SE1250215A1 - Järnreduktionsprocess och anordning därför - Google Patents

Abstract

En ugnsutrustning (1) för järnproduktion har en smältreaktor (2) till vilkenjärnoxidinnehållande råmaterial (4) och slaggbildare tillsätts. Ettsmältarrangemang (22) smälter det järnoxidinnehållande råmaterialet ochomvandlar det smälta råmaterialet till flytande slagg (6). Ensmältreduktíonsreaktor (3) är ansluten till smältreaktorn genom ettslaggöverföringsarrangemang (10). Smältreduktíonsreaktorn innefattar ettuppvärmningsarrangemang (30) för värmning av slaggen. Organ (32) förtillförsel av en reduktant (7) för reduktion av järnoxiden i slaggen till enflytande järnsmälta (8) och för generering av en brännbar gasblandning (11)innefattande åtminstone en av CO och H2. En gasförbindelse (12) äransluten mellan srnältreduktionsreaktorn och smältarrangemanget.Smältarrangemanget innefattar i sin tur en brännare (28) som förbränner gasblandningen. Förbränningsvärmet används för smältändamäl. (Pig. 1)

Description

Utvecklingen längs dessa tre inriktningar utnyttjar alla motströmsprincipen för att erhålla en så hög energiutnyttjandegrad som möjligt, dock begränsas de av jämviktsförhållandena mellan de olika järnoxiderna och reduktionsgasen. Vidare använder alla processerna kol både som reduktionsmedel och energikälla. Därför medför inte någon av de nya järnframställningsprocesserna något större genombrott med avseende på COg-utsläpp.

I dagsläget baseras de flesta alternativa processerna till masugnsprocessen på en process baserad på en kombination av för-reduktion i fast tillstånd följt av ett slutligt smältsteg. I denna typ av processer utnyttjas den gas som lämnar smältsteget i för-reduktionssteget.

Endast en av dessa processer, Corex-processen, har nått en kommersiell användning. En översikt kan till exempel hittas i ”Modern processes for the coke-less production of iron” av A.B. Usachev m.fl. i Metallurgist, Vol 46, nr 0-04, 2002, sidor 117-130. Corex-processen består av två reduktionssteg. I det första steget reduceras järnoxiden partiellt vilket sedan följs av ett smältreduktionssteg för att producera en smält metall som i sammansättning liknar ett masugnsråjärn. Nackdelarna med Corex- processen är att det dels krävs agglomererad malm dels att avgående gasvolymen är stor då kol används som både bränsle och reduktionsmedel, vilket gör ett nedströmssystem för avgående gas kostsamt. Detta medför inte enbart en ökning av drifts- och investeringskostnader utan även av C02- emissionen.

Finex, CCF, DIOS och Hismelt är processer som använder snarlika tillvägagångssätt som COREX, det vill säga, en för-reduktion i fast fas och en slutreduktion i smältfas. Den huvudsakliga skillnaden mellan dessa processer och Corex är typen av råmaterial som används. Under det att Corex använder sinter, kulsinter eller styckemalm använder övriga fyra processer finkornig malm som råmaterial, vilken efter för-reduktion överförs till ett andra, smältreduktionssteg vilket producerar ett flytande råjärn.

Finex och CCF befinner sig i experimentfasen medan DIOS och Hismelt befinner sig i demonstrationsanläggningsfasen. Alla dessa processer, inklusive Corex, verkar vid höga tryck i smältfasreduktionssteget och kräver en hermetisk förslutning. Då kol används både som bränsle och reduktionsmedel föreligger snarlika nackdelar som i fallet med Corex- pfOCCSSCn .

Ett annat försök att erhålla en mer påtaglig minskning av COQ-emissionen beskrivs i det svenska patentet SE453304, där förvärmning, för-reduktion och smältreduktion utförs medelst partiell förbränning av de avgående gaserna från den slutliga smältreduktionen, alla dessa reaktioner äger rum i samma reaktor. Svagheten med denna process är att det oundvikligen sker en blandning av gaser och vätskor från de olika zonerna i reaktorn vilket i sin tur gör det omöjligt att balansera bildandet av CO-gas i det slutliga smältreduktionssteget med behovet av CO-gas i de andra stegen. Vidare gör den partiella förbränningen av CO-gas i föruppvärmnings - förreduktionssteget det olämpligt att tillföra gasen i smältreduktionssteget i form av plasmagas. Även om försök gjorts för att göra järnoxidreduktionen mer energieffektiv, till exempel genom förreduktion av det inkommande oxidråmaterialet, är mängden C02 som frigörs i processerna fortfarande väldigt hög. Ett allmänt problem med kända metoder för järnreduktion är att de är ineffektiva vid användning av tillförd energi och ger stora mängder koldioxidutsläpp, vilket gör processerna miljöskadliga och dyra.

SAMMANFATTNING Ett allmänt syfte med föreliggande uppfinning är att möjliggöra en järntillverkning som är mer energieffektiv och som leder till mindre gasutsläpp, speciellt av C02. l5 Ovan givna syfte uppnås genom metoder och arrangemang enligt bifogade oberoende patentkrav. Föredragna utföringsformer presenteras i de beroende patentkraven. Med allmänna ord, enligt en första aspekt har en metod för att tillverka järn ett smältsteg och ett smältreduktionssteg. Smältsteget innefattar införsel av järnoxidinnehållande råmaterial och slaggbildare till en smältreaktor. Det järnoxidinnehållande råmaterialet smälts i smältreaktorn.

Det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet omvandlas till en flytande slagg. Den flytande slaggen överförs till en smältreduktionsreaktor, Den flytande slaggen värms upp i smältreduktionsreaktorn. Ett reduktionsmedel tillförs smältreduktionsreaktorn. Uppvärmningen och tillförseln av reduktionsmedlet ger en reduktion av den flytande slaggen till en flytande järnsmälta i smältreduktionsreaktorn och genererar även en brännbar gasblandning som innefattar åtminstone någon av CO och H2. Smältningen i smältsteget innefattar i sin tur förbränning av åtminstone en del av någon av CO och H2 i den brännbara gasblandningen i eller i anslutning till smältreaktorn, för att utnyttja det bildade förbränningsvärmet för smältningen.

I föredragna utföringsformer innefattar uppvärmningen i smältreduktionssteget och smältningen i smältsteget tillförsel av i plasmageneratorer upphettad gas under slaggytan.

Enligt en andra aspekt har en ugnsanordning för produktion av järn en smältreaktor och en smältreduktionsreaktor, förbundna med ett slaggöverföringsarrangemang till smältreduktionsreaktorn. Smältreaktorn innefattar organ för införsel av ett järnoxidinnehållande råmaterial och slaggbildare till smältreaktorn. Ett smältarrangemang är anordnat för att smälta det järnoxidinnehållande råmaterialet i smältreaktorn och omvandla det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet till en flytande slagg.

Smältreduktionsreaktorn innefattar ett uppvärmningsarrangemang anordnat för att värma upp den flytande slaggen. Smältreduktionsreaktorn innefattar vidare organ för att tillföra ett reduktionsmedel till den flytande slaggen för att reducera FeO-innehållet i den flytande slaggen till en flytande järnsmälta lO och för att generera en brännbar gasblandning som innefattar åtminstone någon av CO och H2. En gasförbindelse är ansluten mellan en övre del av smältreduktionsreaktorn och smältarrangemanget i smältreaktorn för att tillföra den brännbara gasblandningen till smältarrangemanget.

Smältarrangemanget innefattar en brännare som är anordnad att orsaka en förbränning av åtminstone någon av CO och H2 i den brännbara gasblandningen i, eller i anslutning till, smältreaktorn. Smältarrangemanget är därmed anordnat för att möjliggöra utnyttjandet av genererat förbränningsvärme för smältningsändamålet.

I föredragna utföringsformer tillhandahålls en plasmagenerator i varje reaktor för tillförsel av heta gaser under slaggbadets yta.

En fördel med den föreliggande uppfinningen är att järnreduktionen kan utföras energieffektivt och på ett sådant sätt att det totala utsläppet av koloxider minskas. Ytterligare fördelar diskuteras i större detalj i anslutning till beskrivningen av de olika utföringsformerna nedan.

KORT FIGURBESKRIVNIN G Uppfinningen tillsammans med ytterligare syften och fördelar förstås bäst genom hänvisning till följande beskrivning tillsammans med bifogade ritningar, i vilka: Fig.1 är en schematisk illustration av en utföringsform av en ugnsutrustning enligt föreliggande uppfinning; och Fig.2 är ett flödesdiagram över stegen i en utföringsform av en metod enligt föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING I ritningarna används samma referensbeteckningar för snarlika eller motsvarande element. 6 I många järnreduktionsarrangemang enligt känd teknik fordrar behovet att smälta råmaterialet stora energimängder. Denna energi tillförs vanligtvis till smältreduktionssteget som reaktionsvärme när kolinnehållande substanser förbränns. Dock, på grund av jämviktskraven i det järnbildande smältreduktionssteget, kan inte en sådan förbränning vara fullständig och stora mängder CO bildas. Då värmet som genereras vid förbränning av kolinnehållande substanser till CO är mycket lägre än det värme som genereras genom att förbränna samma mängd kolinnehållande substanser till C02, är inte utnyttjandet av bränslet särskilt effektivt.

Ett delsyfte med föreliggande uppfinning är därför att separera smältningen av råmaterialet från den faktiska slutreduktionen, vilken bestäms av jämviktsvillkoren. På detta sätt kan nästan hela energiinnehället i bränslet utnyttjas.

Vidare, då kvoten CO/ C02 i smältreduktionsfasen inte kan reduceras utan att det medför en ofullständig reduktion av järn, kommer det ändå att produceras en icke-försumbar mängd CO i reduktionssteget. Dock, då själva smältningen är separerad från den fysiska position där reduktionsvillkoren är giltiga, kan denna reduktionsgasblandning istället överföras till smältsteget där återstående värmeenergiinnehåll eller kemiskt energiinnehåll kan utnyttjas.

Genom att välja lämpliga reduktionsnivåer och temperaturer för den av smältningen producerade smälta slaggen och leda in den smälta slaggen i smältreduktionsprocesskammaren kan behovet av reduktanter (eller ekvivalent, reduktionsmedel) och energi balanseras på sådant sätt att åtminstone 80 % av energiinnehället i den i smältreduktionssteget producerade förbränníngsgasen kan utnyttjas i smältsteget.

I en typisk utföringsform enligt föreliggande uppfinning presenteras en tvåstegsprocess för en smältreduktion för framställning av råjärn utgående från ett järnoxidinnehällande råmaterial, där de energirika avgående gaserna lO från det slutliga smältreduktionssteget används som bränsle i det första smältsteget. Genom att utnyttja förbränningsvärmet från de brännbara avgående gaserna för att smälta det inkommande järnoxidinnehållande materialet kan typiskt 80-100% av de avgående gasernas fullständiga energiinnehåll användas. På detta sätt kan förbränningsenergin hos de avgående gaserna ”återföras” till det slutliga smältreduktionssteget som fysiskt värmeinnehåll i en järnoxidinnehållande smält slagg.

Trots att en avsevärd energimängd på detta sätt tillförs den smälta järnoxidinnehållande slaggen behövs det vanligtvis ytterligare värmeenergi för att täcka den endoterma järnoxidreduktionen i det slutliga smältreduktionssteget. Värmeenergin tillförs i denna utföringsform effektivast genom nedsänkta plasmageneratorer, vilka bubblar de mycket heta plasmagaserna genom slaggbadet. Anledningen till att i föredragna utföringsformer använda plasmageneratorer för att tillföra värmeenergi till smältreduktionssteget är att den elektriska energin kan återföras till smältan med en effektivitet på 80 % medan alternativet är att förbränna kol med syre till kolmonoxid vilket ger en effektivitet på maximalt 20 %. Dä de avgående gaserna från smältreduktionssteget, vilka typiskt sett innehåller huvudsakligen kolmonoxid eller i vissa fall väte, utnyttjas som bränsle i det första smältsteget, ligger energiinnehållet i bränslegaserna genererade vid reduktion av FeO till Fe i samma intervall som, eller något över, den värmeenergi som krävs för att smälta det inkommande järnoxidinnehållande materialet plus slaggbildare i smältsteget. Energiinnehållet i bränslegasen kan, i specifika utföringsformer, i viss grad kontrolleras genom att tillföra kolväten till smältreduktionssteget vilket leder till visst tillkommande väte i bränslegasen.

Genom att kombinera utnyttjandet av de brännbara avgående gaserna från smältreduktionssteget som bränsle för att smälta det i smältsteget inkommande materialet med det effektivaste sättet att överföra värmeenergi till den smälta slaggen i smältreduktionssteget konsumerar processen enligt lO uppfinningen mindre energi och leder till en minskning av åtminstone 50 % av COz-utsläppen jämfört med existerande järnframställningsprocesser.

Fig. 1 illustrerar schematiskt en utföringsform av en ugnsanordning 1 för tillverkning av järn enligt föreliggande uppfinning. En smältreaktor 2 innefattar organ 20 för inmatning eller tillförsel av material till smältreaktorn. Materialet tillfört genom dessa tillförselorgan 20 är ett järninnehållande råmaterial, typiskt ett järnoxidinnehällande råmaterial 4, och slaggbildare 5. Det järnoxidinnehällande råmaterialet 4 kan även inbegripa andra substanser utöver järnoxiden. Detta kommer att diskuteras ytterligare nedan. Materialtillförselorganet 20 innefattar typiskt ett inlopp 40 och transportörer 41, 42 för det järnoxidinnehällande råmaterialet 4 respektive slaggbildarna 5. Dock kan många alternativa konfigurationer också tillämpas. Sådana alternativa konfigurationer skulle kunna tillhandahålla återkommande, och det järnoxidinnehällande råmaterialet 4 och materialet kontinuerligt, kvasí-kontinuerligt eller slaggbildarna 5 kan tillföras åtminstone till en del samtidigt eller vid separata tidpunkter. Sådana delar är välkända inom teknikområdet och har inte någon direkt inverkan på den huvudsakliga tekniska effekten enligt föreliggande uppfinning och kommer därför inte att diskuteras i någon större detalj. I en föredragen utföringsform matas dock det järnoxidinnehällande råmaterialet 4, t.ex. malm, till den övre delen av smältreaktorn 2.

Smältreaktorn 2, typiskt sett ett smältschakt, innefattar vidare ett smältarrangemang 22 anordnat för att smälta det järnoxidinnehällande råmaterialet 4 i nämnda smältreaktor 2. Det smälta järnoxidinnehällande råmaterialet omvandlas av smältarrangemang 22 till en flytande slagg 6, typiskt sett en flytande slagg 6 som innehåller jårnoxid. Småltarrangemanget 22 kommer att diskuteras i större detalj nedan.

Den järnoxidinnehällande flytande slaggen 6 kan ha olika oxideringsgrader.

Vanligtvis, då större delen av det järnoxidinnehällande råmaterialet innefattar järnmalmer med Fe2O3 eller Fe3O4 som huvudsakligt innehåll, är lO 9 smältningen associerad med en viss för-reduktion av järnet. Även när olika typer av järninnehållande avfallsmaterial, såsom glödskalsmaterial, syre- EAF-damm, vattenbearbetning, damm från blästring, malning och skrotklippning osv scarfinggranulat, glödskalslammaterial, slam från används som råmaterial sker det typiskt en för-reduktion. Dock, om råmaterialet har en lägre oxidationsgrad eller om oxidationsnivån för den järnoxidinnehållande flytande slaggen 6 avsiktligt drivs mot en relativt hög oxidationsgrad kan för-reduktionen utebli och det är till och med möjligt att viss oxidering sker. I ett typiskt fall kommer dock omvandlingen av det järnoxidinnehållande råmaterialet att innefatta en partiell reduktion av det järnoxidinnehållande råmaterialet till ett oxidationstillstånd för FeO (Wüstite- slagg), eller nära detta.

Den järnoxidinnehållande flytande slaggen 6 överförs till en smältreduktionsreaktor 3 genom ett slaggöverföringsarrangemang 10.

Slaggöverföringsarrangernanget 10 förbinder därmed smältreaktorn 2 med smältreduktionsreaktorn 3. I en enklaste utföringsform innefattar slaggöverföringsarrangemanget 10 en slaggöverföringsränna 43 som förbinder smältreaktorn 3 och smältreduktionsreaktorn 2. I en specifik utföringsform kan slaggöverföringsrännan innefatta ett slagglås 46. Slagglås 46 är anordnat för att förhindra en blandning av atmosfärerna i smältreaktorn 2 respektive smältreduktionsreaktorn 3. I alternativa utföringsformer kan slaggöverföringsarrangemanget 10 anordnas på andra sätt, till exempel som en avtappningsstation, där slagg tappas upp i skänkar, och ett inlopp till smältreduktionsreaktorn i vilket flytande slagg hälls från skänkarna.

Smältreduktionsreaktorn 3, typiskt ett slaggreduktionsschakt, innefattar ett uppvärmningsarrangemang 30 anordnat för att värma upp den järnoxidinnehållande flytande slaggen i smältreduktionsreaktorn 3.

Smältreduktionsreaktorn 3 innefattar även en reduktanttillförsel eller organ 32 för tillförsel av reduktionsmedel 7 till smältreduktionsreaktorn 3. Fasta reduktanter eller reduktionsmedel, såsom kol eller petroleumkoks, kan lO också matas till smältreduktionsreaktorn 3 genom en öppning eller matningsport 50 anordnad i taket på smältreduktionsreaktorn 3 och/ eller via lansar genom en matningsport 51 i reaktorväggen, företrädesvis även den i den övre delen av schaktet.

Avsikten med reduktanten eller reduktíonsmedlet 7 är att reducera den till smältreduktionsreaktorn 3 inkommande järnoxidinnehållande flytande slaggen till en flytande järnsmälta 8. Samtidigt med detta genereras det en slagg 9 och produceras det en brännbar reduktionsgasblandning 11. Denna i reduktionen producerade brännbara gasblandningen 11 innefattar CO och/ eller H2 och påvisar vanligen även låga förekomster av C02 och H20.

Den flytande järnsmältan 8 och slaggen 9 kan tillåtas lämna smältreduktionsreaktorn genom utlopp 38A respektive 38B. Detta kan utföras enligt konventionell teknik.

I föreliggande utföringsform tillförs värmeenergi till smältreduktionsreaktorn 3 genom en plasmagenerator 34 som drivs med elektricitet och renad komprimerad avgående gas, det vill säga den renade brännbara gasblandningen 12, från samma reaktor. Detta kommer att diskuteras ytterligare nedan. Den heta plasmastrålen som producerades i plasmageneratorn 34 leds in i smältreduktionsreaktorn 3 genom en vattenkyld forma 47 anordnad under ytan 44 på den flytande slaggen 9, vilket tvingar de heta gaserna att bubbla upp genom slaggbadet. Reduktant 7, och i vissa fall syre och/ eller luft introduceras i forman 47 före det att gasstrålen kommer in i slaggbadet.

Med andra ord utförs uppvärmningen av den järnoxidinnehållande flytande slaggen i smältreduktionsreaktorn 3 och tillförseln av reduktanten 7 i föreliggande utföringsform samtidigt genom att driva plasma-generatorn 34 in i en forma 47, till vilken reduktanten 7 kan tillhandahållas. Detta görs för att skapa en plasmastråle, och denna plasmastråle leds in i smältreduktionsreaktorn 3 vid en nivå under en yta 44 på slaggen 9.

Reduktanten 7 är såväl i föreliggande utföringsform som i många andra 11 utföringsformer, företrädesvis någon av träkol, kol, väte, gasformiga kolväten, flytande kolväten och koks. En fördel med att använda kombinationen av plasmagenerator och forma 34-47 för tillförsel av värme och reduktant 7 är att reduktantmängden kan justeras för att passa reduktíonsvillkoren i reduktionsschaktet, det vill säga, smältreduktionsreaktorn 3. Om ytterligare värme krävs kan sådant värme tillföras genom elektricitet via en elenergikälla 36. Med andra ord är plasmageneratorn 34 anordnad för att möjliggöra en reglering av matningshastigheten för reduktionsmedel 7 och/ eller en reglering av den värmemängd som tillförs till smältreduktionsreaktorn 3.

I alternativa utföringsformer kan även andra lösningar för reduktantkälla 32 värmearrangemang 30 och tillförselorganet 32 för reduktionsmedel värmearrangemang 30 och utnyttjas, där tillhandahålls separat. Värmearrangemanget 30 kan fortfarande med fördel utgöras av en plasmagenerator 34.

Användning av en plasmagenerator där en plasmastråle introduceras in i vätskefasen ger ytterligare fördelar som följd av den höga energidensiteten i plasmastrålen och den effektiva gas- och värmeöverföringen som sker då heta plasmagaser fås att bubbla genom slaggen.

I reduktionsschaktet 3, hålls reduktionsförhållandena strikta genom att matningshastigheten för reduktanter 7 regleras. Plasmageneratorerna tillför huvuddelen av den nödvändiga värmeenergin. Den producerade järnmetallen samlas upp som en flytande järnsmälta i den nedre delen av reduktionsschaktet 3 och tappas av genom utloppet 38A i intervall eller kontinuerligt. Även slagg 9 tas ut i intervall eller kontinuerligt men i utloppet 38A vid en högre nivå. Sammansättningen av slagg justeras med fördel mot en relativ hög basicitet, mest fördelaktigt i intervallet 1-1.5. Mera allmänt justeras basiciteten för att hålla smälttemperaturen för slaggen i ett lämpligt intervall med avseende på smälttemperaturen för smält järn med ett kolínnehåll av l-4%. Företrädesvis kontrolleras FeO-innehållet i slaggen 9 i 12 reduktionsschaktet 3 vid kontinuerlig drift så att det ligger omkring nivån 2- 6% för att därmed uppfylla FeO-aktiviteten, Fe-utbytet och lämpliga smälttemperaturer.

I en föredragen utföringsform är de till smältreaktorn tillförda slaggbíldarna tillförda i en sammansättning och mängd som är anpassad för att ernå lämpliga egenskaper hos den flytande slaggen. I en utföringsform är slaggbíldarna valda för att innefatta åtminstone en av kalksten, dolomit och kvarts. De tillförda mängderna slaggbildare är valda för att ge den flytande slaggen en smältpunkt inom 50-150°C över en smältpunkt för den flytande järnsmältan. Sådana anpassningar behöver göras åtminstone i beroende av sammansättningen av det järnoxidinnehållande råmaterialet och mängden kol i den slutliga flytande järnsmältan.

Då smältreduktionsreaktorn 3 med fördel drivs med en tämligen basisk slagg och vid en högre syrepotential än exempelvis en konventionell blästerugn, tenderar fosfor att införlivas i slaggen. Den producerade järnmetallen uppvisar därför vanligen ett lågt fosforinnehåll oavsett råmateríalets sammansättning.

I föreliggande utföringsform är en gasförbindelse 12 ansluten mellan en övre del på smältreduktionsreaktorn 3 och smältarrangemanget 22 i smältreaktorn 2. Gasförbindelsen 12 är därmed anordnad för att tillföra åtminstone en del av den brännbara gasblandningen 11 till smältarrangemanget 22. Den brännbara gasblandningen 11 passerar i den föreliggande utföringsformen en gasbehandlingsenhet 18 där gasblandningen 11 kyls, renas och komprimeras. Eventuella orenheter 19 avlägsnas företrädesvis och hanteras separat. Den renade gasblandningen 12, vilken huvudsakligen innefattar CO och/ eller H2, tillförs i föreliggande utföringsform till en del till plasmageneratorn 34 genom en drivgastillförsel 13, enligt vad som nämndes ovan. Äterstoden, vilken typiskt sett utgör huvuddelen, tillförs smältarrangemanget 22. 13 Smältarrangemanget 22 innefattar i sin tur en brännare 28. Brännaren 28 är anordnad att förbränna CO och/ eller H2 från den, företrädesvis renade, brännbara gasblandningen 12 i, eller i anslutning till, smältreaktorn 2.

Brännaren 28 är anordnad för att möjliggöra att det genererade förbränningsvärmet utnyttjas för smältningen i smältreaktorn 2.

I en speciñk utföringsform innefattar smältarrangemanget 22 en kombination av en plasmagenerator 29 och en forma 23, i vilken förbränningen sker. Denna kombination är anordnad att producera en het gasstråle. Smältarrangemanget 22 är vidare anordnat för att tillföra den heta gasstrålen in i smältreaktorn 2 vid en nivå under en yta 45 på det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet. En matningsledning 24 för ytterligare plasmagas kan också tillhandahållas. Smältarrangemanget 22 enligt föreliggande utföringsform har vissa ytterligare fördelar. Plasmageneratorn 29 är enkel att kontrollera med avseende på den mängd gas som passerar plasmageneratorn. I den händelse att ytterligare värme krävs kan detta värme enkelt tillföras som elektrisk energi via en elenergikälla 48. Ytterligare värmeenergi kan även tillföras genom att förse forman 23 med ytterligare bränsle, såsom indikeras av tillförselledning 25 i Fíg.1. Forman 23 är därmed företrädesvis anordnad för att möjliggöra en reglering av såväl förbränningen, speciellt med avseende på förbränningsgraden och/ eller gasflödet, som en styrning av mängden tillfört värme till smältschaktet 2.

Hela smältschaktet, det vill säga, smältreaktorn 2 och reduktionsschaktet, det vill säga, smältreaktionsreaktorn 3, är med fördel eldfast fodrade.

Företrädesvis är det ett relativt tunt foder, 4-12 cm, i en för smältschaktet konisk expansionszon och i en konisk del av schakten, med en kraftig Vattenkylning av ugnsväggen. I dessa delar kommer tjockleken på det eldfasta materialet ligga i ett jämviktsläge mellan att en upplösning av det eldfasta materialet sker och att ett slagglager stelnar på väggen.

Betraktat som en helhet tillförs reduktanter till ugnsanordningen.

Reduktanternas syfte är tvåfalt. Det första syftet är att reducera järnoxider lO 14 till järn. Det andra syftet är att tillhandahålla systemet med tillräcklig energi för att smälta råmaterialet och för att stödja reduktionsprocessen. Enligt föreliggande uppfinning är dessa syften fysiskt uppdelade mellan en smältreaktor och en smältreduktionsreaktor. Huvudsyftet för tillhandahålla den reduktionspotentialen och uppvärmningssyftet är av mindre betydelse. I smältreduktionsreaktorn är att korrekta smältreaktorn är å andra sidan smältníng av råmaterialet huvuduppgiften medan för-reduktion (eller oxidering) har en mindre betydelse. De två processerna är dock tätt sammankopplade, exempelvis med avseende på temperatur- och oxidationsnivå på den slagg som överförs mellan schakten samt mängden och innehållet i reduktionsgasblandningen.

Om den överförda slaggen har en hög oxidationsnivå måste mängden reduktanter som tillförs smältreduktionsreaktorn ökas. Ett resultat av detta är att mängden producerad reduktionsgasblandning också ökar. Sådana mängder av reduktionsgasblandning kan till och med vara större än den mängd som behövs för att smälta råmaterialet i smältreaktorn.

För varje råmaterialssammansättning föreligger det därmed ett optimalt val av temperatur och oxidationsgrad för den slagg som överförs mellan de två schakten, vilket leder till ett fullständigt utnyttjande av den kemiska energin i reduktionsgasblandningen. Det optimala valet kommer också att påverkas av exempelvis mängden och typen av slaggbildare som tillförs systemet.

I många av testerna med olika råmaterialssammansättningar har det visat sig att en partiell reduktion av järnínnehållande råmaterial till FeO ofta är belägen relativt nära de absolut optimala förhållandena. Det är därför i många fall fördelaktigt att den järnoxidinnehållande flytande slaggen 6 i huvudsak innefattar FeO, det vill säga, vvüstit.

I en specifik utföringsform innefattar smältreaktorn 2 även en injektor 26 för en syreínnehållande gas. Injektorn 26 är anordnad ovan en yta 45 på den järnoxidinnehållande flytande slaggen och den syreínnehållande gasen är avsedd att förbränna icke fullständigt förbränd gas som lämnar ytan 45 på den järnoxidinnehållande flytande slaggen 6. I ett typiskt fall kan kvoten CO2/(CO+CO2) vara i storleksordning 0.8. Det kvarvarande CO blev därmed inte fullständigt oxiderat i brännaren 28 eller under växelverkan med den järnoxidinnehållande slaggen 6. Gas 16 lämnar sedan smältreaktorn 2 genom ett gasutlopp 14. En gasrenare 15 tillhandahålls företrädesvis för att avlägsna exempelvis flyktiga metallångor och partiklar från de huvudsakliga gaskomponeneterna.

Den renade gasen 17 som lämnar systemet innefattar väsentligen enbart H20 och C02.

Eventuellt svavelinnehåll i det järninnehållande råmaterialet 4 kommer typiskt sett att avlägsnas i smältreaktorn 2, antingen in i reaktorgaserna eller som del av en skärstensfas. Dessa svavelinnehällande gaser kommer att tas hand om i gasrenaren 15. Det slutliga svavelinnehållet i det producerade järnet kommer mer eller mindre vara oberoende av det ursprungliga innehållet i tillförseln av råmaterial.

I viss utsträckning kommer det svavel som finns i smältreduktionsreaktorn att införlivas i den heta metallen och kommer att hamna i den producerade järnmetallen. Svavelinnehållet i slutprodukten kommer därför bero på mängden svavel i den reduktant som används i smältreduktionsreaktorn. Även koppar, typiskt i form av olika kopparoxider, kan förekomma i råmaterialet, exempelvis om EAF-damm används. I smältreaktorn kommer kopparn typiskt att avlägsnas som metallisk koppar och/ eller kopparskårsten (Cu/CuS) i den nedre delen av smältreaktorn. Detta beror på syrepotentialen i smältreaktorn. Kvoten CO2/(CO+CO2) är typiskt av storleksordningen 0,8, och detta gynnar formation av metallisk koppar från kopparoxider och/ eller kopparskårsten om svavel förekommer. Extra goda omröringsbetingelser i reaktorn, speciellt då plasmageneratorer används, underlättar en sammanväxning av kopparinneslutningar till kluster, vilka 16 lättare sjunker till botten av reaktorn. Den flytande metalliska kopparn och/ eller flytande kopparskärsten kan då lätt avlägsnas från reaktorns botten. Ett resultat av detta är att om järnoxidmaterial med ett relativt högt kopparinnehåll, såsom exempelvis EAF-damm, införs i processen har det inte någon större inverkan på kopparinnehållet i den slutliga heta metallen.

Fig. 2 illustrerar ett flödesdiagram över stegen i en utföringsform av en metod enligt föreliggande uppfinning. Metoden för att framställa järn påbörjas i steg 200. Ett smältsteg betecknas allmänt med 201. I smältsteget, i steg 210, tillförs ett järnoxidinnehållande råmaterial samt slaggbildare till en smältreaktor. I steg 212 smälts det järnoxidinnehållande råmaterialet.

Det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet tillsammans med slaggbildaren omvandlas i steg 216 till en järnoxidinnehållande flytande slagg. Ett smältreduktionssteg betecknas allmänt med 202. I slaggsmältníngsreduktionssteget, i steg 220, överförs den järnoxidinnehållande flytande slaggen till en smältreduktionsreaktor. I steg 222 värms den järnoxidinnehållande flytande slaggen upp i smältreduktionsreaktorn. Ett reduktionsmedel tillförs till smältreduktionsreaktorn i steg 224. Den järnoxidinnehållande flytande slaggen reduceras i steg 226 till en flytande järnsmälta. I steg 228 produceras en brännbar gasblandning som innefattar åtminstone en av CO eller H2. Denna produktion 228 sker samtidigt med, och i beroende av, reduktionssteget 226. Smältsteget 212 innefattar i sin tur ett steg 214 för att förbränna åtminstone en del av CO och/ eller H2 från den brännbara gasblandningen i, eller i anslutning till, smältreaktorn för att utnyttja bildat förbränningsvärme för smältningen. Proceduren avslutas i steg 299.

I en föredragen utföringsform innefattar smältsteget 212 drivandet av en första plasmagenerator i anslutning till vilken förbränningen 214 äger rum, för att producera en första het gasstråle och leda in nämnda första gasstråle in i nämnda smältreaktor vid en nivå under en yta av nämnda smälta järnoxidinnehållande råmaterial. lO 17 I en annan föredragen utföringsform sker förbränningen 214 genom att en syreinnehållande gas och den brännbara gasblandningen förs in i en forma vid en nivå under en yta på det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet.

Uppdelningen av processen i två steg gör det möjligt att på ett effektivt sätt utnyttja reduktanten eller reduktionsmedlet fullständigt i processen. Då reduktanten tillförs direkt in i smältreduktionsreaktorn som partiklar, vätska eller gas kan den väljas från ett brett urval från rent väte, gasformiga eller flytande kolväten till kol och finkornig koks. Detta gör det möjligt att välja reduktanter helt utifrån ett kostnads- och tillgänglighetsperspektiv. På grund av den höga termiska verkningsgraden och möjligheten att välja reduktant kan COg-utstläppen minskas till mycket låga nivåer jämfört med existerande processer. Jämfört med en konventionell masugnsprocess ligger det uppskattade COQ-utsläppet för föreliggande uppfinning på 45-70% då koks används som reduktant, 40-60% då kol används som reduktant, 30- 40% då LPG används som reduktant, 25-35% då naturgas används som reduktant och O % då vätgas används som reduktant. Spridningen i C02- utsläpp härstammar från kol/väte-kvoten i den använda reduktanten.

Användning av plasmageneratorer är föredragen, både i smältreaktorn och i smältreduktionsreaktorn. På grund av den höga energidensiteten i plasmastrålen reduceras de producerade gasvolymerna starkt jämfört med alternativa metoder. Detta ökar den termiska verkningsgraden för hela processen.

Genom möjligheten att tillföra det järninnehållande råmaterialet direkt in i smältreaktorn, där det smälts, blir processen mer eller mindre oberoende av de fysiska egenskaperna, såsom mjukgöring och klibbning, hos materialmatningen under uppvärmning och för-reducering.

Uppfinningen kommer att beskrivas ytterligare i anslutning till ett pilotanläggningstest för processen. Testet utfördes i en ugnsanordning, schematiskt återgiven i Fig.1, bestående av två reaktorer (en smältreaktor 18 och en smältreduktionsreaktor) utrustade med varsitt plasmagenerator- forma-aggregat. I båda dessa aggregat förses plasmageneratorn med plasmagas, elektricitet och kylvatten medan forman förses med luft/ syre, bränslegas (i detta fall återanvänd gas från smältreduktionsreaktorn) och en fast reduktant (kol). Aggregatens forma kommer in i reaktorerna under respektive slaggnivå så att de heta gaserna från aggregatet bubblar genom slaggbadet och skapar en effektiv mass- och värmeöverföring. Smältníngen är vidare utrustad med organ för att mata in det järnoxidinnehållande råmaterialet plus slaggbíldare från toppen, lansar för att tillföra förbränningsluft i den övre delen av reaktorn samt ett gasuttag.

Smältreduktionsreaktorn är utrustad med organ för att mata fasta material (reduktanter och/ eller slaggbíldare) från toppen och med ett gasuttag.

Toppdelen och den nedre delen av reaktorn är eldfast fodrade medan mittendelen (från forman och uppåt genom det koniska avsnittet) är en vattenkyld sektion där ett påfruset slagglager skapas. De två reaktorerna är sammankopplade via en slaggränna för att mata smält slagg från smältreaktorn till smältreduktionsreaktorn. Slaggrånnan är utrustad med en damm och ett slagglås för att förhindra att gaserna från en reaktor att blandas med gaserna från den andra. Den avgående gasen från smältreaktorn är fullständigt förbränd och kommer efter rening att ledas till en skorsten medan den avgående gasen från smältreduktionsreaktorn (bestående huvudsakligen av CO och H2) renas och komprimeras och används som plasmagas i båda reaktorerna, eventuell överskottsgas kommer att användas som bränslegas och tillförs till smältreaktorn via forman.

Processen påbörjas genom att skapa ett slaggbad i båda reaktorerna genom smältning av slaggbíldare och järnoxid. I smältreaktorn smälts en blandning av järnmalm och kalksten genom att driva plasmageneratorn på luft och elektricitet under det att LPG tillförs till forman. Luft/ LPG kvoten regleras för att erhålla en C02/ (CO+CO2)-kvot på 0,7. Den CO som förblir i den gas som lämnar slaggbadet förbränns sedan fullständigt genom luftinblåsning via lansar i reaktorns övre del. Under smältning av råmaterialet med den svagt reducerande gasen från plasmageneratoraggregatet kommer Fe203 att bilda 19 FeO i den flytande slaggen. Blandningen av råmaterial kontrolleras på sådant sätt att FeO-innehållet i slaggen kommer att vara av storleksordningen 70-98% medan basiciteten (CaO/SiOQ) hålls vid 1,1-1,3.

På detta sätt fylls smältreaktorn med smält FeO-slagg upp till nivån för slaggrännan till småltreduktionsreaktorn.

En annan råmaterialblandning matas in i smältreduktionsreaktorn och smälts på snarlikt sätt, men blandningen kontrolleras för att ge en smält slagg med 5-10% FeO och en basicitet på 1,1-1,3. På detta sätt fylls smältreduktionsreaktorn med smält slagg upp till nivån för slaggavtappningspipen.

Efter att ha förberett processutrustningen på detta sätt är processen att producera järnmetall redo att påbörjas. Metallproduktionen påbörjas direkt då kol/koks matas in i småltreduktionsreaktorn. Initialt matas en extramängd kol in för att säkerställa ett visst kolöverskott. Detta kolöverskott regleras för att ge en lämplig uppkolning av det producerade järnet och därmed även kontrollera dess smälttemperatur. Så fort som metallproduktionen påbörjas startar även inmatningen av järnoxidinnehållande material och slaggbildare till smältreaktorn, och avtappningshålet till slaggrännan öppnas vilket möjliggör att FeO-rik slagg flödar från smältreaktorn till småltreduktionsreaktorn. Flödeshastigheten för denna FeO-rika slagg regleras med hjälp av matningshastigheten för råmaterial till smältreaktorn.

Då produktionen av järnmetall påbörjas börjar smältreduktionsreaktorn att producera en CO- och Hg-rik avgående gas. Denna avgående gas renas, komprimeras och används delvis som plasmagas i båda reaktorerna medan den LPG som användes i formorna fasas ut. De CO- och Hg-rika avgående gaserna som inte används som plasmagas tillförs tillsammans med syre in i forman i smältreaktorn.

Metallproduktionen har nu gått in i ett jämviktstillstånd. Under drift kontrolleras produktionshastígheten genom matningshastigheten för råmaterialet och temperaturen hålls konstant. Då båda reaktorerna är vattenkylda av ett dubbelskalssystem utgörs fodret huvudsakligen av ett fruset slagglager (kylfoder) och värmeförlusterna till kylvattnet är direkt beroende av slaggtemperaturerna (det vill säga, överhettning av slaggen ovan dess smältpunkt). På detta sätt mäts slaggtemperaturen indirekt via värmeförlusterna och regleras via inmatad effekt från plasmageneratorerna.

Under drift rinner slagg med högt FeO-innehåll, vilket slagg smälts i den första reaktorn, kontinuerligt från den första reaktorn in i den andra reaktorn (smältreduktionsreaktorn) genom en förseglad slaggränna utrustad med en slaggdamm för att förhindra att gaserna från de två reaktorerna blandas. Under jämviktsdrift i testanläggningen låg matningen av oxider till den första reaktorn på omkring 400 kg/ timme och för petroleumkoks till smältreaktionsreaktornpå omkring 60 kg/ timme. Effektnivåerna för plasmageneratorerna var 300 kW för den första reaktorn och 700kW för smältreduktionsreaktorn. Smältreduktionsreaktorn tappades av en gång i timmen och gav omkring 250 kg råjärn och 30 kg slagg.

Då kompensation skett för de höga specifika värmeförlusterna i den lilla testanlåggningsreaktorn indikerade dessa tester följande förbrukningssiffror per ton producerad het metall.

Järnoxid (Fe203) 1 430 kg Petroleumkoks 230 kg Syre 180 m3n Elektricitet 1 050 kWh De utföringsformer som beskrivits ovan skall ses som ett fåtal illustrativa exempel av föreliggande uppfinning. Det skall inses av fackmannen inom området att olika modifikationer, kombinationer och förändringar kan göras till dessa utföringsformer utan att avvika från omfånget för föreliggande uppfinning. Speciellt kan ekvivalenta dellösningar i de olika 21 utföringsformerna kombineras i andra konfigurationer, då detta är tekniskt möjligt. Omfånget för föreliggande uppfinning definieras dock av de bifogade patentkraven.

Claims (17)

10 15 20 25 30 22 PATENTKRAV

1. En metod för tillverkning av järn, vilken har: ett smältskede (201), innefattande stegen: införsel (210) av järnoxidinnehållande råmaterial och slaggbildare till en smältreaktor; smältning (212) av det järnoxidinnehållande råmaterialet i smältreaktorn; samt omvandling (216) av det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet till en flytande slagg; och ett smältreduktionsskede (202), innefattande stegen: överföring (220) av den flytande slaggen till en smältreduktionsreaktor; uppvärmning (222) av den flytande slaggen i smältreduktionsreaktorn; tillförsel (224) av ett smältreduktionsreaktorn; reduktion (226) av den reduktionsmedel till flytande slaggen i smältreduktionsreaktorn till en flytande järnsmälta; samt generering (228) av en brännbar gasblandning i smältreduktionsreaktorn innefattande åtminstone en av CO och H2; vilket smältningssteg (212) i sin tur innefattar förbränning (214) av åtminstone en del av åtminstone en av CO och H2 i den brännbara gasblandningen i eller i anslutning till smältreaktorn, för utnyttjande av bildat förbränningsvärme för smältningen.

2. Metoden enligt krav 1, kännetecknad av att smältningssteget (212) innefattar drivande av en första plasmagenerator, i samband med vilken förbränningen (214) sker, för att producera en första het gasstråle och införsel av den första heta gasstrålen i smältreaktorn vid en nivå under en ytan av det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet. 10 15 20 25 30 23

3. Metoden enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att förrbänningen (214) sker genom tillförsel av en syreinnehållande gas och en del av den brännbara gasblandningen till en forma vid en nivå under en yta av det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet.

4. Metoden enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknad av att uppvärmnings- (222) och tillförselstegen (224) utförs samtidigt genom att driva en andra plasmagenerator till att producera en andra het gasstråle, och genom att för in den andra heta gasstrålen i smältreduktionsreaktorn vid en nivå under en yta av den smälta slaggen i smältreduktionsreaktorn.

5. Metoden enligt något av kraven 1 till 4, kännetecknad av att omvandlingssteget (216) innefattar partiell reduktion av järnoxider i det järnoxidinnehållande råmaterialet till huvudsakligen FeO.

6. Metoden enligt något av kraven 1 till 5, kännetecknad av att reduktionsmedlet väljs som åtminstone en av: träkol, kol, väte, gasformiga kolväten, flytande kolväten och koks

7. Metoden enligt något av kraven 1 till 6, kännetecknad av att slaggbildarna innefattar åtminstone en av kalksten, dolomit och kvarts i en mängd som ger den smälta slaggen en smältpunkt inom 50-150°C över en smältpunkt för den flytande järnsmältan.

8. Metoden enligt något av kraven 1 till 7, kännetecknad av att smältsteget (201) innefattar det ytterligare steget införande av en syreinnehållande gas i smältreaktorn ovanför en yta av den flytande slaggen för förbränning av gas som avges från ytan av den flytande slaggen.

9. Metoden enligt något av kraven 1 till 7, kännetecknad av att smältsteget (201) vidare innefattar reduktion av CuO till åtminstone en av metalliskt Cu och CuS-skärsten och separeríng av nämnda åtminstone en av metalliskt Cu och CuS-skärsten från den flytande slaggen. 10 15 20 25 30 24

10. En ugnsanordning (1) för tillverkning av järn, vilken har: en smältreaktor (2), innefattande: organ (20) för införsel av ett järnoxidinnehållande råmaterial (4) och slaggbíldare (5) till smältreaktorn (2); samt ett smältarrangemang (22) anordnat för att smälta det järnoxidinnehållande råmaterialet (4) i smältreaktorn (2) och att omvandla det smälta järnoxidinnehållande råmaterialet (4) till en flytande slagg (6); och en smältreduktionsreaktor (3), ansluten genom ett slaggöverförings- arrangemang (10) till smältreaktorn (2); vilket smältreduktionsreaktor (3) innefattar: ett uppvärmningsarrangemang (30) anordnat att värma upp flytande slagg i smältreduktionsreaktorn (3); organ (32) för tillförsel av ett reduktionsmedel (7) till smältreduktionsreaktorn (3) för att reducera den flytande slaggen till en flytande järnsmälta (8) och för att generera en brännbar gasblandning (ll) innefattande åtminstone en av CO och H2; och en gasförbindelse (12) ansluten mellan en övre del av smältreduktionsreaktorn (3) och smältarrangemanget (22) i smältreaktorn (2) för tillförsel av den brännbara gasblandningen (11) till smältarrangemanget (22); vilket smältarrangemang (22) i sin tur innefattar en brännare (28) anordnad för att förbränna åtminstone en del av en av CO och H2 i den brännbara gasblandningen (11) i eller i anslutning till smältreaktorn (2), vilken brännare (28) är anordnad för att möjliggöra utnyttjande av bildat förbränningsvärme för srnältningen.

11. Ugnsanordningen enligt krav 10, kännetecknad av att smältarrangemanget (22) innefattar en kombination av en första plasmagenerator (29) och en första forma (23) i vilka förbränningen sker, anordnad för att producera en första het gasstråle; vilket smältarrangemang (22) är vidare anordnat för att föra in den första heta gasstrålen i 10 15 20 25 30 25 smältreaktorn (2) vid en nivå under en yta (45) av det smälta jårninnehållande råmaterialet (4).

12. Ugnsanordningen enligt krav 10 eller 11, kännetecknad av att uppvårmningsarrangemanget (30) och tíllförselorganet (32) tillsammans utgörs av en kombination av en andra plasmagenerator (34) och en andra forma (47) till vilka reduktionsmedlet (7) tillhandahålls, anordnade för att producera en andra het gasstråle; vilket uppvärmningsarrangemang (30) är vidare anordnat för att för in den andra heta gasstrålen i smältreaktorn (3) vid en nivå under en yta (44) av flytande slagg (9) som täcker den flytande järnsmältan (8).

13. Ugnsanordningen enligt krav 12, kännetecknad av att den andra plasmageneratorn (34) är andordnad för att möjliggöra åtminstone en av: reglering av matningshastigheten av reduktionsmedel (7); samt reglering av tillförd mängd värme till smältreduktionsreaktorerna (3).

14. Ugnsanordningen enligt något av kraven 10 till 13, kännetecknad av att tíllförselorganet (32) för ett reduktionsmedel är anordnat för att tillföra ett reduktionsmedel (7) valt som åtminstone en av: träkol, kol, väte, gasformiga kolväten, flytande kolväten och koks.

15. Ugnsanordningen enligt något av kraven 10 till 14, kännetecknad av att smältreduktionsreaktorn (3) är anordnad för att tillföra fast reduktionsmedel genom matningsöppningar (50, 51) i den övre delen av reaktorn .

16. Ugnsanordningen enligt något av kraven 10 till 15, kännetecknad av att smältreaktorn (2) vidare innefattar en injektor (26) för en syreinnehållande gas anordnar ovanför en yta (45) av den flytande slaggen (6) för förbränning av gas (16) som lämnar ytan av den flytande slaggen (6). 26

17. Ugnsanordningen enligt något av kraven 12 till 18, kännetecknad av slaggöverföringsarrangemanget (10) innefattar en slaggöverföringsränna (43) som i sin tur innefattar ett slagglås (46) anordnat för att förhindra all blandning mellan atmosfärerna i smältreaktorn (2) respektive smältreduktionsreaktorn (3).