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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Metallerzeugung, vorzugsweise zur direkten Stahlerzeugung, aus feinkörnigem Metalloxid, insbesondere eisenhaltigem Feinerz, wobei das Metalloxid in einen Reduktionsreaktor eingebracht und in diesem Reduktionsreaktor durch ein überwiegend aus H2 gebildetes, vorzugsweise zumindest zu 90 Vol% H2-haltiges, Reduktionsgas zumindest teilweise reduziert wird, und nachfolgend in einem Schmelzreaktor, vorzugsweise zu Stahl, geschmolzen wird.
Die Fachwelt versucht seit langem die Möglichkeiten und Vorteile der Wasserstoffmetallurgie zu nützen. Weiters ist im Stand der Technik bekannt, das am Rohstoffmarkt ausreichend vorhan- dene Feinerz als Ersatz von Stückerz in der Roheisen- bzw. Stahlerzeugung einzusetzen. Dem Fachmann sind im speziellen verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Roheisen und/oder Stahl aus Feinerz bekannt.
In der Patentveröffentlichung EP 0010647 A1 wird in diesem Zusammenhang ein Verfahren gelehrt, durch welches vorgewärmter Eisenerzstaub in einem im Gleichstrom geführten Gasge- misch, das überwiegend H2 enthält, reduziert wird. In der Praxis erweist sich das gelehrte Verfah- ren aufgrund des hohen Energieeinsatzes als unwirtschaftlich.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 weiter zu entwickeln, durch welche eine kostengünstige und ressourcenschonende Erzeugung von Stahl aus Feinerz verwirklicht werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Tech- nik zu uberwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, sowie durch eine Anlage nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9 gelöst.
Die Verwendung eines Transportreduktionsreaktors zeichnet sich gegenüber dem Betrieb eines herkömmlichen Schachtofens, wie in EP 00106747 A1 gelehrt, vor allem dadurch aus, dass, beispielsweise durch die gleichmässigere Verteilung der Einsatzstoffe in dem Reduktionsgas, eine energetisch und/oder kinetisch günstigerer Ablauf der Reduktion erreicht werden kann. Auf diese Weise werden wesentliche Energiekosten eingespart.
Der Betrieb eines Transportreduktionsreaktors ist nach verschiedenen Ausführungsformen vor allem dadurch gekennzeichnet, dass das feinkörnige Einsatzmatenal in den gerichteten Transport- gasstrom des Transportreduktionsreaktors eingebracht und durch diesen transportiert wird.
Ein Transportreduktionsreaktor stellt nach einer besonderen Ausführungsform einen Reaktor zur Reduktion von Metalloxid mit einem transportierenden Trägergas dar
Als Trägergas kann nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfah- ren jedes geeignete Gas, insbesondere ein zumindest teilweise inertes Gas verwendet werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Trägergas ein zumindest teilweise reduzierenden Gas verwendet. Sollte beispielsweise die Zusammensetzung des Tragergases nicht für eine zumindest teilweise Reduktion des Metallerzes im Transportreduktionsreaktor ausreichen, ist für eine Zufuhr der ausreichenden Menge an reduzierendem Gas in den Transportreduktionsre- aktor zu sorgen
Durch die Verwendung von Wasserstoff als, bevorzugt alleinigem, Reduktionsmittel wird der C02-Ausstoss verringert bzw. im Idealfall gänzlich verhindert. Nach der Reduktion enthält das teilweise verbrauchte Reduktionsgas neben H2 ausschliesslich H20, wodurch sich die Abgasbe- handlung gegenüber Anlagen, bei denen beispielsweise ein CO- und H2-haltiges Reduktionsgas zum Einsatz gelangt, wesentlich vereinfacht.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich durch seine besonders wirtschaftliche Be- triebsweise aus, da als Einsatzstoffe Feinerz und als Reduktionsmittel Wasserstoff eingesetzt werden Wasserstoff ist derzeit kostengünstig aus Erdgas oder Kohle zu erzeugen. In Zukunft wird eine wirtschaftliche Erzeugung des Wasserstoffes mittels Elektrolyse oder in Bioreaktoren gelin- gen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Teil des Trägergases des Transportreduktionsreaktors, insbesondere des Reduktionsgases, im Bereich der Zufuhr des Metalloxides in den Transportreduktionsreaktor in einer, insbesondere zumindest teilweise auf- wärts, gerichteten Strömung geführt, wobei mit dem, insbesondere durch das, Zusammentreffen
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des gerichteten Trägergasstromes mit dem zugeführten Metalloxid in dem Transportreduktionsre- aktor, das Metalloxid in dem Transportreduktionsreaktor, vorzugsweise in den Trägergasstrom, fein verteilt wird
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Metall- oxidteilchen zumindest teilweise durch das Trägergas entgegen der Schwerkraft transportiert.
Diese Form des Transportes führt zu einer besonders vorteilhaften Verteilung der Metalloxidteil- chen, sowie zu einer besonders effizienten Reduktion derselben.
Nachdem erfindungsgemäss nach einer bevorzugten Ausführungsform eine feine Verteilung des Metalloxids in dem Trägergasstrom, insbesondere dem Reduktionsgasstrom, vorgesehen ist, kann eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich schnellere und vollständigere Reduktion der feinen Metalloxide erreicht werden.
Die Einbringung des Metalloxides in den Transportreduktionsreaktor selbst kann auf verschie- dene Arten erfolgen Diesbezüglich sind Ausführungsformen mit, an oder in dem Transportredukti- onsreaktor angeordneten, Injektoren und/oder Aufgabevorrichtungen möglich, die jeweils das Metalloxid in oder gegen die Stromungsrichtung des Trägergasstromes, insbesondere des Reduk- tionsgasstromes, in diesen einbringen.
Die Aufgabe des Metalloxides in den Trägergasstrom kann unter verschiedenen Winkeln erfol- gen, beispielsweise unter 135 (225 ) oder 120 (210 ) entgegen der Strömungsrichtung (0 ent- spricht Strömungsrichtung).
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Reduktion in dem Transportreduktionsreaktor unterhalb einer Temperatur von 1000 C, vor- zugsweise bei einer Temperatur von 500 bis 900 C, besonders bevorzugt von 700 bis 900 C, durchgeführt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das feinkörnige Metalloxid mit einem weiteren Trägergas in den Transportreduktionsreaktor einge- leitet, insbesondere unter Druck eingeblasen, wobei das weitere Trägergas vorzugsweise zumin- dest 50 Vol % H2, besonders bevorzugt zumindest 75 Vol% H2, insbesondere zumindest 90 Vol% H2, enthält
Nach einer Ausfuhrungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das, im wesentlichen feststoffformige, Metalloxid durch den Transportreduktionsreaktor zu einer Gas-Feststoff-Abtrenn- vorrichtung, insbesondere einem Zyklon, transportiert, bevor das zumindest teilweise reduzierte Metalloxid in einem Schmelzreaktor, insbesondere zu flussigem Stahl, geschmolzen wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist durch die feine Verteilung des Metalloxids im Trä- gergas, insbesondere im Reduktionsgas, des Transportreduktionsreaktors nachfolgend eine Ab- trennung des Feststoffes in einer Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung vorgesehen. Nach der Abtren- nung kann das zumindest teilweise reduzierte Metalloxid beispielsweise in einen Schmelzreaktor eingebracht und zu flüssigem Stahl verarbeitet werden
Durch ein Verfahren dieser Art ist eine direkte Stahlerzeugung in besonders effizienter Form, insbesondere in nur einer Prozessstufe, verwirklichbar.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das in der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung wiederum von Feststoffpartikeln zumindest teilweise gereinigte Reduktionsgas einer Gasaufbereitung unterzogen, wobei Verunreinigungen, insbeson- dere H2O zumindest teilweise abgetrennt werden, und gegebenenfalls verbrauchtes H2 zumindest teilweise ersetzt wird.
Nach einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist ein vollständiger Ersatz des verbrauchten H2 vorgesehen. Damit wird eine schädliche Anreicherung des Reduktionsgases an H2O in der Anlage vermieden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das in der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung abgetrennte, zumindest teilweise reduzierte, Metall- oxid aus der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung, insbesondere durch eine Wasserstoffströmungs- pumpe, abgesaugt.
Bei einer Wasserstoffströmungspumpe handelt es sich definitionsgemass um eine Pumpe zur Einbringung von Reduktionsgas und feinem Feststoff in ein Reaktionsgefass, die nach einer bevor- zugten Ausführungsform analog wie eine Wasserstrahlpumpe arbeitet. Im einfachsten Fall ist eine solche Wasserstoffströmungspumpe beispielsweise durch eine, von Wasserstoff durchströmte,
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Venturidüse realisierbar, bei der durch Ausnutzung des Druckunterschiedes infolge der unter- schiedlichen Strömungsquerschnitte ein Pumpeffekt erzeugt und in einfacher Weise der feine Feststoff, beispielsweise das feinteilchenförmige Metalloxid, angesaugt und in das entsprechende Gefäss und/oder in den entsprechenden Reaktor eingebracht werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das zumindest teilweise reduzierte Metalloxid in einen Schmelzreaktor eingeleitet, und unter Ein- wirkung eines Plasmabrenners und/oder eines elektrischen Lichtbogens aufgeschmolzen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird dem Schmelzreaktor ein H2-haltiges Gas zugeführt, das im Schmelzreaktor gegebenenfalls zumindest teilweise ionisiert und gegebenenfalls nachfolgend als Reduktionsgas in den Transportreduktions- reaktor eingeleitet wird.
Dabei wird beispielsweise durch Ionisation des H2-Gases ein heisses Plasma zum Aufschmel- zen der feinkörnigen Metalloxide erzeugt.
Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, durch eine Ver- wendung des, vorzugsweise heissen, H2-haltigen Abgases des Schmelzreaktors als Transportgas und Trägergas des Transportreduktionsreaktor, Energie und Kosten gespart.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird in den Schmelzreaktor weniger als 50 Vol%, insbesondere weniger als 10 Vol%, des, in der Redukti- onskammer eingesetzten, Träger- und/oder Reduktionsgases eingebracht, und beispielsweise aus dem Schmelzreaktor in den Transportreduktionsreaktor, vorzugsweise als Trägergas und/oder Reduktionsgas übergeführt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Menge des Metalloxides, welches in den Transportreduktionsreaktor eingebracht wird, und/ oder die Strömung und/oder Menge des Träger- und/oder Reduktionsgases in dem Transportre- duktionsreaktor selbst durch eine Wasserstoffströmungspumpe, und/oder eine entsprechende aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung, geregelt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der flüssige Stahl kontinuierlich, beispielsweise über eine induktive Pumpe und ein Siphon, aus dem Schmelzreaktor ausgebracht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Schlacke chargenweise aus dem Schmelzreaktor ausgebracht.
Die Erfindung ist weiters durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 9 gekennzeichnet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Trager- gaszufuhr und/oder der Transportreduktionsreaktor derart ausgeführt, dass in der Reduktions- kammer im Bereich der Zufuhr des Metalloxides ein gerichteter Trägergasstrom einstellbar ist, und ist weiters die Feststoffzufuhr der Reduktionskammer derart ausgeführt, dass das Metalloxid zu- mindest teilweise durch Einleiten, insbesondere Einblasen, in den zumindest teilweise gerichteten Trägergasstrom des Transportreduktionsreaktors fein verteilbar ist. Nach einer Ausführungsform erfolgt dabei mit dem, insbesondere durch das, Zusammentreffen des Metalloxides mit der im Transportreduktionsreaktor herrschenden Trägergasströmung eine feine Verteilung des Metalloxi- des in dem Trägergas.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung weist der Transportreduktionsreaktor eine Öffnung auf, über die das Reduktionsgas gemeinsam mit dem zumindest teilweise reduzierten, im wesentlichen feststoffförmigen, Metalloxid aus dem Transport- reduktionsreaktor ableitbar ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Feststoffzuführung in einer Weise ausgeführt, die es ermöglicht, das, im wesentlichen feststoffför- migen, Metalloxid, vorzugsweise regelbar, durch ein weiteres Trägergas, das zumindest zu 50 Vol %, vorzugsweise zumindest zu 90 Vol %, aus, gegebenenfalls heissem, H2 besteht, in den Transportreduktionsreaktor einzubringen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist das Reduktionsgas gemeinsam mit dem zumindest teilweise reduzierten, im, wesentlichen feststoffför- migen, Metalloxid aus dem Transportreduktionsreaktor in eine Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung einleitbar, die eine Auskleidung aufweist, die gegenüber einem heissen Reduktionsgas, das zu mehr als 50 Vol%, insbesondere zu mehr als 90 Vol %, aus Wasserstoffgas besteht, bestandig ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Gas-Feststoff-Abtrennvornchtung derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass das feinkörnige Metalloxid zumindest teilweise durch den, in dem Transportreduktionsreaktor herrschenden, ge- richteten Trägergasstrom, insbesondere Reduktionsgasstrom, in die Gas-Feststoff-Trennvorrich- tung eingebracht werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung schliesst die Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung als kommunizierendes Gefäss, insbesondere unmit- telbar, an den Transportreduktionsreaktor an
Nach einer besonderen Ausführungsform ist die Gas-Feststoff-Trennvorrichtung, vorzugsweise ohne Schleusen oder ähnliche Vorrichtungen, unmittelbar an dem Transportreduktionsreaktor, oder zumindest teilweise in dem Transportreduktionsreaktor angeordnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist nach der Gas-Feststoff-Abtrennungsvorrichtung ein Schmelzreaktor zum Aufschmelzen und gege- benenfalls Fertigreduzieren, des, zumindest teilweise vorreduzierten, Metalloxides, angeordnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist zur Einbringung des in der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung abgeschiedenen Metalloxides in den Schmelzreaktor eine Wasserstoffströmungspumpe, und/oder eine ähnliche Einrichtung, angeord- net
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist am Schmelzreaktor ein Plasmabrenner und/oder eine Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens angeordnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist der Transportreduktionsreaktor unmittelbar, beispielsweise als mit dem Schmelzreaktor kommunizie- rendes Gefäss, nach dem Schmelzreaktor angeordnet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist der Transportre- duktionsreaktor in einer Weise an dem Schmelzreaktor, insbesondere unmittelbar anschliessend, angeordnet, die es ermöglicht, die, vorzugsweise zumindest teilweise thermische, Strömung des im Schmelzreaktor auftretenden Gases zumindest teilweise als gerichtete Strömung, vorzugsweise als Trägergasströmung, in dem Transportreduktionsreaktor fortzuführen
Nach einer besonderen Ausführungsform ist der Transportreduktionsreaktor ohne Schleusen oder ähnliche Vorrichtungen unmittelbar an dem Schmelzreaktor angeordnet.
Nach einer zusätzlichen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist am Schmelz- reaktor und/oder an dem Transportreduktionsreaktor eine Wasserstoffströmungspumpe und/oder eine entsprechende Einrichtung angeordnet, die es ermöglicht, die Gasstromungsmenge in dem Transportreduktionsreaktor zu regeln.
Nach einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung herrscht im Bereich der Gas-Feststoff- Trennvornchtung ein niedrigerer Druck als im Bereich des Schmelzreaktors Somit ist der Gasfluss durch den Transportreduktionsreaktor gewährleistet.
Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren, sowie die erfindungsgemässe Vorrichtung schematisch anhand einer nicht einschrankender Zeichnung naher erläutert.
Fig 1 zeigt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur direkten Erzeugung von flüssigem Stahl aus Feinerz.
Nachstehend wird ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren beschrieben, mit dem Feinerz, mit einer fur Pelletanlagen üblichen Korngrössenverteilung ( < 50 (.im) in einer Verfahrensstufe und mit Wasserstoff als Reduktionsmittel in flüssigen Stahl umgewandelt werden kann.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird das Verfahren in einzelne Verfahrensschntte zerlegt Diese laufen gleichzeitig in einem einzigen Reaktionsgefäss, bestehend aus einem Einschmelzteil, einem Transportreduktionsreaktor, und gegebenenfalls integrierten Gas-Feststoff-Trennvornchtun- gen, ab. Das Reaktionsgefäss ist so beschaffen, dass in einzelnen Teilen desselben definierte Verfahrensschritte kontinuierlich ablaufen.
Als Eingangsstoffe in die Anlage zur Erzeugung von Stahl gelangen Feinerz 1 und Wasserstoff zu Anwendung Ausgangsstoffe sind flüssiger Stahl, flüssige Schlacke sowie ein Gasgemisch von Hz und H2O
Verfahrensschritte :
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1. In ein senkrechtes Rohr 3, welches an seinem unteren Ende mit dem Einschmelzteil 4 des Reaktionsgefässes verbunden ist und durch welches heisses Reduktionsgas 5, das aus dem Einschmelzteil 4 kommt, strömt, wird seitlich Feinerz 1 mit heissem Wasserstoff 6 eingeblasen und durch den Gasstrom nach oben transportiert. Das heisse Reduktionsgas
5 aus dem Einschmelzteil 4 und der heisse Wasserstoff 6, der zum Einblasen des Feiner- zes 1 verwendet wird, vermischen sich und werden so dosiert, dass im Rohr 3 eine Gas- temperatur von 800 bis 900 C herrscht.
Die Geschwindigkeit des im Rohr 3 nach oben strömenden Gases wird so bemessen, dass das eingeblasene Feinerz 1 vollständig nach oben transportiert wird. Die Länge des Rohres 3 ist so bemessen, dass auf dem Weg der
Feinerzteilchen von der Einblasestelle bis zum Rohrende die Reduktion der Feinerzteil- chen zu direkt reduzierten Eisenteilchen erfolgt (Prinzip des Transportreduktionsreaktors).
2 Am oberen Ende des senkrechten Rohres 3 befinden sich eine Anzahl von Abscheide- zyklonen 7, in dem die direkt reduzierten Eisenteilchen abgeschieden werden. Das vom
Feststoffanteil getrennte Gasgemisch (H2, H20 mit Verunreinigungen) 15 wird einer Gas- aufbereitung 8 zugeführt. In der Gasaufbereitung wird H2 9 von H20 10 gereinigt und ge- trennt, sowie der im Prozess verbrauchte H2 ergänzt. Der Wasserstoff wird dem Prozess wiederum zugeführt.
3. Das in dem Abscheidezyklon 7 abgeschiedene direkt reduzierte Eisen wird mittels Was- serstoffströmungspumpen abgesaugt und durch einen Plasmabrenner 11oder eine Licht- bogenelektrode in den Schmelzreaktor 4 eingeblasen. Die direkt reduzierten Eisenteilchen werden im Plasma des Plasmabrenners 11bzw. durch den Lichtbogen geschmolzen und sammeln sich mit der Schlacke am Boden des Einschmelzteiles 4 Das heisse Redukti- onsgas (ca. 1600 C) 5 entweicht dem Einschmelzteil 4 über das Rohr 3 des Transportre- duktionsreaktors. Die Gasströmungsmenge, die aus dem Schmelzreaktor austritt wird mit- tels Wasserstoffströmungspumpen eingestellt.
4. Der flüssige Stahl im Einschmelzteil kann kontinuierlich abgestochen (Kombination aus induktiver Pumpe und Siphon) werden. Die Schlacke wird chargenweise aus dem Ein- schmelzteil 4 über konventionelle Abstichmethoden ausgetragen.
Weiters sind eine Anzahl von Wärmetauschern 12, die für eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmehaushaltes des beschriebenen Verfahrens nützlich sind, und Verdichter 13 angebracht Weiters ist eine Bandgiessanlage 14 zur vorzugsweise kontinuierlichen Verarbeitung des flüssigen Stahles, ein Ausgleichsgefäss zum Ableiten des Stahles und/oder der Schlacke aus dem Ein- schmelzteil 4, sowie ein Feinerzaufgabegefäss 2 skizziert.
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