Bezeichnung der Erfindung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ENERGIEZUFUHR IN EIN SCHROTTHAUFWERK IN EINEM ELEKTROLICHTBOGENOFEN

Gebiet der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiezufuhr in ein Schrotthaufwerk in einem

Elektrolichtbogenofen.

Stand der Technik Es sind Verfahren bekannt, bei denen einem Schrotthaufwerk in einem Elektrolichtbogenofen nicht nur durch den Elektrolichtbogen Energie zugeführt wird, sondern auch durch Strahlen heißer Gase.

In der deutschen Patentschrift DE19521518 wird ein Verfahren zum Einbringen von fossiler

Energie in ein Schrotthaufwerk beschrieben, bei dem gleichzeitig mit der Zufuhr von Energie mittels Elektrolichtbogen durch Strahlen heißer sauerstoffhaltiger Gase Kanäle in ein

Schrotthaufwerk geschmolzen werden, durch die dann die weitere Zufuhr von fossiler

Energie verfolgt.

In der Deutschen Offenlegungsschrift DE10317195A1 wird gezeigt, mehrere Strahlen

Heißgas auf das Schrotthaufwerk zu blasen, während gleichzeitig Energie mittels

Elektrolichtbogen zugeführt wird.

Bei diesen bekannten Verfahren hat es sich jedoch gezeigt, dass Störungen durch

unerwünschtes, erhebliches Überhitzen des oberen Ofenraums - also des Bereiches

zwischen der Deckelwand des Elektrolichtbogenofens und der der Deckelwand zugewandten Oberfläche des Schrotthaufwerkes - auftreten können. Dieser Bereich eines

Elektrolichtbogenofens ist darauf ausgelegt, Temperaturen bis etwa 1700 °C ohne

Beschädigung auszuhalten. Bei Überhitzung auf höhere Temperaturen kann es zu

temperaturbedingten Schäden kommen. Zusammenfassung der Erfindung Technische Aufgabe

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur - zusätzlich zum Elektrolichtbogen erfolgenden - Energiezufuhr in ein Schrotthaufwerk in einem Elektrolichtbogenofen bereitzustellen, durch welche die Gefahr eines Überhitzens und damit verbundener Beschädigung des oberen Ofenraumes vermindert wird.

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Energiezufuhr in ein Schrotthaufwerk in einem Elektrolichtbogenofen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase Energie mittels Strahlen von Heißgas zugeführt wird, und nach Beendigung der ersten Phase

in einer zweiten Phase Energie mittels Elektrolichtbogen zugeführt wird, wobei das Heißgas in mindestens sechs Strahlen zugeführt wird,

und jeder der zugeführten Strahlen maximal ein Sechstel der insgesamt zugeführten Menge Heißgas führt.

Die Temperatur des Heißgases beim ersten Auftreffen auf das Schrotthaufwerk liegt bei über 1500°C. Besonders bevorzugt ist es, daß das Heißgas eine Temperatur von über 2000°C hat. Die Temperatur kann bis zu 3000°C betragen oder sogar darüber liegen. Je heißer das Heißgas ist, desto besser verläuft die Übertragung von Energie aus dem Heißgas auf das Schrotthaufwerk.

Das Heißgas wird in der Regel folgendermaßen hergestellt:

Luft wird durch eine Heizvorrichtung auf eine Temperatur von etwa 1000 bis 1300°C gebracht und unter Druck - beispielsweise 1 atm - gesetzt, um ein Ausblasen eines Gasstrahles durch eine Düse zu ermöglichen. Bevorzugterweise wird die Luft auch mit Sauerstoff angereichert, bis etwa 35% Sauerstoffgehalt. In der Folge wird diese, gegebenenfalls mit Sauerstoff angereicherte, Luft mit dem Begriff Eduktheißluft bezeichnet.

Die Eduktheißluft wird als Gasstrahl durch eine Düse ausgeblasen in den Innenraum des Elektrolichtbogenofens. Nach dem Austritt aus der Düse wird diesem Gasstrahl Brennstoff zugeführt, beispielsweise Kohlestaub, Öl oder Gas wie beispielsweise Erdgas. Gas ist bevorzugt, da es sich leicht handhaben lässt, und besonders gut in den Gasstrahl aus Eduktheißluft angesaugt wird. Erdgas ist besonders bevorzugt, weil es leicht verfügbar ist und weil mit Erdgas Temperaturen bis zu 3000°C leicht erreicht werden können.

Der Brennstoff reagiert exotherm mit Sauerstoff im Gasstrahl der Eduktheißluft, so dass ein Strahl von Heißgas entsteht. Dieser Strahl von Heißgas trifft auf das Schrotthaufwerk, dringt unter Aufschmelzen eines Kanals in das Schrotthaufwerk ein, und gibt dabei seine Energie an den Schrott ab. Dem Schrotthaufwerk wird auf diese Weise mittels des Strahls von Heißgas Energie zugeführt.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Strahlen von Heißgas verhalten sich in einem Schrotthaufwerk sehr unterschiedlich, je nachdem wie das Lückenvolumen über das Schrotthaufwerk verteilt ist. Das Lückenvolumen, welches sich zwischen dem im Schrotthaufwerk vorhandenen grobstückigen Schrott und kleinstückigem Schrott befindet, ist abhängig von der örtlichen Verteilung dieser verschieden großen Schrottstücke verteilt. Ein Schrotthaufwerk, das in einem Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen wird, besteht anfangs volumenmäßig zu etwa 90% aus Lückenvolumen und zu 10% aus Schrott, wobei das Lückenvolumen im Wesentlichen durch kleinstückigen Schrott gebildet wird. Werden Strahlen von Heißgas in ein Schrotthaufwerk geblasen, so strömen sie aus den durch die Strahlen geschmolzenen Kanälen bevorzugt durch Bereiche, die ein großes Lückenvolumen aufweisen und heizen diese Bereiche besonders intensiv auf. Bei Energiezufuhr mittels Strahlen von Heißgas sind die Auswirkungen einer ungleichmäßigen Verteilung des Lückenvolumens umso größer, je größer diese Energiezufuhr lokal auf wenige Strahlen von Heißgas konzentriert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt in überraschender Weise erhebliche-Vorteile bei der Kombination von fossiler - über das Heißgas zugeführter - Energie und elektrischer Energie beim Schmelzen von Schrott in einem Elektrolichtbogenofen. Erfindungsgemäß kann ein Schrotthaufwerk mit gegenüber herkömmlichen Verfahren verminderter Gefahr einer Überhitzung des oberen Ofenraums auf Temperaturen über 1700°C betriebssicherer durch Heißgas aufgeheizt werden.

Das wird dadurch erreicht, dass einerseits die Zufuhr von Energie mittels Heißgas erfolgt, ohne dass gleichzeitig elektrische Energie mittels Elektrolichtbogen zugeführt wird.

Außerdem wird die durch einen einzelnen Strahl von Heißgas eingebrachte Energiemenge begrenzt, indem die von Heißgas eingebrachte Energie auf zumindest sechs, mengenmäßig - und damit auch bezüglich der von ihnen jeweils transportierten Energiemenge - begrenzte Strahlen aufgeteilt wird. Die einzelnen Strahlen sind dabei so auszurichten, dass sie sich im Schrotthaufwerk nicht gegenseitig kreuzen können - ansonsten würde die Energiemenge doch wieder mehr als erfindungsgemäß gewünscht konzentriert werden.

Aufgrund dieser Maßnahmen werden gegenüber dem Stand der Technik größere Bereiche des Schrotthaufwerkes von Heißgas durchströmt. Damit wird vermieden, dass kleinstückige Anteile des Schrotthaufwerks nur lokal schnell erhitzt und teilweise geschmolzen werden. Das würde nämlich dazu führen, dass sich das Schrotthaufwerk infolge Erweichung in diesen lokal schnell erhitzten Bereichen besonders schnell verdichtet werden würde, weshalb die Strahlen von Heißgas - und beim Aufheizen des Schrotthaufwerkes entstehende weitere heiße Gase - gegebenenfalls dort nicht mehr durch das Schrotthaufwerk strömen können, weil dort der Strömungswiderstand zu groß geworden ist. Entsprechen wird auch vermieden, dass ein Teil der Strahlen von Heißgas - und der beim Aufheizen des Schrotthaufwerkes entstehenden weiteren heißen Gase - innerhalb der von den Strahlen von Heißgas geschmolzenen Kanäle zurückströmt und/oder von den - beispielsweise mit

Geschwindigkeiten von 700 bis 900 m/s - aufgeblasenen Strahlen von Heißgas wieder angesaugt wird.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen also zu einer Vermeidung der bei

herkömmlichen Verfahren auftretenden Probleme eines Anwachsens .des

Strömungswiderstandes im Schrotthaufwerk und von RückStrömungen in den durch die Strahlen von Heißgas geschmolzenen Kanälen in den oberen Ofenraum. Dadurch wird vermieden, dass der obere Ofenraum überhitzt und dadurch beschädigt wird. Nach einer Ausführungsform werden circa 40 bis 60 % der dem Schrotthaufwerk zugeführten Energie mittels Heißgas zugeführt, und circa 60 bis 40% mittels Elektrolichtbogen. Die Strahlen von Heißgas entstehen durch Reaktion von Brennstoff mit Strahlen von

Eduktheißluft. Die Eduktheißluft wird mittels einer oder mehrerer Aufblasvorrichtungen zugeführt. Vorteilhafterweise beträgt der Abstand der Strahlen von Eduktheißluft voneinander bei ihrem Austritt aus dieser Aufblasvorrichtung mindestens das Doppelte ihres

Durchmessers beim Austritt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die aus den Strahlen von Eduktheißluft entstehenden Strahlen von Heißgas sich nicht wieder zu einem Strahl vereinigen, bevor sie auf das Schrotthaufwerk treffen - und sich auch nicht innerhalb des Schrotthaufwerkes vereinigen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand der Strahlen von Heißgas voneinander im Schrotthaufwerk mindestens das fünf-fache des Durchmessers der Strahlen von Eduktheißluft beim Austritt aus der Aufblasvorrichtung. Auf diese Weise wird erreicht, dass mehrere Strahlen von Heißgas sich im Schrotthaufwerk nicht wieder zu einem Strahl vereinigen.

Beim konventionellen Elektrolichtbogenofen wird zu Beginn der Wirkung des

Elektrolichtbogens das Schrotthaufwerk lokal im Wirkungsbereich des Elektrolichtbogens aufgeschmolzen. Eine Wirkung auf Bereiche des Schrotthaufwerks, die weiter entfernt vom Elektrolichtbogen und nicht in seinem Wirkungsbereich liegen, ist nur begrenzt vorhanden. Das gilt besonders für die sogenannten„cold spots", also die Bereiche an der Ofenwand, in die nach dem Stand der Technik gegebenenfalls zusätzlich Energie durch sogenannte„oxy- fuel-Brenner" eingebracht wird. Der Wirkungsgrad dieser Brenner ist jedoch begrenzt. Sie können nur für kurze Zeit betrieben werden, weil sich oberhalb des Brenners schnell ein Kamin bildet, durch den die Verbrennungsgase heiß den Schrott-verlassen. Außerdem wird der Schrott durch diese Brenner stark oxydiert.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Strahl von Heißgas, bevorzugt mehrere Strahlen, von Heißgas auf Zonen des Schrotthaufwerkes außerhalb des Wirkungsbereiches des Elektrolichtbogens ausgerichtet. Die Ausrichtung von einigen Strahlen von Heißgas auf solche Zonen bringt hier besondere Vorteile, wenn dadurch die voranstehend genannten Brenner zur Erhitzung von„cold spots" ersetzt werden. Durch Strahlen von Heißgas erfolgt vorteilhafter Weise ein großräumiges Erfassen des dortigen Schrotts. Dadurch kann auf derartige Brenner ganz verzichtet werden. Es ist für das Aufheizen von diesen Bereichen vorteilhaft, wenn die entsprechenden Strahlen von Heißgas jeweils maximal ein Zwölftel der insgesamt zugeführten Menge Heißgas führen. Damit wird die von diesen Strahlen pro Zeiteinheit maximal zugeführte Energie gegenüber Anspruch 1 nochmals auf die Hälfte reduziert. Das Ziel dieser Maßnahme ist, dass diese Bereiche möglichst nur effektiv vorgeheizt und nur wenig geschmolzen werden, und die Gefahr einer Beschädigung des Elektrolichtbogenofens in diesen Bereichen durch die mittels des Stahls von Heißgas zugeführte Energie vermindert wird.

Die erfindungsgemäße Kombination der Zufuhr von fossiler Energie - über Heißgas - und elektrischer Energie - über elektrischen Lichtbogen - beim Schmelzen von Schrott in einem Elektrolichtbogenofen bringt nicht nur betriebssicher Energie durch Strahlen von Heißgas in das Schrotthaufwerk, es verändert vielmehr auch vorteilhaft die Bedingungen für das spätere Einbringen von elektrischer Energie durch den Lichtbogen.

Nach den Lehren der vorliegenden Erfindung führen die Strahlen von Heißgas zu einem Vorheizen besonders des kleinstückigen Anteils des Schrotts im gesamten Schrotthaufwerk. Damit verdichtet sich das Schrotthaufwerk - aus beispielsweise einem ersten Schrottkorb - infolge Erweichung schnell und führt dadurch einerseits zu günstigen Bedingungen für ein gegebenenfalls erfolgendes Chargieren eines folgenden Schrottkorbes in den

Elektrolichtbogenofen vor Inbetriebnahme des Elektrolichtbogens. Andererseits führt das - nach erfindungsgemäßer Aufheizung eines gegebenenfalls chargierten folgenden

Schrottkorbes mittels Strahlen von Heißgas - auch zu günstigen Bedingungen für den anschließenden Einsatz des Lichtbogens. Bekanntlich führen kurzzeitige Unterbrechungen des Elektrolichtbogens beim Schmelzen von Schrott,„flickers" genannt, hauptsächlich während der Anfangsphase des Schmelzprozesses mittels Elektrolichtbogen, zu

problematischen Rückwirkungen auf das elektrische Netzwerk. Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen diese„flickers" stark reduziert werden, was für die Versorgung mit elektrischer Energie große Vorteile bringt. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine solche Vorrichtung umfasst einen Elektrolichtbogenofen mit Boden, Seitenwänden, und Deckelwand. Sie umfasst auch eine oder mehrere Aufblasvorrichtungen zur Zufuhr von Strahlen von Eduktheißluft in den Innenraum des Elektrolichtbogens sowie

Brennstoffzufuhrvorrichtungen, die geeignet sind, den Strahlen von Eduktheißluft Brennstoff zuzuführen.

Mit den Aufblasvorrichtungen kann Eduktheißluft in Strahlen auf ein sich im Innenraum des Elektrolichtbogenofens befindliches Schrotthaufwerk geblasen werden. Erfindungsgemäß weist die eine oder weisen die mehreren Aufblasvorrichtungen dazu insgesamt zumindest 6 Düsen mit Düsenöffnungen auf.

Wenn mittels der Brennstoffzufuhrvorrichtungen den Strahlen von Eduktheißluft Brennstoff zugeführt wird, bilden sich Strahlen von Heißgas, die auf das Schrotthaufwerk treffen.

Der Innenraum des Elektrolichtbogenofens wird unten durch den Boden begrenzt, seitlich durch die Seitenwände, und oben durch die Deckelwand des Elektrolichtbogenofens.

Selbstverständlich sind auch Elektroden vorhanden sowie Vorrichtungen, um Elektroden in den Innenraum zuzuführen.

Vorteilhafterweise sind alle Düsen gleich und damit zur Ausgabe von Strahlen von

Eduktheißluft mit der gleichen maximalen Menge von Eduktheißluft geeignet.

Eine Aufblasvorrichtung kann beispielsweise als Düsen mit Düsenöffnungen umfassende Lanze ausgebildet sein, die beispielsweise durch eine Öffnung in der Deckelwand in den Innenraum des Elektrolichtbogenofens einführbar ist.

Eine Aufblasvorrichtung kann auch Düsen mit Düsenöffnungen in einer Seitenwand des Elektrolichtbogenofens umfassen.

Bevorzugt umfasst eine Aufblasvorrichtung auch Düsen mit Düsenöffnungen in der Deckelwand des Elektrolichtbogenofens. Die Düsen können in Düsenköpfen angeordnet sein. Ein Düsenkopf kann eine oder mehrere Düsen aufweisen.

Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Düsen in Düsenköpfen angeordnet sind, die in in der Deckelwand des Elektrolichtbogenofens zur Einbringung von Elektroden vorgesehenen Öffnungen anordenbar sind. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren mit bestehenden Elektrolichtbogenofen ohne großen Umbauaufwand zur Adaptierung durchgeführt werden.

Bevorzugterweise beträgt der Abstand zwischen den Düsen mindestens das Doppelte des Durchmessers der Düsenöffnung der Düsen. Bevorzugt haben die Düsenöffnungen aller Düsen den gleichen Durchmesser. Das erleichtert es, durch alle Düsen gleichmäßig

Eduktheißgas einzublasen.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind mindestens drei getrennte Düsenköpfe vorhanden, in denen jeweils mindestens zwei Düsenöffnungen vorhanden sind. Es ist bevorzugt, wenn die Düsen voneinander weg geneigt sind. Damit wird sichergestellt, dass mehrere aus Düsen austretende Strahlen von Eduktheißluft, beziehungsweise aus solchen Strahlen entstehende Strahlen von Heißgas, sich nicht zu einem Strahl vereinigen. Bevorzugt ist das der Fall für mehrere Düsen innerhalb eines Düsenkopfes.

Der von den Längsachsen der Düsen eingeschlossene Winkel beträgt besonders bevorzugt 5 - 10°.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, mit Elektrolichtbogenofen in Seitenansicht im Schnitt.

Figur 2 zeigt den Elektrolichtbogenofen aus Figur 1 in Draufsicht von oben.

Beschreibung von Ausführungsformen Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 , die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, mit Elektrolichtbogenofen 2 in Seitenansicht im Schnitt. Der Elektrolichtbogenofen 2 hat einen Boden 3, Seitenwände 4, und eine Deckelwand 5. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst auch mehrere

Aufblasvorrichtungen 6a, 6b, 6c zur Zufuhr von Eduktheißluft in den Innenraum 7 des Elektrolichtbogens 2. Mit den Brennstoffzufuhrvorrichtungen 8 wird den aus den

Aufblasvorrichtungen 6a, 6b, 6c austretenden Strahlen von Eduktheißluft Brennstoff, in diesem Fall Erdgas, zugeführt. Durch exotherme Reaktion des Brennstoffs, der in die Strahlen von Eduktheißluft eingesaugt wird, entstehen Strahlen von Heißgas - schematisch dargestellt durch gewellte Pfeile. Mittels der Strahlen von Heißgas wird dem sich im

Innenraum 7 des Elektrolichtbogenofens 2 befindlichen Schrotthaufwerk 9 Energie zugeführt. Die Aufblasvorrichtungen 6a, 6b, 6c weisen insgesamt sechs Düsen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f mit Düsenöffnungen auf. Dargestellt ist in Figur 1 die Vorrichtung während einer ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der dem Schrotthaufwerk 9 Energie mittels Strahlen von Heißgas zugeführt wird. Das Heißgas wird in sechs Strahlen zugeführt, wobei jeder der zugeführten Strahlen ein Sechstel der insgesamt zugeführten Menge Heißgas führt. Die Düsen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f sind in drei Düsenköpfen 1 1 a, 11 b, 1 1 c angeordnet, die in in der Deckelwand 5 des Elektrolichtbogenofens 2 zur Einbringung von Elektroden vorgesehenen Öffnungen angeordnet sind. Jeder Düsenkopf 1 1 a, 1 1 b, 1 1c weist zwei Düsen und damit zwei Düsenöffnungen auf. Die Düsenöffnungen aller Düsen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f haben den gleichen Durchmesser. Der Abstand zwischen den Düsen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f beträgt mindestens das Doppelte des Durchmessers der Düsenöffnung der Düsen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f. Dadurch beträgt der Abstand der Strahlen von

Eduktheißluft voneinander bei ihrem Austritt aus den Aufblasvorrichtungen 6a, 6b, 6c mindestens das Doppelte ihres Durchmessers beim Austritt. In der dargestellen Konfiguration beträgt der Abstand der Strahlen von Heißgas voneinander im Schrotthaufwerk mindestens das fünf-fache des Durchmessers der Strahlen von Eduktheißluft beim Austritt aus den Aufblasvorrichtungen 6a, 6b, 6c. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung von Elektroden und/oder von

Vorrichtungen, um Elektroden in den Innenraum zuzuführen, verzichtet. Ebenso wurde auf die Darstellung der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der Energie mittels Elektrolichtbogen zugeführt wird, verzichtet.

Figur 2 zeigt den Elektrolichtbogenofen aus Figur 1 in Draufsicht von oben auf die

Deckelwand 5. Die Bezugszeichen sind gleich wie in Figur 1 verwendet. Dargestellt sind auch die sechs Strahlen von Heißgas als gewellte Pfeile.

Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft anhand des folgenden Ausführungsbeispiels erläutert: In einem 80-t-Elektrolichtbogenofen wird Schrott in zwei Körben chargiert. Nach dem ersten Korb wird Eduktheißluft (18.000 Nm3/h) - angereichert auf einen Sauerstoffgehalt von 35% - mit einer Temperatur von 1 .200 °C durch sechs Düsen mit von 3.000 Nm3 pro Stunde und Düse geblasen. Den Strahlen von Eduktheißluft wird Erdgas zugeführt - den 18.000 Nm3/h eine Menge von 3.200 Nm3/h. Durch Verbrennung des Erdgases in den Strahlen von Eduktheißluft entstehen Strahlen von Heißgas. Die Düsen sind so ausgerichtet, dass sich die Strahlen von Heißgas im Schrotthaufwerk nicht vereinen können und dass sie das

Schrotthaufwerk ungefähr gleichverteilt durchströmen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele

eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

erfindungsgemäße Vorrichtung

Elektrolichtbogenofen

Boden

Seitenwand

Deckelwand

Aufblasvorrichtungen

Innenraum

Brennstoffzufuhrvorrichtungen

Schrotthaufwerk

Düse

Düsenkopf

Liste der Anführungen

Patentliteratur

DE19521518 DE10317195