DE102004053676B4

DE102004053676B4 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Titanschlacke aus Ilmenit

Info

Publication number: DE102004053676B4
Application number: DE200410053676
Authority: DE
Inventors: Petri Jokinen; Ali-Naghi Dr. Beyzavi; Lothar Formanek
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Outotec Oyj
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: AU2005300680A1; AU2005300680B2; CA2583359A1; CA2583359C; DE102004053676A1; CN100540698C; NO343430B1; WO2006048283A1; UA92729C2; NO20072742L; CN101052732A; ZA200704343B

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Titanschlacke aus Ilmenit umfassend die Schritte:
a) partielle Reduktion von körnigem Ilmenit mit einem Reduktionsmittel in einem Reduktionsreaktor (13), in dem eine Wirbelschicht ausgebildet ist, bei einer Temperatur von wenigstens 900°C,
b) Transfer des in Schritt a) erhaltenen heißen, partiell reduzierten Ilmenits in einen Elektroofen (22), wobei die Eintrittstemperatur des Ilmenits in den Ofen (22) bei wenigstens 550°C liegt,
c) Schmelzen der Ilmenits in dem Elektroofen in Gegenwart eines Reduktionsmittels unter Bildung von flüssigem Roheisen und Titanschlacke sowie
d) Abziehen der Titanschlacke aus dem Elektroofen (22).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Titanschlacke aus Ilmenit sowie eine entsprechende Anlage.
Ilmenit, welcher neben Titandioxid große Mengen an Eisenoxiden enthält (x·TiO₂ + y·FeO + z·Fe₂O₃), ist neben Rutil eines der wichtigsten Ausgangsmaterialien zur Gewinnung von metallischem Titan und Titanverbindungen, wie bspw. das zur Pigmentherstellung eingesetzte Titandioxid. Die Abtrennung des Eisens aus dem Erz erfolgt üblicherweise durch Elektroschmelzen von Ilmenit in einem metallurgischen Ofen, wobei die Eisenoxide zu metallischem Eisen reduziert werden, das aus der titanhaltigen Schlacke ausfällt. Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch der sehr hohe Bedarf an elektrischer Energie, der etwa 2.200 kWh pro Tonne Titanschlacke beträgt, und den Hauptanteil der Produktionskosten ausmacht.
Aus der DE 810 156 B ist ein Verfahren zum Gewinnen von Eisen und titanhaltiger Schlacke aus titanhaltigen Eisenerzen bekannt ist, bei welchem die Erze zunächst mit einem festen Reduktionsmittel in einem Ofen vorreduziert werden, worauf das Gut einer Magnetscheidung unterworfen und das erhaltene Konzentrat aus Eisen und titanhaltiger Schlacke verschmolzen wird.
Die DE 22 34 843 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Titandioxidkonzentrat. Nach einer Oxidation von Ilmenit wird das oxidierte Erz zur Reduktion mit festen Reduktionsmitteln in einen Drehrohrofen überführt, in dem es bei Temperaturen zwischen 830°C und 1060°C reduziert wird. Alternativ kann bei Verwendung gasförmiger Reduktionsmittel die Reduktion in einem Fließbettreaktor erfolgen, wobei die Reduktionstemperatur dann zwischen 675°C und 900°C liegt. Anschließend an die Reduktion wird das Erz durch Magnetscheiden von Gangart befreit, gekühlt und einem Laugungsprozess unterworfen.
Aus der US 3,765,868 ist ein Verfahren zur Herstellung von Titanschlacke aus Ilmenit bekannt, bei dem das Roherz zunächst in einem Drehrohrofen partiell reduziert und anschließend auf eine Temperatur von wenigstens 150°C abgekühlt wird, bevor aus dem partiell reduzierten Material mittels eines Magnetscheiders die titanhaltige magnetische Fraktion abgetrennt wird, welche abschließend in einem Elektroofen geschmolzen wird. Auch dieses Verfahren zeichnet sich durch einen hohen Energiebedarf aus. Ein weiterer Nachteil des vorgenannten Verfahrens ist, dass der eingesetzte Ilmenit vor der Reduktion zunächst pelletiert werden muss.
Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Titanschlacke bereitzustellen, welches bei zumindest gleicher Qualität der erzeugten Titanschlacke einen möglichst geringen Energiebedarf aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Anlage mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Überraschenderweise konnte im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden werden, dass der Energiebedarf für die Herstellung von Titanschlalcke aus Ilmenit verglichen mit den bisher bekannten Verfahren um 40 bis 50% gesenkt werden kann, wenn der Ilmenit vor dem Elektroschmelzen vorreduziert und heiß, d. h. ohne oder nach lediglich geringer Abkühlung nach der partiellen Reduktion, in den Elektroofen eingeführt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Verfahrensführung liegt in der Erhöhung der magnetischen Suszeptibilität des Ilmenits gegenüber der in dem Ausgangserz enthaltenden Verunreinigungen, wie Chromit, so dass bei einer Magnetscheidung eine zuverlässige Trennung zwischen titanhaltigen und titanfreien Fraktionen erreicht werden kann.
Prinzipiell kann die partielle Reduktion a) in jeder dem Fachmann zu diesem Zweck bekannten Vorrichtung, bspw. einem Drehrohrofen, erfolgen. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn die partielle Reduktion a) des Ilmenits in einer Wirbelschicht und bevorzugt in einer zirkulierenden Wirbelschicht, und zwar entweder in einer ein- oder mehrstufigen Fahrweise, durchgeführt wird. Aufgrund des hohen Stoff- und Wärmeaustauschs in Wirbelschichten wird dadurch eine gleichmäßige Reduktion des eingesetzten Materials unter minimalen Energieaufwand erreicht.
Vorzugsweise beträgt die Korngröße des eingesetzten körnigen Ilmenits weniger als 1 mm und besonders bevorzugt weniger als 400 μm.
Als Reduktionsmittel für die partielle Reduktion a) des Ilmenits können grundsätzlich alle dem Fachmann zu diesem Zweck bekannten Substanzen eingesetzt werden, wobei sich insbesondere Kohle, Schwelkoks, molekularer Wasserstoff, molekularen Wasserstoff enthaltende Gasgemische, Kohlenmonoxid und Kohlenmonoxid enthaltende Gasgemische, bspw. Reformgas, als geeignet erwiesen haben. Vorzugsweise wird als Reduktionsmittel ein Gasgemisch enthaltend Kohlenmonoxid und molekularen Wasserstoff, besonders bevorzugt ein Gasgemisch aus 60 bis 80 Vol.-% Kohlenmonoxid und 20 bis 40 Vol.-% molekularem Wasserstoff und ganz besonders bevorzugt ein Gasgemisch aus 70 Vol.-% Kohlenmonoxid und 30 Vol.-% Wasserstoff in Kombination mit Schwelkoks eingesetzt. Sofern die partielle Reduktion in einer zirkulierenden Wirbelschicht durchgeführt wird, kann dies z. B. einfach dadurch realisiert werden, dass dem Wirbelschichtreaktor über eine Feststoffzufuhrleitung ständig partiell zu reduzierender Ilmenit und Schwelkoks zugeführt wird und die Feststoffe in dem Reaktor durch ein Kohlenmonoxid und molekularen Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch fluidisiert werden.
Vorzugsweise werden die Prozessbedingungen bei der partiellen Reduktion a) so eingestellt, dass der Metallisierungsgrad des durch diesen Verfahrensschritt erhaltenen Produkts, bezogen auf dessen Eisenanteil, 50 bis 95% und besonders bevorzugt 70 bis 80%, beträgt.
Um den Energiebedarf des Verfahrens weiter zu senken, wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, den Ilmenit vor der partiellen Reduktion a) zunächst in einem oder mehreren Wärmetauschern auf eine Temperatur von 500 bis 900°C, besonders bevorzugt 600 bis 850°C und ganz besonders bevorzugt etwa 800°C vorzuwärmen, und das vorgewärmte Material anschließend in einem dem Reduktionsreaktor vorgeschalteten Kalzinierreaktor, vorzugsweise einem Reaktor mit stationärer Wirbelschicht, auf eine Temperatur von mehr als 900°C und besonders bevorzugt mehr als 1.000°C zu erwärmen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Erzeugung des als Reduktionsmittel eingesetzten Schwelkoks in einem Verfahrensschritt mit der Erwärmung des Ilmenits in einem stationären Wirbelbettreaktor. Zu diesem Zweck wird der vorgewärmte Ilmenit zusammen mit Kohle, vorzugsweise Kohle mit einer Körnung von weniger als 5 mm, und molekularem Sauerstoff bzw. einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch, in einen Wirbelschichtreaktor eingeführt und dort vorzugsweise auf eine Temperatur von mehr als 900°C und besonders bevorzugt mehr als 1.000°C, erhitzt. Durch diese vergleichsweise hohe Schweltemperatur kann die Bildung von in den nachfolgenden Verfahrensschritten störenden Kohlenwasserstoffen, bspw. Teer, zuverlässig verhindert werden. Die Fluidisierung der Feststoffe erfolgt vorzugsweise mit dem in dem nachfolgenden partiellen Reduktionsschritt als Reduktionsmittel eingesetzten Gasgemisch, wobei der Grad der Kohleschwelung durch Einstellung der Verweilzeit auf einen geeigneten Wert eingestellt werden kann.
Um eine besonders effiziente Verfahrensführung zu erreichen, wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, das Fluidisierungsgas im Kreislauf zu führen. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass das Abgas aus dem Reduktionsreaktor durch den bzw. die zur Vorwärmung des Ilmenits eingesetzten Wärmetauscher geführt wird, das Abgas anschließend ggf. durch einen Abhitzekessel unter Erzeugung von Wasserdampf geführt wird, in dem Wasserdampf erzeugt wird, bevor aus dem abgekühlten Abgas Staub entfernt und dieses ggf. weiter abgekühlt, ggf. in einem CO₂-Absorber von dem während der partiellen Reduktion des Ilmenits entstandenen Kohlendioxid befreit, in einem nachfolgenden Gaserhitzer erwärmt und schließlich erneut dem Reduktionsreaktor und ggf. dem Schwelreaktor als Fluidisierungsgas zugeführt wird.
Wenn der eingesetzte Rohilmenit einen vergleichsweise hohen FeO-Anteil enthält, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, diesen vor der partiellen Reduktion a) einer oxidative Vorbehandlung zu unterziehen, um das FeO möglichst vollständig zu Fe₂O₃ zu oxidieren. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil FeO in einer Kristallgitterstruktur vorliegt, die sich dem Angriff von reduzierenden Gasen weitgehend widersetzt, wohingegen die aus der Oxidation des FeO resultierende Gitterstruktur von Fe₂O₃ eine effiziente Gasdiffusion in die Poren des Material erlaubt. Vorzugsweise wird die Oxidation derart durchgeführt, dass der FeO-Anteil des behandelten Materials nach der Oxidation weniger als 5 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 3 Gew.-% beträgt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, die Oxidation des Rohilmenits ebenso wie die nachfolgende partielle Reduktion in einer zirkulierenden Wirbelschicht, und zwar bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 600 und 1000°C durchzuführen.
Insbesondere wenn als Ausgangsmaterial chromithaltiger Ilmenit oder als Reduktionsmittel Kohle und/oder Schwelkoks (char) eingesetzt wird, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den partiell reduzierten Ilmenit vor der Chargierung in den Elektroofen einer Magnetscheidung zu unterwerfen, um die titandioxidreiche magnetische Fraktion von einer nicht-magnetischen Fraktion, welche vornehmlich Chromit, Asche und, sofern als Reduktionsmittel eingesetzt, Schwelkoks enthält, abzutrennen, und nur die dabei erhaltene magnetische Fraktion in den Elektroofen zu transferieren. In diesem Fall beträgt die Temperatur des in der Magnetscheidung eingesetzten, partiell reduzierten Materials vorzugsweise wenigstens 600°C, besonders bevorzugt wenigstens 675°C und ganz besonders bevorzugt etwa 700°C. Besonders bevorzugt wird die magnetische Fraktion an schließend ohne Kühlung oder Erwärmung in den Elektroofen transferiert. So wird einerseits die zur Abkühlung des partiell reduzierten Materials nach der partiellen Reduktion und andererseits die zur Erwärmung des dem Elektroofen zugeführten Materials auf die Betriebstemperaturen in dem Ofen benötigte Energie minimiert, ohne dass eine nennenswerte Rückoxidation des partiell reduzierten Materials vor dem Eintritt in den Elektroofen stattfindet.
Vorzugsweise enthält die aus dem Elektroofen abgezogene Titanschlacke 75 bis 90 Gew.-% und besonders bevorzugt etwa 85 Gew.-% Titandioxid und das flüssige Roheisen mehr als 94 Gew.-% metallisches Eisen.
Eine erfindungsgemäße Anlage, welche insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet ist, umfasst einen als stationären Wirbelschichtreaktor ausgebildeten Schwelreaktor zur Schwelung von Kohle unter gleichzeitiger Erwärmung von Ilmenit, einen als zirkulierenden Wirbelschichtreaktor ausgebildeten Reduktionsreaktor zur partiellen Reduktion von Ilmenit und einen Elektroofen.
Vorzugsweise ist der Schwelreaktor mit dem Reduktionsreaktor über einen Verbindungskanal derart verbunden, dass die Suspension von dem oberen Teil des Schwelreaktors in den unteren Teil des Reduktionsreaktors übertreten kann, und dem Reduktionsreaktor ein Zyklon zur Abtrennung des Feststoffs aus der Suspension nachgeschaltet, von dem eine Feststoffrückfuhrleitung zu dem Schwelreaktor führt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, dem Schwelreaktor wenigstens eine einen Suspensionswärmeaustauscher und einen nachgeschalteten Zyklon umfassende Vorwärmstufe vorzuschalten, in dem der Ilmenit vor Chargierung in den Schwelreaktor auf Temperaturen von 500 bis 900°C, besonders bevorzugt 600 bis 850°C und ganz besonders bevorzugt etwa 800°C, vorgewärmt wird.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, in der Anlage eine Einrichtung zur Kreislaufführung des Fluidisierungsgases vorzusehen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Anlage zudem einen Magnetscheider.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen näher beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Anlage gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
2 zeigt ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Anlage gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bei dem in 1 dargestellten Verfahren zur Herstellung von Titanschlacke aus Ilmenit wird kontinuierlich über die Feststoffzufuhrleitung 1 eine Mischung aus Schwelkoks (char) und Ilmenit, welche zuvor aus den Vorratsbehältern 2, 3 abgezogen und in dem Mischtank 4 miteinander vermischt wurden, in den Suspensionswärmeaustauscher 5 einer ersten Vorwärmstufe chargiert, in dem das Material vorzugsweise durch das aus einer zweiten Vorwärmstufe abgezogene Abgas suspendiert und vorgewärmt wird. Anschließend wird die Suspension durch den Gasstrom in einen Zyklon 6 geführt, in dem die Feststoffe von dem Gas abgetrennt werden. Die abgeschiedenen Feststoffe werden daraufhin durch die Leitung 7 in einen zweiten, venturiartigen Suspensionswärmetauscher 8 gefördert, dort weiter bis zu einer Temperatur von etwa 800°C aufgewärmt und in einem nachgeschalteten Zyklon 9 wiederum von dem Gasstrom getrennt.
Das so vorgewärmte Erz wird durch Feststoffleitung 7' in den Schwelreaktor 10 gefördert, dem über die Feststoffleitung 7'' zusätzlich Kohle mit einer Körnung von weniger als 5 mm sowie Sauerstoff zugeführt wird. Des weiteren wird dem Schwelreaktor 10 über die Gasleitung 11 ein aus 70 Vol.-% Kohlenmonoxid und 30 Vol.-% molekularem Wasserstoff bestehendes Fluidisierungsgas mit einer Temperatur von etwa 600°C zugeführt, das die Feststoffe in dem Reaktor 10 unter Ausbildung einer stationären Wirbelschicht fluidisiert. Die Sauerstoff- und Fluidisierungsgaszufuhrrate sowie die Verweilzeit des Feststoffs in dem Schwelreaktor 10 werden so eingestellt, dass sich in dem Wirbelbett eine Temperatur von etwa 1.050°C einstellt und eine ausreichende Schwelung der Kohle erreicht wird.
Das Feststoff-Gas-Gemisch wird aus dem Schwelreaktor 10 über den Verbindungskanal 12 kontinuierlich in den Reduktionsreaktor 13 geführt, in dem die Feststoffe durch das über die Gasleitung 11' zugeführte Fluidisierungsgas unter Ausbildung einer zirkulierenden Wirbelschicht fluidisiert und der Ilmenit durch die Reduktionsmittel, insbesondere durch das Kohlenmonoxid, bis zu einem Metallisierungsgrad, bezogen auf dessen Eisenanteil, von etwa 70% reduziert wird.
Anschließend wird die Suspension durch den Gasstrom in den dem Reduktionsreaktor 13 nachgeschalteten Zyklon 14 geführt, in dem die Feststoffe von dem Gas abgetrennt werden. Die abgeschiedenen Feststoffe werden daraufhin durch die Rückfuhrleitung 15 in den Schwelreaktor 10 zurückgeführt, wohingegen das CO-, H₂- und CO₂-haltige Abgas mit einer Temperatur von etwa 1.000°C über die Gasleitung 16 zunächst in den Suspensionswärmeaustauscher 8 der zweiten Vorwärmstufe und von dort über den Zyklon 9 und die Gasleitung 16' in den Suspensionswärmeaustauscher 5 der ersten Vorwärmstufe geführt wird, in dem dieses auf etwa 500°C abgekühlt wird. Das in dem dem Suspensionswärmeaustauscher 5 nachgeschaltetem Zyklon 6 abgetrennte Abgas wird über die Gasleitung 16'' zunächst durch einen Abhitzekessel (nicht dargestellt) geführt, in dem das Abgas unter Erzeugung von Wasserdampf (4 bar) auf ungefähr 200°C abgekühlt wird, bevor es in einem Wäscher 17 von Staub befreit und auf etwa 30°C weiter abgekühlt wird. Daran anschließend wird aus dem Abgas in dem CO₂-Absorber 18 Kohlendioxid entfernt und das so aufgereinigte Gasgemisch in dem Gaserhitzer 19 auf etwa 600°C aufgeheizt, bevor es über die Leitungen 11, 11' als Fluidisierungsgas in den Schwelreaktor 10 und den Reduktionsreaktor 13 zurückgeleitet wird.
Aus dem Reduktionsreaktor 13 wird über die pneumatische Produktabfuhrleitung 20 kontinuierlich ein Gemisch aus partiell reduziertem Ilmenit und Schwelkoks mit einer Temperatur von etwa 1.000°C abgezogen, dieses in einem Wärmeaustauscher (nicht dargestellt) auf etwa 700°C abgekühlt und mit dieser Temperatur dem Magnetscheider 21 aufgegeben, wo eine titandioxidreiche Fraktion als magnetisches Produkt von einer nichtmagnetischen Fraktion, welche im Wesentlichen Chromit, Asche und Schwelkoks umfasst, abgetrennt wird, bevor die magnetische Fraktion in den Elektroofen 22 chargiert wird.
In dem bei etwa 1.600°C betriebenen Elektroofen fallen als Produkte Titanschlacke mit 75 bis 90 Gew.-% Titandioxid und flüssiges Roheisen mit mehr als 94 Gew.-% metallischem Eisen an. Das Abgas aus dem Elektroofen enthält mehr als 90 Vol.-% Kohlenmonoxid und wird nach Entstaubung in einer Nach brennkammer (nicht dargestellt) verbrannt und das heiße Rauchgas zur Erwärmung des Fluidisierungsgases dem Gaserhitzer 19 zugeführt.
Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Anlage weist die in der 2 dargestellte Anlage zusätzlich einen dem Schwelreaktor 10 vorgeschalteten Oxidationsreaktor 23 auf. In den Suspensionswärmeaustauschern 5, 8 vorgewärmtes Erz wird über die Feststoffleitung 7' in den Oxidationsreaktor 23 eingeführt und mit über die Gasleitung 11'' zugeführtem Fluidisierungsgas, welches zuvor in dem Wärmeaustauscher 24 mit dem Abgas aus dem dem Reduktionsreaktor 13 nachgeschalteten Zyklon 14 aufgewärmt wurde, unter Ausbildung einer zirkulierenden Wirbelschicht fluidisiert. Ferner wird dem Oxidationsreaktor 23 über Leitung 16''' Brennstoff zugeführt. Durch den Gasstrom wird die Suspension in den dem Oxidationsreaktor 23 nachgeschalteten Zyklon 25 geführt, in dem die Feststoffe von dem Gas abgetrennt werden. Ein Teil des Feststoffs wird in den Oxidationsreaktor 23 zurückgeführt, während der andere Teil via Feststoffleitung 7''' in den Schwelreaktor 10 geleitet wird. Aus dem Zyklon 25 abgezogenes Abgas wird über die Gasleitung 26 in den Suspensionswärmeaustauscher der zweiten Vorwärmstufe 8 und von dort über den Zyklon 9, Suspensionswärmeaustauscher der ersten Vorwärmstufe 5 und den Zyklon 6 zu einer Abgasreinigungsvorrichtung (nicht dargestellt) geleitet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines den Erfindungsgedanken demonstrierenden, diesen jedoch nicht einschränkenden Beispiels erläutert.
Beispiel

In einer der 2 entsprechenden Anlage wurde dem Suspensionswärmetauscher 5 über die Feststoffzufuhrleitung 1 Rohilmenit (12 kg/h) mit einer Korngröße von weniger als 1 mm mit folgender Zusammensetzung zugeführt:

TiO₂	50,04 Gew.-%
Fe₂O₃	13,44 Gew.-%
FeO	32,79 Gew.-%
MnO	0,58 Gew.-%
SiO₂	0,62 Gew.-%
Al₂O₃	0,53 Gew.-%
MgO	0,68 Gew.-%
CaO	0,05 Gew.-%
S	0 Gew.-%
C	0 Gew.-%
Andere	0,37 Gew.-%
Lost of Ignition (LOI)	0,90 Gew.-%
Summe	100,00 Gew.-%
Ti_gesamt	30 Gew.-%
^Fegesamt	34,90 Gew.-%

Nach Durchlauf der ersten und zweiten Vorwärmstufe wurde das vorgewärmte Erz über die Leitung 7' in den Oxidationsreaktor 23 geführt, um das enthaltene FeO nahezu vollständig zu Fe₂O₃ zu oxidieren. Ferner wurden dem Oxidationsreaktor 23 Brennstoff und über die Leitung 11'' Fluidisierungsgas zugeführt.
Nach Abtrennung des Feststoffs aus der Suspension in dem dem Oxidationsreaktor 23 nachgeschaltetem Zyklon 25 wurde der Feststoff über die Feststoffleitung 7''' in den Schwelreaktor 10 eingeführt. Der Sauerstoffanteil des Abgases aus dem Zyklon 25 betrug dabei 6 Vol.-%. Ferner wurden dem Schwelreaktor 10 Sauerstoff und über die Feststoffleitung 7'' 7,5 kg/h Kohle (Blair Athol, C_fix: 62%) entsprechend einem Verhältnis Fe:C_fix von 1 zugeführt und die Feststoffe in dem Reaktor 10 mit einem Gasgemisch aus 70 Vol.-% Kohlenmonoxid und 30 Vol.-% Wasserstoff unter Ausbildung einer stationären Wirbelschicht fluidisiert.
Aus dem Schwelreaktor 10 wurde das Feststoff-Gas-Gemisch über den Verbindungskanal 12 kontinuierlich in den Reduktionsreaktor 13 geführt und der oxidierte Ilmenit partiell bis zu einem Metallisierungsgrad, bezogen auf dessen Eisenanteil, von 70% reduziert.
Aus dem Reduktionsreaktor 13 über Leitung 20 abgezogener Feststoff wurde zunächst in dem Magnetscheider 21 magnetisch separiert und die dabei erhaltene magnetische Fraktion in einen Elektroofen 22 chargiert. Die installierte Transformatorleistung des Ofens 22 betrug 2 MVA bei einer Netto-Energie-Abnahme von 350 bis 500 kW. Die Aufgabenleistung betrug bei kontinuierlicher Betriebsweise 200 kg/h reduzierter Ilmenit und Koks. Die Titanschlacke wurde alle 2 Stunden und der Eisenschwamm zweimal pro Tag abgestochen.
Gemäß einer chemischen Analyse wiesen die so erhaltene Titanschlacke und der Eisenschwamm die in der Tabelle 1 wiedergegebenen Zusammensetzungen auf. Der elektrische Energieverbrauch für das Verfahren betrug 1.004 kWh pro Tonne Schlacke.
Vergleichsbeispiel
Zum Vergleich hierzu wurde in den in dem vorstehenden Beispiel beschriebenen Elektroofen 22 anstelle von vorreduziertem Ilmenit Rohilmenit mit der zuvor beschriebenen Zusammensetzung, der weder einer Oxidation noch einer partiellen Reduktion unterzogen wurde, chargiert und geschmolzen.
Die Zusammensetzung der so erhaltenen Titanschlacke und des Eisenschwamms sind in der Tabelle 1 wiedergegeben. Der elektrische Energieverbrauch für das Verfahren betrug 2.050 kWh pro Tonne Schlacke.
Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung der in dem Beispiel bzw. Vergleichsbeispiel erhaltenen Titanschlacke und des erhaltenen Eisenschwamms

	Beispiel vorreduzierter Ilmenit	Vergleichsbeispiel Rohilmenit
Fe_met in der Aufgabe	70 Gew.-%	0 Gew.-%
Titanschlacke
TiO₂	88,5 Gew.-%	87,9 Gew.-%
FeO	8,1 Gew.-%	8,8 Gew.-%
Eisenschwamm
Fe	95,5 Gew.-%	95,2 Gew.-%
Si	0,61 Gew.-%	0,60 Gew.-%
FeS	0,68 Gew.-%	0,71 Gew.-%
C	3,00 Gew.-%	2,90 Gew.-%
Mn	0,12 Gew.-%	0,12 Gew.-%
Elektrischer Energieverbrauch	1.004 kWh/t_Schlacke	2.050 kWh/t_Schlacke

1: Feststoffzufuhrleitung
2: Vorratsbehälter für Schwelkoks
3: Vorratsbehälter für Ilmenit
4: Mischtank
5: Suspensionswärmeaustauscher der ersten Vorwärmstufe
6: Zyklon der ersten Vorwärmstufe
7, 7', 7'', 7''': Feststoffleitung
8: Suspensionswärmeaustauscher der zweiten Vorwärmstufe
9: Zyklon der zweiten Vorwärmstufe
10: (Schwel)reaktor
11, 11', 11'': Gasleitung für Fluidisierungsgas
12: Verbindungskanal
13: Reduktionsreaktor
14: Zyklon des Reduktionsreaktors
15: Feststoffückfuhrleitung
16, 16', 16'', 16''': Gasleitung
17: Wäscher
18: CO₂-Absorber
19: Gaserhitzer
20: Produktabfuhrleitung
21: Magnetscheider
22: Elektroofen
23: Oxidationsreaktor
24: Wärmeaustauscher
25: Zyklon des Oxidationsreaktors
26: Abgasabfuhrleitung

Claims

Verfahren zur Herstellung von Titanschlacke aus Ilmenit umfassend die Schritte: a) partielle Reduktion von körnigem Ilmenit mit einem Reduktionsmittel in einem Reduktionsreaktor (13), in dem eine Wirbelschicht ausgebildet ist, bei einer Temperatur von wenigstens 900°C, b) Transfer des in Schritt a) erhaltenen heißen, partiell reduzierten Ilmenits in einen Elektroofen (22), wobei die Eintrittstemperatur des Ilmenits in den Ofen (22) bei wenigstens 550°C liegt, c) Schmelzen der Ilmenits in dem Elektroofen in Gegenwart eines Reduktionsmittels unter Bildung von flüssigem Roheisen und Titanschlacke sowie d) Abziehen der Titanschlacke aus dem Elektroofen (22).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Reduktion a) des Ilmenits in einer zirkulierenden Wirbelschicht (13) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des zur partiellen Reduktion eingesetzten Ilmenits weniger als 1 mm und besonders bevorzugt weniger als 400 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel für die partielle Reduktion a) des Ilmenits Kohle, Schwelkoks, molekularer Wasserstoff, ein molekularen Wasser stoff enthaltendes Gasgemisch, Kohlenmonoxid und/oder ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gasgemisch eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Schwelkoks sowie ein Gasgemisch enthaltend 60 bis 80 Vol.-% Kohlenmonoxid und 20 bis 40 Vol.-% molekularen Wasserstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallisierungsgrad des Ilmenits nach der partiellen Reduktion a), bezogen auf den Eisenanteil, 50 bis 95% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ilmenit vor der partiellen Reduktion a) zunächst in einem oder mehreren Wärmetauschern (5, 8) vorgewärmt und anschließend in einem Reaktor (10) mit stationärer Wirbelschicht auf eine Temperatur von mehr als 900°C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem stationären Wirbelschichtreaktor (10) zwecks Erzeugung von Schwelkoks zusätzlich Kohle mit einer Körnung von weniger als 5 mm und Sauerstoff zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem stationären Wirbelschichtreaktor (10) und/oder dem Reduktionsreaktor (13) als Fluidisierungsgas ein Gasgemisch enthaltend molekularen Wasserstoff und Kohlenmonoxid zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidisierunsgsgas der Wirbelschichtreaktoren (10, 13) im Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas aus dem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor (13) durch einen oder mehrere Wärmetauscher (5, 8) zur Vorwärmung von Ilmenit und anschließend in einen Abhitzkessel unter Erzeugung von Wasserdampf geführt wird, bevor es durch einen Kohlendioxidabsorber (18) geleitet und nach Erwärmen als Fluidisierungsgas in den zirkulierenden Wirbelschichtreaktor (13) zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ilmenit vor der partiellen Reduktion a) oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der FeO-Anteil des Ilmenits nach der Oxidation weniger als 5 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation in einer zirkulierenden Wirbelschicht (23) bei einer Temperatur zwischen 600 und 1000°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der heiße, partiell reduzierte Ilmenit vor dem Transfer in den Elektroofen (22) einer Magnetscheidung unterworfen wird und nur die dabei erhaltene magnetische Fraktion in den Elektroofen (22) chargiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material während der Magnetscheidung eine Temperatur von wenigstens 600°C aufweist und die magnetische Fraktion anschließend ohne Kühlung oder Erhitzung in den Elektroofen (22) transferiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Elektroofen abgezogene Titanschlacke 75 bis 90 Gew.-% Titandioxid und das flüssige Roheisen mehr als 94 Gew.-% metallisches Eisen enthält.
Anlage zur Herstellung von Titanschlacke aus Ilmenit, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen als stationären Wirbelschichtreaktor ausgebildeten Schwelreaktor (10) zur Schwelung von Kohle unter gleichzeitiger Erwärmung von Ilmenit, einen als zirkulierenden Wirbelschichtreaktor ausgebildeten Reduktionsreaktor (13) zur partiellen Reduktion von Ilmenit und einen Elektroofen (22) umfasst.
Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwelreaktor (10) mit dem Reduktionsreaktor (13) über einen Verbindungskanal (12) derart verbunden, dass die Suspension von dem oberen Teil des Schwelreaktors (10) in den unteren Teil des Reduktionsreaktors (13) übertreten kann, und dem Reduktionsreaktor (13) ein Zyklon (14) zur Abtrennung des Feststoffs aus der Suspension nachgeschaltet ist, von dem eine Feststoffrückfuhrleitung (15) zu dem Schwelreaktor (10) führt.
Anlage nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schwelreaktor (10) wenigstens eine einen Suspensionswärmeaustauscher (5, 8) und einen nachgeschalteten Zyklon (6, 9) umfassende Vorwärmstufe vorgeschaltet ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Einrichtung zur Kreislaufführung des Fluidisierungsgases umfasst.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner einen Magnetscheider (21) umfasst.