NO883448L - Fremgangsmaate for fremstilling av flytende raajern og hoeyverdig toppgass. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåte for å fremstille flytende råjern og høyverdig toppgass med et molforhold på (C0+H2)/N2> 2,8 i en masovn hvori normale temperaturer opprettholdes i ildstedet og toppsonene, og som mates med charge med konvensjonell sammensetning samtidig med at tilsatsbrensel og forvarmet blest, tilveiebragt ved blanding av luft, oksygen og vann, blir tilført "raceways". Oppfinnelsen vedrører også en måte å fremstille stål og ammoniakk ved å produsere flytende råjern og høyverdig toppgass på en måte som er beskrevet ovenfor og omdanne toppgass til ammoniakk.

For enkelhets skyld kommer følgende enhetsbetegnelser og symboler til å bli anvendt gjennom spesifikasjonen:

På denne måten betegnes eksempelvis spesifikk råjernsflyt med THM/m<2>.24t (=tonn råjern pr. m<2>ildstedareal og 24 t).

Uttrykket "raceways" benyttes på grunn av at det ikke finnes noe tilsvarende uttrykk på norsk. Det refererer seg til den varme sonen som strekker seg fra blåseformen, og når vanligvis 1,5-2 m inn mot masovnens sentrum.

Et stort antall patenter, tidsskriftsartikler osv. vedrører måter å optimere driften av blestovnen, spesielt ved minimalisering av kostnadene når det gjelder brensel/THM (trj). Foreslåtte trinn for å oppnå optimale driftsbetingelser innbefatter (1) øket blesttemperatur, (2) charge-preparering, (3) injeksjon i gass i sjakten, (4) for-redusere charge, (5) blesttilsatset, (6) høyt topptrykk m.m. Ved drift av moderne, konvensjonelle, optimaliserte masovner, blir vanligvis en eller flere av trinnene (1), (2), (6) anvendt.

Grunnfilosofien, som har ligget bak utviklingen av masovnsop-timalisering, har innbefattet trinnene som reduserer kostnadene for brenselkonsumering/THM, speiselt ved målinger som reduserer andelen koks i chargen, men også ved erstating av koks i chargen med billigere brensel, f.eks. kullpulver, injisert i "raceways". Optimaliseringen har vært veldig vellykket, og eksisterende masovner, som blir drevet på en konvensjonell måte, har vanligvis et brenselforbruk som er mindre enn 370 kg koks + 100 kg kullpulver/THM. Den spesifikke råjernsproduksjonen ligger da vanligvis i intervallet på 55 - 65 THM/m<2>.24 t. En slik masovn kan drives i området 20$ av optimalproduksjonen, men selvkostnaden for råjernet blir da høyere på begge sidene av optimalbetingelsene.

For nærmere å belyse begrepet "konvensjonelt drevet optimalisert masovn", som er av betydning for en riktig forståelse av foreliggende oppfinnelse, vil en detaljert beskrivelse av en slik masovn bli gitt nedenfor som et eksempel.

Ovnens ildstedsdiameter er 8,5 m og dets optimale råjernskapasitet, dvs. kapasitet hvor produksjonskostnaden/THM er lavest, utgjør et gjennomsnitt på 130 THM/t ved 96$ utnyt-tingsgrad. Optimalkapasiteten motsvarer en spesifikk råjernskapasitet på 57 THM/m<2>.24 t. Nøvendig mating av Jernråvarer, slaggdannere, brensel og blestluft (forvarmet til 1430°K) fremgår av tabell 1 som også viser analyser i vekt-# på charge-komponentene, tilsatsbrensel, slagg og råjern og vol# i blestluften.

Spesifikt slaggflyt i ildstedsonen utgjør 8,5 tonn slagg-/m<2>.24 t. Adiabatisk flammetemperatur i "raceways" beregnes til 2460°K, og toppgassen har en temperatur på 430°K. Ild-stedgassen og toppgassens analyse i vol$ m.m. fremgår av tabell 2.

Det lave brenselsforbruket/THM i en konvensjonell, optimalt drevet masovn, medfører som det fremgår av tabell 2 en energimessig sett mager toppgass med høyt innhold av såvel CO2som N2 • Dette innebærer at gassen er uegnet som råvare for videre kjemisk bearbeiding, og dets hovedakelige anven-delsesområde har derfor blitt som brensel, eksempelvis for forvarming av blestluften.

En måte å forbedre totaløkonomien for masovn er å forandre driftsbetingelsene på en slik måte at toppgass med så høy kvalitet oppnås at den samme kan anvendes for økonomiske mer interessante formål enn brensel. Et flertall patent- og tidsskriftsartikler beskriver forsøk i denne retningen og nedenfor vil følgende bli analaysert:

(1) Okamoto et al. Trans IISJ 14, 1974, s. 122-132.

(2) Jordan, US-PS 4.529.440.

(3) Jordan, US-PS 4.013.454.

J4) Bradley, US-PS 2.593.257.

<*>de første tre tilfellene tilveiebringes kvalitetsforbedrin-gen av toppgassen ved at den normale luftblesten erstattes med oksygenanriket luft og resirkulert toppgass, i tilfelle (2) kombinert med injeksjon av brensel i "raceways".

Artikkelen som er først nevnt, er den som er av størst interesse i relasjon til foreliggende oppfinnelse, da den behandler i industriell skala utført ammoniakkproduksjon på basis av prosessert toppgass fra en masovn med modifiserte driftsbetingeIser.

På grunn av CC^-innholdet av den resirkulerte toppgassen, øker brenselsforbruket, og toppgassens CO-innhold vil øke. Dermed ble det f.eks. tilveiebragt som (1) ved innblåsing gjennom separate kanaler i blåseformene av 35$ av topp-gassflytet og av 55,1 vol# O2(tilsvarende 35,1 vol# O2i total blestluft (en toppgass med følgende analyse i vol%: 59 ,556 CO, 13,456 C02, 3,356 H2, 23,656 N2. Molforholdet (C0+H2)/N2ble da 2,66.

Ved å omdanne CO til Etø på en konvensjonell måte ved anvendelse av vanndamp og tilsetning av H2, fremstilt ved elektrolyse av vann, ble en syntesegass tilveiebragt med et molforhold på H2/N2= 3,0, som er egnet for ammoniakksyntese.

Samme artikkel (1) beskriver også drift uten resirkulasjon av toppgass hvor det isteden ble injisert 80 kg tykk-olJe/THM i "raceways" og produksjonskapasiteten av råjernet ble øket med omtrent 10%; men molforholdet (c+H2)/N2, ble redusert til 0,67, og dette medførte at toppgassens anvendbarhet for videre prosessering til syntesegass for ammoniakkfremstilling ble eliminiert.

US-PS 4.529.440 beskriver også en driftsmåte for masovner hvor luftblesten erstattes til > 65 vol56 anriket luft, og resirkulert toppgass inneholdende karbonholdig materiale., Flytbetingelsene er ikke angitt. Toppgassen angis å inneholde et vol56 på omtrent 50 vol56 CO, og gass avtappet fra sjakten i den øvre delen av ildstedssonen er angitt å inneholde 75 vol56 CO. Patentkravene angir en metode for å øke gassproduksjonen uten å øke toppgasstemperaturen ved å fjerne varme fra sjakten, f.eks. ved avtapping av varmgass fra sjakten, øking av slaggproduksjon og forhøyet råjernstemperatur, dvs. man har vært tvunget til med hensikt å øke varmetapene.

US-PS 4.013.454 beskriver en driftsmåte for masovner hvori blestluften blir erstattet med karbondioksyd og oksygen, eller oksygenanriket luft i de tilfeller hvor ammoniakk er sluttproduktet for toppgassens videreforedling. Også i dette tilfellet er det snakk om en slags resirkulering, da karbondioksyd vil bli ekstrahert fra toppgassen eller fra den samme etter vann-gass-skiftingen (konverteringen).

US-PS 2.593.957 beskriver en nitrogenfri driftsmetode for masovn. Blesten inneholder bare oksygen og vanndamp. Den spesifikke råjernproduksjonen som blir tilveiebragt i denne metoden, kunne ha vært høy sammenlignet med den normale, spesifikke produksjonen i 1948. Men med kunnskapene ifølge foreliggende oppfinnelse kan det antas at en spesifikk råjernproduksjon ikke kan ha blitt oppnådd som ville være antatt å være høy idag.

I henhold til oppfinnelsen kan man i en masovn fremstille flytende råjern og høyverdig toppgass med et molforhold på

(C0+H2)N2> 2,8, hvorved man oppnår en meget høy spesifikk råjernsproduksjon og et energiforbruk/THM som til og med er mindre enn hva som oppnås ved konvensjonell optimalisert drift i en dimensjonsmessig identisk masovn. Energiforbruket-/NM3av syntesegass som oppnås ifølge oppfinnelsen, er også overraskende vesentlig lavere enn den som oppnås ved idag tilgjengelige, industrielle produksjonsmetoder for slik syntesegass. Dette muliggjøres vesentlig ved at chargeflytet, tilsatsbrenselflytet og brenselflytet styres slik at den spesifikke råjernsproduksjonen blir > 75 THM/m<2>.24 t. Oksygeninnholdet i blesten blir kontrollert innenfor intervallet 40-60 vol#, dampinnholdet innenfor intervallet 15-30 vol# og forholdet O2/H2O blir opprettholdt > 2,0. Den produserte toppgassen blir ikke anvendt for resirkulering men bare, eller nesten bare, videre prosessert til syntesegass som er spesielt egnet for ammoniakkproduksjon. Innholdet av vanndamp skulle fortrinnsvis overskride 18 vol#. Den kan f.esk. ligge i intervallet 18-22 vol% hvorved en spesifikk råjerns-produkskjon > 82 THM/m<2>.24 t kan bli tilveiebragt.

Kombinasjonen av høy vanndamp og oksygeninnhold i blestluften og høyt brenselsflyt, sammenlignet med konvensjonell optimalisert drift, resulterer i et normalt temperaturnivå i "raceways". Når olje anvendes, blir brenselsflytet eksempelvis > 60 kg/THM utover flytet ved konvensjonell drift ifølge tabell 1. Det høye H2- og CO-innholdet i den produserte ildstedsgassen, som resulterer i et høyt reduksjonspotensial og en lav molekylvekt, i kombinasjon med riktig styring av ildstedsgassflytet, gir akseptable strømningsforhold i "raceways" og høy spesifikk råjernsproduksjon.

Ovennevnte overraskende resultat av måten ifølge oppfinnelsen å drive en masovn, belyses nærmere nedenfor i to eksempler, som klart viser driftsbetingelsene ifølge oppfinnelsen og hvordan disse skiller seg fra motsvarende driftsbetingelser ved konvensjonell optimert drift. Begge eksemplene gjelder masovner, som er dimensjonsmessig identiske med den ovenfor beskrevne konvensjonelle masovn.

EKSEMPEL 1

Mens normale temperaturer opprettholdes i både "raceways" som i toppgassen tilføres ovnstoppen et chargeflyt av konvensjonell sammensetning men med et flyt, som er 54% større enn ved konvensjonell optimert drift. 555 Nm^/THM av blester (total blester) forvarmet til 1430°, tilveiebragt ved blanding av luft, oksygen og vanndamp i volumforholdene 36,3/43,0/ 20,7 (gir 51 volum-% oksygen i totalblesteren), og 74 kg tykk-olje/THM tilføres samtidig "raceways" utover den konvensjonelle driftens 100 kg kullpulver/THM.

Målene som er nevnt ovenfor resulterer i en teoretisk adiabatisk flammetemperatur i "raceways" på 2500°K, en toppgass temperatur på 410°K, og en spesifikk råjernproduksjon på 88,2 THM/m<2>. 24 t. Toppgassens og ildstedsgassens analyse i vol% etc. fremgår av tabell 3.

De driftbetingelsene som blir tilveiebragt ved ovenfor nevnte trinn samt en mindre justering av blåseformens åpningsdiameter, innebærer til og med at såvel "penetration factor" som "raceway factor" (dimensjonsløse tall for karakterisering av betingelsene i "raceways", (referanse Hatano et al i Trans IISJ 17, s 108 til 110)) blir den samme som ved den konvensjonelle, optimerte driften i henhold til tabell 1. Risiko for kanaldannelse eller ujevn gassfordeling foreligger derfor ikke, og man får ved driftsmåten ifølge oppfinningen like stabil og jevn drift som ved den konvensjonelle, optimerte driftmåten ifølge tabell 1.

Ved driftsmåten ifølge oppfinnelsen oppnås som det fremgår av det som er beskrevet ovenfor, vesentlig høyere spesifikk råjern- og slaggflyt enn ved konvensjonell drift. Samtidig er imidlertid det spesifikke masflytet og spesifikke volum-flytet av ildstedsgassen det samme respektive 24% høyere enn ved konvensjonell, optimert drift. Det høye Fe-innholdet (66,6%) av pelletene med påfølgende lavt slagg-flyt (144 kg slagg/THM), sammen med ovenfor nevnte ildstedsgassforholdet og gassens lave molekylvekt og lave viskositet, medfører at de optimale betingelsene ved driftmåten ifølge oppfinnelsen skiller seg betryggende fra de betingelsene hvor over-svømmelse kan inntre. For å være på den sikre siden når det gjelder oversvømmingsgrensen, har det vist seg hensiktsmessig ved en slik charge-komposisjon at slaggproduksjonen ikke overstiger 250 kg/THM.

Det høye molforholdet (C0+H2)/N2i toppgassen ifølge eksempel 1, muliggjør til og med at den avgass som tilveiebringes ved oksygenherdfersking av råjernet kan utnyttes på en optimal økonomisk måte ved innblanding i toppgassen. Gassblandingen som ble tilveiebragt på denne måten, kan bli videre prosessert til en for ammoniakksyntese hensiktsmessig sammensetning. Dette beskrives nærmere nedenfor i. sammenheng med eksempel 1. I henhold til dette eksemplet tilveiebringes et råjern, som ved oksygenherdfersking i LD-konverter gir en avgass, som i blanding med toppgassen resulterer i en blanding med analyse som vist i tabell 4 (tørrgass).

Etter støvrensing, eliminiering av del av gassens innhold av karbondioksyd, konvertering med vanndamp samt eliminering av den konverterte gassens innhold av vanndamp og karbondioksyd - alle ifølge kjente måte - tilveiebringes en rågass med analyse i vol% ifølge tabell 5.

Som det fremgår av tabell 5, er det nødvendig med en mindre justering av rågassens ^-innhold for at man skal oppnå en fullverdig syntesegass med molforholdet H2/N2= 3,0, som er egnet for ammoniakkproduksjon. Ved å tilføre rågassen et mindre flyt av Ng (i gjennomsnitt 25 Nm<3>/THM) tilveiebringes syntesegass med ønsket sammensetning. Med et utbytte på 96% i ammoniakkproduksjonen, vil syntesegassen gi 300 kg NE3/THM eller omtrent 65 tonn NH3/t, ifølge tabellen.

Ved å øke andelen luft i blesteren, skulle det i eksempel 1 være mulig å direkte oppnå rågass med et molforhold på 3,0. Ettersom oksygen i form av luft er billigere enn oksygen, skulle en slik prosess gi lavere produksjonskostnad. I praksis er dette imidlertid ikke mulig på grunn av at LD-gassens analyse varierer innenfor forholdsvis vide grenser, som det nå blir kompensert for for at syntesegassen alltid skal få ønsket molforhold 3,0. Den enkleste måten å oppnå riktig analyse av syntesegassen er å ha et noe lavere luftinnhold i blesten, og å korrigere analysen gjennom innblanding av et mindre styrt flyt av ren Ng, fortrinnsvis fra oksygenanlegget som tilfører O2til blesten siden oksygenanlegget har et stort overskudd av N2.

EKSEMPEL 2

Hvis anvendelse av avgass LD-gass ikke er av interesse, forandres driftsbetingelsene, jfr. eksempel 1, slik at charge-flytet blir 51% større enn ved konvensjonelt optimert drift, og blesten blandes av luft, oksygen og vanndamp i proporsjonene 40,6/ 40,2/19,2, dvs. tilsvarende 49 vol% oksygen. Blestflytet styres til 575 Nm<3>/THM, hvorved olje-tilførselen til "raceways" blir 74 kg/THM ut over den konvensjonelle driftens 100 kg kullpulver/THM.

Nevnte trinn fører til en teoretisk adiabatisk flammetemperatur på 2500°K, en toppgasstemperatur på 410°K, en spesifikk råjernsproduksjon på 86,2 THM/m<2>.24 t samt en spesifikk slaggproduksjon på 12,4 tonn slagg/m<2>.24 t. Toppgassens og ildstedsgassens analyse i vol% fremgår av tabell 6.

Etter støvrensing, konvertering med vanndamp samt eliminering av vanndamp og karbondioksydinnholdet fra den konverterte gassen - alle på velkjent måte - tilveiebringes en rågass med analyse i vol% i henhold til tabell nr. 7.

Som det fremgår av tabell 7, er det i dette tilfelle nødvendig med et veldig lite justergassf lyt med Ng for å tilveiebringe fullverdig syntesegass med molforholdet Hg/Ng = 3,0. Med et utbytte på 96% i ammoniakkproduksjonen, vil syntesegassen gi 274 kg NH3/THM eller 58 tonn NH3/t.

Sammenfatningsvis kan det konstateres at drift av en masovn j>å en måte som beskrevet i eksempel 1 og 2, innebærer en meget stor produktivitetshøyning når det gjelder råjern (>50%) sammen med en produksjon av toppgass med et høyt molforhold (C0+Hg)/Ng. Selv så høye molforhold kan oppnås at det muliggjør utnytting av avgassen fra råjernets oksygen-fersking for ammoniakkfremstilling hvor man kan regne med et utbytte av ammoniakk på 30% av råjernsutbyttet.

Totaløkonomien for en masovn med en driftsmåte ifølge oppfinnelsen, kombinert med eksempelvis et LD-anlegg og et anlegg for syntese av ammoniakk, blir veldig overlegen den som kan oppnås med to separate anlegg basert på samme råvarer og produsert stål respektivt ammoniakk, eksempelvis masovn + en LD-konverter respektivt Texaco-forgasser + en NH3~syntese.

I tabell 8 demonstreres denne overlegenheten tydelig. I

tabellen vises forholdene mellom produktivitet, netto energi-forbruk, investeringskostnadene/tonn pr. år og manntimer/- tonn-produkt for råjern og ammoniakkproduksjon i konvensjonelt optimert masovn + Texaco-forgassing/NH3-syntese sam-menlig med råjernsproduksjon i identisk masovn med driftsmåte ifølge oppfinnelsen + NH3~syntese basert på prosessert toppgass. Relasjonstallene viser at selvkostnaden for såvel jern som ammoniakk minsker kraftig når en produksjonsmetode ifølge oppfinnelsen blir anvendt.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av flytende råjern og høyverdig toppgass med et molforhold (CO+Hgj/Ng > 2,8 i en masovn hvori normale temperaturer opprettholdes i ildstedet og toppsonen, og som tilføres charge med konvensjonell sammensetning samtidig med at tilsatsbrensel og forvarmet blester, tilveiebragt gjennom blanding av luft, oksygen og vann tilføres "raceways", karakterisert ved at charge-flytet, tilsatsbrenselflytet og blester-flytet styres slik at den spesifikke råjernsproduksjonen blir > 75 THM/m <2> .24 t, og blestens innhold av syre opprettholdes i intervallet 40 - 60 vol% og av vanndamp over 15 vol%.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at oksygeninnholdet i blesten er 45-55 vol%.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at vanndampinnholdet i blesten er^ nnenfor intervallet 18-22 vol%.

4 . Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at vanndampinnholdet i blesten er 19-21 vol%.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at oksygen og vanndampinnholdet i blesten, strøm av tilsatsbrensel og strøm av blest blir styrt for å oppnå > 82 THM/m <2> .24 t.

6. Fremgangsmåte for fremstilling av stål og ammoniakk ved å fremstille råjern i en blestovn og prosessering av toppgass fra blestovnen til ammoniakk og oksygenherdfersking av råjern, karakterisert ved at blestovnen blir drevet i henhold til et hvilket som helst av de forutgående kravene, og ved at toppgassen fra blestovnen og avgassen fra oksygenherdferskingen blir blandet og blandingen blir prosessert til ammoniakk.