EP1948833B1

EP1948833B1 - Method for the operation of a shaft furnace

Info

Publication number: EP1948833B1
Application number: EP06840931A
Authority: EP
Inventors: Gerd König; Wolfram KÖNIG; Hans-Heinrich Heldt; Dieter Georg Senk; Heinrich-Wilhelm Gundenau; Alexander Babich
Original assignee: ThyssenKrupp AT PRO Tec GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AT PRO Tec GmbH
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: ATE525486T1; AU2006311226A1; EP1948833A2; BRPI0618470A2; JP2009515049A; BRPI0618470B1; CN101305103B; EA013386B1; US8444910B2; PL1948833T3; EA200801076A1; US20120217684A1; US20080237944A1; DE102005053505A1; ES2373462T3; JP5113071B2; WO2007054308A2; KR20080067644A; CN101305103A; AU2006311226B2

Abstract

Apparatus for operating a shaft furnace, whereby an upper section of the shaft furnace is charged with raw materials which due to gravity descend inside the furnace while the atmosphere prevailing within the shaft furnace causes part of the raw materials to melt and/or to be reduced, and in a lower section of the shaft furnace a process gas is injected so as to at least partly modify the atmosphere prevailing in the shaft furnace. The pressure and/or volume flow of the injected process gas is dynamically modulated within a time span of 40 s. Also, a shaft furnace operable by said method, thus achieving improved through-gassing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, bei dem ein oberer Bereich des Schachtofens mit Rohmaterialien beschickt wird, die unter Einfluss der Schwerkraft im Ofen absinken, wobei ein Teil der Rohmaterialien unter Einwirkung der innerhalb des Schachtofens herrschenden Atmosphäre geschmolzen und/oder reduziert wird, und in einem unteren Bereich des Schachtofens ein Behandlungsgas eingeleitet wird, das die innerhalb des Schachtofens herrschende Atmosphäre zumindest teilweise beeinflusst.The invention relates to a method for operating a shaft furnace, in which an upper region of the shaft furnace is charged with raw materials which sink under the influence of gravity in the furnace, wherein a part of the raw materials is melted and / or reduced under the influence of the atmosphere prevailing inside the shaft furnace , And in a lower portion of the shaft furnace, a treatment gas is introduced, which at least partially affects the atmosphere prevailing within the shaft furnace atmosphere.

Ein solches Verfahren, bzw. der Schachtofen ist grundsätzlich bekannt. Allein für die Produktion von Primärschmelze von Eisen wird er überwiegend als Hauptaggregat eingesetzt, wobei andere Verfahren lediglich einen entsprechenden Anteil von nur etwa 5 % haben. Der Schachtofen kann nach dem Gegenstromprinzip arbeiten. Rohmaterialien wie Möller und Koks werden an dem oberen Bereich des Schachtofens der Gicht chargiert und sinken im Schachtofen nach unten. In einem unteren Bereich des Ofens (Blasformebene) wird ein Behandlungsgas (so genannter Wind mit je nach Größe des Ofens 800 - 10 000 m³/tRE) durch Blasformen in den Ofen eingeblasen. Dabei reagiert der Wind, bei dem es sich üblicherweise um vorab in Winderhitzem auf etwa 1000 bis 1300°C erhitzte Luft handelt, mit dem Koks, wobei u. a, Kohlenmonoxid erzeugt wird. Das Kohlenmonoxid steigt im Ofen auf und reduziert die im Möller enthaltenen Eisenerze.Such a method, or the shaft furnace is basically known. For the production of primary molten iron alone, it is mainly used as a main aggregate, although other processes only have a corresponding share of only about 5%. The shaft furnace can work on the countercurrent principle. Raw materials such as Möller and coke are charged at the top of the shaft furnace of the gout and sink down in the shaft furnace. In a lower part of the furnace (blow molding plane), a treatment gas (so-called wind with 800 - 10 000 m ³ / tRE depending on the size of the furnace) is blow-blown into the furnace. In this case, the wind, which is usually in advance heated in Winderhitzem to about 1000 to 1300 ° C air, with the coke, where u. a, carbon monoxide is generated. The carbon monoxide rises in the oven and reduces the iron ore contained in the Möller.

Darüber hinaus werden üblicherweise noch Ersatzreduktionsmittel mit beispielsweise 100-170 kg/tRE (z. B. Kohlenstaub, Öl oder Erdgas) mit in den Ofen eingeblasen, was die Erzeugung von Kohlenmonoxid fördert.In addition, substitute reducing agents of, for example, 100-170 kg / tRE (eg, coal dust, oil or natural gas) are usually blown into the furnace, which promotes the generation of carbon monoxide.

Zusätzlich zur Reduktion der Eisenerze schmelzen die Rohmaterialien aufgrund der bei den im Schachtofen auftretenden chemischen Prozesse erzeugten Wärme. Die Temperaturverteilung über den Querschnitt des Schachtofens ist allerdings ungleichmäßig. So bildet sich im Zentrum des Schachtofens der so genannte "tote Mann" aus, während sich die relevanten Prozesse wie die Vergasung (Reaktion von Sauerstoff mit Koks oder Ersatzreduktionsmitteln zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid) im wesentlichen lediglich in der so genannten Wirbelzone abspielt, die ein Bereich vor einer Blasform ist, also bezüglich des Querschnitts des Ofens nur in einem Randbereich gelegen ist. Die Wirbelzone besitzt eine Tiefe zur Ofenmitte von etwa 1 m und ein Volumen von etwa 1,5 m³. Üblicherweise sind in der Blasformebene mehrere Blasformen umfänglich derart angeordnet, dass sich die vor jeder Blasform gebildete Wirbelzone mit den links und rechts gebildeten Wirbelzonen überlappt, so dass der aktive Bereich im wesentlichen durch einen kreisringförmigen Bereich gegeben ist. Es bildet sich beim Betrieb des Schachtofens das so genannte "birdsnest" aus.In addition to the reduction of iron ores, the raw materials melt due to the heat generated by the chemical processes occurring in the shaft furnace. However, the temperature distribution over the cross section of the shaft furnace is uneven. Thus, in the center of the shaft furnace, the so-called "dead man" is formed, while the relevant processes such as gasification (reaction of oxygen with coke or substitute reducing agents to carbon monoxide and carbon dioxide) takes place essentially only in the so-called vortex zone, which is an area is in front of a blow mold, that is located with respect to the cross section of the furnace only in an edge region. The vortex zone has a depth to the furnace center of about 1 m and a volume of about 1.5 m ³ . Usually, a plurality of blow molds are arranged circumferentially in the blow molding plane in such a way that the vortex zone formed before each blow mold overlaps with the vortex zones formed on the left and right, so that the active region is essentially given by an annular region. During operation of the shaft furnace, the so-called "birdsnest" is formed.

Weiter kann der Heißwind üblicherweise mit Sauerstoff angereichert werden, um die eben beschriebenen Prozesse (Vergasung in der Wirbelzone, Reduktion der Eisenerze) zu intensivieren, was zu einer Erhöhung der Leistung des Schachtofens führt. Dabei kann beispielsweise der Heißwind vor dem Einleiten mit Sauerstoff angereichert werden, oder auch reiner Sauerstoff getrennt zugeführt werden, wobei zur getrennten Zuführung eine so genannte Lanze vorgesehen werden kann, d.h. ein Rohr welches sich z.B. innerhalb der Blasform, welche ja ebenfalls ein rohrartiges Teil ist, erstreckt und innerhalb eines Mündungsbereichs der Blasform in den Ofen mündet. Insbesondere bei modernen Hochöfen, die mit niedrigem Kokssatz betrieben werden, wird der Heißwind entsprechend hochgradig mit Sauerstoff angereicht. Auf der anderen Seite werden durch die Zugabe von Sauerstoff die Produktionskosten erhöht, so dass die Effizienz eines modernen Schachtofens nicht einfach durch eine entsprechend immer weiter erhöhte Sauerstoffkonzentration erhöhbar ist.Furthermore, the hot blast can usually be enriched with oxygen in order to intensify the processes just described (gasification in the vortex zone, reduction of the iron ore), which leads to an increase in the performance of the shaft furnace. In this case, for example, the hot blast can be enriched prior to introduction with oxygen, or pure oxygen can be supplied separately, wherein for separate feeding a so-called lance can be provided, i. a tube which is e.g. within the blow mold, which is also a tubular part, extends and opens into the furnace within a mouth region of the blow mold. In particular, in modern blast furnaces, which are operated with a low coke rate, the hot blast is correspondingly highly enriched with oxygen. On the other hand, the addition of oxygen increases the production costs, so that the efficiency of a modern shaft furnace can not be increased simply by a correspondingly increased oxygen concentration.

Es ist weiter bekannt, dass die Effizienz, also der Wirkungsgrad eines modernen Schachtofens mit der so genannten Durchgasung im Schachtofen korreliert ist. Damit ist im allgemeinen gemeint, wie gut die Vergasung in der Wirbelzone die Reduktion der Eisenerze und generell der Durchzug der im Schachtofen herrschenden Gasphase von der Blasformebene nach oben zur Gicht funktioniert, wo dann das so genannte Gichtgas abgeleitet wird. Ein Anzeichen für eine bessere Durchgasung ist etwa ein möglichst geringer Druckverlust im Ofen.It is also known that the efficiency, ie the efficiency of a modern shaft furnace is correlated with the so-called gasification in the shaft furnace. This generally means how well the gasification in the vortex zone, the reduction of iron ores and generally the passage of the gas phase prevailing in the shaft furnace from the blown upwards to the gout works, where then the so-called blast furnace gas is discharged. An indication of better gasification is about the lowest possible pressure loss in the oven.

Es hat sich allerdings herausgestellt, dass trotz Sauerstoffanreicherung des Heißwindes die Durchgasung in modernen Hochöfen noch nicht vollkommen zufriedenstellend ist. Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens anzugeben, das eine bessere Durchgasung im Ofen gewährleistet.However, it has been found that despite oxygenation of the hot blast, the gasification in modern blast furnaces is not yet completely satisfactory. Therefore, it is the object of the invention to provide a method for operating a shaft furnace, which ensures a better gasification in the oven.

Aus WO 01/36891 A3 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens bekannt. Bei diesem Verfahren werden Einsatzstoffe, Brennstoffe, ein erstes und ein zweites Oxidationsmittel in die Schmelzzone eingedüst. Das Eindüsen des zweiten Oxidationsmittels erfolgt durch sich wiederholende zeitliche Abfolge einer Fließphase und einer Ruhephase. Als Beispiele werden Fließphasen und Ruhephasen können jeweils 10 s dauern.Out WO 01/36891 A3 For example, a method of operating a shaft furnace is known. In this process, feedstocks, fuels, first and second oxidants are injected into the molten zone. The injection of the second oxidizing agent is carried out by repetitive time sequence of a flow phase and a rest phase. As examples, flow phases and rest periods can each last 10 s.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a method having the features of claim 1.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs erläuterten Art gelöst, bei dem die Einleitung des Behandlungsgases moduliert wird. Die Modulation des Behandlungsgases erfolgt dabei derart, dass die Betriebsgrößen Druck p und/oder Volumenstrom V innerhalb einer Periodendauer von kleiner gleich 5 s und besonders bevorzugt kleiner gleich 1 s variiert wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass eine deutlich bessere Durchgasung und damit eine Erhöhung der Leistung und Effizienz erreicht wird, wenn das Behandlungsgas nicht zeitlich gleichmäßig in den Ofen eingeleitet wird, sondern in kurzen Zeitabständen variiert wird.In procedural terms, this object is achieved by a method of the type described above, in which the introduction of the treatment gas is modulated. The modulation of the treatment gas takes place in such a way that the operating variables pressure p and / or volumetric flow V within a period of less than or equal to 5 s and more preferably less than 1 s is varied. It has been found that a significantly better gasification and thus an increase in performance and efficiency is achieved when the treatment gas is not introduced evenly in time in the oven, but is varied at short intervals.

Selbstverständlich variiert die Einleitung des Behandlungsgases auch bei herkömmlichen Verfahren immer dann, wenn der Ofen angefahren oder abgeschaltet wird, wenn für eine neue Ladung Rohmaterialien unterschiedliche Betriebsparameter eingestellt werden, oder wenn lediglich zur Leistungserhöhung die Sauerstoffkonzentration des Heißwindes auf einen höheren Wert umgestellt wird. Diese zeitliche Änderungen sind aber lediglich einmalige Änderungen, die auf einer Zeitskala von mehreren Stunden stattfinden. Die erfindungsgemäße dynamische Modulation der Einleitung des Behandlungsgases findet dagegen auf Zeitskalen von unter einer Minute statt, was damit zusammenhängt, dass die mittlere Verweilzeit des Gases im Schachtofen lediglich 5 bis 10 s beträgt. Im Vergleich zu der erfindungsgemäßen dynamischen Modulation weisen zeitliche Änderungen der Betriebsparameter in einem Abstand von über einer Minute eine vergleichsweise geringe Zeitspanne auf, in der die Betriebsparameter nicht statisch sind. Das heißt die Zeitspanne zwischen zwei Änderungen der Betriebsparameter, in denen die Betriebsparameter im Wesentlichen konstant, das heißt statisch, sind, ist größer als die Zeitspanne die zur Erreichung des im Wesentlichen stationären Zustands benötigt wird. Mit Ausnahme der relativ kurzen Umstellungszeit sind derartige Änderungen im Wesentlichen statisch und werden daher als "quasi statische Modulation" bezeichnet- Bei der erfindungsgemäßen dynamischen Modulation ist die Zeitspanne mit instationären Zuständen im Schachtofen größer als die Zeitspanne mit im Wesentlichen stationären Zuständen. Durch die dynamische Modulation werden Totströmungszonen in der Wirbelzone gestört, was die Gesamtturbulenz in der Wirbelzone erhöht; dies hat eine verbesserte Durchgasung in der Wirbelzone zur Folge, was wiederum zu einer verbesserten Durchgasung im Schacht führt.Of course, the introduction of the treatment gas also varies in conventional methods whenever the furnace is started or shut down when different operating parameters are set for a new load of raw materials, or if only the oxygen concentration of the hot blast is changed to a higher value to increase the power. However, these changes in time are only one-time changes that take place on a time scale of several hours. By contrast, the dynamic modulation of the introduction of the treatment gas according to the invention takes place on time scales of less than one minute, which is related to the fact that the mean residence time of the gas in the shaft furnace is only 5 to 10 s. Compared to the dynamic modulation according to the invention, temporal changes in the operating parameters at a distance of more than one minute have a comparatively short time span during which the operating parameters are not static. That is, the time span between two changes in the operating parameters, in which the operating parameters are substantially constant, that is static, is greater than the time required to reach the substantially stationary state. With the exception of the relatively short conversion time, such changes are essentially static and are therefore referred to as "quasi-static modulation" According to the dynamic modulation according to the invention, the time period with transient conditions in the shaft furnace is greater than the time period with substantially stationary states. Dynamic modulation disturbs dead-flow zones in the vortex zone, which increases the overall turbulence in the vortex zone; This results in an improved gasification in the vortex zone, which in turn leads to improved gasification in the shaft.

Besonders vorteilhaft erfolgt die Modulation quasi-periodisch, insbesondere periodisch, wobei die Periodendauer 5 s oder weniger beträgt. Dabei ist eine periodische Modulation durch eine zeitveränderliche Funktion f(t) mit f(t+T) = f(t) charakterisiert, wodurch gleichzeitig die Periodendauer T definiert ist. Unter einer quasi-Modulation wird hier einerseits verstanden, dass eine Grundmodulation periodischer Natur ist, also beispielsweise eine Funktion h(t) = g (t) · f(t) mit periodischem f(t) und einer Mantelfunktion g(t), welche im Vergleich zu f(t) einen nur geringen qualitativen Einfluß auf die Struktur von h(t) hat. Andererseits wäre unter eine quasi-periodischen Modulation auch eine solche zu verstehen, bei der g(t) eine stetige, aber zufaltsabhängige Funktion ist, die gewisserweise die Struktur der stetigen Funktion f(t) ungleichmäßig verzerrt, wobei allerdings die zugrundeliegende periodische Struktur noch erkennbar bleibt. Durch eine derartig periodische Modulation kann durch Ansprechen eines ebenfalls periodischen Prozesses, der in der Wirbelzone stattfindet angesprochen werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Durchgasung führt.Particularly advantageously, the modulation takes place quasi-periodically, in particular periodically, the period being 5 s or less. In this case, a periodic modulation is characterized by a time-variable function f (t) with f (t + T) = f (t), whereby the period T is simultaneously defined. A quasi-modulation here means, on the one hand, that a basic modulation is of a periodic nature, that is, for example, a function h (t) = g (t) * f (t) with periodic f (t) and a sheath function g (t) compared to f (t) has only a slight qualitative influence on the structure of h (t). On the other hand, a quasi-periodic modulation should also be understood as one in which g (t) is a continuous, but functionally dependent, function that unevenly distorts the structure of the continuous function f (t), although the underlying periodic structure is still recognizable remains. By such a periodic modulation can be addressed by addressing an equally periodic process, which takes place in the vortex zone, which leads to a further improvement of the gasification.

Es ist zweckmäßig, wenn die Periodendauer T 60 ms oder mehr, bevorzugt 100 ms oder mehr, insbesondere 0,5 s oder mehr beträgt Obwohl die Verweilzeit des Behandlungsgases in der Wirbelzone äußerst gering ist, kann mit Periodendauern in diesen Bereichen eine zufriedenstellende Durchgasung erreicht werden, wobei die Erzeugung von Modulationen mit noch geringerer Periodendauer einen erhöhten technischen Aufwand mit sich bringen würde.It is expedient if the period T is 60 ms or more, preferably 100 ms or more, in particular 0.5 s or more Although the residence time of the treatment gas in the vortex zone is extremely low, a satisfactory gasification can be achieved with period durations in these areas In that case, the generation of modulations with even shorter period duration would entail increased technical complexity.

Für die Periodendauer T gilt somit insbesondere 5 s ≥ T ≥ 0,5 s. Insbesondere ist T derart gewählt, dass die Behandlungsgase im Schachtofen eine turbulente Strömung ausbilden und laminare Bereiche im Wesentlichen vermeiden.For the period T in particular 5 s ≥ T ≥ 0.5 s. In particular, T is chosen such that the treatment gases in the shaft furnace form a turbulent flow and substantially avoid laminar regions.

In einer einfachen Verfahrensgestaltung ist vorgesehen, dass die Modulation harmonisch erfolgt. Dies kann durch eine einfache sinusförmige Modulation f(t) = f₀ + Δf sin (2 πt/T) in einfacher Weise erreicht werden.In a simple process design, it is provided that the modulation takes place harmoniously. This can be achieved in a simple manner by a simple sinusoidal modulation f (t) = f ₀ + Δf sin (2πt / T).

In einer besonders vorteilhaften Verfahrensgestaltung erfolgt die Modulation pulsationsartig. Eine solche Modulation ist etwa durch eine Funktion f(t) = f₀ + Σ_i δ(t-t_i) charakterisiert, wobei δ(t) allgemein einen Puls beschreibt, d. h. wiederkehrenden Pulsspitzen gegenüber einem im wesentlichen konstanten Hintergrund. Die Pulse selbst können Rechteckpulse, Dreieckspulse, gaussartige Pulse (aufgebreiteter mathematischer δ-Puls) sein oder ähnliche Pulsformen besitzen, wobei die genaue Pulsform weniger charakterisierend wirkt wie die Pulsbreite σ, bei der es sich um die Pulsbreite bei halber Pulshöhe handelt (FWHM). Eine sinnvolle Abstimmung der Pulsbreite ergibt sich, wenn σ 5 s oder weniger, bevorzugt 2 s oder weniger, insbesondere 1 s oder weniger beträgt. Andererseits ist es zweckmäßig, wenn die Pulsbreite σ 1 ms oder mehr, bevorzugt 10 ms oder mehr, insbesondere 0,1 s oder mehr beträgt. Sehr kleine Pulsbreiten sind schwieriger herzustellen, andererseits gelingt mit ihnen eine Einflußnahme auf Prozesse, die in der Wirbelzone mit entsprechend geringen Reaktionszeiten ablaufen.In a particularly advantageous process design, the modulation is pulsation-like. Such modulation is characterized, for example, by a function f (t) = f ₀ + Σ _i δ (tt _i ), where δ (t) generally describes a pulse, ie recurrent pulse spikes against a substantially constant background. The pulses themselves can be rectangular pulses, triangular pulses, gaussian pulses (spread mathematical δ-pulse) or have similar pulse shapes, the exact pulse shape has less characterizing effect as the pulse width σ, which is the pulse width at half pulse height (FWHM). A meaningful tuning of the pulse width results when σ is 5 s or less, preferably 2 s or less, in particular 1 s or less. On the other hand, it is expedient if the pulse width σ is 1 ms or more, preferably 10 ms or more, in particular 0.1 s or more. Very small pulse widths are more difficult to produce, on the other hand, with them an influence on processes that take place in the vortex zone with correspondingly short reaction times succeeds.

In einer vorteilhaften Verfahrensgestaltung weisen periodische Pulsationen ein Verhältnis Pulsbreite zu Periodendauer σ:T von 0,5 oder kleiner, bevorzugt 0,2 oder kleiner, insbesondere 0,1 oder kleiner auf. Für die Pulsbreite σ gilt somit insbesondere 5 so > σ ≥ 1 ms, vorzugsweise 0,7 s ≥ σ ≥ 25 ms, besonders bevorzugt 0,1 s ≥ σ ≥ 30 ms und weiter bevorzugt 55 ms ≥ σ ≥ 35 ms.In an advantageous embodiment of the method, periodic pulsations have a ratio of pulse width to period duration σ: T of 0.5 or less, preferably 0.2 or less, in particular 0.1 or less. For the pulse width σ, in particular 5 so> σ ≥ 1 ms, preferably 0.7 s ≥ σ ≥ 25 ms, particularly preferably 0.1 s ≥ σ ≥ 30 ms and more preferably 55 ms ≥ σ ≥ 35 ms.

Es ist zweckmäßig, wenn das Verhältnis σ:T 10^-4 oder größer, bevorzugt 10^-3 oder größer, insbesondere 10^-2 oder größer ist. So kann ein Kombinationseffekt erreicht werden, in dem periodisch in den Wirbelzonen ablaufende Prozesse, die an bestimmte Reaktionszeiten gekoppelt sind, angesprochen werden.It is expedient if the ratio σ: T is 10 ^-4 or greater, preferably 10 ^-3 or greater, in particular 10 ^-2 or greater. Thus, a combination effect can be achieved in which periodically occurring processes in the vortex zones, which are coupled to specific reaction times, are addressed.

In einer möglichen Verfahrensgestaltung beträgt die Amplitude der Modulation bezüglich eines Grundwertes 5 % oder mehr, bevorzugt 10 % oder mehr, insbesondere 20 % oder mehr. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bereits geringe Amplitudenunterschiede eine zufriedenstellende Durchgasung ermöglichen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Amplitude der Modulation bezüglich des Grundwertes 100 % oder weniger, bevorzugt 80 % oder weniger, insbesondere 50 % oder weniger beträgt. Insbesondere harmonische Modulationen unterhalb diesen Grenzen können verfahrensmäßig einfach realisiert werden.In one possible method embodiment, the amplitude of the modulation with respect to a basic value is 5% or more, preferably 10% or more, in particular 20% or more. It has been found that even small differences in amplitude allow a satisfactory Durchgasung. In addition, it is advantageous if the amplitude of the modulation with respect to the base value is 100% or less, preferably 80% or less, in particular 50% or less. In particular, harmonic modulations below these limits can be easily realized in terms of the method.

Es kann bei pulsationsartiger Modulation vorteilhaft sein, wenn die Pulshöhe eines Pulses den im wesentlichen unmodulierten Wert zwischen zwei Pulsen um einen Faktor 2 oder mehr, bevorzugt 5 oder mehr, insbesondere 10 oder mehr übersteigt. So kann die Schockwirkung der Modulation erhöht werden, und die Störung der Totströmungszonen in der Wirbelzone verstärkt werden, was schließlich zu einer besseren Durchgasung im Ofen führt. Andererseits ist es aus verfahrenstechnischen Gründen sinnvoll, wenn der Faktor 200 oder kleiner, bevorzugt 100 oder kleiner, insbesondere 50 oder kleiner ist.It may be advantageous in pulsation-like modulation if the pulse height of a pulse exceeds the substantially unmodulated value between two pulses by a factor of 2 or more, preferably 5 or more, in particular 10 or more. Thus, the shock effect of the modulation can be increased, and the disturbance of the Totströmungszonen be amplified in the vortex zone, which eventually leads to a better gasification in the furnace. On the other hand, it is useful for procedural reasons if the factor is 200 or less, preferably 100 or less, in particular 50 or less.

Grundsätzlich kann eine Modulation der Einleitung des Behandlungsgases auf vielfältige Art und Weise erfolgen. Zweckmäßig wird jedoch die Modulation über ein Einstellen mindestens einer insbesondere die Einleitung des Behandlungsgases steuernden Betriebsgröße erfolgen. So kann eine Modulation des Druckes des Heißwinds die Vergasung in der Wirbelzone beschleunigen und so die Durchgasung im Schacht verbessern. Es können beispielsweise bei der Druckmodulation Druckspitzen von 300 bar auftreten. Besonders vorteilhaft weist das einzuleitende Behandlungsgas unterscheidbare Anteile auf. Darunter ist allerdings nicht nur die selbstverständliche Aufteilung eines Gases in seine Komponenten (z. B. Stickstoff, Sauerstoff, ...) zu verstehen, sondern auch verschiedene Gasphasen, deren Unterscheidbarkeit daher rührt, dass sie zumindest in einem Stadium des Einleitens voneinander getrennt eingeleitet werden. Beispielsweise ist hier die getrennte Sauerstoffzuführung durch Lanzen, Ventile oder Membrane zu nennen.In principle, a modulation of the introduction of the treatment gas can take place in a variety of ways. However, the modulation is expediently via setting at least one in particular the introduction of the treatment gas controlling operating size done. Thus, a modulation of the pressure of the hot blast can accelerate the gasification in the vortex zone and thus improve the gasification in the shaft. For example, pressure peaks of 300 bar may occur during pressure modulation. Particularly advantageously, the treatment gas to be introduced has distinguishable components. However, this includes not only the self-evident division of a gas into its components (eg nitrogen, oxygen, etc.), but also different gas phases whose distinctness is due to the fact that they are introduced separately at least at a stage of initiation become. For example, here is the separate oxygen supply by lances, valves or diaphragm to call.

Weiter werden die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichten Wirkungen signifikant verstärkt, wenn zusammen mit dem Behandlungsgas und/oder zusätzlich zu dem Behandlungsgas Ersatzreduktionsmittel in den Schachtofen eingeleitet werden. Wie bereits oben erwähnt, kann es sich bei dem Ersatzreduktionsmittel um insbesondere aus Anthrazitkohle hergestellten Kohlenstaub, andere metallurgische Stäube sowie kleinkörnige Materialien, Öl, Fette, Teere mit Erdgas oder andere Kohlenwasserstoffträger handeln, die aufgrund des Sauerstoffs zu CO₂ und CO umgesetzt werden und insbesondere als Nano-Partikel vorliegen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Modulation kann nämlich ein höherer Grad an Umsetzung der eingeblasenen Ersatzreduktionsmittel erreicht werden. Dies gilt insbesondere bei pulsationsartiger Modulation, da durch die Pulse die Umsetzung intensiviert wird. Darüber hinaus wird durch die angesprochene Erhöhung der Gesamtturbulenz in der Wirbelzone die sehr kurze Verweilzeit der Ersatzreduktionsmittel in der Wirbelzone von nur etwa 0,03 s bis 0,05 s verlängert, wodurch ebenfalls die Reduktionsmittelumsetzung gesteigert werden kann. Des weiteren führt eine bessere Umsetzung der Ersatzreduktionsmittel zu einem geringeren Anteil unverbrannter Partikel, was die Durchgasung im "birdsnest"-Bereich fördert und damit eine zusätzliche Steigerung der Einblasrate erlaubt.Furthermore, the effects achieved in the method according to the invention are significantly enhanced if, together with the treatment gas and / or in addition to the treatment gas, replacement reducing agents are introduced into the shaft furnace. As already mentioned above, the substitute reducing agent may be pulverized coal produced in particular from anthracite coal, other metallurgical dusts and small granular materials, oil, fats, tars with natural gas or other hydrocarbon carriers, which are converted to CO ₂ and CO due to the oxygen, and in particular present as nano-particles. Because of the modulation according to the invention, namely, a higher degree of implementation of the injected replacement reducing agent can be achieved. This applies in particular to pulsation-like modulation, as the reaction is intensified by the pulses. Moreover, the aforementioned increase in total turbulence in the vortex zone prolongs the very short residence time of the replacement reductants in the vortex zone from only about 0.03 seconds to about 0.05 seconds, which can also increase the reductant conversion. Furthermore, a better implementation of the replacement reductant leads to a lower proportion of unburned particles, which promotes the gasification in the "birdsnest" area and thus allows an additional increase in the injection rate.

In weiteren vorteilhaften Verfahrensgestaltungen werden Druck und/oder Volumenstrom mindestens eines der unterscheidbaren Anteile des Behandlungsgases und/oder Druck und/oder Massenstrom des einzuleitenden Ersatzreduktionsmittels dynamisch moduliert. Eine bessere Durchgasung im Schacht wird also auch erreicht, wenn z. B. dem Behandlungsgas ein zusätzlicher Sauerstoffanteil pulsationsartig zugeführt wird. Anderweitig oder in Kombination kann auch der Druck, mit dem Ersatzreduktionsmittel eingeblasen werden, oder deren Massenstrom dynamisch moduliert werden. Dabei ist bei gleichbleibender Dichte der Ersatzreduktionsmittel natürlich der Massenstrom mit dem Volumenstrom identisch, andererseits könnte aber auch bei gleichbleibendem Volumenstrom die mittlere Dichte der Ersatzreduktionsmittel dynamisch moduliert werden. Es kann auch zumindest zeitweise ganz oder teilweise Inertgas eingeblasen werden, beispielsweise um unerwünschte Temperaturspitzen herauszuregeln oder die Zuführungsleitungen beziehungsweise in den Zuführungsleitungen angeordnete Ventile zu kühlen.In further advantageous process configurations, pressure and / or volume flow of at least one of the distinguishable fractions of the treatment gas and / or pressure and / or mass flow of the replacement reducing agent to be introduced are dynamically modulated. Better Durchgasung in the shaft is thus also achieved if z. B. the treatment gas, an additional oxygen content is pulsed. Otherwise, or in combination, the pressure at which replacement reductant is injected or its mass flow can be dynamically modulated. Of course, with constant density of the substitute reducing agent, the mass flow is identical to the volumetric flow, but on the other hand, the mean density of the substitute reducing agent could be dynamically modulated even with constant volumetric flow. It can also be at least temporarily blown in whole or in part inert gas, for example, unwanted To regulate temperature peaks or to cool the supply lines or arranged in the supply lines valves.

Besonders vorteilhaft handelt es sich bei der Betriebsgröße um die absolute Menge einer der unterscheidbaren Anteile des einzuleitenden Behandlungsgases, und/oder um den relativen Mengenanteil einer der unterscheidbaren Anteile bezüglich eines weiteren Anteils oder des gesamten Behandlungsgases. So kann z.B. besonders einfach die absolute Sauerstoffmenge bzw. die relative Sauerstoffkonzentration dynamisch moduliert werden, obwohl die Hauptlast, nämlich der Heißwind selbst nicht moduliert werden muss. Dies ist insbesondere dann einfach zu realisieren, wenn reiner Sauerstoff oder eine Gasphase mit gegenüber Luft erhöhter Sauerstoffkonzentration zumindest während eines Teils der Einleitung getrennt zugeführt wird. Geschieht dies pulsationsartig, kann die Umsetzung der Ersatzreduktionsmittel weiter intensiviert werden, mit den weiter verstärkten bereits genannten Wirkungen. Dabei kann beispielsweise die Amplitude des Extra-Sauerstoffvolumenstroms bezüglich der des Hintergrundwindes im Bereich 0,25 - 20 %, bevorzugt 0,5 - 10 %, insbesondere 1 - 6 % liegen.The operating variable is particularly advantageously the absolute amount of one of the distinguishable fractions of the treatment gas to be introduced, and / or the relative proportion of one of the distinguishable fractions with respect to a further fraction or the entire treatment gas. Thus, e.g. Particularly simply the absolute oxygen quantity or the relative oxygen concentration are modulated dynamically, although the main load, namely the hot wind itself does not have to be modulated. This is particularly easy to implement, when pure oxygen or a gas phase with air-increased oxygen concentration is supplied separately at least during part of the introduction. If this happens pulsating, the implementation of the substitute reducing agent can be further intensified, with the further intensified effects already mentioned. In this case, for example, the amplitude of the extra oxygen volume flow with respect to that of the background wind in the range 0.25 - 20%, preferably 0.5 - 10%, in particular 1 - 6%.

Dies ist auch gleichzeitig ein Beispiel für die vorteilhafte Verfahrensgestaltung, bei der zwei oder mehr (unterschiedliche) Betriebsgrößen moduliert werden. Grundsätzlich sind dabei kombinierte Modulationen von z. B. Heißwinddruck, Sauerstoffanteil, Druck von Extrasauerstoff, Druck oder Konzentration der Ersatzreduktionsmittel usw. denkbar, wobei man zwischen dem zusätzlichen Aufwand für eine weitere Modulation und der gewonnenen Zusatzwirkung abzuwägen hat.This is also an example of the advantageous process design, in which two or more (different) operating variables are modulated. Basically, combined modulations of z. B. hot air pressure, oxygen content, pressure of extraneous oxygen, pressure or concentration of the replacement reductant, etc. conceivable, where you have to balance between the additional cost of a further modulation and the additional benefit gained.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensgestaltung wird das Behandlungsgas auf mindestens zwei unterschiedlichen Wegen in den Schachtofen eingeleitet und eine erste Betriebsgröße für die Steuerung des entlang des ersten Weges einzuleitenden Anteils wird wie eine zweite Betriebsgröße zur Steuerung des entlang des zweiten Weges eingeleiteten Anteils des Behandlungsgases dynamisch moduliert, wobei es sich bei der ersten und zweiten Betriebsgröße auch um die gleiche Betriebsgröße handeln kann, bei deren Modulation es sich allerdings auch um verschiedene Modulationen handeln kann. Grundsätzlich ist darunter zu verstehen, dass bezüglich jeder Blasform dieselbe oder auch eine unterschiedliche Betriebsgröße dynamisch moduliert werden kann, die Modulation der Behandlungsgasanteile, die durch die jeweiligen Blasformen eingeleitet werden, also unabhängig erfolgen kann. Dabei kann es vorteilhaft auch vorgesehen sein, jeweils eine Gruppe von Anteilen, die durch benachbarte Wege eingeleitet werden, zusammenzufassen, so dass in diesem Sinne unabhängige Einleitungsbereiche entstehen, die wiederum gleichartig moduliert werden können. Durch letzteres kann beispielsweise sektorenweise Einfluss auf den Ofengang genommen werden, wobei dennoch eine gleichmäßige Verteilung des Behandlungsgases (Heißwindes) auf die Blasformen ermöglicht wird. Eine weitere vorteilhafte Verfahrensgestaltung sieht vor, dass die erste und die zweite Betriebsgröße periodisch mit gleicher Periodendauer T moduliert werden, wobei deren relative Phase um einen Wert verschoben ist. Bei der Phase handelt es sich damit um eine auf die Periodendauer T bezogene Zeitverschiebung. Beträgt die relative Zeitverschiebung beispielsweise T/2, so sind die beiden Betriebsgrößen relativ zueinander antizyklisch moduliert. Angesichts wenn auch geringen Verbrennungszeit in den Wirbelzonen kann es beispielsweise vorteilhaft sein, dass Sauerstoffpulsationen gegenüber entsprechenden pulsationsartigen Erhöhungen der Ersatzreduktionsmittelmenge leicht retardiert sind, also beispielsweise um 0 ≤ϕ ≤ π/2 verschoben sind.In a particularly preferred process design, the treatment gas is introduced into the shaft furnace in at least two different ways, and a first operating variable for the control of the portion to be introduced along the first path is dynamically modulated as a second operating variable for controlling the portion of the treatment gas introduced along the second path. wherein the first and second operating variables may also be the same operating variable, but their modulation may also be different modulations. Basically, this means that with respect to each blow mold the same or a different operating variable can be dynamically modulated, the modulation of the treatment gas fractions, which are initiated by the respective blow molds, so can be done independently. In this case, it can also be advantageously provided to combine a group of portions each, which are introduced by adjacent paths, so that in this sense independent introduction areas arise, which in turn can be similarly modulated. By the latter, for example, sector-wise influence on the furnace passage can be taken, while still allowing a uniform distribution of the treatment gas (hot blast) on the blow molds. A further advantageous method embodiment provides that the first and the second operating variable are periodically modulated with the same period T, wherein their relative phase is shifted by one value. The phase is thus a time shift related to the period T. If the relative time shift is, for example, T / 2, the two operating variables are anticyclically modulated relative to one another. In view of the low combustion time in the vortex zones, however, it may be advantageous, for example, for oxygen pulsations to be slightly retarded in relation to corresponding pulsation-like increases in the amount of substitute reducing agent, ie, for example, to be displaced by 0 ≦ φ ≦ π / 2.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensgestaltung wird die inverse Periodendauer T^-1 auf eine Autofrequenz eines Teilsystems der Atmosphäre innerhalb des Schachtofens eingestellt. Dabei ist unter einem Teilsystem der Atmosphäre zunächst einerseits ein räumliches Teilsystem zu verstehen, das hier durch die Wirbelzonen gegeben ist, andererseits kann es sich auf einen physikalisch/chemischen Teil der Atmosphäre beziehen, also beispielsweise die Druckverteilung, Wärmeverteilung, Dichteverteilung, Temperaturverteilung oder Zusammensetzung. Bei der Autofrequenz kann es sich um die Frequenz einer linearen Anregung in radialer Richtung (von den Blasformen zur Ofenmitte hin), oder Wirbelanregungen in der Wirbelzone einer einzelnen Blasform handeln, aber auch um eine wirbelzonenübergreifende Wirbelanregung in umfänglicher Richtung des Schachtofens, wobei der im räumlichen Zentrum dieser Anregung stehende "tote Mann" für eine solche Wirbelschwingung topologisch ein Loch darstellt. Durch das Anregen des Teilsystems in einer seiner Autofrequenzen kann eine Resonanzdurchgasung in der Wirbelzone/den Wirbelzonen erreicht werden, die zu einer verbesserten Gesamtdurchgasung im Schacht führt und damit den Wirkungsgrad des Schachtofens erhöht. Besonders bevorzugt erfolgt die Modulation beispielsweise hinsichtlich Impulsdauer, Impulsfrequenz oder Impulsstärke derart, dass sich im Schachtofen eine stehende Welle ergibt. Zusätzlich beziehungsweise alternativ erfolgt die Modulation derart, dass die Rohstoffe im Schachtofen gleichmäßig insbesondere in Form einer Pfropfenströmung absinken. Hierzu kann die Modulation in Abhängigkeit von gemessenen Prozessgrößen geregelt sein.In a particularly preferred method embodiment, the inverse period T ^{-1 is set} to an autofequency of a subsystem of the atmosphere within the shaft furnace. In this case, a partial system of the atmosphere is firstly understood to mean, on the one hand, a spatial subsystem which is given here by the vortex zones; on the other hand, it can refer to a physical / chemical part of the atmosphere, for example the pressure distribution, heat distribution, density distribution, temperature distribution or composition. The autofequency may be the frequency of a linear excitation in the radial direction (from the tuyeres to the furnace center), or vortex excitations in the vortex zone of a single tuyere, but also a whirlwind vortex excitation in the circumferential direction of the shaft furnace Center of this suggestion standing "dead man" for such a vortex oscillation topologically represents a hole. By exciting the subsystem in one of its autofrequencies, resonant gassing in the vortex zone (s) can be achieved, resulting in improved overall gasification in the well and thus increasing the efficiency of the shaft furnace. Particularly preferably, the modulation takes place, for example, in terms of pulse duration, pulse frequency or pulse strength such that a standing wave results in the shaft furnace. Additionally or alternatively, the modulation takes place in such a way that the raw materials sink uniformly in the shaft furnace, in particular in the form of a plug flow. For this purpose, the modulation can be regulated as a function of measured process variables.

Ein weiterer Vorteil des angegebenen Verfahrens liegt in einer Beeinflussung der Wirbelzonengeometrie, so dass der Bereich, in dem die Hauptkohleumsetzung stattfindet, vergrößert wird. Es kann also ohne zusätzlichen energetischen oder materiellen Aufwand die Leistung des Schachtofens erhöht werden, also ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden.A further advantage of the stated method lies in influencing the vortex zone geometry, so that the area in which the main coal conversion takes place is increased. It can therefore be increased without additional energy or material expense, the performance of the shaft furnace, so an improved efficiency can be achieved.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs erläuterten Art, bei dem in einer ersten Betriebsphase mindestens eine der Betriebsgrößen unter Einstellung eines Parameters dynamisch moduliert wird, die Auswirkung der Modulation der mindestens einen Betriebsgröße auf mindestens eine Kenngröße des Schachtofens registriert wird, anschließend der Parameter nach einem vorgegebenen System variiert wird und der variierte Parameter für die Modulation neu eingestellt wird, wobei nach jeder Variation und Neueinstellung deren Auswirkung auf die Kenngröße registriert wird, dann unter den den variierten Parametern entsprechenden registrierten Werten der Kenngröße nach vorgegebenen Auswahlkriterien ein Kenngrößenwert mit dem dazugehörigen Parameterwert ausgewählt wird, und in einer zweiten Betriebsphase die mindestens eine Betriebsgröße mit dem ausgewählten Parameterwert dynamisch moduliert wird. Bei diesem Verfahren wird vorteilhaft zunächst festgestellt, wie die dynamische Modulation zweckmäßig durchzuführen ist, indem ein Parameter, der beispielsweise die Periodendauer für eine periodische Modulation sein kann, variiert wird und durch die Variation anhand einer Kenngröße, die beispielsweise der Wirkungsgrad des Schachtofens sein kann, ein optimaler Parameterwert (z. B. eine optimale Periodendauer) ausgewählt wird, anhand dessen die dynamische (z. B. periodische) Modulation erfolgt.Another aspect of the invention relates to a method of the type described above, wherein in a first phase of operation at least one of the operating variables is dynamically modulated setting a parameter, the effect of the modulation of the at least one operating variable is registered to at least one characteristic of the shaft furnace, then the Parameters after one predetermined system is varied and the varied parameter is set for the modulation, wherein after each variation and readjustment of their effect on the characteristic is registered, then selected from the variable parameters corresponding to the registered values of the characteristic according to predetermined selection criteria a characteristic value with the associated parameter value and, in a second phase of operation, dynamically modulating the at least one operating variable with the selected parameter value. In this method, it is advantageously first determined how the dynamic modulation is to be carried out appropriately, by varying a parameter, which may be, for example, the period duration for a periodic modulation, and by the variation on the basis of a parameter, which may be, for example, the efficiency of the shaft furnace, an optimal parameter value (eg, an optimal period duration) is selected based on which the dynamic (eg periodic) modulation takes place.

Vorteilhaft lässt sich dieses Optimierungsverfahren für weitere Parameter durchführen, so dass sich insgesamt eine optimale Schar von Parametern ergeben kann, anhand der die dynamische Modulation erfolgt.Advantageously, this optimization method can be carried out for further parameters, so that overall an optimum group of parameters can result, on the basis of which the dynamic modulation takes place.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einem Schachtofen durchgeführt werden, der insbesondere wie vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert aus- und weitergebildet ist.The method according to the invention can be carried out with a shaft furnace, which is in particular designed and developed as described above with reference to the method according to the invention.

Vorteilhaft weist bei einem solchen Schachtofen die Einrichtung zum Einleiten des Behandlungsgases ein erstes und ein zweites rohrartiges Teil auf, wobei zusätzlich zu einem Hauptleitungsweg, über den ein Anteil des Behandlungsgases eingeleitet wird, über das erste rohrartige Teil ein Oxidationsmittel und über das zweite rohrartige Teil ein Ersatzreduktionsmittel einblasbar ist. Auf diese Weise kann technisch einfach sowohl ein Oxidationsmittel wie z. B. Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft wie auch Ersatzreduktionsmittel getrennt in den Schachtofen eingeleitet werden, was eine unabhängige und bautechnisch einfach zu realisierende dynamische Modulation der Einleitungen zulässt. Erfindungsgemäß ist hierzu eine Steuereinrichtung derart eingestellt, dass innerhalb einer Zeitspanne von kleiner gleich 40 s die Betriebsgrößen Druck p und/oder Volumenstrom V variiert werden.Advantageously, in such a shaft furnace, the means for introducing the treatment gas on a first and a second tubular part, wherein in addition to a main line over which a portion of the treatment gas is introduced, via the first tubular part, an oxidizing agent and the second tubular part Spare reducing agent is inflatable. In this way, both an oxidizing agent such as. As oxygen or oxygen-enriched air as well as substitute reducing agent can be introduced separately into the shaft furnace, which allows an independent and structurally easy to implement dynamic modulation of the discharges. According to the invention for this purpose a control device is set such that within a period of less than or equal to 40 s, the operating variables pressure p and / or volumetric flow V are varied.

Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, wenn das erste und zweite rohrartige Teil zumindest teilweise zu einer Doppelrohrlanze verbunden sind, wobei die rohrartigen Teile konzentrisch oder exzentrisch aneinander angeordnet sein können. So können die funktionellen Anforderungen an die rohrartigen Teile mit einer platzsparenden Anordnung verbunden werden.It has been found to be particularly useful when the first and second tubular part are at least partially connected to a double tube lance, wherein the tubular parts may be arranged concentrically or eccentrically to each other. Thus, the functional requirements of the tubular parts can be combined with a space-saving arrangement.

Es kann aber auch vorgesehen werden, dass es sich bei dem ersten und dem zweiten rohrartigen Teil um räumlich getrennte Lanzen handelt, wobei mindestens ein Austrittswinkel einer der rohrartigen Teile gegenüber einer horizontalen und/oder vertikalen Ebene des Schachtofens einstellbar ist, insbesondere die Austrittswinkel beider rohrartiger Teile unabhängig voneinander einstellbar sind. So kann die Einblasrichtung von etwa Zusatzsauerstoff oder den Reduktionsmitteln bezüglich der Wirbelzonengeometrie variiert werden. Insbesondere kann auch daran gedacht werden, den Austrittswinkel entsprechend den obigen Erläuterungen ebenfalls dynamisch zu modulieren, wenn der Schachtofen betrieben wird.However, it can also be provided that the first and the second tubular part are spatially separate lances, wherein at least one exit angle of one of the tubular parts is adjustable with respect to a horizontal and / or vertical plane of the shaft furnace, in particular the exit angle of both tubular Parts are independently adjustable. Thus, the injection direction of about additional oxygen or the reducing agents with respect to the vortex zone geometry can be varied. In particular, it can also be thought to also dynamically modulate the exit angle according to the above explanations when the shaft furnace is operated.

In den Zuleitungen zu dem Schachtofen sind insbesondere keramische Ventile, insbesondere Scheibenventile oder Kolbenmagnetventile vorgesehen, so dass die Ventile hochtemperaturbeständig und temperaturfest sind. Die Ventile weisen daher eine besonders geringe Wärmedehnung auf und können daher auch bei den im Betrieb auftretenden besonders hohen Temperaturen ohne Schwierigkeiten betrieben werden.In particular, ceramic valves, in particular disk valves or piston magnet valves, are provided in the supply lines to the shaft furnace, so that the valves are resistant to high temperatures and to high temperatures. The valves therefore have a particularly low thermal expansion and can therefore be operated without difficulty even at the particularly high temperatures occurring during operation.

Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Einleiten des Behandlungsgases mit mindestens zwei Speicherbehältern verbunden, wobei die Speicherbehälter insbesondere schwellend belastet werden. Die Speicherbehälter weisen insbesondere ein unterschiedliches Volumen und/oder einen unterschiedlichen Druck auf, so dass je nach Bedarf zur Erreichung einer bestimmten Modulation ein bestimmter Speicherbehälter angeschlossen werden kann. Es können auch mehrere gleichartige Speicherbehälter angeschlossen sein, damit beim Entleeren des jeweiligen Speicherbehälters der Druck im Speicherbehälter nur unwesentlich abfällt und ausreichend Zeit zur Verfügung steht den Speicherbehälter auf seinen Ursprungszustand wieder aufzufüllen während der andere Speicherbehälter angeschlossen ist.Preferably, the device for introducing the treatment gas is connected to at least two storage containers, wherein the storage container are loaded in particular swelling. The storage containers have, in particular, a different volume and / or a different pressure, so that a specific storage container can be connected as needed to achieve a specific modulation. It can also be connected to a plurality of similar storage container so that when emptying the respective storage container, the pressure in the storage tank drops only slightly and sufficient time is available to replenish the storage tank to its original state while the other storage tank is connected.

Insbesondere weist die Einrichtung zum Einleiten des Behandlungsgases einen ersten Satz Ventile und einen zweiten redundanten Satz Ventile auf. Dies ermöglicht es, die einzelnen Sätze alternierend zu betreiben, so dass sich die Ventile abkühlen können. Die Abkühlung kann weiter verbessert werden, indem die für die Zuleitung des Behandlungsgases nicht benötigten Ventile mit Hilfe eines Gases, insbesondere Intertgases, gekühlt werden.In particular, the means for introducing the treatment gas comprises a first set of valves and a second redundant set of valves. This makes it possible to operate the individual sets alternately, so that the valves can cool down. The cooling can be further improved by the not required for the supply of the treatment gas valves by means of a gas, in particular Intertgases be cooled.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens angegeben, das insbesondere neben den bereits erläuterten Verfahrensrnerkmalen dadurch gekennzeichnet ist, dass auf die im oberen Bereich des Schachtofens herrschende Atmosphäre ausgehend von dem oberen Bereich des Schachtofens in einer dynamisch modulierten Weise eingewirkt wird. Auf diese Weise kann die oben erläuterte Auswirkung von dynamischen Modulationen auf einen auf die Wirbelzonen beschränkten Bereich der Atmosphäre auf einen größeren Bereich ausgeweitet werden, indem nämlich z. B. das sich im oberen Bereich des Schachtofens befindliche Gichtgas dynamisch moduliert wird. Dazu kann beispielsweise zusätzliches Gas in den oberen Bereich des Schachtofens eingeleitet werden und/oder der Gichtgas-Druck durch geeignete Ansteuerung von in einer Gichtgas-Ableitung vorgesehenen Ventilen moduliert werden.According to a further aspect of the invention, a method for operating a shaft furnace is specified, which in particular in addition to the Verfahrensrnerkmalen already described is characterized in that acting on the prevailing in the upper region of the shaft furnace atmosphere starting from the upper portion of the shaft furnace in a dynamically modulated manner , In this way, the above-described effect of dynamic modulations on an area of the atmosphere restricted to the vortex zones can be reduced to one wider range, namely by B. is located in the upper region of the shaft furnace blast furnace gas is dynamically modulated. For this purpose, for example, additional gas can be introduced into the upper region of the shaft furnace and / or the top gas pressure can be modulated by suitable control of valves provided in a top gas discharge.

Insbesondere kann vorgesehen werden, eine auf der Blasformebene erfolgende dynamische Modulation und die im oberen Bereich (an der Gicht) erfolgende dynamische Modulation aufeinander abzustimmen. So können etwa weitere Resonanzanregungen eines Teilsystems der im Schachtofen herrschenden Atmosphäre angeregt werden, wodurch eine weiter verbesserte Durchgasung im Schachtofen erreicht werden kann. Dabei können die dynamischen Modulationen vorteilhaft bezüglich beispielsweise Periode und Amplitude derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine direkte weitere Resonanzanregung möglich wird, oder die Anregung eines Teilsystems der im Schachtofen herrschenden Atmosphäre erst durch eine Koppelwirkung der äußeren Anregungen zustandekommt.In particular, it may be provided to match a dynamic modulation taking place on the blow molding plane and the dynamic modulation taking place in the upper region (on the gout). Thus, for example, further resonance excitations of a subsystem of the atmosphere prevailing in the shaft furnace can be excited, whereby a further improved gasification in the shaft furnace can be achieved. In this case, the dynamic modulations can advantageously be matched with respect to, for example, period and amplitude such that a direct further resonance excitation becomes possible, or the excitation of a subsystem of the atmosphere prevailing in the shaft furnace only comes about through a coupling effect of the external excitations.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Erläuterung der beiliegenden Zeichnung, in der

Fig. 1: ein Zeit-Druck-Diagramm zeigt,
Fig. 2: ein weiteres Zeit-Druck-Diagramm zeigt,
Fig. 3: ein Zeit-Konzentrations-Diagramm zeigt,
Fig. 4: ein Zeit-Massestrom-Diagramm zeigt, und
Fig. 5: ein kombiniertes Zeit-Masse/Volumenstrom-Diagramm zeigt.

Further advantages and details of the invention will become apparent from the following explanation of the accompanying drawings, in which

Fig. 1: a time-pressure diagram shows
Fig. 2: another time-pressure diagram shows
Fig. 3: a time-concentration diagram shows
Fig. 4: shows a time-mass flow diagram, and
Fig. 5: shows a combined time-mass / flow diagram.

In Fig. 1. ist dargestellt, wie der Druck beispielsweise des in den Schachtofen einzuleitenden Behandlungsgases dynamisch moduliert werden kann. Man erkennt, dass der Druck p(t) harmonisch um einen Basisdruck p₀ schwankt, mit einer Frequenz von f = 1/T = 10 Hz. Der Basisdruck p₀ beträgt in diesem Beispiel 2,4 bar. Die Druckamplitude 2Δp beträgt in diesem Beispiel 1,2 bar, also 50% des Basisdruckwerts p₀. Der in Fig. 1 dargestellte Druckverlauf des Heißwindes ist also durch P(t) = p₀ + Δp · sin (2n t/T) gegeben.In Fig. 1 , It is shown how the pressure of, for example, the treatment gas to be introduced into the shaft furnace can be dynamically modulated. It can be seen that the pressure p (t) fluctuates harmonically by a base pressure p ₀ , with a frequency of f = 1 / T = 10 Hz. The base pressure p ₀ in this example is 2.4 bar. The pressure amplitude 2Δp in this example is 1.2 bar, ie 50% of the basic pressure value p ₀ . The in Fig. 1 shown pressure curve of the hot blast is thus given by P (t) = p ₀ + Δp · sin (2n t / T).

In Fig. 2 ist eine pulsationsartige Modulation des Drucks eines *Anteils des in den Schachtofen einzuleitenden Behandlungsgases dargestellt. Konkret kann es sich dabei um reinen Sauerstoff handeln, der zusätzlich zum Heißwind in den Schachtofen eingeleitet wird. Auch hier ist die Modulation periodisch, allerdings mit einer Periodendauer von T = 4s. Die Pulshöhe p_max beträgt 50 bar, was gegenüber dem mit beispielsweise 2,5 bar Umgebungsdruck des eingeleiteten Heißwindes eine Pulsation mit Amplitudenfaktor 20 bedeutet. Die Pulse haben eine Pulsbreite σ von etwa 0,4 s, so dass ein Verhältnis von Pulsbreite zu Periodendauer von etwa 0,1 ergibt.In Fig. 2 a pulsation-like modulation of the pressure of a fraction of the treatment gas to be introduced into the shaft furnace is shown. Specifically, it can be pure oxygen, which is introduced into the shaft furnace in addition to the hot blast. Again, this is the Modulation periodic, but with a period of T = 4s. The pulse height p _max is 50 bar, which means a pulsation with an amplitude factor of 20 compared to, for example, 2.5 bar ambient pressure of the introduced hot blast. The pulses have a pulse width σ of about 0.4 s, so that a ratio of pulse width to period duration of about 0.1 results.

In Fig. 3 ist eine dynamische Modulation der Sauerstoffkonzentration des Behandlungsgases beispielhaft dargestellt. Diese kommt wie folgt zustande: Ein selbst nicht modulierter Heißwindanteil des Behandlungsgases liefert eine konstante Basiskonzentration n₀, welcher der natürlichen Sauerstoffkonzentration in Luft entspricht (der Heißwind besteht hier aus heißer Luft). Zusätzlich zu dem Heißwind werden nun noch zwei weitere Anteile des Behandlungsgases eingeleitet. Ein erster Anteil, der entweder aus reinem Sauerstoff oder aus einer Sauerstoff enthaltenden Gasphase mit Sauerstoffkonzentration n'₁ besteht, wird pulsationsartig periodisch mit Periodendauer T₁ von 2 s eingeleitet. Die Menge des reinen Sauerstoffs bzw. die Konzentration n'₁ wird dabei so gewählt, dass die Sauerstoffkonzentration bezüglich des gesamten Behandlungsgases um eine Konzentrationsdifferenz n₁ erhöht wird. Hier beträgt das Verhältnis n₁/n₀ etwa 60%. Analog wird zusätzlich eine zweite Gasphase pulsationsartig eingeleitet, wobei die Pulsation ebenfalls periodisch mit der gleichen Periodendauer T₂ = T₁ erfolgt, allerdings phasenverschoben um eine Phase ϕ_t. Dieser phasenverschobene pulsationsartig zugeführte zweite Gasanteil führt zu einer Erhöhung der Sauerstoffkonzentration bezüglich des gesamten Behandlungsgases von n₀ auf n₀ + n₂, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Das Verhältnis n₂/n₀ beträgt etwa 40%, die zweite Gasphase führt also dem Behandlungsgas effektiv weniger Sauerstoff zu als die erste. Man kann gut in Fig. 3 erkennen, dass auch die gesamte Sauerstoffkonzentration n(t) des Behandlungsgases periodisch ist, und zwar mit einer Periodendauer T = T₁ = T₂, da sie sich aus der Überlagerung zweier (dreier mit n₀) periodisch modulierter Gasphasen ergibt. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel beträgt die Phasenverschiebung ϕ_t, etwa π/2. Es wäre allerdings auch denkbar, sie auf n einzustellen, wobei die beiden zusätzlichen Gasphasen dann antizyklisch wären. In diesem Fall wäre die Sauerstoffkonzentration n(t) quasi-periodisch mit Periode T/2. Ohne Phasenverschiebung (ϕ_t = 0) erhielte man eine Sauerstoffkonzentration n(t), welche ebensogut durch eine einzige zusätzlich eingeleitete Gasphase erreichbar wäre.In Fig. 3 is a dynamic modulation of the oxygen concentration of the treatment gas exemplified. This is achieved as follows: A self-unmodulated hot blast of the treatment gas provides a constant base concentration n ₀ , which corresponds to the natural oxygen concentration in air (the hot blast here consists of hot air). In addition to the hot blast, two more portions of the treatment gas are now introduced. A first portion, which consists either of pure oxygen or of an oxygen-containing gas phase with oxygen concentration n ' ₁ , is pulsed periodically initiated with period T ₁ of 2 s. The amount of pure oxygen or the concentration n ' ₁ is chosen so that the oxygen concentration is increased with respect to the total treatment gas by a concentration difference n ₁ . Here, the ratio n ₁ / n _{0 is} about 60%. Analogously, in addition, a second gas phase is pulsed, wherein the pulsation also takes place periodically with the same period T ₂ = T ₁ , but phase-shifted by a phase φ _t . This phase-shifted pulse-like second gas component leads to an increase in the oxygen concentration with respect to the total treatment gas from n ₀ to n ₀ + n ₂ , as from Fig. 3 is apparent. The ratio n ₂ / n ₀ is about 40%, so the second gas phase effectively supplies less oxygen to the treatment gas than the first. You can be good in Fig. 3 recognize that also the total oxygen concentration n (t) of the treatment gas is periodic, with a period T = T ₁ = T ₂ , as it results from the superposition of two (three with n ₀ ) periodically modulated gas phases. In the in Fig. 3 the example shown, the phase shift φ _t , about π / 2. However, it would also be conceivable to set them to n, with the two additional gas phases then being anticyclic. In this case, the oxygen concentration n (t) would be quasi-periodic with period T / 2. Without phase shift (φ _t = 0) one would obtain an oxygen concentration n (t), which would be just as attainable by a single additionally introduced gas phase.

Fig. 4 zeigt die zeitliche Modulation der Injektionsrate von Ersatzreduktionsmitteln, die hier z.B. Kohlenstaub sein können, bzw. entsprechend deren Massenstrom m/dt. Auch hier ist einem kontinuierlichen Massenstrom m₀/dt ein pulsierender Zusatzanteil überlagert, der einmal alle T = 20 S eine Erhöhung um 30%, und antizyklisch alle T = 20 S eine Erhöhung um 50 % bewirkt. Der gesamte Massenstrom m/dt hat also Periode T, ist aber quasi periodisch mit τ = T/2. Die Pulsbreite σ ist hier relativ groß und beträgt etwa T/4. Fig. 4 shows the temporal modulation of the injection rate of substitute reducing agents, which may be coal dust here, for example, or according to their mass flow m / dt. Here, too, a continuous mass flow m ₀ / dt is superimposed by a pulsating additional fraction, which causes an increase of 30% once every T = 20 s and an increase by 50% anticyclically every t = 20 s. The total mass flow m / dt thus has period T, but is quasi-periodic with τ = T / 2. The pulse width σ here is relatively large and is approximately T / 4.

Fig. 5 zeigt die simultane zeitliche Modulation einerseits des Massenstroms m/dt eines Ersatzreduktionsmittels und andererseits eines Volumenstroms V/dt von Sauerstoff. Für den Massenstrom m/dt gilt ähnliches wie in der obigen Beschreibung zu Fig. 4, außer dass die Pulsform unterschiedlich ist, und die Periode T in Fig. 5 T = 0,6 s beträgt. Die zeitliche Modulation des Sauerstoffvolumenstroms V/dt, die ebenfalls periodisch mit T erfolgt, läßt sich beispielsweise erzeugen, indem ein Anteil V₀/dt durch den natürlichen Sauerstoffvolumenstrom der eingeleiteten Heißluft hervorgerufen wird, und periodisch durch zusätzlich zugeführte Sauerstoffpulse erhöht wird. Wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, sind die zusätzlichen Sauerstoffpulse gegenüber der Pulsation des Massenstroms der Ersatzreduktionsmittel um eine Zeit Δt = 0,02 s verschoben, was einer Phasenverschiebung von ϕ_t = π/15 entspricht. Durch die so gewählte Phasenverschiebung hat die erhöhte Menge an Ersatzreduktionsmittel, die in die Wirbelzone eingeblasen wird, einerseits einen Vorsprung gegenüber dem folgenden Sauerstoffpuls, und steht so gewisserweise zur Umsetzung bereit, während andererseits der folgende Sauerstoffpuls die Umsetzung des Ersatzreduktionsmittels bewirken kann, bevor dieses die Wirbelzone verläßt. Folglich kann eine zuverlässig hohe Umsetzung des Ersatzreduktionsmittels bei gesteigerter Einblasrate erreicht werden, was zu einer besseren Durchgasung im Schachtofen führt. Fig. 5 shows the simultaneous temporal modulation on the one hand of the mass flow m / dt of a substitute reducing agent and on the other hand, a volumetric flow V / dt of oxygen. For the mass flow m / dt, the same applies as in the above description Fig. 4 except that the pulse shape is different and the period T in Fig. 5 T = 0.6 s. The temporal modulation of the oxygen volume flow V / dt, which is also periodic with T, can be generated, for example, by a proportion V ₀ / dt caused by the natural oxygen volume flow of the introduced hot air, and is periodically increased by additionally supplied oxygen pulses. How out Fig. 5 1, the additional oxygen pulses are shifted from the pulsation of the mass flow of the substitute reducing agent by a time Δt = 0.02 s, which corresponds to a phase shift of φ _t = π / 15. Due to the phase shift thus selected, the increased amount of substitute reducing agent injected into the vortex zone, on the one hand, has a lead over the following oxygen pulse, and thus is ready to be reacted, while, on the other hand, the following oxygen pulse can cause the substitutional reducing agent to react before it Vortex zone leaves. Consequently, a reliable high conversion of the replacement reducing agent can be achieved with an increased injection rate, which leads to a better gasification in the shaft furnace.

Die anhand der Fig. 1 bis 5 erläuterten Beispiel einer dynamischen Modulation der Einleitung des Behandlungsgases sowie auch weiterer Komponenten stellen lediglich nur einen Teil der Möglichkeiten dar, die erfindungsgemäße dynamische Modulation zu verwirklichen. Die in der obigen Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können, wie bereits aus den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen erkennbar, sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The basis of the Fig. 1 to 5 explained example of a dynamic modulation of the introduction of the treatment gas as well as other components are only a part of the possibilities to realize the inventive dynamic modulation. The features of the invention disclosed in the above description and in the claims may, as already apparent from the different embodiments, be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

Beispielsweise ist als Schachtofen ein Hochofen vorgesehen, der in seinem Inneren einen Druck von ca. 2 bis 4 bar aufweist. Das Behandlungsgas kann mit einem kontinuierlichen Druck von ca. 10 bar eingeblasen werden. Um eine pulsierende Modulation zu erreichen, kann über ein Ventil zeitweilig ein Speicherbehälter zugeschaltet werden, der einen Druck von beispielsweise 20 bar aufweist. Durch das Zuschalten des Speicherbehälters kann beispielsweise ein kurzzeitiger Puls mit einem um 1,5 bis 2,5 bar erhöhten Druck erzeugt werden, dass heißt der Druck des Behandlungsgases weist während des Pulses einen Druck von ca. 12 bar auf. Aufgrund diese Pulses wird innerhalb des Hochofens durch das Behandlungsgas ein Energiestoß erzeugt, der Verkrustungen und Schlacken am Rade der Reaktionszone aufschmilzt und/oder die Schicht in den Verkrustungen und Schlacken perforiert. Da durch den Energiestoß Sauerstoff in die Schlackeschicht der Reaktionszone transportiert wird, finden Oxidationsreaktionen mit der Schlackeschicht statt. Die dadurch herausgelöste Schlacke ermöglicht eine bessere Durchströmung des gesamten Hochofens. Die Entstehung von Schlacke kann zumindest reduziert werden, wenn in dem Behandlungsgas möglichst kleine Kohlepartikel zugemischt werden, so dass sich bei der Reaktion in der Reaktionszone weniger unverbrannte Bestandteile ergeben, die sich ansonsten in der Schlacke festsetzen könnten. Die Effekte des moduliert eingeblasenen Behandlungsgases können verstärkt werden, indem mehrere Einblasungsstellen entlang des Umfangs und/oder entlang der Höhe des Hochofens vorgesehen werden.For example, a blast furnace is provided as shaft furnace, which has a pressure of about 2 to 4 bar in its interior. The treatment gas can be injected at a continuous pressure of about 10 bar. In order to achieve a pulsating modulation, a storage container, which has a pressure of, for example, 20 bar, can be temporarily switched on via a valve. By switching on the storage container, for example, a short-term pulse can be generated with a pressure increased by 1.5 to 2.5 bar, that is, the pressure of the treatment gas has a pressure of about 12 bar during the pulse. Due to this pulse, a burst of energy is generated within the blast furnace by the treatment gas, which melts encrustations and slags on the surface of the reaction zone and / or perforates the layer in the encrustations and slags. Since oxygen is transported into the slag layer of the reaction zone by the energy collision, oxidation reactions take place with the slag layer. The resulting dissolved slag allows better flow through the entire blast furnace. The formation of slag can at least be reduced if very small coal particles are mixed in the treatment gas, so that the reaction in the reaction zone results in less unburned constituents that might otherwise settle in the slag. The effects of the modulated blown treatment gas can be enhanced by providing multiple injection sites along the circumference and / or along the height of the blast furnace.

Ein beispielsweise als Kupolofen ausgebildeter Schachtofen kann prinzipiell wie vorstehend anhand des Hochofens erläutert ausgebildet sein und betrieben werden. Üblicherweise wird ein Kupolofen bei einem geringeren Druck beispielsweise 300 mbar betrieben. In diesem Fall kann das Behandlungsgas kontinuierlich mit einem Druck von 5 bar eingeblasen werden, wobei der zuschaltbare Speicherbehälter einen Druck von 12 bar aufweisen kann.A shaft furnace designed, for example, as a cupola can, in principle, be designed and operated as described above with reference to the blast furnace. Usually, a cupola is operated at a lower pressure, for example 300 mbar. In this case, the treatment gas can be injected continuously at a pressure of 5 bar, wherein the switchable storage container can have a pressure of 12 bar.

Claims

Method for operating a shaft furnace, whereby an upper section of the shaft furnace is charged with raw materials which due to gravity descend inside the shaft furnace whereby the atmosphere prevailing within the shaft furnace causes part of the raw materials to melt and/or to be reduced,
and in a lower section of the shaft furnace a process gas is injected, which at least partly influences the atmosphere prevailing inside the shaft furnace,
characterised in that
the injection of the process gas is quasi-periodically modulated in a manner whereby in the modulation of the process variables pressure p and/or volume flow V are varied at least intermittently within a time span of ≤ 5 s.
Method according to claim 1, whereby the modulation takes place quasi-periodically, whereby the cycle time T is 5 s ≥ T ≥ 60 ms.
Method according to claim 1 or 2, whereby the modulation takes place in a pulsed fashion, whereby the pulse width σ of a pulse is 5 s > σ ≥ 1 ms.
Method according to any one of the claims 1 to 3, whereby the modulation takes place by way of the adjustment of at least one process variable.
Method according to any one of the claims 1 to 4, whereby the process gas is injected into the blast furnace through at least two different channels, and a first process variable serving to control the process-gas component being injected along the first channel is dynamically modulated, as well as a second process variable serving to control the process-gas component being injected along the second channel is dynamically modulated, whereby the first and the second process variable are identical process variables modulated differently or the first and the second process variable are different but subjected to the same modulation.
Method according to claim 5, whereby the first and the second process variable are periodically modulated with the same cycle time T, whereby their relative phase is shifted by a specific value.
Method according to any one of the claims 2 to 6, whereby the inverse cycle time T^-1 is set at a self-resonant frequency of a partial system of the atmosphere within the blast furnace.
Method according to any one of the claims 1 to 7, whereby the process gas contains at least temporarily partly or entirely an inert gas for cooling valves positioned in the volume flow of the process gas.
Method according to any one of the claims 1 to 8, whereby the process gas is modulated in a manner such as to generate a stationary wave of the process gas in the shaft furnace.
Method according to any one of the claims 1 to 9, whereby the injection of the process gas is regulated in such a way, that the raw materials descend in a uniform fashion within the shaft furnace.