DE3903705A1 - Verfahren und vorrichtung zur nachverbrennung von reaktionsgasen sowie verwendung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur nachverbrennung von reaktionsgasen sowie verwendungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Reaktionsgasnachverbrennung, bei dem die
Reaktionsgase, insbesondere CO und H2, aus einem Eisenbad
in den Gasraum eines Reaktorgefäßes, das über Einlei
tungsdüsen unterhalb und Aufblasvorrichtungen oberhalb
der Badoberfläche verfügt, gelangen und dann mit
oxidierenden Gasen nachverbrannt werden und die dabei
freigesetzte Energie mit einem hohen Wirkungsgrad an das
Eisenbad übertragen wird.
Die Idee, Reaktionsgase aus einer Eisenschmelze mit Sau
erstoff oder Luft nachzuverbrennen und die dabei freiwer
dende Energie zur Verbesserung der Wärmebilanz des Pro
zesses zu nutzen, ist bekannt. Es hat in der
Vergangenheit nicht an Vorschlägen gefehlt, insbesondere
bei der Stahlerzeugung das aus der Schmelze austretende
CO im Frischgefäß zu CO2 zu verbrennen und die Wärme für
das Verfahren zu nutzen.
Bekanntgewordene Erfindungen auf diesem Gebiet sind bis
etwa 1977 im wesentlichen darauf gerichtet, im Gasraum
der Stahlerzeugungskonverter einen möglichst hohen Anteil
der aus einer Eisenschmelze entweichenden Reaktionsgase
nachzuverbrennen, ohne besondere Hinweise zur Rücküber
tragung der entstehenden Wärme an die Schmelze zu be
schreiben. Man ging davon aus, daß die freigesetzte Wärme
das Mauerwerk im Gasraum des Konverters geringfügig
aufheizt und die Energie von dort durch Strahlung an das
Bad übertragen wird.
Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 25 22 467 wird
die CO-Nachverbrennung im Konverter sogar dazu genutzt,
um das Wärmeangebot im Konverterhut zu erhöhen und damit
die unerwünschten Ansätze aus Stahlspritzern und Schlacke
abzuschmelzen.
Das DDR-Patent 1 01 916 bezieht sich auf die
CO-Nachverbrennung im Elektrolichtbogenofen und im Stahl
erzeugungskonverter. Als erfindungswesentlich sind hier
die ungefähr waagerechte Einbaulage der Nachverbrennungs
düsen und die Regelung der Sauerstoffzufuhr zu diesen Dü
sen genannt. Die bevorzugte Sauerstoffmenge für die Sei
tenwanddüsen unmittelbar über dem Bad liegt nach der
Erfindung zwischen 25 bis 30%, bezogen auf die Gesamt
sauerstoffmenge.
Diese bislang beschriebenen Verfahren konnten sich nicht
in die Betriebspraxis einführen, da eine Verbesserung der
Prozeßwärmebilanz ausblieb und stattdessen ein voreilen
der Verschleiß der Ausmauerung im oberen Konverterkonus
durch eine starke Überhitzung auftrat.
Das Verfahren, mit dem es bei der Stahlerzeugung im
Konverter gelungen ist, durch die Nachverbrennung von Re
aktionsgasen aus der Schmelze das Wärmeangebot im Eisen
bad und damit den Schrottsatz bei der Stahlerzeugung zu
erhöhen, beschreibt die DE-Auslegeschrift 27 55 165. Bei
diesem Prozeß werden zwischen 20 bis 80% der gesamten
Sauerstoffmenge von oben durch einen oder durch mehrere
auf die Badoberfläche gerichtete Gasstrahlen dem Frisch
prozeß zugeführt, wobei die Gasstrahlen über einen we
sentlichen Teil des Frischprozesses als in einem Gasraum
blasende Freistrahlen wirken, und dabei beträchtliche
Mengen der Konverterabgase ansaugen. Mit diesem Verfahren
gelingt es betriebssicher, während einer Charge im Mittel
ca. 20% CO aus der Schmelze nachzuverbrennen und die da
bei freiwerdende Wärme mit einem hohen Wirkungsgrad an
das Eisenbad rückzuübertragen. Die Schrottsatzsteigerung
liegt bei ungefähr 6 Prozentpunkten.
Eine weitere Steigerung des Schrottsatzes ermöglicht das
Verfahren gemäß DE-Patent 28 38 983, bei dem zur Verbes
serung des wärmetechnischen Wirkungsgrades von festen
kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bei der Stahlerzeugung
mit erhöhtem Schrottsatz der Sauerstoff gleichzeitig auf
und in das Bad geblasen wird. Dieser Prozeß ist dadurch
gekennzeichnet, daß der Sauerstoff aus einem Abstand von
mindestens 2 m über der ruhenden Badoberfläche als ein im
Gasraum blasender Strahl zugeführt wird.
Die beiden letztgenannten Prozesse werden im breiten Um
fang bei der Stahlerzeugung im Konverter angewendet. Al
lerdings ergeben sich in der betrieblichen Praxis Grenzen
im Nachverbrennungsgrad der aus der Schmelze austretenden
Reaktionsgase. Der Nachverbrennungsgrad konnte im Mittel
nicht über 25% gesteigert werden.
Weiterhin ist die Nachverbrennung der in einem Eisenbad
erzeugten Gase aus Kohle bekannt. Gemäß GB-Patent 20 82 624
werden die in einem Eisenbadreaktor erzeugten Gase
teilweise nachverbrannt, und die dabei freiwerdende Wärme
nutzt man zur Reduktion von Eisenerz und damit zur Eisen
erzeugung in dem Kohlevergasungsreaktor aus. Durch die
Aufteilung der zugeführten Sauerstoffmenge unterhalb und
oberhalb der Eisenbadoberfläche ließ sich der Nachver
brennungsgrad in gewissen Grenzen beeinflussen, jedoch
nicht deutlich über 25% steigern.
Bei den bekannten Prozessen sind als Aufblasvorrichtungen
hauptsächlich Doppelrohrdüsen zum Einsatz gekommen, bei
denen durch das Zentralrohr Sauerstoff strömt und der
Ringspalt zum Düsenschutz mit Kohlenwasserstoffen
beaufschlagt wird. Die Aufteilung des Sauerstoffstrahles
auf mehrere Bohrungen, vorzugsweise gleichmäßig über eine
Kreisfläche verteilt, ist ebenfalls bekannt, hat aber zu
keiner deutlichen Steigerung des Nachverbrennungsgrades
geführt.
Ein Vorschlag zur Erhöhung der Nachverbrennung über die
bei der Stahlherstellung betriebssicher erreichte Ober
grenze von ca. 25% hinaus, ist in der
DE-Offenlegungsschrift 36 07 775 beschrieben. Dieses Ver
fahren zur Schmelzreduktion von Eisenerzen, bei dem das
Eisenoxid im wesentlichen im flüssigen Zustand reduziert
wird und die erforderliche Energie zum Ausgleich der Wär
mebilanz des Prozesses durch die Zugabe kohlenstoffent
haltender Brennstoffe an die Schmelze und durch die Nach
verbrennung der entstehenden Reaktionsgase, hauptsächlich
CO und H 2, erzeugt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Reaktionsgase nacheinander zweimal oder häufiger in
sauerstoffenthaltenden Gasstrahlen, die in Reaktionsräume
blasen, die wirkungsmäßig unabhängig voneinander sind,
nachverbrannt werden. Mit diesem Verfahren läßt sich in
einer ersten Nachverbrennungsstufe in einem Reaktionsraum
mit hohem Reduktionspotential ein Nachverbrennungsgrad
von 30 bis 50% und in der zweiten Nachverbrennungsphase
unter weniger reduzierenden Bedingungen, ein Nachverbren
nungsgrad von 60 bis 100% erreichen. Bei der Anwendung
dieser Lehren in der Betriebspraxis hat es allerdings
Probleme bei der Reproduzierbarkeit dieser sehr hohen
Nachverbrennungsgrade und der Rückführung der dabei ent
stehenden Wärme an das Eisenbad gegeben.
Die Erfindung hat sich demzufolge die Aufgabe gestellt,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachverbrennung zu
schaffen, um einen vorbestimmbaren Grad der Nachverbren
nung betriebssicher und reproduzierbar einzustellen und
diese Betriebssicherheit auch bei hohen Nachverbrennungs
graden der Reaktionsgase aus Eisenschmelzen, die bisher
nicht mit der erforderlichen Sicherheit erreichbar war,
beizubehalten, um damit neue wirtschaftliche Wege bei der
Stahlerzeugung, der Schmelzreduktion von Eisenerz oder
vorreduziertem Eisenerz, der Kohlevergasung und bei
Verbundprozessen auf diesem Gebiet gehen zu können.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Nachver
brennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad er
zeugt werden, oberhalb des Bades mittels wenigstens einem
Gasstrahl aus oxidierendem Gas, wobei die dabei erzeugte
Energie auf das Bad übertragen wird, das dadurch gekenn
zeichnet ist, daß der oder die Gasstrahle aus oxidieren
den Gasen mit einem Drall durch ein oder mehrere Düsen
auf die Badoberfläche geblasen werden.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur
Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad
gebildet werden, oberhalb der Badoberfläche mit Hilfe we
nigstens eines Gasstrahls aus oxidierenden Gasen, wobei
die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Einrichtungen
umfaßt, um dem oder den Gasstrahlen aus oxidierenden Ga
sen einen Drall zu verleihen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur
Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad
erzeugt werden, oberhalb des Bades mittels wenigstens ei
nem Gasstrahl aus oxidierendem Gas, wobei die dabei
erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß der oder jeder Gasstrahl aus
oxidierenden Gasen in Form eines hohlen Gasstrahls durch
eine oder mehrere Düsen auf die Badoberfläche geblasen
wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur
Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die in einem Eisenbad
gebildet werden, oberhalb der Badoberfläche mit Hilfe we
nigstens eines Gasstrahls aus oxidierenden Gasen, wobei
die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens
eine Düse zum Aufblasen eines hohlen Gasstrahls aus
oxidieren Gasen auf die Badoberfläche aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung der
genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Stahlherstel
lung, zur Eisenerzschmelzreduktion und zur Kohlever
gasung.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß ein Drall
bzw. Wirbel, d. h. physikalisch korrekt ein Drehimpuls,
der dem auf die Badoberfläche gerichteten Strahl
oxidierend wirkender Gase aufgeprägt wird, die Nachver
brennung der Reaktionsgase, die der Eisenschmelze
entweichen, deutlich verbessert, insbesondere die be
triebssichere Reproduzierbarkeit des vorbestimmbaren
Nachverbrennungsgrades erhöht und somit eine Reihe von
vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens zur
Reaktionsgasnachverbrennung eröffnet. Unter Drehimpuls
wird, wie üblich, die radiale Komponente des Gasstrahles
verstanden. Die Wirbelkennzahl ist als das Verhältnis von
radialem zu axialem Gasimpuls definiert. Im weiteren wer
den die Begriffe "Drehimpuls" und "Wirbelkennzahl" in
diesem Sinne benutzt.
Gemäß der Erfindung können die Austrittsöffnungen der
Aufblasvorrichtungen für den Gasstrahl der oxidierenden
Gase, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, hauptsächlich
vorgewärmte Luft, wie üblich gestaltet sein, also einen
kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es sind aber genauso
beliebige andere geometrische Querschnittsformen
anwendbar, und auch eine Aufteilung auf mehrere Aus
trittsöffnungen kann erfolgen. Erfindungsgemäß ist es nur
von Bedeutung, daß der Gasstrahl einen Drehimpuls auf
weist.
Gemäß der Erfindung kann dieser Drehimpuls, auch Drall
oder Wirbel genannt, dem Gasstrahl in beliebiger Weise
aufgeprägt werden. Zum Beispiel hat sich der Einbau ent
sprechender Leitbleche bzw. Strömungskörper vor der Aus
trittsöffnung in der Aufblasdüse bewährt. Auch eine Viel
zahl gleichsinnig schräg angeordneter Bohrungen ergibt
einen Aufblasstrahl mit radialer Komponente, d. h. mit
einem Drall. Erfindungsgemäß kann die Aufblasdüse vor der
Austrittsöffnung auch eine Kammer aufweisen, in die das
oxidierende Gas tangential einströmt, um auf diese Weise
dem Aufblasstrahl einen Drehimpuls mitzugeben.
Mit diesem Gasstrahl nach dem erfindungsgemäßen Verfah
ren, der in Form eines Wirbels auf die Eisenbadoberfläche
geblasen wird, läßt sich unter sonst gleichen Vorausset
zungen gegenüber einem üblichen Freistrahl die Nachver
brennung um mehr als Zehn Prozent verbessern. Beispiels
weise kann mit einer Aufblasdüse, deren kreisförmiger
Öffnungsdurchmesser 150 mm beträgt, ohne Drall mit Heiß
wind von 1200°C und einer Blasrate von ca. 85 Nm3/min ein
Nachverbrennungsgrad von 30% erreicht werden. Bei Anwen
dung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich bereits
mit einem relativ geringen Drehimpuls, d. h. einer Wir
belkennzahl von 0.2, der Nachverbrennungsgrad auf 45%
steigern.
Gemäß der Erfindung kann der Strahl oxidierender Gase in
Form eines Wirbels mit beliebiger Wirbelkennzahl auf die
Badoberfläche geblasen werden. Jedoch haben sich für den
Drehimpuls, d. h. die radiale Komponente bei dem
Aufblasgasstrahl, Wirbelkennzahlen von 0.1 bis 5, vor
zugsweise jedoch von 0.1 bis 2, bewährt.
Ein wichtiges Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung
besteht darin, die Wirbelkennzahl zu variieren. Damit
kann zum einen der Nachverbrennungsgrad den Betriebsbe
dingungen im Reaktionsgefäß angepaßt werden und zum ande
ren läßt sich durch Variation der Wirbelkennzahl der Pro
zeß, und insbesondere die Energiezufuhr zum Eisenbad,
steuern. So kann zum Beispiel mit der gleichen Düse durch
Verändern der Wirbelkennzahl betriebssicher und reprodu
zierbar der Nachverbrennungsgrad zwischen 35% bis 70%
geregelt werden.
Gemäß der Erfindung können der Einbauwinkel und die Ein
bauhöhe der Aufblasvorrichtungen in weiten Grenzen ge
wählt werden. Der Einbauwinkel der Aufblasdüsen für den
Gasstrahl ist zwischen 10° bis 90°, vorzugsweise jedoch
zwischen 30° bis 90°, wählbar. Ebenso kann die Lauflänge
der Gasstrahlen im Gasraum der Reaktorgefäße ohne Nach
teil auf das erfindungsgemäße Verfahren sehr verschieden
sein. Selbstverständlich beeinflußt der Aufblasabstand
die Größe des Auftreffbereiches der oxidierend wirkenden
Gase auf die Eisenbadoberfläche, da sich der Gasstrahl
etwa kegelförmig ausbreitet. Bei der Einbauhöhe der Auf
blasdüsen sind sowohl die Geometrie des Reaktorgefäßes
als auch der Prozeß selbst zu berücksichtigen. Zum Bei
spiel ist bei einem bodenblasenden Stahlerzeugungsverfah
ren aufgrund der starken Koch- und Eruptionszone die Ein
bauhöhe etwas größer zu wählen; sie ist jedoch nicht an
den für den bekannten Freistrahl ohne Drall geltenden
Mindestabstand von 2 m oberhalb der ruhenden Badoberflä
che gebunden. Bei einem Schmelzreduktionsprozeß in einem
trommelförmigem Reaktorgefäß, bei dem nur das Erz und der
Brennstoff unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze
geleitet und die oxidierenden Gase im wesentlichen auf
geblasen werden, kann die Laufstrecke des Gasstrahles mit
Drall nach der Erfindung geringer angesetzt werden. Bis
lang haben sich Abstände zwischen der ruhenden Badober
fläche und der Düsenaustrittsöffnung von ca. 0.1 m bis
ca. 10 m bewährt.
Für die oxidierend wirkenden Gase, die erfindungsgemäß
als Gasstrahl mit einem Drall bzw. Wirbel, d. h. mit ei
nem Drehimpuls, aus einer oder mehreren Aufblasdüsen auf
die Badoberfläche der Schmelze im Reaktorgefäß geblasen
werden, gibt es keine grundsätzlichen Einschränkungen. Es
können zum Beispiel Gase, wie Sauerstoff, Luft, Inertgas
zusammen mit Sauerstoff, CO2, H2O und beliebige Mischun
gen dieser genannten Gase, zum Einsatz kommen. Es hat
sich weiterhin als günstig erwiesen, die Gase vorzuhei
zen. Damit läßt sich die Gesamtwärmebilanz eines Prozes
ses, wie beispielsweise eines
Schmelzreduktionsverfahrens, verbessern. Es können die
heißen Prozeßabgase zum Aufheizen der oxidierenden Gase
über entsprechende Wärmeaustauscher genutzt werden. Als
vorteilhaft hat sich die Anwendung von vorgeheizter Luft
mit einer Temperatur von ca. 1000 bis 1500°C, vorzugs
weise 1100 bis 1300°C, bei dem erfindungsgemäßen Verfah
ren herausgestellt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens
nach der Erfindung, besteht darin, die oxidierend wirken
den Gase in Form eines Mantelgasstrahles auf die Eisen
badoberfläche, aus der die Reaktionsgase entweichen, auf
zublasen. Gemäß der Erfindung wird unter
"Mantelgasstrahl" in schirm- oder trichterförmiger Gas
strahl verstanden, der sich in seiner einfachsten Form
beim Austritt von unter erhöhtem Druck stehender Gase aus
einer kreisförmigen Düse mit festem Kern ausbildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht an diese
einfache Form eines Mantelgasstrahles gebunden, im Gegen
teil, gerade die Vielzahl der Gestaltungsmöglichkeiten
des Mantelgasstrahles charakterisiert die Erfindung. Aus
gehend von jeder beliebigen geometrischen Form einer
Ringschlitzdüse, beispielsweise kreis-, elypsen-, belie
big kurvenförmig sowie eckigen Formen, wie Dreieck,
Rechteck, Parallelogramm, Vieleck, und Schlitzformen, je
doch alle mit einem festen oder beweglichen Innenkern,
kann der Ringschlitz auch unterbrochen und in einzelne
Segmente aufgelöst werden. Beispielsweise lassen sich
einzelne Düsenbohrungen direkt nebeneinander oder in ge
wissem Abstand zueinander um ein beliebig geformtes
geometrisches Zentrum anordnen. Ebenso haben sich Ring
schlitze mit Zwischenwänden, beispielsweise zur
Abstützung oder mit entsprechenden Leitblechen zur Beein
flussung der Gasströmung, bewährt.
Gemäß der Erfindung kann auch mit einem doppelten oder
mehrfachen Düsenringspalt zur Erzielung eines Mantelgas
strahles gearbeitet werden. Allerdings handelt es sich
dabei um besondere Konstruktionen, die nur von Fall zu
Fall angewendet werden. Zum Beispiel läßt sich der Mehr
fachdüsenringspalt einsetzen, wenn verschiedene
oxidierende Gase oder Sauerstoff oder Inertgas, auch Sau
erstoff und Kohlenwasserstoffe, getrennt der Aufblasdüse
zugeführt werden und eine Mischung dieser Gase erst nach
Verlassen der Aufblasdüse zustandekommen soll.
Einen Teil der überraschenden, günstigen Wirkung des Man
telgasstrahles nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie
im weiteren noch näher beschrieben wird, kann man sich
wahrscheinlich so erklären, daß im Strahlzentrum, d. h.
im Innenraum, der durch den mantelförmigen Gasstrahl ge
bildet wird, ein niedrigerer Druck herrscht als im
umgebenden Gasraum des Reaktorgefäßes, in das der Mantel
gasstrahl geblasen wird. Die besonders vorteilhafte Aus
gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht selbst
verständlich für den Mantelgasstrahl auch die
Überlagerung mit einem Drehimpuls vor. Das oxidierend
wirkende Gas wird dabei in Form eines Wirbels auf die
Badoberfläche geblasen. Erfindungsgemäß kann der Drehim
puls variiert werden, und damit läßt sich in weiten Gren
zen der Grad der Nachverbrennung steuern. Als Maß für den
Drehimpuls gilt selbstverständlich auch bei dem
Mantelgasstrahl die Wirbelkennzahl gemäß der genannten
Definition in den angeführten Bereichen von beispiels
weise 0.1 bis ca. 3. Gemäß der Erfindung konnte bei sonst
konstanten Bedingungen in einem trommelförmigen Reaktor
gefäß zur Schmelzreduktion durch die Variation der
Wirbelkennzahl von 0.1 bis 2 der Nachverbrennungsgrad
beim Aufblasen eines Mantelgasstrahles mit ca. 1200°C
vorgewärmter Luft betriebssicher und reproduzierbar von
40% bis 80% gesteuert werden. Der Wärmewirkungsgrad
beim Rückübertragen der aus der Nachverbrennung gewonne
nen Energie an die Eisenschmelze bewegte sich zwischen 80
bis 90%.
Die überraschende Wirkung der Kombination der beiden
Aspekte der Erfindung kann theoretisch erklärt werden.
Unter der Annahme, daß die Einführung von
kohlenstoffhaltigen Brennstoffen unter der Badoberfläche
ein turbulentes Bad unter Bildung einer Eruptions- und
Mischzone oberhalb der Badoberfläche bildet, nachstehend
als "Übergangszone" bezeichnet, daß zusätzlich zu den Re
aktionsgasen, insbesondere CO und H2, geschmolzenes
Material, wie metallische Tropfen und Spritzer, vom Bad
in die Übergangszone gelangen. Das geschmolzene Material
verbleibt nicht in der Übergangszone sondern zirkuliert
zurück zum Bad. Folglich wird Energie, die auf das ge
schmolzene Material in der Übergangszone transferiert
wird, direkt zum Bad zurückgeführt. Unter diesen Bedin
gungen und zusätzlich zur Eigenschaft des Gasstrahls, in
der Lage zu sein Reaktionsgase aus der Umgebung anzusau
gen, was auch bei einem freien Gasstrahl ohne Drall er
folgt, werden in das Zentrum des hohlen Strahles eben
falls Reaktionsgase eingesaugt. Diese Reaktionsgase
werden mittels der oxidierenden Gase des hohlen Gas
strahls sehr schnell verbrannt, und wenn der Gasstrahl in
die Übergangszone gelangt, wird die durch die Verbrennung
erhaltene Energie mit hoher Geschwindigkeit auf das ge
schmolzene Material und dann zurück zum Bad übertragen.
Im Vergleich zur bekannten Aufblastechnologie mit einem
Freistrahl, der nur Reaktionsgase vom umliegenden Gasraum
ansaugt führt die Verwendung eines Hohlstrahles zur Bil
dung einer zweiten Verbrennungszone im Zentrum des
Hohlstrahles. Es wird angenommen, daß dieser vorteilhafte
Effekt noch erhöht wird, wenn dem Gasstrahl ein Drall
verliehen wird, da mit zunehmender Drallkennzahl der
Druck im Zentrum des Hohlstrahles abnimmt und dadurch
mehr Gas in den Hohlstrahl gesaugt wird.
Dagegen sind andere Kenndaten eines Freistrahles mit
Drehimpuls, beispielsweise der Druckabfall an der Düsen
öffnung, die Düsenaustrittsgeschwindigkeit und die Druck
und Geschwindigkeitsabnahme über die Lauflänge des
Strahles, sinngemäß auch auf den Mantelgasstrahl zu über
tragen. Die Sauerstoff- und Temperaturverteilungen, die
selbstverständlich die Stöchiometrie und Kinetik der Re
aktion bei der Nachverbrennung mitbestimmen, sind wahr
scheinlich bei den beiden Strahlenformen ähnlich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be
steht darin, pulverisierte Feststoffe durch den Mantel
gasstrahl dem Bad zuzuführen. Demgemäß kann der feste
Kern bzw. Stempel oder Innenkörper der Düse, mit einem
Zuführungskanal für die Feststoffe ausgerüstet sein. Bei
spielsweise kann ein solcher Zuführungskanal aus einer
entsprechenden Bohrung bestehen, die mit einem abriebfe
sten Material ausgekleidet ist. Die Feststoffe werden
dann in Suspension mit einem Trägergas durch diesen Kanal
von oben in die Eisenschmelze geblasen. Zum Beispiel hat
es sich bei der Schmelzreduktion bewährt, auf diese Weise
Eisenerz, vorreduziertes Eisenerz und insbesondere vor
reduziertes und vorgewärmtes Eisenerz der Schmelze im Re
aktorgefäß zuzuführen.
Es liegt im Sinne der Erfindung, zur Erzielung eines ho
hen Nachverbrennungsgrades, die ungestörte Ausbildung ei
nes Mantelgasstrahles und insbesondere des Aufblaswir
bels, d. h. eines Mantelgasstrahles mit Drehimpuls, zu
gewährleisten. Dieses Merkmal der Erfindung ist bei der
Konstruktion der Aufblasdüse selbst, ihrer Anordnung im
Reaktorgefäß sowie bei der Gefäßgeometrie, einschließlich
der Abgasführung, zu berücksichtigen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt es, die Reakti
onsgase aus einem Eisenbad, insbesondere sind dies CO und
H2, auf einen vorher bestimmbaren Grad betriebssicher und
reproduzierbar nachzuverbrennen und ebenso sicher die da
bei freigesetzte Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bis
ca. 90% an die Eisenschmelze zu übertragen. Der Nachver
brennungsgrad kann dabei wesentlich durch die Düsengeome
trie und damit durch die sich ergebende Strahlform und
den aufgeprägten Drall, gemessen als Wirbelkennzahl, vor
herbestimmt werden.
Gemäß den Lehren der Erfindung ließen sich in einem
trommelförmigen Reaktionsgefäß für die Schmelzreduktion,
bei dem einer Eisenschmelze von ca. 10 t Gewicht ungefähr
30 kg/min Kohle und ungefähr 30 bis 60 kg/min Eisenerz
zugeführt und ungefähr 8000 Nm3/h Heißwind mit etwa
1200°C auf die Badoberfläche geblasen werden, Nachver
brennungsgrade von 38% bis 68% nur durch Verändern der
Wirbelkennzahl einstellen. Unter den genannten Bedingun
gen ist es möglich, mit einer Wirbelkennzahl von ca. 0.1
eine Nachverbrennung von 38% zu erreichen, die man unge
fähr linear in Korrelation zur Wirbelkennzahl steigern
kann. Bei einer Wirbelkennzahl von 0.3 beträgt der Nach
verbrennungsgrad ca. 48%, bei einer weiteren Erhöhung
der Wirbelkennzahl auf 0.6 stellt sich ein Nachverbren
nungsgrad von 58% ein, und bei der Wirbelkennzahl 0.9
ist der Nachverbrennungsgrad ungefähr 68%. Die Aufblas
vorrichtung, um diese Nachverbrennungswerte zu erreichen,
besteht aus einer Ringspaltdüse mit einer Spaltbreite von
35 mm und einem äußeren Ringdurchmesser von 300 mm. Die
Wirbelkennzahl variiert man durch Verändern der
tangential angeordneten Gaseintrittsöffnung in das Düsen
gehäuse.
Gemäß der Erfindung kann zum Beispiel der Nachverbren
nungsgrad in Stufen, d. h. in größeren Schritten, durch
die Geometrie der Aufblasdüse für die oxidierenden Gase
eingestellt werden, und die Feinabstimmung bzw. die Stei
gerung der Nachverbrennung und genaue Regelung zwischen
den Stufen wird durch die Variation der Wirbelkennzahl
vorgenommen. Demgemäß kann mit einer üblichen Düse, also
mit einer kreisförmigen Öffnung ein Nachverbrennungsgrad
von ca. 30% bei einer Wirbelkennzahl von 0 erreicht
werden, und durch eine Steigerung der Wirbelkennzahl bis
ca. 1 erhöht sich die Nachverbrennung auf ca. 55%. Bei
einer üblichen Ringspaltdüse zur Erzeugung eines Mantel
gasstrahles ergeben sich bei einer geringen Wirbelkenn
zahl von ca. 0.1 Nachverbrennungswerte von mindestens 40%,
die sich etwa linear mit zunehmender Wirbelkennzahl
(bis ca. 1.2) auf einen Nachbrennungsgrad von ca. 75%
steigern lassen. Bei einer optimal ausgelegten Ringspalt
düse, zum Beispiel mit verringerter Spaltbreite, kann
durch die Variation der Wirbelkennzahl der Nachverbren
nungsgrad zwischen ca. 30% bis 100%, insbesondere 50%
bis 90%, geregelt werden.
Die erfindungsgemäße Aufblasdüse zur Durchführung des
Verfahrens und insbesondere zur Erzielung eines Mantel
gasstrahles mit Drall, bei dem im Strahlzentrum ein nied
rigerer Druck herrscht als im Gasraum, der den mantel
förmigen Gasstrahl umgibt, kann aus einer Ringdüse beste
hen, die ein Gehäuse und einen Innenkörper aufweist, wo
bei der Durchmesser des Innenkörpers mindestens dem dop
pelten, vorzugsweise mindestens dem fünffachen, Wert der
Düsenringbreite entspricht. Dabei kann der Innenkörper,
auch Stempel genannt, kolbenförmig und axial verschiebbar
sein. Dieser Stempel kann auch als Strömungskörper mit
Kolbenstange gestaltet sein. Weiterhin ist auch ein fe
ster, unbeweglicher Innenkörper möglich.
Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die
Vorrichtung anhand von nichteinschränkenden Beispielen
und Darstellungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch ein trommelförmiges
Reaktorgefäß zur Schmelzreduktion. Fig. 2 gibt den
Schnitt durch eine Aufblasdüse wieder, und Fig. 3 zeigt
die Draufsicht auf den Austrittsquerschnitt dieser Düse.
Fig. 4 stellt im Vergleich zu Fig. 3 die Draufsicht auf
den Austrittsquerschnitt einer anderen Aufblasdüse dar.
Das Reaktorgefäß nach Fig. 1 von ungefähr trommelför
miger Gestalt besteht aus einem Blechmantel 1 mit einer
feuerfesten Ausmauerung 2. Unterhalb der Badoberfläche 3
der Eisenschmelze 4 befinden sich Einleitungsdüsen 5. Die
Einleitungsdüsen 5 bestehen aus zwei konzentrischen
Rohren, nämlich dem Innenrohr 6 und dem äußeren Rohr 7.
Während durch den Ringspalt zwischen den beiden Rohren 6
und 7 zum Düsenschutz Kohlenwasserstoffe, in diesem Fall
Erdgas, strömen, werden durch die Innenrohre 6 von zwei
Düsen Erz und bei zwei anderen Düsen feste Brennstoffe,
hauptsächlich gemahlene Kohle, in Suspension mit einem
Trägergas, in die Schmelze 4 geleitet.
Mit der Aufblasdüse 8, die in Fig. 2 näher erläutert
ist, bläst man oxidierend wirkenden Gase mit einem Dreh
impuls auf die Eisenbadoberfläche 3. Die weitgehend nach
verbrannten Abgase verlassen das Reaktorgefäß über die
Gefäßöffnung 9.
Die Düse nach Fig. 2 besteht aus einem wassergekühlten
Gehäuse 11 mit einem tangential angeordneten Gasein
trittsquerschnitt 12 und einer kreisförmigen Gasaus
trittsöffnung 13. In dem wassergekühlten Gehäuse 11 ist
ein kolbenförmiger Innenkörper, der Stempel 14, ange
bracht. Der Stempel besteht im wesentlichen aus einem
Strömungskörper 15 und der daran befestigten Kolbenstange
16. Der Stempel 14 läßt sich in axialer Richtung bewegen,
und damit ist die Ringspaltbreite 17 nach Fig. 3
veränderbar.
Im Zusammenwirken mit dem tangential eintretenden Gas
strahl durch die Öffnung 12 in das Gehäuse 11 und dem
Strömungskörper 15 wird dem austretenden Gasstrahl aus
Öffnung 17 ein Drehimpuls aufgeprägt. Der Drehimpuls des
Gasstrahles, d. h. die Wirbelkennzahl, läßt sich durch
Verschieben des Strömungskörpers 15 über die Kolbenstange
16 und damit gleichzeitiger Veränderung des Austritts
querschnittes 17 variieren.
Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf den Öffnungsquerschnitt
einer anderen Düsenform. Dabei beträgt die Breite des
Ringspaltes 20 15 mm und der Abstand 21 der zwei mit ge
ringster Entfernung sich gegenüberliegenden Seiten 16 mm.
Dieser Wert des Abstandes 21 korrespondiert mit dem
Durchmesser 15 der Fig. 3.
Die Fig. 5 zeigt eine Ansicht auf die Enden einer Dop
peldüse. Es wird bevorzugt, daß die Drallrichtung in den
zwei kreisförmigen Schlitzen 22 und 23 unterschiedlich
ist, wie dies durch die beiden Pfeile angegeben ist. Die
Düsen bilden einen Doppelhohlstrahl und weisen zwei Kerne
24 und 25 auf. Die Ausdehnung des Gasstrahls in radialer
Richtung 26 ist größer als in radialer Richtung 27.
Ein trommelförmiges Reaktorgefäß nach Fig. 1 dient für
den Versuchsbetrieb zur Schmelzreduktion. In die
Eisenschmelze 4 von ungefähr 12 t werden über zwei Boden
düsen 5 Kohle mit einer Blasrate von 30 kg/min und über
zwei weitere Bodendüsen 5 Erz mit einer Blasrate von 32
kg/min sowie gebrannter Kalk zur Schlackenbildung mit ei
ner Durchflußrate von 2 kg/min eingeleitet. Zum Transport
dieser gemahlenen Feststoffe benötigt man ca. 10 Nm3/min
Stickstoff. Gleichzeitig bläst man zum Schutz der Einlei
tungsdüsen ca. 2 Nm3/min Erdgas durch die Düsenring
spalte. Auf die Eisenbadoberfläche 3 werden aus einer
Düse mit kreisförmigem Austrittsquerschnitt und einem
Durchmesser von 200 mm Heißwind mit einer Blasrate von
135 Nm3/min und einer Temperatur von 1200°C aufgeblasen.
Dabei beträgt der Überdruck in der Windleitung 0.7 bar
und im Reaktorgefäß ca. 0.25 bar. Die erreichbare
Nachverbrennung mit dem bekannten, d. h. zum Stand der
Technik gehörenden, Freistrahl ohne Drehimpuls, beträgt
unter günstigen Bedingungen maximal 30%. Demgegenüber
ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die
Überlagerung eines Drehimpulses auf den Aufblasstrahl be
triebssicher möglich, den Nachverbrennungsgrad zu erhöhen
und mit Variation der Wirbelkennzahl zu steuern. Zum Bei
spiel ließ sich mit einer Wirbelkennzahl von ca. 0.5 ein
Nachverbrennungsgrad von ca. 50% einstellen. Dadurch ist
es möglich, die Erzeinblasrate auf etwa 50 kg/min anzuhe
ben, ohne die Temperatur der Eisenschmelze von ca. 1500°C
abzusenken.
In dem gleichen Reaktorgefäß mit im wesentlichen den
gleichen Betriebsdaten wie im vorangegangenen Beispiel,
kann durch den Einbau einer Aufblasdüse gemäß Fig. 2 mit
einer Gasaustrittsöffnung 13 von 300 mm und einer Ring
spaltbreite 17 von 35 mm der Nachverbrennungsgrad deut
lich gesteigert werden. Mit einer Wirbelkennzahl von 0.8
läßt sich ein Nachverbrennungsgrad von 65% erreichen,
und unter dieser Voraussetzung kann der Reaktor mit einer
Kohleblasrate von 25 kg/min und einer Erzblasrate von 60
kg/min betrieben werden.
Bereits bei diesem relativ kleinen Gefäß zur
Schmelzreduktion und den versuchsähnlichen Bedingungen,
können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die angegebe
nen Nachverbrennungsgrade betriebssicher und reproduzier
bar eingestellt werden.
Es entspricht dem Sinn der Erfindung, sowohl die Aufblas
düsenkonstruktion als auch die Anordnung der Aufblasvor
richtung im Reaktorgefäß und die Wirbelkennzahl den
verfahrenstechnischen Bedingungen der einzelnen Prozesse,
beispielsweise der Schmelzreduktion, der Stahlerzeugung
und der Kohlevergasung, anzupassen.
Claims (27)
1. Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen,
die in einem Eisenbad erzeugt werden, oberhalb des Bades
mittels wenigstens einem Gasstrahl aus oxidierendem Gas,
wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Gasstrah
len aus oxidierenden Gasen mit einem Drall durch ein oder
mehrere Düsen auf die Badoberfläche geblasen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wirbelkennzahlen des oder der Gasstrahlen aus
oxidierenden Gasen im Bereich zwischen 0.1 und 5 liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wirbelkennzahlen im Bereich zwischen 0.1 und 2
liegen.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wirbelkennzahl zur Änderung der Nach
verbrennung einstellbar ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß der oder die Gasstrahlen aus
oxidierenden Gasen hohl sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die hohlen Gasstrahlen aus oxidierenden
Gasen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß pulverisierte, feste
Reaktanten zusammen mit den oxidierenden Gasen eingebla
sen werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß der oder die Gasstrahlen aus
oxidierenden Gasen in einem Winkel im Bereich zwischen
10° und 90° zur ruhigen Badoberfläche auf das Bad aufge
blasen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase Sauer
stoff, Luft oder Mischungen von Inertgas, Kohlendioxyd,
Wasserdampf und Sauerstoff, umfassen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase vor dem
Aufblasen auf die Badoberfläche vorerwärmt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase aus einer
auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1000°C und 1600°C
vorerhitzten Luft bestehen.
12. Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktionsga
sen, die in einem Eisenbad gebildet werden, oberhalb der
Badoberfläche mit Hilfe wenigstens eines Gasstrahls aus
oxidierenden Gasen, wobei die dabei erzeugte Energie auf
das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung Einrichtungen umfaßt, um dem oder den Gas
strahlen aus oxidierenden Gasen einen Drall zu verleihen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einrichtungen zur Drallerzeugung
integrale Teile einer oder mehrerer Düsen sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Drallerzeugung
zur Änderung der Wirbelkennzahl des oder der Gasstrahlen
aus oxidierenden Gasen verstellbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen so ausgestaltet
sind, daß ein hohler Gasstrahl aus oxidierenden Gasen ge
bildet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß die oder jede Düse aus einer
Ringdüse mit einem Mantel und einem Innenkörper besteht,
dessen Durchmesser wenigstens das Doppelte der Breite des
Düsenschlitzes aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Düse zur Ein
führung von pulverisierten, festen Reaktanten ausgerüstet
ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Düse so ange
ordnet ist, daß die Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen in
einem Winkel im Bereich von 10° bis 90° gegenüber der
ruhigen Badoberfläche auf das Bad auftreffen.
19. Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen,
die in einem Eisenbad erzeugt werden, oberhalb des Bades
mittels wenigstens einem Gasstrahl aus oxidierendem Gas,
wobei die dabei erzeugte Energie auf das Bad übertragen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Gas
strahl aus oxidierenden Gasen in Form eines hohlen Gas
strahls durch eine oder mehrere Düsen auf die Badoberflä
che geblasen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich
net, daß der oder die hohlen Gasstrahlen aus oxidierenden
Gasen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch ge
kennzeichnet, daß die pulverisierten, festen Reaktanten
in dem hohlen Teil des oder der hohlen Gasstrahlen aus
oxidierenden Gasen eingeführt werden.
22. Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktionsga
sen, die in einem Eisenbad gebildet werden, oberhalb der
Badoberfläche mit Hilfe wenigstens eines Gasstrahls aus
oxidierenden Gasen, wobei die dabei erzeugte Energie auf
das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung wenigstens eine Düse zum Aufblasen eines hoh
len Gasstrahls aus oxidierenden Gasen auf die Badoberflä
che aufweist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekenn
zeichnet, daß die oder jede Düse als Ringdüse ausgebildet
ist.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch ge
kennzeichnet, daß die oder jede Düse Einrichtungen zur
Einführung von pulverisierten, festen Reaktanten im hoh
len Teil des hohlen Gasstrahls aus oxidierenden Gasen
aufweist.
25. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung ge
mäß einem der Ansprüche 1 bis 24 für die Stahlherstel
lung.
26. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung ge
mäß einem der Ansprüche 1 bis 24 in einem Eisenerz-
Schmelzreduktions-Verfahren, bei dem Eisenerz in einem
Eisenbad reduziert wird.
27. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 24 in einem Kohlever
gasungsverfahren, bei dem Kohle in einem Eisenbad vergast
wird.
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