WO1999020800A1 - Verfahren und vorrichtung zum einblasen von reduktionsmittel in einen schachtofen - Google Patents

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WO1999020800A1
WO1999020800A1 PCT/EP1998/006501 EP9806501W WO9920800A1 WO 1999020800 A1 WO1999020800 A1 WO 1999020800A1 EP 9806501 W EP9806501 W EP 9806501W WO 9920800 A1 WO9920800 A1 WO 9920800A1
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WO
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heat exchanger
flow
reducing agent
individual
shaft furnace
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PCT/EP1998/006501
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English (en)
French (fr)
Inventor
Louis Schmit
Raymond Mack
Karl Langner
Klaus Schott
Original Assignee
Paul Wurth S.A.
Thyssen Krupp Stahl Ag
Kuettner Gmbh & Co. Kg
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/001—Injecting additional fuel or reducing agents
    • C21B5/003—Injection of pulverulent coal

Definitions

  • the present invention relates to a device for blowing reducing agent into a shaft furnace, in particular for blowing coal dust into a blast furnace in the production of pig iron.
  • coal dust is extracted from raw coal in a processing plant.
  • the raw coal is ground and dried and then stored in coal silos.
  • the temporarily stored coal dust is loosened, pressurized and blown pneumatically into the shaft furnace by means of a carrier gas via delivery lines.
  • the blowing is generally carried out by several blowing lances, which open into the blow molds of the shaft furnace, so that the entry occurs simultaneously at different points in the shaft furnace.
  • the blown coal dust In order to achieve the greatest possible reduction in reducing agent costs by blowing in coal dust, the blown coal dust must be converted as completely as possible in the blow mold wind tunnel, so that only residual coke has to be gasified in the swirl zone.
  • complete reaction herein means that "all the carbon atoms to material with oxygen, respectively, said carbon monoxide and / or carbon dioxide. If the conversion in this zone is not complete, which can be the case especially at high blowing rates, there is an accumulation of conversion residues in the shaft furnace, which leads to unstable furnace conditions.
  • the main causes of the deficient coal dust conversion in the vortex zone are, on the one hand, the small dimensions of the actual reaction space and, on the other hand, the high speeds of the media and the flow properties of the hot wind in the blow mold.
  • This object is achieved according to the invention by a method for blowing reducing agent into a shaft furnace according to claim 1 or by a device according to claim 6.
  • the conveying stream is divided into several partial streams, which in turn are passed through a heating device, the reducing agent in the individual partial streams being heated up by heating in the heating device.
  • the individual partial flows are preferably brought together again to form a common conveying flow for the purpose of homogenizing the temperature conditions, before the eventual distribution of the conveying flow among the individual blowing lances distributed around the shaft furnace takes place.
  • coal dust By heating the coal dust within the heating device, heat can be supplied to the coal dust in a controlled manner, so that its temperature can be set to a value which is favorable for the use of the coal dust conversion in the shaft furnace.
  • the coal dust preheated in this way consequently has to absorb significantly less heat from the hot wind after it has been blown into the shaft furnace in order to reach its ignition temperature, and its implementation in the shaft furnace sets significantly faster than with "cold" coal dust blown in, so that the short available reaction time for the implementation can be fully exploited.
  • the lower heat transfer from the hot wind to the coal dust reduces the cooling of the reaction space, which can ensure that the temperature in the entire reaction space remains high enough to allow a reduction in the carbon dioxide formed in the coal dust conversion to carbon monoxide.
  • this results in a further increase in coal dust conversion since the oxygen atoms present can bind significantly more carbon atoms to themselves.
  • the increased carbon monoxide content has a very positive effect on the functioning of the shaft furnace, since it serves as a reducing agent for the actual metal extraction.
  • the reducing agent is heated in several stages, that is to say the steps of dividing the flow into several partial flows, passing the individual partial flows through a heating device and heating the reducing agent in the individual partial flows within the heating device are repeated several times, the individual - NEN partial flows between two successive stages for homogenizing the temperature conditions can be merged into a common flow.
  • the reducing agent in a partial flow In order to improve the heat transfer to the reducing agent in a partial flow, it is preferably set in a rotational movement about its direction of flow.
  • the rotational movement and the associated turbulence in the partial flow causes the material in the partial flow to be rearranged so that the partial flow is thoroughly mixed.
  • the speed of the individual particles in the partial flow and their exchange path length in the heat exchanger increase. As a result, the heat transfer to the reducing agent in the heat exchanger can be significantly improved. All partial flows are therefore preferably set into such a rotational movement.
  • cold reducing agent can be metered into the common flow to regulate the blowing-in temperature of the reducing agent before it is blown into the shaft furnace.
  • a device for blowing reducing agent into a shaft furnace comprises a conveying line for pneumatically conveying the reducing agent to the shaft furnace, a plurality of heat exchanger tubes which are integrated into the conveying line in a fluidic parallel connection, so that the pneumatic conveying flow is divided into several partial flows, and a heating device for transferring thermal energy to the individual partial flows.
  • the reducing agent can be supplied with heat in a controlled manner during its transport between a storage container and the blowing lances on the shaft furnace.
  • the heating takes place within the delivery line, ie it can take place immediately before the coal dust is blown into the shaft furnace.
  • the coal dust is consequently released to the consumer immediately after heating, so that safety problems in the intermediate storage of a heated fuel are eliminated.
  • the heat losses to the The environment is very small, not least because of the reduced radiation area.
  • the required effective heat transfer surface is obtained in an arrangement with small dimensions, i.e. the area at which heat is transferred to the reducing agent or the respective partial flow.
  • small dimensions i.e. the area at which heat is transferred to the reducing agent or the respective partial flow.
  • a high heat transfer coefficient occurs in the solid-conveying gas mixture.
  • the individual substreams can consequently absorb large amounts of heat in a very short time and over a short distance, so that the length of the heat exchanger tubes can be kept correspondingly small.
  • the entire device is accordingly characterized by its compact design, which can be of great importance, for example, when converting existing systems.
  • the heating device comprises a heating chamber to which a heat transfer medium can be applied, the heat exchanger tubes being arranged within the heating chamber or extending, at least partially, through the heating chamber.
  • the heat transfer medium can comprise, for example, a hot gas from a furnace. There is then a direct heat transfer between hot gas and solid-conveying gas mixture. Due to the high temperature of the hot gas, the medium temperature gradient of the hot gas to the mixture of solid and conveying gas causing the heat exchange can be kept large. In addition, due to the (partially) high temperatures in the hot gas, a significant heat transfer by radiation is added to the convective heat transfer on the hot gas side, so that overall a very high heat flow density is achieved.
  • the furnace is preferably operated with lean gas, eg blast furnace gas. This avoids unfavorably high combustion temperatures, which would make it necessary to pre-cool the hot gas before entering the heating chamber in normal operation.
  • lean gas eg blast furnace gas.
  • the when operating with high medium Temperature differences from hot gas to solid-conveying gas mixture The high exhaust gas temperature that arises behind the heating chamber does not constitute a significant economic loss if the residual heat of the exhaust gas is not used any further. If the heat exchanger tubes are not exposed to the conveying gas-solid mixture, for example when starting the Hot gas side, the hot gas can be brought to a lower temperature by adding cold air behind the furnace, thereby protecting the heat exchanger tubes from overheating.
  • the exhaust gas can be cooled to a permissible discharge temperature by admixing cold air if the device is operated with a high medium temperature gradient, hot gas to solid-conveying gas mixture, and the exhaust gas is to be released into the environment immediately after leaving the heat exchange device without further use of the residual heat.
  • the heat transfer medium can comprise a liquid or a condensing medium.
  • a liquid heat transfer medium has a higher specific heat capacity C p than the gaseous one, so that here a larger amount of heat per volume can be carried and emitted.
  • a condensing medium ie a medium that performs a phase transition when heat is emitted, is distinguished by a high heat emission at a constant temperature.
  • a medium is therefore preferably selected, the condensation temperature of which corresponds to the desired blowing-in temperature of the reducing agent.
  • the heat exchanger tubes are advantageously arranged essentially vertically and the partial flows flow through them from bottom to top. This prevents solid deposits with local pipe overheating, the pipe cross-section is applied evenly, and the heat transfer from the pipe wall to the solid-conveying gas mixture flow is optimized.
  • a swirl body is arranged in one or more, but preferably in all, heat exchanger tubes, which rotates the partial stream flowing through the respective heat exchanger tube about its direction of flow. The mixing of the respective partial flow is improved by the rotation of the partial flow, so that the heat transfer to the partial flow is improved.
  • the speed of the individual particles in the partial flow and their exchange path length in the heat exchanger increase.
  • the swirl body can comprise, for example, one or more spirally twisted metal strips which extend in the axial direction inside the heat exchanger tube.
  • the slope of the spiral twist of the respective metal strip can be chosen in accordance with the desired exchange path length of the reducing agent in the heat exchanger.
  • the distributor and the collector are preferably identical in construction, so that the direction of installation of the heat exchanger bundles is irrelevant.
  • the heat exchanger tubes are consequently combined into easy-to-assemble, standardized units, and clogged heat exchanger bundles can be easily replaced if necessary.
  • the flow can be divided into several partial flows in several stages.
  • the flow is divided, for example, into several heat exchanger bundles via pre-distributors.
  • the device accordingly comprises a plurality of heat exchanger bundles, the heat exchanger bundles preferably being assembled together at a certain distance from one another to form a heat exchanger group and the heat exchanger group on the input side has a pre-distributor for evenly distributing an incoming flow to the individual heat exchanger bundles and on the output side it has an additional collector for merging the individual partial streams into a common output stream.
  • the pre-distributor and the second collector are preferably of identical construction, for example they are of the type of the distributor for particle streams described in US Pat. No. 4,702,182.
  • a plurality of heat exchanger bundles or heat exchanger groups are connected in series. This enables a compact arrangement to be achieved. Behind each heat exchanger bundle or each heat exchanger group, the solid-conveying gas mixture partial flows are brought together and any temperature increases that may occur in the individual tubes or tube bundles are compensated for. The failure of individual pipes or individual pipe bundles does not significantly affect the functionality and the exchange performance of the entire facility. In a system with heat exchanger groups, individual bundles, if shut-off valves are available, can be taken out of service for maintenance or shutdown.
  • Guiding devices are advantageously arranged within the heating chamber in such a way that the heat transfer tubes are effectively flowed through by the heat transfer medium.
  • the guide devices can be guide plates, for example, which direct the hot gas flow specifically to the individual heat exchanger bundles.
  • a bypass line is preferably to be provided, which, seen in the flow direction of the delivery flow, opens into the delivery line behind the heat exchanger tubes.
  • This allows the conveyor operation to continue practically without a transition.
  • the changeover between the heat exchange device and the bypass line can be carried out gradually and smoothly by using solid mass flow control valves, with minimizing the risk of line blockages. If several solid-conveying gas mixtures are heated in parallel, with the entire hot gas supply coming from one furnace, different heating temperatures can be set in the individual solid-conveying gas mixtures with the aid of the solid mass flow control valves.
  • 1 the schematic structure of a first embodiment of a device according to the invention for blowing reducing agent into a shaft furnace
  • 2 the schematic structure of a second embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 5 shows a partially sectioned view of a detail from FIG. 4;
  • FIG. 10 A first embodiment of a device according to the invention for blowing reducing agent into a shaft furnace is shown in FIG. It comprises a pressure vessel 10, into which the reducing agent is introduced before the blowing in, and a plurality of delivery lines 12, through which the reducing agent is pneumatically transported with a conveying gas to blowing lances (not shown) on the shaft furnace.
  • a plurality of heat exchanger tubes 14 are integrated in each flow line 12 in a fluidic parallel circuit, by means of which the flow is divided into a number of partial flows.
  • the heat exchanger tubes 14 are preferably combined to form heat exchanger bundles 16, in which the heat exchanger tubes 14 are mounted at a certain distance from one another, the heat exchanger bundles 16 on the input side having a distributor 18 for uniformly distributing an incoming flow to the individual Has heat exchanger tubes 14 and on the output side a collector 20 for merging the individual partial streams into an output stream.
  • the heat exchanger bundles 16 are arranged in a heating chamber 22, in which a hot gas is generated by means of a furnace 24 which flows around the heat exchanger bundles 16.
  • a hot gas is generated by means of a furnace 24 which flows around the heat exchanger bundles 16.
  • the heat contained in the hot gas is given off to the individual partial flows in the heat exchanger tubes 14 and the reducing agent transported therein is heated.
  • the heat transfer medium can also comprise a liquid or a condensing medium.
  • the heat exchanger bundles 16 are advantageously each arranged essentially vertically and the partial flows flow through them from bottom to top. Deposits with local pipe overheating are avoided, the pipe cross-section is applied evenly, the heat transfer from the pipe wall to the reducing agent-conveying gas mixture is optimized.
  • the hot gas is preferably generated in a combustion chamber 26 of the heating chamber 24 and passed in a cross flow between the heat exchanger tubes 14 (indicated by the arrow 28). After the hot gas has given off a large part of its heat to the various partial flows, the cooled hot gas is discharged via an exhaust pipe 30.
  • the hot gas is advantageously generated by burning lean gas, for example blast furnace gas, with fresh air, which is fed to the furnace 24 via a gas supply 32 or fresh air supply 34. This avoids unfavorably high combustion temperatures, which would make it necessary to pre-cool the hot gas before entering the heating chamber 22 in normal operation.
  • the hot exhaust gas temperature to the reducing agent / conveying gas mixture which arises behind the heating chamber 22 does not constitute a significant economic loss if the residual heat of the exhaust gas is not used further. If the heat exchanger tubes 14 have not yet been subjected to a reducing agent / conveying gas mixture, for example in the case of Approaching the hot gas side, the hot gas can be brought to a lower temperature behind the furnace by means of a cold air supply 36 and the heat exchanger tubes 14 can thereby be protected against overheating.
  • the exhaust gas in the exhaust gas line 30 can be cooled to a permissible delivery temperature by admixing cold air via a cold air supply 38 if the device operates with a high medium temperature gradient hot gas to a reducing agent / conveying gas mixture and the exhaust gas after leaving the heat exchange device without further use of the residual heat to be released directly into the environment.
  • a bypass line 40 is provided for each delivery line 12, which, seen in the flow direction of the delivery flow, opens into the delivery line 12 behind the heat exchanger bundles 16. In the event of a failure of the heat exchange device or a lack of heating, this allows the conveyor operation to be maintained.
  • the changeover between heat exchanger bundles 16 and bypass line 40 can be carried out gradually and smoothly by using solid mass flow control valves 42, with minimization of the risk of line blockages.
  • the regulation of the volume flow of the reducing agent-conveying gas mixture by the heat exchanger bundle 16 by means of the solid volume flow control valves can also be used advantageously for efficient temperature control of the flow. If, as shown, several reducing agent-feed gas mixtures are heated in parallel, with the entire hot gas supply coming from one furnace, different heating temperatures can be set in the individual solid-feed gas mixtures with the aid of the solid mass flow control valves.
  • the division of the delivery flow into several partial flows can take place in several stages.
  • the flow rate is divided, for example, via pre-distributors 48 into a plurality of heat exchanger bundles 16.
  • the device accordingly comprises a plurality of heat exchanger bundles 16 which are integrated into the delivery line 12 in a fluidic parallel connection.
  • the heat exchanger bundles 16 are preferably assembled at a certain distance from one another to form a heat exchanger group 50, the heat exchanger group 50 on the input side having a pre-distributor 48 for evenly distributing an incoming flow to the individual heat exchanger bundles 16 and on the output side an additional collector 52 for combining the individual partial streams into a common one Output current has.
  • a plurality of heat exchanger groups are preferably connected in series.
  • the reducing agent-conveying gas mixture partial flows are brought together behind each heat exchanger group and any temperature increases that occur in the individual tube bundles are compensated for.
  • the failure of individual tube bundles does not significantly impair the functionality and the exchange performance of the entire facility.
  • shut-off valves are provided, individual bundles can be taken out of service for maintenance or shutdown.
  • FIG. 3 shows a section through a heat exchanger bundle 16. It comprises a plurality of heat exchanger tubes 14 which extend at a certain distance from one another.
  • the heat exchanger tubes 14 are advantageously arranged in a circle around a longitudinal axis 54 of the heat exchanger bundle 16, a coaxial guide tube 56 being arranged at a short distance from the heat exchanger tubes 14 in the center between the heat exchanger tubes 14.
  • This guide tube 56 discharges the hot gas stream arriving laterally and guides it past the individual heat exchanger tubes 14, so that the hot gas effectively flows onto the heat exchanger tubes 14.
  • at least one mounting ring 58 can be attached to the guide tube 56, through which the heat exchanger tubes 14 are held in their respective positions.
  • This mounting ring 58 advantageously extends outwards over half the length of the guide tube 56 and has bores through which the individual heat exchanger tubes 14 are guided.
  • the heat exchanger tubes 14 are connected on the one hand to a distributor 18 and on the other hand to a collector 20.
  • the distributor 18 divides the delivery flow arriving at an inlet flange 60 evenly into different partial flows, each of which is passed into one of the heat exchanger tubes 14. After passing through the heat exchanger tubes 14, the individual partial streams in the collector 20 are brought together again to form a common delivery stream and transferred to an output flange 62 in the subsequent delivery line.
  • the different heat exchanger tubes 14 preferably have the same cross section and the same length, so that the individual partial flows and thus the flow velocities of the partial flows in the respective heat exchanger tubes 14 are largely the same. In this way, larger deviations in the temperature increases between the individual partial flows can be avoided.
  • the distributor 18 and the collector 20 are preferably of identical construction, so that the heat exchanger bundle 16 is symmetrical with respect to a plane transverse to that
  • the heat exchanger bundle 16 accordingly has none preferred installation direction, and consequently represents an easy-to-assemble, standardized unit which enables a quick exchange of clogged heat exchanger bundles 16.
  • the heat exchanger bundles 16 are preferably installed in the heating chamber 22 by means of flanges 64 which are attached to the distributor 18 and collector 20 and which are screwed to the housing wall 68 of the heating chamber 22 with corresponding flanges 66.
  • a compensator 70 is inserted on at least one side to compensate for the thermal expansion of the material.
  • the different heat exchanger bundles 16 of the heat exchanger groups 50 are arranged essentially parallel to one another and side by side in several rows running in the flow direction of the hot gas.
  • a heat exchanger group 50 comprises six rows, each with four heat exchanger bundles 16.
  • the heat exchanger bundles 16 are mounted with their flanges 64 on the corresponding flanges 66 of the upper and lower heating chamber walls.
  • connecting lines 72 between pre-distributor 48 or collector 52 and heat exchanger bundle 16 are shown in FIG.
  • the connecting lines 72 are preferably designed as hoses in order to be able to compensate for thermal expansion.
  • all the connecting lines are advantageously of the same length in order to implement the same partial flows with the same pressure drops in the individual lines.
  • guide plates 74 are preferably attached, which direct the hot gas flow onto the individual heat exchanger bundles 16, so that an effective heat Transition is achieved.
  • the guide plates 74 extend on both sides of a row of heat exchanger bundles 16 in such a way through the entire heat exchanger group 50 that an inflow channel 76 running in the flow direction of the hot gas is separated in the heating chamber 22 between two guide plates 74.
  • the baffles 74 at the level of the heat exchanger bundles 16 preferably each have widenings 78 which extend outward from the heat exchanger bundle 16 and extend vertically upward, so that each heat exchanger bundle 16 is arranged in a substantially cylindrical receiving space which is in line with the receiving spaces of the adjacent heat exchanger bundles 16 of a row is connected by a straight line piece.
  • the adjacent guide plates 74 of two adjacent rows are preferably brought together at an incline, so that the individual inflow channels are widened on the inlet and outlet sides and the inflowing hot gas is consequently channeled into the inflow channel.
  • a hot gas flow that flows through the heat exchanger group is accordingly directed completely into the individual inflow channels, the hot gas speed in the individual inflow channels increases, and the flow against the heat exchanger bundles 16 arranged therein is optimized.
  • the heat exchanger groups 50 configured in this way advantageously form standardized components, any number of which can be connected in series as required.
  • the hot gas flowing through passes directly at the outlet of the first heat exchanger group into the inlet of the second heat exchanger group, etc.
  • each heat exchanger tube 14 which extend along the longitudinal axis of the heat exchanger tube.
  • the swirl body can as shown in Fig. 6, for example, a spirally twisted metal sheet, the slope of which is selected such that the exchange path length and the residence time of the reducing agent in the heat exchanger tube 14 are optimized for the desired heat absorption.

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Abstract

Es wird Verfahren zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen vorgestellt, bei dem Reduktionsmittel in einem pneumatischen Förderstrom zu dem Schachtofen transportiert wird, mit den Schritten: a) Aufteilung des Förderstromes in mehrere Teilströme; b) Durchleiten der einzelnen Teilströme durch eine Heizvorrichtung; und c) Aufheizen des Reduktionsmittels in den einzelnen Teilströmen innerhalb der Heizvorrichtung. Eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens umfaßt beispielsweise eine Förderleitung zum pneumatischen Fördern des Reduktionsmittels zu dem Schachtofen, mehrere Wärmetauscherrohre, die in einer strömungstechnischen Parallelschaltung in die Förderleitung integriert sind, so daß der pneumatische Förderstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, und eine Heizvorrichtung zum Übertragen einer Wärmeenergie auf die einzelnen Teilströme.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen, insbesondere zum Einblasen von Kohlenstaub in einen Hochofen bei der Produktion von Roheisen.
Zur Einsparung hochwertiger Reduktionsmittel, wie z.B. Koks, bei der Produkti- on von flüssigen Metallen in Schachtöfen, läßt sich ein Teil dieser Reduktionsmittel durch Kohlenstaub ersetzen. Der Kohlenstaub wird in einer Aufbereitungsanlage aus Rohkohle gewonnen. Die Rohkohle wird gemahlen und getrocknet und anschließend in Kohlesilos zwischengelagert. Zum Einleiten in den Schachtofen wird der zwischengelagerte Kohlenstaub aufgelockert, mit Druck beaufschlagt und mittels eines Trägergases pneumatisch über Förderleitungen in den Schachtofen eingeblasen. Das Einblasen erfolgt dabei im allgemeinen durch mehrere Einblaslanzen, die in die Blasformen des Schachtofens münden, so daß der Eintrag gleichzeitig an verschiedenen Stellen des Schachtofens geschieht. Um eine möglichst große Reduktionsmittelkosteneinsparung durch das Einblasen von Kohlenstaub zu erreichen, muß eine möglichst vollständige Umsetzung des eingeblasenen Kohlenstaubes im Blasformwindkanal erfolgen, so daß in der Wirbelzone nur noch Restkoks vergast werden muß. Der Ausdruck "vollständige Umsetzung" bedeutet hier, daß'alle Kohlenstoffatome sich mit Sauer- stoff verbinden, wobei Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid entsteht. Ist die Umsetzung in dieser Zone nicht vollständig, was insbesondere bei hohen Einblasraten der Fall sein kann, so kommt es zu einer Anreicherung von Umsetzungsrückständen im Schachtofen, was zu instabilen Ofenzuständen führt. Die wesentlichen Ursachen für die mangelhafte Kohlenstaubumsetzung in der Wirbelzone liegen zum einen in den kleinen Abmessungen des eigentlichen Reaktionsraumes und zum anderen in den hohen Geschwindigkeiten der Medien und den Strömungseigenschaften des Heißwindes in der Blasform.
BESTÄIlGUNGSKOPlE Innerhalb der kurzen Zeitspanne, die folglich für die vollständige Umsetzung der Kohlepartikel am Lanzenausgang zur Verfügung steht, muß sich der aus der Lanze austretende Kohlenstaubstrom mit dem Heißwind vermischen, die einzelnen Kohlenstaubpartikel müssen soweit erwärmt werden, daß ihre Zündtemperatur erreicht wird. Freigesetzte Pyrolysegase müssen sich mit dem vorhandenen Sauerstoff vermischen, sich entzünden und der feste Rückstand nach Abschluß der Pyrolyse muß mit eventuell noch freiem oder gebundenen Sauerstoff eine Oxydationsreaktion eingehen.
Um die Reaktionsbedingungen für die Kohlenstaubumsetzung in der Einblas- zone zu verbessern und so die Reaktionskinetik der Umsetzung zu beschleunigen, sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden, wie z.B. die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration im Heißwind, die örtliche Erhöhung der Sauerstoffkonzentration durch gleichzeitiges Einblasen von Sauerstoff über koaxiale Lanzen oder Doppellanzen, oder die Minimierung des Kohlenstaub- austrittsimpulses an der Lanzenspitze durch Vergrößerung des Austrittsquerschnittes. Obwohl diese Maßnahmen, von denen einige bereits zur Anwendung kommen, während sich andere erst in der Erprobungs- oder Optimierungsphase befinden, eine gewisse Verbesserung der Reaktionsbedingungen mit sich bringen, erweist sich die Beschleunigung der Kohlenstaubumsetzung, die durch diese Maßnahmen erreicht wird, jedoch als noch nicht ausreichend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einblasen von Kohle in einen Schachtofen vorzuschlagen, durch die die Reaktionskinetik der Kohlenstaubumsetzung wesentlich beschleunigt wird, so daß die Kohlenstaubumsetzung sofort nach dem Einblasen beginnt und bei Eintritt in die Wirbelzone im wesentlichen abgeschlossen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem Reduktionsmittel, wie z.B. Kohlenstaub, in einem pneumatischen Förderstrom zu dem Schachtofen transportiert wird, wird der Förderstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt, die ihrerseits durch eine Heizvorrichtung durchgeleitet werden, wobei innerhalb der Heizvorrichtung das Reduktionsmittel in den einzelnen Teilströmen durch Wärmezufuhr aufgeheizt wird. Anschließend werden die einzelnen Teilströme zur Homogenisierung der Temperaturverhältnisse vorzugsweise erneut zu einem gemeinsamen Förderstrom zusammengeführt, bevor letztlich eine eventuelle Aufteilung des Förderstromes auf die einzelnen um den Schachtofen herum verteilten Einblaslanzen erfolgt.
Durch die Erwärmung des Kohlenstaubs innerhalb der Heizvorrichtung kann dem Kohlenstaub kontrolliert Wärme zugeführt werden, so daß seine Tempe- ratur auf einen Wert eingestellt werden kann, die für den Einsatz der Kohlenstaubumsetzung in dem Schachtofen günstig ist. Der derart vorerwärmte Kohlenstaub muß folglich nach dem Einblasen in den Schachtofen deutlich weniger Wärme von dem Heißwind aufnehmen, um seine Zündtemperatur zu erreichen, und seine Umsetzung in dem Schachtofen setzt deutlich schneller als bei "kalt" eingeblasenem Kohlenstaub, so daß die kurze verfügbare Reaktionszeit für die Umsetzung voll ausgenutzt werden kann.
Darüber hinaus verringert sich durch den geringeren Wärmeübergang des Heißwindes auf den Kohlenstaub die Abkühlung des Reaktionsraumes, wodurch sichergestellt werden kann, daß die Temperatur in dem gesamten Reaktionsraum hoch genug bleibt, um eine Reduktion des bei der Kohlenstaubumsetzung gebildeten Kohlendioxyds zu Kohlenmonoxid zu ermöglichen. Hierdurch wird einerseits eine weitere Erhöhung des Kohlenstaubumsatzes erreicht, da die vorhandenen Sauerstoffatome wesentlich mehr Kohlenstoffatome an sich binden können. Andererseits wirkt sich der erhöhte Kohlenmon- oxidanteil sehr positiv auf die Funktionsweise des Schachtofens aus, da er als Reduktionsmittel für die eigentliche Metallgewinnung dient.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Erwärmung des Reduktionsmittels in mehreren Stufen, d.h. die Schritte Aufteilung des Förderstromes in mehrere Teilströme, Durchleiten der einzelnen Teilströme durch eine Heizvor- richtung und Aufheizen des Reduktionsmittels in den einzelnen Teilströmen innerhalb der Heizvorrichtung werden mehrmals wiederholt, wobei die einzel- nen Teilströme zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen zur Homogenisierung der Temperaturverhältnisse zu einem gemeinsamen Förderstrom zusammengeführt werden.
Um den Wärmeübergang auf das Reduktionsmittel in einem Teilstrom zu verbessern, wird dieser vorzugsweise in eine Rotationsbewegung um seine Strömungsrichtung versetzt. Durch die Rotationsbewegung und die damit verbundenen Turbulenzen in dem Teilstrom erfolgt eine Umschichtung des Materials in dem Teilstrom so daß eine gute Durchmischung des Teilstroms erfolgt. Überdies erhöht sich die Geschwindigkeit der einzelnen Partikel in dem Teilstrom sowie ihre Austauschweglänge in dem Wärmetauscher. Hierdurch kann der Wärmeübertrag auf das Reduktionsmittel in dem Wärmetauscher deutlich verbessert werden. Vorzugsweise werden daher alle Teilströme in eine derartige Rotationsbewegung versetzt.
Schließlich kann dem gemeinsamen Förderstrom zur Regulierung der Einbla- stemperatur des Reduktionsmittels vor dem Einblasen in den Schachtofen dosiert kaltes Reduktionsmittel zugeführt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen umfaßt eine Förderleitung zum pneumatischen Fördern des Reduktionsmittels zu dem Schachtofen, mehrere Wärmetauscherrohre, die in einer strömungstechnischen Parallelschaltung in die Förderleitung integriert sind, so daß der pneumatische Förderstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, und eine Heizvorrichtung zum Übertragen einer Wärmeenergie auf die einzelnen Teilströme. Mit dieser Vorrichtung kann dem Reduktionsmittel auf seinem Transport zwischen einem Vorratsbehälter und den Einblaslanzen am Schachtofen kontrolliert Wärme zugeführt werden.
Die Erwärmung geschieht innerhalb der Förderleitung, d.h. sie kann unmittelbar vor dem Einblasen des Kohlenstaubs in den Schachtofen erfolgen. Der Kohlenstaub wird folglich unmittelbar nach der Erwärmung an den Verbraucher abgegeben, so daß Sicherheitsprobleme bei der Zwischenlagerung eines erwärmten Brennstoffs entfallen. Überdies sind die Wärmeverluste an die Umgebung nicht zuletzt wegen der reduzierten Abstrahlungsflächen sehr gering.
Durch das Aufteilen des pneumatischen Förderstroms in mehrere Teilströme ergibt sich in einer Anordnung mit kleinen Abmessungen die benötigte wirksa- me Wärmeübergangsfläche, d.h. die Fläche, an der ein Wärmeübertritt auf das Reduktionsmittel bzw. den jeweiligen Teilstrom übertritt. Darüber hinaus stellt sich im Feststoff-Fördergas-Gemisch infolge der turbulenten Strömung sowie infolge der wegen des Förderüberdrucks erhöhten Gasdichte eine große Wärmeübergangszahl ein. Die einzelnen Teilströme können folglich in sehr kurzer Zeit und über eine kurze Wegstrecke große Mengen an Wärme aufnehmen, so daß die Länge der Wärmetauscherrohre entsprechend klein gehalten werden kann. Die gesamte Vorrichtung zeichnet sich demgemäß durch ihre kompakte Bauform aus, was beispielsweise bei der Umrüstung bestehender Anlagen von großer Wichtigkeit sein kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfaßt die Heizvorrichtung eine Heizkammer, die mit einem Wärmeträger beaufschlagbar ist, wobei die Wärmetauscherrohre innerhalb der Heizkammer angeordnet sind oder sich, zumindest teilweise, durch die Heizkammer erstrecken. Dabei kann der Wärmeträger beispiels- weise ein Heißgas aus einer Feuerung umfassen. Es erfolgt dann ein direkter Wärmeübergang zwischen Heißgas und Feststoff-Fördergas-Gemisch. Durch die hohe Temperatur des Heißgases kann das den Wärmeaustausch bewirkende, mittlere Temperaturgefälle Heißgas zu Feststoff-Fördergas-Gemisch groß gehalten werden. Zusätzlich addiert sich wegen der (teilweise) hohen Temperaturen im Heißgas heißgasseitig zum konvektiven Wärmeübergang ein nicht unerheblicher Wärmeübergang durch Strahlung, so daß insgesamt eine sehr hohe Wärmestromdichte erzielt wird.
Die Feuerung wird vorzugsweise mit Schwachgas, z.B. Hochofengas, betrieben. Dadurch werden ungünstig hohe Verbrennungstemperaturen, die im Normalbetrieb ein Vorkühlen des Heißgases vor dem Eintritt in die Heizkammer erforderlich machen würden, vermieden. Die beim Betrieb mit hohem mittleren Temperaturgefälle Heißgas zu Feststoff-Fördergas-Gemisch sich einstellende hohe Abgastemperatur hinter der Heizkammer stellt, falls keine weitere Nutzung der Restwärme des Abgases erfolgt, keinen wesentlichen wirtschaftlichen Verlust dar. Wenn die Wärmetauscherrohre nicht mit Fördergas-Feststoff-Gemisch beaufschlagt sind, z.B. beim Anfahren der Heißgas-Seite, kann das Heißgas durch Zumischen von Kaltluft hinter der Feuerung auf eine niedrigere Temperatur gebracht und dadurch die Wärmetauscherrohre vor Überhitzung geschützt werden. Genauso kann das Abgas durch Zumischen von Kaltluft auf eine zulässige Abgabetemperatur abgekühlt werden, wenn die Vorrichtung mit hohem mittleren Temperaturgefälle Heißgas zu Feststoff-Fördergas-Gemisch betrieben und das Abgas nach Verlassen der Wärmeaustauscheinrichtung ohne weitere Nutzung der Restwärme unmittelbar in die Umgebung abgegeben werden soll. Alternativ kann der Wärmeträger ein flüssiges oder ein kondensierendes Medium umfassen. Ein flüssiger Wärmeträger weist gegenüber dem gasförmigen eine höhere spezifische Wärmekapazität Cp auf, so daß hier eine größere Wärmemenge pro Volumen mitgeführt und abgegeben werden kann. Ein kondensierendes Medium, d.h. ein Medium das bei der Wärmeabgabe einen Phasenübergang durchführt, zeichnet sich durch eine hohe Wärmeabgabe bei gleichbleibender Temperatur aus. Es wird daher vorzugsweise ein Medium gewählt, dessen Kondensierungstemperatur mit der gewünschten Einblastemperatur des Reduktionsmittels übereinstimmt. Dadurch kann eine Überhitzung des Reduktionsmittels z.B. bei Verstopfung eines Wärmetauscherrohres weitestgehend ausgeschlossen werden.
Die Wärmetauscherrohre sind vorteilhaft im wesentlichen senkrecht angeordnet und werden von den Teilströmen von unten nach oben durchströmt. Dadurch werden Feststoff-Ablagerungen mit lokaler Rohrüberhitzung vermieden, der Rohrquerschnitt wird jeweils gleichmäßig beaufschlagt, der Wärmeübergang von der Rohrwand zum Feststoff-Fördergas-Gemischstrom optimiert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist in einem oder mehreren, vorzugsweise jedoch in allen, Wärmetauscherrohren ein Drallkörper angeordnet, der den durch das jeweilige Wärmetauscherrohr strömenden Teilstrom in eine Rotation um seine Strömungsrichtung versetzt. Durch die Rotation des Teilstroms verbessert sich die Durchmischung des jeweiligen Teilstromes, so daß der Wärmeübergang auf den Teilstrom verbessert wird. Überdies erhöht sich die Geschwindigkeit der einzelnen Partikel in dem Teilstrom sowie ihre Austauschweglänge in dem Wärmetauscher.
Der Drallkörper kann beispielsweise einen oder mehrere spiralförmig verdrehte Metallstreifen umfassen, die sich in axialer Richtung im Innneren des Wärmetauscherrohres erstrecken. Die Steigung der spiralförmigen Verdrehung des jeweiligen Metallstreifens kann dabei entsprechend der gewünschten Austauschweglänge des Reduktionsmittels in dem Wärmetauscher gewählt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmetauscherrohre in einem gewissen i Abstand zueinander zu einem Wärmetauscherbündel zusammenmontiert, wobei das Wärmetauscherbündel eingangsseitig einen Verteiler zum gleichmäßigen Aufteilen eines ankommenden Förderstromes auf die einzelnen Wärmetauscherrohre und ausgangsseitig einen Kollektor zum Zusammenführen der einzelnen Teilströme zu einem Ausgangsstrom aufweist. Der Verteiler und der Kollektor sind dabei vorzugsweise baugleich, so daß die Einbaurichtung der Wärmetauscherbündel keine Rolle spielt. Die Wärmetauscherrohre sind folglich zu leicht montierbaren, standardisierten Einheiten zusammengefaßt, und verstopfte Wärmetauscherbündel können bei Bedarf leicht ausgetauscht werden.
Bei Förderleitungen mit großem Querschnitt kann die Aufteilung des Förderstromes in mehrere Teilströme mehrstufig erfolgen. Hierbei wird der Förderstrom zum Beispiel über Vorverteiler auf mehrere Wärmetauscherbündel aufgeteilt. Die Vorrichtung umfaßt dementsprechend mehrere Wärmetauscher- bündel, wobei die Wärmetauscherbündel vorzugsweise in einem gewissen Abstand zueinander zu einer Wärmetauschergruppe zusammenmontiert sind und die Wärmetauschergruppe eingangsseitig einen Vorverteiler zum gleichmäßigen Aufteilen eines ankommenden Förderstromes auf die einzelnen Wärmetauscherbündel und ausgangsseitig einen zusätzlichen Kollektor zum Zusammenführen der einzelnen Teilströme zu einem gemeinsamen Aus- gangsstrom aufweist. Der Vorverteiler und der zweite Kollektor sind bevorzugt baugleich, sie sind beispielsweise vom Typ des in der US-A-4,702,182 beschriebenen Verteilers für Partikelströme.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere Wärmetauscherbündel bzw. Wärmetauschergruppen in Reihe geschaltet. Dadurch läßt sich eine kompakte Anordnung erreichen. Hinter jedem Wärmetauscherbündel, bzw. jeder Wärmetauschergruppe werden die Feststoff-Fördergas-Gemisch- Teilströme zusammen geführt und möglicherweise auftretende unterschiedliche Temperaturerhöhungen in den einzelnen Rohren, bzw. Rohrbündeln ausgeglichen. Der Ausfall einzelner Rohre bzw. einzelner Rohrbündel beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit und die Austauschleistung der Gesamteinrichtung nicht wesentlich. Bei einer Anlage mit Wärmetauschergruppen lassen sich einzelne Bündel, soweit Absperrarmaturen vorhanden sind, zur Wartung oder zur Stillsetzung außer Betrieb nehmen.
Innerhalb der Heizkammer sind vorteilhaft Leiteinrichtungen derart angeordnet, daß eine wirksame Anströmung der Wärmetauscherrohre durch den Wärmeträger erfolgt. Es kann sich bei den Leiteinrichtungen beispielsweise um Leitbleche handeln, die den Heißgasstrom gezielt auf die einzelnen Wärmetauscherbündel lenken.
Zu jeder Förderleitung ist vorzugsweise eine Bypass-Leitung vorzusehen, die in Strömungsrichtung des Förderstromes gesehen, hinter den Wärmetauscherrohren in die Förderleitung einmündet. Diese erlaubt es, bei Ausfall der Wärmeaustauscheinrichtung oder Verzicht auf die Erwärmung, den Förderbetrieb praktisch übergangslos fortzuführen. Die Umschaltung zwischen Wärmeaustauscheinrichtung und Bypass-Leitung läßt sich durch Verwendung von Fest- stoff-Mengenstrom-Regeiventilen allmählich und sanft, mit Minimierung des Risikos von Leitungsverstopfungen, durchführen. Werden mehrere Feststoff-Fördergas-Gemische parallel erwärmt, wobei die gesamte Heißgasversorgung aus einer Feuerung erfolgt, lassen sich mit Hilfe der Feststoff-Mengenstrom-Regelventile unterschiedliche Erwärmungstemperaturen in den einzelnen Feststoff-Fördergas-Gemischen einstellen. Im folgenden wird nun eine Ausgestaltung der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig.1 : den schematischen Aufbau einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen; Fig.2: den schematischen Aufbau einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig.3: (teilweise geschnitten) eine Ausgestaltung eines Wärmetauscherbündels;
Fig.4: eine Heizkammer mit mehreren darin angeordneten Wärmetauscher- bündeln, die zu Wärmetauschergruppen zusammengeschaltet sind;
Fig.5: eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ausschnitts aus Figur 4;
Fig.6: einen Schnitt durch ein Wärmetauscherrohr, mit einem darin angeordneten Drallkörper.
Eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen ist in Figur 1 dargestellt. Sie umfaßt einen Druckbehälter 10, in den das Reduktionsmittel vor dem Einblasen eingeschleust wird, sowie mehrere Förderleitungen 12, durch die das Reduktionsmittel mit einem Fördergas pneumatisch zu (nicht dargestellten) Einblaslanzen an dem Schachtofen transportiert wird. In jede Förderleitung 12 sind mehrere Wärmetauscherrohre 14 in einer strömungstechnischen Parallelschaltung integriert, durch die der Förderstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt wird. Die Wärmetauscherrohre 14 sind dabei vorzugsweise zu Wärmetauscherbündeln 16 zusammengefaßt, in denen die Wärmetauscherrohre 14 in einem gewissen Abstand zueinander montiert sind, wobei das Wärmetauscherbündel 16 eingangsseitig einen Verteiler 18 zum gleichmäßigen Aufteilen eines ankommenden Förderstromes auf die einzelnen Wärmetauscherrohre 14 und ausgangsseitig einen Kollektor 20 zum Zusammenführen der einzelnen Teilströme zu einem Ausgangsstrom aufweist.
Die Wärmetauscherbündel 16 sind in einer Heizkammer 22 angeordnet, in der mittels einer Feuerung 24 ein Heißgas erzeugt wird, das die Wärmetauscher- bündel 16 umströmt. Hierbei wird die in dem Heißgas enthaltene Wärme an die einzelnen Teilströme in den Wärmetauscherrohren 14 abgegeben und das darin transportierte Reduktionsmittel wird erwärmt. Alternativ kann der Wärmeträger auch ein flüssiges oder ein kondensierendes Medium umfassen.
In der dargestellten Ausgestaltung sind mehrere Wärmetauscherbündel in Reihe geschaltet. Dadurch läßt sich eine besonders kompakte Anordnung erreichen. Hinter jedem Wärmetauscherbündel werden die Reduktionsmittel- Fördergas-Gemisch-Teilströme zusammen geführt und auftretende unterschiedliche Temperaturerhöhungen in den einzelnen Rohren ausgeglichen. Der Ausfall einzelner Rohre beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit und die Austau- schleistung der Gesamteinrichtung nicht wesentlich.
Die Wärmetauscherbündel 16 sind vorteilhaft jeweils im wesentlichen senkrecht angeordnet und werden von den Teilströmen von unten nach oben durchströmt. Dadurch werden Ablagerungen mit lokaler Rohrüberhitzung vermieden, der Rohrquerschnitt wird jeweils gleichmäßig beaufschlagt, der Wärmeüber- gang von der Rohrwand zum Reduktionsmittel-Fördergas-Gemisch optimiert.
Das Heißgas wird vorzugsweise in einer Brennkammer 26 der Heizkammer 24 erzeugt und im Kreuzstrom zwischen den Wärmetauscherrohren 14 hindurchgeleitet, (angedeutet durch den Pfeil 28). Nachdem das Heißgas hierbei einen großen Teil seiner Wärme an die verschiedenen Teilströme abgegeben hat, wird das abgekühlte Heißgas über eine Abgasleitung 30 abgeführt. Die Erzeugung des Heißgases geschieht vorteilhaft durch Verbrennen von Schwachgas, z.B. Hochofengas, mit Frischluft, die über eine Gasversorgung 32 bzw. Frischluftversorgung 34 der Feuerung 24 zugeführt werden. Hierdurch werden ungünstig hohe Verbrennungstemperaturen, die im Normalbetrieb ein Vorküh- len des Heißgases vor dem Eintritt in die Heizkammer 22 erforderlich machen würden, vermieden. Die beim Betrieb mit hohem mittleren Temperaturgefälle Heißgas zu Reduktionsmittel-Fördergas-Gemisch sich einstellende hohe Abgastemperatur hinter der Heizkammer 22 stellt, falls keine weitere Nutzung der Restwärme des Abgases erfolgt, keinen wesentlichen wirtschaftlichen Verlust dar. Falls die Wärmetauscherrohre 14 noch nicht mit Reduktionsmittel-Fördergas- Gemisch beaufschlagt sind, z.B. beim Anfahren der Heißgas-Seite, kann das Heißgas mittels einer Kaltluftzuführung 36 hinter der Feuerung auf eine niedrigere Temperatur gebracht und dadurch die Wärmetauscherrohre 14 vor Überhitzung geschützt werden. Genauso kann das Abgas in der Abgasleitung 30 durch Zumischen von Kaltluft über eine Kaltluftzuführung 38 auf eine zulässige Abgabetemperatur abgekühlt werden, wenn die Vorrichtung mit hohem mittleren Temperaturgefälle Heißgas zu Reduktionsmittel-Fördergas- Gemisch betrieben und das Abgas nach Verlassen der Wärmeaustauscheinrichtung ohne weitere Nutzung der Restwärme unmittelbar in die Umgebung abgegeben werden soll.
Zu jeder Förderleitung 12 ist eine Bypass-Leitung 40 vorgesehen, die in Strömungsrichtung des Förderstromes gesehen, hinter den Wärmetauscherbündeln 16 in die Förderleitung 12 einmündet. Diese erlaubt es, bei Ausfall der Wärmeaustauscheinrichtung oder Verzicht auf die Erwärmung, den Förderbe- trieb aufrecht zu erhalten. Die Umschaltung zwischen Wärmetauscherbündeln 16 und Bypass-Leitung 40 läßt sich durch Verwendung von Feststoff- Mengenstrom-Regelventilen 42 allmählich und sanft, mit Minimierung des Risikos von Leitungsverstopfungen, durchführen.
Die Regelung des Mengenstroms des Reduktionsmittel-Fördergas-Gemisches durch die Wärmetauscherbündel 16 mittels der Feststoff-Mengenstrom- Regelventile kann darüber hinaus vorteilhaft für eine effiziente Temperaturregelung des Förderstroms eingesetzt werden. Werden, wie dargestellt, mehrere Reduktionsmittel-Fördergas-Gemische parallel erwärmt, wobei die gesamte Heißgasversorgung aus einer Feuerung erfolgt, lassen sich mit Hilfe der Feststoff-Mengenstrom-Regelventile unterschiedliche Erwärmungstemperaturen in den einzelnen Feststoff-Fördergas-Gemischen einstellen. In Figur 2 ist eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es handelt sich um eine Ausführung mit lediglich einer Förderleitung 12, bei der der Reduktionsmittel-Fördergas-Strom erst unmittelbar an dem Schachtofen mittels eines Verteilers 44 auf verschiedene Einblasleitungen 46 aufgeteilt und durch diese zu den einzelnen Einblaslanzen geleitet wird. Bei einer solchen Vorrichtung, bei der die Förderleitung 12 logischerweise einen großen Querschnitt aufweist, kann die Aufteilung des Förderstromes in mehrere Teilströme mehrstufig erfolgen. Hierbei wird der Förderstrom zum Beispiel über Vorverteiler 48 auf mehrere Wärmetauscherbündel 16 aufgeteilt. Die Vorrich- tung umfaßt dementsprechend mehrere Wärmetauscherbündel 16 die in einer strömungstechnischen Parallelschaltung in die Förderleitung 12 integriert sind. Die Wärmetauscherbündel 16 sind dabei vorzugsweise in einem gewissen Abstand zueinander zu einer Wärmetauschergruppe 50 zusammenmontiert, wobei die Wärmetauschergruppe 50 eingangsseitig einen Vorverteiler 48 zum gleichmäßigen Aufteilen eines ankommenden Förderstromes auf die einzelnen Wärmetauscherbündel 16 und ausgangsseitig einen zusätzlichen Kollektor 52 zum Zusammenführen der einzelnen Teilströme zu einem gemeinsamen Ausgangsstrom aufweist.
Auch bei dieser Ausgestaltung werden vorzugsweise mehrere Wärmetauscher- gruppen in Reihe geschaltet. Hinter jeder Wärmetauschergruppe werden die Reduktionsmittel-Fördergas-Gemisch-Teilströme zusammen geführt und möglicherweise auftretende unterschiedliche Temperaturerhöhungen in den einzelnen Rohrbündeln ausgeglichen. Der Ausfall einzelner Rohrbündel beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit und die Austauschleistung der Gesamtein- richtung nicht wesentlich. Darüber hinaus lassen sich, soweit Absperrarmaturen vorgesehen sind, einzelne Bündel zur Wartung oder zur Stillsetzung außer Betrieb nehmen.
Es ist anzumerken, daß die Verbindungen der Wärmetauscherbündel 16 oder Wärmetauschergruppen 50 untereinander bzw. die Verbindungen von den Wärmetauscherbündeln 16 zu den Vorverteilern 48, 52 derart ausgestaltet sind, daß Wärmeausdehnungen ausgeglichen werden können. Die kann beispielsweise durch eine Ausbildung der Verbindungen als Schläuche erreicht werden. Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein Wärmetauscherbündel 16. Es umfaßt mehrere Wärmetauscherrohre 14, die sich in einem gewissen Abstand zueinander erstrecken. Die Wärmetauscherrohre 14 sind dabei vorteilhaft kreisförmig um eine Längsachse 54 des Wärmetauscherbündels 16 angeordnet, wobei im Zentrum zwischen den Wärmetauscherrohren 14 eine koaxiales Leitrohr 56 mit geringen Abstand zu den Wärmetauscherrohren 14 angeordnet ist. Dieses Leitrohr 56 leitet den seitlich ankommenden Heißgasstrom ab und führt ihn an den einzelnen Wärmetauscherrohren 14 vorbei, so daß eine wirksame Anströ- mung der Wärmetauscherrohre 14 durch das Heißgas erfolgt. Darüber hinaus kann an dem Leitrohr 56 mindestens ein Montagering 58 angebracht sein, durch den die Wärmetauscherrohre 14 in ihrer jeweiligen Stellung gehalten werden. Dieser Montagering 58 erstreckt sich vorteilhaft auf halber Länge des Leitrohres 56 an diesem nach außen und weist Bohrungen auf, durch die die einzelnen Wärmetauscherrohre 14 geführt sind. An ihren jeweiligen Enden sind die Wärmetauscherrohre 14 einerseits an einen Verteiler 18 andererseits an einen Kollektor 20 angeschlossen. Der Verteiler 18 teilt den an einem Eingängsflansch 60 ankommenden Förderstrom gleichmäßig in verschiedene Teilströme auf, von denen jeder in eines der Wärmetauscherrohre 14 geleitet wird. Nach Durchlaufen der Wärmetauscherrohre 14 werden die einzelnen Teilströme in dem Kollektor 20 wieder zu einem gemeinsamen Förderstrom zusammengeführt und an einem Ausgangsflansch 62 in die sich anschließende Förderleitung übergeben.
Es ist anzumerken, daß die verschiedenen Wärmetauscherrohre 14 vorzugsweise den gleichen Querschnitt und die gleiche Länge aufweisen, so daß die einzelnen Teilströme und damit die Strömungsgeschwindigkeiten der Teilströme in den jeweiligen Wärmetauscherrohren 14 weitgehend gleich sind. Auf diese Weise können größere Abweichungen in den Temperaturerhöhungen zwischen den einzelnen Teilströmen vermieden werden.
Der Verteiler 18 und der Kollektor 20 sind vorzugsweise baugleich, so daß das Wärmetauscherbündel 16 symmetrisch bezüglich einer Ebene quer zu der
Förderrichtung ist. Das Wärmetauscherbündel 16 weist demgemäß keine bevorzugte Einbaurichtung auf, und stellt folglich eine leicht montierbare, standardisierte Einheit dar, die ein schnelles Austauschen verstopfter Wärmetauscherbündel 16 ermöglicht.
Die Montage der Wärmetauscherbündel 16 in der Heizkammer 22 geschieht vorzugsweise mittels Flanschen 64, die an dem Verteiler 18 und Kollektor 20 angebracht sind und die mit entsprechenden Flanschen 66 an der Gehäusewandung 68 der Heizkammer 22 verschraubt werden. Dabei wird mindestens an einer Seite ein Kompensator 70 zum Ausgleich der thermisch bedingten Materialausdehnung eingefügt. Anhand der Figuren 4 und 5 wird nun die Anordnung der Wärmetauscherbündel 16 in der Heizkammer 22 näher beschrieben. Dabei zeigt Figur 4 eine Heizkammer 22 mit mehreren darin angeordneten Wärmetauscherbündeln 16, die zu Wärmetauschergruppen 50 zusammengeschaltet sind, und Figur 5 einen teilweise geschnittenen Ausschnitt darzu. Die verschiedenen Wärmetauscherbündel 16 der Wärmetauschergruppen 50 sind im wesentlichen parallel zueinander und in mehreren in Strömungsrichtung des Heißgases verlaufenden Reihen nebeneinander angeordnet. In der dargestellten Ausführung umfaßt eine Wärmetauschergruppe 50 sechs Reihen mit jeweils vier Wärmetauscherbündeln 16. Die Wärmetauscherbündel 16 sind dabei mit ihren Flanschen 64 an den entsprechenden Flanschen 66 der oberen bzw. unteren Heizkammerwandung montiert.
Zum Zwecke der Übersichtlichkeit sind in Fig.4 nur einige der Verbindungsleitungen 72 zwischen Vorverteiler 48 bzw. Kollektor 52 und Wärmetauscherbündel 16 eingezeichnet. Die Verbindungsleitungen 72 sind vorzugsweise als Schläuche ausgeführt, um Wärmeausdehnungen ausgleichen zu können. Weiterhin weisen sämtliche Verbindungsleitungen vorteilhaft die gleiche Länge auf, um bei gleichen Druckabfällen in den einzelnen Leitungen gleiche Teilströme durchzusetzen.
Im Inneren der Heizkammer 22 sind beiderseits der Wärmetauscherbündelrei- hen vorzugsweise Leitbleche 74 angebracht, die den Heißgasstrom gezielt auf die einzelnen Wärmetauscherbündel 16 lenken, so daß ein wirksamer Wärme- Übergang erzielt wird. Hierzu erstrecken sich die Leitbleche 74 beiderseits einer Reihe von Wärmetauscherbündeln 16 derart durch die gesamte Wärmetauschergruppe 50, daß jeweils zwischen zwei Leitblechen 74 ein in Strömungsrichtung des Heißgases verlaufender Anströmkanal 76 in der Heizkammer 22 abgetrennt wird. Dabei weisen die Leitbleche 74 auf Höhe der Wärmetauscherbündel 16 vorzugsweise sich jeweils von dem Wärmetauscherbündel 16 nach außen erstreckende und senkrecht nach oben verlaufende Aufweitungen 78 auf, so daß jedes Wärmetauscherbündel 16 in einem im wesentlichen zylindrischen Aufnahmeraum angeordnet ist, der mit den Aufnahmeräumen der benachbarten Wärmetauscherbündel 16 einer Reihe durch ein geradliniges Kanalstück verbunden ist.
Am Eingang und Ausgang der Wärmetauschergruppe 50 sind die benachbarten Leitbleche 74 zweier benachbarter Reihen vorzugsweise schräg zulaufend zusammengeführt, so daß die einzelnen Anströmkanäle eingangs- und aus- gangsseitig aufgeweitet sind und das anströmende Heißgas folglich in den Anströmkanal hinein kanalisiert wird. Ein Heißgasstrom, der die Wärmetauschergruppe durchströmt, wird demgemäß vollkommen in die einzelnen Anstömkanäle geleitet, die Heißgasgeschwindigkeit in den einzelnen Anströmkanälen erhöht sich, die Anströmung der darin angeordneten Wärmetauscher- bündel 16 wird optimiert.
Die derartig ausgestalteten Wärmetauschergruppen 50 bilden vorteilhaft standardisierte Bauteile, von denen je nach Bedarf beliebig viele hintereinander geschaltet werden können. Das durchströmende Heißgas tritt dabei am Ausgang der ersten Wärmetauschergruppe unmittelbar in den Eingang der zweiten Wärmetauschergruppe über, usw.
Um den Wärmeübertrag auf die einzelnen Teilströme weiter zu verbessern, werden diese vorzugsweise in eine Rotation um ihre Strömungsrichtung versetzt, so daß durch Umschichtung des Materials eine gute Durchmischung des Teilstroms erfolgt. Hierzu sind vorzugsweise in jedem Wärmetauscherrohr 14 ein oder mehrere Drallkörper 80 angeordnet, die sich entlang der Längsachse des Wärmetauscherrohres erstrecken. Bei dem Drallkörper kann es sich, wie in Fig. 6 dargestellt, beispielsweise um ein spiralförmig verdrehtes Metallblech handeln, dessen Steigung derart gewählt ist, daß die Austauschweglänge und die Verweilzeit des Reduziermittels in dem Wärmetauscherrohr 14 für die gewünschte Wärmeaufnahme optimiert sind.
Referenzliste
Druckbehälter
Förderleitung
Wärmetauscherrohr
Wärmetauscherbündel
Verteiler
Kollektor
Heizkammer
Feuerung
Brennkammer
Kreuzstrom
Abgasleitung
Gasversorgung
Frischluftversorgung , 38 Kaltluftzuführung
Bypass-Leitung
Mengenstrom-Regelventil
Verteiler
Einblasleitung
Vorverteiler
Wärmetauschergruppe
Kollektor
Längsachse
Leitrohr
Montagering
Eingangsflansch
Ausgangsflansch , 66 Flansch
Gehäusewandung
Kompensator
Verbindungsleitung
Leitblech
Anströmkanal
Aufweitungen
Drallkörper

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen, wobei Reduktionsmittel in einem pneumatischen Förderstrom zu dem Schachtofen transportiert wird, gekennzeichnet durch die Schritte a) Aufteilung des Förderstromes in mehrere Teilströme, b) Durchleiten der einzelnen Teilströme durch eine Heizvorrichtung, c) Aufheizen des Reduktionsmittels in den einzelnen Teilströmen innerhalb der Heizvorrichtung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilströme nach dem Erwärmen des Reduktionsmittels zur Homogenisie- rung der Temperaturverhältnisse zu einem gemeinsamen Förderstrom zusammengeführt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) bis c) in mehreren Stufen wiederholt werden, wobei die einzelnen Teilströme zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen zur Ho- mogenisierung der Temperaturverhältnisse zu einem gemeinsamen Förderstrom zusammengeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der einzelnen Teilströme in eine Rotationsbewegung um seine Strömungsrichtung versetzt wird. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem gemeinsamen Förderstrom zur Temperaturregulierung des Reduktionsmittels vor dem Einblasen in den Schachtofen kaltes Reduktionsmittel zugeführt wird.
6. Vorrichtung zum Einblasen von Reduktionsmittel in einen Schachtofen, mit einer Förderleitung zum pneumatischen Fördern des Reduktionsmittels zu dem Schachtofen, gekennzeichnet durch mehrere Wärmetauscherrohre, die in einer strömungstechnischen Parallelschaltung in die Förderleitung integriert sind, so daß der pneumatische Förderstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, und durch eine Heizvorrichtung zum Übertragen einer Wärmeenergie auf die einzelnen Teilströme.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung eine Heizkammer umfaßt, die mit einem Wärmeträger beauf- schlagbar ist, wobei sich die Wärmetauscherrohre, zumindest teilweise, durch die Heizkammer erstrecken.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre im wesentlichen senkrecht angeordnet sind und von den Teilströmen von unten nach oben durchströmt werden. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren Wärmetauscherrohren ein Drallkörper angeordnet ist, der den durch das jeweilige Wärmetauscherrohr strömenden Teilstrom in eine Rotation um seine Strömungsrichtung versetzt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkörper einen spiralförmig verdrehten Metallstreifen umfaßt, der sich in axialer
Richtung im Innneren des Wärmetauscherrohres erstreckt.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre in einem gewissen Abstand zueinander zu einem Wärmetauscherbündel zusammenmontiert sind, wobei das Wärme- tauscherbündel eingangsseitig einen Verteiler zum gleichmäßigen Aufteilen eines ankommenden Förderstromes auf die einzelnen Wärmetauscherrohre und ausgangsseitig einen Kollektor zum Zusammenführen der einzelnen Teilströme zu einem Ausgangsstrom aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch mehrere Wärmetau- scherbündel, wobei die Wärmetauscherbündel in einer strömungstechnischen Reihenschaltung hintereinander angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch mehrere Wärmetauscherbündel, wobei die Wärmetauscherbündel in einem gewissen Abstand zueinander zu einer Wärmetauschergruppe zusammenmontiert sind und die Wärmetauschergruppe eingangsseitig einen Vorverteiler zum gleichmä- ßigen Aufteilen eines ankommenden Förderstromes auf die einzelnen Wärmetauscherbündel und ausgangsseitig einen zusätzlichen Kollektor zum Zusammenführen der einzelnen Teilströme zu einem Ausgangsstrom aufweist. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mehrere Wärmetauschergruppen, wobei die Wärmetauschergruppen in einer strömungstechnischen Reihenschaltung hintereinander angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, gekennzeichnet durch Leiteinrichtungen, die innerhalb der Heizkammer derart angeordnet sind, daß eine wirksame Anströmung der Wärmetauscherrohre durch den Wärmeträger erfolgt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, gekennzeichnet durch eine Bypass-Leitung, die in Strömungsrichtung des Förderstromes gesehen, hinter den Wärmetauscherrohren in die Förderleitung einmündet. 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger ein Heißgas umfaßt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger ein flüssiges Medium umfaßt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger ein kondensierendes Medium umfaßt.
PCT/EP1998/006501 1997-10-15 1998-10-14 Verfahren und vorrichtung zum einblasen von reduktionsmittel in einen schachtofen WO1999020800A1 (de)

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