WO2022073751A1 - Verfahren zum erzeugen von roheisen in einem schachtofen - Google Patents

Verfahren zum erzeugen von roheisen in einem schachtofen Download PDF

Info

Publication number
WO2022073751A1
WO2022073751A1 PCT/EP2021/075844 EP2021075844W WO2022073751A1 WO 2022073751 A1 WO2022073751 A1 WO 2022073751A1 EP 2021075844 W EP2021075844 W EP 2021075844W WO 2022073751 A1 WO2022073751 A1 WO 2022073751A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shaft furnace
gas stream
cold gas
gas flow
air
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/075844
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nils JÄGER
Daniel Schubert
Original Assignee
Thyssenkrupp Steel Europe Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thyssenkrupp Steel Europe Ag filed Critical Thyssenkrupp Steel Europe Ag
Priority to US18/030,553 priority Critical patent/US20240018615A1/en
Priority to JP2023521385A priority patent/JP2023544805A/ja
Priority to EP21785789.5A priority patent/EP4225954A1/de
Priority to CN202180069032.5A priority patent/CN116323983A/zh
Publication of WO2022073751A1 publication Critical patent/WO2022073751A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/002—Evacuating and treating of exhaust gases
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B9/00—Stoves for heating the blast in blast furnaces
    • C21B9/14—Preheating the combustion air
    • 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
    • C21B2005/005—Selection or treatment of the reducing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
    • C21B2100/26—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by adding additional fuel in recirculation pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/66—Heat exchange

Definitions

  • the invention relates to a method for producing pig iron in a shaft furnace, which is charged with raw materials in an upper area of the shaft furnace, which sink under the influence of gravity in the shaft furnace, with some of the raw materials being melted under the influence of the atmosphere prevailing inside the shaft furnace and/or or at least partially reduced, and in a lower region of the shaft furnace a hot gas flow is introduced, which flows through the atmosphere prevailing inside the shaft furnace, in particular in counterflow, and influences its chemical composition and/or the temperature, with a cold gas flow, in particular upstream of the shaft furnace process, is fed to at least one heat exchanger, in which the cold gas flow is heated to a temperature to form a hot gas flow, which is higher than 700°C.
  • hot blast also called hot air
  • ambient air is drawn in as a cold gas stream, so-called cold blast, via a cold leg, compressed to a defined pressure and fed to at least one hot blast stove, in which the compressed ambient air (cold blast) is heated to a temperature of at least 700°C which is then introduced or blown into the blast furnace via so-called tuyeres in the lower area of the shaft furnace.
  • Heat exchangers in the form of hot blast stoves are alternately flooded with a hot gas, with the hot gas remaining in the hot blast stove until a specified temperature is reached inside the hot blast stove, after which the hot gas is discharged and flooded with compressed ambient air (cold wind) and remains in the hot blast stove until a predefined temperature, usually between 700 and 1400°C, is reached, so that the hot ambient air is then drawn off as a hot blast (hot gas stream) and fed to the blast furnace.
  • the use of the waste heat flow which is drawn off from the top as so-called top gas, has established itself as an economical method for charging the hot blast stove with hot gas, which is post-combusted in the hot blast stove with other gases (air/natural gas).
  • hot blast stoves are connected in parallel and can be switched on and off accordingly, so that, for example, one of the hot blast stoves is flooded with hot gas and is used to heat the hot blast stove while releasing heat , another hot blast stove is flooded with cold blast and is heated to hot blast while absorbing heat and a third hot blast stove is switched on and supplies the blast furnace with hot blast.
  • two hot blast stoves can also be used, which are flooded in alternating operation.
  • nitrogen contributes to a reduced calorific value in the top gas, for example, and influences the Wobbe index (Wl).
  • Wl Wobbe index
  • the efficiency in the shaft furnace process (including upstream and downstream) is not optimal due to the presence of nitrogen.
  • the nitrogen compounds formed, in particular hydrocyanic acid (HCN) and cyanide compounds contribute to increased nitrogen oxide emissions (NOx) during recycling, especially during combustion of the top gas and the gas mixtures formed from it.
  • High costs (DeNOx systems) must be operated, especially in the power plant or sinter plant, in order to be able to comply with the applicable exhaust gas limits.
  • the object of the invention is therefore to specify a method for producing pig iron in a shaft furnace, with which an optimal process can be provided and nitrogen oxide emissions and other nitrogen compounds, such as hydrocyanic acid or cyanide compounds, can be reduced or essentially prevented.
  • the cold gas stream comprises a CO 2 component of at least 5% by volume before being introduced into the at least one heat exchanger, it being possible for the cold gas stream to contain air and/or pure oxygen as the remaining component in addition to impurities.
  • the cold gas stream can in particular contain at least 10% by volume, preferably wise at least 20% by volume, preferably at least 30% by volume, particularly preferably at least 40% by volume, of CO 2 in order to reduce or partially or completely replace the air component in the cold gas stream.
  • Impurities in particular unavoidable impurities within the meaning of the invention, are components or accompanying elements in the composition of the cold gas stream/hot gas stream which contain up to 2.0% by volume, in particular up to 1.5% by volume, preferably up to 1 .0% by volume may be present, but do not make a significant contribution or are of no importance and therefore have no influence on the process.
  • the main components are oxygen and nitrogen, with inert gas (argon) and carbon dioxide being mentioned as impurities totaling approx. 1% by volume.
  • parts of the air in the cold gas flow can be substituted or displaced by CO 2 , so that less nitrogen is supplied or circulated in the volume flow or in the material flow over the entire process.
  • this ensures a reduction in NOx, HCN and cyanide compounds and, on the other hand, the use of CO 2 in the cold gas stream results in a positive CO 2 balance over the entire process.
  • CO 2 has a higher specific heat capacity than air, which is approx. 26% higher, so that the efficiency of the heat exchanger or hot blast stove (Cowper) can be increased, since a higher caloric power density can be achieved with the same volume flow.
  • the viscosity (kinematic, dynamic) of CO 2 is lower compared to air, which can have an advantageous effect in the heat exchanger/hot blast stove and in the shaft furnace, including upstream and downstream.
  • the CO 2 heated in the heat exchanger (hot blast stove) to the temperatures usual today is unstable in this temperature range, > 700 to 1400°C, which means that after it has been blown into the lower area of the shaft furnace in the so-called vortex zone it comes into contact with a (replacement -) Reducing agent would decompose into CO while consuming sensible heat.
  • a reaction with carbon for example, consumes around 172 kJ/mol.
  • a reaction with hydrogen for example, only approx. 30.9 kJ/mol. This heat consumption is essentially covered by the heat released at the same time as the combustion with oxygen, so that, depending on the mixing ratio, there is still a considerable net energy excess may exist.
  • a metallurgically effective hot gas stream is available in the turbulence zone, i.e. one that is available as a reducing agent, which can also increase the efficiency of the shaft furnace.
  • Carbon is already introduced with the CO 2 in the hot gas flow (hot blast) through the tuyeres, so that raw material, in particular the use of coke, for example, but also additional injection of carbon, can be reduced compared to conventional operation.
  • the cold gas stream (cold wind) contains CO 2 , air and optionally pure oxygen in addition to impurities, the proportion of air being at most 50% by volume, in particular at most 40% by volume, preferably at most 30% by volume % by volume, preferably to a maximum of 20% by volume, particularly preferably to a maximum of 10% by volume.
  • the partial use of air has the advantage, for example, that the cold gas flow or the hot gas flow has a certain "moisture” in the form of water or water vapor in the material flow (hot wind), which depends on the proportion of air in the cold/hot gas flow and on the Depends on ambient conditions, so that this is either sufficient or again specifically via an introduction of, for example, steam into the hot gas stream before the introduction of the hot gas stream (hot blast) in the shaft furnace can be adjusted.
  • the "wind humidity” can be advantageous for a quiet and even operation in the shaft furnace. By regulating the wind humidity, the combustion temperature in the vortex zone, the so-called RAFT, can be controlled via the endothermic properties. At the same time, the wind humidity can also influence the hydrogen content in the top gas.
  • the pure oxygen that is optionally introduced into the cold gas stream can be brought up to temperature, using it as an oxidizing agent to release heat and as a reducing agent, in particular carbon monoxide, in order to increase efficiency by increasing the power density. This effect is due in part to the fact that the ratio is increased from oxygen to nitrogen. If CO 2 is used, a further separate blowing in of oxygen can be partially or completely dispensed with.
  • the optional pure oxygen can also be introduced into the hot gas stream (hot blast) before the hot gas stream is introduced into the shaft furnace in order to prevent a possible reaction with air or the nitrogen in the air to form NOx, HCN, especially in the heat exchanger.
  • Optional in this context should mean that no pure oxygen is supplied either to the cold or to the hot gas flow.
  • the cold gas stream contains CO 2 and optionally pure oxygen in addition to impurities, the proportion of CO 2 being at least 70% by volume, in particular at least 75% by volume, preferably at least 80% by volume. %, preferably at least 85% by volume, particularly preferably at least 90% by volume.
  • the cold gas flow is virtually free of air or nitrogen, so that at least no NOx emissions can be released in the shaft furnace via the hot gas flow and the top gas is also free of nitrogen and nitrogen compounds, so that the top gas has a better calorific value and better emission values compared to conventional derived blast furnace gas. Due to the essentially nitrogen-free blast furnace gas, its use is not only suitable for increasing the efficiency of the heat exchanger (hot blast stove), but also for direct CO 2 separation or downstream CO 2 separation, particularly in so-called oxifuel processes.
  • the pure oxygen optionally introduced into the cold gas stream can be brought up to temperature, using oxidizing agents to release heat and to form reducing agents, in particular carbon monoxide (CO), in order to increase efficiency by increasing the power density. This effect is due in part to the fact that the oxygen to nitrogen ratio is increased. If CO 2 is used, a further separate blowing in of oxygen can be partially or completely dispensed with.
  • the optional pure oxygen can also only be introduced into the hot gas stream before the hot gas stream is introduced into the shaft furnace.
  • Optional in this context should mean that no pure oxygen is supplied either to the cold or to the hot gas flow.
  • the cold, possibly also the hot, gas flow can, in special cases, only consist of CO 2 together with impurities.
  • the CO 2 is provided for the cold gas stream from a CO 2 separation, which either consists of a the exhaust gas burned in the heat exchanger or hot blast stove or from other processes that can be generated or separated in particular in the immediate vicinity of the iron and steel works.
  • a CO 2 separation either consists of a the exhaust gas burned in the heat exchanger or hot blast stove or from other processes that can be generated or separated in particular in the immediate vicinity of the iron and steel works.
  • Other processes are, for example, the use/capture of CO 2 from a direct reduction (DR), which can be linked to the shaft furnace process (integrated steel mill).
  • DR direct reduction
  • the provision of CO 2 as a pure technical gas or with low demands on purity is also conceivable.
  • hydrogen is additionally introduced into the lower region of the shaft furnace.
  • Hydrogen as a so-called substitute reducing agent in connection with the introduced CO 2 from the hot gas stream (hot blast) can contribute to reducing the coal and coke requirement and thus to increasing profitability.
  • the use of hydrogen can be, for example, 0.005 to 0.1%, in particular 0.01 to 0.08%, preferably 0.015 to 0.07% per tonne of pig iron produced.
  • pure oxygen is additionally introduced into the lower region of the shaft furnace. If the optional pure oxygen introduced via the hot gas stream (hot blast) is not sufficient for combustion or no additional pure oxygen is introduced with the hot gas stream, it may be necessary to introduce oxygen separately in order to ensure the energy required to operate the shaft furnace.
  • additional oxygen can be, for example, 0.1% to 13% per tonne of pig iron produced. When operating without additional oxygen, half a mole of oxygen is released from the hot CO 2 -containing gas stream per mole of CO 2 .
  • additional carbon is introduced into the lower region of the shaft furnace. If the carbon introduced via the hot gas stream (hot blast) from the CO 2 of the hot gas stream and/or the coal/coke charge via the throat is insufficient, it may be necessary to introduce carbon separately in order to introduce heat into the shaft furnace generate, so that the temperature level taking place for the reduction reactions in the furnace is reached. Temperatures in the eddy zone in the range between 1800°C and 2500°C are aimed for.
  • the hydrogen and the oxygen are produced and provided from a (water or chloralkalD) electrolysis.
  • a (water or chloralkalD) electrolysis Other hydrogen sources are also conceivable, in particular the hydrogen contained in the coke oven gas or the coke oven gas mixture itself. Electrolysis is conceivable, since it can be easily integrated with the most diverse heat sources of an integrated steel works.
  • the oxygen can also come from other sources, such as air separation plants.
  • the air component of the cold gas flow is compressed to a pressure above the ambient pressure before it is combined with the other components, before it is combined with the other components and before the cold gas stream is introduced into the at least one heat exchanger.
  • the fact that compressed air is introduced into the heat exchanger (hot blast stove) corresponds to the conventional procedure.
  • the components CO 2 and/or optionally pure oxygen can already be provided at a pressure above the ambient pressure due to the process, so that this component(s) is (are) fed to the cold gas flow after compression, thereby increasing the throughput through the compressor and thus the Operating costs of the compressor can be reduced.
  • the cold gas flow is compressed, in particular completely, to a pressure above the ambient pressure before the cold gas flow is introduced into the at least one heat exchanger (hot stove). .
  • FIG. 1 schematically shows a blast furnace with an upstream hot blast stove and corresponding material flows according to a conventional mode of operation and FIG. 2) shows a schematic of a blast furnace with an upstream hot blast stove and corresponding material flows according to an operating mode according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic of a conventional blast furnace with an upstream hot blast stove.
  • hot blast stove heat exchanger
  • FIG. 1 shows a schematic of a conventional blast furnace with an upstream hot blast stove.
  • hot blast stove heat exchanger
  • FIG. 1 shows a schematic of a conventional blast furnace with an upstream hot blast stove.
  • hot blast stove hot blast stove
  • FIG. 1 shows a schematic of a conventional blast furnace with an upstream hot blast stove.
  • hot blast stove hot blast stove
  • air is sucked in from the environment, passed through compressors (not shown) and compressed, and introduced as a cold gas flow (cold wind) into at least one of the heat exchangers (hot blast stoves), which already have a corresponding temperature.
  • the hot blast stove is flooded with cold wind and the heat stored in the hot blast stove is transferred to the compressed cold wind and after reaching a predefined temperature, usually between 700°C and 1400°C, as a hot gas flow (hot blast) to the blast molds (blow moulds, nozzles) a shaft furnace or blast furnace, in which pig iron is produced.
  • a hot gas flow hot blast
  • blast molds blast moulds, nozzles
  • a shaft furnace or blast furnace in which pig iron is produced.
  • raw materials required for the production of pig iron are charged via the throat.
  • the raw materials sink down in the shaft furnace under the influence of gravity, with some of the raw materials being melted and/or at least partially reduced under the influence of the atmosphere prevailing inside the shaft furnace.
  • a hot gas flow (hot blast) is introduced, which flows through the prevailing atmosphere inside the shaft furnace in countercurrent and influences the chemical composition and temperature.
  • carbon (carbon-based additives) and/or oxygen can be fed in separately to the hot gas stream in the lower area of the shaft furnace.
  • the shaft furnace process and its mode of operation are also state of the art. Conventionally, air with approx. 79% by volume nitrogen and approx. 21% by volume is fed into the shaft furnace as a cold gas stream (cold blast) or hot gas stream (hot blast).
  • the fuel and carbon carrier for the reduction of the iron ore, the primary material to be produced from the pig iron in the shaft furnace is coke, which, like the iron ore, is fed into the shaft furnace in layers or mixed via the top as burden, and, if necessary, additional coal dust, which is additionally blown in, in particular, via the tuyeres.
  • heating oil, natural gas, coke oven gas, plastic or hydrogen can also be used, for example wise be used as a replacement reducing agent, which are injected via special equipment.
  • the top gas exits at the top at approx. 140°C to 250°C, whereby during normal operation between 1500-1850 standard cubic meters (Nm 3 ) of top gas can occur per tonne of pig iron.
  • top gas serves as fuel for the hot blast stove, which is mixed with other gases, such as natural gas and air, and post-combusted.
  • a composition of the top gas measured during normal operation contains in % by volume: CO at 21%, CO 2 at 21%, H 2 at 2% and N 2 at 56%, of which HCN at 0.0025% to 1.2% and NOx can be as low as 0.001% to 0.15%.
  • FIG. 2 schematically shows the same conventional shaft furnace (blast furnace) with an upstream heat exchanger (hot blast stove), but with the difference that according to the invention CO 2 is used partially or completely as a cold gas stream (cold blast). Pure oxygen is marked with an * in FIG. 2, which is intended to mean that oxygen is introduced either into the cold and/or into the hot gas stream before the hot gas stream (hot blast) is introduced into the shaft furnace.
  • CO 2 plus impurities can be used as a cold/hot gas stream or CO 2 in combination with air up to a maximum of 50% by volume and/or with pure oxygen up to 30% by volume, not shown here.
  • hydrogen was blown in at up to 1000 Nm 3 /h, in particular per tuyere (tuyere), with the blast furnace being able to have several tuyeres/tuyeres, with additional carbon being blown in separately, for example as carbon powder and/or oxygen, particularly when hydrogen is reduced can become.
  • tuyere per tuyere
  • additional carbon being blown in separately, for example as carbon powder and/or oxygen, particularly when hydrogen is reduced can become.
  • coke per ton of pig iron produced was fed in via the throat.
  • Up to 12,000 Nm 3 furnace gas was produced per tonne of pig iron, for which a composition was determined in % by volume: CO 2 at 47%, CO at 38% and H 2 at 15%.
  • the invention can also be implemented with proportions of air and/or pure oxygen in the cold gas stream (cold wind), since at least 5% by volume, in particular at least 10% by volume, preferably at least 20% by volume, preferably at least 30% by volume -%, particularly preferably at least 40 vol -) process can be increased/improved.
  • the invention can be applied to any type of shaft furnace, ie not only limited to blast furnaces, but can also be implemented in cupola furnaces, primary energy furnaces, etc., which work according to the active principle described.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Waste-Gas Treatment And Other Accessory Devices For Furnaces (AREA)
  • Manufacture Of Iron (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Roheisen in einem Schachtofen, welcher in einem oberen Bereich des Schachtofens mit Rohmaterialien beschickt wird, welche unter Einfluss der Schwerkraft im Schachtofen absinken, wobei ein Teil der Rohmaterialien unter Einwirkung der innerhalb des Schachtofens herrschenden Atmosphäre geschmolzen und/oder zumindest teilweise reduziert wird, und in einem unteren Bereich des Schachtofens ein heißer Gasstrom eingeleitet wird, welches die innerhalb des Schachtofens herrschende Atmosphäre durchströmt und hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur beeinflusst, wobei ein kalter Gasstrom mindestens einem Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem der kalte Gasstrom auf eine Temperatur zu einem heißen Gasstrom erwärmt wird, welche höher ist als 700°C. Erfindungsgemäß umfasst der kalte Gasstrom vor der Einleitung in den mindestens einen Wärmetauscher eine CO2-Komponente von mindestens 5 Vol.-%, wobei der kalte Gasstrom neben Verunreinigungen als restliche Komponente Luft und/oder reinen Sauerstoff enthalten kann.

Description

Verfahren zum Erzeugen von Roheisen in einem Schachtofen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Roheisen in einem Schachtofen, welcher in einem oberen Bereich des Schachtofens mit Rohmaterialien beschickt wird, welche unter Einfluss der Schwerkraft im Schachtofen absinken, wobei ein Teil der Rohmaterialien unter Einwirkung der innerhalb des Schachtofens herrschenden Atmosphäre geschmolzen und/oder zumindest teilweise reduziert wird, und in einem unteren Bereich des Schachtofens ein heißer Gasstrom eingeleitet wird, welcher die innerhalb des Schachtofens herrschende Atmosphäre, insbesondere im Gegenstrom, durchströmt und hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und/oder der Temperatur beeinflusst, wobei ein kalter Gasstrom, insbesondere dem Schachtofenprozess vorgelagert, mindestens einem Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem der kalte Gasstrom auf eine Temperatur zu einem heißen Gasstrom erwärmt wird, welche höher ist als 700°C.
Die Erzeugung von Roheisen in Schachtöfen, beispielsweise in Hochöfen, welche im Dauerbetrieb betrieben werden, ist weltweit das gängigste und standardgemäße Verfahren, mit welchem weit über 80 % des weltweiten Bedarfs an Roheisen hergestellt wird. Klassisch im Reduktionsverfahren werden im oberen Bereich des Schachtofens, über die sogenannte Gicht, Rohmaterialien beschickt, dem sogenannten Möller, welcher Eisenerz und optional Kalk, Koks und/oder Kohle und bei Bedarf weitere Zusatzstoffe oder andere oxidische oder metallische Ausgangs-ZEinsatzstoffe umfasst. Durch die Schwerkraft und das diskontinuierliche Beschicken, insbesondere bedingt durch das diskontinuierliche Abstechen und somit Entnahme der flüssigen Stoffe, sinken die Rohmaterialien ab. Durch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre (reduzierende Bedingung) und bedingt durch die Temperatur, welche in Richtung des unteren Bereichs zunimmt, wird das Eisenerz reduziert. Im unteren Bereich des Schachtofens, insbesondere im Bereich des Einleitens von heißen Gasströmen, sogenanntem Heißwind, und optional weiteren Zusatzstoffen, wie Kohlenstoff und/oder Sauerstoff, herrscht eine Temperatur, welche das Eisenerz bzw. das reduzierte Eisen zum Schmelzen bringt und sich im sogenannten Bereich des Gestells unterschiedliche flüssige Phasen einstellen, welche sich auf unterschiedlichen Ebenen in flüssiges Eisen und eine aufgrund der geringeren Dichte das flüssige Eisen bedeckende schmelzflüssige Schlacke sammelt. Insbesondere über unterschiedliche Abgänge/Anstiche können die flüssigen Phasen jeweils abgezogen werden können, welche weiteren Prozessen zugeführt werden. Konventionell wird als Heißwind, auch Heißluft genannt, Umgebungsluft als kalter Gasstrom, sogenannter Kaltwind, über einen Kaltstrang angesaugt, auf einen definierten Druck verdichtet und mindestens einem Winderhitzer zugeführt, in welchem die verdichtete Umgebungsluft (Kaltwind) auf eine Temperatur von mindestens 700°C erwärmt wird, welche anschließend dem Hochofen über sogenannte Windformen im unteren Bereich des Schachtofens eingeleitet respektive eingeblasen wird. Wärmetauscher in Form von Winderhitzern, auch Cowper genannt, werden alternierend mit einem Heißgas geflutet, wobei das Heißgas solange in dem Winderhitzer verbleibt, bis eine vorgegebene Temperatur innerhalb des Winderhitzers erzielt wird, anschließend das Heißgas abgeführt und mit verdichteter Umgebungsluft (Kaltwind) geflutet wird und solange in dem Winderhitzer verbleibt, bis eine vordefinierte Temperatur, in der Regel zwischen 700 und 1400°C, erreicht ist, so dass anschließend die heiße Umgebungsluft als Heißwind (heißer Gasstrom) abgezogen und dem Hochofen zugeführt wird. Als wirtschaftliches Verfahren zum Beschicken des Winderhitzers mit Heißgas hat sich die Nutzung des Abwärmestroms, welcher aus der Gicht als sogenanntes Gichtgas abgezogen wird, etabliert, welche im Winderhitzer mit weiteren Gasen (Luft/Erdgas) nachverbrannt wird. Um einen Dauerbetrieb aufrecht zu halten und je nach Größe des Schachtofens, sind mindestens zwei, insbesondere mindestens drei Winderhitzer parallelgeschaltet und entsprechend zu- und abschaltbar, so dass beispielsweise einer der Winderhitzer mit Heißgas geflutet ist und unter Abgabe von Wärme zum Erwärmen des Winderhitzers genutzt wird, ein weiterer Winderhitzer mit Kaltwind geflutet ist und unter Aufnahme von Wärme zu Heißwind erwärmt wird und ein dritter Winderhitzer in Betrieb geschaltet ist und den Hochofen mit Heißwind versorgt. Prinzipiell können auch zwei Winderhitzer eingesetzt werden, die im alternierenden Betrieb geflutet werden.
Bei der kohlenstoffbasierten Erzeugung von Roheisen fällt ein enormer CO2-Ausstoß an, welcher die Umwelt dahingehend belastet, dass sich mit Zunahme des CO2 der Treibhauseffekt in der Atmosphäre verstärkt und dadurch das Klima negativ beeinflusst wird. Seit Jahren machen sich die Betreiber von Schachtöfen Gedanken, wie sie diesen Ausstoß reduzieren können. Verschärft durch nationale/internationale Bestimmungen in Verbindung mit CO2-Auflagen bzw. -Zertifikaten sind die Betreiber dieser Anlagen gezwungen, Maßnahmen zu ergreifen, die ein Betreiben dieser Anlagen unter bestimmten Voraussetzungen weiterhin erlaubt. Auch ein wirtschaftliches Betreiben sollte weiterhin sichergestellt sein.
Unzählige Ansätze sind im Stand der Technik beschrieben, wie über gezielte Zugaben von Medien (fest, flüssig und gasförmig) in einen Schachtofen positiv und reduzierend Einfluss auf den CO2-Ausstoß genommen werden kann. Beispielhaft sind die Druckschriften CN 101871026 Al und WO 2019/057930 Al genannt.
Neben C02 fallen im konventionellen Schachtofenprozess auch andere, insbesondere „schädliche“ Gasverbindungen und Flüssigkeiten innerhalb eines Stoffflusses an, die nicht nur einen negativen Einfluss im Schachtofenprozess, sondern auch in nachgelagerten Anwendungen (Downstream) haben können. Durch den Einsatz von Luft (kalter Gasstrom, Kaltwind), welcher zu ca. 79 Vol.-% aus Stickstoff besteht und als heißer Gasstrom bzw. Heißwind zum Einblasen in den Schachtofen verwendet wird, trägt dieser temperatur- und druckbedingt, optional im Winderhitzer, in der Atmosphäre des Schachtofens und im Gichtgas zur Bildung von Stickstof- foxid-Emissionen (NOx), Cyanwasserstoff (HCN) und Cyankaliverbindungen bei. Stickstoff verhält sich zudem inert und bewirkt durch seine Anwesenheit keine Optimierung im Prozess. Vielmehr trägt Stickstoff beispielsweise im Gichtgas zu einem reduzierten Heizwert bei und beeinfluss den Wobbeindex (Wl). Der Wirkungsgrad im Schachtofenprozess (inkl. Up- und Downstream) ist durch die Anwesenheit von Stickstoff nicht optimal. Darüber hinaus tragen die gebildeten Stickstoffverbindungen, insbesondere Blausäure (HCN) und Cyankali-Verbindungen, zu erhöhten Stickstoffoxid-Emissionen (NOx) bei der Verwertung, insbesondere bei der Verbrennung des Gichtgases und den daraus gebildeten Gasgemischen bei. Es müssen hohe Aufwände (DeNOx-Anlagen) insbesondere im Kraftwerk oder Sinteranlage betrieben werden, um geltende Abgasgrenzwerte einhalten zu können.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Erzeugen von Roheisen in einem Schachtofen anzugeben, mit welchem ein optimaler Prozess bereitgestellt werden kann und Stickstoffoxid-Emissionen und andere Stickstoffverbindungen, wie Blausäure oder Cyankali- Verbindungen, reduziert bzw. im Wesentlichen verhindert werden können.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die im bisherigen, konventionellen Prozess angesaugte Luft (kalter Gasstrom, Kaltwind) zum Teil oder vollständig ersetzt werden kann, indem CO2 zugeführt wird. Erfindungsgemäß umfasst der kalte Gasstrom vor der Einleitung in den mindestens einen Wärmetauscher eine CO2-Komponente von mindestens 5 Vol.-%, wobei der kalte Gasstrom neben Verunreinigungen als restliche Komponente Luft und/oder reinen Sauerstoff enthalten kann. Der kalte Gasstrom kann insbesondere mindestens 10 Vol.-%, Vorzugs- weise mindestens 20 Vol.-%, bevorzugt mindestens 30 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 40 Vol.-% C02 umfassen, um die Luft-Komponente im kalten Gasstrom zu reduzieren bzw. teilweise oder vollständig zu ersetzen.
Verunreinigungen, insbesondere unvermeidbare Verunreinigungen im Sinne der Erfindung sind Komponenten bzw. Begleitelemente in der Zusammensetzung des kalten Gasstroms/ heißen Gasstroms, welche bis zu 2,0 Vol.-%, insbesondere bis zu 1,5 Vol.-%, vorzugsweise bis zu 1,0 Vol.-% vorhanden sein können, aber keinen nennenswerten Beitrag bzw. nicht ins Gewicht fallen und somit keinen Einfluss auf den Prozess haben. Am Beispiel von Luft sind die Hauptkomponenten Sauerstoff und Stickstoff, wobei als Verunreinigungen Edelgas (Argon) und Kohlendioxid in Summe mit ca. 1 Vol.-% zu nennen sind.
Je nach Schachtofen und/oder Betriebsweise des Schachtofens können Anteile der Luft im kalten Gasstrom durch CO2 guasi substituiert bzw. verdrängt werden, so dass im Volumenstrom bzw. im Stofffluss über den gesamten Prozess betrachtet weniger Stickstoff zugeführt wird bzw. im Umlauf ist. Dadurch ist zum einen eine Reduzierung von NOx, HCN und Cyankali-Verbindungen sichergestellt und zum anderen fällt durch Einsatz von CO2 im kalten Gasstrom die CO2- Bilanzierung über den gesamten Prozess betrachtet positiv aus. CO2 besitzt eine höhere spezifische Wärmekapazität als Luft, welche ca. 26 % höher ist, so dass der Wirkungsgrad des Wärmetauschers respektive des Winderhitzers (Cowper) erhöht werden kann, da mit dem gleichen Volumenstrom eine höhere kalorische Leistungsdichte erreicht werden kann. Zudem ist die Viskosität (kinematisch, dynamisch) von CO2 gegenüber Luft geringer, welche sich vorteilhaft im Wärmetauscher/Winderhitzer sowie im Schachtofen inklusive Up- und Downstream auswirken kann.
Das im Wärmetauscher (Winderhitzer) auf die heute üblichen Temperaturen erhitzte CO2 ist in diesem Temperaturbereich, > 700 bis 1400°C instabil, das heißt, dass es nach dem Einblasen im unteren Bereich des Schachtofens in der sogenannten Wirbelzone in Kontakt mit einem (Ersatz-) Reduktionsmittel unter Verbrauch von fühlbarer Wärme in CO zerfallen würde. Bei einer Reaktion beispielsweise mit Kohlenstoff wird ca. 172 kJ/mol verbraucht. Bei einer Reaktion beispielsweise mit Wasserstoff lediglich ca. 30,9 kJ/mol. Dieser Wärmeverbrauch wird im Wesentlichen durch die gleichzeitig bei der Verbrennung mit Sauerstoff freigewordene Wärme abgedeckt, so dass Netto nach wie vor und je nach Mischungsverhältnis ein erheblicher Energie- Überschuss vorliegen kann. So steht in der Wirbelzone von Beginn an ein metallurgisch wirksamer, das heißt als Reduktionsmittel verfügbarer optimierter heißer Gasstrom (Heißwind) zur Verfügung, was zusätzlich die Effizienz des Schachtofens steigern kann.
Kohlenstoff wird bereits mit dem CO2 im heißen Gasstrom (Heißwind) durch die Windformen eingeleitet, so dass Rohmaterial, insbesondere der Einsatz beispielsweise von Koks aber auch von zusätzlichem Einblasen von Kohlenstoff, im Vergleich zum konventionellen Betrieb verringert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der kalte Gasstrom (Kaltwind) CO2, Luft und optional reinen Sauerstoff neben Verunreinigungen, wobei der Anteil der Luft auf maximal 50 Vol.-%, insbesondere auf maximal 40 Vol.-%, vorzugsweise auf maximal 30 Vol.-%, bevorzugt auf maximal 20 Vol.-%, besonders bevorzugt auf maximal 10 Vol.-% begrenzt ist. Die teilweise Verwendung von Luft hat beispielsweise den Vorteil, dass der kalte Gasstrom respektive der heiße Gasstrom eine gewisse „Feuchte“ in Form von Wasser bzw. Wasserdampf im Stoffstrom (Heißwind) hat, welche vom Anteil der Luft im kalten/heißen Gasstrom und von den Umgebungsbedingungen abhängt, so dass diese entweder ausreicht oder noch mal gezielt über eine Einleitung von beispielsweise Wasserdampf in den heißen Gasstrom vor der Einleitung des heißen Gasstroms (Heißwind) in den Schachtofen einstellbar ist. Die „Windfeuchte“ kann vorteilhaft für eine ruhige und gleichmäßige Betriebsweise im Schachtofen sein. Durch die Regulation der Windfeuchte kann die Verbrennungstemperatur in der Wirbelzone, die sogenannte RAFT, über die endothermen Eigenschaften gesteuert werden. Gleichzeitig kann die Windfeuchte auch Einfluss auf den Wasserstoffgehalt im Gichtgas haben.
Der optional in den kalten Gasstrom eingeleitete reine Sauerstoff kann auf Temperatur gebracht werden, wobei es als Oxidationsmittel zur Wärmefreisetzung und als Reduktionsmittel, insbesondere Kohlenmonoxid eingesetzt wird, um dadurch die Effizienz durch Erhöhung der Leistungsdichte zu erhöhen. Dieser Effekt beruht zum Teil auf der Tatsache, dass das Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff erhöht wird. Bei der Verwendung von CO2 kann auf ein weiteres separates Einblasen von Sauerstoff teilweise oder vollständig zu verzichtet werden. Alternativ kann der optionale reine Sauerstoff auch erst in den heißen Gasstrom (Heißwind) vor der Einleitung des heißen Gasstroms in den Schachtofen eingeleitet werden, um eine mögliche Reaktion mit Luft bzw. dem Stickstoff in der Luft zu NOx, HCN insbesondere im Wärmetauscher zu verhindern. Optional in diesem Zusammenhang soll bedeuten, dass auch kein reiner Sauerstoff weder dem kalten noch dem heißen Gasstrom zugeführt wird.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der kalte Gastrom (Kaltwind) CO2 und optional reinen Sauerstoff neben Verunreinigungen, wobei der Anteil des CO2 mindestens 70 Vol.-%, insbesondere mindestens 75 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 80 Vol.-%, bevorzugt mindestens 85 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Vol. - % beträgt. Der kalte Gasstrom kann ist guasi lüft- bzw. stickstofffrei, so dass zumindest über den heißen Gasstrom keine NOx-Emissionen im Schachtofen frei werden können und auch das Gichtgas somit frei von Stickstoff und Stickstoffverbindungen ist, so dass das Gichtgas einen besseren Heizwert und bessere Emissionswerte im Vergleich zum konventionellen abgeleiteten Gichtgas aufweist. Aufgrund des im Wesentlichen stickstofffreien Gichtgases ist seine Verwendung nicht nur für die Steigerung der Effizienz des Wärmetauschers (Winderhitzer), sondern auch für eine direkte CO2-Abscheidung oder insbesondere bei sogenannten Oxifuelprozessen nachgelagerte CO2-Abscheidung geeignet.
Der optional in den kalten Gasstrom eingeleitete reine Sauerstoff kann auf Temperatur gebracht werden, wobei es Oxidationsmittel zur Wärmefreisetzung und der Bildung von Reduktionsmittel, insbesondere Kohlenmonoxid (CO) eingesetzt wird, um dadurch die Effizienz durch Erhöhung der Leistungsdichte zu erhöhen. Dieser Effekt beruht zum Teil auf der Tatsache, dass das Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff erhöht wird. Bei der Verwendung von CO2 kann auf ein weiteres separates Einblasen von Sauerstoff teilweise oder vollständig zu verzichtet werden. Alternativ kann der optionale reine Sauerstoff auch erst in den heißen Gasstrom vor der Einleitung des heißen Gasstroms in den Schachtofen eingeleitet werden. Optional in diesem Zusammenhang soll bedeuten, dass auch kein reiner Sauerstoff weder dem kalten noch dem heißen Gasstrom zugeführt wird. Der kalte ggf. auch der heiße Gasstrom können im Sonderfall nur aus CO2 nebst Verunreinigungen bestehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das CO2 für den kalten Gasstrom aus einer CO2-Abscheidung bereitgestellt, welche entweder aus einem aus dem Wärmetauscher respektive Winderhitzer verbrannten Abgases abgeschieden wird oder aus anderen Prozessen, die insbesondere in unmittelbarer Nähe im Hüttenwerk erzeugt bzw. abgeschieden werden können. Andere Prozesse sind beispielsweise die Verwendung/ Abscheidung von CO2 aus einer Direktreduktion (DR), welche an den Schachtofenprozess gekoppelt werden kann (integriertes Hüttenwerk). Alternativ ist auch die Bereitstellung von CO2 als reines technisches Gas oder auch mit geringen Ansprüchen an der Reinheit vorstellbar.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem unteren Bereich des Schachtofens zusätzlich Wasserstoff eingeleitet. Wasserstoff als sogenanntes Ersatzreduktionsmittel in Verbindung mit dem eingeleiteten CO2 aus dem heißen Gasstrom (Heißwind) kann zur Senkung des Kohle- und Koksbedarfs und somit zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit beisteuern. Der Einsatz von Wasserstoff kann beispielsweise 0,005 bis 0,1 %, insbesondere 0,01 bis 0,08 %, vorzugsweise 0,015 bis 0,07 % pro erzeugter Tonne Roheisen betragen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem unteren Bereich des Schachtofens zusätzlich reiner Sauerstoff eingeleitet. Falls der über den heißen Gasstrom (Heißwind) eingeleitete optionale reine Sauerstoff nicht für die Verbrennung ausreicht oder kein zusätzlich reiner Sauerstoff mit dem heißen Gasstrom eingeleitet wird, kann ein separates Einleiten von Sauerstoff erforderlich sein, um die notwendige Energie zum Betrieb des Schachtofens sicherzustellen. Der Einsatz von zusätzlichem Sauerstoff kann beispielsweise 0,1 % bis 13 % pro erzeugter Tonne Roheisen betragen. Bei Betrieb ohne zusätzlichem Sauerstoff wird pro mol CO2 ein halbes mol Sauerstoff aus dem heißen CO2 enthaltendem Gasstrom freigesetzt.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem unteren Bereich des Schachtofens zusätzlich Kohlenstoff eingeleitet. Falls der über den heißen Gasstrom (Heißwind) eingeleitete Kohlenstoff aus dem CO2 des heißen Gasstroms und/oder der Kohle-/Kok- seinsatz über die Gicht nicht ausreicht, kann ein separates Einleiten von Kohlenstoff erforderlich sein, um einen Wärmeeintrag in den Schachtofen zu generieren, damit das für die Reduktionsreaktionen im Ofen stattfindende Temperaturniveau erreicht wird. Angestrebt werden Temperaturen in der Wirbelzone im Bereich zwischen 1800°C bis 2500°C.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Wasserstoff und der Sauerstoff aus einer (Wasser oder ChloralkalD-Elektrolyse erzeugt und bereitgestellt. Denkbar sind auch andere Wasserstoffguellen, insbesondere das im Koksofengas enthaltene Wasserstoff oder das Koksofengasgemisch an sich. Darüber hinaus ist auch eine Hochtemperatur- Elektrolyse denkbar, da diese sich gut mit den unterschiedlichsten Wärmequellen eines integrierten Hüttenwerkes integrieren lässt. Der Sauerstoff kann auch aus anderen Quellen, wie z.B. Luftzerlegungsanlagen stammen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, falls Luft dem kalten Gasstrom (Kaltwind) zugeführt werden soll, zumindest die Luft-Komponente des kalten Gasstroms vor der Zusammenführung mit den anderen Komponenten auf einen Druck oberhalb des Umgebungsdrucks verdichtet, bevor die Zusammenführung mit den anderen Komponenten und bevor die Einleitung des kalten Gasstroms in den mindestens einen Wärmetauscher erfolgt. Dass Luft verdichtet in den Wärmetauscher (Winderhitzer) eingeleitet wird, entspricht dem konventionellen Vorgehen. Die Komponenten CO2 und/oder optional reiner Sauerstoff können bereits prozessbedingt mit einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks bereitgestellt werden, so dass diese Komponente(n) nach dem Verdichten dem kalten Gasstrom zugeführt wird (werden), dadurch der Durchsatz durch den Verdichter und damit die Betriebskosten des Verdichters reduziert werden können.
Werden die Komponenten bzw. die Komponente des kalten Gasstroms drucklos bzw. auf Niveau des Umgebungsdrucks bereitgestellt, wird der kalte Gasstrom, insbesondere vollständig, auf einen Druck oberhalb des Umgebungsdrucks verdichtet, bevor die Einleitung des kalten Gasstroms in den mindestens einen Wärmetauscher (Winderhitzer) erfolgt.
Im Folgenden werden konkrete Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail näher erläutert. Die Zeichnung und begleitende Beschreibung der resultierenden Merkmale sind nicht beschränkend auf die jeweiligen Ausgestaltungen zu lesen, dienen jedoch der Illustration beispielhafter Ausgestaltung. Weiterhin können die jeweiligen Merkmale untereinander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögliche weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen Ausgestaltungen, welche nicht dargestellt sind. Gleiche Teile sind stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnung zeigt in
Figur 1) schematisch einen Hochofen mit einem vorgeschalteten Winderhitzer und entsprechenden Stoffströmen gemäß einer konventionellen Betriebsweise und Figur 2) schematisch einen Hochofen mit einem vorgeschalteten Winderhitzer und entsprechenden Stoffströmen gemäß einer erfindungsgemäßen Betriebsweise.
In Figur 1 ist schematisch ein konventioneller Hochofen mit einem vorgeschalteten Winderhitzer gezeigt. Symbolisch ist zwar nur ein Winderhitzer (Wärmetauscher) dargestellt, prinzipiell sind mindestens zwei, insbesondere mindestens drei Winderhitzer (Wärmetauscher) in der Peripherie des Schachtofens/Hochofens angeordnet. Die Betriebsweise des bzw. der Wärmetauscher (Winderhitzer) ist Stand der Technik. Konventionell wird Luft aus der Umgebung angesaugt, durch nicht dargestellte Verdichter geführt und verdichtet und als kalter Gasstrom (Kaltwind) in mindestens einen der Wärmetauscher (Winderhitzer) eingeleitet, der bereits eine entsprechende Temperatur aufweist. Der Winderhitzer wird mit Kaltwind geflutet und die im Winderhitzer gespeicherte Wärme wird auf den verdichteten Kaltwind übertragen und nach Erreichen einer vordefinierten Temperatur, in der Regel zwischen 700°C und 1400°C, als heißer Gasstrom (Heißwind) den Windformen (Blasformen, Düsen) eines Schachtofens respektive Hochofens zugeführt, in welchem Roheisen erzeugt wird. Im oberen Bereich des Schachtofens werden über die Gicht Rohmaterialien beschickt, die zur Erzeugung von Roheisen erforderlich sind. Unter Einfluss der Schwerkraft sinken die Rohmaterialien im Schachtofen ab, wobei ein Teil der Rohmaterialien unter Einwirkung der innerhalb des Schachtofens herrschenden Atmosphäre geschmolzen und/oder zumindest teilweise reduziert wird. Im unteren Bereich des Schachtofens wird ein heißer Gasstrom (Heißwind) eingeleitet, welcher die innerhalb des Schachtofens herrschende Atmosphäre im Gegenstrom durchströmt und hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur beeinflusst. Zusätzlich und abhängig von der Betriebsweise können separat zum heißen Gasstrom, Kohlenstoff (kohlenstoffbasierte Zusatzstoffe) und/oder Sauerstoff im unteren Bereich des Schachtofens eingeleitet werden. Auch der Schachtofenprozess und seine Betriebsweise sind Stand der Technik. Konventionell wird Luft mit ca. 79 Vol.- % Stickstoff und ca. 21 Vol.-% als kalter Gasstrom (Kaltwind) respektive heißer Gasstrom (Heißwind) in den Schachtofen eingeleitet. Als Brennstoff und Kohlenstoffträger für die Reduktion des Eisenerzes, dem Primärmaterial aus dem Roheisen im Schachtofen erzeugt werden soll, dienen Koks, welcher wie das Eisenerz jeweils schichtartig oder gemischt über die Gicht in den Schachtofen als Möller eingebracht werden, und bei Bedarf zusätzlich Kohlestaub, welcher zusätzlich insbesondere über die Windformen eingeblasen wird. Alternativ und je nach Anlagenauslegung können auch Heizöl, Erdgas, Koksofengas, Kunststoff oder Wasserstoff beispiels- weise als Ersatzreduktionsmittel verwendet werden, welche über spezielle Einrichtungen eingedüst werden. Das Gichtgas tritt an der Gicht mit ca. 140°C bis 250°C aus, wobei bei normaler Betriebsweise pro Tonne Roheisen zwischen 1500-1850 Normkubikmeter (Nm3) Gichtgas anfallen kann. Ein Teil des Gichtgases oder das gesamte Gichtgas dient als Brennstoff für den Winderhitzer, welcher mit weiteren Gasen, wie zum Beispiel Erdgas und Luft gemischt und nachverbranntwird. Ein im normalen Betrieb gemessene Zusammensetzung des Gichtgases enthält in Vol.-%: CO mit 21 %, CO2 mit 21 %, H2 mit 2 % und N2 mit 56 %, wovon HCN mit 0,0025 % bis 1,2 % und NOx mit 0,001 % bis 0,15 % betragen kann.
Figur 2 zeigt schematisch denselben konventionellen Schachtofen (Hochofen) mit einem vorgeschalteten Wärmetauscher (Winderhitzer), jedoch mit dem Unterschied, dass erfindungsgemäß CO2 als kalter Gasstrom (Kaltwind) teilweise oder vollständig verwendet wird. Reiner Sauerstoff ist in Figur 2 mit einem * versehen, was bedeuten soll, dass Sauerstoff entweder in den kalten und/oder in den heißen Gasstrom eingeleitet wird, bevor der heiße Gasstrom (Heißwind) in den Schachtofen eingeleitet wird. Alternativ kann auch nur CO2 nebst Verunreinigungen als kalter/heißer Gasstrom verwendet werden oder CO2 in Verbindung mit Luft bis zu maximal 50 Vol.-% und/oder mit reinem Sauerstoff bis zu 30 Vol.-%, hier nicht dargestellt. Das erfindungsgemäße Beispiel in Figur 2 zeigt, dass bei nahezu 100 Vol.-% CO2 zum einen die CO2-Bilanzie- rung des gesamten Prozesses positiv ist und zum anderen Stickstoff im Prozess reduziert werden kann bzw. dieser nicht vorhanden ist, so dass auch nur reduzierte bis keine NOx-Emissio- nen sowie reduzierte bis keine Cyankali-Verbindungen oder Blausäure im Vergleich zur konventionellen Betriebsweise innerhalb des Prozesses anfallen. In einem Versuch wurde Luft vollständig durch CO2 im kalten Gasstrom (Kaltwind) ersetzt, wobei das CO2 aus einem Direktreduktions-Prozess (alternativ Oxifuelprozess) abgeschieden und mit einem Druck von 6 bar bereitgestellt wurde, so dass der konventionell vorhandene (Wind-) Verdichter nicht verwendet werden musste und somit Strom für dieses Aggregat eingespart werden konnte. Im Wärmetauscher (Winderhitzer) wurde das CO2 auf 1200°C erwärmt und als heißer Gasstrom (Heißwind) in den Schachtofen eingeblasen. Des Weiteren wurde Wasserstoff mit bis zu 1000 Nm3/h, insbesondere pro Windform (Blasform), wobei der Hochofen mehrere Wind-/Blasformen aufweisen kann, eingeblasen, wobei insbesondere bei Reduzierung von Wasserstoff zusätzlich Kohlenstoff beispielsweise als Kohlepulver und/oder Sauerstoff separat eingeblasen werden können. Über die Gicht wurde insbesondere zwischen 250 und 400 kg Koks pro erzeugter Tonne Roheisen zugeführt. Pro Tonne Roheisen fiel bis zu 12000 Nm3 Gichtgas an, für welche eine Zusammensetzung ermittelt wurde in Vol.-%: CO2 mit 47 %, CO mit 38 % und H2 mit 15 %. Eine Belastung mit Stickstoff bzw. „schädliche“ NOx-, Cyankali-Verbindungen oder Blausäure waren nicht im Gichtgas enthalten, so dass dieses einen verbesserten Heizwert und ein besseres Emissionsverhalten aufwies. Der Einsatz von weiteren Gasen, wobei in diesem Fall auf Luft verzichtet und reiner Sauerstoff zur stickstofffreien Verbrennung verwendet wurde, konnte zur Nachverbrennung im Wärmetauscher (Winderhitzer) reduziert werden. Das nach der Verbrennung aus den Winderhitzer abgeleitete Abgas/ Verbrennungsgas eignet sich hervorragend für eine Rückführung, da aufgrund der wenig störenden Komponenten im Abgas das CO2 relativ einfach guasi als CO2- ezyklat dem (Schachtofen-)Prozess wieder zugeführt werden kann.
Die Erfindung ist auch mit Anteilen von Luft und/oder reinem Sauerstoff im kalten Gasstrom (Kaltwind) umsetzbar, da mindestens 5 Vol.-%, insbesondere mindestens 10 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 20 Vol.-%, bevorzugt mindestens 30 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 40 Vol.-% CO2 im kalten Gasstrom (Kaltwind) und damit eine teilweise bis vollständige Substitution der Luft zu einer Reduzierung der durch Stickstoff verursachten NOx-Emissionen führen kann und sich dadurch beispielsweise auch der Wirkungsgrad des (Gesamt-) Prozesses erhöhen/verbessern lässt.
Die Erfindung ist auf jede Art von Schachtofen anwendbar, also nicht nur auf Hochöfen beschränkt, sondern auch in Kupolöfen, Primärenergieöfen, etc. umsetzbar, welche nach dem beschriebenen Wirkprinzip arbeiten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Roheisen in einem Schachtofen, welcher in einem oberen Bereich des Schachtofens mit Rohmaterialien beschickt wird, welche unter Einfluss der Schwerkraft im Schachtofen absinken, wobei ein Teil der Rohmaterialien unter Einwirkung der innerhalb des Schachtofens herrschenden Atmosphäre geschmolzen und/oder zumindest teilweise reduziert wird, und in einem unteren Bereich des Schachtofens ein heißer Gasstrom eingeleitet wird, welcher die innerhalb des Schachtofens herrschende Atmosphäre durchströmt und hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur beeinflusst, wobei ein kalter Gasstrom mindestens einem Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem der kalte Gasstrom auf eine Temperatur zu einem heißen Gasstrom erwärmt wird, welche höher ist als 700°C, dadurch gekennzeichnet, dass der kalte Gasstrom vor der Einleitung in den mindestens einen Wärmetauscher eine CO2- Komponente von mindestens 5 Vol.-% umfasst, wobei der kalte Gasstrom neben Verunreinigungen als restliche Komponente Luft und/oder reinen Sauerstoff enthalten kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der kalte Gasstrom CO2, Luft und optional reinen Sauerstoff neben Verunreinigungen enthält, wobei der Anteil der Luft auf maximal 50 Vol.-% begrenzt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der kalte Gasstrom CO2 und optional reinen Sauerstoff neben Verunreinigungen enthält, wobei der Anteil des CO2 mindestens 70 Vol.-% beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das CO2 aus einer CO2- Abscheidung bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem unteren Bereich des Schachtofens zusätzlich Wasserstoff eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem unteren Bereich des Schachtofens zusätzlich reiner Sauerstoff eingeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem unteren Bereich des Schachtofens zusätzlich Kohlenstoff eingeleitet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoff aus einer Elektrolyse und der reine Sauerstoff aus einer Luftzerlegungsanlage erzeugt und bereitgestellt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zumindest die Luft-Komponente des kalten Gasstroms vor der Zusammenführung mit den anderen Komponenten auf einen Druck oberhalb des Umgebungsdrucks verdichtet wird, bevor die Zusammenführung mit den anderen Komponenten und bevor die Einleitung des kalten Gasstroms in den mindestens einen Wärmetauscher erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der kalte Gasstrom auf einen Druck oberhalb des Umgebungsdrucks verdichtet wird, bevor die Einleitung des kalten Gasstroms in den mindestens einen Wärmetauscher erfolgt.
PCT/EP2021/075844 2020-10-09 2021-09-21 Verfahren zum erzeugen von roheisen in einem schachtofen WO2022073751A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/030,553 US20240018615A1 (en) 2020-10-09 2021-09-21 Method for producing pig iron in a shaft furnace
JP2023521385A JP2023544805A (ja) 2020-10-09 2021-09-21 シャフト炉における銑鉄の製造方法
EP21785789.5A EP4225954A1 (de) 2020-10-09 2021-09-21 Verfahren zum erzeugen von roheisen in einem schachtofen
CN202180069032.5A CN116323983A (zh) 2020-10-09 2021-09-21 在竖炉中生产生铁的方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020212806.5A DE102020212806A1 (de) 2020-10-09 2020-10-09 Verfahren zum Erzeugen von Roheisen in einem Schachtofen
DE102020212806.5 2020-10-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022073751A1 true WO2022073751A1 (de) 2022-04-14

Family

ID=78049192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/075844 WO2022073751A1 (de) 2020-10-09 2021-09-21 Verfahren zum erzeugen von roheisen in einem schachtofen

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240018615A1 (de)
EP (1) EP4225954A1 (de)
JP (1) JP2023544805A (de)
CN (1) CN116323983A (de)
DE (1) DE102020212806A1 (de)
WO (1) WO2022073751A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023105805A1 (de) 2023-03-09 2024-09-12 Hochschule Hamm-Lippstadt, Körperschaft des öffentlichen Rechts Verfahren zur Herstellung von Stahl mit reduzierter Kohlendioxidfreisetzung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2459814B1 (de) * 1974-12-18 1976-04-22 Thyssen Purofer Gmbh Anlage fuer die direktreduktion von eisenerzen
CN101871026A (zh) 2010-06-12 2010-10-27 郑州豫兴耐火材料有限公司 向高炉喷吹二氧化碳的方法
GB2509121A (en) * 2012-12-21 2014-06-25 Siemens Plc Hot blast stoves where cold blast air has been passed through a heat exchanger
WO2019057930A1 (en) 2017-09-25 2019-03-28 Paul Wurth S.A. PROCESS FOR PRODUCING HOT SYNTHESIS GAS, ESPECIALLY FOR USE IN OPERATING A HIGH-STOVE

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011112909A1 (de) 2011-09-08 2013-03-14 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Stahl
EP2738268A1 (de) 2012-11-29 2014-06-04 Siemens VAI Metals Technologies GmbH Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden zu metallisiertem Material in einem Direktreduktionsprozess.

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2459814B1 (de) * 1974-12-18 1976-04-22 Thyssen Purofer Gmbh Anlage fuer die direktreduktion von eisenerzen
CN101871026A (zh) 2010-06-12 2010-10-27 郑州豫兴耐火材料有限公司 向高炉喷吹二氧化碳的方法
GB2509121A (en) * 2012-12-21 2014-06-25 Siemens Plc Hot blast stoves where cold blast air has been passed through a heat exchanger
WO2019057930A1 (en) 2017-09-25 2019-03-28 Paul Wurth S.A. PROCESS FOR PRODUCING HOT SYNTHESIS GAS, ESPECIALLY FOR USE IN OPERATING A HIGH-STOVE

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023544805A (ja) 2023-10-25
CN116323983A (zh) 2023-06-23
EP4225954A1 (de) 2023-08-16
DE102020212806A1 (de) 2022-04-14
US20240018615A1 (en) 2024-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AT507113B1 (de) Verfahren und anlage zur energie- und co2-emissionsoptimierten eisenerzeugung
EP0244551B1 (de) Integriertes Hüttenwerk
AT511892B1 (de) Verfahren zur aufbereitung von abgasen aus anlagen zur roheisenherstellung und/oder von synthesegas
WO2023030956A1 (de) Verfahren zur herstellung einer eisenschmelze
WO2022073751A1 (de) Verfahren zum erzeugen von roheisen in einem schachtofen
WO2022090390A1 (de) Stahlherstellung aus eisenschmelze
AT410324B (de) Verfahren und anlage zur metallerzeugung, vorzugsweise zur stahlerzeugung, aus feinkörnigem metalloxid
WO2023030944A1 (de) Verfahren zur herstellung einer eisenschmelze
DE102021112781A1 (de) Verfahren zum Herstellen von Stahl in einem integrierten Hüttenwerk
EP2609223B1 (de) Verfahren zur erhöhung der eindringtiefe eines sauerstoffstrahles
DE2710106B2 (de) Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen
WO1993020245A1 (de) Kombiniertes verfahren zur erzeugung von metallurgischem koks und eisenschwamm
DE19953298C2 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinsparung bei der Erzeugung von Eisen
DE19917128C1 (de) Roheisenerzeugung mit Sauerstoff und Kreislaufgas in einem koksbeheizten Schachtofen
DE102008059369B4 (de) Verfahren und Anlage zur Herstellung von Hüttensand
EP2324134B1 (de) Verfahren zur herstellung von hüttensand
EP4392587A1 (de) Verfahren zur herstellung einer manganhaltigen schmelze
DE19936935C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinsparung bei der Erzeugung von Roheisen
DE102023102815A1 (de) Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz
DE102008048779A1 (de) Schachtofen mit Gichtgasrückführung
DE1433305A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Reduktionsgas aus wasserstoffhaltigen Brennstoffen
DE1172701B (de) Gewinnung von Roheisen und Stahl aus Eisenerzen und eisenoxydhaltigen Abfallstoffen in einem Zweistufenverfahren
DE2348131A1 (de) Verfahren zum betreiben eines hochofens

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21785789

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023521385

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18030553

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021785789

Country of ref document: EP

Effective date: 20230509