EP2502015A2 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung des metallurgischen energiebedarfs von geschlossenen elektrischen schmelz- und/oder reduktionsöfen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verminderung des metallurgischen energiebedarfs von geschlossenen elektrischen schmelz- und/oder reduktionsöfen

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EP2502015A2
EP2502015A2 EP10796304A EP10796304A EP2502015A2 EP 2502015 A2 EP2502015 A2 EP 2502015A2 EP 10796304 A EP10796304 A EP 10796304A EP 10796304 A EP10796304 A EP 10796304A EP 2502015 A2 EP2502015 A2 EP 2502015A2
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gas
melting
rotary tube
gas engine
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Rolf Degel
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SMS Siemag AG
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    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for reducing the metallurgical energy requirement of a closed electric melting and / or reduction furnace for the production of iron alloys, metals, silicon, for recycling processes and chemical processes, wherein the resulting CO-rich process gas of the melting and / or reduction furnace is burned after cooling and subsequent gas cleaning in a gas engine to drive a generator for generating electrical energy.
  • Electric smelting furnaces are used for the production of alloys, silicon, for recycling processes and chemical processes. If oxidic constituents are reduced, a CO-rich gas is produced. In so-called open furnaces, this strongly CO-containing gas burns directly on the surface of the furnace filled with feed material (Möller) to CO2. The hot exhaust gases are partially collected, cleaned and the thermal energy used in some cases for hot water or steam generation.
  • the electric melting and reduction furnace is equipped with a gas-tight lid.
  • the process gas remains without fresh air supply in a so-called gas space above the feed material in the oven and is supplied via exhaust pipes for cooling and subsequent cleaning.
  • the thus purified exhaust gas can be burned and used for steam generation.
  • This steam is used in chemical companies as process steam, in other cases it is used to generate electricity by means of steam turbines.
  • EP 0139 310 B1 a process for the production of liquid, carbonaceous iron from sponge iron is known, wherein sponge iron in reduced rotary kiln, the reduced material charged after a treatment in the electric reduction furnace, the carbonaceous iron produced is carburized and finally blown in a converter to steel.
  • the process gases arising in the rotary kiln, in the electroreduction furnace and in the converter are each supplied to an electric power generation, consisting of an afterburning, steam generation and power generation.
  • the generated electrical energy is supplied to the electroreduction furnace and used for oxygen generation for the converter.
  • the object is achieved with the characterizing features of claim 1, characterized in that to reduce the energy required for the running in the electric melting and / or reduction furnace metallurgical / chemical process, the hot combustion gases of the gas engine to specifically increase the inlet temperature of the melt into the and / or reduction furnace to be entered feed material.
  • an apparatus for carrying out this method is specified by the characterizing features of claim 7.
  • the hot exhaust gases of gas engines are not used for the recovery of energy in the form of steam or electrical energy, but to reduce the energy required for the running in the electric melting and / or reduction furnace metallurgical or chemical Process by increasing the inlet temperature of the feed material in the electric melting and / or reduction furnace. Since a significant proportion of the energy to be introduced into the electric melting and / or reduction furnace is required for heating and melting the charge material (Möllers), metallurgical energy can be directly saved in this way without energy conversion stages and thus the energy requirement of the furnace becomes clear to reduce.
  • the heating of the feed material to increase its inlet temperature in the melting and / or reduction furnace in direct contact with the hot combustion gases of the gas engine is carried out in a traversed by the combustion gases rotary kiln or similar aggregate.
  • the rotary tube or similar unit is arranged above the melting and / or reduction furnace or adjacent to it in the feed line and connected for the supply of hot combustion gases via an insulated gas line to the gas engine.
  • the local proximity of the rotary tube or comparable aggregate to the melting and / or reduction furnace is important in this case, since otherwise during a wide transport weges the heated feed material undesirably cools again and incur unnecessary transport and insulation costs.
  • the rotary tube or the comparable unit is designed so that in order to produce an intensive heat exchange between the about 500 ° C hot combustion gases of the gas engine and the feed material, the combustion gases are passed in countercurrent to the feed material through the rotary tube or by the comparable unit.
  • the rotary tube or the comparable unit is arranged inclined in the conveying direction, or the interior of the rotary tube or the comparable unit is formed with appropriate means, such as lifting blades.
  • the cooled combustion gases contain dust constituents of the feed material which can be removed in a simple manner, for example by means of a bag filter.
  • the gas engine cooling water also contains a small amount of usable heat energy, the gas engine cooling water can be supplied to a company for the use of this heat energy.
  • the inventive process chain of electrical melting and / or reduction furnace, process gas purification, gas engine for power generation by means of generator and rotary tube or similar unit as a heat exchanger for targeted preheating of the feedstock thus represents an optimized use of gas engine technology for electrical melting and / or reduction furnaces with high efficiency ,
  • the basis of the process chain of the electric reduction furnace 1 is a Submerged arc furnace (SAF), which is filled in a chamber by means of conveying with the taken from an intermediate storage 6 feed material.
  • SAF Submerged arc furnace
  • the resulting in this reduction furnace 1 process gases are supplied via a process gas line 21 (not shown) cooling and gas cleaning 2 and then pass through a further process gas line 22 to a gas engine 3, in which the cooled and purified process gases for driving a generator 4 for generating be burned by e- lectric energy 25.
  • a rotary tube 5 inclined towards the reduction furnace 1 is arranged for heating the charge material.
  • the initially still cold feed material taken from the intermediate storage 6 is introduced via the conveying means 11 into the upper end (in the figure on the right) of the tilted rotary tube 5 and transported there in the conveying direction 12 to the lower discharge end (on the left in the drawing figure).
  • the combustion gases which are produced during the combustion of the process gases in the gas engine 3 and reach about 500 ° C. pass through a correspondingly insulated gas line 23 from the gas engine 3 to the rotary tube 5 and are introduced there at the discharge end.
  • the combustion gases flow through the rotary tube 5 in the flow direction 24 opposite to the conveying direction 12 of the feed material according to the countercurrent principle.
  • the hot feed material leaving the rotary tube 5 at the discharge end becomes as insulated as possible with a heat-resistant conveying means 13 Intermediate storage 7 and from there charged with a further heat-resistant conveyor 14 into the reduction furnace 1.

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Abstract

Um das im geschlossenen elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofen (1) für die Erzeugung von Eisenlegierungen, Metallen, Silizium, für Recycling-Prozesse und chemische Prozesse anfallende CO-reiche Prozessgas zu nutzen, wird dieses in einem Gasmotor (3) zum Antrieb eines Generators (4) zur Erzeugung von elektrischer Energie verbrannt. Um den Wirkungsgrad solcher Anlagen mit Gasmotoren weiter zu erhöhen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die heißen Verbrennungsgase des Gasmotors (3) zur gezielten Erhöhung der Eintrittstemperatur des in den Schmelz- und/oder Reduktionsofen (1) einzutragenden Beschickungsmaterials genutzt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des metallurgischen Energiebedarfs von geschlossenen elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsöfen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung des metallurgischen Energiebedarfs eines geschlossenen elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofens für die Erzeugung von Eisenlegierungen, Metallen, Silizium, für Recycling-Prozesse und chemische Prozesse, wobei das anfallende CO-reiche Prozessgas des Schmelz- und/oder Reduktionsofens nach Kühlung und anschließender Gasreinigung in einem Gasmotor zum Antrieb eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie verbrannt wird.
Elektrische Schmelzöfen werden für die Erzeugung von Legierungen, Silizium, für Recycling Prozesse und chemische Prozesse eingesetzt. Sofern dabei oxidisch vorliegende Bestandteile reduziert werden, entsteht ein CO-reiches Gas. Bei so genannten offenen Öfen verbrennt dieses stark CO-haltige Gas unmittelbar an der Oberfläche des mit Beschickungsmaterial (Möller) gefüllten Ofens zu CO2. Die heißen Abgase werden teilweise aufgefangen, gereinigt und die thermische Energie in manchen Fällen zur Warmwasser- oder auch Dampferzeugung genutzt.
Bei geschlossenen Öfen wird der elektrische Schmelz- und Reduktionsofen mit einem gasdichten Deckel ausgestattet. Das Prozessgas verbleibt ohne Frischluftzufuhr in einem so genannten Gasraum oberhalb des Beschickungsmaterials im Ofen und wird über Abgasleitungen einer Kühlung und anschließenden Reinigung zugeführt. Das so gereinigte Abgas kann verbrannt und zur Dampferzeugung genutzt werden. Dieser Dampf dient in chemischen Betrieben als Prozessdampf, in anderen Fällen wird er zur Stromerzeugung mittels Dampfturbinen genutzt. Aus der EP 0139 310 B1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von flüssigem, kohlenstoffhaltigem Eisen aus Eisenschwamm bekannt, wobei Eisenschwamm in einem Drehrohrofen reduziert, das reduzierte Material nach einer Aufbereitung in den Elektroreduktionsofen chargiert, das erzeugte kohlenstoffhaltige Eisen aufgekohlt und schließlich in einem Konverter zu Stahl Verblasen wird. Die im Drehrohrofen, im Elektroreduktionsofen und im Konverter anfallenden Prozessgase werden jeweils einer elektrischen Energieerzeugung zugeführt, bestehend aus einer Nachverbrennung, Dampferzeugung und Stromerzeugung . Die erzeugte elektrische Energie wird dem Elektroreduktionsofen zugeführt und zur Sauerstofferzeugung für den Konverter verwendet.
Eine weitere Verwendungsmöglichkeit zur Nutzung von Prozessgasen aus der Stahl- und Kokserzeugung ist der Einsatz von Gasmotoren. Diese Gasmotoren treiben dann ohne den Umweg über eine vorherige Dampferzeugung durch Verbrennung der Prozessgase Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie an. Um den Wirkungsgrad solcher Anlagen mit Gasmotoren weiter zu erhöhen, ist es bekannt, die Abgase der Gasmotoren vereinzelt durch Wärme- tauscher zu führen, um somit wiederum Dampf und damit Strom zu erzeugen.
Diese beschriebene Abgaswärmerückgewinnung von Gasmotoren, die zur Verbrennung von Prozessgasen aus der Stahl- und Kokserzeugung eingesetzt werden, haben den Nachteil, dass mindestens 3 Aggregate (Wärmetauscher, Dampfturbine und Generator) bei vergleichsweise geringen Leistungen benötigt werden und insbesondere durch die Verkettung dieser Aggregate ein nicht ü- berzeugender mäßiger elektrothermischer Wirkungsgrad von etwa 35 - 40 % solcher Rückgewinnungs-Anlagen erreicht wird. Ausgehend von den oben geschilderten Nachteilen bei einem Einsatz von Gasmotoren zur Verbrennung von Prozessgasen ist es Aufgabe der Erfindung, die Abgaswärmerückgewinnung von Gasmotoren so weiter auszubilden, dass eine optimierte Nutzung der Gasmotorentechnik für elektrische Schmelzöfen mit hohem Wirkungsgrad erhalten wird. Die gestellte Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zur Senkung des erforderlichen Energiebedarfs für den im elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofen ablaufenden metallurgischen/chemischen Prozess die heißen Verbrennungsgase des Gasmotors zur gezielten Erhöhung der Eintrittstemperatur des in den Schmelz- und/oder Re- duktionsofen einzutragenden Beschickungsmaterials genutzt werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 angegeben. Im Gegensatz zum sonst üblichen Verfahren werden die heißen Abgase von Gasmotoren nicht zur Rückgewinnung von Energie in Form von Dampf bzw. elek-trischer Energie genutzt, sondern zur Senkung des erforderlichen Energiebedarfs für den im elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofen ablaufenden metallurgischen bzw. chemischen Prozess durch eine Erhöhung der Eintritts- temperatur des Beschickungsmaterials in den elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofen. Da ein nennenswerter Anteil der in den elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofen einzubringenden Energie für die Erwärmung und das Aufschmelzen des Beschickungsmaterials (Möllers) benötigt wird, lässt sich auf diese Art ohne Energieumwandlungsstufen in direkter Weise metallurgische Energie sparen und somit der Energiebedarf des Ofens deutlich reduzieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufheizung des Beschickungsmaterials zur Erhöhung seiner Eintrittstemperatur in den Schmelz- und/oder Reduktionsofen in direktem Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen des Gasmotors in einem mit den Verbrennungsgasen durchströmten Drehrohr oder vergleichbarem Aggregat durchgeführt. Das Drehrohr oder vergleichbare Aggregat ist oberhalb des Schmelz- und/oder Reduktionsofens oder benachbart dazu in dessen Beschickungslinie angeordnet und für die Zuführung der heißen Verbrennungsgase über eine isolierte Gasleitung mit dem Gasmotor verbunden. Die örtliche Nähe des Drehrohrs oder vergleichbaren Aggregats zum Schmelz- und/oder Reduktionsofen ist hierbei wichtig, da sonst während eines weiten Transport- weges das aufgeheizte Beschickungsmaterial unerwünscht wieder abkühlt und unnötige Transport- und Isolierkosten anfallen.
Das Drehrohr oder das vergleichbare Aggregat ist so ausgebildet, dass zur Herstellung eines intensiven Wärmeaustausches zwischen den etwa 500 °C heißen Verbrennungsgasen des Gasmotors und dem Beschickungsmaterial d ie Verbrennungsgase im Gegenstrom zum Beschickungsmaterial durch das Drehrohr oder durch das vergleichbare Aggregat geführt werden. Zur Förderung des Beschickungsmaterials ist das Drehrohr oder das vergleichbare Aggregat in Förderrichtung geneigt angeordnet, oder der Innenraum des Drehrohrs oder des vergleichbaren Aggregats ist mit entsprechenden Mitteln, beispielsweise Hubschaufeln ausgebildet.
Durch den in direktem Kontakt stattgefundenen Wärmeaustausch der Verbrennungsgase mit dem Beschickungsmaterial enthalten die abgekühlten Verbren- nungsgase Staubanteile des Beschickungsmaterials, die in einfacher Weise, beispielsweise durch einen Schlauchfilter, entfernt werden können.
Da auch das Gasmotorkühlwasser eine wenn auch geringe nutzbare Wärmeenergie enthält, kann das Gasmotorkühlwasser zur Nutzung dieser Wärme- energie einer betrieblichen Verwendung zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße Prozesskette aus elektrischem Schmelz- und/oder Reduktionsofen, Prozessgasreinigung, Gasmotor zur Stromerzeugung mittels Generator und Drehrohr oder vergleichbarem Aggregat als Wärmetauscher zur gezielten Vorwärmung des Einsatzmaterials stellt somit eine optimierte Nutzung der Gasmotorentechnik für elektrische Schmelz- und/oder Reduktionsöfen mit hohem Wirkungsgrad dar.
In einer schematischen Zeichnungsfigur wird nachfolgend diese Prozesskette an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist als Basis der Prozesskette der elektrische Reduktionsofen 1 ein Submerged arc furnace (SAF), der kammerweise über Fördermittel mit dem aus einem Zwischenlager 6 entnommenen Beschickungsmaterial gefüllt wird. Die in diesem Reduktionsofen 1 anfallenden Prozessgase werden über eine Prozessgasleitung 21 einer (nicht dargestellten) Kühlung und einer Gasreinigung 2 zugeführt und gelangen dann über eine weitere Prozessgasleitung 22 zu einem Gasmotor 3, in dem die gekühlten und gereinigten Prozessgase zum Antrieb eines Generators 4 zur Erzeugung von e- lektrischer Energie 25 verbrannt werden. Erfindungsgemäß ist in der Beschickungslinie zwischen dem Zwischenlager und dem Reduktionsofen 1 ein zum Reduktionsofen 1 hin geneigtes Drehrohr 5 zur Aufheizung des Beschickungsmaterials angeordnet. Das aus dem Zwischenlager 6 entnommene zunächst noch kalte Beschickungsmaterial wird über das Fördermittel 1 1 in das obere Ende (in der Zeichnungsfigur rechts) des ge- neigten Drehrohrs 5 eingebracht und dort in Förderrichtung 12 zum unteren Austragsende hin (in der Zeichnungsfigur links) transportiert.
Die bei der Verbrennung der Prozessgase im Gasmotor 3 entstehenden ca. 500 °C heißen Verbrennungsgase gelangen über eine entsprechend isolierte Gas- leitung 23 vom Gasmotor 3 zum Drehrohr 5 und werden dort am Austragsende eingeleitet. Die Verbrennungsgase durchströmen nach dem Gegenstromprinzip das Drehrohr 5 in Strömungsrichtung 24 entgegengesetzt zur Förderrichtung 12 des Beschickungsmaterials. Auf ihrem entgegengesetzten Weg durch das Drehrohr 5 und der dadurch bedingten Verweilzeit erfolgt in direktem Kontakt ein Wärmeübergang von den Verbrennungsgasen zum Beschickungsmaterial, wobei letzteres aufgeheizt und die Verbrennungsgase selbst abgekühlt werden und zusätzlich etwas Staub des Beschickungsmaterials aufnehmen.
Das das Drehrohr 5 am Austragsende verlassende heiße Beschickungsmaterial wird mit einem hitzebeständigen Fördermittel 13 zu einem möglichst isolierten Zwischenlager 7 und von dort mit einem weiteren hitzebeständigen Fördermittel 14 in den Reduktionsofen 1 chargiert.
Bezugszeichenliste
1 Reduktionsofen (Submerged arc furnace)
2 Gasreinigung
3 Gasmotor
4 Generator
5 Drehrohr
6 Zwischenlager für kaltes Beschickungsmaterial
7 Zwischenlager für aufgeheiztes Beschickungsmaterial
1 1 Fördermittel für das kalte Beschickungsmaterial zum Drehrohr
12 Transportrichtung des Beschickungsmaterials im Drehrohr
13 Fördermittel für das aufgeheizte Beschickungsmaterial nach dem Drehrohr
14 Fördermittel für das aufgeheizte Beschickungsmaterial in den Redukti- onsofen
21 Prozessgasleitung vom Reduktionsofen zur Gasreinigung
22 Prozessgasleitung von der Gasreinigung zum Gasmotor
23 Gasleitung für die heißen Verbrennungsgase des Gasmotors zum Drehrohr
24 Strömungsrichtung der heißen Verbrennungsgase des Gasmotors im Drehrohr
25 erzeugte elektrische Energie

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Verminderung des metallurgischen Energiebedarfs eines geschlossenen elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofens (1 ) für die Er- zeugung von Eisenlegierungen, Metallen, Silizium, für Recycling-Prozesse und chemische Prozesse, wobei das anfallende CO-reiche Prozessgas des Schmelz- und/oder Reduktionsofens (1 ) nach Kühlung und anschließender Gasreinigung in einem Gasmotor (3) zum Antrieb eines Generators (4) zur Erzeugung von elektrischer Energie verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Senkung des erforderlichen Energiebedarfs für den im elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofen (1 ) ablaufenden metallurgischen/chemischen Prozess die heißen Verbrennungsgase des Gasmotors (3) zur gezielten Erhöhung der Eintrittstemperatur des in den Schmelz- und/oder Reduktionsofen (1 ) einzutragenden Beschickungsmaterials genutzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Beschickungsmaterials zur Erhöhung seiner Eintrittstemperatur in den Schmelz- und/oder Reduktionsofen (1 ) in direktem Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen des Gasmotors (3) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Beschickungsmaterials in einem mit den Verbrennungsgasen durchströmten Drehrohr (5) oder vergleichbarem Aggregat durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines intensiven Wärmeaustausches zwischen den etwa 500 °C heißen Verbrennungsgasen des Gasmotors (3) und dem Beschickungsmaterial die Verbrennungsgase im Gegenstrom zum Beschickungsmaterial durch das Drehrohr (5) oder durch das vergleichbare Aggregat geführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Drehrohr (5) oder im vergleichbaren Aggregat durch den stattgefundenen Wärmeaustausch abgekühlte, aber Staubanteile des Beschickungsmaterials enthaltenden Verbrennungsgase nach dem Durchströmen des Drehrohrs (1 ) oder des vergleichbaren Aggregats in einfacher Weise, beispielsweise durch einen Schlauchfilter, entstaubt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie des Gasmotorkühlwassers einer betrieblichen Verwendung zugeführt wird.
7. Vorrichtung zur Verminderung des metallurgischen Energiebedarfs eines geschlossenen elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsofens (1 ) für die Erzeugung von Eisenlegierungen, Metallen, Silizium, für Recycling-Prozesse und chemische Prozesse, wobei das anfallende CO-reiche Prozessgas des Schmelz- und/oder Reduktionsofens (1 ) nach Kühlung und anschließender Gasreinigung in einem Gasmotor (3) zum Antrieb eines Generators (4) zur Erzeugung von elektrischer Energie verbrannt wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
ein oberhalb des Schmelz- und/oder Reduktionsofens (1 ) oder benachbart dazu in dessen Beschickungslinie angeordnetes Drehrohr (5) oder vergleichbares Aggregat zur gezielten Aufheizung des in den Schmelz- und/oder Reduktionsofen (1 ) einzutragenden Beschickungsmaterials mit den etwa 500 °C heißen Verbrennungsgasen des Gasmotors (3), wozu das Drehrohr (5) oder das ver- gleichbare Aggregat über eine isolierte Gasleitung (23) mit dem Gasmotor (3) und über Fördermittel (13, 14) mit dem Schmelz- und/oder Reduktionsofen (1 ) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Drehrohrs (5) oder vergleichbaren Aggregats mit Mitteln zur Förderung des
Beschickungsmaterials, beispielsweise mit Hubschaufeln ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (5) oder das vergleichbare Aggregat für eine Aufheizung des Beschi- ckungsmaterials nach dem Gegenstromprinzip ausgebildet ist.
EP10796304A 2009-11-19 2010-11-18 Verfahren und vorrichtung zur verminderung des metallurgischen energiebedarfs von geschlossenen elektrischen schmelz- und/oder reduktionsöfen Withdrawn EP2502015A2 (de)

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