DE1508078A1 - Verfahren fuer die Eisengewinnung mit Hilfe von Kernenergie - Google Patents

Description

Patentanmeldung Verfahren für die Eisengewinnung mit Hilf· von Kernenergie

Bei der Oewimnung von Eisen aua seinen Brsen durch Reduktion der Biseaojrfde mit festem Kohlenetoff werden große Mengen an fühlbarer firme benötigt· Sie vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem diese fühlbare firme aua Kernenergie aufgebracht wird.

Sie fühlbare firme aus dsm Kernreaktor wird hierbei wie üblich aus diesmm mittel· eines Reaktorkühletoffee abgeführt. Sie wird sodann in einem flrmeauetauaoher an ein fluides Heizmittel übertragen, da· die firme su dem Reaktionaraum transportiert, in dem der Reduktioneproseß iwisehen dem Sieeaers und dem feeten Reduktionsmittel stattfindet» and da· .seine Wärme an diesee Reaktionagut abgibt.

Sie besondere Schwierigkeit bei einem derartigen Reduktionsverfahren für Sisenerse besteht darin, daß daa Temperaturniveau, bei dea die fühlbare Reaktorkühlwirae zur Verfügung eteht, in besug auf des Eisengewinnungeproseß relativ niedrig liegt. Beim vorliegenden Verfahren wird davon auegegangen, daß die Reaktorkühlwärme für die Siaenersreduktion zwischen etwa 50O⁰C und etwa 1000 C ausgenutzt werden kann. In diesem Bereioh eind die festen Reduktionsmittel, daa sind alle Kohlensorten, Verkokungsprodukte von Kohlen und aua Erdöl und Gasen abgeschiedener Kohlenstoff, verhältnismäßig reaktionsträge· Dies führt dazu, dab £isenervge»innuiagspro2esse, die mit festem Kohlenstoff als Reduktiohemittel arbeiten, normalerweise bei Temperaturen durchgeführt werden, die oberhalb 1000⁰C liegen.

Ba wurde nun gefunden, dsJ man trots der genannten Schwierigkeiten den Reduktieneproseß mit leaktorkuhlwirme durchführen kann, wenn man ein 2-stufig·· Reduktioneverfahren durchführt. Sie besondere Eigenart dieees 2-etufigen Reduktioneverfahrens beeteht darin, daß

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man die Eiaenersreduktion «it festem Kohlenstoff unter Verwendung ▼on Reakttfrkühlwärme im oben genannten Temperaturbereich nur bis zu Reduktionsgraden des Eisenerzes von etwa 40 - 75;» durchführt. Sie Endreluktio.'i des Erzes, also bis zu einem Reduktionsgrad, wie er für den Einsatz bei der Weiterverwendung erwünscht ist, is allgemeinen bis 85$» und bis zu 95$· erfolgt anschließend an die Reduktion mit festem Kohlenstoff in der gleichen Hitze mittels reduzierender Oase, wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff.

Mit dieser Verfahrensweise ist es möglich, den Sauerstoffabbau des Irzea mittels dee festen Kohlenstoffes bei den genannten tiefen Temperaturen genügend sohnell au erreiohen, um ein technisch und wirtschaftlich brauchbares Verfahren su erhalten. Die Endreduktion mittels reduzierender Gase verläuft dagegen auch im Temperaturbereich bis 900⁰C genügend schnell, um eine brauchbare Beaktionsraumauenutsung su erzielen. Der in der ersten Reduktionsstufe erreichte Reduktionsgrad hängt hierbei in der Hauptsache von der Reaktionsfähigkeit des eingesetzten Brennstoffes ab» Z.B. wird man sweckmäfiig bei Anwendung von Anthrazit oder von Hochtemperaturkoks eel der unteren Grenze des genannten Reduktionsgrades liegen, während man mit Holzkohle oder mit bei der Kohlenmonoxidspaltung gewonnenem Kohlenstoff die obere Grenze der genannten Reduktionsgrade erreichen kann.

Das Reduktionsgas für die zweite Reduktionsstufe kann aus verschiedenen Quellen stammen. Is kann aus festen Brennstoffen gewonnen werden, aus Erdöl, Erdgas und anderen natürlichen Brennstoffen. Des weiteren können ibfallgase anderer Prozesse herangesogen werden, wie Irdölraffinerieabgase und Abgase metallurgischer öfen. SrfindungsgemäS soll insbesondere auch das kohlenmonoxidhaltig;· Abgas au· elektrischen Sinschmelsöfen für das namh diesem Verfahren teilregulierte Ilsen herangesogen werden.

Bine weitere wichtige Möglichkeit für die Durchführung der Endreduktion des in der ersten Reduktionsstufe teilreduzierten Eisenerzes besteht darin, dafl für diesen Zweck llektrolvsewasserstoff herangezogen wird. Dieser Verfahrensweg bietet der wirtschaftlichen

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Nutzung τοπ Atomkraftwerken Torttilhaft· Möglichkeiten. De die Stromabnahme τοη solchen Atomkraftwerken den tageszeitlichen Schwan-* kungen unterliegt, kann der Slektrolysewaeaerstoff vorteilhaft zu Zeiten mangelnder Stromabgabe in das Netz erzeugt und zur gleichmäßigen Abnahme für Reduktionezwecke gespeichert werden.

Besondere vorteilhaft let die erfindungsgemäße Verfahrensweise, bei der das Reduktionsgas für die sweite Reduktionastufe aus dem Abgas der ersten Stuf· gewonnen wird. Bekanntlich wird in der ersten Reduktionestufβ aufgrund der Gleichgewlahtsbedlngungen als Abgas ein Gemisoh aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid und des weiteren Wasserstoff und Wasserdampf erzeugt. Wird aus diesem Abgas die Kohlensäure und der Wasserdampf eliminiert, so entsteht ein hervorrafendes Reduktionsgas für die zweite Reduktlonsstufe. Diese Entfernung ron Kohlensäure und Wasserdampf kann auf verschiedene bekannte Weise entstehen· Bei den in der Hauptsache in Betracht kommenden Verfahren wird da· Oasgemisch heruntergekühlt und mit einer Waschflüssigkeit behandelt, die die zu entfernenden Gase aufnimmt. Sie Kühlung de· Gas·· erfolgt hierbei zweckmäßig in einem Wärmeaustauscher, wobei gleichseitig im Cegenetrom das von Kohlensäure und Wasserdampf gereimigt· Reduktionsgas wieder auf die Reduktionstemperatur aufgeheist wird· Die Gaswäsche kann beispielsweise auch mit Druckwasssr bei eines Gasdruck zwischen etwa 5 und 25 Atmosphären erfolgen. Sin solch·· Verfahren hat normalerweise den Nachteil, daß für die Erzeugung des Gasdruckes ein hoher Energiebetrag aufgebracht werden muS.

Hier s«tst «in wiohtiger weiterer Teil der vorliegenden Erfindung ein· Xr besteht darin, daS die Reduktionsstufe 1 bereits bei demjenigen Druck durchgeführt wird, der für die Druckwasserwäsche erforderlioh ist· Z.B. kann erfindungsgemäß die Reaktion zwischen dem Eisenerz und dem featen Kohlenstoff bei einem Druck von 10 Atmosphären erfolgen. Diese Verfahrensweise hat den großen Vorteil, daß das Reduktionsgas in dem Reduktionsraum mit dem einstellbaren Druck entsteht, ohne daß eine mechanische Gasverdichtung erforderlich ist. Bs ist lediglich erforderlich, daß die festen Keduktionsteilnehmer, Eisenerz und Kohle, gegen den Druck von beispielsweise

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10 Atmosphären in den Reduktionsraua hineinbefordert werden. Das ait einem Druck von beispielsweise 10 Atmosphären durch ein einstellbares Drosselventil aus dam Reduktionsraum abströmende Gas wird nach Kühlung auf etwa 20°C der Druckwasserwäsche zugeführt und hier von seinem Sehalt an Kohlensäure und Wasserdampf befreit, soweit dar Wasserdampf nicht bereits bei dar vorangehenden Kühlung niedergeschlagen worden iat.

Sine-Weiterauegestaltung dar vorliegenden Erfindung besteht darin, daf die Weiterverwendung das in dar Druckwasserwäsohe gewonnenen Reduktionsgaaea bei etwa das gleichen Druck erfolgt, wie er in der eraten Reduktionsstufe eingestallt worden ist. Dias hat zunächst den Vorteil, dai die Wärmeübertragungeverhältnisee bei der Aufhei-SUAg dee Reduktionsgases auf die Eeduktionstemperatür verbessert werden und dafi als ToIge daa Druckes aina beschleunigte Reduktion la Itr iweiten Äeduktionsstufe erfolgt.

Zm baaondara günatigan Irgebniaeen führt as, wann «an geaäß der Erfindung das Abgas aua dar sweiten Reduktionsetufe nach entsprechender Gegen*tromkühlung ebenfalls in die Druokwasserwäsche einleitet. Auf diese Weise wird es erreicht, daß praktisch nur Kohlendioxid und Wasserdampf als Abgase aus dem Prozeß auftreten. Dies bedeutet, daß die eingesetzten Reduktionsmittel zu 100$ ausgenutzt werden. Das Verfahren nach der Erfindung hat demnach einen extrem niedrigen Verbrauch an Reduktionsmitteln.

Die Verwendung des in der Druckwasserwäsche gewonnenen Reduktionsgases aus dem Abfallgae der ersten Reduktionsstufe läßt verscniedene Varianten zu. Dieses hauptsächlich aus Kohlenmonoxid bestehende Gas kann beispielsweise auch für den Prozeß dadurch nutzbar gemacht werden, daß nan es bei einer Temperatur von etwa 330 bis 6JO⁰C auf das in der erstexfleduktionsstufe teilreduzierte Eisenars einwirken läßt. Hierbei wird in bekannter Weise durch die Spaltung des Kohlenmonoxides Kohlenstoff abgeschieden. Bei der nachfolgenden Erhitzung des Gemisches aus teilreduziertem Erz und Spaltungskohlenstoff auf etwa 900⁰C unter erfindungegemäßer Verwendung von Reaktorkühlwärme erfolgt die gewünschte Endreduktion des Eisen-

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•π··, Sine derart igt Anwendung von hochaktivem Spaltungekohlenetoff ist an sich bekannt, wit dl·· unter anderem in den deutschen Patent 10 Θ6 256 beschrieben ist.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sioh dee «eiteren auf Maßnahmen, die daau dienen, den ReduktioneproseS, la besonderen in der •reteii Reduktionaatufe, xu verbesaern. Besondere wichtig sind Maßnahmen für die Beschleunigung dee Umsatzes in der ersten Reduktionestafe. line wichtige Malnähme hierzu besteht in der Anwendung des festen Reduktionsmittels im Uberechufl. Ks wird erfindungsgemäß ^v vornebjilich mit etwa 30 bie 100)1 Überschuß an Reduktionsmittel gearbeitet, belogen auf die umgesetzte Kohlenetoffmenge. Der Kohlenstoffubereohuß wird in bekannter Weise aus de· Beduktionegut nach ^ Terlassen des Äeduktioaeaggregetee wieder abgetrennt und im Kreis- ^ lauf des ku redusierenden In al· Reduktionsmittel wieder iugefUhrt. Si· Abtrennung kann la an sioh bekannter Weiee durch eine Magneteeheidung erfolgen, eie kann awischen der ersten und der ■weiten leduktionsstufe erfolgen, wobei im Falle der Verwendung •iner Magneteöheidung «in« Kühlung des Zwiaohenproduktes unter den Cvriapunkt erforderlich iet. Anderenfalls erfolgt die Abtrennung d«r übereohuikohle aua des Endprodukt der Reduktion nach der zweiten Reduktienaetufe und naoh erfolgter Abkühlung auf Normal temperatur· Ie iat notwendig, dafl aua der überachuBkohle vor ihrer Rückführung in das su reduslerende Ers die Aache abgetrennt wird. Dies kann ao erfolgen, daß ständig ein Teil der überschußkohlβ abgesweigt und anderweitig verwandt wird, zum Beispiel unter einem Kea- J sei verbrannt wird· In diesem ?all steigt der Aechegehalt im Ein-•atsgat gegenüber der Aeohe der ureprünglich dem Prozeß zugeführt«a Eokle am, umd swar in einem Verhältnis, das durch das Mengenverhältnis der abgeführten Kohl· su dar Eineatskohle beetimmt iat. 91· Aaoh· kaan «rfindungagemäB aber auch aua dem Kreielauf durch •In· Aufbereitung der surüokgeführten Oeersohußkohle entfernt wer-4·η, ι· B. naoh «inem elektrostatischen Aufbereitungeverfahren, bei dem die Aeohe weitgehend von der Kohle abgetrennt werden kann.

line wiohtige erfindungagemäBe Maßnahme zur Beschleunigung der Umeätse in der Reduktioneetufe 1 besteht in der Verwendung besondere

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reaktionsfähiger Reduktionsmittel. Bevorzugt sind bei tiefen Temperaturen' hergestellter Koke, sogenannter Schwelkoks, des weiteren aktivierter Koke, dessen Aktivierung s. B. durch die Behandlung ▼on Koks mit Wasserdampf bei höheren Temperaturen in bekannter Weise durchgeführt wurde, des weiteren Kohlenstoffarten, die naturgegeben besonders reaktionsfreudig sind, wie Holzkohle und Kohlenstoff, der aus Kohlenmontxidspaltung gewonnen worden ist.

Bei* direkten Einsatz bituminöser Kohlen als Reduktionsmittel in die Reduktionsstufe 1 wird die Erhitzung erfindungsgeaäB so vorgenommen, daß die Entgasung der Kohle bzw. ihre Verkokung unter Gewinnung eines möglichst reajttionsfreudigen Kokses erfolgt. Es werden hierau an sioh bekannte Maßnahmen herangezogen, wie die Einhaltung eines besonders günstigen Teaperaturzeitprogramas bei der Entgasung, Behandlung mit Wasserdampf während der Erhitzung, die unterdrückung de· Zusammenbeokens der Xohlen durch Einlagerung von sauerstoffabgebenden Substanzen, wie z.B. Eisenerze.

line weitere wichtige Maßnahme sur Beschleunigung der Reduktion in der ersten Reduktioasstufe besteht in der Anwendung von Hilfestoffen, die den Reduktionsfut beigegeben werden. Solche an eich bekannten Bilfeetoffe sind beispielsweise Kaliumkarbonat, Natriumkarbonat, Kalziumkarbenat und dergl. Ein vorteilhaftes Reduktionaver fahr en ergibt sich beispielsweise, wenn man bis yjL Natriumkarbonat i.B. als wässrige Lösung unter die Reduktionskohle mischt.

Auch das Einleiten gasförmiger Hilfsstoffe in das ReduktionsgefäS für die Durchführung der Reduktionsstufe 1 hat sich bei der Erfindung als aweckmüflig erwiesen. Als gasförmiger Hilfsetoff ist z.B. schweflige Säure geeignet, deren Prozentgehalt In dem üeduktionsabgae etwa bis zu J^C betragen kann. Als wichtige Malnähme hat sich sohlieflioh die Einführung von Wasserstoff bzw. Wasserstoffträgern in den Reaktionsraum für die Durchführung der Reduktionsstufe 1 erwiesen. SrflndungsgemäB erfolgt hierzu die Zugabe von Wasserstoff, Wasserdampf und/oder zersetzbaren Kohlenwasserstoffen.

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Die Abb. 1 ist ein Verfahrensschema einer wichtigen Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird beispielsweise das Eisenerz und die Reduktionskohle, der auch entschwefelnde Zusätze, wie beispielsweise Kalziumkarbonat und Dolomit, sowie Reaktionsbeschleunigungszusätze, wie beispielsweise Natriumkarbonat, zugegeben sein können, auf eine Korngröße von unter 0,5 mm zerkleinert und miteinander vermischt. Die Mischung wird brikettiert, gegebenenfalls unter Zugabe eines Bindemittels, wie z.B. Betonit. Die Brikettierung des Gemisches kann in bekannter Weise auf WalEenpressen erfolgen. Die Größe und die Form der Briketts ist derart,daß die Wege für den Wärmetransport von außen nach innen in die Briketts hinein kleinblej-ben und daß auf der anderen Seite genügend große Hohlräume in der Schüttung der Briketts entstehen, für den möglichst ungehinderten Durchtritt der durch die Brikettschüttung hindurchgeführten Gase. Beispielsweise sind Briketts mit einem Volumen von etwa 20 cm geeig-

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net. Das Volumen sollte etwa zwischen 10 cm und etwa 50 cm liegen.

Die in der Erz-und Kohlevorbereitungsanlage hergestellten Mischbriketts werden mittels einer an sich bekannten gasdichten Schleuse in das Reaktionsgefäß hineingefördert, in dem beispielsweise ein Druck von etwa Io at aufrechtgehalten wird. In diesem Reaktionsgefäß sind hinfcereinandergeschaltet ein Raum für die Aufheizung der Briketts (Aufheizraum) und ein weiterer Raum für die Durchführung der ersten Reduktionsstufe, der sog. Erz/Kohle-Reaktor. Danach folgt ein Raum für die Durchführung der Erz/Gas Reaktion, der sog. Erz/Gas-Reaktor. Λ Schließlich folgt der Raum für die Kühlung des festen Reaktionsgutes vor seiner Austragung aus dem Reaktionsgefäß (Kühlraum). Diese Austragung erfolgt ebenfalls in an sich bekannter Weise durch gasdichte Schleusen.

Die Aufheizung des Reaktionsgutes nach seinem Eintritt in das Reaktionsgefäß erfolgt bei dem hier vorliegenden Schema durch die Ausnutzung der Kühlwärme. Es ist ein Kreislauf eines Wärmeübertragungs-

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Radiums vorgesehen, der die Wärme aus dem fertig behandelten Reaktionsgut im Gegenstrom im unteren Teil des Reaktionsgefäßes aufnimmt und diese ebenfalls im Gegenstrom an die frische Beschickung, also in diesem Fall an die «Ilschbrikette, abgibt. Die Kühlung und Aufheizung kann indirekt durch ein Rohrsystem oder direkt erfolgen, -»obei daa Rohrsystem im Reaktionsraum in entsprechender Weise verlegt 1st und von dem Aufheiz- und Kühlmittel durchflossen wird. Als Aufheiz- und Kühlmittel ist ein fluides Medium mit möglichst hoher Wärmekapazität zweokmäBig. Als solches kommt z.B. Kohlensäure in Frage, aber auoh flüssige Metalle, wie flüssiges Blei oder flüssiges Natrium oder Legierungen derselben. Im kältesten Teil des Aufhais- und Kühlkreislaufea ist eine Umlaufpumpe vorgesehen. Die Aufheisung und Kühlung kann aber auch ohne ein im Reaktioneraum verlegte» Rohrsystem Ufal*««^rUdt*^UefMitx*>ges Wärmeübertragungsmedlum dlrakt duroh dia Beschickung hindurchgeleitet wird. Als solehea gaafermiges Wlxmeübertragungsmedium kommen vor allem die bei dar im Raduktionegefäi erfolgenden Reaktion antatehenden Gase, insbeaamdere alao Semiaohβ aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasserdampf, in Frage.

Die Beheizung der ersten und zweiten Reduktionsstufe im ReaktionsgefäB arfolgt duroh dia bai dar Kühlung des Atomreaktors gewonnene Wärme. Im vorliegenden Fall wird in einen Wärmeaustauscher die Reaktorkühl wärme an ein fluides Heizmittel übertragen, das im Kreislauf duroh das Gefäß geführt wird und hier seine Wärme an das Reaktionsgemisch abgibt.

Dia Wärmeabgabe durch das fluide Heizmittel an das Reduktionsgut in dam Raaktionagefäfi kann auf indirektes Wege erfolgen, indem das Heizmittel ain Rohrsystem durchfließt, das in dem ReaktionsgefäB angeordnet ist. Besondere vorteilhaft ist es aber, auf ein solches Rohrsystem su verzichten und das Heizmittal direkt durch das Reduktionagemiach hindurchzuleiten unter direkter Wärmeabgabe von dem fluiden Heizmittel an das feste Reaktionsgut. In diesem Fall ist als fluides Haismittal insbesondere ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid, Kohlensäure, Waaaaratoff und Wasserdampf geeignet, wie es bai dar Reduktion daa Eisenerzes in dem Reduktionsgefäfi entsteht.

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Ia vorliegenden Beispiel reduziert Schwelkok· ein häsatitischse Brχ ait oa. 645I Fe-Gehalt in der ersten Reduktionastufe bis etwa 655t Sauerstoffabbau bei einer Mitteltemperatur τοη etwa 63O⁰C. In der »weiten Reduktionsstufe srfolgt mittels Gasreduktion ein weiterer Sauerstoffabbau bis etwa 85ji. Die Mitteltemperatur liegt nler bei etwa 90O⁰C.

laoh Verlassen des ReaktionsgefäBes wird das gekühlte Reaktionsprodukt einer Magnetβoheidung angeführt. Sie Magnetscheidung kann, gegebenenfalls naoh einer Vorserkleinerung des su scheidenden Produktes, in an sich bekannter Weis« erfolgen. Hierduroh wird der Bisensohwas*, der in dieses Fall einen Reduktionsgrad τοη etwa 855^ aufweist, τοη dsr ÜbereohuBkohle und der Asche abgetrennt. Der erseugte Blaensohwass wird in an sich bekannter Weise weiter-Terarbeitet. Aus des Kohle/Asohe-Oeslsch wird durch bekannte MaB-■fthwi die ÜbersehmJkohle surüokgewonaen mnd swar derart, daB die Asohe ait eine« wirtschaftlich tragbaren Restgahalt an Kohle abgeführt wird, s.B. mit eines 0«halt τοη 20jt an brennaaren Bestandteilen. Sie Abgetrennte Übersohußkohle wird des frischer« iirz als Reduktionsmittel wieder beigefügt.

Sie in des teaktionsgefafl aas der Reaktion «wischen des Eisenerz und der Kohle entstehenden Gase der Reduktionsstufe 1 werden durch besondere AuslaBorgane abgeführt und in besonderen Anlageteilchen τοη ihres Gehalt an Kohlendioxid und Wasserdampf weitgehend befreit, beispielsweise bis su 2jt Restgehalt. Das Gas durchläuft einen Wärseauatausoher und einen Gaskühler, in des es auf etwa 20⁰C heruntergekühlt wird. Sanaoh wird ee in dieses Fall sit Druckwasser gereinigt, wobei Kohlensaure und Wasserdampf bis auf Reste entfernt werden. Sas gereinigte Gas wird mittels eines Dslaufgeblässs duroh besondere Verteilungeorgane in daa ReaktionsgefäB wieder eingeblasen· Mach Leistung τοη Beduktionsarbeit wird dieser Gasβtroa duroh besondere GasauslaBorgane aus dem ReaktionageflB wieder abgeführt und ebenfalls den Anlageteilen für die EIisinierung τοη Kohlensäure und Wasserdampf zugeführt.

Sie einzelnen Arbeitsräuse des in der Abb. 1 beschriebenen Reak-

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tionsgefälee können au« gesonderten GefäBen bestehen« wobei das reagierende feststoffgeaieoh durch besondere Organe von eine* GeflB la das andere übergeleitet vird. Diese Anordnung ist s.B. sweoka&Big bei der Durchführung der Reaktionen la aufgewirbelten Zustand» β.B. als Wirbelbettreaktionen· In dieses) Pail ordnet aan sweokaäBig in an sich bekannter Weise besondere Wirbelbetten für das Aufhellen, für die Durchführung der Reduktionsstufe 1, für die Durchführung der leduktionsstufe 2 und für die Kühlung Übereinander oder nebeneinander an.

line besonders einfaohe Auaftihrungsfora des Verfahrene nach der BrfiaVung ergibt sich» wenn nan die TellTorgange in eine» einxi-

gfc gen eohaohtartigen ReaktionsgefiB durchführt. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn man ein Feetbett von stückiges Eeaktlonsgut von oben naoh unten durch den Schacht hindurchbewegt und die einseinen Teilvorgänge an dieeea Beaktionagut dann beia Sarealaufea des Sohaohtes durchführt. In der Abb. 2 ist ein derartiges Reektionsgefii nach der Erfindung echeaatisch dargestellt. Das Reaktienagef&i beeitzt an seinea oberen Inde eine UaIaMffmug 2» duroh die hindurch das Reaktlonegealsch A nach Paseieren einer Druckschleuse in das ReaktionagefU hineinbewegt wird· Aa unteren Inde befindet sich eine AuelaBöffnung 3, durch «te hinduroh das reduzierte Gut B aus dea Beaktionagef&e 1 entfernt und einer Druokschleuee sugeführt wird. Ia oberen Teil des ReaktionsgcfäBes 1 befindet eich der Aufheisraua 4. In diesen Auf-

W heisraua wird aittels daohartiger Gaseinleitungeorgane 5 ein aus

einea CO/CO.-Geaiech bestehendes Heisaediua eingeleitet, das fleizaittol gibt la Gegenstroa seine Wärae an dae aufzuhellende Beaktionegut ab und verläit das ReaktionsgefäB 1 durch den ausgang 6. Da· la Kreislauf geführte Heisaittel wird nach aeiner Wiederaufaeisuag duroh die Wirae des fertig reduslertea Materials dea ReakUoasgefii 1 bei 7 wieder zugeführt.

Aa den Aufheisraua 4 dee BeaktionsgefaBes 1 schliefit eich nach unten der Reaktionaraua der ersten Reduktionsstufe 8 an. In dlesea Reaktionsraua wird durch die daohartigen Verteilerorgane 9 aa unteren Inde ein Heizaediua, dae aus einea GO/CQ₂- oder einea

besteht, eingeblasen und aa oberen Ende die-

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aes Reaktionsraumes durch die daohartigen Gassamaielorgane 10 wieder abgeführt. Daa im Kreielaaf geführte Heismedium tritt bei 11 In das Reaktionsgefäß ein und Terläßt dieses bei 12. Das abgekühl-H«1»medium wird durch eine Umlaufpumpe 14 geführt und durch den Wärmeaustauscher 13 gedrückt, wo es die Kuhlwärme des Atomreaktors aufnimmt. Durch die Reaktion zwischen dem Eisenerz und dem Kohlenstoff entsteht im Reaktioneraum θ ein ständiger Überschuß an Reduktionsgas·!:. ^υleser Überschuß wird durch den Auslaß 15 aus dem ReeJctionagefäß 1 abgeführt.

An den «raten Reaktioneraum 8 schließt sich nach unten der zweite Reaktioneraum 16 an, in dem daa vorreduziert· Erz mittels reduzierender Oase weiter reduziert wird. Die reduzierenden Gase werden m duroh di· daohartigen Verteilerorgane 17 am unteren Ende in den leaktionaraum 16 elngeblaaen und duroh di· dachartigen Gaeeammelorgane 18 am oberen End· diesem wieder entnommen. Die Zuführung in da· leaJttionagefU 1 dieser Gase erfolgt durch den Einlaß 19, di· Abführung derselben duroh den AualaS 20·

Aa unteren Ende dea Reaktloaagefaßes 1 befindet eich der Kühlraum 21. In diesen wird da· Kühlgas, das gleichseitig das Aufheizgas für die Basohickung am oberen End· d·· Reaktonsgefäßes 1 ist, durch roatax ti ge Organe 22 eingeblaeen. Aa oberen Ende dea Kühlräumes befinden sich die daohartigen Oeasammelorgane 23· Die Zuführung des Kühlkreislaufgases in daa Reaktionagefäß 1 erfolgt durch den Ein-IaA 24, di· Abführung durch dan Auslaß 25. Ia kältesten Teil des I Kühl/Heiakreisleufes befindet eich di· Umlaufpump· 26.

In j«dem der Raaktionaräua« 4, 8, 16, 21 muß ein Druckabfall von unten naoh oben aufrechterhalten werden. Darüber hinaus 1st es sweokaaiig, durch entsprechende Druckverhältniase am Ein- und Ausgang dar T«rachiedenen Reaktioneräuae dafür zu sorgen, daß mög-1lohst kein Ca· au· den laohbarräuaen in den Reaktionsraum 16 einströmt.

Da· in der Abb. 1 und 2 erläuterte Verfahren nach der Erfindung ermöglicht Erweiterungen und Verbeeserungen nach verschiedener

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Hinsichtl Solche Verbesserungen betreffen u.a. die Ausgestaltung der Wärmeübertragungsverhältnisse. Bei der Verwendung gasförmiger Wärmeübertragungsmedien können wegen des relativ niedrigen Temperaturgefälles zwischen dem Wärmeaustauscher 13 und dem Reaktionsraum 8 die umzuwälzenden Gasmengen verhältnismäßig groß werden, so daß Maßnahmen zweckmäßig sind, die den Durchgasungswiderstand im Reaktionsraum 8 möglichst niedrig halten. Solche Maßnahmen können bestehen in der Verwendung eines kugelförmigen, weitgehend abriebfesten Reaktionsgutes, wie es z.B. in Form von Pellets vorliegt. Weiter kann der Gaskreislauf angereichert werden mit Bestandteilen von hoher Wärmekapazität, wie z.B. Methan oder feinkörnigem Kohlenstoff, z.B. solchem, der als Ruß aus Kohlenwasserstoffen oder bei der Kohlenmonoxidspaltung abgeschieden ist.Des weiteren ist es zweckmäßig, bei hohen Gasgeschwindigkeiten die vom Gas zu durchströmende Schicht möglichst klein zu halten. Dies läßt eich auch vorteilhaft bei Verwendung einer QuerStromapparatur erreichen, bei der der Feststoff von oben nach unten und das Gas in horizontaler Richtung bewegt wird.

Das Zusammenwirken der Reduktionsapparatur mit dem Atomreaktor läßt sich dadurch besondere vorteilhaft und eng gestalten, daß auf den Wärmeaustausch zwischen dem Reaktorkühlmittel und dem Heizmittel für das Reaktionsgefäß verzichtet wird. Dies bedeutet, daß das Reaktorkühlmittel gleichzeitig das Heizmittel für das Reaktionsgefäß darstellt. Für diese Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist vorgesehen, daß in den Gaskreislauf zwischen dem Atomreaktor und der Reduktionsapparatur an sich bekannte hochwirksame Abscheidungsorgane angeordnet sind, die durch Herausnahme der entsprechenden Stoffe aus dem Gasstrom eine Übertragung schädlicher strahlender Substanzen aus dem Atomreaktor auf das Reduktionsgut unmöglich machen, bzw. auf eine unschädliche Größe herabmindern.

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Claims (1)

1. Verfahren für die Eisengewinnun¹ mit Hilfe von Kernenergie

   Patentansprüche

   1. Verfahren für die Eisengewinnung mit Hilfe von Kernenergie,

   dem die fühlbare Wärme eines Reaktorkühlmittels durch ein fluides Heizmittel, wie Gase, Flüssigkeiten oder in GcfSn aufgewirbelte Feststoffe, auf das feste Reaktionsgut übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dafl der Sauerstoffabbau des Eisenerzes bei Temperaturen zwischen etwa 500 C und etwa 1OOO°C bis zu Reduktionsgraden von etwa 40% bis 75% durch feste kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel erfolgt, während die Endreduktion des Erzes bis zum vollständigen Sauerstoffabbau oder bis zu einem Restgehalt an Sauerstoff von J^ etwa 5 bis 15% mittels reduzierender Gase, wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff, erfolgt, vornehmlich ohne Abkühlung des Zwischenproduktes zwischen der ersten und der zweiten Reduktionsstufe.

   2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daβ das Reduktionsgas für die zweite Reduktionsstufe beim Einschmelzen des noch sauerstoffhaltigen Reduktionsgutes z.B. in einem Elektroniederschachtofen gewonnen wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas für die Stufe 2 durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, vornehmlich der Art, daß der Strom hierfür zu Zeiten geringen Stromverbrauches durch das öffentliche Netz einem hierfür betriebenen Atom- Q kraftwerk entnommen wird, wobei der hierbei gewonnene Wasserstoff bis zu seinem Verbrauch zu Reduktionszwecken unter Druck gespeichert wird.

   4. Verfahren nach Ansprach 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktions-■ gas für die zweite Reduktionsstufe aus den Abgas der ersten Stufe gewonnen wird, indem die Oxydationsprodukte Kohlensäure und Wasserdampf durch an sich bekannte MaBnahmen daraus entfernt werden.

   Anmelder

   Prof.Dr.-Ing.Dr.-Ing.

   B.h. Hermann Schenck

   Dozent Dr.-Ing. - 2 -

   Werner Wenzel

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   $· Ttrfatoen naoh dtn Ansprüchen 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, •is,ß dl« erst» Reduktionsstufe bei erhöhte· Druck, d.h. swieohen etwa 5 tfßd 23 Atmosphären, durchgeführt wird und daß das au* den Srteftueritoff und dem Reduktionskohlenetoff erzeugte Gae einer feviekwsseerwäeche zugeleitet wird zujb Zwecke der Gewinnung oinee leditktionsgasee au· Kohlenoxid und Wasseretoff mit geringen Gehalte» «λ Kohlensäure und Wasserdampf (etwa 2Jt) für die zweite fieduktiensstufs.

   6» Verfahren nach den Ansprüchen 1, 4 und 5 daduroh gekennzeichnet, iaJ die »weite Beduktionestufe unter etwa de« gleichen Druck wie ti· erste Eeduktionsetufe durchgeführt wird und daß da· Abgas w der »weiten Beduktionsstufe ebenfalls der Druckwasserwäeehe zugeführt wird, üb nach Eliminisrung der Kohlensäure und des Was- »erdaepfes erneut in die Reduktionsstufe zwei eingeleitet zu werden.

   7* Terfahrea n&oh den Aneprttohec 1,4 und 5 dadurch gekennzeichnet, 4mM das in der Druokwaeserwasohe gewonnene in der Haupteaohe aua ioMlauftROsiA besteheade Oas swisohen etwa 550 und 65O⁰C alt dem Reduktionsprodukt der ersten Reduktionsstufe in Berührung gebracht wird zua Zwecke der Abscheidung τοη Kohlenstoff, weiter daduroh gekennzeichnet, daß das Abgas dieser KohlenatoffabaeheidOTerfakreasstuf· erneut der Druokwasserwäeohe zugeleitet wird, k während da· Qeaiech au· teilreduziertea Eisenerz und Kohlenstoff der zweiten Reduktionsstufe zugeführt wird, wo es unter Beheizung Ton Reaktorkllhlwärae der Sndreduktion unterliegt.

   8· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Reduktionsstufe mit Überschuß an festen Reduktionsmitteln gearbeitet wird, rornehmlich zwischen etwa 30 und etwa iOOjL der la dieser Stufe umgesetzten Kohlenstoffmenge, de· weiteren daduroh gekennzeichnet, daß der überschüssige Kohlenstoff aus dam redusierten Gut abgetrennt wird, beispielsweise durch Magnetscheidung, und daß dieser abgeschiedene Kohleastoff gegebenenfalls naoh Verminderung seines Aschsgehaltes, beispielsweise durch ein· elektrostatisch· Trennung, ganz oder

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   teilweise dem Ausgangsgemisch der ersten Reduktionsstufe wieder zugeführt wird.

   &. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, das besonders reaktionsfähiger oder reaktionsfähig gemachter Reduktionskohlenstoff verwandt wird, wie beispielsweise Tie^temperaturkoks (Schwelkoks), durch Behandlung mit Wasserdampf aktivierter Koks, Holzkohle, Kohlenstoff aus der Kohlenoxidspaltung.

   IG. Verfahren nach den Ansprüchen 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel bituminöse Brennstoffe verwandt werden,die ίΐτι Gemisch mit Erz so verkokt werden, daß ein hochreaktionsfähiger Koks entsteht, beispielsweise derart, daß ein geeignetes Temperatur-^ zeiterhitzungsprogramm eingehalten wird und daß das Gemisch während'™ der Erhitzung mit sauerstoffhaltigen Gasen, wie z.B. Wasserdampf und Luft, behandelt wird.

   11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 10 dadurch gekennzeichnet, daß

   in den Reaktionsraum der Reduktionsstufe 1 reaktionsbeschleunigende Mittel gegeben werden, z.B. Kaliumkarbonat, Natriumkarbonat, Kalziumkarbonat, schweflige Säure u.a.

   12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet,

   daß in den Reaktionsraum für die Durchführung der ersten Reduktionsstufe Wasserstoff bzw. Wasserstoffträger, wie Wasserdampf und Kohlenstoffe gegeben werden. J

   13. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 13 - 15 gekennzeichnet durch einen Atomreaktor mit

   009813/0391

   öder ohne einen Wärmeauatauaoher tür die übertragung der fühlbaren Wärm« dee Reaktorkühlmittels an ein Heismedium, durch swei ReakticaegefäS· oder ein Reaktionsgefäß mit zwei Abteilungen, von denen bald· oder mindestens das erste durch die fühlbare Wärme des BeaJctorkühlkreielauf·· mit oder ohne Zwischenschalten eines Wärmeaustauscher· beheizt wird, mit einer Zuführungsöffnung in da· •rstt Rtaktionegefäß, bsw· in die erste Abteilung, für ein Reduktieasgeaiitch au· lieenerz und festem Kohlenstoff und alt einer Abführüffauäg in diesem Reduktionegefäß, bzw. in dieser Abteilung, für darla erzeugte» Reduktionsgas und mit Öffnungen in dem ereten Reduktlcnegefäfl« bsw· in der ersten Abteilung, für die überführung de· teilredmsierten Beduktionsgemisohee in daa zweit· Reduktionsgefäi, bsw. in die swelte Abteilung, weiter mit öffnungen in dem swelten Reduktionsgefafl, bsw· in der zweiten Abteilung, für die Einbringung des in dem ersten Gefäß, bzw· in der ersten Abteilung, behandelten leduktionagamaeohee, mit Öffnungen in dem zweiten Reduktleaegefäl, bsw· in der svelten Abteilung, für die Austragung de· fertig behandelten leduktienagut·· und für die Zuleitung einea Reduktionsgas·· eowle für die Ableitung die··· Reduktionsgasea nach dea Ihirohatrumen d·· leaktionaraUm···

   .ty. Vorrichtung naoh den Aneprüohen 1) - 13), gekannzeichnet durch die Verwendung von Druckgefäßen als Eeaktionegefäße für Drucke von etwa 5-50 Atmoaphären mit Förderorganen für die Einbringung des su behandelnden Reduktionsgemisches gegen den Innendruck der Reaktionagefäße und zum Ausbringen des fertig behandelten Reduktionsgcmlaoh·· au· diesen Druckgefäß».

   15. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahren· nach den An-•prüohen 1) - 1Jf), gekennzeichnet durch Kühlorgane iur die Abkühlung der da· Keaktionagefaß, bzw. dl« Reaktionsgefäße verlassenden leaktionegaae, weiter gekennseiohnet duroh eine Druokwasserwäeche für die gekühlten Reaktionaga·· de· leaktionsgefäßes, bzw. der Reaktionegefäße, und eine Zuleitung für daa gewaschene Gas zu dem zweiten Reaktionsgefäß, bzw. zu der zweiten Abteilung.

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   BAD ORIGINAL

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