DE102006062689B4

DE102006062689B4 - Schachtofen für die direkte Reduktion von Eisenoxid

Info

Publication number: DE102006062689B4
Application number: DE102006062689A
Authority: DE
Inventors: Seyed Mohammed Reza Najmossadat
Original assignee: Mines And Metals Engineering (mme) GmbH; MINES AND METALS ENGINEERING G
Current assignee: Mines And Metals Engineering (mme) GmbH; MINES AND METALS ENGINEERING G
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: DE102006062689A1

Abstract

Ein vertikaler Schachtofen für die direkte Reduktion von Eisenoxiden, um direkt reduziertes Eisen (DRI) zu erhalten, welcher diese Vorrichtungen aufweist:
(a) eine Schwerkraftzufuhr, die in ihrem oberen Teil eine Mehrzahl von Förderschenkelrinnen (112) für die Zufuhr des Oxids aufweist, eine Zone (101) zum Trocknen, in der Vorreduktionsreaktionen und Reduktionsreaktionen stattfinden, Ringanschlüsse (131, 132) für die Einleitung von reduzierendem Gas in die Reduktionszone, um ein Ringgas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst, mit dem Oxid und Ringgas in der Reduktionszone in Kontakt zu bringen, um direkt reduziertes Eisen zu bilden, und einem verbrauchten Ofengas, das durch die Ofengasauslässe (120, 121) ausgestoßen wird. In seinem mittleren Teil weist er eine Pufferzone (102), um die Reduktionszone (101) von der unteren Zone zu trennen, und Injektionsanschlüsse (150) für die Einleitung von Kohlenwasserstoffgas in diese Zone auf. In seinem unteren Teil weist er einen metal lischen konischen Mantel (103) zum Kühlen des heißen reduzierten Eisens, einen...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Schachtofen zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen für die direkte Reduktion von Eisenoxiden.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Reinstahl herstellenden Industrie, insbesondere bei elektrischen Lichtbogenöfen, sind metallisiertes Eisen oder direkt reduziertes Eisen (DRI) als ein Zuführmaterial ein wesentliches Element. Konventionelle DRI-Schachtöfen werden verwendet, um Eisenoxide bei erhöhten Temperaturen mit reduzierenden Gasen zu behandeln, welche reich an Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind, um die Eisenoxide zu reduzieren und dadurch DRI herzustellen. Das Verfahren zur Herstellung des DRI beinhaltet eine Anzahl von Vorrichtungen, um in effektiver Kommunikation zu arbeiten. Bei den Kohlenwasserstoffgas-basierten vertikalen Fließbettverfahren ist der Schachtofen eine der Hauptvorrichtungen. Innerhalb des Schachtofens strömt Eisenoxid in der Form von Pellets oder Klumpen aufgrund der Gravi tationslast nach unten und reagiert im Gegenstrom mit nach oben strömendem heißem reduzierendem Gas, um zu metallischem Eisen reduziert zu werden. Heißes reduzierendes Gas wird in den Ofen durch Gasanschlüsse oder Ringgasanschlüsse eingeleitet. Die Reduktionsreaktionen finden in einer bestimmten Höhe in dem Bereich, welcher der Reduktionsbereich genannt wird, statt.
Zahlreiche Verfahren sind für die Herstellung von metallischem Eisen verwendet oder vorgeschlagen worden. Zum Beispiel offenbaren die US-Patente Nrn. 4,054,444 und 4,536,213 ein Verfahren für die Herstellung von DRI. Bei diesem Verfahren wird Reduktionsgas durch ein oder zwei Niveaus der Ringleitung injiziert und bei dem Verfahren können schwere Kohlenwasserstoff enthaltende Gase verwendet werden. Das US-Patent Nr. 4,880,459 offenbart ein Verfahren für die Herstellung von DRI, welches einen hohen Wasserstoff- und Kohlenwasserstoffgehalt verwendet, die durch eine katalytische Reformmischung von Kohlenwasserstoffen, welche mit Abgasen aus der Abwärme aus dem Verfahren oder mit Rauchgasen umgesetzt wurden, hergestellt werden. Das Patent Nr. WO0118258 offenbart ein Verfahren für die Herstellung von direkt reduzierten Eisenoxiden, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, die einen Schachtofen aufweist, welcher zumindest teilweise kegelförmig ausgebildet ist, und wobei reduzierende Gase in den Schachtofen aus zwei bis drei verschiedenen Ringleitungen eingeleitet werden.
Im allgemeinen umfasst ein Schachtofen bei einem Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen verschiedene Zonen oder Bereiche: 1) eine obere zylindrische Zone über den Ringanschlüssen zum Beschicken mit dem Oxid, für die Reduktion und das Sammeln und den Ausstoß von Ofengas, 2) eine mittlere zylindrische Zone, welche als ein Totbereich oder Übergangsbereich zwischen der heißen oberen Zone und der kalten unteren Zone wirkt, 3) eine untere konisch geformte Zone für die Kühlung und Abgabe.
Obere zylindrische Zone (Reduktionszone) und Ringanschlüsse: Das heiße reduzierende Gas wird normalerweise am Boden der Reduktionszone eingeleitet und nach oben durch den Schachtofen dem Materialstrom entgegenströmend geleitet, wobei es das Eisenoxid zu metallischem Eisen reduziert. Um die Produktion der vorhandenen Anlagen zu erhöhen, ist eines der Verfahren die Injektion von Sauerstoff, wobei der Sauerstoff in das Ringgas injiziert wird, um die Ringgastemperatur zu erhöhen, wodurch die Kinetik der Reaktionen verbessert und die Produktivität erhöht wird. Hohe Betriebstemperaturen können die Produktion erhöhen, aber da das Material Cluster bilden oder an den Wänden anhaften kann, wenn es in einen teilweise plastizierten Zustand übergeht, nimmt das Risiko der Clusterbildung und des Anhaftens ebenfalls zu. Es ist daher ein Antrieb für die Anlagenbetreiber das Verfahren bei so hohen Temperaturen wie möglich zu betreiben (trotz der Clusterbildungs- und Anhaftungsrisiken). Diese Tendenz unterscheidet sich für verschiedene Qualitäten und Quellen des Eisenoxids.
Bei den traditionellen Schachtöfen entstehen Materialblockaden häufig in dem oberen Teil, wenn das DRI Cluster bildet oder an der Schachtofenwand anhaftet, wodurch der Mengenfluss des Materials und des Gases innerhalb des Schachtofens gestört wird, was zu einem ungleichmäßigen Produkt führt und eine schlechte Ausbeute bei dem Reduktionsverfahren bewirkt und die Produktivität der Vorrichtung negativ beeinflusst, wobei die Bewegung des Betts sogar stoppen kann, was zu einem kostspieligen Abschalten führen kann. Daher besteht ein Bedarf für eine Einrichtung, um die Cluster zu zerbrechen und die Bewegung des Materials zu erleichtern. Die traditionellen Lösungen für dieses Problem haben häufig zusätzliche Probleme hervorgerufen. Beispielsweise beinhalten die meisten Lösungen das Hin- und Herbewegen oder das Bewegen von Rechen, die permanent innerhalb des Schachts in der oberen zylindrischen Zone angeordnet sind. Diese Vorrichtungen verursachen Störungen in dem gleichmäßigen Strom und sind häufig kontinuierlicher Abrasion bei erhöhten Temperaturen unterworfen. Siehe z. B. das US-Patent Nr. 4,380,328 .
Das erfundene Verfahren verwendete in der ersten und der zweiten Reduktionszone das korrekte Verhältnis von Höhe zu Durchmesser, verwendete zwei separate Ringleitungen, nämlich eine obere Ringleitung mit einer Sauerstoffinjek tion mit einer höheren Gastemperatur und eine untere Ringleitung mit schwerem Kohlenwasserstoffgas mit geringerer Gastemperatur. Von den unteren Ringanschlüssen herabsinkendes DRI mit höherer Temperatur bewirkte einen sehr guten katalytischen Effekt für das Cracken der schweren Kohlenwasserstoffe. Daher wird die Schachtofenwand insbesondere um die Ringanschlüsse herum durch die endothermischen Crackkreationen heruntergekühlt und es tritt bei diesem Schachtofen keine Clusterbildung oder Anhaftung auf.
Mittlere zylindrische Zone (Übergangszone): Das US-Patent Nr. 4,046,557 offenbart ein Schachtofen-Direktreduktionsverfahren, bei dem ein Teil des Kühlgases innerhalb des Schachtofens von der Kühlzone nach oben in die Übergangszone und zuletzt in die Reduktionszone strömt. In diesem Fall wird, wenn Kohlenwasserstoffgase, welche in die mittlere zylindrische (Übergangs)Zone injiziert wurden, oder Kühlgas, welches mit Erdgas angereichert ist, nach oben strömen, das nach oben aufsteigende Gas nach innen zu der Mitte des Schachts gedrückt. Wenn große Mengen des Kühlgases nach oben durch die Mitte des Schachtofens strömen, wird die Beschickung exzessiv gekühlt, was das Reduktionsverfahren verlangsamt. Die Metallisierung von hergestelltem Eisenschwamm wird behindert. Die Menge von Crackgas, welches bei der Reaktion von Methan auf dem heißen Eisenschwamm gebildet wird, ist ebenfalls reduziert. Um dieses Problem zu lösen, werden verschiedene Methoden angewendet, zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 4,374,585 ( DE 28 10 657 ) ein Verfahren für die direkte Reduktion von Eisenerz unter Verwendung eines Verfahrens und einer Einrichtung, welche das exzessive lokale Kühlen der Beschickung in dem Schachtofen verhindern. Bei diesem Verfahren wird heißes reduzierendes Gas seriell in verschiedene Sektoren des Querschnittes des Ofens mit variierenden Geschwindigkeiten injiziert. In der Praxis hat sich dieses Verfahren industriell aufgrund hoher Kosten des Unterhalts und komplizierter Strömungssteuereinrichtungen nicht durchgesetzt. Bei konventionellen Schachtöfen sind in dieser Zone Clusterbrecher oder Beschickungsaufgeber und ebenfalls Auslässe für heißes Kühlgas vorgesehen.
Das erfundene Verfahren verhindert, dass lokalisiertes Kühlgas oder Kohlenwasserstoffgas, welches nach oben durch die Mitte des Ofens strömt, in die Übergangszone gelangt. Durch die Vergrößerung des Volumens der Übergangszone in Kombination mit der einzigartigen Anordnung der kreuzförmigen Kühlgasabzüge und der Zuführung von Kohlenwasserstoffgas aus der Umgebung, wird die freie Wärme des DRI effektiv für die in-situ Reformierung des Kohlenwasserstoffgases genutzt und außerdem wird eine größere Fläche für die Karbusierung des DRIs bei höherer Temperatur bereitgestellt. Weiterhin wird ein höherer Grad von Metallisierung und von Kohlenstoff bereitgestellt, wodurch eine allgemeine gleichmäßigere Reduktion der Beschickung über den gesamten Querschnitt erzielt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist bei dem er fundenen Verfahren keinerlei Ausrüstung innerhalb dieser Zone vorhanden, um den Mengenfluss des Materials zu stören.
Untere konisch geformte Zone (Kühlzone): Oxidpellets oder Klumpen werden an der Spitze des Schachtofens eingefüllt, nach der Reduktion in der oberen Zone und dem Abkühlen in der unteren Zone auf eine relativ niedrige Temperatur wird das DRI aus einem konisch zusammenlaufenden Abgabeauslass an dem Boden des Schachtofens abgegeben. Bei allen konventionellen DRI-Verfahren ist das Gefäß der Kühlzone entweder in dem Fall, dass kaltes DRI abgegeben wird, wenn die Temperatur des DRI unter 65°C ist, ein metallischer Konus, oder, in dem Fall der heißen Abgabe des DRIs, wenn die Temperatur des DRIs über 600°C ist, ein feuerfest ausgekleideter Konus. Es gibt ebenfalls Kalt/Heißabgabe DRI-Verfahren, z. B. beschreiben die Dokumente WO0114598 und WO2006/111574 A1 ein DR-Verfahren, das ein kaltes DRI mit einer Temperatur von weniger als 100°C ergibt und das gleichzeitig ein heißes DRI mit einer Temperatur von ungefähr 700°C ergeben kann. Bei beiden Verfahren ist die untere konische Form des Ofens feuerfest ausgekleidet und über 700°C heiß und wird als eine Pufferzone verwendet, in der die Karburierung des DRIs ebenfalls auftreten kann, und die wirkliche Kühlzone ist in einem separaten Gefäß, welches mit dem Schachtofen durch verbindende Kanäle verbunden ist. Die erfundene Kühlzone ist ein metallischer Konus mit einer von außen wirkenden Isolation. Es kann kaltes DRI mit einer Tempe ratur von ungefähr 60°C durch die Kühlgasanschlüsse produzieren und es kann ebenfalls umgeschaltet werden, um heißes DRI mit einer Temperatur von ungefähr 400 bis 450°C zu produzieren. Daher kann das erfundene Verfahren von Kalt- auf Heißproduktion und umgekehrt umgestellt werden.
In dem Kühlzonenbereich besteht ebenfalls ein Bedarf für eine Einrichtung, um die internen Cluster aus zusammengeballtem DRI aufzubrechen, um den ordnungsgemäßen Mengenfluss der Feststoffe durch den Schachtofen aufrechtzuerhalten, ohne dass die Notwendigkeit des Abschaltens des Schachtofens besteht, um Cluster zu entfernen und ohne dass der Strom des DRI in dem Schachtofen behindert wird. Die traditionelle Lösung ist es eine sich bewegenden Welle (Clusterbrecher) in diesem Bereich zu installieren. Es sind ebenfalls weitere Verfahren bekannt, z. B. offenbart das US-Patent Nr. 4,449,671 eine Einrichtung zum Abtrennen zusammengeballter Feststoffmasse, die einen extern angebrachten Fühler verwendet, der Zugriff auf das Innere des Schachtofens hat. Andererseits sind die meisten industriellen Clusterbrecher sich bewegende Wellen in dem Bereich von 45° vorwärts und rückwärts.
Es ist beobachtet worden, dass diese Clusterbrecher die meiste Zeit die Cluster lediglich bewegen und sie nicht zerbrechen und einen ungleichmäßigen Strom des Materials innerhalb des Ofens bewirken. Die erfundenen sich bewegenden Wellen innerhalb dieser Zone drehen sich tatsäch lich 360° gegeneinander, was die Cluster zerbricht und zermahlt. Die Position und die Anzahl dieser rotierenden wellen ist an verschiedenen Positionen unterschiedlich. Ebenfalls im Vergleich zum Stand der Technik ist die Position dieser Wellen zu effizienteren Plätzen hin verändert worden. Außerdem wird eine weitere untere Welle bereitgestellt, welcher um 360° rotiert, um die Bewegung der Beschickung zu erleichtern und um die übrigen Cluster zu zerbrechen. Alle rotierenden Wellen werden von elektrischen Frequenzwandlermotoren angetrieben, um die Geschwindigkeit der rotierenden Wellen zu verändern. Eine weitere Erfindung in dieser Zone ist das System, wie Kühlgas injiziert und aus dem Kühlbereich gesammelt wird, wobei die Kühlzone für die heiße DRI-Abgabe mit einem feuerfesten monolithischen Spritzbeton versehen oder von außen isoliert sein kann, oder für den Fall der kalten DRI-Abgabe einen metallischen Mantel aufweisen kann.
Gasreinigung und Zirkulation: Das Ofengas tritt an der Oberseite der oberen Zone aus, gelangt durch einen Gasreiniger, ein Teil des Gases wird zurück in das System geführt, das zurückgeführte Gas wird von den Verfahrensgaskompressoren abgesaugt und dann unter Druck gesetzt zu dem Reformer und zu weiteren Leitungen geführt, um zu den Ringanschlüssen zu gelangen. Zur Zeit ist es für die Behebung jeglicher Leckagen in den Kanälen oder Gefäßen notwendig, den Druck in dem gesamten System, insbesondere in dem Schachtofen, welcher voll mit DRI ist, aufrecht zu erhalten. Jegliches Eintreten von Sauerstoff in das Sy stem verursacht die Reoxidation des DRIs innerhalb des Ofens, was eine große Menge an Wärme erzeugt und eventuell zur Bildung von großen Clustern führt. Die hydraulische Wasserdichtung für beide Gasreiniger hilft dabei, den Ofen vollständig von außen abzudichten, so dass keine Möglichkeit für das Eindringen von Sauerstoff besteht und jedes Leck sicher repariert werden kann. Die sogenannte hydraulische Wasserdichtung ist sowohl für den Ofengasals auch den Kühlgasgasreiniger.
Hochdruckoperation: Bei konventionellen DR-Schachtöfen beträgt der Druck in dem Auslass des Schachtofens zwischen 0,4 bis 0,6 bar und die Verfahrenskompressoren werden über ein Getriebe mit einem elektrischen Motor angetrieben, und es gibt Bypass-Leitungen, um in der Lage zu sein, die Kompressoren zu starten und den Lauf des Stromes zu steuern. Bei dem erfundenen Verfahren beträgt der Druck an dem Ofenauslass ungefähr 0,6 bis 0,9 bar. Eine andere Erfindung in diesem Bereich ist die Verwendung eines elektrischen Frequenzwandlermotors zum Betreiben der Kompressoren. Auf diese Weise wird der elektrische Verbrauch der Kompressoren reduziert und der Schlupf des Gases durch die Kompressoren und die Ventile eliminiert. Die Komprimierung des Gases kann mit Hilfe von rotierenden Keulenkompressoren oder Kompressoren vom Zentrifugaltyp erfolgen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schachtofen für die Herstellung von direkt reduziertem Eisen aus Eisenoxiden bereit zu stellen, der gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Schachtöfen eine verbesserte Leistung bei gleichzeitig erhöhter Energieeffizienz bietet.
Diese Aufgabe wird durch einen Schachtofen mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorhergehenden und weitere Aufgaben dieser Erfindung werden besser unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügte Zeichnung verstanden, in der:
1 zeigt die schematische Zeichnung des erfundenen Verfahrens für die direkte Reduktion von Eisenoxiden;
2a zeigt die vertikale Schnittansicht des Schachtofens gemäß der vorliegenden Erfindung;
2b ist die Aufsicht des erfundenen Schachtofens, welche die Ofengasauslässe und die Förderschenkelrinnen zeigt;
2c zeigt den Kohlenwasserstoff-Sauerstoff-Brenner für den erfundenen Prozess im Detail;
3a zeigt die kreuzförmigen Kühlgassammelelemente und -auslässe mit dem oberen Konus in Übereinstimmung mit der Erfindung;
3b zeigt die Kühlgasringeinlasselemente des Schachtofens gemäß der vorliegenden Erfindung;
4a zeigt die schematische vertikale Schnittansicht des nassen Gasreinigers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
4b zeigt die Wassersprühdüse für das Beschleunigungsrohr des erfundenen nassen Gasreinigers;
5 zeigt den Reformer mit oben angebrachten Brennern und einer Rohrspannvorrichtung gemäß dem erfundenen Verfahren;
Detaillierte Beschreibung
Direktreduktions (DR) Verfahren produzieren metallisches Eisen aus Eisenoxiden, indem sie gebundenen Sauerstoff bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Eisenerzes entfernen. Ein Produkt aus einem DR-Verfahren wird als direkt reduziertes Eisen, DRI bezeichnet. Die Reduktion von Eisenoxid in irgendeinem Direktreduktionsverfahren wird durch die Reduktionsmittel Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) bewirkt.
Fe (Oxid) + CO und/oder H₂ → Fe (Metall) + CO₂ und H₂O
Verschiedene Verarbeitungsschema sind für die Herstellung hochmetallisiertem DRI entwickelt worden. Zur Zeit verwendete Verfahren für die Herstellung von DRI müssen bezüglich der Energieeffizienz, der Einheitlichkeit der Produktqualität, der Flexibilität beim Einsatz verschiedener Eisenquellen und verschiedenen Energiequellen und für reduzierte Produktionskosten verbessert werden.
Obwohl das gesamte Ablaufschema und die allgemeine Anordnung der vorliegenden Erfindung möglicherweise bekannt sind, ist im Stand der Technik bisher der wesentliche Vorteil der Technik, welcher mit jeder Einheit der vorliegenden Erfindung und ihrer Kombination der Verfahrensschritte zusammenhängt nicht bekannt oder gewürdigt worden.
Mit Bezug auf die angefügte Zeichnung zeigt die 1 die grundlegende Einrichtung, welche bei dem erfundenen Verfahren verwendet wird, wobei ein vertikaler Reduktionsschachtofen 100 einen Beschickungsmaterialbunker (nicht beinhaltet) an der Spitze des Ofens für die Aufnahme der Eisenoxide aufweist, wobei die Eisenoxide, wel che durch den Beschickungsbunker herunter kommen, aufgrund der Schwerkraft durch das Zuführrohr 109 gelangen, und wobei sie gleichmäßig von dem Verteiler 110, welcher als umgekehrter Trichter bezeichnet wird, auf eine Mehrzahl von Förderschenkelrinnen 112 verteilt wird, um die Beschickung 115 aus Eisenoxidmaterial zu bilden, und wobei Ofengas-Abzugauslässe 120 und 121 im allgemeinen die Spitze der Reduktionszone definieren, und er ein Entfernungssystem 190 für reduzierte Pellets oder DRI an seinem Boden aufweist. Das Eisenoxid hat einen Eisengehalt von zwischen 60 bis 68 Gew.% und das DRI hat einen Eisengehalt von zwischen 80 bis 95 Gew.%.
Ein Reduktionsgaseinlass 132 definiert allgemein das untere Ende der Reduktionszone. Ein reduzierendes Gas wird in den Schachtofen 100 von zumindest zwei Niveaus von Anschlüssen, nämlich oberen Ringanschlüssen 131 und unteren Ringanschlüssen 132 eingeleitet. Die Produkte der Reduktionsreaktionen zwischen dem reduzierenden Gas und der Eisenoxidbeschickung innerhalb des Reduktionsschachtofens sind im wesentlichen Kohlendioxid und H₂O, welche durch die Ofengasauslässe 120 und 121 entfernt und zu dem Ofengassammler 123 und dann zu dem Gasreinigerkühler 500 geleitet werden, in dem sauberes kaltes Sprühwasser durch das verbrauchte Ofengas gelangt, wobei es die Partikel auswäscht und gleichzeitig die heißen Gase kühlt, danach gelangen 2/3 davon durch den Kaltgasauslass 520 zu einem Kompressor 600 und dann zu dem Prozessgasmischer 523, und 1/3 gelangt über das Rohr 522 zu einem Wärmetauscher 725.
Eine Kohlenwasserstoff enthaltene gasförmige Quelle 401 wird in dem Wärmetauscher 730 vorgewärmt, bevor sie mit dem Prozessgas in dem Mischer 523 vermischt wird, außerdem ist ein Strom von Dampf 731 von der Wasserquelle 410, nachdem sie durch den Wärmetauscher 720 gelangt ist, mit dem Prozessgasmischer 523 verbunden, wobei die kombinierten Gase vermischt und in den Wärmetauscher 715 eingeleitet werden, und wobei dieser Dampf und andere Quelle des CO₂ aus dem Prozessgas in dieser Leitung das Hauptoxidant zum Oxidieren der Kohlenwasserstoff enthaltenden Gase innerhalb des Reformerrohrs sind. Der Ausgang des Wärmetauschers 715 mit der Temperatur von ungefähr 650°C ist mit dem Reformerrohr 740 durch ein Rohr 716 verbunden. Der Ausgang des Reformerrohrs 740 ist von einem Spaltgasrohr 717 mit dem Reduktionsgaseinlass 130 des Direktreduktionsofens verbunden. Nachdem das Reduktionsgas nach oben durch die Beschickung gelangt ist und die Oxide in dem Ofen reduziert hat, wird das hergestellte metallische direkt reduzierte Eisen aus dem Ofen durch das Feststoffeentfernungssystem 190 an dem Ofenboden in konventioneller Art und Weise entfernt.
Wie bereits zuvor bemerkt wurde, wird 1/3 des durch das Rohr 522 abgegebenen verbrauchten Prozessgases in den Wärmetauscher 725 eingeleitet, auf 400°C vorgewärmt und in den Brenner 771 als eine Brennstoffquelle eingeleitet. Das Luftgebläse 610 drückt die Luft aus der Quelle 415 durch den Wärmetauscher 710, so dass heiße Luft mit der Temperatur von ungefähr 650°C durch den Brenner 771 als die Hauptluftversorgung geleitet wird. Die Verbrennungsenergie des Brenners 771 innerhalb des Reformerkastens 700 stellt genügend Energie für die endotherme Reformreaktion innerhalb der Reformerrohre 740 bereit. Das heiße verbrannte Gas wird von dem Reformer verbraucht, gelangt durch das Rohr 702 zu dem Wärmetauscher 701 und dient als die Wärmequelle für den Wärmetauscher, welcher mit einem Leistungsteil 705 durch ein Rohr 704 verbunden ist.
Ein Kühlgaskreislauf ist bereitgestellt, um das absinkende heiße DRI zu kühlen, bevor es aus dem Ofen austritt, dieses Kühlsystem beinhaltet die Gassammelelemente 160, welche allgemein den oberen Teil der Kühlzone definieren, heißes Kühlgas Sammelrohre 163, einen vertikalen heißes Kühlgas Auslass, einen Gasreinigerkühler 550, in dem sauberes kaltes Kühlsprühwasser durch das heiße Kühlgas gelangt und die Partikel auswäscht, während es gleichzeitig die heißen Gase kühlt, einen Kompressor 650, einen Kohlenwasserstoffgasinjektor 401, den kaltes Kühlgaseinlass 165, Kühlgasringanschlüsse 166, heiße Kohlenwasserstoffgas-Injektionsanschlüsse 151 und 152, vier rotierende Wellen 180 der mittleren Kühlzone und eine rotierende Welle 185 der unteren Kühlzone.
Gemäß den in der 2a gezeigten Ausführungsformen der Erfindung, hat der Reduktionsschachtofen, eines der Hauptmerkmale der Erfindung, generell drei getrennte Zonen; eine obere Zuführzone 101, eine zentrale Zone 102 und eine untere Abgabe- oder Kühlzone 103. Die obere Zone 101 ist die Vorwärm-, Vorreduktion- und Reduktionszone, in dieser Zone treten die Reduktionsreaktionen der Eisenoxide mit einer kontinuierlichen Umwandlung von Fe₂O₃ in Fe₃O₄, in FeO und in einer Endstufe in metallisches Fe auf. Die innere Wand des Schachtofens 100 ist teilweise oder vollständig mit einer feuerfesten Auskleidung bedeckt.
Die obere Zone 101 des Schachtofens weist an der Spitze ein Materialzuführrohr 109 auf, wobei durch dieses herunterkommendes Material gleichmäßig von einem umgekehrten Trichter 110 auf die Mehrzahl von Förderrinnen 112 verteilt wird und durch eine Rutschspitze 114 gelangt und eine Last 115 von Eisenoxidmaterial bildet, wohingegen die Ofengasauslässe 120 und 121 einen horizontalen Winkel von 45 bis 55° aufweisen, was gemäß unserer Erfahrung der optimale Winkel ist, um den Partikelübertrag zu reduzieren und den Druckabfall durch das Gas, welches durch diese Auslässe strömt, zu verringern. Die zwei Ofengaskanäle weisen, wie in der 2b gezeigt, einen nach oben zusammenlaufenden Winkel von 45° auf und treffen auf das Ofengashauptrohr 123 mit einem größeren Durchmesser, wobei in dem Verbindungsbereich der Durchmesser größer als jeder Rohrdurchmesser ist, wodurch die Gasgeschwindigkeit in dem absteigenden Teil des Rohrs 123 abnimmt. Gemäß den hier gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es die divergierenden Förderrinnen 112 das Eisenoxid an zwölf Punkten näher am Randbereich des Schachtofens als an der Mitte zu verteilen, wobei jeder Schenkel einen offenen Bereich an der Spitze 114 hat, welcher mehr von der Ofenfläche des Randbereichs bedeckt, wobei weniger Material weniger Widerstand gegen den Gasstrom in der Mitte bedeutet und ein größerer Hügel einen größeren Widerstand in dem Randbereich bedeutet, wodurch der Gasstrom durch die Mitte und den Randbereich vergleichmäßigt wird, wodurch demzufolge mehr heißes reduzierendes Gas nach oben durch die Mitte strömt und daher die Mitte des Schachtofens heißer als bei konventionellen Schachtöfen ist, und das Gas einheitlicher strömt.
Ein Reduziergaseinlass 132 definiert allgemein das untere Ende der Reduktionszone. Reduzierendes Gas wird in den oberen Schachtofen 101 aus zumindest zwei Niveaus von Anschlüssen, nämlich einer oberen Ringleitung 131 und einer unteren Ringleitung 132 injiziert, wobei jedes Ringanschlussniveau Gasanschlüsse 133 und 134 aufweist, und wobei heißes reduzierendes Gas nach innen und nach oben dem Strom von nach unten heruntersinkenden Oxidpellets 115 entgegenströmt. Die obere Zone 101 hat eine Höhe h und das verwendete Verhältnis von Durchmesser zu Höhe beträgt d = 0,6 h. Die Beziehung zwischen der Anzahl der Ringanschlüsse 133/134 und dem Schachtofendurchmesser ist in jedem Niveau als n = d/100 definiert, und der Durchmesser ist so kalkuliert, dass ungefähr 60% des reduzierenden Gases in den unteren Ringanschluss 134 eingeleitet wird, welcher einen horizontalen Winkel von 45 bis 50° hat, und 40% des reduzierenden Gases durch den oberen Ringanschluss 133 gelangt, welcher den horizontalen Winkel von 30 bis 35° aufweist. Die Ofendurchmesser unterhalb der jeweiligen Ringanschlüsse sind in Richtung der Außenseite etwas größer, was das abweichende Durchmesser-Höheverhältnis d1 = 0,62 h für den Bereich zwischen den oberen und unteren Ringanschlüssen und d2 = 0,64 h für den Bereich der Zentralzone verursacht.
Beide Ringgasleitungen sind mit unabhängigen Injektionssystemen 400 und 410 versehen. Der allgemeine Entwurf des innovativen Injektionssystem ist in der 2c gezeigt, wobei Quellen von Kohlenwasserstoff 401 und Wasserstoff 402 Gasen mit dem Injektor 400/410 kommunizieren, und wobei Sauerstoff von dem zentralen inneren Rohr 403 injiziert und Kohlenwasserstoff enthaltendes Gas durch das äußere Rohr 404 eingeleitet wird, es gibt einen Mischbereich 405, welcher mit beiden Rohren kommuniziert, in diesem Bereich wird der Sauerstoff mit Kohlenwasserstoff enthaltendem Gas vorgemischt und vorverbrannt und dann in die Ringleitungen 131/132 abgegeben. Auf diese Weise wird eine maximale Menge von Kohlenwasserstoffgas verwendet und geringere Mengen von guten reduzierenden Gaskomponenten wie z. B. CO und H₂ werden gebraucht. Das Verbrennen von Sauerstoff mit kohlenwasserstoffhaltigem Gas in der Leitung 131 erzeugt eine hohe Temperatur von 950°C bis 1050°C, wobei ein höherer Oxidant, ungefähr 5% CO₂ und ungefähr 10% H₂O, in dem Ringgas enthalten sind, dieses Gas wird in den Ofen durch Anschlüsse 133 eingeleitet, aufgrund des niedrigeren Reduktionspotentials des Gases, werden die Pellets heiß, obwohl in dieser Zone keine ab schließende Reduktion stattfindet. Ein Injektorsystem 410 ist ebenfalls in der Ringleitung 132 installiert, für diesen Injektor kommunizieren Quellen von schwerem Kohlenwasserstoffgas 415 und Sauerstoffgas 402, das Verbrennen von Sauerstoff mit dem schweren Kohlenwasserstoffgas in der Leitung 132 erzeugt eine hohe Temperatur von 850°C bis 950°C, wobei weniger Oxidant, ungefähr 3% CO₂ und ungefähr 5% H₂O in dem Ringgas enthalten sind, dieses Gas wird durch die Anschlüsse 134 in die heiße heruntersinkende Beschickung eingeleitet, wobei deren hoher Metallisierungsgrad dazu führt, dass der schwere Kohlenwasserstoff oxidiert wird, wobei in dieser Zone in-situ reformiert wird, und eine höhere Reduktionszone mit ungefähr 70% in-situ Reformierung gebildet wird.
Die zentrale Reduktionszone 102 ist eine Übergangszone, die Höhe dieses Bereiches ist h2 = 0,45 h, was die beste Pufferzone ergibt, die konvergierende Formation dieses Gebietes ergibt den wesentlichen Vorteil der Injektion des Ringgases. Die Vergrößerung des Volumens der Übergangszone in Kombination mit der Kohlenwasserstoff 401 Addition aus den peripheren Anschlüssen 150, im allgemeinen acht bis zehn Anschlüsse, die einen horizontalen Winkel von 50 bis 60° haben, wird die freie Wärme des DRI, welches hohe Temperatur von 600°C bis 800°C aufweist, effektiv für die in-situ Reformierung des Kohlenwasserstoffgases verwendet und außerdem wird mehr Fläche für die Karburierung von DRI bei höherer Temperatur bereitgestellt. Weiterhin bietet ein größerer Durchmesser hinter jedem Anschlussniveau ein größeres Reaktionsvolumen. Gemäß den hier gezeigten Ausführungsformen der Erfindungen, strömt hier in die Übergangszone injiziertes Kohlenwasserstoffgas, nach oben durch den Randbereich des Ofens und nicht durch die Mitte des Ofens, wobei ein hoher Grad von Eisenerzmetallisierung und Kohlenstoff bereitgestellt wird und wobei allgemein eine einheitlichen Reduktion der Beschickung über den gesamten Querschnitt erzielt wird. Weiterhin sind im Gegensatz zu konventionellen Schachtöfen keine Clusterbrecher oder Kühlgasableitungskanäle in dieser Zone vorhanden, weshalb der Schachtofen dieser Erfindung eine viel einheitlichere Materialbewegung aufweist.
Die Kühlzone oder untere Abgabezone 103 ist für die Kühlung des heißen DRI und auch für die Abgabe des DRI vorgesehen. Ausgehend von dem Ende der zentralen Zone weist sie denselben Durchmesser auf und konvergiert nach unten zu dem Boden, wobei die Höhe dieser Zone h1 = 1,2 h ist, was die beste Mengenströmvorrichtung ergibt. Die Kühlzone des erfundenen Verfahrens hat eine Doppelfunktion, nämlich das DRI im Falle der sogenannten Kalt-DRI-Abgabe auf 50 bis 60°C abzukühlen oder im Falle der heißen DRI-Abgabe auf 400 bis 500°C abzukühlen.
Kaltes Kühlgas nach dem Kompressor, welches mit dem Kohlenwasserstoffgas vermischt ist, wird durch die Leitung 165 durch die Kühlringanschlüsse 166 in den Ofen eingeleitet, wobei die Kühlringanschlüsse einen horizontalen Winkel von 50 bis 60° aufweisen. Der Querschnitt des Bereiches, durch den Kühlgas ausströmt, ist so begrenzt, dass das gesamte heiße DRI in diesem Bereich von dem Kühlgas beeinflusst wird, weshalb die Kühleffizienz sehr hoch ist. Das eingeleitete Gas strömt nach unten in dieselbe Richtung wie das DRI, was das DRI zu dem Ausgang des Ofens drückt, und strömt später verteilt nach oben in Richtung der heißen Kühlgassammler 160. Die 3b zeigt die Kühlgasringanschlüsse im Detail.
Gemäß den in der 2a gezeigten Ausführungsformen der Erfindung, wird heißes Kohlenwasserstoffgas in die obere Kühlzone in zwei Bereichen durch die Anschlüsse 152 und außerdem von dem Umfang der Basis des oberen Konus 161 eingeleitet. Ein Kohlenwasserstoffgasrohr 151 ist an einem der Kühlgasauslassarme 160 angebracht und mit der Mitte des Bodens des oberen Konus 161 verbunden, wobei dieses Kohlenwasserstoffgas den oberen Konus herunterkühlt, was dazu führt, dass das Kohlenwasserstoffgas vorgewärmt wird und das Kohlenwasserstoffgas tritt durch die Öffnungen 153, welche in dem Randbereich des oberen Konus angeordnet sind, aus und strömt nach oben durch die Übergangszone.
Aus der anderen Quelle wird heißes Kohlenwasserstoffgas 731 durch den Injektor 152 in die Kühlzone über den rotierenden Wellen 180 eingeleitet. In diesem Bereich gibt es etwas CO₂ und H₂O, daher werden, wenn Kohlenwasserstoffgas in diesem Bereich gecrackt wird, etwas H₂ und Co in diesem Bereich gebildet, und außerdem bildet etwas Kohlenwasserstoffgas etwas Kohlenstoff, welcher mit metallisiertem Eisen reagiert und den Kohlenstoffgehalt des DRIs erhöht. Alle Crackreaktionen sind endotherm, weshalb das heiße Kohlenwasserstoffgas tatsächlich das Bett kühlt und etwas Kohlenstoff in dem DRI produziert.
Die erfundenen rotierenden Wellen 180 in der mittleren Kühlzone rotieren in dieser Zone 360° gegeneinander, was die Cluster zerbricht und zermahlt, wenn solche vorhanden sind. Weiterhin erleichtern sie die einheitliche Bewegung der Eisenpartikel innerhalb des Reduktionsschachtes. Diese rotierenden Wellen, vier von diesen, sind an sehr kritischen und effektiven Plätzen angeordnet, so dass sie um 360° rotieren, um die Bewegung der Beschickung und das zerbrechen der übrigen Cluster zu erleichtern. Alle rotierenden Wellen werden von elektrischen Frequenzwandlermotoren angetrieben, um die Geschwindigkeit des Fließbettes zu verändern. Aus dem selben Grund ist eine weitere rotierende Welle an dem Boden des Reduktionsofens angeordnet, um die Bewegung des Bettes zu erleichtern.
Daher ist gemäß der Ausführungsformen des erfundenen Verfahrens der Reduktionsschacht bei der Innovation derjenige mit der einheitlichsten und höchsten Reduktionsrate, welcher als ein sogenannter einheitlicher Hochreduktionsschachtofen bezeichnet wird.
Mit Bezug auf die in der 3a gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ist das Kühlgassammelelement 160 mit dem oberen konischen Element 161 verbunden, um die effektivste Strömungsvorrichtung innerhalb des Schachtofens bereitzustellen, wobei sich die konische Vorrichtung in die Übergangszone erstreckt, um die Eisenpartikel in den Randbereich des Schachtes umzuleiten und den Querschnitt zu begrenzen, um dank der progressiven Reduktion des Querschnitts in diesem Bereich eine effektive Pufferzone 102 zu schaffen. Eine weitere Aufgabe des Konus 161 ist es, die Beschickung einheitlich von der Mitte des Schachtes weg zu brechen, um einen einheitlichen Strom der herabsinkenden Eisenpartikel zu gewährleisten, gemäß der hier gezeigten Innovation ist das Gassammelelement 160 ein kreuzförmiger Sammler, bei dem in jedem Sammelarm der Querschnitt fortschreitend abnimmt, um den Strom der heißen Kühlgasabzüge 170 bis 173 zu steuern, wodurch ein gleichmäßiger Gasstrom von dem Randbereich durch die Mitte erzielt wird, außerdem hilft dieser breitere Sammler in dem Randbereich dabei, einen einheitlicheren Durchgangsbereich für herabsinkende Eisenpartikel sowohl in dem Randbereich als auch in der Mitte zwischen den Sammlerarmen bereitzustellen. Außerdem haben die Sammlerarme 160, wie dies in dieser Ausführungsform gezeigt ist, einen scharfen Oberwinkel, was dabei hilft, die Beschickung zu brechen und den Widerstand innerhalb dieses Bereichs zu vermindern. Weiterhin hat gemäß der Innovation auch der Sammler 151 einen konvergierenden Konus 162, welcher direkt an dem Boden des unteren Konus 161 und zwischen den Sammlerarmen angeordnet ist, wobei dieser Konus ein glatteres Nachuntenströmen der Eisenpartikel gewährleistet und außerdem für den Zweck vorgesehen ist, das Kühlgas dicht abzuschließen, um ein Entweichen durch die Mitte in die Übergangszone zu vermeiden.
Gemäß den in der 4 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung sind die Gaswäscher 500/550 vorteilhafterweise Einmalgaswäscher, bei denen die heißen staubbeladenen Gase, das Ofengas/das heiße Kühlgas aus dem feuerfest ausgekleideten Kanal 123/164 durch den oberen Konus 501 mit einer nach unten konvergierenden Konformation und mit einem kleinen Bodendurchmesser, der gleich zu dem inneren Durchmesser des Kanals 123/124 ist, gelangt, wobei Wasserduschen 502 die Wassertropfen nach unten in Richtung des Gases abgeben, und wobei die Menge an Wasser 1 m³ Wasser pro 1000 Normalcubikmeter des Gases beträgt, und wobei das Sprühwasser 502 das Gas kühlt, den metallischen Konus 501 gegen Abnutzung und Ablagerung schützt und ebenfalls dazu beiträgt, die Gasgeschwindigkeit zu erhöhen. Nach dem oberen Konus 501 wird das Gas in das vertikale Beschleunigungsrohr 503 eingeleitet, wobei sich in diesem Rohr das Gas gemeinsam mit den Partikeln nach unten bewegt und an Geschwindigkeit gewinnt, weiterhin werden die weiterhin staubbeladenen Gase durch mehrere Konzentrationen von Sprühwasser geleitet, hier erzeugt von Sprüheinrichtungen 505, die dafür ausgelegt sind, Wasser und staubbeladenes Gas von den Seiten zu der Mitte zu verwirbeln und für eine stärkere Wechselwirkung mit den Partikeln in dem Gas zu sorgen (siehe 4b). An dem Boden des Beschleunigungsrohres 503 ist ein unterer Konus 507 mit einer nach unten konvergierenden Konformation angeordnet, wobei der Durchlassdurchmesser das 0,6-fache des Durchmessers des Beschleunigungsrohres beträgt, und wobei das Gas zunehmend komprimiert wird und die Geschwindigkeit der Gaspartikel beschleunigt wird, was zu einer höheren kinetischen Energie am Ende des unteren Konus 507 führt, und dann treffen die Gaspartikel auf das Wasser auf, wobei einige der Partikel aufgrund der Aufschlagkraft abgetrennt werden und in dem Wasser bleiben und einige Partikel durch Abfangen festgehalten werden, wobei der Gaspartikel, welcher diesem Aufschlagbereich entkommt, durch einen kleinen Wasservorhang 509 und dann durch einen großen Wasservorhang 510 gelangen muss, welche wiederum einige der Partikel abfangen, wobei die Menge des Wassers des kleinen und des großen Wasservorhangs jeweils 1 und 3 m³ pro 100 Normalcubikmeter des Wassers betragen. Das saubere Gas steigt nach oben durch Lagen von Füllkörpern 513, welche von Wassersprüheinrichtungen 515 besprüht werden, was zur endgültigen Säuberung und Kühlung des Gases führt, wobei 5 bis 7 m³ Wasser pro 100 Normalcubikmeter des Gases in diesem Füllbereich benötigt werden, das gereinigte kalte Gas tritt in die zweite Schicht von Füllmaterial 517 ein, in dem Wasser entfernt wird, wobei es nicht notwendig ist, dass die Sprühwassereinrichtungen 519 die ganze Zeit sauberes Wasser auf das saubere Füllmaterial 517 abgeben. Eine Aufschlemmung wird durch das Rohr 511 zu dem Wasserbehandlungssystem (nicht in der Skizze enthalten) abgeführt.
Die Temperatur des in die Gaswäscher eingeleiteten Wassers sollte nicht höher als Raumtemperatur sein und kann so kalt wie möglich sein. Die Wasservorhangquelle 506 kann eine Wasserrückförderpumpe 516 von dem Wassersammler 512 verwenden, das Wasserniveau in dem Sammler 512 wird in einer bestimmten Position 514 mit Hilfe von automatischen Wassersteuerventilen und Niveausteuervorrichtungen konstant gehalten. Während des Betriebes kann das Wasserniveau auf die Position 508 angehoben werden, welches sowohl für den Ofengas – als auch für den Kühlgasreiniger vorgesehen ist, wodurch der Ofen abgedichtet wird und kein Weg für die Kontamination des Schachtofens mit Sauerstoff vorhanden ist.
Gemäß den in der 5 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung weist der Reformer 700 eine Mehrzahl von indirekten Katalysator enthaltenden Wärmetauscherrohren 740 auf, welche von außen erwärmt werden, wobei nur sechs gezeigt sind und die heißes reduzierendes Gas erzeugen. Der Reformerofen hat zwei Strömungssysteme, nämlich das Reformer- und das Verbrennungssystem. In dem Reformerkreislauf wird heißes Zuführgas aus dem Rohr 716 gleichmäßig auf die Zuführgassammelbehälterrohre 745, welche feuerfest ausgekleidete Rohre sind, verteilt und durch kleinere Verbindungsrohre 746 und flexible Rohre 747 in die Katalysator enthaltenden Rohre 740 von der Spitze der Rohre aus eingeleitet. Heruntersinkendes Gas tritt an der Unterseite der Rohre aus, gelangt durch die Gasauslässe 750 und wird von den Gassammelrohren 751 gesammelt, wobei es ein Sammelrohr für jeweils zwei Rohrreihen gibt, und wobei zuletzt drei Rohre zu einem Rohr 717 verbunden sind, welches als die heiße Spaltgasleitung bezeichnet wird. Das heiße Spaltgas in der Leitung 717 hat eine minimale Temperatur von 920°C, einen molaren Prozentsatz von CO + H₂ von 90% und eine minimale Gasqualität von 11%, wobei die Gasqualität als Mol H₂ + CO durch Mol H₂O + CO₂ definiert ist.
In dem Verbrennungssystem wird heißer Ofengasbrennstoff 726 auf sieben Ofengasbrennstoffleitungen 760 für jeden Brenner verteilt, dann durch die Verbindungsrohre 761 zu der Mischkammer 770 geleitet, wobei von der anderen Seite heiße Luft von der Quelle 711 in sieben heiße Luftrohre 765 verteilt und dann durch die Verbindungsrohre 766 zu der Mischkammer des Brenners 770 geleitet wird. Bei dem Brennerverbrennungssystem des an der Spitze angebrachten Reformers wird vermischtes heißes Verbrennungsgas von dem Mischer 770 an dem Brennermund 771 verbrannt und strömt zu dem Boden des Reformers herunter. Die Wärmeenergie von dieser Verbrennung wird als Energiequelle für die endothermen Reformerreaktionen in den Reformerrohren 740 verwendet. Heißes Abgas, welches als Rauchgas bezeichnet wird, wird an dem Reformerboden durch die Seitenkanäle 780 und dann durch die Seitenrauchgassammler 781 auf beiden Seiten des Reformers abgegeben. Weiterhin entweicht weiteres Rauchgas durch die zentralen Kanäle 785 und die zentralen Rauchgassammler 786, wobei zwei von diesen in dem Querschnitt gezeigt sind, und wobei das Rauchgas aus den Sammlern 781 und 786 gemeinsam in das Rohr 702 gesaugt wird und sich durch die Wärmetaucher 701 bewegt und als die Wärmequelle für die Wärmetauscher dient. Bei diesem Reformer ist jedes Reformerrohr einfach ein Stück eines Legierungsrohrs mit 9 m Höhe, welche mit dem Metallbodenblech des Reformers verschweißt und an dem oberen Ende aufgehängt sind. Das obere Ende des Rohrs ist mit einer Zugvorrichtung versehen, welches jedes einzelne Rohr konstant nach oben zieht, wobei sie dabei hilft, die Rohre die gesamte Zeit gerade zu halten und ebenfalls die thermische Expansion/Kontraktion der Rohre erleichtert. Die Zugvorrichtung besteht aus einem Ziehseil 741, einer Rolle 742 und einem Gegengewicht 743.
Die Reformereinheit der vorliegenden Erfindung weist einzigartig kombinierte Merkmale im Vergleich zu den zur Zeit kommerziell erhältlichen Reformern auf. Die Rohre sind einfacher und benötigen weniger Legierungen, was sie günstiger macht, und die thermische Verlängerung/Kontraktion kann aufgrund des einfachen, individuellen, konstanten Zugsystems unbehindert stattfinden, was dazu führt, dass die Rohre länger halten. Die Reformerrohre sind in dem unteren Teil nahe zu dem Reformerboden heißer, und weiterhin ist der Katalysator mit der höchsten Aktivität in dem unteren Ende des Rohres angeordnet, was zu einem vollständigen Cracken der Kohlenwasserstoffe führt. Weiterhin wird eine Flamme von oben eingeleitet und heißes Abgas wird von dem Boden aus herausgezogen, andererseits wird Zuführgas von dem oberen Ende des Rohres aus injiziert und heißes Zuführgas wird am unteren Ende der Rohre herausgedrückt, daher wird das Dach des Reformers weniger Belastung und Hitze ausgesetzt, was eine längere Lebensdauer und weniger Wartung des Reformers bedeutet. Außerdem wird Rauchgas von den Seiten und zwei Punkten in der Mitte des Reformers abgesaugt, wodurch ein wesentlich gleichmäßigeres Heizsystem erhalten wird.
Bei dem innovativen Verfahren sind die Prozessgaskompressoren 600, die Kühlgaskompressoren 650 und der Hauptluftversorger 610 Rotationskolbenkompressoren oder Kompressoren vom Zentrifugaltyp und werden von elektrischen Frequenzwechselmotoren angetrieben. Daher ist der Gasstrom im Gegensatz zu einigen Verfahren des Standes der Technik, welche Bypassrohre/Ventile für den Start und eine geringere Strömungsgeschwindigkeit benötigten, ein offener Strom. Es gibt keine Gaslecks in den Bypassleitungen und -ventilen, wodurch die Effizienz der Kompressoren erhöht wird und der Elektrizitätsverbrauch des Verfahrens sinkt.
Zitierte Belegstellen:

U.S. Pat. Nr. 4,054,444 10/1977 Clark et al. 75/34 C21B-13/02
U.S. Pat. Nr. 4,536,213 8/1985 Sanzenbacher 75/35 C21B-13/02
U.S. Pat. Nr. 4,880,459 11/1989 Coyne 75/35 C21B-13/02 Pat. Nr. WO0118258 2/2201 Milorad et al. C21B-11/02
U.S. Pat. Nr. 4,380,328 4/1983 Kohama et al. 75/34 C21B-9/20
U.S. Pat Nr. 4,046,557 9/1977 Beggs 75/35 C21B-13/02
U.S. Pat. Nr. 4,374,585 2/1983 Papst et al. 266/81 F27B-1/16
U.S. Pat. Nr. 4,449,671 5/1984 Martinez et al. 241/36 B02C-23/00
Pat. Nr. WO0114598 3/2001 Craig et al. C213-13/00
Pat. Nr. WO2006/111574A1 10/2006 Arbeno et al. C21B-13/02

Claims

Ein vertikaler Schachtofen für die direkte Reduktion von Eisenoxiden, um direkt reduziertes Eisen (DRI) zu erhalten, welcher diese Vorrichtungen aufweist: (a) eine Schwerkraftzufuhr, die in ihrem oberen Teil eine Mehrzahl von Förderschenkelrinnen (112) für die Zufuhr des Oxids aufweist, eine Zone (101) zum Trocknen, in der Vorreduktionsreaktionen und Reduktionsreaktionen stattfinden, Ringanschlüsse (131, 132) für die Einleitung von reduzierendem Gas in die Reduktionszone, um ein Ringgas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst, mit dem Oxid und Ringgas in der Reduktionszone in Kontakt zu bringen, um direkt reduziertes Eisen zu bilden, und einem verbrauchten Ofengas, das durch die Ofengasauslässe (120, 121) ausgestoßen wird. In seinem mittleren Teil weist er eine Pufferzone (102), um die Reduktionszone (101) von der unteren Zone zu trennen, und Injektionsanschlüsse (150) für die Einleitung von Kohlenwasserstoffgas in diese Zone auf. In seinem unteren Teil weist er einen metal lischen konischen Mantel (103) zum Kühlen des heißen reduzierten Eisens, einen kreuzförmigen Sammler (160) zum Sammeln des heißen Kühlgases, einen oberen Konus (160) zum Brechen der Beschickung und zum Unterstützen der gleichmäßigen Bewegung der Beschickung, einen unteren Konus (162) zum Abschließen der unteren Zone und um dabei zu helfen, das Gas aus der Mitte zu sammeln, einen Heißgasauslass (163), um das heiße Kühlgas zu sammeln und zu leiten, Anschlüsse (151), um das Kohlenwasserstoffgas in den oberen Konus einzuleiten, Anschlüsse (152), um heißes Kohlenwasserstoffgas in die Kühlzone einzuleiten, Anschlüsse (166), um kaltes Kühlgas einzuleiten, rotierende Wellen (180, 185), um die Cluster zu zerbrechen und die Beschickung zu bewegen und einen Auslass (190) für die Entfernung des DRI aus dem Schachtofen auf. b) Es werden vertikale nasse Gaseinmalreiniger (500/550) bereitgestellt, welche einen sich in Strömungsrichtung des Gases verengenden oberen Konus (501), ein vertikales Beschleunigungsrohr (503), mehrere verwirbelnde Wassersprüheinrichtungen (505), einen unteren Lufttrichterkonus (507, der sich in Strömungsrichtung des Gases verengt, einen kleinen Wasservorhang (509) und einen großen Wasservorhang (510), einen Füllbereich (513), welcher von einer Wassersprüheinrichtung (515) besprüht wird, einen dampfentfernenden Füllbereich (517) mit einer Wassersprüheinrichtung (519), eine Rückführpumpe (516) und ein Abführrohr (514) für eine Aufschlemmung (511) aufweist. (c) Es wird ein Reformerkasten (700) bereitgestellt, der eine Mehrzahl von indirekten Katalysatoren enthaltenden Wärmetauscherrohren (740), feuerfest ausgekleidete Zuführgassammelbehälterrohre (745), kleinere Verbindungsrohre (746) und flexible Rohre (747) aufweist, wobei die einen Katalysator enthaltenden Rohre (740) ausgelegt sind, um von dem oberen Ende der Rohre unter Sammlung des heißen Spaltgases, ein Spaltgas, welches Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, einzuleiten, wobei Bodenauslässe (750) ausgebildet sind, um das Spaltgas zu sammeln und Gassammelrohre (751) und ein Spaltgasrohr (717), welches mit den Ringleitungen kommuniziert, vorgesehen sind, um das Spaltgas zu leiten. (d) Weiterhin ist der Reformerkasten ausgebildet heißen Ofengasbrennstoff (726) durch Ofengasbrennstoffleitungen (760) aufzuteilen, zu den kleineren Verteilern (761) und dann zu dem oben angebrachten Brenner (771) zu leiten, weiterhin die Heißluftleitung (711) auf ein kleineres Rohr (765) zu verteilen, dann durch das Verbindungsrohr (766) zu dem oben angebrachten Brenner (711) zu leiten. Der Reformerkasten ist weiter ausgebildet heißes verbranntes Gas von dem oben angebrachten Brenner (771) nach unten zu dem Reformerboden strömen zu lassen. Der Reformerkasten ist weiter ausgebildet die Wärmeenergie von dieser Verbrennung als eine Energiequelle für die endothermen Reformerreaktionen innerhalb der Reformerrohre (740) zu verwenden. Der Reformerkasten ist weiter ausge bildet heißes Abgas aus den Kanälen (780) und dem Mittelkanal (785) abzugeben und in den Sammlern (781 und 786) zu sammeln, dann an das Rohr (702) abzugeben und danach durch die Wärmetauscher (701) zu bewegen, wobei es als die Wärmequelle für die Wärmetauscher dient: Heißluft (710), Prozessgas (715), Kohlenwasserstoffgas (720), Hochofengassbrennstoff (725) und der Dampfgenerator (730). Der Reformerkasten ist weiter so ausgebildet, dass Rauchgas mit der Temperatur von ungefähr 250°C zu einem Rohr (704) und zu dem Leistungsinjektorluftgebläse (705) gelangt. (e) Der Schachtofen ist ausgebildet einen Reduktionsgasstrom bereit zu stellen, der wie folgt zirkuliert: ausgehend von dem heißen Spaltgas (717) gelangt es zu den Ringleitungen (131, 132), wird teilweise bei höherer Temperatur verbrannt und dann in den Schachtofen (100) eingeleitet, wo es mit dem Eisenoxid (115) innerhalb des Schachtofens in Kontakt kommt, und zumindest teilweise das Eisenoxid zu dem direkt reduzierten Eisen (190) reduziert, es wird das verbrauchte Gas von den Hochofengasleitungen (120, 121) abgezogen, gekühlt und gesäubert, um den kalten Gasstrom (520) zu bilden, es wird 2/3 des Kühlgases (521) unter Druck gesetzt, es wird mit dem heißen Strom von Kohlenwasserstoffgas (721) kombiniert und der heiße Strom (731) bildet den Zuführspaltgasstrom (716), es wird das Zuführgas durch den Gasreformer (700) geleitet, wobei ein heißes Spaltgas (717) gebildet wird.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reduktionszone des oberen Teils (101) ein Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von d = 0,6 h aufweist.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reduktionszone des oberen Teils (101) ein Verhältnis Höhe zu Durchmesser von d1 = 0,62 h aufweist.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Zone (102) ein Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von d2 = 0,64 h aufweist.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Zone (102) eine Höhe von h2 = 0,45 h aufweist.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Abgabezone (103) eine Höhe von h1 = 1,2 h aufweist.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenauslässe (120, 121) einen Druck von zwischen 0,6 bis 0,9 bar aufweisen.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ausgebildet ist das obere Dichtungsgas oder Stickstoff (108) in den umgekehrten Trichter (110) zu injizieren.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgas- und Kühlgaskompressoren (600, 650) und das Hauptluftgebläse (610) elektrische Frequenzwandlermotoren als den Hauptantrieb aufweisen.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrinnen (112) divergierend nach unten innerhalb des Schachtofens ausgebildet sind, wobei der Winkel in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Ofens zwischen 60 und 80° beträgt, und wobei zumindest zwölf von diesen vorhanden sind.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende von jeder Rinne (114) an allen vier Ecken nach unten divergiert, so dass der Querschnitt der Rinnen an den Enden (114) mindestens 1,5-mal größer als der Querschnitt an der Spitze (112) ist.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgassammelelement (160) kreuzförmige Auslasselemente aufweist, welche in jedem Sammlerarm im Querschnitt fortschreitend in Richtung der Mitte abnimmt.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der kreuzförmigen Arme (160) mit Bezug auf die Horizontale zwischen 5 und 10° beträgt.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kreuzförmigen Arme (116) eine scharfe Kante an der Spitze aufweisen, die einen Winkel mit Bezug auf die Horizontale von 60° aufweist.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgassammelelement an der Spitze auf der Mitte der Sammlerarme einen oberen Konus (161) aufweist, welcher nach oben konvergiert.
Vorrichtung wie in Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kohlenwasserstoffgasleitung (151) mit der Mitte des oberen Konus verbunden ist und aus dem Randbereich des Konus (153) austritt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, welche auf dem unteren und zwischen den Sammelarmen einen unteren Teilkonus (162) aufweist, welcher nach unten konvergiert.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Ringgaseinlass (165) und Anschlusselemente (166) aufweist, welche einen Winkel von 50 bis 60° mit Bezug auf den horizontalen Winkel aufweisen.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitte des Konus der Kühlzone vier rotierende Wellen (180) installiert sind, wobei jeweils zwei gegeneinander rotieren.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Boden des Konus der Kühlzone eine rotierender Welle (185) installiert ist.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlzonenkonus ein metallischer Mantel für die Abgabe von kaltem DRI ist.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlzonenkonus ein metallischer Mantel ist, welcher für die Abgabe von heißem DRI von außen isoliert oder feuerfest monolithisch ausgekleidet ist.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlzonenkonus ein von außen isolierter metallischer Mantel für die heiße DRI-Abgabe ist.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Ringeinlasselement (165) aufweist, und der Schachtofen ausgebildet ist kaltes Gas durch Kühlgasanschlüsse (166) um die Kühlzone herum ins zu injizieren.
Ein Schachtofen wie in Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Kühlgasanschlüsse (166) mit Bezug auf die Horizontale zwischen 50 und 60° beträgt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofengasauslässe (120, 121) zwei Rohre mit einem 45° nach oben geneigten Winkel mit Bezug auf die Horizontale sind und ebenfalls 45° nach oben konvergieren.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Sauerstoff-Kohlenwasserstoffbrenner (400 und 410) zum Verbrennen der Kohlenwasserstoff-/schwere Kohlenwasserstoffgase und zum Erhöhen der Ringgastemperatur aufweist. Sie ist ausgebildet Sauerstoff von dem mittleren inneren Rohr (403), welches ein Abdeckblech auf der äußeren Oberfläche aufweist, zu injizieren, und kohlenwasserstoffenthaltendes Gas durch das äußere Rohr (404), welches ein Abdeckblech auf der inneren Oberfläche aufweist, einzuleiten. Beide Abdeckbleche erzeugen einen Wirbelstrom, welcher dazu beiträgt, die Gase besser vorzumischen und vorzuverbrennen.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der oberen Ringanschlüsse (133) des Schachtofens mit Bezug auf die Horizontale zwischen 30 bis 35° beträgt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der oberen Ringanschlüsse (133) des Schachtofens mit Bezug auf die Horizontale 32° beträgt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der unteren Ringanschlüsse (134) des Schachtofens mit Bezug auf die Horizontale zwischen 45 und 50° beträgt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der unteren Ringanschlüsse (134) des Schachtofens mit Bezug auf die Horizontale 48° beträgt.
Eine Vorrichtung wie in den Ansprüchen 28 und 30, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und unteren Ringanschlüsse eine rechteckige Form haben, wobei die Längsrichtung horizontal angeordnet ist.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und unteren Ringanschlüsse einen 30°-Winkel, der nach unten zuläuft, aufweisen.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Ringanschlüsse in jedem Niveau durch n = d/100 definiert ist, wobei d der Durchmesser des Schachtofens auf jedem Niveau ist.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 31, bei der 60% des reduzierenden Gases in der Leitung (130) in die unteren Anschlüsse (134) eingeleitet werden und 40% des reduzierenden Gases (130) durch die oberen Ringanschlüsse (133) gelangt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Kohlenwasserstoffgasanschlüsse (150 und 151) mit Bezug auf die Horizontale zwischen 50 und 60° beträgt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Kohlenwasserstoffanschlüsse (150 und 151) mit Bezug auf die Horizontale 55° beträgt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kohlenwasserstoffanschlüsse in jedem Niveau (150 und 151) 6 bis 10 Anschlüsse beträgt.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformerrohre (740) Rohre aus einer Hochchromnickellegierung mit einer Höhe von ungefähr 6 m und einem Durchmesser zwischen 20 und 28 cm bestehen.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformerrohre (740) am oberen Ende mit jeweils einer Zugvorrichtung versehen sind, die jedes einzelne Rohr konstant nach oben zieht.
Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführgasrohr (745) ein feuerfest ausgekleidetes Rohr ist.