LACKNER, Stephan (Berggasse 13, Linz, A-4040, AT)
MILLNER, Robert (Porschestrasse 1, Loosdorf, A-3382, AT)
REDL, Reinhard (Harrachstrasse 42/4/18, Linz, A-4020, AT)
RUMMER, Bernhard (Zellbachstraße 24, Linz, A-4020, AT)
SCHMID, Herbert (Sipbachzell 206, Sipbachzell, A-4621, AT)
WURM, Johann (Rieglstraße 29, Bad Zell, A-4283, AT)
ZOBERNIG, Andreas (Harterfeldstr. 3/4, Leonding, A-4060, AT)
BÜRGLER, Thomas (Fischergasse 4, Steyregg, A-4221, AT)
LACKNER, Stephan (Berggasse 13, Linz, A-4040, AT)
MILLNER, Robert (Porschestrasse 1, Loosdorf, A-3382, AT)
REDL, Reinhard (Harrachstrasse 42/4/18, Linz, A-4020, AT)
RUMMER, Bernhard (Zellbachstraße 24, Linz, A-4020, AT)
SCHMID, Herbert (Sipbachzell 206, Sipbachzell, A-4621, AT)
WURM, Johann (Rieglstraße 29, Bad Zell, A-4283, AT)
ZOBERNIG, Andreas (Harterfeldstr. 3/4, Leonding, A-4060, AT)
| Patentansprüche 1 ) Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen oder flüssigen Stahlvorprodukten und Eisenschwamm aus von, vorzugsweise stückigem, Eisenerz und gegebenenfalls Zuschlägen gebildeten Einsatzstoffen, wobei die Einsatzstoffe in einer ersten Reduktionszone zu Eisenschwamm direkt reduziert werden, der Eisenschwamm in einem Einschmelzvergaser unter Zufuhr von Kohlenstoffträgern und sauerstoffhaltigem Gas erschmolzen und ein CO- und H2-hältiges Generatorgas erzeugt wird, welches nach Ausleitung aus dem Einschmelzvergaser erst gekühlt und dann entstaubt wird, und eine erste Teilmenge des bei dieser Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases als erstes Reduktionsgas in die erste Reduktionszone eingeleitet, dort umgesetzt und als Topgas abgezogen wird, welches anschließend einer Staubwäsche unterworfen wird und nach erfolgter Staubwäsche zum Teil oder vollständig einer Verdichtung und einer CO2-Wäsche unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach der CO2-Wäsche zumindest eine Teilmenge A des CO2-gewaschenen Gases dem Generatorgas nach dessen Austritt aus dem Einschmelzvergaser zugemischt wird, wobei die Kühlung des Generatorgases erfolgt, und eine zweite Teilmenge des bei der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases mindestens einer weiteren Reduktionszone zur Direktreduktion von weiterem Eisenerz, gegebenenfalls unter Zumischung einer Teilmenge B des CO2-gewaschenen Gases nach deren Erwärmung, als zweites Reduktionsgas zugeführt wird. 2) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Reduktionszone zur Direktreduktion eine Festbett-Reduktionszone ist. 3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der weiteren Reduktionszone abgezogene zweite Topgas nach einer Staubwäsche mit dem staubgewaschenen Topgas aus der ersten Reduktionszone vereinigt und die erhaltene Gasmischung zum Teil oder vollständig einer Verdichtung und einer CO2-Wäsche unterzogen wird, wobei die weitere Nutzung nach der CO2-Wäsche analog der Teilmenge A und der Teilmenge B des CO2-gewaschenen Gases gemäß Anspruch 1 erfolgt. 4) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmenge B des CO2-gewaschenen Gases mittels Sauerstoffbrenner erwärmt wird. 5) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmenge B des CO2-gewaschenen Gases zuerst mittels Wärmetauscher und anschließend mittels Sauerstoffbrenner auf über 650O erwärmt wird. 6) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilmenge des Reduktionsgases im Normalbetrieb 20 Vol% bis 100 Vol%, bevorzugt 20 bis 50 Vol%, noch mehr bevorzugt 25 -35 Vol% zum zweiten Reduktionsgas beisteuert. 7) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilmenge des Reduktionsgases im Normalbetrieb zwischen 5 Vol% und 50 Vol%, bevorzugt 20-40 Vol%, besonders bevorzugt 30 Vol%, der gesamten Reduktionsgasmenge ausmacht. 8) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmenge A des CO2-gewaschenen Gases im Normalbetrieb zwischen 15 Vol% und 100 Vol% des CO2-gewaschenen Gases ausmacht. 9) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumischung von Teilmenge A des CO2-gewaschenen Gases zum Generatorgas entsprechend einer Temperaturvorgabe für das Reduktionsgas geregelt wird. 10) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge von bis zu 10 Vol% des CO2-gewaschenen Gases als Eindüsgas zur Feinkohleeindüsung verwendet wird. 11 ) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kleine Teilmenge von bis zu 5 Vol% des CO2-gewaschenen Gases als Kühlgas beim Chargieren von Einsatzstoffen verwendet wird. 12) Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der weiteren Reduktionszone erhaltene Produkt als ein Ausgangsmaterial zur Eisenerzeugung in einem Hochofen eingesetzt wird. 13) Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem ersten Reduktionsreaktor (1 ) für, vorzugsweise stückiges, Eisenerz, einem Einschmelzvergaser (2), mindestens einer den Einschmelzvergaser (2) mit dem ersten Reduktionsreaktor verbindenden Förderleitung (17) für das im ersten Reduktionsreaktor gebildete Reaktionsprodukt, mit einer in den Einschmelzvergaser mündenden Zuleitung (18) für Kohlenstoffträger und einer in den Einschmelzvergaser mündenden Zuleitung (19) für sauerstoffhaltige Gase, einem am Einschmelzvergaser vorgesehenen Abstich (11 ) für Roheisen und einem am Einschmelzvergaser vorgesehenen Abstich (12) für Schlacke, und mit mindestens einem weiteren Reduktionsreaktor (16) zur Direktreduktion von weiterem Eisenerz, einer den Einschmelzvergaser und eine Entstaubungseinrichtung (3) verbindenden Ausleitung (4) für Generatorgas, einer Ausleitung (5) für Reduktionsgas aus der Entstaubungseinrichtung, einer die Ausleitung (5) für Reduktionsgas aus der Entstaubungseinrichtung mit dem ersten Reduktionsreaktor verbindenden Leitung (6), einer vom ersten Reduktionsgasreaktor ausgehenden Topgasleitung (7), welche in einen Gas- Staubwäscher (8) mündet, einer von dem Gas-Staubwäscher (8) ausgehenden Ausleitung (9), und mit einer mit der von dem Gas-Staubwäscher ausgehenden Ausleitung verbundenen Abführleitung (10), in der hintereinander zuerst eine Gasverdichtungsvorrichtung (20), eine CO2-Waschanlage (21 ) und ein Gaserwärmungsvorrichtung (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen CO2-Waschanlage (21 ) und Gaserwärmungsvorrichtung (13) von der Abführleitung (10) eine Rückführleitung (14) abzweigt, die in die Ausleitung (4) für Generatorgas mündet, und die Abführleitung (10) in eine von der Ausleitung (5) für Reduktionsgas ausgehende Verbindungsleitung (15) mündet, wobei die Verbindungsleitung (15) in den weiteren Reduktionsreaktor mündet. 14) Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Reduktionsreaktor (16) ein Festbett-Reduktionsreaktor ist. 15) Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass von dem weiteren Reduktionsreaktor (16) eine Topgasausleitung (32) ausgeht, in der ein Gas-Staubwäscher vorhanden ist, und die vor der Gasverdichtungsvorrichtung (20) in die Abführleitung (10) mündet. 16) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaserwärmungsvorrichtung (13) ein Sauerstoffbrenner ist. 17) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abführleitung (10) vor der Gaserwärmungsvorrichtung (13) und/oder in der Topgasausleitung (32) ein Wärmeaustauscher (25) zur Erwärmung der Teilmenge B des CO2-gewaschenen Gases durch das Topgas und/oder das zweite Topgas vorhanden ist. 18) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feinkohleeindüsungsanlage (23) am Einschmelzvergaser vorhanden ist, die mit einer hinter der CO2-Waschanlage (21 ) von der Abführleitung (10) abzweigenden Eindüsgasleitung (22) verbunden ist. 19) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Chargiervorrichtungen (27) zum Chargieren von Kohlenstoffträgern in den Einschmelzvergaser (2), gegebenenfalls Chargiervorrichtungen (28) zum Chargieren von weiteren Einsatzstoffen in den Einschmelzvergaser (2), Chargiervorrichtungen (29, 30) zum Chargieren von Eisenerz, und gegebenenfalls Zuschlägen, in den ersten und/oder den weiteren Reduktionsreaktor (1 ,16) vorhanden sind, wobei die Chargiervorrichtungen (27, 28, 29, 30) mit einer hinter der CO2-Waschanlage (21 ) von der Abführleitung (10) abzweigenden Kühlungsleitung (26) verbunden sind. |
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren zur energie- und emissionsoptimierten Eisenerzeugung sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Schmelzreduktionsverfahren zur Erzeugung von Roheisen wird in einem Einschmelzvergaser aus Kohlenstoffträgern und sauerstoffhaltigem Gas ein sogenanntes Generatorgas erzeugt, welches als reduzierende Komponenten CO und H 2 enthält. Das Generatorgas wird in einem zugeordneten Reduktionsreaktor als Reduktionsgas genutzt. Der im Reduktionsreaktor erzeugte Eisenschwamm wird in den Einschmelzvergaser zur Erzeugung von flüssigem Roheisen chargiert. Da das Generatorgas eine für die im Reduktionsreaktor ablaufenden Prozesse zu hohe Temperatur besitzt, wird es durch Einleitung eines Kühlgases auf die im Reduktionsreaktor benötigte Temperatur hinuntergekühlt. WO9733006 zeigt eine Direktreduktionsanlage, in der Kühlgas durch Abkühlung eines Teiles des Generatorgases in einem Gas-Staubwäscher bereitgestellt wird. Nachteilig ist dabei, dass große Energiemengen vom Generatorgas in das Wasser des Gas-Staubwäschers abgegeben werden, ohne bei der Eisenerzeugung genutzt zu werden.
Im Reduktionsreaktor wird nicht der gesamte Gehalt des Reduktionsgases an reduzierenden Komponenten für die Reduktion zu Eisenschwamm verbraucht, so dass das aus dem Reduktionsreaktor entnommene Topgas noch Reduktionskraft besitzt. Aus WO9733006 ist es bekannt, die im Topgas verbliebenen reduzierenden Komponenten für Eisenerzeugung in einem weiteren Reduktionsschacht zu nutzen. Dazu wird eine Mischung aus den gewaschenen Topgasen des Reduktionsreaktors und des weiteren Reduktionsschachtes von dem nicht reduzierenden Bestandteil CO 2 befreit, mittels Wärmeaustauschern und Nachverbrennung in Reduktionsgasöfen erwärmt und, gegebenenfalls nach Vereinigung mit einer Teilmenge des von Staub gereinigten Generatorgases, in den weiteren Reduktionsschacht eingeleitet. Die Mischung aus den gewaschenen Topgasen des Reduktionsreaktors und des weiteren Reduktionsschachtes ist CO 2 reich, da in beiden Reduktionsaggregaten Reduktionsarbeit verrichtet wird. Nachteilig ist bei dieser Verfahrensführung die Notwendigkeit, die infolge der Wäsche der Topgase kühle Mischung aufwändig auf die im weiteren Reduktionsschacht benötigte Temperatur zu erhitzen. Nachteilig ist weiters die Abgabe großer Energiemengen an das Wasser der Gas-Staubwäscher ohne Nutzung für die Eisenerzeugung. Weiterhin müssen die Anlagenteile zum Wärmeaustausch sowie zur Nachverbrennung groß genug ausgelegt werden, um die dem weiteren Reduktionsschacht zugeführten Gasmengen, die einen Großteil seines Reduktionsgasbedarfes decken müssen, bewältigen zu können. Entsprechend große Anlagenteile sind aufwändiger zu betreiben und benötigen zu ihrer Funktion Energie, beispielsweise als Brenngasverbrauch in den Reduktionsgasöfen, die den Energieverbrauch der Gesamtanlage pro Mengeneinheit produzierten Eisens erhöht. Da der Energiebedarf durch fossile Energieträger gedeckt wird, bedeutet erhöhter Energieverbrauch automatisch auch erhöhte CO 2 -Emissionen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei der die zur Erzeugung einer Mengeneinheit Eisen benötigte Energie sowie die damit verbundenen CO 2 -Emissionen reduziert werden. Ebenso soll eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen oder flüssigen Stahlvorprodukten und Eisenschwamm aus von, vorzugsweise stückigem, Eisenerz und gegebenenfalls Zuschlägen gebildeten Einsatzstoffen, wobei die Einsatzstoffe in einer ersten Reduktionszone zu Eisenschwamm direkt reduziert werden, der Eisenschwamm in einem Einschmelzvergaser unter Zufuhr von Kohlenstoffträgern und sauerstoffhaltigem Gas erschmolzen und ein CO- und H 2 -hältiges Generatorgas erzeugt wird, welches nach Ausleitung aus dem Einschmelzvergaser erst gekühlt und dann entstaubt wird, und eine erste Teilmenge des bei dieser Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases als erstes Reduktionsgas in die erste Reduktionszone eingeleitet, dort umgesetzt und als Topgas abgezogen wird, welches anschließend einer Staubwäsche unterworfen wird und nach erfolgter Staubwäsche zum Teil oder vollständig einer Verdichtung und einer CO 2 -Wäsche unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach der CO 2 -Wäsche zumindest eine Teilmenge A des CO 2 -gewaschenen Gases dem Generatorgas nach dessen Austritt aus dem Einschmelzvergaser zugemischt wird, wobei die Kühlung des Generatorgases erfolgt, und eine zweite Teilmenge des bei der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases mindestens einer weiteren Reduktionszone zur Direktreduktion von weiterem Eisenerz, gegebenenfalls unter Zumischung einer Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases nach deren Erwärmung, als zweites Reduktionsgas zugeführt wird.
Bei dieser Verfahrensführung wird die durch Wäsche und CO 2 -Entfernung ohnehin schon kühl vorliegende Teilmenge A des CO 2 -gewaschenen Gases als Kühlgas genutzt. Bei dieser Verfahrensführung wird auf einen wie in WO9733006 beschriebenen Kühlgaskreislauf verzichtet, Energieverluste an das Wasser der Gas-Staubwäscher eines derartigen Kühlgaskreislaufes werden also vermieden. Da das aus der ersten Reduktionszone austretende Topgas eine geringere Temperatur besitzt als das Generatorgas, wird bei der Abkühlung des Topgases im Gas-Staubwäscher eine geringere Temperaturdifferenz überwunden, so dass der Energieverlust an das Wasser des Gas-Staubwäschers für Topgas im Vergleich zu einem Gas-Staubwäscher für Generatorgas zusätzlich vermindert wird. Durch die Verminderung der Energieverluste an das Wasser der Gas-Staubwäscher werden somit der spezifische Energieverbrauch zur Herstellung einer Mengeneinheit Eisen und entsprechend die CO 2 -Emissionen pro Mengeneinheit produzierten Eisens vermindert. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass die als Kühlgas genutzte Teilmenge A des CO 2 -gewaschenen Gases in den Reduktionsprozess rezirkuliert wird und die in ihm enthaltenen reduzierenden Komponenten erneut den ersten Reduktionsreaktor durchlaufen können. Dadurch ergibt sich eine bessere Ausnutzung der Reduktionskraft der im Einschmelzvergaser erzeugten reduzierenden Komponenten. Entsprechend muss zur Reduktion einer bestimmten Menge Eisenerz weniger Generatorgas erzeugt werden, was wiederum den Energieverbrauch und damit die CO 2 -Emissionen pro Mengeneinheit Produkt vermindert.
Der weiteren Reduktionszone wird als zweites Reduktionsgas eine zweite Teilmenge des bei der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases, oder gegebenenfalls ein Gemisch bestehend aus dieser zweiten Teilmenge und aus durch Staubentfernung und CO 2 -Entfernung aufbereitetem sowie erwärmtem Topgas zugeführt. Da die zweite Teilmenge des Reduktionsgases auf seinem Weg in die weitere Reduktionszone weder gekühlt wird noch an Reduktionskraft verliert, wird ihr thermischer und chemischer Energieinhalt optimal für die Reduktion in der weiteren Reduktionszone und damit zur Eisenerzeugung genutzt. Zusätzlich wird durch die Verwertung der Reduktionskraft des zugemischten aufbereiteten sowie erwärmten Topgases in der weiteren Reduktionszone die Ausnutzung der im Einschmelzvergaser erzeugten reduzierenden Komponenten für die Eisenerzeugung verbessert.
Mit stückigem Eisenerz sind sowohl Stückerz als auch Pellets gemeint.
Das zweite Reduktionsgas wird in der weiteren Reduktionszone umgesetzt und als zweites Topgas abgezogen. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite Topgas nach einer Staubwäsche mit dem staubgewaschenen Topgas aus der ersten Reduktionszone vereinigt und die erhaltene Gasmischung zum Teil oder vollständig einer Verdichtung und einer CO 2 -Wäsche unterzogen, wobei die weitere Nutzung nach der CO 2 -Wäsche analog der Teilmenge A und der Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases gemäß Anspruch 1 erfolgt.
Auf diese Weise wird auch der thermische und chemische Energieinhalt des zweiten Topgases für die Eisenerzeugung genutzt, was wiederum den Energieverbrauch und damit die CO 2 -Emissionen pro Mengeneinheit Produkt vermindert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform steuert die zweite Teilmenge des bei der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases im Normalbetrieb 20 Vol% bis 100 Vol%, bevorzugt 20 bis 50 Vol%, noch mehr bevorzugt 25 -35 Vol% zum zweiten Reduktionsgas bei.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung handelt es sich bei allen auf Gase bezogene Prozentangaben um Volumsprozente. Je höher der Anteil der zweiten Teilmenge des bei der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases am zweiten Reduktionsgas ist, desto weniger muss die gegebenenfalls zugemischte Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases erwärmt werden, der spezifische Energieaufwand für deren Erwärmung sinkt also. Das Verhältnis von zweiter Teilmenge des Reduktionsgases und Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases wird im Wesentlichen bestimmt durch die Generatorgastemperatur und die erforderliche Reduktionsgastemperatur für die erste Reduktionszone, durch die erforderliche Temperatur des zweiten Reduktionsgases, sowie durch die Temperatur des CO 2 -gewaschenen Gases vor und nach dessen Aufheizung. Bei Prozentangaben von Bereichen sind im Rahmen dieser Anmeldung die Grenzwerte mit umfasst. Als Normalbetrieb ist dabei der Betrieb nach einer Anfahrphase und vor einer Abstellphase einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verstehen. Je mehr die zweite Teilmenge des Reduktionsgases zum zweiten Reduktionsgas beisteuert, desto geringer sind die Anforderungen an die Erwärmung des zugemischten Gases. Die hohe Temperatur der zweiten Teilmenge des Reduktionsgases stellt eine für die in der weiteren Reduktionszone ablaufenden Prozesse ausreichend hohe Temperatur des zweiten Reduktionsgases sicher. Verminderte Anforderungen an die Erwärmung des zugemischten Gases ermöglichen den Einsatz kleinerer Gaserwärmungsvorrichtungen, die für ihren Betrieb wiederum weniger Energie als größere Anlagen benötigen. Auf diese Weise wird der spezifische Energieverbrauch und entsprechend die CO 2 -Emission pro Mengeneinheit Produkt weiter vermindert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform macht die zweite Teilmenge im Normalbetrieb zwischen 5 und 50 VoI %, bevorzugt 25-40 Vol%, besonders bevorzugt 30 Vol%, der gesamten Menge des bei der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases aus. Für den Betrieb des weiteren Reduktionsschachtes ist eine bestimmte Menge an zweitem Reduktionsgas notwendig. Wird eine große Teilmenge des nach der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases für Reduktionszwecke in der ersten Reduktionszone benötigt, steht für die weitere Reduktionszone nur mehr eine kleine Teilmenge zur Verfügung. Die mengenmäßige Differenz dieser Teilmenge auf die für den Betrieb der weiteren Reduktionszone benötigte Menge an zweitem Reduktionsgas muss durch Zumischung einer großen Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases nach deren Erwärmung ausgeglichen werden. Bei der Erwärmung durch Verbrennung entsteht jedoch CO 2 , daher führt die Zumischung einer größeren Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases nach deren Erwärmung zu höherem CO 2 Gehalt im zweiten Reduktionsgas. Beträgt der Anteil der zweiten Teilmenge an der gesamten Menge des bei der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases weniger als 5 Vol%, muss eine große Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases nach deren Erwärmung zugemischt werden, um die für die weitere Reduktionszone benötigte Menge von zweitem Reduktionsgas bereitzustellen. Von Nachteil ist dabei, dass im Fall der Erwärmung der Teilmenge B durch eine Verbrennung eines Teiles der Teilmenge B große Mengen von reduzierenden Komponenten in der Teilmenge B oxidiert werden und somit für Reduktionszwecke in der weiteren Reduktionszone nicht mehr zur Verfügung steht. Um sicherzustellen, dass die erste Reduktionszone genügend mit Reduktionsgas versorgt wird, soll der Anteil der zweiten Teilmenge an der gesamten Menge des bei der Entstaubung erhaltenen Reduktionsgases nicht mehr als 50 Vol% betragen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform macht die Teilmenge A des CO 2 -gewaschenen Gases im Normalbetrieb zwischen 15 Vol% und 100 Vol% des CO 2 -gewaschenen Gases aus. Bei weniger als 15% sind die Kühlung des heißen Generatorgases und die genaue Temperaturregelung ohne zusätzlichen Kühlgaskreislauf mit Wäscher und Kompressor nicht mehr möglich.
Je mehr CO 2 -gewaschenes Gas als Kühlgas verwendet wird, desto mehr reduzierende Komponenten des Topgases werden in den Reduktionsprozess rezirkuliert, desto besser ist die Ausnutzung der im Einschmelzvergaser erzeugten reduzierenden Komponenten und desto weniger Generatorgas muss erzeugt werden. Vorzugsweise wird die Zumischung von Teilmenge A des CO 2 -gewaschenen Gases zum Generatorgas entsprechend einer Temperaturvorgabe für das Reduktionsgas geregelt.
Die weitere Reduktionszone kann aus einem Festbett-Reduktionszone oder aus einem oder mehreren in Serie geschalteten Wirbelschichtreduktionszonen bestehen. Bevorzugterweise ist die weitere Reduktionszone eine Festbett-Reduktionszone, da diese Art einer Reduktionszone den Vorteil eines hohen Metallisierungsgrades mit CO reichem Reduktionsgas sowie eines einfachen Betriebes hat. Dann kann in der weiteren Reduktionszone auch stückiges Eisenerz verarbeitet werden.
Die Erwärmung der Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases kann beispielsweise mit Wärmetauschern oder mittels partieller Oxidation mit Sauerstoffbrenner erfolgen. Vorteilhafterweise erfolgt sie mittels Sauerstoffbrenner, da eine derartige Aufheizung einen hohen Wirkungsgrad sowie einen geringen apparativen Aufwand besitzt, keinen von außerhalb zuzuführenden Brennstoff benötigt, und gegenüber Wärmeaustauschern geringere CO 2 Emission produziert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Erwärmung der Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases zuerst mittels eines Wärmeaustauschers bis auf maximal 500O und dann mittels eines Sauerstoffbrenners auf über 650O. Dabei erfolgt der Wärmeaustausch vorzugsweise mit dem ersten und/oder zweiten Topgas vor deren Abkühlung in Gas- Staubwäschern. Über 500O würde Korrosion des Wärmeaustauschers durch Metal-dusting den Wärmeaustauscher zerstören. Diese Nutzung des Wärmeinhaltes des bei dem Verfahren ohnehin anfallenden Topgases für die Reduktion in der weiteren Reduktionszone minimiert die vom Sauerstoffbrenner zu leistende Temperaturerhöhung, weshalb dieser unter weniger Aufwand von Energie und Einsatzstoffen betrieben werden kann. Somit wird auch der Energieverbrauch und damit die CO 2 -Emissionen pro Mengeneinheit Produkt vermindert.
Es ist weiterhin von Vorteil, kleine Teilmengen des CO 2 -gewaschenen Gases für Aufgaben bei Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 als Ersatz für bisher genutzte externe, dass heißt nicht im Verfahren generierte, Gase zu nutzen, bevorzugt als Eindüsgas zur Feinkohleeindüsung und/oder als Kühlgas beim Chargieren von Einsatzstoffen. Unter Einsatzstoffen sind dabei alle Materialien zu verstehen, die in die erste oder weitere Reduktionszone oder in den Einschmelzvergaser chargiert werden. Bei diesen beiden Nutzungen gelangt das Gas entweder direkt in die erste oder weitere Reduktionszone, oder es gelangt in den Einschmelzvergaser und von dort in die erste oder weitere Reduktionszone. Dadurch können die enthaltenen reduzierenden Bestandteile an den Reduktionsprozessen teilnehmen. Das führt zu einer besseren Ausnutzung der im Einschmelzvergaser erzeugten reduzierenden Komponenten, weswegen weniger Generatorgas erzeugt werden muss.
Für die Feinkohleeindüsung beziehungsweise als Kühlgas beim Chargieren von Einsatzstoffen wird bisher vorwiegend Stickstoff verwendet, wodurch entsprechend ein Stickstoffanteil im Reduktionsgas resultiert. Dieser nimmt an den Reduktionsprozessen nicht teil und verdünnt die Konzentration reduzierender Bestandteile im Reduktionsgas. Infolgedessen muss, um eine bestimmte Stoffmenge reduzierende Bestandteile zirkulieren zu lassen, die zirkulierende Reduktionsgasmenge im Vergleich zu einem nicht durch Stickstoff verdünnten Reduktionsgas größer sein, worauf die Anlagenteile ausgelegt sein müssen. Durch das Ersetzen des Stickstoff werden diese Effekte vermieden. Als Eindüsgas zur Feinkohleeindüsung werden maximal 10 Vol%, und als Kühlgas beim Chargieren von Einsatzstoffen maximal 5 Vol% des CO 2 -gewaschenen Gases verwendet, um den anderen Verwendungszwecken dieses Gases genügende Gasmengen zur Verfügung stellen zu können.
Vorteilhafterweise wird das aus der weiteren Reduktionszone erhaltene Produkt, beispielsweise teilweise reduziertes Eisenerz (LRI), als ein Ausgangsmaterial zur Eisenerzeugung in einem
Hochofen eingesetzt, wobei Sinter-, Pellets- und Stückerz-Ausgangsmaterial ersetzt wird. Da bei dieser Nutzung das dem Hochofen zugegebene Ausgangsmaterial zumindest bereits teilweise reduziert ist, ist weniger Zugabe von Reduktionsmittel, insbesonders Koks, in den Hochofen notwendig. Insgesamt wird durch den Einsatz von LRI im Hochofen, für eine gegebene Menge Eisenprodukt des Verfahrens, die Gesamtbilanz der Eisenerzeugung bezüglich Energieverbrauch und CO 2 -Erzeugung verbessert. Diese Verbesserung beruht unter anderem darauf, dass die Reduktion von Eisenoxiden teilweise vom Hochofen in die weitere Reduktionszone verlagert wird, da reduzierende Verbindungen dort effizienter zur Reduktion genutzt werden als im Hochofen. Außerdem wird die Produktivität des Hochofens gleichzeitig gesteigert, da die Permeabilität des Hochofens infolge des Ersatzes von Sinter und/oder Stückerz steigt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem ersten Reduktionsreaktor für, vorzugsweise stückiges, Eisenerz, einem Einschmelzvergaser, mindestens einer den Einschmelzvergaser mit dem ersten Reduktionsreaktor verbindenden Förderleitung für das im ersten Reduktionsreaktor gebildete Reaktionsprodukt, mit einer in den Einschmelzvergaser mündenden Zuleitung für Kohlenstoffträger und einer in den Einschmelzvergaser mündenden Zuleitung für sauerstoffhaltige Gase, einem am Einschmelzvergaser vorgesehenen Abstich für Roheisen und einem am Einschmelzvergaser vorgesehenen Abstich für Schlacke, und mit mindestens einem weiteren Reduktionsreaktor zur Direktreduktion von weiterem Eisenerz, einer den Einschmelzvergaser und eine Entstaubungseinrichtung verbindenden Ausleitung für Generatorgas, einer Ausleitung für Reduktionsgas aus der Entstaubungseinrichtung, einer die Ausleitung für Reduktionsgas aus der Entstaubungseinrichtung mit dem ersten Reduktionsreaktor verbindenden Leitung, einer vom ersten Reduktionsgasreaktor ausgehenden Topgasleitung, welche in einen Gas-Staubwäscher mündet, einer von dem Gas-Staubwäscher ausgehenden Ausleitung, und mit einer mit der von dem Gas-Staubwäscher ausgehenden Ausleitung verbundenen Abführleitung, in der hintereinander zuerst eine Gasverdichtungsvorrichtung, eine
CO 2 -Waschanlage und ein Gaserwärmungsvorrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen CO 2 -Waschanlage und Gaserwärmungsvorrichtung von der Abführleitung eine Rückführleitung abzweigt, die in die Ausleitung für Generatorgas mündet, und die Abführleitung in eine von der Ausleitung für Reduktionsgas ausgehende Verbindungsleitung mündet, wobei die Verbindungsleitung in den weiteren Reduktionsreaktor mündet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der weitere Reduktionsreaktor ein Festbett- Reduktionsreaktor. Dann kann im weiteren Reduktionsreaktor auch stückiges Eisenerz verarbeitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform geht von dem weiteren Reduktionsreaktor eine Topgasausleitung aus, in der ein Gas-Staubwäscher vorhanden ist, und die vor der Gasverdichtungsvorrichtung in die Abführleitung mündet. In dieser Topgasausleitung wird das aus dem weiteren Reduktionsreaktor abgezogene zweite Topgas zu dem staubgewaschenen Topgas aus der ersten Reduktionszone geführt.
Bevorzugterweise ist die Gaserwärmungsvorrichtung ein Sauerstoffbrenner.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in der Abführleitung vor der Gaserwärmungsvorrichtung und/oder in der Topgasausleitung ein Wärmeaustauscher zur Erwärmung der Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases durch das Topgas und/oder das zweite Topgas vorhanden.
Aus Gründen der Energiebilanz ist dabei eine Anordnung des Wärmaustauschers vor der Abzweigung der Rückführleitung aus der Abführleitung bevorzugt. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist eine Feinkohleeindüsungsanlage am Einschmelzvergaser vorhanden, die mit einer hinter der CO 2 -Waschanlage von der Abführleitung abzweigenden Eindüsgasleitung verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Chargiervorrichtungen zum Chargieren von Kohlenstoffträgern wie beispielsweise Stückkohle, Kohlebriketts, Koks, in den Einschmelzvergaser, gegebenenfalls Chargiervorrichtungen zum Chargieren von weiteren Einsatzstoffen wie beispielweise Zuschlägen in den Einschmelzvergaser, Chargiervorrichtungen zum Chargieren von Eisenerz, und gegebenenfalls Zuschlägen, in den ersten und/oder den weiteren Reduktionsreaktor vorhanden, wobei die Chargiervorrichtungen mit einer hinter der CO 2 -Waschanlage von der Abführleitung abzweigenden Kühlungsleitung verbunden sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand dreier Figuren schematisch dargestellt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage.
Figur 2 zeigt eine Anlage wie in Figur 1 , wobei zusätzlich Wärmeaustauscher zur Erwärmung der des CO 2 -gewaschenen Gases durch Topgas vorhanden sind.
Figur 3 zeigt eine Anlage wie in Figur 1 , wobei zusätzlich Chargiervorrichtungen zum Chargieren in den Einschmelzvergaser, in den ersten und in den weiteren Reduktionsreaktor vorhanden sind.
In Figur 1 werden in einen ersten Reduktionsreaktor 1 für Eisenerz über ein nicht dargestelltes Chargiersystem stückiges Eisenerz sowie gegebenenfalls Zuschläge gefüllt. Durch über Leitung 6 in den Reduktionsreaktor 1 eingebrachtes Reduktionsgas wird das Eisenerz zu Eisenschwamm reduziert. In dem darunter angeordneten Einschmelzvergaser 2 wird aus Kohlenstoffträgern, die über Zuleitung 18 chargiert werden, und aus sauerstoffhaltigen Gasen, die über Zuleitung 19 in den Einschmelzvergaser 2 eingebracht werden, ein CO- und H 2 -hältiges Generatorgas erzeugt. Der in den Einschmelzvergaser über Förderleitung 17 eingebrachte Eisenschwamm wird dabei geschmolzen. Im Einschmelzvergaser 2 entstehendes flüssiges Roheisen und flüssige Schlacke werden über Abstich 11 für Roheisen und Abstich 12 für Schlacke aus dem Einschmelzvergaser entnommen. Das Generatorgas wir über eine Ausleitung 4 aus dem Einschmelzvergaser 2 ausgeleitet, in einer Entstaubungseinrichtung 3, in diesem Fall einem Zyklon, entstaubt und das dabei erhaltene Reduktionsgas über eine Ausleitung 5 aus dem Zyklon ausgeleitet. Eine erste Teilmenge des Reduktionsgases wird über Leitung 6 als erstes Reduktionsgas in den ersten Reduktionsreaktor 1 eingeleitet. Nach Umsatz der ersten Teilmenge des Reduktionsgases im ersten Reduktionsreaktor 1 wird Topgas über eine Topgasleitung 7 aus dem ersten Reduktionsreaktor entnommen und zu einem Gas-Staubwäscher 8 geleitet. Nach erfolgter Staubwäsche wird das Topgas über eine Ausleitung 9 aus dem Gas-Staubwäscher 8 ausgeleitet. Ein Teil des über Ausleitung 9 ausgeleiteten staubgewaschenen Topgases wird als Exportgas über eine Exportgasleitung 24 abgezogen. Der andere Teil des über Ausleitung 9 ausgeleiteten staubgewaschenen Topgases wird über eine Abführleitung 10 zuerst einer Gasverdichtungsvorrichtung 20, dann einer CO 2 -Waschanlage 21 zugeführt. Eine Teilmenge A des über Abführleitung 10 aus der CO 2 -Waschanlage 21 ausgeführten CO 2 -gewaschenen Gases wird über eine von der Abführleitung 10 abzweigende Rückführleitung 14, welche vor der Entstaubungseinrichtung 3 in die Ausleitung 4 mündet, dem aus dem Einschmelzvergaser 2 ausgeleiteten Generatorgas zugemischt. Da die Teilmenge A aufgrund des Durchlaufens des Gas- Staubwäschers 8 und der CO 2 -Waschanlage 21 kühler ist als das Generatorgas, wird das Generatorgas durch die Zumischung gekühlt. Die nach Abzweigung der Teilmenge A verbleibende Teilmenge B des über Abführleitung 10 aus der CO 2 -Waschanlage 21 ausgeführten CO 2 - gewaschenen Gases wird in eine Gaserwärmungsvorrichtung 13, in diesem Fall einen Sauerstoffbrenner, geleitet, in diesem erwärmt und über eine Fortführung der Abführleitung 10 aus dem Sauerstoffbrenner zur Verbindungsleitung 15 geführt. In Verbindungsleitung 15, die den weiteren Reduktionsreaktor 16 mit der Ausleitung 5 verbindet, wird eine zweite Teilmenge des Reduktionsgases geleitet. Da vor der Einmündung der Verbindungsleitung 15 in den weiteren Reduktionsreaktor 16 die Abführleitung 10 in die Verbindungsleitung 15 mündet, wird die im Sauerstoffbrenner erwärmte Teilmenge B des CO 2 -gewaschenen Gases der zweiten Teilmenge des Reduktionsgases zugemischt. Das durch diese Zumischung erhaltene zweite Reduktionsgas wird über Verbindungsleitung 15 in den weiteren Reduktionsreaktor 16 eingeleitet. In diesem reduziert es über nicht dargestellte Chargiervorrichtungen eingebrachtes weiteres Eisenerz.
Zwischen der CO 2 -Waschanlage 21 und der Gaserwärmungsvorrichtung 13 zweigt eine Eindüsgasleitung 22 von Abführleitung 10 ab, durch die CO 2 -gewaschenes Gas einer Feinkohleeindüsungsanlage 23 am Einschmelzvergaser 2 zugeführt wird. Über eine Überschussgasleitung 31 , in der ein Gas-Staubwäscher 35 vorhanden ist, kann Reduktionsgas von der Ausleitung 5 direkt in die Exportgasleitung 24 geleitet werden, falls mehr Reduktionsgas erzeugt wird, als in dem Reduktionsreaktor 1 und dem weiteren Reduktionsreaktor 16 benötigt wird.
Eine vom weiteren Reduktionsreaktor 16 ausgehende Topgasausleitung 32, in der ein Gas-Staubwäscher 36 vorhanden ist, mündet vor der Gasverdichtungsvorrichtung 20 in die Abführleitung 10. Durch diese Topgasausleitung kann das aus dem weiteren Reduktionsreaktor 16 abgezogene zweite Topgas zu dem staubgewaschenen Topgas aus dem ersten Reduktionsreaktor geführt werden.
Das Produkt des weiteren Reduktionsreaktors 34 wird einem nicht dargestellten Hochofen als Ausgangsmaterial zur Eisenerzeugung im Hochofen zugeführt.
Figur 2 zeigt eine Anlage wie in Figur 1 , wobei in der Topgasleitung 7 ein Wärmeaustauscher 25 und in der Topgasausleitung 32 ein Wärmeaustauscher 33 zur Erwärmung von CO 2 -gewaschenem Gas durch Topgas vorhanden sind. Im Wärmeaustauscher 33 erwärmtes Gas kann entweder vor der Gaserwärmungsvorrichtung 13 in die Abführleitung 10 eingespeist werden, oder in die Rückführleitung 14 eingespeist werden. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde in Figur 2 auf die Darstellung der ebenfalls vorhandenen und wie in Figur 1 geführten Überschussgasleitung 31 verzichtet.
Figur 3 zeigt eine Anlage wie in Figur 1 , wobei zusätzlich eine Chargiervorrichtung 27 zum
Chargieren von Kohlenstoffträgern in den Einschmelzvergaser, eine Chargiervorrichtung 28 zum Chargieren von weiteren Einsatzstoffen in den Einschmelzvergaser, eine Chargiervorrichtung 29 zum Chargieren von Eisenerz und Zuschlägen in den ersten Reduktionsreaktor und eine Chargiervorrichtung 30 zum Chargieren von Eisenerz und Zuschlägen in den weiteren Reduktionsreaktor vorhanden sind.
Alle diese Chargiervorrichtungen sind mit einer Kühlungsleitung 26 verbunden. Die Kühlungsleitung zweigt hinter der CO 2 -Waschanlage 21 von der Abführleitung 10 ab. Durch die Kühlungsleitung 26 wird CO 2 -gewaschenes Gas zu Kühlungszwecken zu den Chargiervorrichtungen geleitet.
1 erster Reduktionsreaktor
2 Einschmelzvergaser
3 Entstaubungseinrichtung
4 Ausleitung für Generatorgas 5 Ausleitung für Reduktionsgas (aus der Entstaubungsvorrichtung)
6 Leitung (die Ausleitung für Reduktionsgas aus der Entstaubungsvorrichtung mit dem ersten Reduktionsreaktor verbindend)
7 Topgasleitung 8/35/36 Gas-Staubwäscher 9 Ausleitung (aus dem Gas-Staubwäscher)
10 Abführleitung
11 Abstich für Roheisen
12 Abstich für Schlacke
13 Gaserwärmungsvorrichtung 14 Rückführleitung
15 Verbindungsleitung
16 weiterer Reduktionsreaktor
17 Förderleitung (für im ersten Reduktionsreaktor gebildetes Reaktionsprodukt)
18 Zuleitung für Kohlenstoffträger 19 Zuleitung für sauerstoffhaltige Gase
20 Gasverdichtungsvorrichtung
21 CO 2 -Waschanlage
22 Eindüsgasleitung
23 Feinkohleeindüsungsanlage 24 Exportgasleitung
25 Wärmeaustauscher
26 Kühlungsleitung
27 Chargiervorrichtung (zum Chargieren von Kohlenstoffträgern in den Einschmelzvergaser) 28 Chargiervorrichtung (zum Chargieren von weiteren Einsatzstoffen in den Einschmelzvergaser)
29 Chargiervorrichtung (zum Chargieren von Eisenerz und Zuschlägen in den ersten Reduktionsreaktor)
30 Chargiervorrichtung (zum Chargieren von Eisenerz und Zuschlägen in den weiteren Reduktionsreaktor)
31 Überschussgasleitung
32 Topgasausleitung
33 Wärmeaustauscher
34 Produkt des weiteren Reduktionsreaktors