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Verfahren zur direkten Gewinnung eines vorwiegend aus metallischem
Eisen bestehenden Produktes aus oxydischen Eisenerzen und -konzentraten Es ist bekannt,
Eisenoxyde in festem Zustand zu einem niedrigeren Oxydationsgrad bis zu einschließlich
metallischem Eisen durch direkte Reaktion mit einem gasförmigen Reduktionsmittel,
wie z. B. Kohlenmonoxyd, in Anwesenheit von festem Reduktionsmittel, wie Kohle oder
Koks, zu reduzieren. Die dabei ablaufenden Reaktionen sind im wesentlichen die folgenden
| 1. 3 C -f- 30, -@ 3 C02 |
| 2. 3 C02 -I- 3 C 6 CO |
| 3. 2 Fe203 -f- 6 CO -z;#= 4 Fe + 6 C02 |
| 4. 2 Fe203 -f- 6 C -->- 4 Fe -E- 6 CO |
Es ist auch bekannt, Eisenerzpellets mit eingebundenem festem Kohlenstoff einem
Schachtofen aufzugeben. Weiter ist es bekannt, hartgebrannte Eisenerzpellets in
einem Schachtofen mit einem reduzierenden Gas zu reduzieren. Dieses Verfahren erfordert
große Mengen an reduzierendem Gas, das in einer gesonderten Anlage erzeugt werden
muß. Außerdem ist es schwierig, die Temperatur entlang der Reduktionszone auf gleicher
Höhe zu halten.
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Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, ungebrannte, feuchte
grüne Eisenerzpellets in einen Drehrohrofen aufzugeben und sie dort gleichzeitig
mit einem festen und einem gasförmigen Reduktionsmittel zu behandeln, welch letzteres
innerhalb des Bettes durch Reaktion des festen kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels
mit Luft gebildet wird, das in Abständen entlang der Länge des Drehrohrofens eingeführt
wird.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren wird die Temperatur innerhalb
der Reduktionszone in einem Drehrohrofen dadurch auf gleicher Höhe gehalten, daß
der Drehrohrofen mit auf seiner Länge verteilten Mantelbrennern ausgerüstet wird.
Das für dieses Verfahren verwendete Einsatzprodukt besteht aus feinkörnigem eisenoxydhaltigem
Material, während als Reduktionsmittel ein festes kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel
zusammen mit einem reduzierenden Gas verwendet wird, das in einer gesonderten Anlage
erzeugt und in den Drehrohrofen zum Teil am Austragsende und zum Teil mit Hilfe
von auf seine Länge verteilten Mantelbrennern eingeführt wird. Obwohl nach diesem
Verfahren die Temperatur innerhalb der Reduktionszone auf gleicher Höhe gehalten
wird, wird das Temperaturniveau ausschließlich nach dem Gesichtspunkt gewählt, in
welcher Form das erzeugte Eisen anfallen soll. Für die Herstellung von Eisenpulver
wird ein Temperaturbereich von 650 bis 750°C empfohlen. Dieser ist zu niedrig für
eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, muß aber so niedrig gehalten werden, weil die
obere Grenze des zulässigen Temperaturniveaus durch die höchste örtliche Temperatur
festgelegt ist, die ihrerseits durch die Kühlung der Innenwände des Ofens durch
die Mantelbrenner bestimmt wird. Für die Herstellung von Eisenschwamm und flüssigem
Gut wird nur die untere Grenze der einzuhaltenden Temperatur angegeben, und zwar
als diejenige, bei der das Sintern und Schmelzen der erhaltenen Eisenpartikeln eintritt.
Diese Temperatur ist wieder so hoch, daß dabei das erzeugte Eisen durch Aufnahme
von Aschenbestandteilen aus dem festen Brennstoff verunreinigt wird.
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Es ist auch bekannt, ungebrannte Grünpellets zusammen mit festem kohlenstoffhaltigem
Material in den Drehrohrofen einzuführen und das reduzierende Gas innerhalb der
Charge durch Reaktion des festen kohlenstoffhaltigen Materials mit Luft zu erzeugen,
die durch Einführungsrohre entlang dem Ofenmantel eingeführt wird. Der Vorteil dieses
Prozesses besteht darin, daß kein kostspieliges in einer gesonderten Anlage erzeugtes
Reduktionsgas benötigt wird. Dieser Vorteil wird aber durch den Nachteil erkauft,
daß es danach nicht möglich ist, sowohl die Temperatur innerhalb der Reduktionszone
auf konstanter Höhe zu halten wie auch den
Partialdruck an Kohlenmonoxyd
in der Gasatmosphäre. Da die eingangs erwähnten Reaktionen 2 und 3 reversibel sind
und die Richtung, in der die Reaktionen stattfinden, von der Temperatur und dem
Partialdruck an Kohlenmonoxyd abhängt, ist es notwendig, diesen erheblich höher
zu halten als den Partialdruck an Kohlendioxyd, um einen höheren Reduktionsgrad
auf wirtschaftliche Weise zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es, eisenoxydhaltige Rohstoffe
auf technisch wirtschaftliche Weise zu einem Eisen und Eisenoxyd enthaltendem Endprodukt
mit etwa 80 bis 95 °/o metallischem Eisen umzusetzen, welches ohne Zusatz der üblichen
Zuschläge direkt in Eisen- und Stahlöfen, insbesondere als Ersatz für Schrott, eingesetzt
werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur direkten Reduktion von Eisenoxyd
in einem Drehrohrofen mit einer Vorwärmzone, Reaktionszone und Austragszone besteht
im wesentlichen aus folgenden Verfahrensschritten a) In die Vorwärmzone des Drehrohrofens
wird ein Gemenge aus hartgebrannten Eisenoxydpellets mit einer Korngröße von etwa
3 bis 15 mm, festem kohlenstoffhaltigem Material mit einer Partikelgröße unter etwa
12 mm und einem schwefelbindenden Mittel, das zum mindesten zum überwiegenden Teil
aus Partikeln mit einer Teilchengröße von über 1 mm besteht, eingetragen, wobei
der Gehalt der Mischung an festem Kohlenstoff etwa 120 bis 150°/o der für die vollständige
Reduktion des Eisengehaltes der Charge zu metallischem Eisen theoretisch erforderlichen
Menge beträgt.
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b) Die Mischung wird nach Vorheizung in der Vorwärmzone in der Reaktionszone
innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 650 bis 1200°C, vorzugsweise von 900
bis 1150°C, reduziert, wobei der eingehaltene Temperaturbereich unterhalb der Grenze
gehalten wird, bei der Sintern oder Agglomerieren eintritt.
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e) Innerhalb der Reaktionszone wird ein Partialdruck an Kohlenmonoxyd
aufrechterhalten, der um so viel größer als der Partialdruck an CO,
ist, um
die Reaktion 3 in die gewünschte Richtung zu treiben, wobei die Reaktionszone dadurch
praktisch auf gleicher Temperaturhöhe gehalten wird, daß ihr über ihre ganze Länge
in bestimmten Abständen durch äußere Wärmequellen, vorzugsweise Mantelbrenner, Wärme
zugeführt wird und diese durch äußere Wärmequellen eingebrachte Wärmemenge etwa
10 bis 50°/o des Gesamtwärmebedarfs beträgt, d) wobei außerdem innerhalb der Reaktionszone
örtliche Abweichungen vom eingestellten Temperaturniveau und die Ausbildung von
Zonen niedrigen CO-Gehaltes in der Gasatmosphäre vermieden werden.
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e) Als Wärmequellen werden vorzugsweise Mantelbrenner einer bestimmten
Konstruktion verwendet, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Brenner oberhalb des Niveaus der Charge winklig in der Richtung zum Austragsende
des Ofens abgebogen ist, so daß die Flamme im wesentlichen im Gegenstrom zu dem
den Ofen durchsetzenden Gas brennt. Das Verfahren ist nachstehend an Hand der Figuren
schematisch und beispielsweise näher erläutert.
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F i g. 1 ist ein Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens; F i
g. 2 ist ein senkrechter Querschnitt durch eine für die Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignete Vorrichtung; F i g. 3 zeigt Temperaturverteilung in einem bekannten
Drehrohrofen, der nur mit Hilfe eines am Austragsende angebrachten Zentralbrenners
beheizt ist; F i g. 4 zeigt die Temperaturverteilung und den Prozentsatz der Ofenbeschickung,
die vom festen kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel eingenommen ist, in einem Drehrohrofen,
in dem die Temperatur innerhalb der Reduktionszone durch teilweise Verbrennung von
CO mittels eingeführter sauerstoffhaltiger Gase auf konstanter Höhe gehalten wird;
F i g. 5 zeigt die Temperaturverteilung und den Prozentsatz der Ofenbeschickung,
die vom festen kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel eingenommen ist, nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
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In der Beschreibung und den Zeichnungen sind durchgehend die gleichen
Positionsnummern für die gleichen Teile verwendet.
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Das erfindungsgemäß verwendete Einsatzprodukt besteht vorzugsweise
aus hochgradigen Eisenerzen oder Eisenerzkonzentraten, beispielsweise mit einem
Eisengehalt von 60 bis 70 °/o, weil außer Schwefel, der durch einen vorbereitenden
Verfahrensschritt (Rösten bzw. Hartbrennen) entfernt wird, im Oxyd enthaltene Verunreinigungen
durch das Verfahren ebensowenig entfernt werden wie bei anderen bekannten Verfahren
der direkten Reduktion zu metallischem Eisen.
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Das feinkörnige Eisenerzkonzentrat wird in der Verfahrensstufe 1 (vgl.
F i g. 1) auf bekannte Weise, beispielsweise mit Hilfe eines Pelletisiertellers
oder einer Granuliertrommel durch Befeuchten mit einer Flüssigkeit, im allgemeinen
Wasser, und Abrollenlassen zu Granalien oder Pellets verformt. Um sowohl eine gute
Reduktionsgeschwindigkeit wie auch einen hohen Reduktionsgrad zu erzielen, ist es
notwendig, eine bestimmte Korngröße der Pellets einzuhalten. Diese soll die Grenzen
von 3 bis 15 mm und vorzugsweise von 6 bis 12 mm nicht über- oder unterschreiten.
Die Dimensionsangaben beziehen sich dabei auf den kleinsten Durchmesser der Formkörper.
Werden, wie üblich, kugelförmige Granalien verwendet, dann entspricht dies ihrem
Durchmesser, werden hingegen Formkörper anderer Form, z. B. ellipsoidische, verwendet,
dann soll ihr Mindestdurchmesser mindestens 3 mm, vorzugsweise 6 mm, betragen. Auf
diese Weise wird ein optimales Verhältnis des Volumens des einzelnen Pellets zu
seiner Oberfläche erzielt, wodurch die Gefahr des Agglomerierens und die Verunreinigung
durch Schwefel oder Asche aus dem festen kohlenstoffhaltigen Material sowie die
Bildung eines anhaftenden Films aus Flußmitteln, Asche oder festem Feinanteil des
festen Reduktionsmittels ausgeschaltet wird. Daher geben Pellets mit einem kleineren
Durchmesser als 3 mm und häufig aber auch mit einem kleineren Durchmesser als 6
mm ein Austragsprodukt mit zu hohem Gehalt an Schwefel und Gangart. Andererseits
ist die Reduktionsgeschwindigkeit bei Einsatz von Pellets mit mehr als 15 mm im
allgemeinen zu gering.
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Die Pellets aus der Verfahrensstufe 1 werden in der Verfahrensstufe
2 (Rösten) in bekannter Weise auf
eine Temperatur erhitzt, bei der
die Eisenoxydpellets zu einem harten, zusammenhängenden festen Körper zusammenbinden.
Je nach der Art des eingesetzten Rohstoffs liegt diese Temperatur innerhalb des
Bereichs von etwa 1000 bis -1500'C. Vorzugsweise wird das Hartbrennen in
Anwesenheit eines sauerstoffhaltigen Gases, wie Luft, an sauerstoffangereicherter
Luft oder hochprozentigem Sauerstoff durchgeführt, und zwar am besten auf dem bekannten
Sinterband.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme, das Hartbrennen der Pellets aus der
Vorheizzone des Drehrohrofens in eine vorgeschaltete Vorbehandlungsstufe zu verlegen,
hat mehrere günstige Wirkungen. Vor allem neigen die gebrannten harten Pellets viel
weniger als die nach bekannten Verfahren in den Drehrohrofen eingebrachten Grünpellets
dazu, in der Vorheizzone Agglomerate und Konglomerate zu bilden. Auch nehmen die
hartgebrannten Pellets erheblich weniger Verunreinigungen aus dem festen Brennstoff
und dem Flußmittel auf. Außerdem werden niedrigere Eisenoxyde, wie z. B. Fe304,
zu Fe203 oxydiert, das eine erheblich größere Reduktionsgeschwindigkeit zeigt als
die niedrigeren Oxyde. Schließlich wird auch ein eventuell vorhandener Schwefelgehalt
praktisch vollständig als S02 ausgetrieben. Das Austreten des Schwefels in dieser
Verfahrensstufe ist deshalb wichtig, weil mindestens der überwiegende Anteil eines
eventuell vorhandenen Restschwefelgehaltes in das Endprodukt eingeschleppt wird,
in dem bei vollständiger Reduktion der Schwefelgehalt etwa das 1,4fache des Schwefelgehaltes
des Einsatzproduktes beträgt.
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Die hartgebrannten Pellets aus der Verfahrensstufe 2 werden mit festem
kohlenstoffhaltigem Material, wie gasreiche oder gasarme Kohle, Lignit, Koks oder
Koksgrus, vermischt. Vorzugsweise wird ein unter den Temperaturbedingungen des Verfahrens
nichtbackender fester Brennstoff verwendet. Außerdem wird der Mischung ein Flußmittel
wie Dolomit oder Kalkstein zugesetzt, vor allem, um den Schwefelgehalt des festen
kohlenstoffhaltigen Brennstoffs als Kalziumsulfid oder Kalzium-Magnesium-Sulfid
zu binden und dadurch das Einschleppen des Schwefels in die Pellets zu verhindern.
Dolomit ist für diesen Zweck vorteilhafter als Kalkstein, weil er weniger zur Desintegration
neigt, so daß die Aufrechterhaltung einer optimalen Korngröße, auch des schwefelbindenden
Materials, bis zum Austragsende leichter ist.
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Wie gefunden wurde, ist es auch wichtig, die Korngröße des festen
kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels und des Kalksteins und/oder Dolomits innerhalb
bestimmter Grenzen zu halten. Das feste kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel soll
in einer Korngröße von höchstens 12 mm vorliegen, um eine genügend große reaktive
Oberfläche zu bieten. Die untere zulässige Korngröße ist in diesem Zusammenhang
nicht so kritisch, jedoch wird eine untere Grenze von etwa 1 mm vorgeschlagen, um
Staubverluste und -belästigungen zu vermeiden.
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Die Kalk- bzw. Dolomitpartikeln sollen kleiner als 6 mm, vorzugsweise
kleiner als 3 mm sein und mindestens der überwiegende Anteil mehr als 1 mm. Die
Anwesenheit größerer Mengen an Feinanteilen verursachen Betriebsschwierigkeiten,
weil sie bei der Reaktionstemperatur zum Anbacken an die Ofenausmauerung und an
die Pelletoberfläche neigen. Der Gehalt der Mischung an Kalk oder Dolomit soll mindestens
4 Gewichtsprozent der eingesetzten Pellets betragen, wenn Kalk- bzw. Dolomitpartikeln
von 1 bis 6 mm verwendet werden, und mindestens 6 Gewichtsprozent, wenn die Kalk-
bzw. Dolomitpartikeln eine Korngröße von 3 bis 6 mm haben, um einen Überschuß über
die zur Bindung des Schwefelgehaltes notwendige Menge sicherzustellen.
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Ein wesentliches Kennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
im Gehalt der Chargenmischung an festem kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel. Nach
den bekannten Verfahren war es notwendig, das feste kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel
in großem Überschuß, und zwar in einer Menge von 2000/0 und mehr, der zur vollständigen
Reduktion theoretisch erforderlichen Menge einzusetzen. Dieser große Überschuß war
notwendig, um nicht nur innerhalb der ganzen Reduktionszone, sondern auch bis zum
Austragsende des Ofens einen größeren Überschuß an festem kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel
zu gewährleisten, da andernfalls bei der Verbrennung des CO die Gefahr der Ausbildung
örtlicher Zonen mit einem zu niedrigen CO-Gehalt bestehen würde. Dieser nach den
bekannten Verfahren notwendig gewesene große Kohlenstoffüberschuß ist nicht nur
deshalb nachteilig, weil er einen erheblichen Teil des nutzbaren Ofenvolumens einnimmt
und ihn seinem bestimmungsgemäßen Zweck entzieht, wodurch die Durchsatzleistung
des Ofens verringert wird, sondern auch, weil er aus dem Austragsgut abgetrennt
und rezirkuliert werden muß. Da bei diesem Abtrennen und Rezirkulieren etwa 100/"
des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels verlorengehen, ist der dadurch verursachte
Kohlenstoffverlust natürlich um so größer, je größer die zu rezirkulierende Menge
ist. Außerdem ist es trotz Anwendung eines noch so großen Überschusses an festem
Kohlenstoff in der Beschickung praktisch sehr schwierig, sowohl die Temperatur über
die ganze Länge der Reduktionszone auf praktisch der gleichen Höhe zu halten, wie
auch die Ausbildung von Zonen geringen CO-Partialdruckes zu vermeiden.
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Es wurde nun gefunden, daß diese Nachteile dadurch überwunden werden
können, daß das feste kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel nur in einer Menge von
etwa 120 bis 15001, der zur vollständigen Reduktion des Eisengehaltes zu
metallischem Eisen theoretisch notwendigen Menge zugemischt und Wärme von äußeren
Wärmequellen in Abständen entlang der Reaktionszone eingebracht wird. Mindestens
100/, und vorzugsweise etwa 10 bis 5001,
des gesamten Wärmebedarfs werden
auf diese Weise durch äußere Wärmequellen eingebracht. Vorzugsweise werden zu diesem
Zweck Kohlenstaub-, Gas-oder Ölbrenner verwendet, deren Flammen oberhalb der Oberfläche
der Chargenmischung im Ofen parallel zu dessen Achse brennen.
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Weiter wurde gefunden, daß es vorteilhaft ist, die Flamme in der Richtung
parallel zur Bewegung des festen Einsatzproduktes, d. h. entgegen der Richtung des
Gasstromes im Ofen brennen zu lassen.
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Es ist bekannt, daß es vorteilhaft ist, als festes kohlenstoffhaltiges
Reduktionsmittel einen nichtbackenden Brennstoff, wie Koks oder Anthrazit, also
verhältnismäßig teure Brennstoffe zu verwenden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht demnach auch darin, daß nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des für die
Erhitzung des Ofens verwendeten Brennstoffs in Form von hochwertigen Brennstoffen
mit den
Pellets eingetragen werden muß und daß ein erheblicher Teil
in Form verhältnismäßig billiger Brennstoffe in Abständen entlang der Länge des
Ofens eingebracht werden kann.
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Die Chargenmischung wird dem Eintragsende des Drehrohrofens aufgegeben
und in der Vorheizzone auf Reaktionstemperatur gebracht, worauf sie zur Reaktionszone
weitergelangt, in der die Reaktionen 1, 2, 3 und im Endeffekt auch 4 in gewünschtem
Ausmaß ablaufen. Obwohl es theoretisch möglich ist, die Eisenoxydpellets vollständig
bis zu metallischem Eisen zu oxydieren, wurde gefunden, daß dies wirtschaftlich
nicht zweckmäßig ist. Unter Berücksichtigung der Reaktionsgeschwindigkeit, der Investitions-und
Betriebskosten sowie der Brennstoffkosten wurde gefunden, daß das wirtschaftliche
Optimum bei einem Gehalt des Endproduktes an metallischem Eisen von etwa 80 bis
95010 liegt, wobei noch ein gewisser Restgehalt an Eisenoxyd im Endprodukt
belassen wird. Dieses Produkt ist sehr gut als Einsatzprodukt für Eisen- und Stahlöfen,
insbesondere als Ersatz für den immer schwieriger zu beschaffenden Schrott geeignet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr flexibel und der Reduktionsgrad
des Fertigproduktes kann entsprechend den Wünschen des Abnehmers innerhalb weiter
Grenzen durch Änderung der Reduktionsbedingungen, z. B. der Reduktionszeit und in
gewissem Umfange auch der Reduktionstemperatur, eingestellt werden.
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Die Temperatur, bei der die Reduktion durchgeführt wird, ist von großer
Wichtigkeit. Wie bereits ausgeführt, ist es zweckmäßig, die Charge so rasch wie
möglich auf Reaktionstemperatur zu erhitzen sowie eine praktisch uniforme Temperatur
entlang der Reduktionszone des Reaktors aufrechtzuerhalten sowie diese Temperatur
innerhalb verhältnismäßig enger Minimal- und Maximalgrenzen zu halten, um optimale
Reduktion innerhalb kürzester Zeit zu gewährleisten. Die maximal zulässige Temperatur
hängt in erster Linie von der Art und Menge der in den Pellets enthaltenen Gangart
ab und ist diejenige, bei der gerade noch kein Schmelzen oder Zusammenbacken der
Pelletoberfläche oder des festen kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels oder des
Flußmittels eintritt.
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Der Hauptzweck des festen kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels besteht
darin, eine Kohlenstoff quelle für die Bildung von CO nach Reaktion 2 zu bieten.
Mindestens ein Teil der erforderlichen Reaktionswärme wird von äußeren Wärmequellen,
z. B. Mantelbrennern, geliefert. Der Rest der erforderlichen Reaktionswärme wird
vom Kohlenstoff der Chargenmischung aufgebracht. Das Verhältnis, in dem Wärme durch
die äußeren Wärmequellen einerseits und durch den Gehalt der Mischung an festem
Kohlenstoff andererseits eingebracht wird, kann innerhalb sehr enger Grenzen genau
reguliert werden, um sowohl eine praktisch gleichmäßige Temperatur innerhalb des
ganzen Reaktors wie auch einen gleichbleibend hohen Partialdruck an Kohlenmonoxyd
innerhalb der Gasatmosphäre des Ofens aufrechtzuerhalten.
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Die Reduktionsgeschwindigkeit ist in bekannter Weise von der Temperatur
abhängig. Obwohl es keine theoretische untere Grenze der Reaktion gibt, ist die
Reaktionsgeschwindigkeit unterhalb 650°C bereits zu niedrig, um technisch wirtschaftlich
interessant zu sein. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß es durch die Verwendung bestimmter Korngrößen für das feste kohlenstoffhaltige
Reduktionsmittel, das schwefelbindende Material-und die Pellets sowie durch das
Einbringen eines Teiles der erforderlichen Wärme mit Hilfe von äußeren Wärmequellen
möglich ist, die Temperatur innerhalb der ganzen Reaktionszone nahe an, aber sicher
unterhalb derjenigen zu halten, bei der ein Ankleben des Flußmittels oder der Brennstoffasche
an die Pellets oder an die Ofenausmauerung eintreten würde, und trotzdem eine hohe
Konzentration an Kohlenmonoxyd aufrechtzuerhalten.
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F i g. 2 zeigt schematisch einen senkrechten Querschnitt durch einen
erfindungsgemäß anzuwendenden Drehrohrofen. Die aus hartgebrannten Eisenoxydpellets,
festem kohlenstoffhaltigem Material und Flußmittel bestehende Beschickung wird aus
dem Aufgabebunker 10 über die Schurre 11 dem Aufgabeende 13 des Ofens aufgegeben.
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Der Ofen hat kreisförmigen Querschnitt. Er besteht aus einem Mantel
12 und einer Ausmauerung 14,
z. B. aus Schamotte, Magnesia, Chromit
od. dgl. Er wird in bekannter Weise von Trägern 22 getragen und durch einen
Motor 15 über ein Getriebe 16, dessen Endzahnrad in das auf dem Mantel 12 aufgebrachte
Zahnrad 17 eingreift, mit einer einstellbaren Geschwindigkeit rotiert. Er ist vorzugsweise
in einem Winkel von 2 bis 4° in bezug auf die Horizontale montiert, um die Chargenmischung
durch Schwerkraft vom Aufgabeende zum Austragsende zu befördern. Er kann auch in
bekannter Weise mit Stauringen 40 versehen werden.
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Die in den Ofen aufgegebene Chargenmischung gelangt in die Vorheizzone
18, wo sie durch die im Gegenstrom ankommenden heißen Abgase, gegebenenfalls
durch äußere Wärmequellen, auf Reaktionstemperatur erhitzt wird. Die auf Reaktionstemperatur
erhitzte Charge gelangt dann in die Reduktionszone 21, die zum Teil durch ihren
eigenen Kohlenstoffgehalt und zum Teil durch Mantelbrenner 19 und den am Austragsende
angebrachten Axialbrenner 26 auf gleichbleibender Temperatur gehalten wird.
Die Mantelbrenner 19 erstrecken sich in das Innere des Ofens bis über die
Oberfläche der Chargenmischung. Die Brenner enden vorzugsweise in Düsen
41, die parallel zur Achse des Ofens angebracht und vorzugsweise zum Austragsende
des Ofens gerichtet sind, so daß die Flammen im Gleichstrom mit der Chargenmischung
und im Gegenstrom zum Gasstrom brennen. Die Brenner sind mit der mit Ventilen, Schiebern
od. dgl. versehenen Zuführungsleitung 20 verbunden.
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Die für die Verbrennung des Brennstoffs notwendige Luft wird entweder
durch nicht dargestellte besondere Einlaßrohre oder auch durch die Brenner
19
und 26 mit Hilfe der Luftzuführungsleitung 20a eingebracht. Die jedem Brenner
19 zugeführte Luft und Brennstoffmenge kann mit Hilfe der Ventile 19a in den Leitungen
20 und 20a innerhalb sehr enger Grenzen genau reguliert werden, so daß sowohl die
jedem Brenner zugeführte Luftmenge wie auch die dem gleichen Brenner zugeführte
Brennstoffmenge von Null bis zum Maximum eingestellt werden kann. Nicht dargestellte,
in den inneren Teil des Ofen reichende Thermoelemente oder andere Temperaturmeßgeräte
ermöglichen es, die jedem Brenner zugeführte Luft und Brennstoffmenge auf dem jeweils
optimalen Wert zu halten.
Die in den Ofen eingeführten und in ihm
erzeugten Gase durchströmen ihn, wie in der Figur dargestellt, im Gegenstrom zu
seiner Feststoffcharge. Das Abgas wird am Eintragsende um die Eintragsschurre
11
herum über 29 abgezogen. Es kann direkt in die Atmosphäre abgelassen oder,
wenn gewünscht, zur Wiedergewinnung seines Wärme- und/oder Staub-und/oder Gasgehaltes
verwendet werden.
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Das Austragsende 25 des Ofens ist vorzugsweise mit einem Axialbrenner
26 versehen, der ebenfalls an die Luft- und Brennstoffleitungen angeschlossen ist.
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Die aus reduzierten Pellets, Brennstoffasche, Kalk oder Dolomit bzw.
deren Reaktionsprodukten und unverbrauchten kohlenstoffhaltigen Reduktionsmitteln
bestehende Austragsmischung wird am Austragsende 25 aus dem Ofen ausgetragen. Im
allgemeinen ist es notwendig, die Reaktionsmischung auf eine Temperatur abzukühlen,
bei der sie mit bekannten Mitteln gehandhabt werden kann. Die Kühlung muß unter
Bedingungen erfolgen, bei der keine Reoxydation der Pellets eintritt. Ein gutbrauchbares
Verfahren ist in der F i g. 2 dargestellt, in der eine stark reduzierende Atmosphäre
am Austragsende des Ofens aufrechterhalten wird. Die Reaktionsmischung wird in dieser
reduzierenden Atmosphäre einem Kühler 31 zugeführt, in dem sie, ebenfalls in reduzierender
Atmosphäre, auf etwa Umgebungstemperatur oder mindestens auf eine Temperatur, bei
der keine Gefahr der Reoxydation mehr besteht, gekühlt wird. Für diesen Zweck können
an sich bekannte Kühler, wie z. B. eine Kühltrommel 31, verwendet werden.
Im Kühler 31 kann die reduzierende Atmosphäre z. B. durch Einführung von Kohlenmonoxyd
beliebiger Herkunft aufrechterhalten werden. Das Abgas des Kühlers wird zweckmäßig
in die Reduktions- oder Vorheizzone des Ofens als gasförmiges Reduktionsmittel zurückgeführt.
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Die hauptsächlich aus metallischem Eisen und etwas Eisenoxyd bestehenden
Pellets können aus der aus dem Kühler 31 ausgetragenen Reaktionsmischung
in bekannter Weise, z. B. durch Absieben, abgetrennt werden. Wenn sie nicht direkt
der Weiterverarbeitung zugeführt werden, ist es im allgemeinen zweckmäßig, sie mit
einem Schutzfilm, z. B. aus Graphit oder Öl oder beiden, zum Schutz gegen Oxydation
bei der Lagerung zu versehen.
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Wie bereits erwähnt, hängt die in der Reduktionszone aufrechterhaltene
Temperatur hauptsächlich von der Art und Zusammensetzung der eingesetzten Pellets
ab, und vorzugsweise wird die Temperatur auf einen zeitlich und örtlich gleichbleibenden
Wert zwischen etwa 950 uhd 1130°C eingestellt.
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Es wurde weiter gefunden, daß optimale Resultate mit einem Füllungsgrad
des Ofens von etwa 300/,
erreicht werden.
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An Hand der F i g. 3 bis 5 sind nachstehend die wesentlichsten Charakteristika
des erfindungsgemäßen Verfahrens denen der bekannten gegenübergestellt und die erfindungsgemäßen
Vorteile näher erläutert. In allen Figuren bedeutet die Kurve a die Gastemperatur
und die Kurve b die Chargentemperatur. Als Abszisse ist die Ofenlänge vom Eintrags-
bis Austragsende in Prozent (°/a) der Ofenlänge aufgetragen. Für die Versuche, deren
Ergebnisse in den F i g. 3 bis 5 dargestellt sind, wurde jeweils ein Drehrohrofen
von 50 m Länge verwendet. Als Ordinate ist die Temperatur in Celsiusgraden bzw.
der Füllungsgrad in Prozent aufgetragen. Die Kurven c in den F i g. 4 und 5 bedeuten
den Anteil des Chargenvolumens, der vom festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff eingenommen
ist. Die entsprechenden Prozentzahlen sind auf der linken Seite der Figuren angegeben.
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F i g. 3 zeigt die Temperaturverteilung in einem bekannten Drehrohrofen,
der nur mit Hilfe eines am Austragsende angebrachten Zentralbrenners beheizt ist.
Man erkennt, daß die Gastemperatur nur langsam auf einen Wert steigt, in dem die
Reduktion einigermaßen rasch verläuft, und erst am Austragsende die Optimaltemperatur
erreicht ist.
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F i g. 4 stellt die Ergebnisse dar, die in einem bekannten Drehrohrofen
mit über die Mantellänge verteiltem Luftzuführungsrohr erhalten worden sind. Man
erkennt, daß man mit diesem Verfahren Gas-und Chargentemperatur rascher als nach
dem Verfahren der F i g. 3 anheben kann, aber nicht die Gastemperatur in der ganzen
Reduktionszone konstant halten kann, ohne auf ein ungünstiges Verhältnis
CO: CO, zu kommen. Um an allen Stellen der Reduktionszone ein ausreichend
hohes CO: C02-Verhältnis einzuhalten, ist ein sehr großer Koksüberschuß notwendig,
der von fast 70 Volumprozent am Eintragsende auf etwa 55 Volumprozent am Austragsende
absinkt.
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Das in F i g. 5 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
es, die Gas- und Chargentemperatur noch rascher anzuheben und über die ganze Reduktionszone
völlig konstant auf optimaler Höhe zu halten. Da aus der Gasatmosphäre kein CO durch
Verbrennung für die Aufrechterhaltung der Temperatur gebraucht wird, kommt man mit
einem wesentlich niedrigeren Kokszusatz aus. Es genügt ein Koksgehalt der Charge
von etwa 52 Volumprozent am Eintragsende, der auf 33 Volumprozent am Austragsende
absinkt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß es im Gegensatz zu dem bekannten gestattet, auch verhältnismäßig geringe Rest-CO-Gehalte
des Gases in der Vorheizzone auszunutzen. Da eine Mischung von CO und
CO, nur zündet, wenn der CO-Gehalt über einer bestimmten Grenze liegt, kann
bei den bekannten Verfahren nur der fühlbare Wärmeinhalt des Röstgases für die Vorwärmung
verwendet werden, während es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe des
Mantelbrenners möglich ist, auch den latenten Wärmeinhalt des CO-Gehaltes durch
Verbrennung für die Vorwärmung auszunutzen.
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Vor allem aber ermöglicht es die Herabsetzung des Kohlenstoffgehaltes
der Beschickung, den Durchsatz eines gegebenen Ofens entsprechend dem höheren Anteil
der Charge an Pellets erheblich zu steigern. Außerdem werden dadurch die unvermeidlichen
Kohlenstoffverluste eingeschränkt, die bei der Aussortierung des unverbrannten Kohlenstoffs
aus dem Austragsgut und Rückführung desselben zur Aufgabemischung auftreten.
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Der CO-Gehalt der Gasatmosphäre in der Reaktionszone kann nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren vollkommen konstant gehalten werden und schwankt auch
nicht während rascher Änderungen der Betriebsbedingungen. Dieser Vorteil ist an
Hand des nachstehenden Ausführungsbeispiels näher erläutert, in dem die Resultate
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit denen bekannter Verfahren verglichen sind:
Ausführungsbeispiel
Bei der Reduktion von Eisenerzpellets mit einem Gehalt von 68 0/0 Fe nach dem bekannten
Verfahren, nach dem der ganze für die Reduktion und Erhitzung notwendige Kohlenstoff
mit den Eisenoxydpellets in den Ofen eingeführt wird, waren etwa 200 kg Koks je
Tonne Eisenoxyd für die Reduktion notwendig, etwa 160 kg Koks je Tonne für die Heizung
und mindestens 150 bis 2000/0 an Überschuß der für die Reduktion erforderlichen
Menge, entsprechend 750 kg Koks je Tonne Eisenoxyd. Wenn nur etwa 15"/, erfindungsgemäß
des gesamten Wärmebedarfs des Prozesses von einer äußeren Wärmequelle entlang der
Länge des Ofens eingeführt werden, war es möglich, den mit den Pellets eingeführten
Kokszusatz um etwa 400 bis 450 kg je Tonne Eisenoxyd zu verringern. Dadurch wurden
von dem zur Verfügung stehenden Ofenraum, der sonst vom Koks eingenommen wurde,
etwa 400 kg frei gemacht oder etwa 330/, seiner gesamten Durchsatzkapazität. Dadurch
war es möglich, die Produktion von etwa 100 t reduzierter Eisenpellets pro Tag nach
dem bekannten Verfahren im gleichen Ofen auf etwa 150 t pro Tag zu steigern. Außerdem
besteht eine weitere Ersparungsmöglichkeit an Wärmeaufwand, da es erfindungsgemäß
nicht nötig ist, den überflüssigen Überschuß an Koks auf Reduktionstemperatur zu
erhitzen.
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Weitere Versuchsergebnisse sind an Hand der nachstehendenAusführungsbeispiele
zusammengestellt. In allen Versuchen wurde ein Ofen von 10 m Länge, 0,5 m Innendurchmesser
verwendet, der mit einer Tourenzahl von etwa 1/3 UpM rotierte. Der nachgeschaltete
Kühler war 6 m lang, hatte einen Innendurchmesser von 30 cm und wurde mit einer
Geschwindigkeit von etwa E/3 UpM rotiert.
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Das Eisenoxydkonzentrat wurde pelletisiert und die Pellets in oxydierender
Atmosphäre auf einem Wanderrost hartgebrannt. Die hartgebrannten Pellets wurden
einem Drehrohrofen in einer solchen Geschwindigkeit aufgegeben, daß der Ofen zu
etwa 200/0 gefüllt war und eine Gesamtverweilzeit von etwa 41/2 Stunden aufrechterhalten
wurde, von denen 21/E Stunden auf die Verweilzeit in der Reduktionszone entfallen.
Analysen verschiedener Pellets sind in der nachstehenden Tabelle angegeben, in der
auch die für die entsprechende Pelletzusammensetzung zulässige maximale Temperatur
aufgeführt ist, bei der mit Sicherheit noch kein Zusammenbacken oder Sintern zu
befürchten ist.
| Maximal- |
| Pellets °/a Fe °/o si0% °/o Ca0 temperatur |
| °C |
| A 67,0 1,8 1,4 1080 bis 1100 |
| B 62,9 10,0 - 1020 bis 1060 |
| C 61,0 10,0 2,0 960 bis 980 |
| D 59,7 10,0 4,0 920 bis 940 |
| E 64,6 5,0 - 1020 bis 1060 |
| F 62,3 5,0 3,0 930 bis 950 |
| G 63,0 5,0 (A1203) - 1020 bis 1040 |
| H 69,8 0,5 0,5 1080 bis 1100 |
Als festes kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel wurde Anthrazit mit einem C-Gehalt
von 86,3 0/0 und 10/0 S sowie Koks mit 820/0 C und 1,20/0 S verwendet. Als zusätzliche
Wärmequelle wurden Mantelbrenner verwendet, die ebenso wie der Zentralbrenner mit
Koksofengas gespeist wurden. Die verschiedenen Betriebsbedingungen mit festem Reduktionsmittel
waren wie folgt: Korngrößen:
| Koks........................ < 1 mm |
| 0 bis 1 mm |
| Anthrazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 bis 3 mm |
| 0 bis 5 mm |
| 0 bis 10 mm |
| < 3 mm |
| 6 bis 10 mm |
| Pellets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 bis
15 mm |
| 20 bis 25 mm |
| 25 bis 35 mm |
| Kalkstein ... . .. . ... . . . . ...... < 1 mm |
| 1 bis 3 mm |
| 1 bis 3 mm |
| Dolomit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 bis 6 mm |
| 1 bis 10 mm |
| des Gewich- |
| Kalk- bzw. Dolomitzusatzmenge 6 tes der Pellet- |
| ° menge |
| 80/0 |
| Temperatur in der Reduktionszone 900 bis 1130°C |
| je nach der Zu- |
| sammensetzung |
| der eingesetz- |
| ten Pellets |
Es wurde eine große Anzahl von Kombinationen verschiedener Korngrößen, Zusammensetzungen,
Zuschlagmengen und Temperaturen angewendet. In jedem Versuch wurden dieVersuchsbedingungen
etwa 12 Stunden konstant gehalten.
-
Als beste Ergebnisse wurden Reduktionsgrade von 96 0/0 erreicht. Die
reduzierten Pellets hatten einen Schwefelgehalt unter 0,03 0/0 und waren frei von
anhaftender Schlacke und Flugasche. Sie waren hervorragend für den Einsatz in Eisen-
oder Stahlöfen geeignet. Die besten Ergebnisse wurden bei Eisenoxydpellets mit etwa
3 bis 15 mm Durchmesser erhalten. In diesem Fall war ein Zusatz von mindestens 4
Gewichtsprozent des Erzes an Kalk oder Dolomit in einer Korngröße von 1 bis 6 mm
in allen Fällen ausreichend, um den Schwefelgehalt der reduzierten Pellets unter
0,03 0/0 zu halten. Für Pellets mit einer Korngröße von 1 bis 10 mm war ein Zusatz
an Kalk oder Dolomit von etwa 6 Gewichtsprozent der eingesetzten Eisenoxydpellets
notwendig, um dasselbe Resultat zu erzielen.
-
Das feste kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel mußte kleiner als 12
mm sein. Ein Kohlenstoffüberschuß entsprechend einem Gehalt von 0,1 bis 0,15 kg
an unverbranntem Kohlenstoff im Austragsgut je Kilogramm chargierter Eisenoxydpellets
war in allen Fällen ausreichend, um Reoxydationen am Austragsende des Ofens zu vermeiden
und reduzierende Bedingungen in der ganzen Reduktionszone aufrecht zu halten. Es
wurde weder ein Ankleben der Charge an die Innenwand des Ofens noch aneinander beobachtet.
Die Pellets konnten leicht aus der Austragsmischung abgetrennt werden und der Überschuß
an unverbranntem kohlenstoffhaltigen Material, der in den Ofen zurückgeführt werden
mußte, war minimal.