AT389709B - Verfahren und anlage zur gewinnung von fluessigem metall aus stueckigen oxidhaeltigen einsatzstoffen - Google Patents

Description

Nr. 389709

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von flüssigem Metall, insbesondere flüssigem Roheisen oder Stahlvoiprodükten aus stückigen, oxidhaltigen Einsatzstoffen in einem Schachtofen, wobei die Einsatzstoffe in einer Reduktionszone reduziert weiden, die reduzierten Einsatzstoffe in einer Einschmelzvergasungszone unter Zufuhr von Kohlenstoffträgem und sauerstoffhaltigem Gas erschmolzen und ein CO- und I^-hältiges Reduktionsgas «zeugt wild, welches in die Reduktionszone eingeleitet, dort umgesetzt und als Topgas abgezogen wild sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der EP-Bl 0 010 627 bekannt, bei dem in der Einschmelzvergasungszone aus stückigen Kohlenstoffträgem durch Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas ein Fließbett gebildet wird, in welchem die in der Reduktionszone gebildeten und der Einschmelzveigasungszone von oben zugeführten Eisenschwammpartikel abgebremst und geschmolzen werden. In der Reduktionszone fällt eine große Menge an Topgas an, welches einen erheblichen Gehalt an Kohlenmonoxid und Wasserstoff aufweist Kann dieses Topgas wirtschaftlich genutzt werden, liegen die Erzeugungskosten für Roheisen bzw. Stahlvorprodukte sehr niedrig.

Dieses Verfahren wird gemäß dem Stand der Technik in einer Anlage durchgefühlt, bei der sowohl die Einschmelzvergasungszone als auch die Reduktionszone in jeweils einem eigenen Gefäß vorgesehen sind, wobei die Gefäße durch Förderleitungen zur Förderung der Eisenschwammpartikel von der Reduktionszone in die Einschmelzvergasungszone sowie zur Förderung des Reduktionsgases aus der Einschmelzvergasungszone in die Reduktionszone verbunden sind. Um die dabei anfallende Staubbelastung in Griff zu bekommen und die optimalen Temperaturen einstellen zu können, sind zahlreiche Nebenaggregate erforderlich. Da das Reduktionsgefäß oberhalb des die Einschmelzvergasungszone aufweisenden Gefäßes angeordnet ist, weist eine Anlage gemäß dem Stand der Technik eine große Bauhöhe auf. Die zahlreichen äußeren Rohrleitungen ergeben zudem einen hohen Bauaufwand. Die Verarbeitung von Erzen, die während des Prozesses zerfallen oder «weichen, ist nur mit Schwierigkeiten möglich, da das reduzierte Erz von einem Gefäß zum anderen gefördert werden muß und hier im Falle einer Erweichung Schwierigkeiten bereitet.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche auch die Verarbeitung von hinsichtlich einer Erweichung oder eines Zerfalles problematischen Einsatzstoffen bzw. Erzen «möglichen. Förderleitungen für die Gas- bzw. Erzführung soll«i vermieden w«den, insbesondere soll die Anlage auch eine geringere Bauhöhe aufweis«i.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren d« eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß in dem Schachtofen eine auf einer Metall- und Schlackenschmelze ruhende zentrale Festbettsäule gebildet wird, die im unteren Bereich aus reduzierten Einsatzstoffen sowie Koks und im oberen B«eich aus den oxidhaltigen Einsatzstoffen besteht, daß ein diese Festbettsäule in einem mittleren Höhenbereich peripher umgebendes Mantel-Koksbett gebildet wird, wobei der Koks des Koksbettes in den unteren Teil der Festbettsäule einfließt und durch dort eingeleitetes sauerstoffhältiges Gas unter Bildung der Einschmelzvergasungszone zumindest teilweise vergast wird, daß das hierbei gebildete Gas durch das Mantel-Koksbett unter Bildung des Reduktionsgases abgezogen wird und daß das Reduktionsgas dem oberen Bereich der zentralen Festbettsäule aus oxidhältigen Einsatzstoffen zugeführt wird und diesen oberen Bereich der Festbettsäule unter Bildung der Reduktionszone durchströmt.

Dem Mantel-Koksbett wird zweckmäßig von oben fortlaufend Kohle aufgebracht.

Um den weitaus überwiegenden Teil des bei der Vergasung gebildeten Gases durch das Mantel-Koksbett zu ziehen, wird die Druckdifferenz zwischen dem Druck im oberen Bereich des Mantel-Koksbettes und dem Druck im obersten Bereich d« zentralen Festbettsäule klein« gehalten als die Druckdifferenz zwischen dem Druck im untersten Bereich der zentralen Festbettsäule und dem Druck im ob«en Bereich des Mantel-Koksbettes und diese wiederum wird geringer gehalten als die Druckdifferenz zwischen dem Druck im untersten B«eich der zentralen Festbettsaule und dem Druck im obersten Bereich der zentralen Festbettsäule.

Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit einem Schachtofen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schachtofen einen vom oberen Ende bis zum unteren Ende durchgehenden Zentralraum aufweist, der nach unten zu abschnittweise zweifach erweitert ausgebildet ist, sodaß im wesentlichen drei hinsichtlich des Innenquerschnittes unterschiedliche Ofenabschnitte gebildet sind, daß der mittlere Ofenabschnitt von einem diesen peripher umgebenden Mantelraum umgeben ist, der an seinem oberen Endbereich über am Übergang vom ersten in den zweiten Ofenabschnitt vorgesehene Öffnungen mit dem Zentralraum und der an seinem unteren Endbereich über am Übergang des zweiten in den dritten Ofenabschnitt vorgesehene Öffnungen mit dem Zentralraum in Verbindung steht, daß am oberen Endbereich des Zentralraumes eine Chargieröffnung für Einsatzstoffe sowie eine Abzugsleitung für Topgas und am oberen Endbereich des Mantelraumes eine Chargieröffnung für Kohle und gegebenenfalls Zuführöffnungen für H2O vorgesehen sind, und daß im untersten, dritten Ofenabschnitt eine ein sauerstoffhältiges Gas zuführende Leitung einmünd« und nahe dem Boden des Schachtofens eine Abstichöffnung für Metallschmelze vorgesehen ist

Um einen Übertritt des absinkenden Erzes in den Mantelraum zu verhindern, um der Volumsvergrößerung durch eingebrachten Staub bzw. einer bereits vollzogenen Vorreduktion Rechnung zu tragen und um ein einwandfreies Einfließen des Kokses in die zentrale Festbettsäule sicherzustellen, weist vorteilhaft der Zentralraum des Schachtofens vom ersten Ofenabschnitt zum zweiten Ofenabschnitt nur einen geringen -2-

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Durchmesserunterschied und am Übergang vom zweiten zum dritten Ofenabschnitt einen größeren Durchmesserunterschied auf, wobei zweckmäßig der Übergang vom ersten zum zweiten Ofenabschnitt eine steilwandige Kegelfläche, in der die Öffnungen für das Reduktionsgas vorgesehen sind, aufweist, wogegen der Übergang vom zweiten zum dritten Ofenabschnitt mit einer weniger steil geneigten Kegelfläche, die die Öffnungen für den Koksdurchtritt aufweist, erfolgt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform, die einen guten Materialfluß der Kohle bzw. des Kokses sicherstellt, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelraum einen kreisringzylindrischen Mantelteil aufweist, an den unten ein sich nach unten verjüngender Abschnitt anschließt, wobei zweckmäßig der sich verjüngende Abschnitt des Mantelraumes stufenlos in den dritten Ofenabschnitt mündet.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei die Zeichnung eine erfindungsgemäße Anlage in schematischer Darstellung im Schnitt zeigt

Ein Schachtofen (1) weist einen von seinem oberen Ende (2) bis zu seinem unteren Ende (3) durchgehenden Zentralraum (4) auf, der nach unten zu stufenweise erweitert ausgebildet ist. Hierdurch sind im wesentlichen drei etwa kreiszylindrisch gestaltete Ofenabschnitte (5), (6), (7) gebildet, wobei die Übergänge (8), (9) zwischen den Ofenabschnitten (5), (6), (7) jeweils von Öffnungen (10), (11) aufweisenden Kegelstumpfflächen (13), (14) gebildet sind.

Am oberen Ende (2) des Schachtofens (1) ist eine Chargieröffnung (15), die von einer nicht näher dargestellten Chargiereinrichtung für Erz + Zuschläge (16) beschickt wird, vorgesehen. Weiters münden dort Abzugsleitungen (17) für das sich bildende Top- bzw. Gichtgas ein. Am unteren Ende (3) des Schachtofens (1) sind Abstiche (19), (18) für Schlacke (20) bzw. Metallschmelze (21) vorgesehen.

Der mittlere Ofenabschnitt (6) ist von einem ihn peripher umgebenden Mantelraum (22) umhüllt, der an seinem oberen Endbereich über die am Übergang (8) vom mittleren (6) zum oberen Ofenabschnitt (5) vorgesehenen Gasabzugsöffnungen (10) mit dem Zentralraum (4) des Schachtofens (1) in Verbindung steht. Der untere Endbereich des Mantelraumes (22) ist mit dem Zentralraum (4) über entsprechend groß dimensionierte und den Durchtritt des im Mantelraum (22) enthaltenen Kokses (23) ermöglichende Öffnungen (11) verbunden. Sowohl in den Mantelraum (22) als auch in den unteren Ofenabschnitt (7) münden ein sauerstoffhaltiges Gas zuführende Leitungen (24).

Im oberen Endbereich des Mantelraumes (22) sind mehrere über die obere ringförmige Decke (25) gleichmäßig verteilt angeordnete Chargieröffnungen (26) für Kohle (27) und Wasser bzw. Wasserdampf zuführende Leitungen (28) vorgesehen.

Der untere Endbereich-des Mantelraumes wird außenseitig von einem kegelstumpfförmig gestalteten Boden (29) gebildet, der stufenlos in den zylindrischen vertikalen Wandteil (30) des untersten Ofenabschnittes (7) übergeht, wodurch ein guter Materialfluß aus dem Mantelraum (22) in den Zentralraum (4) sichergestellt ist.

Die Funktionsweise des Schachtofens (1) ist wie folgt:

Das im Zentralraum (4) chargierte Erz (16) bildet im Schachtofen (1) ein sich vom Boden, d. h. vom geschmolzenen Metall (21) bzw. der geschmolzenen Schlacke (20) bis in den obersten Ofenabschnitt (5) erstreckendes Festbett. Die in den Mantelraum (22) chargierte Kohle (27) bildet im unteren Teil (31) des Mantelraumes (22) ein Mantel-Koksbett, im etwa ringzylindrischen mittleren Teil (32) des Mantelraumes (22) eine Wirbelschicht und es ist der oberste Teil (33) des Mantelraumes (22) als Beruhigungszone vorgesehen.

Die in dem Mantelraum (22) in der Wirbelschicht herrschenden Temperaturen (ca. 1000°C) bringen die Kohle (27) zum Entgasen, wobei die Kohlenwasserstoffe und die Kohlefeuchte in ein hochwertiges, vorwiegend CO und H2 enthaltendes Reduktionsgas übergeführt werden. Bevor dieses Reduktionsgas über die Öffnungen (10) in den obersten eine Reduktionszone bildenden Ofenabschnitt (5) des Zentralraumes (4) eintritt, wird es durch dosierte Wasser- oder Dampfzugabe auf die gewünschte Reduktionstemperatur (z. B. 850°C bei Eisenerzen) gebracht.

Die Metalloxide (16) werden zusammen mit den Zuschlagstoffen über ein nicht dargestelltes Schleusensystem in den Zentralraum (4) eingebracht und sinken durch Schwerkraft im Gegenstrom zum Reduktionsgas ab. Im obersten Bereich des Ofenabschnittes (5) herrscht eine Temperatur von etwa 200°C; im mittleren Ofenabschnitt (6) eine Temperatur von etwa 800°C. Die im Gasstrom mitgerissenen Feinanteile werden in der absinkenden Festbettsäule zum Großteil abgelagert und in den unteren Teil des Zentralraumes (4) geführt. Der als Reduktionsraum dienende Ofenabschnitt (5) ist am Übergang (8) im Bereich der dem Reduktionsgaseintritt dienenden Öffnungen (10) derart erweitert, daß ein Übertritt des absinkenden Erzes (16) in den Mantelraum (22) vermieden wird und der Volumsvergrößerung durch den eingebrachten Staub bzw. die bereits vollzogene Vorreduktion Rechnung getragen wird.

Der im Mantelraum (22) absinkende Koks (23), dessen Temperatur etwa 1500°C beträgt, wird über die ringförmig angeordneten Öffnungen (11) den voneduzierten, einen heißen Metalloxiden und Zuschlagstoffen von außen zugeführt und durch über Düsen (34), die am Umfang des untersten Ofenabschnittes (7) des Schachtofens (1) angeordnet sind, in den Zentralraum (4) eingebrachtes sauerstoffhaltiges Gas teilweise vergast. Die dabei entstehenden Temperaturen von etwa 2000°C führen neben der CO-Bildung zum Schmelzen des vorreduzierten Erzes und zur Endreduktion mit dem verbleibenden Kohlenstoff; die Ofenabschnitte (7) und (9) beinhalten somit eine Einschmelzvergasungszone.

Die sich bildende Metallschmelze (21) und die Schlacke (20) sammeln sich am Boden (35) des -3-

Claims (8)

1. Nr. 389709 Schachtofens und werden intermittierend abgestochen. Das aus dem Reduktionsraum austretende Top- bzw. Gichtgas wird vorteilhaft über Zyklone (36) grob gereinigt und über eine nicht dargestellte Gasreinigung einer Weiterverwendung zugeführt. Der in den Zyklonen (36) abgeschiedene Staub kann zweckmäßig über eine Leitung (37) und eine Schleuse in die sich über dem 5 Koksbett des Vergasungsraumes bildende Wirbelschicht in dem mittleren Teil (32) des Mantelraumes (22) rückgeführt werden. Die Druckverhältnisse im Schmelzreduktionsofen werden durch Einstellung der Schütthöhen des Koksbettes und des Reduktionsraumes (unter Berücksichtigung der Druckverluste) so geregelt, daß der weitaus überwiegende Teil des bei der Sauerstoffvergasung gebildeten Gases durch den Mantelraum (22) zieht. Wenn (pj) den 10 Gasdruck im untersten Bereich des Festbettes des Ofenabschnittes (7), (p2) den Gasdruck im oberen Bereich (33) des Mantelraumes (22) und (P3) den Gasdruck im obersten Bereich des Zentralraumes des Ofenabschnittes (5) bedeuten, können die für den einwandfreien Gas-Durchzug eingestellten Druckverhältnisse durch die nachfolgende Gleichung beschrieben weiden: (P2 - P3) < (Pi - P2> < CPi - P3) 15 In dem nachfolgenden Beispiel ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der in der Figur dargestellten Anlage näher erläutert In den Schachtofen (1) wurde über die Chargieröffnung (15) Erz mit einem Feingehalt von ca. 66 % chargiert Es handelte sich um Stückerz; es ist jedoch auch möglich, das Erz in Form von Pellets zu chargieren. In den Ofenabschnitten (6) und (9) kam es zur Bildung von Eisenschwamm mit folgenden Eigenschaften: 20 Metallisierung: ca. 90 bis 95 % Temperatur. 800 bis 900°C C-Gehalt: 3 bis 5 % S-Gehalt: 0,02 bis 0,08 % Das im Mantelraum (22) gebildete Reduktionsgas wies eine von der Art der Kohle abhängige 25 Zusammensetzung auf: CO: 60 bis 70% C02: 2 bis 1 % H2: 25 bis 15 % CH4:1 bis 0,5 % 30 Rest: H20, N2 Die erstangeführte Grenze der angegebenen Bereiche stellte sich bei hochflüchtiger, die zweite Grenze bei niedrigflüchtiger Kohle ein. Bei hochflüchtiger Kohle pildete sich Reduktionsgas in einer Menge von ca. 1900 nr/t (Normalbedingungen); bei niedrigflüchtiger Kohle bildete sich Reduktionsgas nur in einer Menge von 1800 m^A (Normalbedingungen). 35 Der Kohleverbrauch war ebenfalls von der verwendeten Art der Kohle abhängig. Er betrug bei hochflüchtiger Kohle 0,651 CgxA Roheisen, was 1,1161 Kohle je t Roheisen entspricht. Bei Verwendung von niedrigflüchtiger Kohle ergab sich ein Kohleverbrauch von 0,5 t Cflx/t Roheisen, was etwa 0,714 t Kohle je t Roheisen entspricht Um die gewünschte Reduktionstemperatur zwischen 800 und 900°C einzustellen, wurde Wasserdampf über die 40 Leitungen (28) eingeleitet 45 PATENTANSPRÜCHE 50 1. Verfahren zur Gewinnung von flüssigem Metall, insbesondere flüssigem Roheisen oder Stahlvorprodukten, aus stückigen, oxidhältigen Einsatzstoffen in einem Schachtofen, wobei die Einsatzstoffe in einer Reduktionszone reduziert werden, die reduzierten Einsatzstoffe in einer Einschmelzvergasungszone unter Zufuhr 55 von Kohlenstoffträgem und sauerstoffhaltigem Gas erschmolzen und ein CO- und H2-hältiges Reduktionsgas «zeugt wird, welches in die Reduktionszone eingeleitet, dort umgesetzt und als Topgas abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, -4- Nr. 389709 - daß in dem Schachtofen (1) eine auf einer Metall (21) und Schlackenschmelze (20) ruhende zentrale Festbettsäule gebildet wird, die im unteren Bereich (bei 7,9) aus reduzierten Einsatzstoffen sowie Koks (23) und im oberen Bereich (bei 5,8) aus den oxidhältigen Einsatzstoffen (16) besteht, - daß ein diese Festbettkule in einem mittleren Höhenbereich (bei 6) peripher umgebendes Mantel-Koksbett (bei 22) gebildet wird, wobei der Koks (23) des Koksbettes in den unteren Teil der Festbettsäule einfließt und durch dort eingeleitetes sauerstoffhältiges Gas unter Bildung der Einschmelzvergasungszone (bei 7, 9) zumindest teilweise vergast wird, - daß das hierbei gebildete Gas durch das Mantel-Koksbett (bei 22) unter Bildung des Reduktionsgases abgezogen wild und - daß das Reduktionsgas dem oberen Bereich (bei 5, 8) der zentralen Festbettsäule aus oxidhältigen Einsatzstoffen (16) zugefühlt wird und diesen oberen Bereich der Festbettsäule unter Bildung der Reduktionszone durchströmt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Mantel-Koksbett von oben fortlaufend Kohle (27) aufgebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz zwischen dem Druck (p2) im oberen Bereich (bei 33) des Mantel-Koksbettes und dem Druck (p^) im obersten Bereich (bei 5) der zentralen Festbettsäule kleiner gehalten wird als die Druckdifferenz zwischen dem Druck (pj) im untersten Bereich (bei 7) der zentralen Festbettsäule und dem Druck (p2) im oberen Bereich (bei 33) des Mantel-Koksbettes und diese wiederum geringer gehalten wird als die Druckdifferenz zwischen dem Druck (pj) im untersten Bereich (bei 7) der zentralen Festbettsäule und dem Druck (p-j) im obersten Bereich (bei 5) der zentralen Festbettsäule.
4. 4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Schachtofen, dadurch gekennzeichnet, - daß der Schachtofen (1) einen vom oberen Ende (2) bis zum unteren Ende (3) durchgehenden Zentralraum (4) aufweist, der nach unten zu abschnittweise zweifach erweitert ausgebildet ist, sodaß im wesentlichen drei hinsichtlich des Innenquerschnittes unterschiedliche Ofenabschnitte (5,6,7) gebildet sind, - daß der mittlere Ofenabschnitt (6) von einem diesen peripher umgebenden Mantelraum (22) umgeben ist, der an seinem oberen Endbereich über am Übergang (8) vom ersten (5) in den zweiten Ofenabschnitt (6) vorgesehene Öffnungen (10) mit dem Zentralraum (4) und der an seinem unteren Endbereich über am Übergang (9) des zweiten (6) in den dritten Ofenabschnitt (7) vorgesehene Öffnungen (11) mit dem Zentralraum (4) in Verbindung steht, • daß am oberen Endbereich des Zentralraumes (4) eine Chargieröffnung (15) für Einsatzstoffe (16) sowie eine Abzugsleitung (17) für Topgas und am oberen Endbereich des Mantelraumes (22) eine Chargieroffnung (26) für Kohle (27) und gegebenenfalls Zufühiöffnungen (28) für H20 vorgesehen sind, und - daß im untersten, dritten Ofenabschnitt (7) eine ein sauerstoffhältiges Gas zuführende Leitung (24) einmündet und nahe dem Boden (35) des Schachtofens (1) eine Abstichöffnung (18) für Metallschmelze (21) vorgesehen ist.
5. 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralraum (4) des Schachtofens (1) vom ersten Ofenabschnitt (5) zum zweiten Ofenabschnitt (6) nur einen geringen Durchmesserunterschied und am Übergang (9) vom zweiten (6) zum dritten Ofenabschnitt (7) einen größeren Durchmesserunterschied aufweist.
6. 6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (8) vom ersten (5) zum zweiten Ofenabschnitt (6) eine steilwandige Kegelfläche (13), in der die Öffnungen (10) für das Reduktionsgas vorgesehen sind, aufweist, wogegen der Übergang (9) vom zweiten (6) zum dritten Ofenabschnitt (7) mit einer weniger steil geneigten Kegelfläche (14), die die Öffnungen (11) für den Koksdurchtritt aufweist, erfolgt.
7. 7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelraum (22) einen kreisringzylindrischen Mantelteil (bei 32, 33) aufweist, an den unten ein sich nach unten verjüngender Abschnitt (bei 31) anschließt.
8. 8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sich veijüngende Abschnitt (bei 31) des Mantelraumes (22) stufenlos in den dritten Ofenabschnitt (7) mündet. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -5-