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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung
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von Roheisen und energiehaltigem Heißgas aus feinkörnigen Eisenerzen
und Kohlenstoffträgern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen
Herstellung von Roheisen und energiehaltigem Heißgas aus feinkörnigen Eisenerzen
und Kohlenstoffträgern, wobei die feinkörnigen Eisenerze bis zu Reduktionsgraden
von mindestens 80 % vorreduziert und anschließend in einem Schmelzreaktor durch
Zugabe von Kohlenstoffträgern, Zuschlägen und sauerstoffhaltigen Medien unter Bildung
des energiehaltigen reduzierenden Heißgases fertig reduziert und zu flüssigem Roheisen
eingeschmolzen werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Aus der DE-OS 31 37 755 ist ein Verfahren bekannt, bei dem feinkörnige
angereicherte Eisenerze in einem Wirbelschichtofen vorreduziert und "in einer Hitze"
in einem angeschlossenen Schmelzaggregat unter Verwendung von elektrischer Energie
zu flüssigem Roheisen umgewandelt werden. Bei der Reduktion führen höhere Reduktionsgrade
zu dem bekannten Phänomen des "Sticking" der vorreduzierten Erzpartikel und zur
störenden Rußbildung aus den Reduktionsgasen. Dieses führt zu einer Hemmung des
Reduktionsvorganges und einem Verstopfen des Reduktionsaggregates.
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Bei allen der bisher auf Basis feinkörniger Eisenerze entwickelten
Verfahren ist das "Sticking-Problem" bei hohen Reduktionsgraden und höheren Temperaturstufen
noch nicht zufriedenstellend gelöst. Nachteilig ist auch der Bedarf an relativ teurer
elektrischer Energie zum Einschmelzen der reduzierten Eisenerze und eine damit verbundene
begrenzte Einsatzfähigkeit derartiger Verfahren und Anlagen nur auf Länder, die
über billige elektrische Energie verfügen.
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Weiterhin werden für die Heißgasabkühlung große Mengen an teuren fremden
Kühlmedien benötigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Basis von Kohle
als Energieträger ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung von Roheisen
und energiehaltigem Heißgas anzugeben, die unter Erreichung eines hohen Reduktionsgrades
der eingesetzten feinkörnigen Eisenerze und optimaler verfahrensökonomischer Ausnutzung
des energiehaltigen Heißgases die Beseitigung aer bisherigen Nachteile und Schwierigkeiten,
die mit dem "Sticking"-Phänomen der teilreduzierten Eisenoxide und der Rußbildung
im Reduktionsreaktor verbunden sind, ermöglichen.
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Die Aufgabe wird verfahrensmäßig insbesondere durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 der Erfindung gelöst. Nach Abkühlung des im Schmelzreaktor
erzeugten Heißgases von ca. 1400 OC auf ca. 1000 OC wird das heruntergekühlte Heißgas,
welches zu ca. 99 % aus CO und H2 besteht, unter Ausnutzung eines Teiles seiner
fühlbaren Wärme mit seinem hohen Reduktionspotential sehr vorteilhaft in einer wenigstens
zweistufigen Reduktionseinheit unter Vermeidung der sonst üblichen Sticking-Probleme
bei der Reduktion von feinkörnigen Eisenerzen ausgenutzt. Durch das Zumischen von
feinkörniger Kohle und/oder Kalk wird das Sticking-Verhalten der teil-beziehungsweise
vorreduzierten Erze weitestgehena
verhindert. Die äußere Anhaftung
von zugemischter Kohle, der sogenannten Überschußkohle und Kalk als Trennmittel,
hält die feinkörnigen anreduzierten Eisenerzkörner auf einfache und vorteilhafte
Weise auf "Distanz" und ein Ineinanderwachsen von frisch reduzierten nadelförmigen
Eisenpartikeln wird vermieden. Sei den nier vorherrschenoen Temperaturen von ca.
1000 OC setzt sich das durch die bereits erfolgte Teilreduktion der Eisenoxide im
Reduktionsgas (energiereiches Heißgas) enthaltene Kohlendioxid gemäß.der Boudouard-Reaktion
und das im Reduktionsgas enthaltene Wasserstoffdioxid mit dem Kohlenstoff der Kohle
wieder vollständig zu Kohlenmonoxid beziehungsweise Wasserstoff um. Dabei vergast
die Kohle unter Verringerung ihres Festkörpervolumens, wobei Hohlräume entstehen
und bestehende Brückenbilaungen zwischen verschiedenen Erzkörnern abgebrochen beziehungsweise
abgebaut werden. Das dosierte Zumischen von feinkörniger Kohle ermöglicht weiterhin
eine Einhaltung gleichbleibender Reduktionspotentiale im Heißgas.
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Durch den direkten "heißen" Einsatz der feinkörnigen frisch reduzierten
Eisenerze in den Schmelzreaktor werden zudem sehr vorteilhaft teure und energetisch
ungünstige Verfahrensschritte wie zum Beispiel Aufmahlung, Pelletierung und Brennen
von Pellets oder andere Agglomerationsarten der Eisenerze eingespart. Die gesamte
benötigte Energie wird allein aus der in das Verfahren eingebrachten Kohle gewonnen,
so daß kein Bedarf an teurer elektrischer Energie für den Schmelzprozeß erforderlich
ist.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere vorgesehen,
daß das im Schmelzreaktor erzeugte energiehaltige Heißgas in einem Kohlewärmetauscher-System
unter Abgabe eines Teiles seiner fühlbaren Wärme in die Kohle abgekühlt und die
Kohle zu Kokspartikeln verkokt wird. Auf diese Weise wird in
positiver
Beeinflussung der Wärmebilanz sehr vorteilhaft ein Teil der in den staubhaltigen
Heißgasen enthaltenen Wärme für den Verkokungsprozeß der eingesetzten Kohle verwendet,
wobei eine gesonderte Entstaubung der Heißgase nicht erforderlich ist. Durch die
Verwendung des Kohlewärmetauscher-Systems ist eine einfache direkte Kühlmöglichkeit
des staubhaltigen Heißgases gegeben, wobei in das Kohlewärmetauscher-System sehr
vorteilhaft ein breites Spektrum verfügbarer billiger Kohle, zum Beispiel feuchte,
schwefelreiche, backende oder aschereiche Kohle ohne Eingrenzung nach Qualität,
zur Verkokung eingesetzt werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß Kohle
mit den heißen Kokspartikeln aus dem Kohlewärmetauscher-System vermischt und mittels
eines Teilstromes von heruntergekühltem Heißgas als Treibgas in den Schmelzreaktor
eingeblasen wird. Durch die Zumischung von kalter oder vorgewärmter Kohle zu den
heißen Kokspartikeln wird in vorteilhafter Weise eine Verbesserung der Wärmebilanz
mit Abkühlung der heißen Kokspartikel und Aufheizen der Kohle auf eine mittlere
Temperatur unter thermischer Entlastung der Anlagenbauteile erreicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die feinkörnigen
Eisenerze in der zweiten Reduktionsstufe mit dem bis auf ca. 1000 OC heruntergekühlten
Heißgas reduziert werden. Durch die Reduktion der feinkörnigen Eisenerze mit dem
Heißgas bei einer Temperatur von ca.
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1000 OC werden sehr vorteilhaft hohe Reduktionsgrade (größer 90 %)
erreicht. Sehr maßgeblich für die Erreichung hoher Reduktionsgrade ist die Verweilzeit
der Erzpartikel in der Reduktionseinheit. Die Verweilzeit kann sehr vorteilhaft
durch eine beliebige Kreislauf-Führung, das heißt Zirkulation der Erzpartikel in
der zweiten
Reduktionsstufe beeinflußt werden, womit genügend hohe
Reduktionsgrade erreicht werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Eisenerze
in der zweiten Reduktionsstufe auf einen Reduktionsgrad von mindestens 90 % reduziert
werden.
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Dadurch, daß die'Eisenerze vor ihrem Einsatz in den Schmelzreaktor
bereits auf einen Reduktionsgrad von mindestens 90 X vorreduziert sind, kann die
Rest-beziehungsweise Endreduktion problemlos mit vertretbarem Energieaufwand im
Schmelzbadreaktor erfolgen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zweiten
Reduktionsstufe Kohlepartikel und/oder Sauerstoff und/oder H20-Gemische dosiert
zugeführt werden. Dadurch lassen sich in der zweiten Reduktionsstufe sehr vorteilhaft
zum Beispiel die Reduktionsgeschwindigkeit, aas Reduktionspotential sowie die Gas-
und Materialtemperatur als wesentliche Parameter in Hinsicht einer Unterdrückung
des Sticking-Verhaltens der teilreduzierten Eisenoxide positiv beeinflussen. Weiterhin
wird dabei vorteilhaft erreicht, daß der Reduktionsvorgang thermodynamisch geregelt
abläuft und keine störende Rußbildung auftreten kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die feinkörnigen
Eisenerze in der ersten Reduktionsstufe, bei einer Temperatur von etwa 700 OC mittels
reduzierendem Heißgas aus der zweiten Reduktionsstufe vorreduziert werden. Bei der
zweistufigen Reduktion der Eisenoxide wird sehr vorteilhaft durch die Wahl der Betriebsparameter,
zum Beispiel der "niedrigen" Temperatur von etwa 700 OC in der ersten Reduktionsstufe,
weitestgehend ein Auftreten des Sticking-Verhaltens der anreduzierten Erzpartikel
vermieden.
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Das aus der zweiten Reduktionsstufe austretende Heißgas hat mit einer
Temperatur von ca. 700 OC für eine in die erste Reduktionsstufe verlagerte Vor-
beziehungsweise Teilreduktion der eingesetzten Eisenoxide von Hämatit (Fe203) zu
Magnetit (Fe304) bis hin zum Wüstit (FeO) ein ausreichend hohes Reduktionspotential.
Dadurch wird auf vorteilhafte Weise die zweite Reduktionsstufe wesentlich entlastet
und die einzelnen Bauteile der beiden Reduktionsstufen können entsprechend kleiner
ausgestaltet sein. Dabei werden Sticking-Probleme mit Sicherheit vermieden und die
Anlagenbauteile thermisch nicht Uberbelastet. Es genügen für diese Temperatur geringere
feuerfeste Auskleidungen und geringere Wärmeisolationen der Anlagenbauteile. Weiterhin
ergibt sich eine bessere Gasausnutzung und kürzere Verweilzeiten in der zweiten
Reduktionsstufe.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß von dem
reduzierenden Heißgas nach der ersten Reduktionsstufe ein Teilstrom abgezweigt,
mit Luft verbrannt und anschließend in ein mit einem Gemisch aus feinkörnigen Eisenerzen
und Kalkstein gefülltes Zyklonwärmetauscher-System geleitet wird, wobei das Gemisch
im Zyklonwärmetauscher-System in einer oder mehreren Stufen bis zu einer Temperatur
von ca. 400 OC vorgewärmt und anschließend in die erste Reduktionsstufe geleitet
wird.
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Durch die Verwendung eines ein- oder mehrstufigen Zyklonwärmetauscher-Systems
kann sehr vorteilhaft die Vorwärmarbeit für das Einsatzmaterial den Reduktionsaggregaten
vorgezogen werden. Sticking-Probleme treten hierbei nicht auf. Durch eine dosierte
Entnahme von abgezweigtem Heißgas und Verbrennen dieses Teilstromes von Heißgas
mit Luft können auf einfache Weise die eingesetzten Eisenerze kontrolliert vorgewärmt
werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das reduzierende
Heißgas nach der ersten Reduktionsstufe in einen Wärmetauscher-Reaktor eingeleitet
wird, in welchem eine Vorwärmung der eingesetzten Kohle bis auf eine Temperatur
von ca. 300 OC erfolgt. Durch direkte oder indirekte Vorwärmung der Kohle kann nach
der Verwendung des Heißgases als Reduktionsmittel bei der zweistufigen Reduktion
zur Verbesserung der Wärmebilanz des Gesamtsystems sehr vorteilhaft -noch weitere
restliche, im Heißgas enthaltene Wärme im Verfahrensprozeß genutzt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die reduzierten
feinkörnigen Eisenerze aus der zweiten Reduktionsstufe mit einer Temperatur von
ca. 600 OC, mittels eines Teilstromes von heruntergekühltem und entstaubtem Heißgas
als Treibgas, in den Schmelzreaktor eingeblasen werden. Für die reduzierten Eisenerze
wird sehr vorteilhaft ein Teil des überschüssigen Heißgases als Transportmedium
verwendet, wobei das dem Heißgas als Teilstrom abgezweigte Treibgas wie ein Inertgas
wirkt.
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Anderes teures Inertgas als Treibgas ist hierbei nicht erforderlich.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß dem Schmelzreaktor
Kalkstein in erforderlicher Menge derart eingegeben wird, daß die Schlackenbasizität
(CaO/SiO2-Verhältnis) mindestens bei 1 gehalten wird.
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Dadurch wird mit Sicherheit gewährleistet, oaß die dem Verfahren zugeführten
Schwefelbestanoteile aus aer eingesetzten Kohle in der Schlacke am Kalk abgebunden
werden, so daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein schwefelarmes Roheisen und
ein nahezu schwefelfreies energiehaltiges Heißgas entsteht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Schmelzreaktor
mit einem Druck von ca. 1 bis 5 bar, vorzugsweise mit 3 bar, betrieben wird. Durch
einen erhöhten Betriebsdruck von 1 bis 5 bar, vorzugsweise von 3 bar, erfolgt eine
höhere Gasausnutzung in einem vorgegebenen festen Reaktionsraum bei gleichzeitig
vermindertem Staubanfall. Das als Reduktionsgas verwendete Heißgas steht unter Druck
zur Verfügung, wodurch Druckverluste im Gesamtsystem ausgeglichen werden können.
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Weiterhin werden durch den erhöhten Betriebsdruck thermodynamische
Vorteile wie beschleunigt ablaufende Reaktionen und Unterdrückung der Rußbildung
aus den Reduktionsgasen erreicht.
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Vorrichtungsmäßig wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst,
daß die Reduktionseinheit wenigstens zweistufig ausgebildet ist, wobei die Reduktionseinheit
in aer ersten Reaktionsstufe aus einem Gleichstrom-Flugstaubreaktor und in der zweiten
Reduktionsstufe aus einem Wirbelbett-Reaktor besteht, in welchen wenigstens eine
Kohle/Kalk-Zuführungsleitung einmündet. Durch die zweistufige Reduktion der feinkörnigen
Eisenerze wird bei optimaler Gasausnutzung und Vermeidung des Sticking-Verhaltens
der anreduzierten Erzpartikel durch die zugeführte Kohle sehr vorteilhaft ein hoher
Reduktionsgrad bei kurzen Reduktionszeiten erreicht.
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Die Kombination der beiden Reduktionsstufen ermöglicht auf besonders
vorteilhafte Weise eine schnelle Reduktion der feinkörnigen Eisenerzpartikel, deren
Korngröße im wesentlichen unter 2 mm liegt, auf einen über 90 % hohen Reduktionsgrad.
Nach der zweiten Reduktionsstufe ist sehr vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, durch
Kreislaufführung der anreduzierten Erzpartikel die Verweilzeit im reduzierenden
Heißgasstrom bis zur Erreichung eines hohen Reduktionsgrades zu verlängern.
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In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der zweistufigen Reduktionseinheit, bezogen auf den Gasstrom des Heißgases,
die Heidgasabkühleinheiz vorgeschaltet ist, die als Kohlewärmetauscher-System, insbesondere
als Kohleverkokungseinrichtung, ausgebildet ist. Mit der Heißgasabkühleinheit in
Form eines Kohlewärmetauscher-Systems, vorzugsweise einer als Gleichstrom-Flugstaubreaktor
ausgebildeten Kohleverkokungseinrichtung, ist dem Fachmann sehr vorteilhaft eine
einfache und problemlose Möglichkeit zur Abkühlung des über 1400 OC heißen energiehaltigen
Heißgases gegeben, wobei die vom Heißgas abgegebene Energie nicht verloren geht,
sondern vielmehr direkt zur Veredelung eines im Verfahren benötigten Reaktionsmittels,
nämlich zur Umwandlung von Kohle in Koks, ohne jeglichen Bedarf an Fremdenergie
(zum Beispiel elektrische Energie) genutzt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zweistufigen
Reduktionseinheit, bezogen auf den Gasstrom des Heißgases, eine Erzvorwärmeinheit
nachgeschaltet ist, die vorzugsweise als wenigstens zweistufiges Zyklon-Wäretauschersystem
ausgebildet ist.
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Hierdurch können die eingesetzten feinkörnigen Eisenerze durch heißes
Abgas sehr einfach auf eine gewünschte Temperatur von beispielsweise 300 OC vorgewärmt
werden, bevor sie in die erste Reduktionsstufe geleitet werden. Zur Erzeugung des
oxidierenden Abgases für die Vorwärmung der feinkörnigen Eisenerze wird einfach
ein Teil des abströmenden Heißgases dosiert abgezweigt und unter Zugabe von Luft
verbrannt. Die heißen Verbrennungsgase werden auf vorteilhafte Weise zur Trocknung
und Vorwärmung der Erzpartikel und zugemischten Kalksteinpartikel verwendet.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird anhand einer in der Zeichnung
schematisch dargestellten Vorrichtung, in Form eines Blockschaltbildes näher erläutert,
aus dem weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung zu entnehmen sind.
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Die Vorrichtung besteht aus einem Schmelzreaktor 1, der über Reaktionsmittelzuführungsleitungen
5, 6, 7, 8 und Produktabführungsleitungen 9, 10, 11 mit einer Reduktionseinheit
2 und einer Vorwärmeinheit 3 für die feinkörnigen Eisenerze, sowie einer Heißgasabkühleinheit
4 in Verbindung steht.
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An den Schmelzreaktor 1 sind eine Sauerstoffleitung 5, eine Kohle/Koks-Gemischzuführungsleitung
6, eine Erz-Zuführungsleitung 7 und eine mit den Leitungen 6 und 7 verbundene Treibgasleitung
8 angeschlossen. Zum Abführen von Schlacke und hergestelltem Roheisen aus dem Schmelzreaktor
1 sind zwei Leitungen 9 und 10 vorgesehen.
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Uber eine Heißgasleitung 11 steht der Schmelzreaktor 1 mit der Heißgasabkühleinheit
4 in Verbindung, welche im wesentlichen aus einem als Gleichstrom-Flugstaubreaktor
12 ausgebildeten Kohlewärmetauscher-System besteht. An den Gleichstrom-Flugstaubreaktor
12 sind im unteren Bereich weiterhin eine Kohlezuführungsleitung 13 mit einer Dosiervorrichtung
14 und eine Wasserdampfzuführungsleitung 15 angeschlossen. Der Gleichstrom-Flugstaubreaktor
12 ist über eine Leitung 16 mit einem Zyklonabscheider 17 verbunden. Als Feststoffaustragsvorrichtung
ist bei dem Zyklonabscheider 17 eine Transportschnecke 18 vorgesehen, die über eine
Leitung 19 mit einer Kohle/Koks-Mischvorrichtung 20 in Verbindung steht. Der Heißgasaustritt
aus dem Zyklonabscheider 17 erfolgt über eine Gasleitung 21 in die zweistufige Reduktionseinheit
2, die in der ersten Reduktionsstufe als Gleichstrom-Flugstaubreaktor 22 und in
der zweiter Reduktionsstufe als Wirbelbettreaktor 23 ausgebildet ist.
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In den Wirbelbett-Reaktor 23 münden im unteren Bereich neben der bereits
erwähnten Gasleitung 21 noch eine weitere Leitung 24 zum Eindüsen von geringen Mengen
an Sauerstoff, Wasserdampf und gegebenenfalls Kalksteinstaub, sowie eine Feststoffleitung
25 zum Eintragen von vorreduziertem Eisenerz über Leitung 26 aus der ersten Reduktionsstufe
und feinkörniger vorgewärmter Kohle aus einer Kohlezweigleitung 27, sowie eine Feststoff-Zweigleitung
28 zum Rückführen von anreduziertem Eisenerz. Der Wirbelbett-Reaktor 23 der zweiten
Reduktionsstufe steht über eine Flugstromleitung 29 mit einem Abscheidezyklon 30
in Verbindung. Der Feststoffaustrag beziehungsweise die untere Spitze des Abscheidezyklones
30 mündet in die Erzzuführungsleitung 7 beziehungsweise in die Feststoffzweigleitung
28. Die zum Schmelzreaktor 1 führende Erzzuführungsleitung 7 weist an geeigneter
Stelle zum Beispiel in der Nähe der Abzweigleitung 28 eine Dosiervorrichtung 31
auf. Der aus dem Abscheidezyklon 30 austretende Heißgasstrom führt über eine Gasleitung
32 in den Gleichstrom-Flugstaubreaktor 22 der ersten Reduktionsstufe. Außer der
Gasleitung 32 münden weiterhin noch eine Feststoffzuführungsleitung 33 und eine
Gasleitung 34 zum Eindüsen von geringen Mengen an Sauerstoff und/oder Wasserdampf
in den Flugstaubreaktor 22.
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Der Gas/Feststoff-Austrag aus dem Flugstaubreaktor 22 wird über eine
Leitung 35 in einen Abscheidezyklon 36 geleitet.
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Der Feststoffaustrag aus dem Abscheidezyklon 36 ist über die Feststoffleitung
26 beziehungsweise 25 an den Wirbelbett-Reaktor 23 angeschlossen.
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Das aus dem Abscheidezyklon 36 ausströmende Heißgas, das zuvor die
Heißgaskühleinheit 4 und die zweistufige Reduktionseinheit 2 durchströmt hat, wird
über eine Gasleitung 37 in eine indirekte Kohlevorwärmvorrichtung 38 geleitet. Von
der Gasleitung 37 führt eine Heißgaszweigleitung 39 mit Dosiervorrichtung 40 in
einen
Abscheidezyklon 41 der Erzvorwärmeinheit 3. In die Heißgaszweigleitung
39 mündet zum einen eine Feststoffaustragsleitung 42 aus einem Abscheidezyklon 43
sowie zum anderen eine Luft/Sauerstoffleitung 44 zum Verbrennen eines über die Zweigleitung
39 abgezweigten Teilstromes des energiereichen Heißgases. Der Abscheidezyklon 41
steht mit aem Abscheidezyklon 43 über eine Flugstromleitung 45 in Verbindung, in
welche über die Feststoffleitungen 46 und 47 die eingesetzten Rohstoffe Erz und
Kalk aus einem Erzbunker 48 und einem Kalkbunker 49 zugeführt werden. Das aus dem
Abscheidezyklon 43 austretende Abgas wird über eine Abgasleitung 50 nach einer Entstaubung
in einen Schornstein 51 geleitet und an die Atmosphäre abgegeben.
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Der einzige in das Verfahren eingesetzte Energieträger Kohle, das
kann jede beliebige preisgünstige Kohle mit hohen Asche- und Schwefelanteilen sein,
wird aus einem Kohlebunker 52 über eine Kohleleitung 53 in die Kohlevorwärmvorrichtung
38 gefördert. Die Kohlevorwärmvorrichtung 38 steht mit der Kohle-Koks-Mischvorrichtung
20 über eine Kohleförderleitung 54 in Verbindung, von der die Kohle-Zuführungsleitungen
27 und 13 abzweigen. Das die Kohlevorwärmvorrichtung 38 verlassende überschüssige
energiehaltige Heißgas wird über eine Exportgasleitung 55 einem beliebigen Verwendungszweck
zugeführt. Von der Exportgasleitung 55 wird jedoch für Transportzwecke über eine
Gasleitung 56 ein Teilgasstrom des Exportgases als Treibgas abgezweigt und einer
Entstaubungsvorrichtung 57 zugeführt. Die Entstaubungsvorrichtung 57 steht über
eine Treibgas leitung 58 mit einem Verdichter beziehungsweise Kompressor 59 mit
der sich daran anschließenden Treibgasleitung 8 in Verbindung, die unterhalb des
Schmelzreaktors 1 lr, die Kohle/Koksgemisch-Zuführungsleitung 6 und die
Erzzuführungsleitung
7 einmündet. Von der Treibgasleitung 8 führt weiterhin eine Treibgaszweigleitung
60 in die Kohle/Koks-Mischvorrichtung 20.
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Beim Betrieb der Vorrichtung mit einer Anlagenkapazität von beispielsweise
450.000 t/a Roheisen werden die Rohstoffe Erz in einer Menge von 75 t/h u-nd Kalkstein
in einer Menge von 5,7 t/h aus dem Erzbunker 48 und dem Kalksteinbunker 49 über
die Leitungen 46 und 47 mengenmäßig dosiert der Erzvorwärmeinheit 3 zugeführt, wobei
sie in die Flugstromleitung 45 eingegeben und von heißem Abgas erfaßt werden und
hiernach erwärmt in den Abscheidezyklon 43 gelangen. Im Abscheidezyklon 43 werden
die mitgeführten feinkörnigen Rohstoffe von dem Abgas getrennt. Das Abgas gelangt
über die Abgasleitung 50 nach einer Staubabscheidung, zum Beispiel in einem Elektrofilter
mit Staubrückführung, in den Schornstein 51 und verläßt das System in die Atmosphäre.
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Das im Zyklon 43 abgeschiedene Erz-Kalkstein-Gemisch gelangt über
die Gas-Feststoffleitungen 42 und 39 in den zweiten Abscheidezyklon 41. Uber die
Heißgas-Zweigleitung 39 wird aus der Heißgasleitung 37 eine Teilmenge mit ca.
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700 OC des im Verfahren erzeugten Heißgases abgezweigt und über eine
Dosiervorrichtung 40 unter Zusatz der erforderlichen Verbrennungsluft aus der Luftleitung
44 verbrannt. Das dabei entstehende heiße Abgas heizt das Erz-Kalksteingemisch in
der Vorwärmeinheit 3 weiter bis auf ca. 360 OC auf. Aus dem Abscheidezyklon 41 gelangt
das vorgewärmte Feststoffgemisch über die Leitung 33 in die erste Reduktionsstufe,
den Gleichstrom-Flugstaubreaktor 22, werden neben dem Erz-Kalksteingemisch weiterhin
noch das als Reduktionsgas wirkende, im Verfahren erzeugte energiehaltige Heißgas
(ca. 1000 OC; CO: 60,7 96 H2: 18,0 %) über die Leitung 32 und Wasserdampf (ca. 140
°C,
20 bar) über die Leitung 34 zur Unterdrückung einer Rußbildung
eingeblasen. In dem Gleichstrom-Flugstaubreaktor 22 wird das vorgewärmte Eisenerz
bis hin zum Wüstit (fig,9470) auf einen Reduktionsgrad (RG) von ca. 30 % vorreduziert.
Hierbei dissoziiert der Kalkstein in Kalk und Kohlendioxid. Die Feststoffe (76,3
t/h, 700 OC, 30 X RG) gelangen mit dem Heißgas bei ca. 700 OC aus dem Gleichstrom-Flugstaubreaktor
22 über die Leitung 35 in aen Abscheidezyklon 36, wo sie vom Heißgas getrennt werden
und über die Leitungen 26 und 25 in die zweite Reduktionsstufe, den Wirbelbett-Reaktor
23 gelangen. Gleichzeitig mit dem Erz/Kalkgemisch werden zur Stickingverhinderung
über die Leitungen 25, 27 ca. 6 t/h Steinkohle in den Wirbelbett-Reaktor 23 eingeblasen.
Das reduzierende Heißgas gelangt mit ca. 1000 OC über die Leitung 21 in den Wirbelbett-Reaktor
23.
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Die zur Unterbindung des Sticking-Verhaltens der frisch reduzierten
Erzpartikel zugeführte Kohlemenge wandelt sich bei der vorherrschenden Temperatur
von 100G °C vollständig zu Kohlenmonoxid um. Zum Ausgleich des Wärmehaushaltes muß
ein Teil dieses Kohlenmonoxides zu Kohlendioxid verbrannt werden. Dazu wird über
die Leitung 24 die erforderliche Menge Sauerstoff und gegebenenfalls Wasserdampf
in den Wirbelbett-Reaktor 23 eingeblasen.
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Das reduzierte Eisenerz (ca. 60 t/h, 1000 OC, 90 % RG) gelangt im
Flugstrom mit dem Heißgas über die Leitung 29 in den Abscheidezyklon 30. Im Abscheidezyklon
30 werden die reduzierten Eisenerze zusammen mit dem im Feststoffgemisch enthaltenen
Kalk von dem Heißgas abgetrennt. Das Heißgas wird über eine Leitung 32 aus dem Abscheidezyklon
30 in den Gleichstrom-Flugstaubreaktor 22 der ersten Reduktionsstufe eingeleitet.
Zur Erreichung eines ausreichenden
Reduktionsgrades können die
reduzierten Erzpartikel durch Verlängerung der Verweilzeit aus dem Abscheidezyklon
30 Uber eine Rückführleitung 28 teilweise in den Wirbelbett-Reaktor 23 zurückgeführt
beziehungsweise im Kreislauf geführt werden. Die ausreichend reduzierten Erzpartikel
(RG 90 %) werden aus dem Abscheidezyklon 30 über eine Dosiervorrichtung 31 in dosierter
Menge (60 t/h) Uber die Erzzuführungsleitung 7 dem Schmelzreaktor 1 zugeführt.
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Im Verfahren wird als einziger Energieträger feinkörnige Kohle eingesetzt.
Dazu gelangt aus dem Kohlebunker 52 Steinkohle in dosierter Menge (49,3 t/h) über
die Leitung 53 in die Kohlevorwärmeinheit 38, in der die Kohle indirekt durch Heißgas
auf etwa 1500 bis 300 OC vorgewärmt werden kann. Dazu wird das aus dem Abscheidezyklon
36 der Reduktionseinheit 2 abgezogene und über die Heißgasleitung 37 der Kohlevorwärmeinheit
38 zugeführte Heißgas verwendet.
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Die vorgewärmte Kohle wird im Verfahren für verschiedene Verwendungszwecke
in verschiedene Anlagenteile eingegeben.
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Aus der Kohlevorwärmeinheit 38 gelangt über die Leitungen 54 und 27
ein Teil (6 t/h) der Kohle wie oben beschrieben zur UnterdrUckung des Sticking-Verhaltens
der reduzierten Erzpartikel in den Wirbelschicht-Reaktor 23 der zweiten Reduktionsstufe.
Ein wesentlicher Teil der Kohle wird für die Kühlung des ca. 1400 0C heißen im Schmelzreaktor
1 entstandenen Heißgases benötigt. Dazu wird dieser Teil der Kohle aus der Leitung
54 über die Leitung 13 abgezweigt und mittels der Dosiervorrichtung 14 mengenmäßig
dosiert (24 t/h) der Kohleverkokungseinrichtung, nämlich dem Gleichstrom-Flugstaubreaktor
12 der Heißgaskühlvorrichtung 4 zugeführt. In dem Gleichstrom-Flugstaubreaktor 12
wird das über die Leitung 11 aus dem Schmelzreaktor 1 zuströmende Heißgas durch
Wärmeentzug für den
Verkokungsprozeß der eingesetzten Kohle von
über 1400 OC auf ca. 1000 OC abgekühlt.
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Zur Unterdrückung einer Rußausbildung wird über Leitung 15 eine ausreichende
Menge an Dampf in die als Gleichstrom-Flugstaubreaktor ausgebildete Kohleverkokungseinrichtung
beziehungsweise in das Kohlewärmetauscher-System eingedüst. Die verkokte Kohle wird
als Koks (20,7 t/h) von dem heruntergekühlten Heißgas über die Leitung 16 aus dem
Gleichstrom-Flugstaubreaktor 12 in den Abscheidezyklon 17 transportiert. Hier werden
die Feststoffe vom Heißgas getrennt, welches aus dem Abscheidezyklon 17 über die
Leitung 21 in den Wirbelbett-Reaktor 23 der zweiten Reduktionsstufe gelangt und
als gasförmiges Reduktionsmittel verwendet wird.
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Die abgetrennten Kokspartikel weraen mittels einer Dosier-beziehungsweise
Förderschnecke 18 aus dem Abscheidezyklon 17 ausgetragen und gelangen über die Leitung
19 in den Kohle/Koks-Mischer 20. In dem Kohle/Koks-Mischer 20 wird der Koks mit
einer weiteren, über die Leitung 54 zugeführten Teilmenge (19,2 t/h) an Kohle vermischt
und über die Leitung 6 als Ausgangsstoff für die Heißgasherstellung dem Schmelzreaktor
1 zugeführt.
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Von dem im Prozeß erzeugten Heißgas wird, nachdem es mit einer Temperatur
von ca. 700 OC über die Leitung 55 die indirekte Kohlevorwärmeinheit 38 verlassen
hat, über die Leitung 56 eine Teilmenge (ca. 10.000 m3/h) abgezweigt.
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Dieser Teilgasstrom des Heißgases wird als Transportgas beziehungsweise
als inertes Treibgas zum Einblasen der partikelförmigen Feststoffe in den Schmeizreaktor
1 verwendet. Dazu wird der Teilgasstrom des Heißgases in der Entstaubungsvorrichtung
57 entstaubt und über die Leitung 58 mittels eines zwischengeschalteten Verdichters
59 weiter
über die Treibgasleitung 8 in die Erzzuführungsleitung
7 und in die Kohle/Kokszuführungsleitung 6 eingeblasen. Von der Leitung 58 kann
weiterhin eine Teilgasleitung 60 abgezweigt sein, welche einen Teilgasstrom des
Treibgases in die Kohle/Koksmischvorrichtung 20 leitet. Dadurch wird ein besseres
Vermischen des Kokes mit der Kohle und ein besserer Weitertransport dieses Gemisches
über die ZufUhrungsleitung 6 in den Schmelzreaktor 1 erreicht. Zur Vergasung der
kohlenstoffhaltigen Feststoffe Kohle und Koks werden über die Leitung 5 ca. 26.300
m3/h Sauerstoff in den Schmelzreaktor 1 eingeblasen. Ausgehend von 75 t/h eingesetztem
Erz und 49,3 t/h Steinkohle werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach den
angegebenen Zahlenbeispielen in dem Schmelzreaktor 1 neben einer über die Leitung
9 abgezogenen Schlackenmenge (12,8 t/h) 50,9 t Roheisen (mit 4 96 C) erzeugt und
über Leitung 10 abgeführt.
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3 Weiterhin werden im Schmelzreaktor 1 ca. 79.900 m3/h Heißgas (CO:
84,3 %, H2: 15,2 9ó) erzeugt, welches bei der Verkokung und bei der Reduktion mit
Kohlezugabe mengenmäßig zunimmt und in einer Menge von ca. 106.000 m3/h als Exportgas
(CO: 41,4 %, H2: 26,3 ió, C02: 22,8 %, H20: 9,0 9s) für beliebige Zwecke abgegeben
wird. Dieses Exportgas kann beispielsweise nach entsprechender Behandlung als Ausgangsstoff
zur chemischen Synthese verwendet oder in einem Wärme-Kraft-Prozeß verstromt werden.
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Die im Verfahren benötigte Steinkohle kann teilweise durch Braunkohle
substituiert werden. Bei einem vergleichbaren Erzeinsatz von 75 t/h kann durch Zuführung
von 8,5 t Braunkohle in die zweite Reduktionsstufe und durch Zuführung von 35,5
t Braunkohle in den Kohlewärmetauscher 12 ca. 10,9 t/Steinkohle ersetzt werden.
Dabei müssen aus energetischen Gründen jedoch weiterhin 34,8 t Steinkohle in den
Schmelzreaktor 1 eingesetzt werden. Die Berechnungsergebnisse zur Teilsubstitution
der Steinkohle
durch Braunkohle zeigen, daß zur Aufrechterhaltung
eines ausgeglichenen Energiehaushaltes bei Verwendung von Braunkohle aufgrund ihres
hohen Gehaltes an flüchtigen Bestandteilen mehr Kohlenstoff vergast werden muß.
Die Teilsubstitution der Steinkohle durch Braunkohle steigert den Gesamt-Kohlenstoffbedarf
um ca. 20 %. Demgemäß ist auch ein erhöhter Gasüberschuß zu verzeichnen. Durch den
geringeren Braunkohlepreis kann aber der Einsatz von Braunkohle vorteilhaft sein.
Da Braunkohlen einen höheren Wasserstoff-, Sauerstoff- und Feuchtegehalt als Steinkohlen
haben, besteht bei Einsatz von Braunkohle in das Kohle/Koks-Wärmetauschersystem
die Gefahr der Rußbildung nicht. Damit entfällt eine Wasserdampfzugabe in dieser
Prozeßstufe.
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Bei dieser Verfahrensvariante mit teilweisem Steinkohlenersatz durch
Braunkohle werden in der erfindungsgemäßen Anlage ca. 51,2 t/h Roheisen und ca.
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162.200 m3/h Exportgas hergestellt.