DE102017006067A1

DE102017006067A1 - Oxygen blast furnace with top gas recycling

Info

Publication number: DE102017006067A1
Application number: DE102017006067.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein CO-Emissionsarmes bzw. -freies Hochofenverfahren, erreicht durch den Sauerstoffbetrieb mit Topgasrecycling, einer 20%igen Wasserstoffreduktion durch Methanverbrennung, der H2-Zugabe zum Recyclinggas und der Methanisierung des abgeschiedenen Kohlendioxids.Gegenüber einem konventionellen Luft-Hochofen mit dem Reduktionsmittelverbrauch von 400 kg C/t RE verringert sich der Kohlenstoffverbrauch um 70% auf 121,2 kg und entsprechend reduzieren sich die Brennstoffkosten.Das Hochofenverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des anfallenden Kohlendioxids in der internen Methanisierungsanlage zu CHkonvertiert wird, das darüber hinaus erzeugte COwird in einem externen Speicher gelagert. In Nähe des Speichers wird die externe Wasserelektrolyse- und Methanisierungsanlage installiert, welche bei erhöhtem Anfall von regenerativem Strom das gespeicherte COin Methan umsetzt und in das Gasnetz einspeist. Diese Vorgehensweise unterstützt die Energiewende, da auf diese Weise die fluktuierend auftretenden regenerativen Energien genutzt werden.Entsprechend dem Hochofenverfahren wird ein Teil des abgetrennten Kohlendioxids in einer in das Stahlwerk integrierten Methanisierungsanlage zu der im Hochofenprozess benötigten Menge CHumgesetzt und im Betrieb der zugehörigen Wasserelektrolyse fallen -80% der im Hochofenprozess benötigten Sauerstoffmenge an. Im gleichen Maße verringern sich die Betriebskosten.Durch die relativ einfache Umrüstung vorhandener Hochöfen ist eine CO-reduzierte Roheisenerschmelzung in kürzester Zeit möglich!|[AH1]The invention relates to a CO-emission-poor or blast furnace process achieved by the oxygen operation with Topgasrecycling, a 20% hydrogen reduction by methane combustion, the H2 addition to the recycling gas and the methanation of the deposited carbon dioxide. In contrast to a conventional air blast furnace with the reducing agent consumption From 400 kg C / t RE, carbon consumption decreases by 70% to 121.2 kg and accordingly fuel costs are reduced. The blast furnace process is characterized in that only part of the carbon dioxide produced in the internal methanation plant is converted to CH CO generated is stored in an external memory. In the vicinity of the storage, the external water electrolysis and methanation plant is installed, which converts the stored CO methane and feeds it into the gas network when there is an increase in regenerative electricity. According to the blast furnace process, part of the separated carbon dioxide in a methanation plant integrated into the steel plant is converted to the amount CH required in the blast furnace process and falls during operation of the associated water electrolysis % of the amount of oxygen needed in the blast furnace process. The operating costs are reduced to the same extent. Due to the relatively simple conversion of existing blast furnaces, CO-reduced pig iron melting is possible in no time! | [AH1]

Description

Stand der TechnikState of the art

Der Hochofenprozess ist weltweit der Hauptprozess zur Roheisenherstellung. Der große Nachteil des Hochofens ist jedoch der hohe Ausstoß an Kohlendioxid, da bei der Roheisenerzeugung in einem Hochofen bei der Erschmelzung von 1000 kg RE ungefähr 1600 kg Kohlendioxid anfallen.The blast furnace process is the main process worldwide for the production of pig iron. The big disadvantage of the blast furnace, however, is the high carbon dioxide emissions, since in the production of pig iron in a blast furnace at the melting of 1000 kg of RE, about 1600 kg of carbon dioxide are produced.

HO-Verfahren zur CO₂-ReduzieruneHO method for CO ₂ reduction

Zur Verminderung dieser hohen CO₂-Emissionen haben europäische und japanische Stahlhersteller die Initiativen ULCOS bzw. COURSE50 zur Erforschung verbesserter Hochofenverfahren gegründet.

■ Im ULCOS-TGRBF Programm ist es vorgesehen das vom CO₂ befreite, durch die Sauerstoffverbrennung im Wesentlichen aus CO und H₂ bestehende Topgas dem Hochofen als Reduktionsgas zu zuführen. So sollen bei der Version 1 ca. 20% der Recyclinggase bei Umgebungstemperatur mit Hilfe von Herdblasformen und die restlichen 80% auf 900°C erhitzt diesem durch Düsen in den unteren Schachtbereich eingeblasen werden. Die notwendige Prozesswärme wird durch die Verbrennung von Koks und eingeblasenem Kohlenstaub im Unterofen erzeugt.
■ Das japanische CO₂-Minderungsprogramm COURSE50 nutzt zu dem von CO₂ befreiten Gichtgas zusätzlich reformiertes Koksgas als Reduktionsgas. Durch Recycling des von CO₂ befreiten Gichtgases und dem Einblasen und Verbrennen des reformierten Koksgases [H₂-Gehalt > 60%] mit Hilfe der Herdblasformen und auf 800°C erhitzten reformierten Koksgases durch Schachtdüsen vermindert sich durch die Wasserstoffreduzierung der Kohlenstoffeinsatz und der CO₂-Ausstoss. Die notwendige Prozesswärme soll durch die Verbrennung von Koks und des eingeblasenen Wasserstoffs generiert werden.

To reduce these high levels of CO ₂ emissions, European and Japanese steel producers have set up the ULCOS and COURSE50 initiatives to explore improved blast furnace processes.

■ In the ULCOS-TGRBF program, it is planned to deliver the top gas, which has been freed from CO ₂ and consists essentially of CO and H ₂ from the oxygen combustion, to the blast furnace as a reducing gas. Thus, in version 1, about 20% of the recycled gases are heated at ambient temperature by means of Herdblasformen and the remaining 80% heated to 900 ° C this through nozzles in the lower shaft area. The necessary process heat is generated by the combustion of coke and injected coal dust in the lower furnace.
■ COURSE50, the Japanese CO ₂ reduction program, uses additional reformed coke gas as the reducing gas for the blast furnace gas freed of CO ₂ . By recycling the CO ₂ liberated overhead gas and the blowing and burning of the reformed coke gas [H ₂ content> 60%] by means of Herdblasformen and heated to 800 ° C reformed coke gas through shaft nozzles reduced by the hydrogen reduction of carbon and CO ₂ emissions. The necessary process heat is to be generated by the combustion of coke and the injected hydrogen.

Beide Abwandlungen des Hochofenprozesses nutzen das aus dem Topgas separierte Kohlenmonoxid und Wasserstoff zur verstärkten indirekten Reduktion und ersetzen damit die Brennstoff intensive direkte Reduktion und vermindern dadurch den Kohlenstoffeinsatz und den CO₂-Ausstoß erheblich und durch die vorgesehene Deponierung des abgetrennten Kohlendioxids soll nur im geringen Umfang CO₂ emittiert werden.Both modifications of the blast furnace process use the separated from the top gas carbon monoxide and hydrogen for increased indirect reduction and thus replace the fuel intensive direct reduction and thereby reduce the carbon input and CO ₂ emissions significantly and by the proposed landfill of the separated carbon dioxide is only to a small extent CO _{2 are} emitted.

Modifiziertes Hochofenverfahren eines Sauerstoff-Hochofens mit Top Gas Recycling zur Minimierung von CO₂-EmissionenModified blast furnace process of an oxygen blast furnace with top gas recycling to minimize CO ₂ emissions

Im ULCOS-TGRBF Programm ist der Betrieb eines Hochofens mit Sauerstoffverbrennung und Topgasrecycling eingehend untersucht worden. Die ULCOS-BF Testkampagnen am experimentalen Hochofen in Luleä zeigten, dass der Hochofenprozess mit Topgasrecycling in der vorgeschlagenen Form durchführbar ist und die erhaltenen C-Einsparungen stimmten mit den Vorhersagen zur Materialbilanz gut überein. Infolgedessen werden die in der Materialbilanz im Fließbild - ULCOS-TGRBF Version 1 - aufgeführten Mengen in der Stoffbilanz des nachfolgend vorgestellten Hochofenverfahrens, des OXY-TGRBF, einer Abwandlung des ULCOS-TGRBF Version 1, verwendet.In the ULCOS-TGRBF program, the operation of a blast furnace with oxygen combustion and top gas recycling has been thoroughly investigated. The ULCOS-BF test campaigns at the experimental blast furnace in Luleä showed that the blast furnace process with top gas recycling in the proposed form is feasible and the C savings obtained were in good agreement with the material balance predictions. As a result, the quantities listed in the material balance in the flow chart - ULCOS-TGRBF Version 1 - are used in the material balance of the following blast furnace process, the OXY-TGRBF, a modification of the ULCOS-TGRBF Version 1.

Beim ULCOS-TGRBF, Version 1 ist es vorgesehen die Rückführung des gereinigten und vom CO₂ befreiten Topgases als Reduktionsgas bei Umgebungstemperatur durch die Hauptdüsen, parallel zu einem Kohlenstaub / Sauerstoff - Gemisch welches zur Temperaturerhöhung und zur Erzeugung von Reduktionsgas im Hochofen verbrannt wird, diesem in der Blasformenebene zu zuführen.In the ULCOS-TGRBF, version 1, it is provided that the recirculation of the purified and freed of CO ₂ top gas as a reducing gas at ambient temperature through the main nozzles, in parallel to a coal dust / oxygen mixture which is burned to increase the temperature and for the production of reducing gas in the blast furnace, this in the blow mold level.

Bei der Realisierung des ULCOS-TGRBF sind jedoch folgende Punkte zu beachten:

1. Das Konzept des Topgasrecyclings beruht auf der Abscheidung, der Rückführung und des Recyclings von Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Reduktionsgas.
2. Die Erwärmung des in den Hochofen eindringenden Gasstrahls erfolgt radial vom Randbereich des Strahls zur Strahlachse.
3. Dass die Oxidation der in den Hochofen eingeblasenen Brennstoffe und brennbaren Hilfsstoffe je nach Aggregatzustand, Gase mit Gasen im homogenen, einphasigen und Feststoffe mit Gasen im heterogenen, zweiphasigen Zustand stattfinden.

When implementing the ULCOS-TGRBF, however, the following points should be noted:

1. The concept of top gas recycling is based on the separation, recycling and recycling of carbon monoxide and hydrogen as a reducing gas.
2. The heating of the gas jet entering the blast furnace takes place radially from the edge region of the jet to the jet axis.
3. That the oxidation of the injected into the blast furnace fuels and combustible auxiliaries depending on the state of matter, gases with gases in the homogeneous, single-phase and solids with gases in the heterogeneous, two-phase state take place.

Die Vorgehensweise:

• Das Einblasen des Kohlenstaub-Sauerstoffgemisches und des Recyclinggases in den Hochofen geschieht mit Hilfe einer Vorrichtung. Damit jedoch eine Oxidation des Reduktionsgases durch den Sauerstoff des O₂/C-Strahls ausgeschlossen werden kann, muss die Zuführung des Kohlenstaub-Sauerstoffgemisches mit Hilfe der Einblasvorrichtung getrennt vom Recyclinggas erfolgen!
• Da das Kohlenstaub-Sauerstoffgemisch und das Reduktionsgas getrennt eingeblasen werden müssen, muss der Aufbau des Gesamtstrahls die Richtung des Wärmeflusses berücksichtigen. Denn, wird das Kohlen-staub-Sauerstoffgemisch als äußerer, als Hüllstrahl in das Koksbett eingeblasen, erfolgt die Aufheizung des C/O₂-Gemisches zusätzlich zur Wärmestrahlung durch Konvektion und Stoffaustausch mit dem glü-henden Koks in 100 bis 1000 K/ms. Ist jedoch das Reduktionsgas die äußere Schicht im Strahl, wird sie vor dem O₂/C-Strahl auf die Zündtemperatur aufgeheizt und vom, aus dem O₂/C-Strahl, eingemischten Sauerstoff oxidiert. Das im Strahlinneren liegende O₂/C-Gemisch würde bei dieser Strahlschichtung nur durch die Wärmestrahlung aufgeheizt, eine konvektive Erwärmung wäre dann nicht möglich.
• Das eingeblasene Kohlenstaub-Sauerstoffgemisch verbrennt heterogen. Das Recyclinggas, CO und H₂, verbrennt in Gegenwart von O₂ homogen und da ein Teil der Aufbereitungszeit, die Diffusion, die Adsorption und die Desorption gegenüber der heterogenen Verbrennung entfällt, in wesentlicher kürzerer Zeit. Außerdem erfolgt, bei entsprechender Vermischung, die homogene Reaktion im gesamten Gas-volumen und bei der heterogenen Reaktion findet diese nur auf der Kohlekornoberfläche statt. Da in parallelen Gasstrahlen das Medium mit der geringeren Dichte, in diesem Fall das Reduktionsgas, durch Scherung in den Gasstrahl mit dem höheren spezifischen Gewicht, Sauerstoff mit Kohlenstaub, ein-gemischt wird, würde ein Teil des Recyclinggases in den Hüllstrahl eingemischt und zu CO₂ und H₂O oxidieren. Eine Isolierung des Reduktionsgasstrahls vom Sauerstoffstrahl ist daher zwingend notwendig.
• Der Recyclinggasstrahl und der Brennstoffstrahl (Kohlenstoff mit O2) werden parallel, räumlich getrennt, mit Hilfe der Einblasvorrichtung dem Hochofen zugeführt. Durch die Trennwand zwischen beiden Stoffströmen, in dargestellt, entwickeln sich beide Ströme eigenständig und es findet keine Vermischung der Stoffe vor der Verbrennung des Kohlenstaubs statt.
• Bedingt durch die dicke Trennwand zwischen dem Recyclinggas im inneren Kanal und dem äußeren C/O₂-Brennstoffstrahl treten die beiden Strahlen mit einem großen Abstand, mit etwa einem ½ Kernrohr ∅, in den Hochofen ein. Der Öffnungswinkel eines Freistrahls in einer Gasumgebung beträgt ∼19°, durch den Widerstand der porösen Koksschüttung wird der Strahl gestaucht und der Winkel vergrößert sich, daher würden sich die beiden Gasstrahlen im Zuge der Strahlentwicklung tangential berühren und vermischen.
• Einen zusätzlichen Schutz der Reduktionsgase vor der Oxidation durch den Sauerstoff im Hüllstrahl bewirkt der Aufbau einer „inerten“ Gasschicht zwischen beiden Strahlen. Zu diesem Zweck wird zwischen dem inneren CO/H₂-Kernstahl und dem äußeren O₂/C-Hüllstrahl zur Bildung eines Trennstrahls CH₄/O₂ vermischt eingeblasen. Durch die Vermischung reagieren die Gase nach entsprechender Erwärmung spontan in einer homogenen Reaktion, vor dem heterogen verbrennenden Kohlenstoff im Hüllstrahl zu reaktionsarmen H₂O und CO₂, welches die brennbaren Stoffe im Recyclinggas vor der Oxidation schützt.
• Die separierende Wirkung des Trennstrahls ist in deutlich zu erkennen. Aufgrund des höheren dyn. Druckes dringt der Trennstrahl p_Dyn=5,8 N/cm² zwischen den Sauerstoff führenden Hüll- p_Dyn=0,9 N/cm² und dem aus brennbaren Gas bestehenden Kernstrahl p_Dyn=3,3 N/cm² ein, bildet zwischen den Strahlen den trennenden Ringstrahl und da das Methan mit dem Sauerstoff bereits vorgemischt in den Hochofen eintritt, zündet es und verbrennt zu H₂O und CO₂. Außerdem ist die Oxidation der Reduktionsgase durch den Sauerstoff aus dem äußeren Strahl nach dem Massenwirkungsgesetz nicht möglich, denn der Sauer-stoff müsste dafür ohne Konzentrationsänderung, bzw. Verdünnung den Trennstrahl radial durchdringen.

The method:

• The injection of the coal dust-oxygen mixture and the recycling gas into the blast furnace is done by means of a device. However, so that oxidation of the reducing gas by the oxygen of the O ₂ / C-beam can be excluded, the supply of the coal dust-oxygen mixture using the blowing must be done separately from the recycling gas!
• Since the coal dust-oxygen mixture and the reducing gas have to be injected separately, the structure of the total jet must take into account the direction of the heat flow. For, the coal-dust-oxygen mixture is injected as an outer, as a sheath jet in the coke bed, the heating of the C / O ₂ mixture in addition to heat radiation by convection and mass transfer with the glowing coke in 100 to 1000 K / ms. However, if the reducing gas is the outer layer in the jet, it is heated to the ignition temperature prior to the O ₂ / C jet and oxidized by oxygen mixed in from the O ₂ / C jet. The O ₂ / C mixture lying in the interior of the beam would only be heated by the thermal radiation during this beam stratification, so that convective heating would not be possible.
• The injected coal dust-oxygen mixture burns heterogeneously. The recycling gas, CO and H ₂ , burns homogeneously in the presence of O ₂ and since part of the treatment time, the diffusion, the adsorption and the desorption compared to the heterogeneous combustion is eliminated, in a significantly shorter time. In addition, with appropriate mixing, the homogeneous reaction in the entire gas volume and in the heterogeneous reaction takes place only on the coal grain surface. Since in parallel gas jets, the lower density medium, in this case the reducing gas, is mixed by shearing into the higher specific gravity gas jet, oxygen with coal dust, some of the recycle gas would be mixed into the sheath jet and become CO ₂ and oxidize H ₂ O. An isolation of the reducing gas jet from the oxygen jet is therefore absolutely necessary.
• The recycling gas jet and the fuel jet (carbon with O2) are fed into the blast furnace in parallel, spatially separated, with the help of the blowing device. Through the partition between the two streams, in shown, both currents develop independently and there is no mixing of the substances before the combustion of the pulverized coal.
• Due to the thick partition wall between the recycling gas in the inner channel and the outer C / O ₂ fuel jet, the two jets enter the blast furnace at a large distance, with about ½ core tube ∅. The opening angle of a free jet in a gas environment is ~19 °, due to the resistance of the porous coke bed, the jet is compressed and the angle increases, so the two gas jets would tangentially touch and mix in the course of beam development.
• An additional protection of the reducing gases from oxidation by the oxygen in the sheath jet causes the formation of an "inert" gas layer between the two beams. For this purpose, mixed between the inner CO / H ₂ core steel and the outer O ₂ / C sheath jet to form a separation jet CH ₄ / O ₂ mixed. By mixing the gases react spontaneously after appropriate heating in a homogeneous reaction, before the heterogeneously burning carbon in the sheath jet to low-reaction H ₂ O and CO ₂ , which protects the combustible materials in the recycling gas from oxidation.
• The separating effect of the separating jet is in clearly visible. Due to the higher dyn. Pressure, the separation jet penetrates p _Dyn = 5.8 N / cm ² between the oxygen-conducting cladding p _Dyn = 0.9 N / cm ² and the core jet p _Dyn = 3.3 N / cm ² consisting of combustible gas between the jets the separating ring beam and since the methane with the oxygen already premixed enters the blast furnace, it ignites and burns to H ₂ O and CO ₂ . In addition, the oxidation of the reducing gases by the oxygen from the outer beam according to the law of mass action is not possible, because the oxygen would have to penetrate radially for this without change in concentration or dilution of the separation beam.

Die isolierende Schutzwirkung des Trennstrahls überbrückt die Zeitspanne zwischen dem Beginn der homogenen Gas- und der heterogenen Feststoffverbrennung und da der gesamte Sauerstoff im Hüllstrahl durch die Kohlenstoffverbrennung gebunden ist, ist eine Oxidation der Recyclinggase nicht mehr möglich.The insulating protective effect of the separation jet bridges the time span between the beginning of the homogeneous gas and the heterogeneous solids combustion and since all the oxygen in the envelope jet is bound by the combustion of carbon, an oxidation of the recycling gases is no longer possible.

Eine Verringerung der Zeitspanne zwischen dem Beginn der homogenen Gas- und der heterogenen Feststoffverbrennung ist durch die Verkürzung der Aufbereitungszeit bei der heterogenen Kohlenstoffverbrennung erreichbar. Der zusätzliche Erschließungsvorgang der heterogenen Kohlenstoffverbrennung gegenüber der homogenen Verbrennung besteht ausfolgenden Schritten:

■ der Zuführung und Adsorption des Oxidators
■ der Desorption der Verbrennungsprodukte
■ der, gegenüber der homogenen Verbrennung, langsamer verlaufenden chemischen Reaktion

Reducing the time between the onset of homogeneous gas and heterogeneous solid combustion can be achieved by shortening the recovery time in heterogeneous carbon combustion. The additional development process of heterogeneous carbon combustion compared to homogeneous combustion consists of the following steps:

■ the supply and adsorption of the oxidizer
■ the desorption of combustion products
■ the slower chemical reaction compared to homogeneous combustion

Die Zuführung, die Adsorption des Oxidators und die Desorption der Verbrennungsprodukte, die diffusiven Widerstände verändern sich linear mit dem Partikeldurchmesser und der reaktionskinetisch bedingte Widerstand fällt mit der Temperatur ab, demzufolge kann durch die Verkleinerung des Kohleteilchendurchmessers und der Erhöhung der Temperatur im Hüllstahl die Aufbereitungszeit bei der heterogenen Kohlenstoffverbrennung vermindert werden. Der Kohlenstaub, spröde kristalline Steinkohle, z. B. Magerkohle wird mit Methan als Treibgas in den O₂-Strom in der Vorrichtung, , tangential eingeblasen, mit dem Sauerstoff in den Hochofen transportiert, wird in kürzester Zeit erwärmt, zündet und verbrennt. Die schnelle, homogene Methanverbrennung steigert die Temperatur im O₂/C-Strahl schlagartig und infolge der Entgasung und des Thermoschocks zerplatzen bzw. zerfallen dann die entgasten, spröden Kohlekörner aus kristallinem Kohlenstoff in eine lose Ansammlung kleinerer Kohleteilchen. Die Temperatursteigerung beschleunigt die Verbrennungsreaktion und die Verkleinerung der Kohlekörner vermindert durch die Oberflächenvergrößerung die Zeitspanne der diffusiven Prozessschritte. The supply, the adsorption of the oxidizer and the desorption of the combustion products, the diffusive resistances change linearly with the particle diameter and the reaction kinetically related resistance decreases with the temperature, consequently, by reducing the carbon particle diameter and increasing the temperature in the shell steel, the treatment time at the heterogeneous carbon combustion can be reduced. The coal dust, brittle crystalline coal, z. B. lean coal is mixed with methane as propellant in the O ₂ stream in the device, , blown tangentially, transported with the oxygen in the blast furnace, is heated in a very short time, ignites and burns. The rapid, homogeneous combustion of methane abruptly increases the temperature in the O ₂ / C jet, and as a result of the degassing and the thermal shock, the degassed, brittle carbon grains of crystalline carbon then break up or disintegrate into a loose accumulation of smaller particles of coal. The temperature increase accelerates the combustion reaction and the reduction of the carbon grains reduced by the surface enlargement of the period of the diffusive process steps.

Zur Umsetzung dieses Prozessschrittes wird bei dem vorgestellten HO-Verfahren, wie in den Fließbildern .1 und 1.2 gezeigt, der Ersatzbrennstoff Kohlenstaub, versetzt mit Methan, in dem Sauerstoffstrahl durch den äußeren Kanal der Einblasvorrichtung, , in das Koksbett eingeblasen, in welchem dann das Gasgemisch mit dem Kohlenstaub im glühenden Koksbett aufgeheizt wird. Das tangentiale Einblasen des Methans in den äußeren Kanal der Einblasvorrichtung, Schnitt b-b, bewirkt eine intensive Vermischung des Methans mit dem Sauerstoff, so dass das vorgemischte Gas-Feststoffgemisch nach Erwärmung auf T = ∼ 400°C spontan verbrennt, die Kohlepartikel werden dadurch schlagartig erwärmt und zerplatzen durch die Entgasung und dem Thermoschock, in kleinere Teilchen.To implement this process step is in the presented HO process, as in the flow diagrams 1 and 1.2, the substitute fuel coal dust, mixed with methane, in the oxygen jet through the outer channel of the injector, , injected into the coke bed, in which then the gas mixture is heated with the coal dust in the glowing coke bed. The tangential injection of methane into the outer channel of the injector, Section bb, causes an intensive mixing of the methane with the oxygen, so that the premixed gas-solid mixture burns spontaneously after heating to T = ~ 400 ° C, the coal particles are thereby heated suddenly and burst by the degassing and the thermal shock, into smaller particles ,

Eine deutliche Reduzierung der CO₂-Emissonen bei der Roheisenerzeugung ist mittels des in .1 bzw. 1.2 dargestellten Hochofenverfahrens, einer Erweiterung des ULCOS-TGRBF Version 1, gegenüber dem bekannten HO-Prozess möglich; denn das Verfahren nutzt wie die beiden vorgenannten CO₂-Reduktionsprogramme durch das Recycling des von CO₂ befreiten Topgases die indirekte Kohlenmonoxid- und analog zum COURSE50-Projekt die umweltfreundliche Wasserstoffreduktion und zur vollständigen Vermeidung von CO₂-Emissionen kann das abgeschiedene Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methan umgesetzt und als gasiger Ersatzbrennstoff im Hochofenprozess eingesetzt und der Überschuss z. B. in das Gasnetz eingespeist werden. Darüber hinaus können weitere in einem integrierten Stahlwerk anfallenden, stickstofffreien Verbrennungsgase der CO₂-Abscheidung zugeführt und zu CH₄ methanisiert werden.A significant reduction in CO ₂ emissions in pig iron production is achieved by means of the in .1 or 1.2 illustrated blast furnace process, an extension of the ULCOS TGRBF version 1, compared to the known HO process possible; because the process uses like the two above-mentioned CO ₂ reduction programs by recycling the top gas released from CO ₂ , the indirect carbon monoxide and COURSE50 project similar to the environmentally friendly hydrogen reduction and CO ₂ emissions completely avoided, the deposited carbon dioxide with hydrogen to Implemented methane and used as a gaseous substitute fuel in the blast furnace process and the excess z. B. are fed into the gas network. In addition, additional nitrogen-free combustion gases accumulating in an integrated steelworks can be fed to CO ₂ separation and methanated to form CH ₄ .

Herkömmliche Hochöfen benötigen zur Erschmelzung von 1000 kg Roheisen bei einer indirekten Reduktionsrate von ca. 60% annähernd 500 kg Koks und Einblaskohle. Der Betrieb eines Hochofens nach dem vorgestellten Verfahren mit Topgasrecycling erreicht bei einem auf 209 kg verringertem Koksverbrauch, mit 150 kg Einblaskohle und der Verbrennung von 46 Nm³ Methan eine indirekte Reduktion / bei einem H₂-Reduktionsanteil von ~20% / von ~ 80%, verbunden mit einer deutlichen Abnahme des CO₂-Ausstoßes. Parallel steigt die Roheisenerzeugung nach AM-Gent durch die Zunahme der indirekten Reduzierung um mehr als 45% und durch die Methanverbrennung = Wasserstoffreduktion erhöht sich die Reduktionsgasmenge und damit die Hochofenleistung um weitere 20%, was zusammengefasst eine Leistungssteigerung des vorgestellten OXY-TGRBF gegenüber einem konventionellen Hochofen von >1,7 ^a) ergibt.Conventional blast furnaces require approximately 500 kg of coke and single-shot coal to melt 1000 kg of pig iron at an indirect reduction rate of approx. 60%. The operation of a blast furnace according to the presented process with top gas recycling achieved with a reduced to 209 kg coke consumption, with 150 kg injection coal and the combustion of 46 Nm ³ methane an indirect reduction / at an H ₂ -reduction of ~ 20% / of ~ 80% , associated with a significant decrease in CO ₂ emissions. At the same time, the production of pig iron to AM-Ghent increases by more than 45% due to the increase in indirect reduction, and methane combustion = hydrogen reduction increases the amount of reducing gas and thus the blast furnace capacity by a further 20%, which in turn increases the performance of the OXY-TGRBF compared to a conventional one Blast furnace of> 1.7 ^a) yields.

In den mit Heißwind betriebenen, konventionellen Hochöfen wird das zur Reduzierung der Eisenoxide notwendige Kohlenmonoxid durch die Verbrennung des Kokses, der Einblaskohle und anderer Kohlenstoffträgern im Hochofen erzeugt. Das Recycling des Kohlenmonoxids beim TGRB verringert die dem Hochofen zu zuführende Kohlenstoffmenge, da der Kohlenstoff nur noch zur Erwärmung, zum Schmelzen der Eisenträger, zur stark verringerten, endothermen, direkten Reduktion der Eisenoxide und zur Regeneration der Verbrennungsprodukte benötigt wird bzw. verbrannt werden muss.In the hot blast conventional blast furnaces, the carbon monoxide necessary to reduce the iron oxides is produced by the combustion of the coke, the sparger and other carbon carriers in the blast furnace. The recycling of carbon monoxide in the TGRB reduces the amount of carbon to be fed to the blast furnace, since the carbon only needs to be burned or burned to melt the iron carriers, greatly reduced, endothermic, direct reduction of the iron oxides and regeneration of the combustion products.

In Tabelle 1 ist als Vergleich, die zur Erzeugung von 1000 kg RE in einem OXY-TGRBF gegenüber einem ULCOS-TGRBF, Version 1 benötigten Stoffmengen aufgeführt. Tabelle 1 ULCOS OXY Veränderung Koks [kg] 209 209 0% PC [kg] 180 150 -17% - 30 kg PC-Kohlenstoff [kg] 145,8 121,2 - 24,6 kg O₂ [Nm³] 226 226 0% CH₄ [Nm³] 0 45,7 +45,7 Nm³ CO + H₂ [mol] 20185 24289 +20% + 4104 mol H₂ In Table 1 is listed as a comparison, which required to produce 1000 kg of RE in a OXY-TGRBF compared to a ULCOS-TGRBF, version 1 amounts of substance. Table 1 ULCOS OXY change coke [Kg] 209 209 0% PC [Kg] 180 150 -17% - 30 kg PC-carbon [Kg] 145.8 121.2 - 24.6 kg O ₂ [Nm ³ ] 226 226 0% CH ₄ [Nm ³ ] 0 45.7 +45.7 Nm ³ CO + H ₂ [Mol] 20185 24289 + 20% + 4104 mol H ₂

Durch den Einsatz von 45,7 Nm³ Methan als brennbarer Hilfs- und Ersatzbrennstoff im Trenn- und Hüllstrahl fallen, wie in Tab. 1 gezeigt, nach der Redoxreaktion im Hochofen zusätzlich 4104 mol H₂ gegenüber der reinen C-Oxidation/Reduktion mit einer 20%igen Steigerung der HO-Reduktionsleistung an. Da für die Redoxreaktion, siehe Tab. 2, bei der CH₄-Verbrennung nur 3 C-Moleküle benötigt werden, entgegen der C-Verbrennung die 4 C-Moleküle erfordert, verringert sich der PC-Kohlenstoffbedarf gegenüber dem ULCOS-TGRBF um 17% bzw. um 24,6 kg. Tabelle 2 2C + 2O₂ → 2CO₂ + 2C → 4CO CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + 3C → 4CO + 2H₂ 4C 3C By the use of 45.7 Nm ^{3 of} methane as a combustible auxiliary and substitute fuel in the separation and sheath jet fall, as shown in Tab. 1, after the redox reaction in the blast furnace additionally 4104 mol of H ₂ over the pure C-oxidation / reduction with a 20% increase in HO reduction power. Since for the redox reaction, see Tab. 2, in which CH ₄ combustion only 3 C molecules are required, contrary to the C-combustion requires the 4 C molecules, the PC carbon requirement is reduced compared to the ULCOS TGRBF by 17% or by 24.6 kg. Table 2 2C + 2O ₂ → 2CO ₂ + 2C → 4CO CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O + 3C → 4CO + 2H ₂ 4C 3C

Aus Tabelle 3 ist zu ersehen, dass durch den gestuften Strahl, einem aus dem Kern-, dem Trenn- und dem Hüllstrahl bestehenden Strahl, dieser durch den äußeren Hüllstrahl nur mit der halben Energiedichte beim OXY-TGRBF gegenüber dem dynamischen Druck eines konventionellen HO-Strahls, auf die Koksschüttung wirkt. Demgegenüber beträgt die mittlere Energiedichte des Gesamtstrahls das 1,3fache eines normalen Hochofenstrahls, was im Ergebnis eine Verlängerung der Raceway bedeutet. Außerdem wäre zu berücksichtigen, dass der Kernstrahl sich in der Gasumgebung des Trennstrahls, quasi wie ein kohärenter Gasstrahl im Elektrolichtbogenöfen, verhält. Dadurch bedingt trifft der Kernstrahl mit wenig veränderter dynamischer Energie, als Teil des Gesamtstrahls, auf die Koksschüttung und verlängert damit die Raceway in Richtung Hochofenzentrum. Tabelle 3 HO-Eintritt Strahl υ [m/s] T [°C] Menge [Nm³/t RE] Menge*) [Nm³/h] Dyn. Druck [N/m²] ε_Kin -Kinetische Energie [kgm²/s² bzw. J] Energiedichte [J/m³] Heißwind Einstrahl 200 1200 900 7500 18900 141750000 = 141,8 MJ 18900 OXY-TGRBF Kern 130 25 144 1200 32524 39028860 32524 Trenn 130 25 100 833 36589 30478221 36589 Hüll 63 25 172 1433 9915 14207567 9915 - 3466 - 83714648 = 83,7 MJ 24153 *) Hochofen mit einer RE-Produktion von 4000t/d und 20 Blasformen It can be seen from Table 3 that due to the stepped beam, a beam consisting of the core, the separation beam and the beam, this beam through the outer beam only with half the energy density of the OXY-TGRBF compared to the dynamic pressure of a conventional HO- Strahls, acts on the coke. In contrast, the average energy density of the total jet is 1.3 times that of a normal blast furnace jet, which results in an extension of the raceway. In addition, it should be taken into account that the nuclear jet behaves in the gas environment of the separation jet, more or less like a coherent gas jet in electric arc furnaces. As a result, the core jet hits the coke bed with little changed dynamic energy, as part of the total jet, thus extending the raceway towards the blast furnace center. Table 3 HO-entry beam υ [m / s] T [° C] Quantity [Nm ³ / t RE] Quantity *) [Nm ³ / h] Dyn. Pressure [N / m ² ] ε _Kin -Kinetic energy [kgm ² / s ² or J] Energy density [J / m ³ ] hot blast Single Beam 200 1200 900 7500 18900 141750000 = 141.8 MJ 18900 OXY-TGRBF core 130 25 144 1200 32524 39028860 32524 release 130 25 100 833 36589 30478221 36589 Hüll 63 25 172 1433 9915 14207567 9915 - 3466 - 83714648 = 83.7 MJ 24153 *) Blast furnace with a RE production of 4000t / d and 20 blow molds

Die adiabate Verbrennungstemperatur des Kohlenstoffs im Sauerstoffhochofen liegt bei ∼ 3030°C und Methan verbrennt unter identischen Bedingungen bei ca. 1730°C, gefordert sind nach - ULCOS Figure 1. Example of flow sheet in version 1 - eine RAFT = 2300 °C. Die adiabate Verbrennungstemperatur von CH4 liegt bei 1730°C, so dass sich eine Mischtemperatur T_Adiabat = 2400°C durch die Verbrennung von 121,2 kg Kohlenstoff im Hüllstrahl und 45,7 Nm³ Methan im Hüll- und Trennstrahl einstellt. Die Einblaskohle enthält auch nichtbrennbares Material, welches mit erwärmt werden muss. Durch die Erwärmung der Begleitstoffe sinkt die RAFT auf ∼ 2300 °C. Im Hochofenverfahren mit Topgasrecycling wird das Gichtgas nach Abscheidung des Kohlendioxids aus dem gereinigten Topgas als Reduktionsgas in zwei Ebenen in den Hochofen eingeblasen. Die Zuführung von ca. 75% der Reduktionsgasmenge erfolgt auf 900°C erhitzt in den unteren HO-Schacht und in der Blasformenebene werden die übrigen 25% der Reduktionsgase mit Hilfe der Einblasvorrichtung, , bei Umgebungstemperatur in den Hochofen eingebracht.The adiabatic combustion temperature of the carbon in the oxygen blast furnace is ~ 3030 ° C and methane burns under identical conditions at about 1730 ° C, according to - a RAFT = 2300 ° C - ULCOS Figure 1. Example of flow sheet in version 1. The adiabatic combustion temperature of CH4 is 1730 ° C, so that _sets a mixing temperature T _Adiabat = 2400 ° C by the combustion of 121.2 kg of carbon in the sheath jet and 45.7 Nm ^{3 of} methane in the sheath and separation beam. The blow-in coal also contains non-combustible material, which must be heated with. Due to the warming of the accompanying substances the RAFT sinks to ~ 2300 ° C. In the blast furnace process with Topgasrecycling the blast furnace gas is blown after separation of the carbon dioxide from the purified top gas as a reducing gas in two levels in the blast furnace. The supply of about 75% of the reducing gas is carried out at 900 ° C heated in the lower HO-shaft and in the blow mold level, the remaining 25% of the reducing gases using the blowing device, , introduced into the blast furnace at ambient temperature.

Allerdings werden Stähle und Nickellegierungen bei höheren Temperaturen, zwischen 400 - 900 °C, in einer stark kohlenstoffhaltigen Atmosphäre durch die Hochtemperaturkorrosion „Metal Dusting“ geschädigt. In dieser Umgebung reagieren die heißen, kohlenstoffhaltigen Gase mit dem Material durch die Bildung von Graphit oder Metallkarbiden, der Werkstoff wird aufgekohlt und es kommt zu einer Versprödung der Bauteile. Als Extremform scheidet sich Kohlenstoff als Koks und Ruß auf der Oberfläche und an den Korngrenzen im Material ab. Das metallische Bauteil zerfällt zu „Staub“, der aus Graphit und Metallpartikeln bzw. Metallkarbiden besteht.However, steels and nickel alloys are damaged at high temperatures, between 400 - 900 ° C, in a high-carbon atmosphere by the high-temperature corrosion "Metal Dusting". In this environment, the hot, carbonaceous gases react with the material through the formation of graphite or metal carbides, the material is carburized and embrittlement of the components occurs. As an extreme form, carbon precipitates as coke and soot on the surface and at the grain boundaries in the material. The metallic component decays to "dust", which consists of graphite and metal particles or metal carbides.

In der Veröffentlichung - Evolution of Blast Furnace Process toward Reductant Flexibility and Carbon Dioxide Mitigation in Steel Works - In 2016 ISIJ International, Vol. 56 (2016) wird das Problem „Metal Dusting“ wie folgt eingeschätzt: Angesichts ähnlicher Phänomene in chemischen Prozessen wie in Synthesegas-Produktionsanlagen, wird die Kohlenstoffabscheidung als ein entscheidendes Problem für die Kommerzialisierung von reduzierenden Gasinjektionssystemen, wie z. B. das Topgas-Recycling, angesehen.In the ISIJ International, Vol. 56 (2016), the problem of "Metal Dusting" is estimated as follows: In view of similar phenomena in chemical processes such as in Synthesis gas production plants, the carbon capture as a crucial problem for the commercialization of reducing gas injection systems, such. As the top gas recycling viewed.

Bedingt durch das „Metal Dusting“ kann das Reduktionsgas mit Hilfe metallischer Wärmetauscher dauerhaft nur bis 350°C erwärmt werden. Der werkstoffschädigende Teil der Erwärmung von 350°C auf 900°C erfolgt erst vor dem Eintritt in den Hochofen mittels Plasmabrennern, wie in .2 gezeigt. Das „Metal Dusting“ befällt nicht nur die unmittelbar dem Gasstrom ausgesetzten metallischen Bauteile, auch die mit dem Reduktionsgas in Kontakt kommenden metallischen Komponenten werden, sofern sie nicht geschützt sind, von der heißen Recyclinggasen angegriffen. Andererseits ist zu beachten, dass ein wirtschaftlicher Betrieb mit Plasmabrennern vermutlich nur bei moderaten Stromkosten möglich ist.Due to the "metal dusting", the reducing gas can be permanently heated up to 350 ° C using metal heat exchangers. The material damaging part of the heating from 350 ° C to 900 ° C takes place only before entering the blast furnace by means of plasma torches, as in .2 shown. "Metal dusting" not only affects the metallic components exposed directly to the gas stream, but also the metallic components which come into contact with the reducing gas, if they are not protected, are attacked by the hot recycling gases. On the other hand, it should be noted that an economical operation with plasma torches is probably only possible with moderate electricity costs.

Bei den ULCOS-BF Versuchen am experimentalen Hochofen in Luleä wurde ein Pebble Heater - Regenerator, im Schema .1 gezeigt, zur Erwärmung der Recyclinggase verwendet. Ein Pebble Heater hat den Vorteil, dass durch die lose Schüttung der Keramikkugeln eine radiale Ausdehnung ohne Zerstörung der metallischen Druckhülle möglich ist. Da innerhalb des Regenerators keine unterschiedlichen Druckräume existieren, können alle dem heißen Reduktionsgas ausgesetzten Bauteile aus einem, für die Betriebsbedingungen geeigneten, keramischen Material bestehen, welches einen Langzeitbetrieb ermöglicht.At the ULCOS-BF experiments at the experimental blast furnace in Luleä, a Pebble Heater regenerator, in the scheme, was constructed .1, used for heating the recycled gases. A pebble heater has the advantage that a radial expansion without destruction of the metallic pressure shell is possible by the loose bed of ceramic balls. Since no different pressure chambers exist within the regenerator, all the components exposed to the hot reducing gas can consist of a ceramic material suitable for the operating conditions, which enables long-term operation.

Durch die Methanverbrennung erhöht sich der Wasserstoffgehalt im Recyclinggas gegenüber dem ULCOS - Fließbild „1. Example of flow sheet in version 1“ von 14,3 % auf ∼ 20%. Die bei höheren Temperaturen stark reduzierende Wirkung des Wasserstoffs und das außerordentliche Diffusionsvermögen sowie die ungünstige Lage der Reaktionsgrenzen, dem Zündbereich = 4-73 Vol.%, die Zündenergie in O₂ = 0,0012 mJ und die Zündtemperatur von T = > 550 °C in einer Sauerstoffumgebung, erschweren die Handhabung des auf 900°C erwärmten Reduktionsgases. Bei Berücksichtigung des gesteigerten H₂-Gehalts ∼ 20% in dem Topgas und der Problematik der Wasserstoff-Handhabung bei erhöhten Temperaturen ist die Erwärmung des Recyclinggases unter Umständen auch bei ungünstigen Strom-Beschaffungskosten nur mit Hilfe von Plasmabrennern möglich.Methane combustion increases the hydrogen content in the recycling gas compared to the ULCOS flow chart " 1 , Example of flow sheet in version 1 "from 14.3% to ~ 20%. The strongly reducing effect of hydrogen at higher temperatures and the extraordinary diffusivity and the unfavorable position of the reaction limits, the ignition range = 4-73 vol.%, The ignition energy in O ₂ = 0.0012 mJ and the ignition temperature of T => 550 ° C. in an oxygen environment, the handling of the reducing gas heated to 900 ° C makes it difficult. Taking into account the increased H ₂ content ~ 20% in the top gas and the problem of handling hydrogen at elevated temperatures, the heating of the recycling gas under certain circumstances, even at unfavorable electricity procurement costs only with the help of plasma torches possible.

Beim vorgestellten Hochofen mit Topgasrecycling - OXY-TGRBF - werden bei einer eff. Schmelzleistung von 1,7 t RE = 796 kg CO₂ ausgestoßen. Diese Menge verringert sich bezogen auf die Nennleistung von 1 t Roheisen entsprechend des verringerten Kohlenstoffeinsatzes nach Tabelle 1 von 24,6 kg C / 330 kg C = 7,5 % auf 737 kg CO₂ /1,7 = 433 kg CO₂/ t Roheisen. Dies entspricht gegenüber einem herkömmlichen Hochofen mit 1600 kg CO₂-Ausstoß eine Verminderung des CO₂-Ausstosses um 74%.At the presented blast furnace with top gas recycling - OXY-TGRBF - at an eff. Melting power of 1.7 t RE = 796 kg CO ₂ ejected. This amount is reduced in relation to the nominal capacity of 1 ton of pig iron corresponding to the reduced carbon input according to Table 1 from 24.6 kg C / 330 kg C = 7.5% to 737 kg CO ₂ / 1.7 = 433 kg CO ₂ / t pig iron. This corresponds to a reduction of CO ₂ emissions by 74% compared to a conventional blast furnace with 1600 kg CO ₂ emissions.

Das Verfahren verwendet synthetisches CH4, dass durch die Methanisierung des im Hochofenprozess anfallenden Kohlendioxids erzeugt wird. Wird auf die Methanisierungsanlage verzichtet und nur eine Wasserelektrolyse zur Aufnahme des Wind- oder Solarstroms installiert, kann der Wasserstoff als Reduktionsgas dem Recyclinggas zugegeben, oder in das Gasnetz eingespeist werden und im Gegenzug ersetzt Erdgas das synth. Methan im Hochofenprozess. Die CO₂-Reduktion des Hochofenprozesses entspricht dann, ohne die H₂-Zugabe zum Recyclinggas, dem Betrieb Ia mit einer 74%igen CO₂-Verminderung gegenüber einem konventionellen Hochofen mit 1600 kg CO₂-Ausstoß. Nachfolgend in Tabelle 4 ein Überblick zu den möglichen CO₂-Reduzierungen: Tabelle 4 CO₂-Vermeidun in % ist-1700 kg RE 1000 kg RE ist-1700 kg RE 1000 kg RE Betriebsfall CO₂- Verbleibend [kg] CO₂- Verbleibend [kg] CO₂-Reduzierung^c) [%] CO₂-Reduzierung^c) [%] Betrieb I 616 362 62 77 Betrieb Ia 706 415 56 74 Betrieb II 0 0 100 100 ^c) Referenz: konventioneller Hochofen mit 1600 kg CO₂-Ausstoß The process uses synthetic CH4 generated by the methanation of the carbon dioxide produced in the blast furnace process. If the methanation system is dispensed with and only a water electrolysis is installed to absorb the wind or solar power, the hydrogen can be added as a reducing gas to the recycling gas or fed into the gas network and in return natural gas replaces the synthetic methane in the blast furnace process. The CO ₂ reduction of the blast furnace process corresponds then, without the H ₂ addition to the recycling gas, the operation Ia with a 74% CO ₂ reduction compared to a conventional blast furnace with 1600 kg CO ₂ emissions. Below in Table 4 gives an overview of the possible CO ₂ reductions: Table 4 CO ₂ avoidance in% is -1700 kg RE 1000 kg RE is -1700 kg RE 1000 kg RE operating case CO ₂ - Remaining [kg] CO ₂ - Remaining [kg] CO ₂ reduction ^c) [%] CO ₂ reduction ^c) [%] Operation I 616 362 62 77 Operation Ia 706 415 56 74 Operation II 0 0 100 100 ^c) Reference: conventional blast furnace with 1600 kg CO ₂ emissions

Die Elektrolyse von Wasser mit Hilfe erneuerbarer Energien ermöglicht es, die Methanisierung des abgeschiedenen Kohlendioxids gestuft - Betrieb I, Ia bis II - entsprechend der Verfügbarkeit des elektrischen Stroms vorzunehmen:The electrolysis of water with the help of renewable energies makes it possible to carry out the methanation of the separated carbon dioxide - Operation I, Ia to II - according to the availability of the electric current:

Betriebszustände:Operating states:

Betrieb IOperation I: min. CO₂-Reduktion, gemäß Schema .1 bzw. 1.2 mit interner H₂O-Elektrolyse und Methanisierungminute CO ₂ reduction, according to the scheme .1 or 1.2 with internal H ₂ O electrolysis and methanation
Betrieb IaOperation Ia: keine CO₂-Reduktionno CO ₂ reduction
Betrieb IIOperation II: max. CO₂-Reduktion, entsprechend Schema .1 bzw. 1.2 mit interner H₂O- Elektrolyse, Methanisierung und zusätzlichem externen Speicher mit H₂O-Elektrolyse und MethanisierungMax. CO ₂ reduction, according to the scheme .1 or 1.2 with internal H ₂ O electrolysis, methanation and additional external storage with H ₂ O electrolysis and methanation

Bei niedrigem Stromangebot kann der Hochofen analog Betrieb I mit verminderter CO₂-Konvertierung betrieben werden, dem entsprechend erhöht sich der CO₂-Ausstoß und die Unterdeckung des Methans muss durch Erdgas ausgeglichen werden. Tabelle 5 Stoffbilanz der einzelnen Betriebszustände: Betriebsfall CO₂-Konvertierung [mol] CO₂-Konvertierung [%] Methan [mol] Sauerstoff [mol] Betrieb I 2052 interne Elektrolyse + Methanisierung 12,5 Bedarf 2052, aus interner Methanisierung gedeckt Bedarf 10093, aus interner Elektrolyse und Methanisierung sind 82% gedeckt Betrieb Ia Keine Elektrolyse + Methanisierung keine Erdgas aus Guthaben oder zukaufen zukaufen Betrieb II 2052 interne und 11856 externe Elektrolyse + Methanisierung 12,5 intern und 87,5 extern=100 2052 intern und 11856 extern = 13908, Überschuss als Guthaben 8208 aus interner Elektrolyse und Methanisierung mit und 47424 aus externer Elektrolyse und Methanisierung If the electricity supply is low, the blast furnace can be operated in the same way as operation I with reduced CO ₂ conversion. Correspondingly, the CO ₂ emissions are increased and the methane deficiency must be compensated by natural gas. Table 5 Material balance of the individual operating states: operating case CO ₂ conversion [mol] CO ₂ conversion [%] Methane [mol] Oxygen [mol] Operation I 2052 internal electrolysis + methanation 12.5 Demand 2052, covered by internal methanation Demand 10093, from internal electrolysis and methanation 82% are covered Operation Ia No electrolysis + methanation none Natural gas from credit or purchase to buy Operation II 2052 internal and 11856 external electrolysis + methanation 12.5 internal and 87.5 external = 100 2052 internally and 11856 extern = 13908, surplus as credit 8208 from internal electrolysis and methanation with and 47424 from external electrolysis and methanation

Gaszuführung:Gas supply:

In konventionellen Hochöfen werden ∼ 900 Nm³ mit Sauerstoff angereicherte, auf 1200°C erwärmte und auf 4 bar verdichte Luft mit ca. 200 m/s zur Erschmelzung von 1000 kg Roheisen eingeblasen. Beim ULCOS-TGRBF, Version 1 sind es dagegen nur 370 kg - 226 Nm³ O₂ und 144 Nm³ Recyclinggas die bei 25°C dem Hochofen in der Blasformenebene zugeführt werden. Im Unterschied dazu erhöht sich die Gasmenge beim vorgeschlagenen Sauerstoff-Hochofen mit Topgasrückführung auf 416 Nm³ und das Mengenverhältnis steigt gegenüber einem Luft-HO von 41% auf 47%.In conventional blast furnaces ~ 900 Nm ^{3 of} oxygen-enriched, heated to 1200 ° C and compressed to 4 bar compressed air at about 200 m / s for the melting of 1000 kg of pig iron. With the ULCOS-TGRBF version 1, on the other hand, only 370 kg - 226 Nm ³ O ₂ and 144 Nm ^{3 of} recycling gas are fed into the blast-forming plane at 25 ° C. In contrast, the amount of gas increases in the proposed blast furnace with oxygen Topgasrückführung to 416 Nm ^3, and the amount ratio increases compared to an air-HO from 41% to 47%.

Die Größe der freigeblasenen Hohlräume, der Wirbelzonen wird in Hochöfen durch die Gasmenge, die Gasdichte und der Einblasgeschwindigkeit bestimmt. Im Fall des OXY -TGRBF steigt der dynamische Druck durch die Erhöhung der Gasdichten bei T=25°C gegenüber T=1200°C beim Heißluft-Hochofen um das 1,8fache von 18900 N/m² auf 34738 N/m² und dass, bei einer deutlich verringerten Einblasgeschwindigkeit υ_Hüllstrahl = 63 m/s (Tabelle 3). Hinzu kommt, dass bei dem Einsatz der Einblasvorrichtung, , durch den erzeugten koaxialen Strahl der Hüllstrahl mit der Koksschüttung interagiert und der Kernstrahl dagegen in dem Trennstrahl reibungsarm, vergleichbar einem kohärenten Strahl in Elektrolichtbogenöfen, mit annähernd gleichem Energiegehalt im Hochofen auf die Koksschüttung trifft und damit die Raceway zur Hochofenmitte verlängert! The size of the blown cavities, the fluidized zones is determined in blast furnaces by the amount of gas, the gas density and the injection velocity. In the case of OXY -TGRBF, the dynamic pressure increases by 1.8 times from 18900 N / m ² to 34738 N / m ² by increasing the gas densities at T = 25 ° C compared to T = 1200 ° C in the hot air blast furnace , at a significantly reduced injection speed υ _{sheath jet} = 63 m / s (Table 3). In addition, when using the blowing device, , By the generated coaxial beam of the sheath beam interacts with the coke bed and the core jet, however, in the separating jet low friction, comparable to a coherent beam in electric arc furnaces, meets with approximately the same energy content in the blast furnace on the coke bed and thus extends the raceway to blast furnace center!

Tabelle 3 zeigt deutlich, dass die Dichte, beeinflusst durch die Temperatur des eingeblasenen Gases und die Einblasgeschwindigkeit für den dynamischen Druck bzw. die Energiedichte, ausschlaggebend sind.Table 3 clearly shows that the density, influenced by the temperature of the injected gas and the blowing speed for the dynamic pressure or the energy density, are decisive.

Die Effektivität der Reduktionsgasinjektion in Hochöfen mit TGR wird durch folgende Faktoren bestimmt:

1. Zusammensetzung des Reduktionsgases - CO, H₂ kein CO₂, H₂O und N₂
2. Gaseintrittsgeschwindigkeit - in vorh. Hochöfen v = 200 m/s → Eindringtiefe
3. Dichte des Gases - möglichst hoch, ist Temperaturabhängig → Eindringtiefe
4. einfache oder gestufte Gasinjektion - Koaxialer Strahl, nur beim OXY-TGRBF möglich
5. Reduktionsgasmasse pro Blasform - Optimierung: Gasmenge und Einblasgeschwindigkeit → Eindringtiefe
6. Das O₂/C-Gemisch des Hüllstrahls tritt mit v=63 m/s in den Hochofen ein, wird durch den glühenden Koks mit 10⁵-10⁶ K/s (100-1000 K/ms) auf ∼ 400°C erwärmt, zündet daher erst ∼ 0,5 m nach dem Ofeneintritt und verbrennt. Die C-Oxidation findet in einem abgehobenen Flammkegel - Wirbelzone, in , Schnitt c-d dargestellt, statt. Damit ist die Voraussetzung im Zusammenwirken mit der gestuften Gasinjektion zur Ausdehnung der Raceway zum Zentrum des Hochofens gegeben.

The effectiveness of the reduction gas injection in blast furnaces with TGR is determined by the following factors:

1. Composition of the reducing gas - CO, H ₂ no CO ₂ , H ₂ O and N ₂
2. Gas inlet speed - in existing blast furnaces v = 200 m / s → penetration depth
3. Density of the gas - as high as possible, is temperature-dependent → penetration depth
4. single or stepped gas injection - coaxial beam, only possible with OXY-TGRBF
5. Reduction gas mass per blow mold - Optimization: Gas quantity and injection rate → Penetration depth
6. The O ₂ / C mixture of the cladding jet enters the blast furnace at v = 63 m / s and is ~ 400 ° by the glowing coke at 10 ⁵ -10 ⁶ K / s (100-1000 K / ms) C heats up, therefore ignites only ~ 0.5 m after entering the oven and burns. The C oxidation takes place in a lifted flame cone - vortex zone, in , Section cd presented instead. This is the prerequisite in conjunction with the stepped gas injection to extend the raceway to the center of the blast furnace.

Die Punkte 1 bis 6 gelten für die untere Gasinjektionsebene - Blasformenebene.Points 1 to 6 apply to the lower gas injection level - blow molding level.

Für die obere Injektionsebene gilt:

1. Zusammensetzung des Reduktionsgases - CO, H₂ kein CO₂, H₂O und N2
2. Reduktionsgasmasse pro Blasform - Optimierung: Gasmenge - Düsenanzahl → Gasverteilung, siehe , Schnitt a-b

For the upper injection level:

1. Composition of the reducing gas - CO, H ₂ no CO ₂ , H ₂ O and N2
2. Reduction gas mass per blow mold - optimization: gas quantity - number of nozzles → gas distribution, see , Cut off

Schlussfolgerung:Conclusion:

Die Anwendung des Sauerstoff-Hochofenverfahrens mit Topgasrecycling ermöglicht eine CO₂-Emissionsarme Roheisenerzeugung, bzw. unter Nutzung von mit Hilfe erneuerbarer Energien erzeugtem Wasserstoffs und der internen Methanisierungsanlage, wie .1 und 1.2 gezeigt, wäre eine weitere Verminderung des CO₂-Ausstosses möglich und mit der externen Methanisierung ist eine Roheisenerzeugung im Hochofen ohne CO₂-Emissionen erreichbar.The application of the Top Gas Recycling Oxygen Blast Furnace Method enables low carbon production of CO ₂ , using hydrogen produced with the help of renewable energy and the internal methanation plant, such as 1 and 1.2, a further reduction in CO ₂ emissions would be possible, and with external methanation, pig iron production in the blast furnace without CO ₂ emissions could be achieved.

Die Vorteile des vorgestellten Hochofenverfahrens:

1. Durch Methanisierung des abgeschiedenen Kohlendioxids, CO₂-Emissionsarmes bzw. -freies Hochofenverfahren.
2. Nur Modifikation eines etablierten Verfahrens, keine Neuentwicklung! Durch die relativ einfache Umrüstung vorhandener Hochöfen ist eine CO₂-arme, bzw. bei der Konversion des gesamten CO₂-Aus-stosses mit Hilfe von erneuerbaren Energien eine CO₂-freie Roheisenerschmelzung kurzfristig verfügbar!
3. Die Versuche mit dem Experimental Hochofen von LKAB in Luleä zeigten, dass der Betrieb eines Hochofens mit Top-Gas-Recycling entsprechend den Berechnungen zum ULCOS-TGRBF möglich ist.
4. Produktionssteigerung von >1,7^a) durch das Topgasrecycling, bewirkt durch die erhöhte indirekte Reduzierung nach AM-Sidmar-Gent > 45% und 1,2 durch die Methanverbrennung = Wasserstoffreduk-tion.
5. Verbesserung der Energieeffizienz: Die Kohlenstoffersparnis beim Einsatz des OXY -TGRBF beträgt mit 305 kg C-24,6 kg C / 1,7^a) = 165 kg C/t RE gegenüber einem konventionellen Luft-Hochofen mit 400 kg C/t RE = ∼ 60 %.
6. Durch die Methanisierung von 2050 mol CO₂ wird die zur Reduktion benötigte Methanmenge erzeugt und die Elektrolyse von 8200 mol H₂O zu Wasserstoff für die Methanisierung des Kohlendioxids liefert 82% der im Hochofenprozess benötigten Sauerstoffmenge.
7. Zur Steigerung der Reduktionsleistung wird Wasserstoff dem Recyclinggas als Reduktionsgas zugegeben. Abhängig von der Leistungsfähigkeit der Wasserelektrolyse und der im HO-Prozess einsetzbaren H2-Menge ist verbunden mit der Methanverbrennung eine nahezu CO₂-Emmisionsfreie Roheisenerschmelzung im Hochofen möglich.
8. Die im ULCOS-TGRBF Programm gewonnenen Erkenntnisse können übernommen werden und durch die verhältnismäßig einfache Anpassung vorhandener Hochöfen an das OXY-TGRBF Hochofenverfahren bietet sich der beschriebene Hochofenprozess als Technologie zu einer kohlenstofffarmen Roheisenerzeugung an.
9. Durch die Wasserstoffzugabe in das Recyclinggas erhöht sich das Reduktionsgasvolumen mit der unter Punkt 4 genannten Produktionssteigerung zu einer geschätzten Gesamtleistungssteigerung von > 2,5.

The advantages of the presented blast furnace process:

1. By methanation of the deposited carbon dioxide, CO ₂ -Emissionsarmes or -Free blast furnace process.
2. Only modification of an established procedure, not a new development! Due to the relatively simple conversion of existing blast furnaces, a CO ₂ -free, or in the conversion of the total CO ₂ -E-shock with the help of renewable energies a CO ₂ -free pig iron melting is available at short notice!
3. The experiments with the experimental blast furnace of LKAB in Luleä showed that the operation of a blast furnace with top gas recycling according to the calculations for ULCOS-TGRBF is possible.
4. Production increase of> 1.7 ^a) through top gas recycling, caused by the increased indirect reduction according to AM-Sidmar-Gent> 45% and 1.2 by methane combustion = hydrogen reduction.
5. Improvement of energy efficiency: The carbon savings when using the OXY -TGRBF is 305 kg C-24.6 kg C / 1.7 ^a) = 165 kg C / t RE compared to a conventional air blast furnace with 400 kg C / t RE = ~ 60%.
6. The methanation of 2050 mol CO ₂ produces the amount of methane required for the reduction and the electrolysis of 8200 mol H ₂ O to hydrogen for the methanation of the carbon dioxide provides 82% of the amount of oxygen required in the blast furnace process.
7. To increase the reduction power, hydrogen is added to the recycling gas as a reducing gas. Depending on the efficiency of the water electrolysis and the amount of H2 that can be used in the HO process, combined with the combustion of methane, an almost CO ₂ -emission-free molten pig smelting in the blast furnace is possible.
8. The lessons learned in the ULCOS-TGRBF program can be adopted and the relatively simple adaptation of existing blast furnaces to the OXY-TGRBF blast furnace process makes the described blast furnace process the technology for low-carbon pig iron production.
9. Hydrogen addition to the recycling gas increases the reduction gas volume with the increase in production referred to in point 4 to an estimated total increase in performance of> 2.5.

Zeichenerklärung zu 1.1 und 1.2: Komponenten Pos. Benennung A Hochofen B CO₂-Abscheidung C CO-Erhitzer 350°C D Pepple Heater E Einblasvorrichtung F Methanisierungsanlage G Wasserelektrolyseanlage H Ofen mit O₂-Verbrennung J Externer Speicher mit Elektrolyse- und Methanisierungsanlage K Gasnetz L Plasmabrenner Stoffströme Pos. Beschreibung 1 Feststoff - Erz und Koks 2 Topgas 3 Kohlendioxid 4 Stickstofffreies Abgas 5 Recyclinggas 6 Recyclinggas, T=350°C 7 Kohlenstaub 8 Sauerstoff 9 Recyclinggas, T=900°C 10 Wasserstoff 11 Erdgas 12 synthetisches Methan 13 Wasser Zeichenerklärung zu : Komponenten: 1 Hochofenwand 2 Hochofenausmauerung 3 zentraler Kanal 4 Keramische Düse 5 Mischkammer 6 Elastische Auflage 7 äußerer Ringkanal 8 mittlerer Ringkanal 9 innerer Kanal, Innenrohr Stoffströme und Bereiche: a Recyclinggas b Kohlenstaub mit Methan als Treibgas c Sauerstoff, Methan d Trennstrahl - CH₄ / O₂ e Kernstrahl - Recyclinggas f Koks g Methan, Sauerstoff h Hüllstrahl - O₂/ C / CH₄ Key to 1 .1 and 1.2: components Pos. designation A blast furnace B CO ₂ capture C CO heater 350 ° C D Pepple Heater e bubbler F methanation G Water electrolysis system H Oven with O ₂ combustion J External storage tank with electrolysis and methanation plant K gas network L plasma torch material flows Pos. description 1 Solid - ore and coke 2 top gas 3 carbon dioxide 4 Nitrogen-free exhaust gas 5 recycling gas 6 Recycling gas, T = 350 ° C 7 coal dust 8th oxygen 9 Recycling gas, T = 900 ° C 10 hydrogen 11 natural gas 12 synthetic methane 13 water Key to : components: 1 Blast furnace wall 2 Hochofenausmauerung 3 central channel 4 Ceramic nozzle 5 mixing chamber 6 Elastic pad 7 outer ring channel 8th middle ring channel 9 inner channel, inner tube Material flows and areas: a recycling gas b Coal dust with methane as propellant c Oxygen, methane d Separating jet - CH ₄ / O ₂ e Core jet - recycling gas f coke G Methane, oxygen H Sheath jet - O ₂ / C / CH ₄

Claims

Blast furnace process with top gas recycling, characterized in that by recycling the freed of CO ₂ top gas of the oxygen blast furnace after previous CO ₂ separation this at ambient temperature in the blow mold through the central channel of the blowing device and heated by shaft nozzles to 900 ° C as a reducing gas is supplied. Separated from the recirculated reducing gas, oxygen, methane and pulverized coal are injected through the outer channel of the device and burned. To separate the core jet with the recycling gas from the outer combustion jet of PC, O ₂ and CH ₄ , an "inert" separation jet is produced between them by oxidation of CH ₄ with O ₂ to H ₂ O and CO ₂ .

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that the recirculated reducing gas is heated by means of a metallic heat exchanger to 350 - 400 ° C and by plasma torches to 900 ° C.

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that the recycled reducing gas is heated to 900 ° C by means of a Pebble Heaters.

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that part of the separated carbon dioxide in an internal, integrated into the steelworks methanization and Wasserelektrolyseanlage, which uses electricity from renewable sources, is converted to the amount required in the blast furnace process CH ₄ and stand by the water electrolysis ~ 80% of in the blast furnace process required amount of oxygen available.

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that the lower recycling gas stream hydrogen or hydrogen-containing gas is added to increase the indirect reduction.

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that the Wasserelektrolyse- and the Methanisierungsanlage are self-sufficient systems. In the course of techn. Development is given the opportunity to combine a HT electrolysis with a CO ₂ methanation and run as a compact system. Both plant concepts are the basis of CO ₂ methanation.

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that the nitrogen-free or low-nitrogen combustion exhaust gases from other furnaces of the steelworks of CO ₂ separation can be supplied. The CO ₂ emissions of the steelworks are thus reduced.

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that only a portion of the resulting carbon dioxide in the internal methanation plant is converted to CH ₄ and the CO ₂ additionally occurring is stored in an external storage. The external memory may be a container, however, the use of a natural memory, for. B. a cavern or a pore storage possible. At the site of the storage or in the vicinity of the regenerative power source, a Wasserelektrolyse- and a methanation, optionally an HT electrolysis with a methanation plant is installed, which converts the stored CO ₂ in methane or other gaseous or liquid hydrocarbons with increased incidence of renewable electricity.

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that the synthetic methane is replaced if necessary, in whole or in part, by natural gas. A CO ₂ reduction then takes place only in a process-related framework.

Blast furnace process after Claim 1 , characterized in that by means of a cyl. Mixing chamber of coal dust with methane or natural gas as propellant gas tangentially, analogous to the material to be ground into a spiral jet mill, is injected into the oxygen stream.