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WO2019238720A1 - Herstellung von karburiertem eisenschwamm mittels wasserstoffbasierter direktreduktion - Google Patents

Herstellung von karburiertem eisenschwamm mittels wasserstoffbasierter direktreduktion Download PDF

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WO2019238720A1
WO2019238720A1 PCT/EP2019/065283 EP2019065283W WO2019238720A1 WO 2019238720 A1 WO2019238720 A1 WO 2019238720A1 EP 2019065283 W EP2019065283 W EP 2019065283W WO 2019238720 A1 WO2019238720 A1 WO 2019238720A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
carburizing
zone
reduction
sponge iron
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/EP2019/065283
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Millner
Christian Boehm
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.)
Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Austria 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 Primetals Technologies Austria GmbH filed Critical Primetals Technologies Austria GmbH
Priority to US16/972,916 priority Critical patent/US12180554B2/en
Priority to MX2020013294A priority patent/MX2020013294A/es
Priority to EP19728718.8A priority patent/EP3807426A1/de
Priority to CA3103187A priority patent/CA3103187A1/en
Priority to AU2019286552A priority patent/AU2019286552B2/en
Publication of WO2019238720A1 publication Critical patent/WO2019238720A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C21B13/004—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in a continuous way by reduction from ores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • B22D7/005—Casting ingots, e.g. from ferrous metals from non-ferrous metals
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    • C21B13/02—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces
    • C21B13/029—Introducing coolant gas in the shaft furnaces
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    • 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
    • C21B2100/26—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by adding additional fuel in recirculation pipes

Definitions

  • the application relates to a method for producing direct-reduced sponge iron from iron oxide material, direct reduction using an at least predominantly H2 gas.
  • WO2014040989 Used reducing gas - called top gas - emerging from the reduction unit after the direct reduction can be used for
  • Iron oxide material also contain some C0 2 .
  • the top gas can be used when sealing nitrogen when charging iron oxide material into the
  • the use of strongly hydrogen-containing reducing gas means that, compared to conventional direct reduction using carbon monoxide, CO or other carbon-containing gases such as methane CH 4 , for example in a natural gas-based direct reduction system, the carbon content in the sponge iron is very low. That can happen with the further
  • Iron oxide material is to be understood as any material which contains iron oxide and is suitable as a feedstock for direct reduction in the production of sponge iron.
  • Direct reduction processes can be lumpy material such as ore pellets, lump ore, oxide briquettes, or fine particulate material.
  • Lumpy material is suitable, for example, for direct reduction in fixed bed reactors.
  • Fine particulate material is suitable, for example, for direct reduction in
  • the carbon content is at least 0.5% by weight and up to 5.0% by weight, preferably between 1.0 and 3.5% by weight, the two limits being included.
  • the carbon can be bound as iron carbide Fe3C and / or be freely available as graphitic carbon e. Chemically bound carbon as Fe3C iron carbide is better and more effective for operating an electric arc furnace (EAF).
  • the iron oxide material is first directly reduced by means of a reducing gas consisting at least predominantly of hydrogen H 2 , for example in a reduction zone.
  • the hydrogen content of the reducing gas can be up to 100 vol%.
  • a hydrogen content of at least 80% by volume is preferred, particularly preferably at least 90% by volume, the remainder to 100% by volume being, for example, nitrogen N 2 , carbon monoxide CO, carbon dioxide CO 2 , water vapor H 2 O, methane CH 4 .
  • the carburizing gas supplied.
  • the carburizing gas contains carbon in
  • the carburizing gas can be, for example, natural gas, methane CH 4 , ethane C 2 H 6 , propane C 3 H 8 , butane CH 10 , carbon monoxide CO, or a mixture of several of these gases.
  • the carbon-containing molecules react with that
  • carburizing with methane works as follows
  • elemental carbon is formed by cracking methane Due to the subsequent reduction reaction of the hydrogen H 2 formed with iron ore, water vapor (H 2 0) arises after the following reaction and this also reacts with the methane (CH 4 ) present, for example, via a reforming reaction:
  • the product of this carburizing step with increased carbon content compared to the product of the first step - the direct reduction - sponge iron - is called carburized sponge iron in the context of this application.
  • carburization or carburization - carburizing gas is partially converted.
  • Mixing of non-hydrogen Fl 2 gaseous products such as C0 2 , CO, the reactions leading to carburization, or of unconverted portions of the carburizing gas such as N 2 with the reducing gas consisting predominantly of hydrogen Fl 2 introduced into the reduction unit makes one Recirculation of top gas may require separation effort.
  • the carburizing gas used is at least partially withdrawn while largely avoiding mixing with the reducing gas.
  • Carburizing gas which is at least partially - preferably completely - drawn off, contains both gaseous products of the carburizing reactions and unreacted portions of the carburizing gas. The removal is done in such a way that
  • the used carburizing gas is therefore at least partially, preferably completely, drawn off before it is mixed with the reducing gas.
  • the goal is to have very little or no gas flow from the carburizing zone to the
  • the spent carburizing gas is practically led out laterally, for example, from an upper area of the carburizing zone before it reaches the reduction zone above it.
  • a C0 2 reduction of the top gas intended for recirculation for example by means of C0 2 washing or C0 2 / H 2 0 reformer, is dispensed with.
  • the process is also carried out without a CO 2 reduction in top gas intended for recirculation if the top gas also contains some CO 2 due to the calcination of the iron oxide material used.
  • a first subset of the top gas is excluded from the recirculation and discharged from the circuit. If necessary, this first subset is used,
  • a first portion of the used carburizing gas is combined with fresh carburizing gas components after processing - such as dedusting - again as carburizing gas
  • Carburizing gas components are heated before contacting the sponge iron. So at least one member of the group consisting of the two members is heated
  • Treated spent carburizing gas before or after being combined with fresh carburizing gas components before contacting the sponge iron Treated spent carburizing gas before or after being combined with fresh carburizing gas components before contacting the sponge iron.
  • the reducing gas is heated before it comes into contact with the iron oxide material.
  • a second subset of the carburizing gas used possibly after dedusting, is used as a fuel gas for heating the reducing gas.
  • Components with a calorific value in the carburizing gas used are used within the process; this reduces the necessary use of resources and increases the cost-effectiveness of the process.
  • Use within the process can for example also include a steam generator or a power plant.
  • the reducing gas is preferably heated to over 700 ° C. by indirect heat exchange.
  • a one-stage heating is preferably carried out by indirect heat exchange, that is to say heating while maintaining the reduction potential of the reducing gas, or without oxidative destruction of the reducing potential of the reducing gas.
  • the reduction gas can also be heated in several stages, in which one stage is indirect heat exchange. For example, in a first stage of heating by indirect heat exchange to a temperature above 700 ° C, and then in a second stage direct heating using another type of heating - for example by partial oxidation - to set an even higher
  • a further subset of the used carburizing gas is used as a fuel gas for heating the carburizing gas.
  • Components with a calorific value in the carburizing gas used are used within the process; this reduces the necessary use of resources and increases the cost-effectiveness of the process.
  • the heating of the reducing gas and the heating of the carburizing gas are carried out in the same heating unit. This requires less equipment and makes the process easier to carry out.
  • used reducing gas is withdrawn as top gas, and a first portion of the top gas is used for use as fuel gas for heating the reducing gas and / or the carburizing gas.
  • Components with a calorific value in the top gas are used within the process; this reduces the necessary use of resources and increases the cost-effectiveness of the process.
  • the carburizing gas contains components which react exothermally with the directly reduced sponge iron.
  • the carburization reactions run better at higher temperatures. Accordingly, the
  • the sponge iron is heated before and / or while the carburizing gas is being supplied.
  • the carburization reactions run better at higher temperatures. Accordingly, the efficiency of the carburization is increased by the temperature increase.
  • solid carbon e is added to the sponge iron before and / or during and / or after the carburizing gas is supplied. This complements the increase in carbon content using the carburizing gas. This also supports the desired goal of keeping the carbon content in the sponge iron constant - for example, when using it later in an EAF, constant carbon content is desired.
  • the solid carbon can be anthracite, for example.
  • elemental carbon can be added in a metered form - for example by means of a metering screw or cellular wheel.
  • elemental carbon can be added in a metered form - for example by means of a metering screw or cellular wheel.
  • Sponge iron are mixed - for example in a mixing chamber or a mixer in order to obtain thorough mixing and an increased proportion of iron carbide.
  • a mixer is understood to mean an assembly with moving internals, whereas a mixing chamber has no moving internals.
  • the size of the second subset of the carburizing gas used is dependent on carbon dioxide C0 2 and / or
  • Carbon monoxide CO and / or methane CH 4 content in the top gas regulated Carbon monoxide CO and / or methane CH 4 content in the top gas regulated.
  • the regulation preferably takes place as a function of the content at the outlet from the
  • Reducing gas should largely, preferably completely, be avoided.
  • the size of the first subset of the top gas is dependent on nitrogen N 2 and / or carbon dioxide C0 2 and / or
  • Carbon monoxide CO and / or methane CH 4 content in the top gas regulated Carbon monoxide CO and / or methane CH 4 content in the top gas regulated.
  • used carburizing gas with the reducing gas can be reduced by increasing the first portion of the top gas.
  • the use of the discharged gas as the first subset allows it to be used for heating purposes. Components with a calorific value in the top gas are used within the process; this reduces the necessary use of resources and increases the cost-effectiveness of the process.
  • Another object of the present application is a plant for producing carburized, direct-reduced sponge iron from iron oxide material
  • the facility also includes
  • a carburizing zone for carburizing the direct reduced product, with a carburizing gas supply line opening into the carburizing zone and one of the
  • Carburizing zone outgoing carburizing exhaust gas line for withdrawing spent carburizing gas from the carburizing zone, and at least one device for avoiding mixing of reducing gas with carburizing gas and / or spent carburizing gas.
  • Reducing gas with carburizing gas and / or spent carburizing gas may be present.
  • Carburizing gas and / or used carburizing gas can, for example, be designed as follows:
  • control element such as a control valve, in the carburizing exhaust gas line
  • the carburizing exhaust gas line opens into a recirculation device for processing - such as cleaning, compression, heating - and recirculation of used carburizing gas into the
  • Such a recirculation device can contain, for example, at least one dedusting device for processing.
  • Such a recirculation device comprises a recirculation line which opens into the carburizing gas feed line in order to provide processed, used carburizing gas as a subset of the carburizing gas.
  • a gas heating device is present in the carburizing gas supply line and / or in the recirculation line.
  • Reduction gas heating device available. It is preferably a one-stage reduction gas heating device. It is preferably an indirect heat exchanger. However, it can also be a multi-stage heating device in which one stage is an indirect heat exchanger.
  • Recirculation device from a fuel gas line opening into the reducing gas heating device.
  • an outlet opens into the gas heating device
  • Fuel gas supply line off It is preferably a one-stage
  • Gas heating apparatus It is preferably an indirect heat exchanger. Components with a calorific value present in the used carburizing gas can then be used within the process; that reduces the necessary
  • the reducing gas heating device and the gas heating device are both integrated in a heating device, and the fuel gas line and / or the fuel gas supply line and / or open into the heating device. This requires less equipment.
  • Iron oxide material includes a top gas line for withdrawing used
  • the top gas line opens into a recycling device for processing and recycling top gas into the reducing gas feed line.
  • Such a recycling device can, for example, process at least one dedusting device - preferably a dry dedusting device, since in it If, in comparison to a likewise possible wet dedusting device, complex cleaning of process waste water from the wet dedusting can be dispensed with - included.
  • Such a recycling device comprises a recirculation line, which in the
  • Reduction gas supply leads to the treated top gas as a subset of the
  • carburized direct reduced sponge iron made of iron oxide material also a fuel line starting from the top gas line and / or the recycle device, which leads into the reducing gas heating device and / or into the gas heating device and / or the heating device.
  • Components with a calorific value in the top gas can then be used within the process; that reduces the necessary
  • Carburizing zone a heating system for heating the direct reduced product before entering the carburizing zone.
  • a heating system for heating the directly reduced product is present in the carburizing zone.
  • Carburization zone a carbon addition device available.
  • a carbon addition device is present in the carburizing zone.
  • the carbon addition device is suitable for adding solid carbon. It can include metering devices such as a metering screw or cellular wheel. According to a preferred embodiment, it also includes mixing devices such as, for example, a mixing chamber or a mixer for thorough mixing and an increased proportion
  • the system according to the invention also comprises a regulating device for regulating the gas flow in the fuel gas line and / or the fuel gas feed line as a function of measured values obtained from the top gas.
  • a control device can be one of the devices for avoiding mixing of reducing gas with carburizing gas and / or used carburizing gas.
  • the system according to the invention also includes a regulating device for regulating the gas flow in the fuel line as a function of measured values obtained from the top gas.
  • the plant according to the invention does not include a device for reducing the CO 2 of the top gas intended for recycling.
  • the system according to the invention comprises a discharge line for discharging top gas from the recycling.
  • Carburization zone housed within an aggregate For example, that Aggregate be a shaft, in the upper part of which is the reduction zone, and in the lower part of which is the carburizing zone. Iron oxide material is fed into the shaft at the top and travels downward due to gravity. It is reduced directly. After passing through the reduction zone, the directly reduced product enters the carburizing zone. After passing through the carburizing zone, it emerges from the shaft.
  • Carburization zone housed in different units.
  • the direct reduced product can be from a product containing the reduction zone
  • Direct reduction unit can be removed and then in a separate, the
  • Carburizing zone containing carburizing unit are introduced.
  • Directly reduced product is sponge iron.
  • Carburizing units are connected via a delivery line for the delivery of sponge iron into the carburizing unit.
  • the at least one device for avoiding mixing of reducing gas with carburizing gas and / or spent carburizing gas can be present in the delivery line, for example. It can also be in the delivery line end of the
  • Direct reduction units are available. It can also be present in the end of the carburizing unit on the delivery line, it can also be on the
  • Direct reduction unit facing the end of the delivery line, or on the
  • Carburizing unit facing the end of the delivery line.
  • FIG. 1 schematically shows a variant of a plant according to the invention for producing carburized, direct-reduced sponge iron from iron oxide material.
  • FIG. 2 schematically shows another variant of a plant according to the invention for producing carburized, direct-reduced sponge iron from iron oxide material.
  • Figures 3 to 8 show various variants based on Figures 1 and 2.
  • FIG. 9 schematically shows a conventional method for producing
  • FIG. 1 schematically shows a variant of a system 1 according to the invention for producing carburized, directly reduced iron sponge from iron oxide material 2.
  • Iron oxide material 2 to directly reduced product by means of reducing gas consisting predominantly of H 2 . It also includes one opening into the reduction zone 3
  • Reduction gas gas supply line 4 It also comprises a carburizing zone 5 for carburizing the direct reduced product. One opens into the carburizing zone 5
  • Carburizing gas supply line 6 One goes from the carburizing zone 5
  • Carburizing exhaust gas line 7 for withdrawing spent carburizing gas from the carburizing zone 5.
  • the system also includes at least one device for avoiding mixing of reducing gas with carburizing gas and / or spent carburizing gas, here a blower 8 in the carburizing exhaust gas line 7.
  • the blower 8 transports used carburizing gas at least partially out of the carburizing zone and thereby mixing it with the reducing gas largely avoided.
  • To produce carburized, direct-reduced iron sponge from iron oxide material 2 it is first reduced directly by means of the reducing gas, which consists at least predominantly of H 2 , while it travels through the reduction zone 3, following gravity, from top to bottom.
  • the direct reduced sponge iron product enters the carburizing zone 5 following gravity, where the carbon content in the directly reduced sponge iron product is increased by means of a supplied carburizing gas, while following gravity from top to bottom is going through.
  • Carburizing gas consumed in the process is largely reduced
  • Avoidance of mixing with the reducing gas is at least partially withdrawn from the carburizing zone 5 via the carburizing exhaust gas line and conducted out by means of the blower 8. Removal of carburized sponge iron from the carburizing zone is indicated by a block arrow.
  • FIG. 2 schematically shows another variant of a system 1 according to the invention for producing carburized, direct-reduced sponge iron from iron oxide material 2.
  • carburization zone 5 and reduction zone 3 are accommodated in different units.
  • the directly reduced product sponge iron is made from a direct reduction unit containing the reduction zone - in the case shown
  • Direct reduction unit or in the delivery line end of the
  • Carburizing unit be present, or at the end of the delivery line facing the direct reduction unit, or at the end of the delivery line facing the carburizing unit. For better clarity, these variants are not shown. Removal of carburized sponge iron from the carburizing zone is indicated by a block arrow.
  • FIG. 3 shows, by way of example in a representation largely analogous to a section of FIG. 2, how the carburizing exhaust gas line 7 from FIG
  • Recirculation device 12 for processing - such as cleaning, compression, heating - and recirculation of spent carburizing gas into the
  • Carburizing gas supply line 6 opens. A first subset of the used
  • Carburizing gas is recombined with fresh carburizing gas components via the recirculation line 13 after processing - such as dedusting, for example used as carburizing gas to increase the carbon content of the sponge iron.
  • processing - such as dedusting, for example used as carburizing gas to increase the carbon content of the sponge iron.
  • the feed of the fresh carburizing gas components is indicated by the arrow 14. Removal of carburized sponge iron from the carburizing zone is indicated by a block arrow.
  • Carburizing gas supply line 6 is present. Instead, or in addition, it could also be present in the recirculation line 13. The carburizing gas is heated before it comes into contact with the sponge iron.
  • FIG. 4 shows, by way of example, in a representation largely analogous to FIG. 1, how a reducing gas heating device is present in the reducing gas feed line, in the illustrated case an indirect heat exchanger 16 for the one-stage heating of the
  • Part of the used carburizing gas is supplied after processing for use as a fuel gas for heating the reducing gas. This goes from the
  • Recirculation device 12 from a fuel gas line 17 opening into the reduction gas heating device 16.
  • Figure 5 shows a modification of the illustration in Figure 4, as of the
  • Recirculation device 12 opens into the gas heating device 15
  • Fuel gas supply line 18 goes out. Another subset of the used up
  • Carburizing gas is used as a fuel gas for heating the
  • FIG. 6 shows in a representation largely analogous to FIG. 1 how a top gas line 19 for withdrawing used reducing gas emerges from the reduction zone.
  • a fuel line 20 starts from it and can - for better clarity not shown separately, in a gas heating device 15 or
  • Reduction gas heating device as shown for example in Figures 3 and 4 open to supply a first portion of the top gas for use as a fuel gas for heating the reducing gas and / or the carburizing gas.
  • FIG. 7 shows, based on FIG. 2, schematically how sponge iron 21 present in the delivery line 10 can be used to heat sponge iron before entering the carburizing zone.
  • Figure 8 shows schematically based on Figure 2, as by means of a
  • Carbon adding device 22 carbon can be input into the carburizing zone 5.
  • FIG. 9 schematically shows a conventional method for the production of
  • Directly reduced sponge iron made of iron oxide material with direct reduction using a reducing gas consisting of Fi 2 .
  • the Fi 2 reduction gas is introduced into the reduction reactor 24 via the reduction gas feed line 23.
  • Sponge iron 25 is removed from the reduction reactor 24 below.
  • Reducing gas consumed after the reduction is removed as top gas via the top gas line 26 from the top of the reduction reactor 24.
  • Most of the top gas is recirculated in a scrubber 27 after condensation of water and cleaning, while a portion is fed as fuel to a reducing gas furnace 28.
  • Fresh hydrogen 29 is mixed into the recirculated top gas. After preheating with exhaust gas from the reduction gas furnace 28, heating is carried out in the reduction gas furnace 28 and then introduced into the reduction unit. C0 2 removal is not necessary in the recirculation circuit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial (2). Zuerst wird mittels eines zumindest überwiegend aus H2 bestehenden Reduktionsgases direktreduziert, danach mittels eines zugeleiteten Karburierungsgases der Kohlenstoffgehalt im Eisenschwamm erhöht, wonach dabei verbrauchtes Karburierungsgas unter weitgehender Vermeidung einer Vermischung mit dem Reduktionsgas zumindest teilweise abgezogen wird. Die Anlage (1) zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial (2) umfasst eine Reduktionszone (3) zur Direktreduktion von eingegebenem Eisenoxidmaterial (2) zu direktreduziertem Produkt mittels überwiegend aus H2 bestehendem Reduktionsgas, und eine in die Reduktionszone (3) mündende Reduktionsgaszuleitung (4). Sie umfasst auch eine Karburierungszone (5) zur Karburierung des direktreduzierten Produktes, mit einer in die Karburierungszone (5) mündenden Karburierungsgaszuleitung (6) und einer von der Karburierungszone (5) ausgehenden Karburierungsabgasleitung (7) zum Abziehen von verbrauchtem Karburierungsgas aus der Karburierungszone (5), sowie zumindest eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Vermischung von Reduktionsgas mit Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas.

Description

Herstellung von karburiertem Eisenschwamm mittels wasserstoffbasierter Direktreduktion
Gebiet der Technik
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial, wobei mittels eines zumindest überwiegend aus H2 bestehenden Reduktionsgases direktreduziert wird.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Eisenschwamm durch Direktreduktion von Eisenoxidmaterial mit Wasserstoff herzustellen. Derartige Verfahren werden beispielsweise in W09924625 und
WO2014040989 beschrieben. Aus dem Reduktionsaggregat nach der Direktreduktion austretendes verbrauchtes Reduktionsgas - Topgas genannt - lässt sich für
Reduktionszwecke sehr einfach rezirkulieren, da in nennenswertem Ausmaß praktisch nur Staub und Wasser von der reduzierenden Komponente Wasserstoff H2 abgetrennt werden müssen. Das Topgas kann gegebenenfalls aufgrund Kalzinierung von eingesetztem
Eisenoxidmaterial auch etwas C02 enthalten. Das Topgas kann bei Verwendung von Stickstoff zur Abdichtung bei der Chargierung von Eisenoxidmaterial in das
Reduktionsaggregat und/oder beim Austrag von Eisenschwamm -beispielsweise ausgeführt als ein zyklisches Materialschleusensystem oder dynamisches Schleusensystem - auch etwas Stickstoff enthalten. Die Verwendung von stark wasserstoffhaltigem Reduktionsgas führt jedoch dazu, dass im Vergleich zu herkömmlicher Direktreduktion unter maßgeblicher Verwendung von Kohlenmonoxid CO oder anderen kohlenstoffhaltigen Gasen, wie zum Beispiel Methan CH4, - beispielsweise in einer erdgasbasierten Direktreduktionsanlage - der Kohlenstoffgehalt im Eisenschwamm sehr gering ist. Das kann sich bei der weiteren
Verarbeitung des Eisenschwamms, beispielsweise in EAF, nachteilig auswirken, da der Verbrauch elektrischer Energie und Elektrodenverbrauch sowie Tap-to-Tap-time für
Eisenschwamm mit geringem Kohlenstoffgehalt erhöht sind. Somit ergibt sich eine wesentlich geringere Produktivität des Lichtbogenofens. Eine Erhöhung des Anteils von kohlenstoffhaltigen Gasen im Reduktionsgas kann den Kohlenstoffgehalt im Eisenschwamm zwar anheben, führt aber zu einer Anreicherung von kohlenstoffhaltigen Gaskomponenten - wie etwa CO, C02, CH4 - und erhöhten C02-Emissionen im Topgas. Das macht bei einer Rezirkulierung von Topgas einen erheblichen apparativen und energetischen Aufwand zur Abtrennung von C02 - und anderen gegebenenfalls vorhandenen unerwünschten
nicht-wässrigen Bestandteilen vom Wasserstoff H2 notwendig.
Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es auf einfache Weise mit wenig Aufwand erlauben, bei Direktreduktion von Eisenoxidmaterial mit überwiegend wasserstoffhaltigem Reduktionsgas einen
Eisenschwamm zu gewinnen, der einen für weitere Verarbeitung günstigen Kohlenstoffgehalt aufweist.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein
Verfahren zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus
Eisenoxidmaterial,
wobei zuerst mittels eines zumindest überwiegend aus Wasserstoff H2 bestehenden
Reduktionsgases direktreduziert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
danach mittels eines zugeleiteten Karburierungsgases der Kohlenstoffgehalt im
Eisenschwamm erhöht wird,
wonach dabei verbrauchtes Karburierungsgas unter weitgehender Vermeidung einer Vermischung mit dem Reduktionsgas zumindest teilweise abgezogen wird.
Unter Eisenoxidmaterial ist jedes als Einsatzmaterial für Direktreduktion zur Herstellung von Eisenschwamm geeignete eisenoxidhaltige Material zu verstehen. Je nach eingesetztem Verfahren zur Direktreduktion kann es sich um stückiges Material wie beispielsweise Erzpellets, Stückerz, Oxidbriketts, handeln oder um feinteilchenförmiges Material. Stückiges Material eignet sich beispielweise zur Direktreduktion in Festbettreaktoren.
Feinteilchenförmiges Material eignet sich beispielsweise zur Direktreduktion in
Wirbelschichtreaktoren.
In karburiertem Eisenschwamm beträgt der Kohlenstoffgehalt zumindest 0,5 Gewichts%, und bis zu 5,0 Gewichts%, bevorzugt liegt er zwischen 1 ,0 und 3,5 Gewichts%, wobei die beiden Grenzen dabei mit umfasst sind. Der Kohlenstoff kann gebunden als Eisenkarbid Fe3C vorhanden sein, und/oder frei als graphitischer Kohlenstoff e vorliegen. Chemisch gebundener Kohlenstoff als Eisenkarbid Fe3C ist besser und effektiver für den Betrieb eines Lichtbogenofens (electric arc furnace EAF).
Das Eisenoxidmaterial wird zuerst mittels eines zumindest überwiegend aus Wasserstoff H2 bestehenden Reduktionsgases direktreduziert, beispielsweise in einer Reduktionszone. Der Wasserstoffgehalt des Reduktionsgases kann bis zu 100 Vol% betragen. Bevorzugt ist ein Wasserstoffgehalt von zumindest 80 Vol%, besonders bevorzugt von zumindest 90 Vol%, wobei der Rest auf 100 Vol% beispielsweise Stickstoff N2, Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid C02, Wasserdampf H20, Methan CH4 ist. Der Kohlenstoffgehalt des bei dieser
Direktreduktion erhaltenen Eisenschwamms wird danach erhöht, beispielsweise in einer Karburierungszone. Zur Erhöhung wird ihm ein kohlenstoffhaltiges Gas, genannt
Karburierungsgas, zugeleitet. Das Karburierungsgas enthält Kohlenstoff in
kohlenstoffhaltigen Molekülen. Das Karburierungsgas kann beispielsweise Erdgas, Methan CH4, Ethan C2H6, Propan C3H8, Butan C HI0, Kohlenmonoxid CO, oder eine Mischung aus mehreren dieser Gase sein. Die kohlenstoffhaltigen Moleküle reagieren mit dem
Eisenschwamm zu Eisencarbid Fe3C, oder sie reagieren unter Freisetzung von Kohlenstoff C.
Beispielsweise läuft die Aufkohlung mit Methan wie folgt ab
Figure imgf000005_0001
Oder es entsteht beispielsweise durch Cracken von Methan elementarer Kohlenstoff
Figure imgf000005_0002
Aufgrund der nachfolgenden Reduktionsreaktion des entstandenen Wasserstoffs H2 mit Eisenerz entsteht Wasserdampf (H20) nach der folgenden Reaktion und dieser reagiert auch mit dem beispielsweise vorhandenen Methan (CH4) über Reformierungsreaktion:
FeO + H2 ^ Fe + H20
CH4 + Fl20 -> CO + 3 H2
Aus dem CO entsteht in der Folge auch C02 und Wasserdampf
Figure imgf000006_0001
3 Fe + 2 CO - Fe3C + C02
3 Fe + CO + H2 ^ Fe3C + H20
CO + hl2 -> c + H2O
CO + H2O CO2 + H2
2 CO -> C + C02
Das Produkt dieses Aufkohlungsschrittes mit gegenüber dem Produkt des ersten Schrittes - dem Direktreduktion - Eisenschwamm - erhöhtem Kohlenstoffgehalt, wird im Rahmen dieser Anmeldung karburierter Eisenschwamm genannt. Bei der Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes - hier Karburierung oder Aufkohlung genannt - wird Karburierungsgas teilweise umgesetzt. Vermischung von nicht-Wasserstoff Fl2 gasförmigen Produkten wie beispielsweise C02, CO, der zur Karburierung führenden Reaktionen, beziehungsweise von nicht umgesetzten Teilmengen des Karburierungsgases wie beispielsweise N2, mit dem überwiegend aus Wasserstoff Fl2 bestehenden in das Reduktionsaggregat eingeleiteten Reduktionsgas macht bei einer Rezirkulierung von Topgas gegebenenfalls Aufwand zur Abtrennung notwendig.
Um diesen Aufwand gering zu halten beziehungsweise um ihn zu vermeiden, wird verbrauchtes Karburierungsgas unter weitgehender Vermeidung einer Vermischung mit dem Reduktionsgas zumindest teilweise abgezogen. Das sogenannte verbrauchte
Karburierungsgas, das zumindest teilweise - bevorzugt vollständig - abgezogen wird, enthält sowohl gasförmige Produkte der zur Karburierung führenden Reaktionen, als auch nicht umgesetzte Teilmengen des Karburierungsgases. Das Abziehen erfolgt so, dass
Vermischung des verbrauchten Karburierungsgases mit dem Reduktionsgas weitgehend, bevorzugt vollständig, vermieden wird.
Eine weitgehende Vermeidung einer Vermischung mit dem Reduktionsgas ist gegeben, wenn der Anteil kohlenstoffhaltiger Gase - wie beispielsweise CO, C02, CH4 oder höhere Kohlenwasserstoffe - im Topgas insgesamt unter 20 Vol% liegt, bevorzugt unter 10 Vol%, besonders bevorzugt unter 5 Vol%. Diese Werte beziehen sich auf Messungen nach einer Kühlung des Topgases und einer Kondensation von Wasserdampf aus dem Topgas.
Insgesamt bedeutet, dass die Anteile der einzelnen kohlenstoffhaltigen Gase aufsummiert werden; beispielswiese wäre bei 8 Vol% CO, 7 Vol% C02 und 4 Vol% CH4 insgesamt 19 Vol% gegeben und damit unter der geforderten Grenze von 20 Vol%.
Das verbrauchte Karburierungsgas wird also zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, abgezogen, bevor es zu einer Vermischung mit dem Reduktionsgas kommt. Das Ziel ist dabei, nur sehr geringe oder keine Gasflüsse aus der Karburierungszone in die
Reduktionszone zu haben. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass aus der Karburierungszone so viel verbrauchtes Karburierungsgas abgezogen wird und so viel verbrauchtes Karburierungsgas aus einem Kreislauf des Karburierungsgases ausgeschieden wird, dass eine Aufwärtsströmung von der Karburierungszone in die Reduktionszone nicht stattfindet. Das verbrauchte Karburierungsgas wird dabei praktisch beispielsweise seitlich aus einem oberen Bereich der Karburierungszone hinausgeleitet, bevor es die darüber liegende Reduktionszone erreicht.
Entsprechend wird im erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise auf eine C02- Verminderung des für Rezirkulierung vorgesehenen Topgases, beispielsweise per C02- Wäsche oder C02/H20-Reformer, verzichtet. Das Verfahren wird auch dann ohne C02- Verminderung in für Rezirkulierung vorgesehenem Topgas durchgeführt, falls das Topgas aufgrund Kalzinierung von eingesetztem Eisenoxidmaterial auch etwas C02 enthält. Zur Vermeidung einer Anreicherung von diesem C02 oder von anderen gegebenenfalls im Topgas enthaltenen bei der Rezirkulierung unerwünschten Gaskomponenten wird eine erste Teilmenge des Topgases von der Rezirkulierung ausgeschlossen und aus dem Kreislauf ausgeleitet. Gegebenenfalls wird diese erste Teilmenge einer Nutzung zugeführt,
beispielsweise einer Nutzung als Brenngas.
Je weniger Vermischung des Karburierungsabgases mit dem Reduktionsgas stattfindet, desto weniger Topgas muss von der Rezirkulierung ausgeschlossen werden - und desto energieeffizienter kann die Herstellung des karburierten direktreduzierten Eisenschwamms erfolgen. Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße Durchführung der Karburierung nach der Direktreduktion und das daran anschließende Abziehen von verbrauchtem Karburierungsgas kann Aufwand zur Abtrennung von ungewünschten Komponenten aus einem zu rezirkulierenden Topgas vermieden werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine erste Teilmenge des verbrauchten Karburierungsgases nach einer Aufbereitung - wie beispielsweise einer Entstaubung - mit frischem Karburierungsgaskomponenten vereinigt wieder als Karburierungsgas zur
Erhöhung des Kohlenstoffgehalts des Eisenschwamms verwendet.
Auf diese Weise kann die Karburierung resourcenschonender und wirtschaftlicher
durchgeführt werden, da im verbrauchten Karburierungsgas vorhandene nicht umgesetzte Komponenten erneut die Möglichkeit bekommen, zur Karburierung beizutragen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Karburierungsgas oder das aufbereitete verbrauchte Karburierungsgas vor oder nach einer Vereinigung mit frischen
Karburierungsgaskomponenten erhitzt, bevor es mit dem Eisenschwamm in Kontakt tritt. Es erfolgt also Erhitzung zumindest eines Mitgliedes der Gruppe bestehend aus den beiden Mitgliedern
Karburierungsgas
aufbereitetes verbrauchtes Karburierungsgas vor oder nach einer Vereinigung mit frischen Karburierungsgaskomponenten, bevor es mit dem Eisenschwamm in Kontakt tritt.
Die Karburierungsreaktionen laufen bei höheren Temperaturen besser ab. Entsprechend wird durch die Temperaturerhöhung die Effizienz der Karburierung gesteigert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Erhitzung des Reduktionsgases durchgeführt, bevor es mit dem Eisenoxidmaterial in Kontakt tritt. Vorteilhafterweise wird dabei eine zweite Teilmenge des verbrauchten Karburierungsgases, gegebenenfalls nach Entstaubung, einer Nutzung als Brenngas für die Aufheizung des Reduktionsgases zugeführt. Im verbrauchten Karburierungsgas vorhandene Komponenten mit einem Brennwert werden innerhalb des Verfahrens genutzt; das mindert den notwendigen Ressourceneinsatz und steigert die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Die Nutzung innerhalb des Verfahrens kann beispielsweise auch einen Dampferzeuger oder ein Kraftwerk mit umfassen. Vorzugsweise wird das Reduktionsgas durch indirekten Wärmetausch auf über 700°C aufgeheizt.
Bevorzugt erfolgt eine einstufige Erhitzung durch indirekten Wärmetausch, also Erhitzung unter Beibehaltung des Reduktionspotentials des Reduktionsgases, beziehungsweise ohne oxidative Vernichtung von Reduktionspotential des Reduktionsgases.
Es kann aber auch eine mehrstufige Erhitzung des Reduktionsgases erfolgen, bei der eine Stufe indirekter Wärmetausch ist. Beispielsweise kann in einer ersten Stufe der Erhitzung durch indirekten Wärmetausch auf eine Temperatur über 700°C aufgeheizt werden, und danach in einer zweiten Stufe eine direkte Erhitzung mittels einer anderen Erhitzungsart - beispielsweise durch partielle Oxidation - zur Einstellung einer noch höheren
Temperaturerfolgen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine weitere Teilmenge des verbrauchten Karburierungsgases, gegebenenfalls nach Entstaubung, einer Nutzung als Brenngas für die Aufheizung des Karburierungsgases zugeführt. Im verbrauchten Karburierungsgas vorhandene Komponenten mit einem Brennwert werden innerhalb des Verfahrens genutzt; das mindert den notwendigen Ressourceneinsatz und steigert die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Aufheizung des Reduktionsgases und die Aufheizung des Karburierungsgases im selben Heizaggregat durchgeführt. Das benötigt weniger apparativen Aufwand und macht die Durchführung des Verfahrens einfacher.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird verbrauchtes Reduktionsgas als Topgas abgezogen, und eine erste Teilmenge des Topgases einer Nutzung als Brenngas für die Aufheizung des Reduktionsgases und/oder des Karburierungsgases zugeführt. Im Topgas vorhandene Komponenten mit einem Brennwert werden innerhalb des Verfahrens genutzt; das mindert den notwendigen Ressourceneinsatz und steigert die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Karburierungsgas exotherm mit dem direktreduzierten Eisenschwamm reagierende Komponenten. Die Karburierungsreaktionen laufen bei höheren Temperaturen besser ab. Entsprechend wird durch die
Temperaturerhöhung die Effizienz der Karburierung gesteigert. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der Eisenschwamm aufgeheizt, bevor und/oder während das Karburierungsgas zugeleitet wird. Die Karburierungsreaktionen laufen bei höheren Temperaturen besser ab. Entsprechend wird durch die Temperaturerhöhung die Effizienz der Karburierung gesteigert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird dem Eisenschwamm fester Kohlenstoff e zugemengt, bevor und/oder während und/oder nachdem das Karburierungsgas zugeleitet wird. Das ergänzt die Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes mittels des Karburierungsgases. Das unterstützt auch gegebenenfalls angestrebte Konstanthaltung des Kohlenstoffgehalts im Eisenschwamms - beispielsweise bei späterer Verwendung in einem EAF ist konstanter Kohlenstoffgehalt gewünscht.
Beispielsweise erfolgt
3 Fe + C - FeaC
Der feste Kohlenstoff kann beispielsweise Anthrazit sein.
Zur Einstellung eines möglichst konstanten C Gehaltes im Eisenschwamm kann elementarer Kohlenstoff in dosierter Form - beispielsweise mittels Dosierschnecke oder Zellenrad - zugegeben werden. Optional kann zusätzlich zur Zugabe auch noch mit dem
Eisenschwamm vermischt werden - beispielsweise in einer Mischkammer oder einem Mischer um eine Durchmischung und einen erhöhten Anteil an Eisenkarbid zu erhalten. Dabei ist unter einem Mischer ein Aggregat mit bewegten Einbauten zu verstehen, wohingegen eine Mischkammer keine bewegten Einbauten aufweist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Größe der zweiten Teilmenge des verbrauchten Karburierungsgases in Abhängigkeit von Kohlendioxid C02 und/oder
Kohlenmonoxid CO und/oder Methan CH4 Gehalt im Topgas geregelt.
Bevorzugt erfolgt die Regelung in Abhängigkeit des Gehaltes am Austritt aus der
Reduktionszone.
Eine Vermischung des verbrauchten Karburierungsgases mit dem Kreislauf des
Reduktionsgases soll weitgehend, bevorzugt vollständig, vermieden werden.
Eine Überwachung das Topgases auf Komponenten, die auf eine erfolgte Vermischung hinweisen - Kohlendioxid C02 und/oder Kohlenmonoxid CO und/oder Methan CH4 - warnt vor einer Vermischung. Vergrößerung der zweiten Teilmenge des verbrauchten Karburierungsgases trägt dazu bei, eine gegebenenfalls stattfindende Vermischung zu unterbinden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Größe der ersten Teilmenge des Topgases in Abhängigkeit von Stickstoff N2 und/oder Kohlendioxid C02 und/oder
Kohlenmonoxid CO und/oder Methan CH4 Gehalt im Topgas geregelt.
Eine Anreicherung dieser Komponenten im rezirkulierten Topgas wäre für die Effizienz der Direktreduktion nachteilig. Daher sollen solche Komponenten zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreislauf ausgeschleust werden. Überwachung das Topgases auf
Komponenten, die auf eine erfolgte Vermischung von verbrauchtem Karburierungsgas und Reduktionsgas hinweisen - Kohlendioxid C02 und/oder Kohlenmonoxid CO und/oder Methan CH4 - warnt vor einer Vermischung. Die negativen Auswirkungen einer
gegebenenfalls erfolgten Vermischung von Karburierungsgas beziehungsweise
verbrauchtem Karburierungsgas mit dem Reduktionsgas können mittels Vergrößerung der ersten Teilmenge des Topgases vermindert werden.
Die Nutzung des ausgeschleusten Gases als erste Teilmenge erlaubt seine energetische Nutzung bei der Erhitzung. Im Topgas vorhandene Komponenten mit einem Brennwert werden innerhalb des Verfahrens genutzt; das mindert den notwendigen Ressourceneinsatz und steigert die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Anlage zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial,
umfassend eine Reduktionszone zur Direktreduktion von eingegebenem Eisenoxidmaterial zu direktreduziertem Produkt mittels überwiegend aus Wasserstoff H2 bestehendem
Reduktionsgas,
und umfassend eine in die Reduktionszone mündende Reduktionsgaszuleitung, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anlage auch umfasst
eine Karburierungszone zur Karburierung des direktreduzierten Produktes, mit einer in die Karburierungszone mündenden Karburierungsgaszuleitung und einer von der
Karburierungszone ausgehenden Karburierungsabgasleitung zum Abziehen von verbrauchtem Karburierungsgas aus der Karburierungszone, sowie zumindest eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Vermischung von Reduktionsgas mit Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas.
Es können auch mehrere Vorrichtungen zur Vermeidung einer Vermischung von
Reduktionsgas mit Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas vorhanden sein.
Eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Vermischung von Reduktionsgas mit
Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas kann beispielsweise so ausgeführt sein:
- Regelorgan, wie beispielsweise ein Regelventil, in der Karburierungsabgasleitung,
- ein Kompressor beziehungsweise ein Gebläse, zur Ausschleusung aus der
Karburierungszone und damit zur Vermeidung des Eintrags von Karburierungsgas in den Reduktionsgaskreislauf
- Reduktionszone und Karburierungszone getrennt durch eine mit Eisenschwamm gefüllte Leitung - beispielsweise mit oder ohne Gasschleuse , mit oder ohne Materialflussaggregat wie ein Lock-hopper-System z, einen Hot Rotary Feeder, oder eine Schwerkraftförderung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform mündet die Karburierungsabgasleitung in eine Rezirkulierungsvorrichtung zur Aufbereitung - wie beispielsweise Reinigung, Verdichtung, Aufheizung - und Rezirkulierung von verbrauchtem Karburierungsgas in die
Karburierungsgaszuleitung.
Eine derartige Rezirkulierungsvorrichtung kann zur Aufbereitung beispielsweise zumindest eine Entstaubungsvorrichtung enthalten.
Eine derartige Rezirkulierungsvorrichtung umfasst eine Rezirkulatleitung, die in die Karburierungsgaszuleitung mündet, um aufbereitetes verbrauchtes Karburierungsgas als Teilmenge des Karburierungsgases zur Verfügung zu stellen.
Auf diese Weise kann die Karburierung resourcenschonender und wirtschaftlicher durchgeführt werden, da im verbrauchten Karburierungsgas vorhandene nicht umgesetzte Komponenten erneut die Möglichkeit bekommen, zur Karburierung beizutragen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Karburierungsgaszuleitung und/oder in der Rezirkulatleitung eine Gaserhitzungsvorrichtung vorhanden. Die
Karburierungsreaktionen laufen bei höheren Temperaturen besser ab. Entsprechend wird durch die Temperaturerhöhung die Effizienz der Karburierung gesteigert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Reduktionsgaszuleitung eine
Reduktionsgaserhitzungsvorrichtung vorhanden. Bevorzugt handelt es sich um eine einstufige Reduktionsgaserhitzungsvorrichtung. Bevorzugt handelt es sich um einen indirekten Wärmetauscher. Es kann sich aber auch eine mehrstufige Erhitzungsvorrichtung handeln, bei der eine Stufe ein indirekter Wärmetauscher ist.
Vorteilhafterweise geht von der Karburierungsabgasleitung und/oder der
Rezirkulierungsvorrichtung eine in die Reduktionsgaserhitzungsvorrichtung mündende Brenngasleitung aus. Vorteilhafterweise geht von der Karburierungsabgasleitung und/oder der Rezirkulierungsvorrichtung eine in die Gaserhitzungsvorrichtung mündende
Brenngaszuleitung aus. Bevorzugt handelt es sich um eine einstufige
Gaserhitzungsvorrichtung. Bevorzugt handelt es sich um einen indirekten Wärmetauscher. Im verbrauchten Karburierungsgas vorhandene Komponenten mit einem Brennwert können dann innerhalb des Verfahrens genutzt werden; das mindert den notwendigen
Ressourceneinsatz und steigert die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Reduktionsgaserhitzungsvorrichtung und die Gaserhitzungsvorrichtung beide in einer Heizvorrichtung integriert, und die Brenngasleitung und/oder die Brenngaszuleitung und/oder münden in die Heizvorrichtung. Das benötigt weniger apparativen Aufwand.
Die Anlage zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus
Eisenoxidmaterial umfasst eine Topgasleitung zum Abziehen von verbrauchtem
Reduktionsgas aus der Reduktionszone. Nach einer bevorzugten Ausführungsform mündet die Topgasleitung in eine Recyclevorrichtung zur Aufbereitung und Rezyklierung von Topgas in die Reduktionsgaszuleitung.
Eine derartige Recyclevorrichtung kann zur Aufbereitung beispielsweise zumindest eine Entstaubungsvorrichtung - bevorzugt eine Trockenentstaubungsvorrichtung, da in diesem Fall im Vergleich zu einer ebenfalls möglichen Nassentstaubungsvorrichtung auf aufwändige Reinigung von Prozessabwasser aus der Nassentstaubung verzichtet werden kann - enthalten.
Eine derartige Recyclevorrichtung umfasst eine Rezirkulatleitung, die in die
Reduktionsgaszuleitung mündet, um aufbereitetes Topgas als Teilmenge des
Reduktionsgases zur Verfügung zu stellen.
Auf diese Weise kann die Direktreduktion resourcenschonender und wirtschaftlicher durchgeführt werden, da im Topgas vorhandene nicht umgesetzte Komponenten erneut die Möglichkeit bekommen, zur Direktreduktion beizutragen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage zur Herstellung von
karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial auch eine von der Topgasleitung und/oder der Recyclevorrichtung ausgehende Brennstoffleitung, die in die Reduktionsgaserhitzungsvorrichtung und/oder in die Gaserhitzungsvorrichtung und/oder die Heizvorrichtung mündet. Im Topgas vorhandene Komponenten mit einem Brennwert können dann innerhalb des Verfahrens genutzt werden; das mindert den notwendigen
Ressourceneinsatz und steigert die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Wenn eine Entstaubungsvorrichtung in der Recyclevorrichtung vorhanden ist, ist es bevorzugt, dass die Brennstoffleitung in Strömungsrichtung des Topgases von der
Reduktionszone gesehen nach der Entstaubungsvorrichtung ausgeht. Das schont später durchlaufene Anlagenteile wie beispielsweise Kompressoren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Reduktionszone und der
Karburierungszone eine Heizanlage zur Aufheizung des direktreduzierten Produktes vor Eintritt in die Karburierungszone vorhanden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Karburierungszone eine Heizanlage zur Aufheizung des direktreduzierten Produktes vorhanden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Reduktionszone und der
Karburierungszone eine Kohlenstoffzugabevorrichtung vorhanden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Karburierungszone eine Kohlenstoffzugabevorrichtung vorhanden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform von der Reduktionszone aus in Strömungsrichtung des direktreduzierten Produktes gesehen hinter der Karburierungszone eine
Kohlenstoffzugabevorrichtung vorhanden.
Die Kohlenstoffzugabevorrichtung ist geeignet zur Zugabe von festem Kohlenstoff. Sie kann Dosiervorrichtungen wie beispielsweise Dosierschnecke oder Zellenrad umfassen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst sie auch Mischvorrichtungen wie beispielsweise Mischkammer oder Mischer um eine Durchmischung und einen erhöhten Anteil an
Eisenkarbid zu ermöglichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anlage auch eine Regelvorrichtung zur Regelung des Gasflusses in der Brenngasleitung und/oder der Brenngaszuleitung in Abhängigkeit von aus dem Topgas gewonnenen Messwerten. So eine Regelvorrichtung kann eine der Vorrichtungen zur Vermeidung einer Vermischung von Reduktionsgas mit Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anlage auch eine Regelvorrichtung zur Regelung des Gasflusses in der Brennstoffleitung in Abhängigkeit von aus dem Topgas gewonnenen Messwerten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anlage keine Vorrichtung zur C02-Verminderung des für Rezyklierung vorgesehenen Topgases.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anlage eine Ausschleusleitung zum Ausschleusen von Topgas aus der Rezyklierung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Reduktionszone und die
Karburierungszone innerhalb eines Aggregats untergebracht. Beispielsweise kann das Aggregat ein Schacht sein, in dessen oberem Teil sich die Reduktionszone befindet, und in dessen unteren Teil sich die Karburierungszone befindet. Eisenoxidmaterial wird oben in den Schacht eingegeben und durchwandert ihn der Schwerkraft folgend nach unten. Dabei wird es direktreduziert. Nach Durchlaufen der Reduktionszone tritt direktreduziertes Produkt in die Karburierungszone ein. Nach Durchlaufen der Karburierungszone tritt es aus dem Schacht aus.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Reduktionszone und die
Karburierungszone in unterschiedlichen Aggregaten untergebracht. Beispielsweise kann das direktreduzierte Produkt aus einem die Reduktionszone enthaltenden
Direktreduktionsaggregat entnommen werden und danach in ein separates, die
Karburierungszone enthaltendes Karburierungsaggregat eingeführt werden. Das
direktreduzierte Produkt ist Eisenschwamm. Direktreduktionsaggregat und
Karburierungsaggregat sind über eine Lieferleitung zur Lieferung von Eisenschwamm in das Karburierungsaggregat verbunden.
Die zumindest eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Vermischung von Reduktionsgas mit Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas kann beispielsweise in der Lieferleitung vorhanden sein. Sie kann auch im lieferleitungsseitigen Ende des
Direktreduktionsaggregates vorhanden sein. Sie kann auch im lieferleitungsseitigen Ende des Karburierungsaggregates vorhanden sein, Sie kann auch am dem
Direktreduktionsaggregat zugewandten Ende der Lieferleitung, oder am dem
Karburierungsaggregat zugewandten Ende der Lieferleitung vorhanden sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer schematischer Figuren beispielhaft beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch eine Variante einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial . Figur 2 zeigt schematisch eine andere Variante einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial.
Figuren 3 bis 8 zeigen in Anlehnung an die Figuren 1 und 2 diverse Varianten.
Figur 9 zeigt schematisch ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung von
direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial, wobei mittels eines aus H2 bestehenden Reduktionsgases direktreduziert wird.
Beschreibung der Ausführungsformen
Beispiele
Figur 1 zeigt schematisch eine Variante einer erfindungsgemäßen Anlage 1 zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial 2.,
Sie umfasst eine Reduktionszone 3 zur Direktreduktion von eingegebenem
Eisenoxidmaterial 2 zu direktreduziertem Produkt mittels überwiegend aus H2 bestehendem Reduktionsgas. Sie umfasst auch eine in die Reduktionszone 3 mündende
Reduktiongasgaszuleitung 4. Sie umfasst auch eine Karburierungszone 5 zur Karburierung des direktreduzierten Produktes. In die Karburierungszone 5 mündet eine
Karburierungsgaszuleitung 6. Von der Karburierungszone 5 geht eine
Karburierungsabgasleitung 7 zum Abziehen von verbrauchtem Karburierungsgas aus der Karburierungszone 5 aus. Die Anlage umfasst auch zumindest eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Vermischung von Reduktionsgas mit Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas, hier ein Gebläse 8 in der Karburierungsabgasleitung 7. Durch das Gebläse 8 wird verbrauchtes Karburierungsgas zumindest teilweise aus der Karburierungszone herausbefördert und dadurch eine Vermischung mit dem Reduktionsgas weitgehend vermieden. Zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial 2 wird es zuerst mittels des zumindest überwiegend aus H2 bestehenden Reduktionsgases direktreduziert, während es die Reduktionszone 3 der Schwerkraft folgend von oben nach unten durchwandert. Danach tritt das direktreduzierte Produkt Eisenschwamm der Schwerkraft folgend in die Karburierungszone 5 ein, wo mittels eines zugeleiteten Karburierungsgases der Kohlenstoffgehalt im direktreduzierten Produkt Eisenschwamm erhöht wird, während sie der Schwerkraft folgend von oben nach unten durchlaufen wird. Dabei verbrauchtes Karburierungsgas wird unter weitgehender
Vermeidung einer Vermischung mit dem Reduktionsgas zumindest teilweise mittels des Gebläses 8 aus der Karburierungszone 5 über die Karburierungsabgasleitung abgezogen und hinausgeleitet. Entnahme von karburiertem Eisenschwamm aus der Karburierungszone ist mit einem Blockpfeil angedeutet.
Figur 2 zeigt schematisch eine andere Variante einer erfindungsgemäßen Anlage 1 zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial 2. Im Gegensatz zu Figur 1 sind Karburierungszone 5 und Reduktionszone 3 in unterschiedlichen Aggregaten untergebracht. Das direktreduzierte Produkt Eisenschwamm wird aus einem die Reduktionszone enthaltenden Direktreduktionsaggregat - im dargestellten Fall ein
Festbettreaktor 9 -entnommen und danach über die Lieferleitung 10 in ein separates, die Karburierungszone enthaltendes Karburierungsaggregat 1 1 eingeführt. In der Lieferleitung 10 kann auch ein zusätzliches Förderorgan, wie beispielsweise eine Zellradschleuse, oder eine dynamische Gassperre vorhanden sein. Zu Figur 1 analoge Anlagenteile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung zur Vermeidung einer Vermischung von Reduktionsgas mit Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas - im dargestellten Fall beispielhaft durch das Gebläse 8 dargestellt - könnte statt der - oder zusätzlich zur - dargestellten Anordnung in der Karburierungsabgasleitung auch in der Lieferleitung vorhanden sein, oder im lieferleitungsseitigen Ende des
Direktreduktionsaggregates, oder im lieferleitungsseitigen Ende des
Karburierungsaggregates vorhanden sein, oder am dem Direktreduktionsaggregat zugewandten Ende der Lieferleitung, oder am dem Karburierungsaggregat zugewandten Ende der Lieferleitung. Zur besseren Übersichtlichkeit sind diese Varianten nicht dargestellt. Entnahme von karburiertem Eisenschwamm aus der Karburierungszone ist mit einem Blockpfeil angedeutet.
Figur 3 zeigt beispielhaft in einer zu einem Ausschnitt der Figur 2 weitgehend analogen Darstellung, wie die Karburierungsabgasleitung 7 aus Figur 2 in eine
Rezirkulierungsvorrichtung 12 zur Aufbereitung - wie beispielsweise Reinigung, Verdichtung, Aufheizung - und Rezirkulierung von verbrauchtem Karburierungsgas in die
Karburierungsgaszuleitung 6 mündet. Eine erste Teilmenge des verbrauchten
Karburierungsgases wird nach einer Aufbereitung - wie beispielsweise einer Entstaubung - über die Rezirkulatleitung 13 mit frischem Karburierungsgaskomponenten vereinigt wieder als Karburierungsgas zur Erhöhung des Kohlenstoffgehalts des Eisenschwamms verwendet. Die Zuspeisung der frischen Karburierungsgaskomponenten ist durch den Pfeil 14 angedeutet. Entnahme von karburiertem Eisenschwamm aus der Karburierungszone ist mit einem Blockpfeil angedeutet.
In Figur 3 ist auch angedeutet, dass eine Gaserhitzungsvorrichtung 15 in der
Karburierungsgaszuleitung 6 vorhanden ist. Sie könnte stattdessen oder zusätzlich auch in der Rezirkulatleitung 13 vorhanden sein. Das Karburierungsgas wird erhitzt, bevor es mit dem Eisenschwamm in Kontakt tritt.
Figur 4 zeigt beispielhaft in einer zu Figur 1 weitgehend analogen Darstellung, wie in der Reduktionsgaszuleitung eine Reduktionsgaserhitzungsvorrichtung vorhanden ist, im dargestellten Fall ein indirekter Wärmetauscher 16 zur einstufigen Erhitzung des
Reduktionsgases bevor es mit dem Eisenoxidmaterial 2 in Kontakt tritt. Eine zweite
Teilmenge des verbrauchten Karburierungsgases wird nach Aufbereitung einer Nutzung als Brenngas für die Erhitzung des Reduktionsgases zugeführt. Dazu geht von der
Rezirkulierungsvorrichtung 12 eine in die Reduktionsgaserhitzungsvorrichtung 16 mündende Brenngasleitung 17 aus.
Figur 5 zeigt in einer Abwandlung der Darstellung in Figur 4, wie von der
Rezirkulierungsvorrichtung 12 eine in die Gaserhitzungsvorrichtung 15 mündende
Brenngaszuleitung 18 ausgeht. Eine weitere Teilmenge des verbrauchten
Karburierungsgases, wird dabei einer Nutzung als Brenngas für die Aufheizung des
Karburierungsgases zugeführt.
Figur 6 zeigt in einer zu Figur 1 weitgehend analogen Darstellung, wie eine Topgasleitung 19 zum Abziehen von verbrauchtem Reduktionsgas aus der Reduktionszone ausgeht. Eine Brennstoffleitung 20 geht von ihr aus und kann - zur besseren Übersichtlichkeit nicht extra dargestellt, in eine Gaserhitzungsvorrichtung 15 oder eine
Reduktionsgaserhitzungsvorrichtung wie beispielsweise in den Figuren 3 und 4 dargestellt münden, um eine erste Teilmenge des Topgases einer Nutzung als Brenngas für die Aufheizung des Reduktionsgases und/oder des Karburierungsgases zuzuführen. Figur 7 zeigt in Anlehnung an Figur 2 schematisch, wie mittels einer in der Lieferleitung 10 vorhandenen Fleizanlage 21 Eisenschwamm vor Eintritt in die Karburierungszone aufgeheizt werden kann.
Figur 8 zeigt in Anlehnung an Figur 2 schematisch, wie mittels einer
Kohlenstoffzugabevorrichtung 22 Kohlenstoff in die Karburierungszone 5 eingegeben werden kann.
Figur 9 zeigt schematisch ein herkömmliches Verfahren zur Fierstellung von
direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial, wobei mittels eines aus Fi2 bestehenden Reduktionsgases direktreduziert wird. Das Fi2-Reduktionsgas wird über die Reduktionsgaszuleitung 23 in den Reduktionsreaktor 24 eingeleitet. Eisenschwamm 25 wird unten aus dem Reduktionsreaktor 24 entnommen. Nach der Reduktion verbrauchtes Reduktionsgas wird als Topgas über die Topgasleitung 26 oben aus dem Reduktionsreaktor 24 entnommen. Das Topgas wird nach Auskondensation von Wasser und Reinigung in einem Wäscher 27 größtenteils rezirkuliert, während eine Teilmenge als Brennstoff einem Reduktionsgasofen 28 zugeleitet wird. Dem rezirkulierten Topgas wird frischer Wasserstoff 29 zugemischt. Nach einer Vorwärmung mit Abgas aus dem Reduktionsgasofen 28 wird im Reduktionsgasofen 28 erhitzt und danach in das Reduktionsaggregat eingeleitet. C02- Entfernung ist in dem Rezirkulierungskreislauf nicht notwendig.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Liste der Bezugszeichen 1 Anlage zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial
2 Eisenoxidmaterial
3 Reduktionszone
4 Reduktionsgaszuleitung
5 Karburierungszone
6 Karburierungsgaszuleitung
7 Karburierungsabgasleitung
8 Gebläse
9 Festbettreaktor
10 Lieferleitung
1 1 Karburierungsaggregat
12 Rezirkulierungsvorrichtung
13 Rezirkulatleitung
14 Zuspeisung
15 Gaserhitzungsvorrichtung
16 Indirekter Wärmetauscher
17 Brenngasleitung
18 Brenngaszuleitung
19 Topgasleitung
20 Brennstoffleitung
21 Heizanlage
22 Kohlenstoffzugabevorrichtung
23 Reduktionsgaszuleitung Reduktionsreaktor
Eisenschwamm
Topgasleitung
Wäscher
Reduktionsgasofen
Liste der Anführungen
Patentliteratur
W09924625
WO2014040989

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial (2),
wobei zuerst mittels eines zumindest überwiegend aus Wasserstoff H2 bestehenden Reduktionsgases direktreduziert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
danach mittels eines zugeleiteten Karburierungsgases der Kohlenstoffgehalt im
Eisenschwamm erhöht wird,
wonach dabei verbrauchtes Karburierungsgas unter weitgehender Vermeidung einer Vermischung mit dem Reduktionsgas zumindest teilweise abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Teilmenge des verbrauchten Karburierungsgases nach einer Aufbereitung mit frischem
Karburierungsgaskomponenten vereinigt wieder als Karburierungsgas zur Erhöhung des Kohlenstoffgehalts des Eisenschwamms verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Erhitzung zumindest eines Mitgliedes der Gruppe bestehend aus den beiden Mitgliedern
Karburierungsgas
aufbereitetes verbrauchtes Karburierungsgas vor oder nach einer Vereinigung mit frischen Karburierungsgaskomponenten, erfolgt,
bevor es mit dem Eisenschwamm in Kontakt tritt..
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Karburierungsgas exotherm mit dem direktreduzierten Eisenschwamm reagierende Komponenten enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Eisenschwamm aufgeheizt wird, bevor und/oder während das Karburierungsgas zugeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem
Eisenschwamm fester Kohlenstoff C zugemengt wird, bevor und/oder während und/oder nachdem das Karburierungsgas zugeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei verbrauchtes Reduktionsgas als Topgas abgezogen, und das Reduktionsgas erhitzt wird, bevor es mit dem Eisenoxidmaterial in Kontakt tritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Teilmenge des verbrauchten Karburierungsgases einer Nutzung als Brenngas für die Aufheizung des Reduktionsgases zugeführt wird,
wobei vorzugsweise die Größe der zweiten Teilmenge des verbrauchten
Karburierungsgases in Abhängigkeit von Kohlendioxid C02 und/oder Kohlenmonoxid CO und/oder Methan CH4 Gehalt im Topgas geregelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei verbrauchtes Reduktionsgas als Topgas abgezogen, und das Reduktionsgas erhitzt wird, bevor es mit dem Eisenoxidmaterial in Kontakt tritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Teilmenge des Topgases einer Nutzung als Brenngas für die Aufheizung des Reduktionsgases und/oder des
Karburierungsgases zugeführt wird;
wobei vorzugsweise die Größe der ersten Teilmenge des Topgases in Abhängigkeit von Stickstoff N2 und/oder Kohlendioxid C02 und/oder Kohlenmonoxid CO und/oder Methan CH4 Gehalt im Topgas geregelt wird.
9. Anlage (1 ) zur Herstellung von karburiertem direktreduzierten Eisenschwamm aus Eisenoxidmaterial (2) ,
umfassend eine Reduktionszone (3) zur Direktreduktion von eingegebenem
Eisenoxidmaterial (2) zu direktreduziertem Produkt mittels überwiegend aus Wasserstoff H2 bestehendem Reduktionsgas, und umfassend eine in die Reduktionszone (3) mündende Reduktionsgaszuleitung (4), dadurch gekennzeichnet, dass
die Anlage (1 ) auch umfasst
eine Karburierungszone (5) zur Karburierung des direktreduzierten Produktes, mit einer in die Karburierungszone (5) mündenden Karburierungsgaszuleitung (6) und einer von der Karburierungszone (5) ausgehenden Karburierungsabgasleitung (7) zum Abziehen von verbrauchtem Karburierungsgas aus der Karburierungszone (5),
sowie zumindest eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Vermischung von Reduktionsgas mit Karburierungsgas und/oder verbrauchtem Karburierungsgas.
10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Karburierungsabgasleitung (7) in eine Rezirkulierungsvorrichtung (12) zur Aufbereitung und Rezirkulierung von verbrauchtem Karburierungsgas in die Karburierungsgaszuleitung (6) mündet.
1 1. Anlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der
Karburierungsgaszuleitung (6) eine Gaserhitzungsvorrichtung (15) vorhanden ist.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Reduktionszone (3) und der Karburierungszone (5) eine Heizanlage zur Aufheizung des direktreduzierten Produktes vor Eintritt in die Karburierungszone (5) vorhanden ist und/oder in der Karburierungszone (5) eine Heizanlage (21 ) zur Aufheizung des direktreduzierten Produktes vorhanden ist.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Reduktionszone (3) und der Karburierungszone (5) eine Kohlenstoffzugabevorrichtung (22) vorhanden ist,
und/oder
in der Karburierungszone (5) eine Kohlenstoffzugabevorrichtung (22) vorhanden ist, und/oder von der Reduktionszone (3) aus in Strömungsrichtung des direktreduzierten Produktes gesehen hinter der Karburierungszone (5) eine Kohlenstoffzugabevorrichtung (22) vorhanden ist.
14. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reduktionszone (3) und die Karburierungszone (5) innerhalb eines Aggregats untergebracht sind.
15. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reduktionszone (3) und die Karburierungszone (5) in unterschiedlichen Aggregaten untergebracht sind.
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