DE102021112922A1 - Process for the direct reduction of iron ore - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm, wobei das Eisenerz eine Reduktionszone (11) zum Reduzieren des Eisenerzes zu Eisenschwamm durchläuft, wobei die Reduktionszone (11) in eine Vorreduktionszone (12), welche mit einem ersten Reduktionsgas (22) gespeist wird, und in eine Fertigreduktionszone (13), welche mit einem zweiten Reduktionsgas (23) gespeist wird, unterteilt ist, wobei das erste Reduktionsgas (22) eine andere Gaszusammensetzung im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) aufweist, wobei ein erstes Reduktionsgas (22) mit einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) höheren Wasserstoffanteil verwendet wird, welcher mindestens 5 Vol.-% höher ist.The invention relates to a method for the direct reduction of iron ore to sponge iron, the iron ore passing through a reduction zone (11) for reducing the iron ore to sponge iron, the reduction zone (11) being fed into a pre-reduction zone (12) which is fed with a first reducing gas (22). and is divided into a finished reduction zone (13) which is fed with a second reduction gas (23), the first reduction gas (22) having a different gas composition compared to the second reduction gas (23), a first reduction gas (22 ) is used with a compared to the second reducing gas (23) higher hydrogen content, which is at least 5 vol .-% higher.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm.The invention relates to a method for the direct reduction of iron ore to sponge iron.
Beim Direktreduktionsverfahren findet eine Feststoffreaktion statt, bei der Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt wird. Hierzu werden klassisch Kohle und/oder Erdgas bzw. kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen und/oder Verbindungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff als Reduktiongas verwendet. Der Trend in letzter Zeit geht dahin, dass häufiger auch Wasserstoff als Reduktionsgas vorgeschlagen wird. Die Reaktion findet unterhalb des Schmelzpunktes des Eisenerzes statt, sodass die äußere Form der Erze unverändert bleibt. Da es bei der Entfernung von Sauerstoff zu einer Gewichtsreduktion von etwa 1/4 bis 1/3 kommt, ergibt sich eine wabenförmige Mikrostruktur des Reaktionsproduktes (festes poröses Eisen mit vielen luftgefüllten Zwischenräumen). Daher wird das direktreduzierte Eisen („direct reduced iron“) häufig auch als Eisenschwamm („sponge iron“) bezeichnet. Klassisch wird beim Direktreduktionsverfahren ein Schachtofen als Reaktor mit einer Reduktionszone verwendet, durch welche das Eisenerz entgegen dem Reduktionsgas durchläuft. Bei einer speziellen Variante des Verfahrens ist die Reduktionszone oberhalb einer Kühlzone im Schachtofen angeordnet, wobei die Kühlzone mit einem Kühlgas durchströmt wird. Das Eisenerz durchläuft dann den Schachtofen in vertikaler Richtung von oben nach unten. Derartige Schachtöfen ermöglichen eine gute Durchströmung des Eisenerzes mit Kühlgas und Reduktionsgas aufgrund des zugrundeliegenden Kamineffektes. Insbesondere durchströmt das Reduktionsgas die Reduktionszone entgegen einer Bewegungsrichtung des Eisenerzes. Entsprechend durchströmt das Kühlgas die Kühlzone ebenfalls entgegen einer Bewegungsrichtung des erzeugten Eisenschwamms. Sowohl in der Kühlzone als auch in der Reduktionszone wird demnach das Gegenstromverfahren eingesetzt, um eine effiziente Reaktion zwischen den Gasen und den Feststoffen zu erreichen.In the direct reduction process, a solids reaction takes place that removes oxygen from the iron ore. For this purpose, conventionally coal and/or natural gas or hydrocarbon-containing compounds and/or compounds made of carbon and oxygen are used as the reducing gas. The recent trend is that hydrogen is also being proposed as a reducing gas. The reaction takes place below the melting point of the iron ore, so the shape of the ore remains unchanged. Since there is a weight reduction of about 1/4 to 1/3 when removing oxygen, the reaction product has a honeycomb microstructure (solid porous iron with many air-filled interstices). Therefore, the directly reduced iron ("direct reduced iron") is often referred to as sponge iron ("sponge iron"). In the direct reduction process, a shaft furnace is traditionally used as a reactor with a reduction zone through which the iron ore runs counter to the reducing gas. In a special variant of the process, the reduction zone is arranged above a cooling zone in the shaft furnace, with a cooling gas flowing through the cooling zone. The iron ore then passes through the shaft furnace in a vertical direction from top to bottom. Such shaft furnaces allow a good flow of cooling gas and reducing gas through the iron ore due to the underlying chimney effect. In particular, the reduction gas flows through the reduction zone counter to a direction of movement of the iron ore. Correspondingly, the cooling gas also flows through the cooling zone counter to a direction of movement of the sponge iron produced. The countercurrent process is therefore used both in the cooling zone and in the reduction zone in order to achieve an efficient reaction between the gases and the solids.
Als Reduktionsgas kann insbesondere CO oder H2 oder ein Mischgas verwendet werden, dass CO und H2 umfasst. Die Reduktionsreaktionen sind dabei wie folgt („()“ zeigt Festkörper; „{}“ zeigt gasförmige Stoffe an):
Das Reduktionsgas wird üblicherweise aus fossilen Kohlenwasserstoffen (z.B. Erdgas und/oder Kohlegas) erzeugt. Beispielhaft werden im Folgenden die Reaktion für Methan (als Hauptbestandteil von Erdgas aber auch Biogas) als Ausgangsgas erläutert. Andere Kohlenwasserstoffe sind ebenfalls als Ausgangsgas möglich. Das Reduktionsgas wird in einem Gasreformer aus Methan, CO2 und Wasserdampf erzeugt (MIDREX®-Verfahren).
Es ergibt sich ein Gaskreislauf, bei dem das verbrauchte Methan durch neues Methan mit dem gereinigten Prozessgas des Schachtofens vor dem Gasreformer gemischt wird. Das Prozessgas des Schachtofens enthält CO2 und Wasserdampf als Produkte der Reduktionsreaktion. Mithilfe einer katalytischen Reaktion im Gasreformer wird aus Methan, CO2 und Wasserdampf das Reduktionsgas H2 und CO erzeugt. Dieses Reduktionsgasgemisch wird dem Schachtofen zugeführt, wo es gemäß den obigen Reaktionsgleichungen das Eisenerz reduziert. Als wesentliche Reaktionsprodukte entstehen CO2, Wasserdampf und Eisenschwamm. CO2 und Wasserdampf und unverbrauchten Reduktionsgas werden mit Methan gemischt und wieder dem Gasreformer zugeführt.The result is a gas cycle in which the used methane is mixed with new methane with the cleaned process gas from the shaft furnace upstream of the gas reformer. The process gas of the shaft furnace contains CO 2 and water vapor as products of the reduction reaction. With the help of a catalytic reaction in the gas reformer, the reducing gas H 2 and CO are generated from methane, CO 2 and steam. This reducing gas mixture is fed to the shaft furnace, where it reduces the iron ore according to the above reaction equations. The main reaction products are CO 2 , water vapor and sponge iron. CO 2 and water vapor and unused reducing gas are mixed with methane and fed back to the gas reformer.
Die Erzeugung von Eisenschwamm umfasst im Wesentlichen zwei grundlegende Schritte. Als erster Schritt wird die Reduktion des Eisenerzes zu Eisenschwamm in einer Reduktionszone mit einem geeigneten heißen Reduktionsgas durchgeführt. Typischerweise umfasst ein Reduktionsgas im Wesentlichen Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff (beispielsweise CH4), Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff (beispielsweise CO) und/oder Wasserstoff (H2) bei Temperaturen im Bereich von 700 °C bis 1100 °C. In einem zweiten Schritt wird der erzeugte Eisenschwamm in einer Kühlzone mittels eines Kühlgases auf Temperaturen heruntergekühlt, die typischerweise unterhalb von 100 °C liegen. Entsprechende Verfahren sind aus der Praxis bekannt.Sponge iron production essentially involves two basic steps. As a first step, the iron ore is reduced to sponge iron in a reduction zone with a suitable hot reducing gas. Typically, a reducing gas essentially comprises compounds or mixtures of carbon and hydrogen (e.g. CH4), compounds or mixtures of carbon and oxygen (e.g. CO) and/or hydrogen (H2) at temperatures ranging from 700°C to 1100°C. In a second step, the sponge iron produced is cooled down to temperatures typically below 100 °C in a cooling zone using a cooling gas. Corresponding methods are known from practice.
Des Weiteren ist in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass weniger Kohlenstoffdioxid erzeugt wird.The object of the present invention is to further develop these methods in such a way that less carbon dioxide is produced.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm, wobei das Eisenerz eine Reduktionszone zum Reduzieren des Eisenerzes zu Eisenschwamm durchläuft, wobei die Reduktionszone in eine Vorreduktionszone, welche mit einem ersten Reduktionsgas gespeist wird, und in eine Fertigreduktionszone, welche mit einem zweiten Reduktionsgas gespeist wird, unterteilt ist, wobei das erste Reduktionsgas eine andere Gaszusammensetzung im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas aufweist, wobei ein erstes Reduktionsgas mit einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas höheren Wasserstoffanteil verwendet wird, welcher mindestens 5 Vol.-% höher ist.This object is achieved by a method for the direct reduction of iron ore to sponge iron, the iron ore passing through a reduction zone for reducing the iron ore to sponge iron, the reduction zone being divided into a pre-reduction zone, which is fed with a first reducing gas, and a final reduction zone, which is fed with a second reducing gas is fed, is divided, wherein the first reducing gas has a different gas composition compared to the second reducing gas, wherein a first reducing gas is used with a higher hydrogen content compared to the second reducing gas, which is at least 5% by volume higher.
Über das erste Reduktionsgas mit einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas um mindestens 5 Vol.-% höheren Wasserstoffanteil kann in der Vorreduktionszone die wesentliche Reduktionsarbeit zum Austreiben von Sauerstoff aus dem Eisenerz effektiver als im Stand der Technik verrichtet werden. Durch den höheren Wasserstoffanteil in der Vorreduktionszone, welche gleichzeitig auch die (letzte) Reduktionsstufe vor dem Austrag des ausgeschleusten Prozessgases ist, kann neben der Reduktionsarbeit zudem auch zeitgleich eine Reaktionsmöglichkeit bereitgestellt werden, so dass das ausgeschleuste Prozessgas wesentlich geringere Anteile von Kohlenstoffdioxid umfasst und dadurch der Austrag von Kohlenstoffdioxid reduziert werden kann.The essential reduction work for expelling oxygen from the iron ore can be performed more effectively in the pre-reduction zone than in the prior art via the first reduction gas with a hydrogen content that is at least 5% by volume higher than that of the second reduction gas. Due to the higher proportion of hydrogen in the pre-reduction zone, which is also the (last) reduction stage before the discharged process gas is discharged, in addition to the reduction work, a reaction option can also be provided at the same time, so that the discharged process gas contains significantly lower proportions of carbon dioxide and thus the Discharge of carbon dioxide can be reduced.
Durch das Vorsehen von zwei Reduktionsbereichen in der Reduktionszone können zwei isobare Bereiche mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Reduktionszone eingestellt werden, wodurch die Reaktionsdauer jeweils zur Vor- und Fertigreduktion erhöht und ein Austausch der jeweiligen Reduktionsgase untereinander vermindert werden kann. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auch weniger ausgeschleustes Prozessgas erzeugt werden, welches vom Volumen her entsprechend wirtschaftlicher reformiert bzw. rezykliert werden kann, um bei Bedarf und somit optional im Kreislauf zumindest in Mischung mit frischem Gas als zweites Reduktionsgas in die Fertigreduktionszone der Reduktionszone wieder eingespeist werden zu können.By providing two reduction areas in the reduction zone, two isobaric areas with low flow velocities can be set within the reduction zone, whereby the reaction time for preliminary and final reduction can be increased and an exchange of the respective reduction gases with one another can be reduced. As a result, less discharged process gas can also be generated in an advantageous manner, which can be reformed or recycled more economically in terms of volume, so that it can be fed back into the finished reduction zone of the reduction zone as a second reduction gas, at least in a mixture with fresh gas, if necessary and thus optionally in the circuit to be able to
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens weist das erste Reduktionsgas einen Wasserstoffanteil von mindestens 55 Vol.-% auf. Je mehr Wasserstoff in die Vorreduktionszone eingeschleust wird, umso effektiver kann die Reduktionsarbeit verrichtet werden. Das erste Reduktionsgas weist einen Wasserstoffanteil von insbesondere mindestens 65 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 75 Vol.-%, bevorzugt mindestens 85 Vol.-% auf. Die weiteren Anteile des ersten Reduktionsgases können mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und/oder Wasserdampf und unvermeidbare Verunreinigungen, wie beispielsweise Schwefelverbindungen und/oder Stickstoff enthalten.According to one configuration of the method, the first reduction gas has a hydrogen content of at least 55% by volume. The more hydrogen that is introduced into the pre-reduction zone, the more effectively the reduction work can be performed. The first reducing gas has a hydrogen content of in particular at least 65% by volume, preferably at least 75% by volume, preferably at least 85% by volume. The other portions of the first reducing gas can contain at least one compound or mixture of carbon and oxygen and/or water vapor and unavoidable impurities such as sulfur compounds and/or nitrogen.
Besonders bevorzugt besteht das erste Reduktionsgas aus Wasserstoff, um die höchstmögliche und optimale Reduktionsarbeit verrichten zu können. Die Verwendung von Wasserstoff würde dazu führen, dass der Kohlenstoffgehalt des vorreduzierten Eisenerzes in der Regel besonders niedrig wäre, da in der Vorreduktionszone keine Nebenreaktion mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen auftreten können, die Kohlenstoff im vorreduzierten Eisenerz ablagern würden, so dass nach der Vorreduktionzone ein Kohlenstoffgehalt im vorreduzierten Eisenerz kleiner als 0,25 Gew.-% vorliegen dürfte.The first reduction gas particularly preferably consists of hydrogen in order to be able to carry out the highest possible and optimal reduction work. The use of hydrogen would mean that the carbon content of the pre-reduced iron ore would usually be particularly low, since no side reactions with carbon-containing compounds can occur in the pre-reduction zone, which would deposit carbon in the pre-reduced iron ore, so that after the pre-reduction zone a carbon content in the pre-reduced Iron ore should be less than 0.25% by weight.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das erste Reduktionsgas auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C erwärmt. Vor dem Einspeisen in die Vorreduktionszone der Reduktionszone wird das erste Reduktionsgas in einem Gaserwärmer auf die erforderliche Temperatur erwärmt, um die Vorreduktion des Eisenerzes zu bewirken. Bei einem Einspeisen von (im Wesentlichen 100 %) Wasserstoff kann eine Einspeisung ohne insbesondere zusätzliche Beaufschlagung und somit Nachverbrennung mit Sauerstoff erfolgen, sprich, dass dadurch die vollständige Nutzung des Wasserstoffs für die Reduktion des Eisenerzes gewährleistet und dadurch das Verfahren wirtschaftlicher betrieben werden kann. Sehr hohe Wasserstoffanteile müssen nicht auf so hohe Prozesstemperaturen erwärmt werden, da die Reduktion des Eisenerzes, vgl. Baur-Glässner-Diagramm, bei niedrigen Temperaturen stattfinden kann.According to one embodiment of the method, the first reduction gas is heated to a temperature between 500 and 1200°C. Before being fed into the pre-reduction zone of the reduction zone, the first reduction gas is heated in a gas heater to the temperature required to effect the pre-reduction of the iron ore. When (essentially 100%) hydrogen is fed in, it can be fed in without additional exposure and thus post-combustion with oxygen, i.e. this ensures that the hydrogen is used completely for the reduction of the iron ore and the process can be operated more economically as a result. Very high proportions of hydrogen do not have to be heated to such high process temperatures, since the reduction of the iron ore, cf. Baur-Glässner diagram, can take place at low temperatures.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein zweites Reduktionsgas mit einem im Vergleich zum ersten Reduktionsgas höheren Anteil mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff verwendet. Der höhere Anteil der mindestens einen Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff im zweiten Reduktionsgas, welches in die Fertigreduktionszone eingeschleust wird, mit welchem Wärme durch entsprechende Reaktion in den Prozess eingebracht und das aus der Vorreduktionszone kommende vorreduzierte Eisenerz weiter zu reduzieren und dieses zumindest teilweise aufzukohlen. So weist das zweite Reduktionsgas mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit einem Anteil von mindestens 55 Vol.-%, insbesondere mindestens 60 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 65 Vol.-%, bevorzugt mindestens 70 Vol.-% auf. Die weiteren Anteile des zweiten Reduktionsgases können Sauerstoff als Oxidationsmittel zur Temperaturerhöhung, Wasserstoff und/oder Wasserdampf und unvermeidbare Verunreinigungen, wie beispielsweise Schwefelverbindungen und/oder Stickstoff enthalten.According to one configuration of the method, a second reducing gas with a higher proportion of at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound or mixture of carbon and oxygen than the first reducing gas is used. The higher proportion of the at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound or mixture of carbon and oxygen in the second reduction gas, which is introduced into the final reduction zone, with which heat is introduced into the process by a corresponding reaction and that from the Pre-reduction zone to further reduce the coming pre-reduced iron ore and carburize it at least partially. Thus, the second reducing gas has at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound tion or mixture of carbon and oxygen with a proportion of at least 55% by volume, in particular at least 60% by volume, preferably at least 65% by volume, preferably at least 70% by volume. The other parts of the second reducing gas can contain oxygen as an oxidizing agent for increasing the temperature, hydrogen and/or water vapor and unavoidable impurities such as sulfur compounds and/or nitrogen.
Besonders bevorzugt umfasst das zweite Reduktionsgas im Wesentlichen kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen oder Mischungen, somit mehr Verbindungen oder Mischungen mit Kohlenstoff und Wasserstoff als Verbindungen oder Mischungen mit Kohlenstoff und Sauerstoff.The second reducing gas particularly preferably comprises essentially hydrocarbon-containing compounds or mixtures, ie more compounds or mixtures with carbon and hydrogen than compounds or mixtures with carbon and oxygen.
Das zweite Reduktionsgas kann auch eine Mischung aus einem Frischgas, welches aus einer Quelle zugeführt wird, und einem reformierten Gas, welches aus dem ausgeschleusten Prozessgas erzeugt und dem Frischgas beigemengt wird, umfassen.The second reduction gas can also include a mixture of a fresh gas, which is supplied from a source, and a reformed gas, which is produced from the discharged process gas and is added to the fresh gas.
Die kohlenstoffhaltige, insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Verbindung oder Mischung des zweiten Reduktionsgases kann effektiv ein Aufkohlen des vorreduzierten Eisenerzes in der Fertigreduktionszone bewirken. Mit dem Kohlenstoff aus der mindestens einen Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder Kohlenstoff und Sauerstoff im zweiten Reduktionsgas kann sich Kohlenstoff beim Durchströmen des vorreduzierten Eisenerzes in der Fertigreduktionszone auf dem vorreduzierten Eisenerz ablagern. Der abgelagerte Kohlenstoff diffundiert ins Eiseninnere und verbindet sich dann mit dem Eisen des vorreduzierten Eisenerzes zu Zementit. Auf diese Weise kann der Kohlenstoffgehalt des vorreduzierten Eisenerzes erhöht werden. Der Kohlenstoffgehalt des fertig reduzierten Eisenerzes respektive Eisenschwamms kann nach dem Durchlaufen der Fertigreduktionszone im Bereich 0,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% liegen.The carbon-containing, in particular hydrocarbon-containing compound or mixture of the second reduction gas can effectively carburize the pre-reduced iron ore in the final reduction zone. With the carbon from the at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or carbon and oxygen in the second reduction gas, carbon can be deposited on the pre-reduced iron ore as it flows through the pre-reduced iron ore in the final reduction zone. The deposited carbon diffuses into the interior of the iron and then combines with the iron in the pre-reduced iron ore to form cementite. In this way, the carbon content of the pre-reduced iron ore can be increased. After passing through the final reduction zone, the carbon content of the completely reduced iron ore or sponge iron can be in the range from 0.5% by weight to 3.5% by weight.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das zweite Reduktionsgas auf eine Temperatur zwischen 700 und 1300 °C erwärmt. Vor dem Einspeisen in die Fertigreduktionszone der Reduktionszone wird das zweite Reduktionsgas in einem Gaserwärmer auf die erforderliche Temperatur erwärmt, um die Fertigreduktion des Eisenerzes zu bewirken.According to one embodiment of the method, the second reduction gas is heated to a temperature between 700 and 1300°C. Before being fed into the final reduction zone of the reduction zone, the second reducing gas is heated in a gas heater to the required temperature to effect final reduction of the iron ore.
Ist ein Heißeinsatz des aus der Reduktionszone kommenden Eisenschwamms mit einer Temperatur zwischen 500 und 800 °C nicht möglich, durchläuft der Eisenschwamm gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens eine Kühlzone. Somit sieht das Verfahren vor, dass das Eisenerz nacheinander eine Reduktionszone zum Reduzieren des Eisenerzes zu Eisenschwamm und eine Kühlzone zum Kühlen des Eisenschwamms durchläuft. In der Kühlzone wird der Eisenschwamm von einem Kühlgas durchströmt. Das Kühlgas dient zum Kühlen des Eisenschwamms auf eine zum Weitertransport geeigneten Temperatur beispielsweise unterhalb von 100 °C und kann zudem in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Kühlgases auch ein (weiteres) „Aufkohlen“ des Eisenschwamms bewirken, insbesondere wenn kohlenstoffhaltige Verbindungen zum Einsatz kommen, vorzugsweise Kohlenstoffdioxid (CO2), welches bevorzugt aus dem ausgeschleusten Prozessgas aus der Reduktionszone abgetrennt werden kann und nicht beispielsweise CCS oder CCU zugeführt wird. In der Kühlzone findet am Beispiel von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff die sogenannte Bosch-Reaktion statt
Kohlenstoffdioxid kann bei dem „Aufkohlen“ des Eisenschwamms unter den dort vorherrschenden Bedingungen verbraucht werden. In der Kühlzone und durch das Kühlgas, welches zumindest eine kohlenstoffhaltige Verbindung umfasst, kann der Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms nach dem Kühlen respektive nach der Kühlzone größer als 0,5 Gew.-%, insbesondere größer 1,0 Gew.-%, vorzugsweise größer 2,0 Gew.-% eingestellt werden. Weiterhin kann der Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms nach der Kühlzone kleiner als 4,5 Gew.-%, insbesondere kleiner als 4,0 Gew.-%, vorzugsweise kleiner 3,5 Gew.-% eingestellt werden, was den Vorteil hat, dass der Eisenschwamm den bekannten Weiterverarbeitungsprozessen zugeführt werden kann, ohne dass eine Anpassung der Weiterverarbeitungsprozesse erforderlich ist. Insbesondere kann der Eisenschwamm beispielsweise im Linz-Donawitz-Konverter (auch als „Basic Oxygen Furnace“ bezeichnet) weiterverarbeitet werden. Zudem kann der Schmelzpunkt des Eisenschwamms durch eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalt erniedrigt werden. Dadurch kann auch der Energiebedarf beim Einschmelzen im Lichtbogenofen (auch als „Electric Arc Furnace“ bezeichnet) reduziert werden.Carbon dioxide can be used up during the "carburization" of sponge iron under the prevailing conditions. In the cooling zone and through the cooling gas, which comprises at least one carbon-containing compound, the carbon content of the sponge iron after cooling or after the cooling zone can be greater than 0.5% by weight, in particular greater than 1.0% by weight, preferably greater than 2 .0% by weight can be set. Furthermore, the carbon content of the sponge iron after the cooling zone can be set to less than 4.5% by weight, in particular less than 4.0% by weight, preferably less than 3.5% by weight, which has the advantage that the sponge iron can be supplied to the known further processing without the need for an adjustment of the further processing. In particular, the sponge iron can be further processed, for example, in the Linz-Donawitz converter (also known as the "Basic Oxygen Furnace"). In addition, the melting point of sponge iron can be lowered by increasing the carbon content. As a result, the energy requirement for melting in the electric arc furnace (also referred to as "Electric Arc Furnace") can also be reduced.
So kann gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens die Reduktionszone umfassend Vorreduktions- und Fertigreduktionszone oberhalb der Kühlzone in einem Schachtofen angeordnet sein. Das Eisenerz durchläuft dann den Schachtofen in vertikaler Richtung von oben nach unten. Derartige Schachtöfen ermöglichen eine gute Durchströmung des Eisenerzes mit erstem und zweitem Reduktionsgas und anschließend des fertig reduzierten Eisenerzes respektive Eisenschwammes mit Kühlgas aufgrund des zugrundeliegenden Kamineffektes. Insbesondere durchströmt das erste und zweite Reduktionsgas die Vor- und Fertigreduktionszone entgegen einer Bewegungsrichtung des Eisenerzes. Entsprechend durchströmt das Kühlgas die Kühlzone ebenfalls entgegen einer Bewegungsrichtung des erzeugten Eisenschwamms. Sowohl in der Reduktionszone als auch in der Kühlzone wird demnach das Gegenstromverfahren eingesetzt, um eine effiziente Reaktion zwischen den Gasen und den Feststoffen zu erreichen.Thus, according to one embodiment of the method, the reduction zone, comprising the pre-reduction zone and the final reduction zone, can be arranged above the cooling zone in a shaft furnace. The iron ore then passes through the shaft furnace in a vertical direction from top to bottom. Such shaft furnaces enable a good flow through the iron ore with first and second reducing gas and then through the completely reduced iron ore or sponge iron with cooling gas due to the underlying chimney effect. In particular, the first and second reduction gas flows through the preliminary and final reduction zones counter to a direction of movement of the iron ore. Correspondingly, the cooling gas also flows through the cooling zone counter to a direction of movement of the sponge iron produced. The countercurrent process is therefore used both in the reduction zone and in the cooling zone in order to achieve an efficient reaction between the gases and the solids.
Gemäß einer alternativen Variante des Verfahrens umfassen die Reduktionszone aufweisend eine Vor- und eine Fertigreduktionzone jeweils mindestens einen oder mehrere Wirbelschichtreaktoren und/oder die Kühlzone einen oder mehrere Wirbelschichtreaktoren. In einem Wirbelschichtreaktor wird eine feinkörnige Feststoffaufschüttung durch das kontinuierlich über einen Gasverteiler von unten einströmende Gas aufgewirbelt. Dies ermöglicht gleichfalls eine effiziente Reaktion zwischen den Gasen und den Feststoffen.According to an alternative variant of the process, the reduction zone having a pre-reduction zone and a final reduction zone each comprise at least one or more fluidized-bed reactors and/or the cooling zone one or more fluidized-bed reactors. In a fluidized bed reactor, a fine-grained solid bed is whirled up by the gas flowing in continuously from below via a gas distributor. This also enables efficient reaction between the gases and the solids.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Dabei zeigt die einzige
In
Das in die Vorreduktionszone (12) der Reduktionszone (11) eingeschleuste erste Reduktionsgas (22) einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) hat im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) um mindestens 5 Vol.-% höheren Wasserstoffanteil, weist insbesondere einen Wasserstoffanteil von mindestens 55 Vol.-% auf. Besonders bevorzugt besteht das erste Reduktionsgas (22) aus Wasserstoff (H2). Vor dem Einspeisen in die Vorreduktionszone (12) kann das erste Reduktionsgas (22) in einem Gaserwärmer (32) auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C erwärmt werden.The first reduction gas (22) introduced into the pre-reduction zone (12) of the reduction zone (11) has a hydrogen content that is at least 5% by volume higher than that of the second reduction gas (23), and in particular has a hydrogen content of at least 55% by volume. The first reducing gas (22) particularly preferably consists of hydrogen (H2). Before being fed into the pre-reduction zone (12), the first reduction gas (22) can be heated to a temperature of between 500 and 1200° C. in a gas heater (32).
Nach dem Verlassen der Reduktionszone (11) respektive der Fertigreduktionszone (13) tritt der Eisenschwamm in die optionale Kühlzone (14) ein. Dabei hat der Eisenschwamm eine Temperatur im Bereich von 500 bis 800 °C. Auch in der Kühlzone (14) wird der Eisenschwamm mit Kühlgas (24) entgegen der Bewegungsrichtung des Eisenschwammes durchströmt. Unverbrauchtes Kühlgas tritt zusammen mit etwaigen gasförmigen Reaktionsprodukten als Prozessgas (25) wieder aus. Ein gewisser Anteil des Kühlgases (24) kann in die Fertigreduktionszone (13) eintreten. Ebenso kann ein gewisser Anteil des zweiten Reduktionsgases (23) in die Kühlzone (14) eintreten. Am Übergang zwischen Fertigreduktionszone (13) und Kühlzone (14) kann es also zu Mischungen von Kühlgas (24) und Reduktionsgas (23) kommen. Das Kühlgas (24) umfasst insbesondere eine kohlenstoffhaltige Verbindung oder Mischung, vorzugsweise Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Methan. Wasserstoff (H2) kann bei Bedarf dem Kühlgas (24) beigemengt werden, wodurch in der Kühlzone (14) das Kühlgas (24) die Bosch-Reaktion unter Anwesenheit des heißen Eisenschwamms als Katalysator durchläuft. Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) im Kühlgas reagieren somit nach der Reaktion
Die besonders bevorzugte Fahrweise zum Direktreduktion von Eisenerz (io) zu Eisenschwamm (si) sieht Wasserstoff (H2) als erstes Reduktionsgas (22) vor, welches nach Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C in die Vorreduktionszone (12) der Reduktionszone (11) in einem Schachtofen (10) eingeschleust wird. In der Vorreduktionszone (12) beruht die Reaktion bei Verwendung von Wasserstoff (H2) als erstes Reduktionsgas (22) des Eisenerzes zu vorreduziertem Eisenerz im Wesentlichen auf
Als zweites Reduktionsgas (23) der besonders bevorzugten Fahrweise wird Erdgas als Frischgas (NG) bereitgestellt, welches nach Erwärmung auf Betriebstemperatur zwischen 700 und 1300 °C bei Bedarf mit Sauerstoff (02) gemischt und in die Fertigreduktionszone (13) der Reduktionszone (11) des Schachtofens (10) eingeschleust wird. In der Fertigreduktionszone (13) beruht die Reaktion bei Verwendung eines Frischgases aus Erdgas (NG) ohne Zufuhr von zusätzlichen Sauerstoff des vorreduzierten Eisenerzes zu Eisenschwamm im Wesentlichen auf
In die Kühlzone (14) kann ein Kühlgas (24) aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) eingeschleust werden und den Eisenschwamm (si) auf eine Temperatur unterhalb von 100 °C abgekühlt werden.A cooling gas (24) composed of carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) can be introduced into the cooling zone (14) and the sponge iron (si) can be cooled to a temperature below 100.degree.
Das aus dem Schachtofen (10) oberhalb der Reduktionszone (11) ausgeschleuste Prozessgas (40) wird wie in
Durch die besonders bevorzugte Konfiguration ist es möglich, ein Direktreduktionverfahren variabel mit Wasserstoff (22) und Erdgas (23) in variablen Mischungsverhältnis von 0 bis 100% hinsichtlich des CO2-Ausstoßes, Effizienz und der Verfügbarkeit der Reduktionsgase optimal einzustellen.The particularly preferred configuration makes it possible to optimally set a direct reduction process with hydrogen (22) and natural gas (23) in variable mixing ratios from 0 to 100% with regard to CO 2 emissions, efficiency and the availability of the reduction gases.
Alternativ und hier nicht dargestellt kann die Erfindung auch in einer Kaskade von Wirbelschichtreaktoren durchgeführt werden. Dabei bildet mindestens jeweils ein Wirbelschichtreaktor eine Vor- und Fertigreduktionszone einer Reduktionszone und je nach Gegebenheit und wenn kein Heißeinsatz möglich sein sollte, kann mindestens ein weiterer Wirbelschichtreaktor in der Kaskade als Kühlzone verwendet werden. So würde das Eisenerz den ersten und zweiten Wirbelstromreaktor der Reduktionszone und optional einen dritten Wirbelschichtreaktor der Kühlzone sukzessive durchlaufen und dabei schrittweise in Eisenschwamm umwandeln. Im, falls erforderlich, letzten Wirbelschichtreaktor kann der Eisenschwamm mittel Kühlgas abgekühlt werden. Das Prinzip entspricht im Wesentlichen dem eines Schachtofens, jedoch auf mehrere Wirbelschichtreaktoren anstelle eines Schachtes verteilt. Die Anzahl der Wirbelschichtreaktoren kann je nach Bedarf zusammengeschaltet werden.Alternatively and not shown here, the invention can also be carried out in a cascade of fluidized bed reactors. At least one fluidized bed reactor forms a pre- and final reduction zone of a reduction zone and, depending on the circumstances and if hot application is not possible, at least one further fluidized bed reactor in the cascade can be used as a cooling zone. Thus, the iron ore would successively pass through the first and second fluidized bed reactor of the reduction zone and optionally a third fluidized bed reactor of the cooling zone, gradually converting it into sponge iron. In the last fluidized bed reactor, if necessary, the sponge iron can be cooled using cooling gas. The principle essentially corresponds to that of a shaft furnace, but distributed over several fluidized bed reactors instead of one shaft. The number of fluidized bed reactors can be interconnected as required.
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