EP1997915A1 - Verfahren zur gesteuerten Koksumsetzung in Kupolöfen - Google Patents

Verfahren zur gesteuerten Koksumsetzung in Kupolöfen Download PDF

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Publication number
EP1997915A1
EP1997915A1 EP07018450A EP07018450A EP1997915A1 EP 1997915 A1 EP1997915 A1 EP 1997915A1 EP 07018450 A EP07018450 A EP 07018450A EP 07018450 A EP07018450 A EP 07018450A EP 1997915 A1 EP1997915 A1 EP 1997915A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wind
oxygen
shaft furnace
injector
residual
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07018450A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Ulrich Feustel
Heinz Kadelka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP1997915A1 publication Critical patent/EP1997915A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/16—Tuyéres
    • C21B7/163—Blowpipe assembly
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F27B1/10—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B1/16—Arrangements of tuyeres
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/18—Charging particulate material using a fluid carrier

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a shaft furnace, in particular a cupola, for melting a metal-containing insert, wherein the shaft furnace is heated by combustion of a fossil fuel. Furthermore, the invention relates to a shaft furnace, in particular cupola, for melting a metal-containing insert, with at least one supply line for a pumped medium, at the downstream end of a drive nozzle is connected, and with a residual draft line for supplying a residual wind in the shaft furnace.
  • a set of iron which usually consists of pig iron, cast iron, steel scrap and other ferro alloys, is melted.
  • Foundry coke is generally used as the fuel in the cupola furnace, which is burnt by reaction with oxygen, thereby releasing the quantities of energy necessary to melt the iron charge.
  • the coke was burned with air as the oxidant. Meanwhile, however, the use of oxygen-enriched air during melting in the cupola furnace to the technical standard. The advantage over the use of air is that higher combustion temperatures can be generated and the melting process is faster.
  • EP 0 762 068 A1 is a method for supplying combustion air into a cupola known, in which an oxygen-containing medium is injected into the cupola and the resulting negative pressure is utilized to suck more combustion air in the cupola.
  • Object of the present invention is therefore to show a method for operating a shaft furnace and a corresponding shaft furnace, which allows a better control of the melting process.
  • this object is achieved by a method of the type mentioned above, wherein an oxygen-containing medium is accelerated in a motive nozzle 'and an injector wind sucked by means of the resulting in the acceleration of the oxygen-containing fluid under pressure and combined with the fluid to a motive nozzle stream, and that graspedüsenstrom and a residual wind in the shaft furnace are passed.
  • the shaft furnace according to the invention has at least one supply line for a pumped medium, at the downstream end of a drive nozzle is connected, and a residual draft line for supplying a residual wind in the shaft furnace, wherein the shaft furnace is characterized in that in the feed line for the fluid or in the motive nozzle Injector vent line opens.
  • shaft furnace is understood in particular to mean a cupola furnace, in particular for melting gray cast iron and nodular cast iron. But other shaft furnace systems for melting, for example, mineral wool, copper or aluminum can be operated according to the invention.
  • iron is intended to include metal-containing charges that are fed to a shaft furnace for melting.
  • this includes in particular the so-called iron or cold set, consisting of pig iron, cast iron, steel scrap and / or other ferrous additives.
  • iron or cold set consisting of pig iron, cast iron, steel scrap and / or other ferrous additives.
  • copper or aluminum-containing batches are conceivable as an application:
  • wind residual wind
  • injector wind are understood to mean the oxygen-containing gas streams supplied to the shaft furnace, in particular air streams supplied under elevated pressure.
  • a controlled amount of oxygen is fed to the shaft furnace for conversion of the fossil fuel. This is done by having a oxygen-containing conveying medium, that is, an oxygen-containing gas or gas mixture, defined amount and / or defined flow rate is injected into the shaft furnace.
  • Additional oxygen is supplied to the shaft furnace via the injector wind and the residual wind.
  • the delivery medium flows out of the drive nozzle or nozzles at high speed and generates a negative pressure, which according to the invention is used to suck in the injector wind.
  • the sucked amount of injector depends on the one hand on the amount and flow rate of the fluid from, on the other hand, but can also be regulated separately.
  • the mixture of accelerated fluid and aspirated injector wind forms a motive jet stream that provides oxygen to the combustion process in the shaft furnace. Additional oxygen is supplied to the shaft furnace with the residual wind. As a rule, pressurized air is available as residual wind.
  • the injector wind and the residual wind come from the same source.
  • a wind line or wind device which carries a certain amount of hot air, that is under elevated pressure, hot air.
  • the Injektorwind Arthur
  • the residual wind line connected. The entire available hot blast amount is divided accordingly into a proportion which is sucked in by the Injektorwind admir of the pumped medium and in a residual residual wind which is fed to the shaft furnace via the residual draft line.
  • the shaft furnace may be provided with a first wind line from which the injector wind is withdrawn and with a second wind line from which the residual wind is taken.
  • this design is technically more complex to implement than the above-described embodiment with a common wind line for residual wind and injector wind.
  • by separate wind lines or wind devices for injector wind and residual wind their pressure and temperature conditions can be set independently, creating additional degrees of freedom to control the combustion process in the shaft furnace.
  • the motive jet stream reaches the shaft furnace at a higher kinetic energy than the residual wind.
  • the flow rate of the motive nozzle flow is advantageously between 40 m / s and 250 m / s.
  • coke is used as fossil fuel.
  • the quality of the coke varies in practice very strong, which it is regularly necessary to follow up and adjust the combustion parameters in order to achieve optimum conversion of the coke and thus an optimal melting process.
  • the oxygen can be injected far into the interior of the shaft furnace and thus specifically influence the conversion of the coke.
  • the amount and / or the flow rate of the oxygen-containing delivery medium and / or the injector wind are advantageously controlled as a function of the temperature and / or the CO content of the top gas of the shaft furnace.
  • Different coke qualities and different compositions of the melted feed introduced into the shaft furnace affect the composition of the blast furnace gas, i. the combustion gases.
  • the melting process can always be adapted to the desired objective.
  • Other parameters that can be used to control the motive nozzle flow are melt performance, furnace pressure and exhaust gas analysis.
  • the conveying medium is preferably an oxygen-containing gas stream having an oxygen content of more than 90%, preferably more than 95%, particularly preferred more than 99% used.
  • oxygen-enriched air can be used as a pumped medium.
  • the oxygen content of the motive jet stream resulting from the combination of the conveying medium and the injector wind is particularly preferably chosen to be between 25% and 65%.
  • About the oxygen content of the motive jet current is another parameter available, via which the combustion of the fossil fuel can be controlled. For example, by increasing the oxygen content, the combustion can be intensified, that is, the temperature of the combustion gases is increased and more fossil fuel is burned per unit time.
  • the implementation of the fossil fuel in the shaft furnace can be significantly better controlled by the invention defined addition of oxygen by means of the motive jet current than in the previously known methods in which substantially undefined amounts of air are fed to the shaft furnace via wind lines.
  • the control of the combustion and the melting process takes place substantially on the amount, speed and composition of the motive jet. It has therefore been found to be advantageous to supply between 30% and 60% of the total oxygen necessary for the conversion of the fuel to the shaft furnace via the motive jet stream.
  • the flow guidance of the motive nozzle flow is preferably adapted to the dimensioning of the furnace, that is to say in particular to the furnace cross section, the shaft height and the entry height.
  • the maximum quantity of the injector wind sucked in by the conveying medium depends on the parameters of the conveying medium flow: the stronger the suction effect caused by the conveying medium flow, the more the injector wind can be sucked in and fed to the shaft furnace.
  • the control of the shaft furnace is advantageously carried out in response to one or more of the following parameters: temperature, composition or analysis of the gaseous or effluent gas, melt parameters such as melting temperature, furnace specific data, composition or analysis of the slag withdrawn from the shaft furnace.
  • melt parameters such as melting temperature
  • furnace specific data such as melting temperature
  • Previously recorded operating data can be used here in order to optimally adjust the oxygen supply to the furnace as a function of the current operating parameters and to achieve a process management which corresponds to the technological requirements.
  • Performance deviations can be detected and assigned quickly.
  • the kiln mode can be adjusted historically in a self-correcting database. Quality influences on, for example, different coke inserts are recognized immediately.
  • the oxygen enrichment of the motive jet stream, the rate of entry and the ratio of total oxygen used are important criteria of the process according to the invention.
  • the oxygen can be used depending on the performance. Changes in coke quality are quickly apparent and can be adjusted.
  • the shaft furnace according to the invention has at least one supply line for a pumped medium, at the downstream end of which a motive nozzle is connected, and a residual blast line for supplying an oxygen-containing gas mixture into the shaft furnace. According to the invention opens into the supply line for the fluid or in the motive nozzle Injektorwind effet.
  • the supply line for the pumped medium is connected to a supply device, for example a tank, for technically pure oxygen.
  • the technically pure oxygen can be added via the Injektorwind founded a defined amount of air so as to adjust the oxygen content in the resulting mixture of oxygen and air.
  • This mixture is accelerated in the motive nozzle, preferably a Laval nozzle, and introduced into the shaft furnace as a motive nozzle stream.
  • the line for the motive nozzle stream first opens into the residual draft line, which then leads the residual wind and the motive nozzle stream into the shaft furnace. In the area of the mouth of the motive nozzle in the residual draft line creates a negative pressure, which sucks more air through the residual draft line.
  • the invention has numerous advantages compared to the previously used methods.
  • the combustion of the fossil fuel is significantly improved and it requires less fuel.
  • the emissions or immissions are substantially reduced.
  • Quality variations of the fuel, in particular different coke qualities, can be taken into account.
  • Controlled combustion of the fuel reduces burnout of the refractory material in the furnace. Furthermore, due to the controlled use of oxygen, the silicon and manganese erosion is reduced.
  • the invention makes it possible to specifically intervene in the melting process of shaft furnaces and cupola systems.
  • the efficiencies and environmental results are significantly improved.
  • the additional activation or deactivation of individual motive nozzles, the combustion reaction of the fuel used can be further optimized.
  • the range of existing equipment can be extended to include additional substances that promote the desired reactions by increasing the temperature (e.g., additional fuel). Or it is possible to enter substances which can be disposed of without damage in the course of the reaction (for example filter dust) or substances which flexibly adapts the analysis (graphite, Si, SiC and inert carriers).
  • the separation of the primary wind into the residual primary wind and the injector wind and the metrological detection allow the number of control parameters to be expanded, refined and set in greater detail. By a more flexible adaptation to different melt rates, it is thus possible to enable a performance-dependent kiln mode of operation via the coke reaction with oxygen.
  • the amount of oxygen used is generally adapted to the melting conditions and introduced in concentrated form than 100% of technical oxygen in different manners at high speeds.
  • the necessary kinetic energy is due both to the level of the oxygen supply pressure and to the amount of technical oxygen used.
  • technical oxygen meets the materials used, primarily coke, and essentially loses its energy potential here.
  • the oxygen is thus introduced mainly into the melting zone via the high proportion of energy and the mass of the hot blast.
  • the coke pieces in front of the nozzles already consume some of the oxygen, the remainder reaches the melting zone with little overall enrichment.
  • the same melting performance is now generated at the same temperature and analysis with less total oxygen input.
  • the invention enables a large performance spectrum with different feed velocities in the motive nozzle with a uniform mixture feed.
  • An oxygen introduction technique is available which realizes the most varied amounts of oxygen at the same concentration and controllable deposition rates.
  • the possibility of reacting flexibly to the melting process is extended.
  • the oxygen enrichment of the propellant nozzle mixture, the rate of entry and the ratio of the total oxygen content used are the most important criteria of a new kiln method.
  • an inventive injection of oxygen or oxygen-enriched hot blast in a cupola 1 is shown.
  • an annular wind ring 2 which is supplied with hot air at a temperature of, for example, between 200 ° C and 500 ° C.
  • a pre-designed proportion of the hot wind flowing in the wind ring line 2 can be sucked in and mixed with the oxygen in an adjustable concentration.
  • the amount of injector wind that is, the amount of hot wind sucked in by the injector draft line 6, is detected by a suitable meter 8.
  • the resulting motive nozzle stream is then injected into the shaft furnace 1 via a lance 9 at a high flow rate of, for example, more than 240 m / s.
  • the residual hot wind remaining in the wind ring line 2 also passes into the shaft furnace 1 as a residual wind via the residual draft line 10 at a markedly reduced quantity and speed.
  • the speed of the residual wind is reduced from 20 m / s to 11 m / s, for example compared to a conventional method.
  • the residual wind and the motive jet stream are combined in an exhaust nozzle 11 before being directed into the shaft furnace 1.
  • a total H adoptedweindmenge of 9670 Nm 3 / h is provided.
  • 152 Nm 3 / h of technically pure oxygen at a temperature of 17 ° C are supplied via each of the oxygen feeds 3 and accelerated in the driving nozzle 4.
  • 2360 Nm 3 / h of the entire hot air are sucked off as injector wind and mixed with the oxygen. It turns in the Lance 9 a mixing temperature of 339 ° C a.
  • the exit velocity of the motive jet is 120 m / s.
  • the remaining in the wind ring 2 hot air is passed as a residual wind over the residual draft line 7 at a speed of 74 m / s in the shaft furnace 1.
  • the oxygen enrichment in the lance 9 can be adjusted between 25% and 100% by the amount of injector wind sucked in.
  • the exit velocity of the motive nozzle stream and thus the radial flow velocity into the shaft furnace 1 can be increased to over 240 m / s.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens (1), insbesondere eines Kupolofens, zum Schmelzen eines metallhaltigen Einsatzes, wobei der Schachtofen (1) durch Verbrennung eines fossilen Brennstoffs beheizt wird. Zur besseren Kontrolle des Schmelzprozesses ist vorgesehen, dass ein sauerstoffhaltiges Fördermedium (3) in einer Treibdüse (5) beschleunigt wird und ein Injektorwind (6) mittels des bei der Beschleunigung des sauerstoffhaltigen Fördermediums (3) entstehenden Unterdrucks angesaugt und mit dem Fördermedium (3) zu einem Treibdüsenstrom (9) zusammengeführt wird, und dass der Treibdüsenstrom (9) und ein Restwind (10) in den Schachtofen (1) geleitet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Kupolofens, zum Schmelzen eines metallhaltigen Einsatzes, wobei der Schachtofen durch Verbrennung eines fossilen Brennstoffs beheizt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Schachtofen, insbesondere Kupolofen, zum Schmelzen eines metallhaltigen Einsatzes, mit mindestens einer Zuleitung für ein Fördermedium, an deren stromabwärtigem Ende eine Treibdüse angeschlossen ist, und mit einer Restwindleitung zur Zuführung eines Restwindes in den Schachtofen.
  • In einem Kupolofen wird ein Eisensatz, der meist aus Roheisen, Gussbruch, Stahlschrott und sonstigen Ferrolegierungen besteht, aufgeschmolzen. Als Brennstoff wird im Kupolofen in der Regel Gießereikoks eingesetzt, der durch Umsetzung mit , Sauerstoff verbrannt wird und dabei die zum Schmelzen des Eisensatzes notwendigen Energiemengen freisetzt.
  • Ursprünglich wurde der Koks mit Luft als Oxidationsmittel verbrannt. Mittlerweile gehört jedoch der Einsatz von mit Sauerstoff angereicherter Luft beim Schmelzen im Kupolofen zum technischen Standard. Der Vorteil gegenüber der Verwendung von Luft liegt darin, dass höhere Verbrennungstemperaturen erzeugt werden können und der Schmelzprozess schneller abläuft.
  • Aus der EP 0 762 068 A1 ist ein Verfahren zur Zuführung von Verbrennungsluft in einen Kupolofen bekannt, bei dem ein sauerstoffhaltiges Fördermedium in den Kupolofen eingedüst wird und der dabei entstehende Unterdruck ausgenutzt wird, um weitere Verbrennungsluft in den Kupolofen zu saugen.
  • Im Praxisbetrieb von Schachtöfen sind derzeit keine zuverlässigen Entscheidungshilfen zum Einstellen des Schmelzprozesses vorhanden. Als fossiler Brennstoff wird meist Gießereikoks eingesetzt, dessen Qualität starken Schwankungen unterliegt. Bei den bisher bekannten Verfahren zum Betreiben von Schachtöfen wird diesen Schwankungen kaum Rechnung getragen.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens und einen entsprechenden Schachtofen aufzuzeigen, welche eine bessere Kontrolle des Schmelzprozesses erlaubt.
  • Verfahrensseitig wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei ein sauerstoffhaltiges Fördermedium in einer Treibdüse beschleunigt wird ' und ein Injektorwind mittels des bei der Beschleunigung des sauerstoffhaltigen Fördermediums entstehenden Unterdrucks angesaugt und mit dem Fördermedium zu einem Treibdüsenstrom zusammengeführt wird, und dass der Treibdüsenstrom und ein Restwind in den Schachtofen geleitet werden.
  • Der erfindungsgemäße Schachtofen besitzt mindestens eine Zuleitung für ein Fördermedium, an deren stromabwärtigem Ende eine Treibdüse angeschlossen ist, und eine Restwindleitung zur Zuführung eines Restwindes in den Schachtofen, wobei sich der Schachtofen dadurch auszeichnet, dass in die Zuleitung für das Fördermedium oder in die Treibdüse eine Injektorwindleitung mündet.
  • Unter dem Begriff "Schachtofen" wird insbesondere ein Kupolofen, insbesondere zum Schmelzen von Grauguss und Sphäroguss, verstanden. Aber auch andere Schachtofenanlagen zum Schmelzen von beispielsweise Mineralwolle, Kupfer oder Aluminium können erfindungsgemäß betrieben werden.
  • Der Begriff "Einsatz" soll metallhaltige Chargen umfassen, die einem Schachtofen zum Schmelzen zugeführt werden. Wie eingangs bereits erwähnt, fällt hierunter insbesondere der sogenannte Eisensatz oder kalte Satz, bestehend aus Roheisen, Gussbruch, Stahlschrott und/oder sonstigen eisenhaltigen Zuschlagstoffen. Je nach Art des Schachtofens sind aber auch kupfer- oder aluminiumhaltige Chargen als Einsatz denkbar:
  • Mit den Begriffen "Wind", "Restwind" und "Injektorwind" werden im Rahmen dieser Anmeldung dem Schachtofen zugeführte sauerstoffhaltige Gasströme, insbesondere unter erhöhtem Druck zugeführte Luftströme, verstanden.
  • Erfindungsgemäß wird dem Schachtofen zur Umsetzung des fossilen Brennstoffs eine geregelte Menge Sauerstoff zugeführt. Dies erfolgt dadurch, dass ein sauerstoffhaltiges Fördermedium, das heißt ein sauerstoffhaltiges Gas oder Gasgemisch, definierter Menge und/oder definierter Strömungsgeschwindigkeit in den Schachtofen eingedüst wird.
  • Zusätzlicher Sauerstoff wird dem Schachtofen über den Injektorwind und den Restwind zugeführt. Das Fördermedium strömt mit hoher Geschwindigkeit aus der oder den Treibdüsen aus und erzeugt dabei einen Unterdruck, welcher erfindungsgemäß dazu genutzt wird, den Injektorwind anzusaugen. Die angesaugte Menge an Injektorwind hängt zum einen von der Menge und Strömungsgeschwindigkeit des Fördermediums ab, kann zum anderen von Vorteil aber auch noch separat geregelt werden. Das Gemisch aus beschleunigtem Fördermedium und angesaugtem Injektorwind bildet einen Treibdüsenstrom, der dem Verbrennungsprozess im Schachtofen Sauerstoff definiert zur Verfügung stellt. Zusätzlicher Sauerstoff wird dem Schachtofen mit dem Restwind zugeführt. In der Regel steht hierzu unter Druck befindliche Luft als Restwind zur Verfügung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform stammen der Injektorwind und der Restwind aus derselben Quelle. So ist beispielsweise eine Windleitung oder Windeinrichtung vorgesehen, die eine bestimmte Menge Heißwind, das heißt unter erhöhtem Druck stehende, heiße Luft, führt. An dieser Windleitung ist zum einen die Injektorwindleitung, zum anderen die Restwindleitung angeschlossen. Die gesamte zur Verfügung stehende Heißwindmenge teilt sich entsprechend auf in eine Anteil, der über die Injektorwindleitung von dem Fördermedium angesaugt wird und in einen verbleibenden Restwind, der über die Restwindleitung dem Schachtofen zugeführt wird.
  • Es ist ebenso möglich, eine separate Zufuhr für den Injektorwind und den Restwind vorzusehen. Zum Beispiel kann der Schachtofen mit einer ersten Windleitung versehen sein, aus der der Injektorwind abgezogen wird, und mit einer zweiten Windleitung, aus der der Restwind entnommen wird. Diese Ausführung ist zwar technisch aufwändiger zu realisieren als die oben beschriebene Ausführung mit einer gemeinsamen Windleitung für Restwind und Injektorwind. Andererseits können aber durch separate Windleitungen oder Windeinrichtungen für Injektorwind und Restwind deren Druck- und Temperaturverhältnisse unabhängig voneinander eingestellt werden, wodurch weitere Freiheitsgrade zur Steuerung des Verbrennungsprozesses im Schachtofen entstehen. Außerdem kann als Injektorwind direkt aus der Umgebung angesaugte Luft eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, mit dem Fördermedium andere Gase oder Stoffe anzusaugen und der Verbrennung in dem Schachtofen zuzuführen.
  • Vorzugsweise gelangt der Treibdüsenstrom mit einer höheren kinetischen Energie als der Restwind in den Schachtofen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Treibdüsenstroms beträgt von Vorteil zwischen 40 m/s und 250 m/s.
  • Vorzugsweise wird Koks als fossiler Brennstoff eingesetzt. Die Qualität des Kokses variiert in der Praxis sehr stark, wodurch es regelmäßig erforderlich wird, die Verbrennungsparameter nachzufahren und anzupassen, um eine optimale Umsetzung des Kokses und damit einen optimalen Schmelzprozess zu erreichen. Durch das erfindungsgemäße Eindüsen des Treibdüsenstroms mit hoher Strömungsgeschwindigkeit kann der Sauerstoff weit in das Innere des Schachtofens eingeblasen werden und so die Umsetzung des Kokses gezielt beeinflussen.
  • Die Menge und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des sauerstoffhaltigen Fördermediums und/oder des Injektorwindes werden von Vorteil in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder dem CO-Gehalt des Gichtgases des Schachtofens geregelt. Unterschiedliche Koksqualitäten und unterschiedliche Zusammensetzungen des in den Schachtofen eingebrachten, zu schmelzenden Einsatzes beeinflussen die Zusammensetzung des Gichtgases, d.h. der Verbrennungsgase. Durch Analyse des CO-Gehalts und/oder der Gichtgastemperatur können Rückschlüsse auf den Verbrennungsprozess und den Schmelzprozess gezogen werden.
  • Durch Variation der Strömungsgeschwindigkeit des Treibdüsenstroms, des Sauerstoffgehalts des Treibdüsenstroms und/oder dessen Menge kann der Schmelzprozess stets an die gewünschte Zielsetzung angepasst werden. Weitere Parameter, die zur Regelung des Treibdüsenstroms herangezogen werden können, sind die Schmelzleistung, der Ofendruck und die Abgasanalyse. Außerdem ist es von Vorteil, die Menge und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des sauerstoffhaltigen Fördermediums und/oder des Injektorwindes in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder dem Druck des Injektorwindes zu regeln.
  • Als Fördermedium wird vorzugsweise ein sauerstoffhaltiger Gasstrom mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95%, besonders bevorzugt mehr als 99% eingesetzt. Aber auch mit Sauerstoff angereicherte Luft kann als Fördermedium verwendet werden.
  • Besonders bevorzugt wird der Sauerstoffgehalt des aus der Zusammenführung von Fördermedium und Injektorwind resultierenden Treibdüsenstroms zwischen 25% und 65% gewählt. Über den Sauerstoffgehalt des Treibdüsenstroms steht ein weiterer Parameter zur Verfügung, über den die Verbrennung des fossilen Brennstoffs gesteuert werden kann. So kann beispielsweise durch Erhöhung des Sauerstoffgehalts die Verbrennung intensiviert werden, das heißt, die Temperatur der Verbrennungsgase wird erhöht und es wird pro Zeiteinheit mehr fossiler Brennstoff verbrannt.
  • Über die erfindungsgemäß definierte Zugabe von Sauerstoff mittels des Treibdüsenstroms kann die Umsetzung des fossilen Brennstoffs im Schachtofen deutlich besser gesteuert werden als bei den bisher bekannten Verfahren, bei denen im Wesentlichen undefinierte Mengen an Luft dem Schachtofen über Windleitungen zugeführt werden.
  • Bei dem Verfahren gemäß der EP 0 762 068 A1 wird zwar ebenfalls ein sauerstoffhaltiges Medium in den Schachtofen eingedüst und mit dessen Hilfe weitere Verbrennungsluft angesaugt. Das Ansaugen der Verbrennungsluft erfolgt jedoch ungeregelt. Die in den Schachtofen eingebrachte Verbrennungsluftmenge hängt damit von zahlreichen Faktoren ab, die sich nicht unter der Kontrolle des Bedienungspersonals befinden. Erfindungsgemäß wird dagegen mittels des Fördermediums eine definierte Menge an Injektorwind oder allgemein einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch angesaugt.
  • Die Steuerung des Verbrennungs- und des Schmelzprozesses erfolgt dabei wesentlich über die Menge, Geschwindigkeit und Zusammensetzung des Treibdüsenstroms. Es hat sich daher als Vorteil erwiesen, zwischen 30% und 60 % des insgesamt für die Umsetzung des Brennstoffes notwendigen Sauerstoffs dem Schachtofen über den Treibdüsenstrom zuzuführen.
  • Die Strömungsführung des Treibdüsenstroms wird vorzugsweise an die Dimensionierung des Ofens angepasst, das heißt insbesondere an den Ofenquerschnitt, die Schachthöhe und die Eintragshöhe.
  • Die Maximalmenge des von dem Fördermedium angesaugten Injektorwindes hängt von den Parametern des Fördermediumstroms ab: Je stärker die von dem Fördermediumstrom hervorgerufene Saugwirkung, eine desto größere Menge Injektorwind kann angesaugt und dem Schachtofen zugeführt werden. Es hat sich aber auch als vorteilhaft erwiesen, die Menge des angesaugten Injektorwindes bzw. Gasgemisches, beispielsweise über Klappen, Ventile oder Drosseln, zusätzlich zu beeinflussen, um die Brennstoffumsetzung im Ofen noch besser steuern zu können. Andererseits ist es auch möglich, durch Änderung der Druckverhältnisse in der Injektorwindleitung, d.h. der Zuleitung für den Injektorwind, die Saugwirkung zu beeinflussen und so die Menge an Injektorwind zu variieren.
  • Zum Beispiel wird technischer Sauerstoff über Lavaldüsen in eine spezielle Treibdüsenkammer eingetragen. Ein vorab ausgelegter Anteil der Primärwindmenge wird über den entstehenden Unterdruck als Injektorwindanteil geregelt angesaugt. Mit der Einstellung des Injektorwindanteiles über eine Regelklappe ergeben sich verschiedene Sauerstoffanreicherungen, und entsprechend hohe Austrittsgeschwindigkeiten in die Schmelzzone. Der verbleibende Restprimärwind gelangt mit deutlich geringerer Menge und Geschwindigkeit in den Bereich der Schmelzzone.
  • Die Steuerung des Schachtofens erfolgt von Vorteil in Abhängigkeit von einem oder mehreren der folgenden Parameter: Temperatur, Zusammensetzung oder Analyse des Gicht- oder Abgases, Schmelzparameter, wie beispielsweise Schmelztemperatur, ofenspezifische Daten, Zusammensetzung bzw. Analyse der aus dem Schachtofen abgezogenen Schlacke. Zuvor aufgezeichnete Betriebsdaten können hierbei genutzt werden, um die Sauerstoffzufuhr zum Ofen in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsparametern optimal einzustellen und eine den technologischen Forderungen entsprechende Verfahrensführung zu erzielen.
  • Leistungsabweichungen können schnell erkannt und zugeordnet werden. Durch die Hinterlegung der praktischen Schmelzergebnisse kann historisch in einer selbst korrigierenden Datenbank die Ofenfahrweise angepasst werden. Qualitätseinflüsse über zum Beispiel unterschiedliche Kokseinsätze werden sofort erkannt.
  • Die Möglichkeit flexibel auf den Schmelzprozess zu reagieren wird erweitert.
  • Die Sauerstoffanreicherung des Treibdüsenstroms, die Eintragsgeschwindigkeit und das Verhältnis zum eingesetzten Gesamtsauerstoffanteil sind wichtige Kriterien des erfindungsgemäßen Verfahrens. So kann der Sauerstoff leistungsabhängig eingesetzt werden. Veränderungen in der Koksqualität sind schnell ersichtlich und können angepasst werden.
  • Der erfindungsgemäße Schachtofen weist mindestens eine Zuleitung für ein Fördermedium, an deren stromabwärtigem Ende eine Treibdüse angeschlossen ist, und eine Restwindleitung zur Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches in den Schachtofen auf. Erfindungsgemäß mündet in die Zuleitung für das Fördermedium oder in die Treibdüse eine Injektorwindleitung.
  • Vorzugsweise ist die Zuleitung für das Fördermedium mit einer Versorgungseinrichtung, beispielsweise einem Tank, für technisch reinen Sauerstoff verbunden. Dem technisch reinen Sauerstoff kann über die Injektorwindleitung eine definierte Luftmenge zugegeben werden, um so den Sauerstoffgehalt in dem resultierenden Gemisch aus Sauerstoff und Luft einzustellen. Dieses Gemisch wird in der Treibdüse, vorzugsweise einer Lavaldüse, beschleunigt und als Treibdüsenstrom in den Schachtofen eingebracht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform mündet die Leitung für den Treibdüsenstrom zunächst in die Restwindleitung, welche den Restwind und den Treibdüsenstrom dann in den Schachtofen führt. Im Bereich der Mündung der Treibdüse in die Restwindleitung entsteht ein Unterdruck, welcher weitere Luft über die Restwindleitung ansaugt.
  • Ferner ist es günstig, zur Anpassung oder Beeinflussung der Temperaturverhältnisse die Zuführung des Fördermediums, des Injektorwindes und/oder des Treibdüsenstroms wassergekühlt auszulegen.
  • Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile im Vergleich zu den bisher eingesetzten Verfahren. Die Verbrennung des fossilen Brennstoffs wird deutlich verbessert und es wird weniger Brennstoff benötigt. Die Emissionen bzw. Immissionen werden wesentlich verringert. Qualitätsschwankungen des Brennstoffs, insbesondere unterschiedlichen Koksqualitäten, kann Rechnung getragen werden. Durch die gesteuerte Verbrennung des Brennstoffs wird der Ausbrand des Feuerfestmaterials im Ofen reduziert. Weiter wird aufgrund des gesteuerten Sauerstoffeinsatzes der Silizium- und Manganabbrand verringert.
  • Durch die Erfindung wird es möglich, gezielt in den Schmelzprozess von Schachtöfen und Kupolofenanlagen einzugreifen. Die Wirkungsgrade und Umweltergebnisse werden entscheidend verbessert.
  • Über die Einstellung der Injektorwindmenge in Abhängigkeit von der Menge des als Fördermedium zugeführten technischen Sauerstoffs und der Aufteilung des Primärwindes in Injektorwindmenge und Restwindmenge gelangt ein Sauerstoff-Luftgemisch in regelbaren Mengen und Geschwindigkeiten in den Ofen.
  • Durch das zusätzliche Ansteuern oder Abschalten von einzelnen Treibdüsen kann die Verbrennungsreaktion des eingesetzten Brennstoffes weiter optimiert werden.
  • Weiter kann das Spektrum vorhandener Anlagen dahingehend erweitert werden, dass zusätzliche Stoffe eingetragen werden können, die die gewünschten Reaktionen durch Temperaturerhöhung fördern (z.B. zusätzlicher Brennstoff). Oder es können Stoffe eingetragen werden, die im Reaktionsablauf schadlos entsorgt werden können (z.B. Filterstaub) oder Stoffe, die die Analyse flexibel anpasst (Graphit, Si, SiC und Mnträger).
  • Durch die Trennung des Primärwindes in Restprimärwind und Injektorwind und durch die messtechnische Erfassung kann die Anzahl der Regelparameter erweitert, verfeinert und detaillierter eingestellt werden. Durch eine flexiblere Anpassung auf unterschiedliche Schmelzleistungen wird es somit möglich, eine leistungsabhängige Ofenfahrweise über die Koksumsetzung mit Sauerstoff zu ermöglichen.
  • Bei den bisher bekannten Sauerstoffeintragsverfahren wird im Regelfall die eingesetzte Sauerstoffmenge den Schmelzbedingungen angepasst und diese konzentriert als 100 % technischer Sauerstoff in unterschiedlicher Weise mit hohen Geschwindigkeiten eingebracht. Die notwendige kinetische Energie liegt sowohl in der Höhe des Sauerstoffvordruckes als auch in der Menge des eingesetzten technischen Sauerstoffes begründet. Gemeinsam mit dem Heißwind trifft der technische Sauerstoff auf die eingesetzten Materialien, hier in erster Linie auf den Koks, und verliert hier im Wesentlichen sein Energiepotential. Der Sauerstoff wird also vorwiegend über den hohen Energieanteil und der Masse des Heißwindes weiter in die Schmelzzone eingebracht. Die Koksstücke vor den Düsen verbrauchen bereits einen Teil des Sauerstoffes, der Rest gelangt mit geringer Gesamtanreicherung in die Schmelzzone.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird nun mit geringerem Gesamtsauerstoffeinsatz die gleiche Schmelzleistung bei gleicher Temperatur und Analyse generiert. Die Erfindung ermöglicht ein großes Leistungsspektrum mit unterschiedlichen Eintragsgeschwindigkeiten in der Treibdüse bei einer gleichmäßigen Gemischzufuhr. Es steht eine Sauerstoffeintragstechnik bereit, die die unterschiedlichsten Sauerstoffmengen bei gleicher Konzentration und regelbaren Eintragsgeschwindigkeiten realisiert. Die Möglichkeit, flexibel auf den Schmelzprozess zu reagieren, wird erweitert. Die Sauerstoffanreicherung des Treibdüsengemisches, die Eintragsgeschwindigkeit und das Verhältnis zum eingesetzten Gesamtsauerstoffanteil sind die wichtigsten Kriterien einer neuen Ofenfahrweise.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigt die
    • Figur
    schematisch eine erfindungsgemäße Zuführung von Sauerstoff und Luft zu einem Kupolofen.
  • In der Figur ist eine erfindungsgemäße Eindüsung von Sauerstoff bzw. mit Sauerstoff angereichertem Heißwind in einen Kupolofen 1 gezeigt. Um den Kupolofen 1 erstreckt sich eine ringförmige Windringleitung 2, die mit Heißwind mit einer Temperatur von beispielsweise zwischen 200 °C und 500 °C versorgt wird.
  • Weiter sind um den Umfang des Kupolofens 1 mehrere, zum Beispiel acht, Vorrichtungen (Lanzen) zur Sauerstoffzuführung verteilt. Technisch reiner Sauerstoff wird über eine Sauerstoffleitung 3 mit einem statischen Druck von beispielsweise 10 bis 15 bar einer Treibdüsenkammer 4 zugeführt. In der Treibdüsenkammer 4 befindet sich eine als Lavaldüse ausgeführte Treibdüse 5, in der der Sauerstoffstrom beschleunigt wird. Über den entstehenden Unterdruck wird ein Teil des in der Windringleitung 2 befindlichen Heißwindes über die Injektorwindleitung 6 angesaugt und mit dem Sauerstoffstrom 3 zusammengeführt und vermischt. Die durch die Injektorwindleitung 6 angesaugte Heißwindmenge kann über eine Drossel, Klappe oder ein geeignetes Ventil 7 geregelt werden. Auf diese Weise kann ein vorab ausgelegter Anteil des in der Windringleitung 2 strömenden Heißwindes geregelt angesaugt und in ' einer einstellbaren Konzentration mit dem Sauerstoff vermischt werden. Die Injektorwindmenge, das heißt die durch die Injektorwindleitung 6 angesaugte Heißwindmenge, wird über ein geeignetes Messgerät 8 erfasst.Der resultierende Treibdüsenstrom wird dann über eine Lanze 9 mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit von zum Beispiel mehr als 240 m/s in den Schachtofen 1 eingedüst.
  • Der in der Windringleitung 2 verbleibende restliche Heißwind gelangt als Restwind über die Restwindleitung 10 mit deutlich verringerter Menge und Geschwindigkeit ebenfalls in den Schachtofen 1. Die Geschwindigkeit des Restwindes wird beispielsweise gegenüber einem konventionellen Verfahren von 20 m/s auf 11 m/s verringert.
  • In der dargestellten Ausführungsform werden der Restwind und der Treibdüsenstrom in einer Austrittsdüse 11 zusammengeführt, bevor sie in den Schachtofen 1 geleitet werden.
    • Beispiel:
  • In der Windringleitung 2 wird eine Gesamt-Heißweindmenge von 9670 Nm3/h zur Verfügung gestellt. Über jede der Sauerstoffzuführungen 3 werden 152 Nm3/h technisch reiner Sauerstoff mit einer Temperatur von 17 °C zugeführt und in der treibdüse 4 beschleunigt. Dabei werden von dem gesamten Heißwind 2360 Nm3/h als Injektorwind abgesaugt und mit dem Sauerstoff vermischt. Dabei stellt sich in der Lanze 9 eine Mischtemperatur von 339 °C ein. Die Austrittsgeschwindigkeit des Treibdüsenstrahls beträgt 120 m/s. Der in der Windringleitung 2 verbliebene Heißwind wird als Restwind über die Restwindleitung 7 mit einer Geschwindigkeit von 74 m/s in den Schachtofen 1 geleitet.
  • Je nach den geforderten Prozessbedingungen kann die Sauerstoffanreicherung in der Lanze 9 über die Menge an angesaugtem Injektorwind zwischen 25 % und 100 % eingestellt werden. Die Austrittsgeschwindigkeit des Treibdüsenstroms und damit die radiale Strömungsgeschwindigkeit in den Schachtofen 1 kann auf über 240 m/s erhöht werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens (1), insbesondere eines Kupolofens, zum Schmelzen eines metallhaltigen Einsatzes, wobei der Schachtofen (1) durch Verbrennung eines fossilen Brennstoffs beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein sauerstoffhaltiges Fördermedium (3) in einer Treibdüse (5) beschleunigt wird und ein Injektorwind (6) mittels des bei der Beschleunigung des sauerstoffhaltigen Fördermediums (3) entstehenden Unterdrucks angesaugt und mit dem Fördermedium (3) zu einem Treibdüsenstrom (9) zusammengeführt wird, und dass der Treibdüsenstrom (9) und ein Restwind (10) in den Schachtofen (1) geleitet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektorwind (6) und der Restwind (10) aus einer gemeinsamen Windleitung (2) abgezogen werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung des fossilen Brennstoffs über die Menge und/oder Strömungsgeschwindigkeit des sauerstoffhaltigen Fördermediums (3) und/oder des Injektorwindes (6) geregelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Koks als fossiler Brennstoff eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und/oder Strömungsgeschwindigkeit des sauerstoffhaltigen Fördermediums (4) und/oder des Injektorwindes (6) in Abhängigkeit von der Temperatur des Injektorwindes (6) und/oder dem CO-Gehalt des Gichtgases des Schachtofens (1) eingestellt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördermedium (3) Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95 %, besonders bevorzugt mehr als 99%, verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibdüsenstrom (9) einen Sauerstoffgehalt zwischen 25% und 65% besitzt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibdüsenstrom (9) zwischen 30% und 60 % des insgesamt für die Umsetzung des Brennstoffes notwendigen Sauerstoffs dem Schachtofen (1) zuführt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des von dem Fördermedium (3) angesaugten Injektorwindes (6) geregelt wird.
  10. Schachtofen (1), insbesondere Kupolofen, zum Schmelzen eines metallhaltigen Einsatzes, mit mindestens einer Zuleitung (3) für ein Fördermedium, an deren stromabwärtigem Ende eine Treibdüse (5) angeschlossen ist, und mit einer Restwindleitung (10) zur Zuführung eines Restwindes in den Schachtofen (1), dadurch gekennzeichnet, dass in die Zuleitung (3) für das Fördermedium oder in die Treibdüse (5) eine Injektorwindleitung (6) mündet.
  11. Schachtofen (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Restwindleitung (10) und die Injektorwindleitung (6) in eine gemeinsame Windleitung (2) münden.
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