Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen, wobei das Verfahren umfasst

- Reduktion von eisenoxidhaltigen Einsatzstoffen zu einem teilreduzierten ersten Eisenprodukt in einer ersten

Reduktionsanlage mittels eines Reduktionsgases und Abziehen des bei der Reduktion verbrauchten Reduktionsgases als Topgas oder Offgas,

- Einbringen des teilreduzierten ersten Eisenprodukts, eines ersten sauerstoffhaltigen Gases und eines ersten

Kohlenstoffträgers in einen Einschmelzvergaser,

- Vergasung der Kohlenstoffträger mit dem sauerstoffhaltigen Gas und Aufschmelzen des teilreduzierten ersten Eisenprodukts zu dem flüssigen Roheisen unter Entstehung des

Reduktionsgases im Einschmelzvergaser,

- Einbringen zumindest einer Teilmenge des Reduktionsgases in die erste Reduktionsanlage mittels einer

Reduktionsgasleitung .

Bei einem solchen Schmelzreduktionsverfahren sind weiters in der Regel Gasreinigungsanlagen (einerseits für das Topgas oder Offgas aus der Reduktionsanlage, andererseits für das Reduktionsgas aus dem Einschmelzvergaser) , vorgesehen, sowie je nach Anlagenkonfiguration eine Vorrichtung zur C0 ₂ - Entfernung aus dem Top- oder Offgas, nach dem Stand der Technik meist mittels Druckwechsel-Adsorption, falls dieses einer zweiten Reduktionsanlage zugeführt oder innerhalb des Schmelzreduktionsverfahrens verwendet werden soll.

Bekannte Schmelzreduktionsverfahren sind der Corex®- und der Finex®-Prozes s . Der Corex®-Prozess ist ein zweistufiges Schmelzreduktionsverfahren. Die Schmelzreduktion kombiniert den Prozess der indirekten Reduktion (Vorreduktion von

Eisenoxid zu Eisenschwamm, oftmals auch als Direktreduktion bezeichnet) mit einem Schmelzprozess (einschließlich

Restreduktion) im sogenannten Einschmelzvergaser. Das ebenfalls bekannte Finex®-Verfahren unterscheidet sich vom Corex®-Verfahren durch den direkten Einsatz von Eisenerz als Feinerz, welches in mehreren hintereinander angeordneten Wirbelschichtreaktoren vorreduziert wird.

STAND DER TECHNIK

Zur Herstellung von flüssigem Roheisen, womit auch die

Herstellung roheisenähnlicher Produkte umfasst sein soll, gibt es im Wesentlichen zwei bekannte gängige Verfahren: das Hochofenverfahren und die Schmelzreduktion, letzteres beispielsweise als Corex®- oder Finex®-Verfahren . Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf die

Schmelzreduktion .

Bei der Schmelzreduktion kommt ein Einschmelzvergaser zum Einsatz, in dem heißes flüssiges Metall, bevorzugt Roheisen, hergestellt wird, sowie zumindest eine Reduktionsanlage, etwa zumindest ein Reduktionsreaktor, in dem der Träger des

Eisenerzes (Stückerz, Feinerz, Pellets, Sinter) mit

Reduktionsgas zumindest teilreduziert wird, wobei das

Reduktionsgas im Einschmelzvergaser durch Vergasung von hauptsächlich Kohle und Koks mit technisch reinem Sauerstoff (Sauerstoffgehalt von 90% oder mehr) erzeugt wird. Bei dieser Vergasung wird die erforderliche Prozesswärme erzeugt und das Reduktionsgas, welches für die vorgelagerten Prozessstufen, wie Vorwärmung, Trocknung, Eisenreduktion, Kalzinierung, etc. erforderlich ist. Teilreduziert bedeutet, dass der Reduktionsgrad des

Eisenträger-Materials im Reduktionsreaktor erhöht wird, der Reduktionsgrad aber unter 100% bleibt. Der typische

Reduktionsgrad nach der Reduktionsanlage liegt zwischen 50% und 90%. Der Reduktionsgrad RD ist ein Maß für den Abbau des Sauerstoffs aus dem Oxid des Eisenträger-Materials und wird durch folgende Formel beschrieben wobei 0 den Stoffmengenanteil des Eisenträger-Materials an Sauerstoff und Fe _tot den Stoffmengenanteil des Eisenträger- Materials an Eisen bezeichnet (jeweils in Mol%) .

Beim Schmelzreduktionsverfahren wird entweder so viel fester Kohlenstoffträger zugesetzt, dass die erzeugte

Reduktionsgasmenge ausreichend ist, um die gewünschte

Teilreduktion bei der Vorreduktion zu erreichen, mit dem Nachteil, dass die Menge der verbrauchten Kohlenstoffträger unwirtschaftlich hoch ist. Oder es wird weniger fester Kohlenstoffträger zugesetzt und die erforderliche

Reduktionsgasmenge durch Rückführung und Aufbereitung von unverbrauchtem Prozessgas zur Verfügung gestellt. Diese letztere Variante erfordert allerdings zusätzlich zumindest einen Kompressor und eine C0 ₂ -Entfernungsanlage, was erhöhte Investitionskosten und erhöhten Energieverbrauch während des Betriebs bedingt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Roheisen zur Verfügung zu stellen, mit welchem der Verbrauch von festen Kohlenstoffträgern im Einschmelzvergaser mit möglichst geringem Aufwand an zusätzlichen Einrichtungen bzw. Investitionen reduziert werden kann. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, indem bei einem eingangs beschriebenen Verfahren folgende weitere Schritte durchgeführt werden: - Einbringen eines zweiten gasförmigen und/oder flüssigen Kohlenstoffträgers sowie eines zweiten sauerstoffhaltigen Gases in einen Mischbereich innerhalb des Einschmelzvergasers oberhalb von dessen Festbett (Charbett),

- Vermischen des zweiten gasförmigen und/oder flüssigen Kohlenstoffträgers mit dem zweiten sauerstoffhaltigen Gas im Mischbereich, wobei zum Erreichen einer partiellen Oxidation des zweiten gasförmigen oder flüssigen Kohlenstoffträgers innerhalb des Mischbereichs das Verbrennungsluftverhältnis im Bereich von 0,2 bis 0,45 eingestellt wird, bevorzugt zwischen 0, 3 und 0, 35, und

- Durchmischen des aus der partiellen Oxidation

resultierenden Gases aus dem Mischbereich mit dem Gas im restlichen Volumen innerhalb des Einschmelzvergasers.

Erfindungsgemäß werden also wesentliche Mengen von nur flüssigen, nur gasförmigen oder flüssigen und gasförmigen Kohlenstoffträgern herangezogen, um daraus Reduktionsgas in Form von H ₂ und CO zu erzeugen, welches Reduktionsgas einen wesentlichen Teil des gesamten, im Einschmelzvergaser erzeugten Reduktionsgases bildet. Die Bezeichnung „zweiter Kohlenstoffträger" bedeutet, dass dieser vom ersten

Kohlenstoffträger verschieden ist. Der zweite

Kohlenstoffträger kann aber selbst wieder verschiedene Stoffe umfassen und auch an mehreren Stellen des Einschmelzvergasers eingebracht werden, insofern kann er selbstverständlich auch dritte, vierte, usw. flüssige und/oder feste

Kohlenstoffträger umfassen. Der zweite gasförmige oder flüssige Kohlenstoffträger kann insbesondere Erdgas,

Koksofengas, Alkane und Aromate (beispielsweise Kokerei-Teer) enthalten .

Das zweite sauerstoffhaltige Gas ist vorzugsweise technisch reiner Sauerstoff mit einem 0 ₂ -Gehalt von zumindest 90%.

Damit kann der Stickstoff-Eintrag in den Einschmelzvergaser gering gehalten werden. Auch hier gilt, dass das „zweite sauerstoffhaltige Gas" Gas aus mehreren Quellen enthalten kann und an mehreren Stellen in den oder die entsprechenden Mischbereiche des Einschmelzvergasers eingebracht werden kann, wobei alle diese Gase als „zweites sauerstoffhaltiges Gas" bezeichnet werden.

Es wird also erfindungsgemäß ein zweiter gasförmiger oder flüssiger Kohlenstoffträger, räumlich unabhängig vom ersten Kohlenstoffträger, und ein zweites sauerstoffhaltiges Gas, ebenfalls räumlich unabhängig vom ersten sauerstoffhaltigen Gas, in einen Mischbereich (oder mehrere Mischbereiche) innerhalb des Einschmelzvergasers eingebracht. Dieser

Mischbereich ist vom restlichen Volumen innerhalb des

Einschmelzvergasers hinsichtlich Gasströmungen, Reaktionen und Temperatur möglichst nicht beeinflusst, damit

sichergestellt wird, dass zweiter Kohlenstoffträger und zweites sauerstoffhaltiges Gas miteinander vermischt werden, ohne dass wesentliche Teile des Reduktionsgases, das sich innerhalb des Einschmelzvergasers befindet, bereits zu dieser Mischung hinzutritt, bevor zweiter Kohlenstoffträger und zweites sauerstoffhaltiges Gas miteinander reagiert haben.

Durch die Mischung von zweitem Kohlenstoffträger und zweitem sauerstoffhaltigen Gas beim erfindungsgemäßen

Verbrennungsluftverhältnis kommt es zu einer partiellen Oxidation, das heißt, die Kohlenwasserstoffe des zweiten Kohlenstoffträgers werden zum überwiegenden Teil zu

Kohlenstoffmonoxid CO und Wasserstoff H ₂ umgesetzt und stehen somit als reduzierende Bestandteile des Reduktionsgases zur Verfügung .

Zu einem kleinen Teil (kleiner 25%) werden im Mischbereich der Sauerstoff des sauerstoffhaltigen Gases und die

Kohlenwasserstoffe vollständig oxidiert zu Kohlenstoffdioxid CO ₂ und Wasser H ₂ 0. Damit wird sichergestellt, dass die

Temperaturen im Mischbereich ausreichend hoch sind (oberhalb 1000 °C) , um eine hohe Umsetzungsrate zu Reduktionsgas zu erreichen . Ebenfalls zu einem kleinen Teil (kleiner 10%) werden die Kohlenwasserstoffe des zweiten Kohlenstoffträgers nicht zerlegt oder nur in kleinere Kohlenwasserstoffe. Diese nicht oder nur teilweise zerlegten Kohlenwasserstoffe können dann im restlichen Volumen innerhalb des EinschmelzVergasers durch als Katalysator wirkende, ohnehin vorhandene Staubpartikel, welche unter anderem auch metallisches Eisen enthalten, weiter zerlegt werden, ohne dass ein Zusatz von Katalysatoren notwendig wäre. Deshalb wird das aus dem Mischbereich resultierende Gas auch dem restlichen Volumen innerhalb des Einschmelzvergasers zugeführt.

Für das Mischen im Mischbereich sind nicht zwingend

bewegliche Einrichtungen vorzusehen, meist wird allein durch entsprechenden Druck und/oder entsprechende Richtungen beim Einbringen des zweiten Kohlenstoffträgers und des zweiten sauerstoffhaltigen Gases eine ausreichende Mischung erzielt werden. Das heißt, die Richtung des zweiten

Kohlenstoffträgers beim Einbringen in den Mischbereich kann verschieden sein von der Richtung des zweiten

sauerstoffhaltigen Gases beim Einbringen in den Mischbereich,

Ebenso ist für das Durchmischen des resultierenden Gases aus dem Mischbereich mit dem Gas im restlichen Volumen des

Einschmelzvergasers wohl keine eigene bewegliche Einrichtung nötig, sondern werden ebenso allein durch Druck und Richtung beim Einbringen des zweiten Kohlenstoffträgers und des zweiten sauerstoffhaltigen Gases bewirkt, weil ja ohnehin eine räumliche Verbindung des Mischbereichs mit dem

restlichen Volumen des Einschmelzvergasers besteht. Durch die aufgrund der partiellen Oxidation entstehende Wärme und durch die Verwirbelung von zweitem Kohlenstoffträger mit zweitem sauerstoffhaltigem Gas vermischt sich das resultierende Gas aus dem Mischbereich mit dem Gas im restlichen

Einschmelzvergaser .

Das Verbrennungsluftverhältnis wird meist mit Lambda

bezeichnet und auch Luftverhältnis oder Luftzahl genannt. Es ist eine dimensionslose Kennzahl aus der Verbrennungslehre, die das stöchiometrische Verhältnis aus Luft, hier dem zweiten sauerstoffhaltigen Gas, und Brennstoff, hier dem zweiten Kohlenstoffträger, in einem Verbrennungsprozess angibt. Mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsluftverhältnis kann bei der partiellen Oxidation ein Oxidationsgrad von kleiner 25%, insbesondere kleiner 15% erzielt werden und eine durchschnittliche Temperatur von 1150-1500°C im Mischbereich von zweitem sauerstoffhaltigen Gas und zweitem

Kohlenstoffträger .

Zwar ist es grundsätzlich bekannt, auch gasförmige

Kohlenstoffträger zusätzlich zu den stückigen ersten

Kohlenstoffträgern in einen Einschmelzvergaser einzubringen, siehe hierzu etwa die WO 2015/000604 AI, wo bei einer

Ausführungsvariante schwefelhaltiges Gas zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas in den Einschmelzvergaser eingebracht wird. Allerdings erfolgt das Einbringen mittels eines herkömmlichen Sauerstoffbrenners , dessen Betriebsweise nämlich nicht ausgerichtet ist, durch Einstellen eines vordefinierten Mischungsverhältnisses das Ausbringen von Reduktionsgas (H ₂ und CO) zu maximieren bei gleichzeitiger Minimierung der Bildung von C0 ₂ , H ₂ 0 und C. Zudem mangelt es dem herkömmlichen Sauerstoffbrenner gemäß der WO 2015/000604 AI an einem definierten räumlichen Mischbereich innerhalb des Einschmelzvergasers für ein Vermischen von Gas und

Sauerstoff. Zumindest wird in der WO 2015/000604 AI im

Sauerstoffbrenner keine partielle Oxidation unter

kontrollierten Bedingungen geoffenbart. Ein Einsatz von größeren Mengen von gasförmigen Kohlenstoffträgern, wie beim erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund des Mischbereichs möglich, kann mit herkömmlichen Sauerstoffbrennern ohne gezielte Kontrolle des sauerstoffhaltigen Gases im Verhältnis zu den gasförmigen Kohlenstoffträgern nicht erreicht werden, weil ohne Kontrolle der Oxidationsgrad des gebildeten

Reduktionsgases für die Vorreduktion der Eisenträger in der ersten Reduktionsanlage zu hoch werden würde. Um im Mischbereich ohne weitere Einrichtungen eine

ausreichend hohe Temperatur für die partielle Oxidation bei gleichzeitig hohem Austrag der Reduktionsgaskomponenten CO und H ₂ sicherzustellen, ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass der Mischbereich vom im Einschmelzvergaser befindlichen Reduktionsgas umgeben wird. Dadurch werden die Wärmeverluste des Mischbereichs minimiert . Das den

Mischbereich umgebende Gas innerhalb des EinschmelzVergasers hat typischer Weise eine Temperatur von 1050°C, die

Reaktions zone im Mischbereich eine Temperatur von 1150- 1500°C, sodass der Reaktionsbereich des Mischbereichs durch das umgebende Gas jedenfalls nicht wesentlich abkühlt. Der Staub im Gas innerhalb des Einschmelzvergasers, das den Mischbereich umgibt, verringert zusätzlich den Wärmeverlust durch Abstrahlung des Mischbereichs zum umgebenden

Reduktionsgas hin.

Um eine möglichst ungestörte Vermischung von zweitem

Kohlenstoffträger und zweitem sauerstoffhaltigen Gas zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass der Mischbereich vom restlichen Volumen innerhalb des Einschmelzvergasers zumindest teilweise räumlich abgetrennt ist.

Dazu kann vorgesehen sein, dass der Mischbereich zumindest teilweise durch eine nach außen gerichtete Ausstülpung der Innenwand des Einschmelzvergasers gebildet wird. Die

Innenwand des Einschmelzvergasers ist also in einem

begrenzten Bereich, im Verhältnis zum umgebenden Bereich, nach außen gewölbt. Die Ausstülpung kann etwa annähernd die Form eines Zylinders oder die Form einer Kugelkalotte, insbesondere einer Halbkugel, haben. Insbesondere kann die Ausstülpung als Rohr ausgebildet sein.

Dort, wo die Ausstülpung an den umgebenden Bereich der Innenwand des Einschmelzvergasers anschließt (also an der gedachten Fortsetzung der Innenwand des Einschmelzvergasers, wenn keine Ausstülpung vorhanden wäre) , kann die

Querschnittsfläche (immer parallel zur Fläche der nicht ausgestülpten Innenwand gesehen) der Ausstülpung am größten sein, wie das bei einer Ausstülpung in Form einer

Kugelkalotte der Fall wäre. Es kann aber auch sein, dass die Ausstülpung weiter außen eine größere Querschnittsfläche aufweist, das heißt, dass die Ausstülpung dort, wo sie an den umgebenden Bereich der Innenwand anschließt, eine

Einschnürung aufweist. Diese Einschnürung dient dazu, den Mischbereich besser vom restlichen Volumen des

Einschmelzvergasers abzugrenzen. In jedem Fall kann der durch eine Ausstülpung gebildete Mischbereich zusätzlich durch Trennwände, die in das Innere des Einschmelzvergasers ragen, vergrößert werden.

Um gute Bedingungen für eine katalytische Reaktion von nicht zerlegten Kohlenwasserstoffen bei Austritt aus dem

Mischbereich zu erzielen, kann vorgesehen sein, dass der Mischbereich sich über dem Festbett des Einschmelzvergasers in einem Temperaturbereich von 1000-1100°C befindet,

insbesondere um 1050°C. Dies wird in der Regel der Fall sein, wenn sich der Mischbereich 1-2 m oberhalb des Festbetts des Einschmelzvergasers befindet, z.B. auf gleicher Höhe, auf der auch die Staubbrenner angeordnet sind. Dies stellt zusätzlich eine ausreichende Verweilzeit nach der Vermischung des Gases aus dem Mischbereich mit dem übrigen Reduktionsgas, das nicht aus dem Mischbereich stammt, sicher.

Um einen möglichst hohen Ertrag von Reduktionsgas bei einem möglichst geringen Eintrag von festen Kohlenstoffträgern zu erzielen, kann vorgesehen sein, dass im Falle eines

gasförmigen zweiten Kohlenstoffträgers, beispielsweise in Form von Erdgas, dem Einschmelzvergaser pro Tonne Roheisen mehr als 100 m ³ vom zweiten Kohlenstoffträger zugeführt werden, insbesondere mehr als 140 m ³ pro Tonne Roheisen.

Durch die erfindungsgemäße partielle Oxidation von flüssigen oder gasförmigen Kohlenstoffträgern mit technisch reinem Sauerstoff kann im Einschmelzvergaser für die erste

Reduktionsanlage ein besonders Stickstoffarmes Reduktionsgas hergestellt werden, da das Gasrecycling von Top- oder Offgas zum Reduktionsgas entfallen kann sowie auch das Einbringen von pulverförmiger Kohle, was meist mittels Stickstoff als Fördermittel erfolgt. Deshalb ist das erfindungsgemäß hergestellte Reduktionsgas auch gut für den Einsatz in einer nachgeschalteten Direktreduktionsanlage geeignet. Dabei kann etwa ein Reformer zur Herstellung des Reduktionsgases für die Direktreduktionsanlage entfallen, da das Reduktionsgas durch das erfindungsgemäße Verfahren im Einschmelzvergaser

hergestellt wird. Entsprechend kann daher vorgesehen sein, dass das Topgas oder Offgas zumindest teilweise in eine zweite Reduktionsanlage eingebracht wird, die als

Direktreduktionsschacht oder als Wirbelschicht ausgebildet ist und in der weitere eisenoxidhaltige Einsatzstoffe zu einem teilreduzierten zweiten Eisenprodukt, insbesondere zu Eisenschwamm, reduziert werden.

In einer Direktreduktionsanlage werden stückige

Eisenerzträger (Stückerz oder Pellets) oder Feinerz im festen Zustand bei 750-1000°C durch Reduktionsgas reduziert. Dabei entsteht direkt reduziertes Eisen (englisch: direct reduced iron, kurz DRI), das auch als Eisenschwamm bezeichnet wird. Die Direktreduktionsanlage enthält als Herzstück einen

Reduktionsreaktor, der entweder als Reduktions Schacht im Sinne eines Festbettreaktors oder in Form von

Wirbelschichtreaktoren ausgebildet ist, in den bzw. in die das stückige Eisenerz oder Feinerz und das Reduktionsgas eingebracht werden. Eine Direktreduktionsanlage kann aber auch Eisenbriketts erzeugen, wobei die heißen reduzierten Oxidmaterialien mittels Heißbrikettierung zu größeren Einheiten agglomeriert werden (englisch: hot briquetted iron, kurz HBI oder hot compacted iron, kurz HCl) . Auch sogenanntes niedrig

reduziertes Eisen (englisch: low reduced iron, kurz LRI ) kann bei entsprechender Verfahrensführung aus dem

Reduktionsschacht oder Wirbelschichtreaktor einer

Direktreduktionsanlage abgezogen werden. Ein möglicher Einschmelzvergaser zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst zumindest

- eine Eisenproduktzufuhrleitung zum Einbringen des

teilreduzierten ersten Eisenprodukts,

- eine Medienzufuhrleitung zum Einbringen eines ersten sauerstoffhaltigen Gases und

- eine Zufuhrleitung zum Einbringen eines ersten

Kohlenstoffträgers in den Einschmelzvergaser .

Der Einschmelzvergaser ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kohlenstofftragerleitung zum Einbringen eines zweiten gasförmigen und/oder flüssigen Kohlenstoffträgers sowie zumindest eine Medienzufuhrleitung zum Einbringen eines zweiten sauerstoffhaltigen Gases in einen Mischbereich innerhalb des Einschmelzvergasers oberhalb von dessen

Festbett vorgesehen ist, wobei der Mischbereich zumindest teilweise durch eine nach außen gerichtete Ausstülpung der Innenwand des Einschmelzvergasers gebildet wird.

Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass der

Einschmelzvergaser eine Kuppel und einen daran anschließenden konischen Bereich aufweist und sich die Ausstülpung innerhalb von 50-100%, insbesondere innerhalb von 50-75%, der Höhe des konischen Bereichs befindet. Oder es kann vorgesehen sein, dass der Einschmelzvergaser eine Kuppel und einen daran anschließenden konischen Bereich aufweist, wobei der untere Teil der Kuppel als zylindrischer Bereich ausgebildet ist, und sich die Ausstülpung innerhalb des zylindrischen Bereichs befindet .

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vermehrt flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe für die Erzeugung von flüssigen Stahlvorprodukten verwendet werden können, und weniger feste Kohlenstoffträger verwendet werden müssen. Letztere sind in manchen Regionen schlechter verfügbar als flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe. Da flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe einen höheren Anteil an Wasserstoff aufweisen als feste Kohlenstoffträger kann dieser Wasserstoff einfach für die Reduktion verwendet werden. Kompressoren und C0 ₂ -Entfernungsanlagen und damit verbundene Energiekosten können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingespart werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beispielhaften und schematischen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Verbundanlage aus

Einschmelzvergaser, erster und zweiter Reduktionsanlage, Fig. 2 zeigt den Einschmelzvergaser aus Fig. 1, mit einer ersten Ausführungsform des Mischbereichs,

Fig. 3 zeigt den Einschmelzvergaser aus Fig. 1, mit einer zweiten Ausführungsform des Mischbereichs durch eine

Ausstülpung in Form eines Rohres.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Fig. 1 zeigt eine Anlage zum Durchführen des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von flüssigem Roheisen 1 in der Ausführung einer Corex®-Direktreduktions- Verbundanlage . Einer ersten Reduktionsanlage 4, einem Corex®- Reduktionsschacht mit Festbett, werden über einer

Zufuhrleitung 20 zur Zufuhr von eisenoxidhaltigen

Einsatzstoffen 2 die eisenoxidhaltigen Einsatzstoffe 2 zugeführt .

Die eisenoxidhaltigen Einsatzstoffe 2 werden mittels eines Reduktionsgases 5 zu einem teilreduzierten ersten

Eisenprodukt 3 reduziert, welches anschließend über eine oder mehrere in einen Einschmelzvergaser 11 mündende

Eisenproduktzufuhrleitungen 22 in den Einschmelzvergaser 11 eingebracht wird. Das Eisenprodukt 3 umfasst im Rahmen des vorliegenden Textes Eisen sowohl in oxidierter,

beispielsweise oxidischer, Form, als auch in reduzierter, also metallischer, Form. Im Eisenprodukt 3 kann das Eisen in beiden Formen vorliegen; dann ist beispielsweise von

vorreduziertem Eisenträger-Material die Rede, welches gegenüber metallischer Form zwar noch nicht vollständig fertig reduziert ist, gegenüber einem vorherigen Zustand jedoch schon stärker reduziert ist. Es kann auch in nur einer der beiden Formen vorliegen. Im Fall von Corex® ist das Eisenprodukt 3 beispielsweise heißes, sogenanntes direkt reduziertes Eisen (direct reduced iron, DRI), oder

entsprechendes Eisenträger-Material mit einer Metallisierung, die es noch nicht als DRI qualifiziert. Beim Corex®-Verfahren wird das Eisenprodukt 3 aus dem mit heißem Reduktionsgas 5 begasten Reduktionsschacht der ersten Reduktionsanlage 4 ausgetragen und mittels Schwerkraft über ein oder mehrere Fallbeine, und gegebenenfalls Verteilklappen, in den

Einschmelzvergaser 11 befördert. Es können beispielsweise mehrere, über den Umfang der Kuppel des Einschmelzvergasers 11 verteilte Fallbeine vorgesehen sein.

Zusätzlich werden in den Einschmelzvergaser 11 als erster Kohlenstoffträger 10 feste Kohlenstoffträger, als Stückkohlen und/oder agglomerierte Feinkohle und/oder kohlehaltige

Briketts, über eine Zufuhrleitung 23 und erstes

sauerstoffhaltiges Gas 9, 9a über Medienzufuhrleitungen 24 eingebracht. Die Chargierung von erstem Kohlenstoffträger 10 und teilreduziertem Eisenprodukt 3 in den Einschmelzvergaser 11 erfolgt in der Regel voneinander getrennt. Der erste Kohlenstoffträger 10 wird beispielsweise aus einem

Vorratsbehälter für kohlehaltiges Material über

Förderschnecken einer zentral in der Kuppel des

Einschmelzvergasers 11 angebrachten Verteilvorrichtung zugeführt, von welcher der erste Kohlenstoffträger 10 bei der Eingabe in den Einschmelzvergaser 11 über den Querschnitt des Einschmelzvergasers 11 verteilt wird, siehe hierzu Fig. 2 und 3. Die in den Einschmelzvergaser 11 eingebrachten

Kohlenstoffträger 10 sowie gegebenenfalls die Feinkohle 14 werden mittels des sauerstoffhaltigen Gases 9a unter

Entstehung des Reduktionsgases 5 vergast. Es entsteht ein Gasgemisch, das hauptsächlich aus CO und H ₂ besteht.

Das Reduktionsgas 5 wird über die Reduktionsgasleitung 12 in die erste Reduktionsanlage 4 eingebracht, wobei zuvor eine Entstaubung in einer Entstaubungseinrichtung 26 erfolgt. Der abgeschiedene Staub wird wieder dem Einschmelzvergaser 11 zugeführt, nämlich mittels eines oder mehrerer Staubbrenner 17. Das in den Einschmelzvergaser 11 eingebrachte erste

Eisenprodukt 3 wird durch die bei der Vergasung der

Kohlenstoffträger 10 entstehende Wärme zu dem flüssigen Roheisen 1 aufgeschmolzen. Das im Einschmelzvergaser 11 erschmolzene heiße Metall und die Schlacke werden abgezogen.

Das bei der Reduktion der eisenoxidhaltigen Einsatzstoffe 2 verbrauchte Reduktionsgas wird als Topgas 6 bezeichnet und aus der ersten Reduktionsanlage 4 über eine Exportgasleitung 19 als Exportgas abgezogen und hier mittels Nasswäscher 32 gereinigt. Das Exportgas kann in einem Kompressor 33

komprimiert, anschließend einer C02~Entfernung 21 und einer Aufheizung 31 unterworfen und in eine zweite Reduktionsanlage 7 zur Herstellung eines teilreduzierten zweiten Eisenprodukts 8, insbesondere Direct Reduced Iron (DRI) in Form von

Eisenschwamm, eingebracht werden. Für diese zweite

Reduktionsanlage 7 entfällt somit eine eigene Anlage zur Reduktionsgaserzeugung, beispielsweise ein Reformer, da dieser Prozess im Einschmelzvergaser 11 stattfindet. Ein Teil des Reduktionsgases 5 kann nach Austritt aus dem Einschmelzvergaser 11 in einem Nasswäscher 27 weiter

gereinigt, gekühlt und dem Exportgas 6 zugemischt werden. Der Einschmelzvergaser 11 verfügt über drei Arten von in den Einschmelzvergaser 11 mündenden Einbringelementen, welche als Sauerstoffdüse 15, als Staubbrenner 17 und als Mischbereich 18 ausgebildet sind, welche aber jeweils auch in mehrfacher Ausführung vorhanden sein können. Außenseitig, bezogen auf den Einschmelzvergaser 11, sind die Einbringelemente mit den Medienzufuhrleitungen 24 für das zweite sauerstoffhaltige Gas 9b verbunden. Es ist zumindest eine Kohlenstoffträgerleitung 25 vorhanden, mittels welcher der zweite Kohlenstoffträger 13, der flüssig und/oder gasförmig sein kann, in den

Einschmelzvergaser 11 eingebracht wird. Es kann zusätzlich auch, sofern der zweite Kohlenstoffträger gasförmig ist, jeweils eine Kohlenstoffträgerleitung 25 in die

Reduktionsgasleitung 12 münden.

Über die Kohlenstoffträgerleitung 25, welche in den

Mischbereich 18 mündet, wird dem Einschmelzvergaser 11 ein zweiter Kohlenstoffträger 13 in flüssiger und/oder in Gasform zugeführt, beispielsweise Koksofengas oder Erdgas.

Koksofengas hat eine typische Zusammensetzung von

65 Volumsprozent Wasserstoff (H ₂ ) ,

2,5 Volumsprozent Stickstoff (N ₂ ) ,

6 Volumsprozent Kohlenmonoxid (CO) ,

22 Volumsprozent Methan (CH ₄ ) ,

3 Volumsprozent andere Kohlenwasserstoffe (C _n H _m ) ,

1,5 Volumsprozent Kohlendioxid (C0 ₂ ) .

Die Kohlenstoffträgerleitung 25 kann in diesem Fall mit einer Kokerei verbunden sein.

Erdgas hat eine typische Zusammensetzung von

75-99 Volumsprozent Methan,

1-15 Volumsprozent Ethan,

1-10 Volumsprozent Propan.

Darüber hinaus kann Schwefelwasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid enthalten sein. Der zweite Kohlenstoffträger 13 und zweites

sauerstoffhaltiges Gas 9b in Form von technisch reinem

Sauerstoff werden in den Mischbereich 18 eingebracht, der knapp über dem Festbett des Einschmelzvergasers 11 in dessen Inneren vorgesehen ist, hier auf gleicher Höhe wie der

Staubbrenner 17, unterhalb der Kuppel. Der Mischbereich 18 ist hier nicht durch Einbauten, wie Trennwände, vom

restlichen Innenraum des Einschmelzvergasers 11 abgetrennt. Im Betrieb des Einschmelzvergasers 11 ist der Mischbereich 18 durch die Reaktionszone (Flamme) erkennbar, die bei der vollständigen Oxidation eines kleinen Teils (kleiner 25%) des zweiten Kohlenstoffträgers 13 zu Kohlenstoffdioxid C0 ₂ und Wasser H ₂ 0 entsteht. Die Medienzufuhrleitung 24 für das zweite sauerstoffhaltige Gas 9b und die

Kohlenstoffträgerleitung 25 münden in den Mischbereich 18. Die beiden Leitungen können einen spitzen Winkel miteinander einschließen, sodass sich zweites sauerstoffhaltiges Gas 9b und zweiter Kohlenstoffträger 13 innerhalb des Mischbereichs 18 aufeinander zu bewegen und dadurch vermischen. Es können auch mehrere Düsen für jedes der beiden Medien 9b, 13 vorgesehen sein, die so angeordnet sind, dass sich eine Verwirbelung der beiden Medien 9b, 13 ergibt, wenn diese durch die Düsen in den Mischbereich 18 eintreten.

Durch die Mischung von zweitem Kohlenstoffträger 13 und zweitem sauerstoffhaltigen Gas 9b im Mischbereich 18 kommt es zu einer partiellen Oxidation, das heißt, die

Kohlenwasserstoffe des zweiten Kohlenstoffträgers 13 werden zum überwiegenden Teil zu Kohlenstoffmonoxid CO und

Wasserstoff H ₂ umgesetzt. Zu einem kleinen Teil (kleiner 25%) werden im Mischbereich 18 der Sauerstoff des

sauerstoffhaltigen Gases 9b und die Kohlenwasserstoffe vollständig oxidiert zu Kohlenstoffdioxid C0 ₂ und Wasser H ₂ 0. Dabei entsteht eine Flamme mit einer Flammtemperatur von mehr als 1000 °C, nämlich etwa zwischen 1150 und 1500°C, wodurch eine ausreichend hohe Temperatur für die Umsetzung zu

Reduktionsgas vorliegt . Der kleine Teil (kleiner 10%) von Kohlenwasserstoffen des zweiten Kohlenstoffträgers 13, der im Mischbereich 18 nicht oder nur in kleinere Kohlenwasserstoffe zerlegt wird, kann dann im restlichen Volumen innerhalb des EinschmelzVergasers 11 durch als Katalysator wirkende, ohnehin vorhandene

Staubpartikel, welche unter anderem auch metallisches Eisen enthalten, weiter zerlegt werden.

Selbstverständlich können mehrere solcher Mischbereiche 18 vorgesehen sein, z.B. mehrere Mischbereiche 18 auf gleicher

Höhe und über den Umfang des Einschmelzvergasers 11 verteilt, oder mehrere Mischbereiche 18 übereinander, oder mehrere Mischbereiche übereinander und über den Umfang verteilt . In Fig. 2 ist der Einschmelzvergaser 11 aus Fig. 1 allein dargestellt. Ein erster Kohlenstoffträger 10 in Form von Kohle (durchgezogene Linien) wird durch den mittleren Auslass in der Kuppel 30, in welchen die Zufuhrleitung 23 mündet, in den Einschmelzvergaser 11 eingebracht. Der erste

Kohlenstoffträger 10 wird dabei durch eine zentral in der Kuppel des Einschmelzvergasers 11 angebrachte

Verteilvorrichtung (nicht dargestellt) zugeführt, von welcher der erste Kohlenstoffträger 10 über den Querschnitt des Einschmelzvergasers 11 verteilt wird.

Das Eisenprodukt 3 aus dem Reduktionsschacht der ersten Reduktionsanlage 4, nämlich direkt reduziertes Eisen DRI, wird mittels Schwerkraft über mehrere, als Fallbeine

ausgebildete Eisenproduktzufuhrleitungen 22, in den

Einschmelzvergaser 11 befördert. Es sind mehrere solcher Fallbeine über den Umfang der Kuppel 30 des

Einschmelzvergasers 11 verteilt.

Eisenprodukt 3 und Kohlenstoffträger 10 fallen durch die Kuppel 30 nach unten in den konischen Bereich 29 des

Einschmelzvergasers 11 und bilden dort das Festbett 34, das den konischen Bereich 29 hier etwa bis zur Hälfte füllt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den unteren Teil der Kuppel 30 in Form eines Zylinders zu verlängern und den konischen Bereich 29 zu verkürzen. In diesem Fall könnte der konische Bereich 29 sogar vollständig mit Festbett 34 gefüllt werden. Der Durchtritt der Kohlenstoffträgerleitung 25 und der Medienzufuhrleitung 24 bzw. des dargestellten

Leitungsstücks, und damit auch der Mischbereich 18, würden dann im verlängerten unteren zylindrischen Bereich der Kuppel 30 angeordnet werden. Im Zentrum des Festbetts 34 unterhalb von dessen Oberfläche findet sich eine reaktionsfreie Zone, die als toter Mann 35 bezeichnet wird.

Sowohl der zweite Kohlenstoffträger 13 als auch das zweite sauerstoffhaltige Gas 9b werden hier mittels eines

Leitungsstücks, welches eine Fortsetzung bzw. Vereinigung der Kohlenstoffträgerleitung 25 und der Medienzufuhrleitung 24 darstellt, durch die Wand des konischen Bereichs 29 geführt. Kohlenstoffträger 13 und zweites sauerstoffhaltiges Gas 9b können bereits in diesem Leitungsstück vermischt werden. Sie können aber auch noch getrennt in diesem Leitungsstück geführt (etwa in konzentrischen Rohren) und sich erst in einem Endbereich des Leitungsstücks, das z.B. als Düse ausgebildet ist, vermischen oder erst nach dem Ende des Leitungsstücks im Inneren des Einschmelzvergasers 11.

Jedenfalls findet im Mischbereich 18, der an das dargestellte Leitungsstück anschließt, das (weitere) Vermischen von

Kohlenstoffträger 13 und zweitem sauerstoffhaltigem Gas 9b und eine partielle Oxidation statt.

Der Durchtritt der Kohlenstoffträgerleitung 25 und der

Medienzufuhrleitung 24 bzw. des dargestellten Leitungsstücks liegt hier etwa zwischen 50-75% der Höhe des konischen

Bereichs 29 (von unten gemessen) des Einschmelzvergasers 11. Damit befindet sich auch der Mischbereich 18 etwa zwischen 50-75% der Höhe des konischen Bereichs 29. Je nach

Ausführungsform kann die Anordnung auch oberhalb 75 % des konischen Bereiches 29 bzw. im unteren Teil der Kuppel 30 liegen, etwa wenn der untere Teil der Kuppel 30 als

zylindrischer Bereich ausgebildet ist. In Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante für den Mischbereich 18 in Form eine Ausstülpung dargestellt, die hier durch ein zylindrisches Rohr 28 gebildet wird. Sonst ist der Aufbau des Einschmelzvergasers 11 und der Corex®-Anlage gleich zu Fig. 1 bzw . Fig . 2.

Das zylindrische Rohr 28 ist in eine entsprechende Öffnung im Einschmelzvergaser 11 eingesteckt und schließt plan mit der Innenwand des Einschmelzvergasers 11 ab, ragt also nicht in das Volumen innerhalb des EinschmelzVergasers 11 hinein. Die Medienzufuhrleitung 24 für das zweite sauerstoffhaltige Gas 9b und die Kohlenstofftragerleitung 25 für den zweiten

Kohlenstoffträger 13 münden beide in den Mischbereich 18, der einerseits durch das Rohr 28 selbst gebildet wird,

andererseits auch in das restliche Volumen des

Einschmelzvergasers 11 hineinragt. Innerhalb des Rohres 28 kann eine ungestörte Durchmischung des zweiten

sauerstoffhaltigen Gases 9b und des zweiten

Kohlenstoffträgers 13 erfolgen, die Energie für die partielle Oxidation innerhalb des Rohrs 28 muss dabei ebenfalls durch die partielle Oxidation des zweiten Kohlenstoffträgers 13 aufgebracht werden, wobei die Verluste durch eine

entsprechende Feuerfestauskleidung des Rohres 28 gering gehalten werden.

Um sicherzustellen, dass sich der Mischbereich 18 möglichst in das Innere des EinschmelzVergasers 11 erstreckt und somit die Wärmeverluste im Mischbereich 18 gering gehalten werden, kann die Längsachse des Rohrs 28 normal zur Tangentialebene der Innenwand des EinschmelzVergasers 11 ausgerichtet sein. In Fig. 3 ist das Rohr 28 annähernd waagrecht ausgerichtet.

Der Durchmesser des Rohres 28 beträgt in der Regel ein

Mehrfaches des Durchmessers einer Medienzufuhrleitung 24 oder einer Kohlenstoffträgerleitung 25 oder eines Staubbrenners 17 oder der Austrittsöffnung einer Sauerstoffdüse 15. Um mehr vom zweiten Kohlenstoffträger 13 umsetzen zu können, können mehrere Rohre 28 pro Einschmelzvergaser 11 vorgesehen sein. Dabei können die Rohre 28 und die zugehörigen

Mischbereiche 18 - wie bei Fig. 1 erläutert - über den Umfang und/oder die Höhe des Einschmelzvergasers 11 verteilt sein.

Die beiden Leitungen 24, 25 können wieder einen spitzen Winkel miteinander einschließen, sodass sich zweites

sauerstoffhaltiges Gas 9b und zweiter Kohlenstoffträger 13 innerhalb des Mischbereichs 18, insbesondere innerhalb des

Rohres 28, aufeinander zu bewegen und dadurch vermischen. Es können auch mehrere Düsen für jedes der beiden Medien 9b, 13 vorgesehen sein, die so angeordnet sind, dass sich eine Verwirbelung der beiden Medien 9b, 13 ergibt, wenn diese durch die Düsen in den Mischbereich 18, insbesondere in das Rohr 28, eintreten.

Sowohl für Mischbereiche 18 ohne Ausstülpung als auch für Mischbereiche 18 mit Ausstülpung gilt, dass diese bevorzugt 1-2 m oberhalb des Festbetts 34 angeordnet sind. Der oder die Mischbereiche 18 können sich zum Beispiel, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, unterhalb der Kuppel 30 des

Einschmelzvergasers 11 im konischen Bereich 29 des

Einschmelzvergasers 11 oder im unteren Teil der zylindrisch verlängerten Kuppel 30 befinden. Der konischen Bereich 29 ist der sich Kegelstumpf-förmig nach oben erweiternde Teil des Einschmelzvergasers 11, an den die annähernd halbkugelförmige Kuppel 30 anschließt. Wird statt der CorexO-Anlage eine FinexO-Anlage verwendet, so wird nach dem letzten der drei bis vier

Wirbelschichtreaktoren, in welchen die Vorreduktion des Feinerzes stattfindet, ein Teilstrom des Offgases als

Exportgas entnommen und sonst wie in Fig. 1 verwendet. Dem Exportgas kann wie bei der CorexO-Anlage auch ein Teil des Überschussgases aus dem Einschmelzvergaser 11 zugegeben werden . Liste der Bezugszeichen:

I flüssiges Roheisen

2 eisenoxidhaltige Einsatzstoffe

3 teilreduziertes erstes Eisenprodukt

4 erste Reduktionsanlage

5 Reduktionsgas

6 Topgas

7 zweite Reduktionsanlage

8 teilreduziertes zweites Eisenprodukt

9 sauerstoffhaltiges Gas

9a erstes sauerstoffhaltiges Gas

9b zweites sauerstoffhaltiges Gas

10 erster Kohlenstoffträger

II Einschmelzvergaser

12 Reduktionsgasleitung

13 zweiter Kohlenstoffträger

14 Feinkohle

15 Sauerstoffdüse

16 Staub

17 Staubbrenner

18 Mischbereich

19 Exportgasleitung

20 Zufuhrleitung zur Zufuhr von eisenoxidhaltigen Einsatzstoffen

21 C0 ₂ -Entfernung

22 Eisenproduktzufuhrleitung

23 Zufuhrleitung für den ersten Kohlenstoffträger 10 24 Medienzufuhrleitung

25 Kohlenstoffträgerleitung

26 Entstaubungseinrichtung

27 Nasswäscher

28 Ausstülpung (Rohr)

29 konischer Bereich des EinschmelzVergasers 11

30 Kuppel des Einschmelzvergasers 11

31 Aufheizung

32 Nasswäscher für Topgas Kompressor Festbett toter Mann