DD201807A5

DD201807A5 - Verfahren und vorrichtung zur direktreduktion von eisenoxid

Info

Publication number: DD201807A5
Application number: DD81233162A
Authority: DD
Inventors: John C Scarlett; Charles W Sanzenbacher
Original assignee: Midrex Corp
Priority date: 1980-09-15
Filing date: 1981-09-09
Publication date: 1983-08-10
Also published as: JPS5782417A; KR840002356B1; KR830006439A; ATA388381A; GB2083839B; CA1172455A; PL233022A1; NZ198327A; PH17852A; AU525672B2; BE890196A; BR8105761A; TR21578A; US4331470A; PL137834B1; DE3135914A1; AU7507581A; AT381953B; GB2083839A; IN155080B

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisen in einem Schachtofen wird Gas verwendet, das durch die Vergasung von festem fossilem Brennstoff wie z.B. Kohle gewonnen wird, wobei das Brenngas in dem Schachtofen entschwefelt und verbessert wird und die Direktreduktion des Eisenoxyds in demselben Ofen erfolgt. Durch dieses Verfahren kann gemeinsam mit dem direktreduzierten Eisen sauberer Abgabebrennstoff erzeugt werden. Die Vorrichtung enthaelt eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur des in den Ofen eintretenden Prozessgases.

Description

Berlin, 18, 3» 1982

23 316 2 2 ⁵⁹⁷⁶⁴ ^f ^1?

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Verfahren und Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisenoxid

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen und auf eine Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisenoxid bei gleichzeitiger Produktion von Brenngas.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Direktreduktion von Eisenoxid, wie gesinterten Pellets oder Stückerz, zu metallischem Eisen im festen Zustand hat in den. letzten Jahren in der gesamten Welt wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Die GesamtJahreskapazität der im Betrieb oder im Bau befindlichen Anlagen überschreitet 15 Millionen Tonnen an direktreduziertem Eisenprodukt, das in erster Linie als Einsatzmaterial für Elektrolichtbogen-Stahlöfen benutzt wird. Man geht davon aus, daß die WeItnac.hfrage an zusätzlichem direktreduzierten Eisen mehrere Jahre lang in erheblichem Maße zunehmen wird, damit der wachsende Weltbedarf an solchem Einsatzmaterial befriedigt werden kann, da weitere Stahlwerke mit Elektrolichtbogenofen gebaut werden, .

Die meisten kommerziellen Anlagen zur Erzeugung von direktreduziertem Eisen benutzen Erdgas als Reduktionsmittelquelle, Das Erdgas wird umgeformt, um die Reduktionsmittel CO und Hp zu gewinnen. Einige Anlagen verwenden Kohle' als'Reduktionsmittelquelle bei Drehtrommelofen-Verfahren, wie z, B. dem SL/RN-Verfahren; diese Verfahren sehen eine direkte in-situ-Umsetzung von Kohle in dem Ofen vor, ohne daß die Kohle zu CO und Hp gesondert vergast wird. Den Drehtrommel-

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οfen-Verfahren haftet insoweit mangelnde Effizienz bei der Kohleausnutzung an, als etwa zwei Drittel der Kohle in dein Ofen zu Verbrauchswärme verbrannt v/erden und lediglich ein Drittel zur Bereitstellung des Reduziergases für die Direktreduktion verwendet wird. Diese mangelnde Effizienz führt zu einem Kohlebedarf von 5*0 bis 6,0 Goals (Gigacalorien) ca. 20 bis 24 GJ pro Tonne direktreduziertem Eisenprodukt, Dieser Menge stehen 3,0 bis 3,5 Goals ca. 12 bis 15 GJ Erdgas pro Tonne direktreduzierten Eisens bei den effizienteren Erdgas-Verfahren, beispielsweise dem Midrex-, Purofer- oder " Armco-Verfahren gegenüber.

Es gibt viele - wenn auch noch keiner wirtschaftlichen Verwertung zugeführte - Verfahren, bei denen Kohle durch Teiloxydation mit Sauerstoff und Dampf vergast wird, um ein Gas zu erhalten, welches dann auf verschiedene Weise bei der Direktreduktion von Eisen verwendet wird. Die Hauptgründe dafür, daß keines dieser Verfahren einer wirtschaftlichen Verwertung zugeführt wurde, sind darin zu sehen, daß diese Verfahren entweder zu komplex oder für die gewerbliche Verwertung unpraktisch sind, oder daß der Kohlebedarf zu hoch ist. Das grundlegende Problem, demzufolge ein Verfahren nicht praktizierbar ist oder der Gesamtkohlebedarf hoch ist, besteht darin, daß das von dem Kohlevergaser abgegebene heiße Gas einen zu geringen Anteil von Reduktionsmitteln (CO plus Hp) verglichen mit Oxydationsmitteln (C0„ plus HpO-Dampf) aufweist, um direkt wirksam bei der Direktreduktion von Eisen eingesetzt werden zu können.

Ziel der Erfindung

Ziel.der vorliegenden Erfindung ist es, das durch den Kohlevergaser erzeugte heiße Gas hinsichtlich des Verhältnisses von Reduktionsmitteln zu Oxydationsmitteln in dem Reductions-

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ofen zu verbessern durch, eins Reaktion mit Kohlenstoff, und das Gas außerdem durch Reaktion mit Kalk zu entschwefeln, um ein Gas zu erzeugen, das wirksam bei der Direktreduktion von Eisen eingesetzt werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt'demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein praktizierbares und thermisch effizientes Verfahren zur Verwendung von Kohle als Quelle gasförmigen Reduktionsmittels bei der Direktreduktion von Eisen anzugeben. Weiterhin soll ein wirksames Verfahren angegeben werden, um von einem Kohlevergaser abgegebenes heißes Gas direkt bei der Direktreduktion von Eisen einzusetzen, indem das Reduzierpotential des Vergaser-Gases verbessert wird durch Reaktion mit Kohlenstoff in demselben Schacht, in welchem die Direktreduktion des Eisens erfolgt.

Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Entschwefeln von heißem Gas für einen Kohlevergaser durch Reaktion mit einem Schwefelakzeptor, wie z. B, Kalk, anzugeben, wobei der Entschwefelungsvorgang in demselben Schacht stattfinden soll, wo die Direktreduktion des Eisens erfolgt. Gemäß dem Verfahren sollen gleichzeitig direktreduziertes Eisen und sauberes Brenngas aus Kohle erzeugt werden. Der Erfindung liegt die v/eitere Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die sich zur Direktreduktion von Eisen und zur Herstellung von sauberem Brenngas aus Kohle eignet.

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Das Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen und zur Erzeugung von Brenngas, bei dem fester, fossiler Brennstoff vergast, hierdurch erzeugtes heißes Vergaser-Gas auf eine Temperatur zwischen 750 und 1050 ⁰C abgekühlt und das Gas nach dem Entfernen von Teilchenmaterial in die Reduktionszone oder Reduzierzone_ eines Direktreduktionsschachtofens eingeleitet wird, der mit einem Möller im wesentlichen aus Eisenoxid beschickt wird, das beim Durchleiten des Gases im Gegenstrom zur Absinkbewegung des Möllers zu hochmetallisiertem, teilchenförmigem Eisen reduziert wird und das entstehende Gichtgas aus dem Direktreduktionsschachtofen entfernt, gekühlt und gewaschen wird, um ein kaltes, sauberes Brenngas zu erzeugen, ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Möller kohlenstoffhaltiger, fester, fossiler Brennstoff und Kalkstein zugegeben wird, um das abgekühlte Vergaser-Gas durch Reaktion mit Kohlenstoff und Kalkstein in dem Möller zu verbessern und zu entschwefeln.

Vorteilhaft v/ird nur eine Teilmenge des heißen Vergaser-Gases abgekühlt und diese abgekühlte Teilmenge mit einer ungekühlten Teilmenge des Vergaser-Gases zum Bilden eines Mischgases vermischt, das nach dem Entfernen von. Teilchenmaterial in die Reduktionszone bzw, Reduzierzone des Direktreduktionsschachtofens eingeleitet wird.

Eine Teilmenge des kalten, sauberen Brenngases wird in das heiße Vergaser-Gas injiziert, um die Temperatur des Mischgases herabzusetzen. Der zum Vergasen vorgesehene fossile

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Brennstoff wird vorzugsweise aus der Gruppe Kohle, Braunkohle, Holzkohle und Koks ausgewählt. Es ist von Vorteil, wenn der fossile Brennstoff in dem Schachtofen-Möller Koks ist. Der Kalkstein weist zweckmäßig eine Stückgröße im Bereich von 5 bis 30 mm auf, wobei es von Vorteil ist, wenn der Kalkstein dolomitischer Kalk ist. Die Qualität des Mischgases soll wenigstens 4,5 betragen.

Die Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisenoxid und zur Produktion von Brenngas ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Fossilbrennstoff-Vergaser zum Erzeugen eines heißen Vergaser-Gases;

b) Kühlvorrichtung, die mit dem Vergaser in Verbindung steht, zum Kühlen einer (Teilmenge des heißen Vergaser-Gases und zum Durchmischen des Gases;

c) Heißgas-Wirbelvorrichtung, die mit der Kühlvorrichtung verbunden ist, um aus dem Mischgas teilchenförmiges Material zu entfernen und ein sauberes Mischgas zu erzeugen;

d) Schachtofen mit kontinuierlicher Schwerkraftströmung, der einen Möller mit Eisenoxid, fossilem Brennstoff und Kalkstein enthält, an seinem oberen Ende eine Möllerbeschickungseinrichtung und an seinem unteren Ende eine Produktaustrageinrichtung aufweist, wobei in dem Zwischenbereich eine Mischgas-Eingabevorrichtung und an der Oberseite des Ofens oberhalb der Möllerlinie ein Abgasabzug vorgesehen ist;

e) Kühl-Wascheinrichtung, die mit dem Gichtgasabzug in Verbindung steht, um sauberes kaltes Brenngas zu erzeugen.

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Diese erfindungsgemäi3e Kombination aus Direktreduktion von Eisen und Brenngasherstellung erweist sich speziell nützlich in einem integrierten Stahlwerk, welches gleichzeitig Erdgas als Brenngas als Zusatz zu Koksofengas für ITeuaufheiz- und Wärmebehandlungsvorgänge verwendet. Das direktreduzierte Eisen kann als Beschickungsmaterial beim Sauerstoffblas-Verfahren oder als Bestandteil des Möllers in einem Hochofen verwendet werden, um dessen Metallausstoß zu vergrößern, oder es kann als Beschickungsmaterial für einen Elektrolichtbogenofen verwendet xverden. Das erzeugte Brenngas kann das derzeit als Brennstoff in dem Stahlwerk verwendete Erdgas ganz oder teilweise ersetzen,

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt etwa 6,1 Goals 25,5 GJ zu vergasender Kohle plus 0,6 Gcals 2,5 GJ Kohlenstoff für die Reaktion in dem Ofen plus 0,8 Gcals 5,3 GJ Kohle zum Erzeugen von Elektrizität für Vergasungssäuerstoff, um eine Meter-Tonne direktreduzierten Eisens zu produzieren, während 3,6 Gcals 15,1 GJ sauberen Brenngases produziert werden. Bei der Produktion von einer Meter-Tonne direktreduziertem Eisen werden daher etwa 3,9 Gcals 16 GJ verbraucht, wie in der Tabelle IV gezeigt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß lediglich 80 % des der OfenbeSchickung zugesetzten Kohlenstoffs umgesetzt wird und daß der überschüssige Kohlenstoff mit dem direktreduzierten Eisen ausgetragen wird. Dieser überschüssige Kohlenstoff kann auf magnetischem Wege von dem direktreduzierten Eisen separiert und wiederverarbeitet werden, um dadurch den Energieverbrauch des Verfahrens weiter herabzusetzen,

Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert. Die Figur zeigt die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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Oben an einem feuerfest ausgekleideten schachtförmigen Reduktionsofen 10, der nach dein Gegenstromprinzip" arbeitet, ist ein Eingabetrichter 12 montiert, in dem Eisenoxid in Form von Oxid-Pellets und/oder natürlichem Stückerz, Kohlenstoff (Koks) 16 und Kalkstein 18 mit einer nominellen Teilchengröße von 5 bis 30 mm eingegeben. Über ein Besc.hickungsrohr 20 sinken die Besch.ickungsmater.ial.ien in den Ofen ab, um in diesem einen Möller 21 zu bilden. Das reduzierte Eisenpellet- und/oder Stückprodukt,nicht umgesetzter Kohlenstoff, Calciumsulfid und nicht umgesetzter Kalkstein oder Kalk werden aus dem unteren Bereich des Ofens über ein Austragrohr 22 von einem Austragförderer ausgetragen, dessen Geschwindigkeit die Absinkgeschwindigkeit des Möllers 21 durch den Ofen 10 steuert.

In den Ofen 10 wird über ein Reduktionsgaseinlaßrohr 26 und dann durch mehrere Gaseinlaßöffnungen 28, die in der feuerfest ausgekleideten Wandung 29 im Mittelbereich des Ofens angeordnet sind, frisches, heißes Reduziergas eingegeben« Das.heiße Reduziergas strömt nach innen und dann im Gegenstrom zu dem absinkenden Möller nach oben, wie es durch die Gasströmungspfeile 30 angedeutet ist. In der Nähe der Oberseite des Ofens an der durch den Schüttwinkel der Beschickung, ausgehend von dem Oxidbeschickungsrohr 20 gebildeten Möllerlinie 31» verläßt CO_?-reiches Reduzierabgas den Möller 21. Das COp-reiche Reduzierabgas, welches nachfolgend als Gichtgas bezeichnet wird, verläßt den Ofen über ein Auslaßrohr 32,

Das den Ofen 10 über das Auslaßrohr 32 verlassende Gichtgas wird in einer Kühl-Wascheinrichtung 34 gekühlt und von Staub freigewaschen, und es verläßt das System als sauberes abzugebendes Brenngaserzeugnis über das Rohr 36,

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Der untere Bereich des Ofens 10 ist mit einem Kühlgas-Umlaufkreis zum Kühlen des reduzierten Eisens vor dem Austragen ausgestattet. Dieser Kühlkreis enthält einen Kühlgaseinlaß 38, der in dem Ofen 10 an einen Kühlgasverteiler 40 angeschlossen ist, eine Kühlgas-Sammeleinrichtung 42, die in dem Ofen oberhalb des Verteilers angeordnet ist, einen Kühlgas-Auslaß 44 und ein Umlaufsystem für externes Gas, bestehend aus einer Kühl-WaScheinrichtung 46, einem Umlaufgebläse 48 und zugehörigen Leitungen.

Ein Possilbrennstoff-Vergaser 50 weist einen zugehörigen Sauerstoffinjektor 52, einen Dampfinjektor 54 und einen Possilbrennstoffinjektor 56 auf. Über die Injektoren werden Sauerstoff oder- Sauerstoff und Dampf eingelassen zum Vergasen von fossilem Brennstoff wie z, B. Kohle, Braunkohle oder Holzkohle innerhalb des Vergasers 50, um ein heißes Vergaser-Gas zu erzeugen, das den Vergaser über ein Rohr 58 verläßt. Von der Vergasung des Brennstoffs übrigbleibende Restasche wird aus dem Vergaser 50 über eine nicht dargestellte Ascheaustragvorrichtung entfernt.

Die Hauptmenge des heißen Vergaser-Gases in dem Rohr 58 gelangt durch eine Warm-Stauscheibe oder -öffnung 60, die einen Strömungswiderstand darstellt und die geringere Teilmenge des heißen Gases durch eine Umleitung 62 und einen Kühler 64 zwingt. Dann strömt gekühltes Gas durch ein Rohr 66 und ein Steiierventil 68, bevor es mit heißem Gas in einem Rohr 70 gemischt wird. Die Temperatur des gemischten Vergaser-Gases im Rohr 72 wird von einem Thermoelement 74 gemessen, das an eine die Stellung des Ventils 68 steuernde Steuerung 76 angeschlossen ist. Wahlweise kann das gekühlte Gichtgas (Abgabegas) ganz oder teilweise über eine Leitung 78 als temperaturregelndes Gas zurückgeführt werden. Das temperaturgeregelte Vergaser-Gas enthält ver-

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festigte Partikel aus dem Vergaser, welche in dem Zyklonabscheider 80 ausgeschieden und aus dem unteren Teil des Zyklonabscheiders 80 entfernt werden. Das entstaubte, temperaturgeregelte Gas wird über ein Rohr 82 von dem Zyklonabscheider an den Reduktionsofen-Reduktionsgaseinlaß 26 abgegeben.

Der nach dem Gegenstromprinzip arbeitende Schachtofen wird als das effizienteste Mittel zum Erzeugen von direktreduziertem Eisen angesehen. In solchen Öfen dient das heiße Reduziergas zum Aufheizen der einkommenden kalten Eisenoxidbeschickung auf eine Reduziertemperatur, und es liefert weiterhin die Reduktionsmittel (CO plus H), die zum chemischen Reduzieren von Eisenoxid zu metallischem Eisen benötigt werden. Praktische Betriebserfahrungen mit Erdgas-Anlagen haben gezeigt, daß, um die chemische Wirksamkeit eines nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Redukt.ionsofens in bestmöglicher Weise auszunutzen, das Reduzierpotential des heißen Gases oder dessen Qualität, welches definiert wird als das Verhältnis von Reduziermitteln (CO plus Hp) zu Oxidiermitteln (C0_? plus H_?0), wenigstens etwa 8 betragen sollte.

Bei der Vergasung von pulverisierten, festen fossilen Brennstoffen wie z. B. Kohle oder Braunkohle in einem Teiloxydations-Vergaser, wie z, B. dem Vergaser 50, der ein heißes Vergaser-Gas mit hauptsächlich SO, H_?, C0_? und HpO erzeugt, beträgt die höchste Qualität des heißen Gases, die im kommerziellen Bereich erzielt wurde, etwa 3 bis 4. Es werden jetzt allerdings Kohlevergaser zur Verfahrensentwicklung und zur Demonstration gebaut, deren Zweck die Erzeugung eines qualitativ höherwertigen heißen

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Gases mit einer Qualität von wenigstens 6 ist, und zv;ar aufgrund einer verbesserten Vergasungstechnologie,

Das Aufkommen derartiger verbesserter Vergaser führte zu der Erfindung von Wirbelschicht- und Schacht-Gasverbesserungsverfahren, die die hohe Temperatur des von dem Vergaser abgegebenen Rohgases dazu verwenden, diejenige Wärme bereitzustellen, die erforderlich ist zum weiteren Verbessern der Gasqualität durch endothermesch reagierenden Kohlenstoff mit Oxydiermitteln in dem heißen Rohgas, Diese Verbesserungsvorrichtungen sind separate Wirbelschichtoder Schachtvorrichtungen, die zwischen dem Vergaser und dem Direktred.uktionsofen liegen. Die vorliegende Erfindung erreicht eine Verbesserung der Gasqualität in demselben Schacht, wo die Direktreduktion stattfindet, und vermeidet dadurch eine zusätzliche kostspielige und komplizierte Anlage,

Bisher wurde es als nicht praktizierbar angesehen, Kohlenstoff (Koks) bei Temperatüren unter 950 ⁰C zum Reagieren zu bringen, v/eil die Reaktionsgeschwindigkeit bei niedrigeren Temperaturen gering ist. Daher war es notwendig, Verbesserungsreaktionen bei Temperaturen zwischen etwa 1,350 ⁰C (Vergaser-Abstromtemperatur) und 950 ⁰C auszuführen und das verbesserte Gas dann temperaturmäßig unter etwa 815 ⁰C für die Verwendung in einem Direktreduktionsofen einzuregeln. Im Labor der Anmelderin wurde nun bestimmt, daß Kohlenstoff mit HpO und CO₂ bei einer für die Praxis interessanten Geschwindigkeit bei so niedrigen Temperaturen wie 750 ⁰C reagiert, falls die Reaktion über einen relativ langen Zeitraum hinweg stattfinden kann. Weiterhin wurde herausgefunden, daß in einen Direktreduktionsschacht heißes Vergaser-Gas bei Temperaturen oberhalb von 950 ⁰C eingegeben werden kann, ohne daß die metallisierten Partikel in dem Möller klebrig

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werden, vorausgesetzt, daß in dem Möller Kohlenstoff für eine endotherme Reaktion vorhanden ist. Wesentlich ist, daß Kohlenstoff reagiert, um den Möller abzukühlen. Ein gut konstruierter Direktreduktions-Sc.hachtofen weist eine minimale Aufenthaltszeit von 6 Stunden für die festen Bestandteile und eine gleichlange Aufenthaltsze.it für das Gas auf, um Direktreduktionsreaktionen erfolgen zu lassen, Noch längere Auf en thai tsze.it en -können durch Erhöhen des Ofenvolumens auf einfache und kostengünstige V/eise erzielt werden. Solche langen Aufenthaltszeiten machen die Reaktion von Kohlenstoff bei normalen Betriebstemperaturen möglich, .wie sie bei Schacht-Direktreduktionsvorgängen gegeben sind; diese Temperaturen betragen 750 bis 900 ⁰C. Die vorliegende Erfindung bietet daher wesentliche Kosteneinsparungen gegenüber der herkömmlichen Technologie,

Die folgende Beschreibung der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung basiert auf der Vergasung einer typischen subbituminösen Western-USA-Kohle unter Verwendung von Sauerstoff, HpO und pulverisierter Kohle in einem Mitnehmerbett-Vergaser, der Heißgas mit hauptsächlich GO, H_?, C0_? und HpO erzeugt. Die Vergasungstemperatur in einem solchen Vergaser beträgt im allgemeinen etwa -1.400 ⁰C. Bei dieser Temperatur wird die Kohleasche flüssig, wird mit Wasser gelöscht und aus dem unteren Bereich des Vergasers als Schlacke entfernt.

Als spezielles Beispiel der vorliegenden Erfindung und Bezug nehmend auf die Zeichnung werden in dem Teiloxydationsvergaser 50 Kohle, Sauerstoff und Wasser reagiert und verlassen den Vergaser bei einer Temperatur von 1,350 ⁰G mit einer Qualität von 4«1* Das Gas enthält HpS und COS aus Schwefel in der Kohle, etwas nicht umgesetzte Holzkohle und etwas Ascheübertrag. Durch Umleiten einer Teil-

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menge des Heißgases durch don wansergekühlten Kühler 64 wird das Gas auf 950 ⁰C temperaturgeregelt. Aus dem umgeleiteten Gas wird Wasser kondensiert, wodurch die Qualität des umgeleiteten Gases auf 7,1 und die des temperaturgeregelten Gases (Mischgas) auf 4,8 verbessert wird. Jegliche Flüssigkeitströpfchen von Asche in dem 1.350 °C-heißen Vergaser-Gas kondensieren bei der Abkühlung auf 950 ⁰C. Das temperaturgeregelte Gas wird in dem Zyklonabscheider 80 entstaubt, bevor es in den Ofen 10 geleitet wird. Das heiße Reduziergas wird in dem Ofen über den Möller 21 verteilt und strömt dann entgegen der Absenkrichtung des Möllers nach oben.

Die Ofenbeschickung (Möller) wird gebildet durch eine Mischung von Eisenoxid-Pellets oder natürlichem Stückerz, teilchenförmigen Kohlenstoffmaterials wie z« B. Koks und teilchenförmigen Kalksteins. Die Teilchengröße liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 30 mm für eine gute Durchlässigkeit. Die Möllermischung wird in dem Trichter 12 des Schachtofens 10 eingebracht und sinkt aufgrund der Schwerkraft durch den Ofen ab. Während des AbSinkens wird der Möller durch die Heißgase aufgeheizt, Eisenoxid wird zu Eisen reduziert, Kalkstein wird zu Kalk kalziniert, welcher mit Schwefel in dem Reduz±a?gas zu Calciumsulfid reagiert, und Kohlenstoff reagiert mit COp und H_?0 in dem Reduziergas, um CO und E₉ zu bilden* In der Kühlzone des Ofens wird der heiße Möller abgekühlt und über das Ofen-Austragrohr 22 auf den Austragförderer 24 ausgetragen. Das Ofenprodukt besteht aus direktreduziertem Eisen, nicht umgesetztem Kohlenstoff, nicht umgesetztem Kalk oder Kalkstein sowie Calciumsulfid. Das direktreduzierte Eisen kann magnetisch separiert v/erden, um in Elektrolichtbogenofen verwendet zu werden, oder es kann einfach ausgesiebt werden, um in Hochöfen eingesetzt zu werden.

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Das Heißgas tritt über Einlaßöffnungen 28 bei einer Temperatur von etwa 950 ⁰C mit einer Qualität von 4,8 in den Möller ein und reagiert mit dem heißen Kohlenstoff gemäß den Gleichungen:

CO₂ + C = 2CO

und

H₂O + C = CO + H₂

Aufgrund der langen Aufenthaltsze.iten, die bei dem Schachtofen zur Verfugung stehen, schreiten diese endotherm!sehen Reaktionen fort und kühlen das Gas auf etwa 750 ⁰C ab, während das Gas 30 innerhalb des Möllers auf eine Qualität von 8 verbessert wird, die sich für den effizienten Betrieb des Direktreduktionsofens eignet.

Das in den Möller mit einer Temperatur von 950 ⁰C eintretende Gas weist eine Schwefelkonzentration von etwa 4.100 ppmv für die speziell hier als Beispiel ausgewählte Kohle auf. Der Schwefel liegt in der Form von H_pS und COS vor, beide Verbindungen reagieren mit Kalk wie folgt:

H₂S + CaO = CaS + H₃O

und

COS + CaO = CaS +

Die Kombination aus relativ niedriger Temperatur (950 ⁰C) und Verbesserung zum Verringern von Oxydiermitteln (COp plus HpO) begünstigen die Entfernung von HpS und COS durch Kalk, Laborversuche haben gezeigt, daß die Schwefelkomponenten in dem Gas vorzugsweise mit Kalk in einem Möller reagieren, der Kalk und direktreduziertes Eisen enthält. Daher wird schwefelarmes direktreduziertes Eisen erzeugt. Die Menge des erforderlichen Kalksteins hängt ab von dem

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SchwefeIgehalt der Kohle, Die Menge des gebildeten CO₀ plus HpO bei den obigen Entschwefelungsreaktionen macht nur einen kleinen Bruchteil des gesamten Gasvolumens aus und hat geringen Einfluß auf die Qualität des reagierten Gases. Das während der Kalzinierung des Kalksteins zu gebranntem Kalk freigegebene C0„ hat außerdem nur geringe Auswirkung auf die Gasqualität, Beide dieser geringen Zusätze von CO plus HpO sind in den nachstehenden Tabellen aufgeführt.

Die folgenden Tabellen vermitteln eine anschauliche Verfahrensanalyse des erfindungsgemäßen Verfahrens, und die Tabellen stehen in Beziehung zu der Zeichnung, Die angegebenen Daten dienen nur zu Anschauungszwecken und haben keine beschränkende Bedeutung. Sämtliche Tabellen basieren auf.einer produzierten Meter Tonne direktreduzierten Eisens mit einem Metallisierungsgrad von 92 % und einem Kohlenstoffgehalt von 1,5 %* Diese Werte entsprechen weitverbreiteten Normen für direktreduziertes Eisen, das in mit Erdgas arbeitenden Dxrektreduktionsanlagen produziert wird.

Tabelle I zeigt die Gasströmungsgeschwindigkeiten und. die Gasqualität (Verhältnis Reduktionsmittel / Oxydationsmittel) an den Stellen, die durch ein mit der Zeichnung in Beziehung stehendes Bezugszeichen angegeben sind»

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Tabelle I

	Gasströine	Durchfluß in ⁺ Nm^J	Gas qualität
Beziehung	Bezugs- . zeichen	1941	4.1
Yergaser-Gas	58	621	7.1
UmI e i tung s-Ga s	62	1884	4,8
Reduktionsgas	26	1992	8,0
Verbessertes Gas	30	1996	1.5
Reduktionsabgas	32	1827	1.9
gekühltes Gichtgas Abgabe-Brennstoff	36

Uo rma 1-Kub i kme t e r

Tabelle II zeigt die Beschickungsanforderungen für den Kohlevergaser 50.

Tabelle II Kohle-Ve rgas e r Trockenkohle (kg)

H₂O (kg)

Sauerstoff (Em³ von 98

965 263

483

Tabelle III zeigt die Besc.hickungsanforderungen und die Ausgangsmaterialien des Direktreduktions-Schachtofens 10,

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ο ο ο 1 α ο O ^{59 764}

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Tabelle III

Direktreduktionsschacht (alle Einheiten in kg)

Kalkstein ein 69,3

CaO aus -19.4

CaS aus 25.ο

zugeführter Verbesserungs-Kohlenstoff 72.9

insgesamt reagierter Kohlenstoff 58,3

nicht-reagierter Kohlenstoff aus 14.6

Tabelle IV zeigt die ungefähre Energiebilanz für das erfindungsgemäße Verfahren.

Tabelle IV Energie

Vergaser 6.1 Gcal (25,5 GJ)

zugeführter Verbesserungs- _n r _p„ , , _ο ς _ΓΎλ

Kohlenstoff °'^{b Gcal c 2jt? GJ;}

Sauerstoff ⁺0,8 Gcal ( 3,3 GJ)

gesamt ' - 7.5 Gcal (31,4 C-J)

gekühlter Gichtgas- ^ ₆ „ , _{Μς 1 ß},x

Abgabebrennstoff ^J'^b ^^oal ^Π^'^{Ί (lj;}

Verbrauch für Reduktion 3»9 Gcal (16,3 GJ)

⁺Etwa 293 kWh bei Umwandlungswirkungsgrad 30 %

Tabelle V zeigt die Gastemperaturen an den angegebenen Stellen der Verfahrensanordnung.

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Tabelle V	Bezugszahl	Temperatur Grad C
Gas-Temperaturen	58	1350
Bezeichnung	66	40
Ve rga s e rau sgang	82	950
Ausgang Umleitungs- Kühler	30 (im Schacht)	750
Zulauf zum Direkt- reduktionsschacht	32	660
Nach Kohlenstoff reaktion	36	40
Ausgang Direkt- reduktionsschacht
Abgabebrennstoff

Tabelle 71 zeigt die Gasanalyse an den angegebenen Stellen des Verfahrensablaufs.

Tabelle VI Gasanalyse Bezeichnung

Bezugszahl

% CO

C0

% H,

Vergaser-Gas	56	50.0	7.8	29.2
Ausgang Umleitungs-Kühler	66	54.6	8.5	31.9
zum Schacht	82	51.5	8.0	30.1
Nach Kohlenstoffreaktion	30	54.4	7.4	33.7
Ausgang Reduktionsschacht	32	32.8	28.4	26.1
Abgabebrennstoff	36	35.8	31.0	28.5

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Tabelle VI (Portsetzung) Gasanalyse

Bezeichnung % H₃O % CH₄ % N₃ ^ _{g + cos)}

^l2

3.6	0.1	0.9	4400
9.0	0.1	0,8	4100
3.7	0.1	0.8
11.2	0.1	1.4
3.0	0.1	1.6	0

Vergaser-Gas 11.7 0.1 0.8 4000

Ausgang Umleitungs-Kühler

zum Schacht

Nach Kohlenstoffreaktion

Ausgang Reduktionsschacht

Abgabebrennstoff

Der Heizwert von Abgabebrennstoff beträgt 208 Btu/scf oder 1959 kcal/Nur⁵ (HHV).

Aus dem obigen 13t leicht zu ersehen, daß die Erfindung ein energiewirksames, nützliches und durchführbares Verfahren für die Direktreduktion von Eisen unter Verwendung von Kohlevergaser-Gas als Reduktionsmittelquelle schafft; das Verfahren dient weiterhin zum gleichzeitigen Erzeugen eines sauberen Brenngases (Abgabegas), das aus der Anlage abgegeben werden kann.

Claims

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-Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen und zur Erzeugung von Brenngas, bei dem fester, fossiler Brennstoff vergast, hierdurch erzeugtes heißes Vergaser-Gas auf eine Temperatur zwischen 750 und 1050 ⁰G abgekühlt und das Gas nach dem Entfernen von Teilchenmaterial in die Reduktionszone oder Reduzierzone eines Direktreduktionsschachtofens eingeleitet wird, der mit einem Möller im wesentlichen aus Eisenoxid beschickt wird, das beim Durchleiten des Gases im Gegenstrom zur Absinkbewegung des Möllers zu hochmetallisiertem, teilchenförmigen! Eisen reduziert wird und das entstehende Gichtgas aus dem Direktreduktionsschachtofen entfernt, gekühlt und gewaschen wird, um ein kaltes, sauberes Brenngas zu erzeugen, gekennzeichnet dadurch, daß dem Möller kohlenstoffhaltiger, fester, fossiler Brennstoff und Kalkstein zugegeben wird,«, um das abgekühlte Vergaser-Gas durch Reaktion mit Kohlenstoff und Kalkstein in dem Möller zu verbessern und zu entschwefeln,

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß nur eine Teilmenge des heißen Vergaser-Gases abgekühlt und diese abgekühlte Teilmenge mit einer ungekühlten Teilmenge des Vergaser-Gases zum Bilden eines Mischgases vermischt wird, das nach dem Entfernen von Teilchenmaterial in die Reduktionszone bzw· Reduzierzone des Direktreduktionsschachtofens eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Teilmenge des kalten, sauberen Brenngases in das heiße Vergaser-Gas injiziert wird, um die Temperatur des Mischgases herabzusetzen.

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4. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der zum Vergasen vorgesehene fossile Brennstoff aus der Gruppe Kohle, Braunkohle, Holzkohle und Koks ausge-Y/ählt wird,

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß der fossile Brennstoff in dem Schachtofen-Möller Koks ist,

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß der Kalkstein eine Stückgröße im Bereich von 5 "bis 30 inm aufweist.

7· Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß der Kalkstein dolomitischer Kalk ist,

8, Verfahren nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß die Qualität des Mischgases wenigstens 4,5 beträgt.

9» Vorrichtung zur Direktreduktion von Bisenoxid und zur Produktion von Brenngas, gekennzeichnet durch folgende Merkmale :

a) Fossilbrennstoff-Vergaser (50) zum Erzeugen eines heißen Vergaser-Gases;

• b) Kühlvorrichtung (64), die mit dem Vergaser (50) in Verbindung steht, zum Kühlen einer Teilmenge des heißen Vergaser-Gases und zum Durchmischen des Gases;

c) Heißgas-Wirbelvorrichtung (80), die mit der Kühlvorrichtung (64) verbunden ist, um aus dem Misc.hgas teilchenförmiges Material zu entfernen und ein sauberes Misc.hgas zu erzeugen;

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d) Schachtofen (10) mit kontinuierlicher Schwerkraftströmung, der einen Möller (21) mit Eisenoxid, fossilem Brennstoff und Kalkstein enthält, an seinem oberen Ende eine Möllerbeschickungseinrichtung und an seinem unteren Ende eine Produktaustrageinrichtung aufweist, wobei in dem Zwischenbereich eine Mischgas-Eingabe vorrichtung (26; 28) und an der Oberseite des Ofens oberhalb der Möllerlinie ein Abgasabzug vorgesehen ist;

e) Kühl-Wascheinrichtung (34) ₅ die mit dem Gichtgasabzug in Verbindung steht, um sauberes kaltes Brenngas zu erzeugen.

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