150/0 Asche 1,76 0/0 K20 + Na20 |
| 10,7000 S03 |
| 100,000/, 100,0o 0/0 100,00 0/0 |
| Heizwert 5310 WE. |
| Kalkstein Gewerblicher Sauerstoff Gichtgase - |
| 55,0804 CaO 801)/, 02 siehe unten |
| 0,470/, M90 20 0/0 N2 |
| 0,230/, Fe203 100/0 |
| 0,I5 0/0 Si02 ii,o0 % H20 |
| 33,07 % C02 |
| i00,000/0 |
Es wurden, in 24. Stunden folgende Erzeugnisse erhalten:
| ioo ooo kg Roheisen, |
| 656 ooo kg Schmelzzement, |
| i 115 ooo mg Gichtgase, wovon |
| 165 ooo ms in den Hochofen als Erst- |
| brennstoff zurückgeführt wer- |
| den (siehe oben). |
Die erhaltenen Erzeugnisse hatten folgende Zusammensetzung:
| Roheisen |
| 95,17 0/0 Fe |
| 4,00 % C |
| 0,80 0/0 Si |
| 0,030/, S |
| i00,000/0 |
Das Roheisen enthielt auch etwas Titan, das aber vernachlässigt wurde.
| Zement |
| 42,65"/, A]. 0, |
| 7,28 @/O S102 |
| 39,8o0/, CaO |
| i,62 % MgO |
| 3,70% Fe 0 |
| 1,88 0/0 Ti 0, |
| 0,420/, K20, Na20 |
| 2.650/0 CaS |
| 100,000/, |
Hydraulischer Modul:
| Gichtgase |
| 67,90 % CO |
| 22,35 % H2 |
| 8,64 0/0 NTs |
| I,II o/' C02 |
| 100,00 0/0 |
| Heizwert: 2635 WE/m3 |
Der Wärmeverbrauch je i kg festes Erzeugnis betrug hierbei 1445 Wärmeeinheiten,
was etwa die Hälfte des bei den bekannten Verfahren erforderlichen Wärmeverbrauches
ist.