-
Verfahren zum Erzeugen von Roheisen Der im Hochofen verbrannte Koks
hat zwei Aufgaben, erstens die Lieferung der Wärme für die Erhitzung des Möllers
und das Schmelzen des Roheisens und der Schlacke und zweitens die Lieferung der
Kohlenoxydmenge, die zur Reduktion der Eisenoxyde benötigt wird. Beide Vorgänge
erfordern verschiedene Koksmengen. Während der Hochofen üb-
licherweise
900 bis 1000 kg Koks/t RE setzt, würde er zur vollständigen indirekten
Reduktion etwa 2000 Nms CO oder 1300 bis 1400 kg Koks/t RE
benötigen, wenn man, wie die Hochofenpraxis zeigt, am Ende der FeC-Reduktion das
Verhältnis CO./CO nicht über 0,2 steigem kann. Da man aus Versuchen und auch aus
der Praxis der Erzeugung von Eisenschwamm weiß, daß sich Erz vollständig durch gasförmige
Reduktionsmittel reduzieren läßt, bedeutet der niedrige Kokssatz, daß im Hochofenbetrieb
nur so viel Koks gesetzt wird, als die Wärmarbeit erfordert, und daß man die Gasreduktion
oder, wie man gewöhnlich sagt, die indirekte Reduktion nur in dem Maß durchführt,
als Kohlenoxyd aus der Koksmenge entsteht, die, durch den Erwärmungsvorgang gefordert
wird. Das Erz wird nur teilweise durch Gas reduziert, der Rest der Reduktion muß
durch Kohlenstoff, also auf dem Weg der direkten Reduktion vollzogen werden. Diese
Reduktion liefert zwar wieder zusätzlich Kohlenoxyd, verbraucht aber eine erhebliche
Wärmemenge, die zusätzlichen Koks zur Wärmedeckung fordert.
-
Insgesamt betrachtet richtet sich also der Koksverbrauch des Hochofens
nach dem Wärinebedarf und nicht nach dem Reduktionsgasbedarf. Dann ist aber die
Durchführung des Wärmprozesses denkbar ungünstig, denn die Verbrennung zu
CO liefert nur ein Drittel der Wärme, die die Verbrennung zu CO 2
liefern würde. Gewiß kann die Verbrennung im Gestell und in der Reduktionszone nicht
bis zum CO, geführt werden, weil dann das reduzierte Eisen wieder oxydiert
würde. Aber die Erwärmung des Eisens von der Reduktionstemperatur, die etwa
9501 C beträgt, auf die Abstichtemperatur des Roheisens erfordert nur einen
Bruchteil des verbrauchten Kokses. Erst recht ist der Wärmeverbrauch für die Schlacke
von 9501 C an fast bedeutungslos, weil die exothermen Reaktionen der Schlackenbildung
diesen Wärmebedarf zum größten Teil decken. Dagegen braucht die Erwärinung des Möllers
auf die Reduktionstemperatur viel Wärme, für die Schlacke allein etwa den 20fachen
Betrag des Wärmebedarfes der Schmelzzone- Es ist ein grundsätzlicher Mangel des
Hochofens, daß dieser große Wärmebedarf mit der denkbar schlechtesten Verbrennung
gedeckt werden muß. Dies verteuert insbesondere die Verhüttung eisenarmer Erze so
außerordentlich stark.
-
Der Hochofenbetrieb sucht nun den Punkt des geringsten Koksverbrauches.
Wenn er den Kokssatz allein nach dem Wärmebedarf richtet, so wird nicht genügend
Reduktionsgas erzeugt. Es muß mehr direkt reduziert werden. Dies erhöht den Kohlenstoff-und
Wärinebedarf und damit auch den Anfall von Reduktionsgas. Schließlich ergibt sich
ein Gleichgewicht, bei dem die Forderung nach Wärmelieferung und Reduktionsgaslieferung
durch Verminderung der indirekten Reduktion in Einklang gebracht sind. Man kann
von einer Wärme-Reduktionsschere sprechen. Die Einhaltung eines solchen Gleichgewichtes,
bei dem eine Abweichung der einen Komponente, z. B, verringerte Menge an Reduktionsgas,
keine Kompensationsbewegung der anderen Komponente auslöst, sondern im Gegenteil
eine Abweichung auch der anderen Komponente nach sich zieht, in diesem Fall Wärmemangel
infolge erhöhter direkter Reduktion, ist immer sehr schwierig. Deshalb ist der Hochofenbetrieb
besonders störungsanfällig, zumal da der Betrieb wegen der überragenden Bedeutung
der Kokskosten den Gleichgewichtspunkt möglichst genau innehält.
-
Die Beseitigung dieser dem Hochofenbetrieb anhaftenden Mängel, nämlich
die unwirtschaftlich-Wärmeerzeugung an der Stelle hohen Wärmebedarfes, die ungenügende
Erzeugung von Reduktionsgas und die große Störungsanfälligkeit ist das Ziel der
Erfindung. Sie bedient sich hierzu eines Verfahrens zum Erzeugen von Roheisen aus
Eisenerz unter Zufuhr von Brennstoff vornehmlich zur Erzreduktions-und Schmelzzone
bestehenden Schachtofen mit zwischen den Zonen angeordneten Einschnürungen, dessen
nach Art eines Niederschachtofens ausgebildeter Schmelzzone der Brennstoff in fester
Form in Höhe
ihres Kohlenstoffbedarfs unmittelbar zugeführt wird
und bei dem die Reduktion in mehreren Ab-
schnitten mittels gasfönniger, durch
Verbrennung zum Teil in der Schmelzzone erzeugter, in ihrer Reduktionsfähigkeit
jeweils regenerierter Medien vorgenommen wird. Die Erfindung besteht nunmehr darin,
daß das Vorwärmen, Rösten und Reduzieren in insgesamt als Querstromofen ausgebildeten
Ofenstufen vorgenommen wird, wobei ferner die Vorwärmung des Möllers auf Reduktionstemperatur
in an sich bekannter Weise mit vollständig verbranntem Gas oder Brennstoff durchgeführt
wird und sich die Reduktion bei gleichbleibender Temperatur vollzieht.
-
Es ist zwar bereits bekannt, bei der Verhüttung von Erzen den Brennstoff
in Höhe des Kohlenstoffbedarfes der Schmelzzone dieser unmittelbar zuzuführen, wobei
das Erz in einem über dem Schmelzofen befindlichen säulenförmigen Ofen durch die
aus dem Schmelzraum aufsteigenden heißen Gase reduziert werden, worauf die auf diese
Weise ziemlich vollständig reduzierten Erze in den Herdofen gelangen und hier mit
einer Gasfeuerung nieder-Creschmolzen werden. Auch ist es bekannt, bei der Gewinnung
von Roheisen das Erz am unteren Ende des Erzschachtes mit dem verkokten Brennstoff
zusammenzuführen und das Erz mittels dieses der Schmelzzone unmittelbar zugeführten
Brennstoffes das Eisen und die Schlacke niederzuschmelzen. In beiden Fällen aber
geht die Reduktion in einem einzigen Gang durch den gesamten Schacht hindurch, ohne
daß das Reduktionsgas regeneriert wird. Demgegenüber bringt die erfindungsgemäße
Arbeitsweise, die Reduktion des Erzes durch Vorwärmen, Rösten und Reduzieren in
mehreren Ofenstufen mit jeweils zwischengeschalteter Regenerierung des Reduktions-,gases
nachstehende Vorteile: Der Gesamtverbrauch an Kohlenstoff wird gegenüber dem bisher
üblichen Hochofenbetrieb von etwa 750 bis 850 kg C/t RE auf 450 bis
500 kg C/t RE herabgesetzt. Davon braucht nur der Einsatz in der Schmelzzone
aus Koks zu bestehen, dies sind 200 bis 250 kg C. Da zudem die Schmelzzone
ein Niederschachtofen ist, sind die Anforderungen an die Qualität des Kokses gering.
Denkbar währe auch in dieser Zone die Verwendung von Kohle, da bei den Regenerierungen
die Kohlenwasserstoffe zersetzt werden. Der notwendige Koksbedarf geht auf ein Viertel
des jetzigen zurück. Die enormen Anlage- und Betriebskosten, die zur Zeit die Vorbereitung
des Hochofenbrennstoffes verlang werden auf ein Viertel reduziert. Der übrige Teil
des Brennstoffverbrauches erfordert nur eine Mahlung, um die Reaktionsgeschwindigkeit
bei der Regenerierung zu erhöhen.
-
Die Betriebsführung des Hochofens wird viel leichter. Die Störungen
im Wärmehaushalt der Schmelzzone können durch vermehrte C-Zufuhr sofort behoben
werden. Der Koks braucht nicht erst den langen Weg durch den ganzen Hochofen zu
machen. Die Gleichmäßigkeit der Durchgasung und damit der Reduktion ist an sich
schon besser gesichert als in den Hochöfen, in denen meist eine starke Voreilung
von Temperatur und Reduktion in der Randzone vorhanden ist. Sie ist aber auch leicht
kontrollier- und steuerbar, weil das Gas nach jedem Reduktionsabschnitt in seiner
Gesamtheit überwacht werden kann. Die Möglichkeit einer genauen Temperatursteuerung
der Reduktionszone vermeidet die Ansatz- und Hängestörungen des jetzigen Betriebes.
Die Vorwärmung des Möllers in oxydierender Atmosphäre auf die Reduktionstemperatur
vermeidet die störende Kohlenstoffabscheidung aus dem Kohlenoxyd in dem Temperaturbereich
von 450 bis 700' C.
-
Der Wärmebedarf der Schlacke in der Schmelzzone ist gering, etwa
30 000 keal/t Schlacke, dagegen hoch in der Vorwärmungszone. Da der Wärmebedarf
der Vorwärmzone durch vollständige Verbrennung gedeckt wird, ist der Koksbedarf
fast unabhängig von der Schlackenmenge, also vom Eisengehalt des Möllers. Die Verhüttung
auch sehr armer Erze wird deshalb mit sehr geringem Koksverbrauch ermöglicht.
-
Das Abgas der Vorwärmzone wird ausgebrannt, der Ofen kann mit offener
Gicht fahren. Es entfällt die Rücksicht auf die Gichttemperatur. Agglomerat kann
heiß aufgegeben werden, wodurch der Brennstoffverbrauch gesenkt wird. Ebenso ist
es erwünscht, den Koks möglichst warm in die Schmelzzone zu bringen.
-
Die Verwendung des Querstromofens vermindert den erforderlichen Winddruck,
der etwa nur noch 2000 bis i500 mm WS beträgt. Auch die erforderliche Windmenge
sinkt auf etwa 40%. Sowohl die Winderzeugung wie auch die Winderhitzung kommt mit
kleineren Anlagen aus. Der Energiebedarf der Winderzeugung geht auf 20 bis 25% des
jetzigen zurück, der Wärmebedarf der Winderhitzung wegen des geringeren Koksverbrauches
auf etwa die Hälfte.
-
Die Energiewirtschaft eines gemischten Hüttenwerkes wird durch die
Änderung des Prozesses der Roheisenerzeugung stark beeinflußt. Die Gichtgaserzeugung
je Tonne RE sinkt auf ein Drittel bis die Hälfte der jetzigen. Es entsteht
aber eine weitere C Ganz erhebliche Quelle der Energleerzeugung. Das Reduktionsgas
verläßt den Ofen mit 950' C. Durch Abkühlung des Gases in einem Abhitzekessel
kann man bis zu 850 kg Dampf oder bis 150 kWh/t RE gewinnen. Die Windversorgung
beansprucht davon nur 17 kWh, der übrige Teil kann gut die Hälfte des Stromverbrauches
eines gemischten Hüttenwerkes decken. In großen Zügen betrachtet, bleibt aber nach
der Deckung des Wärmebedarfes des Hochofens für die Winderzeugung und der Kokserzeugung
nur noch wenig Gas für die sonstigen Verbraucher der Hätte übrig. Es ist ein weiterer
Vorteil des Verfahrens, daß die Weiterverarbeitung des Rohstahles energiemäßig unabhängig
von der Roheisenerzeugung wird und damit die aus der Not geborene Verbundwirtschaft
der gemischten Hüttenwerke durch eine betriebseigene Energiewirtschaft ersetzt wird.
Dies ist um so unbedenklicher, als das Problem der restlosen Vergasung von Kohle,
d. h. einer Vergasung ohne Teerbildung, gelöst ist.
-
Legt man jedoch Wert auf eine große Gichtgasabgabe, so kann die Vorwärmzone
mit Kohlenstaub beheizt werden. Dadurch wird die Gichtgasabgabe etwa auf die Menge
erhöht, die zur Zeit normalerweise der Hochofen nach Abzug seines Eigenbedarfes
abgibt.
-
Der Gasabzug ist nicht mehr an der Begichtung. Die erheblichen Gasverluste
des jetzigen Hochofenbetriebes in der Größe von 5 bis 10% der Erzeugung werden
vermieden.
-
In der Zeichnung ist ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneter Ofen schematisch dargestellt.
In der Mittelachse des
Ofens befindet sich der rechteckige Schacht mit der Vorwärmzonel, den drei Abschnitten2a,
2b, 2c, der Reduktionszone und der Schmelzzone3, die als Niederschachtofen
mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt ausgebildet ist. Der Möller wird in den
Einlaufbunker4 aufgegeben und durchläuft in der Vorwännzonel eine Röstung mit Erwärmung
auf die Reduktionstemperatur. Die Reduktion der Eisenoxyde erfolgt dann in der Reduktionszone2a
bis 2c. Der Möller mit dem fast vollkommen reduzierten Erz kommt dann in den Niederschachtofen.
Durch die Schnecke 5
wird der Koks aufgegeben, der getrocknet oder bei Hüttenkokereien
möglichst heiß zugeführt wird. Der Heißwind wird in der üblichen Weise über die
Heißwindleitung6 und die Düsen7 zugeführt.
-
Das in der Schmelzzone entstehende Gas, das keine Kohlensäure enthält,
wird durch die Abzüge 8
in die Sammelleitung 9 gedrückt und strömt
durch Leitung 10 dem untersten Abschnitt 2 c der Reduktionszone Über
die Verteilungskammer 11 zu. Es durchfließt den Schacht im Querstrom zur
Sammelkammer 12. Von hier aus wird es dem ersten Regenerator 13 zugeleitet
zur Umwandlung der Kohlensäure in Kohlenoxyd. Dem Regenerator wird durch die Leitung
14 Heißwind und durch die Leitung 15
Koks- oder Kohlenstaub in der Menge zugeführt,
wie sie die Regeneration zur Deckung sowohl des Kohlenstoffbedarfs als auch des
Wärmeverbrauches benötigt. Von Regenerator 13 geht das Gas über die Verteilungskammer
16 zu dem Zonenabschnitt 2 b
und über die Sammelkammer 17 zu
dem Regenerator 18, der in gleicher Weise wie Regenerator 13 mit Heißwind
und Brennstoff versorgt wird. Das regenerierte Gas -"vird über 19 dem Abschnitt
2 a der Reaktionszone zugeführt. Bei dem als Beispiel mit drei Reduktionsabschnitten
dargestellten Ofen verläßt nun das Gas durch die Sammelkammer 20 und die Leitung
21 die Reduktionszone. Da das Gas eine Temperatur von z. B. 950' C der Temperatur
der Reduktionszone besitzt, wird es in irgendeiner Weise, z. B. in einem Abhitzekessel
nutzbringend abgekühlt und dann gereinigt. Vorher zweigt aber bei 22 ein Teil der
Gase ab, der zur Beheizung der Vorwärmzone 1
in dem Mischbrenner verbrannt
wird. Hierzu wird durch die Leitung 24 Verbrennungsluft zugeführt. Die Verbrennung
des heißen Gases würde eine zu hohe Rauchgastemperatur ergeben, weshalb dem Brenner
durch das Gebläse 25 und die Zuführung 26
Abgas in der Menge zugesetzt
wird, daß der Möller nicht über die Reduktionstemperatur erhitzt wird. Das so geregelte
Gas wird über die Verteilungskammer 27 in die Vorwärmzone geführt, gelangt
dann in eine Umlenkkammer 28 und nach nochmaligem Durchgang in die Sammelkammer
29. Von hier strömt es durch den Kamin 30 ins Freie, nachdem vorher
durch die Leitung 31 der für die Temperaturregeluna benötigte Teil vom Gebläse
25 abgesaugt worden ist.
-
Man kann an Stelle dieser Anordnung der Zonen übereinander auch eine
Anordnung nebeneinander oder versetzt wählen, wenn man Transportvorrichtungen in
zweckentsprechender Weise vorsieht. Die Abdichtung zwischen den Zonen und Abschnitten
wird in üblicher Weise durch eine Einschnürung des Schachtes bewirkt, die Verbindung
zwischen Schacht und Kammern durch Schlitze, die den Böschungs-und Rutschwinkel
des Einsatzes Rechnung tragen.