WO2023030956A1 - Verfahren zur herstellung einer eisenschmelze - Google Patents

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WO2023030956A1
WO2023030956A1 PCT/EP2022/073421 EP2022073421W WO2023030956A1 WO 2023030956 A1 WO2023030956 A1 WO 2023030956A1 EP 2022073421 W EP2022073421 W EP 2022073421W WO 2023030956 A1 WO2023030956 A1 WO 2023030956A1
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iron
sponge iron
gas
temperature
furnace
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PCT/EP2022/073421
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Nils JÄGER
Daniel Schubert
Frank AHRENHOLD
Matthias Weinberg
Roswitha Becker
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Thyssenkrupp Steel Europe Ag
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Publication date
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    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
    • C21C5/527—Charging of the electric furnace

Definitions

  • the invention relates to a method for producing molten iron, comprising the steps: reducing iron ore to form sponge iron, melting the sponge iron to form molten iron in an electric furnace.
  • HDRI hot DRI
  • the object of the present invention is to further develop the method with which the energy required for melting the sponge iron in the electric furnace is further reduced and both costs and emissions are lowered, and load peaks can also be avoided.
  • a method for producing molten iron comprising the steps: - reducing iron ore to sponge iron, - melting the sponge iron in an electric furnace, the sponge iron being heated to a temperature of at least 801° C. outside the electric furnace before melting .
  • the molten iron is essentially produced from the sponge iron in the electric furnace.
  • additives or additives in particular in the form of scrap, lime, gravel, etc., can also be fed to the electric furnace.
  • other additives can also be added in order to be able to achieve the desired target composition of the molten iron.
  • the other elements can be added deliberately, almost intentionally, as alloying elements, or they can be introduced as unwanted elements, more or less as impurities caused by melting or production.
  • the production of sponge iron essentially comprises the reduction of the iron ore to sponge iron and is carried out in one or more reduction zone(s) with a suitable hot reducing gas.
  • the reducing gas essentially comprises compounds of carbon and hydrogen (e.g. CH 4 ), compounds of carbon and oxygen (e.g. CO) and/or hydrogen (H 2 ) which is heated to temperatures in the range of 500°C to 1200°C .
  • the reducing gas is heated in one (or more) gas heaters to the required temperature in order to bring about the reduction of the iron ore.
  • the reducing gas can have methane (CH 4 ) and/or hydrogen (H 2 ) as the main component or each consist of the individual components or a mixture thereof.
  • Natural gas (NG) which essentially comprises methane, can be used for this.
  • methane can also be produced from renewable raw materials, for example from biomass or biogas production, i.e. guasi biomethane.
  • Hydrogen can be generated in different ways, for example by reforming processes or water electrolysis. The industrial production of hydrogen is energy-intensive, so that renewable energies (wind, water, sun) are preferably used and/or CO 2 -reduced technologies such as nuclear energy and not or not exclusively using fossil energy.
  • the heating of the sponge iron outside of the electric furnace prior to melting to a temperature of at least 801 °C takes place in particular in an independent heating zone which is largely decoupled from the reduction zone, so that the hot use of sponge iron known from the prior art is virtually eliminated from the heat removed from the reduction zone and used for melting in an electric furnace.
  • the sponge iron can be heated in the heating zone by means of apparatus-based heating means (induction, radiation, etc.) or by feeding in a hot gas.
  • the energy required to melt the sponge iron can be further reduced, since the difference to the melting temperature, which depends on the carbon content in the sponge iron, can be derived, for example, from the iron-carbon diagram , is lower compared to conventional use.
  • the sponge iron can be heated outside the electric furnace to a temperature of at least 850° C., in particular at least 900° C., preferably at least 950° C., preferably at least 1000° C., before melting become.
  • the melting temperature of the sponge iron must not be exceeded during heating, so that the temperature does not exceed 1500° C., in particular a maximum of 1400° C., preferably 1300° should be C.
  • a carbon-containing gas is used for heating.
  • the carbon-containing gas can be carbon-oxygen-containing compounds Bonds (CO, C0 2 ) as the main component but also optionally contain hydrogen (H 2 ), in particular a mixture thereof.
  • the carbon-containing gas can contain parts or all of them, either individually or in combination, from metallurgical process gases, for example originating from at least one of the following aggregates: - electric furnace; - blast furnace; - coke oven; - direct reduction plant; - converter.
  • the melting is carried out in an electric reduction furnace.
  • Submerged Electric Arc Furnace are resistance arc heating furnaces that form electric arcs between the electrode and/or the charge or slag, or which heat the charge and/or slag using the Joule effect.
  • the electrode or electrodes if there are several
  • the submerged arc furnaces can be designed as alternating current arc reduction furnaces (SAFac) or direct current arc reduction furnaces (SAFdc).
  • SAFac alternating current arc reduction furnaces
  • SAFdc direct current arc reduction furnaces
  • the functional principle/mode of operation differs from that of the electric arc furnaces (EAF), which form electric arcs between the electrode and the metal. This includes the AC Arc Melter (EAFac), DC Arc Melter (EAFdc) and Ladle Furnace LF.
  • SAF submersible arc resistance
  • EAF direct arc action
  • the iron ore runs through a shaft furnace in a vertical direction.
  • the iron ore then passes through the shaft furnace in a vertical direction from top to bottom.
  • Such shaft furnaces allow a good flow of reducing gas through the iron ore due to the underlying chimney effect.
  • the reducing gas flows through the iron ore counter to a direction of movement of the iron ore.
  • the reduction zone is arranged above the heating zone in the shaft furnace, with the heating zone using a hot gas flows through.
  • the heating zone is part of the shaft furnace, it should be seen as an independent zone that is largely decoupled from the reduction zone.
  • the sponge iron in the lower part of the shaft furnace and thus inside the shaft furnace is preferably heated to a temperature of at least 801 °C.
  • reducing can take place in a reduction zone in the upper part of the shaft furnace and heating in a heating zone in the lower part of the shaft furnace.
  • the sponge iron is heated to a temperature of at least 801° C. in a separate reactor.
  • this separate reactor can also be decoupled in terms of apparatus as a heating zone from the shaft furnace as a reduction zone, which means that, for example, compared to an arrangement of the heating zone in the lower part of the shaft furnace, the sponge iron can be heated to higher temperatures, since the separate design does not necessarily affect the hot compressive strength of the sponge iron would have to be taken into account.
  • the hot compressive strength decreases with increasing temperature and could, for example due to the process, lead to uncontrolled sagging and/or caking (agglomeration) of the sponge iron when using the heating zone in the lower part of the shaft furnace due to the bulk of the iron ore in the reduction zone within the shaft furnace, so that the hot compressive strength should not fall below a certain threshold value.
  • the hot compressive strength measured in kg/cm 2 , depends on the composition and the size of the sponge iron and can be determined in the laboratory, for example based on DIN EN 993-5. In this way, the maximum temperature for the heating zone, which is arranged inside the shaft furnace, can also be determined.
  • the reduction of the iron ore can be carried out in one or more fluidized bed reactors.
  • a fluidized bed reactor a fine-grained solid bed is whirled up by the gas flowing in continuously from below via a gas distributor. This also enables efficient reaction between the gases and the solids.
  • the sponge iron can then be heated to a temperature of at least 801° C. in one or more downstream fluidized bed reactors.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention based on a schematic sketch
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment according to the invention using a schematic sketch.
  • the invention is explained using the example of a shaft furnace (10).
  • Iron ore (FeO) for example in pellet form comprising Fe 2 O 3 and/or Fe 3 O 4 and gangue, is introduced at the upper end of the shaft furnace (10).
  • a reduction zone (11) and, according to a first embodiment of the invention, a heating zone (12) are arranged in the lower part of the shaft furnace (10) and thus inside the shaft furnace (10), see Figure 1.
  • the reduction zone (11) is arranged above the heating zone (12).
  • the heating zone (12) can also be provided as a separate reactor outside the shaft furnace (10), see Figure 2.
  • the reducing gas (40) used for the reduction flows through the iron ore in the reduction zone (11) according to the countercurrent principle, thus counter to the direction of movement of the iron ore.
  • the reducing gas (40), which preferably contains hydrogen, is passed through a gas heater (30) before it is introduced and is heated to a temperature of up to 1200° C.
  • the hydrogen-containing reducing gas (40) comprises a fresh gas (FG), either natural gas (natural gas mixture with a high proportion of methane, CH 4 ), or hydrogen (H 2 ) or a mixture thereof.
  • FG fresh gas
  • natural gas natural gas mixture with a high proportion of methane, CH 4
  • hydrogen hydrogen
  • the use of biogenic gases is also conceivable, e.g. B. biomethane and / or biohydrogen.
  • the fresh gas (FG) can be mixed with a recycled, processed gas (RG), which is processed from the process gas (40) discharged from the reduction zone (11) of the shaft furnace (10).
  • the discharged product can compose process gas (40) from unused reducing gas from any gaseous reaction products.
  • the discharged process gas (40) can include hydrogen (H 2 ), at least one compound or mixture of carbon and oxygen (CO, CO 2 ) and/or at least one hydrogen-containing compound (H 2 0) and unavoidable impurities.
  • the discharged process gas (40) can be fed to a first process step, in which at least one compound or mixture of the process gas and/or at least parts of the unavoidable impurities are separated and/or separated, for example in a unit for process gas cleaning and dedusting, in which at least one Part of the unavoidable impurities are separated from the discharged process gas (40).
  • the process gas can be passed through a unit, for example through a condenser, and cooled accordingly, so that the water vapor (H 2 O) present in the process gas is condensed and thus separated from the process gas.
  • the process gas is "dehumidified" by condensing and discharging the condensate.
  • a part of the "dehumidified” process gas or the entire “dehumidified” process gas, shown in dashed lines, can be used as (partial) gas a) for firing the gas heater (30, 31). If not enough "dehumidified” process gas is available, a corresponding fuel gas is made available partially or completely to fire the gas heater (30, 31). If part of the "dehumidified” process gas or the complete “dehumidified” process gas is not provided for firing the gas heater (30, 31), carbon dioxide (CO 2 ) can be separated from the "dehumidified” process gas in a further process step, if present, for example in a washer.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the process gas which has been freed from carbon dioxide can be used partially or completely, represented by dashed lines, as (partial) gas b) for firing the gas heater (30, 31). If not enough (partial) gas b) is available, a corresponding fuel gas is made available in part or in full to fire the gas heater (30, 31).
  • the process gas freed from carbon dioxide or recycled processed gas (RG) can additionally or alternatively be fed back into a further process step of the direct reduction by being mixed with the fresh gas (NG), in particular before the mixture in the gas heater (30) on a temperature between 500 and 1200 °C.
  • the hot reduction gas (41) can also be supplied with oxygen (O 2 ) in order to increase the reactivity of the hydrogen-containing reduction gas (41) in the reduction zone (11) and thus the heat input.
  • the reduced iron ore After leaving the reduction zone (11), the reduced iron ore enters the heating zone (12) as sponge iron (Fe).
  • the reduced iron ore can have a temperature in the range from 500 to 800°C.
  • a hot gas (42) flows through the sponge iron in the heating zone (12) counter to the direction of movement of the sponge iron.
  • the preferably carbon-containing gas is passed through a gas heater (31) and heated to a temperature of at least up to 801°C.
  • the hot gas (42) can also be supplied with oxygen (O 2 ) in order to increase the reactivity of the carbon-containing gas (42) in the heating zone (12) and thus the heat input.
  • Unused gas exits again as process gas (43) together with any gaseous reaction products.
  • the sponge iron heated with the preferably carbon-containing gas can be removed as carburized sponge iron (Fe 3 C) at the exit of the heating zone (12) and fed to an electric furnace, preferably an electric reduction furnace (20).
  • the hot sponge iron (Fe) with the gangue or hot carburized sponge iron (Fe 3 C) with the gangue is melted into a liquid metallic and a liquid oxidic phase, with the difference being up to the melting temperature of the sponge iron is smaller compared to the prior art and thus the required electrical energy is lower.
  • the melting is carried out in a reducing atmosphere.
  • additives or aggregates (X) can be introduced, depending on the desired composition of the iron melt (Fe, lig) to be produced.
  • the electric reduction furnace (20) is particularly preferably designed as a melting furnace with arc resistance heating of the SAF type.
  • This includes, for example, three electrodes (not shown), which are operated in particular with alternating current and are immersed in the charge consisting of additives and sponge iron.
  • a layer of slag forms on top of the melt.
  • the electrodes can continue to protrude into the slag in order to maintain the melting operation through resistance heating and to avoid solidification. This heating is thus transferred from the slag layer to the melt.
  • the electrodes, not shown, can be designed as so-called Söderberg electrodes.
  • the particularly preferred mode of operation for the direct reduction of iron ore (FeO) to sponge iron (Fe) provides hydrogen (H 2 ) and/or natural gas (CH 4 ) as fresh gas (FG) and thus as a hydrogen-containing reducing gas (41) which, for example, cannot be mixed with a reformed gas (RG) and, after heating to a temperature between 500 and 1200 °C, is introduced into the reduction zone (11) of the shaft furnace (10).
  • carbon-containing gas is used as carbon-oxygen-containing compounds (CO, CO 2 ) as the main component, which can optionally be mixed with proportions of hydrogen (H 2 ), after heating to a temperature of at least 801 °C introduced as hot gas (42) into the heating zone (12).
  • the carbon-containing gas can be provided as a metallurgical process gas.
  • the process gas (40) discharged from the shaft furnace (10) above the reduction zone (11) can, as shown in FIGS. supplied, shown in dashed lines, and is not supplied to and mixed with the fresh gas (FG).
  • the invention can also be carried out in a cascade of fluidized bed reactors. At least one fluidized bed reactor forms a reduction zone and at least one further fluidized bed reactor in the cascade forms a heating zone.
  • the iron ore would pass through a first eddy current reactor, possibly also a second fluidized bed reactor, gradually converting it into sponge iron.
  • the sponge iron is heated to a temperature of at least 801 °C.
  • the principle essentially corresponds to that of a shaft furnace, but distributed over several fluidized bed reactors instead of one shaft.
  • the number of fluidized bed reactors can be interconnected as required.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze, umfassend die Schritte: - Reduzieren von Eisenerz zu Eisenschwamm, - Erschmelzen des Eisenschwamms zu einer Eisenschmelze in einem Elektroofen. Erfindungsgemäß wird der Eisenschwamm außerhalb des Elektroofens vor dem Erschmelzen auf eine Temperatur von mindestens 801 °C erwärmt.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze, umfassend die Schritte: - Reduzieren von Eisenerz zu Eisenschwamm, - Erschmelzen des Eisenschwamms zu einer Eisenschmelze in einem Elektroofen.
Beim Direktreduktionsverfahren findet eine Feststoffreaktion statt, bei der Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt wird. Hierzu werden vergaste Kohle und/oder Erdgas bzw. kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen sowie Mischungen aus den genannten Einsatzstoffen, insbesondere mit Wasserstoff und/oder Verbindungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff als Reduktiongas verwendet. Der Trend in letzter Zeit geht dahin, dass häufiger auch Wasserstoff als Reduktionsgas vorgeschlagen wird. Die Reaktion findet unterhalb des Schmelzpunktes des Eisenerzes im festen Zustand statt, sodass insbesondere die innere Form im Weitesten Sinne unverändert bleibt. Bei der Reduktion des Eisenerzes hin zum metallischen Produkt wird im Grunde nur der im Erz befindliche Sauerstoff entfernt. Da es bei der Entfernung von Sauerstoff zu einer Gewichtsreduktion von etwa 1/4 bis 1/3 kommt, ergibt sich eine wabenförmige Mikrostruktur des Reaktionsproduktes (festes poröses Eisen mit vielen luftgefüllten Zwischenräumen). Daher wird das direktreduzierte Eisen („direct reduced iron“) häufig auch als Eisenschwamm („sponge iron“) bezeichnet.
Es ist ferner bekannt, Eisenschwamm im warmen Zustand aus dem Reduktionsprozess zu entnehmen, als sogenanntes hot DRI (HDRI), und einem Elektroofen zum Erschmelzen des warmen Eisenschwamms zuzuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren weiterzuentwickeln, mit welchem die zum Erschmelzen des Eisenschwamms benötigte Energie im Elektroofen weiter reduziert und sowohl Kosten als auch Emissionen gesenkt, sowie des Weiteren Lastspitzen vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze, umfassend die Schritte: - Reduzieren von Eisenerz zu Eisenschwamm, - Erschmelzen des Eisenschwamms in einem Elektroofen, wobei der Eisenschwamm außerhalb des Elektroofens vor dem Erschmelzen auf eine Temperatur von mindestens 801 °C erwärmt wird. Die Eisenschmelze wird im Wesentlichen aus dem Eisenschwamm im Elektroofen erzeugt. Je nach Verwendung können dem Elektroofen auch Zusätze bzw. Zuschlagstoffe, insbesondere in Form von Schrott, Kalk, Kies etc. zugeführt werden. Bei Bedarf können auch weitere Zusätze zulegiert werden, um die gewünschte Zielzusammensetzung der Eisenschmelze erreichen zu können. Die weiteren Elemente können bewusst, guasi gezielt, als Legierungselemente zulegiert werden, oder aber als ungewollte Elemente, guasi als erschmelzungs- bzw. herstellungsbedingte Verunreinigung eingebracht werden.
Die Erzeugung von Eisenschwamm umfasst im Wesentlichen die Reduktion des Eisenerzes zu Eisenschwamm und wird in einer oder mehreren Reduktionszone(n) mit einem geeigneten heißen Reduktionsgas durchgeführt. Typischerweise umfasst das Reduktionsgas im Wesentlichen Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff (beispielsweise CH4), Verbindungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff (beispielsweise CO) und/oder Wasserstoff (H2), welche auf Temperaturen im Bereich von 500 °C bis 1200 °C erwärmt wird. Vor dem Einspeisen in die Redukti- onszone(n) wird das Reduktionsgas in einem (oder mehreren) Gaserwärmer auf die erforderliche Temperatur erwärmt, um die Reduktion des Eisenerzes zu bewirken.
Zum Reduzieren kann das Reduktionsgas Methan (CH4) und/oder Wasserstoff (H2) als Hauptbestandteil aufweisen oder jeweils aus den einzelnen Komponenten bzw. einer Mischung daraus bestehen. Dazu kann Erdgas (NG), welches im Wesentlichen Methan umfasst, verwendet werden. Alternativ, insbesondere um natürliche Ressourcen zu schonen und/oder den C02- Ausstoß in der gesamten betrachteten Prozesskette zu reduzieren, kann Methan auch aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden, beispielsweise aus Biomasse respektive Biogaserzeugung, somit guasi Biomethan. Wasserstoff kann unterschiedlich erzeugt werden, beispielsweise durch Reformierungsverfahren oder Wasser-Elektrolyse. Die industrielle Erzeugung von Wasserstoff ist energieintensiv, so dass bevorzugt erneuerbare Energien (Wind, Wasser, Sonne) zur Anwendung kommen und/oder CO2-reduzierte Technologien, wie zum Beispiel Kernenergie und nicht bzw. nicht ausschließlich mittels fossiler Energie.
Bei einem Einspeisen von (im Wesentlichen 100 %) Wasserstoff kann eine Einspeisung ohne insbesondere zusätzliche Beaufschlagung und somit Nachverbrennung mit Sauerstoff erfolgen, sprich, dass dadurch die vollständige Nutzung des Wasserstoffs für die Reduktion des Eisenerzes gewährleistet werden kann. Sehr hohe Wasserstoffanteile müssen nicht auf so hohe Prozesstemperaturen erwärmt werden, da die Reduktion des Eisenerzes, vgl. Baur- Glässner-Diagramm, bei niedrigen Temperaturen stattfinden kann. Bevorzugt kommen zum Reduzieren wasserstoffhaltige Reduktionsgase zur Anwendung, welche Kohlenstoff-Sauerstoff-haltige Anteile (CO, C02) im Wesentlichen ausschließen. Durch die Verwendung eines wasserstoffhaltigen Reduktionsgases kann die Reduktionsarbeit zum Austreiben von Sauerstoff aus dem Eisenerz effektiv verrichtet werden und insbesondere dadurch auch der Austrag von Kohlenstoffdioxid reduziert werden. Das wasserstoffhaltige Reduktionsgas kann weitere Bestandteile wie Wasserdampf und unvermeidbare Verunreinigungen, wie beispielsweise Schwefelverbindungen und/oder Stickstoff, enthalten.
Das Erwärmen des Eisenschwamms außerhalb des Elektroofens vor dem Erschmelzen auf eine Temperatur von mindestens 801 °C findet insbesondere in einer eigenständigen Erwärmungszone statt, welche weitestgehend von der Reduktionszone entkoppelt ist, so dass der aus dem Stand der Technik bekannte Heißeinsatz des Eisenschwamms guasi aus der Hitze der Reduktionszone entnommen und zum Erschmelzen in einem Elektroofen eingesetzt wird. Das Erwärmen des Eisenschwamms in der Erwärmungszone kann durch apparative Erwärmungsmittel (Induktion, Strahlung, etc.) oder durch Einspeisen eines heißen Gases erfolgen.
Durch das Erwärmen des Eisenschwamms auf eine Temperatur von mindestens 801 °C außerhalb des Elektroofens kann die benötigte Energie zum Erschmelzen des Eisenschwamms weiter reduziert, da die Differenz zur Schmelztemperatur, welche abhängig ist vom Kohlenstoffgehalt im Eisenschwamm, und beispielsweise aus dem Eisen-Kohlenstoffdiagramm ableitbar ist, im Vergleich zum konventionellen Einsatz geringer ist.
Um die Effizienz zu erhöhen, kann gemäß einer Ausführung des Verfahrens der Eisenschwamm außerhalb des Elektroofens vor dem Erschmelzen auf eine Temperatur von mindestens 850 °C, insbesondere von mindestens 900 °C, vorzugsweise von mindestens 950 °C, bevorzugt von mindestens 1000 °C erwärmt werden. Je höher die Temperatur des Eisenschwamms gewählt wird, umso besser die Reaktionskinetik des Eisenschwamms. Um ein unproblematisches Chargieren des heißen Eisenschwamms in den Elektroofen gewährleisten zu können und ein Aufschmelzen des Eisenschwamms zu vermeiden, darf die Schmelztemperatur des Eisenschwamms beim Erwärmen nicht überschritten werden, so dass die Temperatur maximal 1500 °C, insbesondere maximal 1400 °C, vorzugsweise 1300 °C betragen sollte.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Erwärmen ein kohlenstoffhaltiges Gas verwendet. Das kohlenstoffhaltige Gas kann Kohlenstoff-Sauerstoff-haltige Ver- bindungen (CO, C02) als Hauptbestandteil aber auch optional Anteile an Wasserstoff (H2), insbesondere eine Mischung daraus, enthalten. Dadurch kann neben der Erwärmung auf die gewünschte Erwärmungstemperatur des Eisenschwamms durch Durchströmung des Eisenschwamms auch effektiv Einfluss auf den Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms durch Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Eisenschwamm genommen werden, so dass der Eisenschwamm mit Kohlenstoff angereichert werden kann. Das kohlenstoffhaltige Gas kann Anteile oder insgesamt, entweder jeweils einzeln oder eine Kombination aus Hütten-Prozessgasen enthalten, beispielsweise aus mindestens einem der folgenden Aggregate stammend: - Elektroofen; - Hochofen; - Koksofen; - Direktreduktionsanlage; - Konverter.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Erschmelzen in einem Elektroreduktionsofen durchgeführt. Elektroreduktionsöfen (engl. Submerged Electric Arc Furnace, kurz: SAF) sind Schmelzöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung, die Lichtbögen zwischen der Elektrode und/oder der Charge oder der Schlacke bilden oder welche die Charge und/oder die Schlacke mittels Joule-Effekt erwärmen. Beim SAF ist die Elektrode (bzw. sind die Elektroden, wenn mehrere vorhanden sind) in die Charge und/oder Schlacke eingetaucht. Je nach Funkti- onsprinzip/Betriebsweise können die Elektroreduktionsöfen als Wechselstrom-Lichtbogen-Re- duktionsöfen (SAFac) oder Gleichstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFdc) ausgeführt sein. Hiervon weicht das Funktionsprinzip/Betriebsweise zu den Schmelzöfen mit direkter Lichtbogeneinwirkung (engl. Electric Arc Furnace EAF) ab, die Lichtbögen zwischen der Elektrode und dem Metall bilden. Dies umfasst den Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFac), den Gleichstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFdc) und den Pfannenofen (engl. Ladle Furnace LF).
Der Vorteil bei der Verwendung von Elektroreduktionsöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung (SAF) ist, dass diese mit einer reduzierenden Atmosphäre betrieben werden, wohingegen Schmelzöfen mit direkter Lichtbogeneinwirkung (EAF) mit einer oxidierenden Atmosphäre betrieben werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens durchläuft das Eisenerz einen Schachtofen in vertikaler Richtung. Das Eisenerz durchläuft dann den Schachtofen in vertikaler Richtung von oben nach unten. Derartige Schachtöfen ermöglichen eine gute Durchströmung des Eisenerzes mit Reduktionsgas aufgrund des zugrundeliegenden Kamineffektes. Insbesondere durchströmt das Reduktionsgas das Eisenerz entgegen einer Bewegungsrichtung des Eisenerzes. Bei einer besonderen Variante des Verfahrens ist die Reduktionszone oberhalb der Erwärmungszone im Schachtofen angeordnet, wobei die Erwärmungszone mit einem heißen Gas durchströmt wird. Die Erwärmungszone ist zwar Teil des Schachtofens aber doch als eigenständige, weitestgehend von der Reduktionszone entkoppelte Zone zu sehen. Dadurch wird bevorzugt der Eisenschwamm im unteren Teil des Schachtofens und somit innerhalb des Schachtofens auf die Temperatur von mindestens 801 °C erwärmt.
So kann bei Verwendung eines Schachtofens das Reduzieren in einer Reduktionszone im oberen Teil des Schachtofens und das Erwärmen in einer Erwärmungszone im unteren Teil des Schachtofens erfolgen.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Eisenschwamm auf die Temperatur von mindestens 801 °C in einem separaten Reaktor erwärmt. So kann dieser separate Reaktor insbesondere auch apparativ als Erwärmungszone vom Schachtofen als Reduktionszone entkoppelt werden, wodurch beispielsweise im Vergleich zu einer Anordnung der Erwärmungszone im unteren Teil des Schachtofens der Eisenschwamm auf höhere Temperaturen erwärmt werden kann, da bei der separaten Ausführung nicht unbedingt auf die Heißdruckfestigkeit des Eisenschwamms geachtet werden müsste. Die Heißdruckfestigkeit sinkt mit steigender Temperatur und könnte beispielsweise verfahrensbedingt bei der Verwendung der Erwärmungszone im unteren Teil des Schachtofens aufgrund der über der Erwärmungszone bestehenden Schüttung des Eisenerzes in der Reduktionszone innerhalb des Schachtofens zu einem unkontrollierten Absacken und/oder Verbacken (Agglomerieren) des Eisenschwamms führen, so dass ein gewisser Schwellwert der Heißdruckfestigkeit nicht unterschritten werden sollte. Die Heißdruckfestigkeit, gemessen in kg/cm2, hängt von der Zusammensetzung und der Größe des Eisenschwamms ab und kann im Labor ermittelt werden, beispielsweise in Anlehnung an die DIN EN 993-5. So kann auch die maximale Temperatur für die Erwärmungszone, welche innerhalb des Schachtofens angeordnet ist, bestimmt werden.
Gemäß einer alternativen Variante des Verfahrens kann das Reduzieren des Eisenerzes in einem oder mehreren Wirbelschichtreaktoren durchgeführt werden. In einem Wirbelschichtreaktor wird eine feinkörnige Feststoffaufschüttung durch das kontinuierlich über einen Gasverteiler von unten einströmende Gas aufgewirbelt. Dies ermöglicht gleichfalls eine effiziente Reaktion zwischen den Gasen und den Feststoffen. Anschließend kann der Eisenschwamm in einem oder mehreren nachfolgenden Wirbelschichtreaktoren auf die Temperatur von mindestens 801 °C erwärmt werden. 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.
Die Zeichnung zeigt in
Figur 1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel anhand einer schematischen Skizze und
Figur 2 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel anhand einer schematischen Skizze.
Die Erfindung wird am Beispiel eines Schachtofens (10) erläutert. Eisenerz (FeO), beispielsweise in Pelletform umfassend Fe2O3 und/oder Fe3O4 und Gangart, wird am oberen Ende des Schachtofens (10) eingebracht. Im Schachtofen (10) ist eine Reduktionszone (11) und gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Erwärmungszone (12) im unteren Teil des Schachtofens (10) und somit innerhalb des Schachtofens (10) angeordnet, s. Figur 1. Die Reduktionszone (11) ist dabei oberhalb der Erwärmungszone (12) angeordnet. Die Erwärmungszone (12) kann gemäß einer zweiten Ausführungsform auch als separater Reaktor außerhalb des Schachtofens (10) vorgesehen sein, s. Figur 2.
Das zum Reduzieren verwendete Reduktionsgas (40) durchströmt das Eisenerz in der Reduktionszone (11) im Gegenstromprinzip, somit entgegen der Bewegungsrichtung des Eisenerzes. Das vorzugsweise wasserstoffhaltige Reduktionsgas (40) wird vor dem Einschleusen durch einen Gaserwärmer (30) durchgeleitet und auf eine Temperatur von bis zu 1200 °C erwärmt. Das wasserstoffhaltige Reduktionsgas (40) umfasst ein Frischgas (FG), entweder Erdgas (natürliche Gasmischung mit einem hohen Anteil an Methan, CH4), oder Wasserstoff (H2) oder eine Mischung daraus. Auch der Einsatz von biogenen Gasen ist denkbar, wie z. B. Biomethan und/oder Biowasserstoff. Das Frischgas (FG) kann mit einem rezykliertem aufbereiteten Gas (RG), welches aus dem aus der Reduktionszone (11) des Schachtofens (10) ausgeschleusten Prozessgas (40) aufbereitet wird, gemischt werden. Dabei kann sich das ausgeschleuste Pro- zessgas (40) aus unverbrauchtem Reduktionsgas aus etwaigen gasförmigen Reaktionsprodukten zusammensetzen. Das ausgeschleuste Prozessgas (40) kann Wasserstoff (H2), mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff (CO, C02) und/oder mindestens eine wasserstoffhaltige Verbindung (H20) und unvermeidbare Verunreinigungen umfassen. Das ausgeschleuste Prozessgas (40) kann einem ersten Prozessschritt zugeführt werden, in welchem mindestens eine Verbindung oder Mischung des Prozessgases und/oder zumindest Teile der unvermeidbaren Verunreinigungen abgeschieden und/oder abgetrennt werden, beispielsweise in einer Einheit zur Prozessgasreinigung und Entstaubung, in welcher zumindest ein Teil der unvermeidbaren Verunreinigungen aus dem ausgeschleusten Prozessgas (40) abgetrennt werden. In einem weiteren Prozessschritt kann das Prozessgas durch eine Einheit durchgeleitet werden, beispielsweise durch einen Kondensator und entsprechend abgekühlt, so dass der im Prozessgas befindliche Wasserdampf (H20) kondensiert und somit vom Prozessgas abgetrennt wird. Durch das Kondensieren und Ableiten des Kondensats wird das Prozessgas „entfeuchtet“. Ein Teil des „entfeuchteten“ Prozessgases oder das vollständige „entfeuchtete“ Prozessgas, strichliniert dargestellt, kann als (Teil-)Gas a) zur Befeuerung des Gaserwärmers (30, 31) verwendet werden. Sollte nicht genug „entfeuchtetes“ Prozessgas zur Verfügung stehen, wird ein entsprechendes Brenngas zum Teil oder vollständig zur Befeuerung des Gaserwärmers (30, 31) bereitgestellt. Wird ein Teil des „entfeuchteten“ Prozessgases oder das vollständige „entfeuchtete“ Prozessgas nicht zur Befeuerung des Gaserwärmers (30, 31) bereitgestellt, kann aus dem „entfeuchteten“ Prozessgas in einem weiteren Prozessschritt, falls vorhanden, Kohlenstoffdioxid (CO2) abgeschieden werden, beispielsweise in einem Wäscher. Das von Kohlenstoffdioxid befreite Prozessgas kann zum Teil oder vollständig, strichliniert dargestellt, als (Teil-)Gas b) zur Befeuerung des Gaserwärmers (30, 31) verwendet werden. Sollte nicht genug (Teil-)Gas b) zur Verfügung stehen, wird ein entsprechendes Brenngas zum Teil oder vollständig zur Befeuerung des Gaserwärmers (30, 31) bereitgestellt. Das von Kohlenstoffdioxid befreite Prozessgas respektive rezyklierte aufbereitete Gas (RG) kann auch zusätzlich oder alternativ in einem weiteren Prozessschritt der Direktreduktion wieder zu geführt werden, indem es mit dem Frischgas (NG) gemischt wird, insbesondere bevor die Mischung im Gaserwärmer (30) auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C erwärmt wird. Optional, daher strichliniert dargestellt, kann dem heißen Reduktionsgas (41) zusätzlich Sauerstoff (O2) zugeführt werden, um das Reaktionsvermögen des wasserstoffhaltigen Reduktionsgases (41) in der Reduktionszone (11) und damit den Wärmeeintrag zu erhöhen. Nach dem Verlassen der Reduktionszone (11) tritt das reduzierte Eisenerz als Eisenschwamm (Fe) in die Erwärmungszone (12) ein. Dabei kann das reduzierte Eisenerz eine Temperatur im Bereich von 500 bis 800 °C aufweisen. Bevorzugt wird in der Erwärmungszone (12) wird der Eisenschwamm mit einem heißen Gas (42) entgegen der Bewegungsrichtung des Eisenschwamms durchströmt. Das vorzugsweise kohlenstoffhaltige Gas wird vor dem Einschleusen durch einen Gaserwärmer (31) durchgeleitet und auf eine Temperatur von mindestens bis zu 801 °C erwärmt. Optional, daher strichliniert dargestellt, kann dem heißen Gas (42) zusätzlich Sauerstoff (O2) zugeführt werden, um das Reaktionsvermögen des kohlenstoffhaltigen Gases (42) in der Erwärmungszone (12) und damit den Wärmeeintrag zu erhöhen. Unverbrauchtes Gas tritt zusammen mit etwaigen gasförmigen Reaktionsprodukten als Prozessgas (43) wieder aus. Der mit dem vorzugsweise kohlenstoffhaltigen Gas erwärmte Eisenschwamm kann als aufgekohlter Eisenschwamm (Fe3C) am Ausgang der Erwärmungszone (12) entnommen werden und einem Elektroofen, vorzugsweise einem Elektroreduktionsofen (20) zugeführt werden.
In dem Elektroreduktionsofen (20) wird der heiße Eisenschwamm (Fe) mit der Gangart bzw. heiße aufgekohlte Eisenschwamm (Fe3C) mit der Gangart beispielsweise zu einer flüssigen metallischen und einer flüssigen oxidischen Phase erschmolzen, wobei da die Differenz bis zur Schmelztemperatur des Eisenschwamms im Vergleich zum Stand der Technik kleiner ist und somit die benötigte elektrische Energie geringer ausfällt. Insbesondere wird das Erschmelzen in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt. Zusätzlich können Zusätze bzw. Zuschlagstoffe (X) eingebracht werden, je nach gewünschter Zusammensetzung der zu erzeugenden Eisenschmelze (Fe, lig). Der Elektroreduktionsofen (20) ist besonders bevorzugt als Schmelzofen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung des Typs SAF ausgeführt. Dieser umfasst beispielsweise drei nicht gezeigte Elektroden, welche insbesondere mit Wechselstrom betrieben werden und in die Charge bestehend aus Zusätzen und Eisenschwamm eintauchen. Im Zuge des Erschmelzens bildet sich auf der Schmelze eine Schicht aus Schlacke aus. Die Elektroden können weiterhin in die Schlacke hineinragen, um durch Widerstandserwärmung den Erschmelzungsbetrieb aufrecht zu halten und eine Erstarrung zu vermeiden. Diese Erwärmung wird somit von der Schlackeschicht auf die Schmelze übertragen. Die nicht dargestellten Elektroden können als sogenannte Söderberg-Elektroden ausgeführt sein.
Nicht dargestellt ist, wie die Eisenschmelze (Fe, lig) entnommen und einem Weiterverarbeitungsschritt zugeführt wird, beispielsweise einer sekundärmetallurgischen Bearbeitung. Die besonders bevorzugte Fahrweise zur Direktreduktion von Eisenerz (FeO) zu Eisenschwamm (Fe) sieht Wasserstoff (H2) und/oder Erdgas (CH4) als Frischgas (FG) und somit als wasserstoffhaltiges Reduktionsgas (41) vor, welches beispielsweise keine Mischung mit einem reformierten Gas (RG) erfährt und nach Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C in die Reduktionszone (11) des Schachtofens (10) eingeschleust wird. Zur Erwärmung des Eisenschwamms (Fe) wird kohlenstoffhaltiges Gas als Kohlenstoff-Sauerstoff-haltige Verbindungen (CO, CO2) als Hauptbestandteil, welches optional mit Anteilen an Wasserstoff (H2) gemischt sein kann, nach Erwärmung auf eine Temperatur von mindestens 801 °C als heißes Gas (42) in die Erwärmungszone (12) eingeschleust. Das kohlenstoffhaltige Gas kann als Hütten-Prozessgas bereitgestellt werden.
Das aus dem Schachtofen (10) oberhalb der Reduktionszone (11) ausgeschleuste Prozessgas (40) kann, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, nach seiner „Entfeuchtung“ vollständig als Brenngas (als Gas a)) dem Gaserwärmer (30, 31) zugeführt, strichliniert dargestellt, und wird nicht dem Frischgas (FG) zugeführt und mit diesem gemischt.
Alternativ und hier nicht dargestellt kann die Erfindung auch in einer Kaskade von Wirbelschichtreaktoren durchgeführt werden. Dabei bildet mindestens ein Wirbelschichtreaktor eine Reduktionszone und mindestens ein weiterer Wirbelschichtreaktor in der Kaskade eine Erwärmungszone. So würde das Eisenerz einen ersten Wirbelstromreaktor evtl, auch einen zweiten Wirbelschichtreaktor sukzessive durchlaufen und dabei schrittweise in Eisenschwamm umwandeln. In einem weiteren, beispielsweise letzten Wirbelschichtreaktor wird der Eisenschwamm auf die Temperatur von mindestens 801 °C erwärmt. Das Prinzip entspricht im Wesentlichen dem eines Schachtofens, jedoch auf mehrere Wirbelschichtreaktoren anstelle eines Schachtes verteilt. Die Anzahl der Wirbelschichtreaktoren kann je nach Bedarf zusammengeschaltet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze, umfassend die Schritte:
- Reduzieren von Eisenerz zu Eisenschwamm,
- Erschmelzen des Eisenschwamms zu einer Eisenschmelze in einem Elektroofen, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenschwamm außerhalb des Elektroofens vor dem Erschmelzen auf eine Temperatur von mindestens 801 °C erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Eisenschwamm außerhalb des Elektroofens vor dem Erschmelzen auf eine Temperatur von mindestens 900 °C erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Eisenschwamm außerhalb des Elektroofens vor dem Erschmelzen auf eine Temperatur von mindestens 1000 °C erwärmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei zum Reduzieren des Eisenerzes ein wasserstoffhaltiges Gas verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei zum Erwärmen des Eisenschwamms ein kohlenstoffhaltiges Gas verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Erschmelzen in einem Elektroreduktionsofen durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Eisenerz einen Schachtofen in vertikaler Richtung durchläuft.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Eisenschwamm im unteren Teil des Schachtofens und somit innerhalb des Schachtofens auf die Temperatur von mindestens 801 °C erwärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Eisenschwamm auf die Temperatur von mindestens 801 °C in einem separaten Reaktor erwärmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Reduzieren des Eisenerzes in einem oder mehreren Wirbelschichtreaktoren durchgeführt wird und anschließend der Eisenschwamm in einem oder mehreren Wirbelschichtreaktoren auf die Temperatur von mindestens 801 °C erwärmt wird.
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