DD150225A5 - PROCESS FOR REDUCING METAL OXIDES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur diskontinuierlichen Gasreduktion von Metalloxiden und ist insbesondere anwendbar fuer die direkte Gasreduktion zur Gewinnung von Schwammeisen. Durch die Erfindung wird ein rationeller und wirtschaftlicher Gaseinsatz bei gleichzeitiger Senkung der Anlagekosten erreicht. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz das aus dem Kuehlungsreaktor ausstroemende Gas parallel durch die metallhaltigen Materialkoerper in den Reduktionsreaktoren geleitet wird und das einem jeden Reduktionsreaktor zugefuehrte Gas vor seiner Zufuehrung zu den Reduktionsreaktoren erhitzt wird, wobei das aus den Reduktionsreaktoren ausstroemende Gas zur Entfernung von Wasser abgekuehlt und zumindest ein Teil des abgekuehlten Abgases aus den Reduktionsreaktoren von neuem erhitzt und in die Reduktionsreaktoren zurueckgefuehrt wird.The invention relates to an improved process for the discontinuous gas reduction of metal oxides and is particularly applicable for the direct reduction of gas for the production of sponge iron. By the invention, a rational and economical gas use is achieved while reducing investment costs. The essence of the invention consists in that the gas leaving the cooling reactor is passed in parallel through the metal-containing material bodies in the reduction reactors and the gas fed to each reduction reactor is heated before it is fed to the reduction reactors, the gas leaving the reduction reactors for removal of Cooled water and at least a portion of the cooled exhaust gas from the reduction reactors heated again and returned to the reduction reactors.
Description
-A--A-
Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden Anwendungsgebiet der Erfindung:Process for the reduction of metal oxides Field of application of the invention:
Die Erfindung betrifft die diskontinuierliche Gasreduktion von Metalloxiden bei erhöhten Temperaturen und insbesondere ein verbessertes Verfahren für den Betrieb eines aus mehreren Einheiten bestehenden Reaktorsystems zur Durchführung eines solchen Reduktionsverfahrens, Die Erfindung ist besonders brauchbar im Zusammenhang mit der direkten Gasreduktion von Eisenoxid in Klumpen- oder Pelletform zu Schwammeisen und wird im Zusammenhang mit dieser Anwendung anschaulich beschrieben, obgleich im Verlauf der Beschreibung ersichtlich werden wird, daß die Erfindung gleichermaßen in Verfahren eingesetzt werden kann, bei denen andere Metalloxiderze als Eisenoxide reduziert werden.The invention relates to discontinuous gas reduction of metal oxides at elevated temperatures, and more particularly to an improved process for operating a multi-unit reactor system to carry out such a reduction process. The invention is particularly useful in the context of direct gas reduction of iron oxide in lump or pellet form Sponge iron and will be described in the context of this application, although it will be apparent in the course of the description that the invention can be equally used in processes in which metal oxide ores other than iron oxides are reduced.
Charakteristik der,„bekaηηten techηisc:hen JLöjsujTgjinj_Characteristic of the "known techηisc : h JLöjsujTgjinj_
In einem ihrer Aspekte ist die Erfindung eine Verbesserung eines bekannten diskontinuierlichen Verfahrenstyps zur Gewinnung von Schwammeisen, wobei eine Reduktionsanlage verwendet wird, die aus mehreren funktionell austauschbaren Reaktoren besteht, in denen separate Festbette aus eisenhaltigem Material simultan behandelt werden. Verfahren von diesem allgemeinen Typ werden beispielsweise in den US-PS'n 3,423,201; 3,827879; 3,890,142 und 3,904,397 beschrieben. Ein einigermaßen ähnliches System wird in der US-PS 2,653,088 dargestellt. Die Hauptoperationen, die in einem Reaktorsystem dieses Typs ausgeführt werden, sind (1) die Reduktion des Eisenerzes zu Schwammeisen, (2) die Abkühlung des reduzierten Erzes und (3) die Entleerung des Schwammeisens aus einem Reaktor und seine Neubeschickung mit frischem, zu redu- zierendem Erz« Die Reduktion wird durch ein reduzierendes Gas bewirkt, das üblicherweise eine Mischung ist, die zum großenIn one of its aspects, the invention is an improvement of a known discontinuous process type for the production of sponge iron, using a reduction plant consisting of a plurality of functionally exchangeable reactors in which separate solid beds of ferrous material are treated simultaneously. Processes of this general type are described, for example, in US Pat. Nos. 3,423,201; 3.827879; 3,890,142 and 3,904,397. A somewhat similar system is shown in U.S. Patent 2,653,088. The main operations carried out in a reactor system of this type are (1) the reduction of iron ore to sponge iron, (2) the cooling of the reduced ore, and (3) the emptying of the sponge iron from a reactor and its recharge with fresh oil - ornamental ore "The reduction is effected by a reducing gas, which is usually a mixture that is of great importance
Teil aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht,, Das Gas kann typischerweise durch katalytische Umsetzung einer.Mischung aus Dampf und Methan, gewöhnlich in Form von Erdgas, in Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einer katalytischer! Reforminganlage von bekanntem Typ erzeugt werden.Part of carbon monoxide and hydrogen, the gas can typically be produced by catalytic conversion of a mixture of steam and methane, usually in the form of natural gas, in carbon monoxide and hydrogen in a catalytic! Reforming system of known type are generated.
Das aus dem Reformer oder einer anderen Quelle für Reduktionsgas ausströmende Gas wird abgekühlt, um das Wasser daraus zu entfernen, und nacheinander durch einen Kühlreaktor und einen oder mehrere in Serie geschaltete Reduktionsreaktoren geleitet. Während der Abkühlungs- und Reduktionsstadien wird ein weiterer Reaktor, der manchmal als Beschickungs- oder Hturn~aroundM~Reaktor (etwa: Umschaltreaktor zur Aufrechterhaltung des kontinuierlichen Betriebs) bezeichnet wird und vorher abgekühltes, reduziertes Erz in Form von Schwamm enthält, von der Anlage abgetrennt, so daß das Schwammeisen aus dem Reaktor entleert und der Reaktor mit frischem Erz beschickt werden kann. Das Reaktorsystem ist mit geeigneten Umschaltventilen ausgestattet, wodurch am Ende eines jeden Arbeitstaktes der Gasstrom umgeschaltet werden kann, urn zu bewirken, dafS der Kühlstufenreaktor zum Beschickungsreaktor wird, der letzte Reduktionsstufenreaktor zum Kühlun'gsreaktor und der Beschickungsreaktor zum ersten Reduktionsstufenreaktor wird, und um in Fällen, wo eine mehrstufige Reduktion angewendet wird, den Reaktor der ersten Reduktionsstufe zum Reaktor der zweiten Stufe, den Reaktor der zweiten Reduktionsstufe zum Reaktor der dritten Reduktionsstufe zu machen usw.The effluent gas from the reformer or other source of reducing gas is cooled to remove the water therefrom and passed sequentially through a cooling reactor and one or more series-connected reduction reactors. During the cooling and reduction stages is a further reactor, sometimes referred to as feed or H turn around ~ M ~ reactor (about: Umschaltreaktor to maintain continuous operation) is referred to, and includes previously cooled, reduced ore in the form of sponge, from the Separate plant so that the sponge iron emptied from the reactor and the reactor can be charged with fresh ore. The reactor system is equipped with suitable changeover valves, whereby at the end of each cycle the gas flow can be switched to cause the cooling stage reactor to become the feed reactor, the last reduction stage reactor to the cooling reactor and the feed reactor to the first reduction stage reactor, and in cases where a multi-stage reduction is applied to make the reactor of the first reduction stage to the second stage reactor, the reactor of the second reduction stage to the reactor of the third reduction stage, etc.
Um eine effektive Reduktion des metallhaltigen Materials in den Reduktionsreaktoren zu erzielen, sollte die Einlaßtemperatur de© reduzierenden Gases mindestens etwa 900 0C betragen« In den uns vertrauten, vorhandenen industriellen AnIa-In order to achieve an effective reduction of the metal-containing material in the reduction reactors, the inlet temperature should de © reducing gas at least about 900 0 C be "familiar to us, existing industrial AnIa-
gen für die diskontinuierliche Gasreduktion zu Eisenschwamm wird diese Temperatur in zwei Stufen, erreicht. Das jedem Reduktionsreaktor zugefuhrte reduzierende Gas wird gewöhnlich in einem indirekt arbeitenden Erhitzer, ze D, einem Röhrenerhitzer mit Gasfeuerung, auf eine Temperatur von beispielsweise 650 ° bis 800 0C erwärmt, wonach es in eine zum Reduktionsreaktor gehörige Verbrennungskammer strömt, wo es mit Luft oder Sauerstoff gemischt und ein Teil des reduzierenden Gases teilweise verbrannt wird, um die Temperatur der Mischung auf beispielsweise 900° bis 1100 0C zu erhöhen, bevor das Gas in den Reduktionsreaktor eingeleitet wird. Das aus jedem Reduktionsreaktor ausströmende Gas wird abgekühlt, um das Wasser daraus zu entfernen, und dann von neuem erhitzt, bevor es in den nächstfolgenden Reduktionsreaktor eingeleitet wird«. Das heiße Gas. strömt gewöhnlich abwärts durch die im Reaktor befindliche Schicht aus metallhaltigem Material, kann aber auch, wenn dies gewünscht wird, die Schicht in Aufwärtsrichtung durchströmen.For the discontinuous gas reduction to sponge iron, this temperature is achieved in two stages. The each reduction reactor power fed into reducing gas is usually in an indirectly working heater z e D, a tubular heater fired by gas, heated to a temperature of for example 650 ° to 800 0 C, after which it flows into a associated with the reduction reactor combustion chamber, where it mixes with air or oxygen is mixed and a portion of the reducing gas is partially burned to raise the temperature of the mixture to, for example, 900 ° to 1100 0 C before the gas is introduced into the reduction reactor. The effluent from each reduction reactor is cooled to remove the water therefrom and then reheated before being introduced into the next reduction reactor. " The hot gas. usually flows downwardly through the metal-containing material layer in the reactor, but it may also flow through the layer in an upward direction, if desired.
Wenn auch diskontinuierliche Verfahren des obenerwähnten Typs in großem Umfang zur Gewinnung von Schwammeisen im industriellen Maßstab eingesetzt worden sind und ein Schwammeisenprodukt von einer Qualität liefern können, die sich für den Einsatz als Beschickung für Stahlschmelzöfen eignet, so ist doch noch Raum für Verbesserungen in bezug auf die Wirtschaftlichkeit des reduzierenden Gases, d, h. in bezug auf das für die Gewinnung einer Tonne Schwarnmeisen mit vorgegebener prozentualer Metallisierung erforderliche Gasvolumen, In derartigen Systemen repräsentieren die Kosten der Gaserzeugungsapparatur gewöhnlich einen wesentlichen Teil der Gesamtkosten der Anlage, Vom Standpunkt der Min imisierung der Investitionen, die zur Gewinnung einer vorgegebenen Tonnenzahl Schwämmeisen mit vorgegebenem Metallisierungsgrad innerhalb einer Zeiteinheit erforderlich sind, sind Ver-While batch processes of the above-mentioned type have been widely used for the production of sponge iron on an industrial scale and can provide a sponge iron product of a quality suitable for use as a feed for molten steel furnaces, there is still room for improvement the economy of the reducing gas, d, h. In such systems, the cost of the gas generating equipment usually represents a substantial part of the total cost of the plant, from the standpoint of minimizing the investment required to obtain a given tonnage of sponges given degree of metallization within a time unit are required, are
fahrensänderungen, welche die pro Tonne Schwammeisen Benötigte Menge des reduzierenden Gases verringern, besonders wichtig, da sie den Einsatz kleinerer katalytischer Reformer mit geringerer Kapazität oder den Einsatz eines anderen Gaserzeugertyps ermöglichen. Durch eine Verringerung der Abmessungen des Gaserzeugers werden die Kapitalkosten der Anlage sowie die zum Heizen des Gaserzeugers benötigte Heizgasnienge reduziert. Eine bessere Wirtschaftlichkeit des reduzierenden Gases verringert auch die Kosten des Erdgases, das pro Tonne des produzierten Schwammeisens benötigt wird.driving changes that reduce the amount of reducing gas required per tonne of sponge iron, particularly important, since they allow the use of smaller catalytic reformer with lower capacity or the use of another gas generant type. By reducing the dimensions of the gas generator, the capital cost of the system and the Heizgasnienge required for heating the gas generator can be reduced. Better economy of the reducing gas also reduces the cost of natural gas needed per tonne of sponge iron produced.
Ein Zugang zu dem Problem der Erzielung einer besseren Wirtschaftlichkeit des reduzierenden Gases wird in der US-PS 4,099,963 dargelegt, nach der ein katalytisch reformiertes reduzierendes Gas, das zum großen Teil aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, verwendet wird, und die verbesserte Wirtschaftlichkeit durch Zusatz einer geringen Menge nichtreformierten Erdgases oder Methans zu dem reduzierenden Gas erzielt wird, das einem oder mehreren Reduktionsreaktoren zugeführt wirdc Die Erfindung betrifft ein etwas anderes Herangehen an das Problem der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des reduzierenden Gases in einer solchen diskontinuierlich arbeitenden Reduktionsanlage«One approach to the problem of achieving a better efficiency of the reducing gas is set forth in U.S. Patent No. 4,099,963, according to which a catalytically reformed reducing gas consisting of carbon monoxide and hydrogen to a great extent, is used, and the improved efficiency by adding a small amount of unreformed natural gas or methane which is fed to one or more reduction reactors is achieved to the reducing gas, c the invention relates to a somewhat different approach to the problem of improving the efficiency of the reducing gas in such a discontinuous reduction plant "
Ziel der Erfindung:Object of the invention:
Demnach ist ein Hauptziel der Erfindung die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur direkten diskontinuierlichen Gasreduktion von oxidischen Metallerzen zu Metallschwamm. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des reduzierenden Gases eines solchen Verfahrens in bezug auf das verbrauchte Reduktionsgasvolumen» Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Senkung der Kapitalkosten einer derartigen Anlage« Weitere Ziele der ErfindungAccordingly, a primary object of the invention is to provide an improved process for the direct discontinuous gas reduction of oxidic metal ores to metal sponge. Another object of the invention is to improve the economics of the reducing gas of such a process in terms of the volume of reducing gas consumed. "Another object of the invention is to lower the capital cost of such a plant." Other objects of the invention
werden teils aus dem Folgenden ersichtlich sein, teils wird auf sie hingewiesen werden.will be partly apparent from the following, partly will be pointed out to them.
P ajvLeg\u ng d es VVe; sie ns. derE Γ f i Q ei u nj| jP ajvLeg \ u ng d es VVe; she ns. the Γ fi q ei nj | j
Zum klareren Verständnis der Erfindung mag darauf hingewiesen werden, daß in Mischungen aus Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasserdampf bei Temperaturen innerhalb des hier interessierenden Bereichs, ze B. 100 bis 1100 0C, die Hauptgleichgevvichte durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden können:For clearer understanding of the invention may be noted that in mixtures of methane, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and steam at temperatures within the interest here range, for e example 100 to 1100 0 C, the Hauptgleichgevvichte can be represented by the following equations :
1) CH. + H0O -r* CO + 3HO - 49 kcal1) CH. + H 0 O -r * CO + 3H O - 49 kcal
2) CO + H£0 £ CO2 + H2 + 10 kcal2) CO + H £ 0 £ CO 2 + H 2 + 10 kcal
3) CH. + CO0 -* 2CO + 2HO - 59 kcal.3) CH. + CO 0 - * 2CO + 2H O - 59 kcal.
In den vorstehenden Gleichungen wird der Wärmeterm in Kilokalorien pro Mol bei 25 0C ausgedrückt. Man wird feststellen, daß die Gleichungen (1) und (3) stark endotherm sind. Wie weiter unten ausgeführt wird, ist gefunden worden, daß diese Gleichungen einen bedeutenden Einfluß auf das Gas und die Wärmeökonomie des Reduktionsverfahrens haben. Die Gleichgewichtskonzentrationen der gasförmigen Reaktionspartner in den vorstehenden Gleichungen variieren in Abhängigkeit von der Temperatur. Die theoretische Beziehung zwischen der Gleichgewichts-Gaszusammensetzung und der Temperatur für solche Mischungen, die mittels Computer berechnet wurde, ist in der untenstehenden Tabelle I angegeben.In the above equations, the heat term in kilocalories per mole at 25 0 C is expressed. It will be noted that equations (1) and (3) are strongly endothermic. As will be explained below, it has been found that these equations have a significant impact on the gas and heat economy of the reduction process. The equilibrium concentrations of the gaseous reactants in the above equations vary depending on the temperature. The theoretical relationship between the equilibrium gas composition and the temperature for such mixtures calculated by computer is given in Table I below.
Die Daten von Tabelle I zeigen, daß bei relativ niedrigen Temperaturen die durch die Gleichungen (1) und (3) dargestellten Reaktionen gewöhnlich nach links ablaufen und Methan, Wasserdampf und Kohlendioxid bilden, während bei relativ hohen Temperaturen die durch die Gleichungen dargestellten Reaktionen nach rechts ablaufen und Wasserstoff und Kohlenmonoxid bilden« Bei Temperaturen bis zu etwa 700 0C und in Abwesenheit eines Katalysators sind jedoch die Reaktionsgeschwindigkeiten für diese Reaktionen relativ niedrig im Vergleich zur Verweilzeit des Gases im Röhrenerhitzer und in der Verbrennungskammer, die in den bisher verwendeten Anlagen zum Erhitzen des reduzierenden Gases eingesetzt wurden«, Es ist bekannt, daß infolge einer Methanisierungsreaktion im Kühlungsreaktor das Gas, wenn es zur Heizanlage seines Reduktionsreaktors strömt, eine beträchtliche Menge Methan enthält« Daher wird die Gasmischung immer noch eine beträchtliche Methanmenge enthalten, nachdem sie den Röhrenerhitzer und die Verbrennungskammer passiert hat und auf eine Temperatur von 1000 ° bis 1100 0C erhitzt worden ist, selbst wenn die Gleichgewichts-Methankonzentration bei dieser Temperatur nur wenige Prozent beträgt. So kann die Gasmischung als unter diesen BedingungenThe data of Table I show that at relatively low temperatures, the reactions represented by equations (1) and (3) usually proceed to the left to form methane, water vapor, and carbon dioxide, while at relatively high temperatures, the reactions represented by the equations are to the right At temperatures up to about 700 ° C. and in the absence of a catalyst, however, the reaction rates for these reactions are relatively low compared to the residence time of the gas in the tubular heater and in the combustion chamber used in the previously used equipment for heating It is known that as a result of a methanation reaction in the cooling reactor, the gas, when it flows to the heating system of its reduction reactor, contains a considerable amount of methane. Therefore, the gas mixture will still contain a considerable amount of methane after passing the R and heated to a temperature of 1000 ° to 1100 0 C, even if the equilibrium methane concentration at this temperature is only a few percent. So the gas mixture can be considered under these conditions
instabil bezeichnet werden, und zwar in dem Sinne, daß ihre Zusammensetzung beträchtlich gegenüber der Gleichgewichtszusanimensetzung verschoben ist.are called unstable, in the sense that their composition is considerably shifted from the equilibrium composition.
Es ist bekannt, daß Eisenoxid ein wirksamer Katalysator für die Reaktionen (1) und (3) ist. Die Antragsteller haben festgestellt, daß sich in einer derartigen instabilen Mischung schnell ein Gleichgewicht einstellt, wenn sie mit der Oberseite des Festbetts in einem Reduktionsreaktor in Kontakt kommt. Da die Reaktion stark endotherm ist, führt die schnelle Gleichgewichtseinstellung der Mischung zu einem plötzli·» eisen Abfall ihrer Temperatur, Es ist gefunden worden, daß dieser Temperaturabfall in der oberen, wenige Zoll starken Schicht des Erzbettes bis zu 90 ° bis 100 0C betragen kann und daß dieser Temperaturabfall einen starken schädlichen Einfluß auf den Reduktionswirkungsgrad des Verfahrens hat.It is known that iron oxide is an effective catalyst for reactions (1) and (3). Applicants have found that such an unstable mixture quickly equilibrates when contacted with the top of the packed bed in a reduction reactor. Since the reaction is highly endothermic, the rapid equilibration of the mixture results in a Plötzli · »iron waste to its temperature, it has been found that this temperature drop amount in the upper few inches thick layer of Erzbettes up to 90 ° to 100 0 C. and that this temperature drop has a strong deleterious effect on the reduction efficiency of the process.
Die Erfindung beruht zum Teil auf öer Entdeckung der Antragsteller, daß dieser Temperaturabfall am oberen Ende des Bettes aus eisenhaltigem Material wesentlich verringert werden kann, indem man die nach dem oben beschriebenen bisherigen Verfahren verwendete Verbrennungskammer wegläßt und einen Röhrenerhitzer verwendet, der einen Überhitzerteil besitzt, in welchem die gasförmige Mischung indirekt auf 900 ° bis 1100 0C erhitzt wird, und zwar ohne Zusatz von Luft oder Sauerstoff und ohne teilweise Verbrennung der Gasmischung, Es scheint, daß die Gasmischung auf diese Weise zumindest teilweise stabilisiert werden kann, d, h, daß sie näher an die Gleichgewichtszusanimensetzung herangebracht werden kann, die entsprechend den Angaben in der obigen Tabelle I bei Temperaturen in der Größenordnung von 900 0C bis 1100 0C nur wenige Prozent Methan enthält. Es ist festgestellt worden, daß nach diesem Verfahren der Temperaturabfall am oberen Ende desThe invention is based in part on Oer discovery of the applicant that this temperature drop at the top of the bed can be substantially reduced from a ferrous material by omitting the combustion chamber used by the above described prior art methods and uses a tubular heater having a superheater part in wherein the gaseous mixture is indirectly heated to 900 ° to 1100 0 C, without the addition of air or oxygen and without the partial combustion of the gas mixture, it seems that the gas mixture can be stabilized in this way at least partially, d, h, that it can be brought closer to the equilibrium Zusanimensetzung, according to the information in the above Table I at temperatures in the order of 900 0 C to 1100 0 C only a few percent methane. It has been found that by this method the temperature drop at the top of the
Bettes aus eisenhaltigem Material im Reduktionsreaktor typischerweise um etwa die Hälfte oder mehr reduziert werden kann,Bed of ferrous material in the reduction reactor can typically be reduced by about half or more,
Weiterhin ist gefunden worden, daB die Zusammensetzung des reduzierenden Gases in dem Röhrenerhitzer mit Überhitzerteil in Gleichgevvichtsnähe gebracht werden kann, indem man das Gas durch ein Katalysatorbett leitet, das aus einem Katalysator besteht, uer erfahrungsgemäß die Reaktionen (1), (2) und (3) katalysierte Wie weiter unten ausführlicher gezeigt wird, ist es günstig, wenn der oder die Katalysatorkörper innerhalb der Röhren des Erhitzers oder in einer getrennten Katalysatorkammer untergebracht sind, und zwar so, daß das Gas den Katalysator mit einer Temperatur oberhalb der Gleichgewichtstemperatur für Kohlenstoffabscheidung durchströmt. Eine unerwünschte Kohlenstoffabscheidung kann im all gemeinen vermieden werden, wenn das Gas auf beispielsweise mindestens 800 0C erhitzt wird, bevor es mit dem Katalysator in Kontakt gebracht wird. Wenn ein solcher Katalysator im Gaserhitzer verwendet wird, kann eine Verringerung des Temperaturabfalls om oberen Ende der eisenhaltigen Schicht erzielt werden, die mit der ohne Katalysator erzielten Verringerung bei einer niedrigeren Gaseinlaßtemperatur des Reaktors vergleichbar ist, d„ he bei einer Temperatur von beispielsweise 900 ° bis 950 0C im Vergleich zu einer Reaktor-Einlaßtemperatur 1000 ° bis 1050 0C, wenn kein Katalysator verwendet wird.Furthermore, it has been found DAB, the composition of the reducing gas can be brought into Gleichgevvichtsnähe in the tubular heater with superheater part by passing the gas through a catalyst bed consisting of a catalyst, (uer experience shows that the reactions (1), (2) and 3) catalyzed As will be shown in more detail below, it is beneficial if the catalyst body (s) are housed within the tubes of the heater or in a separate catalyst chamber such that the gas flows through the catalyst at a temperature above the carbon capture equilibrium temperature , An undesirable carbon deposition can be avoided in general when the gas is heated to, for example, at least 800 ° C. before it is brought into contact with the catalyst. When such a catalyst is used in the gas heater, a reduction of the temperature drop om the upper end of the iron-containing layer may be achieved which is comparable to that achieved with no catalyst reduction at a lower gas inlet temperature of the reactor, i.e., "h e at a temperature of for example 900 ° to 950 0 C compared to a reactor inlet temperature of 1000 ° to 1050 0 C when no catalyst is used.
Wenn auch die Hochtemperaturstabilisierung oder Gleichgewichtseinstellung des reduzierenden Gases mit oder ohne Verwendung eines Katalysators einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zu dem oben beschriebenen bisherigen Verfahren bietet, da sie den Abfall der Gastemperatur im oberen Teil des Erzbettes verringert, so ist doch gefunden worden, daß noch weitere Vorteile erreicht werden können, indem man ei-While the high temperature stabilization or equilibration of the reducing gas with or without the use of a catalyst offers a significant advantage over the previous process described above, since it reduces the drop in gas temperature in the upper part of the ore bed, it has been found that still others Advantages can be achieved by
nen Gasstabilisierungsschritt in Verbindung mit zwei anderen Verfahrensschritten anwendet, nämlich (a) der parallelen Zuführung der heißen, ins Gleichgewicht gebrachten Gase zu den Reduktionsreaktoren und (b) der Abkühlung des aus jedem einzelnen Reduktionsreaktor ausströmenden Gases, um das Wasser daraus zu entfernen, und der Wiedererhitzung und Rückführung zumindest eines wesentlichen Teiles des abgekühlten Gases * zum Reaktor,gas stabilization step in conjunction with two other process steps, namely (a) the parallel feeding of the hot, equilibrated gases to the reduction reactors and (b) the cooling of the effluent gas from each individual reduction reactor to remove the water therefrom Reheating and recycling at least a substantial part of the cooled gas * to the reactor,
Wie weiter unten ausführlicher gezeigt wird, kann durch Ausführung der gesamten Erwärmung des Gases auf die Gaseinlaßtemperatur von 900 ° bis 1100 0C des Reduktionsreaktors in einem indirekten Erhitzer, durch Verwendung eines Parallelstroms des heißen Gases zu den Reduktionsreaktoren und durch die Rückführung von Gas in jeden Reduktionsreaktor eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Gases erzielt werden.As shown in more detail below, by execution of the entire heating of the gas to the gas inlet temperature of 900 ° to 1100 0 C of the reduction reactor in an indirect heater, by using a parallel flow of the hot gas to the reduction reactors and by the recirculation of gas in each Reduction reactor a significant improvement in the efficiency of the gas can be achieved.
Aus führu η g s be is ρ ie1:For the sake of brevity:
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing show
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines aus mehreren Einheiten bestehenden Reaktorsystems, das so gestaltet ist, daß es bei der Ausführung einer bevorzugten Realisierung der Erfindung sowie einer Modifikation dieser Realisierung verwendet werden kann;Fig. 1 is a schematic representation of a multi-unit reactor system designed to be used in the practice of a preferred implementation of the invention and a modification of this implementation;
Fig. 2 die schematische Darstellung einer Modifikation der Anlage nach Fig„ 1, worin jeder Reduktionsreaktor in einer separaten Rückführungsschleife untergebracht ist;Fig. 2 is a schematic representation of a modification of the plant of Fig. 1, wherein each reduction reactor is housed in a separate recirculation loop;
- ίο -- ίο -
Fig„ 3 eine graphische Darstellung, die zeigt, in welchem Ausmaß die Wirtschaftlichkeit des Gases verbessert werden kann, wenn verschiedene Modifikationen des gegenwärtigen Verfahrens verwendet werden, um eine Reihe von verschiedenen prozentualen Metallisierungen des Produkts zu erzielen;Figure 3 is a graph showing the extent to which the economy of the gas can be improved when various modifications of the present method are used to achieve a number of different percent metallizations of the product;
Fig« 4 eine schematische Darstellung eines Erhitzers für das Reduktionsgas, der so gestaltet ist, daß er in der Realisierung der Erfindung verwendet werden kann, und in dem das reduzierende Gas durch ein Katalysatorbett innerhalb des Erhitzers geleitet wird, um die Gieichgewichtseinstellung der Komponenten des reduzierenden Gases zu beschleunigen.Fig '4 is a schematic representation of a heater for the reducing gas, which is designed so that it can be used in the implementation of the invention, and in which said reducing gas is passed through a catalyst bed inside the heater to the Gieichgewichtseinstellung of the components of the reducing Accelerate gases.
Wie insbesondere durch Vergleich mit Fig. 1 ersichtlich ist, umfaßt das dort dargestellte System vier Reaktoren, die, wie oben angedeutet, so untereinander durch Rohre und Ventile verbunden sind, daß sie am Ende eines Arbeitstaktes funktionell ausgetauscht werden können. Für die gegenwärtigen Zwecke wird die Anlage durch Darstellung eines Arbeitstaktes beschrieben, in welchem der Reaktor 10 sich im Kühlungsstadium befindet, der Reaktor 12 im zweiten Reduktionsstadium, der Reaktor 14 im ersten Reduktionsstadium und der Reaktor 16 im Beschickungs- oder Umschaltstadium (turn-around-Stadium)e Während des gerade beschriebenen Arbeitstaktes wird der Reaktor 16 von der Anlage abgetrennt, so daß er von dem Schwammeisen entleert und von neuem mit frischem Erz beschickt werden kann* Wie aus der linken Seite von Fig. 1 ersichtlich, wird ein reduzierendes Gas, das zum großen Teil aus Kohlenmonoxid und Wasser besteht, dem System aus einer geeigneten Quelle 18 zugeführt., Typischerweise kann die Quelle 18 ein katalytischer Reformer von wohlbekanntem Typ zum Reformieren einer Mischung aus Erdgas und Dampf zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid sein. Es ist jedoch offensichtlich,As can be seen in particular by comparison with Fig. 1, the system shown there comprises four reactors, which, as indicated above, are interconnected by pipes and valves so that they can be functionally replaced at the end of a power stroke. For present purposes, the plant is described by showing a work cycle in which the reactor 10 is in the cooling stage, the reactor 12 in the second reduction stage, the reactor 14 in the first reduction stage and the reactor 16 in the feed or changeover stage (turn around). stage) e During the just described working cycle of the reactor 16 is separated from the system, so that it can be emptied of the sponge iron and charged again with fresh ore * as can be seen from the left side of Fig. 1, a reducing gas, which is largely carbon monoxide and water, supplied to the system from a suitable source 18. Typically, the source 18 may be a catalytic reformer of well known type for reforming a mixture of natural gas and steam to hydrogen and carbon monoxide. However, it is obvious
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daß auch andere Gasquellen verwendet werden können. Das Gas aus Quelle IS strömt durch das Rohr 20 zu einem Abschreckkühler 22, in dem es abgekühlt wird, um Wasser aus dem Gas zu entfernen, und danach zu einer Frischgassammelleitung 24 durch ein Abzvveigrohr 26, welches das Ventil 28 enthält, mit dem Reaktor 10 verbunden, durch ein das Ventil 32 enthaltendes Abzweigrohr 30 mit Reaktor 12, durch ein das Ventil 36 enthaltendes Abzvveigrohr 34 mit Reaktor 14 und durch ein das Ventil 40 enthaltendes Abzweigrohr 38 mit Reaktor 16. Für den hier beschriebenen Teil des Arbeitstaktes sind die Ventile 32, 36 und 40 geschlossen und das Ventil 38 ist offen, so daß Frischgas nur zum Kühlungsreaktor 10 fließt.that other gas sources can be used. The source IS gas flows through the tube 20 to a quench cooler 22 where it is cooled to remove water from the gas, and then to a fresh gas manifold 24 through an exhaust manifold 26 containing the valve 28 to the reactor 10 connected by a valve 32 containing branch pipe 30 with reactor 12, by a valve 36 containing Abzvveigrohr 34 with reactor 14 and by a valve 40 containing branch pipe 38 with reactor 16. For the part of the power stroke described here, the valves 32, 36 and 40 closed and the valve 38 is open, so that fresh gas flows only to the cooling reactor 10.
Im Kühlungsreaktor 10 strömt das reduzierende Gas abwärts durch eine Schicht eisenhaltigen Materials, das in früheren Arbeitstakten weitgehend zu Schwammeisen reduziert worden ist, und kühlt das Schwammeisenprodukt vor seiner Entleerung aus dem Reaktor ab. Wie oben angegeben, begünstigen bei relativ niedrigen Temperaturen die Gleichgewichtsbedingungen (1) und (3) eine beträchtliche Methankonzentration. Daher tritt im Kühlungsreaktor 10 in gewissem Umfang eine Methanisierung auf, d« h. eine gewisse Menge des im Reformer 18 erzeugten Wasserstoffs und Kohlenmonoxids reagiert zur Bildung von Methan.In the cooling reactor 10, the reducing gas flows downwardly through a layer of ferrous material which has been largely reduced to sponge iron in prior cycles, and cools the sponge iron product prior to its discharge from the reactor. As noted above, at relatively low temperatures, equilibrium conditions (1) and (3) favor a substantial methane concentration. Therefore, methanation occurs to some extent in the cooling reactor 10, ie. Some of the hydrogen and carbon monoxide produced in the reformer 18 react to form methane.
Das ausströmende reduzierende Gas verläßt den Kühlungsreaktor 10 durch das Rohr 42 und strömt zu einem Abschreckkühler 44 und durch diesen hindurch, wo das Gas gekühlt und daraus Wasser kondensiert wird. Vom Kühler 44 strömt das Gas durch das Rohr 46 zu einer Leitung 48, die mit den Abzweigrohren 50, 52 bzw. 54 verbunden ist, welche die Ventile 56, 58 bzw. 60 enthalten. Das Abzvveigrohr 50 ^ist mit einer Kühlgas-Rückführsammelleitung 62 verbunden, das Röhr 52 mit einer Gas-The effluent reducing gas exits the cooling reactor 10 through the tube 42 and flows to and through a quench cooler 44 where the gas is cooled and water is condensed therefrom. From the radiator 44, the gas flows through the pipe 46 to a conduit 48 connected to the branch pipes 50, 52 and 54, respectively, which contain the valves 56, 58 and 60, respectively. The exhaust pipe 50 is connected to a cooling gas return manifold 62, the pipe 52 is connected to a gas recirculation manifold 62.
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Übergangssammelleitung 64 und das Abzvveigrohr 54 mit einer Abgassammelleitung 66« In dem hier beschriebenen Teil des Arbeitstaktes ist das Ventil 60 geschlossen und die Ventile 56 und 58 sind teilweise geöffnet, um vorgegebene Teilmengen des Gases aus dem Rohr 46 durch jedes der beiden Sammelrohre 50 und 52 strömen zu lassen.Transition manifold 64 and exhaust manifold 54 with exhaust manifold 66 "In the part of the power stroke described herein, valve 60 is closed and valves 56 and 58 are partially opened to supply predetermined subsets of the gas from pipe 46 through each of the two manifolds 50 and 52 to flow.
Der Teil des Gasstroms aus dem Rohr 46, der in das Abzvveigrohr 50 eintritt, strömt durch die Sammelleitung 62 zur Ansaugseite der Pumpe 68, die das Gas durch das Rohr 70 zur Oberseite des Kühlungsreaktors 10 zurückpumpt« Der Teil des Gasstromes aus dem Rohr 46, der in das Abzweigrohr 52 eintritt, strömt durch die Sammelleitung 64 zur Ansaugseite öer Förderpumpe 72, die das Gas durch das Rohr 74 zum Erhitzer 76 pumpt, der ein Röhrenerhitzer mit Überhitzerteil ist und Temperaturen bis zu beispielsweise 1100 0C aushalten kann» Der Erhitzer ist gasgefeuert und dient zur Erhitzung der hindurchströmenden Gase auf beispielsweise 1050 0C, wenn kein Katalysator verwendet wird, oder auf 900 0C, wenn ein Katalysator eingesetzt wird.The portion of the gas stream from the pipe 46 entering the exhaust pipe 50 flows through the manifold 62 to the suction side of the pump 68, which pumps the gas back through the pipe 70 to the top of the cooling reactor 10. The portion of the gas stream from the pipe 46, entering the branch pipe 52, flows through the manifold 64 Oer to the suction pump 72, which pumps the gas through the pipe 74 to the heater 76, which is a tubular heater with superheater part and temperatures of up to for example 1100 0 C can withstand "the heater is gas-fired and serves to heat the gases passing through it to, for example, 1050 0 C, when no catalyst is used, or to 900 0 C, when a catalyst is used.
Wie Figc 4 zeigt, kann der Erhitzer 76 ein Gehäuse 400 mit einem darin befindlichen gewundenen. Heizrohr 402 umfassen. Gas wird dem Heizrohr 402 durch das Rohr 404 zugeführt und verläßt den Erhitzer durch das Rohr 406, Das Rohr 402 wird durch die Brenner 408 erhitzt, die durch das Rohr 410 mit Brenngas gespeist werden« In das Rohr 402 im Erhitzer 76 ist eine Katalysatorkammer 412 eingefügt, die einen aus Feststoffteilchen bestehenden Katalysator zur Beschleunigung der Gleichgewichtseinstellung der obenerwähnten Reaktionen (1), (2) und (3) enthält. Zerkleinertes Eisen kann zwar zur Katalyse dieser Reaktionen verwendet werden, ist aber kein besonders wirksamer Katalysator für diesen Zweck. Es ist jedoch eine Vielzahl hochwirksamer handelsüblicherAs shown in FIG c 4, the heater 76 may include a housing 400 having therein a winding. Include heating tube 402. Gas is supplied to heating tube 402 through tube 404 and exits the heater through tube 406. Tube 402 is heated by burners 408 fed with fuel gas through tube 410. Into tube 402 in heater 76 is a catalyst chamber 412 which contains a particulate catalyst for accelerating the equilibration of the above-mentioned reactions (1), (2) and (3). Although crushed iron can be used to catalyze these reactions, it is not a particularly effective catalyst for this purpose. However, it is a variety of highly effective commercially available
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Katalysatoren für diese Reaktionen bekannt/ und einer von diesen handelsüblichen Katalysatoren wird günstigerweise verwendet, z. B. der Nickelkatalysator 0-11-09-2, hergestellt von der United Catalyst Inc*Catalysts for these reactions known / and one of these commercial catalysts is suitably used, for. Nickel catalyst 0-11-09-2, manufactured by United Catalyst Inc *
Aus dem Erhitzer 76 strömt das Gas in eine Heißgasverteilerleitung 78, die, wie in Fig. 1 dargestellt, durch ein das Ventil 82 enthaltendes Abzweigrohr 80 mit dem Reaktor 10, ein das Ventil 86 enthaltendes Abzweigrohr 84 mit dem Reaktor 12, ein das Ventil 90 enthaltendes Abzweigrohr 88 mit dem Reaktor 14 und ein das Ventil 94 enthaltendes Abzweigrohr 92 mit dem Reaktor 16 verbunden ist. Während des hier beschriebenen Teils des Arbeitstaktes sind die Ventile 82 und 94 geschlossen und' die Ventile 86 und 90 offen. So strömt das heiße reduzierende Gas vom Erhitzer 76 parallel durch die Rohre 84 bzw. 88 zu den oberen Enden der Reaktoren 12 bzw. 14. In den Reaktoren 12 und 14 strömt das heiße reduzierende Gas abwärts durch die in jedem Reaktor befindliche eisenhaltige Schicht, um das darin befindliche Eisenoxid zu Schwammeisen zu reduzieren. Wie oben beschrieben; wird die in den gegenwärtigen Industrieanlagen gewöhnlich verwendete Verbrennungskammer im vorliegenden System weggelassen und stattdessen ein Röhrenerhitzer mit Überhitzerteil verwendet, um eine stärkere Stabilisierung des reduzierenden Gases zu erreichen, bevor es in die Reduktionsreaktoren eintritt. So ist der anfängliche Abfall der Temperatur des reduzierenden Gases infolge der endothermen Reaktion nach der obigen*Gleichung (1), der auftritt, wenn das Gas die eisenhaltigen Schichten in den Reaktoren 12 und zu durchströmen beginnt, kleiner als bei früheren Anlagen, und daher ist die mittlere Temperatur in den eisenhaltigen Schichten höher und der Reduktionsprozeß wirksamer.From the heater 76, the gas flows into a hot gas manifold 78, which, as shown in Fig. 1, through a valve 82 containing branch pipe 80 with the reactor 10, a valve 86 containing branch pipe 84 with the reactor 12, a valve 90th Branch pipe 88 containing the reactor 14 and a valve 94 containing branch pipe 92 is connected to the reactor 16. During the portion of the power stroke described herein, valves 82 and 94 are closed and valves 86 and 90 are open. Thus, the hot reducing gas from the heater 76 flows in parallel through the tubes 84 and 88, respectively, to the upper ends of the reactors 12 and 14, respectively. In the reactors 12 and 14, the hot reducing gas flows downwardly through the iron-containing layer in each reactor to reduce the iron oxide contained therein to sponge iron. As described above; For example, in the present system, the combustion chamber commonly used in the present industry is omitted, and instead a tube heater with superheater section is used to achieve greater stabilization of the reducing gas before entering the reduction reactors. Thus, the initial drop in the temperature of the reducing gas due to the endothermic reaction according to the above equation (1), which occurs when the gas begins to flow through the iron-containing layers in the reactors 12 and 12, is smaller than in previous systems and therefore the average temperature in iron-containing layers is higher and the reduction process more effective.
Was insbesondere den Reaktor'12 betrifft, so strömt das heiße Gas, das durch das Rohr 84 in den Reaktor eintritt, durch die darin befindliche eisenhaltige Schicht abwärts, von dort aus dem Reaktor heraus durch das Rohr 96, den Abschreckkühler 98 und das Rohr 100 zur Rohrleitung 102, die der zum Re«> aktor 10 gehörigen Rohrleitung 48 ähnlich ist. Die Rohrleitung 102 ist durch ein das Ventil 106 enthaltendes Abzweigrohr 104 mit der Kühlgas-Rückführsammelleitung 62, durch ein das Ventil 110 enthaltendes Abzweigrohr 108 mit' der Übergangssammelleitung 64 und durch ein das Ventil 114 enthaltendes Rohr 112 mit der Abgassammelleitung 66 verbunden,, Während des hier beschriebenen Teils des Arbeitstaktes sind die Ventile 106 und 114 geschlossen und das Ventil 110 ist offen. In gleicher Weise strömt das vom Abzweigrohr 88 zum oberen Ende des Reaktors zugeführte Gas abwärts durch die darin befindliche Schicht aus eisenhaltigem Material, von dort durch das Rohr 116 zum Abschreckkühler 118, wo Wasser aus dem Gas entfernt wird, und durch das Rohr 120 zur Rohrleitung 122„ Die Rohrleitung 122 ist durch ein das Ventil 126 enthaltendes Abzweigrohr 124 mit der Kühlgas-Rückführsammelleitung 62, durch ein das Ventil 130 enthaltendes Rohr 128 mit der Übergangssammelleitung 64 und durch ein das Ventil 134 enthaltendes Rohr 132 mit der Abgassammelleitung 66 verbundene Während des hier beschriebenen Teils des Arbeitstaktes ist das Ventil 126 geschlossen, das Ventil 130 ist offen und das Ventil 134 ist so weit geöffnet, wie erforderlich ist, damit die gewünschte Menge verbrauchtes Reduktionsgas das System durch die Sammelleitung 66 verläßt, die es zu einer geeigneten Speicherstelle leitet. Das verbrauchte Gas, welches das System durch das Rohr 66 verläßt, hat gewöhnlich einen hinreichend hohen Heizwert, um es als Brenngas entweder im Reformer oder in den Reaktoren der vorliegenden Anlage oder anderswo brauchbar zu machen.With particular reference to the reactor 12, the hot gas entering the reactor through tube 84 flows down through the iron-containing layer therein, from there out of the reactor through tube 96, quench cooler 98 and tube 100 to the pipeline 102, which is similar to the pipe 48 belonging to the reactor 10. The pipe 102 is connected through a valve 106 containing branch pipe 104 to the cooling gas return manifold 62 through a valve 110 containing branch pipe 108 'of the transition manifold 64 and through a valve 114 containing pipe 112 to the exhaust manifold 66 ,, During the Part of the power stroke described herein, the valves 106 and 114 are closed and the valve 110 is open. Similarly, the gas supplied from the branch pipe 88 to the top of the reactor flows downwardly through the layer of ferrous material therein, from there through the pipe 116 to the quench cooler 118, where water is removed from the gas, and through the pipe 120 to the pipe 122 "Pipeline 122 is connected to the refrigerant gas recirculation manifold 62 through a branch pipe 124 containing the valve 126, a manifold 128 containing the valve 130 to the transfer manifold 64, and a manifold 132 containing the valve 134 to the exhaust manifold 66 while here The valve 126 is closed, the valve 130 is open, and the valve 134 is opened as necessary for the desired amount of depleted reducing gas to exit the system through the manifold 66, which directs it to a suitable storage location. The spent gas exiting the system through the tube 66 is usually of sufficiently high calorific value to make it useful as fuel gas in either the reformer or in the reactors of the present plant or elsewhere.
Der Umschaltreaktor (turn-around-Reaktor) 16 ist wie die Reaktoren 10, 12 und 14 mit einem Abschreckkühier 136, der Sammelleitung 138 und den die Ventile 140, 142 bzw. 144 enthaltenden Abzweigrohren ausgestattet, welche die Sammelleitung 138 mit den Sammelleitungen 62, 64 bzw, 66 verbinden» Während des hier beschriebenen Teils des Arbeitstaktes sind alle Ventile 140, 142 und 144 sowie die Ventile 40 und 94 geschlossen, wodurch der Umschaltreaktor vom übrigen System abgetrennt wird*The turnaround reactor 16, like the reactors 10, 12 and 14, is equipped with a quench bender 136, the manifold 138 and the branch pipes containing the valves 140, 142 and 144, respectively, which connect the manifold 138 to the manifolds 62, 64 or, 66 connect »During the part of the working cycle described here, all valves 140, 142 and 144 as well as the valves 40 and 94 are closed, whereby the switching reactor is disconnected from the rest of the system *
Das Reduktionsreaktor-Abgas, das aus. den Reaktoren 12 bzw* 14 durch die Rohre 108 bzw, 128 zur Sammelleitung 64 strömt, wird von der Pumpe 72 durch den Erhitzer 76, wo es von neuem erhitzt wird, parallel zu den Reaktoren 12 und 14 zurückgeführt. Das Rückführungsverhältnis, d. h. das volumetrische Verhältnis des Gasstroms durch das Rohr 74 zu dem Gasstrom vom Kühlungsreaktor 10 durch das Rohr 52 zu den Reduktionsreaktorschleifen, ist nicht besonders kritisch und kann'typischerweise von 1,5:1 bis zu 5:1 variieren. In den meisten Fällen liegt dieses Verhältnis im Bereich zwischen 2:1 und 3:1.The reduction reactor off, the off. the reactors 12 or * 14 flows through the tubes 108 and 128 to the manifold 64, is returned by the pump 72 through the heater 76, where it is heated again in parallel to the reactors 12 and 14. The recycle ratio, ie the volumetric ratio of the gas flow through the tube 74 to the gas flow from the cooling reactor 10 through the tube 52 to the reduction reactor loops, is not particularly critical and may typically vary from 1.5: 1 to 5: 1. 1: In most cases, this ratio is in the range between 2: 1 and 3. FIG.
In gewissen Fällen kann es wünschenswert sein, die Reduktionsleistung des durch die Reduktionsreaktoren zurückgeführten Gases zu erhöhen, indem das Kohlendioxid daraus entfernt wird. Wie im rechten Teil von Fig. 1 ersichtlich, kann die Entfernung des Kohlendioxids in einem herkömmlichen C0„-Absorber 146 erfolgen, der durch die Rohre 148 und 150 mit dem Rohr 74 verbunden ist. Das Ventil 152 im Rohr 74 und das Ventil 154 im Rohr 150 sind vorgesehen, um eine Umleitung des Rückführungs-Gasstroms durch den CO -Absorber zu ermöglichen, wenn dies gewünscht wird.In certain cases, it may be desirable to increase the reduction efficiency of the gas recirculated through the reduction reactors by removing the carbon dioxide therefrom. As can be seen in the right-hand part of FIG. 1, the removal of the carbon dioxide can take place in a conventional C0 "absorber 146, which is connected to the pipe 74 through the pipes 148 and 150. Valve 152 in tube 74 and valve 154 in tube 150 are provided to allow diversion of the recycle gas stream through the CO absorber, if desired.
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Aus der vorstehenden Beschreibung dürfte ersichtlich sein, daß die Anlage gemäß Fig. 1 von bisher verwendeten Anlagen, wie sie z, B» in der US-PS 4,046,556 gezeigt sind, in einer Anzahl wesentlicher Punkte abweicht» So sind in der Anlage gemäß Fig» 1 die den Reaktoren zugeordneten Verbrennungskammern weggelassen und es wird ein Erhitzer mit Überhitzerteil, der Temperaturen bis zu beispielsweise 1100 C oder darüber aushalten kann, verwendet, so daß das reduzierende Gas auf die gewünschte Reduktionsreaktor-Einlaßtemperatur erhitzt werden kann, ohne seinen Reduktionswirkungsgrad durch teilweise Verbrennung zu vermindern und ohne das Gas mit Stickstoff zu verunreinigen, wenn als Oxidationsmittel in der Verbrennungskammer Luft verwendet wird* Durch eine solche Erhitzung des reduzierenden Gases wird ein höherer 'Stabilisierungsgrad erzielt, insbesondere bei der Realisierung der Erfindung, in der ein Katalysator im Erhitzer eingesetzt wird, und das in den Reaktor eintretende Gas liegt näher an seiner Gleichgewichtszusamrnensetzung·. Außerdem wird in der Anlage gemäß Fig« I das heiße reduzierende Gas den Reduktionsreaktoren parallel zugeführt, anstatt in Serie, wie bei der Anlage gemäß PS 4,046,556,, Weiterhin wird das aus den Reduktionsreaktoren ausströmende reduzierende Gas abgekühlt, von neuem erhitzt und in die Reduktionsreaktoren zurückgeführt, während bei der Anlage nach dem früheren Patent das gesamte aus der zweiten Reduktionsstufe ausströmende reduzierende Gas zur ersten Reduktionsstufe strömt und das aus der ersten Reduktionsstufe ausströmende Gas aus der Anlage abgeführt wird.From the above description should be apparent that the system of FIG. 1 of the previously used systems, as they "are, for example shown in US Patent No. 4,046,556, differs in a number of significant points" Thus, in the system of FIG " 1, the reactors associated combustion chambers are omitted and there is a heater with superheater part, temperatures up to for example 1100 C, or can stand above is used so that the reducing gas can be heated to the desired reduction reactor inlet temperature without its reduction efficiency by partial combustion and without polluting the gas with nitrogen when air is used as the oxidant in the combustion chamber. Such heating of the reducing gas achieves a higher degree of stabilization, particularly in the practice of the invention where a catalyst is used in the heater , and the Ga entering the reactor s is closer to its equilibrium composition. In addition, in the plant shown in FIG. 1, the hot reducing gas is fed in parallel to the reduction reactors, rather than in series, as in the plant of 4,046,556. Further, the reducing gas effluent from the reduction reactors is cooled, reheated, and returned to the reduction reactors while in the system according to the previous patent, the entire reducing gas flowing out of the second reduction stage flows to the first reduction stage and the gas flowing out of the first reduction stage is discharged from the installation.
Es ist zwar richtig, daß in der US-PS 4,046,556 und gewiß auch in den anderen hier angegebenen Patenten auf die Verwendung eines Überhitzers hingewiesen wird, jedoch wird in diesen früheren Patenten nicht an die Konzeption gedacht, einen Hochtemperaturerhitzer zur Erzielung einer besseren Gleichgewichtseinstellung der reduzierenden Gasmischung vor ihremWhile it is true that it is pointed in US Patent No. 4,046,556 and certainly also in the other specified herein patents on the use of a superheater, but is not thought in those earlier patents on the design, a Hochtemperaturerhitzer to achieve a better equilibrium of the reducing Gas mixture before her
Eintritt in den Reduktionsreaktor zu verwenden, um den Temperaturabfall zu vermindern, den das Gas nahe dem oberen Ende der eisenhaltigen Materialschicht im Reaktor erfährt.To use inlet to the reduction reactor to reduce the temperature drop experienced by the gas near the top of the ferrous material layer in the reactor.
Wie oben angegeben, ist gefunden worden, daß die kombinierte Anwendung einer Erhitzung des reduzierenden Gases ohne Verbrennung und mit oder ohne Einsatz eines Katalysators, in Verbindung mit dem parallelen Zufluß des reduzierenden Gases zu den Reaktoren und der Rückführung des reduzierenden Gases zu allen Reduktionsreaktoren zu einer beträchtlichen Wirtschaftlichkeit des Gasverbrauchs für eine vorgegebene Produktionsrate eines Produkts mit vorgegebenem Metallisierungsgrad führt« Das Ausmaß dieser Verbesserung wird durch die Kurven von Fig, 3 gezeigt.As indicated above, it has been found that the combined use of heating the reducing gas without combustion and with or without the use of a catalyst, in conjunction with the parallel influx of the reducing gas to the reactors and the recycle of the reducing gas to all the reduction reactors The degree of this improvement is shown by the curves of FIG. 3.
In Fig, 3 ist die prozentuale Metallisierung des Schwammeisenprodukts als Ordinate über Abszissenwerten aufgetragen, die willkürliche Einheiten für die Durchflußmenge des reduzierenden Gases sind. In Fig, 3 stellt die Kurve A die Ergebnisse dar, die mit einer früheren Anlage erzielt wurden,. die im allgemeinen der in der US-PS 4,046,556 beschriebenen Anlage ähnlich ist. Die Kurven B, C und D basieren zum Teil auf experimentellen Daten und zum Teil auf Computersimulationen der Anlagen, die verschiedene Realisierungen der Erfindung verkörpern. Insbesondere stellt Kurve B die Ergebnisse dar, die mit einer Reduktionsanlage erzielt wurden, wie sie in Fig, 1 dargestellt ist, wobei ein Katalysator im Erhitzer 76 eingesetzt wird und der kombinierte Gasrückfluß durch die beiden Reduktionsreaktoren 12 und 14 etwa gleich der doppelten Durchflußmenge des reduzierenden Gases ist, die der Anlage aus der Quelle 18 durch das Rohr 20 zugeführt wird. Aus einem Vergleich zwischen Kurve A und Kurve B von Fig, 3 wird man erkennen, daß das gegenwärtige Verfahren beiIn Fig. 3, the percent metallization of the sponge iron product is plotted as ordinate versus abscissa values, which are arbitrary units for the flow rate of the reducing gas. In Fig. 3, the curve A represents the results obtained with an earlier plant. which is generally similar to the system described in U.S. Patent No. 4,046,556. Curves B, C and D are based in part on experimental data and partly on computer simulations of the plants embodying various implementations of the invention. In particular, curve B represent the results obtained with a reduction system, as shown in Fig, 1, with a catalyst in the heater 76 is inserted and the combined Gasrückfluß through the two reduction reactors 12 and 14 is approximately equal to twice the flow rate of the reducing Gas is supplied to the system from the source 18 through the tube 20. From a comparison between Curve A and Curve B of Fig. 3, it will be seen that the present method in
Metallisierungsvverten im Bereich von 75 % bis über 95 % eine wesentliche Verbesserung im Verbrauch des reduzierenden Gases liefert. Kurve C stellt die Ergebnisse dar, die aufgrund der Computersimulation in einer Anlage wie der von Fig. 1 zu erwarten sind, die aber eine höhere Rückführungsrate verwendet, derart, daß der volumetrische Durchfluß des zurückgeführten Gases gleich dem 2,4-fachen der Einlaß-Durchflußrnenge des reduzierenden Gases durch das Rohr 20 ist. Hier ist wiederum eine wesentliche Verbesserung in der Wirtschaftlichkeit des Gases im Vergleich zu dem früheren, in der US-PS 4,046,556 beschriebenen Verfahren dargestellt«, Kurve D zeigt Ergebnisse für eine Anlage, in der CO2 in einem Absorber 146 absorbiert und ein Rückführungsverhältnis von 2:1 verwendet wird.Metallization in the range of 75 % to more than 95 % provides a significant improvement in the consumption of the reducing gas. Curve C represents the results to be expected from computer simulation in a plant like that of Fig. 1, but which uses a higher recycle rate such that the volumetric flow of the recirculated gas is equal to 2.4 times the inlet flow rate. Durchflußrnenge of the reducing gas through the tube 20 is. Again, there is shown a substantial improvement in the economics of the gas as compared to the earlier method described in U.S. Patent 4,046,556. Curve D shows results for a plant in which CO 2 is absorbed in an absorber 146 and a recycle ratio of 2 : 1 is used.
Die Anlage gemäß Fig. 2 ist im allgemeinen ähnlich der Anlage nach Fig. 1, unterscheidet sich aber von ihr darin, daß in Fig. 2 die Reduktionsreaktoren unabhängige Rückführungsschleifen besitzen. In Fig. 2 sind der Beschickungsreaktor und eine Anzahl Rohre und Ventile weggelassen worden, um die Darstellung zu vereinfachen. Im allgemeinen umfaßt die Anlage den Kühlungsreaktor 210 und die Reduktionsreaktoren 212 und 214. Das reduzierende Gas aus der Quelle 218 strömt durch den Kühler 222 und das Rohr 226 zum Kühlungsreaktor 210 und dort abwärts durch das darin befindliche Bett aus eisenhaltigem Material. Das aus dem Kühlungsreaktor 210 ausströmende Gas fließt durch den Abschreckkühler 244 und die Rohre 246 und 250 zur Ansaugseite der Pumpe 268, die einen Teil des Gases durch das Rohr 270 zum Reaktor 210 zurückführt. Die Anlage nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Anlage nach Fig. 1 darin, daß die Reduktionsreaktoren 212 und 214 in im wesentlichen unabhängige Schleifen eingebaut sind, deren jede eine Umwälzpumpe und einen Erhitzer enthält,, Im einzelnen fließt das aus dem Reduktionsreaktor 212 ausströmende Gas durch den Abschreckkühler 300 und die Rohre 302The plant of FIG. 2 is generally similar to the plant of FIG. 1, but differs from it in that in FIG. 2, the reduction reactors have independent recycling loops. In Fig. 2, the feed reactor and a number of tubes and valves have been omitted to simplify the illustration. In general, the plant comprises the cooling reactor 210 and the reduction reactors 212 and 214. The reducing gas from the source 218 flows through the cooler 222 and tube 226 to the cooling reactor 210 and down through the bed of ferrous material therein. The gas flowing out of the cooling reactor 210 flows through the quench cooler 244 and the tubes 246 and 250 to the suction side of the pump 268, which returns a portion of the gas through the tube 270 to the reactor 210. The plant of Fig. 2 differs from the plant of Fig. 1 in that the reduction reactors 212 and 214 are installed in substantially independent loops, each of which contains a circulation pump and a heater, in particular, the effluent from the reduction reactor 212 flows Gas through quench cooler 300 and tubes 302
und 304 zur Ansaugseite der Pumpe 306, die es durch das Rohr 3Q8/ den Erhitzer 310 und da& Rohr 312 zum oberen Ende des Reaktors 212 zurückpumpt. In gleicher Weise fließt das aus dem Reaktor 214 ausströmende Gas durch den Abschreckkühler 314 und die Rohre 316 und 318 zur Ansaugseite der Pumpe 320, die es durch das Rohr 322, den Erhitzer 324 und das Rohr 326 zum Reaktor 214 zurückpumpt.and 304 to the suction side of the pump 306, which pumps it back through the tube 3Q8 / heater 310 and da & tube 312 to the top of the reactor 212. Similarly, the gas flowing out of the reactor 214 flows through the quench cooler 314 and the tubes 316 and 318 to the suction side of the pump 320, which pumps it back through the tube 322, the heater 324, and the tube 326 to the reactor 214.
Ein Teil des aus dem' Kühlungsreaktör ausströmenden Gases, das durch das Rohr 246 strömt, wird aus der Kuhlungsreaktorschleife durch das Rohr 264 entnommen und strömt parallel zu den Reduktionsreaktorschleifen* Auf diese Weise strömt Gas von dem Rohr 264 durch das Rohr 328 zur Reduktionsreaktorschleife der zweiten Stufe, in die es in der Nähe der Förderseite der Pumpe 306 eintritt. Gas vom Rohr 264 strömt ebenfalls durch Rohr 330 zur Reduktionsreaktorschleife der ersten Stufe, in die es in der Nähe der Förderseite der Pumpe 320 eintritt. Abgas kann der Reduktionsreaktorschleife der zweiten Stufe durch ein Rohr 332 und der Reduktionsreaktorschleife der ersten Stufe durch ein Rohr 334 entnommen werden. Die Rohre 332 und vereinigen sich zu dem Rohr 336, durch welches das Abgas zu einer geeigneten Speichereinrichtung geleitet wird.A portion of the effluent from the cooling reactor gas flowing through the pipe 246 is withdrawn from the cooling reactor loop through the pipe 264 and flows parallel to the reduction reactor loops. * In this manner, gas flows from the pipe 264 through the pipe 328 to the reduction reactor loop of the second Stage in which it enters near the delivery side of the pump 306. Gas from the tube 264 also flows through pipe 330 to reduce loop reactor of the first stage in which it occurs in the vicinity of the discharge side of the pump 320th Exhaust gas may be withdrawn from the second stage reduction reactor loop through a tube 332 and the first stage reduction reactor loop through a tube 334. The tubes 332 and 33 join to the tube 336, through which the exhaust gas is directed to a suitable storage device.
Im folgenden wird nochmals auf Fig. 3 der Zeichnungen Bezug genommen: es ist festgestellt worden, daß eine Computersimulation der Anlage nach Fig. 2 zeigt, daß sie im wesentlichen die gleichen Ergebnisse liefert, wie sie durch Kurve B angezeigt werden. Im Vergleich zu Kurve A zeigt Kurve B, dab ein wesentlicher Vorteil in bezug auf die Wirtschaftlichkeit des reduzierenden Gases erzielt werden kann, indem man die in Fig. 2 dargestellte Modifikation des Verfahrens anwendet.Referring again to Figure 3 of the drawings, it has been found that a computer simulation of the system of Figure 2 shows that it provides substantially the same results as indicated by curve B. Compared to curve A, curve B shows that a substantial advantage in terms of economics of reducing gas can be achieved by applying the modification of the method illustrated in FIG.
Fig„ 2 zeigt, daß eine brauchbare Modifikation der oben be» schriebenen Anlage die Überführung des Gases von der Reduktionsreaktorschieife der zweiten Stufe zur Schleife der ersten Stufe bedingt. Ua das Gas in der Schleife der zweitenFIG. 2 shows that a useful modification of the above-described plant involves the transfer of the gas from the second stage reduction reactor loop to the first stage loop. Including the gas in the loop of the second
Stufe in Kontakt mit eisenhaltigem Material kommt, das vorher in einer früheren Stufe reduziert wurde, ist es gewöhnlich reicher an reduzierenden Bestandteilen als das Gas der ersten Stufe. Daher ist es manchmal vorteilhaft, Gas mit eignem relativ hohen Gehalt an diesen Bestandteilen von der Schleife der zweiten Stufe heranzuführen. Zu diesem Zweck ist ein Rohr 340 vorgesehen, das ein Ventil 342 enthält und die beiden Schleifen miteinander verbindet. Das Ventil 344 im Rohr 332 kann teilweise oder ganz geschlossen werden, um die Entnahme des Abgases aus der Schleife der zweiten Stufe und aus dem System einzuschränken oder zu verhindern.Stage comes in contact with ferrous material, which has previously been reduced in an earlier stage, it is usually richer in reducing constituents than the gas of the first stage. Therefore, it is sometimes advantageous to introduce gas with eignem relatively high content of these constituents from the loop of the second stage. For this purpose, a pipe 340 is provided which contains a valve 342 and connects the two loops together. The valve 344 in the tube 332 may be partially or fully closed to restrict or prevent the removal of the exhaust gas from the second stage loop and from the system.
Aus der obigen Diskussion dürfte ersichtlich sein, daß die Erfindung ein,Verfahren liefert, das in der Lage ist, die verschiedenen zu Beginn der Patentbeschreibung gestellten Aufgaben zu erfüllen. Es versteht sich natürlich, daß die vorstehende Beschreibung nur der Veranschaulichung dienen soll und daß zahlreiche Änderungen an den dargelegten spezifischen Schritten und Bedingungen vorgenommen werden können. Beispielsweise strömt zwar das reduzierende Gas in den Systemen nach Fig. 1 und 2 durch einen Kühlungsreaktor, bevor es den Reduktionsreaktoren zugeführt wird, die Erfindung kann jedoch auch vorteilhaft in einem System angewendet werden, in dem das reduzierende Gas zuerst zu den Reduktionsreaktoren und danach zu einem Kühlungsreaktor strömt. Während das Gas in den Reduktionsreaktorschleifen zirkuliert, besteht eine Tendenz zum Aufbau von Methan- und Kohlendioxidkonzentrationen. Wie in der obigen Gleichung (3) gezeigt, können diese Bestandteile reagieren und zusätzliche Kohlenmonoxid- und Wasserstoffmengen bilden. Diese Gleichgewichtseinstellung der Reaktion (3) in Übereinstimmung mit der Erfindung ist brauchbar in einem System, in dem das Gas zuerst in die Reduktionsreaktoren gelangt.From the above discussion it will be obvious that the invention, process yields, which is able to meet the various questions at the beginning of the specification tasks. It is to be understood, of course, that the foregoing description is intended for purposes of illustration only and that numerous changes may be made to the specific steps and conditions set forth. For example, although the reducing gas flows through a cooling reactor in the systems of FIGS. 1 and 2 before being fed to the reduction reactors, the invention can also be used to advantage in a system in which the reducing gas is passed first to and then downstream of the reduction reactors a cooling reactor flows. As the gas circulates in the reduction reactor loops, there is a tendency to build methane and carbon dioxide concentrations. As shown in equation (3) above, these components can react and form additional amounts of carbon monoxide and hydrogen. This equilibration of reaction (3) in accordance with the invention is useful in a system where the gas first enters the reduction reactors.
Andere Modifikationen werden für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sein. ·Other modifications will be apparent to those skilled in the art. ·
Claims (7)
toren zugeführt wird«2. The method according to item 1, characterized in that the gas supplied to the reduction reactors to a temperature of 900 0 C to 11C
gates is fed «
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