HOCHOFEN

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einblasen eines pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels und eines Reduktionsgases in einen Hochofen über dessen Windform.

HINTERGRUND

Bei der Roheisenerzeugung im Hochofen müssen Eisenerze reduziert werden. Die Reduktion der Eisenerze kann mit Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff als Reduktionsgas stattfinden.

Im Hochofenprozess wird das Reduktionsgas, im wesentlichen Kohlenmonoxid aber auch Wasserstoff, im Hochofen selbst erzeugt. Durch die Windformen, die allgemein und im Rahmen des vorliegenden Textes auch als Blasformen bezeichnet werden, wird dem Hochofen heiße, zumeist mit Sauerstoff angereicherte Luft, der sogenannte „Heißwind", zugegeben. Der Sauerstoff aus dem Heißwind reagiert mit im Hochofen befindlichem Koks zu Kohlenmonoxid. In ähnlicher Weise reagiert sich im Heißwind befindlicher Wasserdampf mit dem im Hochofen befindlichen Koks zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Üblicherweise wird ein Teil des Kokses durch pulverförmiges Ersatzreduktionsmittel ersetzt, um dadurch Kosten zu sparen, weil Ersatzreduktionsmittel zur Verfügung stehen, die erheblich leichter und daher preiswerter erhältlich sind.

Eine beispielhafte Patentanmeldung, in der ein Verfahren zum Einblasen eines solchen Ersatzreduktionsmittels beschrieben wird, ist DE 102014 216 336 Al und EP 3183 369 Al. Hier sind auch Einblaslanzen offenbart, die zum Einblasen von pulverförmigem Ersatzreduktionsmittel über die Windform eingesetzt werden können. Ferner ist aus DE 102018 113 774 Al ein Verfahren bekannt, bei dem Ersatzreduktionsfeststoff und Ersatzreduktionsgas durch ein konzentrisches Doppelrohr eingebracht werden, wobei der Ersatzreduktionsfeststoff wahlweise durch das Innenrohr oder das Außenrohr und das Ersatzreduktionsgas entsprechend durch das jeweils andere, nämlich das Außenrohr oder das Innenrohr, eingebracht werden. Ziel dieses aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens ist es, dass sich das Ersatzreduktionsgas nach Austritt aus dem Rohr früher entzündet und dass der

Ersatzreduktionsfeststoff aufgrund der Zuführung durch das Doppelrohr früher und in einem größeren Bereich effizient vergast werden kann.

Wasserstoff und Kohlenmonoxid im gasförmigen Aggregatzustand können direkt als Reaktionspartner der Eisenerze im Hochofen genutzt werden. Andere Reduktionsmittel und

Ersatzreduktionsmittel müssen erst durch chemische Reaktionen in Wasserstoff oder Kohlenmonoxid umgewandelt werden, damit sie als Reaktionspartner bei der Eisenerzreduktion oder Eisenoxidreduktion genutzt werden können.

Eigene Versuche der Anmelder zum Einblasen von größeren Mengen Wasserstoff als einem Reduktionsgas in die Windform und die Wirbelzone des Hochofens haben gezeigt, dass der Druckverlust über die Windform aufgrund der Reaktionen des eingeblasenen Wasserstoffs mit dem Sauerstoff des Heißwindes stark ansteigt. Es treten auf Grund der exothermen Reaktionen des Reduktionsgases in der Windform sehr hohe Gastemperaturen und damit verbunden hohe Gasvolumina im Bereich der Windformen und am Hochofenrand auf. Die hohen Gasvolumina beeinflussen nachteilig die Strömung im Bereich der Windform und Wirbelzone in Form eines zu hohen Druckverlustes und daraus resultierend einer mangelnden Heißwindannahme des Hochofens sowie einer Verschlechterung der Gleichverteilung des Heißwinds im Hochofen. Die hohen Gastemperaturen führen zudem zu zusätzlichen thermischen Belastungen der Hochofenkonstruktion in diesen Bereichen.

Dies hat zur Folge, dass die Windannahme über die Windform gestört und so stark vermindert wird, dass ein betriebsstabiles Betreiben des Hochofens nur bis zu einer begrenzten Einblasrate von Wasserstoff möglich ist. Dadurch ist jedoch auch die maximal mögliche Reduzierung der Kohlendioxid-Emissionen am Hochofen begrenzt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren bereitzustellen, durch das Kohlendioxid-Emissionen beim wirtschaftlichen Betrieb eines Hochofens oder ähnlichen Reaktors minimiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Verfahren zum Einblasen eines pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels und eines Reduktionsgases in einen Hochofen, wobei der Hochofen zumindest eine Windform zum Einleiten von Heißwind in den Hochofen aufweist und das Einblasen über die Windform erfolgt, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas als ein innerer Strom eingeblasen wird und das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel als ein den inneren Strom koaxial umgebender äußerer Strom mittels eines Transportgases eingeblasen wird, so dass das Reduktionsgas in der Windform von dem pulverförmigen Ersatzreduktionsmittel umhüllt wird.

Dabei ist unter dem Begriff des Hochofens nicht nur ein Hochofen im engeren Sinne, sondern im Allgemeinen ein Schachtofen gemeint.

Die normalerweise zahlreichen Windformen des Hochofens werden üblicherweise durch eine Heißwindringleitung mit dem Heißwind versorgt .

Als pulverförmiges Ersatzreduktionsmittel kommt insbesondere Kohlenstaub in Betracht, wobei es aber auch andere Materialien gibt, die an der Reduktionsreaktion sinnvoll beteiligt werden können.

Unter einem Reduktionsgas ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Gas oder Gasgemisch zu verstehen, welches sowohl mit Sauerstoff zumindest zum Teil oxidiert als auch zumindest zum Teil als Reduktionsgas zur Reduzierung der Eisenoxide in einem Hochofen wirken kann. Reduktionsgas umfasst im Allgemeinen alle Gase oder Gasgemische, die ganz oder teilweise aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid, Wasserdampf, Sauerstoff sowie Mischungen hiervon bestehen. Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff müssen dabei zuerst eine Reaktion mit Kohlenstoff durchlaufen, bevor sie an einer Reduktionsreaktion teilnehmen. Sie sollen im vorliegenden Zusammenhang aber als Reduktionsgase gelten. Gasgemische können zum Beispiel Koksgas oder Kokereigas, Erdgas,

Gichtgas, Konvertergas, Kuppelgase oder Mischungen hiervon sein. Bevorzugt unterscheidet sich das Reduktionsgas von einem Transportgas des pulverförmigen

Ersatzreduktionsmittels. Das Reduktionsgas des inneren Stroms kann auch als Transportgase des äußeren Stroms eingesetzt werden, jedoch in erheblich kleinerem Maße und zu einem anderen Zweck. Der Zweck des inneren Stroms ist es, viel Reduktionsgas in den Hochofen zu blasen. Der Zweck der Transportgase im äußeren Strom ist es, die im Vergleich zur Gas-Gas Reaktion träge Vergasungsreaktion des Kohlenstaubs (Gas-Feststoff) zu beschleunigen und damit zu optimieren und gleichzeitig eine vorzeitige Zündung und Beendigung der Gas- Gas Reaktion des Reduktionsgases zu vermeiden.

Die Injektion des Reduktionsgases über die Windform wird derart ausgeführt, dass eine Reaktion des Reduktionsgases mit der heißen, zumeist sauerstoffangereicherten Luft des Heißwindstromes in der Windform auf ein zuvor definiertes technisch erwünschtes Maß eingestellt wird. Das Verfahren für die Injektion des Reduktionsgases sieht das gleichzeitige pneumatische Einblasen des pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels vor, welches in Reaktion mit dem Heißwindstrom vergast.

Dadurch, dass das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel als ein den inneren Reduktionsgas-Strom koaxial umgebender äußerer Strom eingeblasen wird, so dass das Reduktionsgas in der Windform von dem pulverförmigen Ersatzreduktionsmittel umhüllt wird, wird das Reduktionsgas durch das umhüllende pulverförmige Ersatzreduktionsmittel und auch durch dessen Vergasungsreaktionen abgeschirmt.

Auf diese Weise wird eine Oxidation des Reduktionsgases mit der heißen zumeist sauerstoffangereicherten Luft des Heißwindstromes in der Windform gehemmt und kann auf ein definiertes erwünschtes Maß eingestellt werden. So kann ein zu hoher Differenzdruck in den Windforme vermieden werden.

Um das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel als ein den inneren Reduktionsgas-Strom umgebenden äußeren Strom einzublasen, ist es sinnvoll, die Einblaslanze als Koaxiallanze auszugestalten. Das Reduktionsgas wird dabei durch das Innenrohr geführt und das pulvertörmige

Ersatzreduktionsmittel zusammen mit dem Transportgas im durch den Ringspalt geführt.

Der Startpunkt und die Geschwindigkeit der Vergasungsreaktionen des pulvertörmigen Ersatzreduktionsmittels können unterschiedlich in Abhängigkeit der Art des Ersatzreduktionsmittels sein. Eine gezielte Initiierung der Vergasungsreaktionen ist bei reaktionsträgen festen Ersatzreduktionsmitteln mitunter aus wirtschaftlichen Gründen gewünscht, um eine möglichst große Menge an festem Ersatzreduktionsmittel dennoch zu vergasen, ohne dabei jedoch in der Windform schon eine zu starke Oxidation der Reduktionsgase zu bewirken. Hierfür wird ein definiertes technisches Maß an Oxidation des Reduktionsgases eingestellt, um die Vergasungsreaktionen des festen Ersatzreduktionsmittels möglichst früh in der Wirbelzone aber nicht bereits zu stark in der Windform ablaufen zu lassen. Hierzu werden Reduktionsgas und das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel am Lanzenaustritt zum Teil vermischt. Der Grad der gewünschten Vermischung wird mittels des Freistrahleffekts, über die Austrittsgeschwindigkeiten der Gase und des pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels an der Lanzenspitze eingestellt.

In weiterer Ausprägung der Erfindung kann mit einer Beimischung von zusätzlichem Reduktionsgas in die Förderleitung des festen pulverförmigen

Ersatzreduktionsmittels oder durch vollständige Nutzung eines Brenngases oder Reduktionsgases als Transportgas das technisch und wirtschaftlich gewünschte Maß an Oxidation der Reduktionsgase durch die gezielte Beeinflussung der Stärke und des Startpunktes der Vergasungsreaktionen des pulverförmigen und das Reduktionsgas umhüllenden Ersatzreduktionsmittels eingestellt werden. Durch die Erfindung ist es möglich, große Mengen von fossilem Kohlenstoff im Hochofenprozess durch Reduktionsgas, insbesondere Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Gasgemische, auszutauschen und so die Kohlendioxid-Emissionen des Hochofens insgesamt deutlich gegenüber einem direkten Einblasen von Reduktionsgas über die Windform in den Hochofen, und erst Recht gegenüber einem Normalbetrieb des Hochofens ohne zusätzliche Zugabe von Reduktionsgas zu senken. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung die Sicherstellung einer sehr guten Wirtschaftlichkeit der Gesamtbrennstoffversorgung des Hochofens durch ein kombiniertes Einblasen von kostengünstigem Ersatzreduktionsmittel, was zu einer Minimierung des kostenintensiven Kokssatzes im Hochofenprozess führen kann.

Es kann dabei eine hohe stoffliche und energetische Effizienz bei gleichzeitiger Betriebsstabilität des Hochofenbetriebs erreicht werden.

Bevorzugt weist das Reduktionsgas Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid auf. Insbesondere besteht das Reduktionsgas aus Wasserstoff und unvermeidlichen Verunreinigungen oder aus Kohlenmonoxid und unvermeidlichen Verunreinigungen oder aus einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid und unvermeidlichen Verunreinigungen. Das Reduktionsgas kann vorzugsweise Koksgas sein, da es einen hohen Wasserstoffanteil aufweist und in der Regel am Hochofen gut verfügbar ist. Insbesondere wasserstoffreiche Gase haben sich als besonders effektiv bei der Vermeidung von Kohlendioxid- Emissionen des Hochofens herausgestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel mittels eines Transportgases im Flugstromverfahren oder Dichtstromverfahren eingeblasen, wobei das Transportgas ein Brenngas umfasst. Dieses Brenngas kann vorzugsweise Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlenwasserstoff, Gichtgas, Erdgas, Koksgas, Konvertergas, ein anderes Kuppelgas oder eine Mischung hiervon aufweisen oder daraus und unvermeidlichen Verunreinigungen bestehen. Das Transportgas kann allgemein auch aus Stickstoff und unvermeidlichen Verunreinigungen oder beispielsweise Luft bestehen.

Durch die Nutzung eines Brenngases als Transportgas oder als Teil des Transportgases können zusätzlich die aus DE 102014 216 336 Al und EP 3183 369 Al bekannten Vorteile einer besonders hohen Einblasrate von pulverförmigem Ersatzreduktionsmittel erzielt werden. Dadurch kann die Wirtschaftlichkeit des Betriebs des Hochofens bei gleichzeitiger Minimierung von Kohlendioxid-Emissionen besonders hoch gehalten werden.

Bevorzugt wird ein Verhältnis zwischen einer Austrittsgeschwindigkeit des pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels einerseits und einer

Austrittsgeschwindigkeit des Reduktionsgases andererseits in Abhängigkeit von einem gewünschten Maß einer Reaktion des Reduktionsgases mit dem Heißwind in der Windform eingestellt. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt ein Verhältnis zwischen einer Einblasmenge des pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels einerseits und einer Einblasmenge des Reduktionsgases andererseits in Abhängigkeit von dem gewünschten Maß der Reaktion des Reduktionsgases mit dem Heißwind in der Windform eingestellt. Durch die Einstellung der Einblasgeschwindigkeiten bzw. Einblasmengen des pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels einerseits und des Reduktionsgases andererseits kann die Reaktion des Reduktionsgases mit dem Heißwindstrom zuverlässig modifiziert werden. Durch eine Vergrößerung des Verhältnisses zwischen Einblasgeschwindigkeit bzw. Einblasmenge von pulverförmigem Ersatzreduktionsmittel und Reduktionsgas kann diese Reaktion abgeschwächt werden, durch eine Verkleinerung dieses Verhältnisses kann die Reaktion verstärkt werden. Auf diese Weise kann sich der Betreiber des Hochofens einem Reaktionsmaß annähern, das er, beispielsweise vor dem Hintergrund der anderen Verfahrensparameter im Hochofen oder in der Windform, anstrebt.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt eine Einblasgeschwindigkeit des pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels mindestens 2 m/s, bevorzugt mindestens 4 m/s, weiter bevorzugt mindesten 8 m/s.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt eine Einblasgeschwindigkeit des Reduktionsgases mindestens 20 m/s, bevorzugt mindestens 30 m/s, weiter bevorzugt mindestens 50 m/s beträgt.

Die vorgenannten Einblasgeschwindigkeiten haben sich als besonders geeignet beim Minimieren der Kohlendioxid- Emissionen des Hochofens bei gleichzeitig guter Wirtschaftlichkeit herausgestellt.

Mit Vorteil wird ein Vermischen des pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels mit dem Reduktionsgas durch eine Verwirbelungsstruktur gefördert.

Bevorzugt wird ferner eine endotherme Gasreaktion des Transportgases mit dem transportierten Ersatzreduktionsmittel, zum Beispiel Kohlenstaub, eingeleitet. Durch eine gezielte endotherme Gasreaktion kann der Umhüllungseffekt des das Reduktionsgas umgebenden äußeren Stroms weiter unterstützt werden, um eine besonders hohe Einblasrate des Reduktionsgases im inneren Strom zu ermöglichen .

In einer bevorzugten Ausführungsform wird Sauerstoff als ein dritter den äußeren Strom koaxial umgebender, weiter außen liegender Strom eingeblasen, so dass das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel in der Windform von dem Sauerstoff umhüllt wird. Auf diese Weise kann das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel bereits früh seine eigene Vergasungsreaktion beginnen und so zu einer hohen Wirtschaftlichkeit des Prozesses beitragen.

Eine Vorrichtung zum Einblasen eines pulverförmigen Ersatzreduktionsmittels und eines Reduktionsgases in einen Hochofen, wobei der Hochofen zumindest eine Windform zum Einleiten von Heißwind in den Hochofen aufweist und das Einblasen über die Windform erfolgt, wobei die Vorrichtung eine Koaxiallanze mit zumindest einem inneren Rohr und einem Ringrohr aufweist, wird bevorzugt so verwendet, dass das oben genannte Verfahren durchgeführt wird, indem das Reduktionsgas als ein innerer Strom durch das innere Rohr eingeblasen wird und das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel als ein den inneren Strom koaxial umgebender, äußerer Strom durch das Ringrohr eingeblasen wird.

Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche.

KURZE FIGURENBESCHREIBUNG

Figur la zeigt schematisch eine bevorzugte Einblasanlage für einen Hochofen sowie einige Details einer solchen Einblasanlage .

Figur lb zeigt schematisch einige Details einer bevorzugten Einblaslanze .

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Gleiche oder entsprechende Elemente werden in der folgenden Figurenbeschreibung durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet und auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet. Grundsätzlich können Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben wurden, auch in einer anderen Ausführungsform realisiert werden. Dies gilt insbesondere für die Anordnung und Ausgestaltung von strömungsbeeinflussenden Elementen wie Ventilen, Drosseln oder Verteilern sowie für die Ausgestaltung des Mechanismus zum Einblasen des Ersatzreduktionsmittels in die Windform.

Figur la ist eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Einblasanlage 100. Die Einblasanlage 100 umfasst eine Windform 7, über die Heißwind aus einem Windring 8 in einen Hochofen eingeblasen werden kann. In der Windform 7 ist eine bevorzugt als koaxiale Staub- und Gaseinblaslanze ausgebildete Einblaslanze 6 angeordnet, durch die dem Heißwind ein innerer Strom eines Reduktionsgases und gleichzeitig ein den inneren Strom koaxial umgebender äußerer Strom aus Ersatzreduktionsmittel und Transportgas, das ein Brenngas aufweist, zugeführt werden kann.

Die Einblaslanze 6 ist in der dargestellten Ausführungsform mit einer Einzeltransportleitung 5 verbunden, durch die das Ersatzreduktionsmittel von einem Einblasgefäß 3 über ein Fluidisierungsgefäß 4 zur Einblaslanze 6 transportiert werden kann. In einer Hochofenanlage können bevorzugt mehrere Einblaslanzen 6, Einzeltransportleitungen 5 und gegebenenfalls auch Fluidisierungsgefäße 4 vorhanden sein, um eine möglichst große Menge an Ersatzreduktionsmittel möglichst gleichmäßig verteilt in den Hochofen einzublasen.

Stromauf des Einblasgefäßes 3 befindet sich in der Darstellung gemäß Figur la eine Druckschleuse 2, durch die dem unter Druck stehenden Einblasgefäß 3 wahlweise Ersatzreduktionsmittel zugeführt und dieses somit nachgefüllt werden kann. Beispielsweise kann die Druckschleuse 2 unter Umgebungsdruck mit Kohlenstaub oder einem anderen Ersatzreduktionsmittel gefüllt, die Druckschleuse 2 dann auf den Förderdruck des Einblasgefäßes 3 gebracht und anschließend das Ersatzreduktionsmittel in das Einblasgefäß 3 entlassen werden. Um dies zu steuern, ist in Figur la jeweils ein Abschlussventil 1 stromab und stromauf der Druckschleuse 2 angeordnet, wobei die in der vorliegenden Beschreibung beispielhaft erwähnten Ventile und anderen strömungsbeeinflussenden Elemente auch ergänzt, abgewandelt, ersetzt und zum Teil auch ausgelassen werden können.

Figur la zeigt an mit „A" gekennzeichneten Stellen Orte, an denen beispielsweise Transportgas und/oder Brenngas in das System eingegeben werden kann. An der mit „B" gekennzeichneten Stelle stromauf des ersten Abschlussventils 1 ist in der in Figur la skizzierten Ausführungsform vorgesehen, das Ersatzreduktionsmittel oder einen Brennstoff in das System einzubringen.

Im Bereich der Stellen „A" der Einzeltransportleitung 5 kann dem Transportgas vorzugsweise ein Brenngas zugegeben werden, so dass das Transportgas beispielsweise zu mindestens 2 Gew.- % aus Brenngases besteht, dessen Komponenten oder deren Oxidationskomponenten zumindest teilweise an einer Vergasungsreaktion des Ersatzreduktionsmittels in der Windform 7 und dem Hochofen beteiligt sind. Das Brenngas kann vorzugsweise an einer oder beiden der mit „A" gekennzeichneten Stellen der Einzeltransportleitung 5 in das System eingegeben werden, so dass das stromab dieser Stelle befindliche Transportgas zu mindestens 2 Gew.-% aus dem Brenngas und im Übrigen aus einem anderen Gas oder Gasgemisch besteht und somit zu einem besonders effizienten Einblasen des Ersatzreduktionsmittels im Hinblick auf dessen nachfolgende Vergasung führt.

An der mit „C" gekennzeichneten Stelle unmittelbar stromauf der Einblaslanze 6 ist in der in Figur la gezeigten Ausführungsform vorgesehen, dass die Einblaslanze 6 mit dem Reduktionsgas beschickt wird. Bei der Einblaslanze 6 in der in Figur la gezeigten Ausführungsform handelt es sich vorzugsweise um eine Ausgestaltung, in der das Reduktionsgas durch ein zentrales Rohr in die Windform 7 eingegeben wird, welches Rohr von einem Ringspalt umgeben wird, durch den das Ersatzreduktionsmittel mit dem Transportgas als Mantelstrom des Reduktionsgases in die Windform 7 geblasen wird, um das Reduktionsgas in der Windform durch das pulverförmige Ersatzreduktionsmittel und die hiermit verbundenen Oxidationsreaktionen zu umhüllen und damit von der Luft im Heißwind abzuschirmen.

Figur lb zeigt eine schematische Zeichnung einer bevorzugten Einblaslanze 6, aus der die auch mit Bezug auf Figur la angesprochenen Ströme A, B, C hervorgehen. Zusätzlich ist in Figur lb an der mit „D" gekennzeichneten Stelle ein Hochofen- Heißwind angedeutet.