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WO2001032940A1 - Verfahren und vorrichtungen zur leistungssteigerung und brennstoffeinsparung bei der erzeugung von eisen - Google Patents

Verfahren und vorrichtungen zur leistungssteigerung und brennstoffeinsparung bei der erzeugung von eisen Download PDF

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Publication number
WO2001032940A1
WO2001032940A1 PCT/EP2000/010245 EP0010245W WO0132940A1 WO 2001032940 A1 WO2001032940 A1 WO 2001032940A1 EP 0010245 W EP0010245 W EP 0010245W WO 0132940 A1 WO0132940 A1 WO 0132940A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
iron
furnace
production
reduction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2000/010245
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bodo Wolf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CRG Kohlenstoffrecycling GmbH
Original Assignee
CRG Kohlenstoffrecycling GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CRG Kohlenstoffrecycling GmbH filed Critical CRG Kohlenstoffrecycling GmbH
Priority to AU11398/01A priority Critical patent/AU1139801A/en
Publication of WO2001032940A1 publication Critical patent/WO2001032940A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/02—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0033—In fluidised bed furnaces or apparatus containing a dispersion of the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
    • C21B2100/28—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by separation
    • C21B2100/282—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by separation of carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing performance and saving fuel in the production of iron from iron ore or oxides, which are left in their natural state or pelletized, as fine ore or concentrate, preferably of pig iron in blast furnaces, but also of sponge iron and iron carbide in shaft furnaces, in the fluidized bed and in the entrained flow, with the help of fossil and renewable fuels, in particular hard coal and brown coal or other organic fuels such as waste and sewage sludge.
  • the invention can be used in all iron smelting processes in which the iron undergoes at least its oxidation states magnetite and wustite.
  • the production process is basically divided into two steps, the reduction of the mostly processed, hematitic ore to iron via the oxidation levels hematite, magnetite and wustite and the melting of the iron in direct combination with the reduction as with the blast furnace or externally in cupola, SM -, electric oven etc.
  • the predominant method of producing iron worldwide is the production of pig iron in blast furnaces.
  • the necessary process steps are optimally combined in such a way that the fuels are gasified in the melting zone with hot wind, the resulting high-temperature heat melts the slag and the iron, and enables the Boudouar reaction, technically referred to as "direct reduction", and that above that Shaft of gas rising from the melting zone reduces the ore.
  • Characteristic of the state of the art of process control in blast furnaces is the gasification of coke and other organic fuels and the reduction of the ore in counterflow to the bulk material, so that the process heat demand the flow rate of the gas and the respective oxidation level of the ore, the gas composition and thus the fuel utilization in the Determine the blast furnace.
  • the oxidation potential of the fuels approximately 65% of the fuels are used in the practical operation of the blast furnace.
  • An indispensable part of the blast furnace process is therefore the regenerative preheating of the process air, which uses part of the chemical enthalpy of the blast furnace gas outside the blast furnace and thus leads it back into the process.
  • Good blast furnace systems already achieve a fuel utilization of 75 to 80% when using a high proportion of expensive and scarce metallurgical coke as fuel.
  • the gas flows through the bed in counterflow.
  • the ore passes through its oxidation stages one after the other, the gas first taking up the oxygen from the wustite and the resulting gas being suitable for the reduction of magnetite and the gas present thereafter again for the reduction of hematite.
  • the inflowing gas also has the task of ensuring the temperature level necessary for the chemical reactions taking place in the furnace by transporting heat from the mold level into the shaft. Reduction potential and heat capacity are therefore forcibly coupled.
  • the reduction of hematite to iron in the countercurrent of the shaft achieves a carbon monoxide / hydrogen utilization of approximately only 50%.
  • the reducing gas is already contaminated with carbon dioxide and water vapor via these reactions and thus in its effectiveness for the reduction of wustite to iron so reduced.
  • the reduction gas requirement thus increases to approx. 170%, based on the amount of gas required for the reduction of wustite to iron.
  • the amount of gas actually to be circulated is usually significantly higher because the gas is used to introduce the kinetic energy required for fluidization into the process.
  • the process heat requirement is covered by recuperative heating of the cycle gas and additional firing as part of the preheating of solids (Paper presented at the METEC Congress 99 in Düsseldorf, Germany, from June 13-15, 1999).
  • the recuperative heat input requires a lot of equipment.
  • the same paper presents the Circofer process, in which the reducing components of the cycle gas are renewed by a partial oxidation of a coal / ore mixture integrated in the cycle process, carried out in a fluidized bed fluidized by cycle gas.
  • the generation of the reduction gas by gasification of fossil fuels, preferably coal, is thus integrated into the process.
  • the ore is reduced in two fluidized beds connected in parallel on the gas side.
  • the carbon dioxide and water formed are removed from the circuit by cooling and MEA washing.
  • the process heat requirement is also covered here by recuperative heat supply.
  • the lower expenditure for the generation of reducing gas compared to the circored process is offset by the increased expenditure for washing out the carbon dioxide in the circofer process.
  • thermodynamically advantageous for fuel utilization compared to the one-stage reduction in the fluidized bed.
  • the extent to which these thermodynamic advantages are actually being used in the management of the technical process is to be shown in the following evaluation of practical indicators of a blast furnace operation, based on 1 t of pig iron.
  • Blast furnace gas proportions in volume% CO 2 20.8 corrected * 20.3
  • the material balance shows that 286.5 m 3 was introduced with the ore and 235 m 3 with the air, a total of 521.5 m 3 oxygen / t RE, and 533 m 3 were discharged with the blast furnace gas.
  • the oxygen volume of 26 m 3 additionally introduced with the blast furnace gas was entered with the additives as carbon dioxide and with the bulk material as water.
  • thermodynamic calculations of the reduction of haematitic ore to iron for a reaction temperature of 800 ° C and a partial pressure of the reacting gas components of 1 bar show that regardless of whether the The process is carried out in shaft furnaces, e.g. blast furnaces, in stationary or circulating fluidized beds or with entrained-flow processes, only 33 m 3 with complete reduction of hematite to magnetite, 67 m 3 from magnetite to wustite, but 200 m 3 with the reduction of wustite to iron Oxygen per t of iron are to be mined, whereby, based on the oxygen absorption capacity of a carbon monoxide / hydrogen mixture as a reducing gas, the gas is thermodynamically limited in the reduction of wustite to iron by only 35%, and in the reduction of magnetite to wustite by approx. 75% and can only be used almost completely when reducing hematite to magnetite.
  • the invention is therefore based on the object, from the thermodynamic system iron-carbon-hydrogen-oxygen-sulfur (Fe-CHOS) derivable technical possibilities for increasing performance and fuel savings in the smelting of iron ore with fossil fuels process engineering and suitable for implementation Propose devices and measures accompanying the process to optimize the application.
  • Fe-CHOS thermodynamic system iron-carbon-hydrogen-oxygen-sulfur
  • the object is achieved according to the invention with a method in which the reduction of wustite to iron in fixed beds or in fluidized beds or flying clouds is carried out largely independently of the upstream reduction of hematite and magnetite and the subsequent melt as a process step which is separate in terms of process technology, by this process step on the one hand Wustite and reducing gas, preferably generated externally by gasification and / or degassing of fuels, or gaseous, liquid or solid fuels which are gasified in the process stage even by partial oxidation with air and / or oxygen to form a reducing gas, with a temperature sufficient for the reduction supplied and on the other hand iron sponge and by the absorption of oxygen from the wüstite carbon dioxide and water vapor enriched reduction residual gas, regardless of the physical enthalpy of this gas.
  • Wustite and reducing gas preferably generated externally by gasification and / or degassing of fuels, or gaseous, liquid or solid fuels which are gasified in the process
  • the iron produced in the process technology separate process stage from wustite mostly in the form of sponge iron of an internal one, as in the blast furnace, or an external melting stage, preferably an electric furnace, or also a carbonization to iron carbide, and the reduction residual gas partly partly of the internal one or external gasification of the fuels as an endothermic gasification agent, for the reduction of hematitic or magnetitic ore to wustite, as fuel gas for preheating the bulk material fed into the process or for a coke-free iron melt, similar to the Siemens Martin furnaces, or for other external use ,
  • the application of the invention in the smelting of iron ore in the blast furnace takes place according to the invention with a process control, in which the furnace the gas rising from the mold level and the lower part of the furnace at the beginning of the reduction of wustite, preferably at a temperature level of 750 ° C ⁇ 150 K.
  • the separation of the gases ascending and descending in the furnace required for carrying out the method according to the invention with complete gas removal is achieved by adjusting the pressure of the gas guided in the upper part of the furnace in cocurrent with the bulk material when it is fed to the furnace such that do not mix the gases to be discharged via the first and second gas extraction in the bed or mix them only to the intended extent.
  • the gas utilization in the furnace and the effectiveness of the gas recirculations in the furnace are increased by dedusting the gas removed from the furnace via the first gas extraction before cooling, cooling the pressure, preferably to the operating pressure of the wind heating, and recuperatively and / or regeneratively up to temperatures above 1,000 ° C is increased.
  • the process temperature in the reduction of hematite to magnetite or wustite by the gas passed through the bulk material in cocurrent is adjusted according to the invention by the heat input with the recirculated, regeneratively and / or recuperatively heated gas and optionally by admixing air and thus partial oxidation in the upper shaft area of the blast furnace.
  • a further measure for improving fuel utilization is, according to the invention, the injection of the substitute fuel instead of the usual injection lances via burners which are preferably integrated in the wind molds, which burn the substitute fuel with as much hot wind and / or oxygen during the injection, optionally with the addition of recirculated gas from the first Extract gas, blast furnace gas or externally generated reducing gas, mix as required for the complete gasification of the substitute fuel in the swirl chambers even at high injection rates and for the reduction of carbon dioxide and water vapor of the recirculated gas to carbon monoxide and hydrogen at predetermined temperatures in the mold level.
  • a maximum increase in performance of the blast furnace is achieved according to the invention in that the substitute fuel is blown in via the burners in addition to the oxygen required for the gasification of the substitute fuels and also the oxygen required for the proportionate gasification of the coke in the bulk material, the transition to " Nitrogen-free operation "by completely replacing the hot air with oxygen, the temperature level in the mold level is adjusted with gas recirculated from the first gas extraction, blast furnace gas or with externally generated reducing gas.
  • the wind heaters are used for regenerative preheating of the gas withdrawn from the furnace via the lower gas extraction and the hot wind system for returning the gas to the furnace.
  • the application of the invention with the aid of fluidized bed or entrained flow technology is carried out according to the invention in that the stationary or circulating fluidized beds forming the process stage or the entrained flow are predominantly formed from eddy or blowable iron, to which wustite is continuously fed to and from which iron is continuously removed, whereby the gas supplying the fluidized bed or the entrained flow to the process stage is preferably generated externally by gasification and has a volume ratio of the reducing components carbon monoxide and hydrogen to the oxidizing components carbon dioxide and water vapor which is smaller than that of the gas removed from the process stage.
  • the gas to be removed from the process stage formed by fluidized beds or entrained flow is also used proportionately as an endothermic gasification agent in external reduction gas production, for reducing haematitic or magnetitic ore to wustite, and as a fuel for ore preheating and production of work equipment for power processes.
  • the production of iron carbide is a particularly economical application of the invention.
  • Carbon, preferably in the form of carbon monoxide, is indispensable for the carbonization of iron to iron carbide.
  • the formation of iron carbide from iron and carbon monoxide is a pressure- and temperature-dependent chemical reaction, which requires a minimum content of carbon monoxide in this regard with the lowest possible proportions of carbon dioxide and water, but also of hydrogen.
  • the process step formed is carried out by adding sponge, swirlable or blowable iron sponge and reducing gas generated by gasification of carbonaceous fuels, the carbon monoxide content of which may be obtained through the use of coal, coke, e.g.
  • Petroleum coke, as a fuel and possibly carbon dioxide as an endothermic gasification agent and / or separation of hydrogen was raised to at least one third of the sum of carbon monoxide and hydrogen, the proportion of the oxidizing gas components carbon dioxide and water vapor together not to exceed 3% by volume, in one Partial pressure of the reacting gas components of at least 1 bar and a process temperature ⁇ 750 ° C.
  • the gas to be removed from the process step of carbonization of iron to iron carbide and the hydrogen which may occur in the production of the gas required for this purpose are used according to the invention as a reducing gas in the reduction of wustite to iron preceding carbonization.
  • iron carbide from Wüstit is produced with gasification gas generated from fossil or renewable fuels that is generated internally or externally Fuels at process pressures> 10 bar and magnetite> 25 bar, each at process temperatures from 600 to 800 ° C.
  • a device for decoupling the chemical reactions of iron ore reduction from heat transport by the gas rising in the furnace according to the invention corresponds to a shaft furnace, e.g. Blast furnace of the prior art, which according to the invention is equipped with a device, preferably a hollow cone or a tubular grate, which distributes the air supplied via one or more channels for the partial oxidation in the bulk material, preferably before the ore reduction begins.
  • a device according to the invention for using a further feature of the method according to the invention is characterized in addition to the device for the partial oxidation of the gas rising in the furnace in the bulk material by air before the start of the ore reduction by burners for gasifying the substitute fuels in the mold plane with hot air and / or oxygen, which are preferably are integrated in the wind molds and are controlled by pneumatic dense phase conveying Spray the driven, blowable substitute fuel with the hot air and / or oxygen so that the substitute fuel largely gasifies even at high blowing rates in the swirl chambers.
  • the device for realizing all the features of the method according to the invention in a solid bed in combination with the pig iron production corresponds in its lower part to a medium height to a blast furnace with the measures according to the invention described above for improving the introduction of substitute fuel, while the upper part of the device according to the invention a filling shaft and a gas-tight cylinder or truncated cone, which together with the bed form the upper gas collection duct, from which the gas is completely discharged from the furnace in a continuous countercurrent mode with or without partial gas extraction, the upper and lower part of the device with the bulk material being the lower one Form a gas collecting duct, through which the gas rising in the lower part of the furnace can be partially or completely discharged from the furnace and fed to the recycling and recycling according to the invention.
  • the device has a hot gas injection device which corresponds in its external design to a conventional wind form which, according to the invention, is equipped with oxygen with a burner for gasifying substitute fuel, preferably coal fuel dust or blowable fine coke, with either hot wind via this injection device or hot, recirculated and / or hot reducing gas from external production, which is recirculated from the first gas extraction, is introduced into the mold level of the furnace and the recirculated or supplied gas, the substitute fuel and air and / or oxygen are introduced into the mold level with the aid of the burner, that a vortex chamber is blown in the furnace in which recirculated gas Convert substitute fuel, air and / or oxygen to reducing gas at temperatures above 1,900 ° C.
  • substitute fuel preferably coal fuel dust or blowable fine coke
  • a device for implementing the method according to the invention in the solid bed which, similar to that for the production of pig iron, consists of a filling shaft and a gas-tight upper part, which together with the bed is an upper gas collection channel form, via which the combustion gas is discharged from the bulk material preheating, while, as with the device for pig iron production, the furnace upper part with the lower part and the solid bed form the lower gas collecting duct, through which the gas escaping from the bed reduced to wustite is partially removed and the one according to the invention Recovery can be supplied.
  • the lower part of the furnace is preferably closed off by a grate, via which cold reducing gas can be introduced into the furnace for the purpose of cooling the bed and, depending on the CO partial pressure in the reducing gas and the process pressure, either iron sponge or carbide can be discharged.
  • a device in the upper part of the furnace preferably a cone or tubular grate with bores, to which air is fed via a feed line for the combustion of the gas flowing in the shaft after the reduction of hematite to magnetite.
  • a special device for the production of iron carbide is also equipped with an additional gas supply, which is arranged between the grate and the lower gas collection duct, via which the separated hydrogen can be fed to the reduction process in the event of an upstream enrichment of carbon monoxide in the reducing gas.
  • Example 1 The method according to the invention for improving the use of blast furnace gas is described with the aid of FIG. 1
  • the blast furnace gas present after the cleaning is passed through a cold gas line 1 to the compression stage 2 of a turbocharger 3, where it is compressed to the permissible operating pressure of the hot air heater, partially fed to the hot air heater II 4 under operating conditions and burned there with compressed air.
  • the combustion gas cools down in the blast heater II 4, is then passed to a pressure combustion chamber 5 at a temperature of 300 to 600 ° C, where the temperature of the other part of the compressed blast furnace gas is increased to the input level of the expansion stage 6 of the turbocharger 3 with compressed air raised and relaxed while handing over the technical work required for top gas compression.
  • the turbocharger exhaust gas is cooled in the recuperator 7 and then released into the environment.
  • the air required for the blast furnace operation and the combustion of the blast furnace gas is sucked in by the compression stage of a second turbocharger 9 and compressed to the operating pressure of the existing hot wind system and preheated in the recuperator 7 by turbocharger exhaust gas.
  • the partial flow of preheated air required for the blast furnace is fed to a second blow heater 10, where it is heated to the required hot wind temperature and made available to the blast furnace via the existing hot wind system 11, while the other partial flow of compressed air is fed to the combustion chamber 5.
  • the pressure combustion gas from the combustion chamber 5, which is not required for driving the turbochargers 3 and 9, is expanded in the expansion turbine 12 by submitting technical work for the generation of electrical energy.
  • the turbine exhaust gas is discharged from the turbochargers 3 and 9 to the environment via the recuperator 7.
  • the inlets and outlets of the hot air heaters for compressed air and blast furnace gas are equipped with shut-off devices and throttle valves in such a way that the hot air heaters 4 and 10 are cyclically heated by blast furnace gas combustion under pressure and cooled
  • Example 2 The invention is used to describe FIG. 2
  • a blast furnace of the prior art is equipped in the upper shaft section with a device (hollow cone, pipe grate, etc.) 9 for introducing and distributing air 7, preferably preheated.
  • the air 7 is fed to the device 9 and the gas space 10 formed by it and the bulk material via one or more channels 8 of the bed, mixed with blast furnace gas and reacted.
  • the heat of reaction that arises raises the temperature of the bulk material, so that the reduction temperature is reached regardless of the temperature and the mass flow of the blast furnace gas.
  • This measure makes it possible to reduce the reduction gas generation in the level of the forms and the direct reduction to the mass flow required for the reduction of wustite to iron and to use the reducing gas approximately up to the thermodynamic gas equilibrium of the phase boundary iron / wustite.
  • the following economic advantages can be achieved by this measure according to the invention: Reduction of the reduction gas production in the mold level from 1,338 to 1,170 m 3 / t pig iron and thus an increase in the pig iron output up to 114%
  • the second stage of expansion can be characterized by the installation of burners 19, preferably in the wind molds 14, suitable for the gasification of substitute fuel 20, in particular coal fuel dust, with oxygen 23 and / or hot air 24.
  • the device 1 consists of the filling shaft 12, to which the bulk material 6 consisting of iron ore, coke and aggregates is fed via the lock 15.
  • the Filling shaft 12 protrudes into the upper part 5 of the furnace and forms the upper gas collecting duct 16 with this and the bulk material 6. This arrangement prevents the lock 15 from coming into direct contact with hot gas which is discharged from the furnace via the gas collecting duct 12 or supplied to the latter.
  • the gas When the gas is completely removed via the lower gas collecting duct 3, the gas is recirculated via the hot gas line 13 for the reduction of the hematite via magnetite to wustite in the furnace top 5 with direct current to the bulk material , Upper furnace part 5 or its refractory lining and lower furnace part 4 form with the bulk material 6 the lower gas collecting duct 3, from which the gas rising in the lower furnace part 4 is partially or completely removed via the hot gas line 2, depending on the selected mode of operation.
  • a device 9 is anchored in the cylindrical upper furnace part 5, in the example a cone, which forms a gas space 10 with the bulk material 6, to which combustion air 7 is supplied via the hot gas line 8 for the purpose of partial oxidation and thus raising the bulk material temperature in a continuous countercurrent mode of operation.
  • the gas which is fed in via the upper gas collecting chamber 16 is discharged again from the device 1 via the gas chamber 10, the device 9 and the hot gas line 8.
  • the device is operated in such a way that the reduction of magnetite to wustite is largely completed in the upper furnace part 5, so that mainly wustite is supplied to the lower furnace part 4, which reduces the reducing gas rising from the mold plane 11 and the direct reduction zone 17 to sponge iron.
  • the temperature level in the upper furnace part 5 can be designed by partial oxidation independently of the process control in the lower furnace part 4, the mold level 11 must be used for melting, preheating the bulk material to the melting temperature and direct reduction. released heat and the reducing gas for the gas reduction supplementary to the direct reduction are generated.
  • the furnace lower part via the wind molds 14 either, as in the prior art, hot wind supplied via the hot wind pipes 18, possibly oxygen-enriched, and substitute fuel provided via a dense flow conveyor 20 via blowing lances or, according to the invention, hot wind and substitute fuel supplied by hot wind and / or oxygen is mixed in the swirl chambers in front of the wind molds 14 by burners 19 which are preferably integrated in the wind molds 14 in such a way that an intensive material distribution which accelerates the gasification reaction is ensured.
  • the melt is withdrawn separately from the device 1, as in the prior art of pig iron production, as pig iron 21 and slag 22.
  • Example 3 The method according to the invention and the interaction of the method-carrying devices proposed with the invention are described using the example of pig iron production with the aid of FIG. 3:
  • Iron ore and pellets, coke and aggregates are fed via the locks 15 of the device according to the invention to a furnace for the pig iron production 1 as bulk material 6.
  • the bulk material 6 sinks in the device 1 in countercurrent to the reducing gas produced in the lower part 4 of the furnace, which is partly discharged from the device 1 via the lower gas collecting space 3 and the hot gas line 8.
  • the gas remaining in the furnace top 5 is after the reduction of magnetite to wustite and from hematite to magnetite in the furnace top 5 with over the hot gas line 8 and the distributor cone 9 of air supplied to the gas space 10 are largely burned.
  • the combustion gas preheats the bulk material 6, cools down in the process, and is then released at a temperature of approximately 200 ° C. via the upper gas collection duct 16 from the device 1 to the environment via a gas cleaning device 25.
  • the reduction gas is generated in the level of the wind molds 11 by gasifying coke and coal fuel dust introduced with the bulk material 6 as a substitute fuel, with oxygen and gas removed from the lower gas collecting duct 3 and returned as an endothermic gasification agent, with the aid of gas into the wind molds 14 integrated burner 19 and by direct reduction in the bed above the melting zone 17.
  • the gas removed from the lower gas collection channel 3 is cooled before use as an endothermic gasification agent in the recuperator 26, then washed in 27 and with the turbocharger 28 for the return to the Windforms 14 required pressure increased.
  • the gas is returned after reheating in the recuperator 26 and overheating in the hot-air generators 29, which according to the invention have been switched to continuous pressure operation, via the hot-gas system 18.
  • the part of the gas removed from the furnace via the gas collection space 3, which is not required for the pressure firing in the hot air heaters 29 and not as an endothermic gasification agent for the reduction gas generation in the mold plane 11, is fed to a combustion chamber 30 in which the pressure exhaust gas from the firing of the Wind heater 31 is raised to the inlet temperature of the expansion stages 32 of the turbocharger 28 by combustion with compressed air.
  • the combustion chamber 30 produces, according to the invention, working means for the turbocharger 28, which in turn expands the technical work for the compression of the gas removed from the gas collection space 3 and the generation of compressed air for the pressure firing in the hot water heaters 31 during the expansion 32 Combustion chamber 30 and in the furnace top 10 and for the air separation 33 and thus the oxygen generation, but also for the electrical power generation 34.
  • the air compressed for pressure combustion in 31, 30 and 10 is preheated in the recuperator 35 in counterflow to the turbocharger exhaust gas.
  • the main advantage of the third stage of expansion in addition to the advantages already achieved with the stages of expansion, is that the "useful gas volume" to be removed from the furnace is reduced to almost half compared to the usual top gas volumes, of which almost 30% is returned to the furnace as a gasifying agent be used while the remaining gas is used for hot gas and electrical power generation.
  • the metallurgical plant which is so energetically optimized, works with full fuel utilization including oxygen generation in an energy-self-sufficient manner.
  • Example 4 The application of the invention for the production of sponge iron and iron carbide in coupling with external coal gasification is described here using the example of FIG. 4:
  • iron carbide is a chemical reaction which is strongly dependent on process temperature and pressure.
  • the carbon monoxide concentration ultimately determines the carbonization of iron.
  • gasification gas from coal has better preconditions for the carbonization of iron than that from methane, the carbon monoxide concentration of which in the prior art is caused by thawing out water, washing of carbon dioxide and separation of hydrogen is raised, which is not necessary when applying the invention as described below.
  • Blown coal is fed via a pneumatic conveyor system 1 to the endothermic part 2 of a two-stage gasification reactor 3, where it is partially gasified endothermically to reducing gas with the gas 5 containing steam and carbon dioxide coming out of the melting chamber 4.
  • the residual coke from the gasification and the calcium sulfide are fed with the 700 to 1000 ° C reducing gas via the hot gas line 6 of the hot gas dedusting 7 and dedusted there.
  • the mixture of residual coke and calcium sulfide obtained in the dedusting unit 7 is discharged from the dedusting unit 7 via the lock 8, pneumatically conveyed to the combustion chamber 4 and gasified there with air or oxygen preheated in the recuperator 9 above the melting temperature of the coal ash.
  • the calcium sulfide is largely melted into the slag so that it is resistant to elution.
  • the reducing gas derived from the dedusting 7 is fed via a further hot gas line 10 to a hot gas fine desulfurization 11, which preferably works with iron, and is largely desulfurized there.
  • Approximately 70% of the reducing gas cleaned in this way is introduced into the reduction reactor 13 at a temperature of 700 to 900 ° C. via the gas collection chamber 12 and is distributed there into the bulk material 14 consisting of sponge iron.
  • the other part of the reducing gas is cooled in the recuperator 9 and passed as a cooling medium through a grate 15 through the bulk material 14.
  • the composition of the reducing gas is determined by the fuel and the gasification agent, so it is possible to regulate the carbon monoxide partial pressure by mixing air and oxygen in such a way that effect of pressure and temperature in the middle process stage 16, iron sponge from wustite is reduced, while in the cooling zone 18 above the grate 15, iron sponge is carbonized to iron carbide with the same gas composition. It is thus possible to obtain iron sponge from the same process in addition to iron carbide, which can be drawn off from the reactor 13 via a lock 19 from the upper region of the cooling zone 18.
  • the formation of iron carbide can also be prevented by reducing the proportion of oxidizing gas components in the cooling gas, e.g. by admixing 20 of residual reduction gas from the reduction of wustite to iron.
  • the reduction of hematitic and magnetitic ore to wustite takes place in the upper process stage 21 before the gas present thereafter is completely burned for the purpose of preheating the bulk material to the reaction temperature by supplying combustion air 22.
  • the resulting combustion gas cools down in the bulk material and is then released to the environment via gas cleaning 25.
  • this device also has a central gas collection channel 23, via which the residual reduction gas present after the “reduction to iron” process stage, which is not required for the reduction of magnetite to wustite and the bulk material preheating in the upper process stage 21, is discharged from the reactor 13 becomes.
  • This gas is used as an endothermic gasifying agent in coal gasification in the combustion chamber 4, for preheating the combustion air in the recuperator 24 and for external tasks, e.g. for covering the electrical energy requirement of the process and, if necessary, for admixing to the cooling gas 20.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Eisen, in der Wirbelschicht und im Flugstrom mit Hilfe fossiler und nachwachsender Brennstoffe, bei dem erfindungsgemäss die Reduktion Wüstit zu Eisen in einer weitgehend separaten Prozessstufe durchgeführt wird, der kontinuierlich Wüstit und Reduktionsgas aus interner oder externer Vergasung zugeführt und Eisen bzw. Eisenkarbid sowie Reduktionsgas nach Abschluss der Reduktion von Wüstit zu Eisen bei Temperaturen von 750 DEG C +/- 150 K abgeführt werden, wobei ein Teilstrom des abgeführten Gases ohne Auswaschung von Kohlendioxid als Vergasungsmittel der externen oder internen Vergasung der Brennstoffe über spezielle Gassammelräume bzw. die Windformen eines Hochofens wieder zugeführt wird. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist die unabhängige Gestaltung des Temperaturprofils in Schachtöfen durch partielle Oxidation des Gases im Oberteil des Schachtes sowie die Ausstattung der Windformen bei Hochöfen mit Brennern zur Vergasung von Ersatzbrennstoff mit Heissluft und/oder Sauerstoff.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinsparung bei der Erzeugung von Eisen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinspa- rung bei der Erzeugung von Eisen aus Eisenerz oder -oxiden, die naturbelassen oder pelletiert, als Feinerz oder Konzentrat bereitgestellt werden, vorzugsweise von Roheisen in Hochöfen, aber auch von Eisenschwamm und Eisenkarbid in Schachtöfen, in der Wirbelschicht und im Flugstrom, mit Hilfe von fossilen und nachwachsenden Brennstoffen, insbesondere von Stein- und Braunkohlen oder anderen organischen Brennstoffen, wie Müll und Klärschlamm.
Die Erfindung kann angewendet werden bei allen Prozessen der Eisenverhüttung, bei denen das Eisen mindestens seine Oxidationsstufen Magnetit und Wüstit durchläuft.
Das meiste Eisen, Basismaterial für die Stahlerzeugung, wird aus Eisenerz und mit Hilfe von Hochöfen gewonnen, auch wenn die Wiederverwendung von Schrott einen großen Teil der Stahlproduktion sichert. Der Produktionsablauf gliedert sich grundsätzlich in zwei Schritte, die Reduktion des meist aufbereiteten, hämatiti- schen Erzes zu Eisen über die Oxidationsstufen Hämatit, Magnetit und Wüstit und das Schmelzen des Eisens in direkter Kombination mit der Reduktion wie beim Hochofen oder extern in Kupol-, SM-, Elektroofen u.a.
Fundamentale Erkenntnis der Eisenmetallurgie ist, dass nur die Zerfalls- und Vergasungsprodukte der Brennstoffe geeignet sind für den Abbau des Sauerstoffs aus dem Erz, nie die Brennstoffe selbst, auch nicht das gasförmige Methan, wobei des Zerfallsprodukt Kohlenstoff an der Reduktion wegen Reaktionsträgheit wenig beteiligt ist.
Die weltweit überwiegende Methode zur Herstellung von Eisen ist die Roheisenerzeugung in Hochöfen. Bei diesem Prozess sind die erforderlichen Prozessschritte in optimaler Folge so kombiniert, dass die Brennstoffe in der Schmelzzone mit Heißwind vergast werden, die dabei anfallende Hochtemperaturwärme die Schlacke und das Eisen schmilzt sowie die Boudouarreaktion, technisch als "Direktreduktion" bezeichnet, ermöglicht und das im darüberliegenden Schacht aus der Schmelzzone aufsteigende Gas das Erz reduziert.
Die Prozessführung bei der Roheisenerzeugung mit Hilfe von Schachtöfen ist seit Jahrzehnten weitestgehend unverändert geblieben, obwohl eine Vielzahl von Maßnahmen zur Leistungssteigerung, z.B. durch Vergrößerung der Ofenabmessungen und Erhöhung des Prozessdrucks, und zur Reduzierung des Koksverbrauches, z.B. durch Einblasen von anderen Brennstoffen wie Kohle, Heizöl, Erdgas, Kokereigas, Müll, Klärschlamm, Erz sowie die Verwendung von Sauerstoff u.a. bekannt geworden sind.
Ergebnisse teilen u.a. Gudenau in der Zeitschrift "Stahl und Eisen" 117 (1997) Nr. 6 unter dem Titel "Versuche zum kombinierten Einblasen von Kohlenstaub und feinkörnigem Erz in den Hochofen" und auf dem 1tnTIMS/IEHK Metallurgical Symposium, 28/29 September 1997 in Kairo unter dem Titel "Environmental and economical benefits by injecting iron containing recyclings and steel plant residues into the blast furnace" und der VDI mit dem Handbuch "Verwertung durch Einschmelzen, Sekundärmetallgewinnung und Energienutzung bei der thermischen Behandlung von Abfällen" zum Seminar vom 22. und 23.09.1997 in Düsseldorf mit. Eine grundsätzliche Beschreibung des Hochofenprozesses gibt u.a. das Lehrbuch von Ost, H.; Rassow, B.: "Lehrbuch der chemischen Technologie", 26. Auflage, Leipzig, Barth-Verlag, 1955.
Kennzeichnend für den Stand der Technik der Prozessführung in Hochöfen ist die Vergasung von Koks und anderen organischen Brennstoffen und die Reduktion des Erzes im Gegenstrom zum Schüttgut, so dass der Prozesswärmebedarf die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und die jeweilige Oxidationsstufe des Erzes die Gaszusammensetzung und damit die Brennstoffausnutzung im Hochofen bestimmen. Bezogen auf das Oxidationspotential der Brennstoffe werden im praktischen Betrieb der Hochöfen die Brennstoffe mit annähernd 65 % ausgenutzt.
Unverzichtbarer Bestandteil des Hochofenprozesses ist deshalb die regenerative Vorwärmung der Prozessluft, die außerhalb des Hochofens einen Teil der chemischen Enthalpie des Gichtgases nutzt und damit in den Prozess zurückführt. Gute Hochofenanlagen erreichen somit bereits eine Brennstoffausnutzung von 75 bis 80 % bei Verwendung eines hohen Anteils von teurem und knappem Hüttenkoks als Brennstoff.
Trotzdem sind eine Vielzahl von Bemühungen bekannt, die Roheisenerzeugung und den Hochofenbetrieb weiter zu verbessern. Das betrifft insbesondere die Substitution von Hüttenkoks durch Ersatzbrennstoffe, die Absenkung des Brennstoffverbrauchs durch bessere Ausnutzung des Gases im Ofen, die Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute vorhandener Anlagen und die bessere externe Verwertung des Gichtgases.
So wurde mehrfach vorgeschlagen, Gichtgas durch Auswaschen von Kohlendioxid zu Reduktionsgas aufzubereiten und dieses in den Hochofen zurückzuführen. Austin, P.R. u.a. haben in ISIJ Int. 38 (1998), Nr. 3, S. 239-245 Ergebnisse von Untersuchungen über die Rezirkulation von Gichtgas in den Hochofenprozess veröffentlicht. Im Vergleich zur konventionellen Fahrweise ohne Gichtgasrezirku- lation wurde die Rezirkulation von Gichtgas ohne Auswaschen von Kohlendioxid mit und ohne Sauerstoffanreicherung des Windes und die Rezirkulation mit Auswaschen von Kohlendioxid und gleichzeitiger Anreicherung des Windes mit Sauerstoff untersucht. Nur die Variante mit Auswaschung von Kohlendioxid und gleichzeitiger Sauerstoffanreicherung führte zu Brennstoffeinsparungen und Leistungssteigerungen.
Wesentlicher Bestandteil des Standes der Technik sind weiterhin Erkenntnisse über vorteile, die sich aus der Verwendung von Sauerstoff an Stelle von Heißwind als Vergasungsmittel in den Wirbelkammern der Hochöfen ergeben.
Bei der Reduktion in Schachtöfen, z.B. in Hochöfen oder beim Corex-Verfahren, durchströmt das Gas die Schüttung im Gegenstrom. Das hat zur Folge, dass das Erz seine Oxidationsstufen nacheinander durchläuft, wobei das Gas erst den Sauerstoff aus dem Wüstit aufnimmt und das dabei entstehende Gas geeignet ist für die Reduktion von Magnetit und das danach vorliegende Gas wieder für die Reduktion von Hämatit. Das aufströmende Gas hat gleichzeitig die Aufgabe, das für die im Ofen ablaufenden chemischen Reaktionen notwendige Temperaturniveau durch Wärmetransport aus der Formenebene in den Schacht sicherzustellen. Reduktionspotential und Wärmekapazität sind somit zwangsgekoppelt. Beim Stand der Technik wird bei der Reduktion von Hämatit zu Eisen im Schachtgegenstrom eine Kohlenmonoxid/Wasserstoff-Ausnutzung von annähernd nur 50 % erreicht.
Bei der Reduktion von Eisenerz in der Wirbelschicht und in der Flugwolke mit kontinuierlicher Zugabe von Erz und kontinuierlicher Abführung von Eisen dagegen laufen die Reduktionsstufen gleichzeitig ab, deshalb wird die Gaszusam- mensetzung bestimmt von der niedrigsten Oxidationsstufe des Erzes als "Bodenkörper" im Wirbelbett, d.h. bei einer Wirbelbetttemperatur von 800 °C kann das Kohlenmonoxid/ Wasserstoff-Gemisch unter Normaldruck nur zu ca. 35 % ausgenutzt werden. Da aber in der Wirbelschicht die Reaktionen von Hämatit zu Magnetit und Magnetit zu Wüstit vorrangig und gleichzeitig zur Reduktion von Wüstit zu Eisen ablaufen, wird das Reduktionsgas bereits über diese Reaktionen mit Kohlendioxid und Wasserdampf belastet und damit in seiner Wirksamkeit für die Reduktion von Wüstit zu Eisen so reduziert. Der Reduktionsgasbedarf steigt somit auf ca. 170 %, bezogen auf die für die Reduktion von Wüstit zu Eisen erforderliche Gasmenge. Die tatsächlich umzuwälzende Gasmenge ist meist noch deutlich höher, weil mit dem Gas die für die Fluidisierung erforderliche kinetische Energie in den Prozess einzubringen ist.
Beim Stand der Technik wird dem begegnet durch Gaskreisläufe, so z.B. beim Circored-Verfahren, bei dem das Erz nacheinander eine zirkulierende und eine stationäre Wirbelschicht durchläuft und dort durch zwei parallele Wasserstoffströme reduziert wird. Diese Parallelfahrweise der Gasströme ermöglicht von vornherein nicht die bei Gegenstromfahrweise erreichbare Gasausnutzung. Dem wird begegnet durch Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsgas und einen Gaskreislauf, in dessen Folge das während der Reduktion des Erzes gebildete Wasser durch Kühlung des gesamten Kreislaufgases ausgetaut und der verbrauchte Wasserstoff durch Zuspeisung ersetzt wird. Somit sichert die Kreislauffahrweise eine hohe Brennstoffausnutzung, bei allerdings hohem Aufwand für die Umwandlung der Brennstoffe in Wasserstoff und an Energie für die Rezirkulation des Gases und die Fluidisierung der Feststoffe. Der Prozesswärmebedarf wird durch rekuperative Erwärmung des Kreislaufgases und Zufeuerung im Zuge der Feststoffvorwärmung gedeckt (Paper presented at the METEC Congress 99 in Düsseldorf, Germany, from Juni 13-15, 1999). Die rekuperative Wärmeeinkopplung erfordert einen hohen apparativen Aufwand. Mit dem selben Paper wird das Circofer-Verfahren vorgestellt, bei dem die reduzierenden Bestandteile des Kreislaufgases erneuert werden durch eine in den Kreisprozess integrierte, partielle Oxidation einer Kohle/Erz-Mischung, durchgeführt in einer durch Kreislaufgas fluidisierten Wirbelschicht. Somit wird die Erzeugung des Reduktionsgases durch Vergasung von fossilen Brennstoffen, vorzugsweise Kohle in den Prozess integriert. Das Erz wird wie beim Circored-Verfahren in zwei gasseitig parallel geschalteten Wirbelbetten reduziert, dabei gebildetes Kohlendioxid und Wasser werden durch Kühlung und MEA-Wäsche aus dem Kreislauf ausgeschleust. Der Prozesswärmebedarf wird neben der partiellen Oxidation auch hier durch rekuperative Wärmezuführung gedeckt. Dem geringeren Aufwand für die Erzeugung von Reduktionsgas gegenüber dem Circored-Verfahren steht der erhöhte Aufwand für das Auswaschen des Kohlendioxides beim Circofer-Verfahren gegenüber.
Der für beide Verfahren geltend gemachte, durch hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Gas und Feststoff erzielte gute Stoffaustausch ist untergeordnet, da in beiden Fällen die chemische Reaktion der Erzreduktion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist.
Soll in der Wirbelschicht neben der Reduktion von Hämatit zu Eisen auch noch eine Karbonisierung des Eisens zu Eisenkarbid durchgeführt werden, dann entscheidet letztlich die Eisenkarbidbildung über die Gasausnutzung. Unter den in der Eisenkarbidanlage Trinidad der Nucor gewählten Prozessbedingungen heißt das, dass gegenüber thermodynamisch optimaler Prozessführung das mehr als 100-fache der erforderlichen Gasmenge umgewälzt wird (Paper presented at the ISS 56th Ironmaking Conference in April 1997 in Chicago, IL).
Der Stand der Technik ist somit durch zwei Extreme gekennzeichnet: die anlagentechnisch perfektionierte, thermodynamisch vorteilhafte mehrstufige Verhüttung von Erz zu Roheisen im Gegenstrom zwischen Schüttung und Gas in einer Hitze im Hochofen mit der Doppelfunktion des in der Formenebene erzeugten Reduktionsgases und daraus resultierender, ungenügender Brennstoffausnutzung und
die vom Schmelzvorgang abgekoppelte, einstufige Reduktion des Erzes in der Wirbelschicht mit Kreislaufgas und damit vollständiger Brennstoffausnutzung bei hohem Apparate- und Energieaufwand.
Mit Bezug auf den fortgeschrittenen Stand der Verhüttung von Eisenerz im Hochofen ist erst einmal festzustellen, dass die schrittweise Reduktion des Erzes über die Oxidationsstufen Hämatit, Magnetit, Wüstit, Eisen im Hochofenschacht gegenüber der einstufigen Reduktion im Wirbelbett thermodynamisch vorteilhaft für die Brennstoffausnutzung ist. Inwieweit diese thermodynamischen Vorteile bei der Führung des technischen Prozesses derzeit wirklich genutzt werden, soll die nachfolgende Bewertung praktischer Kennziffern eines Hochofenbetriebes, bezogen auf 1 t Roheisen, zeigen.
Brennstoffeinsatz: Koks 311 kg
Steinkohle 185 kg
Luft: Volumen 976 m3
Sauerstoffanteil 24 %
Temperatur 1.228 °C
ad. Flammentemp. 2.150 °C Formgasvolumen : 1.338 m3
Gichtgas: Anteile in Volumen-% CO2 20,8 korrigiert* 20,3
CO 25,1 25,3
H2 3,5 3,5
H2O 2,5 2,0
N2 48,1 48,9
Volumen m3/t RE
(aus Stickstoffbil.) 1.541 1.515
Die Stoffbilanz ergibt, dass mit dem Erz 286,5 m3 und mit der Luft 235 m3, zusammen 521.5 m3 Sauerstoff/t RE, eingebracht und mit dem Gichtgas 533 m3 ausgebracht wurden. Das mit dem Gichtgas darüber hinaus ausgebrachte Sauerstoffvolumen von 26 m3 wurde mit den Zuschlägen als Kohlendioxid und mit dem Schüttgut als Wasser eingetragen.
* Für nachfolgende Berechnungen korrigiert um Kohlendioxid und Feuchte aus Zuschlägen bzw. Schüttung.
Mit dem Gichtgas werden somit 338 m3 Kohlendioxid und Wasser ausgetragen, entstanden im Zuge der Eisenreduktion. Die Bildung von Kohlendioxid und Wasser aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff während der Reduktion von Hämatit zu Magnetit und von Magnetit zu Wüstit errechnet sich zu 191 m3, d.h. bei der Reduktion von Wüstit zu Eisen wurden nur 147 m3 Kohlendioxid und Wasser gebildet, was einer Reduktionsgasausnutzung von 19 % entspricht.
Die thermodynamischen Berechnungen der Reduktion von hämatitischem Erz zu Eisen für eine Reaktionstemperatur von 800 °C und einem Partialdruck der reagierenden Gasbestandteile von 1 bar zeigen, dass unabhängig davon, ob der Prozess in Schachtöfen, z.B. Hochöfen, in stationären oder zirkulierenden Wirbelschichten oder mit Flugstromverfahren durchgeführt wird, bei jeweils vollständiger Reduktion von Hämatit zu Magnetit nur 33 m3, von Magnetit zu Wüstit 67 m3, bei der Reduktion von Wüstit zu Eisen aber 200 m3 Sauerstoff je t Eisen abzubauen sind, wobei, bezogen auf die Sauerstoffaufnahmefähigkeit eines Kohlenmon- oxid/Wasserstoff-Gemisches als Reduktionsgas, das Gas thermodynamisch bedingt bei der Reduktion von Wüstit zu Eisen nur mit 35 %, bei der Reduktion von Magnetit zu Wüstit zu ca. 75 % und nur bei der Reduktion von Hämatit zu Magnetit annähernd vollständig ausgenutzt werden kann.
Wird für den Hochofenprozess unterstellt, dass entsprechend dem praktischen Temperaturniveau bei der Reduktion von Hämatit zu Magnetit und Magnetit zu Wüstit die Direktreduktion von untergeordneter Rolle ist, und wird der Sauerstoff im Gichtgas um den mit den Zuschlägen eingebrachten und den während der Reduktion von Hämatit- und Magnetit aufgenommenen reduziert, dann errechnet sich für das aus der Prozessstufe "Reduktion von Wüstit zu Eisen" austretende Gas ein gebundenes Sauerstoffvolumen von 421 ,5 m3, davon 186,5 m3 aus dem Erz und 235 m3 aus dem Wind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, aus den dem thermodynamischen System Eisen-Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Schwefel (Fe-C-H-O-S) ableitbaren technischen Möglichkeiten zur Leistungssteigerung und Brennstoffeinsparung bei der Verhüttung von Eisenerz mit fossilen Brennstoffen verfahrenstechnisch zu nutzen und für die Durchführung geeignete Vorrichtungen sowie das Verfahren flankierende Maßnahmen zur Optimierung der Anwendung vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale unabhängiger Ansprüche gelöst, die auch unabhängig voneinander technisch genutzt werden können und eine schrittweise Umrüstung vorhandener Vorrichtungen auf das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, bei dem die Reduktion von Wüstit zu Eisen in Festbetten oder in Wirbelschichten bzw. Flugwolken weitgehend unabhängig von der vorgeschalteten Reduktion von Hämatit und Magnetit und der nachfolgenden Schmelze als verfahrenstechnisch separate Prozessstufe durchgeführt wird, indem dieser Prozessstufe einerseits Wüstit und Reduktionsgas, vorzugsweise extern durch Vergasung und/oder Entgasung von Brennstoffen erzeugt, oder gasförmige, flüssige bzw. feste Brennstoffe, die in der Prozessstufe selbst durch partielle Oxidation mit Luft und/oder Sauerstoff zu Reduktionsgas vergast werden, mit für die Reduktion ausreichender Temperatur zugeführt und andererseits Eisenschwamm und durch die Aufnahme von Sauerstoff aus dem Wüstit kohlendioxid- und wasserdampfangereichertes Reduktionsrestgas, unabhängig von der physikalischen Enthalpie dieses Gases, abgeführt werden.
Es ist erfindungsgemäß, dass das in der verfahrenstechnisch separaten Prozessstufe aus Wüstit meist in Form von Eisenschwamm erzeugte Eisen einer internen, wie beim Hochofen, oder einer externen Schmelzstufe, vorzugsweise einem Elektroofen, oder aber auch einer Karbonisierung zu Eisenkarbid und das Reduktionsrestgas jeweils teilweise der internen oder externen Vergasung der Brennstoffe als endothermes Vergasungsmittel, zur Reduktion von hämatitischem oder magnetitischem Erz zu Wüstit, als Brenngas für die Vorwärmung des dem Prozess zugefahrenen Schüttgutes oder für eine koksfreie Eisenschmelze, ähnlich den Siemens-Martin-Öfen, oder einer anderen externen Nutzung zugeführt wird. Die Anwendung der Erfindung bei der Verhüttung von Eisenerz im Hochofen erfolgt erfindungsgemäß mit einer Prozessführung, bei der dem Ofen das aus der Formenebene und dem unteren Teil des Ofens aufsteigende Gas bei Beginn der Reduktion des Wüstits vorzugsweise bei einem Temperaturniveau von 750 °C ± 150 K über einen unteren Gassammelkanal teilweise oder ganz entnommen wird, wovon dem Ofen über die Formenebene ein solcher Anteil ohne Abtrennung von Kohlendioxid wieder zugeführt wird, wie für die Einstellung der gewünschten Temperatur in der Schmelzzone von vorzugsweise 2.000 bis 2.150 °C in Abhängigkeit von den dort für die Vergasung zur Verfügung stehenden Brennstoffen, der Temperatur und Sauerstoffkonzentration des Windes, bis hin zu reinem Sauerstoff, erforderlich ist, wobei bei der teilweisen Entnahme mindestens soviel Gas im Ofen verbleibt und weiter im Gegenstrom zum Schüttgut bis zu einem oberen Gassammelkanal strömt, wie für die Reduktion von Magnetit zu Wüstit erforderlich ist, während bei vollständiger Gasentnahme ein weiterer Teilstrom, ausreichend für die Reduktion von Hämatit zu Wüstit und zur Sicherung der dafür erforderlichen Reaktionstemperatur durch partielle Oxidation mit Luft über den oberen Gassammelkanal in den Oberteil des Ofenschachtes rückgeführt und über eine mittlere Gasentnahme, die in der Höhe zwischen dem oberen und unteren Gassammelkanal erfolgt, wieder aus dem Ofen abgeführt wird, nachdem dieser Gasteilstrom das Schüttgut im Gleichstrom durchströmt, dieses auf Reaktionstemperatur vorgewärmt und das hämatitische Erz zu Wüstit reduziert hat.
Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei vollständiger Gasentnahme erforderliche Trennung der im Ofen auf- und absteigenden Gase wird erreicht, indem der Druck des im Oberteil des Ofens im Gleichstrom mit dem Schüttgut geführten Gases bei seiner Zuführung zum Ofen erfindungsgemäß so eingestellt wird, dass sich die über die erste und zweite Gasentnahme abzuführenden Gase in der Schüttung nicht oder nur im beabsichtigten Umfang vermischen. Erfindungsgemäß wird die Gasausnutzung im Ofen und die Wirksamkeit der Gasrückführungen in den Ofen erhöht, indem das über die erste Gasentnahme dem Ofen entnommene Gas vor der Rückführung entstaubt, gekühlt, im Druck vorzugsweise auf Betriebsdruck der Winderhitzung sowie rekuperativ und/oder regenerativ bis auf Temperaturen über 1.000 °C erhöht wird.
Es ist auch erfindungsgemäß, das im Ofen befindliche Gas ohne Entnahme von Gas über die untere Gasentnahme vor Einsetzen der Reduktion von Hämatit zu Magnetit durch Zuführung von Luft im Ofen temperaturerhöhend partiell zu oxidie- ren oder bei teilweiser Gasentnahme über die untere Gasentnahme vorzugsweise vollständig zu verbrennen und das oxidierte Gas bzw. das anfallende Verbrennungsgas zur Vorwärmung des Schüttgutes auf 600 bis 700 °C im Ofen selbst zu verwenden und dabei auf vorzugsweise 150 bis 250 °C abzukühlen.
Die Prozesstemperatur bei der Reduktion von Hämatit zu Magnetit oder Wüstit durch das im Gleichstrom durch das Schüttgut geführte Gas wird erfindungsgemäß eingestellt durch den Wärmeeintrag mit dem rezirkulierten, regenerativ und/oder rekuperativ erwärmten Gas und gegebenenfalls durch Zumischung von Luft und damit partielle Oxidation im oberen Schachtbereich des Hochofens.
Erfindungsgemäß ist es auch, Gas aus der unteren Gasentnahme einem externen Prozess zur Vergasung von Ersatzbrennstoff zu Reduktionsgas für die Einblasung in den Hochofen bei der Roheisenerzeugung, die Eisenschwamm- und Eisenkarbiderzeugung als Vergasungsmittel zuzufahren oder unter erhöhtem Prozessdruck direkt für die Eisenkarbiderzeugung zu nutzen.
Die Verwertung des bei der teilweisen Entnahme von Gas aus der unteren Gasentnahme nicht als Vergasungsmittel in den Ofen rückgeführten bzw. des aus der oberen Gasentnahme entnommenen Gases erfolgt nach dessen Entstaubung und Reinigung sowie Druckerhöhung vorzugsweise auf Heißwinddruck außerhalb des Ofens erfindungsgemäß, indem es in den Winderhitzern zum Zwecke der regenerativen Luft- oder Gaserhitzung und in Zusatzbrennkammern unter Druck verbrannt wird zu Arbeitsmittel für vorzugsweise Turbolader, die für die prozessinterne Luft- und Gasverdichtung sowie Drucklufterzeugung für die Luftzerlegung eingesetzt werden, aber auch für Expansionsturbinenanlagen zur Stromerzeugung.
Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Brennstoffausnutzung ist erfindungsgemäß die Einblasung des Ersatzbrennstoffes an Stelle über übliche Einblaslanzen über vorzugsweise in die Windformen integrierte Brenner, die den Ersatzbrennstoff während der Einblasung mit so viel Heißwind und/oder Sauerstoff, gegebenenfalls unter Zugabe von rezirkuliertem Gas aus der ersten Gasentnahme, Gichtgas oder extern erzeugtem Reduktionsgas, vermischen, wie für die vollständige Vergasung des Ersatzbrennstoffes in den Wirbelkammern auch bei hohen Einblasraten und für die Reduktion des Kohlendioxides und des Wasserdampfes des rezirkulierten Gases zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei vorgegebenen Temperaturen in der Formenebene erforderlich ist.
Eine maximale Leistungssteigerung des Hochofens wird erfindungsgemäß erreicht, indem mit dem Ersatzbrennstoff über die Brenner neben dem für die Vergasung der Ersatzbrennstoffe erforderlichen, auch der für die anteilige Vergasung des im Schüttgut befindlichen Kokses erforderliche Sauerstoff eingeblasen wird, wobei auch in diesem Falle des Übergangs zum "Stickstofffreibetrieb" durch vollständigen Ersatz der Heißluft durch Sauerstoff das Temperaturniveau in der Formenebene mit aus der ersten Gasentnahme rezirkuliertem Gas, Gichtgas oder mit extern erzeugtem Reduktionsgas eingestellt wird. Erfindungsgemäß werden bei Realisierung des Stickstofffreiprozesses in Hochöfen die Winderhitzer zur regenerativen Vorwärmung des dem Ofen über die untere Gasentnahme entnommenen Gases und das Heißwindsystem für die Rückführung des Gases zum Ofen verwendet.
Die Anwendung der Erfindung mit Hilfe der Wirbelschicht- oder Flugstromtechnik erfolgt erfindungsgemäß, indem die die Prozessstufe bildenden, stationären oder zirkulierenden Wirbelschichten oder der Flugstrom überwiegend aus wirbel- oder blasfähigem Eisen gebildet werden, denen kontinuierlich Wüstit zu und aus denen Eisen kontinuierlich abgeführt wird, wobei das die Wirbelschicht oder den Flugstrom antreibende, der Prozessstufe zugeführte Gas vorzugsweise durch Vergasung extern erzeugt wird und ein Volumenverhältnis der reduzierenden Bestandteile Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu den oxidierenden Bestandteilen Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist, das kleiner ist als das des aus der Prozessstufe abgeführten Gases.
Es ist aber auch erfindungsgemäß, das aus der durch Wirbelschicht oder Flugwolke gebildeten Prozessstufe abzuführende Gas im Druck zu erhöhen und in den Prozess zurückzuführen, wobei entweder gleichzeitig Brennstoff, Luft und/oder Sauerstoff zugeführt oder vor der Rückführung Kohlendioxid und Wasser aus dem Gas entfernt werden.
Das aus der durch Wirbelschichten oder Flugstrom gebildeten Prozessstufe abzuführende Gas wird neben der Rezirkulation erfindungsgemäß auch anteilig verwendet als endothermes Vergasungsmittel bei der externen Reduktionsgaserzeugung, zur Reduktion von hämatitischem oder magnetitischem Erz zu Wüstit sowie als Brennstoff für die Erzvorwärmung und Erzeugung von Arbeitsmittel für Kraftprozesse. Die Produktion von Eisenkarbid ist ein besonders wirtschaftlicher Anwendungsfall der Erfindung. Für die Karbonisierung von Eisen zu Eisenkarbid ist Kohlenstoff, vorzugsweise in Form von Kohlenmonoxid, unentbehrlich. Die Bildung von Eisenkarbid aus Eisen und Kohlenmonoxid ist eine druck- und temperaturabhängige chemische Reaktion, die einen diesbezüglichen Mindestgehalt an Kohlenmonoxid bei möglichst niedrigen Anteilen Kohlendioxid und Wasser aber auch an Wasserstoff erfordert.
Erfindungsgemäß wird deshalb die Produktion von Eisenkarbid unter Normaldruck aus Eisenschwamm in einer durch stationäre Schutt- oder Wirbelschicht, zirkulierende Wirbelschicht oder durch Flugstrom u.a. gebildete Prozessstufe durchgeführt, indem der Prozessstufe schürt-, wirbel- bzw. blasfähiger Eisenschwamm und durch Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugtes Reduktionsgas zugeführt wird, dessen Kohlenmonoxidgehalt gegebenenfalls durch die Verwendung von Kohle, Koks, z.B. Petrolkoks, als Brennstoff und gegebenenfalls Kohlendioxid als endothermes Vergasungsmittel und/oder Abtrennung von Wasserstoff auf mindestens ein Drittel der Summe aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff angehoben wurde, wobei der Anteil der oxidierenden Gasbestandteile Kohlendioxid und Wasserdampf zusammen 3 Vol.-% nicht überschreiten soll, bei einem Partialdruck der reagierenden Gasbestandteile von mindestens 1 bar und einer Prozesstemperatur <750 °C.
Das aus der Prozessstufe Karbonisierung von Eisen zu Eisenkarbid abzuführende Gas und der bei der Herstellung des dafür erforderlichen Gases gegebenenfalls anfallende Wasserstoff wird erfindungsgemäß verwendet als Reduktionsgas bei der der Karbonisierung vorangehenden Reduktion von Wüstit zu Eisen.
Die Produktion von Eisenkarbid aus Wüstit erfolgt erfindungsgemäß mit prozessintern oder -extern erzeugtem Vergasungsgas aus fossilen oder nachwachsenden Brennstoffen bei Prozessdrücken >10 bar und aus Magnetit >25 bar, jeweils bei Prozesstemperaturen von 600 bis 800 °C.
Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in stationären und zirkulierenden Wirbelschichten und im Flugstrom können die bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen bei geringfügiger Modifikation eingesetzt werden, da die Merkmale der Erfindung erreicht werden durch die erfindungsgemäßen Vorgaben an die Qualität der zu- und abgeführten Stoffe sowie die Art der Energiezuführung.
Die Realisierung der Erfindung in Festbettschüttungen in Schachtöfen, z.B. Hochöfen, erfordert jedoch teilweise eine grundsätzliche Weiterentwicklung der Vorrichtungen und deren peripherer Anlagen, die nachfolgend erfindungsgemäß gekennzeichnet werden.
Eine Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Entkopplung der chemischen Reaktionen der Eisenerzreduktion vom Wärmetransport durch das im Ofen aufsteigende Gas entspricht einem Schachtofen, z.B. Hochofen des Standes der Technik, der erfindungsgemäß mit einer Einrichtung, vorzugsweise einem Hohlkegel oder einem Rohrrost, ausgerüstet wird, die die über einen oder mehrere Kanäle zugeführte Luft für die partielle Oxidation im Schüttgut, vorzugsweise vor Beginn der Erzreduktion, verteilt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung eines weiteren Merkmals des erfindungsgemäßen Verfahrens ist neben der Einrichtung zur partiellen Oxidation des im Ofen aufsteigenden Gases im Schüttgut durch Luft vor Beginn der Erzreduktion gekennzeichnet durch Brenner zur Vergasung der Ersatzbrennstoffe in der Formenebene mit Heißluft und/oder Sauerstoff, die vorzugsweise in die Windformen integriert sind und den über pneumatische Dichtstromförderung zu- gefahrenen, blasfähigen Ersatzbrennstoff mit der Heißluft und/oder dem Sauerstoff so zerstäuben, dass der Ersatzbrennstoff auch bei hohen Einblasraten in den Wirbelkammern weitgehend vergast.
Die Vorrichtung zur Realisierung aller Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Feststoffschüttung in Kombination mit der Roheisenerzeugung entspricht in ihrem unteren Teil bis in mittlerer Höhe einem Hochofen mit den bereits beschriebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Verbesserung des Eintrags von Ersatzbrennstoff, während der obere Teil der Vorrichtung erfindungsgemäß aus einem Füllschacht und einem gasdichten Zylinder oder Kegelstumpf besteht, die mit der Schüttung den oberen Gassammelkanal bilden, aus dem bei durchgängiger Gegenstromfahrweise mit oder ohne teilweiser Gasentnahme das Gas vollständig aus dem Ofen abgeführt wird, wobei Ober- und Unterteil der Vorrichtung mit dem Schüttgut den unteren Gassammelkanal bilden, über den das im Unterteil des Ofens aufsteigende Gas teilweise oder ganz aus dem Ofen abgeleitet und der erfindungsgemäßen Rückführung und Verwertung zugeführt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Heißgaseinblas- vorrichtung auf, die in ihrer äußeren Gestaltung einer üblichen Windform entspricht, welche erfindungsgemäß mit einem Brenner zur Vergasung von Ersatzbrennstoff, vorzugsweise Kohlebrennstaub oder blasfähiger Feinkoks, mit Sauerstoff ausgerüstet ist, wobei über diese Einblasvorrichtung entweder Heißwind oder heißes, aus der ersten Gasentnahme rezirkuliertes und/oder heißes Reduktionsgas aus externer Produktion in die Formenebene des Ofens eingeleitet wird und mit Hilfe des Brenners das rück- oder zugeführte Gas, der Ersatzbrennstoff sowie Luft und/oder Sauerstoff in die Formenebene so eingebracht werden, dass im Ofen eine Wirbelkammer freigeblasen wird, in der sich rückgeführtes Gas, Ersatzbrennstoff, Luft und/oder Sauerstoff bei Temperaturen von über 1.900 °C zu Reduktionsgas umsetzen.
Für die Erzeugung von Eisenschwamm oder Eisenkarbid aus körnigem, stückigem oder pelletiertem Eisenerz wird vorzugsweise eine Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Feststoffschüttung vorgeschlagen, die ähnlich der für die Roheisenerzeugung aus einem Füllschacht und einem gasdichten Oberteil besteht, die mit der Schüttung einen oberen Gassammelkanal bilden, über den das Verbrennungsgas aus der Schüttgutvorwärmung abgeführt wird, während, wie bei der Vorrichtung zur Roheisenerzeugung, das Ofenoberteil mit dem Unterteil und der Feststoffschüttung den unteren Gassammelkanal bilden, über den das aus der zu Wüstit reduzierten Schüttung austretende Gas teilweise entnommen und der erfindungsgemäßen Verwertung zugeführt werden kann. Das Unterteil des Ofens wird vorzugsweise durch einen Rost abgeschlossen, über den zum Zweck der Kühlung der Schüttung kaltes Reduktionsgas in den Ofen eingeleitet und in Abhängigkeit vom CO-Partialdruck im Reduktionsgas und dem Prozessdruck entweder Eisenschwamm oder -karbid ausgetragen werden kann. Wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Roheisenerzeugung befindet sich im oberen Teil des Ofens eine Einrichtung, vorzugsweise ein Kegel oder Rohrrost mit Bohrungen, der über eine Zuleitung Luft für die Verbrennung des nach der Reduktion von Hämatit zu Magnetit im Schacht strömenden Gases zugeführt wird.
Eine spezielle Vorrichtung zur Erzeugung von Eisenkarbid ist darüber hinaus mit einer zusätzlichen Gaszuführung, die zwischen Rost und unterem Gassammelkanal angeordnet ist, ausgerüstet, über die im Falle einer vorgeschalten Anreicherung von Kohlenmonoxid im Reduktionsgas der separierte Wasserstoff dem Re- duktionsprozess zugeführt werden kann. Ausführungsbeispiele
Beispiel 1 Beschrieben wird die erfindungsgemäße Methode zur Verbesserung der Gichtgasverwertung mit Hilfe der Figur 1
Das nach der Reinigung vorliegende Gichtgas wird über eine Kaltgasleitung 1 zur Kompressionsstufe 2 eines Turboladers 3 gefahren, dort auf den zulässigen Betriebsdruck der Winderhitzer verdichtet, dem unter Betriebsbedingungen befindlichen Winderhitzer II 4 teilweise zugeleitet und dort mit Druckluft verbrannt. Das Verbrennungsgas kühlt sich im Winderhitzer II 4 ab, wird danach mit einer Temperatur von 300 bis 600 °C zu einer Druckbrennkammer 5 geleitet, dort durch Verbrennen des anderen Teils des komprimierten Gichtgases mit Druckluft in seiner Temperatur auf das Eingangsniveau der Expansionsstufe 6 des Turboladers 3 angehoben und unter Abgabe der für die Gichtgaskompression erforderlichen technischen Arbeit entspannt. Das Turboladerabgas wird im Rekuperator 7 gekühlt und danach an die Umgebung abgegeben.
Die für den Hochofenbetrieb und die Verbrennung des Gichtgases erforderliche Luft wird von der Kompressionsstufe eines zweiten Turboladers 9 angesaugt und auf den Betriebsdruck des vorhandenen Heißwindsystems komprimiert und im Rekuperator 7 durch Turboladerabgas vorgewärmt. Der für den Hochofen benötigte Teilstrom vorgewärmter Luft wird einem zweiten Winderhitzer 10 zugeleitet, dort auf geforderte Heißwindtemperatur erhitzt und über das vorhandene Heißwindsystem 11 dem Hochofen zur Verfügung gestellt, während der andere Teilstrom der Druckluft der Brennkammer 5 zugefahren wird. Das für den Antrieb der Turbolader 3 und 9 nicht benötigte Druckverbrennungsgas aus der Brennkammer 5 wird in der Expansionsturbine 12 unter Abgabe von technischer Arbeit für die Erzeugung von Elektroenergie entspannt. Das Turbinenabgas wird wie das aus den Turboladern 3 und 9 über den Rekuperator 7 an die Umgebung abgeführt. Die Zu- und Ableitungen der Winderhitzer für Druckluft und Druckgichtgas sind so mit Absperrorganen und Drosselklappen ausgerüstet, dass die Winderhitzer 4 und 10 zyklisch durch Gichtgasverbrennung unter Druck aufgeheizt und durch Winderhitzung abgekühlt werden.
Beispiel 2 Beschrieben wird mit Hilfe von Figur 2 die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Produktion von Roheisen wie folgt:
Ausbaustufe 1
Ein Hochofen des Standes der Technik wird erfindungsgemäß im oberen Schachtabschnitt mit einer Einrichtung (Hohlkegel, Rohrrost u.a.) 9 zum Einbringen und Verteilen von Luft 7, vorzugsweise vorgewärmt, ausgestattet. Die Luft 7 wird der Einrichtung 9 und von diesem und dem Schüttgut gebildeten Gasraum 10 über einen oder mehrere Kanäle 8 der Schüttung zugeführt, mit Gichtgas vermischt und zur Reaktion gebracht. Die dabei anfallende Reaktionswärme hebt die Temperatur des Schüttgutes an, so dass die Reduktionstemperatur unabhängig von der Temperatur und dem Massenstrom des Gichtgases erreicht wird.
Mit dieser Maßnahme wird es möglich, die Reduktionsgaserzeugung in der Ebene der Formen und der Direktreduktion auf den für die Reduktion von Wüstit zu Eisen erforderlichen Massenstrom zu reduzieren und das Reduktionsgas annähernd bis zum thermodynamischen Gasgleichgewicht der Phasengrenze Eisen/Wüstit entsprechend auszunutzen. Im Vergleich zum im Stand der Technik beschriebenen Hochofen können durch diese erfindungsgemäße Maßnahme folgende wirtschaftlichen Vorteile erzielt werden: Absenkung der Reduktionsgaserzeugung in der Formenebene von 1.338 auf 1.170 m3/t Roheisen und damit Steigerung der Roheisenleistung auf bis zu 114 %
Senkung des spezifischen Brennstoffverbrauchs um 14 %, d a v o n
Senkung des Koksverbrauchs um 30 von 311 auf 281 kg/t Roheisen
Senkung der Kohleeinblasung um 42 von 185 auf 143 kg/t Roheisen.
Ausbaustufe 2
Die zweite Ausbaustufe kann gekennzeichnet sein durch den Einbau von Brennern 19, vorzugsweise in die Windformen 14, geeignet zur Vergasung von Ersatzbrennstoff 20, insbesondere von Kohlebrennstaub, mit Sauerstoff 23 und/oder Heißluft 24.
Mit dieser Maßnahme gelingt es, den Ersatzbrennstoff in den Wirbelkammern weitgehend zu Reduktionsgas zu vergasen, die Beeinflussung der Gasdurch- gängigkeit des Schüttgutes durch den Ersatzbrennstoff zu reduzieren, die Einblasrate für Ersatzbrennstoff zu erhöhen und die Koksrate weiter, möglicherweise bis zum technologisch bedingten Minimum, zu senken.
Ausbaustufe 3
Die Vorrichtung 1 besteht aus dem Füllschacht 12, dem über die Schleuse 15 das Schüttgut 6, bestehend aus Eisenerz, Koks und Zuschlägen zugeführt wird. Der Füllschacht 12 ragt in das Ofenoberteil 5 und bildet mit diesem und dem Schüttgut 6 den oberen Gassammelkanal 16. Diese Anordnung verhindert den Direktkontakt der Schleuse 15 mit heißem Gas, das über den Gassammelkanal 12 aus dem Ofen abgeführt oder diesem zugeführt wird. Die bei durchgängiger Gegen- stromfahrweise erforderliche Gasableitung aus dem oberen Sammelkanal 16 erfolgt über die Heißgasleitung 13. Bei vollständiger Gasentnahme über den unteren Gassammelkanal 3 erfolgt über die Heißgasleitung 13 die Gasrückführung für die Reduktion des Hämatit über Magnetit zu Wüstit im Ofenoberteil 5 bei Gleichstrom zum Schüttgut. Ofenoberteil 5 oder dessen Feuerfestzustellung und Ofenunterteil 4 bilden mit dem Schüttgut 6 den unteren Gassammelkanal 3, dem über die Heißgasleitung 2 das im Ofenunterteil 4 aufsteigende Gas, je nach gewählter Betriebsweise, teilweise oder ganz entnommen wird.
Im zylindrischen Ofenoberteil 5 ist eine Einrichtung 9 verankert, im Beispiel ein Kegel, die mit dem Schüttgut 6 einen Gasraum 10 bildet, dem bei durchgängiger Gegenstromfahrweise über die Heißgasleitung 8 Verbrennungsluft 7 zum Zwecke der partiellen Oxidation und damit Anhebung der Schüttguttemperatur zugeführt wird. Bei Gleichstromfahrweise im Ofenoberteil 5 wird das über den oberen Gas- sammelraum 16 zugefahrene Gas über den Gasraum 10, die Einrichtung 9 und die Heißgasleitung 8 wieder aus der Vorrichtung 1 abgeführt. Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung so betrieben, dass im Ofenoberteil 5 die Reduktion von Magnetit zu Wüstit weitgehend abgeschlossen wird, so dass dem Ofenunterteil 4 überwiegend Wüstit zugeführt wird, das das aus der Formenebene 11 und der Direktreduktionszone 17 aufsteigende Reduktionsgas zu Eisenschwamm reduziert.
Während erfindungsgemäß das Temperaturniveau im Ofenoberteil 5 durch partielle Oxidation unabhängig von der Prozessführung im Ofenunterteil 4 gestaltet werden kann, muss in der Formenebene 11 die für das Schmelzen, die Vorwärmung des Schüttgutes auf Schmelztemperatur und die Direktreduktion erfor- derliche Wärme freigesetzt und das Reduktionsgas für die die Direktreduktion ergänzende Gasreduktion erzeugt werden.
Zu diesem Zwecke wird dem Ofenunterteil über die Windformen 14 entweder, wie beim Stand der Technik, über die Heißwindleitungen 18 zugeführter Heißwind, gegebenenfalls sauerstoffangereichert, und über eine Dichtstromförderung 20 bereitgestellter Ersatzbrennstoff über Einblaslanzen oder aber erfindungsgemäß, Heißwind und Ersatzbrennstoff zugefahren, der durch Heißwind und/oder Sauerstoff über vorzugsweise in die Windformen 14 integrierte Brenner 19 so in den Wirbelkammern vor den Windformen 14 vermischt wird, dass eine, die Vergasungsreaktion beschleunigende intensive Stoffverteilung sichergestellt ist. Die Schmelze wird aus der Vorrichtung 1 , wie beim Stand der Technik der Roheisenerzeugung, getrennt als Roheisen 21 und Schlacke 22 abgezogen.
Der wirtschaftliche Vorteil dieser Ausbaustufe besteht darin, dass der Ofen auf "Stickstofffreibetrieb" umgestellt und damit seine Leistung auf 135 bis 150 % gesteigert werden kann.
Beispiel 3 Beschrieben wird das erfindungsgemäße Verfahren und das Zusammenwirken der mit der Erfindung vorgeschlagenen verfahrenstragenden Vorrichtungen am Beispiel der Roheisenerzeugung mit Hilfe von Figur 3:
Eisenerz und -pellets, Koks und Zuschläge werden über die Schleusen 15 der erfindungsgemäßen Vorrichtung eines Ofens für die Roheisenerzeugung 1 als Schüttgut 6 zugeführt. Das Schüttgut 6 sinkt in der Vorrichtung 1 im Gegenstrom zum im Ofenunterteil 4 produzierten Reduktionsgas, das teilweise über den unteren Gassammeiraum 3 und die Heißgasleitung 8 aus der Vorrichtung 1 abgeleitet wird. Das im Ofenoberteil 5 verbleibende Gas wird nach Abschluss der Reduktion von Magnetit zu Wüstit und von Hämatit zu Magnetit im Ofenoberteil 5 mit über die Heißgasleitung 8 und den Verteilerkegel 9 zugeführter Luft im Gasraum 10 weitgehend verbrannt. Das Verbrennungsgas wärmt das Schüttgut 6 vor, kühlt sich dabei ab, und wird danach mit einer Temperatur von ca. 200 °C über den oberen Gassammelkanal 16 aus der Vorrichtung 1 über eine Gasreinigung 25 an die Umgebung abgegeben.
Die Erzeugung des Reduktionsgases erfolgt in der Ebene der Windformen 11 durch Vergasung von mit dem Schüttgut 6 eingebrachtem Koks und Kohlebrenn- staub als Ersatzbrennstoff, mit Sauerstoff und ohne Kohlendioxidentfernung rückgeführtem, dem unteren Gassammelkanal 3 entnommenen Gas als endothermes Vergasungsmittel, mit Hilfe von in die Windformen 14 integrierte Brenner 19 sowie durch Direktreduktion in der Schüttung über der Schmelzzone 17. Das dem unteren Gassammelkanal 3 entnommene Gas wird vor seiner Verwendung als endothermes Vergasungsmittel im Rekuperator 26 gekühlt, danach in 27 gewaschen und mit dem Turbolader 28 auf den für die Rückführung in die Windformen 14 erforderlichen Druck erhöht. Die Rückführung des Gases erfolgt nach Wiedererwärmung im Rekuperator 26 und Überhitzung in den erfindungsgemäß auf durchgängigen Druckbetrieb umgestellten Heißwinderzeugern 29 über das Heißgassystem 18.
Der Teil des dem Ofen über den Gassammeiraum 3 entnommenen Gases, der nicht für die Druckfeuerung in den Winderhitzern 29 und nicht als endothermes Vergasungsmittel für die Reduktionsgaserzeugung in der Formenebene 11 benötigt wird, wird einer Brennkammer 30 zugeführt, in der das Druckabgas aus der Befeuerung der Winderhitzer 31 auf die Eintrittstemperatur der Expansionsstufen 32 der Turbolader 28 durch Verbrennen mit Druckluft angehoben wird. Die Brennkammer 30 produziert auf diese Art erfindungsgemäß Arbeitsmittel für die Turbolader 28, das seinerseits während der Expansion 32 die technische Arbeit für die Kompression des dem Gassammeiraum 3 entnommenen Gases und die Erzeugung von Druckluft für die Druckfeuerungen in den Winderhitzern 31 , der Brennkammer 30 und im Ofenoberteil 10 sowie für die Luftzerlegung 33 und damit die Sauerstofferzeugung, aber auch für die Elektroenergieerzeugung 34 leistet. Die für die Druckverbrennung in 31 , 30 und 10 komprimierte Luft wird im Rekuperator 35 im Gegenstrom zum Turboladerabgas vorgewärmt.
Der wesentliche Vorteil der dritten Ausbaustufe über die bereits mit den Ausbaustufen erzielten Vorteile hinaus besteht darin, dass sich das aus dem Ofen abzuführende "Nutzgasvolumen" gegenüber den heute üblichen Gichtgasvolumina auf annähernd die Hälfte reduziert, wovon wiederum fast 30 % als Vergasungsmittel dem Ofen wieder zugeführt werden, während das restliche Gas für die Heißgas- und Elektroenergieerzeugung verwendet werden. Das so energetisch optimierte Hüttenwerk arbeitet mit vollständiger Brennstoffausnutzung einschließlich Sauerstofferzeugung energieautark.
Beispiel 4 Beschrieben wird hier die Anwendung der Erfindung für die Erzeugung von Eisenschwamm und Eisenkarbid in Kopplung mit einer externen Kohlevergasung am Beispiel von Figur 4:
Bei der Anwendung der Erfindung für die Eisenschwamm- und Eisenkarbiderzeugung ist zu beachten, dass die Eisenkarbidbildung eine chemische Reaktion ist, die stark von Prozesstemperatur und -druck abhängig ist. Neben den für Reduktionsgas geltenden Anforderungen an die Partialdrücke der reduzierenden und oxidierenden Bestandteile entscheidet letztlich die Kohlenmonoxidkonzentration über die Karbonisierung des Eisens.
Somit ergibt sich, dass Vergasungsgas aus Kohle bessere Voraussetzungen für die Karbonisierung von Eisen aufweist als das aus Methan, dessen Kohlenmonoxidkonzentration beim Stand der Technik durch Austauen von Wasser, Aus- waschen von Kohlendioxid und Abtrennen von Wasserstoff angehoben wird, was bei Anwendung der Erfindung wie nachfolgend beschrieben nicht erforderlich ist.
Blasfähige Kohle wird über ein pneumatisches Fördersystem 1 dem endothermen Teil 2 eines zweistufigen Vergasungsreaktors 3 zugeführt und dort mit dem aus der Schmelzkammer 4 austretenden wasserdampf- und kohlendioxidhaltigen Gas 5 endotherm teilweise zu Reduktionsgas vergast. Es ist vorteilhaft, der Kohle vor ihrer Einblasung Kalk-, Kalkhydroxid- oder Kalksteinpulver zuzugeben, das sich im Temperaturbereich von 800 bis 1.100 °C mit dem mit der Kohle eingebrachten Schwefel zu Kalziumsulfid umwandelt. Der Restkoks aus der Vergasung und das Kalziumsulfid werden mit dem 700 bis 1.000 °C heißen Reduktionsgas über die Heißgasleitung 6 der Heißgasentstaubung 7 zugeführt und dort entstaubt. Das in der Entstaubung 7 anfallende Gemisch aus Restkoks und Kalziumsulfid wird über die Schleuse 8 aus der Entstaubung 7 ausgetragen, pneumatisch zur Brennkammer 4 gefördert und dort mit im Rekuperator 9 vorgewärmter Luft oder Sauerstoff oberhalb der Schmelztemperatur der Kohleasche vergast. Das Kalziumsulfid wird dabei weitgehend in die Schlacke eluierfest eingeschmolzen. Das aus der Entstaubung 7 abgeleitete Reduktionsgas wird über eine weitere Heißgasleitung 10 einer Heißgasfeinentschwefelung 11 , die vorzugsweise mit Eisen arbeitet, zugeführt und dort weitgehend entschwefelt. Annähernd 70 % des so gereinigten Reduktionsgases werden mit einer Temperatur von 700 bis 900 °C über den Gassammeiraum 12 in den Reduktionsreaktor 13 eingeleitet und dort in das aus Eisenschwamm bestehende Schüttgut 14 verteilt. Der andere Teil des Reduktionsgases wird im Rekuperator 9 gekühlt und als Kühlmedium über einen Rost 15 durch das Schüttgut 14 geleitet.
Die Zusammensetzung des Reduktionsgases wird bestimmt vom Brennstoff und vom Vergasungsmittel, somit ist es möglich durch die Mischung von Luft und Sauerstoff den Kohlenmonoxidpartialdruck so zu regeln, dass im Zusammen- wirken von Druck und Temperatur in der mittleren Prozessstufe 16 Eisenschwamm aus Wüstit reduziert wird, während in der Kühlzone 18 oberhalb des Rostes 15 mit der gleichen Gaszusammensetzung Eisenschwamm zu Eisenkarbid karbonisiert wird. Somit ist es möglich, aus dem gleichen Prozess neben Eisenkarbid auch Eisenschwamm zu gewinnen, der über eine Schleuse 19 aus dem oberen Bereich der Kühlzone 18 aus dem Reaktor 13 abgezogen werden kann.
Die Bildung von Eisenkarbid kann weiterhin unterbunden werden, indem der Anteil der oxidierenden Gaskomponenten im Kühlgas, z.B. durch Zumischung 20 von Reduktionsrestgas aus der Reduktion von Wüstit zu Eisen, erhöht wird. Die Reduktion von hämatitischem und magnetitischem Erz zu Wüstit erfolgt in der oberen Prozessstufe 21 , bevor das danach vorliegende Gas zum Zwecke der Schüttgutvorwärmung auf Reaktionstemperatur durch Zufuhr von Verbrennungsluft 22 vollständig verbrannt wird. Das dabei entstehende Verbrennungsgas kühlt sich im Schüttgut ab und wird danach über eine Gasreinigung 25 an die Umgebung abgegeben.
Erfindungsgemäß verfügt auch diese Vorrichtung über einen mittleren Gassammelkanal 23, über den das nach der Prozessstufe "Reduktion zu Eisen" vorliegende Reduktionsrestgas, das nicht für die Reduktion von Magnetit zu Wüstit und die Schüttgutvorwärmung in der oberen Prozessstufe 21 benötigt wird, aus dem Reaktor 13 abgeleitet wird. Dieses Gas wird verwendet als endothermes Vergasungsmittel bei der Kohlevergasung in der Brennkammer 4, zur Vorwärmung der Verbrennungsluft im Rekuperator 24 und für externe Aufgaben, z.B. für die Deckung des Elektroenergiebedarfs des Prozesses sowie gegebenenfalls zur Zumischung zum Kühlgas 20.
Der Vorzug dieser Anwendung der Erfindung liegt insbesondere in der Verwendung von Kohle als Brennstoff und in der hohen Ausnutzung der Brennstoffe bei geringem Energieaufwand für die Gasrezirkulation. Die technische Umsetzung der Erfindung ist in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles optimal gestaltbar. Die Ausführungsbeispiele beschreiben dafür nur ausgewählte Varianten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Eisen aus Eisenerz oder -oxiden, naturbelassen oder pelletiert, Feinerz oder Erzkonzentrat, vorzugsweise von Roheisen in Hochöfen, aber auch von Eisenschwamm und Eisenkarbid in Schachtöfen, in der Wirbelschicht und im Flugstrom mit Hilfe von fossilen und nachwachsenden Brennstoffen, insbesondere von Stein- und Braunkohlen oder organischen Brennstoffen wie Müll und Klärschlamm, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion von Wüstit zu Eisen unabhängig von der vorgeschalteten Reduktion von Hämatit und Magnetit und den nachfolgenden Prozeßstufen, wie Schmelzen, Karbidbildung oder Kühlung, als verfahrenstechnisch separate Prozeßstufe durchgeführt wird, indem dieser Prozeßstufe einerseits Wüstit und Reduktionsgas, extern durch Vergasung von Brennstoffen, und/oder gasförmige, flüssige bzw. feste Brennstoffe, die in der Prozeßstufe selbst durch partielle Oxidation mit Luft und/oder Sauerstoff zu Reduktionsgas vergast werden, mit für die Reduktion ausreichender Temperatur zugeführt und andererseits Eisenschwamm und durch die Aufnahme von Sauerstoff aus dem Wüstit kohlendioxid- und wasserdampfangereichertes Reduktionsgas, unabhängig von der physischen Enthalpie des Gases abgeführt werden.
2. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Eisen einer internen, wie beim Hochofen, oder einer externen Schmelzstufe, einem Elektroschmelzofen oder aber einer Karbonisierung zu Eisenkarbid und das bei der Reduktion von Wüstit entstehende Gas jeweils teilweise der internen oder externen Vergasung der Brennstoffe als endothermes Vergasungsmittel, zur Reduktion von hämatitischem oder magnetitischem Erz zu Wüstit, als Brenngas für die Vorwärmung des dem Prozeß zugefahrenen Schüttgutes oder für eine koksfreie Eisenschmelze, ähnlich den Siemens-Martin-Öfen, oder einer anderen externen Nutzung zugeführt wird.
3. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Prozeßführung, bei der dem Ofen das aus der Formenebene und ggf. dem unteren Teil des Ofens aufsteigende Gas bei Beginn der Reduktion von Wüstit vorzugsweise bei einem Temperaturniveau von 750 °C ± 150 K über einen unteren Gassammelkanal teilweise oder ganz entnommen wird, wovon dem Ofen über die Formenebene ein solcher Anteil ohne Abtrennung von Kohlendioxid wieder zugeführt wird, wie für die Einstellung der gewünschten Temperatur in der Schmelzzone von 1.800 bis 2.100 °C, in Abhängigkeit von den dort für die Vergasung zur Verfügung stehenden Brennstoffen, der Temperatur und Sauerstoffkonzentration des Windes, bis hin zu reinem Sauerstoff erforderlich ist, wobei bei der teilweisen Entnahme mindestens soviel Gas im Ofen verbleibt und weiter im Gegenstrom zum Schüttgut bis zu einem oberen Gassammelkanal strömt, wie für die Reduktion von Magnetit zu Wüstit erforderlich ist, während bei vollständiger Gasentnahme ein weiterer Teilstrom, ausreichend für die Reduktion von Hämatit zu Wüstit und zur Sicherung der dafür erforderlichen Reaktionstemperatur durch partielle Oxidation mit Luft, über den oberen Gassammelkanal in den Oberteil des Ofenschachtes rückgeführt und über eine mittlere Gasentnahme, die in der Höhe zwischen dem oberen und unteren Gassammelkanal erfolgt, wieder aus dem Ofen abgeführt wird, nachdem dieser Gasteilstrom das Schüttgut im Gleichstrom durchströmt, dieses auf Reaktionstemperatur vorgewärmt und das hämatitische Erz zu Wüstit reduziert hat.
4. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei vollständiger Gasentnahme erforderliche Trennung der im Ofen auf- und absteigenden Gase durchgeführt wird, indem der Druck des im Oberteil des Ofens im Gleichstrom mit dem Schüttgut geführten Gas bei seiner Zuführung zum Ofen so eingestellt wird, daß sich die über die untere und mittlere Gasentnahme abzuführenden Gase in der Schüttung nicht oder nur im beabsichtigten Umfange vermischen.
5. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das über die erste Gasentnahme dem Ofen entnommene Gas vor der Rückführung entstaubt, gekühlt, im Druck auf Betriebsdruck der Winderhitzung sowie rekuperativ und/oder regenerativ bis auf Temperaturen über 1.000 °C erhöht wird.
6. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das im Ofen befindliche Gas, unabhängig davon, ob dem Ofen kein oder nur teilweise Gas über die untere Gasentnahme entnommen wird, vor Einsetzen der Reduktion von Hämatit zu Magnetit durch Zuführung von Luft im Ofen temperaturerhöhend partiell oxidiert, bei teilweiser Gasentnahme vollständig verbrannt wird und das oxidierte Gas bzw. das anfallende Verbrennungsgas zur Vorwärmung des Schüttgutes auf 600 bis 700 °C im Ofen selbst verwendet und dabei auf 150 bis 250 °C abgekühlt wird.
7. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur bei der Reduktion von Hämatit zu Magnetit oder Wüstit durch das rezirkulierte, regenerativ und/oder rekuperativ erwärmte Gas und durch Zumischung von Luft und damit partielle Oxidation im oberen Schachtbereich des Hochofens eingestellt wird.
8. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus der unteren Gasentnahme einem externen Prozeß zur Vergasung von Ersatzbrennstoff zu Reduktionsgas für die Einblasung in den Hochofen, die Eisenschwamm- und Eisenkarbiderzeugung als Vergasungsmittel zugeführt oder unter erhöhtem Prozeßdruck direkt für die Eisenkarbiderzeugung genutzt wird.
9. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Ofen abgeführte Gichtgas oder Gas, das dem Ofen nach Anspruch 3 über die untere Gasentnahme teilweise oder über die obere Gasentnahme vollständig entnommenen wurde, auf Heißwinddruck komprimiert und in den Winderhitzern und in Zusatzbrennkammern unter Druck verbrannt wird zu Arbeitsmittel für vorzugsweise Turbolader, die für die prozeßinterne Luft- und Gasverdichtung sowie Drucklufterzeugung für die Luftzerlegung eingesetzt werden, aber auch für Expansionsturbinenanlagen zur Stromerzeugung.
10. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasung des Ersatzbrennstoffes an Stelle über Einblaslanzen über in die Windformen integrierte Brenner, die den Ersatzbrennstoff während der Einblasung mit so viel Heißwind und/oder Sauerstoff, gegebenenfalls unter Zugabe von rezirkuliertem Gas aus der ersten Gasentnahme, Gichtgas oder extern erzeugtem Reduktionsgas, vermischen, wie für die vollständige Vergasung des Ersatzbrennstoffes in den Wirbelkammern auch bei hohen Einblasraten und für die Reduktion des Kohlendioxides und des Wasserdampfes des rezirkulierten Gases zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei vorgegebenen Temperaturen in der Formenebene erforderlich ist.
11. Verfahren zur Erzeugung von Eisen im Hochofen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ersatzbrennstoff über die Brenner neben dem für die Vergasung der Ersatzbrennstoffe erforderlichen, auch der für die anteilige Vergasung des im Schüttgut befindlichen Kokses erforderliche Sauerstoff eingeblasen wird, wobei das Temperaturniveau in der Formenebene mit aus dem Ofen rezirkuliertem Gas, Gichtgas oder mit extern erzeugtem Reduktionsgas eingestellt wird.
12. Verfahren zur Erzeugung von Eisen in Hochöfen nach den Ansprüchen 3 und 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Winderhitzer zur regenerativen Vorwärmung des dem Ofen über die untere Gasentnahme entnommenen Gases und das Heißwindsystem für die Rückführung des Gases zum Ofen verwendet wird.
13. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit Hilfe der Wirbelschicht- oder Flugstromtechnik realisiert wird, indem die die Prozeßstufe realisierenden, stationären oder zirkulierenden Wirbelschichten oder der Flugstrom überwiegend aus wirbel- oder blasfähigem Eisen gebildet werden, denen kontinuierlich Wüstit zu und aus denen Eisen kontinuierlich abgeführt wird, wobei das die Wirbelschicht oder den Flugstrom antreibende, der Prozeßstufe zugeführte Gas durch Vergasung extern erzeugt wird und ein Volumenverhältnis der reduzierenden Bestandteile Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu den oxidierenden Bestandteilen Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist, das kleiner, vorzugsweise höchstens halb so groß ist, als das des aus der Prozeßstufe abgeführten Gases.
14. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach den Ansprüchen 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der durch Wirbelschicht oder Flugwolke gebildeten Prozeßstufe abzuführende Gas im Druck erhöht und in den Prozeß zurückgeführt wird, wobei entweder gleichzeitig Brennstoff, Luft und/oder Sauerstoff zugeführt oder vor der Rückführung Kohlendioxid und Wasser aus dem Gas entfernt werden.
15. Verfahren zur Erzeugung von Eisen nach den Ansprüchen 1 und 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der durch Wirbelschichten oder Flugstrom gebildeten Prozeßstufe abzuführende Gas neben der Rezirkulation auch anteilig verwendet wird als endothermes Vergasungsmittel bei der externen Reduktionsgaserzeugung, zur Reduktion von hämatitischem oder magnetitischem Erz zu Wüstit sowie als Brennstoff für die Erzvorwärmung und Erzeugung von Arbeitsmittel für Kraftprozesse.
16. Verfahren zur Erzeugung von Eisenkarbid nach den Ansprüchen 1 und 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeß in einer durch stationäre Schutt- oder Wirbelschicht, zirkulierende Wirbelschicht oder durch Flugstrom u.a. gebildeten Prozeßstufe durchgeführt wird und indem der Prozeßstufe schürt-, wirbel- bzw. blasfähiger Eisenschwamm und durch Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugtes Reduktionsgas zugeführt wird, dessen Kohlenmonoxidgehalt durch Verwendung von Koks, vorzugsweise Petroikoks, oder Kohle als Brennstoff und gegebenenfalls Kohlendioxid als endothermes Vergasungsmittel und/oder Abtrennung von Wasserstoff auf mindestens ein Drittel der Summe aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff angehoben wurde, wobei der Anteil der oxidierenden Gasbestandteile Kohlendioxid und Wasserdampf zusammen 3 Vol.-% nicht überschreiten soll, bei einem Partialdruck der reagierenden Gasbestandteile von mindestens 1 bar und einer Prozeßtemperatur < 750 °C.
17. Verfahren zur Erzeugung von Eisenkarbid nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Prozeßstufe Karbonisierung von Eisen zu Eisenkarbid abzuführende Gas und der bei der Herstellung des dafür erforderlichen Gases gegebenenfalls anfallende Wasserstoff verwendet wird als Reduktionsgas bei der der Karbonisierung vorangehenden Reduktion von Wüstit zu Eisen.
18. Verfahren zur Erzeugung von Eisenkarbid, nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Produktion von Eisenkarbid aus Wüstit erfolgt mit prozeßintern oder -extern erzeugtem Vergasungsgas aus fossilen oder nachwachsenden Brennstoffen bei Prozeßdrücken >10 bar und aus Magnetit >25 bar, jeweils bei Prozeßtemperaturen von 600 bis 800 °C.
19. Hochofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, vorzugsweise einen Hohlkegel oder einen Rohrrost, die die über einen oder mehrere Kanäle zugeführte Luft für die partielle Oxidation im Schüttgut, vorzugsweise vor Beginn der Erzreduktion, über den Schachtquerschnitt verteilt.
20. Hochofen zur Erzeugung von Eisen nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Brenner zur Vergasung der Ersatzbrennstoffe in der Formenebene mit Heißluft und/oder Sauerstoff, die die über pneumatische Dichtstromförderung zugefahrenen, blasfähigen Ersatzbrennstoffe mit Heißluft und/oder Sauerstoff zerstäuben.
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer Feststoffschüttung in Kombination mit der Roheisenerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese in ihrem unteren Teil bis in mittlerer Höhe einem Hochofen mit den Merkmalen der Ansprüche 19 und 20 entspricht, während der obere Teil der Vorrichtung aus einem Füllschacht und einem gasdichten Zylinder oder Kegelstumpf besteht, die mit der Schüttung den oberen Gassammelkanal bilden, aus dem bei durchgängiger Gegenstromfahrweise mit oder ohne teilweiser Gasentnahme das Gas vollständig aus dem Ofen abgeführt wird, wobei Ober- und Unterteil der Vorrichtung mit dem Schüttgut den unteren Gassammelkanal bilden, über den das im Unterteil des Ofens aufsteigende Gas teilweise oder ganz aus dem Ofen abgeleitet.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , gekennzeichnet durch eine Heißgas- einblaseinrichtung, die in ihrer äußeren Gestaltung einer üblichen Windform entspricht, aber mit einem Brenner zur Vergasung von Ersatzbrennstoff, vorzugsweise Kohlebrennstaub oder blasfähiger Feinkoks, mit Sauerstoff ausgerüstet ist, wobei über diese Einblaseinrichtung entweder Heißwind oder heißes, aus der ersten Gasentnahme rezirkuliertes und/oder heißes Reduktionsgas aus externer Produktion in die Formenebene des Ofens eingeleitet wird und mit Hilfe des Brenners das rück- oder zugeführte Gas, der Ersatzbrennstoff sowie Luft und/oder Sauerstoff in die Formenebene so eingebracht werden, daß im Ofen eine Wirbelkammer freigeblasen wird, in der sich rückgeführtes Gas, Ersatzbrennstoff, Luft und/oder Sauerstoff bei Temperaturen von über 1.900 °C zu Reduktionsgas umsetzen.
23. Vorrichtung zur Erzeugung von Eisenschwamm oder Eisenkarbid aus körnigem, stückigem oder pelletiertem Eisenerz in der Feststoffschüttung, vorzugsweise für die Realisierung der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß deren gasdichtes Oberteil mit einem Füllschacht und dem Schüttgut einen oberen Gassammelkanal bilden, über den das Verbrennungsgas aus der Schüttgutvorwärmung abgeführt wird, das Oberteil der Vorrichtung mit dem Unterteil und der Feststoffschüttung den unteren Gassammelkanal bilden, über den das aus der zu Wüstit reduzierten Schüttung austretende Gas teilweise entnommen und der Verwertung zugeführt werden kann, das Unterteil des Ofens vorzugsweise durch einen Rost abgeschlossen wird, über den zum Zwecke der Kühlung der Schüttung kaltes Reduktionsgas in den Ofen eingeleitet und in Abhängigkeit vom CO- Partialdruck im Reduktionsgas und dem Prozeßdruck entweder Eisenschwamm oder Karbid ausgetragen werden kann, wobei sich im Oberteil des Ofens eine Einrichtung, vorzugsweise ein Kegel oder Rohrrost mit Bohrungen, der über eine Zuleitung Luft für die Verbrennung des nach der Reduktion von Hämatit zu Magnetit im Schacht strömenden Gases zugeführt wird, befindet.
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