WO2018091028A1 - Vefahren und vorrichtung zum betreiben eines direktreduktionsreaktors zur herstellung von direktreduziertem eisen aus eisenerz - Google Patents

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direct
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electrolysis cell
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Peter Müller
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Salzgitter Flachstahl Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for operating a direct reduction reactor for the production of direct-reduced iron from iron ore.
  • the inventive method is characterized in comparison to known methods for the production of direct-reduced iron in particular by an increased process economy, characterized in that conventionally required process steps can be saved, and by an environmentally friendly and resource-saving process management.
  • ENERGIRON ZR method (HYL-I Ii method) or obtained by the MIDREX method.
  • lumpy iron ores are reduced by the countercurrent principle of a reducing gas mixture.
  • the main difference between the ENERGIRON ZR process and the MIDREX process is that the reducing gas mixture in the ENERGIRON ZR process is produced by splitting natural gas directly in the ENERGIRON ZR process
  • Direct reduction reactor is generated, while the reduction gas generation in the MIDREX process in a direct reduction reactor upstream
  • the blast furnace gas resulting from the production of direct reduced iron in the direct reduction reactor is quenched and cooled down according to the ENERGIRON ZR method for separating the water contained therein. After a further purification step, the CO2 contained in the blast furnace gas is washed out with the aid of amines.
  • this process is an additional step for the Cleavage of the natural gas used and the recycled, CO2-containing process gas in a separate reformer required.
  • the object of the invention is to provide an alternative method for operating a direct reduction reactor for producing direct-reduced iron and an apparatus for carrying out the method, wherein the
  • resulting CO2 and H2O-containing blast furnace gas is removed from the direct reduction reactor and fed to a high-temperature electrolysis cell in which CO gas generated by co-electrolysis and H2 and oxygen are produced.
  • a device according to the invention is indicated by the features 8 to 9 and a use of the Sythesegases invention produced by claim 10.
  • iron ore as in conventional processes for the production of direct-reduced iron, is transformed from above into a Direct reduction reactor given and contacted in countercurrent with reducing gas, in particular natural gas and / or synthesis gas.
  • reducing gas in particular natural gas and / or synthesis gas.
  • the reducing gas itself is oxidized, essentially to CO2 and H2O, which are removed in the upper part of the reactor as blast furnace gas from this.
  • the CO2 and h O-containing top gas usually contains also still H2, CO, N2 and CH. 4 It has a temperature of about 450 ° C and a pressure of about 6-8 bar.
  • the CO2 and h o-containing top gas after leaving the direct reduction reactor according to the invention is not quenched for the purpose of water removal and not subjected to amine scrubbing for the purpose of CO 2 removal, but the blast furnace gas containing H 2 O and h is introduced in the Process according to the invention fed to a high-temperature electrolysis cell, in which from the CO2 and h O-containing gas by means of co-electrolysis synthesis gas, ie CO and H2, as well as oxygen are generated.
  • the high-temperature electrolysis cell is preferably a solid-oxide electrolysis cell which has an electrolyte which is ion-conductive at higher temperatures, in particular at temperatures above 800-900 ° C.
  • the electrolyte is conductive at the aforementioned temperatures for oxygen ions.
  • the CO2 and H2O-containing blast furnace gas before being fed to the
  • High-temperature electrolysis cell precleaned, e.g. in a facility for
  • Pre-cleaning In the pre-cleaning in particular dust particles are removed, which is why the device for pre-cleaning is preferably a dust filter.
  • the top gas containing CO 2 and H 2 O has a temperature of about 450 ° C. on leaving the direct reduction reactor, it is preferably heated, in particular on, before being fed to the high-temperature electrolysis cell
  • the heating of the CO2 and H2O-containing top gas can be carried out, for example, in a device for reheating, which is connected via a pipeline to the direct reduction reactor.
  • the pressure level of the coming from the direct reduction reactor CO2 and H2O-containing top gas is preferably up to its supply to
  • High-temperature electrolysis cell obtained. These are usually 6-8 bar.
  • the co-electrolysis of optionally prepurified and / or post-heated CO2 and H20-containing top gas preferably at temperatures between 850 and 950 ° C.
  • CO2 and H2O are converted into CO and H2 under the application of electric current.
  • the liberated during the reaction oxygen ions migrate through the
  • Electrolytes which in particular comprises or consists of a solid oxide, and are oxidized to oxygen at the anode.
  • the resulting in a process according to the invention in the high-temperature electrolysis by co-electrolysis of the CO2 and H2O-containing top gas products are thus CO, H2 and O2.
  • the synthesis gas formed in the high-temperature electrolysis cell can
  • the synthesis gas formed at the cathode of the high-temperature electrolysis cell is subsequently fed again as a reducing gas to the direct reduction reactor.
  • Reduction gas are passed into the direct reduction reactor, whereby natural resources are conserved.
  • High-temperature electrolysis cell is converted to CO.
  • the synthesis gas produced in the high-temperature electrolysis cell exhibits at
  • the electrolysis cell preferably at a temperature between 850 and 950 ° C.
  • the synthesis gas is preferably in a device for gas heating heated to about 1000 ° C and passed from there into the reactor.
  • the oxygen produced in the high-temperature electrolysis cell can be any oxygen produced in the high-temperature electrolysis cell.
  • the oxygen can also be used to heat the
  • Direct reduction reactor can be used.
  • the oxygen produced in the high-temperature electrolytic cell is used for heating the device for gas heating, in which the in the
  • Direct synthesis reactor to be introduced synthesis gas and / or natural gas is heated to about 1000 ° C.
  • the device for gas heating preferably one
  • the reducing gas is heated in particular by means of a pure oxygen operated oxyfuel burner, which not only brings the advantage that in this way higher temperatures can be achieved than when combusted with air, but also that no nitrogen in the System is introduced.
  • the exhaust gas produced in the device for gas heating therefore consists essentially of H 2 O and CO 2 in this embodiment and contains no nitrogen oxides. Therefore, the exhaust gas produced in the device for gas heating is preferably also returned to the high-temperature electrolysis cell, optionally after prior reheating.
  • the carbon which is introduced in the form of reducing gas into the direct reduction reactor is therefore preferably circulated in a process according to the invention.
  • the carbon contained in the natural gas and / or CO is converted to CO 2, which is then added again in the high-temperature electrolysis cell CO is reduced and so again together with the H2 also formed as a reducing gas for more
  • Direct reduction reactor is passed.
  • the method according to the invention is also distinguished by a high energy-saving potential.
  • several process steps required by conventional processes can be dispensed with, in particular the cooling of the CO 2 and H 2 O-containing top gas required in the ENERGIRON ZR process for H 2 O removal, the subsequent drying and the amine scrubbing required for the removal of CO 2 or those in the MIDREX Process required steam reforming tion in a separate reformer.
  • the waste heat generated in the process according to the invention is used very efficiently.
  • the CO2 and H20-containing blast furnace which leaves the direct reduction reactor with a temperature of about 450 ° C and a pressure of about 6-8 bar, is not cooled according to the invention, but heated to about 800-1000 ° C while maintaining the pressure level before it is fed to the high-temperature electrolysis cell.
  • the synthesis gas leaving the high-temperature electrolysis cell in the process according to the invention has a temperature of about 900-950 ° C. and only needs to be heated comparatively slightly until it can be returned to the direct reduction reactor at about 1000 ° C.
  • the invention also relates to the use of the synthesis gas generated in a process according to the invention as
  • Reducing agent for the reduction of iron ore in a direct reduction reactor Reducing agent for the reduction of iron ore in a direct reduction reactor.
  • the invention also relates to a device for operating a
  • Direct reduction reactor for the production of direct reduced iron from iron ore, comprising a direct reduction reactor and a high temperature electrolysis cell, wherein the direct reduction reactor is connected to the high temperature electrolysis cell via a pipeline for transporting the synthesis gas.
  • the direct reduction reactor that takes place in connection with the
  • High-temperature electrolysis cell is preferably prepurified and / or reheated, is in the pipeline between the direct reduction reactor and the
  • High-temperature electrolysis cell preferably also arranged a means for pre-cleaning and / or a means for reheating.
  • the optional device for pre-cleaning is in particular a dust filter and the optional device for reheating is preferably adapted to heat the CO2 and H2O-containing blast furnace gas to a temperature above 800 ° C, in particular to about 850-950 ° C.
  • the pipeline by means of which the direct reduction reactor with the
  • a high-temperature electrolysis cell is connected, can therefore in fact consist of several line pieces, e.g. from a line piece between the
  • Line piece between the device for pre-cleaning and the device for reheating and still another line piece between the device for reheating and the high-temperature electrolysis cell.
  • the synthesis gas produced in the high-temperature electrolysis cell is, as
  • the high-temperature electrolysis cell in the device according to the invention is preferably connected via a further pipeline to the direct reduction reactor through which synthesis gas is passed from the high-temperature electrolysis cell into the direct reduction reactor.
  • a device for gas heating is preferably interposed, which can heat the synthesis gas to about 950-1000 ° C.
  • the gas heating can in different ways by means of the following
  • the required heat energy can be provided by means of a heating coil, electric heating coil or other heat-converting apparatus, electric power without any carbon input or carbon emissions at the place of heat generation.
  • the electricity used is generated by means of renewable energy systems, so that no carbon emissions are released even at the place of power generation.
  • the heat energy required can be provided by burning carbon-containing gases supplied from external sources, such as natural gas, biogas or cogeneration gases from conventional steelmaking plants.
  • the required heat energy can be provided by combustion of the synthesis gas produced according to the invention in the high-temperature electrolysis cell.
  • the required heat energy can also be provided by burning coal or pulverized coal.
  • the combustion gas contains comparatively much carbon in the form of CO2, regardless of whether the combustion of the coal / pulverized coal takes place with ambient air or pure oxygen.
  • the gas heating means comprises an oxy-fuel burner which is advantageously operated with low-nitrogen fuels (such as synthesis gas, carbonaceous gases, coal, etc.) to heat the synthesis gas prior to introduction into the reactor.
  • low-nitrogen fuels such as synthesis gas, carbonaceous gases, coal, etc.
  • Oxygen is preferably the oxygen produced in the high-temperature electrolysis cell by co-electrolysis. Accordingly, the
  • High-temperature electrolysis cell connected in this embodiment via a pipe to the oxyfuel burner.
  • Gas heating is effected by means of an oxy-fuel burner, which consists in the device for gas heating exhaust gas consisting essentially of H2O and CO2, and contains no nitrogen in particular, the CO2 and h O-containing exhaust gas can again be supplied to the high-temperature electrolysis cell for the purpose of co-electrolysis.
  • the device for gas heating in this embodiment is connected via a further pipeline to the high-temperature electrolysis cell.
  • the device according to the invention also has a feed device, for example a pipeline or a conveyor belt, for the introduction of a
  • Carbon source in the system Even if the carbon present in the system is recovered according to the invention as CO and so is available for further reduction processes, but always a small proportion of carbon is bound in the direct reduced iron formed and must be replaced from an external source.
  • the feed device opens either directly into the direct reduction reactor or preferably into the device for gas heating.
  • the supply of the required carbon in the direct reduction reactor according to the invention can also be advantageous by the introduction of carbonaceous combustion products for heating the blast furnace gas behind the
  • Direct reduction reactor can be realized before entering the high-temperature electrolysis.
  • the heat required to heat the CO2 and H2O-containing top gas leaving the direct reduction reactor at a temperature of about 450 ° C and heated to about 800-1000 ° C may be provided from the heat sources described above and the
  • FIG. 1 is a process diagram for the production of direct-reduced
  • FIG. 2 shows a process diagram for the production of direct-reduced iron by means of a direct reduction reactor operated by a process according to the invention
  • FIG. 3 shows a process diagram for the production of direct-reduced iron by means of a direct reduction reactor operated according to a further inventive method.
  • FIG. 1 shows a process diagram for the production of direct-reduced iron by means of a conventionally operated direct reduction reactor
  • Direct reduction reactor 1 is given and for reduction in countercurrent with
  • Reduction gas 16 contacted, which previously in a device for
  • Direct reduction reactor 1 is formed by direct-reduced iron 2.
  • the CO 2 and H 2 O-containing head gas 4 formed during the reduction is removed from the reactor 1.
  • the top gas 4 In order to cool the top gas 4 to separate the water contained this is passed through a heat exchanger 17 and then through an air dryer 13.
  • the blast furnace gas After flowing through a process gas compressor 14, the blast furnace gas passes through a CO 2 scrubber 15.
  • the CO and H2-containing gas stream remaining after removal of the CO 2 is preheated in the apparatus for gas heating 9 and then returned to the direct reduction reactor 1.
  • Direct reduction reactor 1 essential process steps of the schematically illustrated in FIG. 1 conventional process for the preparation of
  • FIG. 2 shows the process diagram for carrying out an exemplary method according to the invention. As in the conventional
  • Piping existing pipe 11 is removed from the reactor 1 and, while maintaining the pressure and temperature levels optionally first a means for pre-cleaning 8 supplied, which is preferably a dust filter. Subsequently, the CO2- and h O-containing top gas 4 is further optionally a device for
  • Subsequent heating 12 is supplied, in which it is heated to about 850-950 ° C before it is the high-temperature electrolysis cell 5 is supplied. Instead of the separate one
  • Means for reheating 12, the CO2 and h O-containing top gas 4 can also be heated by the means for gas heating 9 to a temperature of about 850-950 ° C.
  • the device for gas heating 9 heating or fuel gas 18 is supplied.
  • synthesis gas 6 and oxygen 7 are produced by co-electrolysis of the CO 2 and H 2 O-containing top gas 4 at approximately 950 ° C.
  • the synthesis gas 6 is further heated as well as externally supplied reducing gas 16 by means of the gas heating device 9, in particular up to about 1000 ° C, before being passed as reductant for further reduction processes back into the direct reduction reactor 1.
  • FIG. 3 shows a process diagram of a particularly preferred embodiment of the method according to the invention. This differs from the method shown schematically in FIG. 2 essentially in that the oxygen 7 produced in the high-temperature electrolysis cell 5 for heating the synthesis gas 6 by means of an oxy-fuel burner in the device for
  • Gas heating 9 is used. Since the oxy-fuel burner is operated with pure oxygen, the exhaust gas formed in the device for gas heating 9 consists essentially of CO2 and H2O and in particular contains none
  • Nitrogen oxides so that the CO2 and H20-containing exhaust gas 10 from the device for gas heating 9 again for the purpose of new co-electrolysis of high-temperature electrolysis cell 5 can be supplied, optionally after heating in the
  • the CO2 and hO-containing exhaust gas 10 from the device for gas heating 9 can therefore first be combined with the CO2 and H2O-containing blast furnace gas 4 and then the means for reheating 12 are supplied in the gas again is heated to about 850-950 ° C and then the high temperature electrolysis cell 5 is supplied. Because the CO2 cycle is almost closed, significantly less CO2 is released into the atmosphere compared to the state of the art.
  • Embodiments be essential.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors (1) zur Herstellung direktreduziertem Eisen (2) aus Eisenerz (3), wobei das bei der Herstellung von direktreduziertem Eisen (2) enstehende CO2- und H2O-haltige Gichtgas (4) einer Hochtemperaturelektrolysezelle (5) zugeführt wird, in welcher mittels Co-Elektrolyse CO und H2 enthaltendes Synthesegas (6) und Sauerstoff erzeugt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direktreduziertem Eisen aus Eisenerz
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direktreduziertem Eisen aus Eisenerz. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei im Vergleich zu bekannten Verfahren zur Herstellung von direktreduziertem Eisen insbesondere durch eine erhöhte Prozessökonomie aus, dadurch, dass konventionell erforderliche Verfahrensschritte eingespart werden können, sowie durch eine umweltfreundliche und ressourcenschonende Verfahrensführung.
Stand der Technik
Im Stand der Technik wird direktreduziertes Eisen insbesondere durch das
ENERGIRON ZR-Verfahren (HYL-I Ii-Verfahren) oder durch das MIDREX-Verfahren gewonnen. Bei beiden vorgenannten Verfahren werden stückige Eisenerze nach dem Gegenstromprinzip von einem Reduktionsgasgemisch reduziert. Der wesentliche Unterschied zwischen dem ENERGIRON ZR-Verfahren und dem MIDREX-Verfahren besteht dabei darin, dass das Reduktionsgasgemisch bei dem ENERGIRON ZR-Verfahren durch Spaltung von Erdgas direkt in dem
Direktreduktionsreaktor erzeugt wird, während die Reduktionsgaserzeugung im MIDREX-Verfahren in einem dem Direktreduktionsreaktor vorgeschalteten
Gasreformator erfolgt.
Das bei der Herstellung von direktreduziertem Eisen in dem Direktreduktionsreaktor entstehende Gichtgas wird gemäß dem ENERGIRON ZR-Verfahren zum Abtrennen des enthaltenen Wassers gequenscht und dabei herabgekühlt. Nach einem weiteren Reinigungsschritt wird mit Hilfe von Aminen das im Gichtgas enthaltene CO2 herausgewaschen.
Gemäß dem MIDREX-Verfahren wird zwar auf den Schritt der CO2-Wäsche verzichtet, dafür ist bei diesem Verfahren allerdings ein zusätzlicher Schritt für die Spaltung des eingesetzten Erdgases und des rückgeführten, CO2-haltigen Prozessgases in einem separaten Reformator erforderlich.
Ebenfalls bekannt, jedoch nicht im Zusammenhang mit der Herstellung von direktreduziertem Eisen, ist das Verfahren der Co-Elektrolyse in einer Festoxid- Elektrolysezelle. So wird beispielsweise in Journal of The Electrochemical Society, 159 (8) F482-F489 (2012) die Co-Elektrolyse von H2O und CO2 zu H2, CO und O2 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein alternatives Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Erzeugung von direktreduziertem Eisen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, wobei sich das
Verfahren bevorzugt durch einen gegenüber konventioneller Verfahrensführung reduzierten Energiebedarf sowie durch einen geringeren Bedarf an fossilen
Brennstoffen und durch eine geringere CO2-Emission auszeichnet.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung löst diese Aufgabe bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7 insbesondere durch Bereitstellung eines Verfahrens zum
Betreiben eines Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direktreduziertem Eisen aus Eisenerz, wobei das bei der Herstellung von direktreduziertem Eisen
entstehende CO2- und H2O-haltige Gichtgas aus dem Direktreduktionsreaktor entfernt und einer Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt wird, in welcher mittels Co-Elektrolyse CO und H2 enthaltenes Synthesegas und Sauerstoff erzeugt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch die Merkmale 8 bis 9 und eine Verwendung des erfindungsgemäß erzeugten Sythesegases durch Anspruch 10 angegeben.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Eisenerz wie auch in konventionellen Verfahren zur Herstellung von direktreduziertem Eisen von oben in einen Direktreduktionsreaktor gegeben und im Gegenstrom mit Reduktionsgas, insbesondere Erdgas und/oder Synthesegas kontaktiert. Infolge der Reduktion des Eisenerzes zu direktreduziertem Eisen wird das Reduktionsgas selbst oxidiert, im Wesentlichen zu CO2 und H2O, welche im oberen Teil des Reaktors als Gichtgas aus diesem entfernt werden. Das CO2- und h O-haltige Gichtgas enthält in der Regel außerdem noch H2, CO, N2 sowie CH4. Es weist eine Temperatur von ca. 450 °C und einen Druck von ca. 6-8 bar auf.
Anders als bei konventionellen Verfahren wird das CO2- und h O-haltige Gichtgas nach dem Verlassen des Direktreduktionsreaktors erfindungsgemäß jedoch nicht zwecks Wasserentfernung gequencht und auch nicht zwecks CO2-Entfernung einer Aminwäsche unterzogen, sondern das CO2- und h O-haltige Gichtgas wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren einer Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt, in welcher aus dem CO2- und h O-haltigen Gas mittels Co-Elektrolyse Synthesegas, d.h. CO und H2, sowie Sauerstoff erzeugt werden.
Die Hochtemperaturelektrolysezelle ist bevorzugt eine Festoxid-Elektrolysezelle, welche einen Elektrolyten aufweist, der bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 800-900 °C ionenleitfähig ist. Insbesondere ist der Elektrolyt bei den vorgenannten Temperaturen leitfähig für Sauerstoffionen.
Optional wird das CO2- und H2O-haltige Gichtgas vor der Zuführung zur
Hochtemperaturelektrolysezelle vorgereinigt, z.B. in einer Einrichtung zur
Vorreinigung. Bei der Vorreinigung werden insbesondere Staubpartikel entfernt, weshalb die Einrichtung zur Vorreinigung bevorzugt ein Staubfilter ist.
Da das CO2- und H2O-haltige Gichtgas beim Verlassen des Direktreduktionsreaktors eine Temperatur von etwa 450 °C aufweist, wird dieses vor der Zuführung zur Hochtemperaturelektrolysezelle vorzugsweise erwärmt, insbesondere auf
Temperaturen oberhalb von 800 °C, z.B. auf 850-1000 °C und bevorzugt auf etwa 900-950 °C. Die Erwärmung des CO2- und H2O-haltigen Gichtgases kann z.B. in einer Einrichtung zur Nacherwärmung erfolgen, welche über eine Rohrleitung mit dem Direktreduktionsreaktor verbunden ist. Das Druckniveau des aus dem Direktreduktionsreaktor kommenden CO2- und H2O- haltigen Gichtgases wird bevorzugt bis zu dessen Zuführung zur
Hochtemperaturelektrolysezelle erhalten. Dies sind in der Regel 6-8 bar.
In der Hochtemperaturelektrolysezelle erfolgt die Co-Elektrolyse des optional vorgereinigten und/oder nacherwärmten CO2- und H20-haltigen Gichtgases, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 850 und 950 °C. An der Kathode werden dabei unter Anlegen von elektrischem Strom CO2 und H2O zu CO und H2 umgesetzt. Die bei der Umsetzung freiwerdenden Sauerstoffionen wandern durch den
Elektrolyten, welcher insbesondere ein Festoxid umfasst oder daraus besteht, und werden an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in der Hochtemperaturelektrolysezelle durch Co-Elektrolyse des CO2- und H2O-haltigen Gichtgases entstehenden Produkte sind somit CO, H2 und O2.
Das in der Hochtemperaturelektrolysezelle gebildete Synthesegas kann
anschließend in verschiedenen Verfahren eingesetzt werden, insbesondere in der chemischen Industrie, z.B. als Ausgangsstoff in der Methanolherstellung, oder in der Stahlindustrie, z.B. in Feuerungsanlagen oder als Reduktionsgas.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das an der Kathode der Hochtemperaturelektrolysezelle gebildete Synthesegas anschließend wieder als Reduktionsgas dem Direktreduktionsreaktor zugeführt. Auf diese Weise muss deutlich weniger Erdgas / Synthesegas von extern als
Reduktionsgas in den Direktreduktionsreaktor geleitet werden, wodurch natürliche Ressourcen geschont werden. Außerdem wird durch das erfindungsgemäße
Verfahren auch die CO2-Emission reduziert, da das in dem Gichtgas enthaltene CO2 nicht wie in herkömmlichen Verfahren abgetrennt wird, sondern in der
Hochtemperaturelektrolysezelle zu CO umgesetzt wird.
Das in der Hochtemperaturelektrolysezelle erzeugte Synthesegas weist beim
Verlassen der Elektrolysezelle bevorzugt eine Temperatur zwischen 850 und 950 °C auf. Bevor es gemäß der bevorzugten Ausführungsform wieder als Reduktionsgas in den Direktreduktionsreaktor geleitet wird, wird das Synthesegas vorzugsweise in einer Einrichtung zur Gaserwärmung auf ca. 1000 °C erwärmt und von dort in den Reaktor geleitet.
Der in der Hochtemperaturelektrolysezelle entstehende Sauerstoff kann
vorteilhafterweise ebenfalls für verschiedene industrielle Prozesse genutzt werden, so zum Beispiel im Hüttenwerk zum Betreiben eines Konverters oder eines
Hochofens. Alternativ kann der Sauerstoff auch wieder zum Beheizen des
Direktreduktionsreaktors verwendet werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in der Hochtemperaturelektrolysezelle erzeugte Sauerstoff zum Beheizen der Einrichtung zur Gaserwärmung verwendet, in der das in den
Direktreduktionsreaktor einzubringende Synthesegas und/oder Erdgas auf ca. 1000 °C erwärmt wird. In der Einrichtung zur Gaserwärmung, bevorzugt einem
Gaserhitzer, wird das Reduktionsgas dabei insbesondere mittels eines mit reinem Sauerstoff betriebenen Oxyfuel-Brenners erhitzt, was nicht nur den Vorteil mit sich bringt, dass auf diese Weise höhere Temperaturen erreicht werden können als bei Verbrennung mit Luft, sondern auch, dass kein Stickstoff in das System eingeführt wird. Das in der Einrichtung zur Gaserwärmung entstehende Abgas besteht daher in dieser Ausführungsform im Wesentlichen aus H2O und CO2 und enthält keine Stickoxide. Daher wird das in der Einrichtung zur Gaserwärmung entstehende Abgas bevorzugt auch wieder der Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt, optional nach vorheriger Nacherwärmung.
Der Kohlenstoff, der in Form von Reduktionsgas in den Direktreduktionsreaktor eingebracht wird, wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren daher bevorzugt im Wesentlichen im Kreis gefahren: Im Direktreduktionsreaktor wird der im Erdgas und/oder CO enthaltene Kohlenstoff zu CO2 umgesetzt, das anschließend in der Hochtemperaturelektrolysezelle wieder zu CO reduziert wird und so wieder zusammen mit dem ebenfalls gebildeten H2 als Reduktionsgas für weitere
Reduktionsprozesse im Direktreduktionsreaktor zur Verfügung steht. In diesem Kohlenstoff-Kreislauf wird lediglich ein geringer Anteil des Kohlenstoffs in Form des hergestellten direktreduzierten Eisens gebunden, welches in der Regel einen Kohlenstoffgehalt von 1 bis 4 Gew.-% aufweist. Um diesen geringen Verlust an Kohlenstoff auszugleichen, muss ein geringer Anteil einer Kohlenstoffquelle in das Verfahren eingeführt werden, z.B. in Form von Erdgas, welches in den
Direktreduktionsreaktor geleitet wird.
Neben den bereits genannten Vorteilen, die das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf die Umwelt mit sich bringt, zeichnet sich das Verfahren überdies durch ein hohes Energieeinsparpotential aus. Zum einen können nämlich mehrere bei konventionellen Verfahren erforderliche Verfahrensstufen entfallen, so insbesondere die im ENERGIRON ZR-Verfahren zwecks H20-Entfernung erforderliche Abkühlung des CO2- und H20-haltigen Gichtgases, die anschließende Trocknung sowie die zur Entfernung von CO2 erforderliche Aminwäsche oder die im MIDREX-Verfahren erforderliche Dampfreform ierung in einem separaten Reformator. Zum anderen wird die in dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehende Abwärme sehr effizient genutzt. Denn das CO2- und H20-haltige Gichtgas, das den Direktreduktionsreaktor mit einer Temperatur von etwa 450 °C und einem Druck von etwa 6-8 bar verlässt, wird erfindungsgemäß nicht abgekühlt, sondern unter Erhaltung des Druckniveaus auf etwa 800-1000 °C erhitzt, bevor es der Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt wird. Das die Hochtemperaturelektrolysezelle in dem erfindungsgemäßen Verfahren verlassende Synthesegas hat eine Temperatur von etwa 900-950 °C und muss nur vergleichsweise geringfügig erhitzt werden, bis es mit etwa 1000 °C wieder dem Direktreduktionsreaktor zugeführt werden kann.
Da das in einem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Synthesegas gemäß der bevorzugten Ausführungsform wieder als Reduktionsmittel dem
Direktreduktionsreaktor zugeführt wird, betrifft die Erfindung auch die Verwendung des in einem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Synthesegases als
Reduktionsmittel für die Reduktion von Eisenerz in einem Direktreduktionsreaktor.
Außerdem betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Betreiben eines
Direktreduktionsreaktors zur Herstellung von direktreduziertem Eisen aus Eisenerz, die einen Direktreduktionsreaktor und eine Hochtemperaturelektrolysezelle umfasst, wobei der Direktreduktionsreaktor mit der Hochtemperaturelektrolysezelle über eine Rohrleitung zum Transport des Synthesegases verbunden ist. In dem Direktreduktionsreaktor erfolgt die im Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren beschriebene Reduktion des Eisenerzes durch Reduktionsgas, das insbesondere CO und H2 enthält oder daraus besteht. Das dabei entstehende CO2- und h O-haltige Gichtgas verlässt den Reaktor durch eine
Rohrleitung, mittels derer der Reaktor mit der Hochtemperaturelektrolysezelle verbunden ist. Da das CO2- und h O-haltige Gichtgas vor der Zuführung zur
Hochtemperaturelektrolysezelle bevorzugt vorgereinigt und/oder nacherwärmt wird, ist in der Rohrleitung zwischen dem Direktreduktionsreaktor und der
Hochtemperaturelektrolysezelle bevorzugt auch eine Einrichtung zur Vorreinigung und/oder eine Einrichtung zur Nacherwärmung angeordnet. Die optionale Einrichtung zur Vorreinigung ist dabei insbesondere ein Staubfilter und die optionale Einrichtung zur Nacherwärmung ist bevorzugt eingerichtet, das CO2- und H2O-haltige Gichtgas auf eine Temperatur oberhalb von 800 °C zu erwärmen, insbesondere auf etwa 850- 950 °C. Die Rohrleitung, mittels derer der Direktreduktionsreaktor mit der
Hochtemperaturelektrolysezelle verbunden ist, kann daher faktisch aus mehreren Leitungsstücken bestehen, z.B. aus einem Leitungsstück zwischen dem
Direktreduktionsreaktor und der Einrichtung zur Vorreinigung, einem weiteren
Leitungsstück zwischen der Einrichtung zur Vorreinigung und der Einrichtung zur Nacherwärmung und noch einem weiteren Leitungsstück zwischen der Einrichtung zur Nacherwärmung und der Hochtemperaturelektrolysezelle.
Das in der Hochtemperaturelektrolysezelle erzeugte Synthesegas wird, wie
vorstehend beschrieben, bevorzugt wieder als Reduktionsgas dem
Direktreduktionsreaktor zugeführt. Daher ist die Hochtemperaturelektrolysezelle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt noch über eine weitere Rohrleitung mit dem Direktreduktionsreaktor verbunden, durch welche Synthesegas von der Hochtemperaturelektrolysezelle in den Direktreduktionsreaktor geleitet wird. Im Strang dieser Rohrleitung ist vorzugsweise eine Einrichtung zur Gaserwärmung zwischengeschaltet, welche das Synthesegas auf ca. 950-1000 °C erhitzen kann.
Die Gaserwärmung kann auf unterschiedliche Weise mittels folgender
Energiequellen erfolgen:
a) Strom Die benötigte Wärmeenergie kann mittels Heizspule, elektrischem Heizregister oder anderen Strom in Wärme wandelnden Apparaturen, aus elektrischem Strom ohne jeglichen Kohlenstoffeintrag oder Kohlenstoffemissionen am Ort der Wärmeerzeugung bereit gestellt werden. Bevorzugt wird der eingesetzte Strom mittels regenerativer Energieanlagen erzeugt, so dass auch am Ort der Stromerzeugung keinerlei Kohlenstoffemissionen frei gesetzt werden.
b) Extern zugeführte kohlenstoffhaltige Gase
Die benötigte Wärmeenergie kann durch Verbrennung von aus externen Quellen zugeführten, kohlenstoffhaltigen Gasen wie bspw. Erdgas, Biogas oder Kuppelgasen aus herkömmlichen Stahlerzeugungsanlagen bereit gestellt werden.
c) Intern erzeugtes Synthesegas
Die benötigte Wärmeenergie kann durch Verbrennung des erfindungsgemäß in der Hochtemperaturelektrolysezelle erzeugten Synthesegases bereit gestellt werden.
d) Kohle
Die benötigte Wärmeenergie kann auch durch Verbrennung von Kohle oder Kohlenstaub bereit gestellt werden. Das Verbrennungsgas enthält gegenüber den zuvor aufgeführten Wärmequellen vergleichsweise viel Kohlenstoff in Form von CO2, egal, ob die Verbrennung der Kohle/des Kohlenstaubs mit Umgebungsluft oder reinem Sauerstoff erfolgt.
Bevorzugt umfasst die Einrichtung zur Gaserwärmung einen Oxyfuel-Brenner, der vorteilhaft mit stickstoffarmen Brennstoffen (wie z.B. Synthesegas, kohlenstoffhaltige Gase, Kohle, etc.) betrieben wird, mit dem das Synthesegas vor der Einleitung in den Reaktor erwärmt wird. Der zum Betreiben des Oxyfuel-Brenners erforderliche
Sauerstoff ist bevorzugt der in der Hochtemperaturelektrolysezelle durch Co- Elektrolyse erzeugte Sauerstoff. Dementsprechend ist die
Hochtemperaturelektrolysezelle in dieser Ausführungsform über eine Rohrleitung mit dem Oxyfuel-Brenner verbunden.
Für den Fall, dass die Erwärmung des Synthesegases in der Einrichtung zur
Gaserwärmung mittels eines Oxyfuel-Brenners erfolgt, das in der Einrichtung zur Gaserwärmung entstehende Abgas im Wesentlichen aus H2O und CO2 besteht und insbesondere keinen Stickstoff enthält, kann das CO2- und h O-haltige Abgas wieder zwecks Co-Elektrolyse der Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt werden. Dazu ist die Einrichtung zur Gaserwärmung in dieser Ausführungsform über eine weitere Rohrleitung mit der Hochtemperaturelektrolysezelle verbunden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin noch eine Zuführeinrichtung, zum Beispiel eine Rohrleitung oder ein Transportband, für die Einbringung einer
Kohlenstoffquelle in das System auf. Denn auch wenn der im System befindliche Kohlenstoff erfindungsgemäß als CO zurückgewonnen wird und so für weitere Reduktionsprozesse zur Verfügung steht, wird doch immer ein geringer Anteil an Kohlenstoff in dem gebildeten direktreduzierten Eisen gebunden und muss aus externer Quelle ersetzt werden. Die Zuführeinrichtung mündet entweder direkt in den Direktreduktionsreaktor oder bevorzugt in die Einrichtung zur Gaserwärmung.
In Anlehnung an die oben erläuterten Möglichkeiten der Synthesegas-Erwärmung, kann die Zuführung des benötigten Kohlenstoffs im Direktreduktionsreaktor erfindungsgemäß auch vorteilhaft durch die Einbringung von kohlenstoffhaltigen Verbrennungsprodukten zur Aufheizung des Gichtgases hinter dem
Direktreduktionsreaktor vor Eintritt in die Hochtemperaturelektrolyse realisiert werden. So kann die benötigte Wärme, die zur Aufheizung des CO2- und H2O- haltigen Gichtgases, das den Direktreduktionsreaktor mit einer Temperatur von etwa 450 °C verlässt und auf etwa 800-1000 °C erhitzt werden muss, aus den zuvor beschriebenen Wärmequellen zur Verfügung gestellt und der
Hochtemperaturelektrolysezelle zugeführt werden.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen und mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen
- die Figur 1 ein Prozessschaubild für die Herstellung von direktreduziertem
Eisen mittels eines konventionell betriebenen Direktreduktionsreaktors zeigt, - die Figur 2 ein Prozessschaubild für die Herstellung von direktreduziertem Eisen mittels eines nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Direktreduktionsreaktors zeigt, und
- die Figur 3 ein Prozessschaubild für die Herstellung von direktreduziertem Eisen mittels eines nach einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Direktreduktionsreaktors zeigt.
Die Figur 1 zeigt ein Prozessschaubild für die Herstellung von direktreduziertem Eisen mittels eines konventionell betriebenen Direktreduktionsreaktors,
beispielsweise nach dem ENERGIRON ZR-Verfahren.
In dem konventionellen Direktreduktionsprozess wird Eisenerz 3 in einen
Direktreduktionsreaktor 1 gegeben und zur Reduktion im Gegenstrom mit
Reduktionsgas 16 kontaktiert, welches vorher in einer Einrichtung zur
Gaserwärmung 9 unter C02-Emission auf ca. 925 °C erhitzt wurde. In dem
Direktreduktionsreaktor 1 entsteht dabei direktreduziertes Eisen 2. Im oberen Teil des Reaktors 1 wird das bei der Reduktion entstehende CO2- und H20-haltige Gichtgas 4 aus dem Reaktor 1 entfernt. Zwecks Kühlung des Gichtgases 4 zur Abtrennung des enthaltenen Wassers wird dieses durch einen Wärmetauscher 17 und anschließend durch einen Lufttrockner 13 geleitet. Nach Durchströmen eines Prozessgaskompressors 14 durchläuft das Gichtgas eine C02-Wäsche 15. Der nach Entfernung des CO2 übrigbleibende CO- und H2-haltige Gasstrom wird in der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 vortemperiert und anschließend wieder in den Direktreduktionsreaktor 1 geleitet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines
Direktreduktionsreaktors 1 können wesentliche Verfahrensschritte des in Fig. 1 schematisch dargestellten konventionellen Prozesses zur Herstellung von
direktreduziertem Eisen 2 eingespart werden, wie anhand der Figuren 2 und 3 ersichtlich ist.
Figur 2 zeigt das Prozessschaubild zur Durchführung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie auch in dem konventionellen
Direktreduktionsprozess wird Eisenerz 3 in einen Direktreduktionsreaktor 1 gegeben und zur Reduktion im Gegenstrom mit Reduktionsgas 16 kontaktiert. Das dabei entstehende CO2- und h O-haltige Gichtgas 4, welches eine Temperatur von etwa 450 °C und einen Druck von 6-8 bar aufweist, wird über die aus mehreren
Leitungsstücken bestehende Rohrleitung 11 aus dem Reaktor 1 entfernt und unter Erhalt des Druck- und Temperaturniveaus optional zunächst einer Einrichtung zur Vorreinigung 8 zugeführt, die vorzugsweise ein Staubfilter ist. Anschließend wird das CO2- und h O-haltige Gichtgas 4 weiter optional einer Einrichtung zur
Nacherwärmung 12 zugeführt, in der es auf ca. 850-950 °C erwärmt wird, bevor es der Hochtemperaturelektrolysezelle 5 zugeführt wird. Anstelle der separaten
Einrichtung zur Nacherwärmung 12 kann das CO2- und h O-haltige Gichtgas 4 auch mittels der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 auf eine Temperatur von ca. 850-950 °C erwärmt werden. Hierzu wird der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 Heiz- oder Brenngas 18 zugeführt.
In der Hochtemperaturelektrolysezelle 5, die bevorzugt einen Elektrolyten aufweist, der ein Festoxid umfasst oder daraus besteht, werden durch Co-Elektrolyse des CO2- und H20-haltigen Gichtgases 4 bei ca. 950 °C Synthesegas 6 und Sauerstoff 7 erzeugt. Das Synthesegas 6 wird wie auch von extern zugeführtes Reduktionsgas 16 mittels der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 noch weiter erwärmt, insbesondere bis auf ca. 1000 °C, bevor es als Reduktionsmittel für weitere Reduktionsprozesse wieder in den Direktreduktionsreaktor 1 geleitet wird. Der in der
Hochtemperaturelektrolysezelle entstehende Sauerstoff 7 wird ebenfalls dem
Direktreduktionsreaktor 1 wieder zugeführt.
In Figur 3 ist ein Prozessschaubild zu einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dieses unterscheidet sich von der schematisch in Fig. 2 gezeigten Verfahrensführung im Wesentlichen dadurch, dass der in der Hochtemperaturelektrolysezelle 5 entstehende Sauerstoff 7 zum Erhitzen des Synthesegases 6 mittels eines Oxyfuel-Brenners in der Einrichtung zur
Gaserwärmung 9 verwendet wird. Da der Oxyfuel-Brenner mit reinem Sauerstoff betrieben wird, besteht das in der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 entstehende Abgas im Wesentlichen aus CO2 und H2O und enthält insbesondere keine
Stickoxide, sodass das CO2- und H20-haltige Abgas 10 aus der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 wieder zwecks neuer Co-Elektrolyse der Hochtemperatur- elektrolysezelle 5 zugeführt werden kann, optional nach Erwärmung in der
Einrichtung zur Nacherwärmung 12. Das CO2- und h O-haltige Abgas 10 aus der Einrichtung zur Gaserwärmung 9 kann daher zunächst mit dem CO2- und H2O- haltigen Gichtgas 4 vereint und dann der Einrichtung zur Nacherwärmung 12 zugeführt werden, in der das Gas wieder auf ca. 850-950 °C erhitzt wird und anschließend der Hochtemperaturelektrolysezelle 5 zugeführt wird. Dadurch, dass der CO2 Kreislauf annähernd geschlossen ist, wird im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich weniger CO2 in die Atmosphäre abgegeben.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Figuren sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste:
1 Direktreduktionsreaktor
2 Direktreduziertes Eisen
3 Eisenerz
4 CO2- und H20-haltiges Gichtgas
5 Hochtemperaturelektrolysezelle
6 Synthesegas
7 Sauerstoff
8 Einrichtung zur Vorreinigung
9 Einrichtung zur Gaserwärmung
10 CO2- und H20-haltiges Abgas
1 1 Rohrleitung
12 Einrichtung zur Nacherwärmung
13 Lufttrockner
14 Prozessgaskompressor
15 C02-Wäsche
16 Reduktionsgas
17 Wärmetauscher
18 Heiz- oder Brenngas

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Direktreduktionsreaktors (1 ) zur Herstellung von direktreduziertem Eisen (2) aus Eisenerz (3), wobei das bei der
Herstellung von direktreduziertem Eisen (2) entstehende CO2- und H2O- haltige Gichtgas (4) aus dem Direktreduktionsreaktor (1 ) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2- und H20-haltige Gichtgas (4) einer Hochtemperaturelektrolysezelle (5) zugeführt wird, in welcher mittels Co- Elektrolyse CO und H 2 enthaltenes Synthesegas (6) und Sauerstoff (7) erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Co- Elektrolyse entstehende Synthesegas (6) wieder als Reduktionsmittel dem Direktreduktionsreaktor (1 ) zugeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2- und H2O-haltige Gichtgas (4) vor dessen Zuführung zur
Hochtemperaturelektrolysezelle (5) auf 850-1000 °C erwärmt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das CO2- und H2O-haltige Gichtgas (4) vor der
Zuführung zur Hochtemperaturelektrolysezelle (5) einer Einrichtung zur Vorreinigung (8) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Co-Elektrolyse erzeugte Synthesegas (6) vor der Zuführung zum Direktreduktionsreaktor (1 ) in einer Einrichtung zur Gaserwärmung (9) auf ca. 1000 °C erwärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Co- Elektrolyse erzeugte Sauerstoff (7) für die Erwärmung des Synthesegases (6) in der Einrichtung zur Gaserwärmung (9) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Erwärmung des Synthesegases (6) in der Einrichtung zur Gaserwärmung (9) entstehende CO2- und h O-haltige Abgas (10) der Hochtemperaturelektrolysezelle (5) zugeführt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 umfassend einen Direktreduktionsreaktor (1 ) und eine
Hochtemperaturelektrolysezelle (5), die mit dem Direktreduktionsreaktor (1 ) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Direktreduktionsreaktor (1 ) und der Hochtemperaturelektrolysezelle eine Einrichtung zur Vorreinigung (8) und/oder eine Einrichtung zur
Nacherwärmung (12) des im Kreis geführten Synthesegases angeordnet ist.
10. Verwendung des mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugten Synthesegases (6) als Reduktionsmittel für die Reduktion von Eisenerz (3) in einem Direktreduktionsreaktor (1 ).
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