Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Stahl in einem integrierten Hüttenwerk.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Stahlherstellung in einem integrierten Hüttenwerk ist bei spielhaft in der EP 1 641 945 Bl offenbart. Der Einsatz eines zusätzlichen Einschmelzers in ei nem integrierten Hüttenwerk ist auf der Homepage der Anmelderin https://www.thyssenkrupp- steel.com/de/unternehmen/ nachhaltigkeit/klimastrategie/ „Zwei Technologiepfade - ein Ziel“ gezeigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzuent wickeln, dass die in einem bestehenden integrierten Hüttenwerk vorhandenen energetisch und stofflich wertvollen Prozessgase wirtschaftlich optimiert genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von Stahl in einem integrierten Hüttenwerk, umfassend mindestens einen Direktreduktionsreaktor zum Direktreduzieren von Ei senerz zu Eisenschwamm, mindestens einen Elektroofen zum Einschmelzen des Eisen schwamms zu Rohstahl bzw. Roheisen, mindestens einen Hochofen zum Erschmelzen von Ei senerz zu Roheisen und mindestens einen Konverter zum Raffinieren des Roheisens zu Roh stahl, wobei erfindungsgemäß das aus dem Direktreduktionsreaktor abgeführte Prozessgas zu mindest zu einem Teil dem Heißwind und/oder zumindest zu einem Teil einem optionalen Be schickungsstoff beigemengt wird, welcher und/oder welches in den Hochofen eingeblasen wird.

In mindestens einem Direktreduktionsreaktor wird aus Eisenerz mittels eines Reduktionsgases, welches aus Wasserstoff und/oder Methan (Erdgas) bestehen kann, Eisenschwamm erzeugt und welches in mindestens einem Einschmelzer zu Rohstahl bzw. Roheisen eingeschmolzen wird. Des Weiteren wird in mindestens einem Hochofen Eisenerz und Koks, welcher aus Kohle in einer Kokerei hergestellt wird, zu Roheisen erschmolzen, welches wiederrum in einem Kon verter, insbesondere Sauerstoffkonverter, durch Raffinieren, somit durch Entziehen von insbe sondere Kohlenstoff, Schwefel und/oder Phosphor in Rohstahl überführt wird. Die einzelnen ge nannten Aggregate und entsprechenden Verfahren sind Stand der Technik und in der Praxis etablierte Prozesse.

Es wurde überraschend erkannt, dass das aus dem Direktreduktionsreaktor abgeführte Pro zessgas energetisch und stofflich hochwertig ist und daher in einem integrierten Hüttenwerk wirtschaftlich und ökologisch im Hochofenprozess optimal über die Blasformen, insbesondere über die Einblaslanzen, in den Hochofen verwerten werden kann.

Das abgeführte Prozessgas aus dem Direktreduktionsreaktor kann zumindest zu einem Teil ei nem optionalen Beschickungsstoff beigemengt werden oder ersetzen. Dadurch können insbe sondere hochpreisige Komponenten zur Beschickung, wie zum Beispiel Wasserstoff, oder C0 ₂ - intensive Komponenten, wie zum Beispiel Kohle und/oder Erdgas, zum Teil oder vollständig substituiert werden und dadurch die Kosten und der C0 ₂ -Footprint der Einsatzstoffe reduziert werden.

Als Kaltwind wird standardmäßig Luft verwendet, welches, bevor es in den Hochofen in Form von Heißwind über die Blasformen eingeblasen wird, in einem Winderhitzer (Cowper) auf die notwendige Temperatur erwärmt wird. Bei Bedarf kann vor und/oder nach der Erwärmung zu sätzlich Sauerstoff beigemengt werden. Auch kann vor und/oder nach der Erwärmung der Druck erhöht werden. Je nach Kapazität des Hochofens sind zwei oder mehrere Winderhitzer vorhan den, welche im Wechselbetrieb arbeiten (Funktionsweise ist bekannt). Das abgeführte Prozess gas aus dem Direktreduktionsreaktor kann alternativ oder zusätzlich zumindest zu einem Teil dem Heißwind beigemengt werden.

Ob der Heißwind und/oder der optionale Beschickungsstoff vollständig durch das aus dem Di rektreduktionsreaktor abgeführte Prozessgas ersetzt werden kann, hängt von der Auslegung und der Betriebsweise der entsprechenden Aggregate im integrierten Hüttenwerk ab. Es wird zumindest ein Teil des abgeführten Prozessgases dem Hochofen über die Blasformen zuge führt, so dass ein Mischgas aus Prozessgas, Heißwind und optionalem Beschickungsstoff ein geblasen wird.

Unter zumindest ein Teil des abgeführten Prozessgases ist zu verstehen, dass entweder nur ein Teil des abgeführten Prozessgases dem Hochofen zugeführt wird und der Rest außerhalb des Hochofenprozesses verwertet wird oder vollständig dem Hochofenprozess zugeführt werden kann.

Beimengen kann auch als Zuführen verstanden werden.

Das aus dem Direktreduktionsreaktor abgeführte Prozessgas enthält, je nach Zusammenset zung des eingesetzten Reduktionsgases, noch nicht abreagierte Anteile, welche im Hochofen- prozess wirtschaftlich zur Reduktion und zum Erschmelzen von Eisenerz, Koks und weiteren Zu satzstoffen verwendet werden können, insbesondere Verbindungen oder Mischungen aus Koh lenstoff und Sauerstoff (CO, C0 ₂ ), Methan (CH ₄ ), Wasserstoff (H ₂ ) und/oder Wasserdampf (H ₂ 0) sowie prozessbedingte unvermeidbare Verunreinigungen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird das abgeführte Prozessgas zumindest zu einem Teil direkt dem Heißwind und/oder zumindest zu einem Teil direkt dem optionalen Beschi ckungsstoff beigemengt. Soll heißen, dass das Prozessgas, so wie es aus dem Direktredukti onsreaktor abgeführt wird, direkt, insbesondere über entsprechende Versorgungsleitungen, dem Hochofenprozess zugeführt wird, vorzugsweise ohne eine Stufe zur Aufbereitung des Pro zessgases durchlaufen zu müssen.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird das abgeführte Prozessgas zu nächst entfeuchtet und anschließend als entfeuchtetes Prozessgas zumindest zu einem Teil dem Heißwind und/oder zumindest zu einem Teil dem optionalen Beschickungsstoff beige mengt. Das abgeführte Prozessgas wird durch eine Einheit durchgeleitet, beispielsweise durch einen Kondensator, und entsprechend abgekühlt, so dass der im Prozessgas befindliche Was serdampf kondensiert und somit vom Prozessgas abgetrennt wird. Durch das Kondensieren und Ableiten des Kondensats wird das Prozessgas „entfeuchtet“. Dadurch kann die Qualität des Prozessgases erhöht werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der abgeführten im Prozessgas oder im entfeuchteten Prozessgas enthaltene C0 ₂ -Anteil abgetrennt wird und anschließend als koh lenstoffdioxidfreies Prozessgas zumindest zu einem Teil dem Heißwind und/oder zumindest zu einem Teil dem optionalen Beschickungsstoff dem Hochofen beigemengt wird. Das Prozessgas wird durch eine Einheit durchgeleitet, in welcher Verbindungen oder Mischungen aus Kohlen stoff und Sauerstoff wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) abgeschieden wird, beispielswei se durch eine C0 ₂ -Abtrennung in Form einer Aminwäsche, Carbonatwäsche, Membranabtren nungstechnologie, wie zum Beispiel selektive Membranen, oder einer PSA (Pressure Swing Ab sorption). Um die Klimabilanz weiter zu verbessern, kann das aus dem Prozessgas abgeschie dene Kohlenstoffdioxid beispielsweise in einer geeigneten Umgebung gespeichert werden, mit tels CCS (Carbon Capture and Storage) oder stofflich im Rahmen eines CCU (Carbon Capture and Utilization)-Verfahrens genutzt werden. Des Weiteren kann das Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) auch als mögliches Kühlgas oder Teil eines möglichen Kühlgases in einer optionalen Kühlzone im Direktreduktionsprozess stofflich genutzt werden. In dem Direktreduktionsreaktor wird zum Reduzieren des Eisenerzes zu Eisenschwamm ein Re duktionsgas eingespeist, welches vor dem Einspeisen in die Reduktionszone des Direktredukti onsreaktors zunächst in einem Reduktionsgaserwärmer auf eine entsprechende Temperatur er wärmt wird.

Hierfür kann als Brenngas oder als Zusatzgas zum Brenngas zum Befeuern des Reduktionsga serwärmers gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung das aus dem Elektroofen abgeführte Prozessgas zumindest zu einem Teil als Brenngas zum Befeuern des Reduktionsgaserwärmers des Direktreduktionsreaktors bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das aus dem Elektroofen abgeführte Prozessgas zumindest zu einem Teil in den Hochofen über die Blasfor men eingeblasen werden.

Das integrierte Hüttenwerk umfasst des Weiteren eine Kokerei, welche den Koks für den Hoch ofenprozess in unmittelbarer Nähe aus Kohle erzeugt. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann das aus der Kokerei abgeführte Prozessgas zumindest zu einem Teil als Brenngas zum Befeuern des Reduktionsgaserwärmers des Direktreduktionsreaktors bereitge stellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das aus der Kokerei abgeführte Prozessgas zu mindest zu einem Teil in den Hochofen über die Blasformen eingeblasen werden.

Das integrierte Hüttenwerk umfasst des Weiteren ein Stahlwerk mit mindestens einem Konver ter, beispielsweise LD-Konverter (oder auch BOF-Konverter genannt), in welchem das Rohei sen zu Rohstahl zur Weiterverarbeitung optimiert wird, wobei gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung das aus dem Konverter abgeführte Prozessgas zumindest zu ei nem Teil als Brenngas zum Befeuern des Reduktionsgaserwärmers des Direktreduktionsreak tors bereitgestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das aus dem Konverter abge führte Prozessgas zumindest zu einem Teil in den Hochofen über die Blasformen eingeblasen werden.

Auch kann das aus dem Hochofen abgeführte Prozessgas gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung zumindest zu einem Teil als Brenngas zum Befeuern des Redukti onsgaserwärmers des Direktreduktionsreaktors bereitgestellt werden.

Die Verwendung des abgeführten Prozessgases aus Elektroofen, Kokerei, Konverter oder Hoch ofen kann die Energiebilanz eines integrierten Hüttenwerks im Wesentlichen verbessern. Eine weitere Verbesserung der Energiebilanz kann dadurch erzielt werden, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mindestens zwei abgeführte Prozessgase aus Elektroofen, Koke rei, Konverter und Hochofen zusammengeschaltet werden und zumindest zu einem Teil als Brenngas zum Befeuern des Reduktionsgaserwärmers des Direktreduktionsreaktors bereitge stellt werden. Alternativ oder zusätzlich können mindestens zwei abgeführte Prozessgase aus Elektroofen, Kokerei und Konverter zusammengeschaltet werden und zumindest zu einem Teil in den Hochofen über die Blasformen eingeblasen werden.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Figur 1. Dabei zeigt die Figur 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens an ei ner schematischen Darstellung eines integrierten Hüttenwerks zum Herstellen von Stahl bzw. Roheisen.

Das integrierten Hüttenwerk (1) umfasst mindestens einen Direktreduktionsreaktor (2) zum Di rektreduzieren von Eisenerz (io) zu Eisenschwamm, mindestens einen Elektroofen (3) zum Ein schmelzen des Eisenschwamms zu Rohstahl bzw. Roheisen, mindestens einen Hochofen (4) zum Erschmelzen von Eisenerz (io), mit insbesondere Koks, Einblaskohle und weiteren Zu schlagstoffen, zu Roheisen und mindestens einen Konverter (5) zum Raffinieren von Roheisen zu Rohstahl. Des Weiteren umfasst das integrierte Hüttenwerk (1) mindestens eine Kokerei (6) zum Verkoken von Kohle zu Koks.

Eisenerz (io) wird sowohl in den Direktreduktionsreaktor (2), welcher beispielsweise als Schacht ofen ausgebildet sein kann und somit am oberen Ende entsprechend bestückt wird, und in den Hochofen (4) zusammen mit Koks aus der Kokerei (6) und weiteren Zuschlagsstoffen, wie zum Beispiel Kalkstein, insbesondere schichtweise über den Möller eingebracht. Am unteren Ende des Direktreduktionsreaktors (2) wird der erzeugte Eisenschwamm entnommen und einem Elek troofen (3) zum Einschmelzen des Eisenschwamms insbesondere mit Zugabe von weiteren Zu sätzen wie zum Beispiel Stahlschrott zugeführt. Das aus dem Hochofen (4) gewonnene Rohei sen muss in einem Konverter (5) zu Rohstahl raffiniert werden. Sowohl der Rohstahl bzw. Roh eisen aus der Direktreduktions- und Einschmelzeranlage wie auch aus dem Hochofenprozess werden im integrierten Hüttenwerk (1) auf schnellstem Weg der Sekundärmetallurgie zugeführt, um den gewünschten Stahl aufzubereiten und zu Halbzeugen, wie zum Beispiel zu Flach- oder Langprodukten, zu vergießen. Neben Eisenerz (io) muss der Direktreduktionsreaktor (2) auch mit einem Reduktionsgas zum Austreiben des Sauerstoffs aus dem Erz beschickt werden, welches aus Wasserstoff und/oder kohlenwasserstoffhaltigen und/oder kohlestoffhaltigen Verbindungen oder Mischungen (2.7) bestehen kann und im Gegenstromprinzip den Reaktor (2) von unten nach oben durchströmt. Das Reduktionsgas (2.1) wird vor dem Beschicken in einem Reduktionsgaserwärmer (20) auf eine erforderliche Betriebstemperatur erwärmt, beispielsweise zwischen 600 und 1300 °C.

Unverbrauchtes Reduktionsgas wird zusammen mit etwaigen gasförmigen Reaktionsprodukten als Prozessgas (2.2) aus dem Direktreduktionsreaktor (2) abgeführt. Das abgeführte Prozess gas (2.2) kann Wasserstoff (H ₂ ), eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauer stoff (CO, C0 ₂ ) und/oder mindestens eine wasserstoffhaltige Verbindung (H ₂ 0) und unvermeid bare Verunreinigungen enthalten. Im Standardprozess würde das abgeführte Prozessgas (2.2) im Kreislauf dem Direktreduktionsreaktor (2) wieder zugeführt werden, wobei Frischgas (2.7) zur Verbesserung des Reduktionspotentials zusätzlich beigemengt werden würde.

Erfindungsgemäß wird das aus dem Direktreduktionsreaktor (2) abgeführte Prozessgas (2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.9) zumindest zu einem Teil dem Heißwind (4.1*) und/oder zumindest zu einem Teil einem optionalen Beschickungsstoff (4.2) beigemengt, welcher und/oder welches in den Hochofen (4) eingeblasen wird. Das aus dem Direktreduktionsreaktor (2) abgeführte Prozess gas (2.2) ist energetisch und stofflich besonders hochwertig und lässt sich daher wirtschaftlich und ökologisch im Hochofenprozess stofflich verwerten.

Der Kaltwind (4.1) wird vor dem Einblasen in den Hochofen (4) in einem Winderhitzer (10) auf die notwendige Temperatur erwärmt, und dann als Heißwind (4.1*) über die Blasformen einge blasen. Das abgeführte Prozessgas (2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.9) aus dem Direktreduktionsreaktor (2) kann zumindest zu einem Teil dem Heißwind (4.1*) beigemengt werden. Alternativ oder zu sätzlich kann das abgeführte Prozessgas (2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.9) aus dem Direktreduktionsre aktor (2) zumindest zu einem Teil einem optionalen Beschickungsstoff (4.3) beigemengt wer den. Als (weiterer) Beschickungsstoff (4.3) können zum Beispiel Wasserstoff, Öl, Erdgas und/oder Kohlepulver (Einblaskohle) verwendet werden, was dann insbesondere als Mischung (4.2) zusätzlich neben dem Heißwind (4.1*) eingeblasen werden kann. Der Heißwind (4.1*) kann bei Bedarf zusätzlich mit Sauerstoff (4.9) angereichert werden.

Es gibt somit mehrere Varianten, das energetisch und stofflich hochwertige Prozessgas (2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.9) aus dem Direktreduktionsreaktor (2) wirtschaftlich und ökologisch in den Hochofen (4) einzubringen, welche insbesondere von der Betriebsweise (Teil-/Volllast) der ein zelnen Aggregate (2, 4) und von den vorhandenen oder nicht vorhandenen Einheiten (H ₂ 0-, C0 ₂ -Abtrennung) abhängen.

So kann beispielsweise der optionale Beschickungsstoff (4.3) vollständig durch das aus dem Direktreduktionsreaktor (2) abgeführte Prozessgas (2.2, 2.3, 2.4, 2.5) ersetzt werden. In der Regel wird aber nur ein Teil des abgeführten Prozessgases (2.2, 2.3, 2.4, 2.5) dem optionalen Beschickungsstoff (4.3) beigemengt, so dass ein Mischgas aus Prozessgas (2.2, 2.3, 2.4, 2.5) optionalem Beschickungsstoff (4.3) und Heißwind (4.1*) in den Hochofen (4) eingeblasen wird.

In der einfachsten Variante wird das abgeführte Prozessgas (2.3, 2.9) zumindest zu einem Teil direkt dem Heißwind (4.1*) und/oder zumindest zu einem Teil direkt dem optionalen Beschi ckungsstoff (4.3) beigemengt. Damit erfolgt eine direkte Zurverfügungstellung über entspre chende Versorgungsleitungen, ohne eine Stufe zur Aufbereitung des Prozessgases (2.3, 2.9) durchlaufen zu müssen.

In einer weiteren Variante wird das abgeführte Prozessgas (2.2) durch eine Einheit zur Was- ser/Wasserdampf-Abscheidung durchgeleitet, beispielsweise durch einen Kondensator und entsprechend abgekühlt, so dass der im Prozessgas (2.2) befindliche Wasserdampf (H ₂ 0) kon densiert und somit abgeschieden wird. Durch das Kondensieren und Ableiten des Kondensats wird das Prozessgas (2.2) „entfeuchtet“ und anschließend als entfeuchtetes Prozessgas (2.4, 2.9) zumindest zu einem Teil dem Heißwind (4.1*) und/oder zumindest zu einem Teil dem op tionalen Beschickungsstoff (4.3) beigemengt.

In einer weiteren Variante wird das abgeführte Prozessgas (2.2) durch eine Einheit zur Kohlen- stoffdioxid-Abscheidung durchgeleitet, beispielsweise durch einen Amin-Wäscher, um den C0 ₂ -Anteil abzutrennen, so dass anschließend als kohlenstoffdioxidfreie Prozessgas (2.5, 2.9) zumindest zu einem Teil dem Heißwind (4.1*) und/oder zumindest zu einem Teil dem optiona len Beschickungsstoff (4.3) beigemengt werden kann.

Wird nur ein Teil des abgeführten Prozessgases (2.2) aus dem Direktreduktionsprozess entwe der über eine der Varianten (2.3, 2.9), (2.4, 2.9) oder (2.5, 2.9) kann der Rest (2.6) im Kreis lauf dem Direktreduktionsreaktor (2) insbesondere mit Frischgas (2.7) vermengt als Mischgas (2.8) dem Reduktionsgaserwärmer (20) und anschließend als warmes Reduktionsgas (2.1) dem Direktreduktionsreaktor (2) zugeführt werden. Bei Bedarf kann das warme Reduktionsgas

(2.1) zusätzlich mit Sauerstoff (2.10) angereichert werden.

Des Weiteren kann auch durch Verwendung respektive Verwertung des abgeführten Prozess gases (3.1, 4.4, 5.1, 6.1) aus Elektroofen (3), Kokerei (6), Konverter (5) und/oder Hochofen (4) die Energiebilanz des integrierten Hüttenwerks (1) im Wesentlichen verbessert werden. So kann beispielsweise als Brenngas (4.6, 4.7) oder als Zusatzgas (4.6, 4.7) zum Brenngas zum Befeu ern des Reduktionsgaserwärmers (20) das aus dem Elektroofen (3) abgeführte Prozessgas

(3.1) zumindest zu einem Teil als Brenngas (4.6, 4.7) und/oder das aus dem Konverter (5) ab geführte Prozessgas (5.1) zumindest zu einem Teil als Brenngas (4.6, 4.7) und/oder das aus dem Hochofen (4) abgeführte Prozessgas (4.4, 4.5) zumindest zu einem Teil als Brenngas (4.6, 4.7) und/oder das aus der Kokerei (6) abgeführte Prozessgas (6.1) zumindest zu einem Teil als Brenngas (4.6, 4.7) zum Befeuern des Reduktionsgaserwärmers (20) des Direktreduktionsre aktors (2) bereitgestellt werden. Je nach Betriebsweise kann das abgeführt Prozessgas (3.1, 4.4, 5.1, 6.1) von nur einem Aggregat (3, 4, 5, 6) zum Befeuern genutzt werden oder von meh reren Aggregaten (3, 4, 5, 6). Es kann bei Bedarf zusätzliches Brenngas (4.8) beigemischt re spektive zugeführt werden.

Das aus dem Hochofen (4) abgeführte Prozessgas (4.4), auch Gichtgas genannt, wird stan dardmäßig u. a. zum Befeuern der Winderhitzer (10) verwendet, so dass durchaus ein Teil (4.5) zum Befeuern der Reduktionsgaserwärmer (20) abgezweigt werden kann und der Rest (4.4) insbesondere mit weiterem Brenngas (nicht dargestellt) zum Befeuern der Winderhitzer (10) verwendet wird.

Das Prozessgases (4.6) kann durch eine Einheit zur Kohlenstoffdioxid-Abscheidung durchgelei tet werden, um den C0 ₂ -Anteil abzutrennen, so dass anschließend ein kohlenstoffdioxidfreies Prozessgas (4.7) mit verbessertem Wirkungsgrad im Vergleich zu (4.6) zum Befeuern des Re duktionsgaserwärmers (20) bereitgestellt werden kann.

Des Weiteren ist es auch möglich (nicht in Figur 1 dargestellt), das abgeführte Prozessgas (3.1, 5.1, 6.1) aus Elektroofen (3), Kokerei (6) und/oder Konverter (5) nicht nur als Brenngas (4.6, 4.7) oder als Zusatzgas (4.6, 4.7) zum Brenngas zum Befeuern des Reduktionsgaserwärmers (20) bereitzustellen, sondern zusätzlich oder sogar alternativ dem Hochofen (4) über die Blas formen zusammen mit dem Heißwind (4.1*), dem aus dem Direktreduktionsreaktor (2) abge führten Prozessgas (2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.9) und dem optionalen Beschickungsstoff (4.3) zuzu- führen, um die insbesondere stickstoffarmen Prozessgas (3.1, 5.1, 6.1) stofflich wirtschaftlich zu verwerten. Je nach Betriebsweise kann das abgeführt Prozessgas (3.1, 5.1, 6.1) von nur ei nem Aggregat (3, 5, 6) zum Einblasen in den Hochofen (4) genutzt werden oder von mehreren Aggregaten (3, 5, 6).