DE19521518C1 - Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr in ein Schrotthaufwerk - Google Patents
Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr in ein SchrotthaufwerkInfo
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Description
Beim Aufheizen und Aufschmelzen von Schrott ist die Ener
gieübertragung in das Schrotthaufwerk der leistungsbegren
zende Schritt. So wird beispielsweise beim Elektrolichtbo
genofen die Einschmelzphase durch in den Seitenwänden
angebrachte Brenner unterstützt. Die Wärmeübertragung an
das Schrotthaufwerk bei diesen Brennern ist jedoch be
grenzt, da die Wärmeleitung durch das große Lückenvolumen
der Schrottschüttung schlecht ist. Die über Brenner ein
bringbare Energie ist deshalb auf max. 10% der insgesamt
nötigen Energie zum Aufschmelzen des Schrottes begrenzt.
Bei einem bekannten Konverterverfahren zum Aufschmelzen von
Schrott wurde versucht, durch Bodendüsen, die mit Sauer
stoff und staubförmiger Kohle betrieben werden, die
Schrottsäule von unten aufzuschmelzen. Dadurch wurde eine
optimale Wärmeübertragung der heißen Verbrennungsgase an
das Schrotthaufwerk erreicht. Bei einer Variante dieses
Verfahrens wurde auf den Boden des Konverters Koks char
giert, bevor der Schrott zugegeben wurde, und mit Hilfe von
Sauerstoff der Koks verbrannt. In kleinen Konvertern gelang
es mit diesem Verfahren, bei einem Koksverbrauch von etwa
220 kg pro Tonne Schrott, Schrott in flüssigen Stahl zu verwandeln. Dabei
wurde durch einen Sauerstoffaufblasstrahl durch die Ver
brennung der Reaktionsgase zusätzliche Energie von oben auf
den Schrott übertragen.
Bei einem weiteren Verfahren wurden dicht über dem Boden
des Konverters in der Seitenwand Erdgas- oder Ölsauerstoff
brenner angebracht. Mit diesem Verfahren gelang es zwar,
Schrott einzuschmelzen, es wurde jedoch ein erheblicher
Teil des Eisens oxidiert, und das verflüssigte Eisen mußte
mit einer Temperatur unmittelbar oberhalb des Schmelzpunk
tes aus dem Konverter entfernt werden, um in einem getrenn
ten Gefäß nachbehandelt zu werden.
In der Europäischen Patentschrift 0 350 982 A1 ist ein
Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr beim Aufheizen
und Schmelzen eines Schrotthaufwerks bekannt geworden. Bei
diesem Verfahren wird mittels eines als Lanze ausgebildeten
Brenners ein Kanal in das Schrotthaufwerk gebrannt und dann
eine Sauerstofflanze in den Kanal eingebracht. Das Einbrin
gen der Lanze erwies sich als praktisch undurchführbar.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß es bei allen bisher
bekannten Verfahren nicht gelungen ist, ohne stark störende
Nebenreaktionen und mit dem erforderlichen hohen thermi
schen Wirkungsgrad Energie aus der Verbrennung von fossilen
Brennstoffen, sei es Kohle, Öl oder Erdgas, im wesentlichen
Umfang in ein Schrotthaufwerk zu übertragen.
Aufgabe der Erfindung ist es, Energie in ein Schrotthauf
werk mit hohem thermischem Wirkungsgrad zu übertragen, ohne
daß störende Nebenreaktionen auftreten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verbesserung der
Energiezufuhr beim Aufheizen und Schmelzen eines Schrott
haufwerkes gelöst, bei dem in ein Schrotthaufwerk ein Kanal
gebrannt wird und weitere Energiezufuhr für das Aufheizen
und Schmelzen des Schrotthaufwerkes durch diesen Kanal
erfolgt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kanal
mittels eines heißen sauerstoffhaltigen Gasstrahles in das
Schrotthaufwerk gebrannt wird.
Es hat sich gezeigt, daß überraschenderweise ein heißer
sauerstoffhaltiger Gasstrahl innerhalb von nur wenigen
Minuten einen Kanal in ein Schrotthaufwerk brennen kann.
So gelang es beispielsweise, mit einem Heißluftstrahl von
2000 Nm³ mit einer Windtemperatur von 1400°C, einer Aus
trittsgeschwindigkeit aus der Heißluftdüse von 600 m/s und
unter Zusatz von 100 Nm³/h Erdgas, durch eine zentrale Düse
innerhalb von 3 Minuten einen Kanal von etwa 20 cm Durch
messer und einer Tiefe von 3 m zu brennen.
Das Einbrennen des Kanals in das Schrotthaufwerk kann mit
einem heißen sauerstoffhaltigen Gasstrahl allein ohne
Zusatz von fossilen Brennstoffen erfolgen. Es wird jedoch
bevorzugt, das Einbrennen des Kanals bei Gegenwart von
fossilen Brennstoffen durchzuführen. Die fossilen Brenn
stoffe können im Schrotthaufwerk vorliegen. Es wird jedoch
bevorzugt, die fossilen Brennstoffe dem Gasstrahl zuzuge
ben. Es versteht sich, daß auch beide Varianten, die Zugabe
der fossilen Brennstoffe zum Schrotthaufwerk und zum
Gasstrahl, möglich sind.
Als fossile Brennstoffe kommen in erster Linie Erdgas, aber
auch Erdöl, Kohle sowie Koks in Betracht.
Es ist vorteilhaft, die Menge der zugesetzten fossilen
Brennstoffe so niedrig zu halten, daß in dem Gasstrahl noch
freier Sauerstoff vorhanden ist. Der freie Sauerstoff
hilft, daß sich die Öffnung im Schrotthaufwerk schneller
bildet. Außerdem werden brennbare Stoffe, die immer in
einem Schrotthaufwerk vorhanden sind, innerhalb der
Schrottsäule verbrannt, was zu einer besonders günstigen
Energieausnutzung führt.
Erdgas wird als fossiler Brennstoff besonders bevorzugt.
Bei etwa 2800°C erfolgt bei Verbrennung mit Sauerstoff eine
Dissoziation in Radikale. Die Gase diffundieren in das
Schrotthaufwerk, und bei niedrigerer Temperatur wird die
Rekombinationsenergie an den Schrott abgegeben. Auf diese
Weise ist eine besonders gute Energieübertragung gewährlei
stet. Die Flammentemperatur soll möglichst hoch sein und
vorzugsweise mindestens 2500°C betragen.
Nach einer Anfangsphase von etwa 1 bis 2 Minuten werden die
fossilen Brennstoffe am wirkungsvollsten in einer solchen
Weise zugegeben, daß eine möglichst späte Reaktion inner
halb des Gasstrahles eintritt. So ist es beispielsweise
zweckmäßig, das Erdgas durch eine Düse so zuzugeben, daß
eine geringe Verwirbelung mit dem sauerstoffhaltigen
Gasstrahl erfolgt. Bei Zugabe von Kohle kann es zweckmäßig
sein, einen möglichst groben Anteil einer Feinkohle zu
bevorzugen, also Kohleteilchen im Bereich von 0,1 bis 1 mm
zu verwenden, die dann weitgehend erst innerhalb des durch
den Gasstrahl geschaffenen Kanals verbrennen.
Als heiße sauerstoffhaltige Gase kommen Heißluft, mit
Sauerstoff angereicherte Heißluft, aber auch reiner Sauer
stoff in Betracht. Bei Sauerstoffanreicherung des
Gasstrahls wird eine Menge von bis zu 30% Sauerstoffanrei
cherung bevorzugt. Diese Menge kann jedoch bis auf vorzugs
weise 60% gesteigert werden, wenn die Anreicherung mit
kaltem Sauerstoff erfolgt. Von den Einblasdüsen her gesehen
ist es bedeutend einfacher, Heißluft einzublasen als Sauer
stoff. Heißluft kann mit Keramikdüsen, Sauerstoff hingegen
nur mit wassergekühlten Düsen eingeblasen werden.
Für einen möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad ist es
zweckmäßig, die Temperatur des sauerstoffhaltigen Gasstrah
les so hoch wie möglich einzustellen. Als besonders vor
teilhaft für Heißluft haben sich Temperaturen zwischen 1000
und 1600°C erwiesen. Aber auch Gasstrahlen höherer Tempera
tur können vorteilhaft eingesetzt werden. Vorzugsweise
weisen die Gasstrahlen mindestens eine Temperatur von 500°C
auf. Sauerstoff kann ohne große Probleme bis zu 1200°C
vorgeheizt werden. Die Verwendung von Heißluft, auch mit
Sauerstoff angereicherter Heißluft, hat gegenüber dem
Einblasen von reinem kaltem Sauerstoff zwei wesentliche
Vorteile: Durch die hohe Geschwindigkeit, die durch die
mehr als doppelt so hohe Schallgeschwindigkeit der Heißluft
bedingt ist, und durch die höhere Gasmenge ist ein wesent
lich höherer Impuls als beim Einleiten von reinem Sauer
stoff vorhanden. Dieser Impuls unterstützt das Einbrennen
der Öffnung. Obwohl der vorhandene freie Sauerstoff das
Aufbrennen der Öffnung stark begünstigt, bewirkt der vor
handene Stickstoff einen gewissen Oxidationsschutz beim
Aufschmelzen.
Es kommt jedoch auch die Verwendung von reinem heißem
Sauerstoff in Betracht. Bei höherer Temperatur liegt die
Schallgeschwindigkeit höher und beträgt beispielsweise bei
1200°C für reinen Sauerstoff etwa 900 m/s. Mit heißem Sauer
stoff ist somit auch ein höherer Impuls erreichbar.
Ein praktisches Problem zu Beginn des Einbrennens des
Kanals liegt darin, daß der Gasstrahl mit der optimalen
hohen Geschwindigkeit zu Beginn an Schrottstücken reflek
tiert werden kann. Es ist deshalb zweckmäßig, eine kurze
Zeit, etwa im Bereich von einer oder mehreren Minuten, mit
wesentlich verminderter Geschwindigkeit, beispielsweise 10
bis 30% der Schallgeschwindigkeit, und bis herab zu etwa
100 m/s zu arbeiten. In der Anfangsphase empfiehlt sich
auch ein hoher Zusatz an fossilen Brennstoffen.
Es ist hervorzuheben, daß direkt vor der Gaseinblasdüse
sich eine kalte Zone ausbildet. Dies kann an dem Ansaugen
der Umgebungsluft liegen. Es führt jedenfalls dazu, daß der
Schrott nicht einmal oxidiert.
Nach der ersten Phase der optimalen Kanalbildung kommt es
darauf an, möglichst viel Energie in den Kanal hineinzu
bringen. Dies wird vorzugsweise erreicht durch eine mög
lichst hohe Flammentemperatur, beispielsweise durch den
Einsatz von Erdgas und Heißluft mit einer Flammentemperatur
von 2800°C.
Ein wesentliches Kriterium ist auch die hohe Geschwindig
keit des Gasstrahles. Die Geschwindigkeit des Gasstrahles
soll mindestens 300 m/s betragen. Bei Einsatz eines Sauer
stoffgasstrahles soll die Geschwindigkeit mindestens 500
m/s betragen. Vorzugsweise liegt die Austrittsgeschwindig
keit des Gasstrahles bei 50 bis 100% der Schallgeschwindig
keit. Die Schallgeschwindigkeit steigt mit der Temperatur
an und liegt bei den erwähnten hohen Temperaturen um etwa
den Faktor 3 höher als die Schallgeschwindigkeit bei Raum
temperatur.
Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah
rens besteht darin, im Elektrolichtbogenofen hauptsächlich
während der Phase des Schrotteinschmelzens wesentliche
Mengen an zusätzlicher Energie zuzuführen. So wurden bei
spielsweise an einem 100 to Elektrolichtbogenofen im oberen
Bereich der Seitenwände drei Heißwindeinleitungsdüsen von
80 mm Durchmesser angebracht. Diese Düsen wurden während
des Einschmelzens und der anschließenden Frischphase mit
einer Heißwindmenge von 2000 Nm³/h je Düse und einer Sauer
stoffanreicherung von 30% betrieben, wobei zusätzlich 300
Nm³/h Sauerstoff kalt dem Heißwindstrahl zugesetzt wurden.
Die Heißwindtemperatur betrug 1400°C. Es wurden Brennstoffe
in der zuvor beschriebenen Weise zugegeben, wobei nach dem
Einschmelzen des Schrottes im wesentlichen nur noch die bei
der Reaktion entstehenden Gase von dem Heißluftstrahl
angesaugt wurden und deshalb keine weitere Zugabe von
Brennstoffen in den Heißwindstrahl nötig war. Die Düsen
wurden so angeordnet, daß sie in den Raum zwischen der
Ofenwand und den Elektroden schräg nach unten mit einem
Winkel von etwa 10° blasen. Es ist vorteilhaft, daß die
Ausrichtung der Strahlen so erfolgt, daß sie auf eine
Stelle des Bodens auftreffen, an der möglichst bald flüssi
ger Stahl gebildet wird. Wenn der Strahl nach dem Durch
brennen der Schrottsäule auf feuerfestes Material trifft,
wird dieses in kurzer Zeit weggeschmolzen. Das gleiche gilt
auch für die wassergekühlten Seitenwände des Elektrolicht
bogenofens.
Generell kann der Einbau der Gaseinleitungsdüsen überall
erfolgen, vorzugsweise jedoch mindestens 30 cm, bei Verwen
dung von Sauerstoff, mindestens 80 cm oberhalb der Badober
fläche.
Bei einem Elektrolichtbogenofen, der mit der erfindungsge
mäßen Vorrichtung ausgestattet wurde, konnte der Verbrauch
an Elektroenergie von 480 kWh auf 280 kWh herabgesetzt
werden. Gleichzeitig reduzierte sich die Einschmelzzeit von
58 min auf 42 min.
Es kommt auch in Betracht, anstelle von einer Düse bei dem
Kanal zwei Heißwindstrahlen, die in entgegengesetzter
Richtung blasen, anzuwenden, so daß bei drei Einblasstellen
in der Seitenwand insgesamt sechs Strahlen eingeblasen
werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur
Anwendung in einem Elektrolichtbogenofen. Es kann mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren auch ein Schrotthaufwerk aufge
schmolzen werden, ohne daß andere Energieformen zusätzlich
eingesetzt werden. In das Schrottwerk müssen dann in geeig
neter Form fossile Energieträger eingebracht werden, indem
zum Beispiel mit dem Schrott circa 100 kg Kohle pro Tonne
chargiert werden. Ein Teil der Kohle kann über Düsen einge
blasen werden, sobald sich ein flüssiger Sumpf gebildet
hat. Nach dem Aufschmelzen wirkt der Aufblasstrahl in
bekannter Weise als Nachverbrennungsstrahl zur weiteren
Zufuhr von Energie, um die nötige Abstichtemperatur zu
erreichen.
Die Erzeugung der Heißluft erfolgt vorteilhafterweise mit
einer speziell für diese Anwendung entwickelten Vorrich
tung, dem sog. Pebble-Heater, wie er in der PCT WO
93.923585 beschrieben ist. Der Pebble-Heater kann vorzugs
weise direkt am Gefäß in der Nähe der Einleitungsdüsen
montiert werden.
Claims (13)
1. Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr beim
Aufheizen und Schmelzen eines Schrotthaufwerkes, bei dem in
ein Schrotthaufwerk ein Kanal gebrannt wird und weitere
Energiezufuhr für das Aufheizen und Schmelzen des Schrott
haufwerkes durch diesen Kanal erfolgt, dadurch gekennzeich
net, daß der Kanal mittels eines heißen sauerstoffhaltigen
Gasstrahles in das Schrotthaufwerk gebrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kanal in Gegenwart von fossilen Brennstoffen in das
Schrotthaufwerk gebrannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß dem Gasstrahl fossile Brennstoffe zugegeben
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als Gasstrahl ein Heißluftstrahl einge
setzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß als Gasstrahl ein mit bis zu 30% mit
Sauerstoff angereicherter Heißluftstrahl eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß als Gasstrahl ein mit bis zu 60% mit
kaltem Sauerstoff angereicherter Heißluftstrahl eingesetzt
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasstrahles minde
stens 500°C beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasstrahles 1000 bis
1600°C beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Austrittsgeschwindigkeit des
Gasstrahles 50 bis 100% der Schallgeschwindigkeit beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Gasstrah
les mindestens 300 m/s beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit eines
Sauerstoffgasstrahles mindestens 500 m/s beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des
Gasstrahles in der Anfangsphase 10 bis 30% der Schallge
schwindigkeit beträgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gasstrahl zugesetzten
fossilen Brennstoffe im wesentlichen erst in dem durch den
Gasstrahl geschaffenen Kanal verbrennen.
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