Einblasen von Heißreduktionsgas und Reststoffen in den Hochofen Einfluss auf den Koks- und Energieverbrauch

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1 Einblasen von Heißreduktionsgas und Reststoffen in den Hochofen Einfluss auf den Koks- und Energieverbrauch Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Christian Fröhling aus Bonn Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Heinrich Wilhelm Gudenau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Senk Professor Dr.-Ing. Friedrich-Hans Grandin Tag der mündlichen Prüfung: 23. Februar 2005

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3 Berichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde IEHK RWTH Aachen Christian Fröhling Einblasen von Heißreduktionsgas und Reststoffen in den Hochofen Einfluss auf den Koks- und Energieverbrauch Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. W. Bleck Prof. Dr.rer.nat. Dr.-Ing.e.h. W. Dahl Prof. Dr.-Ing. T. El Gammal Prof. Dr.-Ing. H.W. Gudenau Prof. Dr.-Ing. D. Senk Band 4/2005 Shaker Verlag D 82 (Diss. RWTH Aachen)

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2005 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet:

5 Dank Die vorliegende Arbeit entstand während der Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Eisenhüttenkunde der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Meinem Doktorvater, Universitätsprofessor Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Heinrich Wilhelm Gudenau, danke ich für seine wissenschaftliche Betreuung und das besondere Interesse, dass er dem Inhalt dieser Arbeit entgegenbrachte. Seine persönliche und fachliche Unterstützung trug in jeder Hinsicht zum Gelingen dieser Arbeit bei. Herrn Universitätsprofessor Dr.-Ing. Dieter Senk und Herrn Prof. Dr.-Ing. Grandin danke ich herzlich für ihr Interesse, die vielen hilfreichen Diskussionen und für die Übernahme des Korreferats. Besonderen Dank möchte ich meinem Kollegen Herrn Dr.-Ing. Alexander Babich für die wertvollen Hinweise, die gute Zusammenarbeit und die Beantwortung vieler Fragen zum Thema Hochofen aussprechen. Stellvertretend auch für die anderen Mitglieder des Instituts möchte ich Dr.-Ing. Thomas Schrey, Dipl.-Ing. Oliver Wiens, Dr.-Ing. Torsten Wieting und Dipl.- Ing. Christoph Stephany sowie meinem Diplomarbeiter Frank Wolters für die gute Zusammenarbeit und die vielfältige Unterstützung danken. Der Konrad-Adenauer-Stiftung danke ich für die Aufnahme in die Graduiertenförderung und für die finanzielle wie ideelle Unterstützung in dieser Zeit. Ganz besonders möchte ich meiner Familie, meinem Patenonkel Dr. J. Reinecke sowie Angelika Wagner für die vielseitige Unterstützung danken. Aachen, im März 2004

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Aufgabenstellung 5 2 Einführung in den Themenkreis Energieverbrauch und Umweltschutz im integrierten Hüttenwerk Energetische Situation im integrierte Hüttenwerk Verwertung hüttenwerksinterner und -externer Reststoffe Energiebilanz des Hochofenprozesses Funktionsweise des Hochofens und Reaktionen Das Zonenbilanzmodell Ergebnisse der Bilanzierung Moderne Hochofentechnologie Stand der Technik Einblastechnologie Einfluss von Ersatzreduktionsmitteln auf den Hochofenprozess Einblasen von festen Stoffen Einblasen von flüssigen Stoffen Einblasen von gasförmigen Stoffen 55 3 Einblasen von Heißreduktionsgas (HRG) Hochofen-Technologie zum Einblasen von Heißreduktionsgas Heißreduktionsgas-Erzeugung Konversion von Erdgas zu Heißreduktionsgas Rückführung von Gichtgas Vergasung von Feststoffen 67 4 Mathematische Modellierung des Hochofenprozesse Klassifikation von mathematischen Modellen Modell der Technischen Hochschule Donezk (Ukraine) 75 5 Laboruntersuchungen zum Einblasen von Reststoffen Aufbau, Durchführung und Auswertung der Versuche Aufbau der Versuchsanlage Durchführung der Versuche Auswertung der Versuche Wirkung katalytischer Stoffe auf die Umsetzung von Kohle Einblasen von Aktivkohle 83 3

8 5.1.3 Einblasen von Petrolkoks Einblasen von Shredderleichtfraktion (SLF) Einblasen von Gichtschlammstaub Einblasen von Kohle mit Walzenzunder Verhalten von Char beim Einblasen in den Hochofen Vordiskussion der Einblasuntersuchungen 92 6 Experimentelle Untersuchungen - Einfluss von Asche und Char auf Koks Einfluss von Kohleasche auf die Koksreaktivität Probenmaterial Versuchsaufbau und Durchführung Versuchsergebnisse Einfluss von Char auf die Koksreaktivität Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Versuchsergebnisse Vordiskussion: Einfluss von Asche und Char auf Koks Modellrechnungen zum Einblasen von HRG in den Hochofen Einfluss der Heißreduktionsgasparameter Ko-Injektion von Kohlenstaub und Heißreduktionsgas Injektion von HRG in einen Hochofen im Nur-Koks-Betrieb Blasformdesign für das Einblasen von HRG Vordiskussion der Modellrechnungen Gesamtdiskussion Diskussion der Einblasuntersuchungen Diskussion zum Einfluss von Asche und Char auf Koks Diskussion zum Einblasen von Heißreduktionsgas Zusammenfassung Literaturverzeichnis 143 4

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