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Kontinuierliches zweistufiges Verfahren zum direkten Reduzieren von
pulverisiertem Eisenoxyd und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die
Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zum direkten Reduzieren von pulverisiertem
Eisenoxyd und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Es ist bereits ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren zum direkten
Reduzieren von pulverisiertem Eisenoxyd, auch in Form von Magnesit oder Hämatiterz,
bekannt, bei dem in einer Primärstufe im wesentlichen zu Fe0 und in einer Sekundärstufe
vorwiegend zu metallischem Eisen reduziert wird und bei dem aufsteigende Ströme
von vorerhitztem, reduzierend wirkendem Gas bereits teilweise reduziertes feinteiliges
Gut in der Sekundärstufe im Wirbelzustand halten und reduzieren, bei dem ferner
von der Sekundärstufe kommende aufsteigende Abgasströme vorerhitztes feinteiliges
Gut in der Primärstufe im Wirbelzustand halten und teilweise reduzieren und bei
dem der durch das feinteilige Gut in jeder Stufe erzeugte Widerstand gegen die Gasströmung
eine Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit aus jeder Stufe bei gleichzeitigem Druckabfall
verursacht. Im einzelnen geht man bei einem derartigen kontinuierlich arbeitenden
System zur direkten Reduktion so vor, daß vorerhitztes feinpulveriges Eisenoxyd
in einer Reihe von Wirbelschichten mit aufsteigenden Strömen von reduzierend wirkendem
Gas, wie Wasserstoff, Kohlenmonoxyd oder Gemischen aus diesen, behandelt wird. Der
Wirkungsgrad der Gasausnutzung kann dadurch erhöht werden, daß die Reduktion in
zwei Stufen durchgeführt wird, d. h. in einer Primärstufe, in der die höherwertigen
Oxyde (Fe203 und/oder Fes04) im wesentlichen zu Fe0 reduziert werden, und in einer
Sekundärstufe, in der das erhaltene FOO zu metallischem Eisen reduziert wird. Die
Abgase aus der Sekundärstufe haben noch ein ausreichendes Reduktionsvermögen zur
Verwendung in der Primärstufe, auch wenn ihre Zusammensetzung sich für die Verwendung
in der Sekundärstufe dem Gleichgewichtszustand angenähert hat. Durch die Verwendung
der Abgase aus der Sekundärstufe in der Primärstufe wird ein Reduktionsvermögen
ausgenutzt, das sonst ungenutzt bleiben würde, wenn der ganze Reduktionsvorgang
in einer einzigen Stufe durchgeführt wird. Das Abgas aus der Primärstufe wird regeneriert
und in den Kreislauf zurückgeführt. Das Regenerieren erfolgt unter Entfernen der
Oxydationsprodukte H20 und/oder C02. Dies bedingt eine Konzentrationszunahme der
inerten Stoffe, z. B. von Stickstoff. Zu diesem Zweck wird ein Teil des regenerierten
Gases abgeleitet, um so das Ansteigen des Gehaltes der inerten Stoffe zu begrenzen.
An Stelle des verbrauchten und gereinigten Gases wird dem System frisches reduzierend
wirkendes Gas zugeführt.
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Das reduzierend wirkende Gas muß durch die Wirbelschichten unter Überdruck
geleitet werden. Da das Gas durch jede Wirbelschicht hindurchtritt, verursacht der
Strömungswiderstand einen Druckabfall, der seinerseits zu einer höheren Gasgeschwindigkeit
führt. Die Abgasgeschwindigkeit aus der Primärstufe ist daher normalerweise höher
als diejenige der Sekundärstufe. Diese Erhöhung der Geschwindigkeit hat insofern
Nachteile, als die Kontaktzeit zwischen den Feststoffen und dem Gas kürzer wird.
Dies ist für eine wirksame Gasausnutzung ungünstig, und weiterhin führt das Gas
eine übermäßig große Staubmenge mit sich.
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Gegenüber diesem Stande der Technik ist das erfindungsgemäße kontinuierlich
arbeitende Verfahren zum direkten Reduzieren von pulverisiertem Eisenoxyd dadurch
gekennzeichnet, daß die Abgasgeschwindigkeiten aus den beiden Stufen dadurch einander
angeglichen werden, daß 4 bis 30%. des die Sekundärstufe verlassenden Abgases zwischen
Sekundär
- und Primärstufe abgezweigt und im Kreislauf zur Sekundärstufe
zurückgeführt werden.
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Hierdurch gelingt es, die Abgasgeschwindigkeit aus der Primärstufe
so weit zu verringern, daß sie der Abgasgeschwindigkeit aus der Sekundärstufe entspricht,
wodurch der allgemeine Wirkungsgrad erhöht und die mitgeführte Staubmenge herabgesetzt
wird.
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Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal läßt sich die Menge
des zwischen der Sekundär- und Primärstufe abgezweigten und im Kreislauf zu der
Sekundärstufe zurückgeführten Gasanteiles nach einer weiter unten angegebenen Gleichung
ermitteln. Erfindungsgemäß wird weiterhin die Molzahl der abzuleitenden reduzierend
wirkenden Bestandteile so herabgesetzt, daß eine gegebene maximale Konzentration
der inerten Stoffe aufrechterhalten wird, wodurch sich eine weitere Verbesserung
der Gasausnutzung ergibt.
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Die Zeichnung zeigt ein Strömungsschema für die Vorrichtung und das
Verfahren gemäß der Erfindung, in dem beispielsweise Zusammensetzungen und numerische
Werte für 100 Mol des reduzierend wirkenden Gases zur Erleichterung der Erläuterung
eingetragen sind.
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In der Zeichnung sind schematisch ein Reaktionsgefäß 10 für
die Primärstufe und ein Reaktionsgefäß 12 für die Sekundärstufe dargestellt, die
von an sich bekannter Bauart sein können und bei welchen aufsteigende Gasströme
Schichten von feinverteilten Feststoffen im Wirbelzustand halten. Die Reaktionsgefäße
sind natürlich mit an sich bekannten nicht gezeigten Staubabscheidern ausgerüstet.
Feinpulveriges Eisenoxyd, das auf etwa 870 bis 980°C vorerhitzt worden ist, wird
dem Reaktionsgefäß der Primärstufe kontinuierlich zugeführt, von dem aus es zum
Reaktionsgefäß der Sekundärstufe weitergeleitet wird, aus dem es vorwiegend zu metallischem
Eisen reduziert austritt. Gewöhnlich wird das Reduktionsprodukt für irgendeinen
Zweck agglomeriert und gekühlt. Das im wesentlichen aus Wasserstoff, Kohlenmonoxyd
oder Gemischen aus diesen Gasen bestehende Reduktionsgas wird auf etwa 815 bis 925°C
in einer Heizvorrichtung vorerhitzt, die bei 13 schematisch dargestellt ist, und
kontinuierlich in das Reaktionsgefäß der Sekundärstufe eingeleitet, in der es die
Feststoffe in einer Wirbelschicht hält und mit diesen in einer nachstehend näher
beschriebenen Weise in Reaktion tritt. Zur vereinfachten Darstellung der Erfindung
zeigt die Zeichnung ein Beispiel, bei welchem der aktive Bestandteil des Gases nur
Wasserstoff ist. Aus dem Reaktionsgefäß der Sekundärstufe wird Abgas kontinuierlich
dem Reaktionsgefäß der Primärstufe zugeführt, in dem seine Funktion ähnlich ist,
wenn auch andere Reaktionsvorgänge stattfinden.
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Das Abgas aus der Primärstufe wird einem an sich bekannten Regenerator
zugeführt, der bei 14 schematisch dargestellt ist und mit einem Kühler für das Auskondensieren
von Wasser und/oder einem Absorptionsbehälter für Kohlendioxyd, je nach den aktiven
Bestandteilen des reduzierend wirkenden Gases, ausgerüstet sein kann: Zur Vereinfachung
der Darstellung ist in der Zeichnung wiederum der Regenerator lediglich als Kühler
dargestellt. Nachdem das Gas den Regenerator 14 verlassen hat, wird ein Teil desselben,
wie bei 15 dargestellt, abgeleitet, -um das Ansammeln von inerten Stoffen zu beschränken.
Sodann wird das restliche regenerierte Gas einem Verdichter üblicher Art zugeleitet,
der schematisch bei 16 dargestellt ist. Die Gasableitung kann gegebenenfalls
jedoch auch nach dem Verdichten erfolgen. Der Verdichter erhöht den Druck wieder
auf ctwa 1,4 bis 7,0 atü zur Verwendung in den Reaktionsgefäßen und kondensiert
weitere Feuchtigkeit heraus. Dem verdichteten und regenerierten Gas wird bei 17
frisches reduzierend wirkendes Gas unter ähnlichem Druck als Ersatz für das verbrauchte
und abgeleitete Gas zugeführt. Sodann wird das Gemisch aus frischem und zum Kreislauf
zurückgeführtem Gas dem Gaserhitzer 13 zugeführt.
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Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden in
den beiden Reaktionsgefäßen Reaktionsbedingungen aufrechterhalten, durch welche
die die Reduktion bewirkenden Reaktionsvorgänge in der Primärstufe auf einen oder
mehrere der folgenden Umsetzungen beschränkt werden:
| Fe._O, + CO -. 2 Fe0 T- CO., |
| Fe203 + H., , 2 Fe0 + HA |
| Fe 304 -Y- CO 3 Fe0 -!-CO., |
| Fe 304 + H., --> 3 Fe0 + H.,Ö |
In der Sekundärstufe findet einer oder beide der folgenden Reaktionsvorgänge statt:
| Fe0 + CO -> Fe --- CO., |
| Fe0 + H., # Fe + H.>0 |
Während des Ablaufs dieser Reaktionsvorgänge werden die reduzierend wirkenden Bestandteile
CO und/oder Hz des Gases verbraucht, während sich die Oxydationsprodukte C02 und/oder
11,0 ansammeln. In jedem Falle können die Verhältnisse C02/CO und/oder H20/H2 so
hohe Werte erreichen, daß die Reaktion zum Stillstand kommt und die Reaktionsteilnehmer
sich dem Gleichgewicht nähern. In der sekundären Reaktionsstufe wird das Gleichgewicht
bei niedrigeren Verhältnissen als in der Primärstufe erreicht, so daß Abgas aus
der Sekundärstufe, wie erwähnt, als reduzierend wirkendes Gas in der Primärstufe
verwendet werden kann.
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Die Temperaturbereiche für beide Stufen liegen zwischen 600 und
760- C, wobei die bevorzugte Temperatur etwa 700'= C beträgt. Theoretisch
wird die untere Temperaturgrenze in der Primärstufe durch die tiefste Temperatur
bestimmt, bei welcher Hämatit und Magnetit zu Wüstit (Fe0) statt unmittelbar zu
metallischem Eisen reduziert werden. In der Sekundärstufe wird die untere Grenze
durch die tiefste Temperatur bestimmt, bei welcher das Abgas ein ausreichendes Reduktionsvermögen
für die Reduktion der erforderlichen Menge höchstwertiger Oxyde zu Fe0 in der Primärstufe
hat, die von der jeweiligen Gleichgewichtskonstante abhängt. Die obere Temperaturgrenze
wird durch das Maximum bestimmt, bei dem die reduzierten Teilchen nicht aneinanderhaften
und dadurch das Wirbelschichtverfahren undurchführbar machen.
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In der Sekundärstufe kann eine sehr starke Annäherung an die Gleichgewichtsbedingungen
erfolgen, so daß praktisch das volle Reduktionsvermögen des Gases für das Reduzieren
von Fe0 zu metallischem Eisen ausgenutzt werden kann. Wenn jedoch das gesamte Abgas
aus der Sekundärstufe der Primärstufe zugeleitet wird, erfolgt niemals eine starke
Annäherung an den Gleichgewichtszustand, sondern hat das endgültige Abgas noch ein
ungenutztes Vermögen zur Reduktion höherwertiger Oxyde zu Fe0. Auf diese
Weise
würde eine größere Gasmenge als erforderlich durch das Reaktionsgefäß der Primärstufe
hindurchtreten. Wie erwähnt, wird durch den Druckabfall, der in der Gasströmung
infolge des Widerstandes der Wirbelschichten auftritt, die Abgasgeschwindigkeit
aus dem Reaktionsgefäß der Primärstufe in unerwünschter Weise erhöht. Ferner ist
bei gleichem Durchtrittsquerschnitt die Geschwindigkeit um so größer, je größer
das Gasvolumen ist.
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Gemäß der Erfindung werden etwa 4 bis 30% des Abgases aus der Sekundärstufe
so umgeleitet, daß es nicht mehr durch die Primärstufe hindurchtritt. Da durch das
Reaktionsgefäß der Primärstufe ein kleineres Gasvolumen strömt, wird in diesem die
Gasgeschwindigkeit herabgesetzt, wodurch die Kontaktzeit zwischen den Feststoffen
und dem Gas erhöht und die Staubbeladung verringert wird. Der umzuleitende Teil
wird so berechnet, daß sich annähernd gleiche Abgasgeschwindigkeiten im Bereich
von 0,24 bis 0,61 m je Sekunde aus den beiden Reaktionsgefäßen ergeben, jedoch natürlich
noch eine ausreichende Gasströmung durch das Reaktionsgefäß der Primärstufe stattfindet,
damit der gewünschte Reduktionsvorgang erzielt wird. Der für das Erzielen gleicher
Austrittsgeschwindigkeiten umzuleitende Teil X des Gases kann aus der folgenden
Gleichung bestimmt werden:
wobei V das Gasvolumen im Reaktionsgefäß der Sekundärstufe bei Normalbedingungen
ist, p1 der absolute Druck am Austritt des Reaktionsgefäßes der Primärstufe, Ti
die absolute Temperatur im Reaktionsgefäß der Primärstufe, p2 der absolute Druck
am Austritt des Reaktionsgefäßes der Sekundärstufe und T2 die absolute Temperatur
im Reaktionsgefäß der Sekundärstufe.
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Das umgeleitete Gas wird regeneriert und verdichtet und mit dem regenerierten
und verdichteten Gas aus der Primärstufe vereinigt. Bei der dargestellten Anordnung
wird das umgeleitete Gas durch einen gesonderten Regenerator und einen Verdichter
geführt, die bei 18 bzw. 19 schematisch dargestellt sind. Diese Anordnung ist vorzuziehen,
da es nicht zweckmäßig ist, umgeleitetes Gas abzuleiten, das noch verhältnismäßig
hohe Anteile an reduzierend wirkenden Bestandteilen enthält, und da ferner dieses
Gas bereits unter einem höheren Druck steht als das Abgas aus dem Reaktionsgefäß
der Primärstufe. Es kann jedoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als vorteilhaft
betrachtet werden, wenn das umgeleitete Gas mit dem anderen Gas entweder vor dem
ersten Regenerator 14 oder vor dem ersten Verdichter 16 vereinigt wird. Obwohl diese
Abänderungen entweder dazu führen, daß ein Teil des umgeleiteten Gases abgeleitet
wird oder der Leistungsbedarf des Verdichters erhöht wird, wird die Apparatur dadurch
vereinfacht, daß entweder sowohl der zweite Regenerator als auch der zweite Verdichter
weggelassen werden kann oder nur der zweite. Verdichter. Zur Vereinfachung der Darstellung
ist wiederum der Regenerator 18 nur als Kühler gezeigt.
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Die Zeichnung enthält Angaben über mögliche aufeinander abgestimmte
numerische Werte und Zusammensetzungen für 100 Mol des reduzierend wirkenden Gases.
Bei diesem Beispiel betragen die Temperaturen in beiden Reaktionsgefäßen etwa 700°
C und beträgt der absolute Druck am Auslaß des Reaktionsgefäßes der Sekundärstufe
und am Einlaß des Reaktionsgefäßes der Primärstufe 1,75 kg/cm2. Der Druckabfall
im Reaktionsgefäß der ersten Stufe beträgt 0,35 kg/cm2, so daß die Abgasgeschwindigkeit
aus dem Reaktionsgefäß der ersten Stufe um 25% zunehmen würde, wenn kein Gas umgeleitet
wird. Aus der Auflösung der voranstehend gegebenen Gleichung ergibt sich, daß 20%
des Abgases aus dem Reaktionsgefäß der Sekundärstufe für das Erzielen gleicher Austrittsgeschwindigkeiten
umzuleiten sind.
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Aus der Zeichnung ist zu entnehmen, daß 15,5 Mol regeneriertes Gas
mit einem Gehalt von 81,4% H2 abgeleitet werden, um den Stickstoffgehalt in dem
dem Reaktionsgefäß der Sekundärstufe zugeführten Gas auf 10%. zu beschränken. Aus
entsprechenden Berechnungen geht hervor, daß bei einem System, bei dem kein Gas
umgeleitet wird, das sonst jedoch identisch ist, 16,75 Mol regeneriertes Gas mit
einem Gehalt von 82,0%. H2 abgeleitet werden müssen, um den gleichen Stickstoffgehalt
aufrechtzuerhalten. Durch die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung läßt
sich daher eine Einsparung an Wasserstoff von mehr als 1 Mol je Durchlauf erzielen,
was einer Einsparung von etwa 6 bis 7%, bezogen auf die Menge des abgeleiteten Gases,
entspricht. Trotz des hohen Gehalts an reduzierend wirkenden Bestandteilen im abgeleiteten
Gas kann dieses nur als Brennstoff od. dgl. verwendet werden. Es ist daher jede
Einsparung an reduzierend wirkenden Bestandteilen aus dem abgeleiteten Gas von Bedeutung.
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In der vorangehenden Beschreibung ist gezeigt, daß durch die Erfindung
eine einfache Vorrichtung und ein einfaches Verfahren zur Angleichung der Abgasgeschwindigkeiten
aus den Reaktionsgefäßen in einem zweistufigen kontinuierlich arbeitenden System
zur direkten Reduktion geschaffen wurde. Gleichzeitig wird eine geringere Staubbeladung
und ein höherer Wirkungsgrad in der Ausnutzung des reduzierend wirkenden Gases erzielt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorangehend- beschriebenen bevorzugten
Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens beliebige Abänderungen
erfahren.