DE102021128987A1

DE102021128987A1 - Verfahren zum Umschmelzen von Eisenschwamm und/oder von heißgepresstem Eisenschwamm sowie von Schrott zu Rohstahl in einem Konverter

Info

Publication number: DE102021128987A1
Application number: DE102021128987.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dettmer
Original assignee: RHM Rohstoff Handels GmbH
Current assignee: RHM Rohstoff Handels GmbH
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen von Eisenschwamm (DRI - Direct Reduced Iron) und/oder von heißgepresstem Eisenschwamm (HBI - Hot Briquetted Iron) sowie von Schrott zu Rohstahl in einem Konverter (1), wobei zeitweise kohlenstoffhaltige Medien für die Energiebereitstellung in den Konverter (1) eingebracht werden und wobei gasförmige Medien durch den Boden (2) des Konverters (1) eingeblasen werden. Um eine Produktion von Roheisen bzw. Stahl bei Minimierung des entstehenden CO2zu erreichen, sieht die Erfindung vor, dass die eingebrachten kohlenstoffhaltigen Medien zumindest teilweise Biomassen und/oder Recyclingprodukte und/oder Kunststoffe sind und dass die gasförmigen Medien zumindest teilweise Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen von Eisenschwamm (DRI - Direct Reduced Iron) und/oder von heißgepresstem Eisenschwamm (HBI - Hot Briquetted Iron) sowie von Schrott zu Rohstahl in einem Konverter, wobei zeitweise kohlenstoffhaltige Medien für die Energiebereitstellung in den Konverter eingebracht werden und wobei gasförmige Medien durch den Boden des Konverters eingeblasen werden.
Typischerweise wird in einem Hochofen Erz mit Kohlenstoffträgern zu flüssigem Roheisen aufgeschmolzenen. Einsatzstoffe können entweder direkt in den Hochofen oder vorher über eine Sinteranlage zugegeben werden. Dabei ist auch der Einsatz von Reststoffen und Schlackenbildnern möglich. Im Konverter erfolgt der Energieeintrag durch Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff. Zur Kühlung wird Schrott zugegeben.
Wird der Hochofen durch eine Direktreduktionsanlage ersetzt, stellt diese heißes, krümeliges, reduziertes Material her (Eisenschwamm). Dieses kann beispielsweise in Lichtbogenöfen zu flüssigem Rohstahl geschmolzen werden. Die Heizenergie wird hier größtenteils elektrisch über Grafitelektroden zugeführt. Allerdings werden auch ca. 40 % der gesamten eingebrachten Energie über fossilen Kohlenstoff, beispielsweise über Erdgasbrenner und Schlackenschäumkohle, eingebracht. Trotzdem wird bei Einsatz von „grünem Strom“ dieser Prozess als kohlenstoffarm angesehen. Diese Verfahrensroute „Direktreduktion/ Lichtbogenofen“ wird bisher nur in Ländern mit Erdgasvorkommen genutzt und überwiegend als „green field“ Projekt betrieben.
In den existierenden integrierten Hüttenwerken (Hochofen plus Konverter) wäre es notwendig, nicht nur die installierte Anlagentechnik von beiden Kernaggregaten zu ersetzen, sondern auch die gesamte Infrastruktur, Logistik usw. Problematisch ist insoweit, dass auch das Fachpersonal für die Metallurgie und Instandhaltung entsprechender Anlagen nicht vorhanden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass eine Produktion von Stahl bei Minimierung des entstehenden CO₂ weiterhin im Konverter erfolgen kann.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachten kohlenstoffhaltigen Medien zumindest teilweise Biomassen und/oder Recyclingprodukte und/oder Kunststoffe sind und dass die gasförmigen Medien zumindest teilweise Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff sind.
Die Kohlenwasserstoffe sind dabei bevorzugt Erdgas.
Bei den Biomassen handelt es sich insbesondere um kohlenstoffneutrale, also nicht fossile Kohlenstoffquellen. Besonders bewährt hat sich der Einsatz von Karbonisaten nach der Pyrolyse verschiedener Biomassen.
Als Recyclingsprodukt wird insbesondere Gummi eingesetzt. Hierbei ist insbesondere an Altreifen gedacht.
Weiterhin kann festes, kaltes Roheisen aus der Herstellung von einem mit Holzkohle betriebenen Hochofen eingesetzt werden, ohne die CO₂-Bilanz zu belasten.
Das Verfahren umfasst bevorzugt einen Nachverbrennungsvorgang, bei dem ein gleichzeitiges Einblasen von Sauerstoff durch den Boden des Konverters sowie von Heißwind vom oberen Bereich des Konverters aus erfolgt. Der Heißwind wird bevorzugt mit geringer Geschwindigkeit eingegeben. In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, dass der vom oberen Bereich des Konverters eingeblasene Heißwind mit Sauerstoff angereichert ist. Der vom oberen Bereich des Konverters zugegebene Sauerstoff kann dabei insbesondere durch eine Sauerstoffeinblaslanze und/oder durch mindestens eine im Konverterhut installierte Einblasvorrichtung zugegeben werden. Durch die Einblasvorrichtung kann auch Heißwind eingeblasen werden.
Dabei können im Bodenbereich des Konverters zusätzlich weitere gasförmige Medien zugegeben werden, insbesondere Inertgase (wie Argon und Stickstoff).
Der vom oberen Bereich des Konverters eingeblasene Heißwind wird bevorzugt mit einer Temperatur von mindestens 1.250 °C, besonders bevorzugt von 1.300 °C, eingegeben.
Besonders hat es sich bewährt, wenn gemäß einer Weiterbildung der vom oberen Bereich des Konverters eingeblasene Heißwind durch einen Pebble-Heater aus dem heißen Abgasstrom des Konverters temperiert wird (d. h. durch einen Schüttschicht-Wärmetauscher, wie von der Küttner GmbH & Co. KG, Essen, hergestellt). Zur diesbezüglichen Technologie wird auf den Beitrag von Dr. D. Stevanovic et al. „Pebble-Heater Technology in Metallurgy“ hingewiesen.
Beim Einblasen gasförmiger Medien durch den Boden des Konverters wird vorzugsweise ein Kühlgas verwendet. Als Kühlgas wird bevorzugt Methan oder Propan oder ein anderer Kohlenwasserstoff verwendet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zumindest zeitweise weiterhin Feststoffe durch den Boden des Konverters eingeblasen werden.
Das Einsatzmaterial für den Konverter ist somit kein flüssiges Roheisen aus dem Hochofen, sondern Eisenschwamm aus der Direktreduktionsanlage. Insofern wird eine Rohstahlerzeugung im Konverter unter Ausschluss des Hochofens erreicht.
Das vorgeschlagene Konzept stellt also darauf ab, dass der Hochofen als hauptsächlicher CO₂-Emittent durch eine Direktreduktionsanlage ersetzt wird. Das dort erzeugte Produkt wird dann im genannten Konverter in modifizierter Bauart bzw. Betriebsweise eingesetzt, um das Material zu verflüssigen, wobei eine CO₂-arme Metallurgie genutzt wird. Für die Bereitstellung der Energie in den Konverter werden also gasförmige Medien und gegebenenfalls auch Feststoffe in den Konverter eingebracht, wobei ein Einblasen durch den Boden des Konverters erfolgen kann, aber auch eine Zugabe über die Konverteröffnung.
Das vorgeschlagene Verfahren stellt insofern auf die Eingabe von Sauerstoff durch den Boden des Konverters und/oder durch Lanzen von oben sowie auf eine Nachverbrennung ab. Insbesondere wird ein blasender Konverter mit Nachverbrennung zum Einsatz von Schrott und DRI/HBI aus der Direktreduktion mit Erdgas oder Wasserstoff kombiniert. Dies stellt eine vorteilhafte Alternative zur Direktreduktion mit anschließendem Schmelzen im Lichtbogenofen dar. Dabei wird insbesondere ein Kernaggregat beibehalten.
Das vorgeschlagene Verfahren findet im gewohnten Umfeld eines integrierten Hüttenwerks Anwendung und ermöglicht eine CO₂-arme Konverterstahlerzeugung durch Ergänzung des K-OBM-Prozesses (Klöckner - Oxygen Bodenblas Metallurgie) unter optimierter Nutzung der Nachverbrennungsenergie ohne fossiler Kohle- bzw. Kokseinblasung.
Bezüglich der Prozessführung sei folgendes angemerkt: Wie für jeden Konvertertyp ist auch bei obigem Vorschlag ein speziell angepasstes Prozessmodel zur Optimierung des Schmelzverlaufes vorteilhaft. Bestehende Modelle können angepasst werden. Besonderen Wert wird auf die Online-Messung der Nachverbrennung gelegt, also auf die Gasphasen C, CO, CO₂ und H₂ im Abgas. Durch schnelle Regelstrecken und Ventile kann auf Veränderungen im Prozess sofort reagiert werden. Hierdurch kann eine präzise Temperaturführung während der Behandlung durch eine automatisierte Regelung der sinnvollen, zugeführten Gasmengen auf der Basis einer präzisen und schnellen Abgasanalytik gewährleistet werden. Ergänzt werden kann die Überwachung des Prozesses durch Künstliche Intelligenz; hier ist namentlich an die automatisierte Auswertung des Spektrums der Nachverbrennungsflamme am Konverterhut gedacht. Ebenso kann eine gewünschte chemische Zusammensetzung der Schmelze und eine gewünschte Badtemperatur zum Abstichzeitpunkt über den Prozessablauf gewährleistet werden.
Für das erste Aufheizen nach Neuzustellung oder das Vorheizen nach längerem Stillstand gelten die üblichen Optionen wie beim oben beschriebenen K-OBM-Verfahren. Für die laufende Produktion kann eine Fahrweise mit „hot heel“ angewendet werden. Der genaue Verlauf für die Einsätze, die Mengen und Zeitpunkte von Schrott und DRI/HBI (kalt/warm) in Abhängigkeit des Badspiegels und der Gasmengen (sowohl hinsichtlich der eingeblasenen Gasmengen als auch der entstehenden) kann je nach Verfügbarkeit und Gesamtzielrichtung im jeweiligen Betrieb ermittelt werden.
Wesentlich ist der Verfahrensschritt der Nachverbrennung. Das gleichzeitige Einblasen von Sauerstoff vom Bodenbereich des Konverters aus sowie das Einblasen vorgewärmter Luft, auch mit Sauerstoff angereichert (mit weicher oder niedriger Geschwindigkeit) vom oberen Bereich des Konverters aus führen zu einer Nachverbrennung der Entkohlungsproduktgase im Bereich über dem Bad und zu einer exothermen Reaktion von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Hohe Wärmeübertragungsraten von den heißen, nachverbrannten Gasen auf das Metallbad werden durch die Wärmeübertragung auf Metalltröpfchen erzielt, die in das Gas über dem Bad ausgestoßen werden und dann in das Schmelzbad zurückfallen.
Vorteilhaft ist der Einsatz einer Heißwindlanze. Durch dieselbe wird die Hauptmenge an Gasen zur Nachverbrennung eingeblasen. Die Luft sollte dabei auf ca. 1.300 °C vorgewärmt und mit Sauerstoff angereichert sein. Ergänzungen durch reine Sauerstofflanzen oder auch verschiedene Einblasdüsen (insbesondere für vorgewärmten Heißwind oder für Sauerstoff) im Konverterhut oder als Toplanze können ergänzend eingesetzt werden. Deren Einsatz hängt hauptsächlich vom Kohlenstoffgehalt der Schmelze während ihres Erzeugungsprozesses ab.
Vorteilhaft ist auch der Einsatz eines Pebble-Heaters. Dieser regenerative Wärmetauscher wird mit Schüttgut gefüllt, das aus kugelförmigen Kieselsteinen besteht. Er kann bei hohen Temperaturen zum Erwärmen und Kühlen von gasförmigen Medien eingesetzt werden. Das Fluid strömt hierbei radial durch ein Kieselbett, das zwischen zwei konzentrischen, durchlässigen Zylindern, dem so genannten heißen und kalten Gitter, befestigt ist.
Dabei können höhere Strömungsgeschwindigkeiten gefahren und/oder kleinere Kieselsteindurchmesser verwendet werden, da keine Gefahr einer Fluidisierung besteht. Das sorgt für eine sehr hohe spezifische Oberfläche (bzw. ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis) und damit für einen sehr guten Wärmeübergang. Hierdurch kann ein thermischer Wirkungsgrad von 95 % problemlos erreicht werden, mit einer Rekuperationseinheit sogar über 98 %. Zudem werden in vorteilhafter Weise solche Ergebnisse bei Temperaturen von bis zu 1.500 °C erzielt.
Sehr vorteilhaft ist auch der Einsatz der Bodendüsen, mit denen gasförmiges Medium sowie Feststoffe in den Konverter eingebracht werden. Bei den Feststoffen handelt es sich bevorzugt um Energieträger und Schlackenbildner. Aber auch entsprechend aufbereitete Hüttenreststoffe können darüber verwertet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die sehr schnelle Reaktionskinetik von Feststoff und Schmelze über den direkten Phasenkontakt.
Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt hiermit ein Frischen mit Sauerstoff auch über den Konverterboden. Zur Realisierung bedarf es eines Kühlgases, wie beispielsweise Methan oder Propan. Der Kühleffekt ergibt sich einerseits durch die endotherme Zersetzung der Verbindung in Wasserstoff und Kohlenstoff und andererseits durch eine ausreichende Entfernung der Oxidations-Reaktion zwischen Sauerstoff und Schmelze zur Düse. Bei bisher bekannten Verfahren wurde fossile Kohle bzw. Koks mit eingeblasen, um den Energieeintrag zu erhöhen. Dies wird erfindungsgemäß durch passende Biomassen, Recyclingstoffe zur thermischen Verwertung, Kunststoffe und kohlenwasserstoff-haltige Gase ersetzt.
Somit wird das Ziel erreicht, die Verbrennungswärme der Stoffe, z. B. Erdgas, mit Hilfe der optimierten Nachverbrennung im Konverter zu nutzen. Mengen und Mischungsverhältnisse mit Sauerstoff ergeben sich aus dem Kohlenstoff-Gehalt der weiteren Einsatzstoffe und Stückigkeit des Rücklaufschrottes.
In diesem Zusammenhang ist auch der Kohlenstoff-Gehalt der externen Schrotte für die Energiezufuhr von Bedeutung. Ferner sind Düsen vorhanden, über die Schlackenbildner eingeblasen werden können. Durch die Feinheit der Stoffe kommt es durch die großen Oberflächen zu schnellen und homogenen Reaktionsabläufen. Alle Düsen werden bevorzugt mit Argon oder Stickstoff als Trägergas beaufschlagt. Dies kann dann je nach Prozessfortschritt variiert werden. Diese Gase können auch zum Freihalten der Düsen eingesetzt werden. Bei liegendem Konverter kann auf Druckluft umgeschaltet werden.
In vorteilhafter Weise ist der vorgeschlagene Prozess sehr variabel einsetzbar und führt zu einer CO₂-armen Produktion von Stahl.
Vorhandene Konverter können für die Nutzung des vorgeschlagenen Verfahrens ergänzt bzw. umgebaut werden; dies betrifft insbesondere die Anordnung von Bodendüsen, die Ausstattung für die Nachverbrennung und den „pebble heater“.
Das vorgeschlagene Verfahren ist für alle infrage kommenden Kohlenstoffgehalt von DRI bzw. HBI tauglich (d. h. namentlich von 0 bis 3,5 %). Der Einsatz von Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Erdgas, Biomassen und Recyclingprodukten als Energieträger (insbesondere mittels Bodendüsen plus Nachverbrennung) ermöglicht eine CO₂-arme Produktion. Das Einblasen von DRI fines (Direct Reduced Iron) ist dabei vorteilhaft, weil eine Agglomeration nicht notwendig ist. Nach der ersten Schmelze erfolgt bevorzugt die Nutzung des Hot Heel (Restsumpf bleibt nach Abstich im Konverter als Start für die nächste Charge).
Wie oben bereits erwähnt, ist die vorgesehene Online-Abgasmessung zur Regelung der Nachverbrennung sehr vorteilhaft. Somit kann eine permanente Anpassung der eingegebenen Gasmengen bzw. -sorten an den Prozessverlauf mittels Echtzeitermittlung erfolgen.
Es kann ein Schrotteinsatz mit Vorwärmung vor dem Schmelzbeginn erfolgen. Dabei ist es nicht zwingend, Kühlschrotte als bestimmende Menge zugeben zu müssen, um die Prozesstemperatur stabil zu halten. Diese ist variabel abhängig vom Kohlenstoffeintrag im Rahmen des Verfahrens.
Die Nachverbrennung nutzt, wie erwähnt, mit Sauerstoff angereicherten Heißwind, erzeugt über den erwähnten pebble heater, mit einer Temperatur bis zu 1.300 °C. Es erfolgt ein „Soft blowing“. Unterstützt werden kann der Prozess durch Düsen in der oberen Konverterwand und/oder im Konverterhut. Dabei ist das Ziel, ausreichend Zeit für die exotherme Reaktion von CO zu CO₂ bereitzustellen. Die Heißwindlanze wird dabei bevorzugt in Abhängigkeit des Füllstandes verfahren.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt schematisch einen Konverter (in Form eines Klöckner-Oxygen Bottom Blow Maxhütte Konverters - K-PBM-Konverter), in dem eine Nachverbrennung (PC - „Post Combustion“) erfolgt.
In der Figur ist ein Konverter 1 angedeutet, der einen Boden 2 und einen oberen Bereich 3 (Konverterhut) aufweist. Im oberen Bereich 3 ist eine Heißgaslanze 4 angeordnet. Ferner ist eine Sauerstoffeinblaslanze 5 dargestellt und eine im Konverterhut installierte Einblasvorrichtung 6. Die Sauerstoffeinblaslanze 5 und die Einblasvorrichtung 6 dienen der Nachverbrennung („Post Combustion“).
Dargestellt ist der Vorgang der Erschmelzung von DRI bzw. HBI plus Schrott zu Rohstahl. Hierfür werden kohlenstoffhaltige Medien für die Energiebereitstellung in den Konverter 1 eingebracht. Für das vorliegende Verfahren ist es des Weiteren wesentlich, dass gasförmige Medien durch den Boden 2 des Konverters 1 eingeblasen werden.
Wesentlich ist auch, dass es sich bei den eingebrachten kohlenstoffhaltigen Medien zumindest teilweise um Biomassen, um Recyclingprodukte bzw. um Kunststoffe handelt, die als Kohlenstoffträger zugeführt werden. Daneben werden allerdings auch noch weitere Kohlenstoffträger und insbesondere Schrott zugegeben, der sowohl als Kühlmittel als auch als Kohlenstoffträger dient.
Die durch den Boden 2 des Konverters 1 zugegebene gasförmigen Medien sind zumindest zeitweise Erdgas bzw. Wasserstoff.
Hierdurch kann erreicht werden, dass die Produktion von Kohlendioxid bei der Stahlherstellung vermindert wird, was entsprechende positive Umwelteffekte hat.

Claims

Verfahren zum Umschmelzen von Eisenschwamm (DRI - Direct Reduced Iron) und/oder von heißgepresstem Eisenschwamm (HBI - Hot Briquetted Iron) sowie von Schrott zu Rohstahl in einem Konverter (1), wobei zeitweise kohlenstoffhaltige Medien für die Energiebereitstellung in den Konverter (1) eingebracht werden und wobei gasförmige Medien durch den Boden (2) des Konverters (1) eingeblasen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachten kohlenstoffhaltigen Medien zumindest teilweise Biomassen und/oder Recyclingprodukte und/oder Kunststoffe sind und dass die gasförmigen Medien zumindest teilweise Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoffe Erdgas sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Nachverbrennungsvorgang umfasst, bei dem ein gleichzeitiges Einblasen von Sauerstoff durch den Boden (2) des Konverters (1) sowie von Heißwind vom oberen Bereich (3) des Konverters (1) aus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vom oberen Bereich (3) des Konverters (1) eingeblasene Heißwind mit Sauerstoff angereichert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vom oberen Bereich (3) des Konverters (1) zugegebene Sauerstoff durch eine Sauerstoffeinblaslanze (5) und/oder durch mindestens eine im Konverterhut installierte Einblasvorrichtung (6) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vom oberen Bereich (3) des Konverters (1) eingeblasene Heißwind mit einer Temperatur von mindestens 1.250 °C, vorzugsweise von 1.300 °C, eingegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vom oberen Bereich (3) des Konverters (1) eingeblasene Heißwind durch einen Pebble-Heater aus dem heißen Abgasstrom des Konverters (1) temperiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einblasen gasförmiger Medien durch den Boden (2) des Konverters (1) ein Kühlgas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlgas Methan oder Propan oder ein anderer Kohlenwasserstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise weiterhin Feststoffe durch den Boden (2) des Konverters (1) eingeblasen werden.