Sauerstoffanreicherung in Hochoefen

Der Vorteil von Sauerstoff in der modernen Stahlherstellung

Die Eisengewinnung im Hochofen hat sich seit Jahrhunderten grundsaetzlich nicht veraendert. Koks, Eisenerz und Zusatzstoffe gelangen von oben in den Ofen; fluessiges Eisen und Schlacke treten unten aus; heisse Luft wird durch die Brennloecher zugefuehrt. Doch die Details haben sich deutlich weiterentwickelt, und die Sauerstoffanreicherung gehoert zu den wirkungsvollsten Veraenderungen der letzten fuenfzig Jahre.

Das Einblasen von Sauerstoff in den Gebläsestrom des Hochofens – also die Erhöhung des Sauerstoffgehalts der Verbrennungsluft von 21 % auf 25 % oder mehr – verändert das thermische und chemische Verhalten des Ofens grundlegend. Die unmittelbare Wirkung ist eine höhere Flammentemperatur, die die Reduktionsreaktionen beschleunigt, durch die Eisenoxid in metallisches Eisen umgewandelt wird. Zu den sekundären Effekten zählen gesteigerte Produktivität, geringerer Koksverbrauch und niedrigere CO₂-Emissionen pro Tonne erzeugtem Eisen.

Wie Sauerstoff die Ofenthermodynamik verändert

Die Rechnung ist einfach, doch die Folgen sind tiefgreifend. Luft enthält etwa 79 % Stickstoff, der den Ofen ohne Beteiligung an chemischen Reaktionen durchströmt. Dieser Stickstoff absorbiert Wärme – Wärme, die andernfalls zur Reduktion des Eisenerzes genutzt werden könnte. Wenn Sauerstoff Stickstoff im Gebläse ersetzt, geht weniger Wärme durch Erhitzen eines inerten Gases verloren. Die Flammentemperatur steigt, und der Ofen kann bei gleichem Kokseinsatz mehr Erz verarbeiten.

Bei jeder Erhöhung des Sauerstoffgehalts um 1 % steigt die Flammentemperatur um rund 50 °C. Bei einem Sauerstoffgehalt von 25 % nähert sich die Flammentemperatur 2.200 °C, verglichen mit etwa 2.000 °C bei 21 %. Diese höhere Flammentemperatur ermöglicht mehrere betriebliche Verbesserungen: höhere Einspritzraten von feinkörniger Kohle, geringeren Koksverbrauch und erhöhte Produktionsleistung.

Der Nachteil ist, dass die Sauerstoffanreicherung auch die Empfindlichkeit des Ofens gegenüber Störungen erhöht. Ein Ofen mit 25 % Sauerstoff besitzt eine geringere thermische Trägheit als ein Ofen mit 21 %. Die Bediener müssen daher die Verteilung der Beschickung, die Gebläsetemperatur und den Feuchtigkeitsgehalt genauer steuern, um einen stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten.

Produktivitätssteigerungen: Was die Daten zeigen

Die Auswirkung einer Sauerstoffanreicherung auf die Produktivität ist gut dokumentiert. Branchendaten aus integrierten Stahlwerken zeigen, dass jede 1-prozentige Erhöhung der Sauerstoffanreicherung bei stabiler Gebläsetemperatur und konstanter Beschickungsqualität eine Steigerung der Produktionsrate um rund 3 bis 4 Prozent bewirkt. Bei 25 Prozent Sauerstoff entspricht dies einer Produktivitätssteigerung von 12 bis 16 Prozent gegenüber dem Betrieb mit natürlicher Luft.

Die Koksverbrauchsreduktion ist besonders wertvoll. Koks ist das teuerste Rohmaterial im Hochofenprozess, und seine Herstellung erzeugt erhebliche CO₂-Emissionen. Eine Reduktion des Koksverbrauchs um 5 Prozent in einem Stahlwerk mit einer Jahresproduktionskapazität von zwei Millionen Tonnen führt zu jährlichen Einsparungen von rund 5 Millionen US-Dollar bei den Kokskosten sowie einer entsprechenden Verringerung der CO₂-Bilanz.

Eine praktische Umsetzung: Integriertes Stahlwerk in Nordchina

Ein großes integriertes Stahlwerk im Norden Chinas führte über einen Zeitraum von 18 Monaten ein gestuftes Sauerstoffanreicherungsprogramm durch. Die Anlage verfügte bereits über eine vorhandene Luftzerlegungsanlage zur Erzeugung von Sauerstoff für andere Prozesse, hatte jedoch zuvor keinen Sauerstoff in den Gebläsestrom des Hochofens eingeblasen. Das Projekt umfasste die Installation von Sauerstoffinjektionslanzen auf Tuyère-Ebene, die Aufrüstung des Regelungssystems zur Handhabung des zusätzlichen Sauerstoffstroms sowie die Schulung der Betriebsmitarbeiter zu den neuen Betriebsparametern.

Die Ergebnisse waren bereits im ersten Quartal messbar. Die Produktion stieg durch die Sauerstoffanreicherung auf 24,5 % um 11 %, während die Koksrate um 7 % sank. Das Stahlwerk erzielte diese Verbesserungen ohne wesentliche Kapitalinvestitionen – der Sauerstoff wurde bereits erzeugt, und die Modifikationen am Hochofen waren vergleichsweise geringfügig. Die Amortisationsdauer, berechnet aus den Kosten für Sauerstofferzeugung und -injektion im Verhältnis zu den Einsparungen bei Koks sowie dem Mehrwert der gestiegenen Produktion, betrug weniger als zwölf Monate.

Es gab betriebliche Herausforderungen. Der Hochofen erforderte eine häufigere Überwachung der Lastverteilung, um Kanalisierung zu verhindern – einen Zustand, bei dem das Gas bevorzugt durch bestimmte Bereiche strömt und dadurch eine ungleichmäßige Reduktion sowie mögliche Gerüstbildung verursacht. Das Betriebsteam passte die Ladezyklen des glockenlosen Oberladegeräts an, um dies auszugleichen, und der Hochofen stabilisierte sich innerhalb von sechs Wochen nach der ersten Sauerstoffeinspritzung.

Sauerstoffversorgung für die Hochofeneinspritzung

Der Sauerstoff für die Hochofenanreicherung stammt üblicherweise aus einer ortseigenen Luftzerlegungsanlage oder über eine Rohrleitungsversorgung. Die Reinheitsanforderung ist im Vergleich zu anderen Sauerstoffanwendungen gering – für die Hochofeneinspritzung reichen 90 bis 95 % Sauerstoff aus, während medizinische oder Halbleiteranwendungen 99,5 % oder mehr verlangen. .

Diese niedrigere Reinheitsanforderung eröffnet zusätzliche Versorgungsmöglichkeiten. Vakuum-Druckwechseladsorptionsanlagen (VPSA) können Sauerstoff mit einer Reinheit von 90–95 % zu geringeren Investitions- und Betriebskosten als kryogene Luftzerlegungsanlagen erzeugen, sind jedoch üblicherweise auf kleinere Kapazitäten beschränkt. Für größere Werke bleiben kryogene ASUs der Standard und erzeugen Sauerstoff mit Reinheiten über 99,5 %; zudem bieten sie die Flexibilität, zusätzlich Stickstoff und Argon bereitzustellen.

Das Sauerstoffeinspritzsystem selbst erfordert eine sorgfältige Konstruktion. Der Sauerstoff muss mit ausreichendem Druck zugeführt werden, um den Gegendruck des Hochofens zu überwinden – typischerweise 3 bis 5 bar. Die Einspritzlanzen müssen für die hohen Temperaturen im Bereich der Tuyères ausgelegt sein – etwa 2.000 °C – und der Sauerstoffstrom muss präzise gesteuert werden, um den gewünschten Anreicherungsgrad aufrechtzuerhalten.

Sicherheitsaspekte beim Umgang mit Sauerstoff

Die Sauerstoffanreicherung birgt Sicherheitsaspekte, die besondere Aufmerksamkeit erfordern. Sauerstoff fördert die Verbrennung deutlich stärker als Luft, und jede Undichtigkeit oder ungewollte Berührung mit Kohlenwasserstoffen kann eine Brandgefahr darstellen. Die Rohrleitungen für die Sauerstoffeinspeisung müssen nach den Standards für Sauerstoffanlagen ausgelegt sein, wobei strenge Sauberkeitsanforderungen sowie geeignete Konstruktionsmaterialien zu berücksichtigen sind.

Branchenstandards gehen diesen Aspekten direkt nach. Die CGA G-4.1 der Compressed Gas Association bietet umfassende Leitlinien zur Reinigung und Auslegung von Sauerstoffanlagen. ASME B31.3 regelt die Anforderungen an Rohrleitungen für den Sauerstoffbetrieb, einschließlich Werkstoffauswahl und Auslegung der Verbindungen.

Anlagen, die eine Sauerstoffanreicherung einführen, sollten vor Inbetriebnahme eine gründliche Gefährdungsanalyse durchführen, die mögliche Undichtigkeitsszenarien, Notabschaltverfahren sowie die Schulung des Betriebspersonals abdeckt. Die Risiken sind mittels geeigneter technischer Sicherheitsmaßnahmen und Betriebsverfahren beherrschbar.

Wann Sauerstoffanreicherung sinnvoll ist – und wann nicht

Eine Sauerstoffanreicherung ist nicht generell vorteilhaft. Die Wirtschaftlichkeit hängt von den Kosten für Sauerstoff, dem Kokskurs und dem Wert der zusätzlichen Produktion ab. Walzwerke mit eigener Sauerstoffproduktion – insbesondere solche mit überschüssiger ASU-Kapazität – kommen hierfür besonders infrage. Walzwerke ohne bestehende Sauerstoffversorgung stehen vor einer Investitionsentscheidung: Installation einer ASU- oder VPSA-Anlage oder Akzeptanz der geringeren Produktivität beim Betrieb mit Umgebungsluft.

Es gibt zudem ofenspezifische Aspekte zu berücksichtigen. Hochofenanlagen, die nahe ihrer maximalen Produktionskapazität arbeiten, bieten möglicherweise nur begrenztes Potenzial für eine Steigerung durch Sauerstoffanreicherung – die Engstelle verlagert sich dann in nachgeschaltete Prozesse wie Konverterschmelzen oder Stranggießen. In solchen Fällen führt eine Sauerstoffanreicherung möglicherweise nicht zu dem erwarteten Produktivitätsgewinn.

Für Anlagen mit Einschränkungen bei der Kokslieferung oder hohen Kokskosten wird die Wirtschaftlichkeit attraktiver. Jede eingesparte Tonne Koks ist eine Tonne, die nicht beschafft, transportiert oder in den Ofen eingebracht werden muss.

GreenFir liefert kryogene Luftzerlegungsanlagen für die Sauerstoffproduktion in Stahlwerken und verfügt über eine Erfolgsbilanz bei Installationen in integrierten Stahlherstellungsanlagen in Asien.