LU103234B1 - Anlagenverbund und Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes zur Stahlerzeugung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Anlagenverbund zur Stahlerzeugung mit einem Konverterstahlwerk (8) zur Rohstahlerzeugung, einem zumindest mit dem Konverterstahlwerk (8) verbundenen Gasleitungssystem (13) zur Aufnahme der Abgase, die bei der Rohstahlerzeugung anfallen, mit einer an das Gasleitungssystem (13) angeschlossen Chemieanlage (14) und/oder Biotechnologieanlage, und wobei das Gasleitungssystem (13) über eine in Strömungsrichtung vor der Chemieanlage (14) oder Biotechnologieanlage angeordnete Mischvorrichtung (33) mit einer wasserstoffführenden Leitung (21) verbunden ist, wobei die Mischvorrichtung (33) dazu eingerichtet ist, einen zugeführten Gasstrom mit Wasserstoff anzureichern. Erfindungsgemäß ist eine Anlage zur Wasserstofferzeugung an die wasserstoffführende Leitung (21) 15 angeschlossen, welche eine Ammoniakspaltanlage (22) zur Aufspaltung von Ammoniak (23) zu Wasserstoff und Stickstoff aufweist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Anlagenverbundes.

Description

230052P00LU 10.01.2024

Beschreibung

Anlagenverbund und Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes zur

Stahlerzeugung

Die Erfindung betrifft einen Anlagenverbund zur Stahlerzeugung mit einem

Konverterstahlwerk zur Rohstahlerzeugung, einem zumindest mit dem

Konverterstahlwerk verbundenen Gasleitungssystem zur Aufnahme der Abgase, die bei der Rohstahlerzeugung anfallen, mit einer an das Gasleitungssystem angeschlossen Chemieanlage und/oder Biotechnologieanlage, und wobei das

Gasleitungssystem Uber eine in Strômungsrichtung vor der Chemieanlage oder

Biotechnologieanlage angeordnete Mischvorrichtung mit einer wasserstoff- führenden Leitung verbunden ist, wobei die Mischvorrichtung dazu eingerichtet ist, einen zugeführten Gasstrom mit Wasserstoff anzureichern.

In der Praxis ist es zunehmend ein Bestreben, Stahl in einer möglichst klimafreundlichen und COgz-freien Art und Weise herzustellen. Gemäß den bislang üblichen Verfahren erfolgt die Stahlherstellung in einem mehrstufigen

Prozess, wobei zunächst Eisenerz in einem Hochofen zu Roheisen reduziert wird. Hierzu wird das Eisenerz mit Zuschlägen sowie einem großen Anteil von

Koks und möglicherweise anderen Reduktionsmitteln wie Kohle, Öl, Gas,

Biomassen, aufbereiteten Allkunststoffen oder sonstigen Kohlenstoff und/oder

Wasserstoff enthaltenen Stoffen in den Hochofen eingefüllt, wobei durch den hohen Kohlenstoffgehalt das Eisen zu Roheisen reduziert wird. Zugleich geht der

Kohlenstoff mit dem nun freigewordenen Sauerstoff eine Verbindung ein, sodass das im Zuge des Hochofenprozesses entstandene Hochofengichtgas in einem hohen Maße CO: enthält. Ferner entstehen auch Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasserdampf sowie ein hoher Anteil von Stickstoff. Wenngleich die

Zusammensetzung des Hochofengichtgases gewissen Schwankungen unterliegt, so enthält dieses typischerweise zwischen 20 und 30 Vol.-% CO, 20 bis 30 Vol.-% CO», 2 bis 15 % Hz sowie 35 bis 58 % Na.

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Das Hochofengichtgas ist insbesondere durch den hohen COz- und N2-Gehalt von vergleichsweise geringer Qualität. Es kann jedoch aufgrund des hohen CO-

Gehalts zu Heizzwecken innerhalb des Anlagenverbundes genutzt werden.

Im Anschluss an die Roheisenerzeugung wird in einem klassischen Hütten- prozess das Roheisen in einem Konverterstahlwerk zu Stahl umgewandelt.

Durch Einblasen von Sauerstoff in flüssiges Roheisen werden störende

Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Silizium, Schwefel und Phosphor entfernt.

Zugleich wird auch der Kohlenstoffanteil auf das gewünschte Maß reduziert. Da die Oxidationsprozesse eine starke Wärmeentwicklung verursachen, wird häufig

Schrott in Mengen bis zu 25 % bezogen auf das Roheisen als Kühlmittel zugesetzt. Ferner werden Kalk zur Schlackenbildung und Legierungsmittel zugegeben.

Aus dem Stahlkonverter wird ein Konvertergas abgezogen, welches einen hohen

Gehalt an CO aufweist. Ferner sind Stickstoff, Wasserstoff und auch CO: enthalten. Eine typische Konvertergaszusammensetzung weist 55 bis 70 Vol.-%

CO, 13 bis 20 Vol.-% CO», 2 bis 10 % Hz und 0 bis 30 % Nz auf. Das Konvertergas stim Gegensatz zum Hochofengichtgas hochwertiger, da insbesondere der CO2-

Anteil als auch der Stickstoffanteil vergleichsweise gering sind und somit das

Konvertergas auf Grund des hohen CO-Gehaltes und des damit verbundenen höheren Heizwertes zu einem großen Teil z. B. thermisch umgesetzt werden kann.

Die Herstellung von Methanol aus dem Hochofengas und/oder dem

Konvertergas ist aus dem Stand der Technik z. B. in Form der EP 0 200 880 A2 oder der EP 3 080 308 B1 bekannt. Dennoch hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Chemieanlagen bzw. die Biotechnologieanlagen haufig dazu eingerichtet sind, vornehmlich das Hochofengichtgas umzusetzen, da sich das Konvertergas aufgrund seines niedrigen Inertgasanteils besonders gut als Energiequelle für die thermische Umsetzung oder auch für die Erzeugung von Strom eignet. Darüber wird vornehmlich Hochofengichtgas für die chemische Umsetzung verwendet, da

230052P00LU 3 aufgrund des hohen COz-Gehaltes im Hochofengichtgas ohnehin eine

Adressierung zur Senkung der CO2-Emissionen erforderlich ist.

Wenngleich bereits im Rahmen des klassischen Hüttenprozesses verschiedene

Möglichkeiten vorgeschlagen wurden, die abgezogenen Abgase zu verwerten, um die in die Atmosphäre freigesetzte Menge an COz reduzieren zu können, so zeigt sich nunmehr in der Industrie ein großes Bestreben darin, die Menge an

CO2 bereits in ihrer Entstehung weitestgehend zu vermeiden. Dies kann beispielsweise durch Verwenden sogenannter Direktreduktionsöfen erfolgen. In einem Direktreduktionsofen erfolgt die Reduktion von Eisenerz zu Eisen nicht ausschließlich durch Einsatz von Kohlenstoff in Form von Koks sondern vielmehr durch Verwendung von Wasserstoff (H2), sodass im Zuge der Direktreduktion neben dem reduzierten Eisen hauptsächlich Wasserdampf und ein deutlich geringerer Anteil COz entsteht. Anstelle von Wasserstoff eignet sich auch Erdgas oder Synthesegas für die Direktreduktion. Im Fall der Direktreduktion mit

Wasserstoff kann dieser beispielsweise durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden. Als Energiequelle bieten sich dann regenerative Energiequellen an, sodass die Reduktion von Eisenerz in einer möglichst klimafreundlichen Art und

Weise möglich ist. Da bislang Wasserstoff aus regenerativen Quellen noch nicht in großer Menge verfügbar ist, ist es auch möglich, den Wasserstoff aus Erdgas z. B. durch partielle Oxidation zu gewinnen.

Der zunehmende Austausch von Hochöfen durch Direktreduktionsöfen bewirkt allerdings auch, dass das Hochofengichtgas nicht länger in ausreichender Menge vorliegt, so dass bei bestehenden Chemieanlagen oder biotechnologische

Anlagen, welche für die Aufnahme von Hochofengichtgas ausgelegt sind,

Versorgungslücken entstehen, welche durch anderweitige Gase gefüllt werden müssen. Insbesondere Konvertergas eignet sich in einem besonderen Maße dazu, anstelle einer thermischen Umsetzung, auch in einer Chemieanlage oder biotechnologischen Anlagen verwendet zu werden. Sofern in ein bestehendes

System allerdings nunmehr auch Konvertergas eingebunden werden soll, so ist es erforderlich, dieses Gas in einer Art und Weise aufzubereiten, so dass sich eine Zusammensetzung nach Art des Hochofengichtgases herausbildet. Hierzu

230052P00LU 4 muss einerseits der Anteil von Kohlendioxid und andererseits der Anteil von

Stickstoff hochgesetzt werden. Auch eine Anreicherung mit Wasserstoff ist hingegen sowohl beim Hochofengichtgas als auch beim Konvertergas erforderlich, da beide Gase einen sehr niedrigen Anteil von Wasserstoff aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Anlagenverbund anzugeben, welcher die Verwendung von Konvertergas in einer, insbesondere bereits bestehenden, Chemieanlage und/oder Biotechnologieanlage ermöglicht.

Gegenstand und Lösung dieser Aufgabe ist ein Anlagenverbund gemäß

Patentanspruch 1. Demnach ist eine Anlage zur Wasserstofferzeugung an die wasserstoffführende Leitung angeschlossen ist, welche eine Ammoniak- spaltanlage zur Aufspaltung von Ammoniak zu Wasserstoff und Stickstoff aufweist.

Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass das in einer Ammoniak- spaltanlage (Ammoniakcracker) gebildete Spaltgas, welches im Wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff besteht besonders dazu geeignet ist ein Zusam- mensetzung zu ermöglichen, welche annähernd der des Hochofengichtgases entspricht.

Ammoniak ist ein äußerst vielversprechendes Produkt, welches hohe Mengen von Wasserstoff in chemisch gebundener Form und somit in einer stabilen Art und Weise binden kann, sodass der Transport über große Strecken in einfacher

Art und Weise möglich ist. So lässt sich beispielsweise im Ausland durch

Sonnenenergie und Wasser im Zuge der Wasserelektrolyse Wasserstoff erzeugen, welcher dann mit Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak weiterverarbeitet wird. Dieses Ammoniak kann dann z. B. über Pipelines oder

Transportschiffe transportiert werden und der Ammoniakspaltanlage des erfindungsgemäßen Anlagenverbundes zur Verfügung gestellt werden. Innerhalb der Ammoniakspaltanlage wird das Ammoniak durch Einbindung von Wärme aufgespalten, wobei sich ein Spaltgas (Crackinggas) ausbildet, welches

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Wasserstoff und Stickstoff in einem Verhältnis zwischen 2,5:1 und 3,5:1 aufweist.

Dieses Spaltgas kann dann dazu verwendet werden, um die in den

Gasleitungssystemen geführten Gase, insbesondere das Konvertergas, mit

Wasserstoff anzureichern. 5

Bei der Anreicherung mit Spaltgas bieten sich zwei mögliche Wege an. Gemäß einer ersten Alternative wird aus dem Spaltgas ein Wasserstoffstrom abgetrennt.

Dies kann beispielsweise durch eine sogenannte Druckwechsel-Absorption (pressure swing adsorption (PSA)) erfolgen. Entsprechend bilden sich aus dem

Spaltgas ein Wasserstoffstrom und ein Restspaltgasstrom, wobei im Zuge der

Abtrennung bis zu 70 %, vorzugsweise bis zu 80 %, des im Spaltgas enthaltenen

Wasserstoffes abgetrennt werden können. Entsprechend weist das Restspaltgas noch immer 20-30 % des insgesamt gebildeten Wasserstoffs auf, welches nun in einer Mischung mit dem Stickstoff vorliegt. Der abgetrennte Wasserstoff wird dann Uber das Gasleitungssystem dem Konvertergas bzw. den im

Gasleitungssystem befindlichen Abgasen beigemischt und beispielsweise zur

Methanolsynthese genutzt. Da das Konvertergas bereits sehr hochwertig ist und lediglich einen geringen Anteil an Inertgas wie z. B. Stickstoff aufweist, ist es möglich Methanol in einer sehr effizienten Art und Weise zu synthetisieren.

Alternativ ist es aber auch möglich, das Spaltgas vollständig und ohne

Abtrennung von Wasserstoff beizumischen, wobei auf diesem Wege ein nicht unerheblicher Anteil von Stickstoff als Inertgaskomponente beigefügt wird.

Allerdings kann so der in der Spaltreaktion gebildete Wasserstoffanteil vollständig und nicht nur bis zu einem Anteil von 70 % oder 80 % ausgenutzt werden, sodass sich zwar hinsichtlich der Methanolsynthese ein vergleichsweise ineffizientes Verfahren einstellt, welches aber durch den höheren

Wasserstoffgehalt zumindest teilweise ausgeglichen werden kann. Folglich wird über die wasserstoffführende Leitung nicht nur der Wasserstoffanteil der

Mischung sondern zugleich auch der Stickstoffanteil des Konvertergases erhöht.

Die Erfindung hat hierbei erkannt, dass bei Verwendung von aus Ammoniak gebildeten Spaltgas sich ein Verhältnis der Stoffmengen von Kohlendioxid und

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Stickstoff ausbildet, welches dem des Hochofengichtgases entspricht.

Insbesondere liegt das Stoffmengenverhältnis aus CO2 und CO zu Ne ((CO2+CO)/N2) im Bereich zwischen 0,9 und 1,2 liegt.

Zusätzlich kann es hierfür auch erforderlich sein, bei einer Anpassung des

Konvertergases an das Hochofengichtgas auch den Kohlendioxidanteil zu erhöhen. Entsprechend kann auch eine kohlendioxidführende Leitung an das

Gasleitungssystem angeschlossen sein. Als Kohlendioxidquelle bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass beispielsweise ein Purgergas verbrannt und das dabei erzeugte

Kohlendioxid über die kohlendioxidführende Leitung beigefügt wird.

Ein solches Purgergas wird in der Regel während der Methanolherstellung aus dem Methanol-Synthesekreislauf abgezogen uns besteht im Wesentlichen aus

CO, Hz, CO2 und Ne. Das Abziehen von Purgergas ist erforderlich, damit sich der nicht weiter nutzbare Stickstoffgehalt nicht übermäßig in dem Methanol-

Synthesekreislauf anreichert. Zugleich kann dieses Purgergas auch aufgrund des CO- und H2-Gehaltes verbrannt und die thermische Energie für den

Ammoniakspalter verwendet werden. Sofern gemäß der ersten Variante

Wasserstoff aus dem Spaltgas abgetrennt wird, so kann das aus Hz und N2 gebildete Restspaltgas ebenfalls verbrannt und die thermische Energie für die

Ammoniakspaltsanlage verwendet werden.

Bei der Chemieanlage handelt es sich bevorzugt um eine Anlage zur

Methanolherstellung. Hierzu muss ein im Wesentlichen aus CO und/oder CO2 und Hz bestehendes Synthesegas bereitgestellt werden, welches die

Komponenten Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und Wasserstoff im richtigen Verhältnis enthält. Dieses Verhältnis wird häufig durch das Modul (H2-CO2)/(CO+CO2) beschrieben und liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1,8 und 2,5, besonders bevorzugt bei 2. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, im Rahmen der Chemieanlage anderweitige Kohlenwasserstoffe herzustellen.

Die für die Herstellung der Kohlenwasserstoffe erforderlich Wasserstoffmenge wird hauptsächlich durch Zugabe des Spaltgas aus der Ammoniakspaltung im

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Zuge der Anpassung der Stickstoffkonzentration bereitgestellt. Ergänzend kann der Wasserstoffgehalt auch durch Zugabe von reinem Wasserstoff aus anderen

Quellen, wie beispielsweise dem Koksofengas oder mittels Wasserelektrolyse produziertem Wasserstoff, angepasst werden.

Sofern ergänzend oder alternativ eine Biotechnologieanlage vorgesehen ist, so handelt es sich bevorzugt um eine Anlage zur Fermentation, wobei die Abgase über die Fermentation biochemisch genutzt werden und wobei Produkte wie

Alkohole (Ethanol, Butanol), Aceton oder organische Säuren hergestellt werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das Konvertergas mit dem

Ammoniak-Spaltgas gemischt und es erfolgt vor der Umsetzung in der

Chemieanlage oder der biotechnologischen Anlage eine Gasreinigung.

Entsprechend ist eine Gasreinigungsvorrichtung an das Gasleitungssystem angeschlossen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zusätzlich ein Hochofen zur

Roheisenerzeugung vorgesehen, wobei der Hochofen an das Gasleitungsystem zur Aufnahme der Abgase, die bei der Roheisenerzeugung anfallen, ange- schlossen ist. Bei diesen Abgasen handelt es sich um Hochofengichtgas. Wie bereits zuvor erläutert, kann es zweckmäßig sein, bestehende Hüttenwerke schrittweise auf eine Direktreduktion mithilfe von Direktreduktionsôfen umzustellen, sodass für einen gewissen Zeitabschnitt parallel Hochöfen und

Direktreduktionsöfen zur Herstellung von Roheisen verwendet werden.

Entsprechend fällt in dem Anlagenverbund nicht nur Konvertergas sondern auch weiterhin Hochofengichtgas an, welches ebenfalls einen hohen Kohlenstoffanteil aufweist und damit zur Herstellung von chemischen Produkten oder biotechnologischen Produkten geeignet ist. Insbesondere ist es in diesem

Zusammenhang auch bekannt, dass Hochofengichtgas zur Herstellung von

Methanol einzusetzen, wobei das Hochofengichtgas entweder einer separaten

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Anlage zur Methanolherstellung zugeführt wird oder wobei dass Hochofen- gichtgas gemeinsam mit dem Konvertergas einer Anlage zur Methanol- herstellung zugeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich ein

Schmelzaggregat zum Aufschmelzen von Eisenschwamm vorgesehen, wobei das Schmelzaggregat an das Gasleitungssystem zur Aufnahme der Abgase, die beim Aufschmelzen entstehen, angeschlossen ist.

Im Gegensatz zum klassischen Hochofenprozesses entsteht infolge der Direkt- reduktion kein flüssiges Roheisen sondern vielmehr ein fester Eisenschwamm, welcher für die Herstellung von Stahl aufgeschmolzen werden muss. Dieses

Aufschmelzen erfolgt in einem Schmelzaggregat.

Im Rahmen der Erfindung handelt es sich bei dem Schmelzaggregat bevorzugt um einen sogenannten Schmelz-Reduktionsofen (submerged arc furnace (SAF)), in welchem ausschließlich ein Aufschmelzen des Eisenschwamms erfolgt. Die eigentliche Stahlerzeugung aus dem flüssigen Roheisen erfolgt dann in einem nachgeschalteten Schritt. Alternativ kann es sich bei dem Schmelz- aggregat aber auch um einen Elektrolichtbogenofen handeln, in dem einerseits das Aufschmelzen und zugleich die Stahlumwandlung erfolgen. Dies geschieht dadurch, dass neben Eisenschwamm bereits die zur Stahlerzeugung erforderlichen Zuschlagstoffe in den Elektrolichtbogenofen eingeführt werden.

Unabhängig von der Art des Schmelzaggregats bildet sich ein Schmelzgas aus, welches als Abgas bei der Roheisenerzeugung in dem Schmelzaggregat erzeugt wird. Dieses Schmelzgas kann grundsätzlich in seiner Zusammensetzung unter- schiedlich ausgebildet sein. Es kann jedoch stark dem Konvertergas ähneln und weist dann eine Zusammensetzung von 60 bis 95 Vol.-% CO, 4 bis 9 % CO2, 0 bis 10 Vol.-% Hz und 0 bis 36 Vol.-% Ne auf. Entsprechend handelt es sich um ein hochwertiges Gas, welches jedoch durch den hohen Anteil von Kohlenstoff- enthaltenen Verbindungen ebenfalls als klimaschädliches Gas anzusehen ist.

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Der Eisenschwamm kann beispielsweise vorgefertigt dem Anlagenverbund zugeführt werden. Alternativ ist aber zusätzlich ein Direktreduktionsofen zur

Erzeugung von Eisenschwamm vorgesehen. Hierbei ist es denkbar, dass trotz des Direktreduktionsofens weiterhin parallel in einer Übergangsphase ein klassisches Hüttenkraftwerk betrieben wird. Sowohl das im Hochofen als auch das im Schmelzaggregat erzeugte Roheisen werden dann gemeinsam oder getrennt in Konverterstahlwerken zu Rohstahl umgesetzt.

Die Hüttenwerke weisen oftmals auch eine Kokerei auf, welche das für den

Hochofen erforderliche Koks unmittelbar vor Ort aus Kohle erzeugen. Im Zuge des Koksofenprozesses entsteht in dem Koksofen ein Koksofengas, welches einen Wasserstoffanteil von 55 bis 70 Vol.-% aufweist. Darüber hinaus ist auch

Methan (CH4) mit einer Menge von 20 bis 30 Vol.-% enthalten, aus welchem in einfacher Art und Weise durch partielle Oxidation zu CO und H2 gebildet werden kann. Entsprechend kann somit auch ein Koksofen über die wasserstoffführende

Leitung mit dem Gasleitungssystem verbunden werden.

Ergänzend kann die Anlage zur Wasserstofferzeugung auch eine Elektrolyse- anlage zur Wasserelektrolyse aufweisen. Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser durch Eintrag von elektrischem Strom zu Wasserstoff und Sauerstoff aufge- spalten. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn Strom in großer und günstiger Menge zur Verfügung steht. Hierbei kann der Strom beispielsweise aus regenerativen Energiequellen z. B. durch Solarenergie oder durch Windenergie gewonnen werden. Bereits für den Betrieb des Direkt- reduktionsofens ist eine große Menge von Wasserstoff erforderlich, sodass dann die Anlage zur Wasserstofferzeugung sowohl über die wasserstoffführende

Leitung an das Gasleitungssystem als auch an den Direktreduktionsofen angeschlossen sein kann. Ferner ist es in diesem Zusammenhang auch denkbar, dass die Abgase aus dem Direktreduktionsofen nach einer Aufbereitung und gegebenenfalls Reinigung an die Anlage zur Wasserstofferzeugung bzw. die

Elektrolyseanlage zurückgeführt werden, damit aus dem im Direktreduktionsofen

230052P00LU 10 erzeugten Wasserdampf erneut Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden kann.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass das Gasleitungssystem einen schaltbaren Gassammler aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, die

Zuführung der durch das Schmelzaggregat und/oder das Konverterstahlwerk und/oder den Hochofen erzeugten Abgasen zu steuern. Eine solche Ausge- staltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Hochofen einbezogen wird, da die im Hochofen erzeugten Hochofengichtgase deutlich in ihrer Zusammen- setzung von den Abgasen im Schmelzaggregat und im Konverterstahlwerk abweichen. Durch einen solchen schaltbaren Gassammler ist es daher möglich, die Zusammensetzung der in Gasleitungsystem geführten Abgase zu steuern, sodass je nach Betriebszustand unterschiedlich effiziente Umwandlungen in der

Chemieanlage oder in der biotechnologischen Anlage erfolgen können.

Darüber hinaus kann es auch sinnvoll sein, wenn neben der Chemieanlage und/der Biotechnologieanlage ein Kraftwerk an das Gasleitungssystem ange- schlossen ist. In einem solchen Fall weist das Gasleitungssystem bevorzugt eine schaltbare Gasweiche auf, welche die Zufuhr der Gasmengen in die

Chemieanlage bzw. die biotechnologische Anlage und in das Kraftwerk steuert.

So ist es beispielsweise möglich, dass bei hohen Strompreisen eine Verstromung der Abgase erfolgt, während im Fall von niedrigen Strompreisen eine Umsetzung in der Chemieanlage oder in der Biotechnologieanlage erfolgt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines

Anlagenverbundes, insbesondere eines erfindungsgemäßen Anlagenverbundes gemäß Patentanspruch 9, mit einem Konverterstahlwerk zur Roheisen- erzeugung, wobei zunächst eine Teilmenge eines im Zuge der Rohstahl- erzeugung anfallenden Konvertergases aufbereitet und nach Aufbereitung zur

Herstellung chemischer oder biotechnologischer Produkte verwendet wird. In diesem Zusammenhang ist mit einer Teilmenge gemeint, dass die Teilmenge einem Anteil der Gesamtmenge des Abgases entspricht, wobei aber die

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Teilmenge als auch die Gesamtmenge eine identische stoffliche Zusammen- setzung aufweisen.

Erfindungsgemäß kann durch Aufspalten von Ammoniak ein wasserstoffreiches

Spaltgas gewonnen werden, wobei dem Konvertergas entweder unmittelbar das

Spaltgas oder ein aus dem Spaltgas gewonnener Wasserstoffstrom im Zuge der

Aufbereitung zur Bildung eines Gasgemisches zugeführt wird. Ergänzend kann der Wasserstoffstrom auch zum Teil durch Wasserelektrolyse aus Wasser gewonnen werden. An dieser Stelle sei auch nochmals hervorgehoben, dass bereits im Zusammenhang mit dem Anlagenverbund erläuterte

Verfahrensmerkmale sich auch auf das erfindungsgemäße Verfahren gemäß

Patentanspruch 8 beziehen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das Konvertergas mit zumindest einer Teilmenge eines beim Aufschmelzen von Eisenschwamm anfallenden

Schmelzgases gemischt. Entsprechend wird nunmehr nicht nur das

Konvertergas sondern eine Mischung aus Konvertergas und Schmelzgas zur

Bildung des Gasgemisches aufbereitet und nach der Aufbereitung zur

Herstellung chemischer oder biotechnologischer Produkte verwendet.

Darüber hinaus kann auch zumindest eine Teilmenge eines bei der Roheisen- erzeugung im Hochofen anfallenden Hochofengichtgases separat vom

Konvertergas bzw. vom Gasgemisch aufbereitet und nach der Aufbereitung zur

Herstellung chemischer oder biotechnologischer Produkte verwendet werden.

Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, dass das Hochofengas dem

Gasgemisch zuzuführen, insbesondere jeweils nach der Aufbereitung, zusammengeführt und gemeinsam zur Herstellung chemischer oder biotechnologischer Produkte verwendet werden.

Bei den chemischen Produkten handelt es sich insbesondere um Methanol oder anderweitige Kohlenwasserstoffe. Die Herstellung von Methanol kann beispiels- weise in Form der Methanolsynthese an einem Feststoff-Katalysator erfolgen.

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Bei den biotechnologischen Produkten handelt es sich insbesondere um

Produkte, welche im Zuge der Fermentation der Abgase mithilfe von

Mikroorganismen erzeugt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Anlagenverbundes mit einem

Hochofen sowie einem Direktreduktionsofen

Fig. 2,3 verschiedene Möglichkeiten der Aufbereitung des Konvertergases zur

Herstellung chemischer Produkte.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Anlagenverbundes mit einer sogenannten Hochofenroute und einer parallel geschalteten Direkt- reduktionsroute. Die Direktreduktionsroute weist einen Direktreduktionsofen 1 auf, welcher einerseits mit Eisenerz 2 und andererseits mit einem Reduktions- mittel 3 beschickt wird, wobei es sich bei dem Reduktionsmittel 3 um Wasserstoff (H2) handelt. Im Zuge der Direktreduktion in dem Direktreduktionsofen 1 bildet sich aus dem Eisenerz 2 einerseits ein Eisenschwamm 4 sowie andererseits ein

Wasserdampfstrom 5 als Abgas heraus.

Der Eisenschwamm 4 wird sodann in einem Schmelzaggregat 6 aufgeschmolzen und das flüssige Roheisen 7 in einem nachgeschalteten Konverterstahlwerk 8 zu

Rohstahl 9 umgebildet.

In der parallelen Hochofenroute wird in einem Hochofen 10 das Eisenerz 2 sowie das Reduktionsmittel 3 zugeführt, wobei es sich bei dem Reduktionsmittel 3 in diesem Fall um Koks handelt. In dem Hochofen 10 entsteht unmittelbar flüssiges

Roheisen 7, welches dann in dem nachgeschalteten Konverterstahlwerk 8 zu

Rohstahl 9 umgebildet wird.

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Im Gegensatz zum Hochofen 10 wird somit in dem Direktreduktionsofen

Wasserstoff anstelle von Kohlenstoff als Reduktionsmittel 3 eingesetzt, sodass sich im Wesentlichen ein Wasserdampfstrom 5 als Abgas herausbildet. Im

Gegensatz dazu bildet sich im Hochofen ein Hochofengichtgas 11, welches zu einem überwiegenden Anteil aus Kohlendioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO) zusammengesetzt ist. Ferner ist auch ein nicht unerheblicher Teil an Stickstoff (N2) als Inertgaskomponente enthalten, welches für eine weitere Nutzung des

Hochofengichtgases 11 nicht zur Verfügung steht.

Indem Schmelzaggregat 6 der Direktreduktionsroute bildet sich ebenfalls ein aus mehreren Stoffen zusammengesetztes Abgas aus, welches nachfolgend als

Schmelzgas 12 bezeichnet wird. Aufgrund des vergleichsweise niedrigen

Stickstoffanteils handelt es sich um ein hochwertiges Gas, welches in einem

Gasleitungssystem 13 einer Chemieanlage 14 zugeführt werden kann. In dieser

Chemieanlage 14 kann das Konvertergas 15 und auch das Schmelzgas 12 beispielsweise im Zuge einer Synthetisierung zu Methanol 32 umgeformt werden.

Anstelle der in der Fig. 1 dargestellten Chemieanlage 14 ist aber auch eine

Biotechnologieanlage denkbar.

In dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel ist es möglich, dass Schmelzgas 12, das

Konvertergas 15 und das Hochofengichtgas 11 zu mischen. Darüber hinaus erfolgt auch eine Aufbereitung des Gasgemisches, welche durch die Aufbe- reitungsvorrichtung 17 dargestellt ist. Die Aufbereitungsvorrichtung 17 umfasst sämtliche Anlagenkomponenten und Schritte, welche erforderlich sind, um das

Gasgemisch für die Umsetzung in der Chemieanlage 14 nutzbar zu machen.

Diese Aufbereitungsvorrichtung 17 wird sodann in den Fig. 2 und 3 näher spezifiziert.

Gemäß der Fig. 2 ist nunmehr zur Herstellung des flüssigen Roheisens 7 ausschließlich ein Direktreduktionsofen 1 zur Erzeugung von Eisenschwamm 4 sowie ein Schmelzaggregat 6 zur Erzeugung von flüssigem Roheisen 7 vorgesehen. Die Erzeugung des Rohstahls erfolgt in einem dem

Schmelzaggregat 7 nachgeschalteten Konverterstahlwerk 8.

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Wie bereits zuvor erläutert, wird der Direktreduktionsanlage einerseits Eisenerz 2 sowie ein Reduktionsmittel 3 zugeführt, wobei es sich bei dem Reduktionsmittel 3 um Wasserstoff handelt. Dieser Wasserstoff kann in einer Elektrolyseanlage zur Wasserelektrolyse 18 gebildet werden. Durch Zuführung von einem

Wasserdampfstrom 5 sowie unter Einbeziehung elektrischer Energie 19 wird der

Wasserdampf zu Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, wobei dann der

Wasserstoff als Reduktionsmittel 3 der Direktreduktionsanlage zugeführt wird.

Als Abgas in dem Direktreduktionsofen 1 bildet sich Wasserdampf 5, welcher der

Elektrolyseanlage 18 erneut zugeführt werden kann.

Das Schmelzgas 12 aus dem Schmelzgasaggregat 6 wird sodann einem

Gasleitungssystem 13 zugeführt und in einer Mischvorrichtung 33 mit dem

Konvertergas 15 gemischt. Die Aufbereitungsvorrichtung 17 sieht ferner zunächst eine Gasreinigung des Schmelzgases 12 und des Konvertergases 15 in einer Gasreinigungsvorrichtung 20 vor. Für eine Methanolsynthetisierung in der Chemiefabrik 14 ist es darüber hinaus erforderlich, der Mischvorrichtung 33

Wasserstoff zuzuführen. Hierzu weist die Aufbereitungsvorrichtung 17 eine wasserstoffführende Leitung 21 auf, welche mit der Mischvorrichtung 33 mit dem

Gasleitungssystem 13 verbunden ist.

Zur Erzeugung des Wasserstoffes weist die Aufbereitungsvorrichtung 17 eine

Ammoniakspaltanlage 22 auf, welche Ammoniak 23 in ein Spaltgas 24 aufspaltet.

Dieses Spaltgas 24 besteht im Wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff in einem Verhältnis von 2,5:1 bis 3,5:1. Sodann wird in einer

Druckwechseladsorptionsanlage 25 Wasserstoff herausgefiltert und über die wasserstoffführende Leitung 21 dem Gasleitungssystem 13 zugeführt, wodurch sich das Schmelzgas 12 mit Wasserstoff anreichert. In der

Druckwechseladsorptionsanlage 25 kann jedoch nur ein gewisser Anteil des

Wasserstoffes herausgefiltert werden. Dieser Anteil liegt im Bereich von 70 %.

Der übrige Wasserstoff wird zusammen mit dem Stickstoff als Restspaltgas 26 einer Verbrennungsanlage 27 zugeführt. Die dort entstandene Wärme 28 kann

230052P00LU 15 innerhalb der Spaltanlage 22 zum Aufspalten des Ammoniaks 23 verwendet werden.

Das in der Aufbereitungsvorrichtung 17 gebildete Gasgemisch 34 wird sodann der Chemiefabrik 14 zugeführt.

Der in der Fig. 3 dargestellte Anlagenverbund stimmt weitestgehend mit dem

Anlagenverbund gemäß der Fig. 2 überein.

Auch gemäß der Fig. 3 ist eine Ammoniakspaltanlage 22 vorgesehen, wobei in diesem Fall über die wasserstoffführende Leitung 21 das gesamte Spaltgas 24 dem Gasleitungssystem 13 zugeführt wird. Entsprechend wird das Schmelzgas 12 nicht nur mit Wasserstoff sondern auch mit Stickstoff angereichert. Hierdurch erhöht sich zwar der Inertgasanteil in dem Schmelzgas 12. Zugleich kann aber der im Spaltgas 24 befindliche Wasserstoff vollständig zur Anreicherung des

Gasgemisches genutzt werden. Dies hat zur Folge, dass innerhalb der

Chemieanlage 14, welche als Anlage zu Methanolsynthese ausgebildet ist, ein sogenanntes Purgegas 29 abgezogen werden muss, welches einen hohen Anteil an Stickstoff aber auch an Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweist.

Entsprechend eignet sich dieses Purgegas 29 dazu, in einer Verbrennungs- anlage 27 verbrannt zu werden. Die entstandene Wärme 28 kann dann erneut für die Spaltanlage 22 verwendet werden. Darüber hinaus kann in einer

Wascheinrichtung 30 ein Kohlendioxid-enthaltender Strom 31 herausgebildet werden, welcher dem Gasleitungssystem 13 zugeführt wird.

Entsprechend wird gemäß dem Anlagenschema in der Fig. 3 dem Gasgemisch aus Konvertergas 15 und Schmelzgas 12 nicht nur Wasserstoff sondern auch

Stickstoff und Kohlendioxid zugeführt. Insbesondere die letzten beiden

Komponenten führen dazu, dass das Gasgemisch derart umgebildet wird, dass die Zusammensetzung der des Hochofengichtgases 11 entspricht. Entsprechend kann es sinnvoll sein, auch das Hochofengichtgas 11 nach einer Anreicherung mit Wasserstoff über eine wasserstoffführende Leitung 21 dem aufbereiteten

Gasgemisch beizumischen und gemeinsam in einer Chemieanlage 14 zu

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Methanol 32 umzusetzen. Eine solche Ausgestaltung ist besonders dann sinnvoll, wenn in einer Übergangsphase an einem Standort sowohl ein Hochofen 10 als auch ein Direktreduktionsofen 1 mit einem Schmelzaggregat 6 angeordnet ist. Gemäß der in der Fig. 3 gezeigte Ausgestaltungen erfolgen erst eine

Gasreinigung des Konvertergases 15 und des Schmelzgases 12 und erst dann die Zumischung des Spaltgases 24.

Alternativ ist es auch möglich, dass bereits gebildete Gasgemisch 34 zu reinigen.

Hierdurch könnten auch Verunreinigungen im Spaltgas 24 mitentfernt werden.

Claims (1)

1. 230052P00LU

   10.01.2024 Patentansprüche

   1. Anlagenverbund zur Stahlerzeugung mit einem Konverterstahlwerk (8) zur Rohstahlerzeugung, einem zumindest mit dem —Konverterstahlwerk (8) verbundenen Gasleitungssystem (13) zur Aufnahme der Abgase, die bei der Rohstahlerzeugung anfallen, mit einer an das Gasleitungssystem (13) angeschlossen Chemieanlage (14) und/oder Biotechnologieanlage, und wobei das Gasleitungssystem (13) über eine in Strömungsrichtung vor der Chemieanlage (14) oder Biotechnologieanlage angeordnete Mischvorrichtung mit einer wasserstoffführenden Leitung (21) verbunden ist, wobei die Mischvorrichtung (33) dazu eingerichtet ist, einen zugeführten Gasstrom mit Wasserstoff anzureichern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage zur Wasserstofferzeugung an die wasserstoffführende Leitung (21) angeschlossen ist, welche eine Ammoniakspaltanlage (22) zur Aufspaltung von Ammoniak (23) zu Wasserstoff und Stickstoff aufweist.

   2. Anlagenverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Hochofen (10) zur Roheisenerzeugung vorgesehen ist, wobei der Hochofen (10) an das Gasleitungssystem (13) zur Aufnahme der Abgase, die bei der Roheisenerzeugung anfallen, angeschlossen ist.

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   3. Anlagenverbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Schmelzaggregat (6) zum Aufschmelzen von Eisenschwamm (4) vorgesehen ist, wobei das Schmelzaggregat (6) an das Gasleitungssystem (13) zur Aufnahme der Abgase, die beim Aufschmelzen entstehen anfallen, angeschlossen ist.

   4. Anlagenverbund nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Direktreduktionsofen zur Erzeugung von Eisenschwamm (4) vorgesehen ist.

   5. Anlagenverbund nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasleitungssystem (13) einen schaltbaren Gassammler aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, die Zuführung der durch das Schmelzaggregat (6) und/oder das Konverterstahlwerk (8) und/oder den Hochofen (10) erzeugten Abgase zu steuern.

   6. Anlagenverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Chemieanlage (14) eine Anlage zur Methanolherstellung ist.

   7. Anlagenverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Wasserstofferzeugung zusätzlich eine Elektrolyseanlage (18) zur Wasserelektrolyse aufweist.

   8. Anlagenverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasleitungssystem (13) mit einer Kohlendioxid-führenden Leitung verbunden ist.

   9. Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbundes, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Konverterstahlwerk (8) zur Rohstahlerzeugung,

   230052P00LU 3 wobei zumindest eine Teilmenge eines im Zuge der Rohstahlerzeugung anfallenden Konvertergases (15) aufbereitet wird und nach der Aufbereitung zur Herstellung chemischer oder biotechnologischer Produkte verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufspalten von Ammoniak (23) ein wasserstoffreiches Spaltgas (24) gewonnen wird und wobei dem Konvertergas (15) im Zuge der Aufbereitung zur Bildung eines Gasgemisches (34) das Spaltgas (24) oder ein aus dem Spaltgas (24) gewonnener Wasserstoffstrom zugeführt wird.

   10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Gasgemisches (34) zumindest eine Teilmenge eines beim Aufschmelzen von Eisenschwamm (4) anfallenden Schmelzgases (12) beigemischt wird.

   11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilmenge eines bei der Roheisenerzeugung im Hochofen (10) anfallenden Hochofengichtgases (11) separat vom Konvertergas (15) aufbereitet und nach der Aufbereitung zur Herstellung chemischer oder biotechnologischer Produkte verwendet wird.

   12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Gasgemisches (34) das Hochofengichtgas (11) beigemischt wird.

   13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Konvertergas (15) mit einem COz-haltigen Gas angereichert wird.

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   14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch (34) vor der Herstellung chemischer oder biotechnologischer Produkte gereinigt wird.