DE69220674T2

DE69220674T2 - Verfahren zur eisenherstellung

Info

Publication number: DE69220674T2
Application number: DE69220674T
Authority: DE
Inventors: Brian Ross Skye Vic 3977 Baldock; Ian Leonard Cranbourne Vic 3977 Chard; John Millice Upper Beaconsfield Vic 3808 Floyd
Original assignee: Ausmelt Ltd
Current assignee: Outotec Ausmelt Pty Ltd
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2012-09-18
Also published as: EP0605535A1; RU2106413C1; ATE154950T1; BR9206507A; RU94016951A; IN181042B; WO1993006251A1; CA2119448C; EP0605535A4; US5498277A; PL170853B1; CN1034742C; EP0605535B1; CN1071957A; RO114472B1; ZA927105B; JPH07502566A; NZ244396A; KR100242565B1; CA2119448A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Eisen aus einem geeigneten Rohstoff durch direkte Reduktion. Das Verfahren ist insbesondere anwendbar für die direkte Reduktion von niedrigwertigen eisenhaltigen Rohstoffen wie etwa Eisensänden, die gegenwärtig kommerziell nicht für diesen Zweck genutzt werden. Das Verfahren ist aber auch auf höherwertige Rohstoffe anwendbar, wie etwa auf Eisenerze, die üblicherweise herkömmlichen Verhüttungsverfahren unterworfen werden. Das Verfahren ist auch für das Verhütten von eisenhaltigem Schrottmaterial anwendbar.
Eisenherstellung unter Verwendung des herkömmlichen Hochofens hat den Nachteil der Erfordernis einer groß dimensionierten Operation mit massivem Kapitaleinsatz, um einen niedrigen Preis pro Tonne des hergestellten Metalls zu erhalten. Das Verfahren benötigt Stückkoks als Brennstoff und Reduktionsmittel. Die Herstellung von Koks ist aber kostenintensiv und Umweltproblemen unterworfen, die aus der Emission von Gasen wie Schwefelwasserstoff resultieren und weil in die Luft abgegebener Staub gebildet wird. Das Verfahren benötigt auch Beschickungsmaterial in Stückform, und die herkömmliche Praxis ist es, Beschickungsmaterial zusammen mit Flußmittel zu sintern. Der Betrieb einer Sinteranlage bedarf wesentlichen finanziellen und umweltmäßigen Aufwands. Im allgemeinen kann die Eisenherstellung mit dem Hochofenverfahren nur für sehr große Anlagen in Betracht gezogen werden, die über eine Million Tonnen Eisen pro Jahr erzeugen.
Für kleinere Anlagen, von zweihunderttausend bis zu einer Million Tonnen Eisen pro Jahr erzeugend, sind Elektroofenarbeitsweisen entwickelt worden. Der Elektroofen wird im allgemeinen mit vorreduziertem Beschickungsmaterial und mit Eisenschrott betrieben, und das stattfindende Ausmaß der Reduktion der Eisenkomponenten ist herkömmlicherweise ein geringer Anteil des Verfahrens. Das Verfahren verwendet Koks für diese Reduktion und hat daher die selben Nachteile wie das Hochofenverfahren. Das Verfahren verwendet auch Elektrizität zu Heizzwecken, und das ist an den meisten Betriebsorten für Hochtemperatur-Schmelzverfahren eine teure Energiequelle.
Eine Anzahl von direkten Schmelzverfahren sind vorgeschlagen und auf Pilotanlagengröße entwickelt worden, welche die direkte Verbrennung von Kohle in einem Eisenbad oder in einem Schlackenbad unter teilweisen Verbrennungs-Reduktions-Bedingungen mit reinem Sauerstoff oder hohen Niveaus von Sauerstoffanreicherung des eingebrachten Brennstoffes beinhalten. Diese Verfahren haben im allgemeinen die Verwendung von teilweise reduziertem Eisenerz als Beschickungsmaterial beinhaltet und bringen daher die Notwendigkeit zum Vorsehen von Vorreduzierungsanlagen und -tätigkeiten als Teil des Verfahrens mit sich. Dies hat notwendigerweise eine größere Betriebskomplexität und größeren Kapitalaufwand beinhaltet.
Die in Entwicklung begriffenen Verfahren verwendeten im allgemeinen Bodenverrohrungen zur Injektion von Brennstoff, Luft und Eisenrohstoff in ein Metallbad. Das bringt teure Hochdruckinjektion mit sich und umfaßt erschwerte Bedingungen für das feuerfeste Material in der Umgebung der Verrohrung. Einige Verfahren haben das obere Einspritzen von Brennstoff und Luft in die obere Oberfläche des Bades verwendet, aber das beinhaltet einen relativ schlechten Wärmeübergang auf das Bad und relativ langsame Schmelzreaktionen.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein Verfahren zur Herstellung von Eisen zu schaffen, das zur Verwendung auf niedrigwertigen Eisenrohstoff verbesserbar ist und das gegenüber herkömmlich verwendeten Verfahren einen umweltmäßig attraktiveren Betrieb gestattet.
Das Verfahren der Erfindung umfaßt das Verhütten eines eisenhaltigen Rohstoffs in einem Reaktor, der ein Schlackenbad enthält, wobei Heiz- und Reduktionsbedingungen in mindestens einer reduzierenden Zone des Bads durch Injektion vqn Brennstoff/Reduktionsmittel und sauerstoffhaltigem Gas durch mindestens eine in die Gicht eingetauchte Lanze erzeugt werden; das Rohmaterial dem Reaktor zusammen mit einem zusätzlichen Reduktionsmittel und mit Flußmittel an oder nahe der mindestens einen reduzierenden Zone zugeführt wird, um einer Schmelzreduktion unterzogen zu werden, wobei Kohle als das zusätzliche Reduktionsmittel verwendet wird; die Injektionsraten von Sauerstoff und Brennstoff/Reduktionsmittel kontrolliert werden, um durch Versehen des eingeblasenen Gases mit einem Sauerstoffgehalt von 40% bis 100%, der für einen Verbrennungsgrad des Brennstoffs/Reduktionsmittels von 40% bis 50% ausreicht, gewünschte ausreichende Reduktionsbedingungen zu erzielen; und wobei durch den Verhüttungsvorgang erzeugtes CO und H&sub2; sowie Kohlenstaub, der durch Verbrennungsgase aus den Bad getragen wurde, in dem Reaktor einer Nachverbrennung unterzogen werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 - 30 definiert.
Die Eintauch-Injektion schafft vorzugsweise stark reduzierende Bedingungen. Der Brennstoff und das eingepreßte Reduktionsmittel können Kohle in Form feiner Partikel, Heizöl, Erdgas, LPG oder andere geeignete kohlenstoffhaltige Substanzen und Mischungen davon umfassen. Der Brennstoff wird im Fall von Feinkohle mittels eines Trägergases eingeblasen, und dieses Gas kann zumindest einen Teil des zur Brennstoffverbrennung erforderlichen Sauerstoffs enthalten. Das Trägergas kann alternativ eine Mischung von inertem Gas, wie etwa Stickstoff, mit Luft, sauerstoffangereicherter Luft oder nur Sauerstoff umfassen oder kann einfach inertes Gas umfassen. Ein Teil des zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoffs kann durch einen Strom durch die Lanze eingeblasen werden, der von dem Brennstoff/Reduktionsmittel getrennt ist, wobei das Mischen der getrennten Ströme erst an dem unteren Ende der Lanze und/oder in dem Schlackenbad erfolgt. Wo zumindest ein Teil des Sauerstoffs durch eine derartigen separaten Strom eingeblasen wird, kann dieser nur Sauerstoff, Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder ein derartiges Gas, gemischt mit einem inerten Gas wie etwa Stickstoff, umfassen.
Die Raten des Einblasens von Sauerstoff und Brennstoff/Reduktionsmittel werden gesteuert, um die erforderlichen Reduktionsbedingungen zu erzielen, und, wie angegeben, sind diese Bedingungen in meist bevorzugter Weise stark reduzierend. Daher hat das eingeblasene Gas einen Sauerstoffgehalt von 40% bis 100%, ausreichend für einen Verbrennungsgrad des Brennstoffs/Reduktionsmittels von 40% bis 50%.
Das zusätzliche Kohlereduktionsmittel ist vorzugsweise Stückkohle. Es wird den Bad mit dem eisenhaltigen Rohstoff zugeführt, in meist bevorzugter Weise mit einer Rate von etwa 20 bis 60 Gewichtsprozent des Rohstoffs. Ein geeignetes Flußmittel wie Kalk oder Siliciumdioxid wird, abhängig vom Rohstoff, mit dem Rohstoff zugeführt. Zumindest das zusätzliche Kohlereduktionsmittel und der Rohstoff werden während eines Verhüttungsvorganges kontinuierlich zugeführt, wobei das Abziehen der Schlacke und das Abstechendes Eisenmetalls chargenweise erfolgt.
Eine Vielzahl von Formen von in die Gicht eintauchenden Lanzen kann verwendet werden. Das Schmelzreduktionsverfahren der Erfindung bedarf aber relativ hoher Reaktortemperaturen, von etwa 1350ºC bis etwa 1500ºC. Die oder jede Lanze besteht daher vorzugsweise aus geeignetem legierten Stahl wie rostfreiem Stahl. Der legierte Stahl ist vorzugsweise von hoher Qualität, Korrosionsbeständig und beständig gegenüber Oxydation und Auflösung in Schlacken bei hohen Temperaturen; dabei sind ASTM 321, 316 oder andere hoch chromhaltigen Stähle geeignet. Auch ist im allgemeinen ein Kühlen der Lanze notwendig, indem dieser während des Verhüttungsvorganges ein Kühlfluid zugeführt wird, und die Lanze kann von der in unserer Internationalen Anmeldung PCT/AU/90/00466 (WO91/05214), angemeldet am 26. September 1990, offenbarten Form sein. In am meisten bevorzugter Weise ist die Lanze von der Form, die in unserer parallel anhängigen Australischen Patentanmeldung PK8457, angemeldet am 20. September 1991 (Anwaltszeichen IRN228989), offenbart ist. Die Offenbarung jeder dieser Referenzen ist hier eingeschlossen und ist als Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung zu sehen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird mit Nachverbrennung von CO und H&sub2;, welches durch den Verhüttungsvorgang erzeugt wird, sowie des aus dem Bad durch die Verbrennungsgase ausgetragenen Kohlenstaubesdurchgeführt.DazuwirdSauerstoffodereinsauerstoffhaltiges Gas, wie Luft oder sauerstoffangereicherte Luft, über dem Schlackenbad in den Reaktorraum eingeblasen. Die Nachverbrennung wird vorzugsweise nahe der Badoberfläche durchgeführt, am meisten bevorzugt nahe der oder jeder reduzierenden Zone, um einen hohen Grad an Wärmeübertragung auf das Schlackenbad zu erzielen. Während das sauerstoffhaltige Gas dazu durch mindestens eine Lanze zugeführt werden kann, deren unteres Auslaßende sich über der Badoberfläche befindet, ist es bevorzugt, daß das Gas durch ein Mantelrohr in den Reaktorraum eingeblasen wird, durch das sich die in die Gicht eintauchende Lanze für die Brennstoff/Reduktionsmittel-Injektion erstreckt, wobei das Mantelrohr über der Badoberfläche endet. Die Mantel-Lanze der PCT/AU90/00466 und die in unserer anhängigen Australischen Patentanmeldung PK8457 offenbarte Lanze mit einem Mantelrohr sind für diesen Zweck geeignet.
Eine Nachverbrennung wird durchgeführt, um einen Oxydationsgrad, wie er durch das Verhältnis von (CO&sub2; + H&sub2;O) zu (CO + H&sub2; + CO&sub2; + H&sub2;O) bestimmt wird, von über 0,2 zu erzielen. Der Oxydationsgrad liegt vorzugsweise nicht über etwa 0,95, kann aber bis zu 1,0 betragen. Der Oxydationsgrad wird kontrolliert, um einen maximalen Grad an Wärmeübertragung auf die Schmelze zu erzielen, der mit der anschließenden Verwendung der Gase vereinbar ist, während das Bad nicht reoxydiert wird. Gase aus dem Reaktor können für allgemeine Heizzwecke, wie etwa die Dampferzeugung, genutzt werden, aber die Wirtschaftlichkeit des Betriebes favorisieren nicht die Verwendung zur Vorreduzierung des Rohmaterials.
Der eisenhaltige Rohstoff wird dem Reaktor vorzugsweise zusammen mit einem Flußmittel wie gebranntem Kalk zugeführt. Stückkohle kann als weiteres Reduktionsmittel mit dem Rohmaterial zugeführt werden. Der Rohstoff kann in Stücken oder in fein verteilter Form vorliegen, wobei er vorzugsweise agglomeriert ist, wie etwa mit dem Flußmittel und/oder Stückkohle, um zu verhindern, daß der Rohstoff mit den Rauchgasen des Reaktors herausgeblasen wird. Die Agglomeration kann durch Zugabe von Wasser an einer Mischschnecke oder einer anderen geeigneten Vorrichtung durchgeführt werden.
Der Rohstoff und anderes Material wie das Flußmittel und weitere Reduktionsmittel werden durch geeignet angeordnete Begichtungsöffnungsmittel des Reaktors über dem Schlackenbad der oder nahe der mindestens einen reduzierenden Zone, die aus der Eintauch-Injektion resultiert, zugeführt. Der Rohstoff und das Flußmittel können, wenn sie von geeignet feiner Partikelgröße sind, dem Reaktor durch die oder jede in die Gicht eingetauchte Lanze zugeführt werden. In jedem Fall ist die Eintauch-Injektion derart, daß eine kräftige Wirbelströmung in der reduzierenden Zone mit einem beträchtlichen Auftreiben der Badoberfläche erzeugt wird.
Der Rohstoff kann Eisenerz als Stück- oder Feinerz umfassen oder enthalten. Alternativ dazu kann er Pellets, Pellet-Feingut, Eisensände, Eisenrückstände, Zunder, Stahlwerk-Gichtstaub, eisenreiche Schlacke umfassen oder enthalten.
Damit die Erfindung leichter verständlich wird, wird die Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gerichtet, in denen:
Figur 1 eine Draufsicht eines für die Verwendung im Verfahren der vorliegenden Erfindung geeigneten Reaktor ist;
Figur 2 ein Längsschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1 ist;
Figur 3 eine Schnittansicht einer bevorzugten Lanze zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist; und
Figur 4 eine vergrößerte Schnittansicht des unteren Endes der Lanze von Fig. 3 ist.
Der Reaktor 10 der Figuren 1 und 2 umfaßt in wesentlichen den einschließenden Kessel mit einer Basis 12, einer peripheren Seitenwand 14 und einem Oberteil 16. An einem Ende ist durch einen Endabschnitt der Wand 14 und des Oberteils 16 eine Rauchgasöffnung 18 definiert. Der Reaktor 10 hat vorzugsweise eine mit feuerfestem Material ausgekleidete Metallschale. An einem Ende hat der Reaktor 10 eine Abstichöffnung 20 zum Abstechen des Eisens aus der Eisenschicht 22 unter dem Schlackenbad 24. Am anderen Ende hat er Abstichöffnungen 26 zum Abstechen der Schlacke aus der Schlackenschicht 28 des Bades 24.
Im allgemeinen zentral entlang des Oberteils 16 weist der Reaktor eine Reihe von Lanzenöffnungen 30 auf, wobei in jede von diesen eine in die Gicht eintauchende Lanze 32 eingeführt ist. Auf beiden Seiten der Öffnungen 30 sind Zufuhröffnungen 34 für die Beschickung mit eisenhaltigem Rohmaterial, Flußmittel und, falls erforderlich, reduzierender Kohle vorgesehen. Eine derartige Beschickung wird vorzugsweise mit Eintauch-Injektion durch Lanzen 32 durchgeführt.
Jede Lanze 32 kann, wie in der PCT/AU90/00466 offenbart oder, noch mehr bevorzugt, wie in der oben erwähnten ebenfalls anhängigen Australischen Patentanmeldung PK8457 ausgeführt sein. Die Lanzen 32 umfassen jede eine zentrale Leitung 36, insbesondere umfassen zumindest zwei im wesentlichen konzentrische Rohre, und ein äußeres, im wesentlichen mit der Leitung 36 konzentrisches Mantelrohr 33. An ihrem oberen Ende ist jede Leitung 36 (durch nicht dargestellte Mittel) mit einer Versorgungsleitung für Brennstoff/Reduktionsmittel, wie Feinkohle, und für sauerstoffhaltiges Gas verbindbar. Das untere Ende der Leitung 36 umfaßt eine Auslaßspitze oder Düse und ist, wie dargestellt, in die Schlackenschicht 28 des Bades 24 eingetaucht. Die Injektion des Brennstoffes/Reduktionsmittels und des sauerstoffhaltigen Gases ist derart, daß reduzierende Zonen 40 erzeugt werden, in welchen Auftreibungen 42 in der Schicht 28 ausgebildet werden. Die relative Anordnung der Öffnungen 30, 34 ist derart, daß die Zuführung durch die Öffnungen 34 oberhalb der Auftreibungen 42 geschieht.
An seinem oberen Ende ist jedes Mantelrohr 38 (durch nicht dargestellte Mittel) mit einer Quelle für sauerstoffhaltiges Gas verbindbar. Dieses Gas gelangt durch eine ringförmige Passage zwischen dem Rohr 38 und seine Leitung 36 nach unten. Das untere Ende jedes Rohres 38 ist oberhalb des unteren Endes seiner Leitung 36 in einem Abstand dazu vorgesehen, so daß das nach unten gelangte Gas daraus in den Reaktorraum 10a ausströmt, in geringem Abstand oberhalb des Bades 24, oberhalb jeder Auftreibung 42. Somit kann ein Nachbrennen oder eine Nachverbrennung des aus dem Bad 24 aufsteigenden CO und H&sub2; eintreten, so daß beträchtliche, sich daraus ergebende Wärmeenergie auf das Bad 24 übergeht.
Für alle Materialien wird kontinuierliche Beschickung verwendet, während das Abstechen der Schichten 22, 28 kontinuierlich oder chargenweise erfolgen kann. Die Eintauch-Injektion durch die Lanzen 32 bietet Wärme unter nicht-oxydierenden Verhältnissen; während eine Reduktion teilweise durch Stückkohle oder Feinkohle mit dem nicht-enthaltenden Rohmaterial, über die Öffnungen 34 zugeführt, erfolgt.
Die Lanze 50 der Figuren 3 und 4 hat eine Leitung 52, die sich vom oberen Endabschnitt 50a der Lanze 50 bis hin zu einer Spitze 54 am unteren Auslaßende erstreckt.
Die Leitung 52 umfaßt innere und äußere konzentrische Rohre 56, 58 und ein drittes, koaxial zwischen den Rohren 56 und 58 vorgesehenes Rohr. Die Spitze 54 ist abgedichtet mit dem unteren Endumfang jedes der Rohre 56, 58 verbunden. Das untere Ende des Rohres 60 endet hingegen oberhalb der Spitze 54, so daß der Raum zwischen den Rohren 56, 58 in eine innere und eine äußere Passage 61, 62 unterteilt wird, die bei 63, zwischen dem unteren Ende des Rohres 60 und der Spitze 54, miteinander in Verbindung stehen.
Im oberen Endabschnitt 50a ist die Passage 61 mittels zusammenwirkender, miteinander verbundener Flansche 56a, 60a der Rohre 56, 60 abgeschlossen. In gleicher Weise ist die Passage 62 durch eine ringförmige, radiale Wand 58a des Rohres 58 abgeschlossen, welche abgedichtet um das Rohr 60 herum verläuft. Das Rohr 60 hat eine Einlaß-Verbindungsleitung 60b, durch welche die Leitung 52 mit einer Quelle für unter Druck stehendes Kühlfluid wie Wasser verbindbar ist, so daß das Kühlfluid der Passage 61 zugeführt werden kann. Auch das Rohr 58 hat eine Auslaß-Verbindungsleitung 58b, durch welche die Leitung 52 mit einer Auslaßleitung zum Abführen des Kühlfluids aus der Passage 62 verbindbar ist. Die Anordnung ist derart, daß das Kühlfluid zur Kühlung der Leitung 52 mittels der Leitung 60b zugeführt werden kann, um durch und um die Passage 61 nach unten und dann um Passage 62 nach oben zu fließen, um durch die Leitung 58b abgeführt zu werden. Bei einer derartigen Strömung strömt das Kühlfluid bei 63 über das obere Ende der Spitze 54 und sorgt so für Kühlung der Spitze 54.
Im Rohr 56 ist eine vom oberen Ende des Rohres 56 im Abschnitt 50a zur Spitze 54 hindurchgehende Bohrung 64 definiert; während die Spitze 54 eine Fortsetzung der Bohrung 64 an das untere Ende der Lanze 50 darstellt. Konzentrisch innerhalb des Rohres 56 ist ein Brennstoffzufuhrrohr 66 vorgesehen, das sich vom oberen Ende der Lanze 50 bis auf ein Niveau erstreckt, das in einem Beispiel nahe dem Oberteil der Spitze 54 ist. Das obere Ende des Rohres 66 ist in einem Ringkragen 67 aufgenommen, durch welchen es mit der Versorgungsleitung 68 verbunden ist. Letztere ist mit einer Quelle für Brennstoff und Trägergas für den Brennstoff verbunden, um den Brennstoff durch die Lanze 50 mittels des Rohres 66 einzuspritzen.
Zwischen den Rohren 56, 66 ist eine ringförmige Gaspassage 70 durch die Bohrung 64 vorgesehen. Das obere Ende des Rohres 56 ist bei 56b erweitert und mit einer Einlaß-Verbindungsleitung 56c versehen, durch welche die Passage 70 mit einer unter Druck stehenden Quelle für Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas verbindbar ist, um die Injektion eines derartigen Gases durch die Lanze 50 zu ermöglichen.
Die Spitze 54 hat eine innere Umfangsoberfläche 54a, die, zusätzlich zur Schaffung einer Fortsetzung der Bohrung 64, kegelstumpfförmig ist und sich somit vom Querschnitt der Bohrung 64 innerhalb des Rohres 56 nach unten und nach außen hin erweitert. Die Neigung der Oberfläche 54a hat aus den oben angegebenen Gründen einen Halb- Kegelwinkel von 10 bis 20º. Die Oberfläche 54a vereinigt sich mit der äußeren zylindrischen Oberfläche 54b der Spitze, um derart eine scharfe untere Kante 54c der Spitze 54 am Auslaß der Lanze 50 zu bilden.
Das untere Ende des Rohres 66 kann eine Vielzahl von im Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Stäben 72 aufweisen, die sich axial innerhalb der Spitze 54 erstrecken. Auf diesen Stäben 72 ist innerhalb der Spitze 54 ein konisches Prallstück 74 montiert, dessen Querschnitt sich auf das untere Ende der Lanze 50 hin vergrößert. Das Prallstück 74 hat einen Halb-Winkel ähnlich jenem der Oberfläche 54a der Spitze 54 und bewirkt, daß sich der Strom des aus dem Rohr 66 ausgegebenen Brennstoffes nach außen hin in den Strom des aus der Passage 70 ausgegebenen Sauerstoffes aufteilt. Das Prallstück 74 und auch die Oberfläche 54a der Spitze 54 minimieren den Eintritt von Schlacke in die Spitze 54.
Innerhalb des unteren Abschnittes der Passage 70 kann ein helixfömiger Verwirbler 76 vorgesehen sein, um dem daraus ausgegebenen Sauerstoff eine Bewegung in Umfangsrichtung aufzuprägen. Der Verwirbler 76 umfaßt ein am Rohr 66 montiertes doppelt beginnendes helixförmiges Prallelement, dessen Ganghöhe auf die Spitze 54 hin abnimmt. Die Oberfläche 54a der Spitze 54 und das Prallstück 74 bewirken eine gute Vermischung des Brennstoffes und des Sauerstoffes innerhalb der Spitze 54, und das wird durch die Wirkung des Verwirblers 76 weiter verbessert. Dieses Vermischen und die Wirkung des Verwirblers 76 resultieren auch in einer guten Verteilung des Brennstoffes und des Sauerstoffes in der Schlacke, in die sie durch die in die Schlacke eintauchende Lanze 50 eingeblasen werden.
Ein Mantelrohr 78 ist konzentrisch am oberen Abschnitt der Leitung 52 vorgesehen. Eine Mantelpassage 80 ist zwischen den Rohren 58, 76 definiert, welche Passage 80 an ihrem oberen Ende durch die Flansche 58d und 78a dieser Rohre geschlossen ist. Das Rohr 78 hat eine Einlaßleitung 78b, die mit der Passage 80 in Verbindung steht und mit einer unter Druck stehenden Quelle eines Mantelgases, wie einem sauerstoffhaltigen Gas zur Nachverbrennung über dem Schlackenbad, wie hier noch genauer erläutert wird, verbindbar ist. Das Mantelgas kann aus dem offenen oberen Ende der Passage 80 ausströmen, um in die Ofen- oder Reaktorgase oberhalb des Bades auszuströmen.
Um zumindest einen Teil der Länge des Rohres 78 herum ist ein zusätzliches Kühlsystem 82 vorgesehen, obwohl dies bei allgemeinen Überlegungen wahlweise ist. Dieses umfaßt konzentrische Rohre 84, 86, jedes an seinem oberen Ende geschlossen, wobei das Rohr 86 auch an seinem unteren Ende geschlossen ist. Jedes Rohr hat eine Verbindungsleitung 84a, 86a, welche die Zu- bzw. Abfuhr eines weiteren Kühlfluids ermöglicht, im wesentlichen wie in Verbindung mit dem Umlauf eines derartigen Fluids innerhalb der Leitung 52 beschrieben. Das System 82 verbessert die Gesamtkühlung der Lanze 50 und insbesondere des Mantelrohres 78 gegenüber der Einwirkung der Ofen- bzw. Reaktorgase und der Wärme der Nachverbrennung.
Die Lanze 50 wird für die Eintauch-Injektion günstigerweise ein externes Kühlmittel-Umlaufsystem einsetzen, vorzugsweise unter Verwendung von Wasser als Kühlfluid. Das sorgt für eine lange Betriebsdauer der Lanze, wobei der Bedarf an oftmaligen Reparaturen vermieden wird. Die Lanze 50 wird für die Injektion von Brennstoff, Luft und Sauerstoff in ein Schlackenbad verwendet, um Wärme zuzuführen und für ein kräftiges Durchmischen zu sorgen, um so schnelle und effiziente Reaktionen zu erzielen. Sie hat spezielle Vorteile bei der Verwendung zur Injektion von Kohle als Brennstoff und Reduktionsmittel zusammen mit Sauerstoff und Luft, um stark reduzierende Bedingungen bei hohen Temperaturen zu erzeugen, wie sie zum Schmelzen und Reduzieren von Eisen aus eisenhaltigen Materialien erforderlich sind.
Die Lanze ist vorzugsweise aus Edelstahlrohren oder -leitungen hergestellt, um einem Rosten vorzubeugen und Widerstand gegenüber Hochtemperatur-Oxidation zu bieten. Die Spitze 54 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Edelstahl, während, wie angegeben, ihr innerer Halb-Kegelwinkel von 10 bis 20º zur Verhinderung des Verstopfens durch verfestigte Schlacke wirkt. Äußere Wasserkühlung erhält eine niedrige Lanzentemperatur, und in einem die Lanze enthaltenden System sind eine Niederdruck-Kühlfluid-Sperre und ein Lanzen-Hebemechanismus vorgesehen.
Die Lanze hat vorzugsweise eine minimale Oberfläche, die durch die Eignung zur Erhaltung von hohen Geschwindigkeiten des Gas- bzw. Brennstoffstromes möglich gemacht wird. Typischerweise kann der Gas- bzw. Brennstoffstrom im Bereich von Mach 0,05 bis 1,0 liegen, vorzugsweise zwischen Mach 0,3 und 0,5. Gleichermaßen ermöglichen hohe Geschwindigkeiten des Kühlmittelstromes minimale Oberflächen für die Lanze, etwa ein Kühlwasserstrom von 1 bis 5 m/sec.
Das Vorsehen eines Mantelrohres 78 außerhalb der Leitung 52 ermöglicht die Injektion von Luft oder eines anderen Mantelgases oberhalb des Bades. Ein derartiges Mantelgas sorgt für eine Kühlung des oberen Bereiches der Lanze 50. Dieses Mantelgas kann auch aus Verfahrensgründen Sauerstoff für Reaktionen oberhalb des Bades zur Verfügung stellen, um ausreichende Nachverbrennung von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und während der Eintauch-Injektion aus dem Bad ausgetragenen Kohlenstaubes zu erzielen. Die Position des Mantelrohres 78 ist derart optimiert, um eine maximale Wärmerückgewinnung aus derartigen Reaktionen zu erlauben, während eine Reoxidation des Schlackenbades und der Metallprodukte vermieden wird.
Das Vorsehen von Verwirblern 76 im Sauerstoff/Luft-Trakt verbessert das Vermischen der eingespritzten Materialien, bevor sie in das Bad eintreten und sorgt auch für stabile Austrittsbedingungen für die Injektion des Gases in das Bad.
Das Vorsehen des Prallstückes 74 verhindert das Eintreten von Schlacke in die Spitze und die Blockierung der Strömung.
Die zusätzliche Wasserkühlung des oberen Bereiches, um die Leitung 52 herum, kann von Vorteil sein, wenn die Menge des oberhalb des Schlackenbades ausgegebenen Mantelgases nicht ausreichend groß ist, um zu verhindern, daß das Mantelrohr 78 eine Temperatur erreicht, die Oxidation oder Beschädigung bewirken könnte. Die zusätzliche Kühlung hält das untere Ende des Mantelrohres 78 auf einer Temperatur von 400 bis 800ºC, abhängig vom verwendeten Material.
Ein Hauptzweck der Erfindung ist es, die Injektion von Brennstoff, Reduktionsmittel, Luft und/oder Sauerstoff in ein Schlackenbad unter Bedingungen zu erlauben, bei welchen die Lanze ein minimalen Beanspruchung ausgesetzt ist und minimaler Erhaltungsarbeiten bedarf. Ein weiterer Vorteil ist aber auch, wenn ein Mantelrohr 78 vorgesehen ist, daß das Einblasen von Nachverbrennungsluft oder -sauerstoff in den Gasraum oberhalb des Bades, in geeigneter Nähe der Injektionsstelle, ermöglicht ist, um eine Wärmefreisetzung aus der Nachverbrennung zur effizienten Aufheizung des Bades sicherzustellen, während die Reoxidierung der Badinhalte verhindert wird. Dieser letztere Zweck hat besondere Relevanz auf das Verhütten und Reduzieren von eisenhaltigen Rohstoffen zur Herstellung von metallischem Eisen in der Form von Roheisen oder Eisen mit weniger Kohlenstoff als Roheisen.
Um die Erfindung weiter zu erläutern, sind die nachfolgenden nicht- einschränkenden Beispiele vorgesehen.

Beispiel 1:

EinPilotanlagen-Betriebwurdedurchgeführt, beidemEisensandmaterial mit einer Zusammensetzung von 46,6% Fe, 7,00% TiO&sub2;, 13,4% SiO&sub2;, 4,5% MgO, 4,0% CaO, 4,25% Al&sub2;O&sub3;, 1600 ppm Cr, 0,45% V&sub2;O&sub5; und 0,29% P&sub2;O&sub5; in einen Ofen mit in die Gicht eintauchenden Lanzen durch eine Beschickungsöffnung zugeführt wurde, nachdem es mit gebranntem Kalk und Stückkohle vermischt und in einer Mischschnecke auf 19,5% H&sub2;O angefeuchtet wurde. Eine in die Gicht eintauchende Lanze wurde mit Feinkohle, Sauerstoff und Luft befeuert, um stark reduzierende Verhüttungsbedingungen im Schlackenbad zu erzeugen. Luft wurde durch ein Mantelrohr um die Lanze geblasen, um eine Nachverbrennung von CO, H&sub2; und Kohlenstoff in den aufsteigenden Gasen direkt oberhalb des Bades zu bewirken. Die Beschickungsbedingungen waren wie folgt:
Beschickungsrate mit Eisensänden: 65 kg/h
mit Stückkohle 30 kg/h
mit Kalk 6,5 kg/h
Injektionsrate von Feinkohle 150 kg/h
von Sauerstoff 85 Nm³/h
von Trägerluft 50 bis 65 Nm³/h
von Mantelluft 200 Nm³/h
Die Schmelztemperatur war im Bereich 1400ºC bis 1450ºC. Metall und Schlacke wurden während des Verhüttens abgestochen. Nach einer Gesamtzeit von 19,6 Stunden wurde der Inhalt des Ofens komplett abgestochen.
Eine Gesamtmenge von 937,4 kg Eisensänden wurde zugeführt, während die Befeuerung mit einem Verbrennungsgrad von 43% an der Lanzenspitze lag. Das Niveau der Sauerstoffanreicherung in den eingeblasenen Gasen war 60%. Der Nachverbrennungsgrad mit Mantelluft war 25%. Eisen mit einer Zusammensetzung von 94,8% Fe, 2,74% C, 0,11% S, 0,05% V, 0.05% P wurde hergestellt, mit einer Eisenrückgewinnung von 87%. Der Gehalt von in der abgestochenen Schlacke verbliebenem Eisen lag bei 4%.

Beispiel 2:

Eisensandmaterial mit der selben Zusammensetzung wie in Beispiel 1 wurde in einen in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ofen mit einer Gesamtverhüttungsrate von 80tph verhüttet. Stückkohle und gebrannter Kalk wurden in das Bad mit Raten von 17300 kg/h bzw. 8400 kg/h zusammen mit den Eisensänden und 15% Agglomerationswasser zugegeben.
Die drei Lanzen wurden verwendet, um eine Gesamtmenge von 29522 kg/h Feinkohle, 15028 Nm³/h Sauerstoff und 15413 Nm³/h Verbrennungsluft in das Bad zu injizieren, was eine Sauerstoffanreicherung von 60% und einen Verbrennungsgrad der Kohle von 45% darstellt. Die Mäntel an den Lanzen wurden verwendet, um 248460 Nm³/h Nachverbrennungsluft zuzuführen, was für 30% Rückgewinnung von Nachverbrennungswärme für das Bad sorgte.
Die Rauchgase enthielten im wesentlichen Wärme und hätten, wenn alle durch einen Abwärmedampfkessel geführt worden wären, ausreichend Dampf erzeugt, um nahezu 40 MW Energie zu erzeugen. Die Verhüttungsanlage verbrauchte 10 MW Energie, hauptsächlich für die Sauerstofferzeugung, so daß ein Energieüberschuß zur Verfügung gestellt worden wäre, wenn alle Abwärme ausgenutzt worden wäre. Alternativ dazu könnte ein Abwärmedampfkessel und Turbinenkraftwerk derart bemessen werden, daß der für den Verhütter benötigte Sauerstoff erzeugt und die elektrischen Einrichtungen der Anlage betrieben werden könnten. Der Rest der Gase würde nach einer Staubentfernung in die Atmosphäre abgegeben werden.
Die Anlage erzeugte 40,7 tph Eisen mit einer Zusammensetzung von 95,8% Fe, 4,0% C und 32,2 tph Schlacke mit einer Zusammensetzung von 5% Fe, 29,2% CaO, 15,2% SiO&sub2;, 9,1% MgO wurden erzeugt und für die Deponierung granuliert. Die Rückgewinnung von Eisen im Verfahren war 96,1%.
Feinkohle, Trägerluft und Sauerstoff wurden durch die Lanzen in ein Bad von flüssiger Schlacke injiziert. Diese Mischung hatte einen Sauerstoffanreicherungsgrad von 60% und einen Verbrennungsgrad von 45%. Diese Einspritzung lieferte den Energiebedarf für das Eintauch- Schmelzen, als auch für Badverwirbelung und reduzierende Bedingungen im Bad. Luft wurde durch die Mantelrohre der Lanze injiziert, um das CO, H&sub2; und Kohlenstoff vollständig zu verbrennen, die durch die aufsteigenden Gase aus dem Bad ausgetragen wurden. Diese Nachverbrennung stellte Energie oberhalb des Bades an einer Stelle zur Verfügung, wo bedeutende Rückführung in das Bad auftritt. Eisenhaltiger Rohstoff in Stückform oder feiner Form wurde mit gebranntem Kalk als Flußmittel, Stückkohle als Reduktionsmittel und, wenn benötigt, Agglomerationswasser gemischt und durch Beschickungsöffnungen wie in Figuren 1 und 2 gezeigt zugeführt. Vorzugsweise wird Staub aus dem Ofen mit zugegebenem gebranntem Kalk wiederverwertet.
Das hergestellte Eisen und eine Schlacke mit niedrigem Eisengehalt wurden aus den entsprechenden Abstichöffnungen an gegenüberliegenden Enden des Ofens abgestochen. Das Metall war geeignet, um in weiteren Anlagen unter Verwendung bekannter Verfahren zu Stahl weiterverarbeitet zu werden oder um als Roheisen verkauft zu werden, während die Schlacke zur Granulierung zur Weiterverwendung oder Deponierung geeignet war.
Die im Ofen erzeugten Rauchgase hatten einen beträchtlichen Energiegehalt, ausreichend um 3 bis 4 Mal den Energiebedarf der Anlage zu erzeugen, wenn sie durch einen Abhitzekessel mit angeschlossenem Dampfturbinenkraftwerk geführt würden.

Claims

1. Verfahren, welches das Verhütten eines eisenhaltigen Rohstoffs in einem Reaktor, der in ein Schlackenbad enthält, umfaßt, wobei Heiz- und Reduktionsbedingungen in mindestens eienr reduzierenden Zone des Bads durch Injektion von Brennstoff/Reduktionsmittel und sauerstoffhaltigem Gas durch mindestens eine in die Gicht eingetauchte Lanze erzeugt werden; das Rohmaterial dem Reaktor zusammen mit einem zusätzlichen Reduktionsmittel und mit Flußmittel an oder nahe der mindestens einen reduzierenden Zone zugeführt wird, um einer Schmelzreduktion unterzogen zu werden, wobei Kohle als das zusätzliche Reduktionsmittel verwendet wird; die Injektionsraten von Sauerstoff und Brennstoff/Reduktionsmittel kontrolliert werden, um durch Versehen des eingeblasenen Gases mit einem Sauerstoffgehalt von 40% bis 100%, der für einen Verbrennungsgrad des Brennstoffs/Reduktionsmittels von 40% bis 50% ausreicht, gewünschte, ausreichende Reduktionsbedingungen zu erzielen; und wobei durch den Verhüttungsvorgang erzeugtes CO und H&sub2; sowie Kohlenstaub, der durch Verbrennungsgase aus dem Bad getragen wurde, in dem Reaktor einer Nachverbrennung unterzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eintauch-Injektion stark reduzierende Bedingungen schafft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Brennstoff und das eingepreßte Reduktionsmittel aus Kohle in Form feiner Partikeln, Heizöl, Erdgas, LPG, anderen geeigneten kohlenstoffhaltigen Substanzen und Mischungen davon ausgewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Brennstoff mittels eines Trägergases eingeblasene Feinkohle ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Trägergas zumindest einen Teil des zur Brennstoffverbrennung erforderlichen Sauerstoffs enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Trägergas aus einer Mischung von inertem Gas mit Luft, sauerstoffangereicherter Luft, Sauerstoff und inertem Gas ausgewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Trägergas ein inertes Gas mit Luft oder inertes GAs ist und das inerte Gas Stickstoff ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Teil des zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoffs durch einen Strom durch die Lanze eingeblasen wird, der von dem Brennstoff/Reduktionsmittel-Strom getrennt ist, wobei das Mischen der getrennten Ströme erst an dem unteren Ende der Lanze und/oder in dem Schlackenbad erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der druch den getrennten Strom eingeblasene Teil des Sauerstoffs nur Sauerstoff, Luft, sauerstoffangereicherte Luft, wahlweise mit einem inerten Gas wie Stickstoff gemischt, umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das zusätzliche Kohlereduktionsmittel Stückkohle ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Stückkohle dem Bad mit dem eisenhaltigen Rohstoff zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Stückkohle mit einer Rate von etwa 20 bis 60 Gewichtsprozent des Rohstoffs zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei je nach dem Rohstoff ein Flußmittel wie Kalk oder Siliciumdioxid mit dem Rohstoff zugeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei zumindest das zusätzliche Kohlereduktionsmittel und der Rohstoff während eines Verhüttungsvorgangs kontinuierlich zugeführt werden, wobei das Abziehen der Schlacke und das Abstechen des Eisenmetalls kontinuierlich erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei zumindest das zusätzliche Kohlereduktionsmittel und der Rohstoff während eines Verhüttungsvorgangs kontinuierlich zugeführt werden, wobei das Abziehen der Schlacke und das Abstechen des Eisenmetalls chargenweise erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Schmelzreduktion bei einer Reaktortemperatur von etwa 1350ºC bis etwa 1500 ºC durchgeführt wird, wobei die oder jede Lanze aus einem geeigneten legierten Strahl wie rostfreiem Stahl besteht.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die oder jede Lanze gekühlt wird, indem dieser während der Schmelzreduktion ein Kühlmedium zugeführt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei durch Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas wie Luft oder sauerstoffangereicherte Luft, der bzw. das über dem Schlacken bad in den Raktorraum eingeblasen wird, eine Nachverbrennung durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Nachverbrennung dicht an der Badoberfläche wie zum Beispiel nahe der oder jeder reduzierenden Zone durchgeführt wird, um einen hohen Grad an Wärmeübertragung auf das Schlackenbad zu erzielen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei sauerstoffhaltiges Gas für die Nachverbrennung durch mindestens eine Lanze zugeführt wird, deren unteres Auslaßende sich über der Badoberfläche befindet.

21. Verfahrennach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei sauerstoffhaltiges Gas für die Nachverbrennung in den Reaktorraum durch ein Mantelrohr eingeblasen wird, durch das sich die in der Gicht eingetauchte Lanze für die Brennstoff/Reduktionsmittel- Injektion erstreckt, wobei das Mantelrohr über der Badoberfläche endet.

22. Verfahren nch einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei eine Nachverbrennung durchgeführt wird, um einen Oxydationsgrad, wie er durch das Verhältnis von (CO&sub2; + H&sub2;O) zu (CO +H&sub2; + CO&sub2; + H&sub2;O) bestimmt wird, von über 0,2 zu erzielen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Oxydationsgrad nicht über etwa 0,95 liegt.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, wobei der Oxydationsgrad kontrolliert wird, um einen maximalen Grad an Wärmeübertragung auf die Schmelze zu erzielen, der mit der anschließenden Verwendung der Gase vereinbar ist, während das Bad nicht reoxydiert wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der eisenhaltige Rohstoff dem Reaktor zusammen mit einem Flußmittel wie gebranntem Kalk und Stückkohle als weiterem Reduktionsmittel zugeführt wird, wobei der Rohstoff in Stücken in fein verteilter Form vorliegt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Rohstoff mit Flußmittel und/oder Stückkohle agglomeriert ist, um zu verhindern, daß der Rohstoff mit den Rauchgasen des Reaktors herausgeblasen wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Rohstoff, das Flußmittel und das weitere Reduktionsmittel durch geeignet angeordnete Begichtungsöffnungsmittel des Reaktors über dem Schlackenbad der oder nahe der mindestens einen reduzierenden Zone, die aus der Eintauch-Injektion resultiert, zugeführt werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Rohstoff und das Flußmittel von geeignet feiner Partikelgröße dem Reaktor durch die oder jede in die Gicht eingetauchte Lanze zugeführt werden.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei die Eintauch-Injektion derart ist, daß eine kräftige Wirbelströmung in der reduzierenden Zone mit einem beträchtlichen Auftreiben der Badoberfläche erzeugt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei der Rohstoff aus Eisenerz als Stück- oder Feinerz, Pellets, Pellet-Feingut, Eisensänden, Eisenrückständen, Zunder, Stahlwerk-Gichtstaub, eisenreicher Schlacke und Mischungen davon ausgewählt wird.