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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhältigem Material, insbesondere Eisenerz, mit einem Reduktionsgefäss, z. B. einem Schachtofen, in welchem das metalloxidhältige Material im Gegenstrom mit Reduktionsgas reduziert wird und welches einen Einlass für metalloxidhältiges Material, einen Einlass für Reduktionsgas, einen Auslas für Abgas und einen Auslas für reduziertes Material aufweist, einem Gefäss für metalloxidhältiges Material, welches leitungsmässig mit dem Reduktionsgefäss verbunden ist, und einer ersten Zuleitung für Sperrgas zur Abdichtung des Reduktionsgefässes gegen das Gefäss, welche erste Zuleitung an der leitungsmässigen Verbindung zwischen dem Gefäss und dem Reduktionsgefäss vorgesehen ist.
Vorrichtungen dieser Art sind bekannt (Direct from Midrex, Band 14, Nr. 4,3 Quartal 1989)
Gemäss DE 34 32 090 A1 wird schwefelhaltiges Erz in einem Schachtofen im Gegenstrom mit Reduktionsgas reduziert. Das den Ofen verlassende Abgas wird in zwei Ströme aufgeteilt, und der erste Strom wird zur Vorwärmung und Entschwefelung des Erzes, welches sich oberhalb des Schachtofens in einem Erzbunker befindet, verwendet und dann zu Heizzwecken einem Gesamtwandler zugeführt. Der zweite Strom wird zum Zwecke der Herstellung von Reduktionsgas zusammen mit Kohlenwasserstoffen zu einem katalytischen Gasumwandler geleitet.
Über dem Erzbunker der in der DE 34 32 090 A1 beschriebenen Vorrichtung befindet sich ein Behälter, aus dem Erz in den Erzbunker chargiert wird. In die Verbindung zwischen diesem Behälter und dem Erzbunker wird Inertgas eingeblasen, um das Austreten von schwefelhaltigem Abgas aus dem Erzbunker über diese Verbindung zu verhindern Mit dieser Massnahme wird somit eine Gassperre errichtet.
Auch aus der US 4,178,151 A ist ein Schachtofen zur Reduktion von metalloxidhältigem Material bekannt, welches aus einem Erzbunker mittels Fallrohren in den Schachtofen chargiert wird.
In der US 4 212 452 A ist eine Anlage beschrieben, mittels derer Eisenoxid in einem Schachtofen unter Zugabe von festem kohlenstoffhältigen Material, welches in einem oberen Bereich des Schachtofens vergast wird, und weiters unter Zuführen von CO- und H2-hältigem Reduktionsgas in einen mittleren Bereich des Schachtofens zu Eisenschwamm reduziert wird. Das Eisenoxid wird zusammen mit dem festen kohlenstoffhaltigen Material von oben in den Schachtofen eingebracht und durchwandert den Schachtofen von oben nach unten, zum Teil im Gleichstrom mit, zum Teil im Gegenstrom zu den Reduktionsgasen. In einem unteren Teil des Schachtofens wird der durch Reduktion gebildete Eisenschwamm mittels kühlen, trockenen Reduktionsgases gekühlt.
Der Schachtofen ist nach oben und nach unten hin jeweils mit einer mit CO2 betriebenen Gassperre abgedichtet, um das unerwünschte Entweichen von Reduktionsgas aus dem Schachtofen zu verhindern. Das CO2 wird hierbei aus dem verbrauchten Reduktionsgas durch Gaswäsche gewonnen. Nachteilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung, dass das Sperrgas CO2 in den Schachtofen gelangen kann, was für die Reduktion nicht erwünscht ist.
Aus der US 3 850 616 A ist eine Vorrichtung bekannt, welche beispielsweise zur Direktreduktion eisenoxidhältigen Materials mittels Reduktionsgases in einem Schachtofen eingesetzt wird. Das eisenoxidhältige Material durchwandert den Schachtofen von oben nach unten im Gegenstrom zum Reduktionsgas und wird im unteren Bereich des Schachtofens mit kühlem Reduktionsgas gekühlt. Um das Entweichen von Reduktionsgas aus dem Schachtofen zu vermeiden, ist am unteren Ende des Schachtofens eine mit Inertgas betriebene Gassperre vorgesehen. Nachteilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung der hohe Verbrauch an teurem Inertgas
Aus der US 4 248 626 A und der US 4 270 740 A sind jeweils Verfahren bekannt, bei denen eisenoxidhältiges Material in einem Schachtofen mittels Reduktionsgases reduziert wird und in einem baulich mit dem Schachtofen verbundenen Schmelzaggregat eingeschmolzen wird.
Im Schmelzaggregat wird durch Kohlevergasung das Reduktionsgas erzeugt. Das Reduktionsgas wird aus dem Schmelzaggregat abgezogen und vor dem Einleiten in den Schachtofen gekühlt, um ein Agglomerieren des im Schachtofen reduzierten Materials zu vermeiden Um zu verhindern, dass das sehr heisse Reduktionsgas aus dem Schmelzaggregat direkt in den Schachtofen gelangt, ist in der direkten Verbindung zwischen dem Schmelzaggregat und dem Schachtofen eine Gassperre vorgesehen.
Der Anmelderin ist ferner bekannt, dass mit Stickstoff betriebene Gassperren, welche Schachtöfen gegen die Umgebung abdichten, üblich sind. Der Nachteil derartiger Gassperren besteht in der technisch aufwendigen Herstellung von Stickstoff, die sich in hohen Kosten niederschlägt, da Stickstoff in grossen Mengen verbraucht wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, diesen Nachteil zu beseitigen und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die mit einem kostengünstigeren Sperrgas betrieben werden kann.
Die Erfindung besteht darin, bei einer Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhältigem Material, insbesondere Eisenerz, mit einem Reduktionsgefäss, in welchem das metalloxidhältige Material im Gegenstrom mit Reduktionsgas reduziert wird und welches einen Einlass für metalloxidhältiges Material, einen Einlass für Reduktionsgas, einen Auslas für Abgas und einen Auslas für reduziertes Material aufweist, einem Gefäss für metalloxidhältiges Material, welches leitungsmässig mit dem Reduktionsgefäss verbunden ist, und einer ersten Zuleitung für ein Sperrgas zur Abdichtung des Reduktionsgefässes gegen das Gefäss, welche erste Zuleitung an der leitungsmässigen Verbindung zwischen dem Gefäss und dem Reduktionsgefäss vorgesehen ist, mindestens eine weitere Zuleitung für ein Sperrgas an der leitungsmässigen Verbindung vorzusehen,
welche weitere Zuleitung sich zwischen der ersten Zuleitung und dem Gefäss befindet
In der erfindungsgemässen Vorrichtung ist somit mindestens eine weitere Gassperre vorgesehen, die gegenüber den im Reduktionsgefäss ablaufenden Reaktionen nicht inert zu sein braucht und daher ein kostengünstigeres Gas sein kann. Dieses Gas übernimmt die Funktion als Hauptsperrgas. Die andere Gassperre, die mit einem gegenüber den im Reduktionsgefäss ablaufenden Reaktionen inerten Gas, z. B. Stickstoff oder Kohlendioxid, betrieben wird, übernimmt die Funktion einer Hilfsgassperre und sorgt ferner dafür, dass kein Hauptsperrgas in das Reduktionsgefäss eindringen kann. Auf diese Weise wird jedoch weit weniger Inertgas gebraucht, als dies im Stand der Technik erforderlich ist.
In der erfindungsgemässen Vorrichtung umfasst die leitungsmässige Verbindung, welche das Gefäss mit dem Reduktionsgefäss verbindet, vorzugsweise ein Dichtbein und Fallrohre, wobei die Zuleitungen für Sperrgas am Dichtbein vorgesehen sind.
Zum Betreiben der Hauptgassperre kann Abgas aus dem Reduktionsgefäss eingesetzt werden.
In diesem Fall ist in der erfindungsgemässen Vorrichtung der Auslas für Abgas am Reduktionsgefäss leitungsmässig mit dem Dichtbein verbunden, und sind ein Brenner zur Verbrennung von Abgas und eine Kühlvorrichtung, z. B. ein Wärmetauscher oder ein Wäscher, zum Abkühlen von im Brenner verbranntem Abgas vorgesehen. Auch ein Verdichter ist zweckmässigerweise vorgesehen, welcher der Kühleinrichtung nachgeschaltet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass am Reduktionsgefäss ein weiteres Dichtbein vorgesehen ist, welches sich am unteren Ende des Reduktionsgefässes befindet, und dass mindestens zwei weitere Zuleitungen für Sperrgas am Dichtbein vorgesehen sind, wobei eine der Zuleitungen für Sperrgas mit der ersten Zuleitung für Abgas verbunden ist. In diesem Fall ist es zweckmässig, eine Kühleinrichtung in der Zuleitung vorzusehen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Reduktion von metalloxidhältigem Material, insbesondere Eisenerz, mit Reduktionsgas in einem Reduktionsgefäss, wobei das metalloxidhältige Material aus einem Gefäss in das Reduktionsgefäss chargiert und durch dieses im Gegenstrom zum Reduktionsgas transportiert wird, wobei das Reduktionsgefäss mit einer ersten Gassperre gegen das Gefäss abgedichtet wird, welche erste Gassperre mit einem gegenüber der Reduktion des metalloxidhältigen Materials inerten, ersten Gas betrieben wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass mit einem weiteren Gas mindestens eine weitere Gassperre, die sich zwischen der ersten Gassperre und dem Gefäss befindet, betrieben wird.
Diese mindestens eine weitere Gassperre kann mit einem sauerstoffhältigen Gas, mit Luft oder mit Abgas aus dem Reduktionsgefäss betrieben werden. Das Abgas kann vor der Verwendung als Sperrgas einer Behandlung zur Herabsetzung des Sauerstoffgehaltes, insbesondere einer Verbrennung, unterzogen werden, wobei es zweckmässigerweise danach gekühlt wird Das als Sperrgas eingesetzte Abgas weist vorzugsweise einen Sauerstoffgehalt von maximal 3 Vol -% auf
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass auch am unteren Ende des Reduktionsgefässes mindestens zwei Gassperren vorgesehen sind, die mit Abgas bzw. mit Inertgas betrieben werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung noch näher beschrieben. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Anlagenteile
Mit der Bezugsziffer 1 ist in der Fig. 1 ein herkömmlicher Schachtofen als Reduktionsgefäss zur Reduktion von Eisenerz bezeichnet, welches aus dem Gefäss 6, das einen Erzbunker darstellt, über das Dichtbein 7 und die Fallrohre 8 in den Schachtofen 1 gelangt.
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Reduktionsgas wird am Einlass 3 in den Schachtofen geleitet und gelangt innerhalb des Schachtofens 1 im Gegenstrom zum Eisenerz nach oben, wo es als Abgas (Topgas) den Schachtofen 1 beim Auslas 4 mit einer Temperatur von etwa 200-300 C verlässt und über die Leitung 9 zumindest teilweise in die Nachverbrennungsanlage 11 geleitet wird, in welcher brennbare Bestandteile des Abgases, wie z. B. CO, H2 und CH4, verbrannt werden Gegebenenfalls wird ein Teil des verbrauchten Reduktionsgases über die Leitung 9a abgeleitet. Die Bezugsziffer 16 bezeichnet die Zuführung eines sauerstoffhältigen Verbrennungsgases, z.B. Luft, in die Nachverbrennungsanlage. Anschliessend wird das erhaltene Gas, welches eine Temperatur von etwa 1800 C aufweist, in einem Kühler 17 abgekühlt, beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 30 C Der Kühler 17 kann ein Wärmetauscher, ein Wäscher etc sein.
Nach Passieren des Wärmetauschers 17 wird ein Teil des abgekühlten Verbrennungsgases über die Leitung 21 abgeleitet, der verbleibende Teil wird verdichtet (12a) und durch die Leitung 13 als Sperrgas in das obere Dichtbein 7 geleitet. Durch das Verdichten erhöht sich die Temperatur des Gases geringfügig, z. B. auf etwa 35 C, abhängig von der Kühlung.
Die Bezugsziffer 10 bezeichnet eine Leitung für Inertgas, z. B. Stickstoff oder CO2, das als weiteres Sperrgas dient.
Die Funktion der erfindungsgemässen Gassperre wird anhand der Fig. 2 näher erläutert. Die Fig. 2 zeigt einen Teil der Fig. 1 in vergrössertem Massstab, wobei die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Anlagenteile stehen.
Über die Leitung 13 wird das erfindungsgemäss verwendete Sperrgas, d. h. nachverbranntes Abgas, als Hauptsperrgas in das Dichtbein 7 gedrückt Das Hauptsperrgas strömt im Dichtbein 7 nach oben in den Erzbunker 6 und dichtet auf diese Weise den Schachtofen 1 gegen die äussere Umgebung ab. Um ein Eindringen von Hauptsperrgas in den Schachtofen 1 zu verhindern, wird schachtofenseitig Stickstoff über die Leitung 10 in das Dichtbein 7 gedrückt, wo er als weitere Gassperre (Hilfsgassperre) wirkt. Mit den Pfeilen ist in der Fig 2 die Strömungsrichtung des Stickstoffs bzw. des erfindungsgemäss verwendeten Sperrgases bezeichnet
Um den Schachtofen 1 gegen die Umgebung abzudichten, wird der Druck in der Leitung 13 vor dem Einmünden in das obere Dichtbein 7 auf eine dem Fachmann bekannte Weise mittels einer Differenzdruckmessung auf den im Schachtofen herrschenden Druck abgestimmt.
In der Fig 2 ist diese Differenzdruckmessung mit der Bezugsziffer 20 dargestellt. Es liegt auf der Hand, dass der Gasdruck in der Leitung 13 nach Passieren des Ventils 18 höher als der Druck des Abgases im oberen Teil des Schachtofens 1 sein muss Das Manometer 20 zur Messung des Differenzdruckes regelt das Ventil 18.
Zusätzlich wird der Druck in der Leitung 10 so eingestellt, dass im Dichtbein 7 ein örtlich begrenzter Gaspolster aufgebaut wird, der ein Austreten von Reduktionsgas aus dem Schachtofen 1 und ein Eindringen von Hauptsperrgas in den Schachtofen 1 wirksam verhindert Dies gestattet, auch sauerstoffhältiges Verbrennungsgas als Hauptsperrgas verwenden zu können, was bedeutet, dass bei der Verbrennung des Abgases in der Nachverbrennung 11 (Fig. 1) nicht darauf geachtet werden braucht, ob Sauerstoff im nachverbrannten Abgas enthalten ist, und dass der technische Aufwand für die Nachverbrennung verringert werden kann
Wird verbranntes Abgas auch als Sperrgas für das untere Dichtbein 15 (Fig. 1) verwendet, so kann von der Leitung 13 eine Zweigleitung 14 (strichliert dargestellt) zum unteren Dichtbein 15 führen.
In diesem Fall sollte jedoch der Sauerstoffgehalt des Sperrgases möglichst gering sein, da ein Eindringen von Sauerstoff in den Schachtofen 1 vermieden werden soll.
Um den Schachtofen 1 am unteren Dichtbein abzudichten, wird der Druck in der Leitung 14 vor dem Einmünden in das untere Dichtbein 15, wie oben anhand des oberen Dichtbeines 7 beschrieben, auf den im unteren Teil des Schachtofens 1 herrschenden Druck abgestimmt, wobei der Gasdruck in der Leitung 14 nach Passieren des Ventils 19 höher als der Druck des Abgases im unteren Teil des Schachtofens 1 sein muss.
Wie beim oberen Dichtbein ist eine Leitung 11 für Stickstoff zwischen der Leitung 14 und dem Schachtofen 1 vorgesehen. Diese Leitung 11 dient analog der Leitung 10 ebenfalls als Hilfsgassperre und soll wirksam verhindern, dass verbranntes Abgas, welches als Hauptsperrgas dient, in den Schachtofen 1 gelangt.
Anhand der Fig. 3 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben.
Die Fig. 3 zeigt eine Abänderung des anhand der Fig. 1 beschriebenen Verfahrens Gemäss dieser Ausführungsform wird das den Schachtofen 1 verlassende Abgas (Topgas) bereits vor der Nachverbrennung 11 verdichtet (12b) Im Kühler bzw Wäscher 17 wird das verbrannte Abgas
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lediglich auf eine Temperatur von 200-400 C abgekühlt und als Sperrgas verwendet. Auf diese Weise wird somit erwärmtes Sperrgas eingesetzt und kann Erz, welches sich im Erzbunker 6 befindet, vorgewärmt werden, sodass der Rauminhalt des Schachtofens 1 besser genutzt werden kann, da das Erz im Schachtofen 1 bereits früher auf die Reaktionstemperatur gebracht werden kann. Ausserdem hat es sich als für die Reduktion vorteilhaft erwiesen, wenn die Erwärmung auf Reduktionstemperatur schnell erfolgt.
Wird Abgas auch als Sperrgas für das untere Dichtbein 15 verwendet, so sollte es vorher auf eine Temperatur von etwa 30-35 C abgekühlt werden. Dies geschieht vorteilhafterweise in einem Wäscher 22, der in der Leitung 14 vorgesehen ist.
Anhand der Fig. 4 wird eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben Fig. 4 zeigt den oberen Teil eines Schachtofens 1, dessen Inneres statt mit verbranntem Abgas mit Luft gegen die Umgebung abgedichtet wird.
Über die Leitung 23 wird Luft in das Dichtbein 7 gedrückt. Die als Sperrgas verwendete Luft strömt im Dichtbein 7 nach oben in den Erzbunker 6 und dichtet auf diese Weise den Schachtofen 1 gegen die äussere Umgebung ab Um ein Eindringen von Luft in den Schachtofen 1 zu verhindern, wird schachtofenseitig Stickstoff über die Leitung 10 in das Dichtbein 7 gedrückt, wo er als weitere Gassperre wirkt. Mit den Pfeilen ist in der Fig. 2 die Strömungsrichtung des Stickstoffs bzw. des erfindungsgemäss verwendeten Sperrgases bezeichnet.
Um den Schachtofen 1 gegen die Umgebung, d. h. den Erzbunker 6, abzudichten, wird der Druck in der Leitung 23 vor dem Einmünden in das obere Dichtbein 7 auf eine dem Fachmann bekannte Weise mittels einer Differenzdruckmessung auf den im Schachtofen 1 herrschenden Druck abgestimmt. Es liegt auf der Hand, dass der Druck der Luft in der Leitung 23 höher als der Druck des Abgases im oberen Teil des Schachtofens 1 sein muss.
Zusätzlich wird der Druck in der Leitung 10 so eingestellt, dass im Dichtbein 7 ein örtlich begrenzter Gaspolster aufgebaut wird, der ein Eindringen von Luft in den Schachtofen 1 wirksam verhindert.
Patentansprüche :
1 Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhältigem Material, insbesondere Eisenerz, mit einem Reduktionsgefäss (1), in welchem das metalloxidhältige Material im Gegenstrom mit
Reduktionsgas reduziert wird und welches einen Einlass (2) für metalloxidhältiges Material, einen Einlass (3) für Reduktionsgas, einen Auslas (4) für Abgas und einen Auslas (5) für reduziertes Material aufweist, einem Gefäss (6) für metalloxidhältiges Material, welches leitungsmässig (7; 8) mit dem Reduktionsgefäss (1) verbunden ist, und einer ersten
Zuleitung (10) für ein Sperrgas zur Abdichtung des Reduktionsgefässes (1) gegen das
Gefäss (6), welche erste Zuleitung (10) an der leitungsmässigen Verbindung (7, 8) zwischen dem Gefäss (6) und dem Reduktionsgefäss (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Zuleitung (13;
23) für ein Sperrgas an der leitungsmässigen
Verbindung (7; 8) vorgesehen ist, welche weitere Zuleitung (13,23) sich zwischen der ersten Zuleitung (10) und dem Gefäss (6) befindet.