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Verfahren und Vorrichtung zur Verhüttung von staubförmigen oder feinkörnigen Erzen
In der Hüttenindustrie, z. B. bei Hochöfen, Konvertern, fallen Stäube an, die einen erheblichen
Gehalt an Metalloxyden und brennbaren Bestandteilen aufweisen. Diese und auch feinkörnige oder staub- förmige Erze lassen sich nach den klassischen Verhüttungsverfahren nur durch vorheriges Aufbereiten, wie Sintern, Brikettieren usw., verarbeiten.
Ohne kostspielige Aufbereitung können solche Erze nach dem bekannten Verfahren (deutsche Patentschrift Nr. 846553) durch Einführung der Erze, Brennstoffe und Zuschläge in ein flüssiges Schlackenbad verhüttet werden. Das Schlackenbad wird gebildet durch Einschmelzen der Erze, Zuschläge und der
Brennstoffasche.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist die weitere Ausgestaltung dieses bekannten Verfahrens zur Verhüttung von Hütienstäuben und feinkörnigen Erzen, insbesondere Eisenerzen. Es wurde gefunden, dass das bekannte Verfahren wärmetechnisch günstiger gestaltet werden kann, wenn die Reduktion der Erze in zwei Stufen vorgenommen wird.
Gemäss der Erfindung sollen zunächst die Erze, Zuschläge und Brennstoffasche geschmolzen, ge- mischt und die Erze durch bemessene Brennstoffzufuhr in eine niedrigere Oxydationsstufe, z. B. von Fe203 zu Fe304 oder FeO, übergeführt werden. Die so gebildete Schlacke wird in ein Schlackenbad geleitet, in dem durch Einführung von Reduktionsmitteln, vorzugsweise Brennstoffen, die vollständige Reduktion der Erze in bekannter Weise erfolgt.
Ferner wurde gefunden, dass. die Reduktion der Metalloxyde im flüssigen Schlackenbad umso wirksamer erfolgt, je weniger flüchtige Bestandteile der für die vollständige Reduktion der Metalloxyde benutzte Brennstoff enthält. Offenbar erschweren die aus dem Brennstoff austretenden flüchtigen Bestandteile den Kontakt mit der Schlacke. Erfindungsgemäss sollen daher für die zweite Reduktionsstufe Brennstoffe ohne oder mit nur geringem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen verwendet werden. Man nimmt zweckmässig Koks, der wenig flüchtige Bestandteile enthält.
Bei der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung wird bevorzugt mit Brennstoffüberschuss gearbeitet. Der überschüssige Brennstoff, der in feinkörniger oder staubförmiger Form (Flugkoks) mit den beim Einschmelzen und Erhitzen der Schlacke sowie bei der Reduktion der Erze entstehenden Gasen abgeführt wird, kann vorteilhaft nach seiner Abscheidung als Brennstoff für die zweite Reduktionsstufe verwendet werden, da er vollständig entgast ist und keine flüchtigen Bestandteile enthält. Ist der Anfall an Flugkoks grösser als der Bedarf in der zweiten Reduktionsstufe, kann der Rest auch in die erste Reduktionsstufe zuriickgeführt werden.
An einem Beispiel werden der Aufbau und die Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einem senkrechten Längsschnitt schematisch eine der vielen möglichen Ausführungsformen der Vorrichtung zur Reduktion von feinkörnigen Erzen und Fig. 2 ein Schema der Anlage, aus der die Rückführung des Flugkokses und die Ausnutzung der Abgaswärme zur Vorwärmung der Luft und zur Dampferzeugung zu ersehen ist.
Der Reduktionsofen (Fig. 1) besteht aus der Schmelz- und Vorreduktionskammer 1 von kreisrundem oder ovalem Querschnitt, in dem sich ein aus Erzen, Zuschlägen und Brennstoffasche gebildetes
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Schlackenbad 2 befindet. Die Einführung der feinkörnigen oder staubförmigen Erze, Zuschläge, Brennstoffe und der Luft erfolgt durch Düsen 3,4, 5 und 6, die im Gewölbe 7 der Kammer vorgesehen und schräg nach unten auf das Schlackenbad gerichtet sind, so dass sie einen grossen Teil ihrer Strömungsenergie auf das Schlackenbad übertragen, das hiedurch in eine rotierende Bewegung gerät. Die Erze, Zuschläge und Brennstoffe werden pneumatisch mit Luft oder einem andern Gas als Trägergas von ihren Bunkern 8,9 und 10 (Fig. 2) über die Leitungen 11, 12 und 13 zu den erwähnten Düsen gefördert.
Die Gassäule oberhalb des Schlackenbades rotiert ebenfalls im gleichen Sinne wie das Schlackenbad, so dass aufgewirbelte feste und flüssige Stoffe an die Wand geschleudert werden, dort schmelzen und an der senkrechten Wand in das Schlackenbad ablaufen. Im rotierenden Schlackenbad werden die geschmolzenen Stoffe innig vermischt und die Erze durch einen Teil des eingeführten Brennstoffes vorreduziert. Die Luft zur Verbrennung des Brennstoffes wird im vorerhitzten Zustand über die Leitung 14 der Winddüse 6 zugeführt. Im Boden 15 der Kammer 1 ist zentral ein Stutzen 16 angeordnet, der die Höhe des Schlakkenbades 2 bestimmt. An seinem oberen Umfang ist örtlich eine Vertiefung 17 vorgesehen, durch die bevorzugt in dem Masse Schlacke abläuft, als neue gebildet wird.
Die Schlacke und das erzeugte Gas treten durch den Stutzen 16 in die Reduktionskammer 18, die sich unterhalb der Kammer 1 befindet.
Der Boden 19 der Reduktionskammer 18 ist muldenförmig ausgebildet zur Aufnahme der vorreduzierten Schlacke. 20 und des Metalles 21. An der tiefsten Stelle des Bodens ist eine Öffnung 22 für den Abstich des Metalles vorgesehen. Die Höhe des Schlackenspiegels wird durch ein Wehr 23 gehalten, über welches die bereits reduzierte Schlacke durch einen Tauchstutzen 24 in ein Wasserbad 25 läuft, wo sie granuliert und durch eine nicht dargestellte Kratzvorrichtung kontinuierlich oder periodisch ausgetragen wird. In das Schlackenbad 20 wird durch eine oder mehrere Düsen 26 Brennstoff im Überschuss eingeführt.
Als Brennstoff wird vorzugsweise Flugkoks verwendet, der in einem Staubabscheider 27 aus dem Abgas abgeschieden und durch die Leitung 28 und Düsen 26 in die Reduktionskammer zurückgeführt wird. Reicht für die Reduktion der Flugkoksanfall nicht aus, kann frischer Brennstoff aus dem Bunker 10 über die Leitung 29 zugesetzt werden.
Die Reduktion der vorreduzierten Metalloxyde erfolgt durch innige Durchwirbelung und Mischung von Brennstoff und Schlacke. Das Metall sinkt hiebei zu Boden und wird kontinuierlich oder periodisch durch die Abstichöffnung 22 abgezogen. Der im Überschuss aufgegebene Brennstoff in beiden Kammern wird mit den Abgasen ausgetragen. Von der Reduktionskammer ziehen die heissen Gase zunächst durch einen Abhitzekessel 30 mit Strahlungs- und Berührungsheizflächen, wo sie einen grossen Teil ihrer fühlbaren Wärme zur Erzeugung von hochgespanntem Dampf abgeben. Im nachgeordneten Staubabscheider 27 wird, wie bereits erwähnt, der Flugkoks aus dem Gas abgeschieden.
Da das Abgas noch brennbare Gasbestandteile enthält, erfolgt im nachgeschalteten Abhitzekessel 31 durch Zuführung von vorerhitzter Sekundärluft durch die Leitung 32 eine Nachverbrennung dieser Gasbestandteile. Das hiebei entstehende Gas gibt nunmehr seine fühlbare Wärme an einen Dampfüberhitzer 33, Luftvorwärmer 34 und Speisewasservorwärmer 35 ab und verlässt durch den Kamin 36 den Abhitzekessel.
Die Wände der Vorreduktionskammer und der Reduktionskammer werden vorzugsweise durch bestiftete Rohre gebildet, durch die Wasser fliesst. Der durch die Kühlwirkung der Rohre sich bildende Schlackenansatz schützt die Rohre vor übermässigem Wärmedurchgang. Lediglich die Wanne der Reduktionskammer, die das Metallbad aufnimmt, ist mit einer geeigneten Ausmauerung versehen. Die Kühlrohre der Kammern 1 und 18 sind mit den Abhitzekesseln 30 und 31 zu einem Kesselsystem vereinigt, durch das das zu verdampfende Wasser im Zwangsdurchlauf oder Zwangsumlauf oder Naturumlauf bzw. in einer Kombination derselben geleitet wird.
Die Vorreduktionskammer kann auch als Zyklon oder Schmelzmuffel ausgebildet sein, wie sie bei bekannten Dampfkesselfeuerungen Verwendung findet. In der beschriebenen Ausführung. zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung befindet sich die Vorreduktionskammer über der Reduktionskammer.
Die Anordnung kann aber auch so getroffen werden, dass die Vorreduktionskammer neben der Reduktionskammer zu liegen kommt.
Das bei der Vorreduktion und Reduktion entstehende Gas muss nicht, wie beim Beispiel, verbrannt und zur Dampferzeugung ausgenützt werden, es kann vielmehr für beliebige andere Zwecke Verwendung finden. Wenn neben der Metallgewinnung stickstoffarme Gase, z. B. für Synthesezwecke hergestellt werden sollen, können als Verbrennungs-bzw. Vergasungsmittel statt Luft sauerstoffangereicherte Luft oder Sauerstoff gegebenenfalls in Mischung mit endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, wie Wasserdampf, Kohlensäure, benutzt werden.
Für die Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung können feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe verwendet werden. Feste bituminöse Brennstoffe mit höherem Gehalt an flüchtigen Bestand-
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teilen werden gemäss der Erfindung vorteilhaft vor ihrem Einsatz zur Reduktion der Schlacke entgast, indem sie in den heissen Abgasstrom hinter der Reduktionskammer eingeführt werden. Ihre Entgasung erfolgt dort in der Schwebe durch Aufnahme eines Teiles der fühlbaren Wärme des Abgases. Danach erfolgt ihre Abscheidung aus dem Gas im Abscheider, von wo sie zur Reduktionskammer und gegebenenfalls Vorreduktionskammer geleitet werden. Auch eine Trocknung des Brennstoffes kann damit verbunden werden.
Im allgemeinen wird bei der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung neben dem Metall Wasserdampf und gegebenenfalls Schwachgas, Wassergas oder Synthesegas als Nebenprodukt gewonnen. Es ist nun ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens, dass die Menge der anfallenden Nebenprodukte nicht starr an die erzeugte Metallmenge gebunden ist, sondern durch Einsatz grösserer Brennstoffmengen beliebig erhöht werden kann. Ferner ist es möglich, den Betrieb ohne oder mit eingeschränktem Erzdurchsatz zu fahren ohne Verminderung der Produktion von Dampf oder/und Gas. Das Verfahren ist demnach sehr elastisch und lässt einen weiten Spielraum im Hinblick auf die zu erzeugenden Haupt- und Nebenprodukte offen.
Das nachfolgende Zahlenbeispiel dient zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Aus feinkörnigem Roheisenerz'sollen unter Verwendung von Esskohle mit etwa 14,5 % flüchtigen Bestandteilen und einem Aschegehalt von 13 % Rohstahl und Wasserdampf mit einem Druck von 74 atü und 4500 C Überhitzung erzeugt werden. Hiezu dient die Vorrichtung, wie sie in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt ist.
In die Schmelz- und Vorreduktionskammer mit einem lichten Durchmesser von etwa 1, 5 m wird stündlich 1, 85 t Roheisenerz mit einem FeOg-Gehalt von 74 lo, 0,566 t Kalksteinstaub, 2,74 t Esskohle und 16500 Nms auf 4000 C vorerhitzte Luft eingeführt, wo unter Verbrennung bei mässigem Brennstoff- überschuss das Erz, der Zuschlag und ein wesentlicher Teil der Brennstoffasche eingeschmolzen, innig vermischt und das Fe2O3 in der gebildeten Schlacke grösstenteils zu FeO reduziert wird. Die in die Reduktionskammer ablaufende Schlacke hat dann folgende Zusammensetzung :
EMI3.1
<tb>
<tb> Fel03 <SEP> 13,7 <SEP> Gew.-%
<tb> FeO <SEP> 42, <SEP> -7.. <SEP>
<tb>
SiO <SEP> ; <SEP> 23. <SEP> 8 <SEP>
<tb> Al2O3 <SEP> 4, <SEP> 0 <SEP>
<tb> CaO <SEP> 14, <SEP> 6
<tb> verschiedene <SEP> Bestandteile <SEP> 1, <SEP> 2 <SEP> #
<tb>
Die Temperatur der Schlacke und des Gases erreicht hiebei über 17000 C.
In die Reduktionskammer, die etwa die doppelte Querschnittsfläche aufweist wie die Vorreduktionskammer, werden stündlich 0,39 t Esskohle eingeführt und 0, 235: Flugkoks vom Staubabscheider zurückgeführt. Hiebei erfolgt die Reduktion der Eisenoxyde der Schlacke zu Rohstahl, dessen Abstich in der verhältnismässig kleinen Vorrichtung periodisch vorgenommen wird. Die reduzierte Schlacke fliesst am Ende der Kammer über die Überlaufrinne in das Wasserbad und wird dort aus der Schlackenmuldedurch eine Kratzvorrichtung ständig in granulierter Form ausgetragen.
Die Förderung von feinkörnigem Erz, Zuschlag, Esskohle und Flugkoks in die Vorreduktions- bzw.
Reduktionskammer erfolgt pneumatisch mit insgesamt 150 Nm3 Pressluft mit einem Vordruck von etwa 2 atü.
Es fallen stündlich an 1 t Rohstahl und 0,99 t Schlacke mit nachstehender Zusammensetzung :
EMI3.2
<tb>
<tb> Rohstahl <SEP> Schlacke <SEP> nach <SEP> Reduktion
<tb> Fe <SEP> 97, <SEP> 0 <SEP> Gew. <SEP> -0/0 <SEP> FeO <SEP> 4, <SEP> 3 <SEP> Gew. <SEP> -% <SEP>
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 2" <SEP> SiO2 <SEP> 50, <SEP> 7. <SEP> #
<tb> Si <SEP> 2, <SEP> 5-A1203 <SEP> 9, <SEP> 4't <SEP>
<tb> P <SEP> 0, <SEP> 1"CaO <SEP> 34, <SEP> 3 <SEP>
<tb> S <SEP> 0, <SEP> " <SEP> verschiedene <SEP> l, <SEP> 3 <SEP> n <SEP>
<tb> Bestandteile
<tb>
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Das Abgas zieht mit einer Temperatur von 16000 C in den der Reduktionskammer nachgeordneten Abhitzekessel, wo es seine fühlbare Wärme bis auf eine Temperatur von 3000 C abgibt.
Im Staubabscheider werden stündlich 0,235 t Flugkoks abgeschieden, dessen Rückführung in die Reduktionskammer bereits erwähnt wurde.
EMI4.1
ten Abhitzekessel werden die im Abgas vorhandenen brennbaren Gasbestandteile vollkommen verbrannt.
Die nunmehr wieder auf rund 9000 C erhitzten Rauchgase dienen zur Überhitzung des im Kesselsystem erzeugten Wasserdampfes, zur Vorwärmung der Primär- und Sekundärluft sowie zur Vorwärmung des Speisewassers.
Es werden 19,55 t Dampf mit einem Druck von 74 atü und einer Temperatur von 4500 C erzeugt.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verhüttung von staubförmigen oder feinkörnigen Erzen in zwei Reduktionsstufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Erze und gegebenenfalls Zuschläge zunächst in einem Schmelz- und Vorreduktionsraum durch Einführung von Brennstoffen und freien Sauerstoff enthaltenden Gasen geschmolzen werden, wobei die Schmelzprodukte durch die Strömungsenergie der in sie eingeführten Erze, Zuschläge, Brennstoffe und Gase in turbulente Bewegung versetzt und dadurch innig gemischt sowie durch bemessene Brennstoffzufuhr die in der Schmelze befindlichen Metalloxyde in eine niedrigere Oxydations stufe übergeführt werden, und sodann die gebildete flüssige Mischung und die entstandenen Gase in den zweiten Reduktionsraum geleitet werden, wo in das Schmelzbad,
an das die Gase vor ihrer Abführung aus dem Reduktionsraum einen Teil ihrer fühlbaren Wärme abgeben, in bekannter Weise Reduktionmittel, z. B. Brennstoffe, eingeführt werden, die nunmehr die vollständige Reduktion der Metalloxyde' bewirken.