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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von teilchenförmigem eisenhältigem Material im Wirbelschichtverfahren, wobei reformiertes Gas, zumindest teilweise vom CO2 befreit, als Reduktionsgas einer Wirbelschicht-Reduktionszone zugeführt und von dieser als Topgas abgezogen wird und wobei das Topgas zumindest zum Teil gemeinsam mit reformiertem Gas für die Direktreduktion eingesetzt wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der EP-0 571 358 A1 sowie der US-5, 082, 251 A bekannt. Hierbei wird eisenreiches Feinerz in einem System von In Serie angeordneten Wirbelschichtreaktoren mit Hilfe von aus Erdgas durch Reformieren gebildetem Reduktionsgas unter erhöhtem Druck reduziert. Das so erzeugte Eisenpulver wird anschliessend einer Heiss- oder Kaltbrikettierung unterworfen.
Bei diesen bekannten Verfahren wird zur Vermeidung eines zu hohen CO2-Gehaltes Im Reduktionsgas das CO2 aus dem Reduktionsgas, bevor es in den ersten Wirbelschichtreaktor eingeleitet wird, durch Waschen mit Hilfe einer herkömmlichen CO2-Wäsche basierend auf dem Prinzip der physikalischen oder chemischen Absorption entfernt. Durch d) e COz-Wäsche wird eine hohe Selektivität erreicht, d. h. dass vornehmlich CO2 und H2S aus dem zu reinigenden Gasstrom entfernt werden. Andere Moleküle, wie z. 8. H2, CH4, N2 etc., werden von dem Absorptionsmittel praktisch nicht gebunden und verbleiben Im gereinigten Gasstrom Erdgas wird zur Beheizung des Reformers und weiters zur Beheizung eines ReduktionsgasErhitzers herangezogen, wobei gegebenenfalls Topgas zugemischt wird.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese bekannten Verfahren weiterzuentwickein, u. zw. dahingehend, bel gleichbleibender Reduktionskraft das Reduktionsgasvolumen zu verringern, so dass Einsparungen bel Anlagenteilen, die mit dem Reduktionsgas beaufschlagt werden, möglich sind. So sollen sich insbesondere Einsparungen an Investitionskosten für die Reduktionsgas-Verdichter und eine Reduktion des Stromverbrauches für die Reduktionsgas-Verdichtung sowie Heizkosteneinsparungen erzielen lassen, jedoch die Produktionskapazität zumindest gleich bleiben oder erhöht werden. Weiters soll das aus der COz-Eiimtnie- rungsanlage stammende Tailgas nutzbringend für den Prozess eingesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass aus 50 bis 100% des reformierten Gases und 0 bis 100% des Topgases zusätzlich zum C02 zumindest teilweise CH4 und N2 durch eine Adsorption, vorzugsweise eine Druckwechseladsorption, entfernt werden, dass das Reduktionsgas erhitzt wird und dass das aus dem reformierten Gas bzw. dem Topgas durch Adsorption entfernte Tailgas als Heizgas eingesetzt wird.
Aus der DE-40 37 977 C2 ist es an sich bekannt, bei der Direktreduktion von stückigem Eisenerz für die Direktreduktion wahlweise einen 002-Wäscher oder eine Druckwechseladsorptionsanlage einzusetzen.
Hierbei wird das stückige Eisenerz in einem Reduktionsschachtofen im Festbettverfahren reduziert und nach dem Ausbringen aus dem Reduktionsschachtofen in einen Einschmeizvergaser eingebracht, in dem aus Kohle und Sauerstoff das in den Reduktionsschachtofen eingeleitete Reduktionsgas erzeugt wird, und das reduzierte Eisenerz eingeschmolzen wird. Auch die GB-1 599 163 A beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen Reduktion von Erzen in einem Reduktionsschachtofen, bei dem das Reduktionsgas zur Befreiung von C02 und CO einer Druckwechseladsorption unterworfen wird. Das zur Reduktion verwendete gereinigte Gas besteht im wesentlichen aus reinem H2.
Hierbei handelt es sich um Verfahren, die bei niedrigem Druck durchgeführt werden, wogegen beim erfindungsgemässen Wirbelschichtverfahren das Reduktionsgas mit wesentlich höherem Druck geführt 1St. Hierdurch ergibt sich als besonderer Vorteil für das erfindungsgemässe Verfahren, dass-im Gegensatz zu den bekannten Verfahren - keine zusätzlichen Verdichter für die Gasführung zur Adsorption erforderlich sind. Für das Wirbelschichtverfahren ergibt sich daher eine hohe Einsparung an elektrischer Energie.
Durch das Adsorptionsverfahren ergibt sich im Vergleich zur C02-Wäsche die Möglichkeit, das spezifische Reduktionsgasvolumen bei gleichbleibender Reduktionskraft zu verringern, u. zw. dadurch, dass bei der Adsorption im Vergleich zur C02-Wäsche wesenthch mehr CH4 und inertes N2 ausgeschleust werden. Hierdurch kommt es zu Einsparungen bei den hierdurch betroffenen Anlagenteilen, wie Rohre, Verdichter, Ventile etc.
Da das aus dem reformierten Gas bzw. dem Topgas durch Druckwechseladsorption entfernte Taiigas einen sehr hohen Heizwert aufweist, wird es zweckmässig zum Erhitzen des Reduktionsgases und/oder als
Heizgas für den Reformprozess zur Herstellung des reformierten Gases eingesetzt.
Zweckmässig wird das reformierte Gas vor der COz-Eiiminierung stark abgekühlt, gegebenenfalls durch
Mischen mit Topgas, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 20 und 100*C, insbesondere zwischen
30 und 50. C, wodurch es gelingt, den Wirkungsgrad der Druckwechseladsorption stark zu verbessern.
Die Verwirklichung des erfindungsgemässen Verfahrens ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die
Direktreduktion des teilchenförmigen eisenhältigen Materials in mehreren in Serie hintereinander geschalte- ten Wirbelschichtreduktionszonen durchgeführt wird, wobei das feinteilchenförmige eisenhältige Material von Wirbelschichtzone zu Wirbelschichtzone durch Schwerkraft von oben nach unten und das Reduktions-
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gas von Wirbelschichtzone zu Wirbelschichtzone in entgegengesetzter Richtung geführt ist, wobei das bE der Direktreduktion verbrauchte Reduktionsgas als Topgas aus der obersten Wirbelschichtreduktionszon abgezogen, mit reformiertem Gas vermischt und als Reduktionsgas eingesetzt wird.
Zweckmässig erfolgt das Erhitzen des Reduktionsgases zweistufig, u. zw. in einer ersten Stufe durc Wärmetausch und in einer zweiten Stufe durch Teilverbrennung mit Hilfe von in das Reduktionsga eingeleitetem Sauerstoff. Dies ist bei Anwendung der Druckwechseladsorptionsanlage von besonderer Vorteil, da die Druckwechseladsorptionsanlage ein Reduktionsgas mit 0 Vol. % Wasser ergibt. Es gelinc somit, den Wassergehalt im Reduktionsgas auch nach einer Erwärmung durch Nachverbrennung bzv Teilverbrennung sehr niedrig zu halten, obwohl sich bei der Nachverbrennung bzw. Teilverbrennung de H2O-Gehalt zu Lasten des Hz-Gehattes um 1 bis 5 Vol. % erhöht. Ein möglicher Verlust von CO aufgrun der Nach- bzw. Teilverbrennung kann durch geänderte Reformerfahrwelse, z. B. kleineres Dampf : Kohler stoff-Verhältnis oder z.
B. grösseren Bypass-Strom zur Adsorptionsanlage, ausgeglichen werden.
Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit mindestens einem Wirbetschict' treaktor zur Aufnahme des eisenoxidhältigen Materials, einer Reduktionsgas-Zuleitung zu diesem Wirbe schichtreaktor und einer das sich bei der Reduktion bildende Topgas vom Wirbelschichtreaktor abführende Topgas-Ableitung, mit einem Reformer, einer vom Reformer ausgehenden Reformgas-Leitung, die mit de Topgas-Leitung zusammenmündet, wobei das aus reformiertem Gas und Topgas gebildete Reduktionsga über die Reduktionsgas-Zuleitung in den Wirbelschichtreaktor gelangt, und mit einer COz-Eiiminierungsant :
EMI2.1
Druckwechseladsorptionsanlage, ausgebildet ist, dass eine von der Adsorptionsanlage das von CO2 befreit Gas zu einer Heizeinrichtung führende Leitung und eine von der Adsorptionsanlage abgeschiedenes Tailga ableitende Tailgas-Ableitung zu einer Heizeinrichtung führt.
Zur einfachen Einstellung der gewünschten chemischen Zusammensetzung des Reduktionsgases i : die Adsorptionsanlage von einer Topgas-Zweigleitung sowie gegebenenfalls von einer reformiertes Ga leitenden Zweigleitung, die von der Reformgas-Leitung ausgeht, überbrückt.
Zweckmässig ist die Tailgas-Ableitung mit der Heizeinrichtung des Reformers leitungsmässig verbunde oder mit einem Gaserhitzer für das Reduktionsgas leitungsmässig verbunden.
Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades der Druckwechseladsorptionsanlage ist vorteilhaft in dE Gas-Zuleitung zur Adsorptionsanlage ein Gaskühler vorgesehen.
Eine optimale Ausgestaltung einer erfindungsgemässen Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Mehrzahl von Wirbelschichtreaktoren hintereinander in Serie geschaltet ist, wobei das elsenoxidhältig Material von Wirbelschichtreaktor zu Wirbelschichtreaktor über Förderleitungen in einer Richtung und da Reduktionsgas von Wirbelschichtreaktor zu Wirbelschichtreaktor über Verbindungsleitungen n die entge gengesetzte Richtung geführt ist, und wobei innerhalb jedes Wirbelschichtreaktors Zyklone zur Absehe dung von mit dem Reduktionsgas mitgerissenen Feinteilchen vorgesehen sind.
Eine effiziente Erhitzung des Reduktionsgases ist dadurch gekennzeichnet, dass als Heizeinrichtung fi das Reduktionsgas ein Wärmetauscher und in Serie dazu eine Teilverbrennungseinrichtung für da Reduktionsgas mit einer Sauerstoffzuführung vorgesehen sind.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele nähe erläutert, wobei die Fig. 1 und 2 jeweils ein Verfahrensschema nach einer bevorzugten Ausführungsforr zeigen.
Die erfindungsgemässe Anlage weist gemäss Fig. 1 vier in Serie hintereinander geschaltete Wirbelschict treaktoren 1 bis 4 auf, wobei eisenoxidhältiges Material, wie Feinerz, über eine Erzzuleitung 5 dem erste Wirbelschichtreaktor 1, in dem die Aufheizung auf Reduktionstemperatur (bzw. eine Vorreduktion) stattfir det, zugeleitet und anschliessend von Wirbelschichtreaktor zu Wirbelschichtreaktor über Förderleitungen geleitet wird. Das fertig reduzierte Material (Eisenschwamm) wird in einer Brikettierantage 7 heissbrikettier Erforderlichenfalls wird das reduzierte Eisen während der Brikettierung vor einer Reoxidation durch ein nicl dargestelltes Inertgas-System geschützt.
Vor Einleitung des Feinerzes in den ersten Wirbelschichtreaktor 1 wird es einer Erzvorbereitung, wi einer Trocknung und einem Sieben, unterzogen, die nicht näher dargestellt ist.
Reduktionsgas wird im Gegenstrom zum Erzdurchfluss von Wirbelschichtreaktor 4 zu Wirbelschichtreal tor 3 bis 1 geführt und als Topgas über eine Topgas-Ableitung 8 aus dem in Gasströmungsrichtung letzte Wirbelschichtreaktor 1 abgeleitet und in einem Nasswäscher 9 gekühlt und gewaschen. Innerhalb d < Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 sind in der Zeichnung nicht dargestellte Zyklone zur Abscheidung von m dem Reduktionsgas mitgerissenen Feinteilchen vorgesehen.
Die Herstellung des Reduktionsgases erfolgt durch Reformieren von über die Leitung 11 zugeführter und in einer Entschwefelungsanlage 12 entschwefeltem Erdgas in einem Reformer 10. Das aus Erdgas un Dampf gebildete, den Reformer 10 verlassende Gas besteht im wesentlichen aus H2, CO, CH4, H20 un
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CO2. Dieses reformierte Erdgas wird über die Reformgasleitung 13 mehreren Wärmetauschern 14 zugelei- tet, in denen es abgekühlt wird, wodurch Wasser aus dem Gas auskondensiert wird.
Die Reformgasleitung 13 mündet in die Topgas-Ableitung 8, nachdem das Topgas mittels eines Kompressors 15 verdichtet wurde. Das sich so bildende Mischgas wird durch eine Druckwechseladsorptionsanlage 16 hindurchgeschickt und von C02 sowie zumindest teilweise von H2 S, CH4, N2, befreit. Es steht nunmehr als Reduktionsgas zur Verfügung.
In der Adsorptionsanlage 16 mit Gasspeicher 16'wird das zu reinigende Gas durch mit Molekularsieben gefüllte Behälter geleitet ; je nach Wahl des Adsorbens werden durch Grösse und Polarität bestimmte Moleküle bevorzugt entfernt. Die Selektivität ist dabei, im Falle der Reinigung von aus Erdgas durch Reformieren gebildetem Synthesegas oder rezykliertem Topgas, geringer als bei CO2-Wäschen, d. h. es fällt ein grösserer Anteil von abgetrenntem Gas an. Dieses, in weiterer Folge "Tailgas" genannte Abgas, hat im Gegensatz zum bei einer CO2-Wäsche anfallenden Abgas jedoch einen relativ hohen Heizwert und kann somit in den für den Direktreduktlonsprozess benötigten Öfen, wie z.
B. zur Erhitzung des Reduktionsgases oder Heizung des Dampfreformers, verfeuert werden und damit die normalerweise zur Verbrennung erforderliche Fremdenergie verringern.
Der Speicher 16'zur Aufnahme des Tailgases Ist über Leitungen 16" mit dem Dampfreformer 10 zur Beheizung desselben und einem Gaserhitzer 19 zur Aufheizung des Reduktionsgases verbunden.
Der Druckwechseladsorptionsanlage 16 vorgeordnet ist ein Gaskühler 17, in dem das der Druckwechseladsorptionsanlage 16 zugeführte Gas auf etwa 40. C oder darunter abgekühlt wird, wodurch ein guter Wirkungsgrad der Druckwechseladsorptionsanlage 16 sichergestellt wird. Die Abkühlung kann durch direkte Wasserkühlung oder indirekte Kühlung erfolgen.
Dieses Reduktionsgas wird über eine Reduktionsgas-Zuleitung 18 in einem der Druckwechseladsorptionsantage 16 nachgeordneten Gaserhitzer 19 auf eine Reduktionsgastemperatur von etwa 800 C erhitzt und dem in Gasdurchflussrichtung ersten Wirbelschichtreaktor 4 zugeführt, wo es mit den Feinerzen zur Erzeugung von direktreduziertem Eisen reagiert. Die Wirbelschichtreaktoren 4 bis 1 sind in Serie geschaltet ; das Reduktionsgas gelangt über die Verbindungsleitungen 20 von Wirbelschichtreaktor 4 zu Wirbelschich- treaktor 3, 2 und 1.
Erfindungsgemäss wird der Druckwechseladsorptionsanlage 16 entweder nur reformiertes Gas zugeführt oder ein Gasgemisch, das aus 50 bis 100 % des reformierten Gases und 0 bis 100 % des Topgases besteht.
Von der Reformgasleitung 13 zweigt eine Zweigleitung 21 ab, u. zw. bevor die Reformgasleitung 13 mit der Topgas-Ableitung 8 zusammenmündet. Diese Zweigteitung 21 vereint sich mit der von der Druckwechseladsorptionsanlage 16 zum Gaserhitzter 19 führenden Reduktionsgas-Zuleitung 18. Weiters geht von der Topgas-Ableitung 8 eine weitere Zweigleitung 22 aus, die sich ebenfalls mit der von der Druckwechselad- sorptionsanlage 16 zum Gaserhitzer 19 führenden Reduktionsgas-Zuleitung 18 vereint.
Mit Hilfe dieser beiden Zeigleitungen 21, 22, die selbstverständlich so wie alle übrigen Gasleitungen mit Ventilen ausgestattet sind, gelingt es, entweder der Druckwechseladsorptionsanlage 100 % reformiertes Gas ausschliesslich zuzuführen oder der Druckwechseladsorptionsanlage 16 ein Gasgemisch aus 50 bis 100 % des reformierten Gases und 0 bis 100 % des Topgases zuzuführen.
Um eine bestimmte Reduktionsgasanalyse einzustellen, sind neben der Wahl eines speziellen Adsorbens folgende Möglichkeiten gegeben : * Definiertes Vorbeiführen von Teilströmen im Bereich 0 bis 100 % der zur Druckwechseladsorptions- anlage 16 geführten Gase an der Druckwechseladsorptionsanlage16 - vorzugsweise 0 bis 30 % des
Synthesegases oder Reformergases etc., bzw. vorzugsweise 0 bis 100 % des rezyklierten Topgases.
. Aufgrund der Tatsache, dass die Druckwechseladsorptionsanlage 16 im Vergleich zur CO2-Wäsche mehr CH4 und inertes N2 ausschleust, besteht die Möglichkeit, das spezifische Reduktionsgasvolu- men bei gleichbleibendere Reduktionskraft zu verringern. Dadurch ist es möglich, Einsparungen bei betroffenen Anlagenteilen vorzunehmen. Ist ein höherer CH4-Gehalt erwünscht, als mit den oben beschriebenen Schaltungsvarianten erzielt werden kann, so kann Erdgas oder reines CH4 in den zu den Reduktionsreaktoren 1 bis 4 geführten Reduktionsgasstrom über die Leitung 23 eingespeist werden.
Ein Teil des Topgases wird aus dem Gas-Kreislauf 8 ausgeschleust, um eine Anreicherung von
Inertgasen, wie N2, zu vermeiden. Das ausgeschleuste Topgas wird über eine Zweigleitung dem Gaserhit- zer 19 zur Erwärmung des Reduktionsgases zugeführt und dort verbrannt. Eventuell fehlende Energie wird durch Erdgas, welches über die Zuleitung 24 zugeführt wird, ergänzt.
Die fühlbare Wärme des aus dem Reformer 10 austretenden reformierten Erdgases sowie der
Reformerrauchgase wird in einem Rekuperator 25 genutzt, um das Erdgas nach Durchlauf durch die
Entschwefelungsanlage 12 vorzuwärmen, den für die Reformierung benötigten Dampf zu erzeugen sowie
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die dem Gaserhitzer 19 über die Leitung 26 zugeführte Verbrennungsluft sowie gegebenenfalls auch das Reduktionsgas vorzuwärmen. Die dem Reformer über die Leitung 27 zugeführte Verbrennungsluft wird ebenfalls vorgewärmt.
Um eine Temperaturabsenkung im In Erzdurchlaufrichtung ersten Wirbelschichtreaktor 1 zu vermeiden kann es vorteilhaft sein, einen Teil des aus dem zweiten Wirbelschichtreaktor 2 austretenden Reduktionsgases im ersten Wirbelschichtreaktor zu verbrennen, zu welchem Zweck in den ersten Wirbelschichtreaktor eine Sauerstoff-Zuführungsleitung 28 und gegebenenfalls eine Erdgas-Zuführungsleitung 29 münden.
Um in sämtlichen Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 die Reaktionstemperatur auf gleicher Höhe konstanl zu halten und hierdurch eine weitere Senkung des Energiebedarfes zu erzielen, wird heisses und frisches Reduktionsgas den Wirbelschichtreaktoren 1 bis 3, die dem in Reduktionsgas-Strömungsrichtung erster Wirbelschichtreaktor 4 nachgeordnet sind, über Zeigleitungen 30 direkt zugeführt, u. zw. in einer Menge von etwa 10 % je Wirbelschichtreaktor 1,2 und 3. Die Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 sind somit hinsichtlich der Reduktionsgasführung nicht nur in Serie, sondern, was die Zuführung eines geringen Teiles des Reduktionsgases betrifft, auch parallel geschaltet, wogegen die Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4, was die Abbzw.
Weiterleitung des Reduktionsgases betrifft, beim dargestellten Ausführungsbeispiel ausschliesslich ir Serie geschaltet sind.
Gemäss der in Flg. 2 dargestellten Anlage erfolgt das Erhitzen des Reduktionsgases zweistufig, u. zw. ir einer ersten Stufe durch Wärmetausch in dem Gaserhitzer 19 und in einer zweiten Stufe durch Teilverbren. nung in einer Teilverbrennungseinrichtung 31 mit Hilfe von in das Reduktionsgas über eine Leitung 3 eingeleitetem Sauerstoff.
Vorteilhaft wird das zu erwärmende Gas zunächst in dem Gaserhitzer 19, der als indirekter Wärmetau- scher arbeitet, auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 600. C gebracht. Die Wärmezufuhr kann durct Verfeuerung von beliebigen Brennstoffen erfolgen, vorzugsweise wird Erdgas und aus dem Reduktionspro. zess abgezweigtes Topgas eingesetzt.
Die weitere Erwärmung des Reduktionsgases auf Temperaturen vorzugsweise im Bereich von 700 bis 900. C kann durch folgende Varianten erfolgen : a) durch Abtrennung eines Teilstromes des Reduktionsgases und stöchiometrischer Verbrennung dessel. ben mit reinem Sauerstoff (gegebenenfalls kann auch eine Mischung mit Luft genommen werden). Diesel
Teilstrom wird mit dem restlichen, kühleren Reduktionsgas gemischt, so dass sich die gewünschte
Endtemperatur des Gesamtreduktionsgasstromes einstellt. b) durch Einbringen des gesamten Reduktionsgases in eine Brennkammer und Teilverbrennung (d. h unterstöchiometrisch). Durch Rückmischung der verbrannten Gase mit den unverbrannten stellt sich diE gewünschte Endtemperatur ein.
Durch diese Art der Aufwärmung lässt sich somit das Problem des Metal Dustings eliminieren sowie eine ökonomischere Prozessführung aufgrund des geringeren Druckverlustes in einem Teilverbrennungsofer gegenüber einem typischen indirekt befeuerten Ofen erzielen.
Durch die Teilverbrennung ändert sich auch die Analyse des Reduktionsgases, typischerweise erhöh
EMI4.1
Lasten des C0-Gehaltes.
Zur Einstellung einer bestimmten Reduktionsgasanalyse nach dem Aufheizen ist deshalb eine geeigne. te Verfahrensführung vor dem Aufheizen erforderlich. Dies ist mittels einer variablen Schaltung der COz Eliminierung, der Reformerfahrweise etc. möglich : So kann die Erzeugung von CO2 bei der Teilverbrennunc problemlos ausgeglichen werden, z. B. durch Einstellung eines geringeren CO2-Gehaltes am Austritt dei Druckwechseladsorptionsanlage 16. Der Verlust von CO aufgrund der Teilverbrennung kann durch geländer te Reformerfahrweise (z. B. kleineres Dampf : Kohlenstoff-Verhältnis) oder z.
B. grösseren Bypass-Strom zu CO-Konvertierung kompensiert werden. Ähnliches gilt für die Einstellung des H2- und H2O-Gehaltes.
Da die Druckwechseladsorptionsanlage ein Reduktionsgas mit 0 Vol. % Wasser erzeugt, kann de Wassergehalt im Reduktionsgas zu den Reduktionsreaktoren - d. h. nach der Erwärmung im Teilverbren nungsofen-sehr niedrig gehalten werden (im Bereich von 1 bis 2 Vol. %).
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sondern kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden. Beispielsweise ist es möglich, die Anzahl de Wirbelschichtreaktoren je nach den Erfordernissen zu wählen. Anstelle der Druckwechseladsorption kanr auch das Temperaturwechseladsorptionsverfahren herangezogen werden. Erstere macht sich den hoher Systemdruck bei gegenständlichem Direktreduktionsprozess zunutze, d. h. Adsorption und Regeneration de, Adsorbens erfolgen durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung der Behälter, wobei zum Aufdrücken keine Fremdenergie erforderlich ist, sondern der Systemdruck direkt ausgenützt wird.
Bei der zweiten Variante der Temperaturwechseladsorption (TSA - Temperature Swing Adsorption), wird der Adsorptions- uns Regenerationsprozess durch ein geeignetes Temperaturprofil bei praktisch konstantem Druck gesteuert. DIE
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Adsorptionsfähigkeit des aktiven Mediums hängt neben dem Druck auch von der Temperatur ab. Dieses Verfahren gilt bel dem vorliegenden Einsatzgebiet als zweite Wahl, da die Druckwechseladsorption für die Emsatzanalysen von reformiertem Gas und Topgas sowie für den vorliegenden Systemdruck prädestiniert
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Beispiel A
In einer der Fig. 1 entsprechenden Anlage mit einer stündlichen Leistung von 75 t/h heissbrikettiertem Eisen werden 104 t/h Feinerz umgesetzt.
Im Dampfreformer 10 werden 108. 000 Nm3/h reformiertes Gas durch Reaktion von 18.100 Nm3/h Erdgas mit 60. 300 Nm3fh Dampf erzeugt. Die zur Unterfeuerung erforderliche Wärmemenge von 94 MW wird durch Erdgas (61 MW), vorgewärmte Luft (23 MW) und Tailgas (10 MW) gedeckt.
70 % des reformierten Gases werden mit 55% des rezyklierten Topgases gemischt und nach Kühlung auf 40 C der Druckwechseladsorptionsanlage 16 mit einem Druck von 14, 25 bar zugeführt. Das gereinigte Gas mit einer Temperatur von 45. C und einem Druck von 13, 45 bar wird mit den vorbeigeführten Gasströmen gemischt - In Summe 179. 900 Nm3fh - und dem Reduktionsgaserhitzer 19 zugeführt.
Das abgetrennte Tailgas - 22. 900 Nm3/h - steht mit einem Druck von 0, 3 bar, einer Temperatur von 35. C und einem Energiegehalt von 60 MW zur Verfügung.
Zur Aufheizung des Reduktionsgases auf 835 C sind 65 MW, zusammengesetzt aus 50 MW Tailgas, 14, 7 MW vorgewärmter Luft und 0, 3 MW Topgas, erforderlich.
Das heissbrikettierte Eisen weist einen Metalhslerungsgrad von 92 % auf.
Die Analysen der Gase lauten :
EMI5.2
<tb>
<tb> reformiertes <SEP> Gas <SEP> Gas <SEP> zur <SEP> Tailgas <SEP> Reduktionsgas
<tb> Druckwechseladsorptionsanlage
<tb> CO <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 7, <SEP> 7 <SEP> 9, <SEP> 2 <SEP> 9, <SEP> 8 <SEP> 8, <SEP> 8 <SEP>
<tb> CO2 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> 8, <SEP> 1 <SEP> 38, <SEP> 9 <SEP> 4, <SEP> 1 <SEP>
<tb> H2 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 47, <SEP> 0 <SEP> 63, <SEP> 1 <SEP> 20, <SEP> 1 <SEP> 67, <SEP> 0 <SEP>
<tb> H20 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 36, <SEP> 1 <SEP> 1, <SEP> 9 <SEP> 9, <SEP> 8 <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP>
<tb> N2 <SEP> [Vol.
<SEP> %] <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> 5, <SEP> 3 <SEP> 4, <SEP> 8 <SEP> 5, <SEP> 7 <SEP>
<tb> CH4 <SEP> [Vol.%] <SEP> 2,3 <SEP> 12,4 <SEP> 16,6 <SEP> 12,8
<tb>
Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich erfindungsgemäB ein Reduktionsgas mit deutlich geringerem N2- bzw. CH4-Gehalt (z.B. gemäss der EP-A-0 571 358 : 14, 94 Vol. % N2, 16, 29 Vol. % CH4) und somit verbesserter Reduktionskraft.
Das eingesetzte Feinerz weist 96, 91 Gew. % Fe203 und 2, 29 Gew. % Gangart auf, der Rest sind Glühverluste.
Beispiel B
In einer der Fig. 1 entsprechenden Anlage mit einer stündlichen Leistung von 75 t/h heissbrikettiertem Eisen werden 104 t/h Feinerz umgesetzt.
Im Dampfreformer 10 werden 100. 100 Nm3/h reformiertes Gas durch Reaktion von 17. 200 Nm3/h Erdgas mit 55. 700 Nm3fh Dampf erzeugt. Die zur Unterfeuerung erforderliche Wärmemenge von 86 MW wird durch Erdgas (25 MW), vorgewärmte Luft (21 MW) und Tailgas (40 MW) gedeckt.
90% des reformierten Gases werden mit 60 % des rezyklierten Topgases gemischt und nach Kühlung auf 40. C der Druckwechseladsorptionsanlage 16 mit einem Druck von 14, 25 bar zugeführt. Das gereinigte Gas mit einer Temperatur von 45 C und einem Druck von 13, 45 bar wird mit den vorbeigeführten Gasströmen gemischt-in Summe 184. 000 Nm3fh - und dem Reduktionsgaserhitzer 19 zugeführt.
Das abgetrennte Tailgas - 26. 900 Nm3/h- steht mit einem Druck von 0, 3 bar, einer Temperatur von 35. C und einem Energiegehalt von 87 MW zur Verfügung.
Zur Aufheizung des Reduktionsgases auf 835. C sind 68 MW, zusammengesetzt aus 47 MW Tailgas, 15 MW vorgewärmter Luft und 6 MW Topgas, erforderlich.
Das heissbrikettierte Eisen weist einen Metallisierungsgrad von 92 % auf.
Die Analysen der Gase lauten :
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EMI6.1
<tb>
<tb> reformiertes <SEP> Gas <SEP> Gas <SEP> zur <SEP> Erdgas <SEP> Tailgas <SEP> Reduktionsgas
<tb> Druckwechseladsorptionsanlage
<tb> CO <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 7, <SEP> 7 <SEP> 8, <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 0 <SEP> 8, <SEP> 8 <SEP> 7, <SEP> 4 <SEP>
<tb> CO2 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> 6, <SEP> 9 <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> 33, <SEP> 6 <SEP> 2, <SEP> 6 <SEP>
<tb> Hz <SEP> [Vol.%] <SEP> 47,0 <SEP> 60,8 <SEP> 0,0 <SEP> 19,7 <SEP> 64,1
<tb> HzO <SEP> [Vol.%] <SEP> 36,1 <SEP> 1,8 <SEP> 0,0 <SEP> 9,9 <SEP> 1,6
<tb> N2 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> 4, <SEP> 9 <SEP> 5, <SEP> 3 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP>
<tb> CH4 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> 17, <SEP> 4 <SEP> 94, <SEP> 3 <SEP> 23, <SEP> 5 <SEP> 18, <SEP> 8 <SEP>
<tb> C2H6 <SEP> [Vol.
<SEP> %] <SEP> 0, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
EMI6.2
Reduktionsgas. CH4 gilt zwar als Inertanteil für die eigentliche Reduktion, kann aber dennoch die Produktqualität beeinflussen. Bei Beispiel A liegt der CH4-Anteil des Reduktionsgases bei ca. 12, 8 Vol. %, bei Beispiel B hingegen bei 18, 8 Vol. %, was zu einem höheren Kohlenstoffgehalt im späteren brikettierten Produkt führt. Dieser höhere Kohlenstoffgehalt kann (muss aber nicht) als Vorteil bei bestimmten Einsatzvarianten des Produktes gelten. Z. B. kann der höhere Kohlenstoffgehalt bei der weiteren Stahlerzeugung In einem Elektroofen zu Energieeinsparungen beim Aufschmelzen führen.
Das eingesetzte Feinerz weist 96, 91 Gew. % Fe203 und 2, 29 Gew. % Gangart auf, der Rest sind Glühverluste.
Beispiel C
In einer Anlage zur Erzeugung von 75 t/h heissbrikettiertem Eisen wird folgende Konfiguration der Reduktionsgaserzeugung gewählt : . Produktion von 130. 000 Nm3fh reformiertem Gas mit selber Analyse wie in Beispiel A - 100 % des reformierten Gases werden nach Abkühlung der Druckwechseladsorptionsanlage 16 zuge- führt - das so gereinigte Gas wird mit dem rezyklierten Topgas gemischt - die Summe der Gasströme - 181. 000 Nm3fh. wird dem Reduktionsgaserhitzer 19 zugeführt
Das heissbrikettierte Eisen weist einen Metallisierungsgrad von 92 % auf.
Die Analysen der Gase lauten :
EMI6.3
<tb>
<tb> reformiertes <SEP> Gas <SEP> Gas <SEP> zur <SEP> Tailgas <SEP> Reduktionsgas
<tb> Druckwechseladsorptionsanlage
<tb> CO <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 7, <SEP> 7 <SEP> 7, <SEP> 2 <SEP> 7, <SEP> 5 <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP>
<tb> CO2 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> 13, <SEP> 2 <SEP> 61, <SEP> 3 <SEP> 4, <SEP> 4 <SEP>
<tb> H2 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 47, <SEP> 0 <SEP> 74, <SEP> 4 <SEP> 23, <SEP> 1 <SEP> 70, <SEP> 4 <SEP>
<tb> H20 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 36, <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP>
<tb> N2 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 0. <SEP> 9 <SEP> 1, <SEP> 3 <SEP> 1, <SEP> 2 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP>
<tb> CH4 <SEP> [Vol. <SEP> %] <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> 3. <SEP> 4 <SEP> 4, <SEP> 4 <SEP> 13. <SEP> 2 <SEP>
<tb>
Das Eisenerz weist die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel A auf.
Vorteile bei dieser Gasaufteilung : o Verkleinerung der DruckwechseladsorptionsanlagenkapazitÅat (verglichen mit Beispiel A und B 30 bis
40%) # Kein H2S-Gehalt im Tailgas (dieses wird bei Beispiel A und B mit dem Eisenerz in den Topgaskreis- lauf eingebracht und teilweise bei der Druckwechseladsorptionsanlage ausgeschleust) - dadurch entsteht bei einer nachfolgenden thermischen Verwendung des Tailgases kein umweltbeeinträchtigen- des S02 bzw. kann eine Entschwefelungsanlage entfallen.