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Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren von Metalloxyden, insbesondere
Eisenoxyd Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren
von Metalloxyden bei hohen Temperaturen mit reduzierenden Gasen, die Kohlenmonoxyd
und Wasserstoff enthalten, wobei das Kohleninonoxyd und der Wasserstoff teilweise
zu Kohlendioxyd und Wasser oxydiert und teilweise,zwecks Entfer4ung von Kohlendioxyd
und Wasser gekühlt, wieder verdichtet, vorerhitzt und in die Reduktionszone zurückgeführt
werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur
Verhütung der katastrophalen Aufkohlung, der Kohlenstoffabl.agerung und des Ausfalls
der Anlage beim Reduzieren von Eisenerz mit einem Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
enthalten-' den Gas, welches darin besteht, dass man die im Kreislauf geführten
Abgase den kritischen Äufkohlungstemperaturbereich durch rasches Kühlen und Erhitzen
schnell durchlaufen läset.
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Um ein wirkungsvolles, praktisches, direktes Reduktionaverfahren für
Metalloxyde zu entwickeln, muse man ein preiswertes Reduktionsgas und eine wirtschaftliche,
wirksame Methode zur Zufuhr der für die Reduktion erforderlichen Wärme finden. Ein
Verfahren, bei dem das reduzierende Gas nur einmal eingesetzt wird, kann zufriedenstellend
sein, wenn der Wirkungsgrad der Reduktion hoch ist und bzw. oder die Kosten des
reduzierenden Gases niedrig sind. Um aber die-,Kosten des reduzierenden'Gaseszu
senken, wenn die Reduktion iii der Reduktionszone mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt
wird, muss der unverbrauchte Teil des reduzierenden Gases im Kreislauf gefÜhrt werden.
Bei der Reduktion von Eisenoxyden zu metallischem Eisen verwendet man als reduzierende
Gase hauptsächlich Gemische aus Wasserstoff und Kohlenmonoxyd oder Wasserstoff allein.
Bei alleiniger Verwendung von Wasserstoff als reduzierendem Gas sind zur Durchführuing
der Reaktion erhebliche Wärmemengen erforderlich. Dieses Gas läset sich aber leicht
im Kreislauf fÜhren, indem man es nur kühlt, um das Oxydationsprodukt der Reduktionsreaktion,
nämlich Wasser, auszukondensieren, worauf das Gas wieder verdichtet, auf höhere
Temperaturen.erhitzt und bis zum völligen Verbrauch im Kreislauf in die Reduktionszone
zurückgeführt werden kann. Reduzierende Gase, die wesentliche Mengen an
CO
und H 2 enthalten, erfordern weniger Wärmezufuhr für die Reduktion. Wenn
aber ein reduzierendes Gas verwendet wird, welches Kohlenmonoxyd enthält, treten
bei der Kreislaufführung des Gases viel schwierigere Probleme auf.
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Bei der Reduktion von Eisenerz können die Temperaturen in der Reduktionszone
zwischen 650 und etwa 98o0 0 liegen. Bei der
Reduktion
von Metalloxyden mit Kohlenmonoxyd wird das Kohlen-, monoxyd zu Kohlendioxyd oxydiert
und das Eisenoxyd zu zweiwertigem Eisen und zu metallischem Eisen reduziert. Im
Temperaturbereich von 48o bis 650 0 G setzt sich aber das Kohlenmonoxyd nach
der Gleichung
zu Kohlendioxyd und Kohlenstoff um. Um ein Kohlenmonoxyd enthaltendes Reduktionsgas
im Kreislauf zu führen, welches Kohlendioxyd und Wasser enthält, Muse das
Kreislaufgas von der Reduktionstemperatur von etwa 650
bis 98o0
0 auf etwa Raumtemperatur gekühlt werden, um Wasser und Kohlendioxyd zu entfernen.
Die Kühlung von der höheren Temperatur auf eine Temperatur unter etwa 48o
0 muss sehr rasch erfolgen, da sonst die oben beschriebene Reaktion vor sich
geht, die zur Bildung von Kohlenstoffablagerungen und zur katastrophalen Aufkohlung
führt. Diese Reaktion verläuft bei Temperaturen zwischen 48o und 650 0 C
sehr rasch. Noch*kritischer als die Kühlung der Abgase ist das Wiederaufheizen,
bevor die Gase in die Reduktionszone zurückgeleitet werden. Um die Gase wieder in
den Boden des Reaktionsgefässes einführen zu können, müssen sie wieder verdichtet
werden. Die meisten bekannten Kompressoren halten aber die in dem Reaktionsgefäss
herrschenden hohen Temperaturen, d.h. Temperaturen von 65o bis 98o0 C, nicht aus.
Die Gase können daher nicht ohne Kühlung wieder verdichtet werden.
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Die Gase müssen also bei ihrer Kreislaufführung vor der Wiedererhitzung
von etwa Atmosphärendruck bis auf den Druck verdichtet wer den, der zu ihrer Einführung
in die Reduktiong'zone erforderlich ist. Daher werden die Gase wieder verdichtet,
bevor sie erhitzt werden. Das Erhitzen der Gase bis auf etwa 48o0 0
kann
langsam erfolgen; das Erhitzen zwischen 48o und 650 0 C muss aber sehr rasch
durchgeführt werden; sonst läuft die Reaktion 2 CO z*OCO 2 + 0 ab.
Keines der bisher bekannten technischen Verfahren konnte die Probleme der Kohlenstoffablagerung
und der katastrophalen Aufkohlung beim Kühlen oder beim Wiedererhitzen des Kreislaufgases
lösen. Es sind zwar verschiedene Verfah,ren zur Kreislaufführung von Wasserstoff
bekannt; es gibt jedoch kein'bekanntes technisches Verfahren zur Kreislaufführung
von reduzierenden Gasen, die Kohlenmonoxyd enthalten, welches
nicht
zum Ausfall der Anlage infolge katastrophaler Aufkohlung und Kohlenstoffablagerung
fÜhrt.
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Ein weniger kostspieliges reduzierendes Gas ist ein solches, bei welchem
ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff teilweise mit Luft unter Bildung eines reduzierenden
Gases oxydiert wird, welches Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Stickstoff enthält.
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Wenn dieses Gas-zur Reduktion verwendet werden soll', besteht die
nächste Aufgabe darin, in der Reduktionszone genÜgend Wärme zuzuführen, um die Reduktion
durchführen zu können. Es gibt verschiedene Methoden, diese Wärme zuzuführen, z.B.
die Vorerhitzung des Eisenerzes auf eine äusserst hohe Temperatur vor seiner Einführung
in die Reduktionszone oder die Vorerhitzung des reduzierenden Gases auf äusserst
hohe Temperaturen. Beide Methoden sind jedoch unbefriedigend.
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Unter katastrophaler Aufkohlung wird hier die Reaktion verstanden,
die stattfindet, wenn Kohlenstoff aus einem Kohlenmonoxyd enthaltenden Gas unter
solchen Bedingungen auf einer Metalloberfläche abgelagert wird, dass ein Teil des
abgelagerten Kohlenstoffs mit der Metalloberfläche unter Bildung eines Metallcarbides
reagiert, welches seinerseits die die Ablagerung von Kohlenstoff mit noch höherer
Geschwindigkeit verursachende Reaktion katalysiert. Die Ablagerung von Kohlenstoff
verursacht Verstopfung und Ausfall der Anlage infolge des Druckanstiegs, während
die Aufkdhlung,der Metalloberflächen zum Lochfrass, zur Schwächung und zum Versagen
der Metalloberflächen und der Anlage führt. Im Inneren des Reaktionsgefässes, wo
Eisenoxyde vorhanden sind, auf denen sich der Kohlenstoff ablagern kann, und die
zu metallischem Eisen reduziert werden, stellt diese Reaktion keine besondere Schwierigkeit
dar. In Kompressoren, Steigrohren, Fallrohren, Tauchrohren, Überführungsleitungen
und Rohrleitungen bietet diese Reaktion im Temperaturbereich von 48o bis
650 0 0 jedoch ein schwie riges Problem. Auch in Anlagen, die
mit feuerfesten Stoffen ausgekleidet sind, entstehen durch die Ablagerung von Kohlenstoff
grosse Schwierigkeiten, weil die Leitungen verstopft werden, selbst wenn kein Lochfrass
der Anlage eintritt.
Die hauptsächlich fÜr die katastrophale Aufkohlung
veräntwortliche Reaktion ist die folgende:
Diese Reaktion läuft bei etwa Atmosphärendruck bei 48o bis 65o0
0 ab und
verläuft stark nach der rechten Seite. Bei Temperaturen über etwa
650 0 0
liegt das Gleichgewicht stark auf der linken Seite, wenn Kohlenstoff vorhanden ist.
Bei Temperaturen unter 48o
0 0 ist die Reaktion in beiden Richtungen zu vernachlässigen.
Bei überatmosphärischen Drucken ist der Temperaturbereich, in welchem die Reaktion
mit nennenswerter Geschwindigkeit nach der rechten Seite hin verläuft, etwas weiter
als bei Atmosphärendruck. Zur Vereinfachung der vorliegenden Beschreibung
| wird nachstehend angenommen, dass die Reaktion unabhängig von |
| wird |
| dem Druck, bei dem sie durchgeführt, im Temperaturbereich |
von 48o bis
650 0 C nach der rechten Seite verläuft, wobei zu berücksichtigen
ist, dass diese Temperaturen sich'mit dem Druck in
bekannter Weise ändern.
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Es sind Verfahren zum Reduzieren von Eisenerzen bekannt, bei denen
Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltende Gase zur Reduktion des Eisens verwendet
und die Abgase der Reduktionszone, die Kohle'nmonoxyd, Wasserstoff, Kohlendioxyd
und Wasser enthalteng gekühlt, zwecks Entfernung des Wassers und des Kohlendioxyds
behandelt und die nunmehr hauptsächlich CO und H2 enthaltenden Abgase im
Kreislauf in die Reduktionszone zurückgeführt werden. Bisher verlief die KreislauffÜhrung
von Kohlenmonoxyd enthaltenden Reduktionsgasen jedoch völlig unbefriedigend, weil
die Gase mit so hoher Verweilzeit im Temperaturbereich von 48o bis 650 0 0
gekühlt oder erhitzt wurden, dass Kohlenstoff abgelagert wurde, Verstopfungen auftraten
und in dem Erhitzer katastrophale Aufkohlung erfolgte. Bisher ist dieses Problem
nicht erkannt und keine Methode vorgeschlagen worden, um es zu lösen.
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Gemäss der Erfindung können Metalloxyde mit einem Kohlenmonoxyd und
Wasserstoff enthaltenden Reduktionsgas unter wirksamer Ausnutzung des Reduktionsgases
durch Kreislaufführung der Abgase aus einer der Reduktionszonen reduziert werden.
Das Kohlenmonoxyd
und Wasserstoff enthaltende reduzierende Gas
kann nach versähiedenen bekannten Methoden hergestellt werden, bei denen eine Teilverbrennung
eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in Gegenwart eines ssuerstoffhaltigen Gases
erfolgt. Das reduzierende Gas wird im Gegenstrom mit den zu reduzierenden Metalloxyden
in Berührung gebracht, die, wie nachstehend beschrieben, in Form von Wirbelschichten,
Wanderbetten oder in anderweitigen bekannten Behandlungsvorrichtungen vorliegen,
wobei die Metalloxyde reduziert und die reduzierenden Gase teilweise zu CO
2 und H 2 0 oxydiert werden . Die Reduktion erfolgt bei, höheren Temperaturen
und die Gase, die aus derjenigen Reduktionszone abströmen, in der sich die Metalle
im höchsten Oxydationszustand befinden, werden bei hohen Temperaturen abgezogen.
Um das reduzierende Gas zu regenerieren, so dass es sich.fÜr die Kreislaufführung
in diejenige Zone eignet, in der sich dieam stärksten reduzierten Metalloxyde befinden,
müssen die Oxy-
dationsprodukte, nämlich CO 2 und H 2 0, aus
dem reduzierenden Gas entfernt werden. Die Gase werden aus der Reduktionszone abgezogen
und zweckmässig unter den Taupunkt des Wassers gekühlt. Kondensiertes Wasser wird
abgezogen. Zur wirksamen Entfernung des CO 2 ist es zweckmässig, die Gase
weiter auf etwa Raumtemperatur zu kühlen. Die aus der Ferri-Reduktionszone abströmenden,
teilweise verbrauchten Gase befinden sich unter einem etwas niedrigeren Druck, als
er in der Ferro-Reduktionszone herrscht. Dieser Druckunterschied ist auf den Druckverlust
de'r Reduktionsgase beim Druchströmen -der Wirbelschichten in den Reduktionszonen
zurückzuführen. Um dieses Gas in die Zone mit dem niedrig-sten Oxydationsgrad
zurückzuführen, muss der Druck des Kreislaufggses dem in dieser Zone herrschenden
Druck angeglichen werden. Die Druckerhöhung des Kreislaufgases erfolgt bei Raumtemperatur,
und anschliessend wird das Gas auf die Temperatur erhitzt, die in dem Heaktionsgefäss
herrscht, in das es eingefÜhrt werden soll.
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Durch rasches Kühlen der Abgase aus der Reduktionszone von einer Temperatur
von etwa 76o bis 870 0 C auf eine Temperatur von
weniger
als 48o 0 C wird erreicht, dass sich beim Durchgang durch diesen Temperaturbereich,
in welchem die Umwandlung von Kohlenmonoxyd in Kohlendioxyd und Kohlenstoff erfolgt,
nur wenig oder gar kein Kohlenstoff aus den Gasen abscheidet. Wenn das regenerierte
und wieder verdichtete Kreislauf-Reduktionsgas allmählich auf etwa 4250
C und dann schnell von etwa 425 bis 48o0 C auf etwa 87o bis 98o
0 0 erhitzt wird, hat das Kohlenmonoxyd keine Gelegenheit, sich unter Abscheidung
von Kohlenstoff und katastrophaler Aufkohlung in Kohlendioxyd umzuwandeln. Das in
dieser Weise erfindungsgemäss behandelte Reduktionsgas kann nun im Kreislauf geführt
werden, wodurch die Kosten des Reduktionsgases in Anbetracht der durch die Kreislaufführung
erzielten Ersparnis verringert werden. Die wichtigsten Verfahren, die zur Erzeugung
von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltenden Gasen bekannt sind, arbeiten mit
einem katalytischen Gasreformer, einem nicht-katalytischen Gasreformer, einer Wirbelschichtkoks-Vergasungsanlage
und dergleichen. Der jeweilige Brennstoff, aus dem das Reduktionsgas hergestellt
wird, bildet keinen wesentlichen Teil der Erfindung.
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Wenn als sauerstoffhaltes Gas Luft oder an Sauerstoff angereicherte
Luft verwendet wird, um den kohlenstoffhaltigen Brennstoff zu reformieren, enthält
das-reduzierende Gas eine gewisse Menge Stickstoff. Die Anwesenheit von Stickstoff
in dem reduzierenden Gas bietet einen gewissen Vorteil, da sie ein dichteres Trägergas
zur Wirbelschichterzeugung liefert, wodurch die Wirbelschichtbildung in der Reduktionszone
glatter verläuft. Übermässige Mengen an Stickstoff sind jedoch in dem reduzierenden
Gas nicht erwünscht, da hierdurch die reduzierenden Bestandteile des Gases zu stark
verdünnt werden. Daher kann das reduzierende Gas von Zeit zu Zeit abgezogen werden,
um übermässige Mengen an Stickstoff daraus zu entfernen, sofern nicht ein Teil des
Gases, wie nachstehend beschrieben, zur Vorerhitzung der zugeführten Beschickung
verwendet wird, in welchem Falle das Abziehen dieses Gases nicht erforderlich ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden flüssiges
Benzin und Luft in ein Wirbelschichtbett aus Koks bei
höherer Temperatur
eingespritzt, wobei das flüssige Benzin zu Kohlenmonoxyd und Wasserstoff reformiert
wird. Diese Methode wird bevorzugt, weil sie die Gewinnung eines sehr hochwertig
en
Gases bei einer hohen Temperatur aus einer nicht kostspieligen Reaktion
gestattet. Die abströmenden Gase en-thalten Kohlenmonoxyd, Wasserstoff'und Stickstoff.-Die
bie diesem Verfahren entstehenden Gase enthalten nur wenig oder überhaupt kein Kohlendioxyd
oder Wasser. Wenn sich anfänglich durch Vergasung oder Reformierung in der Reaktionszone
00 2 oder H 2 0 bilden, stellt die Kokswirbelschicht, die im wesentlichen
aus Kohlenstoff besteht, den Kohlenstoff zur VerfÜgung, der mit dem CO 2
oder H 2 0
reagieren und diese Oxydationsprodukte wieder in Wasserstoff
und CO zurückverwandeln kann. Die Reaktionsbedingungen werden so eingestellt,
dass die aus der Reaktionszone abstrÖmenden Gase keine übermässigen Mengen an
CO 2 oder H 2 0 enthalten. Daher können diese heissen Gase unmittelbar
in der Reduktionszone eingesetzt werden, die im wesentlichen zum Metall reduziertes
Eisen enthält, ohne dass die Gefahr einer RÜckoxydation des Eisens besteht. Die
Gase können unmittelbar bei den höheren Temperaturen verwendet werden, bei denen
sie die Vergasungszone verlassen, wodurch der Reduktionszone die fühlbare Wärme
der Gase zugefÜhrt wird, die ausreicht, um die Reduktion des Eisenoxyds zu metallischem
Eisen in dieser,Reduktionszone zu bewerkstelligen. In dieser Vergasungszone we rder
solche Reaktionsbedingungen innegehalten, dass in dieser Zone kein übermässiger
Gesamtverbrauch an Kohlenstoff stattfindet. Wenn trotzdem Kohlenstoff verbraucht
wird, kann dieser durch Zusatz von weiterem Wirbelschichtkoks, ersetzt-werden.
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In dieser Zone kann durch blosse Verbrennung des Brennstoffes zu Kohlenmonoxyd
genügend Wärme erzeugt werden, um die endotherme Reduktion in der Reduktionszone
durchzuführen und die Kreislaufgase rasch vorzuerhitzen. Je nach dem in der Wirbelschichtvergasungszone
verwendeten Brennstoff kann das Verhältnis des erzeugten Wasserstoffs zu dem erzeugten
Kohlenmonoxyd im Bereich von 2 bis 4 Mol Wasserstoff je Mol Kohlenmonoxyd
variieren. Obwohl eine grössere Wärmemenge durch vollständige oder teilweise Verbrennung
des in dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffs zu Kohlendioxyd
erzeugt werden könnte, würde der hierdurch erzielte Vorteil dadurch
wieder
ausgeglichen, dass das abstrÖmende Gas zunächst gekühlt werden müsste, um das Wasser
auszukondensieren', dann zwecks. Entfernung von CO 2 behandelt und schliesslich
auf die zur Einführung in die Reduktionszone erforderliche Temperatur wiedererhitzt
werden müsste. Deshalb lässt sich der grösste Vorteil und die höchste Wärmezufuhr
zur Reduktionszone erzielen, wenn man den kohlenstoffhaltigen Brennstoff nicht zu
CO 23 sondern hauptsächlich nur zu CO verbrennt. Ein weiterer Vorteil,
der durch die Vergasung mit Hilfe einer Kokswirbelschicl#t erzielt wird ist der,
dass diese heisse Kokswirbelschicht verwendet werden kann, um das aus
CO + H 2 bestehende Kreislaufgas rasch aufzuheizen, weil die Wirbelschichtfeststoffe
ein ausgezeichnetes Mittel zum raschen Wärmeaustausch darstellen. Daher wird das
im Kreislauf geführte CO + H 2 bei der Einführung in die Wirbelschicht-Vergasungszone
sofort auf die in dieser Zone herrschende Temperatur gebracht. Das Kreislaufgas
kann ohne Gefahr der Kohlenstoffablagerung oder der katastrophalen Aufkohlung in
einem Ofen üblicher Bauart auf etwa 425 0 0 vorerhitzt werden.
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Das auf 425 0 G vorerhitzte Gas kann dann in die Kokswirbelschicht
eingeführt werden, die sich auf einer Temperatur von etwa 98o bis 12oo
0 C befindet, und nimmt dabei fast sofort ebenfalls die Temperatur von 98o
bis 12oo 0 C an. Dieser schnelle Wärmeaustausch ist eines der wichtigsten
Kennzeichen der Wirbelschicht.
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Dieses Verfahren stellt also eine billige, wirksame Methode zur Herstellung
eines hochwertigen, preiswerten, 00 und H 2 enthaltenden Reduktionsgases
und eine wirksame Methode zur Kreislaufführung dieses Reduktionsgases und zur Vermeidung
der Kohlenstoffablagerung, der Verstopfung der Anlage und der katastrophalen Aufkohlung
der Metallgefässe dar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die direkte
Reduktion von Eisenerz in einer Wirbelschicht aus feinteiligen Erztälchen durchgeführt,
die unmittelbar mit dem reduzierenden Gas in Berührung kommen. Die Wirbelschichten
kÖnnen einen Durchmesser von 1,5 bis 9 m und eine Höhe von o,9 bis
12 m haben. Das feinteilige Erz, welches von den reduzierenden
Gasen
in Form einer Wirbelschicht-gehalten wird, besitzt das Aussehen einer Flüssigkeit
und hat eine scheinbare Dichte, die je nach der Geschwindigkeit und der Korngrössenverteilung
zwischen o,8 und 2,9 g/ccm schwanken kann. Der Druck am Boden der. Wirbelschicht
ist, ähnlich wie bei Wasser, angenähert direkt .proportional der Höhe der Schicht,
und die die Wirbelschicht durchsetzenden Trägergase erleiden vom Boden der Wirbelschicht
bis zu ihrem oberen Ende eine Druckänderung.
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Fig. 1 zeigt ein typisches Fliessdiagramm des erfindungsgemässen
Verfahrens, angewandt auf die Reduktion von Eisenerz. Verschiedene Pumpen, Ventile,
Wärmeaustauscher, Uberwachungs-und Steuerungseinrichtungen sind in der Abbildung
aus Gründen der Einfachheit fortgelassen worden.
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Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird feinteiliges
Eisenerz, welches hauptsächlich aus Fe2 0 3 besteht, in drei Stufen reduziert.
Das Erz wird aus dem Vorratsbehälter 5o durch das Fallrohr 51 in die Ferri-Reduktionszone
A eingefÜhrt, in der sich die Wirbelschicht lo aus Eisenerz befindet. Das
Fe 2 0 3 in der Schicht lo wird mit Hilfe des durch Leitung 29
dem
Boden der Zone A zugeführten Reduktionsgases im Wirbelzustand gehalten. Das
reduzierende Gas, welches Kohlenmonoxyd und Wasserstoff sowie geringe Mengen Wasser
und Kohlendioxyd enthält, wird durch Leitung 29 in die Wirbelschicht lo eingeführt,
wo es mit der durch Leitung 52 zugeführten Luft gemischt und teilweise verbrannt
wird, wodurch die Temperatur in der Wirbelschicht lo auf etwa 76o bis 98o0 C steigt.
Das durch Leitung 29
zugeführte Gas enthält genügend.CO und H 21 um das Fe
2 0 3 mindestens teilweise zu Fe 3 0 4 zu reduzieren und vermöge seiner
fühl-
baren Wärme das Erz in diesem Reaktionsraum genügend vorzuerhitzen,
damit die Reduktion i n der Wirbelschicht 9 durchgeführt werden kann. Die
Ferri-Reduktions- und Vorerhitzungszone A kann sich auf einem Druck von etwa
Atmosphärendruck bis 7o atü, z.B. von etwa 0,? atü, befinden; dieser Druck
ist nicht ausschlaggebend.
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Die in der Wirbelschicht lo entstehenden Verbrennurigsprodukte
sammeln
sich in der Kammer 14 und gelangen durch Leitung 26 in den Zyklonabscheider
24. In den Abgasen von der Zone A
beträgt das Verhältnis CO
2 : CO etwa 3 bis 2o und das Verhältnis H 2
0 : H 2 etwa 6 bis 25. Die Abgase aus dieser Zone sind,
was ihr Reduktionsvermögen und ihren Heizwert anbelangt, im wesentlichen verbraucht
und werden durch Leitung 27 über ein nicht dargestelltes Druckminderungsventil
an die Atmosphäre abgelassen. Etwa mit dem Gas mitgerissene Eisenoxydteilchen werden
im Zyklonabscheider 24 abgetrennt und kehren durch Leitung 25 in die Wirbelschicht
lo der Zone A zurück.
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Wenn das vorerhitzte Erz der Zone A zugeführt wird, steigt
die Wirbelschicht lo an und fliesst durch das Fallrohr 16 in die Wirbelschicht
9 der Ferro-Reduktionszone B über. In dieser Schicht herrschen solche Reduktionsbedingungen,
dass das Fe 3 0 4 im wesentlichen zu Fe0 reduziert wird. Das aus
CO und H 2 sowie geringen Mengen CO 2 und H 2 0 bestehende
Reduktionsgas wird in die Wirbelschicht 9 auf dem Wege Über eine Wirbelbildungsvorrichtung
durch Leitung 2o eingeführt, hält dort die feinen Eisenoxydteilchen im Wirbelzustand
und reduziert das Fe 3 0 4 zu
Fe0. Die Temperatur in der Wirbelschicht
9 wird auf etwa 650
bis 98o 0 C und der Druck um etwa o,35 bis
1 at höher als derjenige in der Zone A, d.h. auf etwa 1 atü,
gehalten. Das Verhältnis von CO 2 zu CO in dieser Zone ist
wesentlich geringer als dasjenige in der Zone A und beträgt 1,o bis 4,o,
während das Verhältnis H 2 0 : H 2 0,3 bis
6,0 beträgt. Nach der Reduktion des feinteiligen Eisenoxyds in der Wirbelschicht
9 sammeln sich die Reduktionsgase in der Kammer 13 und werden durch
Leitung 22 in den Zyklonabscheider 21 gefördert. Diese Abgase enthalten mitgerissene
Eisenoxydteilchen, die im Zyklon 21 abgeschieden werden und durch das Tauchrohr
23 in die Wirbelschicht 9 zurückkehren. Dieses Feinkorn kann entweder
vollständig in die Wirbelschicht 9
zurückgeleitet werden, oder ein Teil davon
kann auf nicht dargestelltem Wege, d.h. mittels eines Tauchrohres, der Wirbelschicht
8 zugeleitet werden. Das Abgas von dem Zyklon 21 strömt durch Leitung
3o, und ein Teil desselben gelangt Über Ventil 28 und Leitung 20 in die Fer
ri-Reduktionszone A, wo dieses Gas zur Reduktion und Vor,#-rhitzung dient.
Di6SeS Gas enthält beträchtliche
Mengen CO und H 2 und besitzt
daher ein hohes ReduktionsvermÖgen und einen hohen Heizwert. Ein Teil dieses Abgases
wird in der Wirbelschicht lo teilweise verbrannt, wobei noch genügend Redüktionsvermögen
übrigbleibt, um das Fe2 0 3 in der Wirbelschicht lo zu Fe 3 0 4 zu
reduzieren. Der Hauptteil dieseg Abgases aber, z. B. 1/3 bis 2/3 seines
Volumens, wird durch Ventil 31 und Leitung 32
bei einer Temperatur
bis etwa 76o bis 87o0 0 in die Wasserabschreckzone 33 geleitet, wo
das Gas unmittelbar mit einem grossen Volumen kalten Wassers in Berührung kommt,
welches der Zone 53 durch Leitung 34 zugeführt wird. Hierdurch wird das Gas
schnell von einer Temperatur von etwa 76o bis 87o0 G auf eine Temperatur unter etwa
48o 0 C gekühlt. Die durch Leitung 36 abgezogenen gekühlten Gase befinden
sich nun unterhalb derjenigen Temperatur, bei der Kohlenstoffablagerung oder katastrophale
Aufkohlung erfolgen kann. Das zum Abschrecken und Kühlen der heissen Gase verwendete
Wasser wird erhitzt und kann als Wärmeaustauschmittel zum Erhitzen anderer Ströme
oder zum Betrieb einer kleinen Hilfsanlage verwendet werden. Das so erhitzte Wasser
wird aus der Abschreckzone durch-Leitung 35 abgezogen.
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In der Zone B wird das aus der Zone A kommende Fe
3 0 4 zu
Fe0 reduziert, wobei die Wirbelschicht 9 infolge des
ÜberstrÖ-mens aus der Zone A ansteigt, und das Fe0 fliesst durch das Fallrohr
15 aus der Zone B in die Zone C über.
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In der Wirbelsch#cht 8 der Zone C wird das Fe0 zu Fe reduziert.
Das reduzierte Eisen fliesst aus der Zone C durch das Fallrohr 48 über, und das
Produkt wird in dem Behälter 49 aufgefangen. Je nach den in der Reduktionszene C
herrschenden Bedingungen kann dieses Produkt zu 85 bis 98% aus metallischem
-Eisen bestehen. Die Zusammensetzung des in die Wirbelschicht 8
eingeführten
Reduktionsgases ist kritisch. Das Gas wird in die Wirbelschicht 8 durch Leitung
7 eingeführt. In der Wirbelschicht 8 wird das reduzierende Gas teilweise
oxydiert, wobei es das Fe0 zu Fe reduziert. Die Abgase aus der Wirbelschicht
8
sammeln sich in der Kammer 12 und werden zusammen mit mitgerissenen
Feststoffenidurch Leitung 18 dem Zyklonabscheider 17 zugeführt. Diese
Abgase weisen ein Verhältnis C02 : CO von etwa
o,1 bis 0,4
und ein Verhältnis H 2 0 : H 2 von 0,1 bis o,4 auf. Die Temperatur
dieser Abgase beträgt etwa 76o bis 870 0 C, und der Druck in dieser Zone
ist um o,35 bis 1 at höher als der in der vorhergehenden Zone, d.h. er beträgt
etwa 1,4 atü. Die Bedingungen in der Wirbelschicht 8 sind kritisch, da die
in die Schicht 8 eingeführten Gase nur wenig oder gar kein CO 2 oder
H 2 0 enthalten dürfen, weil sonst das in dieser Zone befindliche Fe und
Fe0 wieder oxydiert werden und der Prozentsatz des Sauerstoffs in dem in dem Behälter
49 gesammelten Produkt steigt. Es muss aber genügend Wärme als fühlbare Wärme der
eingeleiteten Reduktionsgase zugeführt werden, damit die endothermen Reduktionen
in der Wirbelschicht 8 stattfinden und auch die endothermen Reduktionen in
der Wirbelschicht 9 unterstützt werden.
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Das in den Zyklonabscheider 17 mitgerissene Feinkorn kehrt
durch das Tauchrohr 19 in die Ferro-Reduktionszone C zurück. Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient eine Kokswirbelschichtl, in
die flüssiges Benzin und Luft eingeleitet wird, als Vergasungszone zur Erzeugung
der Gase für dieses Verfahren; Die Erfindung ist allerdings nicht auf diese Art
der Erzeugung des Reduktionsgases beschränkt. Flüssiges Benzin wird durch Leitung
1 der Kokswirbelschicht 3 in Zone D zugefÜhrt, die sich auf
einer Temperatur von 98o bis 12oo 0 G und unter einem um 035 bis
1 at höheren Druck befindet als die vorhergehende Zone, d.h. unter einem
Druck von etwa 2,1 atü. Das Benzin wird auf eine Temperatur unmittelbar unterhalb
derjenigen vorerhitzt, bei der seine Spaltung beginnen würde, und auf etwa 54o0
C vorerhitzte Luft wird durch Leitung 2 zugeführt. Die Luft darf nicht ausreichen,
um den Kohlenstoff des Benzins vollständig zu CO 2 zu oxydieren. In der Vergasungszone
wird das Benzin zu CO und H 2 reformiert, und es werden solche Bedingungen
innegehalten, dass nur wenig oder gar kein C02 oder H20 entsteht. Wenn sich trotzdem
geringe Mengen H 2 0 oder 00 2 bilden, so reagieren diese weitgehend
mit dem Koks in der Wirbelschicht, wodurch das CO 2 zu CO und das
Wasser zu Wasserstoff reduziert wird. Die bei hoher Temperatur erzeugten und praktisch
nur aus
CO% H 2 und Stickstoff bestehenden Reduktionsgase werden
durch die Kammer 11 und Leitung 4 abgezogen und als Träger- und Reduktionsgas
zur Durchführung der Reduktion verwendet. Da dieses Gas praktisch kein
00 2 oder H 2 0 enthält, braucht es vor der Einführung in die
Ferro-Reduktionszone auch nicht zwecks Entfernung von Wasser gekühlt oder zwecks
Entfernung von CO 2 behandelt'zu werden, und die fühlbare Wärme dieses aus
der Vergasungszone D
abgezogenen Gases kann in der Ferro-Reduktionszone C
verwendet werden, um die Wärme für die in dieser Zone stattfindenden endothermen
Reaktionen zu liefern. Das aus der Kammer 11 durch Leitung 4 abgezogene Gas
kann eine geringe Menge Koksteilchen enthalten, die im Zyklonabscheider
5 abgetrennt und durch das Tauchrohr 6 in die Wirbelschicht
3 der Zone D zurückgeführt werden. Das von Feststoffen praktisch freie
Reduktionsgas wird aus dem Zyklon 5 durch Leitung 7 der Wirbelschicht
8 in der Zone C
zugefÜhrt.
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Unter normalen Arbeitsbedingungen der Kokswirbelschicht beträgt das
Verhältnis CO : H 2 in dem von der Zone D abstrÖmenden Gas etwa o,5
: 1,0-Durch Variieren der der Wirbelschicht 3 zugeführten Benzin-und
Luftmengen lässt sich die Temperatur in der Wirbelschicht 3
sehr genau lenken
und die Konzentration an CO 2 und H 2 0 in,den Abgasen auf einem Mindestwert
halten. Dies ist äusserst günstig, um die für die rasche Erhitzung der Kreislaufgase
aus Leitung 47 erforderliche Wärme zuzuführen.
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Aus der Abschreckzone 33 werden die kalten Gase durch Leitung
36 abgezogen. In der Abschreckzone kann das Gas auf eine Temperatur unter
dem Taupunkt gekühlt und das kondensierte Wasser durch Leitung 35 abgeführt
werden. Der Hauptzweck dieser Zone ist aber die rasche Abkühlung der heissen Abgase
auf eine Temperatur unter etwa 48o 0 C9 d.h. die Abkühlung der Gase von einer
Temperatur von etwa 76o bis 87o 0 C in weniger als etwa 0.5
bis
5 Sekunden, vorzugsweise in weniger als 1 0)ekunde. In der Zone
37 wird das Kohlendioxyd aus dem Gas mit Äthanolamin ausgewaschen. Die so
behandelten Gase gelangen durch Leitung 38 in
die Zone 4o,
wo sie direkt oder indirekt mit durch Leitung 42 zugeführtem kaltem Wasser weiter
gekühlt werden, wobei sich etwa noch in den Gasen enthaltene Feuchtigkeit kondensiert
und durch Leitung 43 abgeführt wird. Die nun von Kohlendioxyd und Wasser befreiten
Abgase aus der Zone B werden über Leitung 41 im Kreislauf in das Verfahren zurückgeführt.
Die besondere Methode, nach der den Gasen das Kohlendioxyd entzogen wird, bildet
nicht den Gegenstand der Erfindung, und braucht daher nicht im einzelnen beschrieben
zu werden.
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Vor dem Erhitzen und der Einführung der so behandelten Kreislauf-Reduktionsgase
in die Vergasungszone muss der Dbuck dieser Gase erhöht werden, damit sie in die
Vergasungszone eingeführt werden können. Es besteht nämlich eine erhebliche Druckdifferenz
zwischen der Zone D und der Leitung 41, weil die Gase die verschiedenen Wirbelschichten
und Anlageteile durchströmen. Das Kreislaufgas wird daher durch den Kompressor 44,
während es sich noch auf Raumtemperatur befindet, auf einen umetwa o,35 bis 1,4
at höheren Druck verdichtet, als er in der Vergasungszone herrscht, d.h. auf etwa
2,1 atü. Das so unter Druck gesetzte Gas wird im Ofen 46 indirekt allmählich auf
eine Temperatur unmittelbar unterhalb derjenigen Temperatur erhitzt, bei der Kohlenstoffablagerung
und katastrophale Aufkohlung erfolgen würden. Diese Temperatur liegt zwischen 425
und 48o 0 G.
Die so vorerhitzten, von CO 2 und H 2 0 praktisch
freien, aber etwas Stickstoff enthaltenden Gase gelangen aus dem Erhitzer 46 durch
Leitung 47 in die Vergasungszone D. Hier werden die Gase rasch von einer
Temperatur von etwa 425 bis 48o 0 C auf eine Temperatur von etwa 87o bis
12oo 0 C erhitzt. Infolge des hohen Wärmeübertragungsvermögens der Wirbelschicht
und der grossen fühlbaren Wärmemenge der Feststoffteilchen in der Wirbelschicht
3 verläuft diese Temperatursteigerung praktisch augenblicklich, z.B. im Verlaufe
von nur etwa o,5 bis 3 Sekunden, vorzugsweise im Verlaufe von weniger als
1 jekunde. Infolge der raschen Temperatursteigerung des Kreislaufgases besteht
nur wenig oder
keine Gelegenheit für eine«katastrophale Aufkohlung.oder
Kohlenstoffabscheidung.
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Das Verfahren kann dahin abgeändert werden, dass die erhitzten Gase
in der Leitung 47 mit den heissen Gasen in der Leitung 7 vermischt und dadurch
unmittelbar vor dem Eintritt--in die Wirbelschicht 8 der Ferro-Reduktionszone
G rasch erhitzt -
werden. Um aber die Temperatur der K:#eislaufgase
aus Leitung 47 rasch zu erhöhen, muss die Zone D bei einer solchen Temperatur
betrieben werden, dass die Abgase aus der Wirbelschicht 3 heiss genug sind,
um beim Vermischen die in der Wirbelschicht 8 benötigte Wärme zu liefern,
und dass eine genügende Temperaturdifferenz besteht, damit dieser Temperaturanstieg
der Gase aus der Leitung 47 schnell genug erfolgt, um eine katastrophale Aufkohlung
und Kohlerstoffablagerung zu verhindern.
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Durch die Regenerierung und Kreislaufführung von Gemischen aus reduzierenden
Gasen, die hauptsächlich aus Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Wasserstoff und Wasser
bestehen, wird auf diese Weise die Ablagerung von Kohlenstoff und die katastrophale
Aufkohlung der Metallausrüstung verhindert, die Reduktionsreaktion in hohem Masse
verbessert und eine wirksamere und wirtschaftlichere Ausnutzung der Reduktionsgase
erreicht. Das reduzierte Eisen eignet sich als Ersatz für Alteisen oder Stahl und
kann auch gegebenenfalls zur Herstellung von Eisenpulver verwendet werden. Die Mengenverhältnisse
von Kohlenmonoxyd zu Wasserstoff können variieren, und die Gase können aus jeder
beliebigen Quelle gewonnen werden. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform der
Erfindung dient daher nur zur Erläuterung und ist nicht beschränkend auszulegen.
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Das ausschlaggebende Merkmal der Erfindung ist die Schaffung einer
praktischen Möglichkeit, die Abgase von einer Reduktionszone schnell von einer Temperatur
über etwa 650 0 C auf eine Temperatur unter etwa 48o 0 0 zu kühlen,
wodurch die katastrophale Aufkohlung und die Ablagerung von Kohlenstoff vermieden
werden. Die so gekühlten Gase werd en zwecks Entfernung von
H
0 und CO behandelt. Die von H 0 und CO befreiten Gase
wer-2 2 2 2 den durch Verdichtung auf den zur Einführung in die Vergasungszone oder
eine Reduktionszone erforderlichen Druck gebracht. Nach der Verdichtung, aber vor
der Einführung in die Vergasungszone oder das Reaktionsgefäss, werden die Gase allmählich
auf eine Temperatur von etwa 425 bis 48o 0 C und dann rasch auf eine Temperatur
über etwa 650 0 C erhitzt, wodurch die Ablagerung von Kohlenstoff und die
katastrophale Aufkohlung verhindert werden, die normalerweise nach der Reaktionsgleichung
stattfinden, wenn Kohlenmonoxyd enthaltende Gase sich auf Temperaturen zwischen
48o und 650 0 G befinden.
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B e i s p i e 1 1
Fe 2 0 3 enthaltendes Eisenerz wird
auf eine für die Wirbelschichtbildung geeignete Korngrösse vermahlen und in eine
Ferri-Reduktionszone eingeführt, in der es im Gegenstrom zu dem reduzierenden Gas
geführt wird. Aus der Ferri-Reduktionszone gelangt das Erz in eine Ferro-Reduktionszone,
so dass es stufenweise von Fe 2 0 3 zu Fe mit einem Eisengehalt von
etwa 85 bis 95% reduziert wird. Das eisenhaltige Produkt wird abgezogen,
zur Verhinderung der Selbstentzündung behandelt und für spätere Verwendung auf Lager
geleitet. Das Eisen wird durch Gegenstrombehandlung mit einem reduzierenden Gas
reduziert, welches im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff besteht. Das
reduzierende Gas wird durch Einspritzen von 136 kg Benzin je t reduzierten
Eisens in eine Kokswirbelschicht erzeugt, der 54 Mol Luft je t reduzierten
Eisens zugeführt werden. In der Kokswirbelschicht wird das Benzin zu einem hauptsächlich
aus CO und H 2 bestehenden Gas reformiert. Dieses Gas wird im Gegenstrom
zu dem Eisenerz geführt und reduziert das Eisenerz im wesentlichen zu metallischem
Eisen. Von einer der Reduktionszonen wird das Abgas abgezogen und in zwei Teile
zerlegt. Ein Drittel des Ab-
gases wird verwendet um das dreiwertige zu zweiwertigem
Eisen C) 9
zu reduzieren und das dreiwertige Eisen gleichzeitig vorzuerhitzen.
Zwei Drittel des heissen Abgases aus der Ferro-Reduktionszone
werden
im Kreislauf gefÜhrt. Um diese Gase in wirksamer Weise umwälzen zu können, werden
sie rasch durch direkte Berührung mit kaltem Wasser von einer Temperatur von etwa
8700 C auf 93 0 G gekühlt. Praktisch alles in dem Abgas als Oxydationsprodukt
der Reduktionsreaktion enthaltene Wasser kondensiert sich, scheidet sich aus dem
Abgas ab und wird zusammen mit dem Kühlwasser abgezogen. Das restliche Abgas wird
weiter auf 25950 0 gekühlt und zwecks Absorption des Kohlendioxyds mit Äthanolamin
behandelt. In den Gasen verbliebene Spuren von Feuchtigkeit werden entfernt. Die
Gase befinden sich nun auf einer Temperatur von 25,5 0 C,und sind praktisch
frei von H 2 0
und CO 2* Das Gas enthält 2o% H 23
1695% CO, 1,5% C029 2% H 2 0
und 6o% N 2* Es befindet sich unter
einem Druck von 1 atü und wird in einem Kompressor auf einen Druck von 14
atü gebracht. Das verdichtete Gas wird in einem Gasofen allmählich von
25,5
auf 468 0 0 erhitzt. Das vorerhitzte Gas wird dann unmittelbar
einer Kokswirbelschicht zugefÜhrt, die als Vergasungszone dient, wobei das Gas schnell
von 468 auf 94o0 C erhitzt wird. Der Temperaturanstieg erfolgt nahezu augenblicklich.
Die von der Vergasungszone abströmenden Gase bestehen aus 22,5% H
23 2o% Col llo% CO 25 1,5% H2 0 und 55% N2» Um
die Wirksamkeit dieser Reaktion und die vollständige Ausnutzung des Reduktionsgases
zu zeigen, wird das aus der Ferri-Reduktionszone abgezogene Gas, nachdem
es in dieser Zone zur Vorerhitzung gedient hat, analysiert. Es enthält
5% H 29 3% COe '0% C021 12% 1,20 und 70% N2-Durch
Verwendung eines Teiles des Abgases aus der Ferro-Reduktionszone zur Vorerhitzung
der Ferri-Reduktionszone wird-der Abzug von Stickstoff aus dem System ermöglicht
und die übermässige Ansammlung von Stickstoff verhindert.
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B e i s p i e 1 2 Fe 2 0 3 enthaltendes feinteiliges
Eisenerz wird in drei Stufen zu 85%oigem Eisen reduziert. Die erste Reduktionsstufe
ist gleichzeitig die Vorerhitzungsstufe. Das Erz wird durch im Gegenstrom
geführtes
Reduktionsgas re duziert, welches im wesentlichen aus CO und H 2 besteht.
Bei dieser Ausführungsform wird. das Reduktionsgas durch Vergasen von Benzin mit
Luft in einem nicht-katalytischen Gaserzeuger bei 1370 0 0 und etwas erhöhtem
Druck erzeugt. Das Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff in dem Brennstoff entspricht
etwa der Zusammensetzung G H 1 223-Das Verhältnis von Luft zu Brennstoff
beträgt 2e6 : 1. Unter diesen Bedingungen wird ein hochwertiges Reduktionsgas
gewonnen" welches nur sehr wenig CO 2 und H 2 0 enthält.
Das Reduktionsgas wird einem 500 t 85%iges Eisen je Tag erzeugenden
direkten Reduktionsreaktor zugeführt. 4o bis 45 % der Abgase von der zweiten
Reduktionsstufe, in der Fe 3 0 4 zu Fe0 reduziert wird, werden der Fe 2
0 3-Reduktions-Vorerhitzungszone zugeführt, um das darin enthaltene Erz teilweise
zu reduzieren, wobei das Gas teilweise mit Luft oxydiert wird, um das zugeführte
Erz vorzuerhitzen. Der Rest des Gases wird von einer Temperatur von 76o0 G durch
direkten Wärmeaustausch mit Kühlwasser rasch abgekühlt und dann zwecks Entfernung
von H 2 0 und CO 2 behandelt. Hierauf wird das Gas auf den
zur Einführung in die vom Gaserzeuger kommende Leitung erforderlichen Druck verdichtet.
Nach der Verdichtung wird das Gas in einem Gasofen indirekt auf 4250 0 erhitzt
und dann mit dem heissen Abgas des Gaserzeugers gemischt, welches sich auf 137o0
C befindet, worauf das Gasgemisch bei einer Temperatur von 870 0 G
der FeO-Reduktionszone zugeführt wird, um die Temperatur in dieser Zone auf 76o
0 0 zu
halten. Durch das Vermischen des Kreislaufgases bei 425 0 G
mit dem auf 1370 0 C befindlichen'Abgas aus dem Gaserzeuger wird die Temperatur
des Kreislaufgases in weniger als 1 Sekunde auf 8700 C erhöht, wodurch
die Ablagerung von Kohlenstoff und die katastrophale Aufkohlung beim Durchgang des
Kreislaufgases durch den Temperaturbereich von 48o bis 650 0 C vermieden
wird.
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Die Erfindung kann in verschiedenen Hinsichten abgeändert werden.
Das Kreislaufgas kann rasch erhitzt werden, indem es unmittelbar in eine Reduktionszone
eingeleitet wird, vorausgesetzt, dass in dieser Zone genügend Wärme zur Verfügung
steht, um die Temperatur des Reduktionsgases rasch zu steigern, ohne
dass
die Temperatur in der Zone unter denjenigen Wert sinkt, der zur Reduktion der Eisenoxyde
erforderlich-ist. Die Gase kÖnnen auch in einer einzigen Stufe rasch von Raumtemperatur
auf eine Temperatur Über 650 0 C ärhitzt werden; Aus Gründen.des hohen Wirkungsgrades
wird jedoch das oben beschriebene zweistufige Verfahren bevorzugt.
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Bei einem-Verfahren, bei dem die Vergasungsreaktion in einer Wirbelschicht
aus teilweise reduziertem Eisenerz durchgeführt wird, indem dieser Zone ein Kohlenwasserstoffbrennstoff
und ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden, kann das Kreislaufgas
unmittelbar dieser Zone zugefÜhrt werden, wobei genügend Luft und Brennstoff
zugesetzt werden, um in der Zone die richtige Reduktionstemperatur und die richtigen
Gleichgewichtsbedingungen innezuhalten.
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Das erfindungsgemäsße Verfahren lässt sich weiter durch -Verwendung
eines neuen Wirbelschichtrostes verbessern, der aus einer Mehrzahl von-Düsen besteht,
mit deren Hilfe die feinkörnigen Feststoffteilchen in den Wirbelzustand ÜbergefÜhrt
werden. Dies führt zu einer neuen Methode zum Einspritzen von Trägergas in eine
Wirbelschicht aus feinteiligen Feststoffen durch an einer Platte befestigte Düsen..
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Die Düsen gemäss-der Erfindung besitzen eine zylindrische Bohrung,
d.h. einen geradlinigen Abschnitt. Der geradlinige Abschnitt der Düsen besitzt ein
kritisches Verhältnis von Länge zu Durchmesser. Die Geschwindigkeit, mit der das
Trägergas durch den geradlinigen Abschnitt hindurchströmt, ist kritisch. Durch richtige
Wahl des Verhältnisses der Länge des geradlinigen Abschnittes der Düse zuseinem
Durchmesser und durch sorgfältige Steuerung der Trägergasgeschwindigkeit durch die
Düse kann ein wirksamer Betrieb der Wirbelschicht erreicht und die RückstrÖmung
der' Feststoffe durch die den Rost bildenden Düsen verhindert werden.
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Die Wirbelschicht aus feintelligen Feststoffen kann erhalten werden,
indem die feinteiligen Feststoffe in einer Kammer
äuf einer
durchlochten Platte angeordnet werden, unter der sich eine Füllkammer befindet,
und indem Gas aus der Füllkammer aufwärts durch die Durchlochungen in der
Platte in die Wirbelschicht geleitet wird, so dass die Feststoffe im Wirbelzustand
gehalten werden. Infolge der physikalischen Eigenschaften der feinteiligen Feststoffe
und der Ungleichmässigkeit der Gasströmiing durch die Durchlochungen in der Trägerplatte
neigen die Feststoffe dazu, in die Löcher der Platte zurückzustrÖmen und Verstopfungen
sowie eine Zerstörung der Wirbelschicht zu verursachen. Häufig gelangen die Feststoffe
sogar bis in die Füll-kammer und werden von dem Trägergas wieder durch die
Durchlochungen in der Trägerplatte zurückgeführt, so dass eine noch schnellere Verstopfung
der Löcher in der Platte stattfindet.
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Im allgemeinen sucht man das Abwärtsströmen der Feststoffteilchen
durch die Öffnungen oder Löcher im Rost durch hohe Gasgeschwindigkeiten zu verhindern.
Aber auch bei hohen Trägergasgeschwindigkeiten findet bei Verwendung von einfachen
Öffnungen in der Rostplatte eine Rückströmung von feinteiligen Feststoffen durch
die Öffnungen in die Füllkammer statt, so dass der Rost verstopft wird. Z.B.
verstopfen sich Rostplatten von etwa 25,4 mm Dicke mit Öffnungen von 6,35
bis 12,7 mm Durchmesser bei Wirbelschichtverfahren infolge des Zurückströmens
von Feststoffen.
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Eines der Probleme bei der Entwicklung eines verbesserten Wirbelschicht-Eisenreduktionsverfahrens
ist die Schwierigkeit, Wirbelroste zu erhalten, die bei hohen Temperaturen arbeiten
und das Eisenerz auch bei hochgradiger Reduktion zum Metall in der Ferroeisen-Wirbelschicht
bei der Eisenerzreduktion im Wirbelzustand halten. Wirbelschichten aus Eisenerz
neigen bei hochgradiger Reduktion zum Metall bei Temperaturen von 76o bis
8700 G zum Sintern und zur Zusammenballung. Die Verstopfung des Rostes
stellt ein besonderes Problem dar, wenn die feinteiligen, im wesentlichen vollständig
reduzierten Eisenteilchen unter diesen Bedingungen in eine Öffnung im Wirbelrost
der Ferroeisenzone zurückströmen. Dies führt zur Zerstörung der Wirbelschicht und
zum Ausfall des Ferroeisenrostes.
Man hat bereits versucht,'die
Rückströmiing von Feststoffen in die Öffnungen der Rostplatte auf mechanischem Wege
zu verhindern; z.B. hat man Glocken über den Öffnungen der Rostplatt.e angeordnet.
Diese Glocken haben sich aber als unzulänglich erwiesen, da Feststoffe unter das
Ende der Kappen gelangen, sich zusammenballen und die Glockenöffnungen bei den hohen
Temperaturen verstopfen. Man hat auch versucht, Öffnungen oder Düsen mit einem Verhältnis
von Länge zu lichter Weite von 2 : 1 zu verwenden. Diese gestatten
jedoch keine wirksame Arbeitsweise, weil ebenfalls eine Rückströmung von Feststoffen
in die Düsen stattfindet.
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Um einen hohen Wirkungsgrad der Vermischung von Gas und Feststof fen
zu erzielen und die Rückströmung von Feststoffen zu verhindern, ist es zweckmässig,
das Trägergas in die feinteiligen Feststoffe mit einigermassen hohen Geschwindigkeiten
einzuleiten. Bisher hat man aber bei Verwendung einfacher Öff-
nungen auch
bei hohen Trägergeschwindigkeiten die RückstrÖ-mung der Feststoffe, die Verstopfung
der Öffnungen und die unwirksame Vermischung von Gas und Feststoffen nicht verhindern
können. Es wurde nun gefunden, dass man mit niedrigeren Gasgeschwindigkeiten arbeiten
und dabei die Rückströmung von F6ststoffen verhindern und einen wirksameren Kontakt
zwischen Gas und Feststoffen erzielen kann, wenn das Trägergas durch DÜsen zugeführt
wird, die ein kritisches Verhältnis von Länge zu Durchmesser aufweisen.
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Nachstehend wird eine Wirbelschichtvorrichtung beschrieben, die aus
einem senkrechten, zylinderförmigen Gefäss besteht, in dem sich eine Wirbelschicht
aus feinteiligen Feststoffen befindet, die auf einer Trägerplatte mit Öffnungen
und einer Mehrzahl von Düsen ruht2 deren obere Enden in die Oberfläche der Öffnungen
in der Platte einmünden. Die Düsen besitzen eine zylinderförmige Bohrung, deren
Länge mindestens fünfmal so gross ist wie der DÜsendurchmesser. Beim Durchtritt
von Trägergas mit kritischen Geschwindigkeiten durch eine Vielzahl von in gleichmässigen
Abständen angeordneten Düsen werden die feinteiligen Feststoffe im Wirbelschichtzustand
gehalten.
Gemäss der Erfindung können beliebige feinteilige Feststoffe
behandelt werden, die sich in den Wirbelzustand überführen lassen. Besonders gute
Ergebnisse werden jedoch bei den oben beschriebenen Feinkornkonzentrationen erzielt.
Als Trägergase können zwar inerte Gase, Luft, reduzierende Gase oder beliebige Gase
verwendet werden, die chemisch oder katalytisch mit den feinteiligen.Wirbelschichtfeststoffen
reagieren sollen; Gemische aus Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Stickstoff werden
jedoch bei diesem Verfahren bevorzugt. Die Feststoffe können selbst reagieren, oder
sie können Katalysatoren sein, die in der Wirbelschicht praktisch keine Veränderung
erleiden. Die Temperatur, bei der der Rost zuf Erzeugung der Wirbelschicht verwendet
wird, ist zwar wichtig, wenn auch nicht ausschlaggebend, und kann jede für das betreffende
Wirbelschichtverfahren geeignete Temperatur sein. Der Druck, bei dem der Rost betrieben
wird, ist ebenfalls wichtig, wenn auch nicht ausschlaggebend, und kann jeder
beliebige Druck sein, bei dem der betreffende Wirbelschichtvorgang durchgeführt
wird.
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Beim Wirbelschichtverfahren ist die zur Erzielung einer Wirbelschicht
erforderliche Gasgeschwindigkeit von der Korngrösse und Dichte der feinkörnigen
Teilchen in der Wirbelschicht und von der Dichte des Trägergases abhängig. Die Gasgeschwindigkeit
wird so gesteuert, dass die feinteiligen Feststoffe in einem dichten, turbulenten
Zustande ähnlich einer siedenden Flüssigkeit gehalten werden. Beim Durchgang des
Trägergases durch die Wirbelschicht führen die feinen Feststoffteilchen starke senkrechte
und waagerechte Bewegungen aus und bilden einen scheinbaren Flüssigkeitsspiegel.
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Es wurde gefunden, dass das Verhältnis von Länge zu Durchmesser bei
den Düsen', durch die das Trägergas in die Wirbelschicht eingeführt wird, zur Verhinderung
der RÜckstrÖmung von Feststoffen kritisch ist und in enger Beziehung zu der Geschwindigkeit
des Trägergases steht. Man kann mit niedrigeren Trägergeschwindigkeiten durch die
Düsen arbeiten und trotzdem die RÜckstrÖmung von Feststoffen verhindern, wenn der
Wir-
Delrost aus einer Vielzahl von in gleichmässigen Abständen
angeordneten Düsen besteht, die ein kritisches Verhältnis der Länge der zylinderförmigen
Bohrung zur lichten Weite von mehr als etwa 5 und vorzugsweise von mehr als
lo aufweisen. Dieser Rost verhindert die Rückströmiing von feinteiligen Feststoffen
durch die Düsen in die Füllk2mmer unter dem Rost. Diese Arbeitsweise wird einfach
und wirksam durchgeführt, ohne dass es notwendig ist, mechanisch schwer instand
zu haltende Glocken Über den Öffnungen der Düsen in dem Rost anzuordnen. Wenn auch
einige feinteilige Feststoffe im Falle von Druckschankungen in der Wirbelschicht
eine kurze Strecke abwärts in die Düsen strömen, werden das Verhältnis der Länge
des geradlinigen Teiles der Düse zu ihrem Durchmesser und die Geschwindigkeit des
Trägergases doch so gewählt, dass die Länge der Düsen und der Druckabfall an den
Düsen mehr als ausreichend sind, um den Durchtritt von feinteiligen Feststoffen
durch die Düse in der kurzen Zeit der Druckschwankung zu verhindern. Sobald sich
der Druck in der Wirbelschicht stabilisiert, werden die Feststoffe rasch aus der
Düse nach oben gedrückt, und die Verstopfung der Düse sowie der Durchtritt der Feststoffe
nach unten wird vollständig verhindert.
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Fig.#2 ist eine schematische Darstellung einer Wirbelschichtvorrichtung,
in der feinteilige Feststoffe im Sinne der Erfindung im Wi#belzustand gehalten werden.
Fig. 3 ist eine #Draufsicht auf den neuen Wirbelrost, und Fig. 4 ein Längsschnitt
nach der Linie A-A der Fig. 33 der die WirbelrostdÜsen und die Einzelheiten
der Bauart des Rostes zeigt.
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Die Gasgeschwindigkeit, Gasdichte, die KorngrÖsse und die Dichte der
Feststoffe, bei denen die Wirbelschichten betrieben werden, hängen von dem jeweiligen
Wirbelschichtverfahren ab. Verschiedene Abänderungen des Rostes, die-dem Fachmann
geläufig sind, liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Das ausschlaggebende Merkmal-der
Bauart gemäss der Erfindung ist das Verhältnis der Länge des geradlinigen Teiles,
nämlich der zylinderfÖrmigen Bohrung der Düse zu der lichten Weite der Bohrung.
Bei
bestimmten Verhältnissen von Länge zu Durchmesser werden vorzugsweise
bestimmte minimale Trägergasgeschwindigkeiten angewandt, um die Rückströmung von
Feststoffen zu verhindern. Die Trägergasgeschwindigkeit kann aber in Abhängigkeit
von der Dichte des Trägergases und der Dichte und Korngrösse der feinteiligen Feststoffe
innerhalb bestimmter Grenzen geändert werden.
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Die lichte Weite der Düse kann 0,5 bis 50 mm, im allgemeinen
2,54 bis 25,4 mm und vorzugsweise zur Behandlung der meisten Feststoffe
5 bis 19 mm betragen. Die entsprechenden Längen des geradlinigen Teiles
der Düse sind 5- bis 4omal so gross, im allgemeinen lo- bis 3omal so gross
und vorzugsweise lo- bis 2omal so gross wie der Durchmesser. Diese Verhältnisse
sind kritisch, und bei Verhältnissen von Länge zu Durchmesser von weniger als etwa
5 findet eine Rückströmung von Feststoffen durch die Düse und'eine Verstopfung
der Düse statt, während bei Verhältnissen von mehr als 4o der Druckabfall im Trägergas
beim Durchströmen des geradlinigen Teiles der Düse verhältnismässig hoch ist, so
dass dann übermässige Trägergasdrucke erforderlich sind, um das Gas durch die Düse
hindurchzupressen. Die Trägergasgeschwindigkeiten'durch die Düse betragen, bezogen
auf atmosphärische Bedingungen für Temperatur und Druck für Luft, für die oben angegebenen
Längen und Durchmesser der Düsen mindestens Y ,bis 9o m/Sek. und gewöhnlich
6 bis 6o m/Sek., insbesondere etwa 7 bis 45 m/Sek. Für Düsen mit Verhältnissen
von Länge zu Durchmesser von 5 bis lo beträgt die minimale Gasgeschwindigkeit
durch die Düse etwa 3o bis 6o m/Sek. je 25,4 mm Durchmesser oder
je Bruchteil dieses Durchmessers der Düse, bezogen auf«atmosphärische Bedingungen
von Temperatur und Druck für Luft. Z.B. könen die Geschwindigkeiten bei höheren
Temperaturen, bei denen die Dichte des Gases niedriger ist, erhöht und bei niedrigeren
Temperaturen, bei denen die Dichte höher ist, herabgesetzt werden. Druckänderungen
haben eine ähnliche Wirkung. Die Gasgeschwindigkeit durch die Düse variiert mit
dem Gas, der Temperatur und dem Druck, bei denen die Wirbelschicht bei einem bestimmten
Verhältnis von Länge zu Durchmesser betrieben wird. Das Verhältnis der Fläche der
Düse zur Gesamtfläche der Rostplatte hängt von dem
jeweiligen Arbeitsvorgang,
dem Gaevolumen und der Oberflächengeßchwindigkeit des Gases ab, die in der Wirbelschicht
aufrechterhalten werden soll.
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Die jeweiligen Oberflächengeschwindigkeiten des Gases, die für bestimmte
Verhältnisse von Länge zu Durchmesser und für bestimmte Verfahren erforderlich sind,
lassen sich von dem Fachmann leicht ermitteln. Erfindungsgemäss in den Wirbelschichtzustand
übergeführte Feststoffe sind diejenigen, die sich leicht bei normalen Trägergasgeschwindigkeiten
in den Wirbelzustand überführen lassen. Im allgemeinen betragen die Korngrössen
der Feststoffe 12,7 mm bis etwa lo li, vorzugsweise etwa 5 mm bis etwa lo
11 und insbesondere etwa 2ooo bis 4o ii. Die Feststoffe werden normalerweise
einem Mä31vorgang unterworfen, um sie zu leicht in den Wirbelschichtzustand überführbaren
Teilchengrössen zu zerkleinern. Für Wirbelschichten geeignetes feinteiliges Eisenerz
hat z.B. einen Korngrössenbereich zwischen etwa 4,7 mm und 3 5 -11
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Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden feine Teilchen
eines teilweise reduzierten Eisenerzes in der Wirbelschicht durch Behandeln mit
einem reduzierenden Gas zu 85 bis 98% zu metallischem Eisen reduziert.
Diese Methode wird an Hand der Fig. 2 beschrieben. Die hier dargestellte Vorrichtung
besteht aus einem senkrechten zylinderförmigen Gefäss 2o3, welches durch eine:Trägerplatte
214 in eine obere Kammer 2o6 und eine untere Kammer 212 geteilt ist#
Die Trägerplatte 214 enthält Düsenöffnungen 216, durch die das Trägergas
aus der Kammer 212 in die Wirbelschicht 2o2 in der oberen Kammer 2o6 strömt. Die
Öffnungen 216 sind gleichmässig über die ganze Fläche der Platte 214 verteilt.
Feinteillges, teilweise reduziertes Eisenerz, welches vorwiegend aus Fe0 besteht,
aber auch etwas Fe enthält, wird der oberen Kammer 2o6 durch Leitung 2ol
zugeführt und bildet eine Wirbelschicht 2o2 mit einem Spiegel 2o4. Die durch die
Trägerplatte 214 und die Öffnungen 216 aufwärts strömenden Trägergase halten
das feinteilige Erz im Wirbelschichtzustand, und wenn die Höhe der Wirbelschicht
zunimmt,
fliesst sie durch das Fallrohr 211 über und wird aus dem
Gefäss 2o3 ausgetragen. Infolge des Wirbelzustandes der Schicht, der diese
in vielen Hinsichten einer siedenden Flüssigkeit vergleichbar macht, wird die Höhe
2o4 der Wirbelschicht durch die Höhe des oberen Endes des Fallrohres 211 bestimmt.
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Reduzierendes Gas, das Kohlenmonoxyd und bzw. oder Wasserstoff enthält,
wird durch Leitung 213 und die Wirbelrostplatte 214 zugeführt und hält das
feinteilige Eisenerz in der Schicht 2o2 im Wirbelzustand. Die zur Durchführung der
endothermen Reduktion erforderliche Wärme kann im Falle der Verwendung eines Gemisches
aus CO und H 2 auf die übliche Weise, z.B. durch Vorerhitzen des Eisenerzes
und bzw. oder des Reduktionsgases, zugeführt werden. Das Fe0 wird durch Gegenstrombehandlung
mit dem reduzierenden Gas zu 85 bis 98% zu metallischem Eisen reduziert,
welches aus dem Gefäss 2o3 durch das Fallrohr 211 ausgetragen wird. Die Temperatur
in dem Gefäss 2o3 wird je nach der Zusammensetzung des reduzierenden Gases
auf etwa 54o bis 87o 0 0 und der Druck mit Hilfe herkömmlicher Vorrichtungen
auf 0,35 bis 4,2 atÜ gehalten. Das Trägergas in der Wirbelschicht 2o2 reisst
feinkörnige Teilchen mit und führt sie in die Kammer 2o6, aus der sie durch Leitung
2o8 dem Zyklonabscheider 207 zugeführt werden, wo das Feinkorn von dem Gas
getrennt und durch Leitung 21o in die Wirbelschicht 2o2 zurückgeleitet wird. Das
von Feststoffen freie Gas wird aus dem Zyklon 2o7 durch Leitung 2o9 abgezogen. Die
Trägergasgeschwindigkeit durch die Wirbelschicht 2o2 wird auf etwa o,75 bis
l,'5 m/Sek. und die durchschnittliche Verweilzeit der Feststoffe in der Schicht
2o2 auf 8 bis 24 Stunden gehalten. Der Wirbelschichtdurchmesser kann o,6
bis 9 m und die Höhe der Wirbelschicht 2,75 bis 11 m betragen.
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Das ausschlaggebende Merkmal dieser Vorrichtung zur Wirbelschichtreduktion
von Eisenerz ist die Bauart und der Betrieb des Rostes. Die Platte 214 enthält Öffnungen
216. Die Öffnungen 216 werden von der zylinderförmigen Bohrung in
den Düsen 215
gebildet. Die Düsen 215 sind an der Platte 214 angebracht.
Die Zeichnung zeigt dies nur schematisch; in Wirklichkeit sind die
Düsen
kleiner und stehen in engeren Abständen voneinander. Der geradlinige Teil der Düse
215, also die zylindrische Bohrung, hat eine kritische Länge im Verhältnis
zur lichten Weite der Düse 215. Füur Durchmesser von 2,54 bis 7,6*mm ist
die Länge der Düsen lo- bis 3omal so gross wie der Durchmesser, und die entsprechenden
Trägergasgeschwindigkeiten durch die Düse betragen 9 bis 3o m/Sek., bezogen
auf atmosphärische Bedingungen, und dies bezieht sich auf die Trägergasgeschwindigkeit
durch die Dü-
se und nicht etwa auf die Gesamtgasgeschwindigkeit durch die
Wirbelschicht. Bei der Reduktion von Eisenerz in Form feinteiliger Feststoffe bei
hohem durchschnittlichem Reduktionsgrad zum Metall werden die Temperatur und die
Wirbelschichtbedingungen äusserst kritisch. Bei Wirbelschichtrosten mit einfachen
Öff-
nungen von etwa 12,7 mm Durchmesser oder weniger wird der Rost bei Temperaturen
von 65o bis 87o0 0 bereits durch jede nennenswerte RückstrÖmung von Feststoffen
in die Düsen verstopft. Noch
bedenklicher ist die Rückströmung der feinteiligen
Eisenfeststoffe in die Kammer 212 und die anschliessende Rückkehr der heissen Feststoffe
durch die Düsen zusammen mit dem Gas, da dies die Verstopfung des Rostes noch verstärkt
und zur Zerstörung der Wirbelschicht und zum Ausfall des Rostes fÜhrt.
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Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Wirbelschichtrostes.
Der in Fig. 2dargestellte Rosthat eine flache Gberfläche. Wenn es aber darauf ankommt,
die Ansammlung geringer Feststoffmengen auf der Oberfläche des Rostes zwischen den
Düsenöffnungen zu verhindern, ist die in Fig- 3 dargestellte Ausführungsform
besser geeignet. Obwohl die in Fig 2 dargestellte Vorrichtung im Zusammenhang mit
der Reduktion von Eisenerz erläutert-wurde, wird die in Fig. 3 und 4 abgebildete
Ausführungsform für die Reduktion von Eisenerz bevorzugt. Fig. 3
zeigt eine
Draufsicht auf einen Rost mit divergierenden Austrittsflächen für die aus den-Düsen
kommenden Gase, die das Stagnieren d er Feststoffe zwischen den Düsenöffnungen
in der Rostplatte verhindern. Fig. 4 ist ein Längsschnitt nach der Linie A-A der
Fig- 3. Die divergierenden Austrittsleitungen setzen
sich
aus den Organen 218 und 219 zusammen, die sämtlich an der Öffnung
gegen die Waagerechte um etwa 3o bis 8o 0 , vorzugsweise um 3o bis 6o
0 , insbesondere um etwa 45 0, geneigt sind, und Kammern von der Form
umgekehrter Pyramiden bilden, die die fallenden Feststoffe in die Öffnungen der
Rostplatte lenken. Hierdurch wird die Ausbildung toter Räume und das Stagnieren
der Feststoffe auf dem Rost zwischen den DÜsenÖffnungen verhindert. Aus Fig.
3 ist ersichtlich, dass die DüsenÖffnungen sich in der Rostplatte durchweg
in gleichen Abständen voneinander befinden. Der Längsschnitt der Fig. 4 zeigt, auf
welche Weise die Rostplatte in der Kammer oder dem Gefäss 2o3 getragen wird.
Die Rostplatte 214 ruht auf dem Organ 22o, an dem sie mit Bolzen 221 befestigt ist.
Das Organ 217 läuft am Umfang des Gefässes 203
entlang und ist gegen
die Waagerechte abwärts geneigt, so dass es die Feststoffe nach der Mitte des Gefässes
hin lenkt. Wegen des grossen Gewichtes der Eisenerzschicht in dem Gefäss ruht die
Wirbelrostplatte 214 ferner auf den Querträgern 223 und den Längsträgern
222.
-
Dicke und Durchmesser des Rostes 214 sind so bemessen, dass der Rost
sich für den jeweiligen Arbeitsvorgang eignet und die Wirbelschichtfeststoffe tragen
kann. Im allgemeinen ist die Rostplatte 214 etwa 12,7 bis 50 mm dick und
an dem Reaktionsgefäss 203 festgeschraubt oder angeschweisst. Die von den
Organen 218 und 219 gebildete Rippenanordnung ist, z.B. durch Verschweis.
sen, an der Oberseite der Rostplatte 214 befestigt; die Rippen fallen schräg zu
den Löchern hin ab und verhindern die Ansamm-
lung von Teilchen zwischen den
Löchern und Seiten des Gefässes.
-
Durch die Verwendung von Düsen von der richtigen Grösse mit dem kritischen
Verhältnis von Länge zu Durchmesser statt einfacher Öffnungen in der Rostplatte
und durch Einführung des Trägergases mit der richtigen Geschwindigkeit wird das
ZurÜckströmen derfeinteiligen Feststoffe in und bzw. oder durch die DÜsen und die
Verstopfung der Düsen verhindert. Die Düsen gemäss der Erfindung bestehen vorzugsweise
aus einer Metallegierung, wie rostfreiem Stäal. Vorzugsweise sind sie am Boden der
Rostplatte
angeschweisst, oder sie werden durch die Rostplatte hindurchgeführt und dann angeschweisst
oder angeschraubt. Die jeweilige'Bauart richtet sich -nach der leichtesten Methode,
die Düsen an der flachen Rostplatte zu befestigen. Der geradlinige Teil der Düse
kann auf die Übliche Weise, z.B. durch.Ausbohren. der Düsen, hergestellt
werden.
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B e i s p i e 1 3
Zur Erzeugung einer Wirbelschicht wird ein
Gefäss von etwa 3o cm Durchmesser bis zu einer Höhe von etwa 2,4 bis 3 m
mit feinteiligen Feststoffen mit einem Korngrössenbereich von 30
bis etwa
looo p gefüllt. Die Feststoffe ruhen auf einem Wirbelschichtrost gemäss Fig.
3. Die Öffnungen der auf gleichmässigen Abständen stehenden Düsen', die sich
über die Oberfläche der flachen Rostplatte erstrecken,'haben eine lichte Weite von
7,6 mm. Die Länge des geradlinigen Teiles einer jeden Düse ist 2omal so gross
wie die lichte Weite, nämlich 15,2 cm. Beim Füllen des Gefässes mit den Feststoffen
wird durch die Düsen Trägergas mit einer Geschwindigkeit von 15 m/Sek. (Luft
bei 270 0 und Atmosphärendruck) eingeleitet, welches die Feststoffe bei ihrer
Einführung in den Wirbelschichtzustand -überführt. Die Feststoffe werden in das
Gefäss allmählich eingefÜllt, während das Gas durch den Rost strömt', so dass zu
Anfang keine Rückströmung der Feststoffe durch die-Düsen und keine Verstopfung stattfinden
kann. Es erfolgt keine Rückströmung der Feststoffe in die Füllkammer und keine Verstopfung
des Rostes. Die Wirbelschicht wird ohne Schwierigkeit 8 bis lo Stunden betrieben.
-
Um die Wirksamkeit des Rostes bei höheren Temperaturen aufzuzeigen,
wird ein Rost mit DÜsen der oben beschriebenen GrÖsse unter einer Wirbelschicht
aus feinteiligem Fe0 und Fe länger als zwei Monate bei ?6o0
G und
1 atü bei einer Gas-Massengeschwindigkeit durch die Düsen, entsprechend einer
Luftgeschwindigkeit bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck von
15 m/Sek..
betrieben. Die tatsächliche Gasgeschwindigkeit beträgt 22o m/Sek.
B
e i
s p i e
1 4 Um die kritische Beziehung der Länge und des
Durchmessers der Düsen zu der Trägergasgeschwindigkeitbeim Betrieb einer Wirbel
schicht aus feinteiligen Feststoffen zu zeigen, werden mehrere Versuche durchgeführt,
bei dene--i. das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der DÜsen variiert 3.74-vd,
um zu bestimmen, bei welchem Verhältnis von Länge zu Durc,---iesser und bei welcher
Gasgeschwindigkeit eine RÜckstrÖmung der Fes-tstoffe durch die Düsen auftritt. Die
Ergebnisse sind in Tabelle -.- ---#-"sammengestellt.
| TABELLE I |
| Durchmesser der Verhältnis der Gasgzs. in.d-igk--it |
| Öffnungen, mm Düsenlänge zur beim Zu-t-Lickströmen, |
| lichten Weite d-s#,r F--sts-t;--ffe, M/Sek. |
| 6935 2o 10.36 |
| 6.35 15 10.67 |
| 6.35 lo 11.28 |
| 6.35 5 14.94 |
| 9.52 2o 7.62 |
| 9.52 15 7.92 |
| 9.52 lo 8.23 |
| 9.52 5 21.95 |
Zur Gewinnung dieser Werte werden Feststoffe mit Korngrössen von weniger als 4.'7
mm mit Hilfe von Luft als Trägergas in den Wirbelschichtzustand ÜbergefÜhrt, wobei
die Luft durch die Düsen mit den angegebenen Verhältnissen von Länge zu Durchmesser
eingeführt wird.
-
Die Gasgeschwindigkeit wird allmählich vermindert, bis die Feststoffe
vollständig durch die Düse zurückströmen. Die Versuche werden bei Raumtemperatur
und Atmosphärendruck durchgeführt.
In allen Fällen wird die Gasgeschwindigkeit
verzeichnet, bei der RückstrÖmung der Feststoffe erfolgt.
-
Die zur Verhinderung der Rückströmung der Feststoffe erforderliche
Trägergasgeschwindigkeit muss aUf die bekannte Gasdichte eingestellt werden, um
die entsprechende Massengeschwindigkeit zu erhalten, die erforderlich ist, um die
RückstrÖmung! von Feststoffen bei Verwendung eines besonderen Gases und einer besonderen
Kombination von Temperatur und Druck zu verhindern.
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Fig. 5 und 6 zeigen, dass die RÜckstrÖmung von Feststoffen
sich bei Verhältnissen von Länge zu Durchmesser von weniger als 5 bei praktisch
in Betracht kommenden Gasgeschwindigkeiten nicht verhindern lässt. Die Werte zeigen,
dass zur Verhinderung der Rückströmung das Verhältnis von Länge zu Durchmesser mindestens
5 betragen muss. Wird das Verhältnis von Länge zu Durchmesser von etwa
5 auf lo vergrössert, so lässt sich die Rückströmung der Feststoffe
auch noch bei einer erheblich niedrigeren Gasgeschwindigkeit verhindern. Es wurde
überraschenderweise gefunden, dass bei Verhältnissen von Länge zu Durchmesser von
lo und mehr die Rückströmung der Zeststoffe bei etwa der gleichen minimalen Gasgeschwindigkeit
verhindert wird.
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Die Verwendung des neuen Wirbelschichtrostes ist nicht auf die Reduktion
von Eisenerz beschränkt, sondern der Rost kann
bei beliebigen Virbelschichtverfahren
verwendet werden, bei denen die RückstrÖmung von Feststoffen in die Rostdüsen und
die Füllkammer sowie die,-Verstopfung des Rostes vermieden werden soll. Diese Vorrichtung
kann für die direkte Eisenerzreduktion, -die Wirbelscbichtröstung von Eisensulfiden,
die Wirbelschichtspaltung von Kohlenwasserstoffen, die Wirbel-schichtkalzinierung
von Koks und ähnliche Verfahren verwendet werden.