NL1006553C2

NL1006553C2 - Werkwijze voor het sturen (control) van een smelting reduction process.

Info

Publication number: NL1006553C2
Application number: NL1006553A
Authority: NL
Inventors: Mark Bernard Denys
Original assignee: Hoogovens Staal Bv
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-01-12
Also published as: BR9811680A; US6273931B1; RU2000103218A; DE69802693D1; EP0996749A1; MY120541A; RU2171850C1; CN1259172A; ID23039A; CA2296351A1; PL338006A1; ES2167923T3; KR20010012581A; DE69802693T2; ATE209694T1; AU8973798A; TW397867B; CN1094980C; CA2296351C; ZA986036B

Description

WERKWIJZE VOOR HET STUREN (CONTROL)

VAN EEN SMELTING REDUCTION PROCESS

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het sturen van een smelting reduction process in het bijzonder een cyclone converter furnace process voor productie van ruwijzer.

Een smelting reduction process van het type cyclone converter 5 furnace process is bijvoorbeeld bekend uit EP-A 0 690 136.

De uitvinding heeft ten doel een werkwijze voor het sturen van een smelting reduction process te verschaffen.

Dit wordt bij de uitvinding bereikt doordat men: de koolstoffractie C in het afgas in de vorm van CO en C02 meet; 10 - de waterstoffractie H2 in het afgas in de vorm van H2 en H20 meet; de verhouding C/H2 van de koolstoffractie C en de waterstoffractie H2 in het afgas bepaalt; - de aldus bepaalde C/H2-verhouding in het afgas vergelijkt met de 15 C/H2-verhouding die geldt voor de toegevoerde kolen, en de kolentoevoer aanpast op basis van het gevonden verschil van de C/H2-verhoudingen in het afgas en de toegevoerde kolen.

Het voordeel hiervan is dat de char-consumptie van het smelting reduction process on-line gemonitord kan worden en dat de / 20 kolentoevoer van het smelting reduction process automatisch gestuurd kan worden.

Bij voorkeur corrigeert men de C/H2-verhouding van de toegevoerde kolen voor het in het afgas meegevoerde kolenstof-verlies, voor de in het ruwijzer opgeloste koolstof, voor met 25 toeslagstoffen ingebrachte koolstof en/of waterstof en voor met waterinjectie in het afgassysteem vóór het bemonsteringspunt ingebrachte waterstof. Hierdoor wordt een nog betere sturing van het process verkregen.

Bij voorkeur past men de kolentoevoer aan bij gelijkblijvende 30 lanshoogte, erts- en zuurstoftoevoer. Het voordeel hiervan is dat 1006555 -2 - het proces stabiel verloopt.

De uitvinding zal worden toegelicht voor het Cyclone Converter Furnace (CCF) proces aan de hand van de tekening. De uitvinding kan echter ook bij andere smelting reduction processen, zoals 5 bijvoorbeeld het AlSI-proces en het DIOS-proces toegepast worden.

Fig. 1 toont een CCF-reactor.

Fig. 2 toont de kool- en waterstofbalans over de CCF-reactor.

Bij de productie van ruwijzer middels het CCF-proces wordt ijzererts, veelal inde vorm van Fe203, in een smeltcycloon 1 10 voorgereduceerd tot FeO. In het smeltvat 2 vindt de eindreductie van FeO tot ijzer (Fe) plaats.

Bij de CCF is de smeltcycloon 1 bovenop een converter-achtig smeltvat 2 geplaatst. In het smeltvat worden kolen 3 toegevoerd en voor een deel vergast door verbranding ter plaatse 10 met door 15 middel van een lans of lansen 9 toegevoerde zuurstof 4. De afgassen stijgen op naar de cycloon. In de cycloon worden ijzererts 5 en zuurstof 6 tangentieel ingeblazen. De zuurstof reageert met een deel van het zich in het afgas bevindende CO en H2 en hierbij komt warmte vrij. De geïnjecteerde ertsdeeltjes worden door de 20 verbrandingshaarden in de cycloon geblazen en smelten momentaan. Het gesmolten erts wordt in de cycloon ter plaatse 11 voorgereduceerd tot FeO volgens de chemische reacties: 3Fe203 + CO (H2) <-> 2Fe301| + C02 (H20) 25 Fe304 + CO (H2) <-> 3FeO + C02 (H20)

Het voorgereduceerde vloeibare erts 12 druipt vanuit de cycloon op . de slaklaag 7 in het onderliggende smeltvat. De ertsdruppels lossen op in de slak; in de slaklaag vindt de eindreductie tot ijzer plaats 30 volgens de netto chemische reactie:

FeO + Cvast <-> Fevloeibaar + CO

De koolstof die bij deze reactie wordt verbruikt wordt middels het 35 inbrengen van kolen in de slaklaag aangevuld. Vluchtige componenten in de kolen verdampen ten gevolge van de heersende hoge temperatuur direct uit, en een vorm van koolstof, "char" genaamd, blijft in de slak achter.

De char heeft in de slak een drieledige functie: 40 1. het is het reductiemiddel voor de eindreductie van de 1006553 -3 - ijzeroxides naar ijzer; 2. het is de brandstof om de benodigde warmte te leveren om de reductie te kunnen laten verlopen en het ijzererts te smelten; 3. het heeft een stabiliserende werking op de schuimvorming van de 5 vloeibare slaklaag; hiervoor dient de char-massafractie in de slak niet veel lager dan 20 % te zijn.

Bij de functies 1 en 2 treedt een verbruik aan char op, terwijl bij functie 3 wordt nagestreefd om de char-fractie in de slak zo constant mogelijk te houden.

10 De functies 1, 2 en 3 zijn met elkaar te verenigen door de char- toevoer gelijk te houden aan het char-verbruik. Echter de char is afkomstig uit de kolen, en naast het ontstaan van char ontsnappen ten gevolge van de heersende hoge temperatuur de vluchtige bestanddelen uit de kolen. De vluchtige bestanddelen leveren op hun 15 beurt weer een bijdrage aan de functie 2 van de char.

Koolstof en waterstof vormen veelal de belangrijkste componenten waaruit de vluchtige bestanddelen in de kolen zijn opgebouwd.

Bij het smeltbad-proces geldt (zie Fig. 2): 20 a,—,.. + A-—w - Φ-,___+ dc^/dt + ér·.. + __+ . . massabalans koolstof massabalans waterstof

Hierbij is: 25 - <pc, coal in de hoeveelheid koolstof die met de kolen wordt ingebracht; coal in de hoeveelheid waterstof die met de kolen wordt ingebracht; Φο, gas out het totaal aan koolstof in CO en C02 in het afgas. Deze 30 koolstof is afkomstig uit de verbranding van de vluchtige koolwaterstoffen en de char in de slak en het verbruik van de char voor de eindreductie van het ijzererts en eventuele koolstoffracties in de gedoseerde toeslagstoffen; 0C,F* de hoeveelheid koolstof die in het nieuw gevormde ijzer per 35 tijdseenheid wordt opgenomen; 0Cislag de hoeveelheid koolstof die in de nieuw gevormde slak per tijdseenheid wordt opgenomen; 0C dusb out de hoeveelheid koolstof die als fijn stof de CCF-reactor verlaat; 40 - 0c, flux in de koolstof die de CCF-reactor binnenkomt als gevolg 1006553 - 4 - van de toeslagendosering (bijvoorbeeld CaC03); ΦΗ gas out de totale hoeveelheid waterstof in de vorm van H20 en H2 in het afgas. Deze waterstof is afkomstig uit de vluchtige koolwaterstoffen in de kolen, uit waterstof in eventuele 5 toeslagstoffen en het (eventueel) ingebrachte koelwater; Φη2. water in de hoeveelheid waterstof in de vorm van water dat wordt gebruikt voor de (eventuele) directe koeling van het hete gas in de gasleiding; ΦΗχ, fiux in de waterstof die de CCF-reaktor binnenkomt als gevolg 10 van de toeslagendosering.

Opgemerkt wordt dat er nog wel meer toevoerbronnen en verliesposten voor C en H2 denkbaar zijn, zoals bijvoorbeeld bij verontreiniging met lucht en slijtage van de vuurvaste bekleding van de metallurgische vaten. Deze zijn echter in het algemeen van 15 ondergeschikte betekenis. Desgewenst kunnen deze echter op overeenkomstige wijze verdisconteerd worden.

In Fig. 2 stelt M een monstername of een meetpunt voor.

Sturing van kolendosering naar de C/H2-verhouding 20 In een smelting reduction proces (zoals de CCF-convertor) veranderen de interne condities tijdens procesvoering doordat het slak/metaalbad 7, 8 aangroeit tijdens procesvoering. Deze verande ringen beïnvloeden het gedrag van de reactor. Bovendien bevat het badproces mogelijke wegloopeffecten zoals buitensporig slakschuimen 25 en invriezen van de vloeibare slak.

Essentiële aspecten voor het stabiel bedrijven van een smelting-reduction badproces zijn: . - een stabiele koolstoffractie in het metaalbad; het behouden van een stabiele slakhoogte, dat wil zeggen 30 voorkomen van buitensporig slakschuimen, zogenaamde "slopping".

Het is hierbij van essentieel belang een goede controle te hebben over de char-fractie in de slak. Wanneer er voldoende char aanwezig is zorgt dit voor het coalesceren van de kleine stabiele gasbellen en wordt "slopping" voorkomen. Door de extreme condities 35 in de converter is het moeilijk om interne procescondities zoals de char-fractie betrouwbaar direct te meten. De besturing van de reactor is daarom bij voorkeur gebaseerd op (zoveel mogelijk) extern meetbare grootheden (zoals afgassamenstelling). Zodra de char-fractie onder controle is, is het badproces goed te sturen.

40 Hierbij beschikt de operator over de volgende 1006553 -5- sturingsparameters: de grondstoffentoevoer (kolen, erts, toeslagstoffen); het zuurstofdebiet; de lanshoogte (- de afstand tussen de lanskop en de slaklaag).

5 In het hiernavolgende wordt een methode voorgesteld waarmee op eenvoudige wijze veranderingen in de char-consumptie gevolgd kunnen worden en de kolendosering zo gestuurd wordt dat de char-massa in de convertor stabiel blijft.

Kool bestaat hoofdzakelijk uit grafiet en vluchtige bestanddelen 10 (koolwaterstoffen). Wanneer kool wordt gedoseerd in het badproces dampen de koolwaterstoffen direct uit. De koolwaterstoffen "kraken" door de hoge temperatuur en komen in het afgas terecht als H2, H20, CO en C02. Het in de slak achterblijvende product (char) bestaat hoofdzakelijk uit grafiet. Deze char wordt geconsumeerd door de 15 reductiereacties en door directe verbranding met zuurstof. Beide reacties produceren CO en C02. De waterstoffractie in het afgas (in de vorm van H2 en H20) is daarmee alleen een functie van het gebruikte kooltype en de hoeveelheid toegevoerde kolen. De koolstof fractie (in de vorm van CO en C02) is daarnaast ook een 20 functie van de char-consumptie. Het volgen van de verhouding tussen de koolstoffractie en de waterstoffractie in het afgas levert dus een directe indicatie voor veranderingen in de char-consumptie van het badproces.

Voor het bedrijven van het badproces is een stabiele char-massa 25 essentieel. De C/Hz-verhouding in het afgas kan hierbij dienen voor het automatisch sturen van de kolentoevoer. Dit vraagt een f betrouwbare bemonstering van het afgas uit de convertor. In dit - geval moet men rekening houden met eventuele koolstof- en waterstoffracties in de overige grondstoffen. Daarnaast moet 30 rekening gehouden worden met twee verschijnselen die bijdragen aan de afbouw van de char-massa in de converter; char-stofverlies via de afgasleiding en het oplossen van koolstof in het metaalbad. Tevens moet er zoveel char gevormd worden dat de char-fractie in de hoeveelheid nieuw gevormde slak gelijk is aan de fractie van de 35 reeds in de converter aanwezige slak. De verschijnselen kunnen in rekening worden gebracht door de kolentoevoer zo te regelen dat de C/H2-verhouding in het afgas gelijk is aan een gecorrigeerde C/H2-verhouding. Waren deze verschijnselen niet aanwezig dan zou kolendosering gelijk zijn aan kolenconsumptie wanneer de C/H2-40 verhouding in het afgas gelijk is met die van de toegevoerde kool.

1006553 -6-

In het vervolg wordt een voorbeeld gegeven van het berekenen van de gecorrigeerde C/H2-verhouding.

De vorming van char-stof wordt hoofdzakelijk bepaald door het reeds aanwezige stof in de toegevoerde kool en door het type kool 5 (bepalend voor het opbreekgedrag tijdens ontgassing). Het stofverlies kan tot 15 % oplopen. In het CCF-proces zal echter in de smeltcycloon een deel van het char-stof verbranden.

Om het mogelijk afbouwen van de char-fractie in de slak door de stofverliezen te voorkomen kan men voor de berekening van de 10 gecorrigeerde C/H2-verhouding het beste uitgaan van het maximale stofverlies. Gedurende de procescyclus vindt dan bij een kleiner stofverlies enige toename van char in de converter plaats (zie voorbeeld). De char-fractie in de slak zal echter relatief gelijk blijven door het aangroeien van de slaklaag. Om te corrigeren voor 15 een eventueel te hoge char-fractie in de resterende slak na een (gedeeltelijke) aftap van metaal en slak, dan kan men een korte tijd de kolentoevoer afregelen en char "uitbranden". De char-fractie wordt zo verlaagd om vervolgens weer over te gaan op sturing van de kolentoevoer naar de C/H2-verhouding.

20 De bepaling van de hoeveelheid C in het ruwijzer kan plaatsvinden door met regelmaat een monster te nemen van het geproduceerde (afgetapte) ruwijzer en hierin het koolstofgehalte te bepalen. Ook is een extra correctie op de gewenste C/Hz-verhouding nodig wanneer gedoseerde toeslagstoffen (bijvoorbeeld CaC03) en 25 eventuele waterinjectie extra koolstof en/of waterstof in het afgas brengen (zie voorbeeld).

/

Voorbeeld

Berekening van de C/Hz-verhouding 30

In dit voorbeeld wordt een berekening gegeven van de gecorrigeerde C/Hz-verhouding. De berekening gaat uit van (RY = ruwijzer) : een 0.7 mln ton RY/jaar installatie; 35 - productiesnelheid 90 ton RY/uur, aftap elk uur; koolconsumptie 600 kg/ton RY, mid-vluchtige kool; een maximaal mogelijk char -stofverlies van 15 % van de gedoseerde koolmassa; opkoling van het ruwijzerbad tot een massafractie van 4.5 %.

40 1006553 - 7 -

Analyse mid-vluchtige kool (massafracties): vluchtige bestanddelen 20 % fixed carbon (grafiet) 70 % mineralen 5 % 5 - vocht 5 %

Dry ash-free analysis (90 % van totale massa) koolstof 90 % waterstof 5 % 10 - rest 5 %

Berekening van de gewenste C/H2-verhouding in het afgas H2 als koolwaterstof in 600 kg kool - 0.9 x 0.05 x 600 - 27 kg Hz = 13.5 kmol H2 15 extra H2 door vocht in 600 kg - 0.05 x 600 - 30 kg H20 - 1.7 kmol H2 totale H2 in 600 kg kool - 15.2 kmol H2

totale C in 600 kg kool - 0.9 x 0.9 x 600 - 486 kg C - 40.5 kmol C

20 C/H2 in gedoseerde kool - 40.5 / 15.2 - 2.66

maximaal stofverlies per 600 kg kool - 0.15 x 600 - 90 kg char »7.5 kmol C

opkoling van het ruwijzer per ton - 0.045 x 1000 - 45 kg C - 3.75 25 kmol C

gecorrigeerde C/H2-verhouding voor sturing naar converter-afgas C/H2 - (40.5 - 7.5 - 3.75) / 15.2 - 1.92

30 kalksteen dosering in cycloon - 170 kg/ton RY - 1.7 kmol C

gecorrigeerde C/H2-verhouding voor sturing naar cycloon-afgas: C/H2 - (40.5 - 7.5 - 3.75 + 1.7) / 15.2 - 2.04 1006553

Claims

1. Werkwijze voor het sturen van een smelting reduction process in het bijzonder een cyclone converter furnace process voor 5 productie van ruwijzer, met het kenmerk, dat men: de koolstof fractie C in het afgas in de vorm van CO en C02 meet; de waterstof fractie H2 in het afgas in de vorm van H2 en Hz0 meet; 10. de verhouding C/H2 in het afgas bepaalt; de aldus bepaalde C/H2-verhouding in het afgas vergelijkt met de C/H2-verhouding die geldt voor de toegevoerde kolen, en de kolentoevoer aanpast op basis van het gevonden verschil 15 van de C/H2-verhoudingen in het afgas en de toegevoerde kolen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men de C/H2-verhouding van de toegevoerde kolen corrigeert voor het in 20 het afgas meegevoerde kolenstofverlies.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men de C/H2-verhouding van de toegevoerde kolen corrigeert voor de in het ruwijzer opgeloste koolstof. 25

4. Werkwijze volgens één der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat men de C/H2-verhouding van de toegevoerde kolen corrigeert voor met toeslagstoffen ingebrachte koolstof en/of waterstof.

5. Werkwijze volgens één der conclusies 1 - 4, met het kenmerk, dat men de C/H2-verhouding van de toegevoerde kolen corrigeert voor met waterinjectie in het afgassysteem vóór het bemonste-ringspunt ingebrachte waterstof.

6. Werkwijze volgens één der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat men de kolentoevoer aanpast bij gelijkblijvende lanshoogte, erts- en zuurstoftoevoer. 1006553