EP2895629A1 - Verfahren zum aufheizen von prozessgasen für direktreduktionsanlagen - Google Patents

Verfahren zum aufheizen von prozessgasen für direktreduktionsanlagen

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EP2895629A1
EP2895629A1 EP13762102.5A EP13762102A EP2895629A1 EP 2895629 A1 EP2895629 A1 EP 2895629A1 EP 13762102 A EP13762102 A EP 13762102A EP 2895629 A1 EP2895629 A1 EP 2895629A1
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EP
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reduction
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reducing
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Hermann WOLFMEIR
Thomas BÜRGLER
Peter Schwab
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Voestalpine Stahl GmbH
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Voestalpine Stahl GmbH
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Publication date
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    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the invention relates to a method for heating process gases for direct reduction plants
  • smelting reduction processes in which the melting process, the reduction gas production and the direct reduction are combined with one another, for example processes of the brands COREX, FINEX, HiSmelt or HiSarna.
  • Iron sponge in the form of HDRI, CDRI or HBI are usually further processed in electric furnace, which is extremely energy-intensive.
  • the direct reduction is carried out by means of hydrogen and carbon monoxide from natural gas (methane) and possibly synthesis gas and coke oven gas.
  • methane is first reacted according to the following reaction:
  • This process thus also emits CO 2 .
  • WO 2011/018124 discloses methods and systems for providing storable and transportable carbon-based energy carriers using carbon dioxide and using regenerative electrical energy and fossil fuels. In this case, a share of regenerative methanol and a proportion of methanol produced by means of non-regenerative electrical energy and / or direct reduction and / or partial oxidation and / or reforming.
  • the reduction process can be represented by the following equation:
  • the object of the invention is to provide a method for heating the process gases in direct reduction plants, with which the heating of the process gases is adapted and optimized better and more flexibly to ei ⁇ nen the energy requirement and the energy provided overall process.
  • the flexibility of the heating process according to the invention is converted to electric heating of the reduction gas or the Re ⁇ formers
  • the electrical energy can be generated from renewable sources and thus be substituted fossil fuels.
  • FIG. 1 shows by way of example the HYL-Energiron method according to FIG.
  • FIG. 2 shows the HYL-Energiron method according to the invention with an electrical heating of the process gas heating
  • FIG. 3 is a highly schematic representation of the MIDREX method
  • FIG. 4 is a highly schematic diagram of an expensive and complex CO 2 -improved MIDREX process according to the state of the art with a CC 2 removal unit (eg VPSA-Vacuum-Pressure Swing Adsorption).
  • the HYL process is in Figure 2 by way of example using a Ka ⁇ capacity of two million tonnes of Direct Reduced Iron (DRI) per year, including an electric arc furnace (EAF, Electro Are Furnace) shown.
  • the process gas from the shaft, in which the iron ore is reduced is first passed through a Wasserab ⁇ separation and then a CC> 2 separation.
  • the circulating gas volume flow here is about 500,000 m 3 per hour ⁇ de.
  • FIG. 3 shows the MIDREX method, in which the exhaust gas in the reduction shaft is likewise removed and divided into a process gas stream and a heating gas stream.
  • the process gas stream is passed through a process gas compressor until natural gas is supplied to it, in particular at a plant which is optionally designed for 2 million tonnes of reduced iron per year, an amount of about 63,000 m 3 natural gas per hour.
  • This process gas passes through a heat exchanger, it is preheated to 600 ° C with the exhaust gases from the reformer and then passes through the reformer and is heated to 980 ° C and is fed as a process gas with the addition of wei ⁇ terem natural gas and oxygen to the shaft again.
  • the heating gas is also removed from the shaft furnace, enriched with natural gas and added to the reformer together with preheated combustion air.
  • the total required Men ⁇ ge of natural gas is about 68,200 m 3 per hour, with about 5.100 m 3 per stun ⁇ de exhaust gas by 52 megawatts of electric power can be compensated for by an electric heater of the reformer. This can save on the one hand 7.5% CO 2 per ton of reduced iron ore.
  • the process is flexible and ser ⁇ ge ⁇ more precisely controlled by the electrical heating.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz im Direktreduktionsverfahren, wobei durch ein Reduktionsaggregat wie ein Schachtofen das zu reduzierende Eisenerz durchgeführt wird und mit einem Reduktionsgas in Kontakt gebracht wird, wobei das Reduktionsgas in das Reduktionsaggregat eingebracht wird und das Aggregat durchströmt und nach dem Durchströmen des Aggregats aus dem Aggregat abgezogen wird, wobei das Gas nach dem Verlassen des Aggregats aufbereitet und gegebenenfalls mit neuen Reduktionsgasanteilen angereichert und zurückgeführt wird, wobei das Reduktionsgas vor dem Eintritt in das Reduktionsaggregat erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Reduktionsgases vor dem Eintritt in das Aggregat elektrisch erfolgt.

Description

Verfahren zum Aufheizen von Prozessgasen für Direktreduktions- anlagen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen von Prozessgasen für Direktreduktionsanlagen
Die Stahlerzeugung wird zur Zeit auf unterschiedliche Arten vorgenommen. Die klassische Stahlerzeugung erfolgt über die Erzeugung von Roheisen im Hochofenprozess aus vorwiegend oxi¬ dischen Eisenträgern. Bei diesem Verfahren werden ca. 450 bis 600 kg Reduktionsmittel, zumeist Koks, pro Tonne Roheisen ver¬ braucht, wobei dieses Verfahren sowohl bei der Erzeugung von Koks aus Kohle als auch bei der Erzeugung des Roheisens ganz erhebliche Mengen CO2 freisetzt. Zudem sind sogenannte "Direkt- reduktionsverfahren" bekannt (Verfahren entsprechend der Marken, MIDREX, FINMET, ENERGIRON/HYL , etc.), bei denen aus vorwiegend oxidischen Eisenträgern der Eisenschwamm in der Form von HDRI (Hot Direct Reduced Iron) , CDRI (Cold Direct Reduced Iron) bzw. sogenanntes HBI (hot briquetted iron) erzeugt wird.
Zudem gibt es noch sogenannte Schmelzreduktionsverfahren, bei denen der Schmelzprozess, die Reduktionsgaserzeugung und die Direktreduktion miteinander kombiniert werden, beispielsweise Verfahren der Marken COREX, FINEX, HiSmelt oder HiSarna.
Eisenschwamm in der Form von HDRI , CDRI bzw. HBI werden üblicherweise in Elektroofen weiter verarbeitet, was außerordentlich energieintensiv ist. Die Direktreduktion wird mittels Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid aus Erdgas (Methan) und ggf. Synthesegas auch Koksofengas vorgenommen. Beispielsweise wird beim sogenannten MIDREX-Verfahren zunächst Methan entsprechend der folgenden Reaktion umgesetzt:
CH4 + C02 2CO + 2H und das Eisenoxid reagiert mit dem Reduktionsgas beispielswei¬ se nach:
Fe203 + 6CO(H2) 2Fe + 3C02 (H20) + 3 CO(H2).
Auch dieses Verfahren stößt somit CO2 aus.
Aus der DE 198 53 747 Cl ist ein kombinierter Prozess zur Direktreduktion von Feinerzen bekannt, wobei die Reduktion mit Wasserstoff oder einem anderen Reduktionsgas in einer liegenden Wirbelschicht erfolgen soll.
Aus der DE 197 14 512 AI ist eine Kraftwerksanlage mit Solar¬ gewinnung, Elektrolyseeinrichtung und einem industriellen Me- tallurgieprozess bekannt, wobei dieser industrielle Prozess entweder die stromintensive Metallherstellung von Aluminium aus Bauxit betrifft oder ein Metallurgieprozess mit Wasser¬ stoff als Reduktionsmittel bei der Herstellung von nichtheißen Metallen wie Wolfram, Molybdän, Nickel oder dergleichen oder ein Metallurgieprozess mit Wasserstoff als Reduktionsmittel unter Anwendung des Direktreduktionsverfahren bei der Herstellung von Eisenmetallen sein soll. Dies wird in dieser Schrift jedoch nicht weiter ausgeführt.
Aus der WO 2011/018124 sind Verfahren und Anlagen zum Bereitstellen speicherbaren und transportablen kohlenstoffbasierter Energieträger unter Einsatz von Kohlendioxid und unter Einsatz von regenerativer elektrischer Energie und von fossilen Brennstoffen bekannt. Hierbei werden ein Anteil von regenerativ er- zeugtem Methanol und ein Anteil von Methanol bereitgestellt, der mittels nicht regenerativer elektrischer Energie und/oder mittels Direktreduktion und/oder über partielle Oxidation und/oder Reformierung erzeugt wird.
Bei den Direktreduktionsverfahren wird das nach dem Reduktionsschacht austretende Gas nach dessen Reinigung und Abtren¬ nung von Wasser, bei dem HYL-Verfahren zusätzliche C02- Abtrennung, beim MIDREX Verfahren optional zusätzliche C02- Abtrennung zu einem überwiegenden Anteil als Kreislaufgas wieder in den Prozess zurückgeführt. Diesem Gas wird wiederum in der Regel Erdgas zur Bereitstellung von frischem Reduktionsgas zugesetzt. Bei dem HYL-Verfahren wird hierbei das durch die Gasreinigung abgekühlte Gas von etwa 105°C auf etwa 700 bis 1100°C wieder aufgeheizt und anschließend eine partielle Oxi¬ dation mit Sauerstoff durchgeführt.
Bei dem MIDREX-Verfahren werden CO2 und Wasser mit Erdgas zu H2 und CO in einem beheizten Reformer in einem Temperaturbereich von etwa 700 bis 1100°C umgesetzt. Beiden Verfahren ist jedoch gleich, dass ein Teilstrom des den Reduktionsschacht verlas¬ senden und gereinigten Gases eingesetzt und Erdgas zugesetzt wird .
Der Reduktionsprozess lässt sich durch die folgende Gleichung darstellen :
(1) Fe203 + 6CO(H2) = 2Fe + 3C02(H20) + 3CO(H2)
Beim MIDREX-Verfahren finden im Reformer folgende Reaktionen statt :
(2) CH4 + C02 2CO + 2H2
(3) CH4 + H20 CO + 3H2 Beim HYL-Verfahren findet die folgende Reaktion statt:
(4) CH4 + 2 O2 —► CO + 2H2
Bei beiden Verfahren wird der zusätzlich eingesetzte, fossile Brennstoff, nämlich Erdgas zur Aufheizung der Prozessgase bzw. zur Beheizung des Reformers, verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufheizen der Prozessgase in Direktreduktionsanlagen zu schaffen, mit welchem das Aufheizen der Prozessgase besser und flexibel an ei¬ nen dem Energiebedarf und der zur Verfügung gestellten Energie angepassten Gesamtprozess angepasst und optimiert ist.
Es ist eine weitere Aufgabe, die CC>2-Emissionen zu reduzieren.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet .
Zur Flexibilisierung des Aufheizprozesses wird erfindungsgemäß auf eine elektrische Beheizung der Reduktionsgase bzw. des Re¬ formers umgestellt
Vorzugsweise kann die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen erzeugt und hiermit fossile Energieträger substituiert werden .
Dabei wird vorteilhafterweise die Flexibilität des Prozesses hinsichtlich der eingesetzten Energieträger erhöht dies er- folgt durch kombinierte Beheizung mittels variablen Einsatz von fossilen Energieträgern und elektrische Energie.
Bei der Erfindung ist hierbei von Vorteil, dass elektrischer Strom zu 100 % als Exergie anzusehen ist, so dass dieser voll¬ ständig in Hochtemperaturwärme gewandelt werden kann. Die un¬ mittelbare Wandlungsfähigkeit von elektrischer Energie in Wär¬ me lässt eine hohe Flexibilisierung auch insbesondere im Hin¬ blick auf den Einsatz von kostengünstig am Markt verfügbaren Stromspitzen zu.
Zudem ist von Vorteil, dass Strom aus erneuerbaren Energie¬ quellen wie Wasser, Windkraft oder Sonnenenergie in seiner Entstehung keine CC>2-Emissionen verursacht.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläu¬ tert. Es zeigen hierbei:
Figur 1 beispielhaft das HYL-Energiron-Verfahren nach dem
Stand der Technik mit einer erdgasbeheizten Prozessgaserwärmung;
Figur 2 das HYL-Energiron -Verfahren nach der Erfindung mit einer elektrischen Beheizung der Prozessgaserwärmung;
Figur 3 stark schematisiert das MIDREX-Verfahren;
Figur 4 stark schematisiert ein teures und aufwändiges CO2- optimiertes MIDREX-Verfahren nach dem Stand der Technik mit einem CC>2-Entfernungsaggregat (z.B. VPSA - Vacuum-Pressure Swing Adsorption) . Der HYL-Prozess wird in Figur 2 beispielhaft anhand einer Ka¬ pazität von zwei Millionen Tonnen Direct Reduced Iron (DRI) pro Jahr inklusive eines Elektrolichtbogenofens (EAF, Electro Are Furnace) gezeigt. Das Prozessgas aus dem Schacht, in dem das Eisenerz reduziert wird, wird zunächst über eine Wasserab¬ trennung und dann eine CC>2-Abtrennung geführt. Der zirkulierende Gasvolumenstrom liegt hierbei bei etwa 500.000 m3 pro Stun¬ de. Diesem Gasstrom werden etwa 72.000 m3 pro Stunde Erdgas zugesetzt, wobei hiervon 56.000 m3 für die Reduktion verwendet werden und hiervon etwa 16.000 m3 für die Prozessgaserhitzung von 105 auf 970°C abgezweigt werden. Dem erhitzten Prozessgas wird anschließend Sauerstoff zugegeben, und dieses dann wieder in den Reduktionsschacht eingeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren (Figur 2) wird das Reduktionsgas ebenfalls aus dem Schacht entnommen und über eine Wasserabtrennung und CC>2-Abtrennung geführt. Durch die elektrische Beheizung der Prozessgasaufwärmung muss lediglich eine Menge von etwa 56.000 m3 pro Stunde Erdgas zugesetzt werden, welches entsprechend der bereits genannten Formeln mit Sauer¬ stoff in CO und Wasserstoff gespalten wird. Aus der Tabelle der Figur 2 erkennt man, dass pro Tonne reduziertem Eisen 21 % CO2 auf diese Weise eingespart werden. Zudem wird der Prozess durch die elektrische Beheizung exakter regelbar und flexibler einset zbar .
In Figur 3 ist das MIDREX-Verfahren gezeigt, bei dem das Abgas im Reduktionsschacht ebenfalls entnommen wird und in einen Prozessgasstrom und einen Heizgasstrom aufgeteilt wird. Der Prozessgasstrom wird durch einen Prozessgaskompressor geführt bis ihm Erdgas zugeführt wird, insbesondere bei einer Anlage, die gegebenenfalls auf 2 Mio. Tonnen reduziertes Eisen pro Jahr ausgelegt ist, eine Menge von etwa 63.000 m3 Erdgas pro Stunde. Dieses Prozessgas durchläuft einen Wärmetauscher, in- dem es mit den Abgasen aus dem Reformer auf 600 °C vorgeheizt wird und anschließend den Reformer durchläuft und dabei auf 980°C aufgeheizt wird und als Prozessgas unter Zusatz von wei¬ terem Erdgas und Sauerstoff dem Schacht erneut zugeführt wird. Das Heizgas wird ebenfalls aus dem Schachtofen entnommen, mit Erdgas angereichert und zusammen mit vorgeheizter Verbrennungsluft dem Reformer zugesetzt. Die insgesamt benötigte Men¬ ge an Erdgas beträgt etwa 68.200 m3 pro Stunde, wobei durch eine elektrische Heizung des Reformers etwa 5.100 m3 pro Stun¬ de Abgas durch 52 Megawatt elektrischer Leistung ausgeglichen werden können. Hierdurch können einerseits 7,5 % CO2 pro Tonne reduzierten Eisenerzes eingespart werden. Zudem wird auch die¬ ser Prozess durch die elektrische Beheizung flexibler und ge¬ nauer regelbar.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass eine einfach und rasch einsetzbare Option zur Substitution von fossilen Energieträgern durch Strom aus erneuerbaren Energien geschaffen wird. Zudem werden CC>2-Emissionen von Direktreduktionsanlagen verringert. Darüber hinaus gelingt es, Direktreduktionsanlagen effektiv und flexibel zu betreiben. Insbesondere kann bei einer an die Verfügbarkeit von regenerativen Energien angepasste Stahlerzeugung mit einer elektrisch, und insbesondere mit elektrischem Strom aus erneuerbaren Energien beheizten Pro- zessgasvorwärmung verbessert und aneinander angepasst werden.
Darüber hinaus ist von Vorteil, dass mit einer derartigen Anlage zur Verfügung stehende Stromspitzen kostengünstig genutzt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz im Direktreduktionsverfahren, wobei durch ein Reduktionsaggregat wie einen Reduktionsschacht das zu reduzierende Eisenerz durchge¬ führt wird und mit einem Reduktionsgas in Kontakt ge¬ bracht wird, wobei das Reduktionsgas in das Reduktionsag¬ gregat eingebracht wird und das Aggregat durchströmt und nach dem Durchströmen des Aggregats aus dem Aggregat ab¬ gezogen wird, wobei das Gas nach dem Verlassen des Aggre¬ gats aufbereitet und gegebenenfalls mit neuen Gasantei¬ len angereichert und zurückgeführt wird, wobei das gene¬ rierte Gasgemisch oder die Reduktionsgasprodukte aus dem generierten Gasgemisch vor dem Eintritt in das Reduktionsaggregat auf 700 bis 1100 vorzugsweise 850 bis 1000°C erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhit¬ zung überwiegend insbesondere vollständig elektrisch er¬ folgt .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Beheizung Strom aus regenerativer Energiequellen verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nach dem Verlassen des Ag¬ gregats mit Erdgas, Koksofengas oder einem Synthesegas aus Biomasse oder Kohle angereichert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch mit Sauerstoff ange¬ reichert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Reduktionsschacht abge¬ zogene Gas mit Erdgas, Koksofengas oder einem Synthesegas aus Biomasse oder Kohle angereichert wird, und anschlie¬ ßend aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Reduktionsschacht abge¬ zogene Gas mit Erdgas, Koksofengas oder einem Synthesegas aus Biomasse oder Kohle angereichert wird, und anschlie¬ ßend in einem Reformer umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels ständiger Evaluierung der Gas- bzw. Strompreise ein kostenoptimierten Einsatz der Energieträger gewährleistet wird.
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