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Verfahren zur Reduktion von Eisenoxyderz
Die Erfindung bezieht sich auf die direkte Reduktion von Eisenoxyd, insbesondere von Eisenoxyder- zen, unter Verwendung eines reduzierenden Gases, das hauptsächlich Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthält.
Zur Herstellung von metallischem Eisen aus Eisenerz sind schon viele verschiedene Verfahrdnvorgeschlagen worden. Es wurde jedoch, abgesehen von ungewöhnlicher Roh & toffbeschaffenheit, der übliche Hochofen als wirtschaftlichste und zweckmässigste Einrichtung zur Herstellung von Roheisen angesehen.
Trotz seiner weiten Verbreitung weist das Hochofenverfahren zwei schwere Nachteile auf, die im Rohmaterial, mit dem der Hochofen beschickt wird, ihre Ursache haben, nämlich :
1. Das im Hochofen zu verarbeitende Eisenerz muss ziemlich grobteilig sein, damit es nicht oben aus dem Hochofen herausgeblasen wird, und
2. der einzige wirklich zufriedenstellende Brennstoff für die Verwendung im Hochofen ist metallurgischer Koks, der genügende Festigkeit besitzt, um dem Druck der Hochofenbeschickung standzuhalten.
Die beiden erwähnten Einschränkungen für die Beschaffenheit der zur Beschickung des Hochofen verwendbaren Rohstoffe gewinnen in steigendem Masse an Bedeutung. So liefern, wenn nur ein Gesichtspunkt des Erzproblems betrachtet wird, verschiedene Verfahren zur Anreicherung von Eisenerz ein feinteiliges Material, das als solches nicht einem Hochofen aufgegeben werden kann, sondern vorher zu grösseren Stücken geformt oder gesintert werden muss. Dieser zusätzliche Arbeitsvorgang erhöht selbstverständlich die Kosten des Hochofenverfahrens beträchtlich. Was den Koks anbelangt, ist zu bemerken, dass gegenwärtig die Förderung von guter Verkokungskohle rasch zurückgeht, während die Kosten von Verkokungsanlagen steigen. Die Ausgaben für Koks stellen daher den grössten Einzelposten bei der Herstellung von Roheisen im Hochofen dar.
Ferner erfordert es die rasche Steigerung der Baukosten eines neuen Hochofen, einen einfacheren und billigeren Ersatz für das Hochofenverfahren zu finden.
Es ist seit langem bekannt, dass zerkleinertes oder körniges Eisenerz durch Behandlung mit geeigne- ten reduzierendenGasen bei erhöhter Temperatur zu einem Gemisch aus metallischem Eisen und Gangart verarbeitet werden kann. Es sind auch tatsächlich in der Praxis bereits verschiedenartige sogenannte Direktreduktionsverfahren beschrieben und empfohlen worden. Aus vielen verschiedenen Gründen hat aber keines der vorgeschlagenen Verfahren in grösserem Umfange in der Technik Eingang gefunden.
Obwohl die Direktreduktion von Eisenerz bei der Herstellung vonsogenanntemEisenschwamm und synthetischem Schrott vielleicht die grösste Aufmerksamkeit erregt hat, wurde aber, soweit bekannt, bisher kein technisch durchführbares und wirtschaftlich aussichtsreiches Schmelzverfahien empfohlen, das eine direkte Reduktion von Eisenerz durch ein reduzierendes Gas und das Schmelzen des reduzierten Eisens einschliesst, um heisses, zur Verwendung bei einem Stahlerzeugungsverfahren geeignetes Metall zu gewinnen.
Die bekannten kombinierten Reduktions-Schmelz-Verfahren weisen entweder ein beträchtliches Wärmedefizit oder einen übermässig hohen Brennstoffverbrauch auf, so dass diese Verfahren entweder technisch nicht entsprechen oder sich vom wirtschaftlichen Standpunkt gesehen als höchst unpraktisch erweisen. Überdies ziehen schliesslich in manchen Fällen die- bisher vorgeschlagenen Verfahren beträchtliche Arbeitsschwierigkeiten nach sich.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass e ; durch Anwendung gewisser Verfahrens- massnahmen bei den verschiedenen Verfahrencttritten und durch Anpassung an eine in bestimmter Weise
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Eisenerz und ein Schmelzen des reduzierten Eisens praktisch und wirtschaftlich durchzuführen, wie dies bisher nicht möglich war.
Wie nachstehend näher erläutert wird, bildet den Kernpunkt der vorliegenden
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Erfindung der Vorschlag eines ausgeglichenen Verfahrens, bei dem das in bestimmten Stufen des Verfahrens durch Verbrennung von Brennstoff erzeugte Gas der im Reduktionsschritt des Verfahrens erforderlichen Gasmenge angeglichen oder mit dieser Gasmenge genau koordiniert ist, wodurch der geringstmögliche Verbrauch von Brennstoff erzielt werden kann und gleichzeitig alle chemischen und thermischen Erfordernisse des Verfahrens erfüllt werden können. Dieser Vorschlag eines ausgeglichenen Verfahrens ist in der Praxis neu und begründet die technische und wirtschaftlicheDurchführbarkeit desvorliegendenVerfahrens, die im Gegensatz zu den bekannten erfolglosen und unpraktischen Vorschlägen steht.
Dementsprechend ist der Hauptgegenstand der Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren zur direkten Reduktion von Eisenerz und zum Schmelzen des reduzierten Eisens. Die Erfindung zielt ferner auf die Schaffung eines neuen Verfahrens der beschriebenen Art, das gegenüber den bisher vorgeschlagenen Verfahren besondere wirtschaftliche Vorzüge bietet. Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines neuen ausgeglichenen Verfahrens zur Reduktion von Eisenerz und zum Schmelzen des reduzierten Eisens,
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Kombination einer Schmer-und Gas"erzeugungsstufe mit einerGasumwandIungsstufe zur Anwendung bei einem Verfahren der geschilderten Art vorgeschlagen.
Ganz allgemein umfasst die Erfindung drei Hauptverfahrensstufen :
1. Eine kombinierte Schmelz- und Gaserzeugungszone - auch als Herdzone bezeichnet-in der ein Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird, um das Eisen von dem schon teilweise reduzierten Eisenerz zu trennen, wobei gleichzeitig Verbrennungsgas erzeugt wird,
2. eine Aufwertungs- oder Umwandlungszone, in der das aus der ersten Zone kommende Verbrennungsgas mit zusätzlichem Brennstoff und Sauerstoff behandelt wird, um dessen Reduktiol1svermgen zu erhöhen und
3. eine Reduktionszone, in der zerkleinertes Eisenerz mit dem aus der zweites : Zone kommenden umgewandeltenGas inBerMrung gebracht wird und aus der das entstehende reduzierte Eisenerz zur ersten Zone geleitet wird.
Ein bereits bekanntes Verfahren der eben beschriebenen allgemeinen Art ist in der USA-Patentschrift Nr. 2, 526, 658 beschrieben, gemäss welchem in der Herdzone durch Verbrennung von Öl mit Luft eine oxydierend wirkende Umgebung erzielt wird und anschliessend die kohlendioxydrsichen Verbronnungspro- dukte durch weissglühenden Kohlenstoff umgewandelt werden. Diese bekannte Art des Verfahrens ist aber deshalb unzureichend, weil es unmöglich ist, mittels weissglühenden Kohlenstoffes die Umwandlung des Gases im erforderlichen Umfang durchzuführen, woraus sich eine ungenügende Erzeugung von reduzieren-
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Reduktionszone nicht ausreichend ist.
Es muss daher der Erzbeschickung Kohle zugesetzt werden, damit die Reduktion zum Teil durch Reaktion mit dem zusätzlichen Kohlenstoff erfolgt und zum andern Teil durch das reduzierende Gas aus der Umwandlungszone vollendet wird. Da die Reduktion von Erz mit Kohle eine relativ höhere Betriebstemperatur erfordert, wird es ausserdem nötig, mittels besonderer Brenner in der Reduktionszone zusätzlich Wärme zuzuführen. Selbst der Ersatz der Luft durch Sauerstoff in der Verbrennungsstufe der Herdzone genügt nicht, um das Wärmedefizit des Verfahrens zu decken, das durch den Stickstoffgehalt der Luft entsteht, und der einzige Weg zur Beseitigung des Wärmedefizits besteht darin, sowohl in der Herdzone als auch In der Reduktionszone überschüssige Mengen von Brennstoff zu verbrennen.
Bei andern bisher bekannten Verfahren wird eine derartige Regelung der Verbrennung von Brennstoff in der Herdzone vorgenommen, dass die Flamme und ihre Verbrennungsprodukte reduzierende Eigenschaf-
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750, 277zur Reduktion von Eisenerz benützt werden. Es wurde aber gefunden, dass in einem solchen System in der Herdzone überm ssig grosse Mengen Brennstoff und Sauerstoff verbraucht werden müssen, um die thermischen Bedingungen für den Schmelzvorgang zu erfüllen ; ferner entsteht bei dem grossen Brennstoffver- brauch eine ungeheure Menge an Gas.
Die hohen Kosten für Brennstoff und Sauerstoff und die Vergrösserung der Anlagen für die Behandlung des grossen Gasvolumen im System machen das Verfahren unwirtschaftlich und unpraktisch.
Die bekannten Verfahren, welche einen mit einer direkten Reduktion erfolgenden Schmelzvorgang zur Erzeugung von geschmolzenem Eisen aus Eisenerz umfassen, weisen daher entweder einen Verlust an
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Wärme und Reduktionsleistung auf oder sie erfordern einen ausserordentlich hohen Brennstoffverbrauch und eine übermässig grosse Gaserzeugung. Es wurde nun gefunden, dass es durch Einhaltung einer bestimmten
Kombination von Arbeitsbedingungen und Vorgängen möglich ist, ein ausgeglichenes Verfahren zu ver- wirklichen, bei dem alle thermischen und chemischen Anforderungen der Schmelz- und Reduktionsstufen mit einem Mindestaufwand an Brennstoff und Sauerstoff ohne ein Wärmedefizit und ohne übermässig grosse
Gaserzeugung erfüllt werden können.
Beim erfindungsgemässen Verfahren ist eine Zufuhr von zusätzli- chem Kohlenstoff oder eine Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff in der Reduktionszone nicht erfor- derlich. Es werden im Gegenteil die chemischen und thermischen Anforderungen der Reduktionszone zur
Gänze durch die Reduktionsleistung und den beträchtlichen Wärmeinhalt des umgewandelten Verbren- iiungsgases der Herdzone vcillständig gedeckt. Ferner wird beim erfindungsgemässen Verfahren im Herd ohne übermässigen Verbrauch von Brennstoff und Sauerstoff genügend Wärme erzeugt.
Die kritische Kom- bination der zur Verwirklichung eines ausgeglichenen Verfahrens erforderlichen Bedingungen dieser Art werden nachstehend erläutert :
Herdzone
Es wurde festgestellt, dass die thermischen Anforderungen des Schmelzvorganges unmöglich in prak- ! tisch wirtschaftlicher Weise gedeckt werden können, wenn nicht die Verbrennung des Brennstoffes so weit durchgeführt wird, dass eine beträchtliche Menge von C02 gebildet wird. Falls beabsichtigt ist, die für den Schmelzvorgang erforderliche Hitze ausschliesslich unter Verbrennung des Brennstoffes zu CO zu ge- winnen, werden ausserordentlich grosse Mengen von Brennstoff und Sauerstoff verbraucht und es muss ein sehr grosses Gasvolumen verarbeitet werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung muss vor allem ein koh- lenstoff-oder kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff verwendet werden, bei dem das Atomverhältnis H : C kleiner als 3 ist. Wenn auch gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe, die diese Bedingung erfüllen, , verwendet werden können, wird jedoch ein fester Kohlebrennstoff, wie Anthrazit, bituminöse oder subbi- tuminöse Kohle, Lignit, Torf oder Koks, bevorzugt. Im allgemeinen wird vorzugsweise pulverisierter
Koks verwendet. Der Grund für die oben erwähnte Begrenzung des H : C-Verhältnisses im Brennstoff liegt darin, dass eine unerwünschte Herabsetzung der Flammenhelligkeit und eine dadurch bewirkte Verminde- rung der Wärmeübertragung im Herd vermieden werden soll. Ferner soll die Menge an Wasser und H in dem reduzierenden Gas niedrig gehalten werden.
Es ist ferner notwendig, dass das oxydierende Gas für den Brennstoff in der Herdzone mindestens 8=ego
Sauerstoff enthält. Gewöhnlich wird vorzugsweise handelsüblicher, freier Sauerstoff verwendet, der unge- fähr etWa 990/oig sein kann, doch kann im Rahmen der Erfindung auch mit Sauerstoff angereicherte Luft oder ein mit inertem Gas gemischter Sauerstoff verwendet werden, wenn der Gesamtsauerstoffgehalt min- destens 85'%'beträgt. Gekörnte oder pulverisierte Kohle kann mit dem Sauerstoff in der Herdzone mittels geeigneter Brenner irgendeiner bekannten Bauart verbrannt werden.
Zur Erzielung des erwünschten ausgeglichenen Betriebes ist es nötig, dass die relativen Mengen von
Brennstoff und Sauerstoff und die übrigen Verbrennungsbedingungen In der Herdzone so einreguliert wer- den, dass in denVerbrennungsgasendasVerhältnisCO : CO etwa 0,7 bis etwa 3 beträgt, wodurch das Gas auf Eisen oxydierend wirkt. Unter diesen Bedingungen wird in der Herdzone eine Temperatur von etwa
1595 bis 19250 C erreicht und die durch die Verbrennung gelieferte Wärme reicht aus, um ein Schmelzen des Eisens in den reduzierten Erzpartikeln zu gewährleisten, so dass sich das Eisen von der Gangart des Er- zes trennt. Durch das Vorliegen einer oxydierenden Atmosphäre in der Herdzone wird überdies die Entfer- nung von Silicium in wesentlich höherem Grade bewirkt als dies in den üblichen Hochöfen möglich ist.
Wenn das Verhältnis CO : CO kleiner ist als der angegebene untere Wert von etwa 0, 7, dann tritt in der
Herdzone ein Wärmedefizit auf, wodurch der erwünschte ausgeglicheneBetrieb beeinträchtigt wird. Wenn das Verhältnis C02 : CO grösser ist. als der angegebene obere Grenzwert von etwa 3, dann wird in der
Herdzone die oxydierende Wirkung so stark, dass eine übermässige Reoxydation von geschmolzenem Eisen bewirkt wird und überdies eine rasche Zerstörung der feuerfesten Auskleidung des Herdes auftritt. Wenn
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zeugung auf den nachfolgenden Umwandlungsvorgang so abgestimmt werden, dass der gewünschte Gesamtausgleich zustandekommt.
Da, wie oben angeführt wurde, die Verbrennungsatmosphäre in der Herdzone auf Eisen oxydierend wirkt, wird das Eisen durch zugefügten Kohlenstoff, der entweder von aussen zugesetzt wird oder aus den Brennern abfällt, gegen übermässige Reoxydation geschützt. Der in der Herdzone zugefügte Kohlenstoff gelangt in die Schlacke, die sich in der Herdzone aus der Gangart des reduzierten Erzes, und, wenn als
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Brennstoff Kohle verwendet wird, auch von den in der Kohle enthaltenen Aschebestandteilen, bildet. Zur Begünstigung der Schlackenbildung in der Herdzone können zusätzlich schlackenbildende Materialien, wie Kalkstein, zugesetzt werden.
Umwandlungszone
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de ausgeglichene Betrieb ermöglicht werden soll, wesentlich, die Umwandlung dadurch auszuführen, dass das Herdgas in eine Umwandlungszone eingeleitet wird, in der ein Überschuss des Brennstoffes in einem Gemisch aus Herdgas und Sauerstoff verbrannt wird, um eine endothermische Reaktion zwischen dem COZ und H O des Herdgases mit dem Kohlenstoff und Wasserstoff des überschüssigen Brennstoffes zu bewirken.
Es wird also ein Teil des in die Umwandlungszone eingeführten Brennstoffes mit Sauerstoff verbrannt, um Wärme für die endothermischen Umwandlungsreaktionen zu erzeugen, und der Kohlenstoff-und Wasserstoffgehalt des restlichen Teiles dieses in die Reaktionszone eingeführten Brennstoffes wird mit CO und Ho zur endothermischen Reaktion gebracht, um CO und H zu erzeugen. Gleichzeitig wird die Temperatur der aus der Herdzone kommenden Verbrennungsgase merklich herabgesetzt. So kann beispielsweise die Temperatur in der Umwandlungszone und die Temperatur des abströmenden umgewandelten Gases etwa 1040 bis etwa 13150 C betragen. So wie in der Herdzone wird auch in der Umwandlungszone als Brennstoff vorzugsweise pulverisierte Kohle und als sauerstoffreiches Gas vorzugsweise handelsüblicher freier Sauerstoff verwendet.
Um eine entsprechendeReduktionsleistung ohne übermässig grosses Gasvolumen zu gewährleisten, soll der CO-Gehalt des Herdgases beim Umwandlungsvorgang bis zu einem Ausmass verringert werden, dass das umgewandelte Gas höchstens 10% CO bei einem Verhältnis von CO CO von mindestens etwa 7 und vorzugsweise höchstens 5% CO bei einem Verhältnis von CO:CO von mindestens etwa 10 enthält.
Ausserdem ist es auch wichtig, dass der Wasserstoffgehalt des umgewandelten Gases soweit als möglich beschränkt wird. Je nach der Beschaffenheit des in der Herdzone und in der Umwandlungszone verbrannten Brennstoffes wird eine bestimmte Menge Wasserstoff im umgewandelten Gas enthalten sein. Überdies kann, wie bereits erwähnt, im Herdgas enthaltene Feuchtigkeit in der Umwandlungszone durch Reaktion mit Kohlenstoff vermindert werden, wobei zusätzlich Wasserstoff gebildet wird. Durch sorgfältige Auswahl und Vorbehandlung des Brennstoffes ist es jedoch möglich, übermässige Mengen von Wasserstoff im
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grösser als etwa 1 und vorzugsweise höchstens etwa 0, 5 sein.
Auf Grund stöchiometrischer und thermodymischer Überlegungen wurde gefunden, dass die optimale Gasausnützung, d. i. der Prozentsatz des durch Reaktion mit Eisenoxyd verbrauchten reduzierenden Gases, für CO-reiche Gemische bei einer niedrigeren Reaktionstemperatur erreicht werden kann, und dass die Reaktionstemperatur für die optimale Gasausnützung mit wachsendem Wasserstoffgehalt des reduzierendenGases steigt. Ferner ist die Reaktion zwischen'Eisenoxyd und H endotherm, wogegen die Reaktion zwischen Eisenoxyd und CO leicht exotherm Ist, so dass in der Reduktionszone eine unnötige Wärmebelastung entsteht, wenn im reduzierenden Gas das Verhältnis H : CO zu gross ist.
Ausserdem-werden bei zu hohemWasserstoffgehalt des reduzierendenGaS8S durch die Reaktion zwischen CO und Ha grosse Mengen Wasser gebildet, das entweder bei der Gasreinigung verloren geht oder unter Bildung von umso mehr COZ reagiert, als während der folgenden Verwendung des Gases in der Reduktionszone die Temperatur sinkt.
Die vorstehend beschriebene Abstimmung der Vorgänge in einer Herdzone und einer Umwandlungszone ist wesentlich, wenn ein ausgeglichener Betrieb erreicht werden soll, bei dem sowohl die thermischen als auch die chemischen Erfordernisse des Verfahrens ohne übermässig grossen Verbrauch von Brenn- stoff und Sauerstoff und bei optimaler Gaserzeugung erfüllt werden.
Es wurde gefunden, dass die einzige Möglichkeit zur Erzielung dieses Ausgleiches darin besteht, dass eine Umwandlung der beschriebenen Art vorgenommen wird, bei der In ihrer bevorzugten Form zusätzliche Kohle in einem sauerstoffreichen Gas verbrannt wird, das mit dem aus der Herdzone kommenden Gas, bei dem das Verhältnis CO CO etwa
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der Verbrennungszone das Verhältnis von C02 : CO nahe der unteren Grenze von etwa 0, 7 liegt, dann ist die Menge des in der Umwandlungszone umgewandelten CO kleiner und der Verbrauch von Kohle und Sauerstoff in der Umwandlungszone geringer, gleichzeitig muss aber In der Herdzone mehr Brennstoff und Sauerstoff verbraucht werden, um den thermischen Erfordernissen der Herdzone nachzukommen.
Wenn an-
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:meleistung in der Herdzone in einem Ausmass verringert, dass bei der Verbrennung der zur Vollendung des Schmelzvorganges allein nötigen Brennstoffmenge nicht mehr genug Gas geliefert wird, um in der Reduktionszone die Reduktion im gewünschten Masse durchzuführen. Wenn anderseits im Reduktionsabschnitt die Reduktion in geringerem Ausmass, als oben angegeben ist, durchgeführt wird, dann werden die thermischen Anforderungen des Herdes für das Schmelzen und die weitere Reduktion so gross, dass der verbrauchte Brennstoff mehr Gas erzeugt als zur Deckung der chemischen Anforderungen der Reduktionszone nötig ist.
Zum Schutze des geschmolzenen Eisens gegen Reoxydation wird in die Herdzone Kohle oder kohlehaltiges Material eingeführt. Diese zusätzliche Kohle oder das kohlehältige Material bewirkt überdies eine weitere, in den meisten Fällen im wesentlichen vollständige Reduktion des in die Herdzone gelangenden Eisenoxydes. Die zusätzliche Kohle kann in irgendeiner üblichen Form von festem kohlenstoffhaltigem Material, wie Koks, Kohle oder Graphit, zugeführt werden, doch ist pulverisierte Kohle gewöhnlich am bequemsten verwendbar und am billigsten. Die Zuführung von Kohle erfolgt vorzugsweise durch direkte Einführung derselben in die Herdzone entweder für sich allein oder im Gemisch mit den aus der Reduktionszone kommenden Feststoffen.
Die Zuführung von Kohle in die Herdzone kann aber unter bestimmten Bedingungen auch dadurch erfolgen, dass die Brenner für das Kohle-Sauerstoffgemisch in der Herdzone so eingestellt werden, dass überschüssige unverbrannte Kohle abfällt. In jedem Falle wird der zusätzliche Kohlenstoff schnell in die flüssige Schlacken-Metall-Masse aufgenommen und bei der in der Herdzone herrschenden hohen Temperatur erfolgt nun die erwünschte weitere Reduktion von Eisenoxyd sehr schnell, wobei gleichzeitig das geschmolzene Eisen gegen Reoxydation geschützt ist. Überdies kann der in der Herdzone zugesetzte Kohlenstoff auch eine Aufkohlung des geschmolzenen Eisens bewirken, wodurch ein Produkt mit einem erwünschten Kohlenstoffgehalt erhalten werden kann. Durch Begrenzung der Aufkohlung kann z.
B. geschmolzenes Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 Gew.-'% oder weniger erhalten werden, wogegen bei Zufuhr von grösseren Kohlenstoffmengen als Endprodukt des Verfahrens geschmolzenes Eisen mit z. B. 2-4 Gew.-% Kohlenstoff gewonnen werden kann.
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des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert. Bei der schematisch dargestellten Ausführungsform weist die kombinierte Schmelz-und Gaserzeugungszone einen feuerfest ausgekleideten Herd 10 auf, dem aus einer Reduktionskolonne l ? durch eine Leitung 11 reduziertes Eisenerz zugeführt wird. Im Herd 10 wird Kohle, die als vorbereitetes Gemisch durch eine Leitung 13 zugeführt wird, mit Sauerstoff verbrannt.
Die Verbrennungsbedingungen werden derart reguliert, dass eine oxydierende Atmosphäre entsteht, in der im Verbrennungsgas das Verhältnis von CO : CO etwa 0,7 bis etwa S beträgt und im Herd 10 eine Temperatur von etwa 1595 bis 19250 C herrscht.
Das geschmolzene Eisen im Herd 10 ist mit 14 und die darüber liegende Schlackenschicht mit 16 bezeichnet. Das geschmolzene Eisen kann aus dem Herd 10 bei 17 und die Schlacke bei 18 abgezogen werden.
Das Verbrennungsgas gelangt aus dem Herd 10 durch eine Leitung 19 zu einer Kohlengasumwandlungseinrichtung (Umformer) 21, der durch eine Leitung 22 Sauerstoff und überschüssige Kohle zugeführt
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Verbrennungsgases.Wärme wird durch den Wärmeinhalt der Verbrennungsgase und durch zusätzliche Wärme gedeckt, die im Umformer 21 durch Verbrennung eines andern Teiles der Kohle, die durch die Leitung 22 zugeführt wird, entwickelt wird. Da im Umformer 21 Kohle verbrannt wird, bleibt Asche übrig, von der ein Teil durch eine Leitung 20 in Form von flüssiger oder halbflüssiger Schlacke abgezogen werden kann, während die restliche Asche durch das durch eine Leitung 2 & abströmende Gas mitgeführt wird.
Die in der Zone 21 erfolgende Umwandlung muss bis zu einem solchen Ausmass durchgeführt werden, dass das durch die Lei- tung 23 abströmende Gas höchstens etwa 10% CO bei einem Verhältnis CO : CO von mindestens 7, und vorzugsweise höchstens 507o CO bei einem Verhältnis vonCO:CO von mindestens etwa 10, enthält. Fer- ner soll, wie oben bereits ebenfalls angeführt worden ist, in dem durch die Leitung 23 abgezogenen Gas das Verhältnis von H : CO nicht grösser als etwa 1, vorzugsweise nicht grösser als etwa 0,5 sein.
Infolge der im Umformer 21 stattfindenden endothermen Reaktionen ist die Temperatur des umge- wandelten Gases wesentlich niedriger als die Temperatur des Herdgases. So kann z. B. das bei 23 abgezogene CO-reiche Gas eine Temperatur von etwa : 1040 bis etwa 13150 C haben. Ehe dieses Gas in der Reduktionskolonne 12 verwendet werden kann, muss es noch weiter abgekühlt und überdies zwecks Entzuges von mitgeführter Kohlenasche gereinigt werden. Obwohl als Gasreiniger ein Zyklonabscheider oder ein elektrostatischer Abscheider zur Abtrennung von Asche verwendet werden kann. ist in der Zeichnung ein
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Nasswäscher 24 angedeutet, in dem eine vollständige Entfernung von Kohlenasche erfolgt, bei dem aber allerdings eine vorhergehende Abkühlung des heissen Gases erforderlich ist.
Hiezu wird das heisse Gas von der Leitung 23 durch einen Wärmeaustauscher 26 geführt, in dem das Gas auf eine Temperatur von 260 bis 3150 C abgekühlt wird, wonach es durch eine Leitung 27 unten in den Wäscher 24 eingeführt wird.
Das Wasser oder ein anderes wässeriges oder flüssiges Reinigungsmittel wird durch eine Leitung 28 oben in den Wäscher eingeführt, so dass es mit dem reduzierendenGas im Gegenstrom zur Berührung kommt. Gegebenenfalls kann die durch die Leitung 28 eingeführte Waschflüssigkeit ausserdem ein reagierend oder lösend wirkendes Chemikal, wie Monomethylamin, zur selektiven Abscheidung weiterer CQ,-Mengen aus dem Gas enthalten. Die abströmende Waschflüssigkeit wird aus dem Wäscher durch eine Leitung 29 abgezogen und je nach den Umständen einem Abfluss zugeführt, in den Kreislauf zurückgeführt oder einer Rückgewinnungsbehandlung unterworfen werden.
Aus praktischen Gründen der Vereinfachung des Herdaufbaues und der Erleichterung des Zuganges zum Herd wird gewöhnlich die Herdzone 10 bei im wesentlichen atmosphärischem Druck betrieben. Unter diesen Umständen muss im System eine Gaspumpe oder ein Kompressor vorgesehen sein, um das Durchströmen desGases durch die verschiedenen Abschnitte und insbesondere durch die Reduktionskolonne sicherzustellen. So gelangt bei dem vorliegenden Beispiel das abströmende gereinigte, reduzierende Gas aus dem Nasswäscher 24 durch eine Leitung 31 zu einem Kompressor 32 und von diesem durch eine Leitung 33 zum Wärmeaustauscher 26, in dem das früher gekühlte und anschliessend gereinigte Gaswieder auf eine geeignete Temperatur von etwa 480 bis etwa 10400 C erhitzt wird.
Das wiedererhitzte reduzierende Gas strömt dann durch eine Leitung 34 von unten in die Reduktionskolonne 12 ein.
Das zerkleinerte oder gekörnte Eisenoxyd wird vor seiner Einführung in die Reduktionskolonne 12 durch eine Leitung 35 einer schematisch angedeuteten Trocknungs-und Vorwärmezone 36 zugeführt, um dem Erz das darin enthaltene freie und gebundene Wasser zu entziehen. Je nach dem von der Art des Erzes abhängigen Gehalt an freiem und gebundenem Wasser wird das Erz in der Zone 36 auf etwa 120 - 480 C vorgewärmt und dann durch eine Leitung 37 oben in die Reduktionskolonne 12 eingeführt, in der es im Gegenstrom mit dem von seinem Eintritt 34 nach oben ziehenden reduzierenden Gas kontinuierlich nach unten wandert.
Gemäss der Erfindung entspricht der Wärmeinhalt des durch die Leitung 34 einströmenden reduzierenden Gases den thermischen Erfordernissen der Reduktionsreaktionen, die in der Reduk-
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der Zone 36 soll demnach bloss das Erz unter Verwertung sonst verlorener Wärme getrocknet werden. Das abströmende reduzierende Gas wird oben aus der Kolonne 12 durch eine Leitung 38 mit einer Temperatur von etwa 205 bis etwa 5400 C abgezogen und kann auf eine der verschiedenen bekannten Arten, zwecks Rückgewinnung von Feinteilchen behandelt werden. Da das durch die Leitung 38 abströmende Abgas gewöhnlich noch etwas CO und H2 enthält, kann es als Brennstoff oder zu andern Zwecken verwender rez den. So kann dieses Gas z.
B. verbrannt werden, um zusätzlich Wärme für die Trocknung und Vorwärmung des Erzes in der Zone 36 zu gewinnen.
Die reduziertenFeststoffe werden unten aus der Kolonne 12 durch die Leitung 11 abgezogen und, wie bereits erläutert wurde, der Herdzone 10 zugeführt. Durch eine Leitung 39 wird vorzugsweise an dieser Stelle Kohle zugeführt, um den Bedarf an Kohlenstoff zu decken, der im Herd 10 zum Schutz des geschmolzenen Eisens gegen Reoxydation, zur Vollendung der Reduktion von unreduziertem Eisenoxyd in den aus der Reduktionskolonne kommenden Feststoffen und zur Aufkohlung des geschmolzenen Eisens erforderlich ist. Obwohl nach dem dargestellten Schema die durch die Leitung 39 zusätzlich eingeführte Kohle mit den durch die Leitung zugeführten reduzierten Feststoffen vor dem Eintritt in die Herdzone 10 vermengt wird, kann selbstverständlich diese Kohle durch eine eigene Leitung auch direkt in den Herd 10 eingeführt werden.
Der Wärmebedarf des Herdes 10 hängt vom Gehalt an unreduziertem Eisenoxyd oder FeO in den durch die Leitung 11 zugeführten Feststoffen ab. Wenn daher die Menge des dem Herd 10 zugeführten unreduzierten Eisenoxyds zunimmt, dann steigt der Bedarf an Wärme im Herd wegen der in grösserem Ausmasse durch Reaktion mit Kohlenstoff stattfindenden Reduktion, die im Herd erfolgen muss, wobei sich allerdings gleichzeitig die in der Reduktionskolonne 12 erforderliche Menge von CO entsprechend verringert. Wenn anderseits die Menge des dem Herd 10 durch die Leitung 11 zugeführten unreduzierten Eisenoxyds herabgesetzt wird, dann sinkt auch der Wärmebedarf im Herd, die in der Reduktionskolonne 12 benötigte Menge an CO steigt jedoch.
Wie schon weiter oben hervorgehoben worden ist, wurde gefunden, dass ein optimaler Ausgleich im Betrieb erzielt werden kann, wenn der Gesamtgehalt an
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vorzugsweise etwa 10 bis etwa 25 Gew. -'10 unreduziertes Eisenoxyd, beträgt.
Durch das nachstehende besondere Beispiel eines nach den vorstehend angeführten Grundgedanken ausgeübten Verfahrens wird die Erfindung näher erläutert.
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Bei spiel : Bine Einrichtung, die nach dem in der Zeichnung veranschaulichten System aufgebaut ist, wurde bei der Reduktion eines hochwertigen Hämatiterzes mit etwa 63% Eisengehalt und einer etwa einem 3-Maschensieb entsprechenden Teilchengrösse von höchstens etwa 6, 68 mm verwendet. Aus einer Anzahl von Versuchsreihen wurden die nachstehend angeführten, auf 1 t geschmolzenes Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 2% bezogenen Werte für das Material berechnet.
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itemmittels Kohle-Sauerstoffbrenner verbrannt, während aus der Reduktionskolonne insgesamt 1098 kg an reduzierten Eisenoxydfeststoffen zugeführt wurden, welche insgesamt etwa 85 Gew.. fl/o reduziertes Eisen und 15 Gew. -0/0 unreduziertes FeO enthielten.
Aus der Herdzone wurden 908 kg geschmolzenes Eisen abgezogen und ausserdem 170 kg Schlacke abgestochen.
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leitet und in diesem auf 315 C abgekühlt. Das gekühlte Gas wurde mit Wasser gewaschen und es wurden insgesamt 1557 m3 aschefreies, mit Wasser gewaschenes Gas der Ansaugseite des Kompressors zugeführt.
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es der Reduktionskolonne zugeführt wurde, durch die das Gas in nichtfluldisiertem Gegenstrom mit einem nach unten sinkenden Bett von zerkleinertem Eisenerz strömte. Das Erz war vor dem Eintragen in die Reduktionskolonne auf 2050 C vorerhitzt worden und wurde mit dem reduzierenden Gas bei 8150 C in Berührung gebracht.
Insgesamt wurden 1430 kg vorgewärmtes Erz durch die Reduktionskolonne geführt und das aus der Reduktionskolonne der Herdzone zugeführte reduzierte Eisenerz hatte ungefähr folgende Zu- sammensetzung : Metallisches Fe 67,9 Gew.-%, FeO 17,7 Gew.-%, SiO2 11,1 Gew.-% und Al2O 3,3 Gew. -%. Das erschöpfte reduzierende Gas strömte aus der Reduktionskolonne mit einer Temperatur
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4% H und 10, 6% H 0.PATENTANSPRÜCHE :
1.
Verfahren zur Reduktion von Eisenoxyderz mit einem durch Vergasen eines Brennstoffes in einer sauerstoffreichen Atmosphäre erhaltenen Gas mit hohem Kohlenmonoxydgehalt, sowie zum Schmelzen des reduzierten Eisens, dadurch gekennzeichnet, dass man in einer Herdzone einen Brennstoff mit einem sauerstoffreichen Gas, das mindestens etwa 8S% Sauerstoff enthält, verbrennt und hiebei die Verbrennung so reguliert, dass im Verbrennungsgas dasVerhältnisCO :
CO etwa 0, 7 bis etwa 3 beträgt, dasVerbrennungsgas aus der Herdzone einer Umwandlungszone zuführt und in diese einen Brennstoff und ein sauerstoffreiches Gas, das mindestens etwa 85% Sauerstoff enthält, einleitet, hier einen Teil des mit dem sauerstoffreichen Gas eingeleiteten Brennstoffes verbrennt und hiedurch eine endotherme Reaktion eines weiteren Teiles des Brennstoffes mit dem im Verbrennungsgas enthaltenen CO und Hp bewirkt, wobei
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Durchführung der Reduktion in der Reduktionszone aufweist, das zerkleinerte Eisenoxyderz in einer Re- duktionszone mit dem umgewandelten Gas bei einer Temperatur von etwa 480 bis 9850 C in Berührung bringt und hiedurch einen grösseren Teil des im Erz enthaltenen Eisenoxyds zu Eisen reduziert,
einen kleineren Teil des Eisenoxyds jedoch unreduziert belässt, hierauf das Gemisch von reduziertem und unvoll- ständig reduz1ertemEisenerz derHerdzone zuführt, in dieser das reduzierte Eisen durch die Verbrennungs- wärme schmilzt und in die Herdzone kohlenstoffhaltiges Material einführt, um in der Herdzone eine wei- tere Reduktion des noch umeduzierten Eisenoxyds durch Reaktion mit dem Kohlenstoff zu erzielen und um eine Oxydation des geschmolzenen Eisens in der Herdzone zu verzögern. wobei die Verbrennungswärme in der Herdzone zum Schmelzen deteisens und zur weiteren Reduktion des noch unreduzierten Eisenoxyds ausreicht.