WO2012025321A2 - Verfahren zur erhöhung der eindringtiefe eines sauerstoffstrahles - Google Patents

Verfahren zur erhöhung der eindringtiefe eines sauerstoffstrahles Download PDF

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Johann Wurm
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    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge

Definitions

  • Crude iron production aggregates enter the oxygen jet of technically pure oxygen for the gasification of carbon carriers present in the bulk.
  • a pig iron production unit such as a blast furnace or a smelting reduction agglomerate such as a melter gasifier used in the method COREX® or FINEX® becomes a reducing gas by gasification of carbon carriers under injection. obtained by a hot blast or oxygen jet, by means of this reducing gas oxidic iron carriers are reduced and subsequently the
  • Melt carburetors are oxygen nozzles on the circumference of the
  • Einschmelzvergasers installed to the oxygen for the gasification of carbon for the production of the reducing gas and providing the energy required to melt the iron carrier as evenly as possible on the circumference of the Blow molten carburetor into the bed of the melter gasifier.
  • liquid pig iron and molten slag are produced.
  • the area of the melter gasifier is created below the
  • Char are called thermally degassed carbon carriers.
  • Charbett is the area in the melter gasifier
  • Race-way in which already gasification of Kohlenstoffträgem takes place, whereby reducing gas is already formed.
  • Race-way is understood to mean the vortex zone in front of the oxygen nozzles, in which the reducing gas is formed from oxygen and carbon carriers.
  • the term vortex zone is the high
  • the incoming oxygen jet creates a cavern in the bed of the charbette.
  • the cavern is formed by the momentum of the incoming oxygen jet
  • Race-way The race way has compared to
  • Charbett which is a fluid bed, a much higher degree of void.
  • the raceway extends according to the arrangement of the oxygen nozzles on the circumference of the
  • the cross-sectional area formed when viewed from above by the length of the race-way is also referred to as an active ring surface, wherein in the term active ring surface actively refers to the fact that drainage of liquid pig iron and liquid slag due to the degree of void of the raceway is particularly well done by the raceway, and that by gasification of
  • Ring area is determined by the length of the race way, and thus by the depth of penetration of the oxygen jet
  • hot blast or oxygen is injected, form in the area of the nozzle race-ways with active ring surface.
  • Meltdown carburetor reduces, whereby the outflow of liquid pig iron and liquid, especially of highly viscous, slag is difficult, which can lead to disturbances due to backflow of liquid pig iron and / or liquid slag before the oxygen nozzles.
  • An increase in the depth of penetration of the oxygen jet into the bed would significantly increase the active area in an oxygen-operated blast furnace as well as in a melter gasifier and thus improve the outflow of liquid pig iron and of liquid slag.
  • the reducing gas flows substantially upwards.
  • fluidized areas are undesirable because optimal phase control of gas and solid is hindered by them.
  • a mixture of material from the upper and from the lower part of the Charbettes can come - so passes, for example, iron oxide from the upper part of the Charbettes in the Lower part of the charbette, and finished and partially molten iron from the lower part of the charbette is transported to its upper part.
  • Meltdown gasifier and blast furnaces operated with oxygen increase the risk of the formation of fluidized areas while maintaining the same penetration depth.
  • Melt carburetor is in the range of the entry of the oxygen jet in the bed, so the race-way, due to the high flow velocity - the
  • Flow rate of the oxygen jet would increase the mechanical stress of the char.
  • the mechanical stress would be due to momentum transfer between the particles of the oxygen beam and the components of the Charbette - so the Char - and in the sequence Increase momentum transfer between the components of the charbette with each other.
  • the characteristic for this is the impulse force, which represents the specific impulse per unit area.
  • Oxygen velocity can be achieved.
  • Oxygen jet is significantly lower in a blast furnace operated with oxygen compared to the penetration depth of hot blast in a hot blast furnace of the same power. This is because the mass flow of introduced gas in the oxygen flow is lower because not as in the hot air along with the required amount of oxygen, a large amount of nitrogen is introduced. In the case of a blast furnace operated with oxygen would have to achieve a penetration, which is present in a hot blast furnace of the same power, the
  • Oxygen velocity can be increased in comparison to the speed of the hot blast - it would, however, as described above, to increased mechanical destruction of the Coke in the blast furnace due to momentum transfer and correspond by fine grain formation to a lower gas permeability of the fixed bed in the blast furnace.
  • the object of the present invention is to provide a method for introducing an oxygen jet into the bed of a pig iron production unit, in which the abovementioned disadvantages are avoided.
  • Oxygen is increased in size.
  • Technically pure oxygen has an oxygen content of at least 85% by volume, more preferably at least 90% by volume
  • the pig iron production unit is a smelting reduction unit such as a
  • the penetration depth is increased by increasing the volume flow to mass flow ratio.
  • Mass flow and volumetric flow refer to a given operating condition; So it means mass flow and volumetric flow at the prevailing pressure and temperature conditions in the given operating condition.
  • Constant mass flow is to be understood in the technical sense of the plant and also includes the control of a given operating condition - such as given by melting, heat demand, type of raw materials used, pressure, temperature determined - occurring fluctuations of up to +/- 10% from the value desired at a given operating condition.
  • a given operating condition such as given by melting, heat demand, type of raw materials used, pressure, temperature determined - occurring fluctuations of up to +/- 10% from the value desired at a given operating condition.
  • the oxygen jet enters the bed at a flow rate.
  • the temperature of the oxygen jet is increased.
  • volume flow increased to mass flow.
  • the temperature of the oxygen jet is increased while the flow rate remains constant.
  • Oxygen jet kept constant. At enlarged
  • Penetration depth and entrance surface is then reduced the impulse force. As a result, correspondingly less fine grain is formed.
  • the diameter of the oxygen nozzles to be used at the elevated temperature is made correspondingly larger.
  • Pig iron production in which. the pig iron production unit is used, resulting process gases such as top gas from a reduction shaft; For example, natural gas - with oxygen through a burner, and mixing the resulting hot gas with the. Oxygen.
  • the mixing in this case takes place with the oxygen in the combustion chamber of the burner to the
  • thermal oil or nitrogen for example, thermal oil or nitrogen
  • preheating over hot flue gases from combustion of fuels this can also be done, for example, via hot flue gases from existing plants such as coal drying plants, reduction gas furnaces, power plants.
  • preheating by steam it is possible, for example, to use condensation or counterpressure steam heat exchangers.
  • Supply of heated oxygen can be made directly from the oxygen production plant used for its supply. It can therefore also in an oxygen production plant accumulating warm oxygen, with or without
  • the oxygen in the oxygen production plant by indirect heat exchange of the oxygen with hot process air of the
  • the oxygen is adiabated by
  • the heating of oxygen can also be done in two stages, for example by first preheating to, for example, 100-150 ° C at low. Oxygen pressure, takes place, and in subsequent episodes an adiabatic compression to about 300 ° C is performed. The preheating of the oxygen can after another
  • Embodiment of the method according to the invention by means of preheating of oxygen by means of a plasma torch and mixing done with not so preheated oxygen.
  • an oxygen production plant primarily an Air Separation Unit ASU.
  • ASU Air Separation Unit
  • compressors such as Main Air Compressor MAC, Booster Air Compressor (BAC) available.
  • BAC Booster Air Compressor
  • Aircompensators are coupled.
  • the oxygen jet enters the bed at an inlet pressure selected to cause the reducing gas formed by the flow of the reducing gas formed during the reaction of the oxygen to pass through the charbette to the settling space
  • Pressure loss can be overcome.
  • the inlet pressure is reduced while maintaining the mass flow. In order to be able to continue the process of pig iron production, at the same time
  • the pressure in the calming room lowered or the Charbett reduced in order to reduce the pressure loss.
  • Constant mass flow is to be understood in terms of plant technology and also includes the fluctuations occurring by regulation to a given operating state of up to +/- 10 x% of the value that is desired for a given operating condition. At a reduced compared to an initial value
  • the temperature of the oxygen jet entering the bed is at least 200 ° C, preferably at least 250 ° C.
  • the flow rate of the oxygen jet entering the bed is preferably in the range from 100 m / s to the speed of sound, preferably in the range from 150 to 300 m / s.
  • the speed of sound is below the
  • Oxygen jet an injection of carbon carriers in solid or liquid or gaseous form, for example coal / oil / gas, in the oxygen jet before, in the
  • the effect is achieved that by gasification of these carbon carriers an effectively larger gas volume is formed in the raceway and introduced into the bed, as if only the oxygen flow enters the bed - because the introduced gas volume is composed of the incoming
  • Oxygen jet and the resulting gas during gasification - called resulting gas jet With the same amount of oxygen entering the bed, an increase in the ratio of the volume flow to the mass flow of the incoming, resulting gas jet is thus achieved.
  • the quantities of the injection and the purity of the oxygen jet into which it is injected, or in which its raceway is injected, are chosen so that the resulting gas jet is still technically pure oxygen.
  • Coal is fed, for example, as coal dust.
  • Oil is supplied, for example, finely atomized.
  • the natural gas is preferably on the temperature of
  • Oxygen streams preheated In the case of natural gas, in the process of pig iron production to which the oxygen contributes, the reducing gas or export gas formed is to be understood.
  • Figures 4, 5 and 6 show by way of example and schematically how the temperature of the oxygen jet can be increased at a constant flow rate.
  • FIG. 1 shows an example of that in a
  • Oxygen beam increases.
  • the mass flow is constant.
  • FIG. 1 shows, for example, that with an increase in the ratio of the volume flow to the mass flow of about 90%, from just under 0.22 to just under 0.42 m 3 / kg, the penetration depth of the
  • Oxygen beam increases by almost 15%. This applies to both flow rates shown.
  • Figure 2 shows an example that the
  • Penetration depth of an oxygen jet in the bed of a melter gasifier increases when the ratio volumetric flow to mass flow of the oxygen jet is increased.
  • the mass flow of the oxygen jet is constant. So that the flow rate remains the same at elevated temperature of the oxygen jet, larger diameters of the oxygen nozzles are used at higher temperatures - abbreviated to Nozzledia in the figure. From the figure 2 It can be seen that with constant mass flow and constant flow velocity, the penetration depth increases with increasing temperature. As increasing temperature over decreasing density means larger volume results in an increasing penetration depth with enlargement of the
  • FIG. 3 shows that the ratio of volume flow to mass flow of an oxygen jet increases with decreasing inlet pressure or with increasing temperature.
  • FIGS 4, 5 and 6 show by way of example and schematically how the temperature of the oxygen jet can be increased at a constant flow rate.
  • an oxygen nozzle is schematically indicated in each case on the right edge of the image.
  • Figure 4 shows schematically how oxygen 1 is heated by a gaseous fuel - in this case
  • Pig iron production unit is used, resulting top gas 2 from a reduction shaft, not shown - is burned with a portion of the oxygen 1 in a burner 3, and the hot gas obtained during combustion with the unburned oxygen 1 is mixed.
  • the mixing takes place in this case in the combustion chamber 4 of the burner 3, in order to minimize the influence of temperature on the lining of the oxygen-carrying lines.
  • the pressure of Oxygen beam remains the same, only the temperature rises.
  • FIG. 5 shows schematically how oxygen 1 is heated by using indirect heat exchangers 5.
  • indirect heat exchangers 5 In the indirect
  • Heat exchanger 5 transfers heat from vapor 6 to the oxygen, with the pressure of the oxygen jet remaining the same.
  • Figure 6 shows schematically how a heating of. Oxygen 1 takes place in two stages. First, a preheating at low pressure of the oxygen jet by means of an indirect
  • Heat exchanger 5 and 6 steam made, and then there is an adiabatic compression of the thus preheated oxygen in a compressor 7. It is before preheating the
  • Oxygen beam decreases. After the subsequent preheating of the intermediate pressure oxygen is the
  • Oxygen during the adiabatic compression "brought back to the initial pressure and thereby heated to the desired temperature.

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Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Eindringtiefe eines mit einem Volumsstrom und einem Massestrom in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates, bevorzugterweise eines Schmelzreduktionsaggregates/Einschmelzvergasers oder eines sauerstoffblasenden Hochofens, eintretenden Sauerstoffstrahles von technisch reinem Sauerstoff zur Vergasung von in der Schüttung vorhandenen Kohlenstoffträgern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom des Sauerstoffstrahles vergrößert wird.

Description

Beschreibung
Bezeichnung der Erfindung Verfahren zur Erhöhung der Eindringtiefe eines
SauerstoffStrahles
Gebiet der Technik Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der
Eindringtiefe eines mit einem Volumsstrom und einem
Massestrom. in die Schüttung eines
Roheisenerzeugungsaggregates eintrete den SauerstoffstrahI es von technisch reinem Sauerstoff zur Vergasung von in der Schüttung vorhandenen Kohlenstoffträgern .
Stand der Technik
Bei der Herstellung von Roheisen in einem
Roheisenerzeugungsaggregat, wie beispielsweise einem Hochofen oder einem Schmelzreduktionsaggragat wie etwa einem bei den Verfahren COREX® oder FINEX® genutzten Einschmelzvergaser, wird ein Reduktionsgas durch Vergasung von Kohlenstoffträgern unter Einblasen. eines Heißwindes oder SauerstoffStrahles gewonnen, Mittels dieses Reduktionsgases werden oxidische Eisenträger reduziert und in weiterer Folge wird das
erhaltene reduzierte Material zu Roheisen erschmolzen.
Bei den beim. COREX® und FINEX®-Verfahren verwendeten
Einschmelzvergasern sind Sauerstoffdüsen am Umfang des
Einschmelzvergasers zwischen Herd und Charbett des
Einschmelzvergasers eingebaut, um den Sauerstoff für die Vergasung von Kohlenstoff zur Herstellung des Reduktionsgases und Bereitstellung der zum Einschmelzen der Eisenträger erforderlichen Energie möglichst gleichmäßig am Umfang des Einschmelzvergasers in die Schüttung des Einschmelzvergasers einzublasen. Beim Einschmelzen der Eisenträger entstehen flüssiges Roheisen und flüssige Schlacke, Als Herd wird dabei der Bereich des Einschmelzvergasers unterhalb der
Sauerstoffdüsen bezeichnet, in dem keine Durchströmung durch Reduktionsgas stattfindet. Im Herd befinden sich flüssiges Roheisen, flüssige Schlacke und ein Teil des Chars , Als Char werden thermisch entgaste Kohlenstoffträger bezeichnet. Als Charbett wird dabei der Bereich im Einschmelzvergaser
bezeichnet, der oberhalb der Sauerstoffdüsen liegt; er enthält neben flüssigem Roheisen und flüssiger Schlacke sowie Char auch ungeschmolzene und teilreduzierte Eisenträger und Zuschläge. Das Charbett wird vom. Reduktionsgas, das unter Umsetzung des eingebrachten Sauerstoffs gebildet wird, durchströmt. Die durch die Sauerstoffdüsen in den
Einschmelzvergaser eintretenden Sauerstoffstrahlen bilden im. Inneren des Einschmel zvergasers den sogenannten Race-Way, in dem bereits Vergasung von Kohlenstoffträgem stattfindet, wobei bereits Reduktionsgas entsteht. Unter Race-way wird dabei die Wirbelzone vor den Sauerstoffdüsen verstanden, in der das Reduktionsgas aus Sauerstoff und Kohlenstoffträgern entsteht. Der Begriff Wirbelzone gibt dabei die hoch
turbulenten wirbelschichtähnlichen Strömungsverhältnisse im Bereich des Race-way wieder. Der eintretende Sauerstoffstrahl erzeugt eine Kaverne in der Schüttung des Charbettes . Die Kaverne entsteht durch den Impuls des eintretenden
Sauerstoffstrahles und durch die Vergasungsreaktion des
Sauerstoffs mit dem Char. Der Bereich der Kaverne wird als Race-way bezeichnet. Der Race-way hat im Vergleich zum
Charbett, das ein Fließbett darstellt, einen deutlich höheren Lückengrad. Der Race-way erstreckt sich entsprechend der Anordnung der Sauerstoffdüsen am Umfang des
Einschmelzvergasers im Inneren des Einschmelzvergasers in einer horizontalen Ebene. Die Querschnittsfläche, die bei Betrachtung von oben durch die Länge des Race-ways gebildet wird, wird auch als aktive Ringfläche bezeichnet, wobei sich in dem Begriff aktive Ringfläche aktiv darauf bezieht, dass Drainage von flüssigem Roheisen und flüssiger Schlacke aufgrund des Lückengrades des Race-way besonders gut durch den Race-way erfolgt, und dass durch Vergasung von
Kohlenstoffträgem entstandenes Reduktionsgas aus dem Race- way in das Charbett eintritt. Die Breite der aktiven
Ringfläche ist durch die Längenerstreckung des Race-way, und damit durch die Eindringtiefe des SauerstoffStrahles
bestimmt.
Auen bei einem Hochofen, bei dem durch entsprechende um den Umfang des Hochofens verteilte Düsen, auch Windformen
genannt, Heißwind oder Sauerstoff eingeblasen wird, bilden sich im Bereich der Düsen Race-ways mit aktiver Ringfläche.
Für das Charbett eines Einschmelzvergasers ergibt sich bei der üblichen Verwendung eines SauerstoffStrahls aus technisch reinem Sauerstoff mit einer Temperatur zwischen -15°C und + 45°C, und aufgrund des im Vergleich zu mit Heißwind
betriebene Hochöfen geringeren Durchmessers der eingesetzten Sauerstoffdüsen, im Vergleich zu dem in einem mit Heißwind betriebenen Hochofen vorliegenden Festbett eine deutlich geringere Eindringtiefe des SauerstoffStrahles in die
Schüttung. Damit ergibt sich durch den kürzeren
beziehungsweise schmäleren Race-Way im Charbett eine im
Vergleich zu einem mit Heißwind betriebenen Hochofen
vergleichsweise geringe aktive Ringfläche am Umfang des Einschmel zvergasers , wodurch die Gasdurchlässigkeit für Reduktionsgas in das Charbett beziehungsweise die Drainage von flüssigem Roheisen und flüssiger Schlacke in den Herd vergleichsweise schlechter sind. Weiters wird im Vergleich zum mit Koks betriebenen Hochofen durch den Einsatz von
Stückkohle und/oder Kohlebriketts als Kohlenstoffträger der hydraulische Durchmesser der Charmatrix in einem
Einschmelzvergaser verringert, womit das Abfließen von flüssigem Roheisen und von flüssiger, speziell von hochviskoser, Schlacke erschwert wird, was zu Störungen durch Rückstau von flüssigem Roheisen und/oder flüssiger Schlacke vor den Sauerstoffdüsen führen kann.
Eine Erhöhung der Eindringtiefe des SauerstoffStrahles in die Schüttung 'würde sowohl bei einem mit Sauerstoff betriebenen Hochofen als auch bei einem Einschmelzvergaser die aktive Fläche deutlich erhöhen und damit das Abfließen von flüssigem Roheisen und von flüssiger Schlacke verbessern.
Das Reduktionsgas strömt im wesentlichen nach oben. In
Strömungsrichtung des Reduktionsgases gesehen nach dem. Race- way, also oberhalb des Race-way, kommt es in der Schüttung eines Einschmelzvergasers oder Hochofens zu unerwünschten fluidisierten Bereichen, auch genannt Blasen- oder
Kanalbildung. In diesen Bereichen tritt eine Gasmenge unter hohem Druck in die Schüttung aus Feststoffen ein, und die entstehende Mischung von Feststoffen und Gas verhält sich wie ein Fluid. Die Bildung fluidisierter Bereiche ist
unerwünscht, weil sie zu sogenannten Durchbläsern durch die Schüttung des Einschmelzvergasers beziehungsweise Hochofens führen können. Durchbläser führen zu plötzlich ansteigenden Änderungen der Gasströmung, Staubbelastung und
Zusammensetzung des aus dem Einschmelzvergaser oder Hochofen ausgeleiteten Gases, was den Betrieb solcher Aggregate schwerer beherrschbar macht. Weiters werden bei Durchbläsern Partikel aus dem Einschmelzvergaser oder Hochofen in
Leitungen zur Ableitung von Reduktionsgas oder Gichtgas ausgetragen .
Außerdem sind fluidisierte Bereiche unerwünscht, da eine optimale Phasenführung von Gas und Feststoff durch sie behindert wird. In fluidisierten Bereichen kann es zu einer Vermischung von Material aus dem oberen und aus dem unteren Bereich des Charbettes kommen - so gelangt beispielsweise Eisenoxid aus dem oberen Bereich des Charbettes in den unteren Bereich des Charbettes, und fertigreduziertes und teilweise schon geschmolzenes Eisen aus dem unteren Bereich des Charbettes wird in dessen oberen Bereich transportiert. Bei Einbringung einer größeren Gasmenge, speziell einer größeren Sauerstoffmenge in die Schüttung, bei
Einschmelzvergaser und mit Sauerstoff betriebenen Hochöfen, steigt bei gleichbleibender Eindringtiefe die Gefahr der Entstehung fluidisierter Bereiche.
Wenn die Eindringtiefe des SauerstoffStrahles gegenüber einem Grundzustand vergrößert wird, kann eine bestimmte Gasmenge über eine im Vergleich zum. Grundzustand vergrößerte Fläche aus dem Race-way in die Schüttung entweichen. Entsprechend werden zur Bildung fluidisierter Bereiche führende Druck- Bedingungen in der Nachbarschaft zu den Sauerstoffdüsen im Vergleich zum Grundzustand räumlich, und zeitlich seltener vorliegen, und. als Resultat, werden fluidisierte Bereiche in der Nachbarschaft der Sauerstoffdüsen weniger groß und weniger häufig vorliegen.
In einem. Einschmelzvergaser liegt im Bereich des Eintritts des SauerstoffStrahles in die Schüttung, also dem Race-way, auf Grund der hohen Strömungsgeschwindigkeit - die im
Vergleich zu einem Hochofen um ein Vielfaches höher ist - , der chemischen und. thermischen Volumsexpansion, und auf Grund der kleineren Chargröße im Vergleich zur mittleren Größe des Koks im Hochofen, eine Wirbelzone vor. Gemäß bekannter
Gesetzmäßigkeiten, wird praktisch keine Erhöhung der
Eindringtiefe durch höhere Strömungsgeschwindigkeit des SauerstoffStrahles erzielt . Eine Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit des SauerstoffStrahles würde die mechanische Beanspruchung des Chars erhöhen . Die mechanische Beanspruchung würde sich durch Impulsübertragung zwischen den Teilchen des SauerstoffStrahles und den Bestandteilen des Charbettes - also des Chars - sowie in der Folge durch Impulsübertragung zwischen den Bestandteilen des Charbettes untereinander erhöhen. Durch infolge des durch die
Impulsübertragung beziehungsweise die dadurch hervorgerufene mechanisehe Beanspruchung hervorgerufenen Abriebes
beziehungsweise Zerfall des Cnars würde mehr Feinkorn in der Wirbelzone gebildet werden.
Für den Zerfall des Cnars ist der pro Flächeneinheit
übertragene spezifische Impuls die bestimmende Größe. Die Kenngröße dafür ist die Impulskraft, welche den spezifischen auf eine Flächeneinheit bezogenen Impuls darstellt.
Mehr Feinkorn in der Wirbelzone führt jedoch zu einer
Verminderung des hydraulischen Durchmessers der Wirbelzone des Race-ways, was wiederum das Abfließen von flüssigem
Roheisen und von flüssiger Schlacke durch die aktive
Ringfläche verschlechtert.
Im Falle eines Festbettes in einem Hochofen kann eine
Erhöhung der Eindringtiefe durch Erhöhung der
Sauerstoffgeschwindigkeit erzielt werden.
Dabei besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen einem mit Heißwind betriebenen Hochofen und einem mit Sauerstoff betriebenen Hochofen. Die Eindringtiefe des
SauerstoffStrahles ist bei einem mit Sauerstoff betriebenen Hochofen im Vergleich zur Eindringtiefe von Heißwind in einem mit Heißwind betriebenen Hochofens gleicher Leistung deutlich geringer. Das deshalb, weil der Massestrom von eingebrachtem Gas beim Sauerstoffström geringer ist, da nicht wie beim Heißwind zusammen mit der benötigten Menge Sauerstoff eine große Menge Stickstoff mit eingebracht wird. Im Falle eines mit Sauerstoff betriebenen Hochofens müßte zur Erzielung einer Eindringtiefe, die bei einem mit Heißwind betriebenen Hochofen gleicher Leistung vorliegt, die
Sauerstoffgeschwindigkeit im Vergleich zur Geschwindigkeit des Heißwindes erhöht werden - dabei käme es jedoch, wie vorab beschrieben, zu erhöhter mechanischen Zerstörung des Kokses im Hochofen infolge Impulsübertragung und entsprechen durch Feinkornbildung zu einer geringeren Gasdurchlässigkeit des Festbettes im Hochofen.
Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Einbringung eines SauerstoffStrahles in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein
Verfahren zur Erhöhung der Eindringtiefe eines
mit einem Volumsstrom und einem Massestrom
in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates, eintretenden SauerstoffStrahles von technisch reinem
Sauerstoff
zur Vergasung von in der Schüttung vorhandenen
Kohlenstoffträgern,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom des
SauerstoffStrahles vergrößert wird.
Technisch reiner Sauerstoff weist einen Sauerstoffgehalt von zumindest 85 Vol%, besonders bevorzugt zumindest 90 Vol% auf
Bevorzugterweise ist das Roheisenerzeugungsaggregat ein Schmelzreduktionsaggregat wie beispielsweise ein
Einschmelzvergaser oder ein sauerstoffblasender Hochofen. Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Eindringtiefe wird dadurch erhöht, dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom vergrößert wird.
Massestrom und Volumsstrom beziehen sich auf einen gegebenen Betriebszustand; es sind also Massestrom und Volumsstrom bei den bei dem gegebenen Betriebszustand herrschenden Druck und Temperaturbedingungen gemeint.
Durch die Erhöhung der Eindringtiefe des Sauerstoffstrahles in die Schüttung wird die aktive Ringfläche des
Einschmelzvergasers vergrößert. Somit ergibt sich, eine
niedrigere Strömungsgeschwindigkeit von Reduktionsgas, wenn dieses durch das Charbett nach oben strömt. Damit wird
einerseits eine für in einem Einschmelzvergaser vorliegende Wirbelschichten typische, jedoch ungewünschte Blasenbildung verringert, und andererseits der Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem Reduktionsgas und der Schüttung im
Einschmelzvergaser verbessert .
Die zum Abfließen von flüssigem Roheisen und von flüssiger Schlacke zur Verfügung stehende Fläche wird vergrößert, womit, ein für die zur Einbringung des SauerstoffStrahles in den Einschmelzvergaser verwendeten Sauerstoffdüsen kritischer Rückstau dieser Flüssigkeiten verringert wird. Zudem ergeben sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Eindringtiefe des SauerstoffStrahles bessere metallurgische Bedingungen im Herd - beispielsweise besserer Phasenaustausch zwischen festen und flüssigen Phasen von Schlacke und Roheisen - und gegenüber einer geringeren Eindringtiefe verbesserte Abstichbedingungen - es treten weniger Störungen beim Abstichprozess auf.
Vorzugsweise wird bei gleichbleibendem Massestrom der
Volumsstrom erhöht. In diesem Fall wird pro Zeiteinheit eine gleichbleibende Menge Sauerstoff in die Schüttung eingebracht.
Gleichbleibender Massestrom ist dabei im anlagentechnischen Sinne zu verstehen und umfasst auch die durch Regelung auf einen gegebenen Betriebszustand - wie beispielsweise durch gegebene Schmelzleistung, Wärmebedarf, Art der eingesetzten Rohstoffe, Druck, Temperatur, bestimmt - hin auftretenden Schwankungen von bis zu +/- 10 % von dem Wert, der bei einem gegebenen Betriebszustand gewünscht ist.
Der Sauerstoffstrahl tritt mit einer Strömungsgeschwindigkeit in die Schüttung ein.
Nach einer Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Sauerstoffsstrahles erhöht.
Durch die Erhöhung der Temperatur wird das Verhältnis
Volumsstrom zu Massenstrom erhöht.
Vorteilhafterweise kann durch den damit verbundenen Eintrag von Energie in das Roheisenerzeugungsaggregat anders
gearteter Energieeintrag, beispielsweise über
Brennstoffzugäbe in das Roheisenerzeugungsaggregat,
eingespart werden.
Nach einer weiteren Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Sauerstoffsstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit erhöht.
Dabei ist gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit im
anlagentechnischen Sinne zu verstehen und umfasst auch die durch Regelung auf einen gegebenen Betriebszustand hin auftretenden Schwankungen von bis zu +/- 10 % von dem Wert der bei einem gegebenen Betriebszustand gewünscht ist.
Durch die Maßnahme, die Strömungsgeschwindigkeit
gleichbleibend zu erhalten, wird der durch die Strömungsgeschwindigkeit begründete Impuls des
SauerstoffStrahls konstant gehalten. Bei vergrößerter
Eindringtiefe und Eintrittsfläche wird dann die Impulskraft verringert. Dadurch wird entsprechend weniger Feinkorn gebildet.
Um bei einer gegenüber einem Ausgangswert erhöhten Temperatur des Sauerstoffstrahles bei gleichbleibender
Strömungsgeschwindigkeit einen konstanten Massenfluss zu gewährleisten, obwohl bei einer Zunahme der Temperatur die
Dichte des SauerstoffStrahles abnimmt, wird der Durchmesser der bei der erhöhten Temperatur einzusetzenden Sauerstoffdüsen entsprechend größer ausgeführt .
Weiters ist es empfehlenswert, die Sauerstoffdüsen innen zu isolieren beziehungsweise die Sauerstoffzuleitung zu den
Sauerstoffdüsen zu isolieren und/oder so auszuführen, dass die Wärmeverluste gering sind.
Zur Erhöhung der Temperatur des SauerstoffStrahles wird er vor dem Eintritt in die Schüttung des Roheisenerzeugungsaggregates vorgewärmt .
Dies kann mittels einer einzelnen oder mehrerer der nachfolgend genannten Verfahren in Kombination geschehen:
- Verbrennung eines festen, flüssigen oder gasförmigen
Brennstoffes - beispielsweise aus dem Prozess zur
Roheisenerzeugung, in dem. das Roheisenerzeugungsaggregat eingesetzt wird, anfallende Prozessgase wie beispielsweise Topgas aus einem Reduktionsschacht; bespielsweise Erdgas - mit Sauerstoff über einen Brenner, und Vermischung des dabei erhaltenen heißen Gases mit dem. Sauerstoff.
Bevorzugterweise findet die Vermischung in diesem Fall mit dem Sauerstoff in der Brennkammer des Brenners statt, um den
Temperatureinfluss auf die Ausm.aue.rung von den Sauerstoff führenden Leitungen zu minimieren. Vermischung von Sauerstoff mit Dampf und/oder heißem
Stickstoff in Mischkammer oder an der Einblasstelle
- Verwendung von indirekten Wärmetauschern, beispielsweise
- unter Vorwärmung durch Nutzung von Abwärme von
COREX®/FINEX®-Prozessgasen,
- unter Vorwärmung durch Dampf,
- unter Vorwärmung durch sonstige Wärmeträger wie
beispielsweise Thermoöl oder Stickstoff,,
unter Vorwärmung über heiße Rauchgase aus Verbrennung von Brennstoffen, Das kann beispielsweise auch über heiße Rauchgase aus bestehenden Anlagen wie beispielsweise Anlagen zur Kohletrocknung, Reduktionsgasöfen, Kraftwerken erfoIgen. Bei Vorwärmung durch Dampf können beispielsweise Kondensationsoder Gegendruckdampfwärmetauscher eingesetzt werden. Die
Dampfquellen müssen jedenfalls eine hone Verfügbarkeit,
aufweisen .
Lieferung von erwärmtem Sauerstoff kann direkt von der für seine Bereitstellung eingesetzten Sauerstofferzeugungsanlage erfolgen. Es kann also auch in einer Sauerstofferzeugungsanlage anfallender warmer Sauerstoff, und zwar mit oder ohne
zusätzliche Erwärmung, genutzt werden. Nach einer
erfindungsgemäßen Ausführungsvariante wird dabei der Sauerstoff bei der Sauerstofferzeugungsanlage durch indirekten Wärmetausch des Sauerstoffes mit heißer Prozessluft des
Sauerstofferzeugungsprozesses erwärmt. Nach einer anderen Ausführungsvariante wird der Sauerstoff durch adiabate
Verdichtung von gasförmigem. Sauerstoff erwärmt.
Die Erwärmung von Sauerstoff kann auch 2-stufig erfolgen, indem beispielsweise zuerst eine Vorwärmung auf beispielsweise 100 - 150°C bei niedrigem. Sauerstoffdruck, erfolgt, und in weiterer Folgen eine adiabate Verdichtung auf circa 300 °C durchgeführt wird. Die Vorwärmung des Sauerstoffes kann nach einer weiteren
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mittels Vorheizung von Sauerstoff mittels eines Plasmabrenners und Vermischung mit nicht derart vorgeheiztem Sauerstoff geschehen.
Bevorzugt ist es, den Sauerstoff durch Abwärme der
Sauerstofferzeugunganlage und/oder durch Abwärme eines
Kraftwerkes zu erwärmen.
Als Sauerstofferzeugungsanlage ist dabei in erster Linie eine Air Separation Unit ASU gemeint. In einer solchen ASU sind eine Vielzahl von Kompressoren wie etwa Main Air Compressor MAC, Booster Air Compressor (BAC) vorhanden. Speziell in Combined Cylce Power Plants sind Gasturbinen vorhanden, die mit
Luftkompessoren gekoppelt sind.
Stromabwärts solcher Kompressoren in Lufterzeugungsanlagen oder Kraftwerken fällt durch Kompression erhitztes Gas an, dessen Wärme als Abwärme an die Umwelt abgegeben wird. Diese Abwärme wird bevorzugterweise zur Erwärmung des Sauerstoffes genutzt, der in das Festbett eines Einschmelzvergaser eingebracht wird. Eine Erhöhung" der Temperatur des SauerstoffStrahles führt zu einem verminderten Bedarf an Kohlenstoffträgem zur
Bereitstellung der zum Einschmelzen der Eisenträger
erforder1 ichen Energie. Damit wird de Prozess der
Roheisenerzeugung kostengünstiger und es werden die
spezifischen Emissionen, speziell von CO2, bei der
Roheisenerzeugung vermindert ,
Der Sauerstoffstrahl tritt unter einem Eintrittsdruck in die Schüttung ein, der so gewählt ist, dass der beim Strömen des bei der Umsetzung des Sauerstoffs gebildete Reduktionsgas über das Charbetts bis zum Beruhigungsraum auftretende
Druckverlust überwunden werden kann. Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Eintrittdruck bei gleichbleibendem Massenstrom vermindert. Um den Prozess der Roheisenerzeugung weiter ablaufen lassen zu können, wird dabei gleichzeitig
beispielsweise der Druck im Beruhigungsraum gesenkt oder das Charbett zwecks Verminderung des Druckverlustes verkleinert. Durch die Verminderung des Eintrittdruckes kann ein höherer Volumenstrom bei gleich bleibendem Massestrom erzielt werde. Gleichbleibender Massestrom ist dabei im anlagentechnischen Sinne zu verstehen und umfasst auch die durch Regelung auf einen gegebenen Betriebszustand hin auftretenden Schwankungen von bis zu +/- 10 x% von dem Wert, der bei einem gegebenen Betriebszustand gewünscht ist. Um bei einer gegenüber einem Ausgangswert verminderten
Eintrittsdruck des SauerstoffStrahles einen gleichbleibendem Massefluss zu gewährleisten, obwohl bei einer Verminderung des Drucks die Dichte des SauerstoffStrahles abnimmt, wird der Durchmesser der bei dem verminderten Druck einzusetzenden
Sauerstoffdüsen entsprechend größer ausgeführt.
Vorzugsweise beträgt die Temperatur des in die Schüttung eintretenden SauerstoffStrahles zumindest 200°C, bevorzugt zumindest 250°C.
Vorzugsweise beträgt die Strömungsgeschwindigkeit des in die Schüttung eintretenden SauerstoffStrahles im Bereich 100 m/s bis Schallgeschwindigkeit, bevorzugt im Bereich 150 - 300 m/s. Dabei ist die Schallgeschwindigkeit unter den
Druck/Temperaturbedingungen des Sauerstoffs beim Eintrit gemeint .
Unter 100 m/s Gefahr besteht eine große Gefahr von
Düsenschäden durch Rückströmung von flüssigem Roheisen in die Düsen. Ab Schallgeschwindigkeit ergibt sich ein hoher
Druckverlust über die Sauerstoffdüsen und hoher Energiebedarf zum Aufbau des für eine solche Geschwindigkeit notwendigen Druckes. Zudem trägt der mit so hohen Geschwindigkeiten verbundene große Impuls des SauerstoffStrahles stark zur unerwünschten Feinkornbildung bei.
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form des
erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zusammen mit dem
Sauerstoffstrahl eine Eindüsung von Kohlenstoffträgern in fester oder flüssiger oder gasförmiger Form, beispielsweise Kohle/Öl/Eigengas, in den Sauerstoffstrahl vor dem, im
Bereich des Eintritts des SauerstoffStrahles in die Schüttung gebildeten, Race-way und/oder in dem Race-way.
Dabei wird der Effekt erzielt, dass durch Vergasung dieser Kohlenstoffträger ein effektiv größeres Gasvolumen im Race- way gebildet und in die Schüttung eingebracht wird, als wenn nur der Sauerstoffström in die Schüttung eintritt - denn das eingebrachte Gasvolumen setzt sich aus dem eintretenden
Sauerstoffstrahl und dem bei der Vergasung entstehenden Gas zusammen - genannt resultierender Gasstrahl. Bei gleicher in die Schüttung eintretender Menge Sauerstoff wird also eine Erhöhung des Verhältnisses Volumsstrom zu Massestrom des eintretenden, resultierenden Gasstrahles erzielt. Die Mengen der Eindüsung und die Reinheit des SauerstoffStrahles, in den eingedüst wird, beziehungsweise in dessen Race-way eingedüst wird, sind so gewählt, dass es sich bei dem resultierenden Gasstrahl immer noch um technisch reinen Sauerstoff handelt.
Kohle wird beispielsweise als Kohlestaub zugeführt.
Öl wird beispielsweise fein zerstäubt zugeführt.
Das Eigengas ist bevorzugterweise auf die Temperatur des
SauerstoffStromes vorgewärmt. Unter Eigengas ist beim Prozess der Roheisenerzeugung, zu dem der Sauerstoff beiträgt, gebildetes Reduktionsgas oder Exportgas zu verstehen. Die Angaben Massestrom, Volumsstrom, Temperatur, Druck des SauerstoffStrahles, sowie die Werte für Massestrom,
Volumsstrom, Temperatur, Druck des SauerstoffStrahles
beziehen sich auf die Stelle der Zufuhr des
SauerstoffStrahles in die Schüttung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Kurze Beschreibung der Ausführungsformen
Die Figuren 1 bis 3 zeigen anhand von Diagrammen die
erfindungsgemäß erzielten Effekte.
Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen beispielhaft und schematisch, wie die Temperatur des Sauerstoffsstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.
Die Figur 1 zeigt ein Beispiel dafür, dass bei einer
Vergrößerung des Verhältnisses Volumsstrom zu Massenstrom eines SauerstoffStrahles die Eindringtiefe des
SauerstoffStrahles zunimmt. Der Massestrom ist konstant.
Figur 1 zeigt beispielsweise, dass bei einer Erhöhung des Verhältnisses Volumsstrom zu Massestrom von etwa 90% von knapp 0,22 auf knapp 0,42 m3/kg die Eindringtiefe des
SauerstoffStrahles um knapp 15% zunimmt. Das trifft auf beide gezeigten Strömungsgeschwindigkeiten zu.
Auch die Figur 2 zeigt ein Beispiel dafür, dass die
Eindringtiefe eines SauerstoffStrahles in die Schüttung eines Einschmelzvergasers zunimmt, wenn das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom des SauerstoffStrahles vergrößert wird.
Der Massestrom des SauerstoffStrahles ist gleichbleibend. Damit bei erhöhter Temperatur des SauerstoffStrahles die Strömungsgeschwindigkeit gleich bleibt, werden bei höheren Temperaturen größere Durchmesser der Sauerstoffdüsen - in der Figur abgekürzt mit Nozzledia - verwendet. Aus der Figur 2 ist zu entnehmen, dass bei gleichbleibendem Massestrom und gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit die Eindringtiefe mit steigender Temperatur zunimmt. Da steigende Temperatur über abnehmende Dichte größeres Volumen bedeutet, ergibt sich eine steigende Eindringtiefe mit Vergrößerung des
Verhältnisses Volumsstrom zu Massestrom des
SauerstoffStrahles .
Figur 3 zeigt, dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massenstrom eines SauerstoffStrahles mit sinkendem Eintrittsdruck beziehungsweise mit zunehmender Temperatur zunimmt.
Die Basis für die präsentierten Figuren waren ein. Massestrom von 2200 NmVh von reinem Sauerstoff, und ein Absolutdruck am Austritt des Sauerstoffs aus der Sauerstoffdüse von 5,5
beziehungsweise 4,5 bar.
Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen beispielhaft und schematisch, wie die Temperatur des Sauerstoffsstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden kann. Dabei ist jeweils am rechten Bildrand schematisch eine Sauerstoffdüse angedeutet .
Figur 4 zeigt schematisch, wie Sauerstoff 1 dadurch erwärmt wird, dass ein gasförmiger Brennstoff - in diesem Fall
aus dem Prozess zur Roheisenerzeugung, in dem das
Roheisenerzeugungsaggregat eingesetzt wird, anfallendes Topgas 2 aus einem, nicht dargestellten Reduktionsschacht - mit einem Teil des Sauerstoffs 1 in einem Brenner 3 verbrannt wird, und sich das bei der Verbrennung erhaltende heiße Gas mit dem unverbrannten Sauerstoff 1 vermischt. Die Vermischung findet in diesem Fall in der Brennkammer 4 des Brenners 3 statt, um den Temperatureinfluss auf die Ausmauerung von den Sauerstoff führenden Leitungen zu minimieren. Der Druck des SauerstoffStrahles bleibt dabei gleich, nur die Temperatur steigt .
Figur 5 zeigt schematisch, wie Sauerstoff 1 durch Verwendung indirekter Wärmetauscher 5 erwärmt wird. Im indirekten
Wärmetauscher 5 wird Wärme von Dampf 6 auf den Sauerstoff übertragen, wobei der Druck des SauerstoffStrahles gleich bleibt . Figur 6 zeigt schematisch, wie eine Erwärmung von. Sauerstoff 1 zweistufig erfolgt. Zuerst wird eine Vorwärmung bei niedrigem Druck des SauerstoffStrahles mittels eines indirekten
Wärmetauschers 5 und Dampf 6 vorgenommen, und dann erfolgt eine adiabate Verdichtung des derart vorgewärmten Sauerstoffs in einem Kompressor 7. Dabei wird vor der Vorwärmung der
Sauerstoffstrahl durch adiabate Entspannung in einer
EntSpannungsvorrichtung 8 von einem Anfangsdruck auf einen Zwischendruck entspannt, wobei die Temperatur des
SauerstoffStrahles abnimmt. Nach der darauffolgenden Vorwärmung des unter dem Zwischendruck stehenden Sauerstoffs wird der
Sauerstoff dann bei der adiabaten Verdichtung" wieder auf den Anfangsdruck gebracht und dabei auf die gewünschte Temperatur erwärmt .
Liste der Bezugszeichen
Sauerstoff 1
Topgas 2
Brenner 3
Brennkammer 4
Wärmetauscher 5
Dampf 6
Kompressor 7
Entspannungsvorrichtung 8

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erhöhung der Eindringtiefe eines
mit einem Volumsstrom und einem Massestrom
in die Schüttung eines Roheisenerzeugungsaggregates,
bevorzugterweise eines
Schmelzreduktionsaggregates/Einschmelzvergasers oder eines sauerstoffblasenden Hochofens,
eintretenden SauerstoffStrahles von technisch reinem
Sauerstoff
zur Vergasung von in der Schüttung vorhandenen
Kohlenstoffträgern,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis Volumsstrom zu Massestrom des
SauerstoffStrahles vergrößert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichbleibendem Massestrom der Volumsstrom erhöht wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der
Sauerstoffstrahl mit einer Strömungsgeschwindigkeit in die Schüttung eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperatur des Sauerstoffsstrahles erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sauerstoffsstrahles bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des SauerstoffStrahles mittels einer einzelnen oder mehrerer der nachfolgend genannten Verfahren in Kombination erhöht wird:
- Verbrennung eines festen, flüssigen oder gasförmigen
Brennstoffes mit Sauerstoff über einen Brenner, und Vermischung des dabei erhaltenen heißen Gases mit dem Sauerstoff, - Vermischung von Sauerstoff mit Dampf und/oder heißem
Stickstoff in Mischkammer oder an der Einblasstelle,
- Verwendung von indirekten Wärmetauschern,
- Vorheizung von Sauerstoff mittels eines Plasmabrenners und Vermischung mit nicht derart vorgeheiztem Sauerstoff.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sauerstoffstrahl unter einem Eintrittsdruck in die Schüttung eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittdruck bei gleichbleibendem Massenstrom vermindert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des in die Schüttung eintretenden SauerstoffStrahles zumindest 200°C, bevorzugt zumindest 250°C beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des in die Schüttung eintretenden SauerstoffStrahles im Bereich 100 m/s bis Schallgeschwindigkeit, bevorzugt im Bereich 150 - 300 m/s, liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit dem Sauerstoffstrahl eine Eindüsung von Kohlenstoffträgern in fester oder flüssiger oder gasförmiger Form, in den Sauerstoffstrahl vor dem, im Bereich des Eintritts des SauerstoffStrahles in die Schüttung gebildeten, Race-way und/oder in den Race-way erfolgt.
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