DE68915298T2

DE68915298T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Nachverbrennung.

Info

Publication number: DE68915298T2
Application number: DE68915298T
Authority: DE
Inventors: John Michael Ganser; Gregory Hardie
Original assignee: Kloeckner CRA Patent GmbH
Current assignee: Kloeckner CRA Patent GmbH
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1989-01-20
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2009-01-21
Also published as: EP0327862B1; KR890013199A; JPH0581638B2; ES2010498A4; AU2880289A; RU2025496C1; EP0327862A2; JPH0221185A; HU208342B; MX169852B; DE327862T1; AU617409B2; US5051127A; NZ227849A; ES2010498T3; EP0327862A3; ATE105872T1; DE3903705C2; DE68915298D1; BR8900607A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen, die von Reaktanten erzeugt werden, die in ein Schmelzbad aus Eisen und Eisenoxiden eingeführt werden.
Die in das Bad eingeführten Reaktanten sind kohlenstoffhaltige Materialien, insbesondere Kohle, und oxidierende Gase, insbesondere Luft und Sauerstoff. Der Reaktant kann durch von unten einblasende Winddüsen bzw. Bodenblas-Winddüsen (nachfolgend als Bodenblas-Winddüsen bezeichnet) oder von oben einblasende Winddüsen bzw. Ausblas-Winddüsen (nachfolgend als Ausblas-Winddüsen bezeichnet) oder eine Kombination dieser beiden eingeführt werden. Die erzeugten Reaktionsgase bestehen im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die Reaktionsgase werden über der Eisenschmelze mit oxidierenden Gasen nachverbrannt. Die durch diese Nachverbrennung gewonnene Energie wird auf das Eisenbad übertragen.
Bei einem kürzlich entwickelten Verfahren zur Herstellung von Eisen aus Eisenoxiden tragt die Energie, die durch die Oxidation der im Schmelzbad erzeugten Reaktionsgase freigesetzt wird, zur notwendigen Energie bei, um die Eisenoxide im Schmelzbad zu reduzieren. Die Reaktionsgase umfassen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Im Falle von Kohlenstoff werden nur 15% der verfügbaren Energie freigesetzt, wenn Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid oxidiert wird, die restliche Energie wird freigesetzt wenn Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert wird. Es kann eingeschätzt werden, daß diese Nachverbrennung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid wesentlich zum Energiebedarf für die Reduktion von Eisenoxiden zu Eisen beitragen kann. Die Werte der Nachverbrennung, die bei der Stahlherstellung zuverlässig und reproduzierbar bei gleichzeitiger, sehr wirksamer Übertragung der erzeugten Wärme auf das Bad erreicht werden können, sind jedoch gering.
DE-A-1 806 866 beschreibt eine Winddüse, die dem durch die Düse geblasenen Strahl der oxidierenden Gase einen Wirbel verleiht. Durch diese Gestaltung werden der Zusatz großer Brennstoffmengen und eine stabile Verbrennung erreicht.
EP-A-0 236 802 beschreibt ein Verfahren zur Schmelzreduktion von Eisenerzen mit der Nachverbrennung der Reaktionsgase.
In Stahl und Eisen 102 (1982) 7, 341-346 werden Verbesserungen beim Bodenblasen durch ein kombiniertes Bodenblasen und Ausblasen und die Zunahme der Schrottmenge detailliert beschrieben.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Nachverbrennung, das einen bestimmten Grad der Nachverbrennung zuverlässig und reproduzierbar erreichen kann, wobei die Zuverlässigkeit des Verfahrens (selbst bei einem hohen Grad der Nachverbrennung) aufrechterhalten wird, wodurch Verfahren, z.B. die Stahlherstellung, die Schmelzreduktion von Eisenerzen oder vorreduzierten Eisenerzen, die Kohlevergasung und kombinierte Verfahren auf diesem Gebiet ökonomisch werden.
Nach einem ersten Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen geschaffen, bei dem die Reaktanten in ein Eisenschmelzbad eingeführt, die dadurch erzeugten Reaktionsgase durch mindestens einen Strahl aus oxidierenden brennstofffreien Gasen über dem Bad nachverbrannt werden und die dadurch erzeugte Energie mit einem hohen Wirkungsgrad auf das Bad übertragen wird, wobei der oder jeder Strahl der oxidierenden Gase durch eine oder mehrere Winddüsen mit einem Wirbel auf die Badoberfläche gesprüht wird, wie es hier beschrieben werden wird.
Es hat sich gezeigt, daß ein Wirbel, d.h. bei der Dynamik von Fluiden ein Drehimpuls, der dem Strahl der oxidierenden Gase verliehen wird, die Nachverbrennung der im Bad erzeugten Reaktionsgase beträchtlich verbessert und insbesondere die zuverlässige Reproduzierbarkeit eines ausgewählten Grades der Nachverbrennung verbessert, wodurch sich eine Anzahl vorteilhafter Veränderungen des Verfahrens zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen bietet.
Der Begriff "Drehimpuls" soll hier die tangentiale Komponente des Strahls der oxidierenden Gase bedeuten. Der Begriff "Wirbelzahl" soll hier das Verhältnis des tangentialen zum axialen Gasimpuls darstellen.
Der Auslaß der oder jeder Winddüse kann eine übliche Konfiguration aufweisen, und zwar einen kreisförmigen Querschnitt. Die Verwendung irgendeines anderen geometrischen Querschnitts und sogar die Unterteilung in verschiedene Auslässe ist ebenfalls möglich.
Der Wirbel kann dem oder jedem Strahl der oxidierenden Gase durch jede Maßnahme oder jedes Verfahren verliehen werden. Die Verwendung von Führungsplatten oder Ablenkplatten stromaufwärts der Auslaßöffnung der oder jeder Winddüse hat sich zum Beispiel als erfolgreich erwiesen. Es hat sich auch gezeigt, daß eine Anzahl von Öffnungen, die in der gleichen Richtung in einer geneigten Position angeordnet sind, zu einem Strahl von oxidierenden Gasen mit einer tangentialen Komponente, d.h. mit einem Wirbel, führt. Es ist ebenfalls möglich, die oder jede Winddüse stromaufwärts des Auslasses mit einer Kammer zu gestalten, die so angeordnet ist, daß sie die oxidierenden Gase tangential aufnimmt, so daß dem Strahl der oxidierenden Gase auf diese Weise ein Drehimpuls verliehen wird.
Durch den ersten Aspekt dieser Erfindung ist es möglich, die Nachverbrennung im Vergleich mit einem üblichen "freien" nicht verwirbelten Strahl um mehr als 10% zu verbessern, wobei die anderen Bedingungen die gleichen bleiben. Es hat sich zum Beispiel gezeigt, daß das Einsprühen eines oxidierenden Gases mit 1200ºC durch eine Winddüse mit einem kreisförmigen Auslaß mit einem Durchmesser von 150 mm bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 130 Nm³/min ohne Wirbel zu einer Nachverbrennung von 30% führte, dagegen war es möglich, einen Nachverbrennung von 45% zu erreichen, indem den oxidierenden Gasen ein relativ geringer Wirbel verliehen wurde, d.h. eine Wirbelzahl von 0,2.
Der oder jeder Strahl der oxidierenden Gase kann mit einem Wirbel mit jeder Wirbelzahl auf die Oberfläche gesprüht werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Wirbelzahlen im Bereich von 0,1 bis 5, vorzugsweise zwischen 0,1 und 2, die vorteilhaftesten Verfahrensbedingungen darstellen.
Ein Merkmal des ersten Aspektes dieser Erfindung besteht darin, daß es einerseits möglich ist, den Grad der Nachverbrennung auf bestimmte Verfahrensbedingungen im Reaktorgefäß einzustellen, und es andererseits möglich ist, dieses Verfahren, insbesondere die Energiezufuhr zum Bad, zu regeln. Zum Beispiel kann somit bei einer einzelnen Winddüse der Grad der Nachverbrennung zuverlässig und reproduzierbar zwischen 35 und 80% geregelt werden, dies erfolgt nur durch Veränderung der Wirbelzahl, ohne daß die hohe Wärmeübertragung zum Bad nachteilig beeinflußt wird.
Der Installationswinkel und die -höhe der oder jeder Winddüse können in einem großen Bereich ausgewählt werden. Der Installationswinkel der oder jeder Winddüse kann zwischen 10 und 90º zur ruhigen Badoberfläche, vorzugsweise jedoch zwischen 30 und 90º ausgewählt werden. Die Weglänge des oder jedes Strahls des oxidierenden Gases im Gasraum des Reaktorgefäßes kann in gleicher Weise stark differieren. Die Weglänge beeinflußt natürlich die Größe der Aufprallfläche der oxidierenden Gase auf der Badoberfläche. Bei der Installationshöhe der oder jeder Winddüse sollten sowohl die Geometrie des Reaktorgefäßes als auch das Verfahren selbst in Betracht gezogen werden. Bei Stahlherstellungsverfahren mit Bodenblasen kann zum Beispiel aufgrund der starken Siede- und Eruptionszone, die für Stahlherstellungsverfahren mit Bodenblasen charakteristisch ist, eine etwas größere Installationshöhe als bei anderen Verfahren ausgewählt werden.
Die Installationshöhe ist jedoch nicht auf den Mindestabstand von 2 m über der ruhigen Badoberfläche begrenzt, die im allgemeinen bei einem bekannten freien Strahl ohne Wirbel angewendet wird. Im Falle von Schmelzreduktionsverfahren in Reaktorgefäßen vom Trommeltyp, bei denen nur das Eisen und die verbrennbaren Materialien unter der Badoberfläche eingesprüht werden, wobei die oxidierenden Gase hauptsächlich von oben eingeblasen werden, ist es möglich, für einen Strahl mit Wirbel eine kürze Weglänge zu wählen. Abstände zwischen der ruhigen Badoberfläche und dem Auslaß der Winddüse von etwa 0,5 bis 10 m haben sich als erfolgreich gezeigt.
Für die Auswahl der oxidierenden Gase, die durch die oder jede Winddüse eingesprüht werden, gibt es grundsätzlich keine Einschränkungen. Die oxidierenden Gase können Sauerstoff, Luft oder Sauerstoff mit einem Inertgas CO&sub2; und/oder H&sub2;O und jede Mischung der oben genannten Gase sein.
Es ist außerdem bevorzugt, die oxidierenden Gase vorzuwärmen, um den gesamten Wärmehaushalt eines Verfahrens, z.B. eines Schmelzreduktionsverfahrens, zu verbessern. Die Verwendung von heißen Verfahrensabgasen ist möglich, um die oxidierenden Gase durch geeignete Wärmeaustauscher zu erwärmen. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von vorgewärmter Luft mit einer Temperatur von 1000 bis 1600ºC für das Verfahren nach dem ersten Aspekt dieser Erfindung besonders vorteilhaft ist.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen geschaffen, bei dem die Reaktanten in das Eisenschmelzbad eingeführt, die dadurch erzeugten Reaktionsgase durch oxidierende Gase über der Schmelze nachverbrannt werden und die dadurch erzeugte Energie mit einem hohen Wirkungsgrad auf das Bad übertragen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die oxidierenden Gase durch eine oder mehrere Winddüsen in Form von zumindest einem hohlen Strahl auf die Badoberfläche gesprüht werden.
Es hat sich gezeigt, daß das Einsprühen des oxidierenden Gases in Form eines hohlen Strahles einen wichtigen Faktor darstellt, um eine wirksame Nachverbrennung der Reaktionsgase und eine wirksame Übertragung der durch die Nachverbrennung erzeugten Energie auf das Bad zu erreichen. Insbesondere hat sich im Vergleich mit Werten der Nachverbrennung und der Energieübertragung, die bei einem kreisförmigen Auslaß erreicht werden, gezeigt, daß es bei einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit des oxidierenden Gases durch eine Winddüse mit einem Auslaß mit einer vorgegebenen Querschnittsfläche einen unerwartet hohen Wert der Nachverbrennung und der Energieübertragung auf das Bad gibt, wenn der Auslaß einen hohlen Strahl bildet.
Der zweite Aspekt dieser Erfindung ist nicht auf einfache Formen eines hohlen Strahls begrenzt z.B. einen hohlen Konus, der erzeugt wird, wenn Gas durch eine ringförmige Winddüse mit einem festen Kern geblasen wird, sondern er bezieht sich auch auf jede mögliche Form eines hohlen Strahls. Diese möglichen Formen umfassen jede geometrische Form einer rinförmig geschlitzten Winddüse, z.B. kreisförmig und elliptisch, jede gekrümmte Form, und auch winklige Formen, wie Dreiecke, Rechtecke, Parallelogramme und Polygone. All diese Konfigurationen umgeben üblicherweise einen festen oder beweglichen inneren Kern. Der ringförmige Schlitz kann auch unterbrochen oder in einzelne Segmente unterteilt sein. Es ist zum Beispiel möglich, einzelne Winddüsen direkt nebeneinander oder in einem vorgegebenen Abstand um die geometrische Mitte jeder Form anzuordnen. Ringförmige Schlitze mit Zwischenwänden, z.B. als Halterung, oder mit entsprechenden Führungsplatten, die zur Beeinflussung des Gasstroms befestigt wurden, haben sich ebenfalls als erfolgreich erwiesen.
Es ist ebenfalls möglich, eine Doppel- oder Mehrfach-Winddüse zu verwenden, um den hohlen Gasstrahl zu erzielen. Die Mehrfach-Winddüse kann zum Beispiel verwendet werden, wenn unterschiedliche Gase getrennt zur Winddüse befördert werden, so daß das Mischen der Gase nur erfolgt, nachdem diese Gase die Winddüse verlassen haben.
Das oxidierende Gas kann mit einem Wirbel in diesem hohlen eingesprüht werden, wodurch sowohl der erste als auch der zweite Aspekt dieser Erfindung kombiniert werden. Die Wirbelzahl liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 5,0.
Es hat sich gezeigt daß es möglich ist, einen Grad der Nachverbrennung im Bereich zwischen 30 und 80% zuverlässig und reproduzierbar zu erzielen, indem die Wirbelzahl im hohlen Strahl der auf etwa 1200ºC vorgewärmten Luft von 0 bis 2 variiert wird, die in das Reaktorgefäß vom Trommeltyp eingesprüht wird, das zur Schmelzreduktion verwendet wird. Es hat sich gezeigt daß der Wirkungsgrad der Übertragung der Energie der Nachverbrennung auf das Bad im Bereich von 80 bis 90% lag.
Der oben genannte überraschende Effekt der Kombination des ersten und des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung läßt sich theoretisch erklären. Unter der Annahme, daß das Einsprühen von kohlenstoffhaltigen brennbaren Materialien unter die Badoberfläche ein turbulentes Bad mit der Bildung einer Eruptions- und Mischungszone über der Badoberfläche, die hier nachfolgend als "Übergangszone" bezeichnet wird, erzeugt, kann in diesem Zusammenhang angenommen werden, daß zusätzlich zu den Reaktionsgasen, insbesondere CO und H&sub2;, geschmolzenes Material, z.B. Metalltropfen und -spritzer aus dem Bad ebenfalls in diese Übergangszone gespritzt werden. Das geschmolzene Material bleibt nicht in der Übergangszone, sondern zirkuliert eher in das Bad zurück. Als Folge wird die auf das geschmolzene Material in der Übergangszone übertragene Energie direkt in das Bad befördert. Zusätzlich zu der Eigenschaft (die auch ein nicht wirbelnder freier Strahl zeigt), daß Reaktionsgase aus dem umgebenden Raum angesaugt werden können, ist bei diesen Bedingungen auch die Mitte des hohlen Strahls in der Lage, Reaktionsgase anzusaugen. Diese Reaktionsgase werden durch das oxidierende Gas im hohlen Strahl sehr schnell verbrannt, und wenn der Strahl auf die Übergangszone auftrifft, wird die durch diese Verbrennung erzeugte Energie mit hoher Geschwindigkeit auf das geschmolzene Material und dann auf das Bad übertragen. Im Vergleich mit der bekannten Ausblastechnologie, die einen freien Strahl umfaßt, der nur die Reaktionsgase aus dem umgebenden Gasraum ansaugt, bedeutet die Verwendung eines hohlen Strahls, daß in der Mitte dieses hohlen Strahls eine zweite Verbrennungszone gebildet wird. Es wird angenommen, daß dieser vorteilhafte Effekt durch die Verwendung des Wirbels erhöht wird, da der Druck in der Mitte des hohlen Strahls mit steigender Wirbelzahl abnimmt.
Bei einer bevorzugten Anordnung werden pulverisierte feste Reaktanten im oder in jedem hohlen Teil des hohlen Strahls eingespritzt. Der feste Kern oder der innere Körper jeder Winddüse kann für diesen Zweck zum Beispiel mit einer Zufuhrleitung für die festen Reaktanten ausgestattet sein. Diese Zufuhrleitung kann eine Leitung umfassen, die mit einem abriebbeständigen Material ausgekleidet ist. Die festen Reaktanten werden dann in Suspension mit einem Trägergas durch die Leitung auf das Bad geblasen. Dieses Verfahren wurde zum Beispiel erfolgreich bei der Schmelzreduktion angewendet, um Eisenerz vorreduziertes Eisenerz, und insbesondere vorreduziertes und vorgewärmtes Eisenerz in das Bad im Reaktionsgefäß einzusprühen.
Es ist möglich, zwei oder mehr Winddüsen im Reaktorgefäß anzuordnen, um eine geregelte und reproduzierbare Nachverbrennung der im Bad erzeugten Reaktionsgase zu erreichen. Es ist möglich, Winddüsen mit der gleichen Gestaltung oder Winddüsen mit unterschiedlicher Gestaltung zu kombinieren, um einen Strahl des oxidierenden Gases mit einem Wirbel zu bilden. Die Anzahl der Winddüsen im Reaktorgefäß wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, z.B. die Größe des Gefäßes oder die maximale Strömungsgeschwindigkeit des Gases bei jeder einzelnen Gestaltung. Es ist zum Beispiel möglich, nur eine einzelne Winddüse in einem Reaktorgefäß vom Trommeltyp mit einer Kapazität von 15 t zu verwenden, wohingegen es bei einem Konverter zur Stahlerzeugung mit einer Kapazität von 100 t bevorzugt ist, im oberen Bereich des Konverters zwei Winddüsen zu verwenden.
Es wurde gefunden, daß die Erzielung eines Nachverbrennungsgrades im Bereich von 38 bis 68% möglich ist, indem in einem Reaktorgefäß vom Trommeltyp zur Schmelzreduktion bei Bedingungen, bei denen etwa 30 kg/min Kohle und etwa 30 bis 60 kg/min Eisenerz in die Eisenschmelze von etwa 10 t eingesprüht und etwa 8000 Nm³/h heiße Blasluft mit einer Temperatur von 1200ºC durch eine Winddüse auf die Badoberfläche geblasen wurden, die Wirbelzahl variiert wurde. Bei diesen Bedingungen und bei der Verwendung einer Wirbelzahl von Null war es möglich, einen Grad der Nachverbrennung von 38% zu erzielen. Es war ebenfalls möglich, den Grad der Nachverbrennung zu erhöhen, indem die Wirbelzahl erhöht wurde. In diesem Zusammenhang betrug der Grad der Nachverbrennung bei einer Wirbelzahl von 0,3 etwa 48%, eine weitere Erhöhung der Wirbelzahl auf 0,6 führte zu einem Grad der Nachverbrennung von 58%, und bei einer Wirbelzahl von 0,9 betrug der Grad der Nachverbrennung etwa 68%. Die Winddüse umfaßte einen ringförmigen Schlitz mit einer Schlitzbreite von 35 mm und einem Außendurchmesser von 300 mm. Die Wirbelzahl wurde geändert, indem die Strömung in der Winddüse mechanisch beeinflußt wurde.
Folglich ist es möglich, stufenweise Veränderungen des Grades der Nachverbrennung zu erreichen, indem die Geometrie der Winddüsen für die oxidierenden Gase verändert wird, wohingegen eine exakte Einstellung der Nachverbrennung und eine exakte Regelung zwischen den einzelnen Schritten durch Veränderung der Wirbelzahl verwirklicht werden kann. Folglich ist es durch Verwendung einer herkömmlichen Winddüse mit einer kreisförmigen Öffnung möglich, einen Grad der Nachverbrennung von etwa 30% bei einer Wirbelzahl von 0,1 zu erreichen, und durch Erhöhung der Wirbelzahl auf etwa 1 kann der Grad der Nachverbrennung auf etwa 55% erhöht werden. Wenn eine Winddüse mit ringförmigem Schlitz verwendet wird, um einen hohlen Gasstrahl ohne Wirbel zu bilden (Wirbelzahl 0), kann ein Grad der Nachverbrennung von mindestens 40% erreicht werden, dieser kann bei steigender Wirbelzahl (bis zu etwa 1,0) auf etwa 75% erhöht werden. Wenn eine Winddüse mit ringförmigem Schlitz und optimaler Gestaltung verwendet wird, z.B. neben anderen Faktoren mit abnehmender Schlitzbreite, ist es durch Veränderung der Wirbelzahl möglich, einen geregelten Grad der Nachverbrennung im Bereich von 30 bis 100% zu erzielen.
Wenn das Verfahren nach dem ersten und dem zweiten Aspekt dieser Erfindung für die Schmelzreduktion angewendet wird, können die Reaktanten entweder unter der Badoberfläche oder durch Ausblasen eingeführt werden. Sowohl untergetauchte Winddüsen zur Erzzufuhr als auch Ausblas-Winddüsen, durch die gemahlenes Erz in die Eisenschmelze eingesprüht wird, haben sich als erfolgreich erwiesen. Beim Einspritzen mit Winddüsen unter der Badoberfläche ist es zum Beispiel möglich, eine OBM-Winddüse (Oxygen-Bodenblas-Maxhütte-Winddüse) zu verwenden, die aus zwei konzentrischen Rohren besteht. Bei der Verwendung der OBM-Winddüse wird feinkörniges Erz, das in einem Trägergas enthalten ist, durch das mittlere Rohr eingespritzt, und gasförmige und/oder flüssige Kohlenwasserstoffe zum Schutz der Winddüse werden durch den ringförmigen Schlitz geblasen. Anstelle von Erz können in analoger Weise kohlenstoffhaltige brennbare Materialien, z.B. Koks oder Kohle mit unterschiedlicher Qualität, in das Bad eingespritzt werden. Es ist ebenfalls möglich, durch die untergetauchten Winddüsen oxidierende Gase, z.B. Sauerstoff, Luft oder Inertgas/Sauerstoff-Mischungen, einzusprühen.
Die Reaktanten können durch Winddüsen oder Lanzen bzw. Strahlrohre, die oberhalb des Bads angeordnet sind, teilweise oder vollständig in das Reaktionsgefäß eingesprüht werden. In diesem Fall ist der Aufprall von Trägergas und gemahlenem festen Material, die auf die Badoberfläche treffen, üblicherweise ausreichend stark, damit das feste Material in das Bad eindringen kann.
Der Zusatz von Stückerz durch oberhalb der Badoberfläche angeordnete Einrichtungen liegt ebenfalls im Schutzumfang des ersten und des zweiten Aspektes dieser Erfindung.
Alle dem Bad zugeführten gasförmigen, flüssigen und festen Materialien können vorgewärmt sein, um die gesamte Wärmebilanz zu verbessern. Die Vorwärmtemperatur ist frei wählbar und wird in den meisten Fällen durch das Transportsystem begrenzt.
Die oder jede Winddüse kann aus einer ringförmigen Winddüse mit einem Mantel und einem Innenteil bestehen, das einen Durchmesser aufweist, der mindestens das Doppelte, vorzugsweise das Fünffache der Breite des Schlitzes beträgt. Das Innenteil kann die Form eines Kolbens haben, der so angeordnet ist, daß er eine Bewegung in axialer Richtung vornimmt.
Das Innenteil kann ein Strömungselement mit einer Kolbenstange umfassen. Das Innenteil kann außerdem fest und fixiert sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit großem Vorteil bei einem Stahlherstellungsverfahren angewendet werden. Beim Stahlherstellungsverfahren reagieren der Kohlenstoff des Eisens und eventuelle zusätzliche kohlenstoffhaltige Materialien, die dem Eisen zugesetzt wurden, um zum Beispiel die Schrottmenge zu erhöhen, mit Sauerstoff. Die erzeugten Reaktionsgase bestehen hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Diese Reaktionsgase können mit oxidierenden Gasen über dem Eisenbad nachverbrannt werden. Die durch die Nachverbrennung erzeugte Energie kann auf das Bad übertragen werden. Diese Verfahren werden in den deutschen Patentschriften 27 55 165 und 28 38 983 als auch in der australischen Patentschrift 530 510 beschrieben. Auf die Beschreibung dieser Patentschriften wird besonderer Bezug genommen. Diese Beschreibung wird als durch diesen Bezug in diese Beschreibung aufgenommen angesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem mit großem Vorteil bei Kohlevergasungsverfahren in einem Eisenschmelzbad verwendet werden. Bei einem solchen Verfahren reagieren kohlenstoffhaltige Materialien, insbesondere Kohle, und oxidierende Gase im heißen Bad, wodurch Reaktionsgase erzeugt werden, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehen. Diese Reaktionsgase können mit oxidierenden Gasen über dem Eisenbad teilweise nachverbrannt werden. Die durch die Nachverbrennung erzeugte Energie kann auf das Bad übertragen werden. Diese Verfahren sind in den deutschen Patentschriften 25 20 883 und 30 31 680 als auch der australischen Patentschrift 539 665 beschrieben. Auf die Beschreibung dieser Patentschriften wird besonderer Bezug genommen.
Das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung können auch bei Schmelzreduktionsverfahren für Eisenerz mit großem Vorteil angewendet werden, bei denen Eisenerz in einem Eisenschmelzbad mit kohlenstoffhaltigen Materialien, insbesondere Kohle, reduziert wird. Die erzeugten Reaktionsgase, die hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehen, können mit oxidierenden Gasen über dem Eisenbad nachverbrannt werden. Die durch diese Nachverbrennung erzeugte Energie kann auf das Bad übertragen werden. Diese Verfahren sind in den deutschen Patentschriften 33 18 005 und 36 07 775 als auch der australischen Patentschrift 563 051 beschrieben. Auf die Beschreibung dieser Patentschriften wird besonderer Bezug genommen.
Es folgt eine Beschreibung anhand nicht begrenzender Beispiele und schematischer Darstellungen der bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung dieser Erfindung.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Reaktorgefäßes vom Trommeltyp zur Schmelzreduktion;
Fig. 2 ist eine senkrechte Schnittansicht einer Ausblas- Winddüse, die einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Reaktorgefäßes darstellt;
Fig. 3 ist eine Ansicht der Stirnseite des Auslasses der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Winddüse; und
Fig. 4 und 5 sind Ansichten der Stirnseite der Auslässe anderer Winddüsen.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt ein Reaktorgefäß vom Trommeltyp mit einem Stahlmantel 1 und einer feuerfesten Auskleidung 2. Das Reaktorgefäß enthält ein Bad 4 aus Eisen und Eisenoxiden.
Die Vorrichtung umfaßt außerdem Winddüsen 5 zum Einspritzen, die sich durch den Boden des Reaktorgefäßes erstrecken, um die Reaktanten unterhalb der Oberfläche 3 des Bades 4 aus Eisen und Eisenoxiden zuzuführen. Diese Winddüsen 5 zum Einspritzen bestehen aus zwei konzentrischen Rohren, einem Innenrohr 6 und einem Außenrohr 7. Durch den ringförmigen Schlitz zwischen den beiden Rohren 6 und 7 jeder einspritzenden Winddüse 5 wird Erdgas als Schutzmedium eingesprüht. Erz und ein Trägergas werden durch das Innenrohr 6 einer einspritzenden Winddüse 5 und feste brennbare Materialien, hauptsächlich gemahlene Kohle, und ein Trägergas werden durch das Innenrohr 6 der anderen einspritzenden Winddüse 5 eingeblasen.
Die Vorrichtung umfaßt außerdem eine Ausblas-Winddüse 8, um oxidierende Gase mit einem Wirbel auf die Oberfläche 3 des Bades 4 aus Eisen und Eisenoxiden einzusprühen. Die Abgase (bis zu einem hohen Grad nachverbrannt) verlassen das Reaktorgefäßt durch die Öffnung 9.
Wie es in Fig. 2 am besten ersichtlich ist, umfaßt die Winddüse 8 einen wassergekühlten Mantel 11 mit einem einstellbaren tangential angeordneten Gaseinlaß 12 und einem kreisförmigen Gasauslaß 13. Der Mantel 11 enthält ein Innenteil 14 vom Kolbentyp. Dieses Innenteil 14 besteht aus einem Strömungselement 15 und einem damit verbundenen Schaft 16. Das Innenteil 14 kann in axialer Richtung bewegt werden, dies ermöglicht eine Veränderung der Breite des ringförmigen Schlitzes 17 (siehe Fig. 3), der zwischen dem Mantel 11 und dem Strömungselement 15 im Bereich des Auslasses 13 definiert wird.
Unter dem Einfluß des Gasstrahls, der den Mantel 11 durch den Einlaß 12 tangential betritt, und mit Hilfe des Strömungselementes 15 erhält der Gasstrahl einen Wirbel, wenn er die Öffnung 17 verläßt. Dieser einstellbare tangential angeordnete Gaseinlaß kann zur Veränderung des Wirbels verwendet werden.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt der Stirnfläche des Auslasses einer weiteren Konfiguration der Winddüse. Hier stellen 15 mm die bevorzugte Breite des ringförmigen Schlitzes 20 und 160 mm den bevorzugten Abstand 21 zwischen den beiden am nächsten liegenden entgegengesetzten Seiten dar. Der geringere Durchmesser 21 des Innenteils beträgt vorzugsweise mindestens das Doppelte und am bevorzugtesten das Fünffache der Breite des Schlitzes 20.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht der Stirnfläche einer Winddüse vom Zwillingstyp. Es ist bevorzugt, daß bei Verwendung die Richtung des Wirbels in den beiden ringförmigen Schlitzen 22 und 23 entgegengesetzt ist, dies wird durch die beiden Pfeile gezeigt. Diese Winddüse bildet einen doppelten hohlen Strahl mit zwei festen Kernen 24 und 25 und folglich einer größeren Ausdehung in axialer Richtung 26 als in der axialen Richtung 27.
Das in Fig. 1 gezeigte Reaktorgefäß vom Trommeltyp wurde für eine versuchsweise Schmelzreduktion verwendet. In ein Bad 4 mit etwa 10 t wurde durch die Bodenwinddüsen Kohle mit einer Blasgeschwindigkeit von 30 kg/min eingesprüht, Erz wurde durch die Bodenwinddüsen mit einer Geschwindigkeit von 32 kg/min eingesprüht, und gebrannter Kalk zur Schlackebildung wurde durch die Bodenwinddüsen mit einer Geschwindigkeit von 2 kg/min eingespritzt. Um diese gemahlenen festen Materialien zu befördern, wurden etwa 10 Nm³/min Stickstoff als Trägergas verwendet. Gleichzeitig wurden etwa 2 Nm³/min Erdgas durch den ringförmigen Schlitz jeder Winddüse eingesprüht, um die einspritzenden Winddüsen zu schützen. Heiße Blasluft mit einer Temperatur von 1200ºC wurde durch eine Winddüse mit einem Auslaß mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von 200 mm bei einer Geschwindigkeit von 135 Nm³/min ebenfalls auf die Oberfläche 3 des Bades 4 gesprüht. Der absolute Druck betrug etwa 1,7 bar in der Leitung für die heiße Blasluft und etwa 1,25 bar im Reaktorgefäß.
Bei günstigen Bedingungen und Verwendung eines bekannten freien Strahls ohne Wirbel betrug der maximale erreichte Grad der Nachverbrennung 30%. Unter dem Einfluß des Wirbels, der dem Ausblasstrahl verliehen wurde, konnte als Vergleich eine zuverlässige Zunahme des Grades der Nachverbrennung erreicht werden, der durch Veränderung der Wirbelzahl exakt geregelt werden konnte. Bei einer Wirbelzahl von etwa 0,5 wurde zum Beispiel ein Grad der Nachverbrennung von etwa 45% erreicht. Dies ermöglichte eine Zunahme der Einspritzgeschwindigkeit des Erzes auf etwa 40 kg/min, ohne daß die Temperatur des Eisenbades abnahm.
Bei Verwendung des gleichen Reaktorgefäßes und nahezu der gleichen Verfahrenswerte wie oben war es möglich, den Grad der Nachverbrennung beträchtlich zu erhöhen, indem eine Ausblas-Winddüse nach Fig. 2 installiert wurde, die eine Gasauslaßöffnung 13 mit 300 mm und eine Breite des ringförmigen Schlitzes 17 von 35 mm Durchmesser aufwies. Es wurde ein Grad der Nachverbrennung von 65% bei einer Wirbelzahl von 0,8 erreicht, und es war bei diesen Bedingungen möglich, das Reaktorgefäß bei einer Einspritzgeschwindigkeit der Kohle von 25 kg/min und einer Einspritzgeschwindigkeit des Erzes von 53 kg/min zu betreiben.
Bei diesen Versuchsbedingungen der Schmelzreduktion in diesem relativ kleinen Reaktor war es möglich, den genannten Grad der Nachverbrennung zuverlässig und reproduzierbar zu erreichen.

Claims

1. Verfahren zur Nachverbrennung von in einem Eisenschmelzbad erzeugten Reaktionsgasen über dem Bad durch mindestens einen Strahl oxidierender brennstofffreier Gase, wobei die dadurch erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Strahl der oxidierenden Gase mit einem Wirbel durch eine oder mehrere Winddüsen auf die Oberfläche des Bades gesprüht wird, wobei die dadurch erzeugte Energie mit hohem Wirkungsgrad auf das Bad übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelzahl des oder jedes Strahls der oxidierenden Gase im Bereich von 0,1 bis 5 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelzahl im Bereich von 0,1 bis 2 liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelzahl regelbar ist, um dadurch die Nachverbrennung zu variieren.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Strahl der oxidierenden Gase hohl ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder hohle Strahl der oxidierenden Gase in Querrichtung ringförmig ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit den oxidierenden Gasen pulverisierte feste Reaktanten eingesprüht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Strahl der oxidierenden Gase in einem Winkel zur ruhigen Badoberfläche im Bereich von 10 bis 90º auf das Bad gesprüht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase Sauerstoff, Luft oder Mischungen von Inertgas, Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff umfassen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase vor dem Einsprühen auf die Badoberfläche vorgewärmt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase aus Luft bestehen, die auf eine Temperatur im Bereich von 1000 bis 1600ºC vorgewärmt wurde.

12. Verfahren zur Nachverbrennung von in einem Eisenschmelzbad erzeugten Reaktionsgasen über dem Bad durch mindestens einen Strahl oxidierender Gase, wobei die dadurch erzeugte Energie auf das Bad übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Strahl der oxidierenden Gase in Form eines hohlen Strahls durch eine odere mehrere Winddüsen auf die Oberfläche des Bades gesprüht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder hohle Strahl der oxidierenden Gase in Querrichtung ringförmig ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß im hohlen Teil des oder jedes hohlen Strahls der oxidierenden Gase pulverisierte feste Reaktanten eingesprüht werden.