DE4324699A1 - Verfahren und Einrichtung zur vollständigen Nachverbrennung von Prozeßgasen in einem koksbeheizten Schachtofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur vollständigen Nachverbrennung der beim Schmelzen und Verschlacken von unterschiedlich zusammengesetzten eisenme­ tallischen und/oder nichteisenmetallischen Einsatzstoffen entstehenden Prozeßgase in einem koksbeheizten Schachtofen.

Bekannt ist es, daß beim koksbeheizten Schachtofen über die Winddüsen im Bereich der Schmelz- und Überhitzungszone Ver­ brennungsluft für die Umsetzung des Brennstoffes Koks zuge­ führt wird. Dabei entstehen über das Boudouard-Gleichge­ wicht und die metallurgischen Reaktionen zwischen Einsatz­ stoffen, Brennstoffen und Verbrennungsluft CO-haltige Pro­ zeßgase, die abhängig von ihrer Temperatur- bzw. Volumen­ zündgrenze in einer Gichtgasnachverbrennungskammer außer­ halb der Schüttung ohne zusätzliches Zündpotential oder bei Unterschreitung der Zündtemperatur bzw. Volumenzündgrenze mittels Stützbrenner nachverbrannt werden. Die prozeßin­ terne Nachnutzung der fühlbaren Wärme dieser nachverbrann­ ten Gichtgase erfolgt beim Heißwindbetrieb über die Aufhei­ zung der im Bereich der Schmelz- und Überhitzungszone zuge­ führten Verbrennungsluft auf 400°C bis 600°C mittels Winderhitzer oder Rekuperatoren.

Konstruktiv unterscheidet man beim Rekuperatorbetrieb, ob das Kupolofengichtgas unterhalb oder oberhalb der Begich­ tungsebene aus dem Ofen abgezogen wird.

Wegen des strukturell ungleichmäßigen Aufbaus der Schütt­ säule im Schachtofen oberhalb der Schmelz- und Überhit­ zungszone ist generell eine ungleichmäßige Prozeßgasströ­ mung über den Querschnitt des Ofenschachtes zu verzeichnen. Der CO-Gehalt des aus der Schüttung austretenden Gichtgases ist somit über den Ofenquerschnitt unterschiedlich hoch, woraus eine örtlich unterschiedlich effektive, d. h. un­ gleichmäßige Nachverbrennung der Gichtgase resultiert. Eine vollständige Nachverbrennung ist unter diesen Bedingungen nur durch einen sehr hohen apparativen und/oder energeti­ schen Aufwand zu erreichen.

Verstärkt wird die ungleichmäßige Nachverbrennung durch die thermophysikalisch begründeten Dichte- und daraus resultie­ renden Viskositätsunterschiede des Prozeßgases und des Ver­ brennungsmittels Luft, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen und so wiederum zu einer Verschlechterung des Mi­ schungsverhaltens dieser Gase untereinander führt.

So ist in DE-AS 28 43 678 ein öl- oder gasbeheizter Schachtofen zum Erschmelzen und Überhitzen von Metall be­ schrieben, bei dem oberhalb der Schmelzzone in verschie­ denen Höhen Düsenreihen vertikal angeordnet sind, über die Luft in den Schachtofen eingedüst wird, um so noch brenn­ bare Gasbestandteile vollständig nachzuverbrennen. Die über Regeleinrichtungen festgelegten Luftmengen werden in Höhe des Schachtes und den dort herrschenden Begichtungsgut­ temperaturen so dosiert, daß im Schacht die Reduktion des CO₂ gehemmt bzw. ganz unterbunden wird. Dadurch kann die eingebrachte Energie 100%-ig umgesetzt werden und nur aus­ reagierte Gase treten an der Begichtung bzw. unterhalb der Begichtungsöffnung aus dem Schachtofen aus. Nachteilig ist, daß durch die Wirkung der vor diesen Luftdüsen befindlichen Schüttung und durch die Temperaturunterschiede von Prozeß­ gas und Verbrennungsmittel Luft keine vollständige Durch­ mischung der Gase im Kern der Schüttsäule erfolgt und somit kein vollständiges Ausbrennen der Prozeßgase über den Ofen­ querschnitt zu CO-freiem Gichtgas realisiert werden kann.

Eine bessere Gichtgasnachverbrennung, ohne zusätzlichen En­ ergieaufwand und unabhängig vom CO-Gehalt soll durch den in DE-AS 29 04 855 dargestellten koksgefeuerten Kupolofen, der mit bekannten Reglungselementen ausgerüstet ist, realisiert werden, wobei ein Teil der Ofengase unmittelbar über den Luftdüsen abgesaugt und einem oberhalb der Beschickungsöff­ nung angeordnetem Stützbrenner zugeführt wird. Die Tempera­ tur der Ofengase muß hierbei über der Temperaturzündgrenze für CO liegen. Nachteilig ist der hohe technische Aufwand zur Reinigung der mindestens 600°C heißen Ofengase, die dem Zündbrenner zugeführt werden müssen.

Durch DD-PS 2 99 917 ist ein koksloser gasgefeuerte Kupol­ ofen mit vollständiger Nachverbrennung der während des Schmelz- und Überhitzungsprozesses von Eisenmetallen und deren Legierungen entstehenden und unverbrannte Bestand­ teile enthaltenden Gichtgase bekannt. Oberhalb der maxi­ malen Schüttsäulenhöhe von 2000 mm sind gleichmäßig über den Ofenumfang verteilt Luftdüsen angeordnet. Der Ofen­ schacht ist als zylindrische Brennkammer mit Temperaturmeß­ stelle und am oberen Ende angeordneter Beschickungsöffnung ausgebildet. In dieser schüttungsfreien Brennkammer erfolgt über die realisierte Vermischung von aus der Schüttung aus­ tretenden Prozeßgasen und dazu im Winkel zugeführter Ver­ brennungsluft eine gleichmäßige Durchmischung über den Schachtquerschnitt. Die aus der Schüttung austretenden Ofengase haben aus Gründen der Schüttsäulenhöhenbegrenzung Temperaturen, die oberhalb der Temperaturzündgrenze für die unverbrannten Bestandteile H₂ und CO liegen und somit ohne zusätzliches Zündpotential nachverbrannt werden können. Nachteilig ist, daß mit der Begrenzung der Schüttsäulenhöhe die Verwertung der fühlbaren Wärme der Prozeßgase zur Vor­ wärmung der Schüttsäule eingeschränkt wird und somit die energetische Effektivität des Gesamtprozesses sinkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur vollständigen Nachverbrennung der beim Schmelzen und Verschlacken von unterschiedlich zusammenge­ setzten eisenmetallischen und/oder nichteisenmetallischen Einsatzstoffen entstehenden Prozeßgase in einem koksbeheiz­ ten Schachtofen zu schaffen, das unabhängig von der Schütt­ säulenhöhe und der Temperaturzündgrenze der unverbrannten Prozeßgase, bei Gewährleistung einer vollständigen Durchmi­ schung von Prozeßgas und Verbrennungsmittel sowie einer ef­ fektiven Wärmeübertragung zwischen Prozeßgas und Schütt­ säule immer eine vollständige Nachverbrennung mit technisch einfachen Mitteln sichert.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht, in dem die im Schacht­ ofen entstehenden nur unvollständig ausgebrannten staubhal­ tigen Prozeßgase aus einer Absaugebene oberhalb der Schmelz- und Überhitzungszone im Bereich der Vorwärmzone mittels einer Absaugeinrichtung, wie z. B. einem Gasstrahl­ verdichter aus dem Schachtofen vollständig abgezogen wer­ den, dann in zwei Stufen mit Sauerstoff in der Brennkammer der Absaugeinrichtung unter Zumischung eines vollständig ausgebrannten und auf Temperaturen kleiner 200°C abgekühl­ ten Ofengases, das durch einen zweiten Gasstrahlverdichter über einen Absaugring aus dem oberen Schüttsäulenbereich abgesaugt wird, vollständig nachverbrannt und dann oberhalb der Absaugebene für das Prozeßgas und unterhalb des Absaug­ ringes für das vollständig ausgebrannte und kalte Ofengas in die Schüttsäule des Schachtofens wieder zugeführt wer­ den. Durch die Absaugeinrichtung werden in der Nachverbren­ nungskammer in der ersten Stufe die CO-reichen Prozeßgase mittels Sauerstoff unterstöchiometrisch unter Bildung von Gastemperaturen von kleiner 850°C nachverbrannt; in der zweiten Stufe wird über einen zweiten sauerstoffbetriebenen Gasstrahlverdichter eine Menge vollständig ausgebrannten Ofengases aus dem oberen Schüttsäulenbereich mit Temperatu­ ren kleiner 200°C zugemischt und der daraus resultierende CO-Gehalt mit Sauerstoff vollständig unter Einhaltung einer resultierenden Gastemperatur von kleiner 850°C nachver­ brannt. Eine weitere Variante besteht darin, wenn die zweite Stufe der Nachverbrennungskammer als Sauerstoffbren­ ner, z. B. Heißgasbrenner, ausgebildet ist und druckseitig mit der Abgasleitung des Ventilators verbunden ist. Hier­ durch wird das auf 150°C abgekühlte CO-freie Gas mengenge­ regelt mit dem in der ersten Stufe der Verbrennungskammer noch nicht vollständig ausgebrannten CO-haltigen Prozeßgas, das eine Temperatur von 800°C hat, vermischt und mit Sauer­ stoff vollständig nachverbrannt. Auf Grund der Mischung von kaltem CO-freien Gas und heißem unvollständig ausgebrannten Prozeßgas werden Gastemperaturen von < 850°C erreicht. Diese Variante hat insbesondere die Vorteile, daß in der zweistu­ figen Nachverbrennungskammer die Gasmischung effektiver ist, durch Einsparung eines Gasstrahlverdichters der appa­ rative Aufwand sinkt, und die Staubbelastung in der Nach­ verbrennungskammer geringer ist. Das vollständig zu CO₂ nachverbrannte Gas durch strömt nach der Wiederzuführung in den Schachtofen die Schüttsäule im Gegenstromprinzip zum Materialfluß unter Wärmeabgabe.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur vollständigen Nachver­ brennung verbindet vorteilhafterweise eine vollständige Verbrennung ursprünglich vorhandener unverbrannter Prozeß­ gasbestandteile über den gesamten Schachtquerschnitt des Schachtofens mit einer optimalen Vorwärmung der Schüttsäule oberhalb der Wiederzuführungsebene der vollständig ausge­ brannten Gase und führt somit zu einer erhöhten energeti­ schen Effektivität des Vorwärmprozesses. Gleichzeitig wer­ den dadurch die Staubanteile der Prozeßgase in die Schüt­ tung zurückgeführt. Die in die Entstaubung und Gaswirt­ schaft eintretende Menge des vollständig ausgebrannten Gichtgases wird um die über die Absaugeinrichtung abgezo­ gene Menge Prozeßgas und um die Menge zur Kühlung der Nach­ verbrennung zusätzlich zugeführten Ofengasmenge aus dem oberen Schüttsäulenbereich reduziert.

Damit ist eine Minimierung der Gaswirtschaft inklusive Ent­ staubungstechnik verbunden. Das die Gaswirtschaft über den Kamin oder unterhalb des Schüttsäulenendes als Abgas ver­ lassende Gichtgas besteht aus CO₂ und H₂O. Die Stickstoff­ mengen sind durch die Nachverbrennung mit Sauerstoff auf den Stickstoffanteil, der aus der Verbrennung des festen Brennstoffes Koks resultiert, begrenzt.

Dieses damit hoch CO₂-haltige Abgas wird nach der Entstau­ bung über eine Fördereinrichtung dem Verdampfer für die Er­ zeugung des Sauerstoffs, welcher zur Verbrennung des Kokses und zur Nachverbrennung der nicht vollständig verbrannten Prozeßgase verwendet wird, zugeführt und dadurch verflüs­ sigt.

Vorteilhafterweise werden damit die ursächlich für den Treibhauseffekt verantwortlichen CO₂-Emissionen vermieden und ein vollständiger Kreislauf der am Verbrennungsprozeß beteiligten Brennstoffe, Verbrennungsmittel und Verbren­ nungsprodukte in Schmelzaggregaten organisiert.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 8 bis 17 ist eine kostengünstige, einfache und vollständige Nachverbrennung sowie eine vollständige Verhinderung der CO₂-Emission gege­ ben. Die Einrichtung erlaubt ein Nachrüsten vorhandener Schachtöfen. Als Fördereinrichtung eignen sich herkömmliche Lüfter oder Gasstrahlverdichter.

Die Erfindung soll an einem Beispiel näher erläutert wer­ den. Hierzu zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines koksbeheizten Schachtofens mit Einrichtung.

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines koksbeheizten Schachtofens mit Zentralbegichtung und Einrichtung.

In Fig. 1 ist dargestellt, daß oberhalb der Schmelz- und Überhitzungszone 1 am Ofenschacht 2 ein Prozeßgasabsaugring 3 angeordnet ist, der absaugseitig mit gleichmäßig über den Ofenumfang verteilten Prozeßgasabsaugdüsen 4 und weiter über eine Eintrittsrohrleitung 6, die einen eingebauten Gasstrahlverdichter 5 hat, mit einer zweistufigen Nachver­ brennungskammer 7 und fort führend über eine Austrittsrohr­ leitung 24 mit einem Gaszuführungsring 8 und mit gleichmä­ ßig über den Ofenumfang verteilten Gaszuführungsdüsen 9 für die Wiederzuführung der vollständig ausgebrannten Prozeß­ gase verbunden ist. Die zweistufige Nachverbrennungskammer 7 ist über einen zweiten, in der Eintrittsrohrleitung 23 installierten Gasstrahlverdichter 16 mit einem Ofengasab­ saugring 17 im oberen Schüttsäulenbereich unterhalb der Gattierungsöffnung 18 verbunden. Das obere Ofenende 10 ist über eine Abgasleitung 12, die eine Filteranlage 11 und einen Radialventilator 13 hat, mit der Flüssigsauerstoff­ verdampferanlage 14 verbunden, die wiederum mit einem Sau­ erstofftank 15 und einem CO₂-Tank 19 verbunden ist.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines koksbe­ heizten Schachtofens mit Zentralbegichtung und erfindungs­ gemäßer Einrichtung. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung ist hier die Eintrittsrohrleitung 23 am ande­ ren Ende mit der Abgasleitung 12 druckseitig verbunden. Dies bedeutet, daß die Verbindungsstelle hinter dem Radial­ ventilator 13 liegt. In der Eintrittsrohrleitung 23 sind an der Nachverbrennungskammerseite eine Sauerstoffzugabelanze 27 und an der Abgasleitungsseite eine Regelklappe einge­ baut. Die Sauerstoffzugabelanze 27 ist durch die Sauer­ stoffleitung 25 mit der Flüssigsauerstoffverdampferanlage 14 verbunden. Am Beispiel der Nachverbrennung von CO-halti­ gen Prozeßgasen aus einem koksbeheizten Schachtofen nach der in Fig. 1 dargestellten Einrichtungsvariante soll die Erfindung näher erläutert werden.

Der Schachtofen wird mit einem Kokssatz von 80 kg/t Fe so­ wie weiteren Gattierungskomponenten wie metallische Ein­ satz- und nichtmetallische Zuschlagstoffe beschickt. Zum Schmelzen und Überhitzen wird weiterhin ein Anteil von 200 m³/t Fe Kreislaufgas in die Schmelz- und Überhitzungsebene 1 zugeführt und mit Sauerstoff verbrannt. Im Bereich der Absaugebene des Prozeßgases entsteht über die komplexen me­ tallurgischen und Gasreaktionen im Ofenschacht eine Gas­ menge von 140 m³/t Fe, die rd. 40% CO₂ und 60% CO ent­ hält. Die Prozeßgastemperatur liegt oberhalb 600 °C.

Mittels des Gasstrahlverdichters 5 wird diese Menge Prozeß­ gas vollständig abgezogen und mittels Sauerstoff unterstö­ chiometrisch zu einem Gas mit kleiner 850°C in der ersten Nachverbrennungsstufe nachverbrannt. Dieses unvollständig nachverbrannte Gas wird in der zweiten Nachverbrennungsstufe mit dem durch den sauerstoffbetriebenen Gasstrahlverdichter 16 abgezogene und auf 130°C abgekühlte CO-freie Ofengas vermischt sowie abgekühlt und der CO-Gehalt des resultie­ renden abgekühlten Mischgases wird durch den Sauerstoff des Gasstrahlverdichters 16 unter Temperaturerhöhung auf 800°C vollständig zu CO₂ nachverbrannt.

Durch Einhaltung dieser Temperaturen wird ein Sintern der Staubanteile des Gases vermieden und diese können in die Schüttung zurückgeführt werden.

Oberhalb der Gattierungsöffnung 18 wird das um rd. 70% re­ duzierte Abgas, welches fast ausschließlich aus CO₂ be­ steht; alle übrigen Komponenten wie N₂, H₂O und O₂ sind durch den ausschließlichen Einsatz von O₂ zur Nachverbren­ nung vernachlässigbar gering; über einen Ventilator 13 durch die Filteranlage 11 gezogen und der Sauerstoffver­ dampferanlage 14 im Gegenstromprinzip zugeführt. Dort er­ folgt eine Abkühlung des CO₂ bei gleichzeitiger Verbesse­ rung der Leistungsparameter des Verdampfers und es wird ei­ ner technischen Weiterverarbeitung zugeführt.

Claims (17)

1. Verfahren zur vollständigen Nachverbrennung der beim Schmelzen und Verschlacken von unterschiedlich zusammenge­ setzten eisenmetallischen und/oder nichteisenmetallischen Einsatzstoffen entstehenden Prozeßgase in einem koksbeheiz­ ten Schachtofen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die unvollständig ausgebrannten, staubhaltigen Prozeß­ gase oberhalb der Schmelz- und Überhitzungszone im Bereich der Vorwärmzone aus dem Schachtofen vollständig abgezogen werden,
• - dann in einer Brennkammer in zwei Nachverbrennungsstufen mit Sauerstoff und unter Zumischung von ausgebrannten und abgekühlten CO-freien Gasen vollständig zu CO₂ mit Temperaturen von < 1000°C, vorzugsweise < 850°C nachverbrannt werden, sowie abschließend
• - das so nachverbrannte Gas oberhalb der Absaugebene der Schüttsäule des Ofenschachtes wieder zugeführt wird, und das Abgas am Ofenende über den Kamin oder unterhalb des Schüttsäulenendes in einer Abgasleitung mit Entstaubungs­ einrichtung und Fördereinrichtung zu einer Flüssigsauer­ stoffverdampferanlage transportiert wird, die den Sauer­ stoff für die Nachverbrennung liefert und als Wärmetau­ scher zur Gewinnung des CO₂ aus dem Abgas genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des unvollständig ausgebrannten, staubhal­ tigen Prozeßgases < 600°C ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Prozeßgas in der ersten Nachverbrennungsstufe mit Sauerstoff unterstöchiometrisch unter Bildung von Gas­ temperaturen < 1000°C, vorzugsweise < 850 °C verbrannt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das CO-freie Gas unterhalb der Gattierungsöffnung abgezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das CO-freie Gas entstaubt und mengengeregelt der Abgasleitung entnommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das CO-freie Gas mit einer Temperatur von < 200°C zugemischt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der für die zweistufige Nachverbrennung der un­ vollständig ausgebrannten Prozeßgase erforderliche Sauer­ stoff von der Flüssigsauerstoffverdampferanlage zugeführt wird.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine außer­ halb des Schachtofens angeordnete zweistufige Nachverbren­ nungskammer (7) zwei Eintrittsrohrleitungen (6; 23) mit je einem Gasstrahlverdichter (5; 16) und eine Austrittsrohrlei­ tung (24) hat, und die Rohrleitungen (6; 23; 24) am anderen Ende mit jeweils einem um den Ofenschacht (2) geführten Gasring (3; 8; 17) verbunden sind, die oberhalb der Schmelz und Überhitzungszone (1) bis unterhalb der Gattierungsöff­ nung (18) im Abstand nacheinander angeordnet sind und mit den Düsen (4; 9; 26) die Schüttsäule kontaktieren.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (4; 26) Absaugdüsen und die Düsen (9) Zuführungs­ düsen sind und gleichmäßig um den Umfang des Ofenschachtes (2) verteilt angeordnet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Eintrittsrohrleitung (23) am anderen Ende mit einer Abgasleitung (12) druckseitig verbunden ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die zweistufige Nachverbrennungskammer (7) ofensei­ tig die Eintrittsrohrleitung (23) und eine Sauerstoffzu­ gabelanze (27) als Nachverbrennungseinrichtung, z. B. als Sauerstoffheißgasbrenner ausgeführt, eingebunden sind und an der Abgasleitungsseite der Eintrittsrohrleitung (23) eine Regelklappe (22) eingebaut ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasstrahlverdichter (5; 16) und die Sauerstoffzugabelanze (27) durch die Sauerstoffleitung (25) mit einer Flüssigsauerstoffverdampferanlage (14) verbunden sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigsauerstoffverdampferanlage (14), welche mit einem Sauerstofftank (15) und einem CO₂-Tank (19) verbunden ist, über die Abgasleitung (12) mit dem Ofenschacht (2) in Verbindung steht.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (12) am Ofenende (10) in einen Kamin geführt ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (12) unterhalb des Schüttsäulenendes (20) in den Ofenschacht (2) mündet.

16. Einrichtung nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abgasleitung (12) unmittelbar am Schacht­ ofen in Reihe eine Entstaubungseinrichtung (11), z. B. eine Filteranlage, und eine Fördereinrichtung (13), bei­ spielsweise ein Radialventilator, zwischengeschaltet sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 8 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweistufige Nachverbrennungskammer (7), der Ofenschacht (2) und die Flüssigsauerstoffverdampfer­ anlage (14) mit dem Rohrleitungssystem einen geschlossenen Gaskreislauf bilden.