DE102010022773A1 - Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Roheisen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Erzeugung von Roheisen, wobei körnige eisenoxidhaltige Rohstoffe mit einem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel in einem Wirbelschichtreaktor bei einer Temperatur von wenigstens 850°C partiell zu einer reduzierten Mischung reduziert werden und die reduzierte Mischung über ein Austragsystem, ggf. nach Trennung der magnetischen und nichtmagnetischen Komponenten durch Heißmagnetscheidung, einer Schmelzreduktion zugeführt wird. Um den Energieverbrauch zu optimieren, wird die reduzierte Mischung vor der Zuführung zu der Schmelzreduktion in einer Wärmetauscher-Vorrichtung auf 600°C bis 800°C abgekühlt wird, wobei als Kühlmedium ein vorgeheiztes Prozessgas eingesetzt wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung von Roheisen, bei dem ein reduziertes Erz als Zwischenprodukt eingesetzt wird.
  • Die Gewinnung von Roheisen aus feinen eisenoxidhaltigen Rohstoffen, z. B. Eisenerzen, erfolgt überwiegend durch Agglomeration (Sintern, Pelletieren) gefolgt von einer Schmelzreduktion (z. B. im Hochofen). Die Agglomeration kann umgangen werden durch Vorreduktion der feinen Rohstoffe zu reduziertem Erz und anschließende Schmelzreduktion dieses reduzierten Erzes zu flüssigem Roheisen. So hat beispielsweise die Anmelderin das sogenannte ”Circofer”-Verfahren entwickelt, in dem Eisenerz in festem Zustand zusammen mit Kohle bei z. B. 850–950°C und z. B. 4 bar Druck direkt zu Eisenschwamm reduziert wird (vgl. WO 2005/116275 A , WO 2005/116273 A ). Das Produkt der Direktreduktion wird gewöhnlicherweise durch Magnetscheidung in eine nicht magnetische Fraktion von Nebenprodukten insbesondere der Kohle und eine magnetische eisenhaltige Fraktion getrennt. Die magnetische eisenhaltige Fraktion, d. h. das reduzierte Erz, als Zwischenprodukt wird dann in Schmelzreduktionsverfahren wie beispielsweise durch das sog. ”Auslron”-Verfahren der Anmelderin oder in einem Elektroreduktionsofen zu flüssigem Roheisen weiterverarbeitet.
  • Die reduzierte Mischung aus einerseits reduziertem Erz sowie andererseits Kohleasche und Restkohlenstoff (Schwelkoks), die als Zwischenprodukt aus der Direktreduktion abgezogen wird, muss vor der (Heiß-)Magnetscheidung zumindest unter die Curie-Temperatur des Eisens von 768°C abgekühlt werden, um vor dem Einschmelzen eine effiziente Abtrennung der nichtmagnetischen Nebenprodukte zu erreichen. Bislang liegen nur wenige Konzepte für die Kühlung der reduzierten Mischung vor. So wird beispielsweise eine indirekte Kühlung durch Wasser vorgeschlagen. Hierbei geht jedoch ein nicht unerheblicher Teil der Wärmeenergie der reduzierten Mischung aus der Direktreduktion verloren. Gemäß der US 4,073,642 wird das Zwischenprodukt in einem klassischen Wirbelbett indirekt mit Luft gekühlt. Auch in diesem Fall geht ein nicht unerheblicher Teil der Wärmeenergie verloren, da die zur Kühlung verwendete Luft nicht in den ”Circofer”-Prozess zurückgeführt werden kann. Viele andere Veröffentlichungen schlagen gar kein Kühlkonzept vor.
  • Bei der Direktreduktion von Eisenerz nach dem ”Circofer”-Verfahren wird ein reduzierendes Fluidisiergas mit hoher Temperatur der Wirbelschicht zur Direktreduktion zugeführt. Bei der Verwendung stark aufkohlender Atmosphären (Atmosphären mit hohem CO-Gehalt) im Temperaturbereich zwischen 450°C und 800°C besteht die Gefahr der Hochtemperaturkorrosion der Anlagenwerkstoffe durch sogenanntes ”Metal Dusting”. Das Erscheinungsbild dieser Schadensart ist nicht einheitlich und reicht von flächigem bis hin zu lochfraßartigem Angriff. Das Korrosionsprodukt besteht im Wesentlichen aus Graphit und feinen Metallpartikeln. Das ”Metal Dusting” kann zu einem schnellen Materialversagen der Anlagenwerkstoffe führen. Um eine solche Hochtemperaturkorrosion zu verhindern, müssen teure hochlegierte Stähle mit hohen Gehalten an Nickel, Chrom, Aluminium und/oder Silizium für alle Bauteile verwendet werden, die mit dem heißen Fluidisiergas in Kontakt stehen, wie insbesondere der Gaserhitzer.
  • Die Nachteile der vorstehend beschriebenen Technologie bestehen folglich in nicht unerheblichen Energieverlusten durch die Kühlung der eisenhaltigen Zwischenprodukte sowie in den hohen Kosten für die zu verwendenden Werkstoffe des Gaserhitzers.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Anlage zur energieoptimierten Erzeugung von Roheisen bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 bzw. 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Roheisen, bei dem körniges Eisenerz mit einem Reduktionsmittel in einem Wirbelschichtreaktor bei einer Temperatur von wenigstens 850°C partiell reduziert wird und insbesondere der magnetische Teil der reduzierten Mischung in einer Schmelzreduktion zu Roheisen geschmolzen wird, wird die reduzierte Mischung vor der Zuführung zu der Schmelzreduktion in einer Wärmetauscher-Vorrichtung auf 700°C bis 800°C, bevorzugt auf 740°C bis 760°C, abgekühlt, wobei als Kühlmedium ein vorgeheiztes Prozessgas eingesetzt wird.
  • Überraschenderweise konnte im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden werden, dass der Energiebedarf für die Gewinnung von Roheisen deutlich gesenkt werden kann, wenn die reduzierte Mischung aus der Vorreduktion nach lediglich geringer Abkühlung in der Wärmetauscher-Vorrichtung einem Heißmagnetscheider zugeführt wird, in dem nichtmagnetische Anteile vor dem Schmelzen abgetrennt werden. Das im Heißmagnetscheider erhaltene reduzierte Erz hat immer noch eine ausreichend hohe Temperatur von 650°C bis 750°C, so dass der Energieaufwand für die anschließende Schmelzreduktion deutlich verringert werden kann.
  • Da zudem bevorzugt eine zirkulierende Wirbelschicht für die Vorreduktion verwendet wird, kann aufgrund des hohen Stoff- und Wärmeaustauschs in der Wirbelschicht eine gleichmäßige Reduktion des eingesetzten Materials unter minimalem Energieaufwand erreicht werden.
  • Um eine besonders effiziente Verfahrensführung zu erreichen, wird vorgeschlagen, das Prozessgas im Kreislauf zu führen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist daher das Prozessgas ein vorzugsweise Kohlenmonoxid (CO) und elementaren Wasserstoff (H2) enthaltendes Rezirkulationsgas, welches aus dem Reduktionsreaktor abgezogen, entstaubt, gekühlt und von den Reduktionsprodukten Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2) weitestgehend befreit wurde.
  • Vorzugsweise wird das Prozessgas auf 300°C bis 500°C, bevorzugt auf 350°C bis 450°C und insbesondere auf 390°C bis 410°C vorgeheizt.
  • Durch das moderate Vorheizen des Prozessgases auf Temperaturen, die unter dem für die Hochtemperaturkorrosion kritischen Temperaturbereich liegen, kann eine Aufkohlung der Anlagenwerkstoffe (”Metal Dusting”) auch ohne den Einsatz teurer hochlegierter Stähle für den Prozessgaserhitzer verhindert werden.
  • Dabei wird das Prozessgas erfindungsgemäß in der Wärmetauscher-Vorrichtung durch die reduzierte Mischung auf 700°C bis 800°C, bevorzugt auf 740°C bis 760°C, aufgeheizt.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens wird im Anschluss an die Wärmetauscher-Vorrichtung die reduzierte Mischung von dem aufgeheizten Prozessgas abgetrennt, das aufgeheizte Prozessgas durch eine Rückführleitung dem Wirbelschichtreaktor als Fluidisiergas zugeführt und der Feststoff nach Abbau des Überdrucks der Reduktionsstufe durch ein von der Anmelderin entwickeltes Austragsystem (vgl. WO 02/081074 A1 ) dem Heißmagnetscheider (bevorzugte Ausführung in 3), direkt der Schmelzreduktion (Sonderfall 1 in 3) oder einer Kompaktierung (Sonderfall 2 in 3) zugeführt.
  • Diese erfindungsgemäße Weiterbildung hat den Vorteil, dass einerseits die reduzierte Mischung durch das vorgeheizte Prozessgas auf eine Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur des Eisens abgekühlt wird, so dass eine wirksame Heißmagnetscheidung möglich wird, andererseits wird die vom vorgeheizten Prozessgas aufgenommene Wärmeenergie den Reduktionsreaktionen im Wirbelschichtreaktor wieder zur Verfügung gestellt. Folglich geht durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung keine Wärmeenergie verloren und die im System erzeugte und vorhandene Wärmeenergie wird effizienter ausgenutzt.
  • Es hat sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, in der Wärmetauscher-Vorrichtung die reduzierte Mischung auf die für die Zuführung zu dem Austragsystem erforderliche Höhe zu fördern, wobei die Höhe des Austragsystems von den nachfolgenden Apparaten wie Heißmagnetscheider, Kompaktierung und/oder Schmelzreduktion mitbestimmt wird. Indem die Dynamik der Wärmetauscher-Vorrichtung zur Förderung der reduzierten Mischung ausgenutzt wird, kann ein separater Verfahrensschritt zum Transport des eisenhaltigen Feststoffs auf die erforderliche Höhe entfallen.
  • Zudem ermöglicht es die Verfahrensführung, auf einfache Art und Weise durch Einstellung der Temperatur des Prozessgases am Gaserhitzer in Abstimmung mit der Temperatur der den Wirbelschlichtreaktor verlassenden reduzierten Mischung die Vorlauftemperatur am Heißmagnetscheider auf einen Wert unterhalb der Curie-Temperatur einzustellen. Damit können aufwendigere Verfahrensschritte entfallen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Anlagendruck, der in dem Wirbelschichtreaktor und der Wärmetauscher-Vorrichtung, herrscht in einem im Anschluss an die Wärmetauscher-Vorrichtung vorgesehenen Austragsystem über eine Steigleitung und ein Empfangsgefäß vollständig abgebaut.
  • Wenn die Schmelzreduktion, bspw. wegen exzessiver Staubverluste, kein feines Material in der Aufgabe verträgt, oder wenn eine Entkopplung der Prozessstufen aus sicherheitstechnischen oder geographischen Gründen gewünscht ist, kann erfindungsgemäß die reduzierte Mischung nach dem Austragsystem (Sonderfall 2 in 3) oder das heiße reduzierte Erz nach der Heißmagnetscheidung (Sonderfall 3 in 3) einer Heiß -kompaktierung oder -briquettierung zugeführt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Roheisen, welche insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet ist, weist Aufgabevorrichtungen für Eisenerz und Reduktionsmittel, einen Wirbelschichtreaktor zur partiellen Reduktion von Eisenerz, ggf. einen Heißmagnetscheider, ggf. eine Kompaktierung und einen Schmelzreduktionsofen auf. Die Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Wirbelschichtreaktor und der Schmelzreduktion oder dem Heißmagnetscheider bzw. der Kompaktierung eine Wärmetauscher-Vorrichtung vorgesehen ist, welcher die reduzierte Mischung aus dem Wirbelschichtreaktor zugeführt wird, dass die Wärmetauscher-Vorrichtung mit einer Leitung für vorgeheiztes Prozessgas verbunden ist und dass die Wärmetauscher-Vorrichtung über ein Austragssystem mit dem Heißmagnetscheider, der Kompaktierung oder direkt der Schmelzreduktion verbunden ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anlage hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch das Vorsehen der Wärmetauscher-Vorrichtung weitere Kühlstufen und damit eine komplexere Anlagengestaltung entbehrlich sind. Trotzdem kann, wie vorstehend geschildert wurde, die in der Anlage erzeugte reduzierte Mischung unter die für den Heißmagnetscheider notwendige Curie-Temperatur abgekühlt werden, ohne einen nennenswerten Verlust an Wärmeenergie zu verursachen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmetauscher-Vorrichtung ein Flash-Kühler, der bevorzugt eine Ringwirbelschicht aufweist. Unter Flash-Kühler im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung verstanden, in die einerseits ein heißes, zu kühlendes Medium eingeführt wird und in die andererseits ein Kühlmedium strömt, dessen eingestellte Geschwindigkeit zu einer intensiven Durchmischung der beiden Medien beiträgt. Mit dem Flash-Kühler im Sinne der vorliegenden Erfindung kann folglich die reduzierte Mischung sehr schnell und effizient mit dem als Kühlmittel verwendeten Prozessgas durchmischt werden. Die hohe Geschwindigkeit im Flash-Kühler trägt außerdem dazu bei, dass die reduzierte Mischung auf die Höhe des Auslasses befördert wird.
  • In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, dass im Anschluss an die Wärmetauscher-Vorrichtung ein Zyklon zur Trennung der reduzierten Mischung von dem vorgeheizten Prozessgas vorgesehen ist, dass die Rückführleitung für vorgeheiztes Prozessgas aus dem Zyklon in den Wirbelschichtreaktor führt und dass die Feststoffleitung aus dem Zyklon in das Austragsystem vor der Heißmagnetscheidung, der Kompaktierung oder der Schmelzreduktion führt.
  • Nach der intensiven Durchmischung von reduzierter Mischung und vorgeheiztem Prozessgas in der Wärmetauscher-Vorrichtung wird die abgekühlte reduzierte Mischung im Zyklon von dem Fördergas abgetrennt und dem Austragsystem zugeführt. Selbstverständlich sind anstelle des Zyklons auch andere geeignete Trenneinrichtungen einsetzbar. Das im Zyklon abgetrennte aufgeheizte Prozessgas wird durch die Rückführleitung dem Wirbelschichtreaktor bevorzugt über eine Zentraldüse zugeführt, so dass seine Wärmeenergie für die Reduktion zur Verfügung steht.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Austragsystem aus einem unter Anlagendruck befindlichen Vorlaufbehälter mit einer Fallleitung, die in das Sendegefäß führt. Von dort wird die reduzierte Mischung durch ein inertes Trägergas über eine Steigleitung hochgefördert und nach einem Empfangsgefäß über eine Schrägleitung dem Sammelgefäß zugeführt. Mit diesem Austragssystem ist ein kontinuierlicher Transport der heißen, feinkörnigen reduzierten Mischung bei gleichzeitigem, vollständigem Abbau des Anlagenüberdrucks über die Länge der Steigleitung möglich.
  • Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2 zeigt ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Anlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 3 zeigt schematisch ein Fließdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens mit verschiedenen Verfahrensführungen.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Bei der in 1 dargestellten Anlage zur Erzeugung von Roheisen wird kontinuierlich über eine Feststoffzufuhrleitung 1 körniges Eisenerz aus einem Vorratsbehälter 2 abgezogen, optional in einem Mischtank 3 mit einem weiteren Medium gemischt und in einen Suspensionswärmeaustauscher 4 einer ersten Vorwärmstufe chargiert, in dem das Material vorzugsweise durch das aus einer zweiten Vorwärmstufe abgezogene Abgas suspendiert und vorgewärmt wird. Anschließend wird das körnige Eisenerz durch den Gasstrom in einen Zyklon 5 geführt, in dem die Feststoffe von dem Gas abgetrennt werden. Die abgeschiedenen Feststoffe werden durch eine Feststoffleitung 6 in einen zweiten, bspw. venturiartigen Suspensionswärmetauscher 7 gefördert, dort weiter bis zu einer Temperatur von etwa 800°C aufgewärmt und in einem nachgeschalteten Zyklon 8 wiederum von dem Gasstrom getrennt.
  • Das so vorgewärmte Erz wird durch eine Feststoffleitung 6' in einen Reaktor 9, beispielsweise einen Wärmeerzeuger, gefördert. Dem Wärmeerzeuger 9 wird über eine Feststoffleitung 6'' aus dem Vorratsbehälter 10 zusätzlich ein Reduktionsmittel, z. B. in Form von Kohle mit einer Körnung von bspw. weniger als 5 mm, sowie Sauerstoff zugeführt. Optional kann dem Vorratsbehälter 10 eine Vorrichtung (Mühle) 10a zum Zerkleinern und Trocknen der Kohle nachgeordnet sein.
  • Die Feststoffzufuhrleitung 1, die Vorratsbehälter 2, 10, der Mischtank 3, die Vorrichtung 10a und die Feststoffleitungen 6, 6'' bilden die Aufgabevorrichtungen.
  • Desweiteren wird dem Wärmeerzeuger 9 über eine Gasleitung 11 ein Prozessgas, insbesondere ein aus CO/H2 bestehendes Rezirkulationsgas, als Fluidisiergas mit einer Temperatur von 300°C bis 500°C, bevorzugt etwa 400°C, zugeführt, das die Feststoffe in dem Wärmeerzeuger 9 unter Ausbildung einer Wirbelschicht fluidisiert.
  • Das aufgeheizte Feststoff-Gas-Gemisch wird aus dem Wärmeerzeuger 9 über einen Verbindungskanal 12 kontinuierlich zur partiellen Reduktion in einen Reaktor 13 geführt, in dem die Feststoffe durch das über die Gasleitung 11 zugeführte Fluidisiergas unter Ausbildung einer zirkulierenden Wirbelschicht fluidisiert und das körnige Eisenerz durch die Reduktionsmittel, insbesondere durch das Kohlenmonoxid, bis zu einem Metallisierungsgrad, bezogen auf dessen Eisenanteil, von mindestens 50%, bevorzugt etwa 70% reduziert wird.
  • Als Reduktionsmittel für die partielle Reduktion des Eisenerzes 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, beispielsweise Reformgas, als geeignet erwiesen haben. Vorzugsweise wird als Reduktionsmittel ein Gasgemisch enthaltend CO/H2, bevorzugt ein Gasgemisch aus 60 bis 80 Vol.-% CO und 20 bis 40 Vol.-% H2 in Kombination mit Schwelkoks eingesetzt.
  • Anschließend an den Wärmeerzeuger 9 wird die Suspension durch den Gasstrom in einen dem Wirbelschichtreaktor 13 nachgeschalteten Zyklon 14 geführt, in dem die Feststoffe von dem Gas abgetrennt werden. Die abgeschiedenen Feststoffe werden daraufhin durch die Rückführleitung 15 in den Wärmeerzeuger 9 zurückgeführt, wohingegen das CO-, H2-, CO2- und H2O-haltige Abgas mit einer Temperatur von mindestens 850°C über die Gasleitung 16 zunächst in den Suspensionswärmeaustauscher 7 der zweiten Vorwärmstufe und von dort über den Zyklon 8 und die Gasleitung 16' in den Suspensionswärmeaustauscher 4 der ersten Vorwärmstufe geführt wird, in dem es auf etwa 500°C abgekühlt wird. Das in dem dem Suspensionswärmeaustauscher 4 nachgeschalteten Zyklon 5 abgetrennte Abgas wird über die Gasleitung 16'' zunächst durch einen Abhitzekessel 17a geführt, in dem das Abgas unter Erzeugung von Wasserdampf (etwa 4 bar) auf ungefähr 200°C abgekühlt wird, bevor es in einer Vorrichtung aus Zyklon 17b (Multiclone) und Venturi-Wäscher 17c von Staub und Wasser befreit und auf etwa 30°C weiter abgekühlt wird. Daran anschließend wird aus dem Abgas in einem CO2-Absorber 18 Kohlendioxid entfernt und das so gereinigte Gasgemisch in einem Gaserhitzer 19 auf etwa 400°C aufgeheizt, bevor es über die Leitung 11 als Fluidisiergas in den Wärmeerzeuger 9, den Wirbelschichtreaktor 13 und einen als Flash-Kühler (vgl. WO 2004/056462 A1 ) ausgestalteten Wärmetauscher 21 geleitet wird.
  • Das Kühlmedium wird unten in den zylindrischen Reaktor des Flash-Kühlers 21 geführt. Ein Teil des Kühlmediums wird über eine Zentraldüse in den Flash-Kühler eingebracht, der restliche Teil dient zur Fluidisierung der Ringwirbelschicht im unteren Teil des Reaktors. Dabei werden die Gasgeschwindigkeiten bevorzugt so eingestellt, dass in der Zentraldüse Partikel-Froude-Zahlen zwischen 1 und 100 vorherrschen, dass in der Ringwirbelschicht Partikel-Froude-Zahlen zwischen 0,02 bis 2 vorherrschen und dass im Reaktorraum oberhalb von der Zentraldüse und der Ringwirbelschicht Partikel-Froude-Zahlen zwischen 0,3 und 30 vorherrschen. Die Partikel-Froude-Zahl ist dabei definiert als:
    Figure 00110001
    mit
    • u
    = effektive Geschwindigkeit der Gasströmung in m/s
    ρs
    = Dichte der Feststoffpartikel in kg/m3
    ρf
    = effektive Dichte des Fluidisierungsgases in kg/m3
    dp
    = mittlerer Durchmesser der beim Reaktorbetrieb vorliegenden Partikel des Reaktorinventars (bzw. der sich bildenden Teilchen) in m
    g
    = Gravitationskonstante in m/s2.
  • Das zu kühlende Medium wird in den unteren Teil des Flash-Kühlers 21, bevorzugt kurz oberhalb der Ringwirbelschicht aufgegeben. In der Ringwirbelschicht wird das zu kühlende feinkörnige Medium oberhalb des Lockerungspunktes fluidisiert. Sobald das zu kühlende Medium über den Rand der Zentraldüse fließt, wird es vom dort eintretenden Kühlmedium mitgerissen, damit vermischt und nach oben gefördert.
  • Aus dem Wirbelschichtreaktor 13 wird über eine vorzugsweise pneumatische Feststoffleitung 20 kontinuierlich ein Gemisch aus reduziertem Erz und Schwelkoks mit einer Temperatur von etwa 950°C abgezogen und dem unteren Bereich des Flash-Kühlers 21 zugeführt. In dem Flash-Kühler 21 wird das Feststoffgemisch mit dem auf etwa 400°C vorgeheizten Rezirkulationsgas gemischt und mit hoher Geschwindigkeit nach oben gefördert, wobei das Rezirkulationsgas das Feststoffgemisch auf etwa 750°C abkühlt und selbst durch das Feststoffgemisch auf etwa 750°C erhitzt wird.
  • Im oberen Bereich des Flash-Kühlers 21 wird die Suspension aus Feststoffgemisch und Rezirkulationsgas durch eine Austragsleitung 22 einem Zyklon 23 zugeführt, der das Feststoffgemisch von dem Rezirkulationsgas abtrennt. Das abgetrennte Rezirkulationsgas mit einer Temperatur von etwa 750°C wird über eine Rückführleitung 24 der Zentraldüse des eine Ringwirbelschicht aufweisenden Wirbelschichtreaktors 13 zugeführt, wo seine Wärmeenergie für die Reduktion des körnigen Eisenerzes zur Verfügung steht.
  • Das abgetrennte Feststoffgemisch mit einer Temperatur von etwa 750°C wird über eine Feststoffleitung 25 dem Austragsystem zugeführt. Dieses System besteht im Wesentlichen aus dem Vorlaufbehälter 26, der über eine Fallleitung 25' mit einem Sendegefäß 27 verbunden ist. Der in der Anlage herrschende Druck von bspw. 4 bar wird über eine angeschlossene Steigleitung 25'' abgebaut. Die hochgeförderte reduzierte Mischung (reduziertes Erz sowie aus Kohleasche und Restkohlenstoff bestehender Schwelkoks) wird von einem Empfangsgefäß 28 über eine Schrägleitung 25'' in das Sammelgefäß 29 gefördert und von dort auf einen Magnetscheider 30 (vgl. WO 2008/142191 A1 ) aufgegeben, in dem das reduzierte Erz unterhalb der Curie-Temperatur des Eisens (768°C) bei 650°C bis 750°C als magnetische Fraktion von einer nichtmagnetischen Fraktion, welche im Wesentlichen Asche und Schwelkoks umfasst, abgetrennt wird, bevor die magnetische Fraktion in einen Schmelzreduktionsofen 31 chargiert wird. In 1 ist der bevorzugte Elektroreduktionsofen (”SAF”: submerged arc furnace) dargestellt. Die Schmelzreduktion kann aber auch im Hochofen oder in Badschmelzverfahren, wie Auslron (vgl. 2) oder Hlsmelt, stattfinden.
  • In dem bei etwa 1.450–1.600°C betriebenen Schmelzreduktionsofen 31 wird flüssiges Roheisen mit mehr als 94 Gew.-% metallischem Eisen erzeugt. Das Abgas aus dem Elektroreduktionsofen 31 enthält mehr als 90 Vol.-% CO und wird nach Entstaubung in einer Nachbrennkammer (nicht dargestellt) oder bevorzugt zur Erwärmung des Rezirkulationsgases im Gaserhitzer 19 verbrannt. Das Abgas aus dem Auslron Ofen in 2 wird in diesem fast vollständig verbrannt, in einem Abhitzekessel (nicht dargestellt) gekühlt und der dabei erzeugte Dampf wird für die CO2-Absorption des beschriebenen Verfahrens sowie zur Stromerzeugung verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Wesentlichen anhand von reduziertem Erz als Zwischenprodukt für die Roheisenerzeugung beschrieben. Sie ist jedoch allgemein auf Verfahren und Anlagen zur Erzeugung von metallisierten Vorstoffen bei der Gewinnung von Roheisen anwendbar, in denen eine Abtrennung von nichtmetallischen Anteilen durch eine Heißmagnetscheidung nicht nur zum Zweck der Energieeinsparung bei der Schmelzreduktion, sondern z. B. auch zur Entfernung von Verunreinigungen von Vorteil ist. So kann die vorliegende Erfindung beispielsweise auch bei der Herstellung von Titanschlacke aus Ilmenit angewendet werden, wie sie in der DE 10 2004 053 676 A1 der Anmelderin beschrieben ist.
  • Eine Abtrennung von nichtmetallischen Anteilen durch eine Heißmagnetscheidung kann auch von Vorteil sein, wenn das reduzierte Erz heiß-brikettiert bzw. heiß-kompaktiert werden soll, bevor es in einer Schmelzreduktion weiterverarbeitet wird.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine energieeffiziente Gewinnung von Roheisen aus Eisenerz durch eine Kombination aus Vorreduktion der Rohstoffe (”Circofer”-Verfahren) und anschließender Schmelzreduktion (insbesondere in einem Elektroreduktionsofen, aber auch bspw. im ”Auslron”-Verfahren), wobei das vorreduzierte Material als Zwischenprodukt vor der Heißmagnetscheidung mit einem vorgeheizten Prozessgas gekühlt wird. Die zurückgewonnene Energie kann durch das Prozessgas der Vorreduktion wieder zugeführt werden, wodurch es ausreichend ist, das gesamte Prozessgas auf eine Temperatur von etwa 400°C zu erhitzen, welche unterhalb des für das ”Metal Dusting” kritischen Temperaturbereichs liegt. Folglich können durch die vorliegende Erfindung einerseits kostengünstigere Anlagenwerkstoffe für den Gaserhitzer verwendet und andererseits Energieverluste bei der Kühlung der Zwischenprodukte minimiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch eine effiziente Gewinnung von Roheisen in Schmelzreduktionsverfahren, die Kohlenstoff als Hauptenergieträger für das Schmelzen verwenden (bspw. Hochofen, Auslron oder Hlsmelt) und bei der aufgrund der Zusammensetzung des nichtmetallischen Schwelkokses eine Heißmagnetscheidung nicht sinnvoll ist. Dies trifft zu, wenn z. B. hochwertige Kohlenstoffträger mit geringem Ascheanteil in der Reduktion eingesetzt werden. In diesem Fall, wie er in 2 dargestellt ist, wird der Flash-Kühler 21 eingesetzt, um das Rezirkulationsgas von 400°C für die Reduktion weitestgehend aufzuheizen und um die reduzierte Mischung auf die z. B. für die Schmelzreduktion 31, Heißbrikettierung oder -kompaktierung 32 oder eine Heißförderung erforderliche Höhe zu bringen. Die Energie aus der Feststoffkühlung wird wiederum der Reduktion zugeführt, und der Gaserhitzer kann wieder im Temperaturbereich unterhalb des „Metal Dusting” betrieben werden. Die Verfahrensführung entspricht bis auf den Wegfall des Heißmagnetscheiders und die Darstellung der auch bei der Ausführungsform gemäß 1 möglichen Heißkompaktierung 32 der Ausführungsform gemäß 1. Außerdem ist anstelle des Elektroreduktionsofens ein auf der Verbrennung von Kohle basierender Schmelzreduktionsofen 31 nach dem Auslron-Verfahren dargestellt. Im Übrigen wird auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen.
  • In 3 sind schematisch die Variante mit direkter Zuführung der reduzierten Mischung von dem Austragsystem zu der Schmelzreduktion ohne Heißmagnetscheidung sowie Varianten mit und ohne Kompaktierung des aus dem Austragsystem oder der Heißmagnetscheidung abgezogenen reduzierten Erzes dargestellt.
  • Durch die in der vorliegenden Erfindung berücksichtigten Maßnahmen:
    • • Direktreduktion bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur
    • • Abtrennung von Nebenprodukten vor dem Schmelzen und
    • • Heißchargierung des reduzierten Erzes in die Schmelzreduktion
    werden erhebliche Energieeinsparungen bei der Schmelzreduktion erreicht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Feststoffzufuhrleitung
    2
    Vorratsbehälter für körniges Eisenerz
    3
    Mischtank
    4
    Wärmeaustauscher der ersten Vorwärmstufe
    5
    Zyklon der ersten Vorwärmstufe
    6, 6', 6''
    Feststoffleitung
    7
    Wärmeaustauscher der zweiten Vorwärmstufe
    8
    Zyklon der zweiten Vorwärmstufe
    9
    Wärmeerzeuger
    10
    Vorratsbehälter für Kohle
    10a
    Mühle und Trocknungsvorrichtung
    11
    Gasleitung für Rezirkulationsgas
    12
    Verbindungskanal
    13
    Wirbelschichtreaktor
    14
    Zyklon des Wirbelschichtreaktors
    15
    Feststoffrückführleitung
    16, 16', 16''
    Gasleitung
    17a
    Abhitzekessel
    17b
    Zyklon
    17c
    Wäscher
    18
    CO2-Absorber
    19
    Gaserhitzer
    20
    Feststoffleitung
    21
    Flash-Kühler (Wärmetauscher-Vorrichtung)
    22
    Austragsleitung
    23
    Zyklon des Flash-Kühlers
    24
    Rückführleitung
    25, 25', 25'', 25'''
    Feststoffleitung
    26
    Vorlaufbehälter
    27
    Sendegefäß
    28
    Empfangsgefäß
    29
    Sammelgefäß
    30
    Heißmagnetscheider
    31
    Schmelzreduktionsofen
    32
    Heißkompaktierung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • WO 2004/056462 A1 [0037]
    • WO 2008/142191 A1 [0042]
    • DE 102004053676 A1 [0044]

Claims (17)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Roheisen, bei dem körnige eisenoxidhaltige Rohstoffe mit einem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel in einem Wirbelschichtreaktor bei einer Temperatur von wenigstens 850°C partiell zu einer reduzierten Mischung reduziert werden und die reduzierte Mischung über ein Austragsystem einer Schmelzreduktion zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierte Mischung vor der Zuführung zu der Schmelzreduktion in einer Wärmetauscher-Vorrichtung auf 600°C bis 800°C abgekühlt wird, wobei als Kühlmedium ein vorgeheiztes Prozessgas eingesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas ein Rezirkulationsgas ist, welches aus dem Wirbelschichtreaktor abgezogen wurde.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas Kohlenmonoxid (CO) und/oder elementaren Wasserstoff (H2) enthält.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas vor Einbringung in die Wärmetauscher-Vorrichtung auf 300°C bis 500°C vorgeheizt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas in der Wärmetauscher-Vorrichtung durch die reduzierte Mischung auf 600°C bis 800°C aufgeheizt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Wärmetauscher-Vorrichtung die reduzierte Mischung von dem aufgeheizten Prozessgas abgetrennt wird, dass das aufgeheizte Prozessgas als Fluidisier- bzw. Reduktionsgas zu dem Wirbelschichtreaktor zugeführt wird und dass die reduzierte Mischung der Schmelzreduktion zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierte Mischung nach der Wärmetauscher-Vorrichtung sowie nach dem Austragsystem einer Heißmagnetscheidung zugeführt wird, in welcher nicht magnetische Stoffe abgetrennt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmetauscher-Vorrichtung die reduzierte Mischung auf die für das Austragsystem bzw. die folgenden Apparate erforderliche Höhe gefördert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlauftemperatur des Heißmagnetscheiders über die Temperatur des vorgeheizten Prozessgases geregelt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem im Anschluss an die Wärmetauscher-Vorrichtung vorgesehenen Austragsystem der Anlagendruck, der in dem Wirbelschichtreaktor und der Wärmetauscher-Vorrichtung, herrscht, über eine Steigleitung und ein Empfangsgefäß vollständig abgebaut wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierte Mischung nach dem Austragsystem oder das heiße reduzierte Erz nach der Heißmagnetscheidung einer Heißbriquettierung oder -kompaktierung zugeführt wird.
  12. Anlage zur Erzeugung von Roheisen mit Aufgabevorrichtungen für Eisenerz und Reduktionsmittel, einem Wirbelschichtreaktor (13) zur partiellen Reduktion von Eisenerz und einer Schmelzreduktion (31) zur Erzeugung von Roheisen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wirbelschichtreaktor (13) und der Schmelzreduktion (31) eine Wärmetauscher-Vorrichtung (21) vorgesehen ist, welcher die reduzierte Mischung aus dem Wirbelschichtreaktor (13) zugeführt wird, dass die Wärmetauscher-Vorrichtung (21) mit einer Leitung (11) für vorgeheiztes Prozessgas verbunden ist und dass die Wärmetauscher-Vorrichtung (21) über ein Austragsystem (25–29) mit der Schmelzreduktion (31) verbunden ist.
  13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher-Vorrichtung (21) ein Flash-Kühler ist.
  14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Flash-Kühler eine Ringwirbelschicht aufweist.
  15. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Wärmetauscher-Vorrichtung (21) ein Zyklon (23) zur Trennung des eisenhaltigen Feststoffs von dem Prozessgas vorgesehen ist, dass eine Rückführleitung (24) aus dem Zyklon (23) in den Wirbelschichtreaktor (12) führt und dass eine Feststoffleitung (25) aus dem Zyklon (23) zu dem Austragsystem (26–29) führt.
  16. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Austragsystem (25–29) ein Heißmagnetscheider (30) vorgesehen ist.
  17. Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Austragsystem (25–29) oder den Heißmagnetscheider (30) eine Heißbriquettierung oder -kompaktierung (32) vorgesehen ist.
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