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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von teilchenförmigen oxidhältigen Erzen, insbesondere von eisenoxidhältigem Material, im Wirbelschichtverfahren bei einem Druck > 5 bar, wobei das Erz mit Hilfe eines aus Erdgas erzeugten Reduktionsgases in einem als Vorwärmstufe ausgebildeten Wirbelschichtreaktor erhitzt, gegebenenfalls auch vorreduziert wird, anschliessend in mindestens einem als Reduktionsstufe ausgebildeten Wirbelschichtreaktor zu Eisenschwamm reduziert wird und das Reduktionsgas über eine Reduktionsgasleitung in Gegenrichtung des von Stufe zu Stufe geleiteten zu reduzierenden Materials von der Reduktionsstufe zur Vorwärmstufe geleitet wird und nach Reinigung als Exportgas abgezogen wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der AT- 402 937 B bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird eisenoxidhältiges Material in vier in Serie hintereinander geschalteten Wirbelschicht-Reduktionszonen reduziert. Um in allen Wirbelschicht-Reduktionszonen eine etwa gleich hohe konstante Temperatur einzustellen, wird frisch gebildetes Reduktionsgas zum Teil den der in Reduktionsgas-Strömungsrichtung ersten Wirbelschicht-Reduktionszone folgenden Wirbel-
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lich der Reduktionsgasführung sowohl in Serie als auch parallel geschaltet sind. Das zusätzlich zugeführte, frisch gebildete Reduktionsgas wird den einzelnen Wirbelschicht-Reduktionszonen hierbei vorzugsweise in einer Menge von jeweils 5 bis 15% zugeführt.
Bei Wirbelschicht-Reaktorkaskaden mit Gegenstromführung von eisenoxidhältigem Material und Reduktionsgas, wie aus der AT- 402 937 B bekannt, kommt es zu einer schrittweisen Erwärmung des Feststoffs entsprechend der Enthalpieabnahme des Gases. Dies kann unter Umständen dazu führen, dass die Temperatur in den einzelnen Reduktionsstufen zu gering wird, wodurch eine Reaktion des Feststoffs mit dem Gas kinetisch und thermodynamisch behindert wird.
Durch Reduktion des eisenoxidhältigen Materials verringert sich das Reduktionspotential des im Gegenstrom geführten Reduktionsgases, d. h. sein Oxidationspotential nimmt von Stufe zu Stufe, d. h. entsprechend der Einsatzzeit des Reduktionsgases, zu. Durch Erhöhung der Temperatur des Reduktionsgases können sogenannte Autoreforming-Reaktionen ablaufen, welche den Gehalt an Methan im Reduktionsgas, das eine inerte Gaskomponente darstellt, absenken und die Menge an reduzierenden Gasbestandteilen (CO, H2) erhöhen, wodurch thermodynamische Vorteile bei der Reduktion des Feststoffs erzielt werden können. Weiters kann durch die in-situ-Genenerung von CO und H2 die Menge des sogenannten Make-up-Gases, d. h. frisch zugeführten Reduktionsgases, abgesenkt werden, wodurch die gesamte Gasanlage verkleinert werden kann.
Aus der WO- 97/13878 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Teil des aus einer Endreduktionsstufe in eine Vorreduktionsstufe strömenden Reduktionsgases abgezweigt, gewaschen, von CO2 gereinigt sowie aufgeheizt und anschliessend in die Endreduktionsstufe rückgeführt wird. Die Erhitzung des der Endreduktionsstufe entnommenen und abgezweigten Reduktionsgases auf Reduktionstemperatur kann hierbei rekuperativ und/oder regenerativ und/oder durch eine Teilerbrennung des entnommenen Teils des Reduktionsgases erfolgen.
In der WO-97/07247 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein aus einer Reduktionszone zur Direktreduktion eisenoxidhältigen Materials abgezogenes Exportgas einer CO2-Eliminierung sowie einer Aufheizung unterzogen und einer weiteren Reduktionszone zur Direktreduktion eisenoxidhältigen Materials zugeführt wird, wobei die Aufheizung zweistufig erfolgen kann, und zwar in einer ersten Stufe durch Wärme des aus der weiteren Reduktionszone austretenden Exportgases, welches z. B. verbrannt wird und Wärme rekuperativ an das der weiteren Reduktionszone zugefuhrte Reduktionsgas abgibt, und in einer zweiten Stufe durch Teilverbrennung von der weiteren Reduktionszone frisch zugeführtem Reduktionsgas.
Wird das staubbeladene Reduktionsgas direkt mit Sauerstoff verbrannt, wie gemäss der WO- 97/13878 A1 und der WO- 97/07247 A1, so können lokal sehr hohe Temperaturen auftreten, die nachteilig zu einem Anschmelzen des Staubes führen. Dies ist nicht erwünscht, da das Anschmelzen des Staubes zu Störungen im Direktreduktionsverfahren führt ; es kommt zu Agglomerationen und Anbackungen an Wänden der Reduktionsgefässe und Förderleitungen.
Aus der JP 58-34114 A ist ein Verfahren zur Reduktion von feinkörnigem Eisenerz bekannt, bei dem das Reduktionsgas für die Endreduktionsstufe durch Zersetzung und Reformierung von Kohlenwasserstoffmittels des aus der Endreduktionszone abgezogenen oxidierenden Abgases
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erzeugt wird, wobei das Eisenerz in einer ersten Stufe durch aus dem Kohlenwasserstoffabgeschiedenen Kohlenstoff vorreduziert wird. Zur Bereitstellung der für die Erzeugung des Reduktionsgases benötigten Energie wird das oxidierende Abgas erhitzt, bevor es mit dem Kohlenwasserstoff in Kontakt gebracht wird.
In der US 3, 985, 547 A ist ein Verfahren zur Eisenerzreduktion in einem Mehrfachwirbelbettreaktor beschrieben, bei dem frisches Reduktionsgas durch unterstöchiometrische Verbrennung von Methan und Sauerstoff in einem dem Reaktor zugeordneten Brenner erzeugt wird, der mit seiner Auslassöffnung zwischen dem untersten und dem darüber gelegenen Wirbelbett angeordnet ist. Das aus dem obersten Wirbelbett austretende verbrauchte Reduktionsgas wird gereinigt, von Wasser und CO2 befreit und im erhitzten Zustand dem untersten Wirbelbett als Recycling-Reduk- tionsgas zugeführt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art das Reduktiongas beim Strömen von einer Wirbelschicht-Reduktionszone in die dieser nachgeschaltete Wirbelschicht-Reduktionszone so einer Aufheizung zu unterziehen, dass das Reduktionsgas und der Feststoff in einen für die Reduktion kinetisch und thermodynamisch günstigen Temperaturbereich gebracht werden, in welchem Autoreformingreaktionen zur Erhöhung des Reduktandenanteils im Reduktionsgas ablaufen können, wobei jedoch ein durch eine lokale Überhitzung bedingtes Anschmelzen des im Reduktionsgas enthaltenen Staubes und die damit verbundenen Probleme vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass dem der Reduktionsstufe und/oder Vorwärmstufe zugeführten Reduktionsgas Wärme zugeführt wird, und zwar durch Verbrennung eines externen Brenngases, insbesondere Erdgas, zusammen mit Sauerstoff und/oder Luft.
Durch die Verbrennung eines staubfreien Brenngases, wie z. B. Erdgas, mit einem sauerstoffhältigen Gas vermeidet man die lokal sehr hohen Temperaturen, die entstehen, wenn das staubbeladene Reduktionsgas direkt mit Sauerstoff verbrannt wird.
Durch die Erhöhung der Reduktionsgastemperatur mittels der erfindungsgemässen Verbrennung eines Brenngases werden Autoreformingreaktionen in der Gasphase thermodynamisch sowie kinetisch bevorzugt, wobei der vorhandene Staub im Reduktionsgas als Katalysator wirken kann.
Bei diesen Autoreformingreaktionen kommt es zum Umsetzen von Methan mit CO2 bzw. H2O, wobei CO bzw. H2 gebildet werden. Durch diese in-situ-Generierung der reduzierenden Bestandteile kann einerseits die Reduktionsgasanalyse und somit auch thermodynamisch die Reduktion feinteilchenförmigen oxidhältigen Materials verbessert werden und andererseits die Menge des Make-up-Gases, d. h. frisch zugeführten Reduktionsgases, reduziert werden.
Vorzugsweise erfolgt erfindungsgemäss die Verbrennung des Brenngases in einer Brennkammer, wobei die Brennkammer direkt von Reduktionsgas, das von einer Wirbelschicht-Reduktionszone in die nachgeschaltete Wirbelschicht-Reduktionszone strömt, geflutet wird. Hierdurch wird der apparative Aufwand so gering wie möglich gehalten.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verbrennung des Brenngases in einer von der Reduktionsgasleitung separaten Brennkammer. Das hierbei gebildete Verbrennungsgas wird erst anschliessend in die Reduktionsgasleitung strömen gelassen. Hierdurch werden möglicherweise auftretende Flammenfronten bei der Verbrennung nivelliert, bevor sie mit dem staubbeladenen Reduktionsgas in Kontakt gelangen.
Vorteilhaft wird das Verbrennungsgas mit dem Reduktionsgas in einer Mischkammer gemischt.
Hierdurch erreicht man eine bessere Vermischung des Reduktionsgases mit dem Verbrennungsgas.
Durch Zuführung eines weiteren Stoffes, wie Erdgas oder anderer Kohlenwasserstoffe, in die Mischkammer lässt sich vorteilhaft in Abhängigkeit von der Art des Stoffes der Oxidationsgrad des Reduktionsgases verändern sowie eine Produktion von reduzierenden Gasbestandteilen initiieren, wodurch die Reduktionsgaszusammensetzung beeinflusst werden kann.
Gemäss einer anderen Ausführungsform wird das Brenngas in einem Brenner innerhalb eines für die Direktreduktion der oxidhältigen Erze vorgesehenen Wirbelschicht-Reaktors verbrannt. Die Verbrennung kann je nach Anordnung des Brenners entweder unterhalb des Wirbel betts, In Höhe des Wirbelbetts oder oberhalb des Wirbelbetts erfolgen. Auch ist es denkbar, dass alle Brenner in den Wirbelschicht-Reaktoren angeordnet sind.
Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, mit mindestens zwei in
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Serie hintereinandergeschalteten Wirbelschichtreaktoren zur Direktreduktion von teilchenförmigen oxidhältigen Erzen, insbesondere eisenoxidhältigem Material, mittels eines aus Erdgas erzeugten CO-und Hz-hättigen Reduktionsgases, mit einer Reduktiongas-Zuleitung zu dem in Fliessrichtung des oxidhältigen Materials gesehenen letzten Wirbelschichtreaktor, einer Reduktionsgas-Ableitung aus dem in Fliessrichtung des eisenoxidhältigen Materials gesehenen ersten Wirbelschichtreaktor und mit einer zur Führung des Reduktionsgases von einem Wirbelschichtreaktor in den diesem vorgeschalteten Wirbelschicht-Reaktor vorgesehenen Reduktionsgasleitung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Anlage leitungsmässig mit mindestens einem Brenner zur Verbrennung eines externen Brenngases, insbesondere Erdgas, mit Sauerstoff und/oder Luft verbunden ist.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weist der Brenner eine Brennkammer auf, die direkt in der Reduktionsgasleitung vorgesehen ist und vorzugsweise als eine im Durchmesser erweiterte Stelle der Reduktionsgasleitung ausgebildet ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Brenner eine Brennkammer auf, die leitungsmässig mit der Reduktionsgasleitung verbunden ist.
Zweckmässig ist an der Einmündung der von der Brennkammer in die Reduktionsgasleitung führenden Leitung eine Mischkammer vorgesehen.
Vorteilhaft ist der Brenner in einem der Wirbelschichtreaktoren angeordnet. Dabei ist er entweder unterhalb des Wirbelbetts, in Höhe des Wirbelbetts oder oberhalb des Wirbelbetts angeordnet.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die Fig. 1 bis 3 jeweils eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemässen Verfahrens im Blockschema und die Fig. 4 bis 6 ein vergrössertes Detail einer bevorzugten Ausführungsform veranschaulichen.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage weist vier in Serie hintereinandergeschaltete Wirbelschichtre- aktoren 1 bis 4 auf, wobei teilchenförmiges oxidhältiges Erz, wie eisenoxidhältiges Erz, über ein Aufgabesystem 5 und eine Erzzuleitung 6 dem ersten Wirbelschichtreaktor 1, in dem in einer Vorwärmstufe 7 eine Vorerwärmung des Feinerzes und eventuell eine Vorreduktion stattfinden, zugeleitet und anschliessend von Wirbelschichtreaktor 1 zu Wirbelschichtreaktor 2,3 und 4 über Förderleitungen 11 geleitet wird. In den Wirbelschichtreaktoren 2 und 3 erfolgt in zwei Vorreduktionsstufen 8 und 9 eine Vorreduktion und im Wirbelschichtreaktor 4 in einer Endreduktionsstufe 10 eine Endreduktion des Feinerzes.
Das fertig reduzierte Material wird über eine Förderleitung 12 einem Sammelbehälter 13 zugeführt, von wo es in eine Brikettiereinrichtung 14 gelangt, in der es heiss-oder kaltbrikettiert wird.
Erforderlichenfalls wird das reduzierte Material vor Reoxidation während des Transports, der Lagerung und der Brikettierung durch ein nicht dargestelltes Inertgassystem geschützt.
Vor Einleitung des Feinerzes über das Aufgabesystem 5 in den ersten Wirbelschichtreaktor 1 wird es einer Erzvorbereitung, wie einer Trocknung und einem Sieben, unterzogen, die nicht näher dargestellt ist.
Reduktionsgas wird im Gegenstrom zum Erzdurchfluss von Wirbelschichtreaktor 4 zu Wirbelschichtreaktor 3 bis 1 über Verbindungsleitungen 15 geführt und als Topgas über eine TopgasAbleitung 16 aus dem in Gasströmungsrichtung letzten Wirbelschichtreaktor 1 abgeleitet und in einem Nasswäscher 17 gekühlt und gewaschen, wobei bei der Durchführung des Wirbelschichtverfahrens ein Druck von > 5 bar aufrechterhalten wird.
Die Herstellung des Reduktionsgases erfolgt durch Reformieren von gegebenenfalls vorher entschwefeltem Erdgas, Luft und Wasserdampf in einem Dampfreformer 18. Das gebildete reformierte Gas besteht im wesentlichen aus Hz, CO, CH4, H20 und CO2.
Dieses reformierte Gas wird über eine Gasförderleitung 19, die mit der Topgas-Ableitung 16 zusammenmündet, gemeinsam mit dem mittels eines Verdichters 20 verdichteten Topgas einer CO2-Eliminierungsanlage 21 und nachfolgend einem Gaserhitzer 22 zugeleitet und von diesem über eine Reduktionsgas-Zuleitung 23 dem in Fliessrichtung des Feinerzes letztangeordneten Wirbelschichtreaktor 4 zugeführt. Die CO2-Eliminierungsanlage 21 kann zum Beispiel als Druckwech- sel-Adsorptionsanlage oder als chemischer oder physikalischer COs-Nasswäscher ausgebildet sein. Gegebenenfalls können Topgas und Reduktionsgas oder ein Teil derselben auch ohne CO2Eliminierung dem Gaserhitzer 22 über eine Leitung 24 zugeführt werden.
Ein Teil des Topgases kann auch als Brenngas dem Gaserhitzer 22 über eine Zweigleitung 25 zugeführt werden.
Zur Zuführung von Wärme an das in die Vorreduktionsstufen 8 und 9 und/oder in die Vorwärm-
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stufe 7 strömende Reduktionsgas sind an den Verbindungsleitungen 15, die an diesen Stellen Verdickungen 15a aufweisen, welche als vom Reduktionsgas durchströmte Brennkammern wirken, Brenner 26 angeordnet. Den Brennern 26 wird parallel über eine Zuführleitung 27 externes Brenngas, wie Erdgas, sowie Luft und/oder Sauerstoff, der auch in Form eines anderen sauerstoffhältigen Gases als Luft zuführbar ist, zugeführt. Im Reduktionsgas kommt es durch die Erhöhung der Gastemperatur zu Autoreforming-Prozessen und zur Erzeugung von weiteren reduzierenden Be-
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Gemäss Fig. 2 sind Brenner 26, in die wiederum parallel externes Brenngas und Sauerstoff und/oder Luft münden, an von den Verbindungsleitungen 15 separierten, jedoch mit ihnen leitungmässig in Verbindung stehenden Brennkammern 28 angeordnet, so dass bei der Verbrennung möglicherweise auftretende Flammenfronten bereits in den Brennkammern 28 vergleichmässigt werden, ehe das Verbrennungsgas mit dem in den Verbindungsleitungen 15 strömenden, gegebenenfalls staubbeladenen Reduktionsgas in Kontakt gelangt.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 2 veranschaulichten durch in den Verbindungsleitungen 15 angeordnete Mischkammern 29, in denen das in den Brennkammern 28 erzeugte heisse Verbrennungsgas mit dem Reduktionsgas vermischt wird. Aufgrund der längeren Verweildauer des Reduktionsgases in den Mischkammern 29 kann der Vermischungsvorgang vollständiger und schneller ablaufen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verbrennung des verwendeten externen Brenngases, beispielsweise Erdgas, zusammen mit Sauerstoff und/oder Luft mittels eines einem Wirbelschichtreaktor zugeordneten Brenners. Der In Fig. 4 schematisch dargestellte Wirbelschichtreaktor 30 zeigt einen in drei Zonen gegliederten Innenraum 31, zu dem unten eine Gaszuführungsleitung 32 hin- und am oberen Ende eine Abgasleitung 33 wegführt. Die unterste Zone 34 ist von der mittleren Zone 35 durch den Verteilerboden 37 getrennt, der das durch den Innenraum 31 des Wirbelschichtreaktors 30 von unten nach oben strömende Reduktionsgas über den ganzen Querschnitt des Wirbelschichtreaktors 30 gleichmässig verteilt und dadurch ein einheitliches Wirbelbett aus Feinerzteilchen erzeugt.
Die Grenze zwischen der vom Wirbelbett gebildeten mittleren Zone 35 und der obersten einen Freiraum bildenden Zone 36, dem sogenannten Freeboard, ist weniger scharf als bei den beiden unteren Zonen. Im Freeboard findet eine Beruhigung des Gasraums statt, wodurch verhindert wird, dass Erzteilchen aus dem Wirbelschichtreaktor 30 ausgetragen werden. In der untersten Zone 34 unterhalb des Verteilerbodens 37 ist ein Brenner 38 angeordnet, zu dem eine nicht dargestellte Sauerstoff- und/oder Luftleitung sowie eine Brenngasleitung führen. Die heissen Verbrennungsgase führen dem in den Wirbelschichtreaktor 30 strömenden Reduktionsgas Wärme zu bzw. führen zu Autoreforming-Reaktionen.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der Brenner 38 in der mittleren Zone 35, im Wirbelbett, angeordnet. Diese Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn das Reduktionsgas besonders staubbeladen ist, da hierbei keine Gefahr besteht, dass der Verteilerboden 37 durch anschmelzenden Staub verlegt wird.
Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei weicher der Brenner 38 im Freeboard 36 angeordnet ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbetspie- le, sondern kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden. Beispielsweise ist es möglich, die Anzahl der Wirbelschichtreaktoren je nach den Erfordernissen zu wählen. Ebenso kann das Reduktionsgas nach verschiedenen bekannten Methoden erzeugt werden.
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The invention relates to a process for the direct reduction of particulate oxide-containing ores, in particular of iron oxide-containing material, in a fluidized bed process at a pressure> 5 bar, the ore being heated with the aid of a reducing gas generated from natural gas in a fluidized bed reactor designed as a preheating stage, and possibly also being reduced, followed by is reduced to sponge iron in at least one fluidized bed reactor designed as a reduction stage and the reducing gas is conducted from the reduction stage to the preheating stage via a reducing gas line in the opposite direction of the material to be reduced, which is conducted from stage to stage, and is removed as cleaning gas after cleaning, and a plant for carrying out the process ,
A method of this type is known for example from AT-402 937 B. In this known method, iron oxide-containing material is reduced in four fluidized bed reduction zones connected in series. In order to set an approximately equally high constant temperature in all fluidized bed reduction zones, freshly formed reducing gas is partially removed from the fluidized bed reduction zone following the first fluidized bed reduction zone in the flow direction of the reducing gas.
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Lich the reduction gas flow are connected in series as well as in parallel. The additionally supplied, freshly formed reducing gas is preferably fed to the individual fluidized bed reduction zones in an amount of 5 to 15% in each case.
In fluidized bed reactor cascades with countercurrent flow of iron oxide-containing material and reducing gas, as known from AT-402 937 B, the solid is gradually heated in accordance with the decrease in enthalpy of the gas. Under certain circumstances, this can lead to the temperature in the individual reduction stages becoming too low, as a result of which a reaction of the solid with the gas is hindered kinetically and thermodynamically.
By reducing the iron oxide-containing material, the reduction potential of the reducing gas conducted in countercurrent is reduced. H. its oxidation potential increases from stage to stage, i.e. H. according to the operating time of the reducing gas. By increasing the temperature of the reducing gas, so-called auto-reforming reactions can take place, which lower the content of methane in the reducing gas, which is an inert gas component, and increase the amount of reducing gas components (CO, H2), which achieves thermodynamic advantages in reducing the solids can be. Furthermore, through the in-situ generation of CO and H2, the amount of the so-called makeup gas, i.e. H. freshly supplied reducing gas can be lowered, whereby the entire gas system can be downsized.
A method is known from WO 97/13878 A1 in which a portion of the reducing gas flowing from a final reduction stage into a pre-reduction stage is branched off, washed, cleaned of CO2 and heated and then returned to the final reduction stage. The heating of the reducing gas removed and branched off from the final reduction stage to the reduction temperature can be carried out recuperatively and / or regeneratively and / or by partial combustion of the removed portion of the reducing gas.
WO-97/07247 A1 describes a method in which an export gas drawn off from a reduction zone for the direct reduction of iron oxide-containing material is subjected to CO2 elimination and heating and is fed to a further reduction zone for the direct reduction of iron oxide-containing material, the heating being able to take place in two stages , in a first stage by heat of the export gas emerging from the further reduction zone, which z. B. is burned and releases heat recuperatively to the reducing gas supplied to the further reduction zone, and in a second stage by partial combustion of the further reduction zone freshly supplied reducing gas.
If the dust-laden reducing gas is burned directly with oxygen, as in WO 97/13878 A1 and WO 97/07247 A1, very high temperatures can occur locally, which disadvantageously leads to melting of the dust. This is not desirable since the melting of the dust leads to disturbances in the direct reduction process; agglomerations and caking occur on the walls of the reduction vessels and delivery lines.
From JP 58-34114 A a process for the reduction of fine-grained iron ore is known, in which the reducing gas for the final reduction stage by decomposing and reforming hydrocarbon by means of the oxidizing exhaust gas withdrawn from the final reduction zone
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is generated, the iron ore being reduced in a first stage by carbon separated from the hydrocarbon. To provide the energy required to generate the reducing gas, the oxidizing exhaust gas is heated before it is brought into contact with the hydrocarbon.
US Pat. No. 3,985,547 A describes a process for iron ore reduction in a multiple fluidized bed reactor, in which fresh reducing gas is generated by substoichiometric combustion of methane and oxygen in a burner assigned to the reactor, with its outlet opening between the lowest and the one above it Fluid bed is arranged. The used reducing gas emerging from the top fluidized bed is cleaned, freed from water and CO2 and, when heated, is fed to the bottom fluidized bed as a recycling reducing gas.
The object of the invention is to subject the reducing gas to a heating of a type of the type described at the outset when it flows from a fluidized bed reduction zone into the fluidized bed reduction zone downstream of it, in such a way that the reducing gas and the solid are kinetically and thermodynamically converted into one for the reduction brought favorable temperature range in which auto-reforming reactions to increase the proportion of reductant in the reducing gas can take place, but a melting of the dust contained in the reducing gas caused by local overheating and the problems associated therewith should be avoided.
According to the invention, this object is achieved by supplying heat to the reduction gas supplied to the reduction stage and / or preheating stage, specifically by burning an external fuel gas, in particular natural gas, together with oxygen and / or air.
By burning a dust-free fuel gas, such as. B. natural gas, with an oxygen-containing gas one avoids the locally very high temperatures that arise when the dust-laden reducing gas is burned directly with oxygen.
By increasing the reducing gas temperature by means of the combustion of a fuel gas according to the invention, auto-reforming reactions in the gas phase are thermodynamically and kinetically preferred, the dust present in the reducing gas being able to act as a catalyst.
In these auto-reforming reactions, methane is reacted with CO2 or H2O, whereby CO or H2 is formed. This in-situ generation of the reducing constituents on the one hand improves the reducing gas analysis and thus also thermodynamically the reduction of fine particulate oxide-containing material and on the other hand the amount of make-up gas, i. H. freshly supplied reducing gas can be reduced.
According to the invention, the combustion gas is preferably burned in a combustion chamber, the combustion chamber being flooded directly with reducing gas which flows from a fluidized bed reduction zone into the downstream fluidized bed reduction zone. As a result, the outlay on equipment is kept as low as possible.
According to a further preferred embodiment, the combustion gas is burned in a combustion chamber separate from the reduction gas line. The combustion gas formed in this way is then only allowed to flow into the reducing gas line. This means that any flame fronts that occur during combustion are leveled before they come into contact with the dust-laden reducing gas.
The combustion gas is advantageously mixed with the reducing gas in a mixing chamber.
This results in better mixing of the reducing gas with the combustion gas.
By adding another substance, such as natural gas or other hydrocarbons, to the mixing chamber, depending on the type of substance, the degree of oxidation of the reducing gas can advantageously be changed and the production of reducing gas components can be initiated, as a result of which the reducing gas composition can be influenced.
According to another embodiment, the fuel gas is burned in a burner within a fluidized bed reactor provided for the direct reduction of the oxide-containing ores. Depending on the arrangement of the burner, the combustion can take place either below the fluidized bed, at the level of the fluidized bed or above the fluidized bed. It is also conceivable that all burners are arranged in the fluidized bed reactors.
A system for carrying out the method according to the invention, with at least two in
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Series of fluidized bed reactors connected in series for the direct reduction of particulate oxide-containing ores, in particular iron oxide-containing material, by means of a CO and Hz-containing reducing gas generated from natural gas, with a reducing gas feed line to the last fluidized bed reactor seen in the flow direction of the oxide-containing material, a reducing gas discharge from the in The direction of flow of the first fluidized bed reactor seen from iron oxide-containing material and with a reducing gas line provided for guiding the reducing gas from a fluidized bed reactor into the upstream fluidized bed reactor is characterized in that
that the system is connected to at least one burner for combustion of an external fuel gas, in particular natural gas, with oxygen and / or air.
According to a preferred embodiment, the burner has a combustion chamber which is provided directly in the reducing gas line and is preferably designed as an enlarged diameter point of the reducing gas line.
According to a further preferred embodiment, the burner has a combustion chamber which is connected in line with the reducing gas line.
A mixing chamber is expediently provided at the mouth of the line leading from the combustion chamber into the reducing gas line.
The burner is advantageously arranged in one of the fluidized bed reactors. It is arranged either below the fluidized bed, at the level of the fluidized bed or above the fluidized bed.
The invention is explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments shown in the drawing, FIGS. 1 to 3 each illustrating an advantageous variant of the method according to the invention in a block diagram, and FIGS. 4 to 6 an enlarged detail of a preferred embodiment.
The plant shown in FIG. 1 has four fluidized bed reactors 1 to 4 connected in series, with particulate oxide-containing ore, such as iron oxide-containing ore, via a feed system 5 and an ore feed line 6 to the first fluidized bed reactor 1, in which preheating in a preheating stage 7 of fine ore and possibly a pre-reduction take place, is fed and then passed from fluidized bed reactor 1 to fluidized bed reactor 2, 3 and 4 via delivery lines 11. In the fluidized bed reactors 2 and 3 there is a pre-reduction in two pre-reduction stages 8 and 9 and in the fluidized bed reactor 4 in a final reduction stage 10 a final reduction of the fine ore.
The finished reduced material is fed via a conveyor line 12 to a collecting container 13, from where it reaches a briquetting device 14, in which it is hot or cold briquetted.
If necessary, the reduced material is protected from reoxidation during transport, storage and briquetting by an inert gas system, not shown.
Before the fine ore is introduced into the first fluidized bed reactor 1 via the feed system 5, it is subjected to ore preparation, such as drying and sieving, which is not shown in detail.
Reducing gas is conducted in countercurrent to the ore flow from fluidized bed reactor 4 to fluidized bed reactor 3 to 1 via connecting lines 15 and is discharged as top gas via a top gas discharge line 16 from the last fluidized bed reactor 1 in the gas flow direction and cooled and washed in a wet scrubber 17, a pressure being applied when carrying out the fluidized bed process of> 5 bar is maintained.
The reduction gas is produced by reforming any previously desulfurized natural gas, air and water vapor in a steam reformer 18. The reformed gas formed essentially consists of Hz, CO, CH4, H20 and CO2.
This reformed gas is fed via a gas delivery line 19, which ends with the top gas discharge line 16, together with the top gas compressed by means of a compressor 20 to a CO2 elimination system 21 and subsequently to a gas heater 22 and from there via a reducing gas feed line 23 to the flow direction of the fine ore last arranged fluidized bed reactor 4 fed. The CO2 elimination system 21 can be designed, for example, as a pressure change adsorption system or as a chemical or physical CO wet scrubber. If necessary, top gas and reducing gas or a part thereof can also be supplied to the gas heater 22 via a line 24 without CO2 elimination.
Part of the top gas can also be supplied to the gas heater 22 as a fuel gas via a branch line 25.
For supplying heat to the pre-reduction stages 8 and 9 and / or to the preheating
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stage 7 flowing reducing gas are arranged on the connecting lines 15, which have thickened portions 15a at these points, which act as combustion chambers through which the reducing gas flows, burners 26. External combustible gas, such as natural gas, and air and / or oxygen, which can also be supplied in the form of an oxygen-containing gas other than air, is fed to the burners 26 in parallel via a supply line 27. In the reducing gas, the gas temperature leads to auto-reforming processes and the generation of further reducing loads.
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According to FIG. 2, burners 26, into which external fuel gas and oxygen and / or air flow in parallel, are arranged on combustion chambers 28 which are separated from the connecting lines 15 but are connected to them in terms of lines, so that flame fronts which may occur during combustion are already in the combustion chambers 28 are made more uniform before the combustion gas comes into contact with the possibly dust-laden reducing gas flowing in the connecting lines 15.
The embodiment shown in FIG. 3 differs from the one illustrated in FIG. 2 by mixing chambers 29 arranged in the connecting lines 15, in which the hot combustion gas generated in the combustion chambers 28 is mixed with the reducing gas. Because of the longer residence time of the reducing gas in the mixing chambers 29, the mixing process can be completed more quickly and more quickly.
According to a preferred embodiment of the invention, the external fuel gas, for example natural gas, is burned together with oxygen and / or air by means of a burner assigned to a fluidized bed reactor. The fluidized bed reactor 30 shown schematically in FIG. 4 shows an interior 31 divided into three zones, to which a gas supply line 32 leads below and an exhaust line 33 leads away at the upper end. The lowest zone 34 is separated from the middle zone 35 by the distributor base 37, which distributes the reducing gas flowing through the interior 31 of the fluidized bed reactor 30 from bottom to top evenly over the entire cross section of the fluidized bed reactor 30 and thereby produces a uniform fluidized bed of fine ore particles.
The boundary between the central zone 35 formed by the fluidized bed and the uppermost zone 36 forming a free space, the so-called freeboard, is less sharp than in the two lower zones. The gas space is calmed down in the freeboard, thereby preventing ore particles from being discharged from the fluidized bed reactor 30. In the lowest zone 34 below the distributor base 37, a burner 38 is arranged, to which an oxygen and / or air line, not shown, and a fuel gas line lead. The hot combustion gases supply heat to the reducing gas flowing into the fluidized bed reactor 30 or lead to auto-reforming reactions.
In the embodiment shown in FIG. 5, the burner 38 is arranged in the central zone 35, in the fluidized bed. This embodiment is advantageous if the reducing gas is particularly dust-laden, since there is no risk that the distributor floor 37 will be laid by melting dust.
6 shows a preferred embodiment in which the burner 38 is arranged in the freeboard 36.
The invention is not limited to the embodiment examples shown in the drawing, but can be modified in various ways. For example, it is possible to choose the number of fluidized bed reactors depending on the requirements. The reducing gas can also be generated by various known methods.
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