DE1433320A1

DE1433320A1 - Verfahren und Anlage zum Reduzieren von Eisenoxyd und anderen Metalloxyden

Info

Publication number: DE1433320A1
Application number: DE19641433320
Authority: DE
Inventors: Farkas George B; Keith Percival C; Stotler Harold H; William Volk
Original assignee: Hydrocarbon Research Inc
Current assignee: Hydrocarbon Research Inc
Priority date: 1963-07-22
Filing date: 1964-07-22
Publication date: 1969-05-29
Also published as: GB1048917A; US3288590A

Description

Verfahren und Anlage zum Reduzieren von Eisenoxyd und anderen Metalloxyden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Eisenoxyd und anderen Metalloxyden mit Wasserstoff oder einem anderen Reduktionsgas bei unter dem Schmelzpunkt liegenden Temperaturen und ist besonders dadurch gekennzeichnet, daß es als kontinuierliches System in verdünnter Phase betrieben wird.

Die Reduktion von -^isenoxyd durch Reduktionsgase, wie Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Gemischen hiervon wird beschränkt durch die !Temperatur, den Druck, die Teilchengrösse, die Menge des je Kilogramm reduzierten Eisens in Umlauf gesetzten Reduktionsgases und durch die Kontaktzeit zwischen dem Gas und den Feststoffen. Bei einem "bekannten wirksamen, in großtechnischem Maßstab angewendeten Verfahren, bei welchem Gase und Feststoffe miteinander in Kontakt gebracht werden, wird eine Wirbelschicht aus Feststoffteilchen verwendet, die in den USA-Patentschriften 2.900 246 und 2.995*426 beschrieben. Bei einer solchen Anlage ist die Gasgeschwindigkeit verhältnismässig niedrig und reicht nur aus, die Masse der Feststoffteilchen in einen

909822/0217

Wirbelzustand bzw. in die Form einer Wirbelschicht zu bringen. Die Kontaktzeit zwischen Gas und Feststoffen wird daher dadurch erzielt, daß ausreichend tiefe Feststoffschichten vorgesehen werden und mehr als eine Feststoffwirbelschicht innerhalb des Reaktors gebildet wird.

Bei einer Anlage der erwähnten Art wird das Gas gewöhnlich so lange in Umlauf gesetzt, bis die Feststoffwirbelschicht auf den gewünschten Grad reduziert ist, worauf die Feststoffteilchen aus dem Reaktor entfernt werden. Die Temperaturen werden durch die Art der Feststoffe beschränkt, da bei gewissen Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes die Eisenoxydteilchen die Neigung haben, aus der Wirbelschicht herauszutreten. Beim Betrieb mit Druckanwendung kann eine grössere Gasmenge mit den Feststoffteilchen in einem Reaktor von einer bestimmten Grosse, der mit einer bestimmten GasOberflächengeschwindigkeit betrieben wird, in Kontakt gebracht werden.

Die Wirbelschichtbehandlung für die Reduktion von Eisenoxyd wurde erfolgreich in halbgroßtechnischem Maßstab durchgeführt. Da jedoch die Kapazität eines solchen Reaktors durch die Temperatur, den Druck und die Gasgeschwindigkeit beschränkt ist, kann er in seiner Kapazität nur durch einen wesentlich grösseren waagrechten Querschnitt erweitert werden. Für den großtechnischen Betrieb wurden Vorschläge zur Verwendung von Reaktoren mit einem Durchmesser von.? - 7>6° ^m (1° - 25 Fuß) gemacht. Gleichzeitig besteht bei Reaktoren von solcher Grosse die Neigung zu ausserordentlich grossen senkrechten Abmessungen, bei welchen eine Einheit mit einer Mehrfach-Wirbelschicht eine Höhe von 38 m

909822/0217

(125 Fuß) haben kann.

Andere Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz durch direkte Reduktion ohne Schmelzen bestehen in der Verwendung von Drehofen oder irgendeiner Kammerform, in welcher die Veilchen durch einen fliessenden Gasstrom fallen, und auch hier ist das Volumen des Gefässes für das Volumen des zu reduzierenden Erzes so groß, daß die Kosten der Anlage prohibitiv werden, besonders wenn der Reduktionsgrad sehr hoch sein muß.

Das Problem des Einleitens von Wärme durch einen von aussen beheizten Ofen zur Unterstützung der endothermen Reaktion wurde ebenfalls versucht, einer Lösung zuzuführen, beispielsweise in der USA-Patentschrift 2.399·894· Aus dem Studium des in dieser beschriebenen Verfahrens, das kaum jemals im großtechnischen Maßstab Anwendung gefunden hat, ergibt sich, daß ebenfalls ernste und kritische Beschränkungen nicht nur hinsichtlich der baulichen Gegebenheiten der ausserordentlich umständlichen Anlage, welche für eine grössere Menge zu reduzierendes Erz erforderlich sind, bestehen, sondern auch hinsichtlich der sehr beschränkten Y/ärmeaustauschwirkungsgrade, die beim Wärmeaustausch bestehen, welcher für die für die Reduktion erforderliche endotherme Wärme notwendig ist, bei welcher di-e feinen Erzteilchen in Suspension gehalten werden.

Beiapieisweise «ind in der letztgenannten TJSA-Patentschrift für die Äufvijlrtsgaogeschwindigkeiten ein Wert von etwa Jo m/Sek. (loo Puß/Sek.)

909822/02 17

und Abwärtsgasgeschwindigkeiten von etwa lo,5 m/Sek. (35 Fuß/Sek.) angegeben. Sie Kontaktzeit zwischen dem Gas und den Feststoffen beträgt daher nur einen Bruchteil einer Sekunde je Durchgang durch Rohre von 6 m (2o Fuß) Iiänge. Fm eine angemessene Reduktion je Durchgang zu erzielen, sind daher Temperaturen von mindestens 815 bis Θ7ο C (ljjoo bis l6oo°P) erforderlich. In diesem Temperaturbereich muß der Betrieb der Anlage auf niedrige Drücke (nur geringfügig über dem atmosphärischen Druck) mit Rücksicht auf die durch die verwendeten Baumaterialien bedingten Beschränkungen beschränkt werden. Auch bei diesen niedrigen Drücken kommt die Konstruktion der Anlage ausserordentlich teuer. Ausserdem sind bei dieser Anlage hohe Gasgeschwindigkeiten erforderlich} was durch den indirekten Wärmeaustausch zur Einleitung der endothermen Reduktionswärme in das System bedingt ist. Kur bei hohen Gasgeschwindigkeit en ist es möglich» auereichend hohe Wärmeübergangskoeffizienten innerhalb der Rohre zu erzielen, damit der Wärmebedarf der geringen Bandfläche zugeführt werden kann, die für einen solchen Wärmeübergang zur Verfügung steht.

Die Anwendung eines "Feststoffe-in-Suspension-Systems", bei welchem die Wärme indirekt zugeführt wird, führt daher zu einer Beschränkung hinsichtlich des maximalen Betriebsdruckes wegen .der Baumaterialien, erfordert hohe Reduktionstemperaturen, um die Reduktion in kurzer Kontaktzeit zu erzielen, und hohe Gasgeschwindigkeiten für die Wärmeübergangsgeschwindigkeiten, welche für die indirekte Zufuhr der Reduktionswärme erforderlich sind.

909822/0217

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Gas-Feststoffe-Kontaktverfahrens, welches die Reduktion von Metalloxyden in einem Reaktor ermöglicht, der ein geringes Volumen hat, einfacher in seiner Konstruktion ist, billiger getaut werden kann, leichter betrieben werden kann und bei dem eine wesentlich verbesserte Regelung der Reaktion möglich ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Suspensionsverfahrens in verdünnter Phase zum Reduzieren von Metalloxyden, insbesondere von Eisenoxyd, mit einem Reduktionsgas, insbesondere Wasserstoff, unter Temperaturen, die wesentlich unter dem Schmelzpunkt liegen, und bei Brücken von mindestens Io Atmosphären, bei welchem die endotherme Reduktionswärme den Reduktionsteilnehmern unmittelbar als fühlbare Wärme des Gases zugeführt wird.

Im Besonderen ist die Erfindung auf ein verbessertes kontinuierliches Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz vorzugsweise mit hochreinem V/asserstoffgas gerichtet, welches Verfahren leicht innerhalb eines weiten Kapazitätsbereiches geregelt werden kann, wirtschaftlicher ist als die gegenwärtig angewendeten Verfahren und mit wesentlich geringeren Baukosten durchgeführt werden kann und ferner mit einer Tonnenausbeute betrieben werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise in Verbindung mit den beiliegenden schematisohen Zeichnungen näher beschrieben und zwar zeigen»

909822/0217

Fig. 1 eine schematische Ansicht im Aufriß, teilweise im Schnitt, eines kontinuierlichen Verfahrens in verdünnter Phase zur Reduktion von Metalloxyden}

Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche eine Beziehung zwischen Teilohenschlupf und Gasgeschwindigkeit zeigt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung im Aufriß, teilweise im Schnitt, eines kontinuierlichen Verfahrens in verdünnter Phase mit Reihenströmung statt mit Parallelströmung des Reduktionsgases j

Fig. 4 eine s.chematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer abgeänderten Form eines Verfahrens unter Verwendung von zusätzlichem Reduktionsgas.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird fein vermahlenes MetalTöxyd, insbesondere Eisenoxyd, das mindestens durch ein Sieb von ö,833 mm lichte Maschenweite (2o mesh Tyler) hindurchtritt und vorzugsweise zu loo 7° kleiner als die lichte Maschenweite von 0,147 mm (loo mesh) vermählen ist, so daß es ganz durch ein Sieb von o,147 ¹^¹¹ (loo mesh) hindurchtritt, und mit einer mittleren Teilchengrösse von vorzugsweise 0,074 η™ lichte Maschenweite (2oo mesh) von freier Feuchtigkeit und Hydratwasser getrocknet und auf eine Temperatur im Bereich von 480 bis 73° 0 (900 bis 1350 F) durch eines der vielen herkömmlichen anwendbaren Verfahren vorerhitzt. Dieses Erz wird einem Erztrichter Io zugeführt und auf den Betriebsdruck der Reduktionsanlage gebracht.

90 98 2 2/02 1 7

Duroh eine geeignete Regelung des Ventils 12 in der Beschickungsleitung 14 wird das vorerhitzte Ere kontinuierlich dem unteren Ende des rohrförmigen Reaktors 16 zugeführt, der in einer Reaktionseinheit I7 angeordnet ist, und Reduktionsgas, vorzugsweise Wasserstoff, mit einer Reinheit Ton 85 i» oder höher wird ebenfalle am unteren Ende des Reaktors 16 durch ein· Leitung 18 eingeleitet. Wie nachstehend beschrieben wird, bewirkt die relative Geschwindigkeit des Reduktionsgases mit Bezug auf die Beschickungsgeschwindigkeit der Feststoffe nicht nur eine gewünschte Beladung desGrases mit Feststoffen, sondern bringt die Feststoffe in Kontakt mit dem Reduktionsgas nach oben durch den Reaktor zu einer erweiterten Gas-Feststoffe-frennkammer 2o.

Infolge des vergrosserten Durchmessers der Kammer 2ο besteht für die teilweise reduzierten Teilchen die Neigung, daß sie in eine Ringzone 22 innerhalb der Einheit I7 Übertreten und in eine Sammelzone 24 fallen, in welcher sie einen begrenzten Stapel 25 bilden. Eine weitere !Trennung des Gases von den Feststoffen geschieht durch einen Zyklonabscheider oder Filter, wie bei 26 schematisch dargestellt, während das teilchenfreie Gas durch eine Leitung 28 abgeleitet wird. Dieses Gas enthält nicht in Reaktion getretenes Reduktionsgas und Wasserdampf, der sich durch die Reduktionsreaktion gebildet hat.

Obwohl eine wesentliche Reduktion des Metalloxyds im ersten Reaktor durchgeführt worden ist, ist ee vorzuziehen, eine weitere Reduktion in einer oder mehreren gesonderten Stufen durchzuführen, als den Reaktor 16 langer zu machen. In diesem Falle fließt das teilweise reduzier-

909822/0217

te Metalloxyd, das sich im Stapel 25 gesammelt hat, kontinuierlich durch eine zweite Beschickungsleitung Jo unter der Regelung eines Ventils J2 zu einem zweiten rohrförmigen Reaktor 54 in einer Reaktionseinheit 36, welcher Reaktor 34 in ähnlicher Weise mit Reduktionsgas über eine Leitung 38 beliefert wird· Wie "bei der ersten Reaktionsstufe bildet der obere Teil 40 der Reaktoreinheit 36 eine Feststoffabtrennzone. Die Feststoffteilchen fallen durch den Ringraum 42 innerhalb der Einheit 36 und werden in der Zone 44 gesammelt, in der sie wieder einen begrenzten Stapel 45 bilden. Die Sammelzone 44 ist mit Filtern oder Zyklonabscheidern 46 versehen, bei welchen die Feststoffteilchen in der üblichen Weise durch den herkömmlichen Tauchfuß zurückkehren. Das austretende Gas wird durch eine Leitung 48 abgeleitet und enthält wie das aus der ersten Stufe austretende Gas Wasserdampf, wenn auch in einem verhältnismässig geringeren Grade als das durch die Leitung 28 abgeleitete Gas, und nicht in Reaktion getretenes Reduktionsgas. Dieses abgeleitete Gas wird vorzugsweise einer Leitung zugeführt, dem auch das aus der ersten Reaktionszone austretende Gas zugeführt wird.

Wie bei der ersten Stufe wird das angesammelte reduzierte Metalloxyd im Stapel 45 durch eine Leitung 5° entweder als Produkt oder zur weiteren Behandlung abgezogen. Wenn eine weitere Reduktion durchgeführt werden soll, kann es über ein "Ventil 52 einem oder mehreren nachfolgenden Reaktoren zugeführt werden, beispielsweise einem Reaktor 54 in einer Reaktionseinheit 56» dem frisches Reduktionsgas durch eine Leitung 58 zugeführt wird. Die Reaktionseinheit 56 weist eine ähnliche Feststofftrennzone 60 auf, von welcher die Feststoffe durch einen Ringraum 62

9 0 9822/0217

143332G

zu einer Sammelzone 64 gelangen, in welcher ein Stapel 65 von Feststoffteilchen gebildet wird. In der Sammelzone 64 befindet sich in ähnlicher Weise eine Grasabtrennvorrichtung 66, von der das austretende Gras durch eine Leitung 68 abgeleitet wird. Das bis zu dem gewünschten Grad reduzierte Metalloxyd wird schließlich durch eine Leitung 7° abgeleitet.

Wenn gewünscht, wird das aus dem Reaktor 56 in der Leitung 68 austretende Gas, das aus dem Reaktor 36 in der Leitung 40 austretende Gas und das den Reaktor 17 über die leitung 28 verlassende Gas vorzugsweise durch eine Leitung 72 zu einem Wärmeaustauscher 74 zur teilweisen Kühlung geleitet und dann mit Wasser in einem Skrubber oder Gaswäscher 75 weitergekühlt und gewaschen, indem Wasser durch eine Leitung 76 geleitet wird, um den Wasserdampf aus dem zum erneuten Umlauf bestimmten Gasstrom herauszukondensieren. Bas überschüssige Wasser wird dann durch eine Leitung 77 abgeleitet, während das gekühlte Gas, das weniger als ein halbes Prozent Feuchtigkeit enthält, durch eine Leitung 78 zu einer Pumpe 79 geleitet wird, in welcher das Gas von neuem verdichtet wird. Das verdichtete Gas wird dann wieder teilweise im Wärmeaustauscher 74 erhitzt und dann durch eine Leitung 80 und ein Ventil 82 geleitet, von dem aus es der Zufuhrleitung 84 für frischen Wasserstoff vor einer Heizvorrichtung 86 zugeführt wird. Bei den üblichen Betriebsbedingungen ist es möglich, eine Qualität von mindestens zu 85 Volumprozent reinen Wasserstoff an der Heizvorrichtung 86^aufrecht zu erhalten, wobei der erneut in Umlauf gesetzte Wasserstoffstrom zugeführtes Frischgas im Ver-

909822/0217

-lo-

hältnis von etwa 2o ι 1 enthält. In jedem Falle gelangt das Reduktionsgas von hoher Reinheit und niedrigem Feuchtigkeitsgehalt über eine Leitung ΘΘ und Ventile So in jede Reaktionszone. Es kann eine gewisse durch ein Ventil $2 geregelte Reinigung erforderlich werden, um das Ansammeln unerwünschter Gaskomponenten, die in die Anlage mit dem Wasserstoff eintreten, zu begrenzen.

Obwohl drei Reaktionszonen gezeigt sind, können natürlich weniger als drei vorgesehen werden, wenn ein geringer Grad der Reduktion erforderlich ist oder wenn den gesonderten Reaktionszonen eine grössere senkrechte Höhe gegeben worden ist. Es ist jedoch vorzuziehen, die senkrechte Höhe der Reaktoren 16, 34 und 54 auf Werte innerhalb des Bereiches von 7»5 bis 15 m (25 bis 5° Fuß) zu begrenzen. Gewöhnlich sind mehr als drei Reduktionsstufen nicht wünschenswert ausgenommen z.B. bei der Herstellung von hochreduzierten Metallen oder im Falle von besonders feuerfesten Oxyden, bei welchen nur eine beschränkte Reduktion in jeder einzelnen Stufe möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die endotherme Reduktionswärme unmittelbar durch die fühlbare Wärme des Reduktionsgases zugeführt, wodurch ein indirekter Wärmeaustausch in der Reaktionskammer vermieden wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Reduktionsanlage mit Drücken von lo,5 atü (I5o psig) oder höher und vorzugsweise mit einem ^ruck im Bereich von 21 bis 35 atü (300 bis 500 psig) betrieben wird. Die fühlbare Wärme des Gases kann die endotherme Reaktionswärme nicht zufüh-

9098 2 2/0217

ren, wenn mit Drücken gearbeitet wird, die nahe dem atmosphärischen Druck liegen, da die Grasmenge, die mit dem Feststoff in Kontakt kommt, so klein ist, daß die Gastemperatur zu weit abfällt, um das Stattfinden einer Reduktion mit einer angemessenen Geschwindigkeit zu ermöglichen. Wenn mit einem Druck von 28 atü (4oo psig) statt von 2,1 atü (3o psig) gearbeitet wird, kommt etwa die dreizehnfache Menge Gas mit den Feststoffteilchen in Kontakt und beträgt die Verringerung der Gastemperatur für die Zufuhr der gleichen Wärmemenge nur etwa 1/13·

Beim Arbeiten mit einem hohen Druck wie beschrieben kann die Reduktionstemperatur wesentlich herabgesetzt werden und zwar von den üblichen 815°C (15oo°F) auf etwa 480 bis 65o°0 (9oo bis l2oo°F), so daß billigere Baumaterialien verwendet werden können. Zur Durchführung der Reduktion bei diesen niedrigeren Temperaturen ist eine beträchtlich längere Kontaktzeit als früher zulässig. Da jedoch hohe Gasgeschwindigkeiten nicht erforderlich sind, um einen angemessenen ■Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen (da die Wärme direkt zugeführt wird), kann die längere Kontaktzeit durch eine wesentliche Verringerung der Gasgeschwindigkeit erreicht werden.

Die Verringerung der Gasgeschwindigkeiten auf etwa l,5o bis 7*5° m/Sek. (5-25 Fuß/Sek.) hat ferner den Vorteil, daß eine längere Kontaktzeit als gerade um den Betrag, um den das Gas verlangsamt wird, erhalten wird. Bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten steigen die Feststoffteilchen durch das Rohr mit einer viel niedrigeren Geschwindigkeit ale das Gas nach oben. Dieses Phänomen kann als "Teilchenschlupf"

909822/0217

"bezeichnet werden und das Teilchenschlupfverhältnis läßt sich definieren ale das Verhältnis der Gasgeschwindigkeit zur Feststoffteilchengeschwindigkeit durch das Reaktionsrohr nach oben.

In Fig. 2 ist eine graphische Darstellung gegeben, welche ein Teilchenschlupf verhältnis zur Gasgeschwindigkeit für eine besondere Feststoffbeladung in Beziehung setzt. Beispielsweise gibt es für jede besondere Teilchengrösse eine Gasgeschwindigkeit, welche die !Teilchen mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit trägt, d.h. mit einem "Schlupfverhältnis" von etwa 1.So bewegen sich bei einer Teilchengrösse von o,o74 mm lichte Masohenweite (2oo mesh) und einer Gasgeschwindigkeit von 3o m/Sek. (loo Fuß/Sek.) die Feststoffteilchen im Rohr mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie das Gas nach oben, siehe A. in Fig. 2. Ferner ist ersichtlich, daß bei einer niedrigeren Geschwindigkeit sich die Teilchen als Schicht sammeln, siehe Punkt B in Fig. 2. Ss wurde festgestellt, daß, wenn di« Gasgeschwindigkeit so niedrig ist, daß sich eine Schicht bzw. ein Bett bilden kann, es unmöglich ist, alle Feststoffteilchen durch Erhöhung der lufwärtsgasgeschwindigkeit herauszubekommen. In diesem Falle müssen die Teilchen vom Boden der Reaktionszone entfernt werden. Bei Geschwindigkeiten von l,5o bis 7,5o m/Sek. (5 - 25 Fuß/Sek.) würden sich Teilchen von der gleichen Grosse die Rohre nach oben mit einer Geschwindigkeit bewegen, die einen Bruchteil der Geschwindigkeit des Gases beträgt. Saher kann durch eine Regelung der Gasgeschwindigkeit auf einen Wert innerhalb des Bereiches von l,5o bis 7,5o m/Sek. (5 25 Fuß/Sek.) bei einer Teilchengrösse von 0,074 mm lichte Maschen-

90 9 822/0217

weite (2oo mesh) im Bereich zwischen den Funkten JL und B die Kontaktzeit zwischen dem Gas und den Feststoffen so geregelt werden, daß sie ausreichend lang ist, um angemessene Reduktionsmengen in einem Rohr von angemessener Länge zu erzielen, das in einem Temperaturbereich zwischen 480 und 650⁰C (900 Ms 12oo°F) "betrieben wird.

Ein weiterer regelbarer Faktor im Reduktionsverfahren ist die endotherme Wärme und in dieser Beziehung wurde festgestellt, daß es beim Arbeiten mit einer Beschickungsbeladung von 0,027 kg bis o,454 kg (0,05 bis l,o lbs) Feststoffe je o,o28 nr (je Kubikfuß) Gas möglich ist, die notwendige Wärme als fühlbare Wärme in das Gas einzubringen, wenn mit Drücken von lo,5 atü (I50 psig) oder höher gearbeitet wird. Vorzugsweise wird das Verfahren im Bereich von 21 - 35 atü (300 bis 5°o psig) durchgeführt.

Bei einem bevorzugten Beispiel für die Durchführung des Verfahrens ist das Reduktionsgas Wasserstoff von einer Reinheit von mindestens 85 # und enthält nicht mehr als 15 # inerte Stoffe, von denen weniger als 3 $ und vorzugsweise, weniger als 0,5 fi aus Wasserdampf bestehen. Die Betriebstemperaturen in den jeweiligen Reaktoren liegen im Bereich von 480 bis 65o°C (9oo bis 12oo°F), obwohl einige besonders hitzebeständige Erze Reduktionstemperaturen bis 732 C (135° ^) erfordern. Die höhere Temperatur wird gewöhnlich in der Reduktionsendstufe vorgesehen, wenn eine Reduktion von 95 Ί» oder mehr erforderlich ist. Die Drücke liegen, wie erwähnt, gewöhnlich im Bereich von 21 - 35 atü (300 bis 500 psig), beispielsweise bei einem Wasserstoffein- "

909822/0217

trittsdruck von 28 atü (400 psig) und einem Austrittsdruck von 27 atü (385 psig). Normalerweise sind keine Druckverstärker erforderlich und ist es lediglich notwendig, einen Schenkel von Feststoffen in den Leitungen 14» 3o und 5o "bei der Anordnung nach Fig. 1 vorzusehen, um den üblichen Druckunterschied i_n den jeweiligen Reaktoren zu überwinden, so daß ein kontinuierlicher Fluß von Reduktionsgas und Feststoffen durch die verschiedenen ReaktionsZonen erhalten wird.

Sin anderes Reduktionsgas, das vorwiegend aus Wasserstoff besteht, jedoch Methan als hauptsächliche Verunreinigung enthält, kann infolge des höheren Wärmeinhalts von Methan ebenfalls verwendet werden. Ein solches Gas kann aus Koksofengas dadurch hergestellt werden, daß die ungesättigten Kohlenwasserstoffe unter Verwendung eines '-Teils des im ßas enthaltenen Wasserstoffs gesättigt werden. Das Gas wird dann mit einem geeigneten Lösungsmittel gewaschen, um Schwefelwasserstoff, Teere und aromatische Kohlenwasserstoffe, die gegebenenfalls vorhanden sind, zu entfernen, worauf das Kohlenmonoxyd der Wassergasreaktion unterzogen und das Gas dann mit einem geeigneten Lösungsmittel gewaschen wird, um das Kohlendioxyd zu entfernen. Ein in solcher V/eise behandeltes Koksofengas hat dann eine Reinheit von etwa 7° f° Wasserstoff und etwa 25 fo Methan und wird als Ergänzungswasserstoff strom für die Reduktionsanlage verwendet. Mindestens 45 $ Wasserstoff werden dann in dem erneut umlaufenden Gasstrom in der Reduktionsanlage in Umlauf gesetzt.

Fig. 3 zeigt ein anderes Arbeitsverfahren, bei welchem das Reduktions-

909 822/0 2 17

gas aufeinanderfolgend durch jede der verschiedenen Reaktionszonen ge leitet wird. Diejenigen Teile der Anlage, die den in Fig. 1 gezeigten ähnlich BiZId₁ aind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Das in die Eeduktioneendstufe 56 durch die Leitung 58 eintretende Reduktionsgas wird nach dem Erhitzen des Erzes, wo "bei es als !Transportmittel und als Reduktionsmittel dient, durch die Leitung 68 wie hei der ersten Ausführungsform abgeleitet, nimmt jedoch dann seinen Y/eg durch das Ventil $o und die Leitung 38 als Beschickungsgas für die zweite oder Reduktionszwischenstufe 34· Das ^aus ^^er Zwischenzone austretende Gas, das nun einen etwas höheren Feuchtigkeitsgrad hat, wird seinerseits durch eine Leitung loo, ein drittes Ventil und die Leitung 18 geleitet und dient als Beschickungsgas für die erste Reduktionsstufe 16. Dieses Gas tritt schließlich durch eine Leitung Io2 aus und kann durch eine Behandlungszone I04 geleitet- werden. In der Behandlungszone I04 kann der Wasserstoff wie bei der Anordnung nach Fig. 1 gekühlt, entwässert und dann zur Wiederverwendung über die Leitung 80 unter der Regelung des Ventils 82 vorbereitet werden, worauf es sich mit dem Frischgas vermischt, das durch die Zufuhrleitung 84 zugeführt wird, mit Ausnahme eines kleinen Reinigungsstroms, der aus der Anlage durch das Ventil 92 abgeleitet werden kann.

Ein bevorzugtes Beispiel der Arbeitsweise des Verfahrens ist in Fig. 3 gezeigt, bei welchem das Reduktionsgas ebenfalls ein Gas ist, das mindestens 85 9» molekularen Wasserstoff und weniger als o,5 i° Wasserdampf enthält. Das Gas tritt in den Reaktor 54 mit 593°C (lloo°F) ein und ver-

909822/0217

läßt diesen mit einer Temperatur von 565 - 595°C (lo5o° bis lloo°F). Hierauf tritt das Gas in den Reaktor 34 mit 565⁰C (lo5o F) ein und verläßt diesen mit einer Temperatur zwischen 538° und 565°,C (looo⁰ und 1o5o°F). Die Temperatur im Reaktor l6 ist um etwa 28°0 (5o°F) niedriger. Im Reaktor 16 wird das Erz zu etwa 60 fo reduziert. Im Reaktor 34 wird das zu 60 $ reduzierte Oxyd zu etwa 9° ί° reduziert und im Reaktor 54 zu etwa 95 $·

Für eine Anlage mit einer Tagesleistung von 454 Tonnen (500 US-tons) können die Reaktoren 16, 34 und 54 einen Innendurchmesser von I,o7 m (3 Fuß, 6 Zoll) und eine Länge von etwa 2,$ m (So Fuß) haben. Wasserstoff wird jedem Reaktor mit einer Geschwindigkeit von 1,980 nr (70 Kubikfuß) su Hormalbedingungen je o»454 kg (je Ib) Eisen mit einem Druok von etwa 28 atü (400 psig) «!geführt.

Obwohl der Grössenbereiöh der feststoffteilchen mit Bezug auf die Gasgeschwindigkeit kritisch ist, kann die tatsächliche Grosse der reduzierten lietalloxyde innerhalb veiter Grenzen bezogen auf die ursprüngliche Bestimmung der Einheit schwanken. Bei einem Suspensionssystem ist es möglich, mit einem feineren gemahlenen Erz dadurch zu arbeiten, daß die Gasgeschwindigkeit weiter herabgesetzt wird, sodaß das Schlupfverhältnis für diese Teilchengrösee innerhalb des in Fig. 2 gezeigten Bereiches von A nach B fällt.

Bei Teilohen von einer mittleren Grosse von 0,074 mm lichte Siebmasohenweite (2oo mesh) beträgt die tatsächliche Geschwindigkeit des

909822/0217

Gases für das gewünschte Schlupfverhältnis bei einer Eisenoxydbeladung von o,o27 bis o»27o kg (0,05 bis 0,50 lbs) je o,o28 nr (je Kubikfuß) Gas etwa l,5o bis 7,5o m/Sek. (5 - 25 Fuß je Sek.).

Eine weitere Abänderungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist in Pig. 4 dargestellt, bei welcher es sich unter bestimmten Bedingungen als besonders wünschenswert erweist, zusätzliches Reduktionsgas zum Erzielen etwas vollständigerer Reaktionen einzuleiten. Bei dieserKonstruktion werden je nach den Erfordernissen ™ eine oder mehrere Reaktionseinheiten 12o, 122 und 124 verwendet. Jede dieser Reaktionseinheiten besitzt einen mittigen rohrförmigen Reaktor 126, von denen der erste in ähnlicher Weise vorerhitztes und getrocknetes Erz unter Druck von einem Trichter 128 über eine Leitung 13o und ein Ventil 132 aufnimmt. In ähnlicher Weise wird ein Reaktionsgas am unteren Ende des Reaktors 126 durch eine Gasleitung 134 unter der Regelung eines Ventils I36 eingeleitet, so daß die gewünschte Erzbelastung und Geschwindigkeit für ein bestimmtes Schlupfverhältnis erhalten wird. ύ

Ebenso wie im ersten Falle tritt das im Gas in Suspension befindliche Erz am offenen oberen Ende des Reaktors in die Gas-Feststoff- !Brennkammer 140 aus. Das Erz hat das Bestreben, sich in dem Ringraum 142 zwischen dem Mantel der Reaktioneeinheit und dem Reaktorrohr abzusetzen und fällt in eine Sammelkammer 144» in welcher ein Stapel 145 gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird jedoch zusätzliches Reduktionsgas durch eine Leitung 148 eingeleitet,

909822/0217

während das austretende Gas durch eine Gas-Feststoffe-Trennvorrichtung 150 abgeleitet wird, die in der Gas-Feststoffe-Trennkammer I40 angeordnet ist.

Bei dieser Anordnung wird eine sekundäre Reduktion in den Ringzonen I42 duroh den Kontakt des zusätzlichen Reduktionsgases erzielt, das nach oben und im Gegenstrom zu dem fallenden Erz strömt, wodurch die Absetzgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt wird. Da das Erz, das durch die ringförmige Sekundärreaktionszone fällt, bereits teilweise .reduziert ist, ist es sehr zweckmässig, frischen Wasserstoff von höchster Reinheit für den Kontakt mit dem Erz zu verwenden. Dies wird dadurch erreicht, daß über die Leitung I48 ein Schlupfstrom vom Hauptstrom des erhitzten Reduktionsgases in der Leitung I60 verwendet wird.

Ebenso wie bei den in Verbindung mit Fig. 1 und 3 beschriebenen Verfahren kann eine weitere Reduktion in den Reaktoreinheiten 122 und I24 erzielt werden, die in ähnlicher Weise mit Eisenerz und Reduktionsgas durch die Reaktoren 126 beschickt werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, tritt das Reduktionsgas aufeinanderfolgend durch die verschiedenen Stufen hindurch, wobei das aus der letzten Stufe austretende Gas über eine Leitung I52 als Reduktionsgas für die Hauptreaktion im Reaktor 126 der ReaktionsZwischeneinheit 122 geleitet wird. In ähnlioher Weise wird das aus der Zwischenstufe 122 austretende Gas über eine Leitung 154 zur Verwendung als Erhitzungs-, Suspensions- und Reduktionsgas für die erste Stufe 12o geleitet. Das aus der ersten Stufe austretende Gas wird über eine Leitung 156 geleitet und in der

9098 22/0 217

vorangehend beschriebenen Weise behandelt und wird ferner zum frischen Reduktionsgas in der Leitung 84.zurückgeführt} wo von Zeit zu Zeit eine Reinigung durch das Ventil 92 vorgenommen wird. Das Reduktionsgas in der Leitung l6o hat vorzugsweise weitgehend die gleichen Eigenschaften wie das durch die Leitung 58 bei dem in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Verfahren beschickte Reduktionsgas.

In manchen Fällen kann es zweckmässig sein, eine Feststoff/öas-Beladung bis 6,8o kg (15 lbs) Peststoffe je o_fo28 nr (je Kubikfuß) Gas im Reaktor zu verwenden. In solchen Fällen ist es möglich, die Warme, die als fühlbare Gaswärme dem Reaktor zugeführt wird, durch exotherme Reaktionswärme zu ergänzen, die auftreten kann, wenn Kohlenmonoxyd im Reduktionsgasstrom vorhanden ist. Zwei dieser Reaktionen sindι

00 + 3H₂ : ^ CH₄ + H₂O

200 + xFe ^ ^Fex^{D+ C0}2·

Patentansprüche t

909822/0217

Claims

Pat entansprüohe t

1. Verfahren zum Reduzieren eines Metalloxyds, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxyd in feinverteilter Form und in Suspension in einem Reduktionsgas nach o"ben durch eine Reduktionszone gefördert wird, das Reduktionsgas in die Reduktionszone mit einer Temperatur im Bereich von 480 "bis 73o°C (900 bis -135o F) und unter einem Druck von mindestens lo,5 atü (150 psig) eingeleitet wird, die lineare Geschwindigkeit des Grases durch die Reduktionszone auf einem solohen Wert gehalten wird, daß im wesentlichen das ganze Metalloxyd durch das Gas nach oben mitgenommen wird, wobei die Beladung des Gases mit Metalloxyd im Bereich von o,o27-bis 6,80 kg (0,05 bis 15 lbs) Oxyd je o,o28 m? (je Kubikfuß) Gas unter den Bedingungen in dem aufwärtsstromenden Gasstrom liegt.

2» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas durch Wasserstoff, Kohlenmonoxyd oder Methan oder durch ein Gemisch von zwei oder drei dieser Gase gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas vorwiegend aus Wasserstoff besteht.

4. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeich-

909822/0217

/ net, daß die fühlbare Wärme im Reduktionsgas im wesentlichen die ganze endotherme Reaktionswärme liefert·

5* Verfahren nach den Ansprüchen 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionszone mit kohlenstoffhaltigem Material beschickt wird, um zusätzliche Wärme durch eine exotherme Reaktion des kohlenstoffhaltigen Materials mit Wasserstoff und/oder mit dem Metall des Oxyds zu liefern.

6. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd ein Eisenoxyd ist.

7· Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas aus Koksofengas hergestellt wird und der Hauptbestandteil des Gases ausser dem Wasserstoff Methan ist.

8. Verfahren/lach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas nicht mehr als 0,5 $ Wasserdampf enthält.

9* Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengrösse des Metalloxyds derart ist, daß es durch ein Sieb mit 0,833 mm lichte Maschenweite (2o mesh, Tyler) hindurchtritt.

lo. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeich- ■

909822/0217

net, daß die Teilchengrösse des Metalloxyds derart ist, daß es durch ein Sieb mit ο,147 π™ lichte Maschenweite (loo mesh) hindurchtritt.

11· Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere leilchengrösse des Metalloxyds o,o74 nun lichte Maschenweite (2oo mesh) oder weniger beträgt.

12. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß dasReduktionsgas zumindest zu 85 $ Wasserstoff ist.

13. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionszone dreistufig ist und frisches Reduktions· gas jeder Stufe zugeführt wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionszone durch mehrere Stufen gebildet wird und das Reduktionsgas aufeinanderfolgend durch die Stufen geleitet wird.

15« Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas in die Reduktionszone mit einem Druck zwischen lo,5 und 55 atü (I50 und 500 psig) eingeleitet wird.

l6. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Geschwindigkeit des Gases im Bereich von

909822/0217

l,5o bis 7t 5ο m/Sek. (5 - 25 Fuß je Bek.) "beträgt.

17· Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxyd annähernd auf die Temperatur der Reduktionszone vorerhitzt wird.

18. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladung des Grases mit Metalloxyd geringer als 0,454 kg (1 IT)) feststoffe je o,o28 m⁵ (je Kubikfuß) Gas ist.

19. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Gases und die Grosse der Teilchen sich so zueinander verhalten, daß ein Teilchenschlupf stattfinden kann, so daß in der Reduktionszone eine gewünschte Verweilzeit der Peststoffe im Gas ohne Schichfbildung erhalten wird.

20. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Reduktionszone sich so verändert, daß die Gasgeschwindigkeit herabgesetzt wird, damit die suspendierten Metalloxydteilchen aus dem Gas herausfallen, die herausgefallenen Teilchen durch eine sekundäre Freifall-Reaktionszone geleitet werden und frisches Reduktionsgas durch die frei fallenden Teilchen geleitet wird, um eine ergänzende Reduktion derselben herbeizuführen.

909822/0217

Sl. Verfahren nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Reduktionsgasstrom, der das Feststoffmaterial in Suspension trägt, senkrecht über den größten Teil der verschiedenen Seduktionsstufen bewegt und sich die Feststoffe nach jeder Stufe abwärtsbewegen, wobei die Gasgeschwindigkeit im Aufwärtsströmungsteil in 3^e&er Stufe wesentlich grosser als im Abwärtsströmungsteil !zwischen den Stufen ist.

22. Verfahren naoh den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der primären Reduktionszone im Bereich von 48o° "bis 65o° C (9oo° bis 12oo°F) liegt.

23· Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtdruok im Bereich von I4 bis 35 (2oo bis 500 psig) liegt.

909822/0217