Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Roheisenerzeugung in einem
mit sauerstoffangereichertem Heißwind oder technischem Sauerstoff und kohlenstoffhaltigen
Ersatzreduktionsmitteln betriebenen Hochofen, bei dem der Einsatz von Hochofenkoks
auf das für die Aufrechterhaltung der Durchströmbarkeit der Beschickungssäule theoretisch
notwendige Minimum abgesenkt wird.
Die Erfindung ist praktisch in allen Hochöfen anwendbar, in denen
durch Zuführung von Ersatzreduktionsmitteln die Einsparung von Hochofenkoks vorgesehen
ist.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Roheisenerzeugung
im Hochofen bekannt, bei denen zur Senkung des Koksverbrauches andere Reduktionsmittel,
die als Ersatzreduktionsmittel bezeichnet werden, zum Einsatz kommen.
Als solche Ersatzreduktionsmittel sind reduzierende Gase wie Erdgas,
Fraktionen aus der Erdöldestillation wie Heiz- und Schweröle, Braun- und Steinkohlenstäube,
aber auch bestimmte heizwertreiche Fraktionen aus der Abfallaufbereitung sowie plastereiche
Fraktionen der Altautoverwertung bekannt.
Aus der umfangreichen Literatur sei auf die Übersichtsarbeiten von
Peters und Schmöle, „Einblasen von Ersatzreduktionsmitteln in den Hochofen
– Auswirkungen auf Metallurgie und Kosten", Stahl und Eisen 122 (2002), Nr.
4, S. 43 – 50, verwiesen. In dieser Ausarbeitung wird über die Wirkungsweise
praktisch aller infrage kommenden Ersatzreduktionsmittel berichtet. So wird insbesondere
gezeigt, wie mit zunehmender Einblasrate die Formengastemperatur sinkt, was letztlich
auch die Höhe der Einblasrate begrenzt. Durch Erhöhung des Sauerstoffanteiles im
Heißwind und/oder der Heißwindtemperatur kann die Formengastemperatur in bestimmten
Grenzen in dem für den jeweiligen Hochofenbetrieb günstigen Temperaturbereich gehalten
werden. Die Höhe der Einblasrate wird letztlich sowohl durch betriebstechnische
wie auch durch wirtschaftliche Faktoren begrenzt. An die verschiedentlich als Ersatzreduktionsmittel
eingesetzten Reststoffe werden dabei konkrete Anforderungen gestellt, die von Buchwalder
et al. in Stahl und Eisen 123 (2003), Nr. 1, S. 29 – 37 definiert werden.
Weiterhin ist bekannt, von CO2 befreites Gichtgas als Ersatzreduktionsmittel
in den Hochofen zurückzuführen und über die Blasformen im Gestell oder über zusätzliche
Blasformen in der Rast bzw. im unteren Schacht einzublasen. Nachteilig ist dabei,
dass zur Erreichung der geforderten Formengastemperaturen ein Teil des im Reduktionsgas
vorhandenen CO + H2 mit dem gleichfalls zugeführten Sauerstoff in den
Blasformen zu CO2 und H2O verbrannt werden muss. Dadurch wird
einerseits das Reduktionspotential erheblich geschmälert, andererseits reagieren
CO2 und H2O mit dem Kokskohlenstoff endotherm zu CO und H2,
wodurch die Temperatur gleichfalls abgesenkt wird, was die Zufuhr von Ersatzreduktionsmitteln
begrenzt. Dieser Nachteil soll durch verschiedene Lösungsvorschläge vermieden oder
zumindest begrenzt werden. Minshang Qiu u. a. schlagen deshalb eine indirekte Aufheizung
auf 900 ° in Wärmetauschern vor, siehe Ironmaking and Steelmaking 15 (1988)
6, S. 287 – 292 „Blast furnace operation with full oxygen blast", was
einen erheblichen materiellen Aufwand erfordert und gleichfalls zur Temperaturabsenkung
im Wirbelbereich führt.
Allen diesen Vorschlägen zur Zuführung von Ersatzreduktionsmitteln
in den Hochofen haftet der Nachteil an, dass sie durch ihre niedrigen Vergasungstemperaturen
in der Wirbelzone und durch die endotherme Reaktion des dabei gebildeten CO2
und H2O mit dem Kokskohlenstoff auch bei Aufheizung und erhöhtem Sauerstoffeinsatz
direkt zur Absenkung der Formengastemperatur führen, wodurch kein maximaler Einsatz
von Ersatzreduktionsmitteln möglich ist. Als Beispiel seien die Temperaturen des
Reduktionsgases aufgeführt, die bei stöchiometrischem Umsatz von Ersatzreduktionsmitteln
mit Sauerstoff ohne Vorwärmung zu CO und H2, also ohne CO2-
und H2O-Bildung, entstehen:
Demgegenüber beträgt die geforderte Formengastemperatur z.B. 2200
°C. Mit diesen Ersatzreduktionsmitteln kann deshalb die gewünschte Zielstellung
nicht erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Roheisenerzeugung
im Hochofen bei gleichzeitigem Einsatz von Ersatzreduktionsmitteln zu realisieren,
bei dem ein minimierter Koksverbrauch erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Ersatzreduktionsmittel
kohlenstoffreiche und wasserstoffarme Stoffe eingesetzt werden, die gemeinsam mit
Sauerstoff oder sauerstoffangereichertem Heißwind exotherm und nach folgender Gleichung
reagieren:
CxHy + x/2 O2 ⇌ xCO + y/2 H2
+ Energie,
wobei die Temperatur dieses CO-reichen, H2-armen Gases auf Grund der
Exothermie der Reaktion Werte ≥ 2200 °C erreicht. Solche Temperaturen, die
gleichzeitig die gewünschte Formengastemperatur darstellen, werden erreicht, wenn
das C/H-Verhältnis des Ersatzreduktionsmittels > 20:1. vorzugsweise > 40:1 ist.
Solche Ersatzreduktionsmittel sind vorzugsweise aus C/H-haltigen Materialien
mit hohem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen durch thermische Vorbehandlung herstellbar.
Beispiele sind die Herstellung von Petrolkoksen durch Pyrolyse schwerer Erdölrückstände
oder die Herstellung von Schwelkoksen aus Braunkohlen oder aus Steinkohlen mit hohem
Gehalt an flüchtigen Bestandteilen oder auch aus Biomassen. Solche Produkte weisen
unter den o. g. Bedingungen folgende Ergebnisse aus:
Ähnliche Werte sind erreichbar, wenn anstelle von Sauerstoff auf beispielsweise
1100 °C vorgewärmter und mit Sauerstoff angereicherter Heißwind zum Einsatz
kommt. Damit besteht die Möglichkeit, das Verfahren auch in unter üblichen Bedingungen
betriebenen Hochöfen anzuwenden, indem zum Heißwind bestimmte Mengen an Sauerstoff
zugeführt werden. Die kohlenstoffhaltigen Ersatzreduktionsmittel müssen auf Korngrößen
< 500 &mgr;m, vorzugsweise auf < 200 &mgr;m aufgemahlen werden. Der Einsatz hochinkohlter
Kohlen wie Magerkohlen oder Anthrazite, die ähnliche C/H-Verhältnisse wie die Schwelkokse
aufweisen, ist wegen ihrer geringen Reaktionsfähigkeit problematisch. Sie werden
bei der kurzen Aufenthaltszeit im Blasformbereich nicht vollständig umgesetzt und
können zu Durchströmungsschwierigkeiten im Schacht führen.
Die bei der thermischen Behandlung entstehenden flüchtigen Produkte,
die aus Gasen und kondensierbaren Ölen bestehen, können zusätzlich zu gasförmigen
Reduktionsmitteln aufgearbeitet in die Rast des Hochofens eingeführt oder anderweitig
verwendet werden.
Liegt die Temperatur des Gases aus dem Umsatz der hochkohlenstoffhaltigen
Ersatzreduktionsmittel mit Sauerstoff oder sauerstoffangereichertem Heißwind über
der gewünschten Formengastemperatur von 2200 °C, so können zur Anpassung der
Gastemperatur auf die gewünschte Formengastemperatur zusätzliche, endotherm reagierende
Ersatzreduktionsmittel zugeführt werden.
Die Erfindung wird an nachfolgenden Beispielen erläutert, bei denen
hochkohlenstoffhaltiger Braunkohlenschwelkoks und von CO2-befreigtes,
rückgeführtes Gichtgas über die Blasformen im Gestell des Hochofens zugeführt werden.
Der Hochofen zeichnet sich zunächst durch folgende Parameter aus:
Roheisenproduktion60 t/hVerbrauch an Hochofenkoks432 kg/t Roheisen (RE)Oeleinsatz2 kg/t REKunststoffeinsatz68 kg/t RESauerstoff38 Nm3/t REBlasformtemperatur2200 °CGichtgas1820 Nm3/t REdavon438 Nm3/t RE für Cowperheizung 1382 Nm3/t
RE für Export
Nach Absenkung des Hochofenkokseinsatzes sowie der anderen Ersatzreduktionsmittel
und Substitutionen durch Braunkohlenschwelkoks und rückgeführtes, von CO2
befreites Gichtgas ergeben sich bei Einsatz von Sauerstoff anstelle
von Heißwind folgende Werte bei gleicher Roheisenproduktion:
Hochofenkoksverbrauch210 kg/t REBraunkohlenschwelkoksstaub290 kg/t RESauerstoff gesamt403 Nm3/t REvon CO2 befreites Gichtgas250 Nm3/t RE
Die gesamte aus den Zusatzreduktionsmitteln Braunkohlenschwelkoksstaub
und rückgeführten, von CO2 befreiten Gichtgas erzeugte CO-Menge beträgt
800 Nm3/t RE. Davon kommen 490 Nm3 aus der Vergasung des Schwelkoksstaubes
und 310 Nm3/t RE aus rückgeführtem, von CO2 befreitem Gichtgas.
Die Blasformtemperatur wurde mit 2200 °C konstant gehalten. An Stelle des rückgeführten,
von CO2 befreiten Gichtgases können als Zusatzreduktionsmittel auch 2
kg Oel/t RE und 120 kg Kunst-stoffe/t RE eingesetzt werden.
Zur Erhöhung der Vorreduktion kann zusätzlich auf mindestens 900 °C
aufgeheiztes, von CO2 befreites Gichtgas im Bereich der Rast bzw. des
unteren Schachts in den Hochofen eingespeist werden. Dann verringert sich die Menge
an zugeführtem Braunkohlenschwelkoks entsprechend.
Unter den gleichen Bedingungen wie beschrieben, soll der Sauerstoff
durch sauerstoffangereicherten, auf 1100 °C aufgeheizten Heißwind ersetzt werden.
Dies schafft die Möglichkeit, bestehende Hochöfen auf den Einsatz von hochkohlenstoffhaltigen
Ersatzreduktionsmitteln und der Reduzierung des Hochofenkokses auf ca. 210 kg/t
RE umzustellen, ohne dass das Betriebsregime wesentlich verändert werden muss. Die
oben genannten 403 Nm3/t RE Sauerstoff werden durch 1440 Nm3/t
RE Heißwind ersetzt, dessen Sauerstoffgehalt auf 28 Vol% angereichert wurde.
Anspruch[de]
Verfahren zur Roheisenerzeugung in einem Hochofen mit niedrigem Koksverbrauch
unter Einsatz von hochkohlenstoffhaltigen Ersatzreduktionsmitteln, die gemeinsam
mit sauerstoffangereichertem Heißwind oder technischem Sauerstoff dem Hochofen über
die Blasformen im Gestell zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
die hochkohlenstoffhaltigen Ersatzreduktionsmittel ein Verhältnis von Masseprozent
Kohlenstoff zu Masseprozent Wasserstoff von > 20:1, vorzugsweise > 40:1 aufweisen
und die Relation der hochkohlenstoffhaltigen Ersatzreduktionsmittel zum sauerstoffangereicherten
Heißwind oder technischen Sauerstoff so gewählt werden, dass die Reaktionstemperatur
beim stöchiometrischen Umsatz der hochkohlenstoffhaltigen Ersatzreduktionsmittel
und dem sauerstoffangereicherten Heißwind oder technischen Sauerstoff zu Kohlenmonoxid
CO und Wasserstoff H2, also ohne dass in der Summenreaktion CO2
und H2O gebildet werden, im Bereich der auch ohne Zusatz von hochkohlenstoffhaltigen
Ersatzreduktionsmittel betriebsüblichen Formengastemperatur > 1800 °C, vorzugsweise
im Bereich von 2000-2200 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochkohlenstoffhaltigen
Ersatzreduktionsmittel durch Folgendes charakterisiert werden:
– Herstellung aus kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Einsatzstoffen durch
thermische Vorbehandlung bei Temperaturen zwischen 300 und 1200 °C, vorzugsweise
zwischen 400 und 600 °C, wobei solche Einsatzstoffe für die thermische Vorbehandlung
vorzugsweise Kohlen niedrigen Inkohlungsgrades, wie Braunkohlen oder Steinkohlen
mit hohem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, aber auch Kunststoffe oder Biobrennstoffe
oder bestimmte für die thermische Petrolkoks erzeugende Crackung geeignete Erdölfraktionen
sein können.
– Abtrennung des bei der thermischen Vorbehandlung entstehenden hochkohlenstoffhaltigen
Produkts von den bei der thermischen Vorbehandlung entstehenden Gasen, Ölen und
Teeren.
– Aufmahlung des bei der thermischen Vorbehandlung entstehenden hochkohlenstoffreichen
festen Produktes zu einem staubfeinen Material mit mittleren Korngrößen < 500 &mgr;m,
vorzugsweise < 200 &mgr;m.
– Zuführung des aus den bei der thermischen Vorbehandlung entstehenden hochkohlenstoffreichen
festen Produktes erzeugten staubfeinen Materials als festes Ersatzreduktionsmittel
über die Blasformen in das Gestell des Hochofens.
– Erzeugung eines wasserstoff- und kohlenmonoxidreichen Gases durch partielle
Oxidation der bei der thermischen Vorbehandlung der kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen
Einsatzstoffe entstehenden Gase, Öle und Teere gemeinsam oder in Teilen davon mit
sauerstoffangereichertem Heißwind oder technischem Sauerstoff bei Temperaturen zwischen
800 °C und 1200 °C, vorzugsweise zwischen 850 °C – 950 °C.
– Zuführung dieser aus der partiellen Oxidation der Gase, Öle und Teere erzeugten
heißen wasserstoff- und kohlenmonoxidreichen Gase über gesonderte Blasformen in
den Schacht bzw. die Rast und/oder über die Blasformen im Gestell des Hochofens.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bei
der thermischen Vorbehandlung der kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Einsatzstoffe
entstehenden Gase, Öle und Teere eine energetische oder andersartige Verwendung
finden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich
zu den über die Blasformenformen in das Gestell eingeführten hochkohlenstoffhaltigen
Ersatzreduktionsmitteln wasserstoff- und kohlenmonoxidreiche, z.B. aus rückgeführtem
Gichtgas erzeugte, 800 °C bis 1200 °C, vorzugsweise 850 °C – 950
°C heiße Gase über gesonderte Blasformen in den Schacht und/oder die Rast des
Hochofens eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich
zu den hochkohlenstoffhaltigen Ersatzreduktionsmitteln weitere feste, flüssige oder
gasförmige Ersatzreduktionsmittel über die Blasformen im Gestell des Hochofens zugeführt
werden.
