DE102016008915A1 - CO2 emission-free blast furnace process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Hochofenverfahren zum Betreiben eines CO2-Emissionsfreien Hochofens. Nachfolgend die diesbezüglich notwendigen Maßnahmen: 1. Der Hochofen wird mit reinem Sauerstoff betrieben. 2. Das Topgasrecycling mit CO2-Abscheidung erhöht die indirekte Reduktion und senkt den Kohlenstoffeinsatz. 3. Durch die CO2-Abscheidung mit Konvertierung des abgeschiedenen Kohlendioxids mit Hilfe umweltfreundlich erzeugten Wasserstoffs zu Methan erhält man einen kohlenstoffarmen Brennstoff der im Hochofenbetrieb anteilig die Kohlenstaubeinblasung ersetzt und in der integrierten DRI-Anlage als Brennstoff genutzt wird. Weitere Vorteile: 1. Das mittels der in den Hochofenkomplex integrierten Direktreduktionsanlage erzeugte HBI senkt als Eisenträger in vorhandenen Hochöfen eingesetzt, deren Reduktionsarbeit und damit den Kohlenstoffeinsatz und den CO2-Austoß. 2. Einbindung und Methanisierung von externen CO2-armen Verbrennungsgasen 3. Produktionssteigerung durch das Topgasrecycling mit Steigerung der indirekten Reduktion 4. Produktionssteigerung durch die Methanverbrennung – Wasserstoffreduktion Resümee: Der vorgestellte Hochofenprozess entspricht vollständig dem System einer Kreislaufwirtschaft, in welcher alle verwertbaren Stoffe in den Prozess zurückgeführt und genutzt werden.The invention relates to a blast furnace method for operating a CO2-emission-free blast furnace. Here are the necessary measures: 1. The blast furnace is operated with pure oxygen. 2. Top gas recycling with CO2 capture increases the indirect reduction and lowers the carbon input. 3. CO2 capture, which converts the carbon dioxide emitted to methane using environmentally friendly hydrogen, gives a low-carbon fuel which, in blast furnace operation, replaces the coal dust injection proportionately and is used as fuel in the integrated DRI plant. Further advantages: 1. The HBI produced by means of the direct reduction plant integrated into the blast furnace complex lowers as an iron carrier used in existing blast furnaces, their reduction work and thus the use of carbon and CO2 emissions. 2. Incorporation and methanation of external low-carbon combustion gases 3. Increasing production through top gas recycling with an increase in indirect reduction 4. Increasing production through methane combustion - Hydrogen reduction Summary: The presented blast furnace process fully complies with the system of a circular economy, in which all recyclable substances in the process be returned and used.
Description
1. Stand der Technik1. State of the art
Der Hochofenprozess ist weltweit der Hauptprozess zur Roheisenherstellung, mehr als 95% des Roheisens werden im Hochofen erzeugt. Der größte Nachteil des Hochofens ist jedoch der hohe Ausstoß an Kohlendioxid, da bei der Roheisenerzeugung in einem Hochofen bei der Erschmelzung von 1000 kg RE über 1500 kg Kohlendioxid anfallen.The blast furnace process is the main process worldwide for pig iron production, more than 95% of the pig iron is produced in the blast furnace. The biggest disadvantage of the blast furnace, however, is the high emission of carbon dioxide, since over 1500 kg of carbon dioxide are produced in the production of pig iron in a blast furnace at the melting of 1000 kg of RE.
2. HO-Verfahren zur CO2-Reduzierung2. HO process for CO 2 reduction
Zur Verminderung dieser CO2-Emissionen haben europäische und japanische Stahlhersteller die Initiativen ULCOS bzw. COURSE50 zur Erforschung verbesserter Hochofenverfahren ins Leben gerufen.
- – 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 der Herdblasformen und die restlichen 80% auf 900°C erhitzt 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 auch von CO2 befreites Gichtgas und zusätzlich Wasserstoff als Reduktionsgas. Durch Recycling des von CO2 befreiten Gichtgases und dem Einblasen und Verbrennen von reformiertem Kokereigas [H2-Gehalt > 60%] mit Hilfe der Herdblasformen und reformiertem auf 800°C erhitzten Kokereigas durch Schachtdüsen vermindert sich der Kohlenstoffeinsatz und der CO2-Ausstoss. Die notwendige Prozesswärme wird durch die Verbrennung von Koks und des mit Hilfe der Herdblasformen eingeblasenen Wasserstoffs generiert.
- - In ULCOS TGRBF program it is provided freed from CO 2, top gas to carry out the blast furnace as reduction gas consisting of oxygen by the combustion essentially of CO and H 2. For example, in
version 1, about 20% of the recycled gases are blown through the nozzles into the lower shaft area at ambient temperature using the hearth blow molds and the remaining 80% heated to 900 ° C. The necessary process heat is generated by the combustion of coke and injected coal dust in the lower furnace. - - The Japanese CO 2 -Minderungsprogramm COURSE50 also uses CO 2 liberated blast furnace gas and also hydrogen as a reducing gas. The carbon input and the CO 2 emissions are reduced by recycling CO 2 -fired blast-furnace gas and injecting and burning reformed coking gas [H 2 content> 60%] with the help of the furnace blow molding and reformed coking gas heated to 800 ° C. The necessary process heat is generated by the combustion of coke and the hydrogen blown in with the help of the hearth blow molds.
Beide Modifikationen des Hochofenprozesses nutzen Kohlenmonoxid bzw. Kohlenmonoxid und Wasserstoff zur verstärkten indirekten Reduktion der Eisenträger und ersetzen damit anteilig die Brennstoff intensive direkte Reduktion und vermindern dadurch den Kohlenstoffeinsatz und die CO2-Bildung erheblich und durch die Deponierung des abgetrennten Kohlendioxids wird nur im geringen Umfang CO2 emittiert.Both modifications of the blast furnace process use carbon monoxide or carbon monoxide and hydrogen to increase the indirect reduction of the iron carriers and thus proportionally replace the fuel intensive direct reduction and thereby significantly reduce the carbon input and CO 2 formation and by depositing the separated carbon dioxide is only to a small extent CO 2 emitted.
3. Hochofenverfahren mit minimalen CO2-Emissionen3. Blast furnace process with minimal CO 2 emissions
Eine weitere Verringerung des Kohlenstoffeinsatzes im Hochofenprozess wäre durch das Recycling des von CO2 befreiten Topgases und dem Einblasen von umweltfreundlich erzeugtem auf ~2300°C erhitzten Wasserstoff als Reduktionsgas möglich. Dadurch dass dem Hochofen kein Sauerstoff zugeführt wird, entsteht Kohlendioxid nur als Produkt aus den Gleichgewichtsreaktionen des Erzsauerstoffs mit dem Kokskohlenstoff. Mit dieser Modifikation des bekannten und bewährten Hochofenprozesses wäre es möglich, den Kohlendioxidausstoß auf das minimal mögliche zu begrenzen. Allerdings ist es mit den zur Verfügung stehenden technischen Mitteln und Werkstoffen nicht möglich Wasserstoff indirekt auf 2300°C zu erwärmen, aus diesem Grunde muss das H2 als CH4 wie in der nachfolgenden Verfahrensbeschreibung gezeigt über den Weg der Methanisierung des abgeschiedenen Kohlendioxids durch Oxidation direkt erhitzt werden.A further reduction in the use of carbon in the blast furnace process would be possible by recycling the top gas freed from CO 2 and the blowing of environmentally friendly generated to ~ 2300 ° C heated hydrogen as a reducing gas. The fact that no oxygen is supplied to the blast furnace, carbon dioxide is produced only as a product of the equilibrium reactions of the ore oxygen with the coking coal. With this modification of the known and proven blast furnace process, it would be possible to limit carbon dioxide emissions to the minimum possible. However, with the available technical means and materials it is not possible to heat hydrogen indirectly to 2300 ° C, for this reason, the H 2 as CH 4 as shown in the following process description on the way of methanation of the deposited carbon dioxide by oxidation directly to be heated.
4. Modifiziertes Hochofenverfahren zur Vermeidung von CO2-Emissionen4. Modified blast furnace process to avoid CO 2 emissions
Eine vollständige Vermeidung der CO2-Emissonen bei der Roheisenerzeugung ist mittels des in
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 200 kg verringertem Koksverbrauch und 160 kg Einblaskohle eine indirekte Vorreduktion von über 90% verbunden mit einer deutlichen Abnahme des CO2-Ausstoßes und parallel erhöht sich die Roheisenerzeugung nach AM-Gent durch die Vorreduzierung um mehr als 45%. 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 Topgasrecycling achieved with a reduced to 200 kg coke consumption and 160 kg injection coal indirect pre-reduction of over 90% combined with a significant decrease in CO 2 emissions and parallel increases the iron production to AM Gent the pre-reduction by more than 45%.
In den mit Heißwind betriebenen Hochöfen wird das zur Reduzierung der Eisenoxide notwendige Kohlenmonoxid durch die Verbrennung des Kokses, der Einblaskohle und anderer Kohlenstoffträger im Hochofen erzeugt. Das Recycling des Kohlenmonoxids verringert die dem Hochofen zu zuführende Kohlenstoffmenge, da der Kohlenstoff im wesentlichen nur noch zur Erwärmung, zum Schmelzen der Eisenträger, zur direkten Reduktion der Eisenoxide und zur Regeneration der Verbrennungsprodukte verbrannt werden muss bzw. benötigt wird.In hot blast furnaces, the carbon monoxide necessary to reduce the iron oxides is produced by the combustion of the coke, the spar and other carbon carriers in the blast furnace. The recycling of carbon monoxide reduces the amount of carbon to be supplied to the blast furnace, since the carbon essentially only needs to be burned or needed for heating, for melting the iron carriers, for the direct reduction of the iron oxides and for the regeneration of the combustion products.
Bei dem vorgestellten HO-Verfahren werden, wie aus dem Fliessbild
Die adiabate Verbrennungstemperatur von 2300°C, siehe ULCOS – Example of flow sheet Version 1, wird bei der Methanverbrennung mit reinem Sauerstoff um ~500°C überschritten. Zur Reduzierung der Verbrennungstemperatur wird dem CH4/O2-Gasstrom CO2 zugegeben, welches mit den Reaktionen:
Durch die Reaktionsfolge:
- 1. Oxidation des Methans – CH4 +2O2 → CO2 +2H2O – homogene Reaktion
- 2. Reduktion der Verbrennungsprodukte – CO2 + CPCI → 2CO – heterogene Reaktion H2O + CPCI → CO + H2 – heterogene Reaktion
- 1. Oxidation of methane - CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - homogeneous reaction
- 2. Reduction of combustion products - CO 2 + C PCI → 2CO - heterogeneous reaction H 2 O + C PCI → CO + H 2 - heterogeneous reaction
Das Fliessbild
Die Methanisierung des aus dem Topgas des Hochofens entfernten Kohlendioxids mit Wasserstoff z. B. mit Hilfe einer kombinierten Hochtemperaturelektrolyse mit CO2-Methanisierung, Wirkungsgrad η = 0,87, erzeugt einen gasigen, hochreaktiven kohlenstoffarmen im Hochofenprozess einsetzbaren Ersatzbrennstoff. Die Hochtemperaturelektrolyse nutzt die Exothermie der CO2-Methanisierung zur Verdampfung des zu spaltenden Wassers.The methanation of the removed from the top gas of the blast furnace carbon dioxide with hydrogen z. B. using a combined high-temperature electrolysis with CO 2 methanation, efficiency η = 0.87, produces a gaseous, highly reactive low-carbon in the blast furnace process usable substitute fuel. High-temperature electrolysis uses the exothermicity of CO 2 methanation to vaporize the water to be split.
Eine Teilmenge des Methans dient in den äußeren Ringraum der Einblasvorrichtung eingeblasen, vermischt mit dem zuvor in den Ringraum der Einblasvorrichtung injizierten Sauerstoff, als gasiger Ersatzbrennstoff und erzeugt durch die Verbrennung die notwendige Betriebstemperatur im Hochofen. Dem Methanstrom wird, wie zuvor erwähnt, Kohlendioxid zur Absenkung der adiabaten Verbrennungstemperatur in der Raceway zugemischt und ein Teil des CH4/CO2-Gas-stroms dient als ein den HO-Prozess unterstützendes Treibgas zum Einbringen des Kohlestaubs in die Rotationsmischkammer.A portion of the methane is injected into the outer annular space of the injector, mixed with the previously injected into the annulus of the injector oxygen, as a gaseous substitute fuel and produced by the combustion of the necessary operating temperature in the blast furnace. As mentioned previously, the methane stream is mixed with carbon dioxide to lower the adiabatic combustion temperature in the raceway, and a portion of the CH 4 / CO 2 gas stream serves as a propellant assisting the HO process to introduce the coal dust into the rotary mixing chamber.
Zur vollständigen Nutzung des, mit dem abgeschiedenen Kohlendioxid und Wasserstoff erzeugten, Methans wird eine Direktreduktionsanlage in die Hochofenanlage integriert. Das Produkt der Direktreduktionsanlage – Hot Briquetted Iron (HBI) – als Einsatzstoff in vorhandenen Hochöfen vermindert durch den Fe-Gehalt von 90–95% die Reduktionsarbeit und senkt damit den CO2-Austoß und das in den Heißwind eingeblasene Methan ersetzt bei der Verbrennung anteilig die Einblaskohle und verringert mit dem Einsatz von HBI die Kohlendioxidproduktion in existenten Hochöfen. Die Verwendung von HBI erhöht die Produktivität eines Hochofens, denn bei einem Anstieg des Eisengehaltes der Hochofenbeschickung um 10% steigt parallel die Hochofenleistung um ca. 8%. Außerdem steigert die Erhöhung des Wasserstoffgehalts um 10% im Reduktionsgas die Reduktionsgeschwindigkeit auf das Dreifache.For the complete utilization of the methane produced with the separated carbon dioxide and hydrogen, a direct reduction plant is integrated into the blast furnace plant. The product of the direct reduction plant - Hot Briquetted Iron (HBI) - as feedstock in existing blast furnaces reduces the reduction work by the Fe content of 90-95% and thus reduces the CO 2 emission and the methane blown into the hot blast replaces proportionally during combustion the injection coal and with the use of HBI reduces the carbon dioxide production in existing blast furnaces. The use of HBI increases the productivity of a blast furnace, because if the iron content of the blast furnace charge increases by 10%, the blast furnace capacity increases by about 8% in parallel. In addition, increasing the hydrogen content by 10% in the reducing gas increases the reduction rate three times.
Durch diese Vorgehensweise ist es möglich, bei vorhandenen Hochöfen trotz verringertem Kohlenstoffeinsatz bei reduziertem CO2-Ausstoß die Roheisenproduktion zu erhöhen! Nach dem ULCOS-TGRBF Programm ist es dem Fliessbild – Version 1 – zufolge vorgesehen, dem Hochofen zur Erschmelzung von 1000 kg Roheisen Eisenerz 209 kg Koks zu chargieren und als Ersatzbrennstoff 180 kg Kohlenstaub einzublasen. Die Mengen detailliert: Im Vergleich das Reaktionsschema Kohlenstoff - gegenüber Methanverbrennung Stoffmengen Kohlenstoffverbrennung - ULCOS gegenüber Methanverbrennung This procedure makes it possible to increase the production of pig iron in existing blast furnaces despite reduced carbon input and reduced CO 2 emissions! According to the ULCOS-TGRBF program, according to the flow chart - version 1 - it is planned to charge 209 kg of coke to the blast furnace for the melting of 1000 kg pig iron ore and to blow in 180 kg coal dust as a substitute fuel. The quantities detailed: In comparison, the reaction scheme carbon - to methane combustion Quantities of carbon burning - ULCOS versus methane combustion
Im Vergleich zur ULCOS – Version 1 verringert sich der Kohlenstoffeinsatz, gemäß Tabelle 2, im vorgestellten Hochofenverfahren durch die Methanverbrennung von 27454 mol C um ~6% auf 26000 mol C und die Reduktionsgasmenge, Tabelle 1, erhöht sich auf das 1,5fache von 4CO auf 4CO + 2H2.Compared to
Schlussfolgerung:Conclusion:
Die Anwendung des vorgenannten Hochofenverfahrens mit Topgasrecycling unter Verwendung von mit Hilfe erneuerbarer Energien erzeugtem Wasserstoff und durch die Integration einer Direktreduktionsanlage, in
Die Vorteile des vorgestellten Hochofenverfahrens:The advantages of the presented blast furnace process:
- 1. CO2-Emissionsfreies Hochofenverfahren.1. CO 2 emission-free blast furnace process.
- 2. Nur Modifizierung eines etablierten Verfahrens, keine Neuentwicklung.2. Only modification of an established procedure, not new development.
- 3. Mit Hilfe erneuerbarer Energien erzeugtem Wasserstoffs eine Methanisierung des abgeschiedenen Kohlendioxids, statt dessen Deponierung.3. Hydrogen produced by renewable energy means methanation of the separated carbon dioxide, instead of landfill.
- 4. Durch Verwendung von HBI und SNG Verbesserung der CO2-Bilanz und Produktionssteigerung vorhandener Hochöfen.4. Using HBI and SNG to improve the CO 2 balance and increase the production of existing blast furnaces.
- 5. Einbindung von CO2-haltigen Abgasen vorhandener Anlagen.5. Integration of CO 2 -containing exhaust gases of existing plants.
- 6. Verminderung des Kohlenstoffeinsatzes.6. Reduction of the carbon input.
- 7. Produktionssteigerung durch das Topgasrecycling mit der Vorreduzierung nach AM-Gent > 45%.7. Production increase through top gas recycling with pre-reduction to AM-Gent> 45%.
- 8. Produktivitätszuwachs durch die Methanverbrennung = Wasserstoffreduktion um ~50%.8. Increase in productivity due to methane combustion = hydrogen reduction by ~ 50%.
Zeichenerklärung zu Fig. 1: Komponenten
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