DE2520938B2 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Reduktionsgases - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Reduktionsgases

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines m wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Reduktionsgases für die direkt folgende metallurgische Verwendung.
Der Einsatz von Reduktionsgasen, die mittels eines getrennten chemischen Verfahrens erzeugt werden, hat bei der Reduktion von Eisener?, in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen, hauptsächlich bei den Direktreduktionsverfahren. Darüber hinaus wurde versuchsweise bei der Reduktion von Erzen im Hochofen ein Teil des Kokses durch das Einleiten von Reduktionsgasen ersetzt
Reduktionsgas wird heute im allgemeinen aus Erdgas hergestellt Mittels entsprechender chemischer Prozesse wird es in ein Gas mit einer ungefähren Zusammensetzung von 75% H2 und 25% CO umgesetzt Ähnlich zusammengesetzte Reduktionsgase können auch aus anderen kohlenstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen erzeugt werden.
Die bei der chemischen Umsetzung der Brennstoffe in geringem Maße gleichzeitig entstehenden unerwünschten Begleitgase, nämlich im wesentlichen CO2, H2O und SO2, werden aus dem Reduktionsgas entfernt Es gibt eine Reihe physikalischer und chemischer Verfahren, um diese unerwünschten Substanzen zu entfernen. Bei allen diesen Gasreinigungsverfahren ist von Nachteil, daß sie nur bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durchgeführt werden können. Die Entfernung von CO2 und H2O aus den Reduktionsgasen bei ihrer Anwendungstemperatur, die im allgemeinen über 800° C liegt ist nicht möglich.
Da aber die Reduktionsgase bei der dem Reduktionsprozeß entsprechenden, günstigen Temperatur eingesetzt werden, um das Reduktionsverfahren sowohl in metallurgischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht optimal zu führen, ist ein Aufheizen der Reduktionsgase nach ihrer Reinigung nötig. Zum Aufheizen der Reduktionsgase benutzt man unterschiedliche, bevorzugt jedoch regenerativ arbeitende Wärmeaustauscher.
Der Gesamtaufwand an Apparaturen und Regelsystemen für die Herstellung eines Reduktionsgases für die Reduktion von Eisenerzen ist aufwendig und mit hohen Kosten verbunden. Insbesondere gilt dies für Reduktionsgase, die in den Hochofen eingeführt werden sollen. Neben den hohen Einsatztemperaturen bis etwa 1300"C ist das Gas auf einen relativ hohen Druck bis etwa 5 atü zu komprimieren.
In der DE-PS 47 45 594 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur und der Reduktionskraft der Konverterabgase beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Sauerstoff und kohle- und wasserstoffhaltige Brennstoffe gleichzeitig der Gebläseluft zugeführt, die
tu z.T. unverbraucht durch das Bad hindurchgehen und oberhalb des Bades eine Flamme bilden. Diese Konverterabgase werden zur Reduktion von Eisenerzen oder als Heizmittel verwendet
Die DE-OS 2316 768 bezieht sich auf ein Verfahren
ιί zum Frischen von Metallen. Sauerstoff und Feinkalk bzw. Kohlenstaub werden mit Düsen unterhalb der
Badoberflache eingeführt Das Abgas enthält bis zu 98%
CO.
Die FR-PS 14 23 263 ist gleichfalls auf ein Frischver-
fahren gerichtet Das Verfahren kann unter erhöhtem regelbarem Druck durchgeführt werden, und zwar mittels Lanzen zur Kohlenwasserstoff- und Sauerstoffzufuhr.
Die DE-OS 19 55 115 bezieht sich auf ein Verfahren
j, zur Gewinnung von Wasserstoff aus schwefelhaltigen
Kohlenstoffbrennstoffen im Eisenbadreaktor. Dabei
werden Brennstoff, Sauerstoff und Dampf unter die
Badoberfläche und Kalk an dieser eingebracht In der DE-OS 14 08 912 ist ein Verfahren zur
ίο Gewinnung eines brennbaren Gases beim Frischen von Roheisen mittels reinem Sauerstoff beschrieben. Bei diesem Verfahren wird Stickstoff zugeführt, um die Mischtemperatur der Gase, die als Brenngase verwendet werden sollen, innerhalb der Haube zu regeln.
ι--. In der Zeitschrift «The Oil and Gas Journal« — 26.3.1973, Seite 97 wird die Vergasung von Kohle in einem Eisenbadreaktor beschrieben, wobei Brennstoff und Vergasungsmittel über Lanzen zugeführt werden. Die Gase werden in einem Abfritzekes.se; gekühlt
κι In den »Symposium Papers — Clean Fuels from Coal«, 10.—14.9.1973, Seiten 284-300, ist die Vergasung von Kohle, wobei Brenstoff und Vergasungsmittel über Lanzen zugeführt werden, ausführlich erläutert. Auf Seite 299 wird ausgeführt daß die Vergasung
v, drucklos erfolgen soll, um die Schwierigkeiten der Einspeisung bei der Vergasung unter Druck zu vermeiden.
Schließlich ist in der DE-AS 10 50 008 ein Verfahren zur Vergasung oder Verbrennung von Brennstoffen
vi beschrieben, das bei höherem Druck betrieben wird. Bei diesem Verfahren wird jedoch ein Schlackenbad verv/endet Die erzeugten Gase enthalten einen wesentlichen Anteil an Methan. Eine Kompression des Gases für noch folgende Verarbeitung entfällt durch den
v, Generatordruck.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung eines im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Reduktionsgases für die direkte folgende
!,(ι metallurgische Verwendung,
Erfindungsgemäß wird bei dem eingangs geschilderten Verfahren diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Sauerstoff oder die sauerstoffhaltigen Gase ummantelt von Kohlenwasserstoffen sowie die Brennstoffe bei erhöhtem Druck ins Eisenbad eingeleitet werden und das Gas anschließend auf die für den Reduktionsprozeß erforderliche Temperatur abgekühlt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe in das Eisenbad unterhalb der Badoberfläche eingeleitet, im Eisenbad mit Sauerstoff und/oder sauerstoffhaltig«! Gasen bei einem für das Einleiten in ein metallurgisches Aggregat ausreichenden Druck zu '< einem im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff und gegebenenfalls Inertgas bestehenden Reduktionsgas umgewandelt Dieses Reduktionsgas wird gegebenenfalls auf die für den Reduktionsprozeß erforderliche Temperatur abgekühlt und direkt in das m metallurgische Aggregat eingeleitet
Brennstoff und Vergasungsmittel werden in einem Mengenverhältnis, wie es zur stöchiometrischen Verbrennung zum Reduktionsgas erforderlich ist unter die Oberfläche des Eisenbades eingeleitet Das Eisenbad π befindet sich in einem Reaktorgefäß (Eisenbadreaktor), das die Einstellung von Drücken erlaubt, wie sie das Reduktionsgas, je nach metallurgischem Anwendungsfall, z. B. für einen Reduktionsprozeß, aufweisen solL
Der Druck liegt auf jedem Fall über Normaldruck. Es wird ein Reduktionsgas erhalten, das im wesentlichen nur aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht Ein direkter Umsatz von Brennstoff und Vergasungsmittel, d h. ohne Eisenbad als Reaktionsmedium, würde entweder zu einer starken Rußbildung führen oder, fails ?s man diese unterdrückt, zu erheblichen Anteilen an CO2 und H2O.
Eine Reinigung des Reduktionsgases von den unerwünschten Begleitstoffen würde zu den bekannten Nachteilen führen, die das Gesamtverfahren erheblich aufwendiger und unwirtschaftlicher machen würden.
Bei der Anwendung der Gase zur Reduktion von Eisenerzen sollte der Gehalt an CO2 und H2O möglichst niedrig liegen, da schon geringe Prozentsätze den Wirkungsgrad bei dem Gasreduktionsprozeß ungünstig r> beeinflussen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treten diese Unerwünschten CO2- und H2O-AnIeUe nicht auf. Das erzeugte Reduktionsgas kann lediglich geringe Mengen an Eisendampf enthalten, die dessen metallurgische -10 Verwendung, vorzugsweise zur Reduktion von Eisenerzen, nicht stören. Außerdem lagert sich der Eisendampf beim Durchströmen der Erze an diese an.
Die in dem Eisenbadreaktor erzeugten Reduktionsgase haben hei Verlassen des Resktorgefäßes im r> allgemeinen eine Temperatur von etwa 1350 bis 1450° C. Das Verfahren ist jedoch diesbezüglich besonders flexibel und erlaubt es, die angegebenen Temperaturen in weiten Grenzen zu über- und zu unterschreiten. Das Verfahren läßt sich in Abhängigkeit von der zugeführ- v) ten Wärme durch die kohlenstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffe, durch den Zusatz von beispielsweise CO2 und Wasserdampf, sowie durch Vorheizen des Sauerstoffs oder der sauerstoffhaltigen Gase, hinsichtlich der Temperatur im Eisenbadreaktor v, steuern.
Der Einsatz kohlenstoff- und kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe in Form feinkörniger Feststoffe hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Es können alle üblicherweise im Handel erhältlichen mi Kohlesorten, unabhängig von ihrem Heizwert und ihrem Schwefelgehalt eingesetzt werden. Selbstverständlich sind relativ reine, energiereiche Sorten, wie z. B. Anthrazit oder Koks, problemloser zu verarbeiten als energiearme Kohlcsorten mit hohem Schwefelge- h. halt. Jedoch kann über die Schlacke, im allgemeinen eine basische, kalkreiche Schlacke, im Eisenbadreaktor der Schwefelgehalt deutlich gesenkt werden. Dadurch ist die Anwendung minderwertiger Kohlesorten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Schwierigkeiten möglich. Wegen der günstigen Einstandskosten sind gerade energiearme Kohlesorten, wie beispielsweise Braunkohle, auch geschwelte Braunkohle und bituminöse Kohlearten, die hauptsächlich unter der Bezeichnung »Gasflammkohlen« im Handel sind, von Bedeutung.
Das im Eisenbadreaktor erzeugte Reduktionsgas eignet sich für die direkte folgende metallurgische Verwendung, vorzugsweise einem Reduktionsprozeß. Auf dem Transportweg zu dem metallurgischen Aggregat werden die Gase auf die gewünschte Temperatur abgekühlt da sie normalerweise beim Verlassen des Eisenbadreaktors eine höhere Temperatur, als für den Reduktionsprozeß erforderlich, aufweisen. Das Abkühlen der Reduktionsgase kann auf übliche Weise in Wärmetauschern erfolgen.
Es wird bevorzugt die Temperaturerniedrigung der Reduktionsgase vorzunehmen, indem dem Reduktionsgas nach Verlassen des Eisenbadreaktjrs kalte Inertgase, beispielsweise Stickstoff, zugemischt werden. Besonders beim Einsatz der Reduktionsgase im Hochofen hat sich das Zumischen von Stickstoff bewährt Der Stickstoff ist häufig als billigstes Gas aus der Sauerstofferzeugung in einem Eisenhüttenbetrieb vorhanden.
Durch das Zumischen von Stickstoff als Ballastgas zu dem Reduktionsgas bleibt die Wärme bei dem Verfahren erhalten. Weiterhin wird auch durch den Zusatz von Stickstoff die Neigung des Reduktionsgases, hauptsächlich wenn es sich um ein Gas mit höherem CO-Gehalt handelt, zur Rußbildung durch die sogenannte Boudouard Reaktion weitgehend unterdrückt
Anstatt dem Reduktionsgas nach dem Eisenbadreaktor zur Einstellung der gewünschten Anwendungstemperatur Stickstoff zuzumischen, kann zu dem gleichen Zweck auch abgekühltes Reduktionsgas selbst angewendet werden. Beispielsweise verläßt das Reduktionsgas bei einigen Direktreduktionsverfahren das Reduktionsaggregat bei tiefen Temperaturen und es können ohne Zwischenabkühlung mittels eines einfachen chemischen Verfahrens die CO2- und H2O-AMeHe entfernt werden. Das auf diese Weise erzeugte, saubere, jedoch kalte Reduktionsgas, kann dann ~ur Temperatureinstellung des im Eisenbadreaktor hergestellten Reduktionsgases verwendet werden.
Dem Eisenbadreaktor für die Erzeugung der Reduktionsgase werden die Brennstoffe und Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gase über eine oder mehrere Düsen zugeführt, die unterhalb der Badoberfläche in der feuerfesten Ausmauerung des Reaktors eingebaut sind. Der Sauerstoffstrahl ist dabei von einem Schutzmedium aus Kohlenwasserstoff oder kohlenwasserstoffhaltigen Gasen und/oder Flüssigkeiten umgeben. Diese Einleitungsdüsen brennen gleichmäßig mit dem Verschleiß der feuerfesten Ausmauerung im Eisenbadreaktor zurück.
Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Eisenbadreaktor für die Erzeugung von Reduktionsgas bei erhöhtem Druck.
Der Eisenbadreaktor besteht aus einem drückfesten Stahlblechmantel 1. Er kann beliebige Form aufweisen, hat jedoch vorzugsweise konverterähnliche Form. Das Gefäß ist mit einer f .uerfesten Zustellung 2 versehen und darin befindet sich das Eisenbad 3 und darauf die Schlacke 4. Die Schlacke nimmt die Aschenbestandteile und einen großen Teil des Schwefels der kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltieen Brennstoffe auf.
Die kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffe 5 werden zusammen mit dem Sauerstoff 6 und einem kohlenwasserstoffhaltigen Schutzmedium 7 durch eine oder mehrere Düsen 8 unter Druck in die Eisenschmelze eingeblasen. Der Druck im Raum 9 oberhalb des Eisenbades 3 und der Schlacke 4 beträgt beispielsweise etwa 5 atü, wenn das Reduktionsgas für den Hochofen bestimmt ist, und beispielsweise etwa 2 atü, wenn es für einen Direktreduktionsprozeß eingesetzt wird. Über eine feuerfest ausgemauerte κι Leitung 10 wird das Reduktionsgas direkt, jedoch gegebenenfalls mit gezielter Zwischenabkühlung, dem Reduktionsprozeß zugeführt.
Nachstehend wird die Anwendung des Reduktionsgases im Hochofen näher erläutert. : ·
Ein Hochofen, beispielsweise mit einer Tageserzeugung von 50001 Roheisen, wird in Verbindung mit einem Eisenbadreaktor für die Reduktionserzeugung betrieben. Der Koksverbrauch des Hochofens liegt, ohne Zufuhr von Reduktionsgas, bei 550 kg/t Roheisen. ■' Durch den Einsatz von Reduktionsgas werden 200 kg Koks/t Roheisen eingespart und dafür täglich insgesamt 1000 t Kohle in dem Eisenbadreaktor vergast.
Das Reaktorgefäß weist in diesem Fall im neu ausgemauerten Zustand ein freies Volumen von etwa 30 mJ auf. Für einen relativ großen Hochofen ist also nur ein verhältnismäßig kleines Aggregat für die Erzeugung von Reduktionsgas erforderlich. Die Temperatur des Eisenbades liegt bei etwa 14500C Bei der Festlegung der Anwendungstemperatur des Reduktionsgases im Hochofen sind die Betriebsdaten der anderen Hochofenanlagen zu berücksichtigen, beispielsweise die Windtemperatur. Normalerweise wird das Reduktionsgas dem Hochofen bei Temperaturen zwischen etwa 1000 und 13000C zugeführt. Beispielsweise wird durch den Zusatz von etwa 20Voll-% Stickstoff von Raumtemperatur (20°C) eine Reduktionsgastemperatur von etwa 1100°C erreicht. Mit etwa tO Vol-% Stickstoff unter sonst gleichen Bedingungen ergibt sich für das Reduktionsgas eine Temperatur von etwa 1300°C.
Bei der Erzeugung von Reduktionsgas für ein Direktreduktionsverfahren, das bei einem Druck von etwa 2 atü arbeitet, ist das Volumen des Eisenbadreaktors etwa 50% größer, als vorstehend beschrieben. Die optimale Reduktionsgastemperatur für das Direktreduktionsverfahren liegt im allgemeinen zwischen etwa 700 und 1000° C. Es wird meist eine Temperatur von etwa 850°C angestrebt. Dies kann durch Zumischen von etwa 45Vol-% Stickstoff erreicht werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnunpen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Reduktiongsgases für die direkt folgende metallurgische Verwendung durch Vergasen kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in einem Eisenbadreaktor, in den sie unterhalb der Eisenbadoberfläche eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff oder die sauerstoffhaltigen Gase ummantelt von Kohlenwasserstoffen sowie die Brennstoffe bei erhöhtem Druck ins Eisenbad eingeleitet werden und das Gas anschließend auf die für den Reduktionsprozeß erforderliche Temperatur abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch Zumischen von Inertgas abgekühlt wire.
DE2520938A 1975-05-09 1975-05-10 Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Reduktionsgases Expired DE2520938C3 (de)

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