DE69616607T2

DE69616607T2 - Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen

Info

Publication number: DE69616607T2
Application number: DE69616607T
Authority: DE
Inventors: Huibert Willem Hartog Den; Hendrikus Koenraad Albertus Meijer
Original assignee: Corus Staal BV
Current assignee: Tata Steel Ijmuiden BV
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1996-02-05
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2016-02-06
Also published as: CA2169020A1; CN1141345A; NL9500264A; ZA96967B; EP0726326B1; PL312776A1; KR0178445B1; AU4339696A; EP0726326A2; BR9600707A; US5800592A; DE69616607D1; CA2169020C; AU692344B2; PL180334B1; UA29482C2; US5968448A; EP0726326A3; CN1046960C; KR960031629A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Roheisen durch Direktreduktion von Eisenerz mit einer Vorreduzierungsstufe und einer abschließenden bzw. Endreduzierungsstufe.
Verfahren der oben beschriebenen Art sind bekannt. In einem bekannten Verfahren wird das Eisenerz in einem verflüssigten Zustand in einem Reduktionsschacht vorreduziert. Bei einem anderen wird das Eisenerz in der Form von Pellets in einem Reduktionsschacht vorreduziert. In diesen beiden Verfahren muß die Temperatur in dem Reduktionsschacht niedrig gehalten werden, um zu verhindern, daß sich das Eisenerz erweicht und der Reduktionsschacht blockiert wird. Entsprechend wird das vorreduzierte Eisenerz zu einem metallurgischen Behälter in einem festen Zustand bei einer Temperatur von 600 bis 900ºC transportiert. Bis jetzt sind diese Verfahren nicht industriell genutzt worden. Das Problem besteht darin, daß die Nachverbrennung des Prozeßgases, die in dem metallurgischen Behälter auftritt, in der Endreduktionsstufe in dem metallurgischen Behälter hoch sein muß, d.h. wenigstens 0,40, um die Wärme zu erzeugen, die in der Endreduktionsstufe bei einem vernünftigen Kohlen- und Sauerstoffverbrauch erforderlich ist. Diese Wärme, die oberhalb der Schmelze freigegeben wird, ist nur von einem Teilnutzen für die Schmelze. Wenn die Nachverbrennung weniger als 0,40 beträgt, dann führt dies zu einem hohen Kohleverbrauch und teure und wenig schädliche Kohle muß verwendet werden. In diesen bekannten Verfahren enthält das Prozeßgas beim Verlassen des Reduktionsschafts viel freie Wärme und chemische Energie. Diese freie Wärme in dem Prozeßgas kann in unterschiedlichen Weisen verwendet werden. Das Prozeßgas mit dem Anteil chemischer Energie wird in dieser Hinsicht Exportgas genannt.
In dem Artikel "The cyclone converter furnace" von von Langen et al. (Revue de Metallurgie, 90 (1993) Nr. 3, 363 bis 368) ist ein Verfahren beschrieben, in welchem Eisenerz in einem Schmelzzyklon durch ein reduzierendes Prozeßgas vorreduziert wird, welches in einer Endreduktionsstufe erhalten wird. Der Schmelzzyklon ist oberhalb von und in direkter Verbindung mit einem metallurgischen Behälter montiert, in welchem die Endreduktionsstufe stattfindet. Sauerstoff und Kohle werden dem Schmelzzyklon zugeführt. Das vorreduzierte Eisenerz fließt von dem Schmelzzyklon in den metallurgischen Behälter nach unten. In dem metallurgischen Behälter existiert eine Schlackenschicht auf einem Bad von Roheisen.
Die EP-A-236802 beschreibt ein ähnliches Verfahren, in welchem Kohle dem Roheisenbad durch Bodenrohre des Behälters zugeführt wird. Heiße Luft wird bei 1200ºC in den Behälter geblasen und bewirkt eine Nachverbrennung darin, so daß das Prozeßgas, welches den Behälter verläßt, einem Oxidationsgrad von 40% besitzt. Die heiße Luft von 1200ºC wird auch in den Schmelzzyklon geblasen, wo eine zweite Nachverbrennung zu einem Oxidationsgrad von 80% stattfindet.
Die EP-237811 beschreibt ein Verfahren, das ähnlich zu dem der EP-A-236802 ist, bei welchem nur die Hälfte des Prozeßgases aus dem metallurgischen Behälter zu dem Schmelzzyklon über einen Kanal geführt wird, in welchen heiße Luft eingespritzt wird, um eine zweite Nachverbrennung zu bewirken, so daß die Gase in den Schmelzzyklon bei 2500ºC eintreten. Das geschmolzene Eisenerz wird von dem Schmelzzyklon zu dem Behälter über eine separate Öffnung geführt.
Die NL-B-257692 beschreibt auch eine Vorreduzierung in einem Schmelzzyklon, aber diskutiert nicht die Nachverbrennung in dem Kessel.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Roheisen durch Direktreduktion mit einer Vorreduzierungsstufe in einem Schmelzzyklon und einer Endreduzierungsstufe in einem metallurgischen Behälter zu schaffen, welches trotz einem niedrigen Nachverbrennungsgrad in dem metallurgischen Behälter zu einem niedrigen Kohlenverbrauch führt.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für die Herstellung von geschmolzenem Roheisen durch Direktreduktion zu schaffen, in welchem es möglich ist, das Maß auszuwählen, in welchem Exportgas im Verhältnis zu der Verwendung des Exportgases erzeugt wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird geschaffen ein Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Roheisen durch Direktreduktion von Eisenerz in einer Vorreduzierungsstufe gefolgt von einer Endreduzierungsstufe, daß die Schritte aufweist, daß
a) während der Vorreduzierungsstufe dem Schmelzzyklon Eisenerz zugeführt und mittels eines aus der Endreduzierungsstufe stammenden Reduzierungsprozeßgases vorreduziert wird,
b) eine Nachverbrennung in dem Reduzierungsprozeßgas in dem Schmelzzyklon bewirkt wird, indem diesem Sauerstoff zugeführt wird, so daß das Eisenerz in dem Schmelzzyklon zumindest teilweise geschmolzen wird,
c) das vorreduzierte und wenigstens teilweise geschmolzene Eisenerz abwärts von dem Schmelzzyklon in einen metallurgischen Behälter fließen kann, der unterhalb von diesem angeordnet ist und in dem die Endreduktion stattfindet, und
d) die Endreduktion in dem metallurgischen Behälter in einer sich in diesem befindenden Schlackenschicht bewirkt wird, indem dem metallurgischen Behälter Kohle und Sauerstoff zugeführt werden, wodurch das Reduzierungsprozeßgas erzeugt wird, und eine teilweise Nachverbrennung in dem Reduzierungsprozeßgas in dem metallurgischen Behälter erfolgt, indem diesem Sauerstoff zugeführt wird,
wobei die Kohle der Schlackenschicht direkt zugeführt wird,
e) das Nachverbrennungsverhältnis als
(CO&sub2; + H&sub2;O) ÷ (CO&sub2; + CO + H&sub2;O + H&sub2;)
definiert ist, wobei CO&sub2;, CO, H&sub2;O und H&sub2; Konzentrationen in Gewichtsprozent dieser Gase beim Verlassen des metallurgischen Behälters sind, und nicht mehr als 0,55 beträgt und
f) wobei die teilweise Nachverbrennung in dem metallurgischen Behälter wenigstens teilweise in der Schlackenschicht erfolgt.
Das Verfahren der Erfindung erzeugt mehr Exportgas mit einem größeren chemischen Energieanteil, je geringer das Nachverbrennungsverhältnis festgelegt ist. In einigen Fällen ist es wünschenswert, mehr oder weniger Exportgas zu erzeugen. Dieses Verfahren schafft diese Möglichkeit.
Bei der Erfindung wird die Kohle direkt in die Schlackenschicht geführt. Dies bedeutet, daß die Kohle in die Schlackenschicht in ihrer festen besonderen Form eintritt und nicht über eine Auflösung in dem Roheisenbad, wie es in dem Verfahren der EP-A-236802 der Fall ist.
Die Direkteinspritzung der Kohle in die Schlackenschicht mit der Konsequenz, daß die erste teilweise Nachverbrennung zumindest teilweise in der Schlackenschicht stattfindet, hat die Konsequenz, daß der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zu der Schlacke und dem Roheisenbad hoch ist.
Weiterhin kann eine dicke Schlackenschicht, vorzugsweise 1 bis 3 m tief, erhalten werden, in welcher die teilweise Nachverbrennung und die Reduktion des FeO durch den Kohlenstoff stattfindet. Um das Schäumen der Schlacke zu kontrollieren ist es wünschenswert, daß wenigstens ein Teil, vorzugsweise wenigstens 25%, der Kohle in der Form von relativ groben Partikeln, d.h. Partikeln mit einer Durchschnittsgröße von 6 mm oder mehr, zugeführt wird.
Vorzugsweise wird die Kohle direkt in die Schlackenschicht durch wenigstens eines der folgenden Mittel zugeführt
(i) pneumatischer Transport fein zerkleinerter Kohle durch wenigstens eine Lanze (12),
(ii) pneumatischer Transport fein zerkleinerter Kohle durch wenigstens eine Blasdüse des metallurgischen Behälters direkt in die Schlackenschicht, und
(iii) Fallenlassen von Kohlepartikeln mit einer mittleren Größe von nicht weniger als 6 mm in die Schlackenschicht.
Fein zerkleinerte Kohle ist Kohle mit einer Partikelgröße von weniger als 6 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung liegt der Kohlenverbrauch vorzugsweise in einem Bereich von 500 bis 1000 kg pro Tonne von erzeugtem Roheisen.
In dem Verfahren kann Sauerstoff in der Form von Luft oder einem anderen Gemisch von Sauerstoff oder einem anderen Gas zugeführt werden, vorzugsweise wird der Sauerstoff, welcher dem Schmelzzyklon zugeführt wird, in den Zyklon in der Form von im wesentlichen reinen Sauerstoff eingeblasen. Dies kann bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 100ºC sein. In ähnlicher Weise hat der Sauerstoff, der dem metallurgischen Behälter zugeführt wird, die Form von im wesentlichen reinem Sauerstoff und hat eine Temperatur von nicht mehr als 100ºC.
Vorzugsweise liegt das Nachverbrennungsverhältnis des reduzierenden Prozeßgases beim Verlassen des metallurgischen Behälters im Bereich von 0,20 bis 0,55 und insbesondere vorzugsweise im Bereich von 0,30 bis 0,45. In geeigneter Weise beträgt ein Nachverbrennungsverhältnis (wie es oben definiert ist) des Prozeßgases beim Verlassen des Schmelzzyklons wenigstens 0,6, vorzugsweise wenigstens 0,7, und liegt der Kohleverbrauch im Bereich von 600 bis 800 kg, vorzugsweise 650 bis 700 kg pro Tonne hergestellten Roheisens. Der Prozeß kann Roheisen bei einem niedrigen Kohleverbrauch herstellen. Beim Verlassen des Schmelzzyklons hat das Prozeßgas nicht länger so viel chemische Energie und hat ein hohes Nachverbrennungsverhältnis.
Vorzugsweise wird eine in hohem Maße flüchtige Kohle verwendet. Dies ist deutlich weniger teuer als niedrigflüchtige Kohle. Es ist herausgefunden worden, daß in hohem Maße flüchtige Kohle gut in dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden kann. In den bekannten Verfahren, die einen Reduktionsschacht verwenden, ist es wegen des bei diesen Verfahren in dem metallurgischen Behälter erforderlichen hohen Nachverbrennungsverhältnisses nicht möglich, eine in hohem Maße flüchtige Kohle zu verwenden.
Vorzugsweise liegt der Vorreduzierungsgrad (PRD) des Eisenerzes beim Verlassen des Schmelzzyklons, definiert als 1 - [(0)A ÷ (0)B] im Bereich von 0,15 bis 0,30, wobei (0)A der Sauerstoffgehalt in Molanteil des vorreduzierten Eisenerzes von dem Schmelzzyklon und (0)B der Sauerstoffgehalt in Molanteil des dem Schmelzzyklon zugeführten Eisenerzes ist. Die Temperatur des vorreduzierten Eisenerzes liegt vorzugsweise beim Verlassen des Schmelzzyklons im Bereich von 1200 bis 1600ºC, und vorzugsweise wird das reduzierende Prozeßgas zwischen dem metallurgischen Behälter und dem Schmelzzyklon nicht gekühlt, entstaubt oder reformiert. Auf diese Weise kann dieses Gas direkt von dem Behälter durch denselben Kanal wie das geschmolzene teilreduzierte Erz in den Schmelzzyklon passieren.
Unter diesen Verfahrensbedingungen kann ein sehr niedriger Kohleverbrauch erreicht werden.
Ein besonderer Vorteil wird durch ein Verfahren erreicht, bei dem die Konzentration der Eisenkomponenten FexOy in der Schlackeschicht niedrig gehalten wird, indem die Kohle der Schlackeschicht zumindest teilweise in fein verteiltem Zustand, d.h. mit einer Partikelgröße von weniger als 6 mm, zugeführt wird. In der Endreduktion der Eisenkomponenten FexOy in der Schlacke zum Eisenerz oxidiert die Kohle zu CO&sub2;. Die Endreduktion erfolgt gemäß einer Formel dieser Art: R = k · A · C. Hier ist R die Reaktionsrate der Endreduktion, k eine Konstante, die in einer anfänglichen Annäherung umgekehrt proportional zu der charakteristischen, linearen Dimension der Kohlenpartikel ist, A die spezifische Oberfläche der Kohlepartikel ist, und C die Konzentration der Eisenbestandteile FexOy in der Schlacke ist.
Wegen des fein zerkleinerten Zustandes der Kohle werden sowohl die Konstante k als auch die spezifische Oberfläche A größer. Dies resultiert darin, daß die Endreduktion der vorreduzierten Eisenkomponenten FexOy, welche von dem Schmelzzyklon kommen, schneller stattfindet, so daß die Konzentration von FexOy in der Schlacke niedriger bleibt. Der Vorteil hiervon ist, daß die Schlacke die feuerfeste Verkleidung des metallurgischen Behälters weniger schnell beeinträchtigt. Wegen der geringeren Abnutzung an der feuerfesten Verkleidung ist ihre Nutzdauer länger.
Vorzugsweise wird die Kohle wenigstens teilweise in die Schlacke in der Form von Kohlepulver zugeführt. Dieser sehr fein zerteilte Zustand der Kohle hält die Lebensdauer der Verkleidung des metallurgischen Behältnisses auf einem Maximum.
Die Erfindung kann in einer Vorrichtung für die Herstellung von geschmolzenem Roheisen durch Direktreduktion von Eisenerz ausgeführt werden, welche umfaßt
a) einen metallurgischen Behälter,
b) Zuführmittel, um Kohle direkt in eine Schlackeschicht zuführen, die im Betrieb der Vorrichtung oberhalb eines geschmolzenen Bades von Roheisen in dem metallurgischen Behälter gebildet wird,
c) Zuführmittel, um Sauerstoff dem metallurgischen Behälter zuzuführen,
d) Auslaßmittel, um geschmolzenes Roheisen und Schlacke aus dem metallurgischen Behälter abzuführen,
e) einen Schmelzzyklon, der oberhalb von und in offener Verbindung mit dem metallurgischen Behälter angeordnet ist, um mit diesem einen einzigen Reaktor zu bilden, wobei im Betrieb Prozeßgas von dem metallurgischen Behälter direkt in den Schmelzzyklon tritt und wenigstens teilweise geschmolzenes vorreduziertes Eisenerz von dem Schmelzzyklon direkt in den metallurgischen Behälter tritt,
f) Zuführmittel, um Eisenerz in den Schmelzzyklon zu führen,
g) Zuführmittel, um Sauerstoff in den Schmelzzyklon zu führen,
h) Auslaßmittel, um Prozeßgas in einem Fließstrom aus dem Schmelzzyklon herauszuführen,
i) einem dampferzeugenden Boiler in den Auslaßmitteln zum Auslassen von Prozeßgas aus dem Schmelzzyklon, um Dampf aus der freien Wärme des Prozeßgases zu erzeugen,
j) Entstaubungsmitteln stromabwärts von dem dampferzeugenden Boiler in dem Fließstrom, um das Prozeßgas zu entstauben.
Das Kohlezuführmittel umfaßt vorzugsweise wenigstens eines der folgenden Mittel
(i) wenigstens eine Lanze, um Kohle in fein zerkleinerter Form pneumatisch zu transportieren,
(ii) wenigstens eine Seitenblasdüse des metallurgischen Behälters, um Kohle in fein zerkleinerter Form pneumatisch zu fördern, und
iii) Mittel, um Kohle in die Schlackeschicht durch Gravitation fallen zu lassen.
Die Erfindung wird durch die Beschreibung von Ausführungsformen und der Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert werden, in welchen:
Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, das schematisch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
Fig. 2 zeigt beispielhaft die Beziehung zwischen der freien Wärme und der chemischen Energie in dem Prozeßgas, das den Schmelzzyklon verläßt einerseits, und dem Kohleverbrauch andererseits.
Fig. 3 ist ein Graph, der beispielhaft ein Betriebsfenster des Verfahrens der Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist ein anderer Graph, der ein anderes Betriebsfenster der Erfindung zeigt.
Fig. 1 zeigt einen Schmelzzyklon 1, dem ein Eisenerzkonzentrat mit einem Trägergas durch ein Zuführsystem 2 zugeführt wird. Gleichzeitig wird im wesentlichen reiner Sauerstoff dem Schmelzzyklon 1 über ein Zuführsystem 3 zugeführt. Der Begriff "reiner Sauerstoff" wird hier so verwendet, wie er in dem Bereich der Stahlherstellung verstanden wird. Direkt unterhalb des Schmelzzyklons und in offener Verbindung mit diesem ist ein metallurgischer Behälter 4 vorgesehen. Das Eisenerz wird in dem Schmelzzyklon 1 vorreduziert und durch ein reduzierendes Prozeßgas, das aus dem metallurgischen Behälter 4 stammt, geschmolzen. In diesem Prozeßgas wird eine Nachverbrennung mit dem Sauerstoff in dem Schmelzzyklon 1 aufrechterhalten. Das um 15 bis 30% vorreduzierte und geschmolzene Eisenerz fließt bei einer Temperatur von vorzugsweise 1400 bis 1600ºC die Wand 5 des Schmelzzyklons 1 herunter direkt in den metallurgischen Behälter 4. In dem metallurgischen Behälter 4 befindet sich während des Betriebs eine Schmelze 6 aus Roheisen mit einer sich darauf befindlichen Schlackeschicht 7. Typischerweise ist diese Schlackeschicht 7 2 m dick. Im wesentlichen reiner Sauerstoff wird einer Lanze 12 in dem metallurgischen Behälter 4 durch ein Zuführsystem 16 und Kohle durch ein Zuführsystem 9 zugeführt. Das vorreduzierte Eisenerz wird durch die so direkt in die Schlackeschicht 7 zugeführte Kohle endreduziert, wodurch ein Prozeßgas mit CO&sub2; und CO gebildet wird, das auch H&sub2;O und H&sub2; aus dem Wasserstoff, welcher aus der Kohle stammt, enthält. Zusammen mit dem Sauerstoff, welcher dem metallurgischen Behälter 4 zugeführt wird, wird das Prozeßgas in dem metallurgischen Behälter zu einem Nachverbrennungsverhältnis von vorzugsweise maximal 40% nachverbrannt. Die dabei freigegebene Wärme wirkt zum Vorteil der Schlackeschicht mit einem gewissen Wärmeübergangseffekt (HTE). Das Prozeßgas strömt direkt in den Schmelzzyklon 1, wird dort wie oben erwähnt weiter nachverbrannt und verläßt den Schmelzzykon 1 mit einem bestimmten Nachverbrennungsverhältnis. Das geschmolzene Roheisen und die Schlacke werden bei 10 abgelassen.
Fig. 1 deutet auch an, daß Inertgas bei der Position 11 durch den Boden des metallurgischen Behälters 4 zugeführt werden kann, um die Schmelze 6 umzurühren. Zusammen bilden der Schmelzzyklon 1 und der metallurgische Behälter 4 eine Einheit, d.h. sie sind sozusagen direkt miteinander durch eine Öffnung, durch welche sowohl das geschmolzene Eisenerz als auch das Prozeßgas passieren, ohne irgendwelche Verbindungsleitungen miteinander verbunden, weil der Schmelzzyklon 1 direkt auf dem metallurgischen Behälter 4 plaziert ist.
Die Fig. 1 zeigt anhand eines Beispiels die Zufuhr von Sauerstoff und Kohle zu dem metallurgischen Behälter 4 mittels einer zentralen Lanze 12, die direkt in die Schlackenschicht 7 oder direkt darüber ihre Auslaßöffnung besitzt. Viele Varianten können hierfür in Betracht gezogen werden. Für die Zufuhr von Kohle nicht als klumpige Kohle sondern vielmehr in einem fein zerteilten Zustand, geht der Vorzug zu einer oder mehreren Lanzen oder Blasdüsen 17 beispielsweise durch die Seitenwand des metallurgischen Behälters 4, durch welche die fein zerteilte Kohle, vorzugsweise Kohlepulver, direkt in die Schlackeschicht eingeblasen wird. Dies beschleunigt die Endreduktion des vorreduzierten Eisenerz in der Schlackeschicht 7, so daß die feuerfeste Verkleidung 13 des metallurgischen Behälters 4 auf der Höhe der Schlackeschicht erhalten wird.
Wie oben beschrieben kann ein Teil der Kohle in klumpiger Form, d.h. einer Größe von > 6 mm sein. Diese kann durch Gravitation über geeignete Öffnungen in dem Behälter zugeführt werden.
Das Prozeßgas verläßt den Schmelzzyklon 1 bei einer Temperatur von 1200 bis 1800ºC. Diese freie Wärme wird in einem Boiler 14 in Dampf umgewandelt, aus welchem Elektrizität erzeugt werden kann. Die so erhaltene elektrische Kapazität ist mehr als angemessen zur Erzeugung des erforderlichen Sauerstoffs. Nach dem Boiler 14 enthält das Prozeßgas noch chemische Energie, durch welche auch Elektrizität erzeugt werden kann.
Das Verfahren kann unter einem erhöhten Druck von beispielsweise 3 bar in dem Schmelzzyklon 1 und in dem metallurgischen Behälter 4 durchgeführt werden.
Die Fig. 1 zeigt auch, daß das Prozeßgas nach dem Boiler 14 in einem Venturi-Skrubber 15 entstaubt wird.
Das Prozeßgas, das nach dem Boiler Exportgas genannt wird, enthält noch chemische Energie, welche von daher Exportenergie genannt wird, deren Menge entsprechend des Bedarfs gewählt werden kann, indem der Kohleverbrauch des Verfahrens über den minimalen Kohleverbrauch, der für die Herstellung von Roheisen benötigt wird, eingestellt wird.
Die Fig. 2 zeigt anhand eines Beispiels die Beziehung zwischen der freien Wärme und der chemischen Energie in dem Prozeßgas, das den Schmelzzyklon verläßt einerseits, und dem Kohleverbrauch andererseits. Das Beispiel von Fig. 2 gilt für den Fall, daß das Nachverbrennungsverhältnis in dem metallurgischen Behälter 25% ist und daß der Wärmeübergangswirkungsgrad in dem metallurgischen Behälter 80% beträgt. Die Figur zeigt, daß unter diesen Umständen in erster Näherung diese freie Wärme in dem Prozeßgas etwa konstant und unabhängig von dem Kohleverbrauch ist. Die chemische Energie in dem Exportgas erhöht sich jedoch mit dem Kohleverbrauch. Die freie Wärme in dem Prozeßgas von etwa 5 GJ pro Tonne Roheisen, die unvermeidbar ist, kann in einem Boiler in Dampf und dann in Elektrizität umgewandelt werden, welche dann für die Herstellung des benötigten Sauerstoffs verwendet werden kann. Die Menge an chemischer Energie in dem Exportgas kann jedoch durch Einstellung des Nachverbrennungsverhältnisses gewählt werden. Der minimale Kohleverbrauch beträgt unter den gegebenen Umständen etwa 640 kg pro Tonne Roheisen. Diese Figur zeigt, daß im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, welche eine Reduktionsschacht verwenden, das Verfahren gemäß der Erfindung nicht zu einer hohen, ungewünschten Menge an Exportenergie resultiert, sondern daß das Verfahren gemäß der Erfindung, sofern es gewünscht ist, mit einem Minimum an Kohleverbrauch ohne übermäßige Exportenergie verwendet werden kann.
Die Fig. 3 zeigt anhand eines Beispiels ein Betriebsfenster des Verfahrens gemäß der Erfindung. Das Beispiel von Fig. 3 gilt für den Fall, daß das Eisenerz in dem Schmelzzyklon um 20% vorreduziert wird und daß das vorreduzierte Eisenerz zu dem metallurgischen Behälter bei einer Temperatur von 1500ºC geführt wird. Die Fig. 3 berücksichtigt einen Kühlungsverlust von 500 MJ pro Tonne Roheisen und keine Verluste von Kohle- oder Eisenoxid. Das Beispiel von Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Wärmeübergangswirkungsgrad von dem metallurgischen Behälter und dem Nachverbrennungsverhältnis in dem metallurgischen Behälter mit dem Kohleverbrauch als Parameter. Bei einem niedrigen Wärmeübergangswirkungsgrad ist die Temperatur des Wirkungsgrades in dem metallurgischen Behälter zu hoch; andererseits gibt es Grenzen für die höchsten Werte des Wärmeübergangswirkungsgrades des Prozeßgases zu der Schlackeschicht und der Schmelze. Wo das Nachverbrennungsverhältnis zu hoch ist, wird das Prozeßgas in dem Schmelzzyklon zu mager; es gibt dann unzureichend CO in dem Prozeßgas, um die 20%ige Vorreduktion in dem Schmelzzyklon zu erreichen. Wo das Nachverbrennungsverhältnis zu niedrig ist, wird der Kohleverbrauch zu hoch und wird zu viel Prozeßgas erzeugt. Für einen minimalen Kohleverbrauch muß das Nachverbrennungsverhältnis hoch sein. In dem Beispiel von Fig. 3 ist der minimale Kohleverbrauch etwa 640 kg pro Tonne Roheisen bei einem Wärmeübergangswirkungsgrad von etwa 80%. Dies bedeutet, daß das Nachverbrennungsverhältnis in dem Schmelzzyklon auch hoch ist (wenigstens 70%). Durch Optimierung könnte der Kohleverbrauch auf 500 kg pro Tonne Roheisen reduziert werden. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, bietet das Verfahren gemäß der Erfindung die Möglichkeit, Exportenergie bis zu etwa 10 GJ pro Tonne Roheisen bei einem Kohleverbrauch von etwa 900 kg pro Tonne Roheisen zu erzeugen, wenn mehr Exportenergie erforderlich ist.
Fig. 4 zeigt ein anderes Betriebsfenster des Verfahrens der Erfindung, in dem das Nachverbrennungsverhältnis in dem Bereich von etwa 0,25 bis 0,55 liegen kann. Die Fig. 4 berücksichtigt Kühlungsverluste von 1000 MJ pro Tonne Roheisen, die typischerweise auftreten können, und auch Verluste von Kohle und Roheisen von jeweils 60 kg pro Tonne Roheisen, beispielsweise als Staub. Sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 wird mittelmäßig flüchtige Kohle mit 32 MJ/kg verwendet und ist der Kohleverbrauch in dem Bereich von 500 bis 1000 kg/Tonne Roheisen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Roheisen durch Direktreduktion von Eisenerz in einer Vorreduzierungsstufe gefolgt von einer abschließenden Reduzierungstufe, das die Schritte aufweist, daß

a) während der Vorreduzierungsstufe dem Schmelzzyklon (1) Eisenerz zugeführt und mittels eines aus der abschließenden Reduzierungsstufe stammenden Reduzierungsprozeßgases vorreduziert wird,

b) eine Nachverbrennung in dem Reduzierungsprozeßgas in dem Schmelzzyklon (1) bewirkt wird, indem diesem Sauerstoff zugeführt wird, so daß das Eisenerz in dem Schmelzzyklon (1) zumindest teilweise geschmolzen wird,

c) das vorreduzierte und wenigstens teilweise geschmolzene Eisenerz abwärts von dem Schmelzzyklon (1) in einen metallurgischen Behälter (4) fließen kann, der unterhalb von diesem angeordnet ist und in dem die abschließende Reduktion stattfindet, und

d) die abschließende Reduktion in dem metallurgischen Behälter (4) in einer sich in diesem befindenden Schlackenschicht bewirkt wird, indem dem metallurgischen Behälter (4) Kohle und Sauerstoff zugeführt werden, wodurch das Reduzierungsprozeßgas erzeugt wird, und eine teilweise Nachverbrennung in dem Reduzierungsprozeßgas in dem metallurgischen Behälter (4) erfolgt, indem diesem Sauerstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

(1) die Kohle der Schlackenschicht (7) direkt zugeführt wird,

(2) die teilweise Nachverbrennung in dem metallurgischen Behälter (4) wenigstens teilweise in der Schlackenschicht erfolgt, und

(3) das Nachverbrennungsverhältnis als

(CO&sub2; + H&sub2;O) ÷ (CO&sub2; + CO + H&sub2;O + H&sub2;)

definiert ist, wobei CO&sub2;, CO, H&sub2;O und H&sub2; Konzentrationen in Gewichtsprozent dieser Gase beim Verlassen des metallurgischen Behälters sind, und nicht mehr als 0,55 beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das die Zufuhr der Kohle direkt in die Schlackenschicht durch wenigstens eines der folgenden Mittel umfaßt:

(i) pneumatischer Transport fein zerkleinerter Kohle durch wenigstens eine Lanze (12),

(ii) pneumatischer Transport fein zerkleinerter Kohle durch wenigstens eine Blasdüse des metallurgischen Behälters direkt in die Schlackenschicht, und

(iii) Fallenlassen von Kohlepartikeln mit einer mittleren Größe von nicht weniger als 6 mm in die Schlackenschicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die direkt in die Schlackenschicht geförderte Kohle wenigstens 25 Gewichtprozent Partikel mit einer Größe von nicht weniger als 6 mm umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Kohleverbrauch in dem Verfahren im Bereich von 500 bis 1000 kg pro Tonne hergestellten Roheisens beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der dem Schmelzzyklon zugeführte Sauerstoff in den Zyklon in Form von im wesentlichen reinem Sauerstoff eingeblasen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der dem metallurgischen Behälter zugeführte Sauerstoff die Form von im wesentlichen reinem Sauerstoff aufweist und bei einer Temperatur von nicht mehr als 100ºC zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Nachverbrennungsverhältnis des reduzierenden Prozeßgases beim Verlassen des metallurgischen Behälters im Bereich von 0,20 bis 0,55 liegt, und vorzugsweise im Bereich von 0,30 bis 0,45.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin ein Nachverbrennungsverhältnis (wie es in Anspruch 1 definiert ist) des Prozeßgases beim Verlassen des Schmelzzyklons wenigstens 0,60, vorzugsweise wenigstens 0,7 beträgt, und der Kohleverbrauch im Bereich von 600 bis 900 kg, vorzugsweise 650 bis 750 kg Kohle pro Tonne hergestellten Roheisens liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die zugeführte Kohle eine im hohen Maße flüchtige Kohle ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin der Vorreduzierungsgrad (PRD) des Eisenerzes beim Verlassen des Schmelzzyklons, definiert als

1 - [(0)A ÷ (0)B]

im Bereich von 0,15 bis 0,30 liegt, wobei (0)A der Sauerstoffgehalt in Molenbruch des vorreduzierten Eisenerzes von dem Schmelzzyklon und (0)B der Sauerstoffgehalt in Molenbruch des dem Schmelzzyklon zugeführten Eisenerzes ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Temperatur des vorreduzierten Eisenerzes beim Verlassen des Schmelzzyklons im Bereich von 1200 bis 1600ºC liegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das Reduzierungsprozeßgas zwischen dem metallurgischen Behälter und dem Schmelzzyklon nicht gekühlt, entstaubt oder nachformiert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin die Kohle der Schlackenschicht wenigstens teilweise in Form pulverförmiger Kohle zugeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin die Kohle der Schlackenschicht mit einem Trägergas mittels wenigstens einer Injektionslanze, die in die Schlackenschicht eintaucht oder kurz oberhalb der Schlackenschicht ihren Auslaß hat, zugeführt wird.