EP3114242A1 - Method for operating a shaft furnace, in particular a blast furnace - Google Patents

Method for operating a shaft furnace, in particular a blast furnace

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EP3114242A1
EP3114242A1 EP15711666.6A EP15711666A EP3114242A1 EP 3114242 A1 EP3114242 A1 EP 3114242A1 EP 15711666 A EP15711666 A EP 15711666A EP 3114242 A1 EP3114242 A1 EP 3114242A1
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EP
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furnace
gas
shock waves
valve
shaft
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Rainer Klock
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ThyssenKrupp AG
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
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Publication date
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/16—Tuyéres
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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • 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
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • 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
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    • F27D2003/162—Introducing a fluid jet or current into the charge the fluid being an oxidant or a fuel
    • F27D2003/163—Introducing a fluid jet or current into the charge the fluid being an oxidant or a fuel the fluid being an oxidant
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    • F27D2003/163—Introducing a fluid jet or current into the charge the fluid being an oxidant or a fuel the fluid being an oxidant
    • F27D2003/164—Oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a shaft furnace, in particular a blast furnace, wherein at least one gas is introduced into the furnace.
  • a shaft furnace is a furnace whose basic geometric shape is "shaft-shaped.” Typically, the height of shaft furnaces exceeds their width and depth many times over.
  • the basic shape of a shaft furnace often corresponds to a hollow cylinder, a hollow cone, or a combination of both In a shaft furnace usually find combustion, reduction and
  • Shaft furnaces are either used for heating or serve as a metallurgical plant for the production of pure metals from ores, for the further processing of metals or for the production of other materials.
  • a special form of shaft furnaces are blast furnaces which can be used to produce liquid metal, usually pig iron, from ores in a continuous reduction and melting process.
  • Blast furnaces place special demands on the design of the furnace and in particular on its inner lining and cooling compared to conventional shaft furnaces due to the specific requirements for the smelting of ores.
  • Blast furnaces are usually used as part of a complete integrated steel mill.
  • a blast furnace installation comprises, for example, transport facilities for filling (“charging") the blast furnace with feedstocks (eg iron ore and aggregates) and with reducing agents or energy carriers (eg coke) as well as facilities for removing or discharging the blast furnace produced substances (eg pig iron, slag, exhaust gases).
  • feedstocks eg iron ore and aggregates
  • reducing agents or energy carriers eg coke
  • the blast furnace produced substances eg pig iron, slag, exhaust gases.
  • gases are introduced into the furnace from the outside, in order to enable or influence the reactions taking place in the furnace.
  • the gases may be, for example, air or pure
  • Oxygen act Devices for blowing in the gases often comprise annular circuits circulating around the furnace with a plurality of tuyeres or nozzles leading into the interior of the furnace, and additionally with lances leading into the interior of the furnace.
  • a method for the thermal treatment of raw materials and an apparatus for carrying out this method is known.
  • the device described is a cupola furnace.
  • Cupola furnaces are also shaft furnaces in which metals can be melted.
  • cupola furnaces are usually used for the production of cast iron from pig iron and scrap, they differ accordingly in the operation and design of blast furnaces.
  • EP 1 948 833 Bl a method for operating a shaft furnace is known.
  • This shaft furnace may be a cupola or a blast furnace.
  • a treatment gas for example oxygen
  • the injected gas should be modulated like a pulsation. This means that starting from a low base pressure at intervals the pressure of the injected gas is briefly increased. By this procedure, a better gasification of the furnace is to be achieved.
  • EP 1 948 833 B1 has the disadvantage that no or only slight reaction improvements are achieved outside the "raceway.”
  • the invention is therefore based on the object of designing the injection of gases into the furnace in such a way that an acceleration the reaction processes in the oven is achieved, in particular into the area of the "dead man”.
  • this object is achieved in that shock waves are introduced into the furnace.
  • a shock wave is a gas-dynamic phenomenon in which a compression shock forms the front of a compression wave.
  • the gradients of the state variables pressure and temperature are so large that considerable molecular masses are present
  • Propagation speed which is greater than the speed of sound of the stationary before the shock wave medium.
  • shock waves with high impact Mach numbers occur increasingly effects such as dissociation, electron excitation and ionization.
  • Shock waves can make a significant contribution to the achievement of the thermodynamic or thermal conditions that are responsible for the course of a chemical or
  • the diffraction and reflection behavior of shock waves within the particles can cause high pressures and temperatures, even pressure and temperature gradients.
  • the stresses that occur may cause near-surface layers or the entire particle to be destroyed. This process provides the chemical reactions with a larger effective reaction surface area.
  • Examples are coke particles whose outer layers are due to the upstream
  • reaction kinetics are further improved when the gas used to generate the shock wave (“propellant gas”) is a gas (“treating gas”) which is in any case necessary for the chemical reactions (for example, oxygen or another reaction gas).
  • the reactions can be accelerated or intensified by the introduction of shock waves in a shaft furnace.
  • shock waves can e.g. caused by detonations, lightning or flying projectiles.
  • shockwaves for scientific purposes and other investigations impact channels or shock tubes are used.
  • the generation of the shock wave takes place here by exceeding the bursting pressure of a membrane which separates the high-pressure part, the propellant gas chamber, from the low-pressure part.
  • the rupture of the membrane ensures the sudden increase in pressure, which for the
  • shock waves are necessary. According to one embodiment of the invention it is provided that the shock waves through
  • valve is pneumatically controlled.
  • the necessary valves for the invention with very fast opening times require a high-speed drive and a control that meets these requirements.
  • a pneumatic drive has proved to be particularly advantageous.
  • Alternative types of drives that meet these requirements may also be used (e.g., an electric motor, particularly a motor)
  • a print original in particular a pressure vessel
  • a gas pressure of at least 10 bar in particular at least 20 bar
  • the furnace pressure or wind pressure of the shaft furnaces may only be slightly above atmospheric pressure (i.e., 0.2 bar to 1 bar).
  • a pressure vessel is preferably provided with an internal pressure in the said height.
  • a further teaching of the invention provides that the gas used to generate the shock waves is a treatment gas required for the reaction processes in the furnace.
  • the propellant gas necessary for generating the shock wave is at the same time a treatment gas or a gas required for the reaction processes in the shaft furnace.
  • the valve can remain open for longer than is necessary exclusively for the generation of a shock wave.
  • valve is kept open for a period in the range between 0.05 s and 0.7 s.
  • the number of valve latches and the length of time the valve is open This results in the amount of treatment gas that is fed to the shaft furnace.
  • the generation of shock waves or the intermittent introduction of the gas into the furnace does not preclude simultaneous continuous introduction of the same or another gas into the furnace.
  • the furnace may be supplied with a continuous "basic flow" (eg a basic oxygen stream) with generated shock waves or with intermittently higher gas volume flows
  • a gas having an oxidizing effect in particular oxygen
  • the carbon which is used can be carbon dioxide, air or else another gas
  • reducing conditions or reducing gases are required, for example, carbon monoxide or hydrogen are possible as treatment gases
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a system for carrying out the
  • FIG. 1 is a schematic structure of a system for carrying out the
  • An executed as a blast furnace 1 has around its circumference several lances 2, with which the introduction of
  • Shock waves or the introduction of a treatment gas from the outside into the furnace 1 is realized.
  • the lances 2 are inserted into the tuyeres or tuyeres of the furnace 1.
  • suitable introduction openings can be provided at these locations.
  • each lance 2 or discharge point can be connected to a separate system 3 for the generation of shock waves or for the introduction of the treatment gas.
  • a system 3 can have a plurality of lances 2 or more
  • the system 3 is connected to a supply line 8, which ensures that the system 3 is supplied with the required amount of gas and the required gas pressure.
  • the gas pressure of the printing original here designed as a pressure vessel 6 with associated pipe, for example, 10 bar, in particular at least 20 bar or higher.
  • shock waves or the intermittent introduction of the gas is made possible by a quick-opening valve 9.
  • Represent propellant gas is the valve 9 ideally the pressure vessel 6 - which is covered as possible by a control with a defined pressure - upstream.
  • a pressure regulator 7 may be provided either in a supply line 10 directly in front of the pressure vessel 6, in the supply line 8 or in a supply line of several such systems 3.
  • the system 3 can also be equipped with a control line 5 located in a bypass line 11 for additional continuous introduction of treatment gas.
  • the required gas volume flow is set by a control valve.
  • a gas other than the generation of the shock waves may be used for the continuous gas flow. In this case, an additional supply line is needed.
  • the system 3 is connected to a suitable line 4 and the lances 2 or discharge points such that both the generated shock waves or the intermittent gas flow and the continuous gas flow into the furnace 1 can be initiated.
  • the system 3 is also equipped with an electronic control 12.
  • an electronic control 12 When using multiple systems 3, for example, if each lance 2 and
  • Initiation point is equipped with its own Appendix 3, ideally an additional higher-level control is used.

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Abstract

Depicted and described is a method for operating a shaft furnace, in particular a blast furnace, wherein at least one gas is introduced into the furnace (1). In order to be able to accelerate the reaction processes in the furnace (1), shock waves are introduced into the furnace (1).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens  Method for operating a shaft furnace, in particular a blast furnace
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, wobei wenigstens ein Gas in den Ofen eingeleitet wird. Bei einem Schachtofen handelt es sich um einen Ofen, dessen geometrische Grundform „schachtförmig" ist. Typischerweise übertrifft die Höhe von Schachtöfen ihre Breite und ihre Tiefe um ein Vielfaches. Die Grundform eines Schachtofens entspricht oftmals einem Hohlzylinder, einem Hohlkegel oder einer Kombination aus beiden Formen. In einem Schachtofen finden üblicherweise Verbrennungs-, Reduktions- und The invention relates to a method for operating a shaft furnace, in particular a blast furnace, wherein at least one gas is introduced into the furnace. A shaft furnace is a furnace whose basic geometric shape is "shaft-shaped." Typically, the height of shaft furnaces exceeds their width and depth many times over.The basic shape of a shaft furnace often corresponds to a hollow cylinder, a hollow cone, or a combination of both In a shaft furnace usually find combustion, reduction and
Schmelzprozesse statt, wobei die entstanden Gase in dem Ofen nach oben aufsteigen. Schachtöfen werden entweder zum Heizen genutzt oder dienen als metallurgische Anlage zur Erzeugung reiner Metalle aus Erzen, zur Weiterverarbeitung der Metalle oder zur Herstellung anderer Werkstoffe. Eine Sonderform von Schachtöfen sind Hochöfen, mit denen aus Erzen in einem kontinuierlichen Reduktions- und Schmelzprozess flüssiges Metall, zumeist Roheisen erzeugt werden kann. Hochöfen stellen im Vergleich zu gewöhnlichen Schachtöfen aufgrund der spezifischen Anforderungen an die Verhüttung von Erzen besondere Anforderungen an die Konstruktionsweise des Ofens und insbesondere an seine innere Auskleidung und Kühlung. Melting processes take place, with the resulting gases rise up in the furnace. Shaft furnaces are either used for heating or serve as a metallurgical plant for the production of pure metals from ores, for the further processing of metals or for the production of other materials. A special form of shaft furnaces are blast furnaces which can be used to produce liquid metal, usually pig iron, from ores in a continuous reduction and melting process. Blast furnaces place special demands on the design of the furnace and in particular on its inner lining and cooling compared to conventional shaft furnaces due to the specific requirements for the smelting of ores.
Hochöfen werden meistens als Teil eines kompletten integrierten Hüttenwerks eingesetzt. Neben dem eigentlichen Ofen umfasst eine Hochofenanlage beispielsweise Transporteinrichtungen zur Befüllung („Beschickung") des Hochofens mit Einsatzstoffen (z.B. Eisenerz und Zuschlagstoffe) und mit Reduktionsmitteln bzw. Energieträgern (z. B. Koks) sowie Einrichtungen zur Entnahme bzw. Ableitung der in dem Hochofen entstehenden Stoffe (z. B. Roheisen, Schlacke, Abgase). In vielen Schachtöfen und insbesondere in Hochöfen werden Gase von außen in den Ofen eingeleitet, um die in dem Ofen stattfindenden Reaktionen zu ermöglichen bzw. zu beeinflussen. Bei den Gasen kann es sich beispielsweise um Luft oder um reinen Blast furnaces are usually used as part of a complete integrated steel mill. In addition to the actual furnace, a blast furnace installation comprises, for example, transport facilities for filling ("charging") the blast furnace with feedstocks (eg iron ore and aggregates) and with reducing agents or energy carriers (eg coke) as well as facilities for removing or discharging the blast furnace produced substances (eg pig iron, slag, exhaust gases). In many shaft furnaces, and in particular in blast furnaces, gases are introduced into the furnace from the outside, in order to enable or influence the reactions taking place in the furnace. The gases may be, for example, air or pure
Sauerstoff handeln. Vorrichtungen zum Einblasen der Gase umfassen häufig um den Ofen umlaufende Ringleitungen mit mehreren in das Ofeninnere führenden Blasformen bzw. Düsen und zusätzlich mit in das Ofeninnere führenden Lanzen. Oxygen act. Devices for blowing in the gases often comprise annular circuits circulating around the furnace with a plurality of tuyeres or nozzles leading into the interior of the furnace, and additionally with lances leading into the interior of the furnace.
Aus der DE 101 17 962 B4 ist beispielsweise ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Rohmaterialien und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Bei der beschriebenen Vorrichtung handelt es sich um einen Kupolofen. Kupolöfen sind ebenfalls Schachtöfen, in denen Metalle geschmolzen werden können. Im Unterschied zu Hochöfen dienen Kupolöfen zumeist der Herstellung von Gusseisen aus Roheisen und Schrott, sie unterscheiden sich dementsprechend in Betriebsweise und Bauform von Hochöfen. From DE 101 17 962 B4, for example, a method for the thermal treatment of raw materials and an apparatus for carrying out this method is known. The device described is a cupola furnace. Cupola furnaces are also shaft furnaces in which metals can be melted. In contrast to blast furnaces, cupola furnaces are usually used for the production of cast iron from pig iron and scrap, they differ accordingly in the operation and design of blast furnaces.
In der DE 101 17 962 B4 wird vorgeschlagen, zusätzlich zu einer Lufteinblasung Gase mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt wechselweise in den Ofen einzuleiten. Bei diesen Gasen kann es sich um Luft sowie um reinen Sauerstoff handeln. Hierzu werden zwei separate Ringleitungen um den Ofen herumgeführt. Die erste Ringleitung ist stets mit Luft gefüllt, während die zweite Ringleitung wechselweise mit unterschiedlichen Gasen (z. B. Sauerstoff) gefüllt ist. Durch die gezielte Einleitung von Gasen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt sollen die Reaktionen und insbesondere die In DE 101 17 962 B4 it is proposed, in addition to an air injection gases with different oxygen content alternately introduced into the furnace. These gases can be air as well as pure oxygen. For this purpose, two separate ring lines are led around the furnace. The first loop is always filled with air while the second loop is alternately filled with different gases (eg oxygen). The targeted introduction of gases with different oxygen content, the reactions and in particular the
Temperaturen in dem Ofen gesteuert werden. Die in der DE 101 17 962 B4 gezeigte Lösung hat den Nachteil einer aufwändigenTemperatures are controlled in the oven. The solution shown in DE 101 17 962 B4 has the disadvantage of a complex
Bauweise mit mehreren separaten Ringleitungen. Zudem ist die in der DE 101 17 962 B4 beschriebene Lösung auf Kupolöfen beschränkt. Construction with several separate ring lines. In addition, the solution described in DE 101 17 962 B4 is limited to cupola furnaces.
Aus der EP 1 948 833 Bl ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens bekannt. Bei diesem Schachtofen kann es sich um einen Kupolofen oder um einen Hochofen handeln. Auch bei der in der EP 1 948 833 Bl beschriebenen Lösung wird vorgeschlagen, ein Behandlungsgas, beispielsweise Sauerstoff, in den Ofen einzublasen. Das eingeblasene Gas soll pulsationsartig moduliert werden. Dies bedeutet, dass ausgehend von einem geringen Basisdruck in zeitlichen Abständen der Druck des eingeblasenen Gases kurzzeitig erhöht wird. Durch diese Vorgehensweise soll eine bessere Durchgasung des Ofens erreicht werden. From EP 1 948 833 Bl a method for operating a shaft furnace is known. This shaft furnace may be a cupola or a blast furnace. Also in the solution described in EP 1 948 833 Bl proposed blowing a treatment gas, for example oxygen, into the furnace. The injected gas should be modulated like a pulsation. This means that starting from a low base pressure at intervals the pressure of the injected gas is briefly increased. By this procedure, a better gasification of the furnace is to be achieved.
Die in der EP 1 948 833 Bl beschriebene Lösung hat den Nachteil, dass außerhalb der „Raceway" keine bzw. nur geringe Reaktionsverbesserungen erzielt werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Einblasung von Gasen in den Ofen derart auszugestalten, dass eine Beschleunigung der Reaktionsabläufe im Ofen erreicht wird, insbesondere bis in den Bereich des„Toten Mannes". The solution described in EP 1 948 833 B1 has the disadvantage that no or only slight reaction improvements are achieved outside the "raceway." The invention is therefore based on the object of designing the injection of gases into the furnace in such a way that an acceleration the reaction processes in the oven is achieved, in particular into the area of the "dead man".
Bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Stoßwellen in den Ofen eingeleitet werden. In a method according to the preamble of claim 1, this object is achieved in that shock waves are introduced into the furnace.
Eine Stoßwelle ist ein gasdynamisches Phänomen, bei dem ein Verdichtungsstoß die Front einer Kompressionswelle bildet. An der Wellenfront sind die Gradienten der Zustandsgrößen Druck und Temperatur so groß, dass beträchtliche molekulare A shock wave is a gas-dynamic phenomenon in which a compression shock forms the front of a compression wave. At the wavefront, the gradients of the state variables pressure and temperature are so large that considerable molecular masses are present
Transportvorgänge stattfinden. Die molekularen Transportvorgänge sind irreversibel, d.h. die Entropie des von der Welle erfassten Gases steigt. Es wird von einem unstetigen Zustandssprung ausgegangen, da die molekularen Transportvorgänge auf einige freie Weglängen beschränkt sind. Eine Stoßwelle breitet sich mit einer Transport operations take place. The molecular transport events are irreversible, i. the entropy of the gas detected by the wave increases. It is assumed that a discontinuous state jump, since the molecular transport processes are limited to a few free path lengths. A shockwave spreads with one
Fortpflanzungsgeschwindigkeit aus, die größer als die Schallgeschwindigkeit des vor der Stoßwelle ruhenden Mediums ist. Bei starken Stoßwellen mit hohen Stoßmachzahlen treten zunehmend Effekte wie Dissoziation, Elektronenanregung und Ionisation auf.  Propagation speed, which is greater than the speed of sound of the stationary before the shock wave medium. With strong shock waves with high impact Mach numbers occur increasingly effects such as dissociation, electron excitation and ionization.
Stoßwellen können einen erheblichen Beitrag zum Erreichen der thermodynamischen bzw. thermischen Bedingungen liefern, die für den Ablauf einer chemischen bzw. Shock waves can make a significant contribution to the achievement of the thermodynamic or thermal conditions that are responsible for the course of a chemical or
physikalisch-chemischen Reaktion notwendig sind. Auf diese Weise können sogar die Aktivierungsenergien für Reaktionen im Ofen mit reaktionsträgen Kohlenstoffphasen, beispielsweise Phasen mit hohem Graphitisierungsgrad, oder für die Selbstzündung von brennbaren Gemischen erreicht werden. Physicochemical reaction are necessary. In this way, even the activation energies for reactions in the furnace with inert carbon phases, For example, phases with a high degree of graphitization, or for the autoignition of combustible mixtures can be achieved.
Verdichtungsstöße bzw. Stoßwellen beeinflussen und verstärken massiv die lokale Ausprägung von Turbulenzen. Dadurch werden die Bildung von reaktionsfähigen Gemischen sowie der notwendige Stofftransport für die jeweiligen chemischen Compression collisions or shock waves massively influence and intensify the local manifestation of turbulence. As a result, the formation of reactive mixtures and the necessary mass transport for the respective chemical
Reaktionen in den Schachtöfen positiv beeinflusst. Von besonderer Bedeutung ist dies insbesondere für die stattfindenden heterogenen Gas-Festkörperreaktionen bzw. den Stofftransport zwischen Feststoff und Gasphase. Reactions in the shaft furnaces positively influenced. This is of particular importance in particular for the heterogeneous gas-solid-state reactions taking place or the mass transfer between solid and gas phase.
Bedingt durch die Oberflächenstruktur und die Porosität von Partikeln können durch das Beugungs- und Reflektionsverhalten von Stoßwellen innerhalb der Partikel hohe Drücke und Temperaturen, sogar Druck- und Temperaturgradienten, entstehen. In Abhängigkeit von der Partikelgröße bzw. Struktur und Festigkeit können durch die auftretenden Spannungen oberflächennahe Schichten oder der komplette Partikel zerstört werden. Durch diesen Vorgang steht den chemischen Reaktionen eine größere effektive Reaktionsoberfläche zur Verfügung. Due to the surface structure and the porosity of particles, the diffraction and reflection behavior of shock waves within the particles can cause high pressures and temperatures, even pressure and temperature gradients. Depending on the particle size or structure and strength, the stresses that occur may cause near-surface layers or the entire particle to be destroyed. This process provides the chemical reactions with a larger effective reaction surface area.
Beispiele sind Kokspartikel, deren äußere Schichten aufgrund der im Vorfeld Examples are coke particles whose outer layers are due to the upstream
stattgefundenen Reaktionen einen hohen Ascheanteil aufweisen oder von Schlacke bedeckt sind und eingeblasene Feinkohlen sowie deren teilpyrolisierten Rückstände (z.B. Char). Die Reaktionskinetik wird darüber hinaus verbessert, wenn als Gas für die Erzeugung der Stoßwelle („Treibgas") ein für die chemischen Reaktionen ohnehin notwendiges Gas („Behandlungsgas") verwendet wird (z.B. Sauerstoff oder ein anderes Reaktionsgas). have a high proportion of ash or are covered by slag and blown in fine coals and their teilpyrolisierten residues (such as Char). Reaction kinetics are further improved when the gas used to generate the shock wave ("propellant gas") is a gas ("treating gas") which is in any case necessary for the chemical reactions (for example, oxygen or another reaction gas).
Bei der Interaktion von Stoßwellen mit kleinen Partikeln wird deren Dispersion in der Gasphase deutlich verbessert und deren chemische Umsetzung somit beschleunigt. Speziell gilt dies für das Einblasen von Einsatzstoffen mit zumeist feinen Partikelgrößen. Dies ist von besonderer Bedeutung wenn deren pneumatische Förderung nach dem Dichtstromprinzip erfolgt. Beispielhaft kann hier das Einblasen von Feinkohlen in Schachtöfen bzw. Hochöfen genannt werden. In the interaction of shock waves with small particles their dispersion in the gas phase is significantly improved and their chemical reaction thus accelerated. This applies especially to the injection of feedstocks with mostly fine particle sizes. This is of particular importance if their pneumatic conveying after the Dense flow principle takes place. By way of example, the injection of fine coal into shaft furnaces or blast furnaces can be mentioned here.
Zusammengefasst können durch die Einleitung von Stoßwellen in einen Schachtofen die Reaktionen beschleunigt bzw. intensiviert werden. In summary, the reactions can be accelerated or intensified by the introduction of shock waves in a shaft furnace.
Stoßwellen können z.B. durch Detonationen, Blitzschläge oder fliegende Projektile hervorgerufen werden. Für die Erzeugung von Stoßwellen zu wissenschaftlichen Zwecken und anderen Untersuchungen werden Stoßkanäle bzw. Stoßrohre genutzt. Die Erzeugung der Stoßwelle erfolgt hier durch das Überschreiten des Berstdruckes einer Membran, welche den Hochdruckteil, die Treibgaskammer, vom Niederdruckteil trennt. Das Bersten der Membran gewährleistet den abrupten Druckanstieg, der für die Shock waves can e.g. caused by detonations, lightning or flying projectiles. For the production of shockwaves for scientific purposes and other investigations impact channels or shock tubes are used. The generation of the shock wave takes place here by exceeding the bursting pressure of a membrane which separates the high-pressure part, the propellant gas chamber, from the low-pressure part. The rupture of the membrane ensures the sudden increase in pressure, which for the
Erzeugung von Stoßwellen notwendig ist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stoßwellen durchGeneration of shock waves is necessary. According to one embodiment of the invention it is provided that the shock waves through
Öffnen eines wieder verschließbaren Ventils ausgelöst werden. Diese Art der Erzeugung der Stoßwellen hat im Gegensatz zu einer platzenden Membran den Vorteil, dass beliebig viele Stoßwellen in schneller Folge erzeugt werden können, ohne dass hierzu ein Bauteil ausgetauscht bzw. ersetzt werden muss. Eine Stoßwelle kann sich jedoch nur an extrem schnell öffnenden Ventilen ausbilden, die in sehr kurzer Zeit den gesamten Leitungsquerschnitt freigeben. Es ist besonders voreilhaft, als Treibgas für die Stoßwelle ein für den Betrieb eines Schachtofens, d.h. für die Reaktionsabläufe ohnehin benötigtes Gas zu verwenden (z.B. Sauerstoff). Zu dieser Ausgestaltung der Erfindung wird daher weiter vorgeschlagen, dass das Ventil in weniger als 6 ms, insbesondere in weniger als 4 ms, geöffnet wird, vorzugsweise vollständig geöffnet wird. Durch eine Öffnung des Ventils, die nur wenige Millisekunden dauert, wird ein abrupter Druckanstieg gewährleistet, der für die Erzeugung von Stoßwellen notwendig ist. Als besonders geeignet haben sich aufgrund ihrer schnellen Öffnungszeiten Gleitschieberventile erwiesen. Eine zu langsame Öffnung des Ventils würde demgegenüber dazu führen, dass durch den entstehenden Druckausgleich keine Stoßwelle erzeugt werden kann. Opening a resealable valve to be triggered. In contrast to a bursting membrane, this type of generation of the shockwaves has the advantage that any number of shockwaves can be generated in rapid succession without having to exchange or replace a component for this purpose. However, a shock wave can only be formed on extremely fast-opening valves, which release the entire line cross-section in a very short time. It is particularly premature to use as gas for the shock wave for the operation of a shaft furnace, ie for the reaction processes anyway required gas (eg oxygen). For this embodiment of the invention is therefore further proposed that the valve in less than 6 ms, in particular less than 4 ms, is opened, preferably fully opened. Opening the valve for only a few milliseconds ensures an abrupt increase in pressure necessary to produce shockwaves. Sliding gate valves have proven particularly suitable because of their fast opening times. Too slow opening of the valve would in contrast lead to the fact that no shock wave can be generated by the resulting pressure compensation.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ventil pneumatisch gesteuert wird. Die für die Erfindung notwendigen Ventile mit sehr schnellen Öffnungszeiten benötigen einen mit hohen Geschwindigkeiten arbeitenden Antrieb sowie eine Ansteuerung, die diesen Anforderungen entspricht. Ein pneumatischer Antrieb hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Alternative Antriebsarten die diese Anforderungen erfüllen können ebenso eingesetzt werden (z.B. ein Elektromotor, insbesondere ein A development of the invention provides that the valve is pneumatically controlled. The necessary valves for the invention with very fast opening times require a high-speed drive and a control that meets these requirements. A pneumatic drive has proved to be particularly advantageous. Alternative types of drives that meet these requirements may also be used (e.g., an electric motor, particularly a motor)
Servomotor). Servomotor).
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Erzeugung der Stoßwellen eine Druckvorlage, insbesondere ein Druckbehälter, mit einem Gasdruck von wenigstens 10 bar, insbesondere wenigstens 20 bar, verwendet wird. Der Ofendruck bzw. der Winddruck der Schachtöfen kann nur geringfügig über dem Atmosphärendruck liegen (d.h. 0,2 bar bis 1 bar). Abhängig von der Art des Schachtofens bzw. dessen Betriebsweise werden zumeist höhere Winddrücke zwischen 1 bar und 5 bar benötigt. Da zur Erzeugung von Stoßwellen sehr große Druckdifferenzen erforderlich sind, wird vorzugsweise ein Druckbehälter mit einem Innendruck in der genannten Höhe bereitgestellt. In a further embodiment of the invention, it is proposed that a print original, in particular a pressure vessel, with a gas pressure of at least 10 bar, in particular at least 20 bar, be used to generate the shock waves. The furnace pressure or wind pressure of the shaft furnaces may only be slightly above atmospheric pressure (i.e., 0.2 bar to 1 bar). Depending on the type of shaft furnace or its mode of operation, mostly higher wind pressures between 1 bar and 5 bar are required. Since very large pressure differences are required to generate shock waves, a pressure vessel is preferably provided with an internal pressure in the said height.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass als Gas zur Erzeugung der Stoßwellen ein für die Reaktionsabläufe im Ofen benötigtes Behandlungsgas eingesetzt wird. Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, dass das für die Erzeugung der Stoßwelle notwendige Treibgas gleichzeitig ein Behandlungsgas bzw. ein für die Reaktionsabläufe im Schachtofen benötigtes Gas ist. Das Ventil kann infolgedessen länger geöffnet bleiben als dies ausschließlich für die Erzeugung einer Stoßwelle notwendig ist. A further teaching of the invention provides that the gas used to generate the shock waves is a treatment gas required for the reaction processes in the furnace. In other words, it is proposed that the propellant gas necessary for generating the shock wave is at the same time a treatment gas or a gas required for the reaction processes in the shaft furnace. As a result, the valve can remain open for longer than is necessary exclusively for the generation of a shock wave.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Ventil für einen Zeitraum im Bereich zwischen 0,05 s und 0,7 s offen gehalten wird. Über die Anzahl der Ventilspiele und die Länge des Zeitraums in dem das Ventil geöffnet ist ergibt sich die Menge an Behandlungsgas, die dem Schachtofen zugeführt wird. Je nach Behandlungsgas, der Art des Schachtofens und dessen betriebsweise erfolgt eine entsprechende Anpassung. Die Erzeugung von Stoßwellen bzw. die intermittierende Einleitung des Gases in den Ofen schließt nicht aus, dass gleichzeitig eine kontinuierliche Einleitung des gleichen oder eines anderen Gases in den Ofen stattfindet. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass dem Ofen ein kontinuierlicher„Grundstrom" (z.B. ein Sauerstoffgrundstrom) mit erzeugten Stoßwellen bzw. mit intermittierend höheren Gasvolumenströmen zugeführt wird. Mit diesem Grundstrom kann zudem beispielsweise die dem Ofen zugeführte Menge an Behandlungsgas eingestellt werden. Zudem kann so kontinuierlich die notwendige Kühlwirkung für die Lanzen bzw. die Einleitungsstelle gewährleistet werden. Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als Gas ein Gas mit oxidierender Wirkung, insbesondere Sauerstoff eingesetzt wird. Das eigesetzte Gas kann Kohlenstoffdioxid, Luft oder auch ein anderes Gas, insbesondere Sauerstoff, sein. In Schachtofenprozessen bzw. in bestimmten Reaktionszonen werden reduzierende Bedingungen bzw. reduzierende Gase benötigt. Als Behandlungsgase sind hier beispielsweise Kohlenmonoxid oder Wasserstoff möglich. Gasgemische mit In a further embodiment of the invention it is therefore proposed that the valve is kept open for a period in the range between 0.05 s and 0.7 s. The number of valve latches and the length of time the valve is open This results in the amount of treatment gas that is fed to the shaft furnace. Depending on the treatment gas, the type of shaft furnace and its operation, a corresponding adjustment is made. The generation of shock waves or the intermittent introduction of the gas into the furnace does not preclude simultaneous continuous introduction of the same or another gas into the furnace. In other words, provision may be made for the furnace to be supplied with a continuous "basic flow" (eg a basic oxygen stream) with generated shock waves or with intermittently higher gas volume flows Finally, in a further embodiment of the invention, it is provided that a gas having an oxidizing effect, in particular oxygen, is used as the gas The carbon which is used can be carbon dioxide, air or else another gas In shaft furnace processes or in certain reaction zones, reducing conditions or reducing gases are required, for example, carbon monoxide or hydrogen are possible as treatment gases
reduzierender Wirkung sowie Gemische und Gase, die nach einer weiteren reducing effect and mixtures and gases, which after another
Zwischenreaktion reduzierende Wirkung erzielen, können auch eingesetzt werden. Intermediate reaction reducing effect can also be used.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes The invention will now be described with reference to a preferred one
Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: Embodiment illustrative drawing explained in more detail. In the drawing shows:
Fig. 1: den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des 1 shows the schematic structure of a system for carrying out the
erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau einer Anlage zur Durchführung des  inventive method. In Fig. 1 is a schematic structure of a system for carrying out the
erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein als Hochofen ausgeführter Ofen 1 weist um seinen Umfang herum mehrere Lanzen 2 auf, mit denen die Einleitung von inventive method shown. An executed as a blast furnace 1 has around its circumference several lances 2, with which the introduction of
Stoßwellen bzw. die Einleitung eines Behandlungsgases von außen in den Ofen 1 realisiert wird. Idealerweise werden die Lanzen 2 in die Blasformen bzw. Windformen des Ofens 1 eingesetzt. Um andere Reaktionszonen eines Schachtofens oder eines Hochofens zu beeinflussen bzw. zu optimieren, können an diesen Stellen geeignete Einleitungsöffnungen angebracht werden. Shock waves or the introduction of a treatment gas from the outside into the furnace 1 is realized. Ideally, the lances 2 are inserted into the tuyeres or tuyeres of the furnace 1. In order to influence or optimize other reaction zones of a shaft furnace or a blast furnace, suitable introduction openings can be provided at these locations.
An jede Lanze 2 bzw. Einleitungsstelle kann eine eigene Anlage 3 für die Erzeugung der Stoßwellen bzw. für die Einleitung des Behandlungsgases angeschlossen sein. Je nach Menge des benötigten Behandlungsgases, der Stoßwellenintensität und der Größe bzw. des Umfangs des Ofens kann eine Anlage 3 mehrere Lanzen 2 bzw. mehrere At each lance 2 or discharge point can be connected to a separate system 3 for the generation of shock waves or for the introduction of the treatment gas. Depending on the amount of the required treatment gas, the shock wave intensity and the size or the circumference of the furnace, a system 3 can have a plurality of lances 2 or more
Einleitungsstellen versorgen. So ist es auch möglich, mit einer Ringleitung um den Umfang des Ofens 1 alle Lanzen 2 bzw. Einleitungsstellen mit derselben Anlage 3 zu versorgen. Es ist zu beachten, dass die Erzeugung der Stoßwellen und die Einleitung in den Ofen 1 nicht weit voneinander entfernt stattfinden, da die Intensität der Stoßwellen mit dem zurückgelegten Weg abnimmt. Provide access points. So it is also possible to supply with a loop around the circumference of the furnace 1 all lances 2 or discharge points with the same system 3. It should be noted that the generation of the shock waves and the introduction into the furnace 1 do not take place far apart because the intensity of the shock waves decreases with the distance traveled.
Die Anlage 3 ist an eine Versorgungsleitung 8 angeschlossen, welche sicherstellt, dass die Anlage 3 mit der benötigten Menge an Gas und dem benötigten Gasdruck versorgt wird. Der Gasdruck der Druckvorlage, hier ausgeführt als Druckbehälter 6 mit zugehöriger Rohrleitung, kann beispielsweise 10 bar, insbesondere wenigstens 20 bar oder höher betragen. The system 3 is connected to a supply line 8, which ensures that the system 3 is supplied with the required amount of gas and the required gas pressure. The gas pressure of the printing original, here designed as a pressure vessel 6 with associated pipe, for example, 10 bar, in particular at least 20 bar or higher.
Die Erzeugung von Stoßwellen bzw. die intermittierende Einleitung des Gases wird durch ein schnell öffnendes Ventil 9 ermöglicht. Insbesondere um die notwendigeThe generation of shock waves or the intermittent introduction of the gas is made possible by a quick-opening valve 9. In particular, the necessary
Treibgasmenge darzustellen ist dem Ventil 9 idealerweise der Druckbehälter 6 - welcher möglichst durch eine Regelung mit einem definierten Druck bespannt wird - vorgeschaltet. Hierzu kann ein Druckregler 7 entweder in einer Zuleitung 10 direkt vor dem Druckbehälter 6, in der Versorgungsleitung 8 oder in einer Versorgungsleitung von mehren solchen Anlagen 3 vorgesehen sein. Die Anlage 3 kann zudem mit einer in einer Bypassleitung 11 befindlichen Regelstrecke 5 zur zusätzlichen kontinuierlichen Einleitung von Behandlungsgas ausgestattet sein. Der benötigte Gasvolumenstrom wird durch eine Regelarmatur eingestellt. Alternativ kann für den kontinuierlichen Gasstrom - anders als in Fig. 1 dargestellt - ein anderes Gas als für die Erzeugung der Stoßwellen benutzt werden. In diesen Fall wird eine zusätzliche Zuleitung benötigt. Represent propellant gas is the valve 9 ideally the pressure vessel 6 - which is covered as possible by a control with a defined pressure - upstream. For this purpose, a pressure regulator 7 may be provided either in a supply line 10 directly in front of the pressure vessel 6, in the supply line 8 or in a supply line of several such systems 3. The system 3 can also be equipped with a control line 5 located in a bypass line 11 for additional continuous introduction of treatment gas. The required gas volume flow is set by a control valve. Alternatively, unlike in Fig. 1, a gas other than the generation of the shock waves may be used for the continuous gas flow. In this case, an additional supply line is needed.
Die Anlage 3 ist mit einer geeigneten Leitung 4 und den Lanzen 2 bzw. Einleitungsstellen derart verbunden, dass sowohl die erzeugten Stoßwellen bzw. der intermittierende Gasstrom als auch der kontinuierliche Gasstrom in den Ofen 1 eingeleitet werden können. The system 3 is connected to a suitable line 4 and the lances 2 or discharge points such that both the generated shock waves or the intermittent gas flow and the continuous gas flow into the furnace 1 can be initiated.
Die Anlage 3 ist zudem mit einer elektronischen Steuerung 12 ausgerüstet. Bei der Verwendung von mehreren Anlagen 3, beispielsweise wenn jede Lanze 2 bzw. The system 3 is also equipped with an electronic control 12. When using multiple systems 3, for example, if each lance 2 and
Einleitungsstelle mit einer eigenen Anlage 3 ausgerüstet ist, wird idealerweise eine zusätzliche übergeordnete Steuerung verwendet. Initiation point is equipped with its own Appendix 3, ideally an additional higher-level control is used.
Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
1: Ofen 1: oven
2: Lanze  2: lance
3: Anlage  3: Plant
4: Leitung  4: line
5: Regelstrecke 5: controlled system
6: Druckbehälter6: pressure vessel
7: Druckregler7: Pressure regulator
8: Versorgungsleitung8: supply line
9: Ventil 9: valve
10: Zuleitung  10: supply line
11: Bypassleitung 11: bypass line
12: Steuerung 12: Control

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, wobei wenigstens ein Gas in den Ofen (1) eingeleitet wird, 1. A method for operating a shaft furnace, in particular a blast furnace, wherein at least one gas is introduced into the furnace (1),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
Stoßwellen in den Ofen (1) eingeleitet werden.  Shock waves are introduced into the furnace (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Stoßwellen durch Öffnen eines wieder verschließbaren Ventils (9) ausgelöst werden.  the shock waves are triggered by opening a resealable valve (9).
3. Verfahren nach Anspruch 2, 3. The method according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Ventil (9) in weniger als 6 ms, insbesondere in weniger als 4 ms, geöffnet wird.  the valve (9) is opened in less than 6 ms, in particular less than 4 ms.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, 4. The method according to claim 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Ventil (9) pneumatisch gesteuert wird.  the valve (9) is pneumatically controlled.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. The method according to any one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
zur Erzeugung der Stoßwellen eine Druckvorlage, insbesondere ein  to generate the shock waves a print template, in particular a
Druckbehälter (6), mit einem Gasdruck von wenigstens 10 bar, insbesondere wenigstens 20 bar, verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Pressure vessel (6), with a gas pressure of at least 10 bar, in particular at least 20 bar, is used. Method according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
als Gas zur Erzeugung der Stoßwellen ein für die Reaktionsabläufe im Ofen (1) benötigtes Behandlungsgas eingesetzt wird. as a gas for generating the shock waves used for the reaction processes in the furnace (1) treatment gas is used.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, Method according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Ventil (9) für einen Zeitraum im Bereich zwischen 0,05 s und 0,7 s offen gehalten wird. the valve (9) is kept open for a period in the range between 0.05 s and 0.7 s.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, Method according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
als Gas ein Gas mit oxidierender Wirkung, insbesondere Sauerstoff, eingesetzt wird. as gas, a gas having an oxidizing effect, in particular oxygen, is used.
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