Roheisenerzeugung: Hüttenwerks- und Gasreinigungsanlagen

359 Pages·2019·24.957 MB·German

by  Karl-Rudolf Hegemann, Ralf Guder

Karl-Rudolf Hegemann
Ralf Guder
Roheisenerzeugung
Hüttenwerks- und Gasreinigungsanlagen
Roheisenerzeugung
Karl-Rudolf Hegemann • Ralf Guder
Roheisenerzeugung
Hüttenwerks- und Gasreinigungsanlagen
Vieweg
Karl-Rudolf Hegemann Ralf Guder
Essen, Deutschland ArcelorMittal (Germany) / Bremen
Bremen, Deutschland
ISBN 978-3-658-25405-6 ISBN 978-3-658-25406-3 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-25406-3
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Vorwort und Zusammenfassung
Alles ist vielleicht nicht klar,
nichts vielleicht erklärlich
und somit, was ist, wird wahr,
schlimmstenfalls entbehrlich
Chr. Morgenstern (1871 – 1914)
Dieses Buch ist aus unserer langjährigen Berufserfahrung in der Eisen- und Stahlindus-
trie entstanden. Es ist ein Fachbuch für Ingenieure im Anlagenbau und dürfte auch Stu-
denten nützlich sein, die sich um ein Verständnis der Grundlagen in der Umwelttechnik
b emühen.
Im Kapitel Eins des Buches werden die technologischen Fortschritte eisenhüttentechni-
scher Verfahren und die damit einhergehenden Folgen der Luftverschmutzung beschrieben.
Das Kapitel Zwei enthält Angaben über die Einhaltung des Luftqualitätsstandards der
Europäischen Union (EU) als bindendes Recht. Nach wie vor ist die hohe Belastung durch
Feinstaub das größte Problem der Luftreinhaltung, weil der menschliche Organismus
kaum Abwehrmechanismen gegen die Gesundheitsgefährdung durch Feinstaub aufbieten
kann. Die Anlagenbetreiber der Hüttenwerke stehen als Mitverursacher für Feinstaub-
Emissionen im Fokus von Politik und Gesellschaft.
Kapitel Drei beschreibt die Eisengewinnung durch Reduktion der Eisenerze im Hoch-
ofen mit Koks als Reduktionsmittel. Die Direktreduktion der Eisenerze durch das Midrex-
oder Corex-Verfahren ist eine Alternative, bei der Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid oder
Methan als Reduktionsgas verwendet wird. Sie gewinnt in Ländern an Bedeutung, in de-
nen keine Kohle, aber Erdgas vorhanden ist. Etwa 2 % der gesamten Roheisenproduktion
werden über Direktreduktions-Verfahren hergestellt.
Kapitel Vier ist den Eisenerzen gewidmet. Sie gehören zu den häufigsten chemischen
Elemente der Erdkruste. Die natürlichen Eisenverbindungen werden als Eisenerzminerale
bezeichnet und das übrige Gestein Gangart oder auch taubes Gestein genannt. Die Eise-
nerzminerale sind bei den wirtschaftlich bedeutenden Lagerstätten meist Eisenoxide oder
Eisenkarbonate. Je nach Lagerstätte werden die Eisenerze übertage oder untertage
abgebaut. Nach der Förderung erfolgt die Aufbereitung des Eisenerzes am Abbauort durch
Zerkleinerungs-Maschinen, wobei der größte Teil der Gangart entfernt wird.
V
VI Vorwort und Zusammenfassung
In den Kapiteln Fünf und Sechs werden die Hüttenwerks-Einrichtungen vorgestellt, die
zur Vorbereitung oxidischer Eisenträger unter Verwendung von Koks als Reduktionsmittel
bei der Roheisenerzeugung im Hochofen erforderlich sind.
Die Sinteranlage in Kapitel Fünf dient der Stückigmachung von Feinerzen und Stü-
ckerzen. Nach dem Aufkommen der Pelletiertechnik für Feinsterze in den 70er-Jahren
werden verstärkt auch Pellets eingesetzt. Dies hat zu einem Rückgang des Sintereinsatzes
geführt. Als Eisenträger wurden 1995 in Deutschland 54 % Sinter, 34 % Pellets und 12 %
Stückerz im Hochofen chargiert.
Die Rauchgase der Sinteranlage werden über ein Absaugsystem der Gasreinigung zu-
geführt; auch die Raumluft wird entstaubt. Für die Rauchgasreinigung sind nach dem
heutigen Stand der Technik Gewebefilter bestehenden Elektrofiltern nachgeschaltet. Sie
können aber auch einzeln stehend zur Anwendung kommen. Die Staubabscheidung im
Gewebefilter erfolgt in Kombination mit einer Minderung saurer Schadgaskomponenten
wie HCl, HF und SOx durch das Eindüsen von Kalkhydrat oder einer Natriumbicarbonat-
Lösung sowie der Minderung von persistenten organischen Schadsoffen wie PCDD/F,
PCB, HCB und PAH durch die Eindüsung von Adsorbentien, u. a. gemahlener Braunkoh-
lenkoks, Aktivkohle oder manchmal auch Zeolithe. Beispiele für die kombinierte Minde-
rung von festen und gasförmigen Schadstoffen mittels Gewebefilter sind das MEROS-
Verfahren sowie die EFA-Sintertechnik.
Kapitel Sechs beschreibt die Herstellung von Koks aus Kohle in Kokereien, die sich
vielfach auf dem Hüttengelände befinden. Hochwertige Kokskohle wird in Koksöfen unter
Luftabschluss erhitzt. Dabei werden die flüchtigen Bestandteile der Kohle freigesetzt und
die Inhaltsstoffe in Gasreinigungsanlagen in Wertstoffe umgewandelt. Koks als Kohlen-
stoff- Lieferant (Reinheit ca. 97 %) wird als Reduktions- und Aufkohlungsmittel bei der
Roheisen- Herstellung benötigt. Koks übernimmt auch die wichtige Rolle als Stützgerüst
der Beschickung, der sogenannten Möllersäule, für eine gute Durchgasung im Hochofen-
schacht. In den letzten Jahren wurde versucht, den Anteil Koks durch andere Kohlenstoff-
träger wie Schweröl, Feinkohle und Altkunststoffe zu senken. Vorgestellt wird die mo-
derne Kokerei in Duisburg- Schwelgern, die mit ihren verbesserten Verfahrenstechniken
neue Umweltstandards setzt.
Ab Kapitel Sieben steht der Hochofen im Mittelpunkt weiterer Betrachtungen. Der
Hochofen ist das zentrale Aggregat des Hüttenwerkes, weil es trotz Zunahme der Direkt-
reduktion mit weitem Abstand das dominierende Verfahren der Eisenerzeugung ist. Mo-
derne Hochöfen erzeugen bis zu 11.000 Tonnen Roheisen am Tag (Beispiel Hochofen 2
Schwelgern) und haben ein Ofen-Volumen bis zu 5000 m3. Sie besitzen eine Bauhöhe von
ca. 35 m und einen Gestelldurchmesser von 15 m. Die Gesamthöhe mit seinen Nebenein-
richtungen kann 100 m betragen. Die Zusammenhänge der Reaktionsabläufe im Hochofen
sind graphisch dargestellt.
In Kapitel Acht werden die Störungen, in Kapitel Neun das Stillsetzen und in Kapitel
Zehn das Anblasen des Hochofen-Betriebes beschrieben. Die unterschiedlichen Auswir-
kungen dieser Betriebsphasen müssen verfahrenstechnisch bei der Gichtgasbehandlung
Berücksichtigung finden.
Vorwort und Zusammenfassung VII
Kapitel Elf umfasst die weiteren Einrichtungen des Hochofen- Betriebes: den Gicht-
verschluss, die Winderhitzer (Cowper), die Abstich-Technologien in der Hochofen-Gieß-
halle, die Rauchgas-Erfassung und Entstaubung beim Abstich, die Gießrinnen-Abde-
ckung, den Abtransport des Roheisens in Torpedowagen zum Stahlwerk und den Transport
der Schlacke in Schlackenpfannen zu den Schlacken-Beeten.
Die Hochofen-Schlacke in Kapitel Zwölf ist mengenmäßig ein bedeutsames Nebenpro-
dukt, die aus dem Hochofen schmelzflüssig anfällt. Je nach Abkühlungsbedingungen und
dauer erstarrt sie zu kristalliner Stückschlacke, zu poriger Schaumschlacke (Hüttenbims)
oder zu granuliertem Hüttensand, der fein gemahlen als Komponente verschiedener Ze-
mentsorten oder zur Herstellung mineralischer Düngemittel Verwendung findet. Darüber
hinaus kann granulierte Schlacke im Straßenbau eingesetzt werden.
Kapitel Dreizehn führt zu einer umfassenden Darstellung der Behandlung von Gichtgas
und Gichtgasstaub in den nachfolgenden Kapiteln. Gichtgas fällt in großen Mengen an
und ist trotz des relativ geringen Heizwertes einer der Hauptenergie-Lieferanten des Hüt-
tenwerkes. Der Staubaustrag an der Ofengicht konnte in den zurückliegenden Jahren auf
Grund einer verbesserten Möller-Aufbereitung und einer langsameren Durchgasung des
Hochofenschachtes durch Umstellung auf Gegendruck-Betrieb mit einem Überdruck an
der Gicht bis zu 2,5 barg erheblich reduziert werden.
Kapitel Vierzehn befasst sich mit den problematischen Auswirkungen eingebrachter Rest-
stoffe wie Zink, Blei und Alkalien auf den Hochofenbetrieb. Sie bilden innerhalb des Ofens
Kreisläufe aus. Die Kreislaufbildung lässt sich mit den Siedepunkten der betroffenen Metalle
und ihrer Verbindungen erklären. Sie werden in den wärmeren Ofenzonen (Kohlensack, Rast)
reduziert, verflüchtigen sich und steigen mit dem Gasstrom auf, um im Bereich des Schachtes
zu kondensieren und/oder zu reoxidieren. Durch Anlagerung an Bestandteile des Möllers
wandern sie in tiefere Ofenbereiche zurück. Die Bildung zinkoxidhaltiger Ansätze im Ober-
ofenbereich kann den Ofengang erheblich stören. Das eingebrachte Blei sammelt sich auf
Grund seiner hohen Dichte und weitgehenden Unlöslichkeit im Eisen im Hochofengestell an.
Zink und Blei werden größtenteils im Staub an der Ofengicht ausgetragen. Die eingebrachten
Alkalien (Kalium, Natrium) bilden ebenfalls einen Kreislauf aus und wirken an der Entste-
hung von Ansätzen mit, die als Alkaliverbindungen das Mauerwerk im Ofen angreifen.
Kapitel Fünfzehn beginnt mit der Grobstaub-Abscheidung im Wirbler (Zyklon) als
erste Stufe der Gasreinigung. Der mit 85 bis 90 % trocken abgeschiedene Staub unter
weitest gehender Vermeidung des Zink- und Blei-Feinkornanteils kann dem Hochofen-
Prozess über die Sinteranlage wieder zugeführt werden. Er enthält etwa 30 bis 40 % Koh-
lenstoff aus dem Koks-Abrieb, 25 bis 40 % Eisen aus dem Eisenträger- Abrieb, geringe
Mengen an CaO, SiO , Al O und 0,1 bis 0,3 % Zink. Der Wirbler, der den Staubsack ab-
2 2 3
gelöst hat, ist verschleißfest ausgekleidet, um eine Ofenreise ohne Betriebs-
Unterbrechungen zu überstehen. Vorgestellt werden Wirbler-Anlagen mit axialen oder
tangentialen Gas- Eintritt.
In Kapitel Sechzehn sind die Grundlagen der Wirbler-Auslegung mitgeteilt. Ihre An-
wendung für einen Abscheidegrad von 85 % an einem Hochofen mit 5000 Tonnen
Roheisen-E rzeugung pro Tag wird in einem Berechnungs-Beispiel vollzogen.
VIII Vorwort und Zusammenfassung
Kapitel Siebzehn beschreibt die nasse Feinstaub-Abscheidung im Ringspalt-Wäscher
als zweite Stufe der Gasreinigung. Das Ringspalt-Element dient gleichzeitig als Rege-
lorgan für den Gasdruck an der Ofengicht und als Entstaubungs-Aggregat für eine prak-
tisch vollständige Gasreinigung bis zur Nachweisbarkeitsgrenze kleiner 3 mg / nm3. Diese
Technologie der nassen Feinstaub-Abscheidung hat sich weltweit bei fast 90 % aller
Gegendruck-H ochöfen durchgesetzt. Das im Waschturm angeordnete verschleißfeste
Ringspalt-Element übersteht eine Hochofenreise von 20 Jahren nahezu wartungsfrei. Die
Massenträgheit ist bei der nassen Gasreinigung der entscheidende Mechanismus. Zur Be-
schreibung des auch mit Stoßabscheidung bezeichneten Effektes wurde 1931 das Tropfen-
modell von Sell entwickelt. Eine Vorausberechnung, die nicht auf experimentelle Daten
zurückgreift, zeigt eine erhebliche Diskrepanz zwischen gemessenen und mit dem Trop-
fenmodell berechneten Abscheidegraden. Der Grund hierfür ist, wie gezeigt wird, dass der
Tropfen bei der Stoßabscheidung in eine oberflächen-intensivere und damit abscheide-
wirksamere Membrane und in Flüssigkeitslamellen zerfällt.
Kapitel Achtzehn behandelt die Vorgänge im Vorwasch-Kühler des Waschturms: die
Staubabscheidung durch zentral angeordnete, z. T. zweiseitig spritzende Dralldüsen und
die thermodynamischen Vorgänge der Gaskühlung, die Verdampfungs-Kühlung bis zur
Gassättigung und die Kondensations-Kühlung durch den direkten Wärme- und Stoffaus-
tausch zwischen Gas und Wasser eines Waschwasser-Kreislaufes mit Wasser- Rückkühlung
im Kühlturm. Der Kühlturm für die Kondensations-Kühlung ohne Integration einer
Druckentspannungs-T urbine ist deshalb erforderlich, um die Wasserbeladung als Inert-
Anteil im Gichtgas für den Heizwert zu reduzieren. Bei einer nassen Gichtgasreinigung
mit Turbine kann auf den Kühlturm verzichtet werden, weil die Kondensation gesättigter
Gase bei der Druck- Entspannung in der Turbine stattfindet.
Die Berechnungs-Grundlagen für das Gichtgas-Dampfgemisch als ideales Gasgemisch
werden aufgezeigt und in Berechnungs-Beispielen für die Verdampfungs-Kühlung und
Kondensations-Kühlung angewendet.
Kapitel Neunzehn ist der Ringspalt-Wäscher-Auslegung gewidmet. Ein neues, durch
theoretisch-experimentelle Untersuchungen am klassischen Venturi-Wäscher entwickeltes
Abscheidemodell berücksichtigt erstmalig den Einfluss der Waschflüssigkeits-Frag-
mentationszone auf den Staubübergang. Es wurde festgestellt, dass die Flüssigkeits-
strahlen in einem Zwischenstadium vor der eigentlichen Tropfenbildung in Flüssigkeits-
Lamellen, -Fäden und -Membranen durch die Stoßwirkung zwischen der Gas- und
Wasser-Strömung zerteilt werden, die eine weitaus größere spezifische Oberfläche als
Tropfen besitzen. Daraus kann geschlossen werden, dass die Staubabscheidung überwie-
gend in diesem Bereich erfolgt. Für den Gesamt-Abscheidegrad wird ein über den Strö-
mungsweg gemitteltes dimensionsloses Produkt von Stoffübergangskoeffizient und Aus-
tauschfläche eingeführt, das auf den Volumenstrom des Gases bezogen ist. Dieses
physikalisch begründete Abscheidemodell wurde mit einigen Anpassen auf den Rings-
palt-Wäscher übertragen. In einem Berechnungs-Beispiel wird gezeigt, mit welcher Gas-
geschwindigkeit im Ringspalt die Zweiphasenströmung zu einem Reststaubgehalt von
beispielsweise 3 mg / nm3 führt.
Vorwort und Zusammenfassung IX
Kapitel Zwanzig behandelt das Thema der Schallgeschwindigkeit in einer Einphasen-
und Zweihasen-Strömung. Während bei Einphasen-Strömungen die kritische Geschwin-
digkeit gleich der Schallgeschwindigkeit im Gichtgas ist, trifft dies auf eine Zweiphasen-
strömung nicht zu. Hier ist die Ausbreitung des Schalls von der Frequenz abhängig. Bei
hohen Frequenzen mit großen Gas-Volumenanteilen können in einer Zweiphasenströmung
die Werte der Einphasen-Gasströmung näherungsweise übernommen werden. Für mittlere
Gas-Volumenanteile ist die Schallgeschwindigkeit in einer Zweiphasenströmung jedoch
wesentlich geringer. Bei der Druckdrosselung im Ringspalt-Wäscher ohne Turbine muss
geprüft werden, wann eine Schallgeschwindigkeit in der Zweiphasenströmung vorliegt.
Das wird in zwei Berechnungs-Beispielen einer Druckdrosselung ohne Turbine untersucht.
In Kapitel Einundzwanzig werden die Strömungsverhältnisse Austritt Ringspalt-E lement
im unteren Gassammelraum des Waschturms angesprochen. Eine Vorausberechnung der
Wasser-Abscheidung nach dem Trägheits-Prinzip ist hier aufgrund der komplizierten Ver-
wirbelung der Gasströmung bei der Umlenkung im Sammelraum nicht zugänglich. Statt-
dessen kann informativ die sogenannte Grenzbeladungs-Hypothese, bezogen auf die turbul-
ente Gasströmung in der horizontalen Verbindungsleitung zum nachgeschalteten
Tropfen-Abscheider herangezogen werden. Das Gas ist ähnlich wie in einer pneumatischen
Förderleitung nur bis zu einer Grenzbeladung in der Lage, Wasserteilchen in der Schwebe
zu halten. Die Schwebeleistung wird aus der Turbulenz-Leistung der Transport- bzw.
Gasströmung genommen. Höhere Beladungen wirken sich zunehmend turbulenzdämpfend
aus. Diese deterministische Betrachtungsweise kann die wirklichen Verhältnisse nur unvoll-
kommen modellieren. Dennoch gibt sie Auskunft darüber, ob im Gassammelraum Wasser
abgeschieden oder weitestgehend in den Tropfen-Abscheider gerissen bzw. getragen wird.
Ein Berechnungs-Beispiel prüft diese Frage am Beispiel der Druckdrosselung ohne Turbine.
Kapitel Zweiundzwanzig beschäftigt sich mit der Tropfen-Abscheidung. Der Entstau-
bungsgrad eines Wäschers kann nur so gut wie der Wirkungsgrad des ihm nachgeschalte-
ten Tropfen-Abscheiders sein. Angewendet werden Gleichstrom-Zyklone mit tangenti-
alem oder axialem Eintritt. Hierdurch erfährt das Gas einen Drall. Die daraus resultierende
Fliehkraft bewegt die Waschflüssigkeit zur Wand und wird dort abgeschieden. Der Flüs-
sigkeitsfilm fließt nach unten in den Sammelraum. Es kommen weitestgehend die Glei-
chungen der Gas-Zyklon-Berechnung zur Anwendung. Die Auslegung eines Gleichstrom-
Zyklons mit tangentialem Eintritt zeigt ein Berechnungs-Beispiel.
In Kapitel Dreiundzwanzig wird das Konzept der Waschwasser-Behandlung vorgestellt.
Die nasse Gasreinigung zeichnet sich dadurch aus, dass neben Staub auch hochgiftige
Schadstoffe wie Cyanid und Ammoniak und der korrosive Chlorwasserstoff abgeschieden
werden. Auch sie erfahren in der Wasser-Aufbereitung eine physikochemische Behand-
lung. Die Abscheidung der feinkörnigen Staubpartikel erfolgt im Rund-Klärbecken durch
Sedimentation Sie sinken im Schwerefeld nur langsam ab. Durch Flockungsmittel im
Klärbecken aus zumeist dreiwertigen Metallsalze wie Eisen(III)-Salze und Alumini-
umsalze werden Partikel-Kolloide derart aneinander haftend gemacht, dass sie als größere
Gebilde, d. h. als größere Mikro-Flocken mit höherer Geschwindigkeit absinken. Zusätzli-
che Flockungs-Hilfsmittel bilden aus den Mikro-Flocken Makro-Flocken. Die Auftren-
X Vorwort und Zusammenfassung
nung der abgesetzten Feststoffe in eine Grob- und eine Fein-Fraktion, um die Zn- und
Pb-ärmere Grobfraktion einer Verwertung über die Sinteranlage dem Hochofen zuzufüh-
ren, erfolgt durch Hydrozyklonierung. In einem Berechnungs-Beispiel wird die Auslegung
der Waschwasser-Behandlung und ebenso auch die Kühlturm-Auslegung vollzogen.
Kapitel Vierundzwanzig führt zu den Druck-Entspannungs-Turbinen für Hochöfen.
Man unterscheidet zwischen Axialturbinen und Radialturbinen. Bei Axialturbinen wird
das Rad ausschließlich axial durchströmt. Bei Radialturbinen erfolgt die Anströmung zen-
tripetal, d. h. in radialer Richtung von außen nach innen, und das Ausströmen in axialer
Richtung. Durch die Energieerzeugung in der Expansions-Turbine kann etwa 40 % der für
den Hochofenwind erforderlichen Verdichtungsarbeit gedeckt werden. Die Anwendung
von Axialturbinen wird bevorzugt, obwohl Radialturbinen bei staubbeladenen Gasen we-
niger störanfällig sind. Durch die Reinigung der Gichtgase im Ringspalt-Wäscher können
jedoch Reststaubgehalte bis auf kleiner 3 mg / nm3 eingestellt werden, was den betriebssi-
cheren Einsatz von Axialturbinen erlaubt-
Kapitel Fünfundzwanzig zeigt die Bauarten der Axialturbinen. Je nach Druckgefälle und
Gas-Volumenstrom kommen ein- oder zweiflutige sowie einstufige oder mehrstufige Axial-
turbinen zum Einsatz. Sie besitzen höhere Wirkungsgrade vor allem bei sich ändernden
Gas-Volumenströmen als Radialturbinen. Verstellbare Vorleitschaufeln am Eintritt der Axi-
alturbine ermöglichen mit einem Gleichdrall oder auch Gegendrall eine weitgehend ver-
lustfreie Druckregelung. Die praktizierte Druck-Regelung im Turbinenbetrieb mit Gleich-
drall wird für alle Betriebsfälle beschrieben. Die Einbeziehung einer bisher unterlassenen
Druckregelung mit Gegendrall wird als Vorteil in einem Anwendungs-Beispiel aufgezeigt.
Die Turbine setzt ein Enthalpiegefälle in technische Arbeit um, die sich besonders einfach
mit Hilfe eines Enthalpie (h), Entropie (s) – Diagramms auswerten lässt. Unabhängig da-
von, ob die Expansion reversibel oder irreversibel verläuft, gibt die Enthalpiedifferenz zwi-
schen Anfangs- und Endzustand stets die technische Arbeit an, wenn die Änderung der
Bewegungsenergie vernachlässigt wird. Für das gesättigte Gichtgas wurde ein spezielles
Enthapie, Entropie- Nomogramm entwickelt, mit dem Gasdruck, der Sättigungstemperatur
und der Wasserdampfbeladung als Parameter. Die Entropie des feuchten Gichtgases setzt
sich additiv aus den Entropien des trockenen Gases, des Wassers und aus der Mischungsen-
tropie zusammen. Die Berechnungs-Gleichungen hierzu werden mitgeteilt und in einem
Berechnungs- Beispiel für die nasse Gasreinigung ohne Wasserrückkühlung durchgeführt.
Das sechsundzwanzigste Kapitel Gibt einen Überblick über den Stand der Technik der
trockenen Feinstaub-Abscheidung im Gewebefilter mit Druckstoß-Abreinigung (Pulse-
Jet- Verfahren) als Alternative zu den weltweit fast ausschließlich eingesetzten Ringspalt-
Wäschern. Die angeblichen Vorteile der trockenen Feinstaub-Abscheidung werden
relativiert. Zur Anwendung kommen Schlauchfilter in runden Druckbehältern mit Stick-
stoff als Abreinigungsmedium. Nach den vorliegenden Betriebserfahrungen in China
muss die Filterflächenbelastung der Schläuche (bezogen auf den Betriebszustand) beson-
ders klein gewählt werden, um den direkten Staubdurchtritt durch Fehlstellen im Staubku-
chen zu verhindern. Das ist immer nach der Druckstoß-Abreinigung der Fall, wenn noch
keine Sperrwirkung durch einen aufwachsenden Staubkuchen auf dem Filtermedium er-
reicht ist und die Fehlstellen im Filtermedium sich bemerkbar machen. Darüber hinaus