Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen oder Stahlvorprodukten aus stückigem eisenhaltigem Material, wie teil- und/oder fertigreduziertem Eisenschwamm, in einem Einschmelzvergaser, in dem unter Zuführung von stückiger Kohle sowie gegebenenfalls anderem kohlenstoffhaltigem Material und sauerstoffhältigem Gas bei gleichzeitiger Bildung eines Reduktionsgases das eisenhaltige Material eingeschmolzen wird, gegebenenfalls nach vorheriger Fertigreduktion, wobei stückige Kohle dem Einschmelzvergaser von oben zugefiihrt wird und, zusammen mit dem eisenhaltigen Material, im Einschmelzvergaser ein Festbett bildet, dabei ihren Anteil an flüchtigen Kohlenwasserstoffen in den über dem Festbett befindlichen Kuppelraum abgibt und wobei Staubbrenner, welche mit feinteilchenförmigem Kohlenstofiträger und einem sauerstoffhältigen Gas betrieben werden, in einer horizontalen Querschnittsebene des Kuppelraumes in etwa gleichen Abständen voneinander den Mantel des Einschmelzvergasers durchsetzen und schräg von oben gegen die Oberfläche des Festbettes gerichtet werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Verfahren der oben genannten Art ist es bekannt, stückige Kohle als Energieträger direkt dem Einschmelzvergaser zuzuführen. Die Kohle wird dabei dem Einschmelzvergaser von oben aufgegeben und im Einschmelzvergaser aufgrund der darin herrschenden Temperaturen einer Schockerhitzung unterzogen. Durch die Erhitzung der Kohle in diesem Pyrolyseschritt wird deren Anteil an flüchtigen Kohlenwasserstoffen ausgetrieben und als Gas in den Kuppelraum abgegeben. Da es erforderlich ist, die bei der Pyrolyse freigesetzten Kohlenwasserstoffe im Reduktionsgas umzusetzen, wird bisher eine Kuppeltemperatur von etwa 1050 °C benötigt, um eine thermische Zersetzung innerhalb einer gewissen Verweilzeit im Einschmelzvergaser sicherzustellen.

Diese thermische Zersetzung hat nun zur Folge, daß neben Wasserstoff als Reduktionsgaskomponente auch Kohlenstoff in Form von Ruß gemäß gebildet wird, welcher eine zusätzliche, sehr feinkörnige Staubfracht darstellt.

Bedingt durch die Größe des Kuppelraumes und geringen Gasgeschwindigkeiten kommt es zu einer ungleichen Gasverteilung und damit zu einer inhomogenen Gasdurchmischung.

Dies führt zu einer nicht ausreichenden Erwärmung von in kritischen Zonen befindlichen Kohlepartikeln, damit zu unvollständiger Entgasung, mit dem Ergebnis, daß der Kohlestaub, welcher mit dem Reduktionsgas aus dem Einschmelzvergaser abgezogen wird, zum Agglomerieren neigt.

Ein weiterer Effekt der unzureichenden Gasdurchmischung im Kuppelraum besteht darin, daß die Verweilzeit der Kohlenwasserstoffe in kritischen Zonen des Kuppelraumes nicht ausreicht, um deren vollständige thermische Zersetzung sicherzustellen. Dies wiederum wirkt sich negativ auf das Reduktionspotential des aus dem Einschmelzvergaser abgezogenen Reduktionsgases aus.

Es ist weiters bekannt, dem Einschmelzvergaser durch von schräg oben gegen die Festbettoberfläche gerichtete Staubbrenner zusätzliche Energie zuzuführen. Solche Brenner werden mit feinteilchenförmigen KohlenstofEträgern, üblicherweise kohlenstoffhältigem, prozeßeigenem Staub, und einem sauerstoffhältigen Gas, beispielsweise technischem Sauerstoff oder Luft, betrieben. Der Betrieb dieser Staubbrenner erfolgt üblicherweise unterstöchiometrisch, d. h., neben des Einbringens zusätzlicher Energie in den Einschmelzvergasungsprozeß liegt der Zweck der Staubbrenner in der Erzeugung von Reduktionsgaskomponenten (CO und H2).

Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es nun, ein Verfahren bereitzustellen, bei welchem die Reaktionsbedingungen im Kuppelraum des Einschmelzvergasers derart gestaltet werden, daß die Bildung von Ruß bei der Zersetzung von aus der Kohle ausgetriebenen Kohlenwasserstoffen weitgehend verhindert wird. Insgesamt soll die mit dem Reduktionsgas aus dem Einschmelzvergaser ausgetragene Staubfracht und auch die Agglomerationsneigung des weiterhin ausgetragenen Staubes verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Betrieb der Staubbrenner mit feinteilchenformigem Kohlenstoffträger und sauerstoffhältigem Gas so gesteuert wird, daß die Verbrennung des Kohlenstoffanteils des feinteilchenformigen Kohlenstoffträgers - entsprechend der eingestellten Stöchiometrie - zu mindestens 40% zu C02 erfolgt, wodurch die von der Kohle abgegebenen flüchtigen Kohlenwasserstoffe oxidierend umgesetzt werden.

Durch das CO2, welches von den Brennern auf den Ort der Freisetzung der Kohlenwasserstoffe strömt, werden diese nicht mehr thermisch (siehe oben), sondern oxidierend gemäß umgesetzt.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß diese Reaktion bei Vorliegen eines Katalysators, beispielsweise Fe-Staub, welcher im Kuppelraum des Einschmelzvergasers auf jeden Fall in ausreichender Menge vorhanden ist, auch bei niedrigeren Temperaturen ausreichend schnell abläuft.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es erstmals möglich, die thermische Zersetzung der aus der Kohle ausgetriebenen Kohlenwasserstoffe zu Wasserstoff und Ruß weitgehend zu verhindern und gleichzeitig zusätzliche Reduktionsgaskomponenten zu gewinnen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Betrieb der Staubbrenner so gesteuert, daß die Verbrennung des Kohlenstoffanteils des feinteilchenförmigen KohlenstofEträgers zu mindestens 70% zu CO2 erfolgt.

Da die thermische und die oxidierende Zersetzung bzw. Umsetzung der Kohlenwasserstoffe miteinander konkurrierende Reaktionen sind, ist es von Vorteil, wenn die oxidierende Umsetzung durch ein höheres Angebot bzw. - bezogen auf die Kohlenwasserstoffe - einen Überschuß an Oxidanten im Kuppelraum bevorzugt wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Staubbrenner so ausgerichtet, daß durch die Brennerflammen im Kuppelraum eine gasdurchmischende Wirbelströmung erzeugt wird.

Durch die Erzeugung einer gasdurchmischenden Wirbelströmung wird einerseits eine gleichmäßigere Durchmischung und damit Durchwärmung aller im Kuppelraum befindlichen Gase und Feststoffpartikel gewährleistet, andererseits werden damit auch die Verweilzeiten der Gase und Feststoffe im Kuppelraum vergleichmäßigt, so daß damit eine weitergehende, idealerweise vollständige, oxidierende Umsetzung der Kohlenwasserstoffe ermöglicht wird.

Zur Erzeugung dieser gasdurchmischenden Wirbelströmung ist es von Vorteil, wenn die Staubbrenner entlang von zur vertikalen Zentralachse des Einschmelzvergasers gleichsinnig windschief stehenden Linien ausgerichtet werden.

Die Staubbrenner sind also, ausgehend vom Mantel des Einschmelzvergasers, schräg nach unten gerichtet, sind allerdings nicht konvergierend, also nicht auf die vertikale Zentralachse des Einschmelzvergasers, ausgerichtet, sondern"zeigen"gewissermaßen an der Zentralachse vorbei.

Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, daß durch die Staubbrenner eine spiralförmige Wirbelströmung erzeugt wird, welche für eine gleichmäßige Durchmischung der Komponenten des Kuppelraumes und deren Verweilvergleichmäßigung besonders geeignet ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Brennerflammen nicht direkt auf die Chargierstelle der Kohle, also den Zentralbereich der Festbettoberfläche, gerichtet sind, wodurch ein übermäßiger thermischer Kornzerfall durch schlagartige Entgasung verhindert wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Roheisen oder Stahlvormaterial aus stückigem eisenhaltigem Material, wie teil- und/oder fertigreduziertem Eisenschwamm, mit einem Einschmelzvergaser mit einer Chargiervorrichtung für stückige Kohle, einer Reduktionsgasableitung mit einem Feststoffabscheider zum Abzug von erzeugtem Reduktionsgas, einer Gasleitung für sauerstoffhältiges Gas, einer Aufgabevorrichtung für das eisenhaltige Material, einem Abstich für schmelzflüssige Schlacke und schmelzflüssiges Roheisen, sowie mit Staubbrennem, wobei jeder Staubbrenner mit einer Staubleitung für feinteilchenförmige Kohlenstoffträger und einer Zuleitung für sauerstoffhältiges Gas versehen ist und wobei ein unterer Abschnitt des Einschmelzvergasers zur Aufnahme von flüssigem Roheisen bzw.

Stahlvormaterial und flüssiger Schlacke, ein mittlerer Abschnitt zur Aufnahme eines Festbettes aus stückiger Kohle und stückigem eisenhaltigen Material, sowie ein oberer Abschnitt als Kuppelraum vorgesehen sind, und wobei die Staubbrenner in einem Höhenabschnitt des Kuppelraumes den Mantel des Einschmelzvergasers durchsetzen und im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet und schräg von oben gegen die Oberfläche des Festbettes gerichtet sind.

Eine solche Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Chargiervorrichtung für stückige Kohle so angeordnet ist, daß die Zufiihrrichtung der stückigen Kohle im wesentlichen fluchtend mit der vertikalen Zentralachse des Einschmelzvergasers ausgebildet ist und daß die Staubbrenner entlang von zur vertikalen Zentralachse des Einschmelzvergasers gleichsinnig windschief stehenden Linien ausgerichtet sind, wobei die Staubbrenner mit der Staubleitung und der Zuleitung für einen zumindest 40 %igen Umsatz des Kohlenstoffanteils des feinteilchenfdrmigen Kohlenstoffträgers zu CO2 ausgelegt sind.

Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Linien, entlang welcher Staubbrenner ausgerichtet sind, jeweils denselben Normalabstand von der vertikalen Zentralachse des Einschmelzvergasers auf.

Als Normalabstand ist hier der Abstand zwischen zwei Geraden zu verstehen, welcher entlang einer dritten Geraden gemessen wird, welche mit den beiden anderen Geraden, also der Linie, entlang welcher ein Staubbrenner ausgerichtet ist und der vertikalen Zentralachse des Einschmelzvergasers, jeweils einen rechten Winkel einschließt.

Damit läßt sich eine die Geometrie des Einschmelzvergasers bzw. des Kuppelraumes besonders vorteilhaft ausnutzende Wirbelströmung, insbesondere eine spiralförmige Wirbelströmung erzielen.

Nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei bis sechs, vorzugsweise vier, gleichmaßig voneinander beabstandete Staubbrenner vorgesehen, die den Mantel des Einschmelzvergasers durchsetzen.

Die Erfindung ist nachfolgend in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen vertikalen Schnitt durch einen Einschmelzvergaser 1. Dem Einschmelzvergaser 1 wird über eine Chargiervorrichtung 2, beispielsweise ein Schneckenfordersystem, stückige Kohle aufgegeben. Mittels einer Aufgabevorrichtung 3 wird dem Einschmelzvergaser 1 weiters stückiges eisenhaltiges Material, beispielsweise Eisenschwamm, aufgegeben. Dem Einschmelzvergaser 1 wird weiters über Gasleitungen 4 ein sauerstoffhältiges Gas, insbesondere technischer Sauerstoff, wie er aus einer Luftzerlegungsanlage erhalten wird, zugeführt.

Stückige Kohle und Eisenschwamm bilden in einem mittleren Abschnitt 5 des Einschmelzvergasers 1 ein Festbett 6, in welchem die stückige Kohle mittels des sauerstoffhältigen Gases zu einem CO- und H2-hältigen Reduktionsgas vergast und der Eisenschwamm dabei gegebenenfalls fertigreduziert und zu flüssigem Roheisen erschmolzen wird.

In einem unteren Abschnitt 7 des Einschmelzvergasers 1 sammeln sich schmelzflüssige Schlacke 8 und schmelzflüssiges Roheisen 9, die über einen Abstich 10 abgestochen werden.

Das beim Vergasen der Kohle gebildete Reduktionsgas wird aus dem - von einem Kuppelraum 11 gebildeten - oberen Abschnitt 12 des Einschmelzvergasers 1 iiber eine Reduktionsgasableitung 13 abgezogen und in einem Feststoffabscheider 14, beispielsweise einem Heißzyklon, entstaubt.

Oberhalb des Festbettes 6 durchsetzen Staubbrenner 15 den Mantel des Einschmelzvergasers 1 derart, daß beim Betrieb der Staubbrenner 15 die Brennerflammen 16 schräg von oben gegen die Oberfläche des Festbettes 6 gerichtet sind. Jeder der Staubbrenner 15 weist eine Staubzuleitung 17 für feinteilchenförmige Kohlenstoffträger, beispielsweise im Feststoffabscheider 14 abgeschiedenen Staub, sowie eine Zuleitung 18 für sauerstoffhältiges Gas auf.

Fig. 2 stellt einen horizontalen Schnitt durch den Einschmelzvergaser 1, etwa in der Höhe der Staubbrenner 15, dar.

Die Staubbrenner 15 sind so angeordnet, daß sie schräg von oben gegen die Oberfläche des Festbettes gerichtet sind (Fig. 1) und an der Mitte des Einschmelzvergasers 1 vorbeizeigen, also windschief zur vertikalen Zentralachse des Einschmelzvergasers 1 stehen (Fig. 2).

Durch diese Anordnung der Staubbrenner 15 werden die aus dem Festbett 6 aufsteigenden und im Kuppelraum 11 befindlichen Gase und Feststoffpartikel in eine rotierende Wirbelströmung 20 versetzt, wodurch insgesamt eine Verweilzeitvergleichmäßigung aller Gas- und Feststoffkomponenten im Kuppelraum 11 und damit eine verbesserte Durchmischung erzielt wird.

Die Chargiervorrichtung 2 für stückige Kohle mündet im wesentlichen fluchtend mit der vertikalen Zentralachse 19 in den Einschmelzvergaser 1. Die einzelnen Kohlestücke sind also nicht unmittelbar der Hitzewirkung der Brennerflammen 16 ausgesetzt, wodurch vermieden wird, daß die Kohlestücke durch schlagartige Erhitzung bzw. Entgasung zerplatzen.

Beim Auftreffen der Kohle auf das Festbett gibt die Kohle in einem Pyrolyseschritt ihre flüchtigen Bestandteile (Kohlenwasserstoffe, Teerkomponenten) ab. Der Betrieb der Staubbrenner wird so gesteuert, daß der Kohlenstoffanteil der über Staubleitungen 17 zugeführten feinteilchenförmigen Kohlenstoffträger zu mindestens 40 % zu CO2 verbrennt.

Die von der Kohle abgegebenen flüchtigen Bestandteile werden durch die auf deren Freisetzungsort gerichteten"C02-Ströme"entweder unmittelbar nach der Freisetzung oxidierend gemäß Gleichung (II) umgesetzt, bzw. durch die im Kuppelraum 11 herrschende Wirbelströmung miteinander vermischt und in der Folge größtenteils urngesetzt, wobei der aus dem Festbett 6 in den Kuppelraum 11 mit den Reduktions- und sonstigen Gasen ausgetragene Eisenstaub katalysierend wirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine weitgehend vollständige oxidierende Umsetzung der mit den flüchtigen Bestandteilen aus Kohle abgegebenen Kohlenwasserstoffe, wodurch der gemäß Gleichung (I) thermisch zu Ruß zersetzte Anteil der flüchtigen Bestandteile stark verringert wird und die weiterhin mit dem Reduktionsgas aus dem Einschmelzvergaser 1 ausgetragene Staubfracht keine bzw. wesentlich weniger Anbackungen in nachgeschalteten Apparaturen verursacht.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel, sondern umfaßt auch alle dem Fachmann bekannten Mittel, die zur Ausführung der Erfindung herangezogen werden können.