Chemisch-technische Verfahren zur Herstellung von Produkten werden nicht nur unter chemischer Sicht betrieben. In der Industrie ist besonders die ökonomische Seite von Bedeutung. Die Prozessführung muss möglichst so gestaltet werden, dass der ökonomische Aufwand möglichst gering ist und die eingesetzte Energie effektiv ausgenutzt wird. Dabei spielen sowohl die Verfügbarkeit und Qualität der Rohstoffe als auch umweltchemische Gesichtspunkte (Abgase, Vermeidung und Entsorgung von Abfällen) eine wichtige Rolle.
Auch durch die Anwendung spezieller technischer Arbeitsprinzipien, gelingt es, chemisch-technische Prozesse kostengünstig zu gestalten. Diese Arbeitsprinzipien sollen am Beispiel der Herstellung von Roheisen im Hochofen (Bild 1) erläutert werden.
Geschlossene Stoffkreisläufe
Die Wirtschaftlichkeit des Hochofenprozesses hängt in erheblichem
Maße von der Verfügbarkeit und Qualität der Rohstoffe
(Eisenerze, Koks, Zuschläge und Luft) ab. Hochöfen werden also
bevorzugt dort betrieben, wo reichhaltige Eisenerz- oder Kohlevorkommen
zu finden sind bzw. zumindest in früheren Zeiten zu finden waren.
Ökonomische und ökologische Zwänge erfordern auch eine
möglichst vollständige Nutzung aller Stoffe. Auf den Hochofenprozess
bezogen heißt das auch, dass neben dem Hauptprodukt Roheisen sowohl
die Hochofenschlacke als auch das Gichtgas als Nebenprodukte einer weiteren
sinnvollen Verwendung zugeführt werden.
So besteht Gichtgas zu besteht zu 55-60% aus Stickstoff, zu 6-12% aus
Kohlenstoffdioxid, zu 2-4% aus Wasserstoff und zu 28-33% aus Kohlenstoffmonooxid.
In geringen Anteilen ist auch Methan enthalten. Insbesondere aus umwelttechnischer
Sicht ist es nicht zu verantworten, dieses Gichtgas einfach abzufackeln,
wie es früher des Öfteren der Fall war. Es kann als Energieträger
verwendet werden (Heizwert ca. 3,35 bis 3,75 
)
und entweder direkt zur Erzeugung der Heizluft für den Hochofenprozesse
oder auch zur Stromerzeugung eingesetzt werden.
Jedoch sind bei chemisch-technischen Prozessen nicht nur möglichst geschlossene Kreisläufe wichtig, mittlerweile findet der Umweltgedanke auch bei der Gewinnung der Rohstoffe zunehmend Eingang in die Bewertung der Verfahren. So müssen beispielsweise die Eisenerze und die Steinkohle für die Roheisenherstellung bergmännisch abgebaut werden. Insbesondere für die Nutzung von Steinkohlelagerstätten auf dem Gebiet der BRD gibt es strenge Vorschriften. Ein Abbau wird nur genehmigt, wenn Wege zur Renaturierung aufgezeigt werden, obwohl dadurch höhere Kosten entstehen. Bei langfristiger Betrachtung sieht die wirtschaftliche Gesamtbilanz oft aber viel günstiger aus, da auch andere Faktoren, wie beispielsweise Klimaänderungen und deren (auch finanzielle) Folgen in diese Betrachtung einbezogen werden müssen.
Diese langfristige Betrachtung ökologischer, wirtschaftlicher und sozialer Aspekte wird unter dem Begriff Nachhaltigkeit zusammengefasst. Beim sogenannten Nachhaltigkeitsprinzip wird verstärkt dem Umweltgedanken Rechnung getragen, d. h. Stoffe und Ressourcen nur sparsam verbraucht. Das Hauptziel besteht darin, auch unseren Nachfolgegenerationen eine Nutzung der uns zur Verfügung stehenden Ressourcen (Rohstoffe, Energie, Umwelt) zu ermöglichen. Dieses Ziel ist natürlich nicht für jeden einzelnen chemisch-technischen Prozess zu realisieren, aber ein ressourcenschonender Umgang mit Stoff- und Materialströmen ist ein wesentlicher Beitrag dazu.
Diesem Ziel dienen letztlich auch die Anwendung der folgenden Arbeitsprinzipien
im Hochofenprozess, die hauptsächlich den Energieverbrauch bei technischen
Prozessen senken:
Gegenstromprinzip
Die Zufuhr von Feststoffen (Eisenerz, Koks, Zuschläge) erfolgt von
oben über die Gicht. Sie bewegen sich, bedingt durch den Schmelzvorgang
im unteren Bereich des Hochofens im Laufe des Prozesses von oben nach
unten.
Die Heißluft (sie enthält den benötigten Sauerstoff) wird
von unten in den Hochofen eingeblasen und steigt nach oben.
Durch diesen stofflichen
Gegenstrom erfolgt eine besonders gute Durchmischung der Ausgangsstoffe.
So kommen sie besser in Kontakt und können schneller und vollständiger
miteinander reagieren.
Thermischer Gegenstrom
An den stofflichen Gegenstrom ist der thermische
Gegenstrom geknüpft, denn die Stoffe weisen unterschiedliche
Temperaturen auf, wenn sie dem Hochofen zugeführt werden bzw. ihn
verlassen. Daher kommt es zu einem Wärmeaustausch zwischen den Stoffen.
Die Heißluft im unteren Bereich wird beim Aufsteigen zusätzlich
durch die heiße Schlacke und das flüssige Roheisen erwärmt.
Dabei erfolgt gleichzeitig eine gewisse Abkühlung dieser Reaktionsprodukte.
Gelangen die heißen Gase in den oberen Bereich (in die Vorwärmzone)
geben sie nun die Wärme an die von oben zugeführten kalten Stoffe
(Eisenerz, Koks, Zuschläge), die so auf die nötige Reaktionstemperatur
gebracht werden. So sinkt das Innere des Hochofens nie unter eine kritische
Temperatur.
Kopplung endothermer und exothermer
Prozesse
Bei vielen chemischen Reaktionen muss eine Erwärmung des Reaktionsgefäßes
erfolgen, damit die Reaktion beginnt bzw. bei endothermen Reaktionen ist
eine ständige Energiezufuhr nötig. Der Hochofen ist jedoch eine
sehr große "Apparatur", die man nur schwer von außen
erhitzen kann. Für die meisten Prozesse im Hochofen ist aber eine
hohe Temperatur nötig. Insbesondere die Reduktion von Eisenoxiden
erfolgt erst bei 800 - 1000°C. Zudem ist auch für einige physikalische
Prozesse die Zufuhr von Energie nötig.
Energetisch möglich wird der Hochofenprozess durch die Kopplung endothermer und exothermer Prozesse. Dabei liefern exotherme chemische Reaktionen die Energie für endotherme Reaktionen und physikalische Prozesse und erzeugen die notwendige Temperatur im Hochofen. So ist beispielsweise die Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff im unteren Bereich des Apparates stark exotherm.
Die abgegebene Energie reicht aus, um beispielsweise die Reaktion von Kohlenstoff mit Kohlenstoffdioxid zur Bildung des Reduktionsmittels zu ermöglichen.
Auch wenn die Reaktionen von Eisenoxiden mit dem Reduktionsmittel Kohlenstoffmonooxid
oft leicht exotherm sind, muss trotzdem Energie zur Aktivierung der Ausgangsstoffe
zugeführt werden.
Außerdem ist auch für Aggregatzustandsänderungen (Schmelzen
des Eisens und der Schlacke) eine Wärmezufuhr nötig.
Einmal in Gang gesetzt arbeitet der Hochofen ohne Unterbrechung - bis zu 20 Jahre lang. Es wäre auch viel zu teuer und außerdem Energieverschwendung, den Hochofen, der im Inneren eine Temperatur von bis zu 2 000 °C aufweist, abzuschalten und auskühlen zu lassen. So laufen die chemischen Reaktionen im Hochofen ständig ab. So etwas bezeichnet man als kontinuierliche Arbeitsweise.
Allerdings erfolgt die Entnahme des Roheisens und der Schlacke in bestimmten Abständen. Dieser sogenannte Abstich (Bild 4) wird demnach diskontinuierlich vorgenommen, weil es günstiger ist, den Apparat an der Stelle erst zu öffnen, wenn sich eine ausreichende Menge an Reaktionsprodukten angesammelt hat.