| Dokumentenidentifikation |
DE102004036767B4 24.11.2005 |
| Titel |
Verfahren zur Roheisenerzeugung in einem mit Sauerstoff und rückgeführtem, vom CO2 befreiten Gichtgas unter Zusatz von Kohlenwasserstoffen betriebenen Hochofen |
| Anmelder |
Scheidig, Klaus, Dr.-Ing., 07338 Kaulsdorf, DE;
Schingnitz, Manfred, Dr.-Ing., 09599 Freiberg, DE;
EKO Stahl GmbH, 15890 Eisenhüttenstadt, DE;
ThyssenKrupp Stahl AG, 47166 Duisburg, DE |
| Erfinder |
Scheidig, Klaus, Dr., 07338 Kaulsdorf, DE;
Schingnitz, Manfred, Dr., 09599 Freiberg, DE;
Buchwalder, Joachim, 15890 Eisenhüttenstadt, DE;
Schmöle, Peter, Dr., 44141 Dortmund, DE |
| DE-Anmeldedatum |
26.07.2004 |
| DE-Aktenzeichen |
102004036767 |
| Offenlegungstag |
03.03.2005 |
| Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
24.11.2005 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
24.11.2005 |
| IPC-Hauptklasse |
C21B 5/06
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| IPC-Nebenklasse |
C21C 5/06
C21B 7/16
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| Zusammenfassung |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Roheisenerzeugung in einem Hochofen, bei dem ein Reduktionsgas als Ersatzreduktionsmittel eingesetzt wird, das aus rückgeführtem, vom CO2 befreitem Gichtgas unter Zusatz von hochreaktiven Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff erzeugt wird und (CO2 + H2O)-Gehalte aufweist, die auf < 15 Vol.-%, vorzugsweise < 10 Vol.-% begrenzt, sind. Das Reduktionsgas wird in die Hochtemperaturzone im Gestell und/oder in die Rast bzw. in den unteren Schacht zugeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Roheisenerzeugung im Hochofen bei gleichzeitiger Rückführung von vollständig oder teilweise aus Gichtgas hergestelltem CO- und H2-reichem Reduktionsgas in den Hochofen zu realisieren, bei dem das Reduktionsgas auf die notwendigen Temperaturen von bis zu 1400°C, vorzugsweise 800 bis 1000°C, aufgeheizt wird, wobei der (CO2 + H2O)-Gehalt des Reduktionsgases auf < 15 Vol.-%, vorzugsweise auf < 10 Vol.-%, begrenzt wird. Die Begrenzung des (CO2 + H2O)-Gehaltes ist notwendig, um die erforderliche Reduktionsarbeit im Hochofen bei gleichzeitiger Senkung des Koksverbrauches leisten zu können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das den Hochofen verlassende Gichtgas einer CO2-Entfernung nach einem den Stand der Technik repräsentierenden adsorptiven oder absorptiven Verfahren unterzogen wird und dieses CO2-arme Gichtgas gemeinsam mit Sauerstoff und einem hochreaktiven Kohlenwasserstoff der ...
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Roheisenerzeugung in einem
Hochofen, bei dem ein Reduktionsgas als Ersatzreduktionsmittel eingesetzt wird,
das aus rückgeführtem, vom CO2 befreiten Gichtgas unter Zusatz von hochreaktiven
Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff erzeugt wird und (CO2 + H2O)-Gehalte
aufweist, die auf < 15 Vol-%, vorzugsweise < 10 Vol-% begrenzt sind. Das Reduktionsgas
wird in die Hochtemperaturzone im Gestell und/oder in die Rast bzw. in den unteren
Schacht zugeführt.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Roheisenerzeugung in
einem mit Sauerstoff und rückgeführtem Gichtgas betriebenen Hochofen bekannt. Hierzu
sind Blasformen im Gestell des Hochofens sowie zusätzliche Blasformen in der Rast
und/oder im unteren Schacht angeordnet. So wird in DE
37 02 875 C1 ein Verfahren beschrieben, bei dem aus Gichtgas gewonnenes
Reduktionsgas zusammen mit technischem Sauerstoff und Staubkohle durch Blasformen
in das Gestell und in die Rast des Hochofens eingeführt werden. Zur Temperaturregelung
wird den Blasformen im Gestell zusätzlich CO2 bzw. Wasserdampf zugeführt,
was sich nachteilig auf den Wärmehaushalt und damit auf den Koksverbrauch auswirkt.
Nachteilig sind aus dem gleichen Grund auch die CO2 –
bzw. Wasserdampfgehalte des in den Rastformen hergestellten Reduktionsgases, dessen
Temperatur und Menge mit den Verhältnissen von dem aus Gichtgas gewonnenen Reduktionsgas
zu Sauerstoff und zu Staubkohle eingestellt werden. Zur Erreichung der entsprechenden
Temperaturen wird nicht nur ein Teil der zugeführten Staubkohle, sondern auch ein
Teil des im Reduktionsgas vorhandenen CO + H2 mit dem zugeführten Sauerstoff
zu CO2 und H2O verbrannt, wodurch das Reduktionspotential
erheblich geschmälert wird.
Die in der DE 2 261 766 A
vorgeschlagene Zuführung von Heizöl bzw. Staubkohle besitzt ebenso wie die Verwendung
feinkörniger fester Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Kunststoffe, den Nachteil eines
erhöhten Wasserdampfbedarfes für die Vergasung. Der dabei nicht umgesetzte Anteil
dieses Wasserdampfbedarfes schmälert das Reduktionspotential. Wird andererseits
auf den Zusatz von Wasserdampf verzichtet, kommt es zu erheblicher Russbildung.
Weiterhin reagiert der eingesetzte Sauerstoff infolge der geringeren Reaktionsfähigkeit
der genannten Stoffe verstärkt mit den CO- und H2-Anteilen des CO2-armen
Gichtgases und setzt damit dessen Reduktionsfähigkeit zusätzlich herab.
Um diesen Nachteil zu umgehen, gibt es verschiedene Lösungsvorschläge.
So schlagen Minsheng Qin et.al. (Blast furnace operation with full oxygen blast.
Ironmaking and Steelmaking 1988. Vol. 15, No. 6, S. 287–292) die indirekte
Aufheizung auf 900°C in Wärmetauschern vor. In diesem Zustand wird das rückgeführte,
von CO2 befreite Gichtgas in die Rastformen eingeblasen. Mit diesem Verfahren
sind die Voraussetzungen dafür gegeben, dass mit dem Einbringen von heißem Reduktionsgas
die gewünschten Vorteile bei der Reduktionsarbeit im Hochofenschacht erzielt werden
können. Nachteilig sind der zusätzliche erforderliche Energiebedarf für die Reduktionsgaserhitzung
sowie der materielle Aufwand für die Hochtemperaturwärmetauscher.
Ein anderer Weg wird in der DE
1 939 354 A vorgeschlagen, indem das Reduktionsgas durch teilweises oder
vollständiges Umsetzen des CO2- und H2O-Anteiles eines aus
der Reduktionszone des Hochofens abgezogenen "Abgases" mit einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff
in einem gesonderten, beheizten Reaktionssystem zu erzeugen ist. Das so erhaltene
CO2- und H2O-arme Reduktionsgas soll heiß dem Hochofen zugeführt
werden. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Umsetzung der CO2- und H2O-Anteile
dieses Abgases mit dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Gegenwart der im Hochofenschacht
anwesenden Eisenoxide bzw. durch reduziertes Eisen katalytisch beschleunigt wird.
Die Nachteile bestehen in dem zusätzlichen Energiebedarf für die dabei im Hochofen
ablaufenden endothermen Reaktionen sowie im zusätzlich erforderlichen Energiebedarf
für die Gichtgaserhitzung und im materiellen Aufwand für die Hochtemperaturwärmetauscher.
Es wurde auch vorgeschlagen, das von CO2 befreite Gichtgas
eines mit technischem Sauerstoff betriebenen Hochofens durch partielle Oxidation
zu erhitzen und dem Hochofen als heißes Reduktionsgas zuzuführen (DE
2 261 766 A). Der Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, dass dadurch
die CO- und H2-Gehalte dieses Reduktionsgases verringert und somit sein
Reduktionspotential vermindert werden. Zusätzlich entstehen höhere (CO2
+ H2O)-Gehalte, wie der Vergleich am Ende der unten angegebenen Beispielrechnung
1 zeigt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Roheisenerzeugung im Hochofen bei gleichzeitiger Rückführung von vollständig oder
teilweise aus Gichtgas hergestelltem CO2- und H2O-armem Reduktionsgas
in den Hochofen zu realisieren, bei dem das Reduktionsgas auf die notwendigen Temperaturen
von bis zu 1400°C, vorzugsweise 800 bis 1000°C, aufgeheizt wird, ohne einen
Teil des CO- und H2-Anteiles des Reduktionsgases für die Aufheizung zu
verbrennen und ohne eine materiell aufwendige indirekte Aufheizung des Reduktionsgases
bis auf die gewünschte Temperatur für die Zuführung in den Hochofen betreiben zu
müssen. Dabei soll der (CO2 + H2O)-Gehalt des Reduktionsgases
< 15 Vol-%, vorzugsweise < 10 Vol-% sein, um die notwendige Reduktionsarbeit bei
gleichzeitiger Senkung des Koksverbrauchs leisten zu können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das den Hochofen
verlassende Gichtgas einer CO2-Entfernung nach einem den Stand der Technik
repräsentierenden adsorptiven oder absorptiven Verfahren unterzogen wird und dieses
CO2-arme Gichtgas gemeinsam mit Sauerstoff und einem hochreaktiven Kohlenwasserstoff,
der aus leichteren gasförmigen und/oder flüssigen Kohlenwasserstoffen besteht, der
Vergasung nach dem Prinzip der partiellen autothermen Oxidation unterworfen wird.
Dabei wird die Wärme für die Aufheizung des gebildeten (CO2 + H2O)-armen
Reduktionsgases auf die für die Zuführung zum Hochofen gewünschte Temperatur von
bis zu 1400°C, vorzugsweise 800 bis 1000°C, aus der Exothermie der Reaktionen
CnHm + n/2 O2 = nCO + m/2 H2 +
Q1(1)
CnHm + (n + m/2) O2 = nCO2 + m/2H2O
+ Q2(2)
gedeckt. Dabei wird die Reaktion (2) durch die Höhe der Sauerstoffzuführung so begrenzt,
dass sich der (CO2 + H2O)-Gehalt auf < 15 Vol-%, vorzugsweise
< 10 Vol-% einstellt.
Als hochreaktive Kohlenwasserstoffe für die Aufheizung des Reduktionsgases
werden vorteilhafterweise solche verstanden, deren Moleküle weniger als 16 C-Atome
aufweisen, wie z.B. die kohlenwasserstoffhaltigen Gase Methan, Äthan, Propan, Butan
oder ihre Mischungen sowie flüssige Kohlenwasserstoffe aus dem Bereich der Flüssiggase
sowie der Benzin-, Kerosin- und Dieselfraktion. Das (CO2 + H2O)-arme
Reduktionsgas kann sowohl in das Gestell, in die Rast bzw. in den unteren Schacht
als auch simultan in mehrere oder alle der genannten Einblasebenen dem Hochofen
zugeführt werden.
Die Erzeugung des (CO2 + H2O)-armen Reduktionsgases
aus CO2-armem Gichtgas, Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff kann dabei
sowohl in den Blasformen des Gestells, der Rast bzw. des unteren Schachts selbst
oder in separaten außerhalb des Hochofens angeordneten Einrichtungen erfolgen. Sowohl
das aus dem Gichtgas gewonnene CO2-arme Reduktionsgas als auch die Kohlenwasserstoffe
können wahlweise durch indirekte Aufheizung auf vorzugsweise 200–600°C
vorgewärmt werden, was zur Verringerung des Bedarfs an Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen
wie auch zu geringeren CO2- und H2O-Gehalten im Reduktionsgas
führt. Die Begrenzung auf diese Vorwärmtemperaturen ist sinnvoll, weil bis in diesem
Temperaturbereich einfache metallische Rekuperatoren eingesetzt werden können.
Die Erfindung soll an nachfolgenden zwei Beispielen erläutert werden,
wobei als Kohlenwasserstoff Methan ausgewählt wurde.
Beispiel 1
Es besteht die Absicht, in einem konventionell betriebenen Hochofen
die Koksmenge pro Tonne Roheisen zu reduzieren, indem Sauerstoff anstelle von sauerstoffangereichertem
Heißwind eingesetzt wird und ein Teil des Gichtgases nach Entfernung des CO2
aufgeheizt und als Ersatzreduktionsmittel den Blasformen im Gestell und den Blasformen
in einer zweiten Einblasebene im unteren Schacht wieder zugeführt wird.
Der Betrieb des konventionellen Hochofens wird durch folgende Parameter
gekennzeichnet:
Roheisenproduktion
60 t/h
Koksverbrauch
432 kg/t RE
Öleinsatz
2 kg/t RE
Kunststoffeinsatz
68 kg/t RE
Heißwind
1180 Nm3/t RE
Sauerstoffzusatz
38 Nm3/t RE
Gichtgas
1820 Nm3/t RE
davon
438 Nm3/t RE für Cowper
1382 Nm3/t RE für Export
Nach der Umstellung auf den Sauerstoffbetrieb ergeben sich, bezogen
auf die gleiche Roheisenproduktion und bei sonst gleichen Zusatzreduktionsmitteln,
folgende Werte für Koksverbrauch und Gichtgaszusammensetzung bzw. -menge:
Koksverbrauch
299 kg/t RE
Oeleinsatz
2 kg/t RE
Kunststoffeinsatz
68 kg/t RE
Sauerstoff in Windformen
209 Nm3/t RE
(CO2 + H2O)-armes Reduktionsgas
698 Nm3/t RE
Gichtgas
1490 Nm3/t RE
Gichtgasanalyse(tr):
CO
55,1 Vol-%
CO2
35,9 Vol-%
H2
6,2 Vol-%
N2
2,8 Vol-%
Zur Erzeugung des (CO2 + H2O)-armen Reduktionsgases
wird ein Teil des Gichtgases einer CO2-Entfernung durch eine Monoäthanolaminwäsche
(MEA-Wäsche) unterzogen, wodurch dieses für die Rückführung in den Hochofen vorgesehene
Gas folgende Zusammensetzung erfährt:
CO
83,4 Vol-%
CO2
3,0 Vol-%
H2
9,1 Vol-%
N2
4,5 Vol-%
Das Reduktionsgas wird mit 900°C sowohl dem unteren Schacht als
auch dem Gestell zugeführt. Um aufwendige Hochtemperaturwärmetauscher zu vermeiden,
erfolgt die Aufheizung durch die exotherme Reaktion der partiellen Oxidation von
Methan nach
CH4 + 0,5 O2 = CO + 2H2 + 1,58 MJ/Nm3
Zur Substitution von 133 kg des Hochofenkokses sind 698 Nm3/tRE
(CO2 + H2O)-armes Reduktionsgas mit einer Temperatur von 900°C
erforderlich. Zu seiner Erzeugung werden benötigt:
CO2-armes Gichtgas nach MEA-Wäsche :
490,0 Nm3/tRE
CH4:
72,1 Nm3/tRE
O2:
66,5 Nm3/tRE
Zur Erzeugung des aus dem Gichtgas resultierenden Anteiles an (CO2
+ H2O)-armem Reduktionsgas von 490 Nm3/tRE werden 741,5 Nm3/tRE
Gichtgas der MEA-Wäsche zugeführt. Von der gesamten Gichtgasmenge von 1490 Nm3/tRE
stehen danach 1490,0 – 741,5 = 748,5 Nm3/tRE für den Export zur
Verfügung.
Das dem Hochofen zugeführte (CO2 + H2O)-arme
Reduktionsgas besitzt nach der Aufheizung durch die partielle Oxidation auf 900°C
folgende Zusammensetzung:
CO
63,0 Vol-%
CO2
6,7 Vol-%
H2
23,8 Vol-%
H2O
3,3 Vol-%
N2
3,2 Vol-%
Die reduzierenden Bestandteile CO + H2 betragen 86,8 Vol-%,
die oxidierenden Anteile CO2 + H2O liegen bei 10,0 Vol-%.
Würde die partielle Oxidation auf 900°C ohne Zusatz eines hochreaktiven
Kohlenwasserstoffs erfolgen, so muss unter sonst gleichen Bedingungen mit folgender
Gaszusammensetzung gerechnet werden:
CO
75.5 Vol-%
CO2
10.9 Vol-%
H2
5.2 Vol-%
H2O
3.9 Vol-%
N2
4.5 Vol-%
Die reduzierenden Bestandteile CO + H2 würden dann 80,7
Vol-%, die oxidierenden Anteile CO2 + H2O würden 14,8 Vol-%
betragen.
Beispiel 2
Der Hochofen wird unter den gleichen Bedingungen betrieben wie im
Beispiel 1 dargestellt. Zur Verminderung des Bedarfs an Sauerstoff und an Methan
wird das in der MEA-Wäsche vom CO2 befreite Gichtgas auf 400°C vorgewärmt.
Diese Vorwärmtemperatur wurde deshalb gewählt, weil bis zu dieser Temperatur problemlos
einfache metallische Rekuperatoren zur indirekten Wärmeübertragung eingesetzt werden
können. Zur Substitution von 133 kg des Hochofenkokses sind wegen des geringeren
(CO2 + H2O)-Gehaltes von 6,57 Vol-% gegenüber 10,0 Vol-% im
Beispiel 1 nur 636 Nm3/tRE Reduktionsgas mit nachfolgender Zusammensetzung
erforderlich:
CO
69,3 Vol-%
CO2
4,7 Vol-%
H2
20,7 Vol-%
H2O
1,8 Vol-%
N2
3,5 Vol-%
Zu seiner Erzeugung ebenfalls durch partielle Oxidation mit Sauerstoff
werden benötigt:
CO2-armes Gas nach MEA-Wäsche:
490 Nm3/tRE
CH4:
49 Nm3/tRE
O2:
46 Nm3/tRE
In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Hochofens und der
Verfügbarkeit weiterer Ersatzreduktionsmittel wird das auf 900 °C aufgeheizte
(CO2 + H2O)-armes Reduktionsgas gleichzeitig dem unteren Schacht
und dem Gestell oder nur dem unteren Schacht zugeführt.
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| Anspruch[de] |
- Verfahren zur Roheisenerzeugung in einem mit Sauerstoff und rückgeführtem,
vom CO2 befreiten Gichtgas unter Zusatz von Kohlenwasserstoffen betriebenen
Hochofen,
dadurch gekennzeichnet, dass
– das aus dem Hochofenprozeß rückgeführte Gichtgas einem absorptiven oder
adsorptiven Prozeß zur CO2-Entfernung unterzogen wird,
– das vom CO2 befreite Gichtgas gemeinsam mit Kohlenwasserstoffen
und Sauerstoff einer autothermen partiellen Oxidation unterzogen wird, wobei unter
Kohlenwasserstoffen solche verstanden werden, deren Moleküle weniger als 16 C-Atome
aufweisen, wie z.B. Kohlenwasserstoffgase, wie Methan, Äthan u.a., oder ihre Mischungen,
sowie flüssige Kohlenwasserstoffe aus dem Bereich der Flüssiggase sowie der Benzin-,
Kerosin- oder Dieselfraktion,
– die Relationen zwischen dem vom CO2 befreiten Gichtgas, den Kohlenwasserstoffen
und dem Sauerstoff so gewählt werden, dass das als Reduktionsgas genutzte Vergasungsgas
einen (CO2 + H2O)-Gehalt < 15 Vol-%, vorzugsweise < 10 Vol-%
besitzt und Temperaturen aufweist, die bis zu 1400 °C betragen können und vorzugsweise
zwischen 800 – 1000 °C liegen,
– das entstandene Vergasungsgas als (CO2 + H2O)-armes
Reduktionsgas mit Temperaturen von bis zu 1400 °C, vorzugsweise mit 800 –
1000°C, und einer (CO2 + H2O)-Konzentration < 15 Vol-%,
vorzugsweise < 10 Vol%, im Gestell oder in der Rast bzw. im unteren Schacht oder
simultan in mehreren oder allen der genannten Einblasebenen dem Hochofen zugeführt
wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der
Vergasung der Kohlenwasserstoffe und aus dem CO2-armen Gichtgas resultierende
heiße Reduktionsgas sowohl in den Blasformen des Gestells, der Rast bzw. des unteren
Schachts selbst oder in separaten, außerhalb des Hochofens angeordneten Einrichtungen
erzeugt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2-arme
Gichtgas und ggf. die Kohlenwasserstoffe auf bis zu 600 °C, vorzugsweise auf
200 bis 500°C rekuperativ oder regenerativ vorgeheizt werden, bevor der Umsatz
der Kohlenwasserstoffe mit technischem Sauerstoff vollzogen wird und die weitere
Aufheizung des (CO2- + H2O)-armen Reduktionsgases damit geschieht.
- Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch
die Blasformen im Gestell gleichzeitig andere, nicht vorgeheizte Ersatzreduktionsmittel
eingeblasen werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus
der Vergasung der Kohlenwasserstoffe und dem CO2-armen Gichtgas resultierende
heiße Reduktionsgas in die Rast bzw. in den unteren Schacht eingeblasen wird, während
den Windformen im Gestell weitere Ersatzreduktionsmittel zugeführt werden.
Es folgt kein Blatt Zeichnungen
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