Ein Verfahren dieser Art ist aus DE4421673A1 bekannt. Bei diesem wird das Topgas nach einer C02-Entfemung mit heißem Stickstoff oder mit heißem stickstoff-und argonhältigem Gas vermischt und damit auf über 800 °C erwärmt. Dabei wird erwärmtes und von C02 weitgehend befreites Topgas über eine Heißwindringleitung dem Hochofen zugeführt. Das Erwärmen des Topgases muß dabei äußerst rasch unter Vermeidung einer Umsetzung des CO-Gases nach dem Boudouard-Gleichgewicht bzw. der Vermeidung der Umsetzung des H2-Gases nach der heterogenen Wassergasreaktion durchgeführt werden, wodurch ein erheblicher prozess-und anlagentechnischer Aufwand entsteht.

Ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerzen behandelt US3954444A1. Darin wird einem Schachtofen ein Teil des reduzierenden Gases entzogen, aufbereitet und nachfolgend wiederum dem Schachtofen zugeführt. Dabei kann das reduzierende Gas in einer besonderen Ausführungsform auch als reduzierendes Mittel in einen Hochofen eingebracht werden. Auch in diesem Verfahren ist die Regenerierung des Gases umständlich und erfordert hohen prozess-und anlagentechnischen Aufwand.

Unter dem Gesichtspunkt des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens zu entwickeln, womit gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Energiebilanz, sowie eine verbesserte Prozessführung erreicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1, in bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren, sowie durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 5, in bezug auf eine erfindungsgemäße Anlage gelöst.

Der obere Kegelstumpf eines Hochofens, welcher in etwa drei Fünftel seiner Höhe ausmacht, wird vom Fachmann mit dem Begriff Schacht bezeichnet.

Durch das erfindungsgemäße Merkmal, das erwärmte Topgas in den unteren Bereich des Hochofen-Schachtes einzuleiten, werden gegenüber dem Stand der Technik entscheidende Vorteile in der Verfährensführung erreicht.

Die Erfindung sieht insbesondere die vollständige prozesstechnische Weiterverwendung des Topgases des Schachtofens vor. Dabei wird das Topgas des Schachtofens einer Weiterverwendung, vorzugsweise hinsichtlich seiner reduzierenden Eigenschaften zugeführt. Ein Teilstrom dieses Topgases kann dabei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einen Hochofen eingeleitet werden, wohingegen ein weiterer Teilstrom beispielsweise für die Energieerzeugung eingesetzt werden kann. Wesentlich ist jedoch, dass das Topgas nach Durchtritt durch den Schachtofen abgezogen wird, und nicht etwa, wie im Stand der Technik, ein Teilstrom am Schachtofen abgezweigt wird. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird gegenüber diesem Stand der Technik eine weitaus effizientere Erwärmung des Möllers im Schachtofen verwirklicht, welche für den Betrieb ein wesentliches Kriterium darstellt.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das gesamte Topgas des Schachtofens in den Hochofen eingeleitet.

Weiters werden durch die solchermaßen erfindungsgemäß ausgeführte Gaszufuhr oberhalb des Kohlesackes, der Kohlesack und die Rast thermisch entlastet, und die Gaspermeabilität dieses Bereiches sowie die Drainage der Flüssigphase verbessert.

Die Stelle der Topgaszuführung am unteren Bereich des Hochofenschachtes ist dabei im wesentlichen durch die Zusammensetzung des Topgases des betreffenden Verfahrens bestimmt.

Nachdem jedes Topgas eine besondere, für das jeweilige Verfahren aus dem es stammt im allgemeinen charakteristische Zusammensetzung aufweist, muß unter den bekannten Rahmenbedingungen jene Stelle der Einleitung des Gases am Schacht des Hochofens ermittelt werden, die den Betrieb des Hochofens an einem optimierten Betriebspunkt ermöglicht.

Folgende Aussagen können über besagte Stelle am Schacht des Hochofens, an welcher das Topgas in den Hochofen eingeleitet wird, getroffen werden : Die Stelle der Einleitung befindet sich im allgemeinen, örtlich gesehen, oberhalb der kohäsiven Zone bzw. oberhalb der Zone der direkten Reduktion, und damit am Schacht des Hochofens. Die Position der Stelle der Einleitung des Topgases am Hochofenschacht wird einerseits durch die Temperatur und Zusammensetzung des Topgases, sowie andererseits durch den Betrieb des Hochofens bestimmt. Entscheidend ist dabei die Wirkung, die durch das Einleiten des Topgases erreicht wird.

Die diesbezüglich für die Abstimmung der Zusammensetzung des Topgases entscheidende Wirkung des Topgases auf die Einsatzmittel des Hochofenprozesses liegt einerseits in der Erhöhung des Anteils der indirekten Reduktion durch Zuführung von Reduktionsgas, wobei sich in gleicher Weise der Anteil der direkten Reduktion, die im Hochofen zu einem unerwünschten Kohlenstoffverbrauch und zu einer starken energetischen Belastung des Prozesses führt, im Verfahren verringert wird, und andererseits in einer bedeutend höheren Aufheizgeschwindigkeit und damit weniger Erzzerfall, sowie damit verbunden einem größeren Reaktionsvolumen innerhalb der Chargierung des Hochofens.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Temperatur des Topgases vor Eintritt in den Hochofen höher als 750° C, vorzugsweise zwischen 750° C und 1100° C, in vorteilhafter Weise zwischen 800° C und 920° C und besonders vorteilhaft zwischen 820° C bis 880° C, wobei dieses Gas am unteren Ende des Hochofenschachtes zur Reduktion des Wüstits in den Hochofen eingeleitet wird.

Dabei werden am Ort der Einleitung des Gases in einem herkömmlichen, dem Stand der Technik entsprechendem Hochofen, in den äußeren Schichten der Hochofenchargierung Temperaturen von 1100° C und darunter, in einer vorteilhaften Ausführung von weniger als 1000° C, und in einer besonders vorteilhaften Ausführung von weniger als 900° C erreicht.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Roheisen oder flüssigen Stahlvorprodukten einen Einschmelzvergaser auf, der reduzierte Eisenpartikel in Roheisen überführt und dabei ein Reduktionsgas bildet. Dieses Reduktionsgas eignet sich in besonderem Maße zur nachfolgenden Verwendung in einem Reduktions-Schachtofen, und dient des weiteren als Grundlage des Topgases, welches im Sinne der Erfindung in den unteren Bereich des Hochofenschachtes eingeleitet wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, wird das weitgehend CO2-freie Topgas durch Teilverbrennung auf über 800° C erwärmt.

In dieser Weise erfolgt durch die Teilverbrennung eine Einstellung des CO2/H20 Gehaltes des Topgases, um so die Zusammensetzung des in den Hochofen einzuleitenden Topgases entsprechend, wie ausgeführt, abzustimmen, und insbesondere die Ausscheidung von Kohlenstoff im Hochofen zu vermindern. Das Vermindern des Auftretens von solcherart feinverteiltem Kohlenstoff wirkt sich positiv auf den energetischen Haushalt des Prozesses aus.

Ausgehend von einer für ein bestimmtes Verfahren typischen Topgaszusammensetzung wird durch Einleitung des Topgases in den Hochofen in den unteren Bereich des Hochofenschachtes nicht nur der Koksverbrauch gesenkt, sondern darüber hinaus der Oxidationsgrad des eingeleiteten Topgases auf den jeweiligen Bereich des Hochofens in den das Topgas eingeleitet werden soll, abgestimmt, und auf diese Weise der Betrieb des Hochofenaggregates optimiert.

Wurde das erwärmte Topgas bisher über eine herkömmliche Heißwindleitung in den Hochofen eingebracht und mußte deshalb einen besonders niedrigen Gehalt an C02 und H20 aufweisen, ist bei einer Einleitung des Gases an einer Stelle deutlich über der herkömmlichen Heißwindleitung am Schacht des Hochofens ein höherer Gehalt an CO2 und H20 ausdrücklich erwünscht.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, das weitgehend C02-freie Topgas durch Teilverbrennung zu erwärmen, wird jene Verfahrensweise im Stand der Technik, welche eine Erwärmung des Topgases mit heißem Stickstoff oder stickstoff-und argonhältigem Gas vorsah, ersetzt, und eine weitaus zweckmäßigere Form der Erwärmung des Topgases eingeführt. Durch die zumindest teilweise Umsetzung des Topgases durch partielle Oxidation, erfolgt eine maßgebliche Temperaturerhöhung des Gases. So wird zwar der C02-und H20-Gehalt des Topgases nach der vorgeschaltenen, im Stand der Technik bereits bekannten, CO2-Entfernung wiederum erhöht, allerdings in jenem Bereich, der durch die Wechselwirkung zwischen Gaszusammensetzung und der Stelle der Einleitung des Topgases am Schacht des Hochofens bestimmt wird. Die Erhöhung des C02 und H20-Anteils ist darüber hinaus derart geringfügig, dass bezüglich der Verfahrensweise im nächstliegenden Stand der Technik keine bedeutende Erniedrigung der Reduktionsarbeit festgestellt werden kann.

Als Vorteile dieses Verfahrens sind weiters zu beachten : Durch die gegenüber dem Stand der Technik modifizierte Stelle der Gaszufuhr in den Hochofen ist es möglich, das Topgas auf dem einfachen Wege der Teilverbrennung auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen, da Anteile an COs und H20 nicht grundsätzlich störend wirken. Die umständliche Art der Erwärmung des Topgases durch Mischen mit heißen Stickstoff-oder Argongas, wie im Stand der Technik beschrieben, wird auf diese Weise überwunden. Die Erhöhung des Anteils der indirekten Reduktion im Hochofenprozess führt zu einer deutlichen Energieersparnis, womit der Hochofen an einem bedeutend besseren Betriebspunkt hinsichtlich Energie-und Gashaushalt betrieben werden kann.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal wird das von C02 befreite Topgas zusätzlich zu seiner Teilverbrennung rekuperativ und/oder regenerativ vorerwärmt.

Dabei werden die rekuperative und/oder regenerative Erwärmung sowie die Teilverbrennung aufeinander und auf den Gesamtprozeß abgestimmt, wodurch eine besonders effiziente und einfache Möglichkeit der Einstellung des C02/H2O-Gehaltes gegeben ist.

Ist die Stelle des Einleitens des reduzierenden Gases in den Hochofen bestimmt, wird der CO2/H20-Gehalt des reduzierenden Gases durch gezielte Veränderung der Parameter der CO2-Entfernung und/oder der Vorerwärmung und/oder der partiellen Oxidation passend für den Betrieb des Hochofens eingestellt.

Durch eine zweistufig ausgeführte Form der Erwärmung des Topgases, mit einer rekuperativen und/oder regenerativen Vorerwärmung und einer folgenden Teilverbrennung wird ein Auftreten von metal dusting, sowie eine übermäßige C- Ausscheidung im Hochofen verhindert.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das von CO2 und H20 befreite Topgas vor seiner Teilverbrennung rekuperativ oder regenerativ auf einen Temperaturbereich zwischen 300 und 600° C, vorzugsweise zwischen 400 und 500° C, vorerwärmt.

Mit dieser Maßnahme ist eine besonders günstige Ausgestaltung des Prozesses möglich, die sich insbesondere durch die besonders vorteilhafte Abstimmung der Vorerwärmung mit der Teilverbrennung auszeichnet. Durch die rekuperative und/oder regenerative Art der Vorerwärmung wird der CO2i20-Gehalt des Topgases kaum bzw. nur minimal erhöht, welches sich im weiteren Verfahren als vorteilhaft erweisen kann.

Im folgenden wird ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Anlage sowie einen schematischen Verfahrensablauf zur Herstellung von Roheisen oder flüssigen Stahlvorprodukten aus eisenerzhältigen Einsatzstoffen Mit 1 ist eine als Reduktions-Schachtofen ausgebildete Direktreduktionseinrichtung bezeichnet, in deren Reduktionszone 2 von oben über eine Zuleitung 3 stückige eisenoxidhältige Einsatzstoffe, gegebenenfalls zusammen mit über eine Zuleitung 4 eingebrachten ungebrannten Zuschlägen, chargiert werden. Der Schachtofen 1 steht mit einem Einschmelzvergaser 5 in Verbindung, in dem aus Kohlenstoffträgern und sauerstoffhältigem Gas ein Reduktionsgas erzeugt wird, welches über eine Zuleitung 6 dem Schachtofen 1 zugeführt wird, wobei in der Zuleitung 6 eine Gasreinigungs- und/oder Gaskühlungseinrichtung 7 vorgesehen ist (sind).

Der Einschmelzvergaser 5 weist eine Zuführung 8 für feste, stückige Kohlenstoffträger, eine Zuleitung 9 für Rückführung von Stäuben, eine Zuleitung 10 für sauerstoffhältige Gase und Zuleitungen 11,12 für bei Raumtemperatur flüssige oder gasförmige Kohlenstoffträger, wie Kohlenwasserstoffe, sowie für gebrannte Zuschläge auf. In dem Einschmelzvergaser 5 sammelt sich unterhalb der Einschmelzvergasungszone 13 schmelzflüssiges Roheisen 14 und schmelzflüssige Schlacke 15, die über Abstiche 16,17 abgestochen werden.

Das im Schachtofen 1 in der Reduktionszone 2 zu Eisenschwamm reduzierte stückige Erz wird zusammen mit den in der Reduktionszone 2 gebrannten Zuschlägen über, den Schachtofen 1 mit dem Einschmelzvergaser 5 verbindende, Leitungen 18 in den Einschmelzvergaser überführt, beispielsweise mittels nicht dargestellter Austragsschnecken.

Am oberen Teil des Schachtofens 1 schließt eine Topgas-Ableitung 19 für das sich in der Reduktionszone 2 bildende Topgas an. Dieses Topgas, das eine Temperatur von etwa 200-400° C aufweist, wird über eine Gasreinigungseinrichtung 20 einem C02-Wäscher 21 zugeleitet, bei dessen Eintritt es in etwa Umgebungstemperatur aufweist. Die chemische Zusammensetzung des Topgases lautet im wesentlichen wie folgt : C02 CO H2 N2+Rest Vol% 35 40 20 5 Nach Austritt aus dem CO2-Wäscher weist das nun weitgehend CO2-freie Topgas im wesentlichen folgende chemische Zusammensetzung auf : C02 CO | H2 | N2+Rest | Vol% 1 2 1 60 1 30 8 Das Topgas wird weiters einem Rekuperator oder einem Regenerator 22 zugeführt, in dem es auf eine Temperatur von etwa 450 °C aufgewärmt wird. Danach gelangt das gereinigte im wesentlichen CO2-freie Topgas in einen Reaktor 23, in dem es unter Zuführung von sauerstoffhältigem Medium, insbesondere reinem Sauerstoff, durch eine Leitung 33 teilweise verbrannt wird. Dabei erreicht das Gas eine Temperatur von etwa 850° C. Das teilverbrannte Gas weist im wesentlichen folgende Zusammensetzung auf : C02 CO H2 N2+Rest Vo) % 5 58 29 8 Das aufgeheizte Topgas wird nun über eine Leitung 24 einer Ringleitung 25 eines Hochofens 26 zugeführt, und im unteren Bereich des Hochofenschachtes in den Hochofen eingeleitet. Dem Hochofen, der von beliebiger herkömmlicher Bauart sein kann, werden über eine Zuleitung 27 von oben Eisenoxide samt Koks und Zuschlägen zugeleitet. Schmelzflüssiges Roheisen 28 und schmelzflüssige Schlacke 29 werden in üblicher Weise über Abstiche 30,31 abgeführt. Heißwind wird über die Heißwindzuleitung 32 zugeführt.

Erfindungsgemäß ergeben sich bei einem derartigen Verfahren sowie einer derartigen Anlage folgende Vorteile : -Besonders effiziente Erweiterung der Eisenherstellungskapazität bei bereits vorhandenem Hochofen durch das Direktreduktionsverfahren, da das Topgas aus dem Direktreduktionsverfahren vorteilhaft im Hochofen eingesetzt wird, und solcherart eine Verwertung des bei dem Direktreduktionsverfahren anfallenden Topgases zur zusätzlichen Herstellung von Roheisen in vorhandenen Hochöfen erfolgt Leistungssteigerung des Hochofens durch Erhöhung des Reduktionsgrades über indirekte Gasreduktion des Möllers und damit Verbesserung des Wärmehaushaltes im Rast und Herdbereich des Hochofens Effizientere Kalzinierung von stückigen Zuschlägen, falls diese im Hochofen direkt eingesetzt werden