EP4685245A1 - Verfahren zum betreiben eines direktreduktionsreaktors in einem integrierten hüttenwerk - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines direktreduktionsreaktors in einem integrierten hüttenwerk

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EP4685245A1
EP4685245A1 EP24191123.9A EP24191123A EP4685245A1 EP 4685245 A1 EP4685245 A1 EP 4685245A1 EP 24191123 A EP24191123 A EP 24191123A EP 4685245 A1 EP4685245 A1 EP 4685245A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
reactor
electric furnace
converter
reduction
Prior art date
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Pending
Application number
EP24191123.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nils JÄGER
Julian Suer
Boris Kohnen
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.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Priority to PCT/EP2025/069929 priority patent/WO2026021898A1/de
Publication of EP4685245A1 publication Critical patent/EP4685245A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0033—In fluidised bed furnaces or apparatus containing a dispersion of the material
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    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
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    • C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
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    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/80—Interaction of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel with other processes

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a direct reduction reactor in an integrated steelworks, comprising at least one direct reduction reactor for directly reducing iron ore to sponge iron and generating reactor gas, at least one electric furnace for melting the sponge iron to pig iron and generating electric furnace gas, and at least one converter for refining pig iron to crude steel or steel and generating converter gas, wherein at least a portion of the reactor gas discharged from the direct reduction reactor is circulated, heated in at least one reduction gas heater or in at least one reformer, and fed back into the direct reduction reactor as reduction gas.
  • the object of the present invention is to further develop a generic process in such a way that the energetically and materially valuable process gases present in an existing integrated steelworks can be used in an economically optimized manner.
  • directly reduced iron carriers and a reactor gas are produced from oxide iron carriers, such as iron ore, by means of a reducing gas which may contain hydrogen or proportions of carbon monoxide and hydrogen and/or methane, and optionally aliphatic compounds such as methanol/ethanol.
  • the reactor gas is generated. It may contain unreacted components of carbon monoxide and/or hydrogen and/or methane, and may also contain amounts of carbon dioxide and/or water vapor.
  • the directly reduced iron carriers are melted into pig iron in at least one melter, and an electric furnace gas is produced as a byproduct, which may contain reactive components of hydrogen and carbon monoxide.
  • the pig iron is further refined in at least one converter, in particular an oxygen converter, by removing primarily carbon, sulfur and/or phosphorus, thus transforming it into crude steel or steel.
  • This process produces converter gas, which may contain significant amounts of carbon monoxide.
  • the electric furnace gas discharged from the electric furnace or a mixture of the converter gas discharged from the converter and the electric furnace gas discharged from the electric furnace is at least partially added to the reduction gas before being introduced into the at least one reduction gas heater or before being introduced into the at least one reformer.
  • the mixture of exhausted converter gas and exhausted electric arc furnace gas, or the exhausted converter gas alone, contains primarily carbon monoxide components that are ideally suited for direct reduction.
  • the carbon monoxide content is dominant, meaning that at least 25 vol%, particularly at least 30 vol%, preferably at least 35 vol%, more preferably at least 40 vol%, particularly preferably at least 45 vol%, and more preferably at least 55 vol% carbon monoxide is present in the electric arc furnace gas or in the mixture of electric arc furnace gas and converter gas.
  • the supply of fresh gas i.e., the external supply of methane (natural gas) and/or hydrogen, can therefore be reduced or, in particular, completely avoided in order to maintain the existing cycle.
  • the electric arc furnace gas can thus contain at least 20 vol%, particularly at least 25 vol%, preferably at least 30 vol%, and more preferably at least 35 vol% carbon monoxide. It contains hydrogen.
  • the hydrogen content can be further adjusted, for example, by introducing steam.
  • An electric furnace is an electric melter and is preferably an OSBF (Open Slag Bath Furnace) type furnace.
  • SAFs Submerged Electric Arc Furnaces
  • the electrodes are immersed in the feedstock and/or the liquid phase, particularly in the liquid slag.
  • electric reduction furnaces can be designed as alternating current (AC) electric arc reduction furnaces (SAFac) or direct current (DC) electric arc reduction furnaces (SAFdc).
  • EAFs Electro Arc Furnaces
  • EAFac alternating current arc furnace
  • EAFdc direct current arc furnace
  • LF ladle furnace
  • the direct reduction reactor can be divided into two or three sections: a pre-reduction section, a final reduction section, and optionally a carburizing or cooling section.
  • the iron oxides pass through these sections in the aforementioned order, while the reducing gas, introduced into the final reduction section, flows in the opposite direction.
  • the direct reduction reactor is preferably a shaft furnace
  • the pre-reduction section is located in the upper part of the furnace, where the iron oxides are introduced and pre-reduced. They then pass (by gravity) into the final reduction section, located in the middle part of the furnace, where the iron oxides are essentially fully reduced.
  • Carburizing and cooling can preferably be carried out simultaneously, so that an additional cooling circuit can be provided, whereby the cooling gas can contain carbon.
  • gas exchange between the carburizing or cooling zone and the final reduction zone is generally largely avoided in the lower section.
  • the electric furnace gas discharged from the electric furnace, or the mixture of electric furnace gas discharged from the electric furnace and converter gas discharged from the converter is dehumidified.
  • the discharged electric furnace gas, or the mixture of discharged electric furnace gas and converter gas is passed through a unit, for example, a condenser, and cooled accordingly, so that the water vapor contained in the electric furnace gas, or in the mixture of electric furnace gas and converter gas, condenses and is thus separated from the electric furnace gas, or the mixture of electric furnace gas and converter gas.
  • a unit for example, a condenser
  • Another embodiment provides for the separation of the CO2 contained in the dehumidified electric arc furnace gas or in the dehumidified mixture of electric arc furnace gas and converter gas. This CO2 is then added to the reduction gas (dehumidified and optionally freed of carbon dioxide) as essentially carbon dioxide-free electric arc furnace gas or as an essentially carbon dioxide-free mixture of electric arc furnace gas and converter gas.
  • the dehumidified electric arc furnace gas or the dehumidified mixture of electric arc furnace gas and converter gas is passed through a unit in which compounds or mixtures of carbon and oxygen, such as carbon dioxide ( CO2 ), are separated, for example, by CO2 separation in the form of an amine scrubbing, carbonate scrubbing, membrane separation technology such as selective membranes, or pressure swing absorption (PSA).
  • CO2 separation in the form of an amine scrubbing, carbonate scrubbing, membrane separation technology such as selective membranes, or pressure swing absorption (PSA).
  • the reactor gas discharged from the direct reduction reactor contains unreacted components, in particular compounds or mixtures of carbon and oxygen (CO, CO2 ), methane ( CH4 ), hydrogen ( H2 ) and/or water vapor ( H2O ), as well as process-related unavoidable impurities.
  • unreacted components in particular compounds or mixtures of carbon and oxygen (CO, CO2 ), methane ( CH4 ), hydrogen ( H2 ) and/or water vapor ( H2O ), as well as process-related unavoidable impurities.
  • the reactor gas discharged from the direct reduction reactor is dehumidified.
  • the discharged reactor gas is passed through a unit, for example a condenser, and cooled accordingly, so that the moisture contained in the reactor gas is reduced. Water vapor condenses and is thus separated from the reactor gas. By condensing and removing the condensate, the reactor gas is "dehumidified.” This improves the quality of the reactor gas.
  • Another embodiment involves separating the CO2 contained in the dehumidified reactor gas, which is then returned to the direct reduction reactor as a reduction gas, or as the dominant or main component of the reduction gas, essentially carbon dioxide-free.
  • the dehumidified reactor gas is passed through a unit in which compounds or mixtures of carbon and oxygen, such as carbon dioxide ( CO2 ), are separated, for example, by CO2 separation using amine scrubbing, carbonate scrubbing, membrane separation technology (such as selective membranes), or pressure swing absorption (PSA).
  • the carbon dioxide captured from the dehumidified reactor gas, the dehumidified electric arc furnace gas, or the mixture of electric arc furnace gas and converter gas can be stored in a suitable environment, used via carbon capture and storage (CCS), or utilized as a raw material in a carbon capture and utilization (CCU) process.
  • CCS carbon capture and storage
  • CO2 carbon dioxide
  • the carbon dioxide ( CO2 ) can also be used as a potential recarburization gas or as a component of a potential recarburization gas in the recarburization or cooling section of the direct reduction reactor.
  • the reactor gas could be introduced into the reformer without carbon dioxide separation.
  • the carbon dioxide it contains could then be reformed into carbon monoxide and hydrogen by adding natural gas or methane within the reformer, in order to be returned to the direct reduction reactor as reduction gas.
  • the reactor gas is also heated in the reformer, it can also be advantageous to introduce converter gas and/or electric arc furnace gas containing CO and/or H2 into the reformer.
  • the electric furnace gas and/or converter gas can be added directly to the reformer, for example without CO2 and/or H2O separation.
  • the reducing gas introduced into the direct reduction reactor for the direct reduction of the iron oxides to directly reduced iron is heated to a temperature between 700 and 1100 °C in at least one reducing gas heater or at least one reformer before being fed into the final reduction section of the direct reduction reactor.
  • a portion of the dehumidified reactor gas can be used as fuel gas or as an additive gas to a fuel gas, thus at least as a component of the fuel gas, to fire the reducing gas heater or the reformer.
  • up to 20%, particularly up to 16%, preferably up to 13%, and preferably up to 10% of the dehumidified reactor gas can be used at least partially as fuel gas. This allows, for example, process-related impurities in the quasi-closed system to be kept to a minimum, and an undesirable increase in impurities in the system can be counteracted by diverting some of the gas as fuel gas.
  • the integrated steelworks can also include a coking plant where coke can be produced for a blast furnace process. Furthermore, the integrated steelworks can also include at least one blast furnace in which iron oxides are melted with coke and other additives to produce pig iron and slag. The pig iron produced in the blast furnace can be further refined in the converter into crude steel or steel, either alongside or together with the pig iron from the electric arc furnace.
  • the portion of the reactor gas that is removed by dehumidification, optional carbon dioxide removal, and optional partial diversion must be replaced, at least in part, by fuel gas, i.e., the discharged mass flow, by at least the electric arc furnace gas or the mixture of electric arc furnace gas and converter gas, and if this cannot be sufficiently supplied, by additional fresh gas.
  • fuel gas i.e., the discharged mass flow
  • the fresh gas can be methane, for example natural gas or biomethane, etc., or hydrogen or mixtures thereof.
  • fresh gas can be supplied variably depending on the availability of electric arc furnace gas or a mixture of electric arc furnace gas and converter gas. Since at least the converter is not operated continuously, converter gas is only available temporarily. Furthermore, an electric arc furnace will generally not be able to provide electric arc furnace gas 24/7, so that, depending on the design and operating mode of a direct reduction plant, Fresh gas can be supplied if, for example, excesses of electric arc furnace gas or the mixture of electric arc furnace gas and converter gas cannot be (temporarily) stored to ensure essentially continuous operation of the direct reduction reactor.
  • the operating mode can also be adapted to the availability of electric arc furnace gas or the mixture of electric arc furnace gas and converter gas, so that as little fresh gas as possible needs to be supplied.
  • FIG. 1 An example of a method according to the invention is shown in a schematic representation of an integrated steelworks for operating a direct reduction reactor.
  • the integrated steelworks (1) comprises at least one direct reduction reactor (2) for the direct reduction of iron oxide carriers (io) to directly reduced iron carriers (ri), at least one electric arc furnace (3) for melting the directly reduced iron carriers (ri) to pig iron, and at least one converter (4) for refining pig iron to crude steel or steel.
  • the integrated steelworks (1) may also include at least one coking plant for coking coal to produce coke and at least one blast furnace for melting iron oxide carriers with coke and other additives to produce pig iron.
  • the pig iron (HM) produced in the blast furnace can be further refined into steel in the converter (4), either alongside or together with the pig iron produced in the electric arc furnace (3).
  • the operation of the converter (4) produces converter gas (KG), which preferably contains carbon monoxide.
  • Oxide iron carriers (io) are introduced into a direct reduction reactor (2), which can, for example, be designed as a shaft furnace and is thus appropriately loaded at the upper end.
  • a direct reduction reactor (2) At the lower end of the direct reduction reactor (2), the directly reduced iron carriers (ri) are removed and fed to an electric furnace (3) for melting the directly reduced iron carriers (ri), particularly with the addition of further additives such as steel scrap and/or carbon carriers.
  • This operating mode produces an electric furnace gas (EG) in the electric furnace (3), which preferably contains carbon monoxide.
  • EG carbon monoxide-containing electric furnace gas (EG) can be generated or obtained, for example, if the electric furnace (3) is operated in a reducing atmosphere.
  • the method for operating an electric furnace (3) with a reducing atmosphere is known to those skilled in the art.
  • the converter (4) Refined steel can be fed into secondary metallurgy in the integrated steelworks (1) in the fastest way possible to process the desired steel and then cast into semi-finished products, such as flat or long products.
  • the direct reduction reactor (2) In addition to iron oxide carriers (io), the direct reduction reactor (2) must also be supplied with a reducing gas (RG) to drive off the oxygen from the iron oxide carriers (io).
  • This gas can consist of carbon-containing compounds and/or hydrocarbon-containing compounds and/or hydrogen or mixtures thereof and flows through the direct reduction reactor (2), particularly in a shaft furnace, from bottom to top in a countercurrent flow.
  • the reducing gas (RG) Before being supplied, the reducing gas (RG) is heated to a required operating temperature, for example between 700 and 1100 °C, in at least one reducing gas heater (5) or in the at least one reformer.
  • the discharged electric furnace gas (EG) or the mixture of discharged electric furnace gas (EG) and discharged converter gas (KG) can be dehumidified by passing it, for example, through a condenser and cooling it accordingly, so that the water vapor ( H2O ) contained in the electric furnace gas (EG) or in the mixture of electric furnace gas (EG) and converter gas (KG) condenses and can thus be separated from the electric furnace gas (EG) or from the mixture.
  • the dehumidified electric furnace gas (EG) or the dehumidified mixture of electric furnace gas (EG) and converter gas (KG) can be freed from carbon dioxide.
  • the extracted reactor gas (TG) is dehumidified by passing it, for example, through a condenser and cooling it accordingly, so that the water vapor (H 2 O) contained in the reactor gas (TG) condenses and can thus be separated from the reactor gas (TG).
  • a portion of the dehumidified reactor gas (TG) can be used, at least in part, as fuel gas (BG) to fire at least one reducing gas heater (5) or at least one reformer.
  • the fuel gas (BG) diverted from the dehumidified reactor gas (TG) can be supplemented with another fuel gas if required.
  • Air and/or oxygen ( O2 ) serves as the oxidizer for the combustion process in the reducing gas heater (5) or in the reformer. If additional heat is required to achieve the Operating temperature of the reducing gas (RG) is required; it can also be heated electrically if necessary, not shown here.
  • the reactor gas (TG) circulated in the cycle (I) can be further freed from carbon dioxide (CO 2 ) after dehumidification by passing the dehumidified reactor gas (TG) through a suitable CO 2 separation unit.
  • Unused reducing gas, along with any gaseous reaction products, is discharged from the direct reduction reactor (2) as reactor gas (TG).
  • the discharged reactor gas (TG) may contain hydrogen ( H2 ), a compound or mixture of carbon and oxygen (CO, CO2 ), and/or at least one hydrogen-containing compound ( H2O ), as well as unavoidable impurities.
  • the discharged reactor gas (TG) is recirculated (I) back into the direct reduction reactor (2).
  • Fresh gas (FG) can be added not only to improve the reduction potential but also to compensate for the amount removed through dehumidification, optional partial diversion (at least partially as fuel gas (BG)), and optional carbon dioxide capture.
  • fresh gas (FG) can be added to reform the reactor gas (TG), which is then recycled in the reformer to convert the CO2 to CO and H2 .
  • the electric furnace gas (EG) discharged from the electric furnace (3) or a mixture of the electric furnace gas (EG) discharged from the electric furnace (3) and the converter gas (KG) discharged from the converter (4) is at least partially, preferably completely, added to the reduction gas (RG) before being introduced into the at least one reduction gas heater (5) or into the at least one reformer. This allows at least part or all of the fresh gas (FG) to be replaced.
  • the quantity of available electric arc furnace gas (EA) and converter gas (CG) can vary depending on the operating mode.
  • converter gas (CG) is not continuously available.
  • Fresh gas (FG) can therefore be supplied variably as needed, depending on the availability of electric arc furnace gas (EA) or the mixture of converter gas (CG) and electric arc furnace gas (EA).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionreaktors (2) in einem integrierten Hüttenwerk (1), umfassend mindestens einen Direktreduktionsreaktor (2) zum Direktreduzieren von oxidischen Eisenträgern (io) zu direktreduzierten Eisenträgern (ri) und Erzeugung eines Reaktorgases (TG), mindestens einen Elektroofen (3) zum Einschmelzen des Eisenschwamms zu Roheisen und Erzeugung eines Elektroofengases (EG) und mindestens einen Konverter (4) zum Raffinieren von Roheisen zu Rohstahl oder Stahl und Erzeugung eines Konvertergases (KG), wobei mindestens ein Teil des aus dem Direktreduktionsreaktor (1) abgeführten Reaktorgases (TG) im Kreislauf (I) geführt wird, in mindestens einem Reduktionsgaserwärmer (5) oder in mindestens einem Reformer erwärmt und in den Direktreduktionsreaktor (2) als Reduktionsgas (RG) wieder zugeführt wird, wobei das aus dem Elektroofen (3) abgeführte Elektroofengas (EG) oder einer Mischung des aus dem Konverter (4) abgeführten Konvertergas (KG) und des aus dem Elektroofen (3) abgeführten Elektroofengas (EG) zumindest zu einem Teil dem Reduktionsgas (RG) vor dem Einleiten in den mindestens einen Reduktionsgaserwärmer (5) oder in den mindestens einen Reformer beigemengt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors in einem integrierten Hüttenwerk, umfassend mindestens einen Direktreduktionsreaktor zum Direktreduzieren von Eisenerz zu Eisenschwamm und Erzeugung eines Reaktorgases, mindestens einen Elektroofen zum Einschmelzen des Eisenschwamms zu Roheisen und Erzeugung eines Elektroofengases und mindestens einen Konverter zum Raffinieren von Roheisen zu Rohstahl oder Stahl und Erzeugung eines Konvertergases, wobei mindestens ein Teil des aus dem Direktreduktionsreaktor abgeführten Reaktorgases im Kreislauf geführt wird, in mindestens einem Reduktionsgaserwärmer oder in mindestens einem Reformer erwärmt und in den Direktreduktionsreaktor als Reduktionsgas wieder zugeführt wird.
  • Ein vergleichbares Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors in einem integrierten Hüttenwerk ist beispielhaft in der EP 1 641 945 B1 offenbart. Es wird vorgeschlagen, Konvertergas mit Koksofengas aufgrund hoher H2- und CO-Gehalte einem recyclierenden Gas beizumengen, welche als Mischung zunächst auf eine Temperatur erwärmt werden muss, um anschließend in einen Direktreduktionsreaktor zum Reduzieren von Eisenerz rückgeführt werden zu können. Der im Direktreduktionsreaktor erzeugte direktreduzierte Eisenträger wird vollständig im Hochofen eingesetzt.
  • Einen analogen Ansatz offenbart auch die EP 0 258 208 B1 , wobei der direktreduzierte Eisenträger einem Konverter zugeführt wird und ein Überschuss davon einem Elektrolichtbogenofen zugeführt werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass die in einem bestehenden integrierten Hüttenwerk vorhandenen energetisch und stofflich wertvollen Prozessgase wirtschaftlich optimiert genutzt werden können.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
  • In mindestens einem Direktreduktionsreaktor werden aus oxidischen Eisenträgern, wie zum Beispiel Eisenerz, mittels eines Reduktionsgases, welches Wasserstoff oder Anteile an Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff und/oder Methan, und optional aliphatische Verbindungen wie zum Beispiel Methanol/Ethanol enthalten kann, direktreduzierte Eisenträger und ein Reaktorgas erzeugt. Das Reaktorgas kann unreagierte Bestandteile aus Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff und/oder Methan enthalten, wobei zusätzlich Anteile an Kohlenstoffdioxid und/ oder Wasserdampf enthalten sein können.
  • Die direktreduzierten Eisenträger werden in mindestens einem Einschmelzer zu Roheisen erschmolzen und nebenbei wird ein Elektroofengas erzeugt, welches reaktive Bestandteile an Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid enthalten kann.
  • Das Roheisen wird in mindestens einem Konverter, insbesondere Sauerstoffkonverter, durch Raffinieren weiterveredelt, somit durch Entziehen von insbesondere Kohlenstoff, Schwefel und/oder Phosphor in Rohstahl oder Stahl überführt. Dabei entsteht ein Konvertergas, welches Anteile an im Wesentlichen Kohlenstoffmonoxid enthalten kann.
  • Die einzelnen genannten Aggregate und entsprechenden Verfahren sind Stand der Technik und in der Praxis etablierte Prozesse. Somit kennt der Fachmann die Betriebsweise der einzelnen Aggregate.
  • Erfindungsgemäß wird das aus dem Elektroofen abgeführte Elektroofengas oder eine Mischung des aus dem Konverter abgeführten Konvertergas und des aus dem Elektroofen abgeführten Elektroofengas zumindest zu einem Teil dem Reduktionsgas vor dem Einleiten in den mindestens einen Reduktionsgaserwärmer oder vor dem Einleiten in den mindestens einen Reformer beigemengt.
  • Die Mischung aus abgeführtem Konvertergas und aus abgeführtem Elektroofengas oder das abgeführte Konvertergas enthält im Wesentlichen Bestandteile an Kohlenstoffmonoxid, welche sich hervorragend für die Direktreduktion eignen. Der Anteil an Kohlenstoffmonoxid dominiert, das heißt, dass mindestens 25 Vol.-%, insbesondere mindestens 30 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 35 Vol.-%, bevorzugt mindestens 40 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 45 Vol.-%, weiter bevorzugt mindestens 55 Vol.-% Kohlenstoffmonoxid im Elektroofengas oder in der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas enthalten ist. Das Zuführen von Frischgas, somit externes Zuführen von Methan (Erdgas) und/oder Wasserstoff, kann mithin reduziert oder insbesondere auch vollständig vermieden werden kann, um den bestehenden Kreislauf aufrecht zu halten. Das Elektroofengas kann mithin mindestens 20 Vol.-%, insbesondere mindestens 25 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 30 Vol.-%, bevorzugt mindestens 35 Vol.-% Wasserstoff enthalten. Der Wasserstoffanteil kann beispielsweise durch das Einbringen von Dampf weiter eingestellt werden.
  • Der Elektroofen ist ein elektrischer Einschmelzer und kann bevorzugt ein Ofen der Gattung OSBF (Open Slag Bath Furnace) sein. Hierzu zählen Elektroreduktionsöfen, vor allem SAF (Submerged Electric Arc Furnace), welche Schmelzöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung sind, die Lichtbögen zwischen der Elektrode und dem Einsatzstoff und/oder der Flüssigphase bilden oder welche den Einsatzstoff und/oder die Flüssigphase mittels Joule-Effekt erwärmen. Beim SAF sind die Elektroden in den Einsatzstoff und/oder die Flüssigphase, insbesondere in die Flüssigschlacke eingetaucht. Je nach Funktionsprinzip/Betriebsweise können die Elektroreduktionsöfen als Wechselstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFac) oder Gleichstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFdc) ausgeführt sein. Alternativ können auch Schmelzöfen mit direkter Lichtbogeneinwirkung, welche vom oben beschriebenen Funktionsprinzip/Betriebsweise abweichen, sogenannte EAF (Electric Arc Furnace) zum Einsatz kommen, welche Lichtbögen zwischen der Elektrode und der Flüssigphase bilden. Dies umfasst den Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFac), den Gleichstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFdc) und den Pfannenofen LF (Ladle Furnace).
  • Der Direktreduktionsreaktor kann in zwei bzw. drei Bereiche unterteilt werden, einem Vorreduktionsbereich, einem Fertigreduktionsbereich und optional einem sogenannten Aufkohlungsbereich bzw. Kühlbereich, wobei die oxidischen Eisenträger diese Bereiche in der vorgenannten Reihenfolge durchwandern und das Reduktionsgas, welches in den Fertigreduktionsbereich eingebracht wird, in entgegengesetzter Richtung strömt. Ist der Direktreduktionsreaktor bevorzugt ein Schachtofen, so befindet sich der Vorreduktionsbereich im oberen Abschnitt des Schachtofens, in welchen die oxidischen Eisenträger eingebracht und vorreduziert werden, in den Fertigreduktionsbereich (durch Schwerkraft) gelangen, welcher sich im mittleren Abschnitt des Schachtofens befindet und in welchem die Eisenträger im Wesentlichen fertigreduziert werden, und (durch Schwerkraft) weiter wandern in den Aufkohlungsbereich bzw. Kühlbereich im unteren Abschnitt des Schachtofens, in welchem in der Regel zusätzlich ein kohlenstoffhaltiges Gas eingebracht wird, um den direktreduzierten Eisenträger aufzukohlen. Das Aufkohlen und Kühlen kann bevorzugt auch zusammen erfolgen, so dass ein zusätzlicher Kühlkreislauf angeordnet sein kann, wobei das Kühlgas kohlenstoffhaltig ausgeführt sein kann. Beim konventionellen Aufkohlen durch zusätzliches Gas wird im unteren Abschnitt in der Regel ein Gasaustausch zwischen Aufkohlungsbereich bzw. Kühlbereich und Fertigreduktionsbereich im Wesentlichen vermieden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird das aus dem Elektroofen abgeführte Elektroofengas oder die Mischung aus dem Elektroofen abgeführten Elektroofengas und aus dem Konverter abgeführten Konvertergas entfeuchtet. Das abgeführte Elektroofengas oder die Mischung aus dem abgeführten Elektroofengas und Konvertergas wird durch eine Einheit durchgeleitet, beispielsweise durch einen Kondensator, und entsprechend abgekühlt, so dass der im Elektroofengas oder in der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas befindliche Wasserdampf kondensiert und somit vom Elektroofengas oder der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas abgetrennt wird. Durch das Kondensieren und Ableiten des Kondensats wird das Elektroofengas oder die Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas "entfeuchtet". Dadurch kann die Qualität des Elektroofengases oder der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas erhöht werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass der im entfeuchteten Elektroofengas oder der in der entfeuchteten Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas enthaltene CO2-Anteil abgetrennt wird, welches anschließend als im Wesentlichen kohlenstoffdioxidfreies Elektroofengas oder als im Wesentlichen kohlenstoffdioxidfreie Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas dem Reduktionsgas (entfeuchtet und optional von Kohlenstoffdioxid befreit) beigemengt wird. Das entfeuchtete Elektroofengas oder die entfeuchtete Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas wird durch eine Einheit durchgeleitet, in welcher Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO2), abgeschieden wird, beispielsweise durch eine CO2-Abtrennung in Form einer Aminwäsche, Carbonatwäsche, Membranabtrennungstechnologie, wie zum Beispiel selektive Membranen, oder einer PSA (Pressure Swing Absorption).
  • Das aus dem Direktreduktionsreaktor abgeführte Reaktorgas enthält, je nach Zusammensetzung des eingesetzten Reduktionsgases und der Beimengung des Elektroofengases oder der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas, noch nicht abreagierte Anteile, insbesondere Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff (CO, CO2), Methan (CH4), Wasserstoff (H2) und/oder Wasserdampf (H2O) sowie prozessbedingte unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird das aus dem Direktreduktionsreaktor abgeführte Reaktorgas entfeuchtet. Das abgeführte Reaktorgas wird durch eine Einheit durchgeleitet, beispielsweise durch einen Kondensator, und entsprechend abgekühlt, so dass der im Reaktorgas befindliche Wasserdampf kondensiert und somit vom Reaktorgas abgetrennt wird. Durch das Kondensieren und Ableiten des Kondensats wird das Reaktorgas "entfeuchtet". Dadurch kann die Qualität des Reaktorgases erhöht werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der im entfeuchteten Reaktorgas enthaltene CO2-Anteil abgetrennt wird, welches anschließend als im Wesentlichen kohlenstoffdioxidfreies Reaktorgas wieder als Reduktionsgas bzw. als dominanter Teil oder Hauptanteil des Reduktionsgases in den Direktreduktionsreaktor rückgeführt bzw. einbracht wird. Das entfeuchtete Reaktorgas wird durch eine Einheit durchgeleitet, in welcher Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO2), abgeschieden wird, beispielsweise durch eine CO2-Abtrennung in Form einer Aminwäsche, Carbonatwäsche, Membranabtrennungstechnologie, wie zum Beispiel selektive Membranen, oder einer PSA (Pressure Swing Absorption).
  • Um die Klimabilanz weiter zu verbessern, kann das aus dem entfeuchteten Reaktorgas oder das aus dem entfeuchteten Elektroofengas oder das aus der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas abgeschiedene Kohlenstoffdioxid beispielsweise in einer geeigneten Umgebung gespeichert werden, mittels CCS (Carbon Capture and Storage) oder stofflich im Rahmen eines CCU (Carbon Capture and Utilization)-Verfahrens genutzt werden. Des Weiteren kann das Kohlenstoffdioxid (CO2) auch als mögliches Aufkohlungsgas oder Teil eines möglichen Aufkohlungsgases im Aufkohlungsbereich bzw. Kühlbereich des Direktreduktionsreaktors stofflich genutzt werden. Bei Verwendung einer Direktreduktionsanlage nach dem sogenannten und bekannten Midrex-Verfahren, welche mindestens einen Reformer anstelle eines Reduktionsgaserwärmers umfasst, in welchem konventionell Erdgas bzw. Methan als Frischgas zu einem Reduktionsgas umfassend Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgewandelt wird, könnte das Reaktorgas ohne Kohlenstoffdioxidabtrennung in den mindestens einen Reformer eingebracht werden und das enthaltene Kohlenstoffdioxid mit Zugabe von Erdgas bzw. Methan im Reformer zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff reformiert werden, um es dem Direktreduktionsreaktor als Reduktionsgas wieder zuzufügen. Da im Reformer das Reaktorgas zudem aufgeheizt wird, kann es auch zielführend sein, das CO und/oder H2 enthaltende Konvertergas und/oder Elektroofengas in den Reformer einzubringen.
  • Alternativ kann das Elektroofengas und/oder Konvertergas direkt in den Reformer hinzugegeben werden, beispielsweise ohne CO2- und/oder H2O-Abtrennung.
  • Das in den Direktreduktionsreaktor eingeleitete Reduktionsgas zum Direktreduzieren der oxidischen Eisenträger zu direktreduzierten Eisenträgern wird vor dem Einspeisen in den insbesondere Fertigreduktionsbereich des Direktreduktionsreaktors auf eine Temperatur zwischen 700 und 1100 °C in mindestens einem Reduktionsgaserwärmer oder in mindestens einem Reformer erwärmt. Hierfür kann als Brenngas oder als Zusatzgas zu einem Brenngas, somit zumindest zu einem Teil des Brenngases, zum Befeuern des Reduktionsgaserwärmers oder des Reformers ein Teil des entfeuchteten Reaktorgases verwendet werden. Beispielsweise kann bis zu 20 %, insbesondere bis zu 16 %, vorzugsweise bis zu 13 %, bevorzugt bis zu 10 % des entfeuchteten Reaktorgases zumindest zu einem Teil als Brenngas verwendet werden. Dadurch können beispielsweise die prozessbedingten Verunreinigungen im quasi geschlossenen System minimal gehalten werden und durch eine Teilabzweigung als Brenngas somit einer unerwünschten Erhöhung im System entgegengewirkt werden.
  • Das integrierte Hüttenwerk kann des Weiteren eine Kokerei umfassen, in welcher Koks für einen Hochofenprozess erzeugt werden kann. Das integrierte Hüttenwerk kann des Weiteren auch mindestens einen Hochofen umfassen, in welchem oxidische Eisenträger mit Koks und weiteren Zuschlagstoffen zu Roheisen und Schlacke erschmolzen werden. Das im Hochofen erzeugte Roheisen kann im Konverter, neben dem oder auch zusammen mit dem aus dem Elektroofen stammenden Roheisen, zu Rohstahl oder Stahl weiterveredelt werden.
  • Um einen Kreislaufbetrieb im Wesentlichen sicherstellen zu können, muss der Teil aus dem Reaktorgas, welcher durch das Entfeuchten, durch optionale Kohlenstoffdioxidabscheidung und durch optionale Teilabzweigung zumindest zu einem Teil an Brenngas abgeführt wird, somit der ausgeschleuste Massenstrom durch mindestens das Elektroofengas oder der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas, und falls dieses nicht ausreichend bereitgestellt werden kann, durch zusätzliches Frischgas ersetzt werden.
  • Bei dem Frischgas kann es sich um Methan, beispielsweise um Erdgas oder Bio-Methan etc., oder um Wasserstoff oder Mischungen daraus handeln.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann Frischgas variabel je nach Verfügbarkeit des Elektroofengases oder der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas zugeführt werden. Da zumindest der Konverter nicht kontinuierlich betrieben wird, steht somit auch nur temporär Konvertergas zur Verfügung. Auch ein Elektroofen wird in der Regel kein Elektroofengas 24/7 bereitstellen können, so dass je nach Auslegung und Betriebsweise einer Direktreduktionsanlage Frischgas zugeführt werden kann, falls beispielsweise Überschüsse an Elektroofengas oder der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas nicht (zwischen)gespeichert werden (können), um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Betrieb des Direktreduktionsreaktors sicherstellen zu können. Es kann aber auch die Betriebsweise an die Verfügbarkeit des Elektroofengases oder der Mischung aus Elektroofengas und Konvertergas angepasst werden, so dass so wenig wie möglich Frischgas zugeführt werden braucht.
  • Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Figur 1. Dabei zeigt die Figur 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens an einer schematischen Darstellung eines integrierten Hüttenwerks zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors.
  • Das integrierte Hüttenwerk (1) umfasst mindestens einen Direktreduktionsreaktor (2) zum Direktreduzieren von oxidischen Eisenträgern (io) zu direktreduzierten Eisenträgern (ri), mindestens einen Elektroofen (3) zum Einschmelzen der direktreduzierten Eisenträger (ri) zu Roheisen und mindestens einen Konverter (4) zum Raffinieren von Roheisen zu Rohstahl oder Stahl. Nicht dargestellt kann das integrierte Hüttenwerk (1) mindestens eine Kokerei zum Verkoken von Kohle zu Koks und mindestens einen Hochofen zum Erschmelzen von oxidischen Eisenträgern mit Koks und weiteren Zuschlagstoffen zu Roheisen umfassen. Das im nicht dargestellten Hochofen erzeugte Roheisen (HM) kann neben dem oder zusammen mit dem im Elektroofen (3) erzeugten Roheisen im Konverter (4) zu Stahl weiterveredelt werden. Durch die Betriebsweise entsteht im Konverter (4) ein Konvertergas (KG), welches bevorzugt kohlenstoffmonooxidhaltig ist.
  • Oxidische Eisenträger (io) werden in einen Direktreduktionsreaktor (2), welcher beispielsweise als Schachtofen ausgebildet sein kann und somit am oberen Ende entsprechend bestückt wird, eingebracht. Am unteren Ende des Direktreduktionsreaktors (2) werden die direktreduzierten Eisenträger (ri) entnommen und einem Elektroofen (3) zum Einschmelzen der direktreduzierten Eisenträger (ri) insbesondere mit Zugabe von weiteren Zusätzen wie zum Beispiel Stahlschrott und/oder Kohlenstoffträgern zugeführt. Durch die Betriebsweise entsteht im Elektroofen (3) ein Elektroofengas (EG), welches bevorzugt kohlenstoffmonoxidhaltig ist. Ein bevorzugt kohlenstoffmonoxidhaltiges Elektroofengas (EG) kann beispielsweise dann erzeugt bzw. erzielt werden, wenn der Elektroofen (3) reduzierend betrieben wird, d.h. mit einer reduzierenden Atmosphäre. Die Art und Weise zum Betreiben eines Elektroofens (3) mit einer insbesondere reduzierenden Atmosphäre ist dem Fachmann bekannt. Der im Konverter (4) raffinierte Stahl kann im integrierten Hüttenwerk (1) auf schnellstem Weg einer Sekundärmetallurgie zugeführt werden, um den gewünschten Stahl aufzubereiten und anschließend zu Halbzeugen, wie zum Beispiel zu Flach- oder Langprodukten, zu vergießen.
  • Neben oxidischen Eisenträgern (io) muss der Direktreduktionsreaktor (2) auch mit einem Reduktionsgas (RG) zum Austreiben des Sauerstoffs aus den oxidischen Eisenträgern (io) beschickt werden, welches aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen und/oder kohlenwasserstoffhaltigen und/oder Wasserstoff oder Mischungen daraus bestehen kann und im Gegenstromprinzip den Direktreduktionsreaktor (2), insbesondere in einem Schachtofen von unten nach oben, durchströmt. Das Reduktionsgas (RG) wird vor dem Beschicken in mindestens einem Reduktionsgaserwärmer (5) oder in dem mindestens einen Reformer auf eine erforderliche Betriebstemperatur erwärmt, beispielsweise zwischen 700 und 1100 °C.
  • Das abgeführte Elektroofengas (EG) oder die Mischung aus abgeführtem Elektroofengas (EG) und abgeführtem Konvertergas (KG) kann entfeuchtet werden, indem es beispielsweise durch einen Kondensator durchgeführt und entsprechend abgekühlt wird, so dass der im Elektroofengas (EG) oder in der Mischung aus Elektroofengas (EG) und Konvertergas (KG) befindliche Wasserdampf (H2O) kondensiert und somit vom Elektroofengas (EG) oder von der Mischung abgetrennt werden kann.
  • Das entfeuchtete Elektroofengas (EG) oder die entfeuchtete Mischung aus Elektroofengas (EG) und Konvertergas (KG) kann von Kohlenstoffdioxid befreit werden.
  • Das abgeführte Reaktorgas (TG) wird entfeuchtet, indem es beispielsweise durch einen Kondensator durchgeführt und entsprechend abgekühlt wird, so dass der im Reaktorgas (TG) befindliche Wasserdampf (H2O) kondensiert und somit vom Reaktorgas (TG) abgetrennt werden kann.
  • Ein Teil des entfeuchteten Reaktorgases (TG) kann zumindest zu einem Teil als Brenngases (BG) zum Befeuern mindestens eines Reduktionsgaserwärmers (5) oder mindestens eines Reformers verwendet werden. Das aus dem entfeuchteten Reaktorgas (TG) abgezweigte Brenngas (BG) kann bei Bedarf durch ein weiteres Brenngas ergänzt werden. Luft und/oder Sauerstoff (O2) dient als Oxidationsmittel für den Verbrennungsprozess im Reduktionsgaserwärmer (5) oder im Reformer. Ist ein zusätzlicher Wärmebedarf um das Erzielen der Betriebstemperatur des Reduktionsgases (RG) erforderlich, kann bei Bedarf auch elektrisch zugeheizt werden, hier nicht dargestellt.
  • Das im Kreislauf (I) geführte Reaktorgas (TG) kann nach dem Entfeuchten zusätzlich von Kohlenstoffdioxid (CO2) befreit werden, indem das entfeuchtete Reaktorgas (TG) durch eine geeignete CO2-Abtrennung durchgeführt wird.
  • Unverbrauchtes Reduktionsgas wird zusammen mit etwaigen gasförmigen Reaktionsprodukten als Reaktorgas (TG) aus dem Direktreduktionsreaktor (2) abgeführt. Das abgeführte Reaktorgas (TG) kann Wasserstoff (H2), eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff (CO, CO2) und/oder mindestens eine wasserstoffhaltige Verbindung (H2O) und unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Im Standardprozess wird das abgeführte Reaktorgas (TG) im Kreislauf (I) dem Direktreduktionsreaktor (2) wieder zugeführt, wobei Frischgas (FG) nicht nur zur Verbesserung des Reduktionspotentials sondern auch zum Ausgleich des durch Entfeuchten, durch optionale Teilabzweigung zumindest zu einem Teil an Brenngas (BG) und durch optionale Kohlenstoffdioxidabscheidung abgeführte Menge zusätzlich beigemengt werden kann, oder Frischgas (FG) zum Reformieren des Reaktorgases (TG), welches in den Reformer rezykliert wird, um das CO2 zu CO und H2 umzuwandeln.
  • Erfindungsgemäß wird das aus dem Elektroofen (3) abgeführte Elektroofengas (EG) oder eine Mischung des aus dem Elektroofen (3) abgeführten Elektroofengas (EG) und des aus dem Konverter (4) abgeführten Konvertergas (KG) zumindest zu einem Teil, vorzugsweise vollständig, dem Reduktionsgas (RG) vor dem Einleiten in den mindestens einen Reduktionsgaserwärmer (5) oder in den mindestens einen Reformer beigemengt. Dadurch kann zumindest ein Teil des Frischgases (FG) oder das Frischgas (FG) vollständig ersetzt werden.
  • Die Menge des verfügbaren Elektroofengases (EG), wie auch des Konvertergases (KG) kann je nach Betriebsweise variieren. So steht beispielsweise Konvertergas (KG) nicht dauerhaft zur Verfügung. Frischgas (FG) kann somit bei Bedarf auch je nach Verfügbarkeit des Elektroofengases (EG) oder der Mischung aus Konvertergas (KG) und des Elektroofengas (EG) variabel zugeführt werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionreaktors (2) in einem integrierten Hüttenwerk (1), umfassend mindestens einen Direktreduktionsreaktor (2) zum Direktreduzieren von oxidischen Eisenträgern (io) zu direktreduzierten Eisenträgern (ri) und Erzeugung eines Reaktorgases (TG), mindestens einen Elektroofen (3) zum Einschmelzen des Eisenschwamms zu Roheisen und Erzeugung eines Elektroofengases (EG) und mindestens einen Konverter (4) zum Raffinieren von Roheisen zu Rohstahl oder Stahl und Erzeugung eines Konvertergases (KG), wobei mindestens ein Teil des aus dem Direktreduktionsreaktor (1) abgeführten Reaktorgases (TG) im Kreislauf (I) geführt wird, in mindestens einem Reduktionsgaserwärmer (5) oder in mindestens einem Reformer erwärmt und in den Direktreduktionsreaktor (2) als Reduktionsgas (RG) wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Elektroofen (3) abgeführte Elektroofengas (EG) oder eine Mischung des aus dem Konverter (4) abgeführten Konvertergas (KG) und des aus dem Elektroofen (3) abgeführten Elektroofengas (EG) zumindest zu einem Teil dem Reduktionsgas (RG) vor dem Einleiten in den mindestens einen Reduktionsgaserwärmer (5) oder in den mindestens einen Reformer beigemengt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Elektroofengas (EG) oder die Mischung aus Konvertergas (KG) und Elektroofengas (EG) entfeuchtet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Elektroofengas (EG) oder die Mischung aus Konvertergas (KG) und Elektroofengas (EG) von Kohlenstoffdioxid befreit wird.
  4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das abgeführte Reaktorgas (TG) entfeuchtet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Teil des entfeuchteten Reaktorgases (TG) zumindest zu einem Teil als Brenngases (BG) zum Befeuern mindestens eines Reduktionsgaserwärmers (5) oder des mindestens einen Reformers verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das abgeführte Reaktorgas (TG) von Kohlenstoffdioxid befreit wird.
  7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei Frischgas (FG) variabel je nach Verfügbarkeit des Elektroofengases (EG) oder der Mischung aus Konvertergas (KG) und Elektroofengas (EG) zugeführt wird.
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