WO2024200095A1 - Verfahren zum betreiben einer direktreduktionsanlage - Google Patents

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Dr. Nils JÄGER
Dr. Daniel SCHUBERT
Dr. Matthias Weinberg
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a direct reduction plant.
  • a shaft furnace In the direct reduction process, a shaft furnace is traditionally used as a reactor with a reduction zone, through which the iron ore passes from top to bottom and against the direction of the reducing gas. Such shaft furnaces enable a good flow of reducing gas through the iron ore due to the underlying chimney effect.
  • CH 4 , CO or H 2 or a mixed gas comprising CO and H 2 can be used as the reducing gas.
  • This reducing gas (mixture) is fed to the shaft furnace, where it reduces the iron ore.
  • the main reaction products are CO 2 , water vapor (H 2 O) and sponge iron; when 100% H 2 is used, essentially no CO 2 is produced.
  • CO 2 , water vapor and unused reducing gas are mixed with fresh gas and fed back into the process.
  • the production of sponge iron can involve two basic steps.
  • the first and necessary step is the reduction of iron ore to sponge iron in a reduction zone with a suitable hot reducing gas.
  • a reducing gas essentially comprises compounds or mixtures of carbon and hydrogen (for example CH 4 ), compounds or mixtures of carbon and oxygen (for example CO) and/or hydrogen (H 2 ) at temperatures in the range of 700 °C to 1100 °C.
  • the hot reducing gas not only reacts chemically with the iron ore, but also heats it by contact as it flows through it.
  • the sponge iron produced can be cooled in a cooling zone by means of a cooling gas to temperatures that are typically below 100 °C. Corresponding processes are known in the art.
  • the object of the present invention is to further develop a generic method in such a way that the existing energetically and materially valuable process gases can be used in an economically optimized manner.
  • the teaching relates to a method for operating a direct reduction plant, wherein iron ore carriers pass through a reduction zone located in a reactor of the direct reduction plant for reducing the iron ore carriers to sponge iron from one side of the reactor to the other, wherein the reduction zone is fed with a reduction gas at a temperature of at least 700 °C, which flows through the reduction zone in the opposite direction to the flow of the iron ore carriers, wherein the hot reduction gas heats and reduces the iron ore carriers, wherein reaction gas is discharged from the reactor. At least part of the discharged reaction gas is fed to a gas power plant and/or an electric smelter.
  • the standard process provides that the reaction gas discharged from the reactor is in particular processed and then mixed with fresh gas to provide new gas for direct reduction and/or at least a portion of the discharged reaction gas is burned as fuel gas or in combination with a fuel gas and an oxygen-containing gas in order to bring the new gas to temperature for direct reduction.
  • the inventors have discovered that other utilization possibilities are possible.
  • the discharged reaction gas can be fed to a gas power plant, with the other part being fed to the standard process, for example.
  • the discharged reaction gas can be fed in its entirety to a gas power plant.
  • the gas power plant uses the discharged reaction gas as fuel gas for gas-fired power generation.
  • the energy of the reaction gas is converted, for example, directly in an internal combustion engine into mechanical drive energy and then into electrical energy using a coupled generator.
  • the gas power plant is preferably designed for the maximum volume of the discharged reaction gas from the reactor of the direct reduction plant. Since the direct reduction plant can also comprise two or more reactors, the gas power plant must be scaled accordingly.
  • the structure, principle and functioning of gas power plants, including in different designs, are known to experts.
  • At least part of the discharged reaction gas can also be fed to an electric melter, with the other part being fed to the standard process, for example.
  • the discharged reaction gas can preferably be fed in its entirety to an electric melter.
  • Thermal utilization of the reaction gas, in particular with the addition of an oxygen-containing gas, in an electric melter has the advantage that part of the heating energy required to melt the feedstocks in the melter can be contributed via the reaction gas, thereby reducing the power requirement for the electrodes.
  • a combination is also conceivable, i.e. at least part of the discharged reaction gas is fed to a gas power plant and an electric melter, with the other part being fed to the standard process, for example.
  • the discharged reaction gas can preferably be fed in its entirety to a gas power plant and an electric melter, with the appropriate division being possible as required.
  • the reducing gas is heated to a temperature between 700 and 1100 °C.
  • the temperature can in particular be reduced to a maximum of 1050 °C, preferably to a maximum of 1010 °C, and preferably to a maximum of 990 °C.
  • the reducing gas Before being fed into a reduction zone of the reactor, the reducing gas is heated to a temperature of between 700 and 1100 °C in order to heat the iron ore carriers and to carry out the necessary reduction work to produce sponge iron.
  • the heating takes place in at least one heating unit, which can be designed as a process gas heater or reformer.
  • a process gas heater or reformer In the reformer, for example, carbon dioxide serves as the oxygen source and reforming is an endothermic process and therefore relies on heat input.
  • the functional principle of process gas heaters and reformers is known to experts, in particular the heating units for the reducing gas in direct reduction plants.
  • the temperature of the reducing gas can be in particular 720 °C, preferably at least 750 °C, preferably at least 800 °C.
  • Degree of metallization [%] 100 * Fe elemental [%] / Fe to tai [%] ⁇ Due to the contact of the iron ore carrier surface with the hot reducing gas, the reaction processes and ultimately the metallization begin from the outside in. A complete reduction, i.e. a degree of metallization of 100%, is theoretically possible, but in practice economics plays an important role and thus the time for reduction, so that a degree of metallization of up to 100%, in particular up to 98%, is aimed for. A degree of metallization of at least 80%, in particular at least 85%, preferably at least 88%, preferably at least 92% and particularly preferably at least 95% is aimed for in the direct reduction process.
  • Iron ore carriers can be provided in the form of sinter, pellets and/or iron lump ores.
  • the discharged reaction gas can first be dedusted in a dedusting unit before it is fed to the gas power plant and/or the electric melter. This means that, for example, solids that are entrained from the reactor by the discharged reaction gas can be removed from the reaction gas in order to avoid damaging and/or clogging other units to which the reaction gas is fed for further use/processing.
  • the structure, principle and functioning of dedusting units are well known in the specialist world.
  • the reaction gas supplied to the gas power plant can be burned with an oxygen-containing gas.
  • an oxygen-containing gas it is necessary to supply an oxygen-containing gas to the reaction gas so that the oxygen content in the oxygen-containing gas reacts with reactive parts in the reaction gas that do not react in the direct reduction process, releasing heat.
  • the combustion produces a carbon dioxide-rich combustion gas, which leaves the gas power plant.
  • nitrogen and/or nitrogen compounds in particular undesirable nitrogen oxides, remain in the combustion gas, which result from the nitrogen content of the air introduced.
  • the combustion gas from the gas power plant would thus be rich in nitrogen, so that the yield of carbon dioxide from the combustion gas for preferred carbon use, also known as CCU (Carbon Capture Use), or alternatively and less preferably carbon storage, also known as CCS (Carbon Capture Storage), would be low.
  • the oxygen-containing gas consists of oxygen, which is produced and made available by decomposing water by means of electrolysis in an electrolysis unit, see for example EP 3 425 070 Bl .
  • the structure, principle and functioning of (water) electrolysis units are known in the specialist world. This not only improves the efficiency of the electrolysis unit by additionally removing and utilizing oxygen in addition to hydrogen, but also further processes the combustion gas from the gas power plant with a high carbon dioxide content, which can promote, among other things, the economical operation of carbon dioxide separators and/or reformers.
  • At least part of the discharged reaction gas can be converted into electricity in a gas-fired power plant, if preferably the fed-in reaction gas essentially comprises components contains or consists of fuels that do not have a fossil origin, so that “green electricity” can also be generated in the gas-fired power plant, particularly for internal use.
  • At least part of the discharged reaction gas can be temporarily fed to the gas power plant, for example if other consumers are unable to take delivery and the power supply must be ensured at short notice.
  • the advantage of gas power plants is that they can be switched on and off quickly.
  • the electricity generated in the gas power plant can supply units in the direct reduction plant, at least temporarily, as long as the gas power plant is supplied with at least part of the discharged reaction gas.
  • Other systems can also be operated with electricity from the gas power plant, for example an electric melter, so that the external electricity requirement and/or peak loads can be reduced. If, for example, high power is required for the electrodes to temporarily melt the feedstock, part of the required electricity requirement could be met by feeding the electricity generated in the gas power plant.
  • the reaction gas fed to the electric melter can be enriched with an oxygen-containing gas.
  • Enrichment or “boosters” as it is known in specialist circles, burns in situ the oxygen content in the oxygen-containing gas and the parts of the reaction gas that are reactive and that do not react in the direct reduction process, releasing heat, which can contribute to an improved heat balance of the melter.
  • At least part of the process gas discharged from the electric melter, which is optionally dedusted, can be fed to the gas-fired power plant for electricity generation.
  • the oxygen-containing gas consists of oxygen, which is produced and provided by the decomposition of water by means of electrolysis in an electrolysis unit. This not only improves the efficiency of the electrolysis unit through additional removal and utilization of oxygen in addition to hydrogen, but also the efficiency of the melter.
  • At least a portion of the discharged reaction gas can be temporarily fed to the electric melter, for example when high powers are required for the electrodes for temporary melting of the feedstocks would be required and part of the required heat input can be compensated by thermal utilization of the discharged reaction gas.
  • the supply or supply can be carried out quickly and flexibly.
  • Iron ore carriers (io) pass through a reduction zone (11) located in a reactor (10) of the direct reduction plant (100) for reducing the iron ore carriers (io) to sponge iron (si) from one side of the reactor (10) to the other.
  • the reactor (10) is preferably designed as a shaft furnace which is charged with iron ore carriers (io) from above.
  • the reduction zone (11) is fed with a reduction gas (12) which is at least 700 °C hot and flows through the reduction zone (11) against the direction of flow of the iron ore carriers (io).
  • the hot reduction gas (12) heats and reduces the iron ore carriers (io).
  • the reaction gas (13) is discharged from the reactor (10).
  • iron ore carriers can be charged into a rotary kiln, whereby the iron ore carriers pass through a reduction zone in the rotary kiln at the side or diagonally downwards to reduce the iron ore carriers to sponge iron, whereby the reduction gas flows through the reduction zone in a countercurrent principle to the direction of flow of the iron ore carriers.
  • the process for operating rotary kilns and the rotary kilns themselves are known in the specialist world.
  • Iron ore carriers in the form of, for example, lump/iron ore (io) are introduced at the upper end of the reactor (10) as shown in Figure 1.
  • the sponge iron (si) produced is removed at the lower end of the reactor (10).
  • a reduction zone (11) is arranged in the reactor (10), optionally also a cooling zone below.
  • the reduction gas (12) is passed through at least one heating unit (20) before being fed in and heated to a temperature of at least 700 and up to 1100 °C.
  • the heating unit (20) can be a process gas heater or a reformer.
  • the heating unit (20) is fed with a fuel gas (5) and an oxygen-containing gas.
  • a fuel gas (5) for example natural gas, but also biomethane or other combustible gases, in particular those available in an integrated steelworks, such as process gases discharged from converters and/or heat treatment furnaces for steel production, and/or from the electric smelter (200) can be provided for firing the at least one heating unit (20).
  • the oxygen-containing gas can consist of oxygen, which is preferably generated and provided by decomposing water by means of electrolysis in an electrolysis unit (50), for example in order to improve the combustion efficiency of the heating unit (20).
  • the yield of carbon dioxide from the combustion gas (6) of the heating unit (20) can, in particular after processing, be fed to, for example, carbon utilization or carbon storage.
  • the reduction gas (12) comprises a fresh gas (1).
  • the fresh gas (1) can consist partly or completely of hydrogen (2), which can be generated and provided by decomposing water by means of electrolysis in an electrolysis unit (50).
  • the fresh gas (1) can also contain a mixture of hydrogen (2), carbon monoxide and/or hydrocarbons.
  • recycled gas is mixed into the fresh gas (1), which corresponds to the reaction gas (13) discharged from the reduction zone (11) of the reactor (10), which has been dedusted in a dedusting unit (14), which has been dried in a dewatering unit (15), which can optionally be freed of carbon dioxide in a carbon dioxide separation unit (16).
  • a compression unit (40) can optionally be provided for compressing the recycled, in particular dedusted and dried gas, preferably before it is mixed with the fresh gas (1).
  • the sponge iron After leaving the reduction zone (11), the sponge iron can enter an optional cooling zone, for example within the reactor (10).
  • the sponge iron (si) finally leaves the reactor (10) at its lower end in Figure 1. It can be fed directly as an iron-containing solid into an electric melter (200) together with other additives such as slag formers and optionally carbon carriers for melting/melting using electrodes to which current is applied to form an iron melt and a liquid slag lying on the iron melt.
  • the discharged reaction gas (13) can, in particular after it has been dedusted in a dedusting unit (14), be fed to at least one gas power plant (30), see line I, and/or an electric melter (200), see line II. According to line I, at least part of the discharged reaction gas (13) can be converted into electricity in a gas power plant (30).
  • the reaction gas (13) supplied to the gas power plant (30) can be burned with an oxygen-containing gas (4).
  • the oxygen-containing gas (4) preferably consists of oxygen, which can be generated and made available by decomposing water by means of electrolysis in an electrolysis unit (50).
  • the electricity generated by the gas power plant (30) can supply units within the direct reduction plant (100), for example the compression unit (40), and/or an electric melter (200), in order to preferably cover high temporary power densities for melting the introduced solids.
  • At least part of the discharged reaction gas (13) can be fed to an electric melter (200).
  • the reaction gas (13) fed to the electric melter can be "boosted” with an oxygen-containing gas (4), wherein the oxygen-containing gas (4) preferably consists of oxygen, which can be generated and provided by decomposing water by means of electrolysis in an electrolysis unit (50).
  • renewable energy from wind, sun and/or water is preferably used.
  • the carbon dioxide can preferably be separated from the combustion gas of the gas power plant (30) (not shown) in order to be fed in part or in full to a CCU.
  • the carbon dioxide preferably separated or provided at least in part or in full from the combustion gas of the gas power plant (30) can, for example, be fed to a reforming process (not shown) in order to produce a gas containing carbon monoxide.
  • the carbon dioxide can also be used as a decarburizing agent in a converter in which carbon monoxide or converter gas is produced by the reverse Bouduard reaction by consuming the carbon from the steel melt to be conditioned in the converter.
  • This carbon monoxide can then be used in an integrated furnace for another use (not shown) or as part of a fresh gas (1) or as fresh gas (1).
  • the following preferably temporary operating modes are possible, either strand I, strand II or strands I and II.
  • Also possible temporarily or permanently is a combination of strand 0 and strand I, strand 0 and strand II or strands 0 to II.
  • at least part of the process gas discharged from the electric melter (200), which is optionally dedusted can be fed to the gas power plant (30) for electricity generation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Direktreduktionsanlage (100) nach Anspruch 1.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Direktreduktionsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Direktreduktionsanlage.
Beim Direktreduktionsverfahren findet eine heterogene Reaktion zwischen den Eisenerzträgern und dem Reduktionsgas statt, bei der Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt wird. Zur Erzeugung von Reduktionsgas werden klassisch Kohle und/oder Erdgas bzw. kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen und/oder Verbindungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff als Reduktiongas verwendet. Der T rend in letzter Zeit geht dahin, dass häufiger auch Wasserstoff als Reduktionsgas vorgeschlagen wird. Die Reaktion findet unterhalb des Schmelzpunktes des Eisenerzes statt, sodass die äußere Form der Erze unverändert bleibt. Da es bei der Entfernung von Sauerstoff zu einer Gewichtsreduktion von etwa 1/4 bis 1/3 kommt, ergibt sich eine wabenförmige Mikrostruktur des Reaktionsproduktes (festes poröses Eisen mit vielen luftgefüllten Zwischenräumen). Daher wird das direktreduzierte Eisen („direct reduced iron“) häufig auch als Eisenschwamm („sponge iron“) bezeichnet. Klassisch wird beim Direktreduktionsverfahren ein Schachtofen als Reaktor mit einer Reduktionszone verwendet, durch welche das Eisenerz von oben nach unten und entgegen dem Reduktionsgas durchläuft. Derartige Schachtöfen ermöglichen eine gute Durchströmung des Eisenerzes mit Reduktionsgas aufgrund des zugrundeliegenden Kamineffektes.
Am Markt verfügbare Technologien zur Direktreduktion von Eisenerz sind unter den Bezeichnungen und eingetragenen Marken Midrex® und Energiron® bekannt. Eine sehr gute Übersicht liefert der Beitrag „History, developments and processes of direct reduction of iron ores“ von den Autoren Lüngen/Schmöle 01.09.2022, abrufbar unter dem Link: https://vdeh.de/me- dia/historv dri luen ecic 2022 dos ok.pdf.
Als Reduktionsgas kann CH4, CO oder H2 oder ein Mischgas umfassend CO und H2 verwendet werden. Dieses Reduktionsgas(gemisch) wird dem Schachtofen zugeführt, in welchem es das Eisenerz reduziert. Als wesentliche Reaktionsprodukte entstehen CO2, Wasserdampf (H2O) und Eisenschwamm, bei Einsatz von 100 % H2 entsteht im Wesentlichen kein CO2. CO2, Wasserdampf und unverbrauchtes Reduktionsgas werden mit frischem Gas gemischt und wieder dem Prozess zugeführt.
Die Erzeugung von Eisenschwamm kann zwei grundlegende Schritte umfassen. Als erster und notwendiger Schritt wird die Reduktion des Eisenerzes zu Eisenschwamm in einer Reduktions- zone mit einem geeigneten heißen Reduktionsgas durchgeführt. Typischerweise umfasst ein Reduktionsgas im Wesentlichen Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff (beispielsweise CH4), Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff (beispielsweise CO) und/oder Wasserstoff (H2) bei Temperaturen im Bereich von 700 °C bis 1100 °C. Das heiße Reduktionsgas regiert nicht nur chemisch mit dem Eisenerz, sondern erwärmt dieses auch beim Durchströmen durch Kontakt. In einem zweiten und optionalen Schritt kann der erzeugte Eisenschwamm in einer Kühlzone mittels eines Kühlgases auf Temperaturen heruntergekühlt, die typischerweise unterhalb von 100 °C liegen. Entsprechende Verfahren sind der Fachwelt bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass die vorhandenen energetisch und stofflich wertvollen Prozessgase wirtschaftlich optimiert genutzt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 3. Weiterführende Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Lehre betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Direktreduktionsanlage, wobei Eisenerzträger eine in einem Reaktor der Direktreduktionsanlage befindliche Reduktionszone zum Reduzieren der Eisenerzträger zu Eisenschwamm von einer zur anderen Seite des Reaktors durchlaufen, wobei die Reduktionszone mit einem auf mindestens 700 °C heißen Reduktionsgas gespeist wird, welches die Reduktionszone entgegen der Durchlaufrichtung der Eisenerzträger durchströmt, wobei das heiße Reduktionsgas die Eisenerzträger erwärmt und reduziert, wobei Reaktionsgas aus dem Reaktor abgeführt wird. Zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases wird einem Gaskraftwerk und/oder einem elektrischen Einschmelzer zugeführt.
Der Standardprozess sieht vor, dass das aus dem Reaktor abgeführte Reaktionsgas insbesondere aufbereitet und anschließend mit Frischgas gemischt als neues Gas für die Direktreduktion vorgesehen wird und/oder zumindest ein Teil von abgeführten Reaktionsgas als Brenngas oder in Kombination mit einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas verbrannt wird, um das neue Gas für die Direktreduktion auf Temperatur zu bringen. Um das aus dem Reaktor der Direktreduktionsanlage abgeführte kalorisch wertvolle Reaktionsgas wirtschaftlich optimiert nutzen zu können, haben die Erfinder herausgefunden, dass weitere Verwertungsmöglichkeiten in Frage kommen.
Somit kann zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases einem Gaskraftwerk zugeführt werden, wobei der andere Teil beispielsweise dem Standardprozess zugeführt wird. Vorzugsweise kann das abgeführte Reaktionsgas vollständig einem Gaskraftwerk zugeführt werden. Das Gaskraftwerk nutzt das abgeführte Reaktionsgase als Brenngas zur Gasverstromung. Die Energie des Reaktionsgases wird beispielsweise direkt in einer Verbrennungskraftmaschine in mechanische Antriebsenergie und weiter mittels eines angekuppelten Generators in elektrische Energie umgewandelt. Das Gaskraftwerk ist vorzugsweise an das maximale Volumen des abgeführten Reaktionsgases aus dem Reaktor der Direktreduktionsanlage ausgelegt. Da die Direktreduktionsanlage auch zwei oder mehrere Reaktoren umfassen kann, ist das Gaskraftwerk entsprechend zu skalieren. Aufbau, Prinzip und Funktionsweise von Gaskraftwerken, auch in unterschiedlichen Ausführungsformen, sind der Fachwelt bekannt.
Dadurch kann zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases in einem Gaskraftwerk verstromt werden.
Zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases kann auch einem elektrischen Einschmelzer zugeführt werden, wobei der andere Teil beispielsweise dem Standardprozess zugeführt wird. Vorzugsweise kann das abgeführte Reaktionsgas vollständig einem elektrischen Einschmelzer zugeführt werden. Eine thermische Verwertung des Reaktionsgases, insbesondere unter Zugabe eines sauerstoffhaltigen Gases, in einem elektrischen Einschmelzer hat den Vorteil, dass ein Teil der Erwärmungsenergie, die für das Erschmelzen der im Einschmelzer befindlichen Einsatzstoffe erforderlich ist, über das Reaktionsgas beigesteuert werden kann und dadurch der Strombedarf für die Elektroden reduziert werden kann.
Auch eine Kombination, sprich das zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases einem Gaskraftwerk und einem elektrischen Einschmelzer zugeführt wird, ist denkbar, wobei der andere Teil beispielsweise dem Standardprozess zugeführt wird. Vorzugsweise kann das abgeführte Reaktionsgas vollständig einem Gaskraftwerk und einem elektrischen Einschmelzer zugeführt werden, wobei je nach Bedarf eine entsprechende Aufteilung erfolgen kann. Das Reduktionsgas wird auf eine Temperatur zwischen 700 und 1100 °C erwärmt. Die Temperatur kann insbesondere auf maximal 1050 °C, vorzugsweise auf maximal 1010 °C, bevorzugt auf maximal 990 °C gesenkt werden. Vor dem Einspeisen in eine Reduktionszone des Reaktors wird das Reduktionsgas auf eine zwischen 700 und 1100°C betragende Temperatur erwärmt, um die Eisenerzträger zu erwärmen und die notwendige Reduktionsarbeit zu Eisenschwamm zu verrichten. Die Erwärmung erfolgt in mindestens einer Erwärmungseinheit, welche als Prozessgaserhitzer oder Reformer ausgebildet sein kann. Beispielsweise beim Reformer dient Kohlenstoffdioxid als Sauerstoffguelle und das Reformieren ist ein endothermer Prozess, somit auf Wärmeeintrag angewiesen. Das Funktionsprinzip von Prozessgaserhitzer und Reformer ist der Fachwelt bekannt, insbesondere die Erwärmungseinheiten für das Reduktionsgas in Direktreduktionsanlagen. Die Temperatur des Reduktionsgases kann insbesondere 720 °C, vorzugsweise mindestens 750 °C, bevorzugt mindestens 800 °C betragen. Bei einem Einspeisen von (im Wesentlichen 100 %) Wasserstoff kann eine Einspeisung ohne insbesondere zusätzliche Beaufschlagung und somit Nachverbrennung mit sauerstoffhaltigem Gas erfolgen, sprich, dass dadurch die vollständige Nutzung des Wasserstoffs für die Reduktion des Eisenerzträgers gewährleistet und dadurch das Verfahren wirtschaftlicher betrieben werden kann. Sehr hohe Wasserstoffanteile müssen nicht auf so hohe Prozesstemperaturen erwärmt werden, da die Reduktion des Eisenerzes, vgl. Baur-Glässner-Diagramm, bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise unterhalb von 950 °C, stattfinden kann.
Beim Reduzieren vom Eisenerzträger zu Eisenschwamm nimmt das elementare Eisen zu und lässt sich durch den Metallisierungsgrad beschreiben:
Metallisierungsgrad [%] = 100 * Fe elementar [%] / Fe totai [%] ■ Aufgrund des Kontakts der Eisenerzträgeroberfläche mit dem heißen Reduktionsgas beginnen die Reaktionsvorgänge und letztendlich das Metallisieren von außen nach innen. Eine vollständige Reduktion, sprich ein Metallisierungsgrad von 100 % ist zwar theoretisch möglich, in der Praxis spielt die Wirtschaftlichkeit eine wichtige Rolle und somit die Zeit für das Reduzieren, so dass ein Metallisierungsgrad bis zu 100 %, insbesondere eher bis zu 98 % angestrebt wird. Ein Metallisierungsgrad von mindestens 80 %, insbesondere mindestens 85 %, vorzugsweise mindestens 88 %, bevorzugt mindestens 92 % und besonders bevorzugt mindestens 95 % wird im Direktreduktionsprozess angestrebt.
Eisenerzträger können in Form von Sinter, Pellets und/oder Eisen-ZStückerzen bereitgestellt werden. Das abgeführte Reaktionsgas kann, bevor es dem Gaskraftwerk und/oder dem elektrischen Einschmelzer zugeführt wird, zunächst in einer Einheit zur Entstaubung entstaubt werden. Dadurch können beispielsweise Feststoffe, die aus dem Reaktor durch das abgeführte Reaktionsgas mitgerissen werden, aus dem Reaktionsgas entfernt werden, um insbesondere weitere Einheiten, welchen das Reaktionsgas zur weiteren Verwertung/Verarbeitung zugeführt wird, nicht zu schädigen und/oder zu verstopfen. Aufbau, Prinzip und Funktionsweise von Einheiten zur Entstaubung sind der Fachwelt bekannt.
Das dem Gaskraftwerk zugeführte Reaktionsgas kann mit einem sauerstoffhaltigen Gas verbrannt werden. Für die Verbrennung ist es erforderlich, dem Reaktionsgas ein sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen, so dass der Sauerstoffanteil im sauerstoffhaltigen Gas mit reaktionsfreudigen und im Direktreduktionsprozess nicht (ab)reagierten Anteilen im Rektionsgas unter Abgabe von Wärme reagiert. Durch die Verbrennung entsteht ein Kohlenstoffdioxid-reiches Verbrennungsgas, welches das Gaskraftwerk verlässt.
Im Fall, dass Luft als sauerstoffhaltiges Gas zum Einsatz kommt, verbleiben Stickstoff und/oder ergeben sich Stickstoffverbindungen, insbesondere unerwünschte Stickoxide, im Verbrennungsgas, welche aus dem eingebrachten Stickstoffanteil der Luft resultieren. Das Verbrennungsgas aus dem Gaskraftwerk wäre somit stickstoffreich, so dass der Ertrag des Kohlenstoffdioxids aus dem Verbrennungsgas für eine bevorzugte Kohlenstoffnutzung, auch bekannt unter CCU (Carbon Capture Use), oder alternativ und weniger bevorzugt eine Kohlenstoffspeicherung, auch bekannt unter CCS (Carbon Capture Storage), gering ausfallen würde.
Vorzugsweise besteht das sauerstoffhaltige Gas aus Sauerstoff, welcher durch Zerlegung von Wasser mittels Elektrolyse in einer Elektrolyseeinheit erzeugt und bereitgestellt wird, vgl. beispielhaft EP 3 425 070 Bl . Aufbau, Prinzip und Funktionsweise von (Wasser-) Elektrolyseeinheiten sind der Fachwelt bekannt. Dadurch kann nicht nur der Wirkungsgrad der Elektrolyseeinheit durch zusätzliche Abnahme und Verwertung von Sauerstoff neben Wasserstoff verbessert werden, sondern auch eine Weiterverarbeitung des Verbrennungsgases aus dem Gaskraftwerk mit einem hohen Kohlenstoffdioxid-Anteil, welcher u.a. einen wirtschaftlichen Betrieb von Kohlenstoffdioxid-Abscheidern und/oder von Reformer begünstigen kann.
Bevorzugt kann zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases in einem Gaskraftwerk verstromt werden, wenn bevorzugt das eingespeiste Reaktionsgas im Wesentlichen Bestandteile enthält oder daraus besteht, welche keinen fossilen Ursprung haben, so dass auch „grüner Strom“ im Gaskraftwerk besonders bevorzugt für den Eigenbedarf erzeugt werden kann.
Weiter bevorzugt kann zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases temporär dem Gaskraftwerk zugeführt werden, beispielsweise wenn andere Verbraucher nicht abnahmefähig sind die Stromversorgung kurzfristig sichergestellt werden muss. Der Vorteil von Gaskraftwerken ist, dass sie schnell zu- und abgeschaltet werden können.
Der in dem Gaskraftwerk erzeugte Strom kann Aggregate in der Direktreduktionsanlage versorgen, zumindest temporär, solange das Gaskraftwerk mit mindestens einem Teil des abgeführten Reaktionsgases versorgt wird. Auch andere Anlagen können mit Strom aus dem Gaskraftwerk betrieben werden, beispielsweise ein elektrischer Einschmelzer, so dass der externe Strombedarf und/oder Lastspitzen gesenkt werden kann. Sind beispielsweise hohe Leistungen für die Elektroden zum temporären Aufschmelzen der Einsatzstoffe erforderlich, könnte ein Teil des erforderlichen Strombedarfs über die Speisung der im Gaskraftwerks erzeugten Stroms erfolgen.
Das dem elektrischen Einschmelzer zugeführte Reaktionsgas kann mit einem sauerstoffhaltigen Gas angereichert werden. Das Anreichern oder auch in Fachkreisen bekannte „Boostern“ verbrennt guasi in-situ durch den Sauerstoffanteil im sauerstoffhaltigen Gas reaktionsfreudige und im Direktreduktionsprozess nicht (ab)reagierte Anteile im Reaktionsgas unter Abgabe von Wärme nach, was zu einer verbesserten Wärmebilanz des Einschmelzers beitragen kann.
Beispielsweise kann zumindest auch ein Teil des aus dem elektrischen Einschmelzer abgeführten Prozessgases, welches optional entstaubt wird, dem Gaskraftwerk zur Verstromung zugeführt werden.
Vorzugsweise besteht das sauerstoffhaltige Gas aus Sauerstoff, welcher durch Zerlegung von Wasser mittels Elektrolyse in einer Elektrolyseeinheit erzeugt und bereitgestellt wird. Dadurch kann nicht nur der Wirkungsgrad der Elektrolyseeinheit durch zusätzliche Abnahme und Verwertung von Sauerstoff neben Wasserstoff verbessert werden, sondern auch der Wirkungsgrad des Einschmelzers.
Bevorzugt kann zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases temporär dem elektrischen Einschmelzer zugeführt werden, beispielsweise wenn hohe Leistungen für die Elektroden zum temporären Aufschmelzen der Einsatzstoffe erforderlichen wären und ein Teil des erforderlichen Wärmeeintrags über die thermische Verwertung des abgeführten Reaktionsgases kompensiert werden kann. Das Zuführen respektive Versorgen kann schnell und flexibel erfolgen.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.
In Figur 1 wird die Erfindung am Beispiel einer Direktreduktionsanlage (100) erläutert, insbesondere in Verbindung mit einem elektrischen Einschmelzer (200).
Eisenerzträger (io) durchlaufen eine in einem Reaktor (10) der Direktreduktionsanlage (100) befindliche Reduktionszone (11) zum Reduzieren der Eisenerzträger (io) zu Eisenschwamm (si) von einer zur anderen Seite des Reaktors (10). Bevorzugt ist der Reaktor (10) als Schachtofen ausgeführt, welcher von oben mit Eisenerzträgern (io) chargiert wird. Die Reduktionszone (11) wird mit einem auf mindestens 700 °C heißen Reduktionsgas (12) gespeist, welches die Reduktionszone (11) entgegen der Durchlaufrichtung der Eisenerzträger (io) durchströmt. Das heiße Reduktionsgas (12) erwärmt und reduziert die Eisenerzträger (io). Das Reaktionsgas (13) wird aus dem Reaktor (10) abgeführt. Das Verfahren zum Betreiben von Reaktoren in Form von Schachtöfen sowie Schachtöfen selbst sind der Fachwelt bekannt.
Alternativ und nicht dargestellt können Eisenerzträger in einen Drehrohrofen chargiert werden, wobei die Eisenerzträger eine im Drehrohrofen befindliche Reduktionszone zum Reduzieren der Eisenerzträger zu Eisenschwamm seitlich oder schräg nach unten durchlaufen, wobei das Reduktionsgas die Reduktionszone im Gegenstromprinzip zur Durchlaufrichtung der Eisenerzträger durchströmt. Das Verfahren zum Betreiben von Drehrohröfen sowie Drehrohröfen selbst sind der Fachwelt bekannt.
Eisenerzträger in Form von beispielsweise Stück-/Eisenerz „iron ore“ (io) werden am Beispiel der Figur 1 am oberen Ende des Reaktors (10) eingebracht. Am unteren Ende des Reaktors (10) wird der erzeugte Eisenschwamm „sponge iron“ (si) entnommen. Im Reaktor (10) ist eine Reduktionszone (11) angeordnet, optional auch eine darunterliegende Kühlzone. Das Reduktionsgas (12) wird vor dem Einspeisen durch mindestens eine Erwärmungseinheit (20) durchgeleitet und auf eine Temperatur von mindestens 700 und bis zu 1100 °C erwärmt. Die Erwärmungseinheit (20) kann ein Prozessgaserhitzer oder ein Reformer sein. Die Erwärmungseinheit (20) wird mit einem Brenngas (5) und einem sauerstoffhaltigen Gas gespeist. Ein Brenngas (5), beispielsweise Erdgas, aber auch Biomethan oder weitere, insbesondere in einem integrierten Hüttenwerk verfügbare, brennbare Gase, wie zum Beispiel Prozessgase abgeführt aus Konverter und/oder Wärmebehandlungsöfen für die Stahlherstellung, und/oder aus dem elektrischen Einschmelzer (200) kann zur Befeuerung der mindestens einen Erwärmungseinheit (20) bereitgestelltwerden. Das sauerstoffhaltige Gas kann aus Sauerstoff bestehen, welcher vorzugsweise durch Zerlegung von Wasser mittels Elektrolyse in einer Elektrolyseeinheit (50) erzeugt und bereitgestelltwird, um beispielsweise den feuertechnischen Wirkungsgrad der Erwärmungseinheit (20) zu verbessern. Der Ertrag des Kohlenstoffdioxids aus dem Verbrennungsgas (6) der Erwärmungseinheit (20) kann insbesondere nach einer Aufbereitung beispielsweise einer Kohlenstoffnutzung oder einer Kohlenstoffspeicherung zugeführt werden.
Das Reduktionsgas (12) umfasst ein Frischgas (1). Das Frischgas (1) kann zum Teil oder vollständig aus Wasserstoff (2) bestehen, welcher durch Zerlegung von Wasser mittels Elektrolyse in einer Elektrolyseeinheit (50) erzeugt und bereitgestellt werden kann. Das Frischgas (1) kann auch eine Mischung aus Wasserstoff (2), Kohlenstoffmono-Adioxid und/oder Kohlenwasserstoffen enthalten. Des Weiteren wird im Standardprozess 0 dem Frischgas (1) rezykliertes Gas zugemischt, welches aus dem aus der Reduktionszone (11) des Reaktors (10) abgeführten Reaktionsgases (13) entspricht, welches in einer Einheit zur Entstaubung (14) entstaubt worden ist, welches in einer Entwässerungseinheit (15) getrocknet worden ist, welches optional in einem Kohlenstoffdioxidabscheideeinheit (16) von Kohlenstoffdioxid befreit werden kann. Des Weiteren kann optional eine Verdichtungseinheit (40) zum Verdichten des recyclierten, insbesondere entstaubten und getrockneten Gases vorgesehen sein, vorzugsweise bevor des mit dem Frischgas (1) gemischt wird.
Nach dem Verlassen der Reduktionszone (11) kann der Eisenschwamm beispielsweise innerhalb des Reaktors (10) in eine optionale Kühlzone eintreten. Der Eisenschwamm (si) verlässt schlussendlich den Reaktor (10) an seinem unteren Ende in Figur 1. Er kann direkt als eisenhaltiger Feststoff in einen elektrischen Einschmelzer (200) zusammen mit weiteren Zusatzstoffen wie beispielsweise Schlackenbildner und optional Kohlenstoffträger zum Ein-/Aufschmelzen unter Verwendung von Elektroden, welche mit Strom beaufschlagt werden, zur Ausbildung einer Eisenschmelze und einer auf der Eisenschmelze aufliegenden Flüssigschlacke.
Das abgeführte Reaktionsgas (13) kann, insbesondere nachdem es in einer Einheit zur Entstaubung (14) entstaubt worden ist, zumindest einem Gaskraftwerk (30), s. Strang I, und/oder einem elektrischen Einschmelzer (200), s. Strang II, zugeführt werden. Gemäß Strang I kann zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases (13) in einem Gaskraftwerk (30) verstromt werden. Das dem Gaskraftwerk (30) zugeführte Reaktionsgas (13) kann mit einem sauerstoffhaltigen Gas (4) verbrannt werden. Vorzugsweise besteht das sauerstoffhaltige Gas (4) aus Sauerstoff, welcher durch Zerlegung von Wasser mittels Elektrolyse in einer Elektrolyseeinheit (50) erzeugt und bereitgestellt werden kann. Der durch das Gaskraftwerk (30) erzeugte Strom kann Aggregaten innerhalb der Direktreduktionsanlage (100), beispielsweise der Verdichtungseinheit (40), und/oder einen elektrischen Einschmelzer (200) versorgen, um vorzugsweise hohe temporäre Leistungsdichten zum Aufschmelzen der eingebrachten Feststoffe abzudecken.
Gemäß Strang II kann zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases (13) einem elektrischen Einschmelzer (200) zugeführt werden. Das dem elektrischen Einschmelzer zugeführte Reaktionsgas (13) kann mit einem sauerstoffhaltigen Gas (4) „geboostert“ werden, wobei vorzugsweise das sauerstoffhaltige Gas (4) aus Sauerstoff besteht, welcher durch Zerlegung von Wasser mittels Elektrolyse in einer Elektrolyseeinheit (50) erzeugt und bereitgestellt werden kann.
Um sowohl fossilfreien Wasserstoff (2) als auch Sauerstoff (4) herzustellen, wird bevorzugt regenerative Energie durch Wind, Sonne und/oder Wasser eingesetzt.
Das Kohlenstoffdioxid kann bevorzugt aus dem Verbrennungsgas des Gaskraftwerks (30) abgetrennt (nicht dargestellt) werden, um zum Teil oder vollständig einer CCU zugeführt zu werden. Das bevorzugt zumindest zum Teil oder vollständig aus dem Verbrennungsgas des Gaskraftwerks (30) abgetrennte oder bereitgestellte Kohlenstoffdioxid kann beispielsweise einem nicht dargestellten Reformierungsprozess zugeführt werden, um ein Kohlenstoffmonoxid enthaltendes Gas zu erzeugen.
Alternativ und nicht dargestellt kann das Kohlenstoffdioxid auch als Entkohlungsmittel in einem Konverter verwendet werden, in welchem durch die umgekehrte Bouduard-Reaktion Kohlenstoffmonoxid bzw. Konvertergas unter Verbrauch des Kohlenstoffs aus der im Konverter zu konditionierenden Stahlschmelze entsteht. Dieses Kohlenstoffmonoxid, kann dann wiederum in einer integrierten Hütte einer weiteren, nicht dargestellten Verwendung oder als Teil eines Frischgases (1) oder als Frischgas (1) zugeführt werden. Somit sind beispielsweise folgende vorzugsweise temporäre Betriebsweisen möglich, entweder Strang I, Strang II oder Stränge I und II. Auch möglich temporär oder dauerhaft eine Kombination aus Strang 0 und Strang I, Strang 0 und Strang II oder Stränge 0 bis II. Nicht dargestellt kann zumindest auch ein Teil des aus dem elektrischen Einschmelzer (200) abgeführten Prozessgases, welches optional entstaubt wird, dem Gaskraftwerk (30) zur Ver- stromung zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Direktreduktionsanlage (100), wobei Eisenerzträger (io) eine in einem Reaktor (10) der Direktreduktionsanlage (100) befindliche Reduktionszone (11) zum Reduzieren der Eisenerzträger (io) zu Eisenschwamm (si) von einer zur anderen Seite des Reaktors (10) durchlaufen, wobei die Reduktionszone (11) mit einem auf mindestens 700 °C heißen Reduktionsgas (12) gespeist wird, welches die Reduktionszone (11) entgegen der Durchlaufrichtung der Eisenerzträger (io) durchströmt, wobei das heiße Reduktionsgas (12) die Eisenerzträger (io) erwärmt und reduziert, wobei Reaktionsgas (13) aus dem Reaktor (10) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases (13) I) einem Gaskraftwerk (30) zugeführt wird.
2. Verfahren zum Betreiben einer Direktreduktionsanlage (100), wobei Eisenerzträger (io) eine in einem Reaktor (10) der Direktreduktionsanlage (100) befindliche Reduktionszone (11) zum Reduzieren der Eisenerzträger (io) zu Eisenschwamm (si) von einer zur anderen Seite des Reaktors (10) durchlaufen, wobei die Reduktionszone (11) mit einem auf mindestens 700 °C heißen Reduktionsgas (12) gespeist wird, welches die Reduktionszone (11) entgegen der Durchlaufrichtung der Eisenerzträger (io) durchströmt, wobei das heiße Reduktionsgas (12) die Eisenerzträger (io) erwärmt und reduziert, wobei Reaktionsgas (13) aus dem Reaktor (10) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases (13) II) einem elektrischen Einschmelzer (200) zugeführt wird.
3. Verfahren zum Betreiben einer Direktreduktionsanlage (100), wobei Eisenerzträger (io) eine in einem Reaktor (10) der Direktreduktionsanlage (100) befindliche Reduktionszone (11) zum Reduzieren der Eisenerzträger (io) zu Eisenschwamm (si) von einer zur anderen Seite des Reaktors (10) durchlaufen, wobei die Reduktionszone (11) mit einem auf mindestens 700 °C heißen Reduktionsgas (12) gespeist wird, welches die Reduktionszone (11) entgegen der Durchlaufrichtung der Eisenerzträger (io) durchströmt, wobei das heiße Reduktionsgas (12) die Eisenerzträger (io) erwärmt und reduziert, wobei Reaktionsgas (13) aus dem Reaktor (10) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest ein Teil des abgeführten Reaktionsgases (13) - I) einem Gaskraftwerk (30) und - II) einem elektrischen Einschmelzer (200) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das abgeführte Reaktionsgas (13), bevor es dem Gaskraftwerk (30) und/oder dem elektrischen Einschmelzer (200) zugeführt wird, zunächst in einer Einheit zur Entstaubung (14) entstaubt wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das dem Gaskraftwerk (30) zugeführte Reaktionsgas (30) mit einem sauerstoffhaltigen Gas (4) verbrannt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das sauerstoffhaltige Gas (4) aus Sauerstoff besteht, welcher durch Zerlegung von Wasser mittels Elektrolyse in einer Elektrolyseeinheit (50) erzeugt und bereitgestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das dem elektrischen Einschmelzer (200) zugeführte Reaktionsgas (30) mit einem sauerstoffhaltigen Gas (4) angereichert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das sauerstoffhaltige Gas (4) aus Sauerstoff besteht, welcher durch Zerlegung von Wasser mittels Elektrolyse in einer Elektrolyseeinheit (50) erzeugt und bereitgestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Reduktionsgas auf eine Temperatur zwischen 700 und 1100 °C erwärmt wird.
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