AT509073B1 - Verfahren und vorrichtung zur bereitstellung von reduktionsgas aus generatorgas - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Reduktionsgas zur Eisenerzreduktion durch Kühlung und Trockenentstaubung von in einem Einschmelzvergaser (3) zur Roheisenerzeugung erzeugtem Generatorgas (20), sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird das Generatorgas (20) nach seiner Ausleitung aus dem Einschmelzvergaser (3) und vor seiner Trockenentstaubung sowohl durch Wassereindüsung als auch durch Wärmetausch gekühlt.

Description

österreichisches Patentamt AT509 073 B1 2011-06-15

Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BEREITSTELLUNG VON REDUKTIONSGAS AUS GENERATORGAS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Reduktionsgas zur Eisenerzreduktion durch Kühlung und Trockenentstaubung von in einem Einschmelzvergaser zur Roheisenerzeugung erzeugtem Generatorgas, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Bei einigen Verfahren zur Schmelzreduktion von Eisenerzen, wie beispielsweise COREX® oder FINEX®, wird das benötigte Reduktionsgas aus in einem Einschmelzvergaser durch Vergasung von Kohlenstoffträgern in Gegenwart von Sauerstoff und vorreduzierten Eisenträgern erzeugtem sogenanntem Generatorgas bereitgestellt. Das Generatorgas ist für einen Einsatz als Reduktionsgas in einem Reduktionsreaktor zu sehr staubbeladen, und weist eine Temperatur auf, die über einem für seine Nutzung zur Reduktion von Eisenerz günstigem Temperaturbereich liegt. Die Temperatur des Generatorgases ist nicht konstant, sondern schwankt aufgrund von Druckstößen im Einschmelzvergaser im Bereich von bis zu ±50°C um einen Durchschnittswert von etwa 1030°C bis 1070°C. Um als Reduktionsgas in einem Reduktionsreaktor eingesetzt werden zu können, muss das Generatorgas daher entstaubt und gekühlt werden. Im Rahmen dieser Anmeldung wird Generatorgas erst nach erfolgter Entstaubung und Kühlung als Reduktionsgas bezeichnet. Dabei wird unter Kühlung nicht eine Temperaturverminderung mit umfasst, die als Wärmeverlust beim Durchströmen von Leitungsrohren auftritt.

[0003] Es ist beispielsweise aus WO9801587 bekannt, das Generatorgas mittels einer Trockenentstaubung in einem Zyklon von mitgeführtem Staub zu befreien. Eine Kühlung des Generatorgases wird dadurch erreicht, dass eine Teilmenge des aus dem Zyklon austretenden Reduktionsgases in einem Wäscher nass entstaubt sowie abgekühlt und nach anschließender Kompression dem Generatorgas als sogenanntes Kühlgas vor der Trockenentstaubung zugeführt wird. Somit tritt aus dem Zyklon ein entstaubtes und gekühltes sogenanntes Reduktionsgas aus.

[0004] Die Kühlung mittels des in WO9801587 dargestellten Kühlgaskreislaufes hat den Nachteil, bezüglich apparativem Aufwand und Platzbedarf sehr aufwändig zu sein. Die für die Realisierung des Kühlgaskreislaufes notwendigen Anlagenteile wie Wäscher und Kompressoren, Absperr- und Regelventile, Absperr- und Regelklappen, Lärmschutz und Gebäude inklusive Kräne müssen bereitgestellt, unter großem Energieverbrauch betrieben, und gewartet werden -besonders die Kompressoren verursachen dabei einen beträchtlichen Wartungsaufwand. Zudem tragen die Wäscher beträchtlich zur benötigten Auslegungsgröße des Abwassersystems einer Anlage zur Roheisenerzeugung gemäß WO9801587 bei. Die in einem Kühlgaskreislauf durch die Wäscher aus dem Reduktionsgas entfernte Energie wird ungenutzt mit dem Waschwasser abgeführt und weiter über Kühltürme an die Umgebung abgegeben.

[0005] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine zuverlässige Kühlung des Generatorgases ohne Kühlgaskreislauf nach dem Stand der Technik erreicht wird, und bei dessen Durchführung daher die genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Ebenso soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bereitstellung von Reduktionsgas zur Eisenerzreduktion durch Kühlung und Trockenentstaubung von in einem Einschmelzvergaser zur Roheisenerzeugung erzeugtem Generatorgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorgas nach seiner Ausleitung aus dem Einschmelzvergaser und vor seiner Trocke-nenstaubung sowohl durch Wassereindüsung als auch durch Wärmetausch gekühlt wird.

[0007] Die Begriffe Einschmelzvergaser, Generatorgas und Reduktionsgas sind wie voranstehend in der Einleitung definiert zu verstehen. Wie allgemein bekannt werden im Einschmelzvergaser zusätzlich zur Erzeugung von Generatorgas vorreduzierte Eisenträger vollständig redu- 1/12 österreichisches Patentamt AT509 073B1 2011-06-15 ziert und das entstehende Roheisen eingeschmolzen. Um ein Reduktionsgas bereitzustellen wird das Generatorgas, welches - neben Kohlendioxid C02, Wasserdampf H20 und Stickstoff N2 - hauptsächlich aus reduzierenden Komponenten wie Kohlenmonoxid CO, Wasserstoff H2 und Methan CH4 besteht, wie im Stand der Technik einer Trockenenstaubung und einer Kühlung unterzogen. Erfindungsgemäß wird das Generatorgas dabei nach seiner Ausleitung aus dem Schmelzreduktionsaggregat und vor seiner Trockenentstaubung sowohl durch Wassereindüsung als auch durch Wärmetausch gekühlt.

[0008] Da die Kühlung nicht mehr durch Einleitung von aus einer Teilmenge des Reduktionsgases erzeugtem Kühlgas erfolgt, wird dabei auf den aufwändigen Kühlgaskreislauf nach dem Stand der Technik verzichtet.

[0009] Die Kühlung erfolgt bereits vor der Trockenentstaubung, um eine Abkühlung der Partikel des Staubes zu erreichen und die thermische Belastung der Vorrichtung zur Trockenentstaubung möglichst gering zu halten.

[0010] Die Kombination von Wassereindüsung und Wärmetausch ermöglicht es, die Kühlung des Generatorgases unter Einstellung eines für die folgende Eisenerzreduktion günstigen Oxidationsgrades des Reduktionsgases sowie unter Einstellung einer konstanten Temperatur des Reduktionsgases sicherzustellen. Die Formulierung konstante Temperatur ist dabei im Zusammenhang mit industriellen Anlagen zur Eisenerzreduktion und ihrem Betrieb zu sehen und schließt daher geringen Regelabweichungen von einem gewünschten Temperaturwert nicht aus.

[0011] Eine Kühlung alleine durch Wassereindüsung würde durch Wasserverdampfung und Reaktion von Wasserdampf mit Kohlenmonoxid ein Reduktionsgas bereitstellen, das gegenüber der erfindungsgemäßen Verfahrensführung einen wesentlich höherem Oxidationsgrad besäße -denn durch den Verzicht auf eine Kühlung durch Wärmetausch müsste zur Erzielung einer bestimmten Solltemperatur für das Reduktionsgas wesentlich mehr Wasser eingedüst werden, weshalb dadurch der Oxidationsgrad des Generatorgases stärker erhöht werden würde.

[0012] Der Oxidationsgrad ist dabei definiert durch das Verhältnis (C02+H20)/(C0+C02+H2+H20).

[0013] Aufgrund der Trägheit eines Wärmetauschersystems bei seiner Reaktion auf Temperaturschwankungen eines zu kühlenden Gasstromes besteht das Problem, dass die Reduktionsgastemperatur bei stark schwankender Generatorgastemperatur ebenfalls schwanken würde. Eine zuverlässige Kühlung auf eine Maximaltemperatur alleine durch Wärmetausch würde eine Auslegung der notwendigen Anlagenteile auf die maximal auftretenden Temperaturspitzen und Volumsdurchsätze des Generatorgases notwendig machen. Dabei bestünde wiederum das Problem, bei unterhalb der Temperaturspitzen liegenden Temperaturen des Generatorgases eine zu starke Abkühlung des Generatorgases zuverlässig zu vermeiden.

[0014] Durch die erfindungsgemäße Kombination von Wassereindüsung und Wärmetausch zur Kühlung des Generatorgases werden diese Nachteile der beiden einzelnen Kühlkonzepte vermieden. Die träge reagierende Kühlung per Wärmetausch wird durch die schnell reagierende Wassereindüsung ergänzt, und der negative Einfluss der Wassereindüsung auf den Oxidationsgrad des Reduktionsgases wird dadurch vermindert, dass nicht die gesamte Kühlung durch Wassereindüsung geschieht, sondern auch Wärmetausch einen Teil der bei der Kühlung abzuführenden Wärme entfernt.

[0015] Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Wärmetausch mit zumindest einem flüssigen Wärmetauschmedium. Ein flüssiges Wärmetauschmedium wird eingesetzt, um die Oberflächentemperatur des Wärmetauschers zuverlässig unterhalb von 450°C halten zu können. Eine Kühlung durch Gas oder Dampf hat demgegenüber den Nachteil, dass der Wärmeübergangskoeffizient niedriger wäre und daher eine erhöhte Gefahr höherer Oberflächentemperaturen des Wärmetauschers resultieren würde. Eine Oberflächentemperatur des Wärmetauschers unter 450°C wird bevorzugt, um die Gefahr von Metal Dusting Korrosion des Wärmetauschers durch Reaktion mit Komponenten des Genera- 2/12 österreichisches Patentamt AT509 073 B1 2011-06-15 torgases zu vermeiden.

[0016] Bei dem flüssigen Wärmetauschmedium handelt es sich beispielsweise um Wasser, welches gegebenenfalls unter Druck steht und gegebenenfalls auch speziell aufbereitet ist -beispielsweise entmineralisiertes beziehungsweise entsalztes Wasser oder um Thermoöl, beispielsweise hergestellt aus synthetischen Ölen oder organischen Ölen. In der Stahl- und Petrochemie und ORC-Anlagen wird zur Wärmeverschiebung beziehungsweise Abwärmerückgewinnung beispielsweise das im Handel erhältliche Thermoöl THERMINOL® 66 eingesetzt.

[0017] Der große Vorteil von Thermoöl gegenüber Wasser ist der wesentlich höhere Siedepunkt, der bei Temperaturen von über 300 °C liegen kann. Weiterhin ist der Einsatz von Thermoöl apparativ leichter zu bewältigen, da es im Allgemeinen unter Atmosphärendruck eingesetzt wird und daher die Anlagen im Gegensatz zu Wasser führenden Anlagen nicht auf einen Überdruck ausgelegt werden müssen. Wasser wird nämlich oft unter einem Überdruck stehend eingesetzt, weshalb die Anlagen stabiler ausgelegt werden müssen. Selbstverständlich kann Thermoöl erfindungsgemäß aber auch unter Überdruck eingesetzt werden.

[0018] Der Nachteil gegenüber Wasser ist die Notwendigkeit der Einkopplung der über Thermoöl gewonnenen Wärme auf ein anderes Produktmedium falls die Wärme genutzt werden soll.

[0019] Weiterhin hat Thermoöl im Allgemeinen eine geringere Wärmekapazität als Wasser und die Verdampfungswärme bei Sattdampfbetrieb kann nicht genutzt werden.

[0020] Die Wassereindüsung kann vor, während oder nach dem Wärmetausch erfolgen. Vorteilhafterweise erfolgt die Wassereindüsung vor und/oder während dem Wärmetausch. Auf diese Weise kann vor der Trockenentstaubung einfacher eine ausreichende Verdampfungsstrecke für eingedüstes Wasser bereitgestellt und eine Temperaturvergleichmäßigung des Generatorgasstromes erzielt werden.

[0021] Besonders im Fall der Anordnung der Wassereindüsung vor und/oder während dem Wärmetausch ist es vorteilhaft, dass die Vorlauftemperatur des flüssigen Wärmetauschmediums innerhalb eines Temperaturbereiches liegt, dessen Minimaltemperatur 70°C, bevorzugt 100°C, beträgt, und dessen Maximaltemperatur geringer ist als die geringste Temperatur, bei der Metal Dusting Korrosion durch Reaktion mit Generatorgas am Material der Vorrichtung zum Wärmetausch auftritt, bevorzugt geringer als 450°C, besonders bevorzugt 150°C. Bevorzugt ist es, dass die Vorlauftemperatur innerhalb eines Temperaturbereiches von 100°C bis 150°C liegt.

[0022] Das deshalb, weil bei einer Wassereindüsung vor und/oder während dem Wärmetausch der Wasserdampfgehalt des Generatorgases steigt, und daher die Oberflächen der Vorrichtung zum Wärmetausch Temperaturen aufweisen sollten, die eine Kondensation von Wasserdampf zuverlässig vermeiden lassen. Eine solche Kondensation bringt die Gefahr der Entstehung von ungewünschten Anpackungen von im Generatorgas mitgeführtem Staub mit sich. Bei einer Minimaltemperatur von 70°C, bevorzugt 100°C, ist die Gefahr der Kondensation weitgehend gebannt.

[0023] Die Maximaltemperatur soll geringer sein als die geringste Temperatur, bei der Metal Dusting Korrosion durch Reaktion mit Generatorgas am Material der Vorrichtung zum Wärmetausch auftritt, bevorzugterweise geringer als 450°C, um die Gefahr von Metal Dusting Korrosion, welche bei gebräuchlichen Materialien für Vorrichtungen zum Wärmetausch typischerweise im Bereich von circa 450°C - 900°C auftritt, durch zu hohe Oberflächentemperaturen in der Vorrichtung zum Wärmetausch zu vermeiden.

[0024] Bevorzugterweise wird die Wassereindüsung gemäß der Temperatur des Generatorgases nach dem Wärmetausch geregelt. Vorteilhafterweise wird die Wassereindüsung gemäß der Temperatur des aus der Trockenentstaubung ausgeführten Reduktionsgases geregelt. Auf diese Weise kann auf Änderungen in der Temperatur des Reduktionsgases zeitnah reagiert werden. 3/12 österreichisches Patentamt AT509 073B1 2011-06-15 [0025] Auf jeden Fall sollte die Temperatur, welche zur Regelung der Wassereindüsung herangezogen wird, eine Temperatur des Generatorgases - beziehungsweise des Reduktionsgases -nach erfolgter Wassereindüsung sein.

[0026] Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt diese Regelung unter Einbeziehung von Information über die durch Wärmetausch - zusätzlich zur Kühlleistung durch Wassereindüsung - bereitstellbare Kühlleistung.

[0027] Ist es beispielsweise absehbar, dass die bei einer Einstellung A der Wassereindüsung erfolgende Kühlung zu einer Temperatur des dem Wärmetausch unterworfenen Generatorgases führt, die durch den Wärmetausch nicht auf eine Solltemperatur für das Reduktionsgas hinabgekühlt werden kann, so wird die Einstellung der Wassereindüsung auf eine Einstellung B geregelt, die eine Einstellung der Solltemperatur mit der Kühlleistung des Wärmetausches ermöglicht.

[0028] Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die beim Wärmetausch dem Generatorgas pro Zeiteinheit entzogene Wärmemenge, also die Kühlleistung, geregelt, indem die Temperatur des Wärmetauschmediums und/oder die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Wärmetauschmedium verändert werden. Auch diese Regelung kann gemäß der Temperatur des aus der Trockenentstaubung ausgeführten Reduktionsgases geregelt werden. Es ist auch möglich, die Temperatur des Generatorgases nach dem Wärmetauscher vor der Trockenentstaubung zur Regelung verwenden. Auf jeden Fall sollte die Temperatur, welche zur Regelung herangezogen wird, eine Temperatur des Generatorgases - beziehungsweise des Reduktionsgases - nach erfolgtem Wärmetausch sein.

[0029] Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels Wärmetausch eine bestimmte Grundmenge an Wärmeenergie aus dem Generatorgas entzogen, und zusätzlich zu entziehende Wärmemengen werden durch Wassereindüsung entzogen. Aufgrund der Schwankungen der Generatorgastemperatur variieren diese zusätzlichen Wärmemengen im Verlauf der Zeit. Die Wassereindüsung erlaubt eine einfachere und schnellere Angleichung der Kühlleistung an die Schwankungen der Generatorgastemperatur als eine Regelung der Kühlleistung über den Wärmetausch.

[0030] Gegenüber einem Kühlgaskreislauf nach dem Stand der Technik besteht ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass die Wassereindüsung durch eine Vergasungsreaktion von im Generatorgas mitgeführtem Kohlestaub mit dem eingedüsten Wasser zur Bildung von reduzierenden Verbindungen wie CO und H2 beiträgt gemäß der heterogenen Reaktion C+H20 -> CO+H2.

[0031] Entsprechend umgesetzter Kohlestaub aus dem Generatorgas muss dann nicht bei der Trockenentstaubung abgeschieden werden - was die Trockenentstaubungsvorrichtung entlastet - und trägt zum Reduktionsvermögen des Reduktionsgases bei.

[0032] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem Reduktionsreaktor zur Reduktion von Eisenerz mittels eines Reduktionsgases, einem Einschmelzvergaser zur Erzeugung von Generatorgas durch Vergasung von Kohlenstoffträgern in Gegenwart von Sauerstoff und vorreduzierten Eisenträgern, wobei Einschmelzvergaser und Reduktionsreaktor durch eine Gasleitung verbunden sind, in welcher eine Trockenentstaubungsvorrichtung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasleitung zwischen dem Einschmelzvergaser und der Trockenentstaubungsvorrichtung sowohl eine Vorrichtung zur Wassereindüsung als auch eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorhanden sind.

[0033] Der Reduktionsreaktor zur Reduktion von Eisenerz kann beispielsweise ein Festbettreaktor oder ein Wirbelschichtreaktor sein. Es können auch mehrere solcher Reduktionsreaktoren in Serie oder Parallelschaltung vorhanden sein. In dem Reduktionsreaktor wird Eisenerz mittels eines Reduktionsgases zumindest teilweise reduziert. 4/12 österreichisches Patentamt AT509 073 B1 2011-06-15 [0034] In einem Einschmelzvergaser, wie er beispielsweise aus COREX® oder FINEX® bekannt ist, wird Generatorgas erzeugt. Einschmelzvergaser und Reduktionsreaktor sind durch eine Gasleitung verbunden. In dieser Gasleitung ist eine Trockenentstaubungsvorrichtung, beispielsweise ein Zyklon oder keramische Heißgasfilter, vorhanden, durch welche das aus dem Einschmelzvergaser in die Gasleitung eingespeiste Generatorgas entstaubt wird.

[0035] Zwischen dem Einschmelzvergaser und der Trockenentstaubungsvorrichtung sind in der Gasleitung sowohl eine Vorrichtung zur Wassereindüsung als auch eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorhanden.

[0036] Das aus dem Einschmelzvergaser in die Gasleitung eingespeiste Generatorgas strömt in Richtung des Reduktionsreaktors. Dabei durchläuft es sowohl die Vorrichtung zur Wassereindüsung und die Vorrichtung zum Wärmetausch, durch welche es gekühlt wird, als auch die Trockenentstaubungsvorrichtung, durch welche seine Staubfracht vermindert wird. Das aus der Trockenentstaubungsvorrichtung austretende Gas, welches auf eine für die Durchführung der Reduktion im Reduktionsreaktor günstige Temperatur gekühlt und entstaubt ist, wird im Rahmen dieser Anmeldung als Reduktionsgas bezeichnet. Das Reduktionsgas wird über die Gasleitung dem Reduktionsreaktor zugeführt.

[0037] Die Vorrichtung zur Wassereindüsung kann beispielsweise bestehen aus einer bis drei Wasserdüsen je Generatorgasleitung. Die Wasserdüsen sind bevorzugterweise Zweistoffdüsen, welche Wasser mit Stickstoff oder Dampf oder Prozessgas als Zerstäubungsgas atomisieren. Dadurch wird die Tröpfchengröße gering gehalten, was eine kurze Verdampfungsstrecke zur Verdampfung des eingedüsten Wassers im Generatorgasstrom, und eine ausreichende Mischstrecke zur Vermischung des eingedüsten Wassers im Generatorgasstrom sicherstellt. Verdampfung innerhalb einer kurzen Strecke und Vermischung helfen dabei, die Kühlwirkung des eingedüsten Wassers auszunutzen.

[0038] Unter einer Vorrichtung zum Wärmetausch sind ein oder mehrere indirekte Wärmetauscher je Generatorgasleitung zu verstehen. Eine typische COREX®- oder FINEX® Anlage weist 4 Generatorgasleitungen auf.

[0039] Die Wärmetauscher können als Wasservorwärmer oder als Wasserverdampfer betrieben werden. Ein Betrieb als Überhitzer wäre in der Regel nachteilig, weil in diesem Fall ein schlechter Wärmeübergang vom Wärmetauscher auf das Wärmetauschmedium Dampf aufgrund infolgedessen vorliegender höherer Oberflächentemperaturen des Wärmetauschers Metal Dusting Korrosion ermöglichen würde. Wenn das Material der Wärmetauscher unter den Bedingungen eines Betriebes als Überhitzer gegen Metal Dusting Korrosion resistent ist, kann jedoch auch ein Betrieb als Überhitzer oder Gas-Gas-Wärmetauscher erfolgen.

[0040] Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung zum Wärmeaustausch mehrere, bezüglich Zuleitungen und Ableitungen von Wärmetauschmedium parallel oder seriell geschaltete, Wärmetauscher auf. Das bietet Vorteile bei der Fertigung und Montage, und führt dazu, dass Wärmedehnungen in eingebautem Zustand weniger Probleme bereiten - dabei gelten die Vorteile, wenn statt einem großen Wärmetauscher mit einer bestimmten Oberfläche zum Wärmetausch mehrere kleinere Wärmetauscher eingesetzt werden, deren Oberflächen zum Wärmetausch in Summe der des großen Wärmetauschers entsprechen.

[0041] Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Wärmetausch als Kühlmantelwärmetauscher ausgeführt. Bevorzugt weist er dabei eine glatten Oberfläche an der Innenseite auf und besitzt an der Innenseite keine Einbauten. Das dient dazu, Probleme wie Anpackungen und Abrasion durch Staub weitgehend zu vermeiden.

[0042] Vorteilhafterweise weist der Kühlmantelwärmetauscher einen Kühlmantel mit spiralförmiger Führung für Wärmetauschmedium auf. Das erlaubt eine besonders effiziente Kühlung.

[0043] Die Vorrichtung zum Wärmetausch kann beispielsweise innerhalb einer Rohrleitung zur Führung von Generatorgas angeordnet sein. Sie kann aber auch selber diese Rohrleitung bilden. 5/12 österreichisches Patentamt AT509 073B1 2011-06-15 [0044] Rohrleitungen zur Führung von Generatorgas weisen in der Regel eine dem Generatorgas zugewandte Schicht von Verschleißschutzmauerwerk zum Schutz vor Verschleiß durch das heiße Generatorgas und dessen Staubfracht auf, die nach außen hin von einer Schicht Isoliermauerwerk zur thermischen Isolierung umgeben ist. Wenn die Vorrichtung zum Wärmetausch innerhalb einer Rohrleitung zur Führung von Generatorgas angeordnet ist, so ist sie an Stelle des Verschleißschutzmauerwerks angebracht. Vorzugsweise ist sie innerhalb des Isoliermauerwerks beweglich angebracht; beispielsweise kann ein Abstand zwischen der Vorrichtung zum Wärmetausch und dem Isoliermauerwerk freigelassen werden, der mittels Abdichtung, etwa silikonummantelte Keramikdichtschnüre, gegen Eindringen von Gasen abgedichtet ist.

[0045] Die Zuleitungen und Ableitungen für Wärmetauschmedium werden bevorzugt mit Kompensatoren versehen, um Spannungen und Materialbrüche im Bereich des Eintritts beziehungsweise des Austritts der Zuleitungen und Ableitungen in den die Oberfläche zum Wärmetausch bereitstellenden Teil der Vorrichtung zum Wärmetausch infolge Wärmedehnungen zu vermeiden.

[0046] Nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vorrichtung zum Wärmetausch als Vorwärmer für Wärmetauschmedium und/oder als Verdampfer für Wärmetauschmedium betrieben werden.

[0047] Nach einer Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Wärmetausch mit einer Zuleitung für flüssiges Wärmetauschmedium, bevorzugt Wasser oder Thermoöl, versehen.

[0048] Die Vorrichtung zur Wassereindüsung kann zwischen dem Einschmelzvergaser und der Vorrichtung zum Wärmetausch, in der Vorrichtung zum Wärmetausch, oder zwischen der Vorrichtung zum Wärmetausch und der Trockenentstaubungsvorrichtung angeordnet sein. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Wassereindüsung zwischen dem Einschmelzvergaser und dem - in Strömungsrichtung des Generatorgases gesehenen - Ende der Vorrichtung zum Wärmetausch angeordnet. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Wassereindüsung in der Vorrichtung zum Wärmetausch angeordnet.

[0049] Besonders bevorzugt ist sie zwischen dem Einschmelzvergaser und dem - in Strömungsrichtung des Generatorgases gesehenen - Anfang der Vorrichtung zum Wärmetausch angeordnet.

[0050] Die tatsächlich gewählte Stelle, an der die Vorrichtung zur Wassereindüsung angeordnet wird, hängt beispielsweise davon ab, wo in einer gegebenen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine optimale Verwirbelung des eingedüsten Wassers erzielt werden kann.

[0051] Der in der Vorrichtung zum Wärmetausch gegebenenfalls erzeugte Dampf kann beispielsweise in einem COREX®- oder FINEX®-Prozeß zur Substitution von Hüttenwerksdampf für Begleitheizungen, oder für Dampfeindüsungen zu Sauerstoffdüsen verwendet werden. Die Nutzung der dem Generatorgas durch Wärmetausch entzogenen Energie ermöglicht eine insgesamt wirtschaftlichere Durchführung des Verfahrens zur Eisenerzreduktion beziehungsweise der Herstellung von Roheisen.

[0052] Nachfolgend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft anhand schematischer Figuren dargestellt.

[0053] Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Eisenerzreduktion mittels eines aus einem Ein schmelzvergaser gewonnenen Reduktionsgases nach Stand der Technik [0054] Figur 2 zeigt eine zu Figur 1 analoge erfindungsgemäße Vorrichtung.

[0055] Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnittes durch einen Generatorgas führenden Gasleitungs-Abschnitt, der mit einem Kühlmantelwärmetauscher versehen ist.

[0056] Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bereitstellung von Reduktionsgas zur Eisenerzschmelzreduktion durch Kühlung und Trockenentstaubung von in 6/12 österreichisches Patentamt AT509 073 B1 2011-06-15 einem Einschmelzvergaser zur Roheisenerzeugung erzeugtem Generatorgas nach dem Stand der Technik entsprechend dem COREX®-Verfahren. In einen Reduktionsreaktor 1, in diesem Fall einem Festbettreaktor, wird Eisenerz 2 eingegeben und von einem Reduktionsgas reduziert. In einen Einschmelzvergaser 3 werden Kohlenstoffträger 4, im Reduktionsreaktor bei der Reduktion des Eisenerzes gewonnene vorreduzierte Eisenträger 5, und Sauerstoff 6 eingeführt. Das aus den vorreduzierten Eisenträger 5 im Einschmelzvergaser 3 durch ihre vollständige Reduktion gewonnene Roheisen wird eingeschmolzen und kann aus dem Einschmelzvergaser 3 abgestochen werden. Das im Einschmelzvergaser 3 durch Vergasungsreaktionen der Kohlenstoffträger 4 mit dem Sauerstoff 6 in Gegenwart der vorreduzierten Eisenträger 5 gebildete Generatorgas wird durch die Gasleitung, welche den Einschmelzvergaser 3 mit dem Reduktionsreaktor 1 verbindet, aus dem Einschmelzvergaser 3 ausgeleitet. Der Gasleitungs-Abschnitt 7a der Gasleitung führt Generatorgas. Die Staubfracht des Generatorgases wird in einer in der Gasleitung vorhandenen Trockenentstaubungsvorrichtung 8, hier einem Zyklon, vermindert. Im Zyklon abgeschiedener Staub wird in den Einschmelzvergaser 3 zurückgeführt. Eine Teilmenge des aus der Trockenenstaubungsvorrichtung 8 austretenden Reduktionsgases wird in einem Wäscher 9 nass gewaschen und dabei weitgehend von verbliebenem Staub befreit und abgekühlt. Eine Teilmenge des aus dem Wäscher 9 entnommenen Gases wird nach Kompression dem Generatorgas vor dessen Eintritt in die Trockenentstaubungsvorrichtung 8 zugespeist. Dadurch wird die Temperatur des in die Trockenentstaubungsvorrichtung 8 eintretenden Generatorgases vermindert, das Generatorgas also gekühlt. Entsprechend tritt aus der Trockenentstaubungsvorrichtung 8 gemäß der Definition der vorliegenden Anmeldung Reduktionsgas aus. Entsprechend wird im Gasleitungs-Abschnitt 7a Generatorgas geführt, und im Gasleitungs-Abschnitt 7b Reduktionsgas. Die Gasleitung besteht aus den beiden Gasleitungs-Abschnitten 7a und 7b. Aus dem Reduktionsreaktor 1 austretendes Topgas wird nach einer Wäsche im Wäscher 10 zusammen mit einer Teilmenge des im Wäscher 9 behandelten Reduktionsgases als Exportgas 11 weiteren Verbrauchern wie beispielsweise Kraftwerken oder Pelletieranlagen als Energieträger zugeführt.

[0057] Die Vorrichtungsteile, die zur nassen Wäsche, Kompression und Einspeisung von nass gewaschenem, komprimiertem Reduktionsgas in das Generatorgas genutzt werden, werden als Kühlgaskreislauf bezeichnet.

[0058] Figur 2 zeigt eine mit Figur 1 vergleichbare erfindungsgemäße Vorrichtung. Vergleichbare Teile der Vorrichtung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Figur 1. Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist kein Kühlgaskreislauf mit einem Wäscher 9 und einem Kompressor vorhanden. Zur Kühlung des Generatorgases sind stattdessen zwischen dem Einschmelzvergaser und der Trockenentstaubungsvorrichtung 8, hier einem Zyklon, in der Gasleitung sowohl eine Vorrichtung zur Wassereindüsung 12 als auch eine Vorrichtung zum Wärmetausch 13 vorhanden.

[0059] Die Vorrichtung zum Wärmetausch 13 ist mit einer Zuleitung für flüssiges Wärmetauschmedium 14, in diesem Fall unter Druck stehendes Wasser, versehen. Die Vorrichtung zum Wärmetausch 13 ist als Kühlmantelwärmetauscher ausgeführt, wobei der Kühlmantelwärmetauscher eine spiralförmige Führung für das Wärmetauschmedium -das unter Druck stehende Wasser - aufweist.

[0060] Die Vorrichtung zur Wassereindüsung 12 ist zwischen dem Einschmelzvergaser und der Vorrichtung zum Wärmetausch 13 angeordnet. Die Wassereindüsung wird gemäß der Temperatur des aus der Trockenentstaubung ausgeführten Reduktionsgases geregelt. Dazu sind ein Ventil 15 und ein Temperatursensor 16 am Gasleitungs-Abschnitt 7b über eine Regeleinrichtung 17 miteinander verbunden.

[0061] Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnittes durch einen Teil des Gasleitungs-Abschnittes 7a, der mit einem Kühlmantelwärmetauscher 18 als Vorrichtung zum Wärmetausch 13 versehen ist. Der Kühlmantelwärmetauscher 18 ist mit einer spiralförmigen Führung für das Wärmetauschmedium versehen, die durch strichlierte Linien innerhalb des Kühlmantelwärmetauschers 18 angedeutet sind. Der Kühlmantelwärmetauscher ist innerhalb der Rohrlei- 7/12 österreichisches Patentamt AT509 073B1 2011-06-15 tung zur Führung von Generatorgas 19 des Gasleitungs-Abschnittes 7a angeordnet. Die Rohrleitung zur Führung von Generatorgas 19 weist in den Abschnitten ohne Kühlmantelwärmetauscher eine dem Generatorgas 20, welches durch gewellte Pfeile in Strömungsrichtung dargestellt ist, zugewandte Schicht von Verschleißschutzmauerwerk 21 zum Schutz vor Verschleiß durch das heiße Generatorgas und dessen Staubfracht auf, die nach außen hin von einer Schicht Isoliermauerwerk 22 zur thermischen Isolierung umgeben ist. Dort wo der Kühlmantelwärmetauscher 18 innerhalb der Rohrleitung zur Führung von Generatorgas 19 angeordnet ist, ist sie an Stelle des Verschleißschutzmauerwerks 21 angebracht. Ein Zwischenraum 23 zwischen dem Kühlmantelwärmetauscher 18 und dem Isoliermauerwerk 22 ist freigelassen, wodurch der Kühlmantelwärmetauscher 18 innerhalb des Isoliermauerwerks 22 beweglich angebracht ist. Auf die Darstellung von vorhandenen Abdichtungen des Zwischenraumes 23 gegen Eindringen von Gasen wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

[0062] Die Zuleitung 24 und Ableitung 25 für Wärmetauschmedium, in diesem Fall Wasser -dargestellt durch strichlierte Pfeile -, sind mit nicht dargestellten Kompensatoren versehen, um Spannungen und Materialbrüche im Bereich des Eintritts beziehungsweise des Austritts der Zuleitungen und Ableitungen in den die Oberfläche zum Wärmetausch bereitstellenden Teil des Kühlmantelwärmetauschers 18 infolge Wärmedehnungen zu vermeiden. BEZUGSZEICHENLISTE: 1 Reduktionsreaktor 2 Eisenerz 3 Einschmelzvergaser 4 Kohlenstoffträger 5 Eisenträger 6 Sauerstoff 7a Gasleitungs-Abschnitt 7b Gasleitungs-Abschnitt 8 T rockenentstaubungsvorrichtung 9 Wäscher 10 Wäscher 11 Exportgas 12 Vorrichtung zur Wassereindüsung 13 Vorrichtung zum Wärmetausch 14 flüssiges Wärmetauschmedium 15 Ventil 16 Temperatursensor 17 Regeleinrichtung 18 Kühlmantelwärmetauscher 19 Rohrleitung zur Führung von Generatorgas 20 Generatorgas 21 Verschleißschutzmauerwerk 22 Isoliermauerwerk 23 Zwischenraum 24 Zuleitung 25 Ableitung 8/12

Claims (14)

1. österreichisches Patentamt AT509 073B1 2011-06-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Bereitstellung von Reduktionsgas zur Eisenerzreduktion durch Kühlung und Trockenentstaubung von in einem Einschmelzvergaser (3) zur Roheisenerzeugung erzeugtem Generatorgas (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorgas (20) nach seiner Ausleitung aus dem Einschmelzvergaser (3) und vor seiner Trockenentstaubung sowohl durch Wassereindüsung als auch durch Wärmetausch gekühlt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetausch mit zumindest einem flüssigen Wärmetauschmedium (14) erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wärmetauschmedium (14) Wasser ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wärmetauschmedium (14) Thermoöl ist.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereindüsung vor und/oder während dem Wärmetausch erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlauftemperatur des flüssigen Wärmetauschmediums (14) innerhalb eines Temperaturbereiches liegt, dessen Minimaltemperatur 70°C, bevorzugt 100°C, beträgt, und dessen Maximaltemperatur geringer ist als die geringste Temperatur, bei der Metal Dusting Korrosion durch Reaktion mit Generatorgas (20) am Material der Vorrichtung zum Wärmetausch (13) auftritt, bevorzugt geringer als 450°C, besonders bevorzugt 150°C.
7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereindüsung gemäß der Temperatur des Generatorgases (20) nach dem Wärmetausch geregelt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereindüsung gemäß der Temperatur des aus der Trockenentstaubung ausgeführten Reduktionsgases geregelt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Wärmetausch dem Generatorgas (20) pro Zeiteinheit entzogene Wärmemenge geregelt wird, indem die Temperatur des Wärmetauschmediums und/oder die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Wärmetauschmedium verändert wird.
10. 10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Reduktionsreaktor (1) zur Reduktion von Eisenerz (2) mittels eines Reduktionsgases, einem Einschmelzvergaser (3) zur Erzeugung von Generatorgas (20) durch Vergasung von Kohlenstoffträgern (4) in Gegenwart von Sauerstoff (6) und vorreduzierten Eisenträgern (5), wobei Einschmelzvergaser (3) und Reduktionsreaktor (1) durch eine Gasleitung verbunden sind, in welcher eine Trockenentstaubungsvorrichtung (8) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasleitung zwischen dem Einschmelzvergaser (3) und der Trockenentstaubungsvorrichtung (8) sowohl eine Vorrichtung zur Wassereindüsung (12) als auch eine Vorrichtung zum Wärmetausch (13) vorhanden sind.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Wärmetausch (13) mit einer Zuleitung (24) für flüssiges Wärmetauschmedium (14), bevorzugt Wasser oder Thermoöl, versehen ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Wassereindüsung (12) zwischen dem Einschmelzvergaser (3) und dem - in Strömungsrichtung des Generatorgases gesehenen - Ende der Vorrichtung zum Wärmetausch (13) angeordnet ist, bevorzugt in der Vorrichtung zum Wärmetausch (13). 9/12 österreichisches Patentamt AT509 073 B1 2011-06-15
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Wärmetausch (13) als Kühlmantelwärmetauscher (18) ausgeführt ist.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantelwärmetauscher (18) einen Kühlmantel mit spiralförmiger Führung für Wärmetauschmedium aufweist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 10/12