Projekt 27891/01

Senkung der CO2-Emissionen durch die Nutzung von Sekundärenergie zur Vorwärmung von Blaskohlen mit dem Ziel der Optimierung des Hochofenbetriebes

Projektdurchführung

E.S.C.H. GmbH Engineering Service Center und Handel GmbH
Maxhüttenstr. 19
07333 Unterwellenborn

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des geplanten FuE-Projektes besteht in der Entwicklung einer neuen, effektiveren Technologie zur Vorwärmung des in den Hochofen einzublasenden Kohlenstaubes auf Temperaturen von 200 220 °C. Die Umsetzung des eingesetzten Kohlenstaubes wird dadurch erheblich verbessert und folglich der Koksverbrauch sowie die CO2-Emission gesenkt. Zur Verminderung des Verbrauchs an fossilen Energieträgern soll für die Erhitzung des Wärmeträgers Sekundärenergie in Form von Gichtgas genutzt werden, welches für diesen Zweck in ausreichender Menge zur Verfügung steht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZum Erreichen des o. g. Projektzieles müssen im Rahmen der Projektdurchführung folgende Schwerpunkte bearbeitet werden:
(1) Zunächst wird die optimale Kohleeinblastemperatur für den Hochofenprozess aus metallurgischer Sicht ermittelt, d. h. welche Kohleart bei welcher Vorwärmtemperatur die beste Verbrennung erzielt. Dazu müssen in einer vorhandenen Anlage, die zur Bestimmung der Kohlenstaubumsetzung dient und die Bedingungen von der Einblaslanze bis zum Eintritt in die Wirbelzone eines Hochofens simuliert, Versuche mit verschiedenen Kohlen durchgeführt werden.
(2) Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung der wirtschaftlich erreichbaren Vorwärmtemperaturen unter den Randbedingungen einer hohen technischen Stabilität und Anlagenverfügbarkeit. Dazu sollen zwei Versuchsanlagen zur Vorwärmung konzipiert und gebaut werden, an denen dann die entsprechenden Vorwärmversuche durchzuführen sind.
(3) Bei der Zusammenführung der Ergebnisse aus den Projektpunkten 1 und 2 ist das Ziel, die - möglicherweise von der Kohleart abhängige - Vorwärmtemperatur zu ermitteln. Diese ist aus den optimalen Kohletemperaturen aus metallurgischer Sicht und aus den verfahrenstechnisch möglichen und wirtschaftlich sinnvollen Vorwärmtemperaturen zu bestimmen. Auf dieser Basis kann dann das Anlagenkonzept für eine Pilotanlage erstellt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass eine Vorwärmung von Kohlenstäuben in einer Wirbelschicht für den Einsatz als Ersatzreduktionsmittel am Hochofen technisch realisierbar ist. Die in den Technikumsversuchen ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten sind groß genug, um technisch relevante Kohlenstaubmengen im Durchsatzbereich zwischen 10 und 100 t/h vorzuwärmen.
Trotz der starken Preisschwankungen am Brennstoffmarkt in den letzten Jahren lässt der langfristige Trend den Schluss zu, dass das größte wirtschaftliche Potential vorwiegend in der Vorwärmung von Braunkohlenstaub liegen könnte, da hierdurch dessen Koksersatzverhältnis deutlich verbessert werden kann. Das durch die E.S.C.H. GmbH entwickelte und bereits zum Patent angemeldete Verfahren ermöglicht ein kombiniertes Vorwärmen, Fördern und Einblasen von Kohlenstaub. Die für die Vorwärmung notwendige Wärmeenergie kann aus beliebiger Quelle, so auch als Sekundär- oder Tertiärenergie aus dem Produktionsprozess eines Hochofenwerkes, bereitgestellt werden. Da sich das Einblasen des Kohlenstaubes unmittelbar an das Vorwärmen anschließt, werden Wärmeverluste gering gehalten. Außerdem ist es insbesondere für die Vorwärmung von Braunkohlenstaub optimal, da eine erneute Wasseraufnahme praktisch ausgeschlossen ist.
Ausgehend von für moderne Hochöfen angestrebten Einblasraten von 220 kg Kohlenstaub pro Tonne Roheisen und unter der Annahme, dass davon 50 Ma.-% Braunkohle sind, können durch die Vorwärmung ca. 15,5 kg Koks pro Tonne Roheisen eingespart werden. Für einen großen Hochofen mit einer Produktion von 8.000 t Roheisen pro Tag und einem angenommenen Kokspreis von 300 € pro Tonne entspricht das eine jährliche Einsparung von 13,5 Mio. Euro.
Von einer schnellen Amortisation der Investition kann deshalb ausgegangen werden.
Das ökologische Potential der Vorwärmtechnologie besteht in der sich aus der Kokseinsparung ergebenden CO2-Minderung. Bei einem Kohlenstoffgehalt des Hochofenkokses von durchschnittlich 85 Ma. % werden dadurch je Tonne erzeugtem Roheisen 48,3 kg an emittiertem CO2 vermieden. Bei einer mittleren jährlichen Roheisenproduktion von 30 Mio. t ergibt sich daraus allein für Deutschland ein Min-derungspotential von 1,45 Mio. Tonne pro Jahr. Bezogen auf die spezifische CO2-Emission bei der Roheisenherstellung von 1480 kg je Tonne Roheisen [AIC01] entspricht das einer Reduzierung um 3,3 %.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das im Rahmen des Projektes erprobte Verfahren zur Kohlevorwärmung in der Wirbelschicht wurde durch die E.S.C.H. GmbH zum Patent angemeldet.
Die Ergebnisse des Projektes wurden am 13.12.2012 dem Hochofenausschuss des VDEh vorgetragen.
Weiterhin ist geplant, wesentliche Projektergebnisse in einem Beitrag in der internationalen Fachzeitschrift Steel Research zu veröffentlichen.


Fazit

Es wird eingeschätzt, dass die Vorwärmung von Blaskohlen technisch möglich und sinnvoll ist. Durch die Vorwärmung kann das Ersatzverhältnis der Kohlenstäube deutlich erhöht werden, was zu einer Kokseinsparung führt. Damit sind sowohl ökonomische als auch ökologische Effekte verbunden, welche den technischen und energetischen Aufwand der Vorwärmung rechtfertigen.
Ziel der zweiten Projektphase muss es nun sein, eine Pilotanlage an einem Hochofen zu installieren und zu betreiben. Dazu müssen in weiteren Versuchen noch einige technischen Fragen, wie zum Beispiel die des Druckeinflusses auf die Vorwärmung, geklärt werden.