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Wirbelschichtreduktion von fein zerteiltem Eisenerz und dazu verwendete
Einrichtung Die Erfindung betrifft die Reduktion von fein zerteiltem Lisenerz zu
fein zerteiltem Z"isen raittels reduzierender Gase in der Hitze, wobei das feinteilige
Eisenerz in Anwesenheit des reduzierenden Gases in einer-#Tirbelschicht gehalten
wird. 'Verschiedene Verfahren dieser Art wurden bereits vorgeschlagen, einschliesslich
Verf,-,hren, bei welchen die reduzierenden Gase in einem geschlossenen, den Reaktor
oder die l#Jirbelschichteinrichtung umfassenden System im I#._rei#jiauf gefilihrt
werden. Die in dem ge-
| ,;c-jlo.",L;enen ;--ri#ul-L#ereriden iiiiissen dabei ent- |
| -;prechend ihrei.i heäu#-Aionspotenti,##I 31-Undig erneuert |
| wei-aeri. Las Jurch #'-eriaiidluiig äe-" Uhtst- |
| ,_ai#-#x-halb ües erforu r |
| e t |
Beim Betrieb eines Wirbelschichtreaktors zur Reduktion von Eisenerz
ist es üblich, das Behandlungsgas auf verschiedene Weise aus Erdgas herzustellen,
z.B. durch Dampfreformierung von Methan oder teilweise Verbrennung mit Sauerstoff,
gefolgt von einer katalytischen Gasveränderung und Kohlendioxyderneuerung, so dass
man Gase mit.der gewünschten Zusammensetzung erhält. Erdgas kann ohne Vorbehandlung'nicht
für die Reduktion verwendet werden; jede Hethode zur Reformierung des Gases bewirkt
jedoch die Bildung beträchtlicher Mengen von Wasserdampf. Feuchte Gase neigen nun
eher dazu, oxydierend als reduzierend zu wirken, weshalb ausserhalb des geschlossenen
Kreislaufsystems ein Gastrockner vorgesehen werden muss. Die Reformierung der Gase
erfolgt zur Heraufsetzung ihres Reduktionspotentials, in der Regel durch Erhöhung
ihres Gehalts an freiem Wasserstoff, obwohl auch der Kohlenmonoxydgehalt häufig
dabei erhöht wird. Die bisherigen Vorschläge erforderten jedoch auf jeden Fall ausser
dem Gastrockner einen Reformer und für gewöhnlioh eine Kohlendioxydentfernungsvorrichtung
aussert> halb des gescnlossenen Kreislaufsysteiiis. Da diese Teile der Apparatur
sich in der liegel auch innerhalb des geschlossenen Systems nochmals fanden, ist
es klar, dass die Einrichtung platzraubend und teuer dadurch wurde.
Aufgabe
der Erfindung ist die 'Schaffung einer illethode und einer Einrichtung, welche ein
1.Iinimum von Gasbehandlungsvorrichtungen ausserhalb des geschlossenen Kreialaufsystems
erfordern.
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Erfindungsgemäss werden auch die Anforderungen an die Gasbehandlungsapparatur
innerhalb des geschlossenen Systems vereinfacht, indem kein Gasreformer mehr erforderlich
ist und gegebenenfalls auch kein Gaserhitzer oder Kohlendioxydentferner mehr vorhanden
zu sein braucht.
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Wenn Erdgas oder ein anderer gasföriniger Brennstoff gekrackt oder
anderweitig durch teilweise Verbrennung mit Luft für eine Reduktion geeignet gemacht
wiräg werden die aktiven Gase durch beträchtliche Stickstoff verdünnt, welcher das
S.#stem belastet. Lie Wirksamkeit der Reduktion wird dadurch verringert und die
Erhitzun&,9- und Kühlungskosten neutraler Gase bilden einen zusätzlichen 1-,reisfaktor.
Aufgabe der Erfinclung ist die Schaffung einer Methode zur Vorbereitung von Erdgas
oder anderen gasföri#iit-"eii 15reiLnstoffen für Reduktionszwecke, wobei die ArzeLherwig,
und Benandlung inerter Gase vermieden wird.
| ein System, in wel:ohei!'f# hib'a're# |
| Wärhe-- V-'on.*'e'er -Kräckung oder Ref ormierung, von'. |
| gasen-diriit Er-h-itzung der Gase -a- uf e- -Re dük
t |
| t e mp A i7#:tu, verwk)kE##t--wird. |
| Die Erfindung- wird an. Hand der. nachste- -h"-e-nd-#> |
| beispielsweisen Ausführungsform in Verbindung mit der |
| Die |
| Durchführung |
| ed gemäss der Erf ind-Ungm, ein- geaf ör- |
| als Behändlungeggs# 4-gdü=,h |
| man - ihn direkt am oder -nahe -bzei den |
| teilweisen Verbrennung -mi.t- |
| Sauerst>af----.#äUä-ä"tzt--.,-Natürlich e kann jeder.-bew,-e
1-i c he-.- |
| Bre-hhatb-t,f-'-,- #z aln', -Gas , e in
Öl oder -pu2--vextsi-erto |
| Kohle, verweiid-e.t-w-erd#en. Beispiele |
| gas, im wesentlichen Methan, und andere Gase, z.B. Äthan, |
| Ili#'öl>aiii' BUtan--und- - dergleichen, |
| in Menge und billig -genug- zu--haben sd;hd., |
| Als--bl.#kann- j-eües.--.I-reizöl verwendet -werden.--Die--v.erwende.-te |
| Kohle - -b-r-a!Lch-t-- 1--e.dl'gl:i-'ch nach der Pulverisierung
7in #--einer |
| üblicherw-ed:.sg--- für-#--di---esen Zweck verwendeten,---Einrialitung--- |
| brennbar einer Dampfkraftanlage-.-: |
Brdgas steht in jeder Menge zur Verfügung und in einigen Ciabieten
ist es,
anderen Brenn- und Heizstoffen, billiger. Der Einfachheit halber wird in den nachstehend
beschriebenen"Beispielen Erdgas verwendet, obwohl natürlich auch jeder andere bewegliche
Brennstoff verwendet werden kann.
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Er dgas kann teilweise mit Sauerstoff unter Bildung von überwiegend
aus Wasserstoff und Kohlenmonoxyd mit kieineren Mengen Kohlendioxyd, Wasserdampf
und-»Methan bestehenden Produkten verbrannt werden.. Zu diesem Zweck muse das Gas/Sauerstoffverhältnis
während der Verbrennung hoch genug sein, wie dies dem Fachmann selbstverständlich
ist.-Z.B. kann bei einem im wesentlichen aus Methan bestehenden Erdgas das Gas/Sauerstoffverhältnis
zwischen 1,2 und 1,8 liegen, wobei das tatsächlich inherhalb dieses Bereiche
angewendete" spezifische Verhältnis von anderen Faktoren während des Betriebs abhängt.
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Durch die teilweise Verbrennung werden Flammtemperaturen
0
zwischen 2000 und
3500 F,
je nach dem angewendeten Verhältnis,
erzeugt. Die Flammtemperatur ist dem Gas/Sauerstoffverhältnie umgekehrt proportional.
Die Temperatur des Verbrennungsraums ist natürlich niedriger als die Plammtemperatur
und hängt von der Bauart, der Grösse und der Menge des pro Zeiteinheit bei einem
Verlsrennungeraum mit spezifischer Grösse ve:irwendeten Gases ab.
Diese
Temperaturen sind für die direkte Behandlung von fein zerteilten Erzen zu hoch,
da dabei in den meisten Fällen ein Zusammenkleben oder ein Zusammensintern auftreten
würde. Auch enthalten die Verbrennungsprodukte zuviel Wasserdampf und Kohlendioxyd,
um ein wirksames' Reduktionomedium darzustellen. So ist z.B. die Analyse *der bei
zwei verschiedenen Verhältnissen gebildeten Verbrennungsprodukt6 die folgendeg erhalten
bei tatsächlichen Verbrennungstesten.
Analyse von Verbrennungsprodukten
| Irodukt Gas/Sauer- H2 CO C02 H20 CH 4
OIS C/S Reduktions- |
| stoffver- potential |
| hältnis- |
| 1 1926 50 30 3 15 1 09237 09156 09063 |
| 11 1965 55 28 4 7 5 09190 09166 09120 |
| #IS Sauerstoffbruchteil |
| VS Kohlenstoffbruchteil |
Die OIS- und O/S-Bruchteile bilden die Koordinaten eines Punkte auf dem Gurry-Diagramm.
Der senkrechte Abstand von diesem Punkt bis zu der 1400
0 F Linie wird als
relatives Nase für das Reduktionspotential genommen. Das Gurry-Diagramm ist auf
dem Gebiet der Gaschemie weitgehend an-
| 110 |
| Seite 68-5 -Pigur- 7 |
| 4je-äe#r-- #Gäse- ka= dur.ch-,Abeahrek- |
| fihreB- Feucht.i91V9its- |
| fühlbare |
| 0#äfe's ei -iBeh-It |
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| Trecknung ausausetzeng sieht,-die ]3rfind=-g --Tors sie
1-8-0- |
| fort mit aus dem Kreislaufsystem stammenden kaltent trok- |
| kenen reduzierenden Gää,#ä#"_gu miaohen.-Dadurch werden:ver- |
| schiedene Ziele erreicht. Zunächst setzen die kühlen |
| 'i'h10889nen-"j#y,-atem" die Texperatur, äer., |
| aus,# ein geuö |
| 0 |
| al 5Q0 bis 1700 F- |
| urbereich für eine Einführung in eine |
| IJ |
| WIrbel 115 eJeXit eur Erhitzuaig und Reduktion
von Eisenerz |
| geeignet ist. Zweitens erniedrigt die Verdünnung der |
| Verbrennungsprodukte mit dem trockenen, im Kreislauf |
| geführten Gas den wirksamen Wassergehalt der gemischten |
| Gase, so daso sie ein höheres Reduktionspotential |
| -s. i 7#-7,#n . Dliel,..f:,olgende Tabelle gibt Beispiele
für drei « |
| 21 ..e |
| le, |
| 3 |
| FÄ |
| 002'ni-oh# 4us dem im Kreislauf geführten Gas |
| entfernt. |
| 3- jj"L,: z#s- |
| Fall B 002 aus-dem im Kreislauf geführten Gas I entfernt. |
| 'entfern' und im#Kreislauf--geführtes Gas |
| auf 600 F erhitzt. |
In jedem'Falle ist die im Kreislauf geführte Gaamenge
9
diejenige Menge, die nach dem Vermi-schen mit dem Verbrennungsgas beim LintAtt
in den Reduktionsbehälter eine Temperatur von 16000P ergibt.
,Analyse des Gases
nach dem Vermischen.
| päll. Gas/sauer- % im Kreis- H 00 00 H
0 OH OIS C/S Redukti- |
| stoffver- lauf geführ- 2 2 2 4 onspoten- |
| hältnie tes Gas - tial |
| A 1965 26 53 29 6 5 7 0,195 09180 0031 |
| B 1927 49 57. 26 2 8 7 09160 09150 09133 |
| 0 1927 60 59 -25 1 8 0046 09147 09145 |
Das Gurry-Diagramm zeigt$ dase das Gas im Fall
A im wesentlichen das gleiche
Reduktionsvermögen besitzt Wie' das Gas im Fall Bg in welchem das im Kreiäläuf-gefüh#rte'#as
zur Entfernung von (302 gewaschen
. wurde.
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Solhbe ease eignen sich zur Reduktion von fein zerteilten Eisenerzen.und
die in der Flamme erz'eugte Überobhüssige -Wärme .wird direkt zur Aufheizun-g
, der -im X:ic;eisläuf'geführten Gäse ausgenutzt, wodurch ein Wiedererhitzer
in dem, geschlossenen System überflüssig wird. Wenn natürlich daa. im Kreislauf
geführte Gas wie im Fall 0 erhitzt wurde, wird.das Reduktionavermögen noch
erhöht. Hier
soll jedooh gezeigt werdenp dass das Verfahren ohne
Erhitzung des im Kreislauf geführten Gases durchgeführt werden kann.
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Die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs mit Sa#erstoff gewährleistet
die Abwesenheit inerter Gase, z.B. aus der Luft stammenden Stickstoffs, in den Behandlungsgasen.
Wie später gezeigt werden wird, reichern sich die gegebenenfalls in dem gasförmigen
Brennstoff enthaltenen oder daraus gebildeten inerten oder nicht-reduzierenden Gase
in dem System nicht an. Die Verbrennung des Brennstoffs mit Sauerstoff gewährleistet
ausserdem eine hohe Temperatur der Flamme, bei welcher Temperatur die Verbrennungpprodukte
einen niedrigen Methan- und Kohlendioxydgehalt aufweisen.
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In der Zeichnung bezeichnet 1 einen Wirbelschichtreaktor mit
vier Stufen oder Plattformen. E's ist dies lediglich ein Beispiel für einen verwendbaren
Wirbelschichtreaktor. Anstatt einer einzigen vierstufigen Einheit könnten auch mehrere
einstufige Reaktoren entweder parallel oder in Reihe geschaltet werden; unter bestimmten
Umständen sind auch nach dem Zyklonabscheiderprinzip arbeitende 1#inrichtungen verwendbar.
Wesentlich ist, dass die Behandlungsgase in innigen Kontakt mil dem fein zerteilten
Eisenerz gebracht werden, während sich beide auf der richtigen
Reduktionstemperatur
und in einem geeigneten Reaktor befinden. Natürlich besitzt der Reaktor Mittel zur
Ein-..; führung des Eisenerzes in-fein zerteiltem Zustand und Mittel zur Abführung
des reduzierten Materials. Normalerweise sind an Wirbelschichtreaktoren zur Abtrennung
und Rückführung von Feinstoffen Separatoren angeschlossen. Diese sind hier nicht
erläutert, da sie dem Fachmann bekannt sind.
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Die oben aus dem Reaktor austretenden Gase werden durch eine Leitung
2 in einen Gaswäscher und einen Kühler 3
geleitet. In dem erfindungsgemässen
System wird aus dem geschlossenen Kreislaufsystem eine der frisch zugeführten Gasmenge
entsprechende Gasmenge abgeführt. Wenn die abgezogenen Gase anderswo bei hoher Temperatur
verwendet werden können, so erfolgt dies vor dem Wäscher -und dem Kühler
3. Wenn nicht, kann dies nach dem Wäscher und Kühler erfolgengund mit 4 ist
ein Gasauslass bezeichnet.' Die aus dem System abgeführten Gase enthalten noch einen
Heizwert und sind daher anderswo zur Erhitzung, zur Dampferzeugung, zum Schutz von
aus dem Reaktor entnommenem reduziertem Haterial und dergleichen verwendbar. Der
Gaswäscher und Kühler 3 kann verschiedene Formen aufweisen, was nicht in
den Rahmen der Erfindung gehört. Für gewöhnlich und vorzugsweise liegt er als mit
Wasser
ala KUhlmedium betriebener Gaawäscher vor. Natürlich ist
der Wäscher und Kühler auch eine Trocknungsvorriahtung, da durch die Erniedrigung
der Temperatur der Gase darin enthaltene Feuchtigkeit auskondensiert. Bei dem beispielaweisen
Verfahren können die. Gase mit einer Temperatur von 400 bis 10000F und einem Feuchtigkeitsgehalt
von 10 bis 90 % in den Kühler und Wäscher 3 eintreten und verlassen
ihn mit einer Temperatur von 60
bi a 70 0 F und einem Feuchtigkeitsgehalt
von etwa 1 %;
Der Wäsoher und Kühler ist mittels einer leitung 5 mit
einer 1)i#mpe 6,verbunden; ein Vorteil'der Erfindung besteht darin, daso die Reduktion
unter Druck durchgeführt werden kanng wodurch ihre Wirksamkeit erhöht wird. Der
normalerweise in dem geschlossenen Kreislaufsystem 2 herrschende Druck beträgt
25 bis 100 Pfünd/Zoll Die Pumpe 6 schickt die Behandlungegase
durch eine leitung.7 zurück in den Reaktor. Gegebenenfalls kann noch ein Kohlendioxydabsorber
8 zwischengeaohaltet werdeng der mit einer mit einem Ventil veraehenen Umleitung
9
in Verbindung steht. Natürlich erhöht die Abtrennung von Kohlendioxyd das
Reduktionspotential der Behandlungegasei erfindungegemäas iat ein solcher Kohlendioxydabaorber
jedoch nicht nötig. So wird bei dem beispieleweiaeii Verfahren 1 Volumen
im Kreislauf geführtes Gang
welches etwa 11 % 002 enthältl
mit 3 Volumina frischen Verbrennungsgaseng die etwa 4 % 002 enthalten'
und durch tgilweise Verbrennung des dem vorstehenden Fall II entsprechenden gasförmigen
Brennstoffe erhalten wurdenl unter Erzielung eines etwa 6 %_CO 2 enthaltenden
Nischgases in dem Reaktor gemißchti dieser 00 'Gehalt von 9 2 etw'.
a 6 % ist bei den vorstehend angegebenen-Temperaturen zulässig. Wenn ein
Kohlendioxydabsorber verwendet wirdl kann dieser von bekannter Bauart sein und Monoäthanolamin
verwenden, welches regeneriert wird..
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Die Verwendung von Sauerstoff für die teilweise Verbrennung bedingt
die Zugänglichkeit dieses Gases. Für gewöhnlich wird der Sauerstoff in einer mit-10
bezeichneten Zuftreduktionsanlage erzeugt. Die durch 4 abgege-' benen Gase können
gegebenenfalls einen Teil der für diese Sauerstoffanlage erforderlichen Energie
liefern.
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Ilit 11 ist ein Brenner bezeichnet, der mit Sauerstoff und
dem gasförmigen-Brennstoffg z.B. Iviethan"-im richtigen, vorstehend angegebenen
Verhältnis gespeist wird. Die Flamme des Brenners wird in einer von dem Reaktor
1
durch eine feuerfeste Trennwand 13 mit einem zentralen Durchlass
14 und einer zu der Leitung 7 führenden Abzweigleitung 15 getrennte
Verbrennungskammer 12 gebildet..Eine
Mischung aus dem im Kreislauf
geführten Behandlungegas und den Verbrennungeprodukten wird so vor Eintritt der
Gase in den Reaktor 1 gebildet. Zweckmäaeig wird am Boden des Reaktors ein
Raum 16 #mr Verteilung und Homogenisierung der Gaamiaohung vorgesehen. #Jie
mit dem Erz in dem Reaktor in Berührung kommende Gasmischung besitzt somit die für
eine wirksame Reduktion richtige Zusammensetzung und Temperatur.
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Das Eisenerz kann ein fein zerteiltes Eisenoxyd aus einer beliebigen
Quelle sein. E a gibt unterschiedliche Eisenerze, je nach ihrem Kieselsäuregehalt
oder ihrem Gehalt an anderen Zusätzen. Die aus den Eisenerzen erhaltenen Reduktionsprodukte
variieren daher auch je nach der Erzquelle. Einige reduzierte Eisenerze sprechen
leicht auf eine Magnettrennung ang während dndere dies nicht tun. Die aus dem Reaktor
1 abgezogenen Reduktionsprodukte. werden in der Regel durch reduzierende
Gase (zum Teil die bei 4 abgeführten) geschützt, lis sie unter die Reoxydationstemperatur
abgekühlt sind. Eine magnetische Trennung kann gegebenenfalls an den abgekühlten
Produkten durchgeführt werden. Die abgekühlten Reduktionsprodukte können brikettiert
werden und werden in der Regel,in einem geeigneten Ofen, z.B. einem elektrischen*
Lichtbogenofen, geschmolzen. Das alles ist dem Fachmann bekannt und gehört nicht
in den Rahmen der vorliegenden
Erfindungegemäas können jedoch auch
fein zerteilte Oxyde oder Erze in Mischung mit anderen Stoffen verwendst'werden.
Den Erzen können z.B. Zuschläge wie Kalkstein vor Einführung in den Reaktor zugesetzt
werden. Die durch die Reduktion-einiger Erze-gebildeten Eisenteilahen zeigen eine
grössere Neigung wim Zusammenkleben während der Reaktion-als die Reduktionsprodukte
anderer Erze. Zuschläge-verhindern nicht ganz allgemein das Zusammen-
kleben
oder das Zusammeneintern in der Wirbelschicht; fein zerteilte Kohle erfüllt jedoch
diesen Zweck. Etwas' Kohle wird durch die Krackung des gasförmigen Brennstoffe gebildet
und bei dem erfindungegemässen Verfahren kann ein Zusammenkleben durch eine Regelung
des in den'reduzierenden Gasen enthaltenen oder gebildeten Kohlenstoffe durch Variierung'des
Verhältnisses von Gas zu Sauerstoff während der teilweisen Verbrennung verhinderi
werden. Natürlich wird Kohlenstoff auch durch die Zersetzung von zwei'Xolekülen
Kohlenmonoxyd und Bildung von freiem .Kohlensto'ff und einem Molekül Kohlendioxyd
gebildet. Diese Reaktion schreitet bei niedrigeren-Temperaturen als die für die.reduzierenden
Gase bei dem erfindungsgemässen Verfahren bevorzugten Temperaturen rascher fort;
aber die zusammen mit dem Eisen in dem Reaktor enthaltene Kohlenstoffmenge
kann auch durch'Regelung der Temperatur und durch Steuerung des Kohlenmonoxydgehalte
'in den Gagen kontrolliert werden.
Gegebenenfalls kann zur
Erhöhung der Temperatur des Erzes und der Gase im oberen Teil eines Schachtofens
ein zusätzlicher, mit 17 bezeichneter Brenner verwendet werden, in welchem
der gasförmige Brennstoff in dem vorstehend angegebenen Verhältnis mit Sauerstoff
verbrannt wird. In einigen Fällen kann der Brenner 17 seine Flamme direkt
in den Reaktor richten oder die für den unteren Brenner dargestellte und beschriebene
J#inrichtung kann auch für den Brenner 17
vorgesehen werden, einschlieselich
der Einführung und Zumischung von Behandlungsgasen aus dem geschlossenen Kreialaufsystem.