Betrachtung des Alkalikreislaufs im Hochofen
Die Auswirkungen von Alkalien und insbesondere Kalium im Hochofen haben eine fast 200-jährige Geschichte. Sie gelangen in den Hochofen als untergeordnete Komponenten des Möllers, des Kokses und der Injektionskohle und haben negative Auswirkungen auf den Hochofenbetrieb. Sie fördern die Boudouard-Reaktion mit dem Koks bei unter 1.100 °C, den mechanischen Koksabrieb und den Verschleiß des kohlenstoffhaltigen Feuerfestmaterials. Die Alkalien zirkulieren im Hochofen wegen unterschiedlicher Bedingungen zwischen Gicht und Stichloch sowie des Gegenstrombetriebs. Der SiO2- und Al2O3-Anteil der Koksasche führt im Hochofen zur Bildung von Alkalialuminiumsilikaten. Sie haben refraktäre Eigenschaften und sind hochtemperaturstabil. Ein ausreichender Blick auf die Chemie der Alkalien unter Hochofenbedingungen hilft, ihre Wirkung genauer einzuschätzen.
Die Auswirkungen von Alkalien und insbesondere Kalium im Hochofen haben eine lange Geschichte. Im Jahr 1835 wird die Ausscheidung einer weißen Masse auf der Außenseite des feuerfesten Mauerwerks etwas oberhalb der Blasformen beschrieben bestehend aus K2CO3 und KCN [1]. In der Folgezeit ist die Bildung der Alkalicyanide im Hochofen intensiv untersucht worden [2…4]. Die Ergebnisse führten zur Herstellung des ersten vollsynthetischen Farbstoffes (Berliner Blau) [5] und zur Entwicklung eines Verfahrens zur Fixierung atmosphärischen Stickstoffs durch die Herstellung Alkalicyanid im Schachtofen und nachfolgender Hydrolyse zu Ammoniak in den USA [6; 7]. Alkalien verursachen im Hochofen einen erhöhten Koksverbrauch, eine zunehmende Bildung von Koksabrieb, eine Ansatzbildung im Schacht und einen Verschleiß des feuerfesten Kohlenstoffs im Gestell. Ihr Eintrag ist deshalb zumeist auf etwa 2,5 kg/tHM begrenzt [8…11].
Die Alkalien gelangen als untergeordnete Begleitmineralien, zumeist Kaliumaluminiumsilikate, von Erz, Koks und Kohle in den Hochofen [12; 13]. Der Eintrag von Natrium erfolgt hauptsächlich als Chlorid und resultiert aus der Verwendung von Brauchwasser für die nasse Aufbereitung von Erz und Kohle sowie der Löschung des Kokses [14…16]. Mit dem Staub werden bis zu 20 % der Alkalien ausgebracht. Ihr überwiegender Teil verlässt den Hochofen mit der Schlacke.
Wegen ihres refraktären Charakters werden die Aluminiumsilikate der Alkalien erst im Bereich der Wirbelzone mit seiner hohen Temperatur partiell zu Alkalimetalldampf reduziert und dann mit dem Gas in den oberen Teil des Ofens transportiert. Dabei entstehen neue Alkaliverbindungen wie Cyanide und Carbonate. Sie scheiden sich auf dem festen Möller und Koks ab und werden so wieder nach unten transportiert, wo sie dann wieder verdampft werden und damit einen internen Kreislauf schließen. Für das Verhalten der Alkalien im Hochofen spielen Schmelztemperatur und Dampfdruck der jeweiligen Alkaliverbindungen sowie ihre Chemie eine wichtige Rolle. Eine ausreichende Kenntnis hilft bei der Beurteilung der Auswirkungen und der Einflussnahme.
Autor: Dr. Günter Harp, Harp Process Chemistry Consulting, Düsseldorf.
