Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Schachtofens bei dem durch eine extrinsische Verbrennung dem Schachtofen Fremdenergie zugeführt wird.
Bekannt sind aus dem Stand der Technik Heisswindkupolöfen, bei denen das Abgas unterhalb der Beschickungsöffnung abgesaugt wird. Das Abgas aus den Kupolöfen enthält brennbare Bestandteile, im wesentlichen Kohlenmonoxid. Es wird in einer nachgeschalteten Brennkammer erneut gezündet, verbrannt und heizt dabei in einem Wärmetauscher die angesaugte Luft auf. Diese vorgewärmte Luft wird danach durch Winddüsen, die sich auf der Höhe der Schmelzzone des Schachtofens befinden, eingeblasen. Durch die eingeblasen Luft wird der zur Koksverbrennung erforderliche Luftsauerstoff zugeführt, daher beginnt die Oxidationszone in Düsenhöhe. Das Verbrennungsprodukt ist Kohlendioxid, welches durch den im Ofenschacht vorhandenen Koks zum Teil reduziert wird und mit dem gebildeten Kohlenmonoxid einen druck- und temperaturabhängigen Gleichgewichtszustand anstrebt, auch als Boudouard-Gleichgewicht bekannt. Ein Teil des Kokses dient zur Aufkohlung des Eisens, der aber weitaus grössere Teil wird wie bereits erwähnt zu Kohlendioxyd verbrannt. Aufgrund der Hohen Temperatur und des Überangebotes an Kohlenstoff bzw. noch unverbranntem Koks, verschiebt sich das Boudouard-Gleichgewicht zwischen Kohlenmonoxid und Kohlendioxid in Richtung Kohlenmonoxid.
Diese Reaktion ist stark endotherm und führt zwangsläufig zu einem erhöhten Energiebedarf. Dieser äußert sich in einem Mehrverbrauch an Koks.
Eine weitere bekannte Form des Zuführens von Fremdenergie in einen Schachtofen besteht mit zusätzlich angebrachten Gas/Sauerstoffbrennern im Bereich der Schmelzzone. Bei einer solchen Ausführungsform wird zusätzlich eine Staubinjektion mit Luft als Trägermedium über einen Gas/Sauerstoffbrenner verschlackt. Die Stäube werden dabei kontinuierlich zugeführt.
Die
Nachteilig an diesen Ausführungsformen ist, dass durch die hohen Gichtgastemperaturen sowie den Überschuss an Kohlenstoff, sich ein hoher Kohlenmonoxidgehalt in den aufsteigenden Gichtgasen befindet. Zudem ist das Einblasen von Kohlenstäuben nur begrenzt möglich, da es bei zu grossen Staubmengen zum sogenannten Kaltblasen führen kann, so dass Kohlenstaubmengen nicht direkt vollständig verbrannt werden können, was wiederum einen negativen Einfluss auf das zu produzierende Eisen haben kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu erschaffen, mit dem die Kohlenmonoxidbildung im Gichtgas deutlich reduziert und der Koksverbrauch als Primärbrennstoff im Schachtofen wesentlich vermindert werden kann.
Gemäss den unabhängigen Ansprüchen 1 und 10 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die extrinsische Verbrennung mittels eines Feststoffbrenners durchgeführt wird. Durch den Feststoffbrenner, der als Brennstoff ein karbonisiertes Material benötigt, beispielsweise Kohlenstaub, wird eine extrinsische Verbrennung erzielt, welche dem Schachtofen Fremdenergie zuführt. Durch die Zuführung der Fremdenergie benötigt der Schachtofen weniger Koks, um die benötigte Temperatur und Schmelzenergie zu erreichen. Der Koks erfüllt drei Funktionen in einem Schachtofen. Einerseits dient der Koks als Stützgerüst für die im Ofenschacht befindlichen Materialien und stellt die Durchgasung sicher, zudem dient er der Aufkohlung des Eisens. Das in der Schmelzzone verflüssigte Eisen tropft auf dem Weg durch den Schacht auf den Koks und nimmt hierbei Kohlenstoff auf.
Als dritte Funktion, welche den grössten Teil des Koks beansprucht, dient der Koks als Brennstoff und liefert die benötigte Energie zum Schmelzen des Eisens. Durch die Zufuhr von vorgewärmter Verbrennungsluft wird der Koks zu Kohlendioxid verbrannt. Die Verbrehnungsgase bestehen hauptsächlich aus Kohlendioxid und Stickstoff. Das aufsteigende Verbrennungsgas wärmt das im Ofenschacht befindliche Material vor und strömt an unverbranntem Koks oberhalb der Schmelzzone vorbei, wo es zu einer Reaktion von Kohlendioxid und dem Kohlenstoff aus dem Koks kommt und Kohlenmonoxid gebildet wird. Eine solche Reaktion wird als Boudouard-Reaktion bezeichnet. Der Verlauf der Reaktion ist stark temperaturabhängig, das bedeutet, je höher die Temperatur ist, desto höherer ist der entstehende Anteil an Kohlenmonoxid. Durch die in diesem Prozess ablaufende stark endotherme Reaktion, wird dem Prozess unerwünschter Weise Energie entzogen. Da aber grundsätzlich die unvermeidliche Reaktion nur ablaufen kann, wenn der entsprechende Reaktionspartner gegeben ist, was in diesem Fall Koks ist, ist davon auszugehen, dass beim vorliegenden Prozess, bei welchem durch die Zuführung von Fremdenergie mittels zusätzlichem Feststoffbrenner, der Koksbedarf um ca. 30% gesenkt wird und somit auch die Reaktionsoberfläche sich entsprechend reduziert, ein Kohlenmonoxidrückgang zu verzeichnen ist. Die Koksreduktion kann erfolgen, da der Feststoffbrenner Fremdenergie in den Schachtofen speist und somit kann mit weniger Koks und der zusätzlichen Fremdenergie die benötigte Wärme erzielt werden, da ein Teil der Energie bzw. Wärme durch den Feststoffbrenner erzeugt und dem Schachtofen zugeführt wird.
Da zur Verbrennung des Kohlenstaubs im Feststoffbrenner reiner Sauerstoff verwendet wird, ist die Verbrennungsluftmenge für die reduzierte Koksmenge genauso herabzusetzen. Somit wird rund 1/3 der Energie durch die Kohlenstaubverbrennung mit reinem Sauerstoff dem Prozess zugeführt. Durch die Reduzierung der Verbrennungsluft wird auch das Abgasvolumen verringert.
Aufgrund der niedrigeren Abgasmenge verringert sich die Gasgeschwindigkeit im Schacht, wodurch das Vorwärmen des Materials im Schacht verbessert wird und weniger Abwärme bzw. Energie aus dem Schachtofen bzw. Kupolofen getragen wird.
Die Brennstoffzuführung erfolgt über eine Dichtstromförderung, welche dem Feststöftbrenner 10 -100 m3/h zuführt. Als Dichtstromfördergas wird ein Inertgas verwendet, was sich durch seine Reaktionsträgheit gut für eine Dichtstromförderung eignet. Dichtstromförderung bedeutet, per Definition ein grösseres Verhältnis von Produkt, in diesem Fall Kohlenstaub bzw. ein karbonisiertes Material, zu Gas, hier ein Inertgas bzw. Stickstoff oder das Verwenden einer kleineren Menge Gas für die Förderung einer grossen Produktemenge. Bei einer Verwendung von Stickstoff als Fördergas ergibt sich zudem ein optimaler Explosionsschutz für alle Arten von Kohlenstaub bzw. karbonisierten Materialien und das bei sehr geringem Stickstoffverbrauch.
Durch die extrinsische Verbrennung, welche mit dem Feststoffbrenner erzeugt wird und stöchiometrisch verläuft, wird dem Schachtofen ausschliesslich Fremdenergie zugeführt. Somit kann der Koksbedarf im Schachtofen reduziert werden, was wiederum eine Verminderung der Kohlenmonoxidbildung zur Folge hat. Weiter kann durch eine stöchiometrische Feststoffverbrennung das Kaltblasen vermieden werden, zudem erlaubt das Verbrennen des dichtstromgeförderten Brennstoffs eine grössere Menge an Kohlenstaub bzw. karbonisiertem Material zu verbrennen als bei Verfahren bei dem der Kohlenstaub ausschließlich eingeblasen wird. Es kann deutlich mehr Kohlenstaub anstelle des Kokses verbrannt werden als bei herkömmlichen Verfahren, was eine Einsparung des Koksverbrauchs zur Folge hat.
Zur Erzielung einer stöchiometrischen Verbrennung im Feststoffbrenner werden zum dichtstromgeförderten Brennstoff Sauerstoff und ein verbrennungsförderndes Gas zugeführt. Um den Kohlenstaub stöchiometrisch verbrennen zu können, wird als verbrennungsförderndes Gas Erdgas verwendet, wobei auch andere Gase denkbar sind. Die Mengen des Sauerstoffs, Erdgases und des Brennstoffs werden durch eine Regelung, die über eine Steuerung gelenkt wird, so aufeinander abgestammt, dass die Verbrennung stöchiometrisch erfolgt. Die Zuleitungen des Sauerstoffs und des Gases sind seitlich am Feststoffbrenner angeordnet. Die Feststoffbrenner sind auf der Höhe der Schmelzzone angebracht, sie sind symmetrisch entlang des Schachtofenumfangs angeordnet, so wird eine gleichmässige Energieverteilung im Schachtofen erreicht. Zudem besteht auch die Möglichkeit den Feststoffbrenner in einer Winddüse anzuordnen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren beschrieben, wobei sich die Erfindung nicht nur auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Es zeigen:
In
Durch die Montage des Feststoffbrenners 10 in der Winddüse 22 wird die Verbrennung durch die einströmende Luft zusätzlich unterstützt. Ober den Anschluss 11 wird der Brennstoff zum Feststoffbrenner geleitet, was in diesem Fall Kohlenstaub ist, denkbar ist jedoch jedes karbonisierte Material wie beispielsweise Kunststoffabfall, Braunkohle, Holzstaub Altreifen als Staub, Holzkohle, Mehl, Getreide Staub von Getreidepelzen usw.. Der Flansch 17 ist mit dem Windring 2,1 verbunden wodurch die Luft in die Winddüse 22 strömt.
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