DE102010049233A1

DE102010049233A1 - Verfahren zur Gewinnung von Roheisen in einem Hochofen-Reduktionsprozess sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010049233A1
Application number: DE102010049233A
Authority: DE
Inventors: Johann Scheuer; Uwe Scheuer
Original assignee: RWE Power AG; RWE Technology GmbH
Current assignee: RWE Generation SE; RWE Technology GmbH
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Roheisen in einem Hochofen-Reduktionsprozess mit einem Hochofen und wenigstens einem Winderhitzer, in welchem die für die Reduktion benötigte, dem Hochofen zuzuführende Luft erhitzt wird, wobei sich das Verfahren durch die Verwendung wenigstens einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie auszeichnet, deren Abhitze zumindest teilweise zur Heißwinderzeugung genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Roheisen in einem Hochofen-Reduktionsprozess mit einem Hochofen und wenigstens einem Winderhitzer, in welchem die für die Reduktion benötigte und dem Hochofen zuzuführende Luft erhitzt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Gewinnung von Roheisen, umfassend wenigstens einen Hochofen und wenigstens einen Winderhitzer.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Gewinnung von Flüssigroheisen in einem als Schachtofen ausgebildeten Hochofen, in welchem Koks als Energieträger und Reduktionsmittel eingesetzt wird. Der für die Reduktion benötigte Sauerstoff, bzw. die für die Reduktion benötigte Luft wird vor Einblasen in den Hochofen in einem sogenannten Winderhitzer auf Temperaturen zwischen 1000 bis maximal 1350°C erhitzt und als sogenannter Heißwind über hierfür vorgesehene Heißwindringleitungen und Heißwindzuführungsdüsen in den Hochofen eingeblasen. Als Winderhitzer kommen Wärmetauscher in rekuperativer Bauform, d. h. Wärmetauscher mit regenerativen Speichermassen in Betracht. Üblicherweise finden sogenannte Cowpers-Winderhitzer Anwendung, in welchen feuerfeste Viellochsteine aus Schamotte mittels Gasbrennern aufgeheizt werden. Diese Viellochsteine werden vom Hochofenwind durchströmt und nehmen dabei die in den Steinen gespeicherte Wärme auf. Dieser Vorgang ist einerseits sehr energieverzehrend, andererseits wird dadurch der Koks- und Ölverbrauch des Hochofens reduziert.
Beim Hochofenprozess/Reduktionsprozess fallen nennenswerte Mengen an sogenanntem Gichtgas an, welches als niederkalorisches Gas H₂ und CO als werttragende Bestandteile enthält. Teile des Gichtgases werden bei im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Erwärmung des Kaltwindes bzw. zur Heißwinderzeugung verwendet. Aufgrund des verhältnismäßig geringen Brennwertes/Heizwertes des Gichtgases wird zusätzlich Erdgas benötigt, um die erforderlichen hohen Endtemperaturen (zwischen 1200 und 1300°C) des Heißwindes zu erreichen. Ein weiterer Teil des anfallenden Gichtgases wird zum Teil in dem Hochofenprozess nachgeschalteten Verfahren verwendet. Beispielsweise kommt als Gichtgasverbraucher ein nachgeschaltetes Hüttenwerk in Betracht. Die energetische Nutzung von einem Schmelzereduktionsprozess abgezogenem Gas ist beispielsweise aus der DE 39 08 505 A1 bekannt. Dieses Verfahren betrifft allerdings einen Schmelzereduktionsprozess mit Kohle, wobei die Vergasung von Kohle mittels Sauerstoff in einem Einschmelzevergaser erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art hinsichtlich der Energieeffizienz zu verbessern.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird zunächst durch ein Verfahren zur Gewinnung von Roheisen in einem Hochofen-Reduktionsprozess gelöst, in welchem die für die Reduktion benötigte, dem Hochofen zuzuführende Luft erhitzt wird, wobei sich das Verfahren durch die Verwendung wenigstens einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie auszeichnet, deren Abhitze zumindest teilweise zur Heißwinderzeugung genutzt wird.
Mit anderen Worten, ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung betrifft die Kopplung einer Wärmekraftmaschine mit einem an und für sich bekannten Hochofenprozess, wobei die Abhitze der Wärmekraftmaschine zur Vorwärmung des Kaltwindes/der für den Reduktionsprozess benötigten, zunächst kalten Umgebungsluft so genutzt wird, dass der vorhandene Winderhitzer die Luft nur noch vom einem bereits verhältnismäßig hohen Temperaturniveau auf die gewünschte Endtemperatur aufheizen muss. Hierdurch werden beachtliche Mengen Energie für die Heißwinderzeugung eingespart, insbesondere da die Wärmekraftmaschine über wenigstens einen Generator elektrische Energie erzeugt.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens wird wenigstens ein Teil des bei der Reduktion anfallenden Gichtgases in der Wärmekraftmaschine in elektrische Energie umgesetzt.
Als Wärmekraftmaschine kann beispielsweise ein Gasmotor Anwendung finden.
Vorzugsweise wird die Abhitze der Wärmekraftmaschine zur Vorwärmung der Luft vor Eintritt in den Winderhitzer genutzt.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung findet als Wärmekraftmaschine eine Gasturbine Anwendung. Unter Gasturbine im Sinne der Erfindung ist eine Gasturbine im weiteren Sinne zu verstehen, nämlich eine Gasturbine als Verbrennungskraftmaschine umfassend eine Entspannungsstufe mit vorgeschaltetem Verdichter und einer dazwischen geschalteten Brennkammer. Hiervon grundsätzlich zu unterscheiden ist die reine Expansionsturbine, wie sie beispielsweise in der DE 39 08 505 A1 Erwähnung findet.
Zweckmäßigerweise sieht das Verfahren gemäß der Erfindung vor, die Luft vor Eintritt in den Heißwinderzeuger mehrstufig, vorzugsweise zweistufig vorzuwärmen. Auf diese Art und Weise kann die nahezu vollständige Temperaturdifferenz der Abhitze der Wärmekraftmaschine zur Vorwärmung des Kaltwindes genutzt werden. Vorzugsweise wird das Brenngas der Gasturbine vorverdichtet. Der Gasturbine kann beispielsweise als Brenngas eine Mischung aus Gichtgas und Erdgas zugeführt werden. Auch andere Gase kommen als Brenngase für die Gasturbine in Betracht.
Vorzugsweise wird die Luft bei einem Druck von etwa 4 bis 6 bar in einer oder mehreren Stufen von annährend Umgebungstemperatur bis auf etwa 500°C bis 600°C vorgewärmt. Vorzugsweise wird die Luft in einer ersten Stufe vor dem Winderhitzer bis auf etwa 80 bis 100°C vorgewärmt. In einer zweiten Stufe kann eine Vorwärmung bis auf etwa 500 bis 600°C erfolgen.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung wird ein Teil der für die Gasturbine benötigten Verbrennungsluft nach deren Verdichtung zur Heißwinderzeugung abgezweigt, so dass hierdurch ein separater Verdichter zur Vorverdichtung des Kaltwindes entbehrlich wird.
Zweckmäßigerweise wird die Umgebungsluft/der Kaltwind über einen Verdichter mit etwa 4,5 bis 5,5 bar einem oder mehreren, vorzugsweise zwei hintereinandergeschalteten Wärmetauschern aufgegeben und über diese dem Winderhitzer zugeführt. Dabei erfolgt bereits zwangsläufig eine Temperaturanhebung der Kaltluft durch den Verdichtungsprozess.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Einrichtung zur Gewinnung von Roheisen, umfassend wenigstens einen Hochofen und wenigstens einen Winderhitzer, wobei sich die Einrichtung dadurch auszeichnet, dass dem Winderhitzer eine Luftvorwärmung vorgeschaltet ist. Zweckmäßigerweise ist die Luftvorwärmung über wenigstens ein Wärmetauschersystem mit wenigstens einer Wärmekraftmaschine gekoppelt. Als Wärmetauschersysteme kommen beispielsweise geschlossene Wärmetauschersysteme in Betracht, d. h. Wärmetauschersysteme mit einem geschlossenen Kreislauf eines Wärmeträgermediums bzw. Wärmeträgerfluids. Beispielsweise kann als Wärmeträgermedium Wasser dienen.
Bevorzugt ist als Wärmekraftmaschine eine Gasturbine vorgesehen, die einen Generator treibt.
Das Wärmetauschersystem der Einrichtung gemäß der Erfindung kann einen ersten und einen zweiten Wärmeträgerkreislauf umfassen, die an einen der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessel angeschlossen sind.
Der Winderhitzer der Einrichtung gemäß der Erfindung ist vorzugsweise als gasbeheizter regenerativer Wärmetauscher, vorzugsweise als Cowper-Winderhitzer ausgebildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Verfahrensfließbildes erläutert.
Die Abbildung zeigt schematisch einen Hochofenprozess. Mit 1 ist ein Hochofen in bekannter Schachtofenbauweise dargestellt, in welchem unter Einsatz von Koks und diversen Zuschlagstoffen eine Reduktion von Eisenerz zu flüssigem Roheisen stattfindet. Der für die Reduktion benötigte Sauerstoff wird in Form von Heißwind dem Hochofen 1 zugeführt, der Heißwind über einen Winderhitzer 2 auf eine Temperatur von etwa 1000 bis 1350°C aufgeheizt. Der Winderhitzer 2 kann beispielsweise als sogenannter Cowper-Winderhitzer ausgebildet sein. Dieser umfasst in der Regel mehrere Speichermassenbehälter, die mit Viellochsteinen aus Schamotte gefüllt sind und die wechselweise über Gas- oder Ölbrenner beheizt werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst weiterhin eine Gasturbine 3, die mit einem Teil des aus dem Hochofen 1 anfallenden Gichtgases betrieben wird. Hierzu wird das Gas aus einer dem Hochofen 1 nachgeschalteten Gasreinigung 4 über einen Gasverdichter 5 und eine Mischeinrichtung 6 der Gasturbine 3 zugeführt. Über die Mischeinrichtung 6 kann die Gasturbine 3 alternativ oder zusätzlich mit Erdgas befeuert werden.
Die Gasturbine 3 gemäß der Erfindung ist als Wärmekraftmaschine ausgebildet und umfasst in üblicher Art und Weise eine Verdichterstufe, eine Brennkammer und eine Entspannungsstufe. Der Gasturbine 3 ist ein Abhitzekessel 7 unmittelbar nachgeschaltet. Der Abhitzekessel 7 ist über zwei Wärmetauscherkreisläufe 8 mit zwei Luftvorwärmern 9 gekoppelt, wobei ein erster Wärmetauscherkreislauf 8a die Abhitze der Gasturbine 3 über einen ersten Luftvorwärmer 9a in den dem Winderhitzer 2 zuzuführenden Kaltwind in einer ersten Vorwärmstufe einkoppelt. Ein zweiter Wärmetauscherkreislauf 8b ist mit einem zweiten Luftvorwärmer 9b gekoppelt, welcher in einer zweiten Vorwärmstufe die Abhitze der Gasturbine 3 in den Kaltwind einkoppelt.
Als Kaltwind wird Umgebungsluft über einen Windverdichter 10 auf einen Druck von etwa 4 bis 6 bar Überdruck gegenüber Atmosphärendruck verdichtet. Dabei erwärmt sich der Kaltwind auf etwa 40°C bis 60°C. Sodann wird dieser über die Luftvorwärmer 9a, 9b dem Winderhitzer 2 zugeführt. In der ersten Vorwärmstufe (Luftvorwärmer 9a) wird der Kaltwind auf zwischen 80 bis 100°C vorgewärmt, in der zweiten Vorwärmstufe wird die Temperatur des Kaltwindes von etwa 100°C auf eine Temperatur zwischen 400 und 600°C angehoben. In dem Winderhitzer 2 erfolgt sodann eine Aufheizung auf eine Temperatur zwischen etwa 1000 und 1350°C.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist mit der Gasturbine 3 auf der Turbinenwelle ein Ansaugluftverdichter 11 und ein Generator 12 angeordnet.
Der der Mischeinrichtung 6 vorgeschaltete Gasverdichter kann ebenso auf der Turbinenwelle angeordnet sein.
Grundsätzlich ist es möglich, den Kaltwind ebenfalls über den Ansaugluftverdichter 11 der Gasturbine 3 zu verdichten und über einen Bypass vor der Gasturbine 3 abzuzweigen. In diesem Falle wäre ein Windverdichter 10 entbehrlich. Der Bypass 13 ist in dem Verfahrensschema durch gestrichelte Linien angedeutet.
Bezugszeichenliste

1: Hochofen
2: Winderhitzer
3: Gasturbine
4: Gasreinigung
5: Gasverdichter
6: Mischeinrichtung
7: Abhitzekessel
8a, b: Wärmetauscherkreisläufe
9a, b: Luftvorwärmer
10: Windverdichter
11: Ansaugluftverdichter
12: Generator
13: Bypass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3908505 A1 [0004, 0012]

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Roheisen in einem Hochofen-Reduktionsprozess mit einem Hochofen und wenigstens einem Winderhitzer, in welchem die für die Reduktion benötigte, dem Hochofen zuzuführende Luft erhitzt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung wenigstens einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie, deren Abhitze zumindest teilweise zur Heißwinderzeugung genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des bei der Reduktion anfallenden Gichtgases in der Wärmekraftmaschine in elektrische Energie umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhitze der Wärmekraftmaschine zur Vorwärmung der Luft vor Eintritt in den Winderhitzer genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmekraftmaschine eine Gasturbine Anwendung findet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft vor Eintritt in den Heißwinderzeuger mehrstufig, vorzugsweise zweistufig vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Hochofen zugeführte Luft vor deren Erwärmung verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft bei einem Überdruck von 4 bis 6 bar in einer ersten Stufe bis auf etwa 80 bis 200°C vorgewärmt wird und dass in einer zweiten Stufe eine Vorwärmung bis auf etwa 500 bis 600°C erfolgt.
Einrichtung zur Gewinnung von Roheisen, umfassend wenigstens einen Hochofen (1) und wenigstens einen Winderhitzer (2), dadurch gekennzeichnet, dass dem Winderhitzer (2) eine Luftvorwärmung (9a, 9b) vorgeschaltet ist.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftvorwärmung (9a, 9b) über wenigstens ein Wärmetauschersystem mit wenigstens einer Wärmekraftmaschine gekoppelt ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmekraftmaschine eine Gasturbine (3) vorgesehen ist, die einen Generator (12) treibt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschersystem einen ersten und einen zweiten Wärmeträgerkreislauf (8a, 8b) umfasst, die an einen der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessel (7) angeschlossen sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winderhitzer (2) als gasbeheizter regenerativer Wärmetauscher ausgebildet ist.