Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, wobei wenigstens ein Gas in den Ofen eingeleitet wird. Bei einem Schachtofen handelt es sich um einen Ofen, dessen geometrische Grundform „schachtförmig" ist. Typischerweise übertrifft die Höhe von Schachtöfen ihre Breite und ihre Tiefe um ein Vielfaches. Die Grundform eines Schachtofens entspricht oftmals einem Hohlzylinder, einem Hohlkegel oder einer Kombination aus beiden Formen. In einem Schachtofen finden üblicherweise Verbrennungs-, Reduktions- und

Schmelzprozesse statt, wobei die entstanden Gase in dem Ofen nach oben aufsteigen. Schachtöfen werden entweder zum Heizen genutzt oder dienen als metallurgische Anlage zur Erzeugung reiner Metalle aus Erzen, zur Weiterverarbeitung der Metalle oder zur Herstellung anderer Werkstoffe. Eine Sonderform von Schachtöfen sind Hochöfen, mit denen aus Erzen in einem kontinuierlichen Reduktions- und Schmelzprozess flüssiges Metall, zumeist Roheisen erzeugt werden kann. Hochöfen stellen im Vergleich zu gewöhnlichen Schachtöfen aufgrund der spezifischen Anforderungen an die Verhüttung von Erzen besondere Anforderungen an die Konstruktionsweise des Ofens und insbesondere an seine innere Auskleidung und Kühlung.

Hochöfen werden meistens als Teil eines kompletten integrierten Hüttenwerks eingesetzt. Neben dem eigentlichen Ofen umfasst eine Hochofenanlage beispielsweise Transporteinrichtungen zur Befüllung („Beschickung") des Hochofens mit Einsatzstoffen (z.B. Eisenerz und Zuschlagstoffe) und mit Reduktionsmitteln bzw. Energieträgern (z. B. Koks) sowie Einrichtungen zur Entnahme bzw. Ableitung der in dem Hochofen entstehenden Stoffe (z. B. Roheisen, Schlacke, Abgase). In vielen Schachtöfen und insbesondere in Hochöfen werden Gase von außen in den Ofen eingeleitet, um die in dem Ofen stattfindenden Reaktionen zu ermöglichen bzw. zu beeinflussen. Bei den Gasen kann es sich beispielsweise um Luft oder um reinen

Sauerstoff handeln. Vorrichtungen zum Einblasen der Gase umfassen häufig um den Ofen umlaufende Ringleitungen mit mehreren in das Ofeninnere führenden Blasformen bzw. Düsen und zusätzlich mit in das Ofeninnere führenden Lanzen.

Aus der DE 101 17 962 B4 ist beispielsweise ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Rohmaterialien und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Bei der beschriebenen Vorrichtung handelt es sich um einen Kupolofen. Kupolöfen sind ebenfalls Schachtöfen, in denen Metalle geschmolzen werden können. Im Unterschied zu Hochöfen dienen Kupolöfen zumeist der Herstellung von Gusseisen aus Roheisen und Schrott, sie unterscheiden sich dementsprechend in Betriebsweise und Bauform von Hochöfen.

In der DE 101 17 962 B4 wird vorgeschlagen, zusätzlich zu einer Lufteinblasung Gase mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt wechselweise in den Ofen einzuleiten. Bei diesen Gasen kann es sich um Luft sowie um reinen Sauerstoff handeln. Hierzu werden zwei separate Ringleitungen um den Ofen herumgeführt. Die erste Ringleitung ist stets mit Luft gefüllt, während die zweite Ringleitung wechselweise mit unterschiedlichen Gasen (z. B. Sauerstoff) gefüllt ist. Durch die gezielte Einleitung von Gasen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt sollen die Reaktionen und insbesondere die

Temperaturen in dem Ofen gesteuert werden. Die in der DE 101 17 962 B4 gezeigte Lösung hat den Nachteil einer aufwändigen

Bauweise mit mehreren separaten Ringleitungen. Zudem ist die in der DE 101 17 962 B4 beschriebene Lösung auf Kupolöfen beschränkt.

Aus der EP 1 948 833 Bl ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens bekannt. Bei diesem Schachtofen kann es sich um einen Kupolofen oder um einen Hochofen handeln. Auch bei der in der EP 1 948 833 Bl beschriebenen Lösung wird vorgeschlagen, ein Behandlungsgas, beispielsweise Sauerstoff, in den Ofen einzublasen. Das eingeblasene Gas soll pulsationsartig moduliert werden. Dies bedeutet, dass ausgehend von einem geringen Basisdruck in zeitlichen Abständen der Druck des eingeblasenen Gases kurzzeitig erhöht wird. Durch diese Vorgehensweise soll eine bessere Durchgasung des Ofens erreicht werden.

Die in der EP 1 948 833 Bl beschriebene Lösung hat den Nachteil, dass außerhalb der „Raceway" keine bzw. nur geringe Reaktionsverbesserungen erzielt werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Einblasung von Gasen in den Ofen derart auszugestalten, dass eine Beschleunigung der Reaktionsabläufe im Ofen erreicht wird, insbesondere bis in den Bereich des„Toten Mannes".

Bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Stoßwellen in den Ofen eingeleitet werden.

Eine Stoßwelle ist ein gasdynamisches Phänomen, bei dem ein Verdichtungsstoß die Front einer Kompressionswelle bildet. An der Wellenfront sind die Gradienten der Zustandsgrößen Druck und Temperatur so groß, dass beträchtliche molekulare

Transportvorgänge stattfinden. Die molekularen Transportvorgänge sind irreversibel, d.h. die Entropie des von der Welle erfassten Gases steigt. Es wird von einem unstetigen Zustandssprung ausgegangen, da die molekularen Transportvorgänge auf einige freie Weglängen beschränkt sind. Eine Stoßwelle breitet sich mit einer

Fortpflanzungsgeschwindigkeit aus, die größer als die Schallgeschwindigkeit des vor der Stoßwelle ruhenden Mediums ist. Bei starken Stoßwellen mit hohen Stoßmachzahlen treten zunehmend Effekte wie Dissoziation, Elektronenanregung und Ionisation auf.

Stoßwellen können einen erheblichen Beitrag zum Erreichen der thermodynamischen bzw. thermischen Bedingungen liefern, die für den Ablauf einer chemischen bzw.

physikalisch-chemischen Reaktion notwendig sind. Auf diese Weise können sogar die Aktivierungsenergien für Reaktionen im Ofen mit reaktionsträgen Kohlenstoffphasen, beispielsweise Phasen mit hohem Graphitisierungsgrad, oder für die Selbstzündung von brennbaren Gemischen erreicht werden.

Verdichtungsstöße bzw. Stoßwellen beeinflussen und verstärken massiv die lokale Ausprägung von Turbulenzen. Dadurch werden die Bildung von reaktionsfähigen Gemischen sowie der notwendige Stofftransport für die jeweiligen chemischen

Reaktionen in den Schachtöfen positiv beeinflusst. Von besonderer Bedeutung ist dies insbesondere für die stattfindenden heterogenen Gas-Festkörperreaktionen bzw. den Stofftransport zwischen Feststoff und Gasphase.

Bedingt durch die Oberflächenstruktur und die Porosität von Partikeln können durch das Beugungs- und Reflektionsverhalten von Stoßwellen innerhalb der Partikel hohe Drücke und Temperaturen, sogar Druck- und Temperaturgradienten, entstehen. In Abhängigkeit von der Partikelgröße bzw. Struktur und Festigkeit können durch die auftretenden Spannungen oberflächennahe Schichten oder der komplette Partikel zerstört werden. Durch diesen Vorgang steht den chemischen Reaktionen eine größere effektive Reaktionsoberfläche zur Verfügung.

Beispiele sind Kokspartikel, deren äußere Schichten aufgrund der im Vorfeld

stattgefundenen Reaktionen einen hohen Ascheanteil aufweisen oder von Schlacke bedeckt sind und eingeblasene Feinkohlen sowie deren teilpyrolisierten Rückstände (z.B. Char). Die Reaktionskinetik wird darüber hinaus verbessert, wenn als Gas für die Erzeugung der Stoßwelle („Treibgas") ein für die chemischen Reaktionen ohnehin notwendiges Gas („Behandlungsgas") verwendet wird (z.B. Sauerstoff oder ein anderes Reaktionsgas).

Bei der Interaktion von Stoßwellen mit kleinen Partikeln wird deren Dispersion in der Gasphase deutlich verbessert und deren chemische Umsetzung somit beschleunigt. Speziell gilt dies für das Einblasen von Einsatzstoffen mit zumeist feinen Partikelgrößen. Dies ist von besonderer Bedeutung wenn deren pneumatische Förderung nach dem Dichtstromprinzip erfolgt. Beispielhaft kann hier das Einblasen von Feinkohlen in Schachtöfen bzw. Hochöfen genannt werden.

Zusammengefasst können durch die Einleitung von Stoßwellen in einen Schachtofen die Reaktionen beschleunigt bzw. intensiviert werden.

Stoßwellen können z.B. durch Detonationen, Blitzschläge oder fliegende Projektile hervorgerufen werden. Für die Erzeugung von Stoßwellen zu wissenschaftlichen Zwecken und anderen Untersuchungen werden Stoßkanäle bzw. Stoßrohre genutzt. Die Erzeugung der Stoßwelle erfolgt hier durch das Überschreiten des Berstdruckes einer Membran, welche den Hochdruckteil, die Treibgaskammer, vom Niederdruckteil trennt. Das Bersten der Membran gewährleistet den abrupten Druckanstieg, der für die

Erzeugung von Stoßwellen notwendig ist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stoßwellen durch

Öffnen eines wieder verschließbaren Ventils ausgelöst werden. Diese Art der Erzeugung der Stoßwellen hat im Gegensatz zu einer platzenden Membran den Vorteil, dass beliebig viele Stoßwellen in schneller Folge erzeugt werden können, ohne dass hierzu ein Bauteil ausgetauscht bzw. ersetzt werden muss. Eine Stoßwelle kann sich jedoch nur an extrem schnell öffnenden Ventilen ausbilden, die in sehr kurzer Zeit den gesamten Leitungsquerschnitt freigeben. Es ist besonders voreilhaft, als Treibgas für die Stoßwelle ein für den Betrieb eines Schachtofens, d.h. für die Reaktionsabläufe ohnehin benötigtes Gas zu verwenden (z.B. Sauerstoff). Zu dieser Ausgestaltung der Erfindung wird daher weiter vorgeschlagen, dass das Ventil in weniger als 6 ms, insbesondere in weniger als 4 ms, geöffnet wird, vorzugsweise vollständig geöffnet wird. Durch eine Öffnung des Ventils, die nur wenige Millisekunden dauert, wird ein abrupter Druckanstieg gewährleistet, der für die Erzeugung von Stoßwellen notwendig ist. Als besonders geeignet haben sich aufgrund ihrer schnellen Öffnungszeiten Gleitschieberventile erwiesen. Eine zu langsame Öffnung des Ventils würde demgegenüber dazu führen, dass durch den entstehenden Druckausgleich keine Stoßwelle erzeugt werden kann.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ventil pneumatisch gesteuert wird. Die für die Erfindung notwendigen Ventile mit sehr schnellen Öffnungszeiten benötigen einen mit hohen Geschwindigkeiten arbeitenden Antrieb sowie eine Ansteuerung, die diesen Anforderungen entspricht. Ein pneumatischer Antrieb hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Alternative Antriebsarten die diese Anforderungen erfüllen können ebenso eingesetzt werden (z.B. ein Elektromotor, insbesondere ein

Servomotor).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Erzeugung der Stoßwellen eine Druckvorlage, insbesondere ein Druckbehälter, mit einem Gasdruck von wenigstens 10 bar, insbesondere wenigstens 20 bar, verwendet wird. Der Ofendruck bzw. der Winddruck der Schachtöfen kann nur geringfügig über dem Atmosphärendruck liegen (d.h. 0,2 bar bis 1 bar). Abhängig von der Art des Schachtofens bzw. dessen Betriebsweise werden zumeist höhere Winddrücke zwischen 1 bar und 5 bar benötigt. Da zur Erzeugung von Stoßwellen sehr große Druckdifferenzen erforderlich sind, wird vorzugsweise ein Druckbehälter mit einem Innendruck in der genannten Höhe bereitgestellt.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass als Gas zur Erzeugung der Stoßwellen ein für die Reaktionsabläufe im Ofen benötigtes Behandlungsgas eingesetzt wird. Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, dass das für die Erzeugung der Stoßwelle notwendige Treibgas gleichzeitig ein Behandlungsgas bzw. ein für die Reaktionsabläufe im Schachtofen benötigtes Gas ist. Das Ventil kann infolgedessen länger geöffnet bleiben als dies ausschließlich für die Erzeugung einer Stoßwelle notwendig ist.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Ventil für einen Zeitraum im Bereich zwischen 0,05 s und 0,7 s offen gehalten wird. Über die Anzahl der Ventilspiele und die Länge des Zeitraums in dem das Ventil geöffnet ist ergibt sich die Menge an Behandlungsgas, die dem Schachtofen zugeführt wird. Je nach Behandlungsgas, der Art des Schachtofens und dessen betriebsweise erfolgt eine entsprechende Anpassung. Die Erzeugung von Stoßwellen bzw. die intermittierende Einleitung des Gases in den Ofen schließt nicht aus, dass gleichzeitig eine kontinuierliche Einleitung des gleichen oder eines anderen Gases in den Ofen stattfindet. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass dem Ofen ein kontinuierlicher„Grundstrom" (z.B. ein Sauerstoffgrundstrom) mit erzeugten Stoßwellen bzw. mit intermittierend höheren Gasvolumenströmen zugeführt wird. Mit diesem Grundstrom kann zudem beispielsweise die dem Ofen zugeführte Menge an Behandlungsgas eingestellt werden. Zudem kann so kontinuierlich die notwendige Kühlwirkung für die Lanzen bzw. die Einleitungsstelle gewährleistet werden. Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als Gas ein Gas mit oxidierender Wirkung, insbesondere Sauerstoff eingesetzt wird. Das eigesetzte Gas kann Kohlenstoffdioxid, Luft oder auch ein anderes Gas, insbesondere Sauerstoff, sein. In Schachtofenprozessen bzw. in bestimmten Reaktionszonen werden reduzierende Bedingungen bzw. reduzierende Gase benötigt. Als Behandlungsgase sind hier beispielsweise Kohlenmonoxid oder Wasserstoff möglich. Gasgemische mit

reduzierender Wirkung sowie Gemische und Gase, die nach einer weiteren

Zwischenreaktion reduzierende Wirkung erzielen, können auch eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes

Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau einer Anlage zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein als Hochofen ausgeführter Ofen 1 weist um seinen Umfang herum mehrere Lanzen 2 auf, mit denen die Einleitung von

Stoßwellen bzw. die Einleitung eines Behandlungsgases von außen in den Ofen 1 realisiert wird. Idealerweise werden die Lanzen 2 in die Blasformen bzw. Windformen des Ofens 1 eingesetzt. Um andere Reaktionszonen eines Schachtofens oder eines Hochofens zu beeinflussen bzw. zu optimieren, können an diesen Stellen geeignete Einleitungsöffnungen angebracht werden.

An jede Lanze 2 bzw. Einleitungsstelle kann eine eigene Anlage 3 für die Erzeugung der Stoßwellen bzw. für die Einleitung des Behandlungsgases angeschlossen sein. Je nach Menge des benötigten Behandlungsgases, der Stoßwellenintensität und der Größe bzw. des Umfangs des Ofens kann eine Anlage 3 mehrere Lanzen 2 bzw. mehrere

Einleitungsstellen versorgen. So ist es auch möglich, mit einer Ringleitung um den Umfang des Ofens 1 alle Lanzen 2 bzw. Einleitungsstellen mit derselben Anlage 3 zu versorgen. Es ist zu beachten, dass die Erzeugung der Stoßwellen und die Einleitung in den Ofen 1 nicht weit voneinander entfernt stattfinden, da die Intensität der Stoßwellen mit dem zurückgelegten Weg abnimmt.

Die Anlage 3 ist an eine Versorgungsleitung 8 angeschlossen, welche sicherstellt, dass die Anlage 3 mit der benötigten Menge an Gas und dem benötigten Gasdruck versorgt wird. Der Gasdruck der Druckvorlage, hier ausgeführt als Druckbehälter 6 mit zugehöriger Rohrleitung, kann beispielsweise 10 bar, insbesondere wenigstens 20 bar oder höher betragen.

Die Erzeugung von Stoßwellen bzw. die intermittierende Einleitung des Gases wird durch ein schnell öffnendes Ventil 9 ermöglicht. Insbesondere um die notwendige

Treibgasmenge darzustellen ist dem Ventil 9 idealerweise der Druckbehälter 6 - welcher möglichst durch eine Regelung mit einem definierten Druck bespannt wird - vorgeschaltet. Hierzu kann ein Druckregler 7 entweder in einer Zuleitung 10 direkt vor dem Druckbehälter 6, in der Versorgungsleitung 8 oder in einer Versorgungsleitung von mehren solchen Anlagen 3 vorgesehen sein. Die Anlage 3 kann zudem mit einer in einer Bypassleitung 11 befindlichen Regelstrecke 5 zur zusätzlichen kontinuierlichen Einleitung von Behandlungsgas ausgestattet sein. Der benötigte Gasvolumenstrom wird durch eine Regelarmatur eingestellt. Alternativ kann für den kontinuierlichen Gasstrom - anders als in Fig. 1 dargestellt - ein anderes Gas als für die Erzeugung der Stoßwellen benutzt werden. In diesen Fall wird eine zusätzliche Zuleitung benötigt.

Die Anlage 3 ist mit einer geeigneten Leitung 4 und den Lanzen 2 bzw. Einleitungsstellen derart verbunden, dass sowohl die erzeugten Stoßwellen bzw. der intermittierende Gasstrom als auch der kontinuierliche Gasstrom in den Ofen 1 eingeleitet werden können.

Die Anlage 3 ist zudem mit einer elektronischen Steuerung 12 ausgerüstet. Bei der Verwendung von mehreren Anlagen 3, beispielsweise wenn jede Lanze 2 bzw.

Einleitungsstelle mit einer eigenen Anlage 3 ausgerüstet ist, wird idealerweise eine zusätzliche übergeordnete Steuerung verwendet.

Bezugszeichenliste:

1: Ofen

2: Lanze

3: Anlage

4: Leitung

5: Regelstrecke

6: Druckbehälter

7: Druckregler

8: Versorgungsleitung

9: Ventil

10: Zuleitung

11: Bypassleitung

12: Steuerung