VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES ANLAGENVERBUNDS

Abstract

 Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds (1) beschrieben, umfassend eine Direktreduktionsanlage (2) mit einer Schleuse (2`) und einen elektrischen Schmelzofen (3). Bei dem Verfahren wird mittels eines Sensors (4) eine Produkteigenschaft ermittelt und in Abhängigkeit von dieser der Metallisierungsgrad des Eisenschwamms in der Direktreduktionsanlage (2) eingestellt.
Zur Durchführung des Verfahrens kann eine
Steuereinrichtung (5) verwendet werden, um beispielsweise über eine Zuordnungsmenge (7) mittels des mit Bezugszeichen (6) gezeigten Rückschlusses die Ansteuerung eines
Durchflussventils (8) vorzunehmen, um über die Einstellung der Durchflussrate an reduzierendem Gas den Metallisierungsgrad zu verändern.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds, wobei der Anlagenverbund eine Direktreduktionsanlage und einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage angeordneten elektrischen Schmelzofen aufweist.

[0002] Im Zuge der Bestrebungen, den CO₂-Ausstoß in Zusammenhang mit Stahlherstellung zu reduzieren, erfährt die Stahlerzeugung in einer sogenannten Elektrostahl-Route erhebliche Beachtung. Bei der Elektrostahl-Route wird als Ausgangsstoff direkt reduziertes Eisen (Eisenschwamm), teilweise in reduzierter Form und/oder Schrott, eingesetzt. Dieses Ausgangsmaterial wird in einem elektrisch betriebenen Schmelzofen aufgeschmolzen, bei dem es sich beispielsweise um einen Lichtbogen-Schmelzofen handeln kann (electric arc furnace, kurz: EAF), und es wird gegebenenfalls in einem weiteren Schritt mittels Einblasens von Sauerstoff von Sauerstoffaffinen Bestandteilen befreit. Die Herstellung des Eisenschwamms erfolgt zuvor in einer Direktreduktionsanlage. Die Herstellung von Eisenschwamm basiert dabei auf dem Prinzip, Eisenerz durch Beaufschlagung mit reduzierendem Gas zu reduzieren, wodurch die in dem Eisenerz vorhandenen Fe-Verbindungen, insbesondere Fe-O-Verbindungen, durch Reduktion aufgebrochen werden und als Folge dieser Metallisierung metallisches Eisen zurückbleibt. Der Eisenschwamm verlässt die Direktreduktionsanlage mit einem Metallisierungsgrad MG_DRA, wobei der Metallisierungsgrad definiert ist als der Quotient aus der Masse elementar vorliegenden Eisens Fe_elementar und der Masse insgesamt vorliegenden Eisens Fe_total.

[0003] In dem ersten erfolgenden Schritt der Direktreduktion wird der größte Anteil des im Eisenerz enthaltenen Eisens metallisiert, und typischerweise ist dies für einen als Metallisierungsgrad bezeichneten Anteil MG_DRA von deutlich oberhalb von 80 Prozent der vorhandenen Atome der Fall. Unter Metallisierungsgrad wird das Gewichtsverhältnis von metallischem Eisen zum Gesamteisen in Prozent verstanden. Das heißt, dass nach durchlaufen der Direktreduktionsanlage der entnommene Eisenschwamm ein Anteil von MG_DRA der vorhandenen Fe-Atome in metallischer Form vorliegen. Der Eisenschwamm, der einen Anteil von MG_DRA der Fe-Atome in metallischer Form und einen Anteil von 1-MG_DRA der Fe-Atome in gebundener Form enthält, wird in den Schmelzofen gegeben. Die noch nicht während der Direktreduktion metallisierten Fe-Atome werden sodann zu einem großen Teil in dem nachfolgenden Prozess des Aufschmelzens, welches unter Zugabe insbesondere von Kohlenstoffträgern erfolgt, bis zu einem Metallisierungsgrad von MG_Produkt metallisiert. Der Metallisierungsgrad MG_Produkt beträgt 100 Prozent oder liegt nur geringfügig, maximal 2 Prozent, unterhalb von 100 Prozent. Das heißt, dass das in der Gesamtheit aus metallischer Schmelze und gebildeter Schlacke enthaltene Eisen zumindest nahezu vollständig metallisiert wurde.

[0004] Aus den obigen Erläuterungen ergibt sich unmittelbar, dass der Anteil der Metallisierungsprozesse in der Direktreduktionsanlage und der Anteil der Metallisierungsprozesse innerhalb des Schmelzofens unmittelbar miteinander verknüpft sind. Darauf aufbauend lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Verbesserung des Betriebs des Anlagenverbunds aus Direktreduktionsanlage und Schmelzofen bereitzustellen.

[0005] Die Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0006] Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds vorgesehen. Der Anlagenverbund umfasst zumindest eine Direktreduktionsanlage, also eine Direktreduktionsanlage oder mehr als eine, beispielsweise zwei, Direktreduktionsanlagen und einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage angeordneten elektrischen Schmelzofen.

[0007] Das Verfahren kann beispielsweise als Verfahren zur Herstellung von Roheisen ausgebildet sein.

[0008] Ein wesentlicher Gedanke der vorgestellten Erfindung besteht also darin, dass der Betrieb des Anlagenverbunds insgesamt betrachtet wird, wobei der Anlagenverbund sowohl den Schmelzofen als auch die Direktreduktionsanlage umfasst. Für den aufeinander abgestimmten Betrieb des Anlagenverbunds sind seine Bestandteile, insbesondere die Direktreduktionsanlage und der Schmelzofen, miteinander gekoppelt, beispielsweise über eine gemeinsame Steuereinrichtung, beispielsweise einem Leitstand zur Steuerung.

[0009] Der Begriff des stromabwärts der Direktreduktionsanlage angeordneten Schmelzofens ist dahingehend zu verstehen, dass der Schmelzofen im Verfahrensablauf unmittelbar auf die Direktreduktionsanlage folgt, das heißt: Das in der Direktreduktionsanlage hergestellte Erzeugnis wird zu dem Schmelzofen befördert und/oder zwischengelagert, es findet hingegen keine Reinigung und/oder anderweitige Weiterveredelung des in der Direktreduktionsanlage hergestellten Erzeugnisses statt.

[0010] Die Direktreduktionsanlage ist eine Anlage, in welcher eine Feststoffreaktion stattfindet, bei der Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt wird. Als Reduktionsmittel hierfür werden beispielsweise Kohle oder Erdgas oder, in jüngerer Vergangenheit und erwarteter Weise in der Zukunft verstärkt, atomarer beziehungsweise molekularer Wasserstoff als Reduktionsmittel genutzt. Die Reaktion findet bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Eisenerzes statt, sodass die äußere Form weitgehend unverändert bleibt.

[0011] Die Direktreduktionsanlage kann beispielsweise als Schachtofen ausgebildet sein mit einer Reduktionszone, die von dem Eisenerz entgegen der Reduktionsgasrichtung durchlaufen wird. In einer alternativen Ausführungsform kann die Direktreduktionsanlage auch beispielsweise als Drehrohrofen ausgebildet sein, durch welchen das Eisenerz entgegen der Strömungsrichtung des Reduktionsgases befördert wird. Direktreduktionsanlagen als solche sind aus der Praxis gut bekannt.

[0012] Bei dem elektrischen Schmelzofen, auch als Elektrowärmeanlage zum Aufschmelzen von Metall oder Erhitzen von flüssigem Metall bezeichnet, kann es sich beispielsweise um einen Schmelzofen mit direkter Lichtbogeneinwirkung (electric arc furnace, Akronym: EAF) handeln, wobei Lichtbögen zwischen der Elektrode und dem Metall gebildet werden. Mögliche Ausführungen sind Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFac), Gleichstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFdc) und Pfannenofen (Ladle furnace, Akronym: LF).

[0013] Erfindungsgemäß wird ein Schmelzofen genutzt, der elektrisch betrieben wird. Dabei kommt jede Art eines elektrisch betriebenen Schmelzofens in Betracht, wobei eine bevorzugte Möglichkeit ein mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung arbeitender Schmelzofen ist. Ein solcher Schmelzofen funktioniert auf dem Prinzip, Lichtbögen zwischen der Elektrode und der Charge zu bilden und die Charge oder die Schlacke insbesondere mittels Joule-Effekts zu erwärmen. Schmelzöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung können beispielsweise als Lichtbogen-Reduktionsöfen (submerged electric arc furnace, Akronym: SAF), bei denen die Elektrode in die Charge oder Schlacke eingetaucht ist, als Wechselstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFac) oder als Gleichstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFdc) ausgebildet sein. Andere Ausführungen sind Öfen, bei denen die Elektrode knapp oberhalb der Schlacke endet. Bei diesem Ofentyp ist die Schlacke zumindest im Bereich der Elektrode nicht durch die Charge abgeschirmt. Die Schlacke ist also nach oben hin offen und der sich zur Schlacke ausbildende bürstenförmige Lichtbogen (brush arc) von oben einsehbar. Dieser Ofentyp wird als open slag bath furnace (OBSF) bezeichnet.

[0014] Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelzofen als Lichtbogen-Reduktionsofen (submerged electric arc furnace, SAF) ausgebildet.

[0015] Alternativ besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelzofen als open slag bath furnace (OBSF) ausgebildet.

[0016] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchläuft in einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds Eisenerz die Direktreduktionsanlage. Beim Durchlaufen der Direktreduktionsanlage wird das Eisenerz mittels reduzierenden Gases, insbesondere mittels molekularen Wasserstoffs und/oder mittels Erdgases, zu Eisenschwamm reduziert. Die Verfahrensführung und die Prozessparameter, beispielsweise die Verbleibdauer des Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage und die Durchflussrate an reduzierendem Gas, bewirken, dass das Eisenerz zu Eisenschwamm umgewandelt wird mit einem Metallisierungsgrad MG_DRA. Der Metallisierungsgrad MG_DRA beträgt mehr als 80 Prozent, bevorzugt mehr als 90 Prozent, besonders bevorzugt mehr als 95 Prozent, am Ort des Austritts des Eisenschwamms aus der Direktreduktionsanlage heraus. Nach dem Austritt aus der Direktreduktionsanlage wird der Eisenschwamm, der den Metallisierungsgrad MG_DRA aufweist, in den Schmelzofen hineingegeben.

[0017] In dem Schmelzofen erfolgt ein Aufschmelzen des Eisenschwamms unter Zugabe von Kohlenstoffträgern, optional mit zusätzlicher Zugabe weiterer eisenhaltiger Stoffe wie beispielsweise Schrott und/oder von Zuschlagstoffen für Konditionierung der sich bildenden Schlacke, zu einem Schmelzbad aus metallischer Schmelze mit einem Produktmetallisierungsgrad MG_Produkt und der auf der metallischen Schmelze schwimmenden Schlacke. Die Eigenschaften der Schlacke werden bevorzugt über Zuschläge wie beispielsweise Kalk, Sand, Bauxit und/oder ähnliche, gezielt beeinflusst.

[0018] In diskreter Folge wird ein Abstich entnommen, das heißt: es wird metallische Schmelze aus dem Schmelzofen abgelassen und in ein transportables Auffangbehältnis gegeben, das zuvor einer vorgegebenen Auffangposition positioniert worden ist. Beispielsweise kann für einen geeignet langen Zeitraum eine Ausgabeöffnung an einer Unterseite oder Seitenwand des Schmelzofens geöffnet werden, aus welcher sodann Schmelze ausläuft. Unterhalb der Ausgabeöffnung kann beispielsweise ein als sogenannte Auffangpfanne ausgebildetes Auffangbehältnis positioniert werden. Auffangpfannen können beispielsweise als Bestandteil eines der Fachperson bekannten Pfannenwagens bereitgestellt werden.

[0019] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass kontinuierlich oder quasikontinuierlich mittels eines Sensors ein Ermitteln einer Produkteigenschaft von im Anlagenverbund erzeugten Produkten erfolgt.

[0020] Aufbauend auf dem Vorliegen der ermittelten Produkteigenschaft wird weiterhin erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der ermittelten Produkteigenschaft ein Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung eines vorgegebenen Metallisierungsgrads MG_DAA,Soll durchgeführt.

[0021] Der Erfindung liegt also die grundlegende Überlegung zugrunde, die insgesamt in dem Anlagenverbund bei der Herstellung einer metallischen Schmelze, insbesondere von Roheisen, herbeizuführende Reduktionsarbeit, also der insgesamt bis zum Vorliegen der Schmelze mit Produktmetallisierungsgrad MG_Produkt aufzuwendende Gesamtmenge chemisch-physikalischer Prozesse, gezielt auf zwei zentrale Anlagen des Anlagenverbunds aufzuteilen, nämlich auf den in der Direktreduktionsanlage ablaufenden Prozess einerseits sowie auf den in dem Schmelzofen ablaufenden Prozess andererseits. Das Aufteilen der Reduktionsarbeit auf die zwei grundlegenden in dem Anlagenverbund ablaufenden Prozesse hat den Vorteil, dass anhand eines einzigen einzustellenden oder zu steuernden oder zu regelnden Parameters, nämlich dem Metallisierungsgrad MG_DRA, eine gezielte Anpassung des ingesamt ablaufenden Prozesses auf zu einem gegenwärtigen Zeitpunkt herrschende Rahmenbedingungen erfolgen kann. Hierzu kommt der große Vorteil dieser Vorgehensweise, dass eine Vielzahl von direkt an der Anlage messbaren physikalischen Größen unmittelbar mit dem Metallisierungsgrad MG_DRA gekoppelt ist. Sofern also entsprechende anlagenspezifische empirische Daten dieser Kopplung zwischen Metallisierungsgrad MG_DRA und einer jeweiligen physikalischen Größe einmal gewonnen worden sind, kann diese direkt in die erfordernisangepasste Veränderung des Metallisierungsgrads MG_DRA umgesetzt werden.

[0022] Dieses vorgesehene Aufteilen der Reduktionsarbeit auf die in der Direktreduktionsanlage ablaufenden Prozesse einerseits und die in dem Schmelzofen ablaufenden Prozesse andererseits wird in der konkreten Umsetzung erreicht, indem ein vorgegebener Metallisierungsgrad MG_DAA,Soll eingestellt wird, d. h.: Wenn der Metallisierungsgrad MG_DRA des Eisenschwamms bei Austritt aus der Direktreduktionsanlage dem vorgegebene Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll entspricht, wird der Betrieb des Anlagenverbunds in unveränderter Weise fortgesetzt; wenn der Metallisierungsgrad MG_DRA von dem vorgegebene Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll abweicht, wird der Betrieb des Anlagenverbunds verändert und zwar derart, dass der Metallisierungsgrad MG_DRA sich hin zu seinem Sollwert MG_DRA,Soll entwickelt.

[0023] Das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads erfolgt auf Basis eines kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich mittels eines Sensors ermittelten Wertes einer Produkteigenschaft von im Anlagenverbund erzeugten Produkten. Das bedeutet, dass ein Produkt, das im Anlagenverbund erzeugt wird, und welches eine Korrelation mit dem Metallisierungsgrad MG_DRA aufweist, sensorisch untersucht wird, und daraufhin anhand der erhaltenen Sensorergebnisse über die Korrelation des Produkts mit dem Metallisierungsgrad MG_DRA, insbesondere über die Korrelation der Produkteigenschaft mit dem Metallisierungsgrad MG_DRA, ermittelt wird, ob der Betrieb des Anlagenverbunds unverändert weiterverfolgt werden kann, oder ob eine Veränderung des Betriebs des Anlagenverbunds erforderlich ist. Die Korrelation des Produkts mit dem Metallisierungsgrad MG_DRA ist bevorzugt eine injektive Funktion "Metallisierungsgrad MG_DRA → Produkteigenschaft", besonders bevorzugt eine bijektive Funktion "Metallisierungsgrad MG_DRA → Produkteigenschaft". Die Korrelation der Produkteigenschaft mit dem Metallisierungsgrad MG_DRA kann beispielsweise ein empirisch gefundener Zusammenhang sein.

[0024] Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ausgehend von der ermittelten Produkteigenschaft kontinuierlich oder quasikontinuierlich anhand einer empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MG_DRA der Metallisierungsgrad MG_DRA bestimmt wird. Das bedeutet, dass durch die gemessene Produkteigenschaft, anhand empirisch ermittelter und dadurch bekannter Daten, auf den Metallisierungsgrad MG_DRA rückgeschlossen wird. Der Metallisierungsgrad kann sodann mit dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll verglichen werden, und bei Feststellen einer Abweichung des Metallisierungsgrads MG_DRA von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll kann das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads MG_DRA,Soll initiiert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads MG_DRA,Soll initiiert, eine Abweichung des Metallisierungsgrads MG_DRA von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll festgestellt ist, deren Betrag größer ist als eine Mindestabweichung, womit ein Vorteil einer größeren Prozessstabilität einhergeht. Die vorstehend beschriebene Auswertung des Metallisierungsgrads anhand empirischer Daten, der Abgleich mit dem vorgegebenen Metallisierungsgrad, und das - soweit erforderlich - Initiieren des Veränderns des Betriebs des Anlagenverbunds, können beispielsweise durch eine Steuereinrichtung des Anlagenverbunds, mit dem sowohl die Direktreduktionsanlage als auch der Schmelzofen als auch der Sensor gekoppelt sind, gesteuert werden.

[0025] Für das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des Metallisierungsgrads hin zu dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll kann beispielsweise auf eine empirisch ermittelte Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MG_DRA zurückgegriffen werden, auf deren Grundlage die Einstellung des Veränderns des Betriebs des Anlagenverbunds erfolgt, bevorzugt mittels Steuerns, besonders bevorzugt mittels Regelns. Das bedeutet, dass in Abhängigkeit von dem Maß der Abweichung des Metallisierungsgrads von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad auf die erforderliche Veränderung der Produkteigenschaft rückgeschlossen wird, d. h.: das Maß der erforderlichen Veränderung der Produkteigenschaften ermittelt wird, sodass das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds ausgehend von einer bekannten Abweichung des Metallisierungsgrads auf eine Veränderung des Betriebs des Anlagenverbunds mit dem Ziel einer gewünschten Veränderung der Produkteigenschaft abgeleitet wird.

[0026] In einer vorteilhaften Weiterbildung kann als Produkteigenschaft eine Eigenschaft genutzt werden, die an einem in der Direktreduktionsanlage erzeugten Produkt ermittelt wird.

[0027] Beispielsweise kann die Produkteigenschaft ausgebildet sein

• als ein H₂ Volumenstrom im Gichtgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein H₂-Sensor genutzt werden; oder
• als ein Verhältnis der Volumenströme H₂/H₂O im Gichtgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein H₂-Sensor und als weiterer Sensor ein H₂O-Sensor verwendet werden; oder
• als ein CO-Volumenstrom im Gichtgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein CO-Sensor genutzt werden; oder
• als ein Verhältnis der Volumenströme CO/CO₂ im Gichtgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein CO-Sensor und als weiterer Sensor ein CO₂-Sensor verwendet werden; oder
• als ein direkt gemessener Metallisierungsgrad des Eisenschwamms, oder
• als eine Sauerstoffmassenbilanz aus "Sauerstoff in den hineingegebenen Gasen" zu "Sauerstoff im Gichtgas", oder
• als eine Austrittstemperatur des Eisenschwamms.

[0028] Alternativ kann als Produkteigenschaft eine Eigenschaft genutzt werden, die an einem in dem Schmelzofen erzeugten Produkt ermittelt wird.

[0029] In diesem Fall kann die Produkteigenschaft beispielsweise ausgebildet sein

• als der CO-Gehalt im Schmelzofen-Abgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein CO-Sensor genutzt werden; oder
• als ein Verhältnis der Volumenströme CO/CO₂ im Schmelzofen-Abgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein CO-Sensor und als weiterer Sensor ein CO₂-Sensor verwendet werden;
• als eine Temperatur der Schmelze bei konstantem Energieeintrag, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein Thermometer verwendet werden; oder
• als eine Sauerstoffaktivität in der Schmelze, oder
• als eine Sauerstoffaktivität in der Schlacke ist, oder
• eine Gesamtsauerstoffaktivität in der Schmelze und der Schlacke, oder
• als eine Schlackeneigenschaft, insbesondere: Emissionskoeffizient oder Viskosität oder CaO-Gehalt oder SiO₂-Gehalt oder CaO- sowie SiO₂-Gehalt, oder
• als ein Elementanteil an dem Roheisen, oder
• als eine spezifische Schlackenmenge.

[0030] Die genannten Beispiele für eine Produkteigenschaft haben den gemeinsamen Vorteil, dass es sich jeweils um mit geeignetem Sensor direkt messbare physikalische Parameter handelt der Sensor ist also beispielsweise jeweils als den direkt messbaren physikalischen Parameter sensierender Sensor ausgebildet.

[0031] Beispielsweise kann der Sensor ein CO-Sensor sein und die Produkteigenschaft der CO-Gehalt im Schmelzofen-Abgas oder Verhältnis der Volumenströme CO/CO₂ im Schmelzofen-Abgas. Beispielsweise lässt sich aufgrund der Bildung von Kohlenmonoxid, also CO, und der Abhängigkeit dessen Anteils an dem Abgas des Schmelzofens von dem Metallisierungsgrad MG_DRA des Eisenschwamms und damit des noch in den Schmelzofen gelangenden Sauerstoff eine bevorzugt bijektive Abhängigkeit des CO-Gehalts im Schmelzofenabgas von dem Metallisierungsgrad MG_DRA empirisch ermitteln; sobald eine solche empirische Ermittlung einmal anlagenspezifisch vorgenommen wurde, kann anhand der empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MG_DRA der Metallisierungsgrad MG_DRA bestimmt werden. Ausgehend von diesem bestimmten Metallisierungsgrad MG_DRA kann sodann ein Vergleich mit dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll durchgeführt werden und - je nach Ergebnis dieses Vergleichs - das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds für die Wiederherstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll initiiert werden.

[0032] Es versteht sich von selbst, dass bei Umsetzung der Entwicklung durch die Fachperson bei Auswertung der Produkteigenschaft der Materialdurchfluss durch die Direktreduktionsanlage und den Schmelzofen sowie - je nach Art des verwendeten Sensors - eine eventuell vorhandene zusätzliche Latenz bei der Umsetzung des Veränderns des Betriebs des Anlagenverbunds berücksichtigt werden müssen. Dies beeinträchtigt nicht die Funktionsfähigkeit der oben beschriebenen Verfahren und ihrer Weiterbildungen, sondern führt zu je nach Art der Umsetzung abweichender Trägheit der Verfahrensführung, und ist beispielsweise im Falle einer Umsetzung als Regelung eine Frage der Trägheit eines Regelkreises. Die Wahl einer geeigneten Produkteigenschaft und einer diese ermittelnden Sensorik ist somit fachmännisch zu treffen und kann beispielsweise unter ökonomischen Gesichtspunkten oder unter Betrachtung der Anforderungen an die Trägheit einer Veränderung, einer Steuerung oder einer Regelung getroffen werden.

[0033] Der vorgegebene Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll kann beispielsweise anhand einer empirisch ermittelten ersten anlagenspezifischen Kennwertkurve Kennwert_DRA-MG_DRA, also: Kennwert_DRA in Abhängigkeiten von Werten MG_DRA, der Direktreduktionsanlage und anhand einer empirisch ermittelten zweiten anlagenspezifischen Kennwertkurve Kennwert_Schmelzofen-MG_Produkt, also: Kennwert_Schmelzofen in Abhängigkeit von Werten MG_Produkt, des Schmelzofens ermittelt werden. Die anlagenspezifische Kennwertekurve kann beispielsweise als Kennwerte

• ein Maß für das Gewicht metallisierten Eisens pro Zeiteinheit, oder
• ein Maß für spezifischen Energieumsatz, oder
• ein Maß für den spezifischen CO₂-Ausstoß, oder
• ein Maß für die spezifischen Gesamtkosten umfassen.

[0034] Soweit im vorigen Absatz von einem spezifischen Wert die Rede ist, ist dies bevorzugt zu verstehen als auf die Tonne produzierten Roheisens bezogen. Die genannten Kennwerte gelten dann jeweils als Kennwert_DRA für die Direktreduktionsanlage und als Kennwert_Schmelzofen für den Schmelzofen.

[0035] Die Kennwerte können also beispielsweise Kennwert_DRA sein, wobei der Kennwert_DRA ein vom Metallisierungsgrad MG_DRA abhängiges Maß für den spezifischen CO₂-Ausstoß der Direktreduktionsanlage ist, und Kennwert_Schmelzofen sein, wobei Kennwert_Schmelzofen ein vom Metallisierungsgrad MG_Produkt abhängiges Maß für den spezifischen CO₂-Ausstoß des Schmelzofens sein kann.

[0036] In einer speziellen Ausführungsform wird der vorgegebene Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll festgelegt als der Metallisierungsgrad, für den gilt Min[Kennwert_DRA (MG_DRA) + Kennwert_Schmelzofen(1-MG_DRA)], wobei das Formelzeichen "Min" die Bestimmung des Minimums bezeichnet. Das bedeutet zum ersten, dass vereinfacht davon ausgegangen wird, dass MG_Produkt=1-MG_DRA, was in der betrieblichen Umsetzung in vielen Fällen eine ausreichend genaue Abschätzung ist, da nach Durchlaufen von sowohl der Direktreduktionsanlage als auch dem Schmelzofen der Anteil des noch nicht metallisierten Eisens typischerweise deutlich unterhalb von 5 Prozent liegt, meistens unterhalb von 2 Prozent, in der Regel in der Größenordnung von 1 Prozent, wobei wiederum der größte Teil dieses nicht metallisierten Eisens Bestandteil der Schlacke ist. Zum Zweiten bedeutet dies, dass die beschriebene Vorgehensweise zum Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds ausgeht von einer Bestimmung einer Abweichung eines indirekt, nämlich über die Produkteigenschaft, ermittelten Metallisierungsgrads MG_DRA von einem Sollwert MG_DRA,Soll, wobei der Sollwert ausgehend von zwei anlagenspezifischen Kennwertkurven ermittelt wird, wobei jede der beiden Kennwertkurven von dem Metallisierungsgrad des Eisens abhängig ist, und es sich bei den Kennwerten beispielsweise um eine der oben genannten Werte handeln kann; die Bestimmung des Sollwerts MG_DRA,Soll erfolgt sodann mittels Bestimmung des Minimums der Summe der beiden Kennwertkurven, so wie oben in der Gleichung angegeben. Es versteht sich von selbst, dass der Begriff der Kennwertkurve nicht zwangsläufig implizieren muss, dass die Kennwertkurve als geschlossene analytische Funktion vorliegen muss; es kann sich bei jeder der beiden Kennwertekurven um eine Liste von Punkten, beispielsweise im zweidimensionalen Raum, handeln, wobei das Finden des Minimums dann ebenfalls nicht zwangsläufig analytisch erfolgen muss, sondern in numerischer Weise, was selbstredend für die Fachperson unproblematisch möglich ist.

[0037] Wenn also beispielsweise der Kennwert ein Maß für den spezifischen CO₂-Ausstoß ist, führt die beschriebene Umsetzung mittels entsprechender Kennwert-getriebener Wahl des MG_DRA,Soll dazu, dass durch Verteilung der Reduktionsarbeit zwischen der Direktreduktionsanlage und dem Schmelzofen der CO₂-Ausstoß des Anlagenverbunds reduziert wird.

[0038] Wenn sich bei Auswertung der ermittelten Produkteigenschaft herausstellt, dass der Metallisierungsgrad MG_DRA erhöht werden muss, also eine Verlagerung eines Anteils der Reduktionsarbeit von dem Schmelzofen in die Direktreduktionsanlage erfolgen soll, kann das Verändern des Betriebs zum Erhöhen des Metallisierungsgrads MG_DRA beispielsweise umfassen:

• Erhöhen der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage und/oder
• Erhöhen der Verbleibdauer des zum Eisenschwamm werdenden Eisenerzes beziehungsweise der Eisenerzträger in der Direktreduktionsanlage,
• Erhöhen der Gastemperatur des Reduktionsgases in einem Bereich zwischen 560 und 1150 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 900 und 1150 Grad Celsius.

[0039] Wenn sich bei Auswertung der ermittelten Produkteigenschaft herausstellt, dass der Metallisierungsgrad MG_DRA reduziert werden muss, also eine Verlagerung eines Anteils der Reduktionsarbeit von der Direktreduktionsanlage in den Schmelzofen erfolgen soll, kann das Verändern des Betriebs zum Reduzieren des Metallisierungsgrads MG_DRA beispielsweise umfassen:

• Verringern der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage und/oder
• Verringern der Verbleibdauer des zum Eisenschwamm werdenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage.

[0040] Das Verlagern der Reduktionsarbeit von der Direktreduktionsanlage in den Schmelzofen führt also spiegelbildlich zu einer Verringerung der Reduktionsarbeit in der Direktreduktionsanlage sowie einer Erhöhung der Reduktionsarbeit in dem Schmelzofen oder umgekehrt.

[0041] Den dargestellten Fig. 1 und Fig. 2 sind Prinzipskizzen zu entnehmen, die ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

[0042] In den Figs. 1a)-c) ist schematisch die grundlegende Ausgangsbasis der erfindungsgemäßen Vorgehensweise dargestellt. Fig. 1a) und Fig. 1b) sind jeweils empirisch ermittelte anlagenspezifische Kennwertkurven zu entnehmen. Die in Fig. 1a) gezeigte Kurve repräsentiert die erste anlagenspezifische Kennwertkurve Kennwert_DRA-MG_DRA der Direktreduktionsanlage und die in Fig. 1b) gezeigte Kurve repräsentiert die zweite anlagenspezifische Kennwertkurve Kennwert_Schmelzofen-MG_Produkt des Schmelzofens. Es kann sich beispielsweise um eine Zuordnung eines in Kilogramm/(Tonne erzeugten Roheisen) angegebenen spezifischen CO₂-Ausstoßes handeln, also um ein Maß für den spezifischen CO₂-Ausstoß, der jeweiligen Anlage in Abhängigkeit von dem Metallisierungsgrad. Der Kennwert ist anlagenspezifisch und wurde empirisch gewonnen, beispielsweise durch entsprechenden Versuchsbetrieb oder durch im regulären Betrieb gewonnene Daten. Aus den beiden Kennwertkurven wird der vorgegebene Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll festgelegt, beispielsweise auf Basis einer Ermittlung, wobei der vorgegebene Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll festgelegt wird als der Metallisierungsgrad, für den gilt, dass die Summenkurve aus betrachtetem Kennwert_DRA(MG_DRA) und betrachtetem Kennwert_Schmelzofen(1-MG_DRA), dargestellt in Fig. 1c), minimal wird.

[0043] Sobald ein vorgegebener Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll festgelegt ist, kann dieser dazu dienen, bei dem Betreiben des Anlagenverbunds zur Verteilung der insgesamt in dem Anlagenverbund erfolgenden Reduktionsarbeit zur Metallisierung des im Eisenerz enthaltenen Eisens herangezogen zu werden.

[0044] Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Anlagenverbunds 1, umfassend eine Direktreduktionsanlage 2 und einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage 2 angeordneten elektrischen Schmelzofen 3, ist der schematischen Darstellung der Fig. 2 zu entnehmen. In einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds 1 durchläuft Eisenerz beziehungsweise die Eisenerzträger die Direktreduktionsanlage 2 und wird dort mittels reduzierenden Gases, insbesondere mittels molekularen Wasserstoffs und/oder mittels Erdgases, zu Eisenschwamm reduziert, der mit einem Metallisierungsgrad MG_DRA aus der Schleuse 2' heraustritt und sodann in den Schmelzofen 3 hineingegeben wird. Innerhalb des Schmelzofens wird der Eisenschwamm unter Zugabe von Kohlenstoffträgern, beispielsweise Steinkohle und/oder Koks, aufgeschmolzen, wobei optional weitere Bestandteile in die Schmelze zugegeben werden. Solche weiteren Bestandteile können beispielsweise eisenhaltige Stoffe wie Schrott sein oder Zuschlagstoffe zur Einstellung der Zusammensetzung der sich bildenden Schlacke. Die in dem Schmelzbad 3 erzeugte metallische Schmelze, die gemeinsam mit der sich bildenden Schlacke einen Produktmetallisierungsgrad von insgesamt beispielsweise mehr als 98 Prozent aufweist, kann in diskreter Folge mittels Abstichs der Schmelze aus dem Schmelzofen 3 entnommen werden.

[0045] Kontinuierlich oder quasikontinuierlich, das heißt: in kurzen Abständen wiederholt, wird mittels eines CO-Sensors 4 eine als CO-Gehalt in dem Schmelzbadabgas ausgebildete Produkteigenschaft ermittelt. Im vorliegenden Beispiel wird also eine Produkteigenschaft eines im Schmelzofen 3 des Anlagenverbunds 1 erzeugten Produkts, genauer: Begleitprodukts, betrachtet. Die Erfassung dieser Produkteigenschaft, also des CO-Gehalts, bevorzugt des Verhältnisses der Volumenströme CO/CO₂ im Schmelzofen-Abgas, sowie deren Auswertung wird von der Steuereinrichtung 5 umgesetzt, bei der es sich beispielsweise um einen Leitstand oder eine mit dem Leitstand gekoppelte Steuereinheit handeln kann.

[0046] Die ermittelte Produkteigenschaft wird genutzt, ausgehend von der ermittelten Produkteigenschaft kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich den, jeweils zum aktuellen Zeitpunkt oder zu einem rückprojizierten Zeitpunkt, mit der gemessenen Produkteigenschaft verknüpften Metallisierungsgrad MG_DRA zu bestimmen, siehe Bezugszeichen 6. Die Bestimmung des Metallisierungsgrads MG_DRA erfolgt anhand vorliegender empirischer Daten, nämlich einer empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MG_DRA. Dabei versteht sich von selbst, dass der Zeitraum, welcher für den Transport des Eisenschwamms innerhalb der Direktreduktionsanlage 2 sowie von dieser aus zu dem Schmelzofen 3, sowie für die dortige Beeinflussung der Produkteigenschaft, beispielsweise des CO-Gehalts, zwangsläufig vergehen muss, je nach betrachteter Produkteigenschaft von der durchführenden Fachperson, welche die Erfindung in der Praxis umsetzt, mitberücksichtigt wird, insbesondere als Trägheit einer Einstellung oder einer Steuerung oder einer Regelung. Nach der, beispielsweise wie vorstehend beschrieben, erfolgten Bestimmung des Metallisierungsgrads MG_DRA wird dieser mit dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll verglichen. Sollte sich herausstellen, dass eine Abweichung ΔMG_DRA des Metallisierungsgrads MG_DRA von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll vorliegt, wird, beispielsweise von der Steuereinrichtung 5, das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds 1 zur Einstellung des Metallisierungsgrads MG_DRA hin zu dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll initiiert. Es wird also in Abhängigkeit von der ermittelten Produkteigenschaft ein Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds 1 zur Einstellung eines vorgegebenen Metallisierungsgrads MG_DRA,Soll durchgeführt.

[0047] Für die Veränderung des Metallisierungsgrads MG_DRA hin zu dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll greift die Steuereinrichtung 5 auf eine empirisch ermittelte Zuordnungsmenge 7 von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MG_DRA zurück, um anhand der bekannten Differenz ΔMG_DRA=MG_DRA,Soll-MG_DRA durch Abgleich mit der Zuordnungsmenge rückzuschließen, in welchem Ausmaß das Verändern des Betriebs erfolgen soll. Wenn beispielsweise, wie im vorliegenden Beispiel, eine als Erhöhung des Metallisierungsgrads MG_DRA ausgebildete Veränderung des Metallisierungsgrads MG_DRA als erforderlich bewertet wird, kann beispielsweise die Veränderung des Betriebs des Anlagenverbunds 1 für das Erhöhen des Metallisierungsgrads MG_DRA darin bestehen, dass die Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage 2 erhöht wird, was die Steuereinrichtung über die Ansteuerung des Durchflussventils 8 veranlasst. Als alternative oder zusätzliche Maßnahme kann das Ausweiten der Zeitdauer des Verbleibs des zu Eisenschwamm zu reduzierenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage 2 ergriffen werden, wobei für jede der beiden Maßnahmen oder für beide Maßnahmen in kombinierter Weise der Umfang der erforderlichen Wirkung des Veränderns des Betriebs auf die Produkteigenschaft, also beispielsweise das quantitative Maß an Veränderung des CO-Gehalts im Schmelzofen 3 durch die erforderlichen Erhöhung der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage und/oder das Ausweiten der Zeitdauer des Verbleibs des zu Eisenschwamm zu reduzierenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage 2 zuvor hinterlegten quantitativen Daten entnommen wird, bei denen es sich um ein Beispiel für die zuvor bereits erläuterte empirisch ermittelte Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MG_DRA handelt. Die Wahl des Maßes des Veränderns des Betriebs auf die Produkteigenschaft selbst kann durch Einstellen auf Basis von Erfahrungswerten, also empirisch hinterlegten sekundärer Steuerdaten, durch Steuern, oder durch Regeln erfolgen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds (1), umfassend zumindest eine Direktreduktionsanlage (2) und einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage (2) angeordneten elektrischen Schmelzofen (3),

wobei in einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds (1)

Eisenerz die Direktreduktionsanlage (2) durchläuft, wobei beim Durchlaufen der Direktreduktionsanlage (2) das Eisenerz mittels reduzierenden Gases, insbesondere mittels molekularen Wasserstoffs und/oder mittels Erdgases und/oder anderen flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen, zu Eisenschwamm hin zu einem Metallisierungsgrad MG_DRA reduziert wird, und nach dem Durchlaufen der Eisenschwamm, der den Metallisierungsgrad MG_DRA aufweist, in den Schmelzofen (3) hineingegeben wird, wobei

in dem Schmelzofen (3) ein Aufschmelzen des Eisenschwamms unter Zugabe von Kohlenstoffträgern, optional mit zusätzlicher Zugabe weiterer eisenhaltiger Stoffe wie beispielsweise Schrott, zu einem Schmelzbad aus metallischer Schmelze mit einem Produktmetallisierungsgrad MG_Produkt und einer auf der metallischen Schmelze schwimmenden Schlacke erfolgt, und in diskreter Folge eine Entnahme von metallischer Schmelze aus dem Schmelzofen (3) mittels Abstichs der Schmelze vorgenommen wird,
wobei

- kontinuierlich oder quasikontinuierlich mittels eines Sensors (4) ein Ermitteln einer Produkteigenschaft von im Anlagenverbund (1) erzeugtem Produkt erfolgt, und

- in Abhängigkeit von der ermittelten Produkteigenschaft ein Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds (1) zur Einstellung eines vorgegebenen Metallisierungsgrads MG_DRA,Soll durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei ausgehend von der ermittelten Produkteigenschaft kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich anhand einer empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MG_DRA der Metallisierungsgrad MG_DRA bestimmt wird, und bei Feststellen einer Abweichung des Metallisierungsgrads MG_DRA von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads MG_DRA,Soll erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2,
wobei das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds (1) zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads MG_DRA,Soll anhand einer empirisch ermittelten Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MG_DRA verändert wird, bevorzugt gesteuert wird, besonders bevorzugt geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Produkteigenschaft von in der Direktreduktionsanlage (2) erzeugtem Produkt ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Produkteigenschaft

- ein H₂ Volumenstrom im Gichtgas ist, oder

- ein Verhältnis der Volumenströme H₂/H₂O im Gichtgas ist, oder

- ein CO-Volumenstrom im Gichtgas ist, oder

- ein Verhältnis der Volumenströme CO/CO₂ im Gichtgas ist, oder

- ein direkt gemessener Metallisierungsgrad des Eisenschwamms ist, oder

- eine Sauerstoffmassenbilanz aus "Sauerstoff in den hineingegebenen Gasen" zu "Sauerstoff im Gichtgas" ist, oder

- eine Austrittstemperatur des Eisenschwamms ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Produkteigenschaft von in dem Schmelzofen (3) erzeugtem Produkt ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Produkteigenschaft

- der CO-Gehalt im Schmelzofen-Abgas ist, oder

- ein Verhältnis der Volumenströme CO/CO₂ im Schmelzofen-Abgas ist, oder

- eine Temperatur der Schmelze bei konstantem Energieeintrag ist, oder

- eine Sauerstoffaktivität in der Schmelze ist, oder

- eine Sauerstoffaktivität in der Schlacke ist, oder

- eine Gesamtsauerstoffaktivität in der Schmelze und der Schlacke ist, oder

- eine Schlackeneigenschaft, beispielsweise eine chemische Zusammensetzung der Schlacke oder die Viskosität der Schlacke, ist, oder

- ein Elementanteil an dem Roheisen ist, oder

- eine spezifische Schlackenmenge ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand einer empirisch ermittelten ersten anlagenspezifischen Kennwertkurve Kennwert_DRA-MG_DRA der Direktreduktionsanlage (2) und anhand einer empirisch ermittelten zweiten anlagenspezifischen Kennwertkurve Kennwert_Schmelzofen-MG_Produkt des Schmelzofens (3) der vorgegebene Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll festgelegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei

- der Kennwert ein Maß für das Gewicht metallisierten Eisens pro Zeiteinheit ist, optional begrenzt auf die maximale Einschmelzmenge an metallisiertem Eisen pro Zeiteinheit, oder

- der Kennwert ein Maß für spezifischen Energieumsatz ist, oder

- der Kennwert ein Maß für den spezifischen CO₂-Ausstoß ist, oder

- der Kennwert ein Maß für die spezifischen Gesamtkosten ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder nach Anspruch 9, wobei der vorgegebene Metallisierungsgrad MG_DRA,Soll festgelegt wird als der Metallisierungsgrad, für den gilt Min[Kennwert_DRA(MG_DRA) + Kennwert_Schmelzofen(1-MG_DRA)].

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das Verändern des Betriebs zum Erhöhen des Metallisierungsgrads MG_DRA umfasst:

- Erhöhen der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage (2) und/oder

- Erhöhen der Verbleibdauer des zum Eisenschwamm werdenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage (2)

- Erhöhen der Gastemperatur des Reduktionsgases in einem Bereich zwischen 560 und 1150 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 900 und 1150 Grad Celsius.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das Verändern des Betriebs zum Reduzieren des Metallisierungsgrads MG_DRA umfasst:

- Verringern der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage (2) und/oder

- Verringern der Verbleibdauer des zum Eisenschwamm werdenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage (2).

Zeichnung