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    公开号:WO1981001715A1
    申请号:PCT/T1980/000036
    申请日:1980-12-17
    公开日:1981-06-25
    发明作者:H Sulzbacher
    申请人:Voest Alpine Ag；H Sulzbacher；
    IPC主号:C21B13-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Reduzieren und
    [0002] Schmelzen von Metalloxyden und/oder vorreduzierten metallischen Materialien.
    [0003] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Reduzieren und Schmelzen eines Einsatzmaterials aus Metalloxyden, insbesondere Erzen, bzw. weitgehend vorreduzierten metallischen Materialien, insbesondere Fisenschwamm, gegebenenfalls mit Zuschlagstoffen wie Schlackenbildnern, Flußmitteln und Kohlenstoffträgem, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
    [0004] Neben der Stahlerzeugung durch an einen Hochofenprozeß angeschlossene Frischverfahren haben Direktreduktionsverfahren bereits große Bedeutung erlangt. Bei derartigen Direktreduktionsverfahren wird in der Regel in einem Schacht- oder Drehrohrofen Eisenschwamm gewonnen, welcher in der Folge durch Schmelzen und Legieren zu Stahl verarbeitet werden kann. Ein wesentlicher Vorteil der Direktreduktionsverfahren gegenüber dem Hochofenprozeß besteht darin, daß diese Verfahren nicht an hochwertige Brennstoffe als Energieträger, wie bei-spielsweise Koks, gebunden sind. Nachteilig bei der Aufarbeitung von Erzen durch Direktreduktionsverfahren ist jedoch der immer noch vergleichsweise größere Gesamtenergiebedarf gegenüber dem Hochofenprozeß mit nachgeschaltetem Frischverfahren. Den bekannten Schmelzreduktionsverfahren ist der Nachteil eigen, daß wegen der relativ niedrigen Teilverbrennungsenergie, welche bei der Verbrennung unter Kohlenstoffüberschuß entsteht, entweder nur Kohlen mit hohen Gehalten an Kohlenstoff und geringen Anteilen an Wasser und flüchtigen Bestandteilen eingesetzt werden können oder daß die fehlende Schmelz- und Reduktionswärme durch Zusatz von elektrischer Energie kompensiert werden muß.
    [0005] Eine weitere nachteilige Eigenheit dieser Prozesse liegt darin, daß die Abgase aus den Schmelzgefäßen mit Temperaturen zwischen 1000 und 1800°C austreten und bei der anschließenden Reinigung bzw. Verwertung einen großen apparativen Aufwand erfordern.
    [0006] Für die Erschmelzung und Endreduktion von stückigem Eisenschwamm in einem Schmelzgefäß kann so vorgegangen werden, daß Kohlenstaub und Sauerstoff teilverbrannt werden und die nötige Energie zum Schmelzen und Reduzieren liefern. Unvergaste Kohlepartikel dienen als Reduzent bzw. Kohlungsmittel. Das bei der Teilverbrennung bzw. bei der direkten Reduktion der restlichen Eisenoxyde entstehende Gas kann nach vorhergehender Reinigung und Kühlung in einem gesonderten Reduktionsschacht zur Erzeugung von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm) verwendet werden. Das metallisierte Produkt aus diesem Gasreduktionsaggregat soll einen sehr niedrigen Restsauerstoffgehalt haben und in das Schmelzgefäß mit einer Temperatur zwischen 750° und 850°C chargiert werden. Vorreduziertes Feinerz kann aber auch zusammen mit Kohlenstaub in ein Schmelzgefäß eingebracht werden, in welchem der Eisenträger aufgeschmolzen und die Restoxyde direkt reduziert werden. Das dabei entstehende CO- und H2-haltige Gas wird entweder beim Austritt aus dem Schmelzgefäß mit Sauerstoff zu C02 und H20 verbrannt oder es dient nach der Kühlung und Reinigung zur Vorreduktion des Fein- erzes in einer gesonderten Wirbelschichtanlage. Da bei diesen Prozessen entweder gar keine oder nur in geringfügigem Maß Schmelz- und Reduktionswärme aus der Verbrennung anfällt, ist es erforderlich, einen Großteil der notwendigen Energie über elektrischen Strom beizubringen. Erst durch dieses zusätzliche Energieeinbringen ist es möglich, die hohe Energiekonzentration welche bei diesen Verfahren notwendig ist, zu erzielen.
    [0007] Sämtliche Schmelzreduktionsprozesse haben einen wesentlich höheren Gesamtenergieverbrauch als das Hochofenverfahren, aber auch der Nettoenergiebedarf (nach Abzug der Gasgutschrift) lieg im Vergleich deutlich darüber, weil entweder der Anteil an direkter Reduktion höher oder weil die Ausnutzung der chemische und fühlbaren Wärme des Gases nicht so ideal wie bei der konser vativen Roheisentechnologie ist. Dazu kommt noch, daß fast in allen Fällen bei der Kohleverbrennung Probleme mit der Äsche gegeben sind, weil diese in relativ großen Mengen im Abgas vorkommt und bei den hohen Temperaturen zu erweichen beginnt.
    [0008] Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem auch minderwertige Brennstoffe eingesetzt werden können, und bei welchen die eingesetzte Energie in hohem Maße genützt werden kann. Gleich- zeitig sollen die bei der Verwendung von minderwertigen Brennstoffen größer werdende Abgasprobleme sicher beherrscht werden. Das Verfahren soll darüberhinaus auch für das Erschmelzen von hochschmelzenden Metallen bzw. Legierungen, wie beispielsweise FeMn, FeCr oder FeSi, sowie vorreduziertes Manganerz od.dgl., geeignet sein. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht' die Erfindung im wesentlichen darin, daß das Einsatzmaterial in einem Schmelzgefäß durch vollständige Verbrennung von Brennstoffen, insbesondere festen Brennstoffen wie Steinkohlen- oder Braunkohlenstaub über ihre Schmelztemeperatur erhitzt werden, daß den heißen Verbrennungsabgasen Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstaub, zugeführt wird, wobei die im wesentlichen aus C02 und H2O bestehenden heißen Verbrennungsabgase teilweise zu CO und H2 umgesetzt und abgekühlt werden, daß dieses Umsetzungsprodukt mit Temperaturen von über 800ºC im Gegenstrom durch das dem Schmelzgefäß zuzuführende Einsatz- material hindurchgeleitet wird und hierauf bei Temperaturen von über 100º C, vorzugsweise etwa 150ºC, abgezogen, getrocknet und gereinigt wird und daß vorzugsweise das getrocknete und gereinigte Gas zumindest teilweise den Brennern im Schmelzgefäß und/oder ganeinsam mit dem Kohlenstoff den heißen Abgasen zugeführt wird. Um den Einsatz von minderwertigen festen Brennstoffen für die Schmelzreduktion bzw. das Aufschmelzen der vorreduzierten metallischen Materialien in wirtschaftlicher Weise zu ermöglichen, muß die in den heißen Verbrennungsabgasen enthaltene Energie sinnvoll verwendet werden. Die Verbrennungsabgase treten je nach dem gewählten Brennstoff meistens mit Temperaturen von 1300ºC bis 2000ºC aus dem Schmelzgefäß aus und die unmittelbare Verwendung der fühlbaren Wärme dieser Verbrennungsabgaεe zum Vorwärmen von vorreduzierten metallischen Materialien würde zu einem oberflächlichen Anschmelzen und damit zum Ausbilden einer dichten gasundurchlässigen Schicht führen. Darüberhinaus weist beispielsweise Eisenschwamm in der Regel einen nicht hinreichenden Kohlenstoffgehalt auf, um nach dem Einschmelzen im Roheisen einen C-Gehalt von etwa 3 - 4 % erzielen zu können. Bei dieser Ausgang-πltuat ion wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den heißen Verbrennungsabgasen Kohlenstoff zuzusetzen, wobei sich nach den Gleichungen
    [0009] I C + H O > H2 + CO und
    [0010] II C + C02 . 2 CO, stark endotherme Reaktionen ergeben, mit welchen zum einen eine Abkühlung der Verbrennungsabgase, beispielsweise auf etwa 800 bis 1000ºC bei Einsatz von weitgehend vorreduziertem Material, bzw. auf etwa 1000° bis 1400ºC bei Einsatz von Metalloxyden, insbesondere Erzen, bzw. eines Möllers mit Zuschlagstoffen, erzielt wird und zum andereneine reduzierende Atmosphäre geschaffen wird, deren nunmehr chemische Energie beispielsweise in einer nachfolgenden Verwendung des Gases als Reduktionsmittel oder als Energieträger genutzt werden kann. Es wird somit die fühlbare Wärme für den Aufbau von chemischer Energie ausgenutzt und dadurch, daß die Gase abgekühlt werden, wird die Ausbildung einer qasundurchlässioen Schicht bei der Aufqabe des vorreduzierten metallischen Materials vermieden. Die Mindesttemperatur von 800ºC stellt hiebe eine hinreichende Vorwärmung der zu schmelzenden Materialien sicher und durch das Aufblasen von überschüssigem Kohlenstoff kann in einfacher Weise der gewünschte Aufkohlungsgrad erreicht werden. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß der Kohlenstoff den heißen Verbrennungsabgasen in Form von weitgehend wasserfreiem Braunkohlenstaub oder Holzkohlenstaub zugeführt. Die heißen Verbrennungsabgase, welche nach den obigen Gleichungen I und II umgesetzt und abgekühlt wurden, werden nun durch das dem Schmelzgefäß zuzuführende Einsatzmaterial durchgeleitet, wobei sie ihre fühlbare Wärme an das Einsatzmaterial bzw. die Charge abgeben. Gleichzeitig wird auf Grund der reduzierenden Eigenschaften dieses Gases beispielsweise bei Einsatz von Eisenschwamm mit niedrigen Metallisationsgraden oder bei Einsatz von Gemischen aus Eisenschwamm und Erz ein höherer Metallisationsgrad erzielt. Die aufzugebende Charge übt hiebei eine Filterwirkung aus und es können flugaschereiche Kohlen im Schr.elz- gefäß verbrannt werden und der weitaus größte Teil der Schadstoffe bereits durch die Charge abgefiltert werden. Die durch die Charge abgekühlten Abgase werden erfindur.σsgemäß bei Temperaturen von über 100ºC, vorzugsweise etwa 150ºC, nach dem Durchströmen der Charge abgezogen, um ein Kondensieren von Wasser in der Charge zu vermeiden.
    [0011] Das bei Temperaturen von etwa 150°C abgezogene Verbrennungsabgas kann nach weiterer Abkühlung und anschließender Abscheidung des Wassers in den Gasreinigern erfindunσsgemäß in einfacher Weise als Trägergas für das Einblaseh von Kohlenstoff in die heißen Verbrennungsabgase eingesetzt werden. Auf diese Weise wird ein Einblasen von Luft und damit eine oxidierende Atmosphäre vermieden.
    [0012] Erfindungsgemäß werden die Verbrennungsabgase durch die endotherme Reaktion nach den Gleichungen I und II für das Erschmelzen von weitgehend vorreduziertem Einsatzmaterial bei Temperaturen zwischen 1100º und 1600ºC, insbesondere 1300 bis 1500ºC, durch das Eindüsen von Kohlenstoff auf Temperaturen von 800º bis 1000ºC heruntergekühlt, oder für das Reduzieren und Schmelzen eines Metalloxyd enthaltenden Einsatzmaterials ausgehend von Temperaturen zwischen 1700º und 2000ºC durch Eindüsen von Kohlenstoff auf Temperaturen von 1000º bis 1400ºC abgekühlt. Die entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck abgekühlten Verbrennungsgase werden nun durch die Einsatzmaterialien hindurchgeleitet.
    [0013] In vorteilhafter Weise wird den heißen Verbrennungsabgasen Kohlenstoff in einem für die Aufkohlung des Bades geeigneten Überschuß zugeführt, wobei das nach dem Durchströmen des dem Schmelzgefäß zuzuführenden Einsatzmaterials abgezogene und gereinigte Gas als Trägergas für das Einblasen von Kohlenstoff zu den heißen Verbrennungsabgasen eingesetzt werden kann. Zur Überwindung des relativ hohen Druckverlustes in der Beschickungseinrichtung wird vorzugsweise εo vorgegangen, daß Sauerstoff und Brennstoff in das Schmelzgefäß unter überatmosphärischen Druck eingedüst und/oder daß am aufgabeseitigen Ende des Zuführungsraumes für das Einsatzmaterial ein unteratmosphärischer Druck angewendet wird.
    [0014] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist ein Schmelzgefäß und wenigstens einen in dieses Schmelzgefäß mündenden Brenner auf und ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgefäß an seiner Oberseite dichtend in zumindest einen sich im wesentlichen horizontal erstreckenden Zuführungsraum übergeht, an welchen eine Beschickungseinrichtung für die Einsatzmaterialien anschließt, daß im Bereich des Anschlusses des Zuführungsraumes an das Schmelzgefäß eine Düse für das Einblasen von Kohlenstoff angeordnet ist, und daß am anderen Ende des Zuführungsraumes eine Gasaustrittsöffnung vorgesehen ist, an welche eine Gasreinigungs- und Trocknungseinrichtung und vorzugsweise ein Saugzuggebläse angeschlossen ist, welches mit Leitungen zur Düse für den Kohlenstaub und/oder den Brennern der Schmelzkammer in Verbindung steht. Der sich im wesentlichen horizontal erstreckende Zuführungsraum ist dabei als röhren- artiger Schacht ausgebildet, dessen Achse senkrecht zur Schmelzgefäßachse steht. Dieser röhrenartige Schackt kann in einfacher Weise nach dem Prinzip des Stoßofens beschickt werden, das heißt, ein hydraulisch betätigter Kolben schiebt die Charge, beispielsweise den Eisenschwamm oder die Metalloxyde, mit geringer Geschwindigkeit ein Stück nach vor, wodurch kontinuierlich eine kleine Materialmenge am schmelzgefäßseitigen Ende der Röhre in die Schmelze fällt. Nach einem gewissen Zeitraum wird der Kolben zurückgezogen und die freiwerdende Öffnung wird wieder mit Material gefüllt. Hiebei kann als eine Art Rostbelag zuerst Kalkstein und dann die Charge, z.B. Eisenschwamm, aufgegeben werden, wodurch die Durchgasung verbessert wird.
    [0015] Das im Schmelzgefäß vollständig oberhalb der Schrrelzbadoberflache verbrannte, aus CO2und H2O bestehende Abgas, strahlt einen Teil seiner Wärme an das darunter liegende Schlacken- und Roheisenbad ab und zieht nach oben ab. Bevor es den nach oben geschlossenen Schmelzraum über einen oder mehrere im wesentlichen horizontale, mit Einsatzmaterial gefüllte Zuführungsräume verläßt, wird es mit dem über eine Düse in den Scbmelzraum eingeblasenen Kohlenstaub mit niedriger. Gehalten an H2O und flüchtigen Bestandteilen vcrwirbclt. Das Abgas setzt sich hiebei nach den eingangs genannten Gleichungen T und II endotherm um, wodurch die Abgastemperatur in der gewünschten Weise abgesenkt werden kann. Beim Austritt aus dem Schmelzgefäß trifft das mit Aschepartikel und unvergastem Kohlenstoff vermischte Gas auf das Einsatzmaterial im horizontalen Zuführraum, wobei die festen oder teigigen Partikel aus dem Gas gefiltert werden und weitere endotherme Umsetzreaktionen erfolgen, da auch neben der Vergasung bereits die direkte Reduktion (FeO + C --> Fe + CO) abläuft. Es ist anzunehmen, daß durch diese stark wärmeverbrauchenden Reaktionen die Gastemperatur im Material sehr rasch auf 8θO°C abnimmt. Wenn das Einsatzmaterial von Möllermaterial bzw. Metalloxyden gebückt ist, erfolgt neben der Vorwärmung des Einsatzes, welche aus stückigem Erz und Zuschlägen bestehen kann, auch eine indirekte Reduktion in der Beschickungseinrichtung.
    [0016] Die Länge des horizontalen Schachtes muß so berechnet werden, daß das entstandene Gas den größten Teil seiner fühlbaren Wärme an das im Gegenstrom geförderte Material abgibt, und mit einer Temperatur von ca. 150ºC aus dem Schacht abgesaugt werden kann. Diese Temperatur ist relativ leicht erzielbar, da sie sowohl über die Schubgeschwindigkeit des Kolbens, die Brennstoffmenge, als auch über die Zusatzmenge an Kohlenstoff für die Umsetzung der heißen Verbrennungsabgase nach den Gleichungen I und II geregelt werden kann. Das aus H2, CO, H20 und CO2 bestehende Abgas kann nach dem Absaugen gereinigt werden, wobei der meist relativ hohe H20-Anteil herausgewaschen werden kann, und sofern dies sinnvoll erscheint, auch der CO2-Anteil entfernt werden kann. Das abgesaugte und gereinigte Gas kann unter Vorwärmung für die Verbrennung im Schmelzgefäß rückgeführt werden, oder aber als hochwertiges Gas für andere Gasverbraucher verwendet werden.
    [0017] Der vorgewärmte Möller, der in das Schmelzgefäß fällt, besteht aus Kalk zur Schlackenbildung, unvergasten Kohleteilchen, welche zur Aufkohlung dienen, herausgefilterten Flugaschepartikeln und der weitgehend vorrecuz ierten Charge, beispielsweise Eisenschwamm. Der Vorrrecuktionsgrad des in das Schmelzgefäß fallenden Materials ist von der Aufenthaltsdauer des Erzes in der Beschickungseinrichtung und der Gaszusammensetzung nach der Vergasung abhängig. Je geringer der Sauerstoffgehalt des metallisierten Produktes ist umso niedriger ist der spezifische Energieverbrauch und umso höher ist die Schmelzleistung im Schmelzgefäß. Der Kohlungs- und Reduktionskohlenstoff für die direkte Reduktion wird in erster Linie über die Kohlenstaubdüse zudosiert, kann aber auch mit dem Einsatz eingebracht werden, sodaß sich der Kohlenstoffgehalt im Roheisen relativ leicht einstellen läßt.
    [0018] Im Falle, daß Braunkohlen mit einem niederen Heizwert verwendet werden, besteht die Möglichkeit, daß trotz genügender Schmelzwärme und hoher Verbrennungstemperatur in der Schmelzzone die eingebrachte Energie nicht ausreicht, die Vergasungsreaktionen ablaufen zu lassen. Um das Energieeinbringen zu erhöhen, kann eine Gasrückführung und Vorwärmung des Gases, eine Vorwärmung der Kohle für die Vergasung, eine Vorwärmung des Sauerstoffes und ein Einbringen von zusätzlicher Energie über Plasmabrenner, wobei sich das gereinigte Abgas vorzüglich als Träger eignet, vorgesehen werden. Bei Verwendung von Steinkohlen mit hohem Heizwert und den obengenannten Zusatzmaßnehmen ist es möglich, auch Metalle, welche wesentlich höhere Schmelztemperaturen und Reduktionsenergien benötigen, als Roheisen, unter gleichzeitiger Verringerung des Strom- und Kohlenstoffbedarfes herzustellen. FeCr, FeMn und vor allem FeSi (geringe SiO Verluste) können als Beispiel für eine Reihe anderer Metalle und Legierungen gelten.
    [0019] Vor allen Dingen bei Verwendung von minderwertigen Kohlen ist mit dem Anfall von großen Gasmengen zu rechnen. Es können in diesem Fall mehrere horizontale Zuführungsräume bzw. Chargie räume vorgesehen werden, und es können auch mehrere Kohlenstaub düesen am Übergang des Schmelzgefäßes in die Beschickungseinrichtung erforderlich sein. In manchen Fällen kann es sinnvoll sein, daß ein Teil der Schmelz- und Reduktionswärme durch elektrische Energie eingebracht wird, wobei vor allem Plasma- fackeln mit Vorteil eingesetzt werden können, welche das Kreislaufgas erhitzen. Für ein entsprechendes Ofengefäß ist dann eine abwechselnde Anordnung von Kohlenstaubbrennern und Plasmabrennern vorzusehen. Allerdings besteht auch die Möglichkeit in ein Schmelzgefäß mittels Elektroden die notwendige Energie einzubringen.
    [0020] In einfacher Weise kann die Chargierröhre dadurch beschickt werden, daß in den Arbeitsraum des Kohlenschiebers eine verschließbare Öffnung eines Möllerbunkers mündet.
    [0021] Die vollständige Verbrennung der Brennstoffe mit Sauerstoff im Schmelzgefäß ist für die Erzielung der hohen Abqastemperaturen von wesentlicher Bedeutung, da durch eine Teilverbrennung, beispielsweise im Fall von Kohlenstoff, (C +i 02 > CO) pro kg. C nur 9600 KJ freiwerden, während bei der vollkommenen
    [0022] Verbrennung (C + O2 -> C02) je kg 33200 KJ abgegeben werden.
    [0023] Erst durch die vollständige Verbrennung läßt sich bei minderwertigen Brennstoffen die für die nachfolgende Umsetzung bei gleichzeitiger Aufkohlung des Einsatzstoffes erforderliche hohe Abgastemperatur erzielen. Nach der Reinigung des aus dem Zuführungsraum des Schmelzgefässes abgezogenen Gases wird nach dem Auswaschen des Wassers in einer Gasv/aschanlage ein sauberes Gas welches z.B. als hochwertiges Brenngas den festen Brennstoffen zur Verbrennung in den Brennern des Schmelzgefässes zugesetzt werden kann, erhalten.
    [0024] Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Schmelzreduktionsanlaqe näher erläutert.
    [0025] In dieser zeigt 1 einen Möllerbunker, welcher durch Schieber 2 und 3 an seiner Ober- und Unterseite verschließbar ist. Das untere Ende des Möllerbunkers 1 mündet in den Arbeitsraum 4 eines Kolbenschiebers 5, durch dessen Bev/egung in Richtung des Pfeiles 6 das aus dem Möllerbunker eintretende Finsatzmaterial,beispielsweise Eiscnschwamm oder Eisenoxyde und Kalkstein, in den Zuführungsraum 7 des Schmelzgefässes 8 eingebracht werden kann. Der Zuführungsraum 7 weist einen Rostbelag 9 aus Kalkstein auf und über diesem Belag befindet sich die Charge 10. An das dem Kolben 5 benachbarte Ende des Zuführungsraunes 7 ist ein Abzug 11 für die Abgase angeschlossen.
    [0026] Das Schmelzgefäß 8 wird durch einen Brenner 12 mit Stein- oder Braunkohlenstaub und Sauerstoff beschickt, wobei die Flamme mit 13 bezeichnet ist. Die Abgase, welche im wesentlichen C02 und H20, sowie auf Grund der hohen Verbrennungstemperaturen von etwa 1900°C auch durch Dissoziation entstehendes CO und H2 enthalten, steigen in Richtung des Pfeiles 14 zusammen mit Flugasche auf. An de. Übergangsstelle zum Zuführungsraum 7 wird über eine Kohlenstaubdüse 15 Kohlenstaub eingeblasen, wobei die Verbrennungsabgase auf Temperaturen zwischen 800 und 1400°C abgekühlt werden, und teilweise zu CO und H2 umgesetzt werden. Ein Teil des Kohlenstaubes gelangt auch auf die Oberfläche 16 der Charge und gelangt mit dieser Charge in die Schmelze 17. Über dieser Schmelze 17 schwimmt eine Schlackenschicht 18 auf. Die abgekühlten und umgesetzten Verbrennungsabgase werden nun durch die Charge 10 hindurchgeleitet und am Abzug 11 bei Temperaturen von etwa 150°C abgezogen und einer Gasreinigungs- und Trocknungsstufe 19 zugeführt, über ein Saugzuggebläse 20 werden die gereinigten und getrockneten Abgase über Leitungen
    [0027] 21 den Kohlenstaubdüsen 15 als Trägergas und über eine Leitung
    [0028] 22 dem Brenner 12 als Verbrennungsgas zugeführt. Über eine Leitung 23 kann das Gas auch weiteren Gasverbrauchern zugeführt v/erden. Während im Brenner 12 auch wasserreiche Braunkohle ver arbeitet werden kann, empfiehlt es sich den Kohlenstaubdüsen 15 höherwertige Kohlenstoffträger, insbesondere pulverisierte weitgehend trockene Braunkohle oder Holzkohlenstaub zuzuführen, um die gewünschte rasche Umsetzung der Abgase zu erzielen.
    [0029] Die Erfindung wird nachfolgend an Hand .von Untersuchungen über den Energieverbrauch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfa rens näher erläutert.
    [0030] Beispiel 1: Schmelzen von vorreduziertem Material.
    [0031] Annahmen: Verwendung einer Kohle von II = 8.400 KJoule/kg zum Schmelzen und Holzkohle für Hochtcmperaturvergasung.
    [0032] Analyse der Braunkohle: 34% C, 15% flüchtige Bestandteile (4% H2) , 3% Asche, 48% Feuchte.
    [0033] Analyse der Holzkohle: 72% C, 15% flüchtige Bestandteile (4% H2) , 1% Asche, 8% Feuchte. Der Energiebedarf für Schmelzen von Roheisen und Schlacke und Reduzieren aus dein Möller (direkt reduziertes Eisen (DRE) + Kalk) beträgt ungefähr 2.1 G Joυle/t Roheisen (RE), die Roheisentemperatur soll 1.500°C und der Wärmeverlust ea. 0.4 G Joule/t Roheisen betragen. Bei der vollkommenen Verbrennung der Braunkohle mit Sauerstoff liegt die theoretische Verbrennungstemperatur bei etwa 2.100°C, die praktische Verbrennungstemperatur wird bei etwa 1.900°C liegen. Die Dissoziation von H2O und C02 liegt zwar bei hohen Flammentemperaturen immer vor, wird aber in der Berechnung vernachlässigt , da diese sonst zui kompliziert werden würde. Die bei der vollkommenen Verbrennung von 1 kg Braunkohle mit angeführter Analyse mit Sauerstoff entstehende Gasmenge ist 1,69 Nin3 (37 % C02, 63 % H20). Die dafür benötigte Sauerstoffmenge beträgt 0,8 Nm3 02/kg Kohle.
    [0034] Energiebedarf für Aufschmelzen von Roheisen und Schlacke, Reduktion und Ofenverluste: Der Energiebedarf für das Erwärmen des Eisenschwammes von 800 bis 1.500°C, die Reduktion, Schlak- kenschinelzen und Aufkohlung beträgt ca. 1.3 G-Joule/t RE, für Ofenverluste nimmt man etwa 0.4 G-Joule/t RE an; der Gesamt energiebedarf für das Schmelzen im Schmelzgefäß beläuft sich daher auf ungefähr 1.7 G-Joule/t RE. Unter der Annahme, daß 50 % der über die vollkommene Verbrennung eingebrachte Wärme im Schnielzgefäß (Schmelzen, Reduzieren) Verlustwärme verbraucht werden und der Rest im Abgas als fühlbare Wärme vorliegt, ist die Gesamtenergie, welche über die Braunkohle eingebracht werden muß, 5.4 G-Joule/t RE, das sind 400 kg Braunkohle mit einem ilu von 8.400 K Joule (2.000 kcal/kg).
    [0035] Abgasmenge, welche bei der Verbrennung entsteht: 680 NM3 (252 Nm3 C02, 428 NM5 H20).
    [0036] Die angenommene Gastemperatnr vor der liochtemperaturvergasung beträgt ca. i.250°C. ilochtemperaturvergasung: Vereinfacht wird angenommen, daß die fühlbare Wärme von 6 NnP C02 bei 1.250°C die Reaktionswärme für die Boudouardreaktion (C + C02 >> 2 CO) liefert, und daß sich daraus bei 800°C ein Gas von 5 Nm3 CO2 und 2 Nm3CO bildet. Beim Wasserdampf ( H20 + C → H2 + CO) ergeben sich aus 6,5 Nm3H2O, 5,5 Nm3H2O und 1 Nm3CO + 1 Nm3H2. Das bei der Vergasung entstehende Gas fällt in einer Menge von 790 Nm3 an (45 % H20, 28 % C02, 19 % CO, 8 % H2). Die fühlbare Wärme dieses Gases bei 800°C beträgt 1.4 G-Joule/Nm3.
    [0037] Für die pro Tonne Roheisen benötigte Möllermenge stehen also 1.2 G-Joulc (fühlbare Wärme bei 800OC - fühlbare Wärme bei 150°C) zur Verfügung; genügend Wärme, um den Möller auf 800°C aufzuheizen.
    [0038] Nimmt man an, daß der Wrasserdampfanteil des entstehenden Gases in der Gaswäsehe herausgewaschen wird, dann lautet die Gaszusammensetzung des gewaschenen Gases bei einer Menge von 426 Nm5 - 49 % CO2, 55 % CO, 16 % H2. llu = 6.200 KJoule/Nιn3
    [0039] Für die Aufkohlung des Roheisens und zur Vergasung ist folgende Menge an Kohlenstoff notwendige:
    [0040] Für die Aufkohlung: 30 kg/t RE (der Rest ca. 1 % ist im Eisenschwamm vorhanden).
    [0041] Für die Vergasung:
    [0042] (C + C02 → 2 CO) 42 Nm3 C02, 0,53 kSC/Nm3 C02 = 22 kg C,
    [0043] (D20 + C → H2 + C0) 66 Nm3 H2O, 0,53 KgC/Nm3 H2O = 35 kgC,
    [0044] Kohlenstoff für Vergasung und Aufkohlung .... 87 kg/t RE, Bedarf an einzudüsender Kohle (z. B. Holzkohle) ... 120 kg/t RE.
    [0045] Energiebilanz pro Tonne Roheisen: 400 kg Braunkohle (Hu 8.400 KJoule/kg) 5.56 G Joule
    [0046] 120 kg Holzkohle (Hu 27.700 KJoule/kg) 3-52 G Joule
    [0047] 320 Nn^ Sauerstoff (0,7 kWh/isπP) 0.81 G Joule
    [0048] Energieeintrag 7.49 G Joule
    [0049] 1 t Roheisen fühlbare Wanne '-,25 G Joule
    [0050] 40 kg Kohlenstoff im Roheisen (11=33.500 KJoule) 1.34 G Joule
    [0051] 200 kg Schlacke 0.55 G Joule
    [0052] 426 Nin3 Gas (IIu=6200 KJoule/Nm3) 2.67 G Joule
    [0053] Energieaustrag 5.59 G Joule
    [0054] Wirkungsgrad: 0,74 £ bei Weiterverwendung des entstehenden Gases.
    [0055] Der theoretische Energiebedarf beträgt bei Weiterverwen- düng des Gases 1.9 KJoule/t RE, das sind ca.530 kWh/t RE. Wird das dabei entstehende Gas abgefackelt, dann ist der Energieverbrauch 4.57 G Joule = 1260 kWh/t RE.
    [0056] Für die Herstellung von 1 t Stahl aus Eisenschwamm im Elek- trolichtbogenofcn benötigt man ca. 600 kWh an Energie in Form von Strom. Rechnet man den Strombedarf auf Primärenergie, d.h. Braunkohle für Verstromung um, dann liegt der Energiebedarf bei etwa 1500 kWh/t Rohstahl. Da der Energieverbrauch bei den Sauerstofffrischverfahren J00 kWh/t Rohstahl nicht überschreitet, wäre die Rohstahlerzeugung nach dem angegebenen Verfahren auch bei Nichtausnutzung des entstehenden Gases im Vergleich mit der Stahlerzeugung aus Ei sensciiwamm im Elektroli chtbogenofen bereits konkurrenzfähig (1260 kWh/t RE,0,9 t RE/Rst + 100 kWh/tRSt
    [0057] = 1234 kWh/R4)
    [0058] Beispiel 2: Erschmelzung von Roheisen aus Eisenerz unter
    [0059] Verwendung einer Steinkohle mit einem Hu = 25.000 KJoule/kg zur Erzeugung der Schmelz- und Redukti onsenergie und Braunkohlekoks für die Vergnsung, Aufkohlung und direkte Reduktion.
    [0060] Reduktion über Gasphase (indirekte Reduktion) = 60 % Reduktion über festen Kohlenstoff (direkte Reriuktion)=40 %. Analyse der Steinkohle: C = 60 %, flüchtige Bestandteile = 25 %,
    [0061] Asche = 9 %, H20 = 5 %. Analyse des Braunkohl enkokses: C = 8b, 5 % , flüchtige Bestandteile
    [0062] = 3 %, H20 = 3 %, Asche-= 6,5 %• Energiebedarf .je Tonne Roheisen für Schmelzen, Reduzieren und Wärmeverluste in Schmelzzone 2,9 GJoule
    [0063] Energiebedarf für Mateιialvorwärmung, Wasserstoffreduktion und Verluste in der horizontalen Röhre 1,3 GJoule
    [0064] Verluste an fühlbarer Wärme des Abgases (200°C) 0,4 GJoule Gesamtenergiebedarf zum Schmolzen 4,6 GJoule
    [0065] Es wird vorausgesetzt, daß 80 % des bei der Verbrennung von 500 kg Steinkohle entstandenen Abgases, welches aus 70 %CO2 und 30 % H2O besteht, durch Eindüsen von Braunkohlenkoks zu CO und H2 umgesetzt werden. Λbgasmenge aus Verbrennung von 300 kg Steinkohle 534 Nm3Abgas Energiebedarf zur Reformierung von 80 % des Gases
    [0066] 6900 KJoule/Nm3 Abgas
    [0067] = 2,9 GJoule/t Roheisen.
    [0068] Gesamtenergiebedarf für Schmelzen, Reduzieren, Reformieren,
    [0069] Wärmverluste 4,6 GJoule + 2,9 GJoule = 7,5 GJoule/t Roheisen
    [0070] Energiebedarf durch Verbrennung von 500 kg Steinkohle
    [0071] 25.000 KJoule/kg x 500 kg Steinkohle =
    [0072] 7,5 GJoule/t Roheisen
    [0073] Verbrauch an Braunkohlenkoks für: Kefonaierung 270 kg
    [0074] Direkte Reduktion 140 kg
    [0075] Aufkohlung 50 kg
    [0076] Gesamtverbrauch 460 kg/t
    [0077] Roheisen
    [0078] GesamtZusammensetzungen: Im Schmelzraum Nach Vergasung Nach Gaswäscher
    [0079] % Nm3/t Roheisen % Nm3/t Roheisen °/o Nm^/t Roheisen CO 30 224 80 950 57 640 H2 11 128 9 100 CO2 50 574 6 75 34 380
    [0080] H20 20 160 3 32
    [0081] 758 Nm3 1135 Nm3 1120 Nm3
    [0082] Hu des Gases nach dem Gaswäscher S.100 KJoule/Nm3 Gesamtheizwert von 1120 Nm3 Abgas 9.1 GJoule/t Roheisen, Energieverbrauch für 1 t Roheisen aus Erz:
    [0083] 300 kg Steinkohle (25.000 KJoule/kg) 7,5 GJoule
    [0084] 460 kg Braunkohlenkoks (29.000KJoule/kg) 13,5 GJoule
    [0085] 593 Nm- Sauerstoff (0,7 kWh) 1,0 GJoule
    [0086] Summe 22,0 GJoule
    [0087] -Energiegutschrift für ehem. Wärme im Abgas - 9,1 GJoule
    [0088] Nettoencrgi everbrauch 12,9 GJoule.
    [0089] Der Nettoencrgi everbrauch eines modernen Hochofens liegt ohne den Energieaufwand für Kokserzeugung und Agglomeration bei 13, 2 GJoule/t Roheisen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine gute Uberschaubarkeit und Regelung des metallurgischen Prozesses aus. Schradstoffemi ssionen können durch die Filterwirkung von Eisenschwnmm wesentlich herabgesetzt werden, und es wird gleichzeitig ein minderwertiger Brennstoff, wie beispielsweise Braunkohle, in einen hochwertigen Energieträger (Gas) umgesetzt. Es können Braunkohlen mit hohen Wassergehalten eingesetzt werden und es besteht in einfaclier Weise die Möglichkeit einer Verbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Fcststoff-Direkre- duktionsverfahren. Auch die Verarbeitung von aschereichen Kohlen ist ohne Problem möglich, da die ilschetei Iclicn aus dem Abgas durch Eisenschwamm herausgefiltert werden und in der Sclacke aufschmelzen. Es entstehen auch keine Probleme bei der Gasreinigung durch Teer oder andere flüssige Kohlenwasserstoffe.
    [0090] Das erfindungsgercäße Verfahren läßt sich kontinuierlich durchführen und das Prozeßprinzip läßt sich auch beim Erschmelzen von Ferrolegierungen und Nichteisenmetallen in einfacher Weise anwenden. Im Zuführungsraum des Schmelzgefäßes ergibt sich darüberhinaus die Möglichkeit einer Gasreduktion, wodurch Eisenschwamm mit niedrigen Metallisationsgraden oder Gemische aus-Ei senschwaπim und Erz verarbeitet werden könnten.
    权利要求:
    ClaimsP a t e n t a n s p r ü c h e :
    1. Verfahren zum kontinuierlichen Reduzieren und Schmelzen eines Einsatzmaterials aus Metalloxyden, insbesondere Erzen, bzw. weitgehend vorreduzierten metallischen Materialien, insbesondere Eisenschwamm, gegebenenfalls mit Zuschlagstoffen wie Schlackenbildnern, Flußmitteln und Kohlenstoffträgem, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzmaterial in einem Schmelzgefäß durch vollständige Verbrennung von Brennstoffen, insbesondere festen Brennstoffen wie Steinkohlen- oder Braunkohlenstaub über ihre Schmelztemperatur erhitzt werden, daß den heißen Verbrennungsabgasen Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstaub, zugeführt wird, wobei die im wesentlichen aus CO2 und H20 bestehenden heißen Verbrennungsabgase teilweise zu CO und H2 umgesetzt und abgekühlt werden, daß dieses Umsetzungsprodukt mit Temperaturen von über 80O°C im Gegenstrom durch das dem Schmelzgefäß zuzuführende Einsatzmaterial hindurchgeleitet wird und hierauf bei Temperaturen von über 100ºC, vorzugsweise etwa 150º C, abgezogen, getrocknet und gereinigt wird und daß vorzugsweise das getrocknete und gereinigte Gas zumind teilweise den Brennern im SchnelzgeEäß ιnd/oder gemeinsam mit den Kohlenstoff den heißen Abgasen zuςieführt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den heißen Verbrennungsabgasen Kohlenstoff in Form von weitgehend wasserfreiem Braunkohlenstaub oder Holzkohlenstaub zugeführt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichne daß den heißen Verbrennungsabgasen Kohlenstoff in einem für die Aufkohlung des Bades geeigneten Überschuß zugeführt wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem Durchströmen des dem Schmelzgefäß zuzuführenden Einsatzmaterials abgezogene und gereinigte Gas als Trägergas für das Einblasen von Kohlenstoff zu den heißen Verbrennungsabgasen eingesetzt wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständige Verbrennung im Schmelzgefäß zur Frzielung von Temperaturen zwischen 1800 und 2000 C gesteuert wird, und daß die Verbrennungsgase für das Erschmelzen von weitgehend vorreduziertem Einsatzmaterial bei Temperaturen zwischen 1100° und 1600°C, insbesondere 1300 bis 1500°C, durch das Eindüsen von Kohlenstoff auf Temperaturen von 800 bis 1000°C heruntergekühlt werden, oder für das Reduzieren und Schmelzen eines Metalloxyd enthaltenden Einsatzmaterials ausgehend von Temperaturen zwischen 1700º und 2000ºC durch Eindüsen von Kohlenstoff auf Temperaturen von 1000 bis 1400ºC abgekühlt werden, und daß das mit Kohlenstoff umgesetzte Verbrennungsgas mit Temperaturen von 800º bis 1000ºC durch im wesentlichen aus weitgehend vorreduzierten metallischen Materialien bestehende Einsatzmaterialien bzw. mit Temperaturen von 1000º bis 1400ºC durch im wesentlichen aus Metalloxyden bestehende Einsatzmaterialien hindurchgeleitet wird und bei Temperaturen von etwa 150ºC abgezogen wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff und Brennstoff in das Schmelzgefäß unter überatmosphärischen Druck eingedüst und/oder daß am aufgabeseitigen Ende des Zuführungsraumes für das Einsatzmaterial ein unteratmosphärischer Druck angewendet wird.
    7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem SChmelzσefäß und wenigstens einem in dieses Schmelzgefäß mündenden Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgefäß (8) an seiner Oberseite dichtend in zumindest einen sich im wesentlichen horizontal erstreckenden Zuführungsraum (7) übergeht, an welchen eine Beschickungseinrichtung (5) für die Einsatzmaterialien ans.chließt, daß im Bereich des Anschlusses des Zuführungsraumes (7) an das Schrrelz- gefäß (8) eine Düse (15) für das Einblasen von Kohlenstoff angeordnet ist, und daß am anderen Ende des Zuführungsraumeε (7) eine Gasaustrittsöffnung (11) vorgesehen ist, an welche eine Gasreinigungs- und Trocknunσseinrichtung (19) und vorzugsweise ein Saugzuggebläse (20) angeschlossen ist, welches mit Leitungen (21) zur Düse (15) für den Kohlenstaub und/oder den Brennern (12) der Schmelzkammer (8) in Verbindung steht.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungseinrichtung (5) von einem Kolbenschieber gebildet ist, in dessen Arbeitsraum (4) eine verschließbare Öffnung eines Möllerbunkers (1) mündet.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführungsraum (7) zumindest an seiner Unterseite mit Kalkstein belegt ist.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgefäß (8) in an sich bekannter Weise mit Öffnungen für den Schlacken- und den Roheisenabstich ausgestattet ist.
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