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WO2024188849A1 - Anlagenverbund zur stahlerzeugung sowie ein verfahren zum betreiben des anlagenverbundes - Google Patents

Anlagenverbund zur stahlerzeugung sowie ein verfahren zum betreiben des anlagenverbundes Download PDF

Info

Publication number
WO2024188849A1
WO2024188849A1 PCT/EP2024/056153 EP2024056153W WO2024188849A1 WO 2024188849 A1 WO2024188849 A1 WO 2024188849A1 EP 2024056153 W EP2024056153 W EP 2024056153W WO 2024188849 A1 WO2024188849 A1 WO 2024188849A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plant
hydrogen
line
production
separation
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/056153
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nils Tenhumberg
Original Assignee
Thyssenkrupp Uhde Gmbh
Thyssenkrupp Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023106559.9A external-priority patent/DE102023106559A1/de
Priority claimed from LU103088A external-priority patent/LU103088B1/de
Application filed by Thyssenkrupp Uhde Gmbh, Thyssenkrupp Ag filed Critical Thyssenkrupp Uhde Gmbh
Publication of WO2024188849A1 publication Critical patent/WO2024188849A1/de

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/06—Making pig-iron in the blast furnace using top gas in the blast furnace process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
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    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/002—Evacuating and treating of exhaust gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/38—Removal of waste gases or dust
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16—Hydrogen
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C2100/00—Exhaust gas
    • C21C2100/02—Treatment of the exhaust gas

Definitions

  • the invention relates to a plant network for steel production and a method for operating the plant network
  • the steel production plant network comprises a blast furnace for pig iron production, a converter steelworks for crude steel production, a network pipeline system for gases generated during pig iron production and/or crude steel production, and a chemical plant connected to the gas pipeline system.
  • chemical products can be produced from the supplied gas streams, each of which contains the components of the final product.
  • blast furnace top gas extracted from the blast furnace process which is also referred to as blast furnace top gas and/or blast furnace gas, often has a high nitrogen content in addition to the aforementioned components and can also contain impurities.
  • the amount of gas and the composition of the blast furnace top gas depend on the input materials and the operating mode and are subject to fluctuations.
  • blast furnace top gas contains 35 to 60 vol.% N 2 , 20 to 30 vol.% CO, 20 to 30 vol.% CO 2 and 2 to 15 vol.% H 2 .
  • Around 30 to 40% of the blast furnace top gas produced during pig iron production is usually used to heat the hot blast for the blast furnace process in blast furnace heaters; the remaining blast furnace top gas can also be used externally in other plant areas for heating purposes or to generate electricity.
  • REPLACEMENT BLADE 25% of the pig iron is added as a coolant. Lime is also added to form slag and alloying agents.
  • a converter gas is drawn off from the steel converter which has a high CO content and also contains nitrogen, hydrogen and C0 2 .
  • a typical converter gas composition has 50 to 70 vol.% CO, 10 to 20 vol.% N 2 , approx. 15 vol.% CO 2 and approx. 2 vol.% H 2 .
  • the converter gas is either flared or collected in modern steelworks and used for energy purposes.
  • the plant network can optionally be operated in conjunction with a coking plant.
  • the plant network described at the beginning also includes a coke oven plant in which coal is converted into coke through a coking process.
  • the coking of coal to coke produces coke oven gas which has a high hydrogen content and considerable amounts of CH 4 .
  • Coke oven gas typically contains 55 to 70 vol.% H 2 , 20 to 30 vol.% CH 4 , 5 to 10 vol.% N 2 and 5 to 10 vol.% CO.
  • the coke oven gas also contains proportions of CO 2 , NH 3 and H 2 S.
  • coke oven gas is used, for example, in various plant areas for heating purposes and in the power plant process to generate electricity.
  • the invention is based on the task of improving the sustainability of the overall process and the CO 2 balance, in particular the CO 2 emissions, and reducing the CO 2 footprint while at the same time enabling a stable, continuous and sustainable operation of plants.
  • the subject matter of the invention is a plant network for steel production comprising a blast furnace for pig iron production, a converter steelworks for crude steel production, a blast furnace gas line system for gases that arise during pig iron production, a composite line system for gases that arise during pig iron production and/or crude steel production, in particular comprising carbon-containing gases, for example CO-containing gases, CO 2 -containing gases or a combination thereof, a plant for hydrogen production, a chemical plant, wherein the chemical plant is connected to the composite line system, a hydrogen line for hydrogen-containing gases, in particular hydrogen, that arise during hydrogen production, wherein the hydrogen line is connected to the composite line system upstream of the chemical plant, a mixing device for hydrogen-containing gases, in particular hydrogen, that arise during hydrogen production and for gases that arise during pig iron production and/or crude steel production, wherein the mixing device is arranged downstream of the plant for hydrogen production and upstream of the chemical plant, in particular connected to the composite line system, for mixing gases arising during pig iron production and/or crude steel production with hydrogen-containing
  • a further subject of the invention is a method for operating a plant network for steel production, which comprises a blast furnace for pig iron production, a converter steelworks for crude steel production, a blast furnace gas pipeline system for gases arising during pig iron production, a composite pipeline system for gases arising during pig iron production and/or
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26) crude steel production in particular comprising carbon-containing gases, for example CO-containing gases, CO 2 -containing gases or a combination thereof, a plant for hydrogen production, a chemical plant, wherein the chemical plant is connected to the interconnected pipeline system, a hydrogen pipeline for hydrogen-containing gases, in particular hydrogen, which arise during hydrogen production, wherein the hydrogen pipeline is connected to the interconnected pipeline system upstream of the chemical plant in the direction of flow, a mixing device for hydrogen-containing gases, in particular hydrogen, which arise during hydrogen production and for gases which arise during pig iron production and/or crude steel production, wherein the mixing device is arranged downstream of the plant for hydrogen production and upstream of the chemical plant in the direction of flow, in particular connected to the interconnected pipeline system, in particular for mixing gases arising during pig iron production and/or crude steel production with hydrogen-containing gas arising during hydrogen production, in particular hydrogen, for example for setting a stoichiometric ratio of the gas composition in the interconnected pipeline system before input into the chemical plant, wherein
  • the present invention can be implemented in a plant network for steel production and in a method for operating a plant network.
  • the devices of the plant network can be present in a single and/or multiple design.
  • the plant network for steel production according to the invention has the advantages over conventional plant networks that the carbon monoxide contained in the blast furnace gas is converted into hydrogen by means of a water gas shift reaction and hydrogen or a hydrogen-rich gas can be provided from the steel mill gases for the conversion of carbon-containing gases, for example CO-containing gases, CO 2 -containing gases or a combination thereof, in the chemical plant and thus without the provision of external
  • the method according to the invention for operating a plant network has the advantages over conventional methods that, in addition to the production of hydrogen or a synthesis gas for conversion in the chemical plant, CO 2 is also separated, which can be converted in the chemical plant and/or otherwise utilized by means of carbon capture and utilization or carbon capture and storage, thus reducing CO 2 emissions.
  • chemical products can be produced from the gas flow rates supplied, each of which contains the components of the end product.
  • Chemical products can be, for example, methanol or higher alcohols or other hydrocarbon compounds.
  • the performance, in particular the output of the chemical plant, is regulated depending on the gas quantities supplied to these plants.
  • a major challenge for the chemical plant is the dynamic operation with changing plant loads, whereby the plant network according to the invention/the method according to the invention for operating the plant network enables the operation to be stabilized.
  • the operation with changing plant loads can be implemented in particular by the chemical plant having a plurality of small units connected in parallel, which are individually switched on or off depending on the available useful gas flow. For example, different chemical products can also be produced in one or more units.
  • a gas mixture consisting essentially of CO and/or CO 2 and H 2 must be provided, which contains the components carbon monoxide and/or carbon dioxide and hydrogen in the correct ratio.
  • Blast furnace top gas and/or converter gas and/or coke oven gas can be used as the hydrogen source, whereby additional hydrogen can be generated by converting the CO content by a water-gas shift reaction.
  • other hydrogen sources can also be used, in particular water electrolysis in
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26) Consideration should be given to the use of converter gas, for example, to provide CO. Blast furnace top gas and/or converter gas can serve as a source of CO 2 .
  • the plant for producing hydrogen is a water-gas shift reaction plant and/or a hydrogen separation membrane plant, in particular the hydrogen separation membrane plant is connected downstream of the water-gas shift reaction plant in the flow direction.
  • the plant for hydrogen production additionally comprises a first plant for CO 2 separation, in particular a CO 2 scrubber, wherein the first plant for CO 2 separation is connected upstream of the hydrogen separation membrane plant in the direction of flow, wherein the first plant for CO 2 separation is connected to the composite pipe system with a first CO 2 line, in particular the first CO 2 line is connected to the composite pipe system in the direction of flow upstream of the mixing device for hydrogen-containing gases.
  • the plant network additionally comprises a first CO 2 switch for CO 2 that is produced in the first plant for CO 2 separation, wherein the first CO 2 switch is connected to the first CO 2 line.
  • the plant network additionally comprises at least one controllable gas distribution device, in particular an operationally controllable gas distribution device for dividing the blast furnace gas flow rates supplied to the blast furnace gas line system and the interconnected line system, in particular the controllable gas distribution device is arranged between the blast furnace gas line system and the interconnected line system.
  • the blast furnace gas flow rate is preferably distributed with the gas distribution device between the blast furnace gas
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26) Line system and the composite line system, which, after chemical conversion of the gas flow rate of the blast furnace gas line system in the hydrogen production plant and mixing of the generated hydrogen material flow or hydrogen-containing material flow with the gas flow rate of the composite line system in the mixing device, a mixed gas with a stoichiometric mixing ratio of a dividend with the difference between the molar amounts of hydrogen as the minuend and carbon dioxide as the subtrahend and from a divisor with the total amount of the molar amounts of carbon monoxide and carbon dioxide in the range from 1 to 10, preferably in the range from 1.2 to 6, particularly preferably in the range from 1.8 to 4, very particularly preferably in the range from 1.9 to 3 is generated.
  • a mixing device is understood to mean a device which mixes gases and/or fluids with one another.
  • a mixing device can be selected from a group of a venturi nozzle, a mixing container, a mixing station, a static mixer, an ejector, a pipeline T-piece or a combination thereof.
  • the plant network additionally comprises a coke oven plant, wherein the coke oven plant is connected to the network piping system.
  • the plant network additionally comprises a biotechnology plant, wherein the biotechnology plant is connected to the network piping system, in particular in the flow direction downstream of the mixing device for hydrogen-containing gases is connected to the network piping system.
  • biochemical products can be produced from the supplied gas streams, each of which contains the components of the final product.
  • biochemical products can be produced from the gas streams supplied, each of which contains the components of the end product.
  • Biological products can be, for example, alcohols (ethanol, butanol), acetone or organic acids.
  • a biotechnology plant is a fermentation plant and possibly also a photobiological plant.
  • the plant network additionally comprises a second plant for CO 2 separation, in particular CO 2 scrubbing, wherein the blast furnace gas line system is connected to the second plant for CO 2 separation as an input line into the second plant for CO 2 separation and as an output line from the second plant for CO 2 separation, a second CO 2 line is connected downstream to the blast furnace gas line system and/or is connected to the composite line system, in particular the second CO 2 line is connected to the composite line system in the flow direction upstream of the mixing device for hydrogen-containing gases.
  • a second plant for CO 2 separation in particular CO 2 scrubbing
  • the plant network additionally comprises a second CO 2 switch for CO 2 which is produced in the second plant for CO 2 separation, wherein the second CO 2 switch is connected to the second CO 2 line.
  • the plant network additionally comprises at least one plant for blast furnace gas compression, in particular blast furnace gas compression plant, wherein the plant for blast furnace gas compression is connected to the blast furnace gas pipeline system.
  • the plant network additionally comprises a plant for blast furnace gas cleaning, in particular a blast furnace gas cleaning plant, wherein the at least one plant for blast furnace gas cleaning is connected to the blast furnace gas piping system.
  • a plant for blast furnace gas purification is understood to mean a plant which at least partially separates those components of the blast furnace gas which could have an unfavorable effect, particularly with regard to the efficiency, in subsequent process steps.
  • blast furnace gas purification is understood to mean a single- or multi-stage purification, particularly by mechanical sorting processes such as, for example, a separation selected from a group of density, particle size, particle inertia, surface wettability, magnetizability, electrical mobility, by absorptive processes, by catalytic processes or a combination thereof.
  • the plant network additionally comprises at least one plant for converter gas compression, in particular a converter gas compression plant.
  • the plant network additionally comprises a plant for converter gas cleaning, in particular a converter gas cleaning plant.
  • a converter gas purification system is understood to mean a system which at least partially separates those components of the converter gas which could have an unfavorable effect, particularly with regard to the efficiency, in subsequent process steps.
  • converter gas purification is understood to mean a single- or multi-stage purification, particularly by mechanical sorting processes such as, for example, a separation selected from a group of density, particle size, particle inertia, surface wettability, magnetizability, electrical mobility, by absorptive processes, by catalytic processes or a combination thereof.
  • the mixing device sets a mixed gas with a stoichiometric mixing ratio of a dividend with the difference between the molar amounts of hydrogen as the minuend and carbon dioxide as the subtrahend and a divisor with the sum of the molar amounts of carbon monoxide and carbon dioxide in the range from 1 to 10, preferably in the range from 1.2 to 6, particularly preferably in the range from 1.8 to 4, very particularly preferably in the range from 1.9 to 3.
  • the system network additionally comprises a first system for CO 2 separation, in particular CO 2 scrubbing, wherein the first system for CO 2 separation is connected upstream of the hydrogen separation membrane system in the direction of flow, wherein the first system for CO 2 separation is connected to the composite line system with a first CO 2 line, in particular the first CO 2 line is connected to the composite line system upstream of the mixing device for hydrogen-containing gases in the direction of flow and a first C0 2 switch for CO 2 that accrues in the first system for CO 2 separation, wherein the first C0 2 switch is connected to the first CO 2 line and/or a second system for CO 2 separation, in particular CO 2 scrubbing, wherein the blast furnace gas line system is connected to the second system for CO 2 separation as an input line into the second system for CO 2 -separation and as an output line from the second plant for CO 2 separation, a second CO 2 line is connected downstream to the blast furnace gas line system and/or is connected to the composite line system, in particular the second CO 2 line
  • REPLACEMENT BLADE REPLACEMENT BLADE (RULE 26) and a second CO 2 switch for CO 2 which accrues in the second plant for CO 2 separation, the second CO 2 switch being connected to the second CO 2 line, the mixing device and/or the first CO 2 switch and/or the second CO 2 switch being used to set a mixed gas for the chemical plant, in particular mixed gas from the composite line system, as input to the chemical plant with a molar fraction of the molar amount of CO 2 accrued in the mixing device and/or the first CO 2 switch and/or the second CO 2 switch, in particular separated CO 2 gas stream, in the range from 5 mol% to 45 mol%, preferably in the range from 8 mol% to 40 mol%, particularly preferably in the range from 15 mol% to 35 mol%, based on the molar amount of CO 2 and CO accruing from the blast furnace during pig iron production.
  • Fig. 1 is a highly simplified block diagram of a plant network for steel production according to the invention (the elements shown in dashed lines are optional embodiments).
  • FIG. 1 shows, according to an embodiment of the invention, a plant network 1 for steel production with a blast furnace 2 for pig iron production, a converter steelworks 3 for crude steel production, a blast furnace gas line system 4 for gases that arise during pig iron production, a network line system 5 for gases that arise during pig iron production and/or crude steel production, a plant for hydrogen production 6, and a chemical plant 7.
  • the chemical plant 7 is connected to the network line system 5.
  • a hydrogen line 8 for hydrogen-containing gases that arise during hydrogen production is connected to the network line system 5 upstream of the chemical plant 7.
  • a mixing device 9 for hydrogen-containing gases that arise during hydrogen production and for gases that arise during pig iron production and/or crude steel production is arranged downstream of the hydrogen production plant 6 and upstream of the chemical plant 7.
  • the blast furnace gas line system 4 is connected to the hydrogen production plant 6 as an input line to the hydrogen production plant 6 and the hydrogen line 8 is connected to the plant
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26) for hydrogen production 6 as an output line from the hydrogen production plant 6.
  • the hydrogen production plant 6 is shown as a water-gas shift reaction plant 10 and a hydrogen separation membrane plant 11, 11’.
  • a first CO 2 separation system 12 is arranged upstream of the hydrogen separation membrane system 11, 11' in the flow direction, wherein the first CO 2 separation system 12 is connected to the composite line system 5 by a first CO 2 line 13.
  • a first CO 2 switch 14 for CO 2 which is produced during the CO 2 separation 12 is connected to the first CO 2 line 13.
  • a controllable gas distribution device 15 for dividing the blast furnace gas flow rates supplied to the blast furnace gas line system 4 and the interconnected line system 5 is arranged between the blast furnace gas line system 4 and the interconnected line system 5.
  • a coke oven system 16 is connected to the interconnected line system 5.
  • a biotechnology plant 17 is connected to the interconnected pipeline system 5 downstream of the mixing device 9 for hydrogen-containing gases.
  • the blast furnace gas line system 4 is connected to a second CO 2 separation plant 18 as an input line into the second CO 2 separation plant 18.
  • a second CO 2 line 19 is connected downstream to the blast furnace gas line system 4 and the composite line system 5.
  • a second CO 2 switch 20 for CO 2 which is produced during the second CO 2 separation 19 is connected to the second CO 2 line 19.
  • a blast furnace gas compression plant 21 is connected to the blast furnace gas pipeline system 4.
  • a blast furnace gas cleaning system 22 is connected to the blast furnace gas piping system 4.
  • a converter gas compression plant 23 and a converter gas cleaning plant 24 are connected to the interconnected pipeline system 5 downstream of the converter steelworks 3 for crude steel production.
  • a plant network for steel production and a method for operating a plant network of the type described above can be used in the production of steel.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anlagenverbund (1) zur Stahlerzeugung umfassend einen Hochofen (2) zur Roheisenerzeugung, ein Konverterstahlwerk (3) zur Rohstahlerzeugung, ein Hochofengas-Leitungssystem (4) für Gase, die bei der Roheisenerzeugung anfallen, ein Verbundleitungssystem (5) für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, eine Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6), eine Chemieanlage (7), eine Wasserstoffleitung (8) für wasserstoffhaltige Gase, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen, wobei die Wasserstoffleitung (8) in Strömungsrichtung vor der Chemieanlage (7) an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossenen ist, eine Mischvorrichtung (9) für wasserstoffhaltige Gase, wobei die Mischvorrichtung (9) in Strömungsrichtung nach der Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) und vor der Chemieanlage (7) angeordnet ist, wobei das Hochofengas-Leitungssystem (4) an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) angeschlossen ist als eine Input-Leitung in die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) und die Wasserstoffleitung (8) an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) angeschlossen ist als eine Output-Leitung aus der Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6).

Description

Anlagenverbund zur Stahlerzeugung sowie ein Verfahren zum Betreiben des Anlagenverbundes
Die Erfindung betrifft einen Anlagenverbund zur Stahlerzeugung sowie ein Verfahren zum Betreiben des Anlagenverbundes
Stand der Technik
Der Anlagenverbund zur Stahlerzeugung umfasst einen Hochofen zur Roheisenerzeugung, ein Konverterstahlwerk zur Rohstahlerzeugung, ein Verbundleitungssystem für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, sowie eine an das Gasleitungssystem angeschlossene Chemieanlage.
In der Chemieanlage können chemische Produkte aus den zugeführten Gasmengenströmen erzeugt werden, welche jeweils die Komponenten des Endproduktes enthalten.
Im Hochofen wird aus Eisenerzen, Zuschlägen sowie Koks und anderen Reduktionsmitteln wie Kohle, Öl, Gas, Biomassen, aufbereiteten Altkunststoffen oder sonstigen Kohlenstoff und/oder Wasserstoff enthaltenden Stoffen Roheisen gewonnen. Als Produkte der Reduktionsreaktionen entstehen zwangsläufig CO, CO2, und insbesondere Wasserstoff und Wasserdampf. Ein aus dem Hochofenprozess abgezogenes Hochofengichtgas, welches auch als Gichtgas und/oder Hochofengas bezeichnet wird, weist neben den vorgenannten Bestandteilen häufig einen hohen Gehalt an Stickstoff auf und kann auch Verunreinigungen enthalten. Die Gasmenge und die Zusammensetzung des Hochofengichtgases sind abhängig von den Einsatzstoffen und der Betriebsweise und unterliegen Schwankungen. Typischerweise enthält Hochofengichtgas jedoch 35 bis 60 Vol.-% N2, 20 bis 30 Vol.-% CO, 20 bis 30 Vol.-% CO2 und 2 bis 15 Vol.-% H2. Rund 30 bis 40% des bei der Roheisenerzeugung entstehenden Hochofengichtgases werden im Regelfall zum Aufheizen des Heißwindes für den Hochofenprozess in Winderhitzern eingesetzt; die verbleibende Gichtgasmenge kann beispielsweise in anderen Werksbereichen auch extern zu Heizzwecken oder zur Stromerzeugung genutzt werden.
Im Konverterstahlwerk, das dem Hochofenprozess nachgeschaltet ist, wird Roheisen zu Rohstahl umgewandelt. Durch Aufblasen von Sauerstoff auf flüssiges Roheisen werden störende Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Silizium, Schwefel und Phosphor entfernt. Da die Oxidationsprozesse eine starke Wärmeentwicklung verursachen, wird häufig Schrott in Mengen bis
ERSATZBLATT (REGEL 26) zu 25% bezogen auf das Roheisen als Kühlmittel zugesetzt. Ferner werden Kalk zur Schlackenbildung und Legierungsmittel zugegeben. Aus dem Stahlkonverter wird ein Konvertergas abgezogen, welches einen hohen Gehalt an CO aufweist und ferner Stickstoff, Wasserstoff und C02 enthält. Eine typische Konvertergaszusammensetzung weist 50 bis 70 Vol.- % CO, 10 bis 20 Vol.-% N2, ca. 15 Vol.-% CO2 und ca. 2 Vol.-% H2 auf. Das Konvertergas wird entweder abgefackelt oder bei modernen Stahlwerken aufgefangen und einer energetischen Nutzung zugeführt.
Der Anlagenverbund kann optional im Verbund mit einer Kokerei betrieben werden. In diesem Fall umfasst der eingangs beschriebene Anlagenverbund zusätzlich eine Koksofenanlage, in der Kohle durch einen Verkokungsprozess in Koks umgewandelt wird. Bei der Verkokung von Kohle zu Koks fällt ein Koksofengas an, welches einen hohen Wasserstoffgehalt und beachtliche Mengen an CH4 enthält. Typischerweise enthält Koksofengas 55 bis 70 Vol.-% H2, 20 bis 30 Vol.-% CH4, 5 bis 10 Vol.-% N2 und 5 bis 10 Vol.-% CO. Zusätzlich weist das Koksofengas Anteile von CO2, NH3 und H2S auf. In der Praxis wird das Koksofengas beispielsweise in verschiedenen Werksbereichen zu Heizzwecken und im Kraftwerksprozess zur Stromerzeugung genutzt. Darüber hinaus ist es bekannt, Koksofengas zusammen mit Hochofengichtgas oder mit Konvertergas zur Erzeugung von Synthesegasen zu verwenden.
In einem integrierten Hüttenwerk, welches im Verbund mit einer Kokerei betrieben wird, werden etwa 40 bis 50% der als Hochofengichtgas, Konvertergas und Koksofengas anfallenden Rohgase für verfahrenstechnische Prozesse eingesetzt. Etwa 50 bis 60 % der entstehenden Gase werden dem Kraftwerk zugeführt und zur Stromerzeugung genutzt. Der im Kraftwerk erzeugte Strom deckt den Strombedarf für die Roheisen- und Rohstahlerzeugung. Im Idealfall ist die Energiebilanz geschlossen, so dass abgesehen von Eisenerzen und Kohlenstoff in Form von Kohle und Koks als Energieträger kein weiterer Eintrag von Energie notwendig ist und außer Rohstahl und Schlacke kein Produkt den Anlagenverbund verlässt.
Problematisch im Stand der Technik sind hohe CO2-Emissionen, insbesondere ein großer CO2- Footprint.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachhaltigkeit des Gesamtprozesses und die die CO2-Bilanz zu verbessern, insbesondere die CO2-Emissionen, und den CO2-Footprint zu reduzieren sowie gleichzeitig einen stabilen, kontinuierlichen und nachhaltigen Betrieb von Anlagen zu ermöglichen.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit einem Anlagenverbund zur Stahlerzeugung nach Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes nach Anspruch 8 gelöst.
Der Gegenstand der Erfindung ist ein Anlagenverbund zur Stahlerzeugung umfassend einen Hochofen zur Roheisenerzeugung, ein Konverterstahlwerk zur Rohstahlerzeugung, ein Hochofengas-Leitungssystem für Gase, die bei der Roheisenerzeugung anfallen, ein Verbundleitungssystem für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, insbesondere umfassend kohlenstoffhaltige Gase, beispielsweise CO-haltige Gase, CO2- haltige Gase oder eine Kombination hiervon, eine Anlage zur Wasserstoffgewinnung, eine Chemieanlage, wobei die Chemieanlage an das Verbundleitungssystem angeschlossenen ist, eine Wasserstoffleitung für wasserstoffhaltige Gase, insbesondere Wasserstoff, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen, wobei die Wasserstoffleitung in Strömungsrichtung vor der Chemieanlage an das Verbundleitungssystem angeschlossenen ist, eine Mischvorrichtung für wasserstoffhaltige Gase, insbesondere Wasserstoff, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen und für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, wobei die Mischvorrichtung in Strömungsrichtung nach der Anlage zur Wasserstoffgewinnung und vor der Chemieanlage angeordnet ist, insbesondere an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist, zur Mischung von bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallenden Gasen mit bei der Wasserstoffgewinnung anfallenden wasserstoffhaltigem Gas, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Einstellung des stöchiometrischen Verhältnisses der Gaszusammensetzung in dem Verbundleitungssystem vor dem Input in die Chemieanlage, wobei das Hochofengas-Leitungssystem an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung angeschlossen ist als eine Input-Leitung in die Anlage zur Wasserstoffgewinnung und die Wasserstoffleitung an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung angeschlossen ist als eine Output-Leitung aus der Anlage zur Wasserstoffgewinnung.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes zur Stahlerzeugung, der einen Hochofen zur Roheisenerzeugung, ein Konverterstahlwerk zur Rohstahlerzeugung, ein Hochofengas-Leitungssystem für Gase, die bei der Roheisenerzeugung anfallen, ein Verbundleitungssystem für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der
ERSATZBLATT (REGEL 26) Rohstahlerzeugung anfallen, insbesondere umfassend kohlenstoffhaltige Gase, beispielsweise CO-haltige Gase, CO2-haltige Gase oder eine Kombination hiervon, eine Anlage zur Wasserstoffgewinnung, eine Chemieanlage, wobei die Chemieanlage an das Verbundleitungssystem angeschlossenen ist, eine Wasserstoffleitung für wasserstoffhaltige Gase, insbesondere Wasserstoff, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen, wobei die Wasserstoffleitung in Strömungsrichtung vor der Chemieanlage an das Verbundleitungssystem angeschlossenen ist, eine Mischvorrichtung für wasserstoffhaltige Gase, insbesondere Wasserstoff, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen und für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, wobei die Mischvorrichtung in Strömungsrichtung nach der Anlage zur Wasserstoffgewinnung und vor der Chemieanlage angeordnet ist, insbesondere an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist, insbesondere zur Mischung von bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallenden Gasen mit bei der Wasserstoffgewinnung anfallenden wasserstoffhaltigem Gas, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Einstellung eines stöchiometrischen Verhältnisses der Gaszusammensetzung in dem Verbundleitungssystem vor dem Input in die Chemieanlage, wobei das Hochofengas- Leitungssystem an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung angeschlossen ist als eine I nput-Leitung in die Anlage zur Wasserstoffgewinnung und die Wasserstoffleitung an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung angeschlossen ist als eine Output-Leitung aus der Anlage zur Wasserstoffgewinnung, wobei die Mischvorrichtung ein Mischgas einstellt, insbesondere mit der Mischvorrichtung ein Mischgas eingestellt wird, mit einem stöchiometrischen Mischungsguotienten aus einem Dividend mit dem Differenzbetrag der molaren Mengen an Wasserstoff als Minuend und Kohlendioxid als Subtrahend und aus einem Divisor mit dem Summenbetrag der molaren Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
Die vorliegende Erfindung kann in einem Anlagenverbund zur Stahlerzeugung sowie in einem Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes verwirklicht sein. Die Vorrichtungen des Anlagenverbundes können in einfacher und/oder mehrfacher Ausführung vorhanden sein.
Der erfindungsgemäße Anlagenverbund zur Stahlerzeugung weist gegenüber konventionellen Anlagenverbunden die Vorteile auf, dass das in dem Hochofengas enthaltene Kohlenmonoxid mittels Wassergas-Shift-Reaktion in Wasserstoff umgewandelt wird und aus den Hüttengasen Wasserstoff bzw. ein wasserstoffreiches Gas für die Umsetzung kohlenstoffhaltiger Gase, beispielsweise CO-haltige Gase, CO2-haltige Gase oder eine Kombination hiervon, in der Chemieanlage bereitgestellt werden kann und somit ohne die Bereitstellung von externen
ERSATZBLATT (REGEL 26) Wasserstoff CO und/oder CO2 in größeren Mengen chemisch gebunden und die CO2-Emissionen reduziert werden können. Die stoffliche Verwertung des Hochofengases und die Gewinnung von Wasserstoff aus dem Hochofengas ermöglicht eine effizientere Nutzung des Hochofengases anstelle der konventionellen Verstromung des Hochofengases im Kraftwerk.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes weist gegenüber konventionellen Verfahren die Vorteile auf, dass neben der Gewinnung von Wasserstoff bzw. eines Synthesegases für die Umsetzung in der Chemieanlage auch CO2 abgetrennt wird, welches in der Chemieanlage umgesetzt werden kann und/oder anderweitig mittels Carbon Capture and Utilization oder CarbonCapture and Storage verwertet werden kann und so die CO2-Emissionen reduziert werden können.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In der Chemieanlage können chemische Produkte aus den zugeführten Gasmengenströmen erzeugt werden, welche jeweils die Komponenten des Endproduktes enthalten. Chemische Produkte können beispielsweise Methanol oder höhere Alkohole oder auch andere Kohlenwasserstoffverbindungen sein. Die Leistung, insbesondere der Output der Chemieanlage wird in Abhängigkeit der diesen Anlagen zugeführten Gasmengen geregelt. Eine wesentliche Herausforderung für die Chemieanlage ist die dynamische Fahrweise bei wechselnden Anlagenlasten, wobei der erfindungsgemäße Anlagenverbund/das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Anlagenverbundes eine Stabilisierung der Fahrweise ermöglicht. Die Betriebsweise bei wechselnden Anlagenlasten kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Chemieanlage eine Mehrzahl parallel geschalteter kleiner Einheiten aufweist, die je nach zur Verfügung stehenden Nutzgasmengenstrom einzeln zu- oder abgeschaltet werden. Beispielsweise können in einer oder mehreren Einheiten auch unterschiedliche chemische Produkte hergestellt werden.
Zur Herstellung von Kohlenwasserstoffverbindungen, beispielsweise Methanol oder höheren Alkoholen, muss ein im Wesentlichen aus CO und/oder CO2 und H2 bestehendes Gasgemisch bereitgestellt werden, welches die Komponenten Kohlenmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff im richtigen Verhältnis enthält. Als Wasserstoffguelle kann Hochofengichtgas und/oder Konvertergas und/oder Koksofengas verwendet werden, wobei zusätzlicher Wasserstoff durch Konvertierung des CO-Anteils durch eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion erzeugt werden kann. Beispielsweise kommen auch weitere Wasserstoffguellen, insbesondere die Wasserelektrolyse in
ERSATZBLATT (REGEL 26) Betracht. Zur Bereitstellung von CO kann beispielsweise Konvertergas herangezogen werden. Als CO2-Quelle kann beispielsweise Hochofengichtgas und/oder Konvertergas dienen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Anlage zur Wasserstoffgewinnung eine Anlage zur Wasserstofferzeugung, insbesondere eine Anlage verstanden, welche Wasserstoff bereitstellt, beispielsweise eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion-Anlage insbesondere durch Konvertierung des CO-Anteils durch eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion (CO + H2O <=> CO2 + H2) erzeugt, eine Anlage zur Wasserstoffabtrennung, insbesondere eine Wasserstoff-Trennmembran- Anlage oder eine Kombination hiervon verstanden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Anlage zur Wasserstoffgewinnung eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion-Anlage und/oder eine Wasserstoff-Trennmembran-Anlage, insbesondere ist die Wasserstoff-Trennmembran-Anlage in Strömungsrichtung der Wasser-Gas- Shift-Reaktion-Anlage nachgeschaltet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anlage zur Wasserstoffgewinnung zusätzlich eine erste Anlage zur CO2-Abtrennung, insbesondere eine CO2- Wäsche, wobei die erste Anlage zur CO2-Abtrennung in Strömungsrichtung der Wasserstoff- Trennmembran-Anlage vorgeschaltet ist, wobei die erste Anlage zur CO2-Abtrennung mit einer ersten CO2-Leitung an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist, insbesondere ist die erste CO2-Leitung an das Verbundleitungssystem in Strömungsrichtung vor der Mischvorrichtung für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem angeschlossen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich eine erste C02-Weiche für CO2 das bei der ersten Anlage zur CO2-Abtrennung anfällt, wobei die erste C02-Weiche an die erste CO2-Leitung angeschlossen ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich mindestens eine steuerbare Gasverteilungsvorrichtung insbesondere eine betrieblich steuerbare Gasverteilungsvorrichtung zur Aufteilung der dem Hochofengas-Leitungssystem und dem Verbundleitungssystem zugeführten Hochofen-Gasmengenströme, insbesondere ist die steuerbare Gasverteilungsvorrichtung zwischen dem Hochofengas-Leitungssystem und dem Verbundleitungssystem angeordnet. Der Hochofen-Gasmengenstrom wird mit der Gasverteilungsvorrichtung bevorzugt so zwischen dem zwischen dem Hochofengas-
ERSATZBLATT (REGEL 26) Leitungssystem und dem Verbundleitungssystem aufgeteilt, das nach chemischer Konversion des Gasmengestroms des Hochofengas-Leitungssystem in der Wasserstofferzeugungsanlage und Mischen des erzeugten Wasserstoffstoffstroms bzw. wasserstoffhaltigen Stoffstroms mit dem Gasmengenstrom des Verbundleitungssystem in der Mischvorrichtung ein Mischgas mit einen stöchiometrischen Mischungsguotienten aus einem Dividend mit dem Differenzbetrag der molaren Mengen an Wasserstoff als Minuend und Kohlendioxid als Subtrahend und aus einem Divisor mit dem Summenbetrag der molaren Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Bereich von 1 bis 10, vorzugsweise im Bereich von 1,2 bis 6, besonders bevorzugt im Bereich von 1,8 bis 4, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1,9 bis 3 erzeugt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Mischvorrichtung eine Vorrichtung verstanden, welche Gase und/oder Fluide miteinander mischt. Insbesondere kann eine Mischvorrichtung ausgewählt sein aus einer Gruppe von einer Venturidüse, einem Mischbehälter, einer Mixing Station, einem statischen Mischer, einem Ejektor, einem Rohrleitungs-T-Stück oder einer Kombination hiervon.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich eine Koksofenanlage, wobei die Koksofenanlage an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich eine Biotechnologieanlage, wobei die Biotechnologieanlage an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist, insbesondere in Strömungsrichtung nach der Mischvorrichtung für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist.
In der Biotechnologieanlage können biochemische Produkte aus den zugeführten Gasmengenströmen erzeugt werden, welche jeweils die Komponenten des Endproduktes enthalten.
In der Biotechnologieanlage können biochemische Produkte aus den zugeführten Gasmengenströmen erzeugt werden, welche jeweils die Komponenten des Endproduktes enthalten. Biologische Produkte können beispielsweise Alkohole (Ethanol, Butanol), Aceton oder organische Säuren sein. Insbesondere ist eine Biotechnologieanlage eine Fermentationsanlage ggf. auch ein Photobiologische Anlage.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich eine zweite Anlage zur CO2-Abtrennung, insbesondere C02-Wäsche, wobei das Hochofengas- Leitungssystem an die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung angeschlossen ist als eine I nput-Leitung in die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung und als eine Output-Leitung aus der zweiten Anlage zur CO2-Abtrennung eine zweite CO2-Leitung strömungsabwärts an das Hochofengas-Leitungssystem angeschlossen ist und/oder an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist, insbesondere die zweite CO2-Leitung an das Verbundleitungssystem in Strömungsrichtung vor der Mischvorrichtung für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich eine zweite C02-Weiche für CO2, welches bei der zweiten Anlage zur CO2-Abtrennung anfällt, wobei die zweite C02-Weiche an die zweite CO2-Leitung angeschlossen ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich mindestens eine Anlage zur Hochofengaskompression, insbesondere Hochofengaskompressionsanlage, wobei die Anlage zur Hochofengaskompression an das Hochofengas-Leitungssystem angeschlossen ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich eine Anlage zur Hochofengasreinigung, insbesondere Hochofengasreinigungsanlage, wobei die mindestens eine Anlage zur Hochofengasreinigung an das Hochofengas-Leitungssystem angeschlossen ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Anlage zur Hochofengasreinigung eine Anlage verstanden, welche diejenigen Bestandteile des Hochofengases wenigstens teilweise abtrennt, welche sich unvorteilhaft, insbesondere den Wirkungsgrad betreffend in nachgeordneten Prozessschritten auswirken könnten. Insbesondere wird unter einer Hochofengasreinigung eine ein- oder mehrstufige Reinigung, insbesondere durch mechanische Sortierverfahren wie beispielsweise einer Trennung ausgewählt aus einer Gruppe von Dichte, Partikelgröße, Partikelträgheit, Oberflächenbenetzbarkeit, Magnetisierbarkeit, elektrischer Beweglichkeit, durch absorptive Verfahren, durch katalytische Prozesse oder einer Kombination hiervon verstanden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich mindestens eine Anlage zur Konvertergaskompression, insbesondere Konvertergaskompressionsanlage.
ERSATZBLATT (REGEL 26) In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich eine Anlage zur Konvertergasreinigung, insbesondere Konvertergasreinigungsanlage.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Anlage zur Konvertergasreinigung eine Anlage verstanden, welche diejenigen Bestandteile des Konvertergases wenigstens teilweise abtrennt, welche sich unvorteilhaft, insbesondere den Wirkungsgrad betreffend in nachgeordneten Prozessschritten auswirken könnten. Insbesondere wird unter einer Konvertergasreinigung eine ein- oder mehrstufige Reinigung, insbesondere durch mechanische Sortierverfahren wie beispielsweise einer Trennung ausgewählt aus einer Gruppe von Dichte, Partikelgröße, Partikelträgheit, Oberflächenbenetzbarkeit, Magnetisierbarkeit, elektrischer Beweglichkeit, durch absorptive Verfahren, durch katalytische Prozesse oder einer Kombination hiervon verstanden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung stellt die Mischvorrichtung ein Mischgas ein mit einen stöchiometrischen Mischungsguotienten aus einem Dividend mit dem Differenzbetrag der molaren Mengen an Wasserstoff als Minuend und Kohlendioxid als Subtrahend und aus einem Divisor mit dem Summenbetrag der molaren Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Bereich von 1 bis 10, vorzugsweise im Bereich von 1,2 bis 6, besonders bevorzugt im Bereich von 1,8 bis 4, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1,9 bis 3.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anlagenverbund zusätzlich eine erste Anlage zur CO2-Abtrennung, insbesondere CO2-Wäsche, wobei die erste Anlage zur CO2- Abtrennung in Strömungsrichtung der Wasserstoff-Trennmembran-Anlage vorgeschaltet ist, wobei die erste Anlage zur CO2-Abtrennung mit einer ersten CO2-Leitung an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist, insbesondere die erste CO2-Leitung an das Verbundleitungssystem in Strömungsrichtung vor der Mischvorrichtung für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist und eine erste C02-Weiche für CO2 das bei der ersten Anlage zur CO2-Abtrennung anfällt, wobei die erste C02-Weiche an die erste CO2-Leitung angeschlossen ist und/oder eine zweite Anlage zur CO2-Abtrennung, insbesondere CO2-Wäsche, wobei das Hochofengas-Leitungssystem an die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung angeschlossen ist als eine I n put- Leitu ng in die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung und als eine Output-Leitung aus der zweiten Anlage zur CO2-Abtrennung eine zweite CO2-Leitung strömungsabwärts an das Hochofengas- Leitungssystem angeschlossen ist und/oder an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist, insbesondere die zweite CO2-Leitung an das Verbundleitungssystem in Strömungsrichtung vor der Mischvorrichtung für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem angeschlossen ist
ERSATZBLATT (REGEL 26) und eine zweite C02-Weiche für C02, welches bei der zweiten Anlage zur C02-Abtrennung anfällt, wobei die zweite CO2-Weiche an die zweite CO2-Leitung angeschlossen ist, wobei mit der Mischvorrichtung und/oder der ersten CO2-Weiche und/oder der zweiten C02-Weiche ein Mischgas für die Chemieanlage, insbesondere Mischgas aus dem Verbundleitungssystem als Input in die Chemieanlage eingestellt wird mit einem Stoffmengenanteil des in der Mischvorrichtung und/oder der ersten C02-Weiche und/oder der zweiten C02-Weiche angefallenen Stoffmenge an CO2, insbesondere abgetrennten CO2-Gasstroms im Bereich von 5 Mol-% bis 45 Mol-%, vorzugsweise im Bereich von 8 Mol-% bis 40 Mol-%, besonders bevorzugt im Bereich von 15 Mol-% bis 35 Mol-% bezogen auf die aus dem Hochofen bei der Roheisenerzeugung anfallenden Stoffmenge an CO2 und CO.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigt schematisch
Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Anlagenverbundes zur Stahlerzeugung (Die gestrichelt dargestellten Elemente sind optionale Ausführungsformen).
In der Fig. 1 ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Anlagenverbund 1 zur Stahlerzeugung mit einem Hochofen 2 zur Roheisenerzeugung, einem Konverterstahlwerk 3 zur Rohstahlerzeugung, einem Hochofengas-Leitungssystem 4 für Gase, die bei der Roheisenerzeugung anfallen, einem Verbundleitungssystem 5 für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, einer Anlage zur Wasserstoffgewinnung 6, einer Chemieanlage 7, dargestellt. An das Verbundleitungssystem 5 ist die Chemieanlage 7 angeschlossenen. Eine Wasserstoffleitung 8 für wasserstoffhaltige Gase, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen, ist in Strömungsrichtung vor der Chemieanlage 7 an das Verbundleitungssystem 5 angeschlossenen. Eine Mischvorrichtung 9 für wasserstoffhaltige Gase, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen und für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, ist in Strömungsrichtung nach der Anlage zur Wasserstoffgewinnung 6 und vor der Chemieanlage 7 angeordnet. Das Hochofengas- Leitungssystem 4 ist an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung 6 als eine Input-Leitung in die Anlage zur Wasserstoffgewinnung 6 angeschlossen und die Wasserstoffleitung 8 ist an die Anlage
ERSATZBLATT (REGEL 26) zur Wasserstoffgewinnung 6 als eine Output-Leitung aus der Anlage zur Wasserstoffgewinnung 6 angeschlossen.
Die Anlage zur Wasserstoffgewinnung 6 ist als eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion-Anlage 10 und eine Wasserstoff-Trennmembran-Anlage 11, 11’ dargestellt.
Eine erste Anlage zur CO2-Abtrennung 12 ist in Strömungsrichtung der Wasserstoff- Trennmembran-Anlage 11, 11’ vorgeschaltet, wobei die erste Anlage zur CO2-Abtrennung 12 mit einer ersten CO2-Leitung 13 an das Verbundleitungssystem 5 angeschlossen ist.
Eine erste C02-Weiche 14 für CO2 das bei der CO2-Abtrennung 12 anfällt ist an die erste CO2- Leitung 13 angeschlossen.
Eine steuerbare Gasverteilungsvorrichtung 15 zur Aufteilung der dem Hochofengas- Leitungssystem 4 und dem Verbundleitungssystem 5 zugeführten Hochofen-Gasmengenströme ist zwischen dem Hochofengas-Leitungssystem 4 und dem Verbundleitungssystem 5 angeordnet. Eine Koksofenanlage 16 ist an das Verbundleitungssystem 5 angeschlossen.
Eine Biotechnologieanlage 17 ist an das Verbundleitungssystem 5 angeschlossen an das Verbundleitungssystem 5 in Strömungsrichtung nach der Mischvorrichtung 9 für wasserstoffhaltige Gase.
An eine zweite Anlage zur CO2-Abtrennung 18 ist das Hochofengas-Leitungssystem 4 als eine Input-Leitung in die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung 18 angeschlossen.
Als eine Output-Leitung aus der zweiten Anlage zur CO2-Abtrennung 18 ist eine zweite CO2-Leitung 19 strömungsabwärts an das Hochofengas-Leitungssystem 4 und das Verbundleitungssystem 5 angeschlossen.
Eine zweite C02-Weiche 20 für CO2 das bei der zweiten CO2-Abtrennung 19 anfällt ist an die zweite CO2-Leitung 19 angeschlossen.
Eine Anlage zur Hochofengaskompression 21 ist an das Hochofengas-Leitungssystem 4 angeschlossen.
Eine Anlage zur Hochofengasreinigung 22 ist an das Hochofengas-Leitungssystem 4 angeschlossen.
Eine Anlage zur Konvertergaskompression 23 und eine Anlage zur Konvertergasreinigung 24 sind in Strömungsrichtung nach dem Konverterstahlwerk 3 zur Rohstahlerzeugung an das Verbundleitungssystem 5 angeschlossenen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Anlagenverbund zur Stahlerzeugung und ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes der vorbeschriebenen Art können in der Produktion von Stahl eingesetzt werden.
ERSATZBLATT (REGEL 26) Bezugszeichenliste
1 = Anlagenverbund
2 = Hochofen
3 = Konverterstahlwerk
4 = Hochofengas-Leitungssystem
5 = Verbundleitungssystem
6 = Anlage zur Wasserstoffgewinnung
7 = Chemieanlage
8 = Wasserstoffleitung
9 = Mischvorrichtung
10 = Wasser-Gas-Shift-Reaktion-Anlage
11, 11’ = Wasserstoff-T rennmembran-Anlage
12 = erste Anlage zur CO2-Abtrennung
13 = erste CO2-Leitung
14 = erste C02-Weiche
15 = steuerbare Gasverteilungsvorrichtung
16 = Koksofenanlage
17 = Biotechnologieanlage
18 = zweite Anlage zur CO2-Abtrennung
19 = zweite CO2-Leitung
20 = zweite C02-Weiche
21 = Anlage zur Hochofengaskompression
22 = Anlage zur Hochofengasreinigung
23 = Anlage zur Konvertergaskompression
24 = Anlage zur Konvertergasreinigung
BFG = Hochofengas
KVG = Konvertergas
KOG = Koksofengas
> = wesentliche Elemente
> - = optionale Elemente
> > = Bezugslinie für Bezugszeichen
ERSATZBLATT (REGEL 26)

Claims

Patentansprüche
1. Anlagenverbund (1) zur Stahlerzeugung umfassend einen Hochofen (2) zur Roheisenerzeugung, ein Konverterstahlwerk (3) zur Rohstahlerzeugung, ein Hochofengas-Leitungssystem (4) für Gase, die bei der Roheisenerzeugung anfallen, ein Verbundleitungssystem (5) für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, eine Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6), eine Chemieanlage (7), wobei die Chemieanlage (7) an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossenen ist, eine Wasserstoffleitung (8) für wasserstoffhaltige Gase, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen, wobei die Wasserstoffleitung (8) in Strömungsrichtung vor der Chemieanlage (7) an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossenen ist, eine Mischvorrichtung (9) für wasserstoffhaltige Gase, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen und für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, wobei die Mischvorrichtung (9) in Strömungsrichtung nach der Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) und vor der Chemieanlage (7) angeordnet ist, wobei das Hochofengas-Leitungssystem (4) an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) angeschlossen ist als eine I nput-Leitung in die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) und die Wasserstoffleitung (8) an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) angeschlossen ist als eine Output-Leitung aus der Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6).
2. Anlagenverbund (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) eine Wasser-Gas-Shift-Reaktion-Anlage (10) und/oder eine Wasserstoff-Trennmembran-Anlage (11, 11’) ist, insbesondere die Wasserstoff- Trennmembran-Anlage (11, 11’) in Strömungsrichtung der Wasser-Gas-Shift-Reaktion- Anlage (10) nachgeschaltet ist. 3. Anlagenverbund (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) zusätzlich eine erste Anlage zur CO2-Abtrennung (12) umfasst, wobei die erste Anlage zur CO2-Abtrennung (12) in Strömungsrichtung der Wasserstoff- Trennmembran-Anlage (11, 11’) vorgeschaltet ist, wobei die erste Anlage zur C02- Abtrennung (12) mit einer ersten CO2-l_eitung (13) an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossen ist, insbesondere die erste CO2-l_eitung (13) an das Verbundleitungssystem (5) in Strömungsrichtung vor der Mischvorrichtung (9) für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossen ist.
4. Anlagenverbund (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagenverbund (1) zusätzlich eine erste C02-Weiche (14) für CO2 das bei der ersten Anlage zur CO2-Abtrennung (12) anfällt umfasst, wobei die erste C02-Weiche (14) an die erste CO2- Leitung (13) angeschlossen ist.
5. Anlagenverbund (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagenverbund (1) zusätzlich mindestens eine steuerbare Gasverteilungsvorrichtung (15) zur Aufteilung der dem Hochofengas-Leitungssystem (4) und dem Verbundleitungssystem (5) zugeführten Hochofen-Gasmengenströme umfasst, insbesondere die steuerbare Gasverteilungsvorrichtung (15) zwischen dem Hochofengas- Leitungssystem (4) und dem Verbundleitungssystem (5) angeordnet ist.
6. Anlagenverbund (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagenverbund (1) zusätzlich eine zweite Anlage zur CO2-Abtrennung (18) umfasst, wobei das Hochofengas-Leitungssystem (4) an die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung (18) angeschlossen ist als eine I nput-Leitung in die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung (18) und als eine Output-Leitung aus der zweiten Anlage zur CO2-Abtrennung (18) eine zweite CO2- Leitung (19) strömungsabwärts an das Hochofengas-Leitungssystem (4) angeschlossen ist und/oder an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossen ist, insbesondere die zweite CO2-Leitung (19) an das Verbundleitungssystem (5) in Strömungsrichtung vor der Mischvorrichtung (9) für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossen ist.
7. Anlagenverbund (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagenverbund (1) zusätzlich eine zweite C02-Weiche (20) für CO2, welches bei der zweiten Anlage zur CO2-Abtrennung (19) anfällt umfasst, wobei die zweite CO2-Weiche (20) an die zweite CO2-l_eitung (19) angeschlossen ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes (1) zur Stahlerzeugung, der einen Hochofen (2) zur Roheisenerzeugung, ein Konverterstahlwerk (3) zur Rohstahlerzeugung, ein Hochofengas-Leitungssystem (4) für Gase, die bei der Roheisenerzeugung anfallen, ein Verbundleitungssystem (5) für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, eine Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6), eine Chemieanlage (7), wobei die Chemieanlage (7) an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossenen ist, eine Wasserstoffleitung (8) für wasserstoffhaltige Gase, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen, wobei die Wasserstoffleitung (8) in Strömungsrichtung vor der Chemieanlage (7) an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossenen ist, eine Mischvorrichtung (9) für wasserstoffhaltige Gase, die bei der Wasserstoffgewinnung anfallen und für Gase, die bei der Roheisenerzeugung und/oder der Rohstahlerzeugung anfallen, wobei die Mischvorrichtung (9) in Strömungsrichtung nach der Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) und vor der Chemieanlage (7) angeordnet ist, wobei das Hochofengas-Leitungssystem (4) an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) angeschlossen ist als eine Input-Leitung in die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) und die Wasserstoffleitung (8) an die Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6) angeschlossen ist als eine Output-Leitung aus der Anlage zur Wasserstoffgewinnung (6), wobei die Mischvorrichtung (9) ein Mischgas einstellt mit einem stöchiometrischen Mischungsguotienten aus einem Dividend mit dem Differenzbetrag der molaren Mengen an Wasserstoff als Minuend und Kohlendioxid als Subtrahend und aus einem Divisor mit dem Summenbetrag der molaren Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (9) ein Mischgas einstellt mit einen stöchiometrischen Mischungsguotienten aus einem Dividend mit dem Differenzbetrag der molaren Mengen an Wasserstoff als Minuend und Kohlendioxid als Subtrahend und aus einem Divisor mit dem Summenbetrag der molaren Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Bereich von 1 bis 10, vorzugsweise im Bereich von 1,2 bis 6, besonders bevorzugt im Bereich von 1,8 bis 4, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 1,9 bis 3.
10. Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei der Anlagenverbund (1) zusätzlich umfasst eine erste Anlage zur CO2-Abtrennung (12), wobei die erste Anlage zur CO2-Abtrennung
(12) in Strömungsrichtung der Wasserstoff-Trennmembran-Anlage (11, 11’) vorgeschaltet ist, wobei die erste Anlage zur CO2-Abtrennung (12) mit einer ersten CO2-l_eitung (13) an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossen ist, insbesondere die erste CO2-l_eitung
(13) an das Verbundleitungssystem (5) in Strömungsrichtung vor der Mischvorrichtung (9) für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossen ist und eine erste CO2-Weiche (14) für CO2 das bei der ersten Anlage zur CO2-Abtrennung (12) anfällt, wobei die erste CO2-Weiche (14) an die erste CO2-l_eitung (13) angeschlossen ist und/oder eine zweite Anlage zur CO2-Abtrennung (18), wobei das Hochofengas- Leitungssystem (4) an die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung (18) angeschlossen ist als eine Input-Leitung in die zweite Anlage zur CO2-Abtrennung (18) und als eine Output- Leitung aus der zweiten Anlage zur CO2-Abtrennung (18) eine zweite CO2-Leitung (19) strömungsabwärts an das Hochofengas-Leitungssystem (4) angeschlossen ist und/oder an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossen ist, insbesondere die zweite CO2-Leitung (19) an das Verbundleitungssystem (5) in Strömungsrichtung vor der Mischvorrichtung (9) für wasserstoffhaltige Gase an das Verbundleitungssystem (5) angeschlossen ist und eine zweite CO2-Weiche (20) für CO2, welches bei der zweiten Anlage zur CO2-Abtrennung (19) anfällt, wobei die zweite CO2-Weiche (20) an die zweite CO2-Leitung (19) angeschlossen ist dadurch gekennzeichnet, dass mit der Mischvorrichtung (9) und/oder der ersten CO2- Weiche (14) und/oder der zweiten C02-Weiche (20) ein Mischgas für die Chemieanlage (7), eingestellt wird mit einem Stoffmengenanteil des in der Mischvorrichtung (9) und/oder der ersten C02-Weiche (14) und/oder der zweiten C02-Weiche (20) angefallenen Stoffmenge an CO2, insbesondere abgetrennten CO2-Gasstroms im Bereich von 5 Mol-% bis 45 Mol- %, vorzugsweise im Bereich von 8 Mol-% bis 40 Mol-%, besonders bevorzugt im Bereich von 15 Mol-% bis 35 Mol-% bezogen auf die aus dem Hochofen (2) bei der Roheisenerzeugung anfallenden Stoffmenge an CO2 und CO.
PCT/EP2024/056153 2023-03-16 2024-03-08 Anlagenverbund zur stahlerzeugung sowie ein verfahren zum betreiben des anlagenverbundes WO2024188849A1 (de)

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