DE2250056A1

DE2250056A1 - Vorrichtung und verfahren zur reduktion von teilchenfoermigem metallerz zu metallteilchen

Info

Publication number: DE2250056A1
Application number: DE2250056A
Authority: DE
Inventors: Juan Celada; Patrick William Mackay; Ramon De La Pena
Original assignee: Fierro Esponja SA
Current assignee: Fierro Esponja SA
Priority date: 1971-10-15
Filing date: 1972-10-12
Publication date: 1973-04-19
Also published as: IT982388B; BE789968A; DE2250056C3; AR202892A1; NL7213882A; IL40524A; FR2156349B1; US3779741A; AT327968B; EG10815A; JPS5120361B2; CA971756A; AU4762972A; NL156754B; IL40524A0; ATA882072A; AU462677B2; JPS4861303A; LU66293A1; GB1373048A

Description

TMt. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER, NAT, K. JtIOFFMANN

PATENTANWÄLTE O ^ {Γ Π Π C O

Ο-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 ·, TELEFON (0811) 911087

Fierro Esponja S.A,, Monterrey N.L./Mexiko

Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion von teilchenförmigen) Metallerz zu Metallteilchen

Die Erfindung bezieht sich auf die gasförmige Reduktion von teilchenförmigen Erzen zu Metallen in teilchenförmiger Form in einem vertikalen Schaftreaktor mit einem bewegenden Bett. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Wirksamkeit der Reduktion des Erzes in einem solchen Reaktor. In der nachfolgenden Beschreibung sind das Verfahren und die Vorrichtung beispielhaft bei der Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen beschrieben. Naturgemäß ist die Erfindung aber auch auf andere Erze anwendbar als Eisenerz.

Bei der Herstellung von Schwamraeisen in einem vertikalen Schaftreaktor mit beweglichem Bett sind gewöhnlich zwei Hauptstufen vorgesehen, nämlich die Reduktion des Erzes in einer Reduktiongzone des Reaktors mit einem geeigneten heißen. Reduktionsgas und die nachfolgende Abkühlung des resultierenden Schwamjneisens mit einem gasförmigen Kühlmittel in einer Kilhlzone des Reaktors,

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Das reduzierende Gas ist typischerweise ein Gas, das zum großen Teil aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff zusammengesetzt ist und das beispielsweise durch katalytische Reformierung eines Gemisches von Naturgas und Wasserdampf oder durch die Wassergasreaktion oder auf sonst bekannte Weise hergestellt wird. Das reduzierende Gas wird mit dem Eisenerz in der Reduktionszone des Reaktors bei Temperaturen in der Gegend von 850 bis HOO⁰C, vorzugsweise 900 bis 1000⁰C, in Berührung gebracht. Das reduzierende Gas kann in den Reaktor am Böden der Reduktionszone eingeführt werden und im Gegenstrom zu dem nach unten sich bewegenden Erzbett str'ömengelassen werden. Alternativ kann man auch so vorgehen, daß man das Reduktionsgas an der Oberseite der Reduktionszone einleitet und im Gegenstrom zu dem nach unten strömenden Erzbett strömen läßt.

Es kann gesagt werden, daß die gesamte Reduktionsgaschwindigkeit, die in einem solchen Reaktor erzielt wird, hauptsächlich von zwei Faktoren abhängt, nämlich (a) von der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den reduzierenden Bestand* teilen des Gases und dem Sauerstoff des Erzes und (b) der Geschwindigkeit, mit welcher das reduzierende Gas in das Innere der Erzteilchen hineindiffundiert. Die chemische Reaktionsgeschwindigkeit ist stark temperaturabhängig, während die Gasdiffusionsgeschwindigkeit in die Erzteilchen im wesentlichen von der Temperatur unabhängig ist und wesentlich von der Konzentration des Wasserstoffs in dem reduzierenden Gas abhängt. In den frühen Stufen des Reduktionsprozesses, d.h. wenn das Ausmaß der Reduktion des Erzes beispielsweise zwischen 0 und etwa 60% liegt, ist die chemische Reaktionsgeschwindigkeit der dominierende Faktor bei der Bestimmung der Gesamtreduktionsgeschwindigkeit, während in den späteren Stufen des Reduktionsprozesses, z.B. zwischen einer 60- und 95%igen Reduktion die Gasdiffusionsgeschwindigkeit bei der Festlegung der Gesamtreduktionsgeschwindigkeit der dominierende Faktor ist.

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In Fällen, wo man mit einem Gegenstrom des reduzierenden Gases und des Erzes arbeitet, kommt das Frischgas, das einen hohen Wasserstoffanteil besitzt, anfänglich in Berührung mit einem großen Teil des reduzierten Erzes. Somit ist die Diffusionsgeschwindigkeit des Gases in die Erzteilchen relativ hoch. Anders ausgedrückt, bedeutet dies, daß die Bedingungen im unteren Teil der Redukt ions zone eine relativ hohe Gesamtr'eduktionsgeschwindigkeit begünstigen. Wenn das Gas nach oben in den oberen Teil der Reduktionszone sich fortbewegt, dann nehmen sowohl die Temperatur als auch sein Gehalt an reduzierenden Bestand-teilen ab. Wie bereits zum Ausdruck gebracht wurde, wird, wenn die prozentuale Reduktion weniger als 60% beträgt, die chemische Reaktionsgeschwindigkeit zu einem dominierenden Faktor und diese Reaktionsgeschwindigkeit wird in nachteiliger Weise sowohl von der relativ niedrigen Temperatur des Gases als auch von der niedrigen Konzentration an reduzierenden Bestandteilen beeinflußt. Somit sind die Bedingungen in dem oberen Teil der Reduktionszone vom Standpunkt des Erhalts einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit ungünstig.

In den Fällen, wo man mit einem Gleichstrom des reduzierenden Gases und des Erzes arbeitet, neigen die hohe Temperatur und die Konzentration der reduzierenden Bestandteile in dem Gas,' welches in den oberen Teil der Reduktionszone eintritt, dazu, die chemische Reaktionsgeschwindigkeit zu maximalisieren. Somit sind die Bedingungen in dem oberen Teil der Reduktionszone vom Standpunkt der Erzielung einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit begünstigend. Jedoch im unteren Teil, der Reduktionszone ist das Gas an Wasserstoff im wesentlichen verarmt und dieser diffundiert relativ langsam in das Innere der zum großen Teil reduzierten Schwammeisenteilchen. Da diese Diffusionsgeschwindigkeit der dominierende Faktor für die Gesamtreduktionsgeschwindigkeit im Falle von stark reduzierten Teilchen ist, sind die Bedingungen in dem unteren Teil der Reduktionszone vom Standpunkt der Erzielung einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit ungünstig.

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Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die gasförmige Reduktion von Metallerzen in einem vertikalen Schaftreaktor mit bewegendem Bett zur Verfügung zu stellen, welches die Vorteile des Gegenstrom- und Gleichstrom-Flusses des Gases und des Erzes kombiniert, wobei aber die Nachteile minimalisiert werden sollen. Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die Verweilzeit im Reaktor vermindern, um zu einem gegebenen Reduktionsgrad zu kommen, wodurch die Produktion des Reaktors gesteigert wird.

Die Erfindung soll anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen beschreiben eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine Modifizierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Fig. 1 zeigt diagrammartig ein Schwammeisen-Reduktionssystem, bei welchem ein heißes reduzierendes Gas in zwei getrennten Strömen in die Oberseite und den Boden der Reduktionszone des Reaktors eingeführt wird, um konvergierende Gasströme zu bilden, die nach unten bzw. nach oben durch den Erzkörper, der reduziert werden soll, strömen und die an einem Punkt in der Nähe der Mitte der Reduktionszone entfernt werden.

Die Fig. 2 zeigt ein im Grund ähnliches System, bei welchem ein reduzierender Gasstrom an einem Punkt in der Nähe der Mitte der Reduktionszone eingeführt wird, um einen divergierenden Fluß des reduzierenden Gases in dem oberen und unteren Teil der Reduktionszone zu ergeben.

In der Fig. 1 bedeutet 10 einen vertikalen Schaftreaktor mit einer Reduktionszone 12 im oberen Teil und einer Kühlzone 14 im unteren Teil. Der Reaktor 10 ist geeigneterweise wärmeisoliert und innen mit einem feuerbeständigen Material in bekannter Weise ausgekleidet. Das zu behandelnde, teilchenförmige

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Erz wird in den Reaktor 10 durch ein Beschickungsrphr 16 zugeführt. Das einzuführende Erz kann in der Form von Klumpen oder vorgebildeten Pellets vorliegen. Es strömt abwärts durch die Reduktionszone, wo es zum großen Teil in der unten beschriebenen Weise zu Schwammeisen reduziert wird. Sodann strömt es durch die Abkühlungszone 14, in welcher es durch ein hier durchströmendes Abkühlungsgas abgekühlt wird, und es verläßt den Reaktor durch das Auslaßrohr 18.

An der Verbindung der Reduktions- und Abkühlungszone ist ein inneres kegelstumpfartiges Leitblech 20 vorgesehen, welches die abwärts strömenden Erzteilchen zu einem Kanal 22 führt, der in die Abkühlungszone 14 einleitet. Das Leitblech 20 erstreckt sich durch die Wand des Reaktors und bildet einen Teil einer ringförmigen Anfüllungskammer 24, die sich um die Peripherie des Reaktors herum erstreckt und die eine Einrichtung darstellt, durch welche das reduzierende Gas in den Reaktor eingeführt werden oder daraus entnommen werden kann. In der Nähe der Mitte der Reduktionszone 12 ist eine zweite, der Kammer 24 ähnliche Anfüllungskammer 25 vorgesehen.

In der Nähe des Bodens des Reaktors 10 ist ein kegelstumpfartiges Leitblech 26 vorgesehen, das zusammen mit der Reaktorwand einen Ringraum 28 definiert, durch welchen das Abkühlungsgas in den Reaktor eingeführt werden kann, um in der Abkühlungszone 14 durch den Körper der reduzierten Erzteilchen zu strömen. Gewünschtenfalls kann der Reaktor 10 bei erhöhtem Druck betrieben werden, in welchem Fall das Erz an der Oberseite des Reaktors zugeführt wird und das Schwammeisen vom Boden des Reaktors entfernt wird, indem eine geeignete Beschickungs- und Entnahmevorrichtung verwendet wird, welche so ausgebildet ist, daß der gewünschte Druck in dem Reaktor aufrechterhalten wird.

Unter Bezugnahme auf den linken Teil der Fig. 1 ist festzustellen, daß das reduzierende Gas typischerweise in einem

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Reformer 30 der bekannten Art gebildet wird. Bei der Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Reformers werden Naturgas und Wasserdampf vorerhitzt, indem sie durch die Windungen in dem Schornsteinteil 32 des Reformers geleitet werden. Ein Gemisch des vorerhitzten Naturgases und von Wasserdampf wird durch ein erhitztes Katalysatorbett in dem unteren Teil 34 des Reformers geleitet, worin es in ein Gasgemisch umgewandelt wird, das zum großen Teil aus Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Wasserdampf besteht. Das Gasgemisch strömt sodann durch ein Rohr 36 in einen Abschreckungskühler 38, worin das Gas abgeschreckt wird,'um den größten Teil des Wasserdampfes daraus zu entfernen. Nach dem Verlassen des Abkühlers 38 fließt das Gas durch ein Rohr 40, das eine Fließkontrolleinrichtung 42 enthält, welche in der Weise wirkt, daß sie den vorgewählten Fluß des reduzierenden Gases in das reduzierende Gassystem aufrechterhält.

Das frische reduzierende Gas, das durch das Rohr 40 strömt, wird in der unten beschriebenen Weise mit dem zurückgeführten Gas vereinigt und in zwei Ströme aufgeteilt, von denen der eine durch ein Verzweigungsrohr 44, das eine Fließkontrolleinrichtung 46 enthält, und der andere durch ein Verzweigungsrohr 48, das eine Fließkontrolleinrichtung 50 enthält, strömt. Die zwei Gasströme werden in einem Rohrschlangenerhitzer 52 auf eine Temperatur in der Gegend von 700 bis 850⁰C erhitzt. Insbesondere strömt das reduzierende Gas, das durch das Verzweigungsrohr fließt, durch die Heizschleife 54 des Erhitzers 52. Das Gas, das durch das Verzweigungsrohr 48 fließt, strömt durch die Heizschleife 56 des Erhitzers 52. Vom Auslaß der Schleife 54 strömt das erhitzte Gas durch das Rohr 58 in eine Verbrennungskammer 60 und sodann in eine Anfüllungskammer 24 am Boden der Reduktionszone 12 des Reaktors.

Die Funktion der Verbrennungskammer 60 geht dahin, die Temperatur des reduzierenden Gases weiter zu erhöhen, bevor dieses in

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den Reaktor eintritt. Da die Temperatur des reduzierenden Gases, wenn das Gas in den Reaktor eintritt, gewünschterweise in der Gegend von 900 Ms 1000°C, d.h. erheblich oberhalb der Temperatur des Gases, das den Rohrschlangenerhitzer 52 verläßt, liegt, wird die Gastemperatur an einem Punkt in der Nähe des Reaktors weiter erhöht, indem das Gas durch eine Kammer 60 geleitet wird, in welcher durch das Rohr 61 eine relativ geringe Menge Luft oder Sauerstoff zugesetzt wird. Die zugegebene Luft oder der zugegebene Sauerstoff bewirkt, daß eine geringe Menge des reduzierenden Gases verbrennt, wodurch die Temperatur des Gemisches auf den gewünschten Wert erhöht wird. Insbesondere in den Fällen, wo Luft als Oxydationsmittel verwendet wird, wird das oxydierende Gas gewünschterweise auf ungefähr die Temperatur des reduzierenden Gases,mit dem es vermischt wird, vorerhitzt. Eine solche Vorerhitzung kann beispielsweise in einem Rohrschlangenerhitzer wie dem Rohrschlangenerhitzer 52 erfolgen. Die Verbrennungskammer 60 kann z.B. von der in der US-Patentschrift 2 90.0 247 beschriebenen Art sein.

Das erhitzte reduzierende Gas, das die Spule 56 des Erhitzers 52 verläßt, strömt durch ein Rohr 62 in eine Verbrennungskammer 63, welche ähnlich der Verbrennungskammer 60 ist, und tritt in . den Reaktor an einem Punkt in der Nähe der Oberseite der Redukrtionszone 12 ein. Wie in dem Fall des Gases, das durch das Rohr 58 zugegeben wird, wird das Gas, das durch das Rohr 62 strömt, in der Verbrennungskammer 63 mit einer geringen Menge von Luft oder Sauerstoff, zugeführt durch das Rohr 64, vermengt, wobei die zugemischte Luft oder der zugemischte Sauerstoff eine geringe Menge des reduzierenden Gases verbrennt, wodurch die Temperatur des dem Reaktor zugeführten Gases auf den gewünschten Wert, d.h. e:
erhöht wird.

Wert, d.h. eine Temperatur in der Gegend von 900 bis 1000⁰C,

Der Gasstrom, der in den Reaktor durch die Anfüllungskammer 24 eintritt, fließt in Aufwärtsrichtung durch den Erzkörper im

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unteren Teil der Reduktionszone 12. Das Gas, das dem Reaktor durch das Rohr 62 zugeführt wird, strömt in Abwärtsrichtung durch den oberen Teil des Erzkörpers in der Reduktionszone In der Nähe der Mitte der Reduktionszone 12 werden die zwei Gasströme vereinigt und sie fließen aus dem Reaktor durch die AnfUllungskammer 25 hinaus. Sie werden durch ein Rohr 66 in einen Abschreckungskühler 68 geleitet, in welchem das gemischte Gas abgekühlt wird, um Wasserdampf daraus zu entfernen. Von der Oberseite des Kühlers 68 strömt das Gas durch das Rohr 70 zu der Saugseite einer Pumpe 72, die das Gas durch ein Rohr 74 zu Verzweigungsrohren 44 und 48 zur Zurückführung durch den Erhitzers 52 pumpt.

Es wird ersichtlich, daß in dem in Fig. 1 aufgezeigten System das reduzierende Gas in zwei miteinander verbundenen Schleifen strömt. Die obere Schleife, worin das Gas im allgemeinen in Uhrzeigerrichtung strömt, schließt die obere Zone der Reduktionszone 12, die Anfüllungskammer 25, das Rohr 66, den Kühler 68, das Rohr 70, die Pumpe 72, die Rohre 74 und 48, die Spule 56 des Erhitzers 52, das Rohr 62 und die Verbrennungskammer ein. Die untere Schleife, worin das reduzierende Gas im allgemeinen entgegen dem Uhrzeigersinn strömt, schließt die untere Zone der Reduktionszone 12, die Anfüllungskammer 25, das Rohr 66, den Kühler 68, das Rohr 70, die Pumpe 72, die Rohre 74 und 44, die Spule 54 des Erhitzers 52, das Rohr 58, die Verbrennungskammer 60 und die Anfüllungskammer 24 ein. Die Verteilung des Gases zwischen den beiden Schleifen wird durch die Einstellungen der Fließkontrolleinrichtungen 46,und 50 bestimmt, die gewöhnlich so eingestellt sind, daß sie gleiche Gasströme durch die beiden Schleifen schicken.

Das reduzierende Gas, das in die Oberseite des Reaktors durch das Rohr 62 eintritt, ist an reduzierenden Bestandteilen relativ reich, und es weist eine hohe Temperatur auf. Beides sind Faktoren, die die chemische Reaktionsgeschwindigkeit zwischen

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dem Gas und dem Erz günstig beeinflussen, so daß im oberen Teil der Reduktionszone eine ausnehmend hohe Geschwindigkeit der Reduktion erzielt wird. Das durch das Rohr 58 und die Anfüllungskammer 24 dem Boden der Reduktionszone 12 zugeführte Gas kommt in Kontakt mit dem Erz, das zum großen Teil zu Schwammeisen reduziert worden ist. Wie bereits zum Ausdruck gebracht, ist im Falle eines stark reduzierten Erzes die Diffusionsgeschwindigkeit des Gases in die eisenhaltigen Teilchen der dominierende Faktor für die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit. Da das Gas, das in den Reaktor durch die Anfüllungskammer 24 eintritt, relativ wasserstoffreich ist, begünstigen auch die Bedingungen im unteren Teil der, Reduktionszone eine relativ hohe Gesamtreduktionsgeschwindigkeit. Somit wird durch Verwendung eines Spaltstromsystems dieses Typs die mittlere Gesamtreduktionsgeschwindigkeit in der Reduktionszone erheblich erhöht. Als Ergebnis kann ein gegebener Reduktionsgrad bei einer kürzeren Verweilzeit der eisenhaltigen Materialien in dem Reaktor erzielt werden, so daß die Produktivität des Reaktors gesteigert wird.

Wie bereits ausgeführt wurde, wird frisches reduzierendes Gas in den Gaszurückführungsteil des Systems durch das Rohr 40 mit einer durch die Fließkontrolleinrichtung 42 kontrollierten Geschwindigkeit eingeführt. Um den reduzierenden Gasgehalt des Gaszurückführungsteils des Systems im wesentlichen konstant zu halten, wird verbrauchtes reduzierendes Gas von der Saugseite der Pumpe 72 durch ein Rohr 82 entfernt, das ein Absperrventil 84 enthält. Das Abgas kann entweder durch ein Rohr 68, das ein Ventil 88 enthält, zu einem Lagerungstank für verbrennbaren Treibstoff strömen oder durch ein Rohr 90 zu einem Abgasschornstein 92. Das Rohr 90 enthält eine Druckkontrolleinrichtung 94, die einen geeigneten Rückdruck in dem Rohr 82 und damit in dem Gaszurückführungsteil des Systems aufrechterhält.

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Wie oben ausgeführt, wird das reduzierte Erz durch ein Abkühlungsgas in der Abkühlungszone 14 des Reaktors abgekühlt. Unter Bezugnahme auf den linken Teil der Fig. 1 wird ausgeführt, daß das Abkühlungsgas in das System durch ein Rohr 96 eintritt, welches mit einer automatischen Fließkontrolleinrichtung 98 versehen ist. Es kann eine weite Vielzahl von AbkUhlungsgasen verwendet werden mit Einschluß von Wasserstoff, Kohlenmonoxyd, deren Gemischen, Methan oder anderen Kohlenwasserstoffgasen, Kohlendioxyd und Stickstoff. Die Auswahl des Abkühlungsgases hängt von solchen Faktoren ab, wie ob es gewünscht wird, zu carburieren oder das Schwammeisen abzukühlen oder ob das verbrauchte Abkühlungsgas später als Brenngas oder in einem anderen Teil des reduzierenden Gassystems verwendet werden soll.

Das Abkühlungsgas, das in das Abkühlungsgassystem eintritt, strömt durch das Rohr 96 zu einer Pumpe 100 und sodann durch ein Rohr 102, das eine Fließkontrolleinrichtung 104 enthält, in einen Ringraum 28 in dem Reaktor 10. Das Abkühlungsgas strömt in Aufwärtsrichtung durch die Abkühlungszone 14 in einen Ringraum 106, der durch ein Leitblech 20, einen Kanal 22 und die Wand des Reaktors definiert wird. Wie oben ausgeführt, kann die Carburisierung des Schwammeisens in der Abkühlungszone 14 vorgenommen werden, indem ein Kohlenstoff enthaltendes Abkühlungsgas verwendet wird, das bei Kontakt mit dem heißen Schwammeisen unter Abscheidung von Kohlenstoff darauf gecrackt wird.

An der Oberseite bzw. der Spitze der Abkühlungszone verläßt das Abkühlungsgas den Reaktor und insbesondere die Kammer 106 durch ein Rohr 108 und strömt durch einen herkömmlichen Staubsammler 110 und ein Rohr 112 in einen Abschreckungskühler 114. Aus dem Kühler 114 wird das Gas durch das Rohr 116 und ein Rohr 118, das ein Ventil 119 enthält, zu dem Rohr 96 und der Saugseite der Pumpe 100 zurückgeführt.

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Wie vorstehend bereits beschrieben, wird dem Abkühlungsgassystem durch das Rohr 96 ein Abkühlungsgas zugeführt. Um das Volumen des Abkühlungsgases im wesentlichen konstant zu halten, wird ein Teil des Abkühlungsgases, das durch die Abkühlungsgasschleife strömt, durch ein Rohr 120 abgelassen, das mit dem Rohr 116 in der Nähe des Auslasses des Kühlers 114 verbunden ist. Das durch das Rohr 120 abgelassene Gas fließt zu dem verbrauchten Reduktionsgasteil des Systems, das in der Nähe der ,Oberseite der Fig. 1 gezeigt ist,und insbesondere zu einem Rohr 82, durch welches es entweder in den Schornstein 92 oder ifie vorstehend beschrieben zur Lagerung von verbrennbarem.Treibstoff strömt. Der untere rechte Teil der Fig. 1 zeigt, daß eine Druckkontrolleinrichtung 122 in dem Rohr 120 vorgesehen ist, um in dem Abkühlungsgassystem einen geeigneten gewünschten Rückdruck aufrechtzuerhalten.

Da es gewöhnlich notwendig ist, Gase mit verschiedenen Zusammensetzungen in der Reduktionszone 12 und der Abkühlungszone 14 des Reaktors zu verwenden, ist es zweckmäßig, Einrichtungen vorzusehen, um eine Vermengung der Gase zwischen diesen beiden Zonen zu verhindern. Nunmehr soll eine solche Vorrichtung beschrieben werden, welche dazu bestimmt ist, um mindestens eine solche Vermengung der reduzierenden und der Abkühlungsgase zu minimalisieren. Der rechte Teil der Fig. 1 zeigt, daß eine Differentialdruckkontrolleinrichtung 124 vorgesehen ist, welche durch ein Rohr 126 gegenüber dem Druck in der Anfüllungskammer .24 (als P-1 bezeichnet) und durch ein Rohr 129 gegenüber dem Druck in·dem Ringraum 106 (als P-2 bezeichnet) antwortend gemacht worden ist. Die Differentialdruckkontrolleiririchtung baut ein Signal auf, z.B. einen pneumatischen Druck, der eine Funktion des Unterschieds zwischen dem Druck P-1 und P-2 ist. Dieses Signal wird dazu verwendet, um die Einstellung der Druckkontrolleinrichtung 122 in dem Rohr 120 einzustellen und hierdurch den Rückdruck in dem Abkühlungsgassystem in einer solchen Weise zu regeln, daß der Druck P-2 im wesentlichen dem Druck

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P-1 gleichgemacht wird. Somit wird das Innere des Kanals 22 zu einer im wesentlichen isobaren Zone und eine fermengung des Abkühlungsgases und des reduzierenden Gases wird minimalisiert.

Es ist weiterhin zweckmäßig, obgleich nicht wesentlich, daß der Druck P-1 konstant gehalten wird und daß der Strom durch das Rohr 120 so eingestellt wird, daß der Druck P-2 auf einen Wert gebracht ist, der P-1 gleich ist. Hierzu wird eine automatische Druckkontrolleinrichtung 130 gegenüber dem Druck P-1 durch ein Rohr 132 beantwortend gemacht und die Abgabe der Kontrolleinrichtung 130 wird durch das Rohr 134 zu einer Druckkontrolleinrichtung 94 geleitet, um den Einsatzpunkt der letzteren Kontrolleinrichtung so einzustellen, daß das verbrauchte reduzierende Gas in einer solchen Geschwindigkeit abgelassen wird, daß der Druck P-1 im wesentlichen konstant gehalten wird. Es hat sich gezeigt, daß, wenn man den Druck P-1 auf diese Weise konstant hält, dann der Druck in dem Kanal 22 näher isobar gehalten werden kann.

Die Fig. 2 zeigt ein System, das demjenigen der Fig. 1 im wesentlichen ähnlich ist, in dem sie ein System zeigt, worin ein Spaltfluß des reduzierenden Gases in der Reduktionszone des Reaktors verwendet wird. Bei dem System der Fig. 2 wird jedoch das gesamte reduzierende Gas zu einem Punkt in der Nähe der Mitte der Reduktionszone geleitet und sodann in der Reduktionszone sowohl aufwärts- als auch abwärtsströmen gelassen, wodurch darin ein divergierender Fluß des reduzierenden Gases gebildet wird. Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen den Fig. 1 und 2 sollen nunmehr in Verbindung mit Fig. 2 lediglich die Unterschiedlichkeiten der beiden Systeme beschrieben werden.

Wie im System der Fig. 1 strömt das reduzierende Gas, das in dem Gasreformer 30 gebildet wird, durch einen Abschreckkühler 38 und sodann durch das Rohr 40 zu dem Gaszurückführungsteil des Reduktionssystems. Insbesondere ist das Rohr 40 mit einem Rohr

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200 verbunden, worin das frische reduzierende Gas mit zurückgeführtem Gas, wie unten beschrieben, vermischt wird. Das gemischte Gas wird in einem Spulenerhitzer 202 auf eine Temperatur in der Gegend von 700 bis 850⁰C erhitzt und strömt sodann durch eine Verbrennungskammer 204 in die Anfüllungskammer 25 und sodann in den Mittelteil der Reduktionszone 12. Wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, ist die Temperatur des reduzierenden Gases, das dem Erzkörper in der Reduktionszone zugeführt wird, zweckmäßigerweise in der Gegend von 900 bis 1000⁰C. Demgemäß ist die Verbrennungskammer 204 zwischen dem Erhitzer 202 und dem Reaktor angeordnet. Eine geringe Menge Luft oder Sauerstoff wird dem reduzierenden Gas in der Kammer 204 durch das Rohr 206 zugeführt, um einen Teil zur Erzielung der gewünschten, relativ hohen Temperatur für die Reduktion des Erzes zu verbrennen.

Das reduzierende Gas, das in die Reduktionszone durch die Anfüllungskammer 25 eintritt, strömt durch den Körper des Erzes in der Reduktionszone sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung. Der aufwärtsströmende Strom des reduzierenden Gases wird von dem Reaktor durch ein Rohr 208 entnommen, das eine Fließkontrolleinrichtung 210 enthält, welche den Gasstrom durch diesen Teil des Systems bei einem gewünschten vorgewählten Wert hält. Stromaufwärts der Fließkontrolleinrichtung 210 wird Wasser durch ein Abzweigrohr 212 zugeführt, welches ein Regulierungsventil 214 enthält, um die Gastemperatur zu vermindern und hierdurch Beschädigungen der Teile der Kontrolleinrichtung 210, durch welche das Gas strömt, zu vermeiden.

Der Teil des reduzierenden Gases, der nach unten durch die unteren Teile der Reduktionszone 12 strömt, wird von dem Reaktor durch die Anfüllungskammer 24 und ein Rohr 216 entfernt, welches eine Fließkontrolleinrichtung 218 enthält, die den Gasstrom durch diesen Teil des Systems bei einem vorgewählten gewünschten Wert hält. Stromaufwärts der Fließkontrolleinrichtung 218

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wird Wasser durch ein Rohr 220, das ein Regulierventil 222 enthält, einem Rohr 216 zugeführt, um die Gastemperatur zu vermindern und hierdurch Beschädigungen der Teile der Kontrolleinrichtung 218 zu vermeiden, durch welche das heiße reduzierende Gas strömt.

Die regulierten Gasströme, die durch die Rohre 208 und 216 fließen, werden in einem Rohr 224 kombiniert und hierdurch zu einem Abschreckungskühler 226 geleitet, worin Wasserdampf aus dem Gasgemisch entfernt wird. Von dem Kühler 226 strömt das gemischte Gas durch das Rohr 228 zur Saugseite einer Pumpe 230, deren Abgabeseite durch ein Rohr 200 mit dem Erhitzer 202 verbunden ist. Wie oben zum Ausdruck gebracht, wird das eintretende frische reduzierende Gas von dem Rohr 40 mit dem zurückgeführten Gas in dem Rohr 200 vermischt.

Es wird ersichtlich, daß das in Fig. 2 dargestellte System, ähnlich wie das System gemäß Fig. 1, zwei miteinander verbundene reduzierende Gasschleifen enthält. Die obere Schleife, in welcher das Gas im allgemeinen entgegen dem Uhrzeigersinn strömt, schließt die obere Zone der Reduktionszone 12, die Rohre 208 und 224, den Kühler 226, das Rohr 228, die Pumpe 230, das Rohr 200, den Erhitzer 202, die Verbrennungskammer 204 und die Anfüllungskammer 25 ein. Die untere Schleife, in welcher das reduzierende Gas im allgemeinen im Uhrzeigersinn strömt, schließt die untere Zone der Reduktionszone 12, die Anfüllungs» kammer 24, die Rohre 216 und 224, den Kühler 226, das Rohr 228, die Pumpe 230, das Rohr 200, den Erhitzer 202, die Verbrennungskammer 204 und die Anfüllungskammer 25 ein.

Wie oben ausgeführt, wird frisches reduzierendes Gas in den GaszurückfUhrungsteil des Systems der Fig. 2 durch ein Rohr 40 mit einer Geschwindigkeit zugeführt, welche durch die Fließkontrolleinrichtung 42 kontrolliert wird. Um die Menge des reduzierenden Gases ungefähr in dem GaszurUckfUhrungsteil des Sy-

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stems konstant zu halten, wird Abgas von der Saugseite der Pumpe 230 durch ein Rohr 82 entfernt, das ein Absperrventil 84 enthält. Im Falle des Systems der Fig. 1 kann das verbrauchte reduzierende Gas entweder als verbrennbares Treibgas gelagert werden oder es kann durch einen Schornstein abgelassen werden.

Wie bereits ausgeführt, ist das Fließsystem der Fig. 1 im allgemeinen gegenüber dem System der Fig. 2 zu bevorzugen, da es Gastemperaturen und Gasmengen in verschiedenen Teilen der Reduktionszone bildet, die dazu neigen, die Gesamtreduktionsgeschwindigkeit sowohl im oberen als auch im unteren Teil der Reduktionszone zu maximalisieren. Andererseits sind bei dem System der Fig. 2, obgleich die Gastemperatur und die Qualität nicht so günstig sind wie beim System der Fig. 1, diese Werte immer noch ausreichend günstig, so daß eine größere Gesamtreduktionsgeschwindigkeit im Durchschnitt und damit eine größere Produktivität erhalten werden können als es der Fall wäre, wenn man in der Reduktionszone eines Reaktors entweder einen Gegenstrom oder einen Gleichstrom anwenden würde. Darüberhinaus bringt das System der Fig. 2 bestimmte Vorteile gegenüber dem System der Fig. 1 in anderer Hinsicht als der Reduktionsgeschwindigkeit mit sich.

Es ist zu beachten, daß bei dem System der Fig. 1 das gesamte Volumen des umlaufenden Gases den Reaktor durch die Anfüllungskammer 25 verläßt. Bei der Ausgestaltung und bei dem Betrieb von technischen Anlagen, insbesondere wenn das zu behandelnde Erz einen erheblichen Teil von kleinen Teilchen enthält, kann der Transport der Teilchen aus dem Reaktor, der durch hohe Gasgeschwindigkeiten am Auslaß bewirkt wird, zu einem Problem werden. Bei dem System der Fig. 2 wird dieses Problem vermieden, da die Anfüllung mit der höheren Gasgeschwindigkeit die Einlaßanfüllung ist. Auch erfordert das System der Fig. 2 nur eine Verbrennungskammer (204) im Vergleich zu den zwei Verbrennungskammern (60,63) des Systems der Fig. 1.

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QfUGlNAL INSPEGTED

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Die Systeme der Fig. 1 und 2 sollen naturgemäß nur als Beispiele dienen, wobei zahlreiche Veränderungen gemacht werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So kann man z.B. bei der Anlage der Fig. 1, wenn eine unabhängige Temperaturkontrolle der zwei Gasströme gewünscht wird, das Gas_f das durch die Rohre 44 und 48 strömt, in getrennten Schleifen erhitzt werden anstelle in getrennten Schleifen des gleichen Erhitzers 52 erhitzen. Auch kann das Gas, das von der Pumpe 72 abgegeben wird, in einen Schleifenerhitzer 52 mit einer einzigen Erhitzungsschleife geleitet werden und das erhitzte Gas aus diesem Erhitzer kann sodann in zwei Ströme aufgeteilt werden, die getrennt regulierte Fließgeschwindigkeiten besitzen und die der Oberseite und dem Boden der Reduktionszone des Reaktors zugeführt werden. Jedoch ist letztere Modifikation mit dem Nachteil behaftet, daß Fließregulierungseinrichtungen, die zur Regulierung der Gasströme verwendet werden, den relativ hohen Temperaturen des Gases, das den Erhitzer verläßt, ausgesetzt sind, wodurch sie beschädigt werden könnten. Somit ist gewöhnlich das System der Fig. 1 zu bevorzugen, bei welchem die Fließgeschwindigkeiten der getrennten Gasströme reguliert werden, während sich das Gas bei relativ niedriger Temperatur befindet.

Wie bereits zum Ausdruck gebracht wurde, können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch zur Aufarbeitung anderer Erze als Eisenerze, beispielsweise zur Aufarbeitung von Erzen von Metallen, wie Nickel, Kupfer, Zinn, Titan, Barium und Calcium, verwendet werden.

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Claims

- 17 Patentansprüche

1, Vorrichtung zur Reduktion von teilchenförmigen Metallerzen zu Metallteilchen in einem vertikalen Schaftreaktor mit bewegendem Bett, welcher eine Reduktionszone aufweist, in welcher ein heißes reduzierendes Gas durch einen Teil des Betts strömengelassen wird, um das Metallerz zu Metall zu reduzieren, gekennzeichnet durch einen ersten Kanal, der mit dem Reaktor in der Nähe der Mitte der Reduktionszone verbunden ist, einen zweiten Kanal, der mit dem, Reaktor in der Nähe der Oberseite bzw. der Spitze der Reduktionszone und mit dem ersten Kanal an einem Punkt im Abstand von dem Reaktor verbunden ist, einen dritten Kanal, der mit dem Reaktor in der Nähe des Bodens der Reduktionszone und mit dem ersten Kanal an einem Punkt im Abstand von dem Reaktor verbunden ist, wobei der erste und der zweite Kanal und der obere Teil der Reduktionszone eine erste Gasströmungsschleife und der erste und der dritte Kanal und der untere Teil der Reduktionszone eine zweite Gasströmungsschleife bilden, Pumpeinrichtungen in den Schleifen, um das Gas hierdurch durchzupumpen, Erhitzungseinrichtungen in den Schleifen, um das dadurchströmende Gas zu erhitzen, Ventileinrichtungen in den Schleifen, um den Gasstrom hierdurch zu regulieren, eine Quelle für frisches reduzierendes Gas, Kanaleinrichtungen, welche die Frischgasquelle mit dem ersten Kanal verbinden, und Ablaßeinrichtungen, die mit dem ersten Kanal verbunden ist, um einen Teil des Gases abzulassen, das durch die Schleifen strömt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß getrennte Heizeinrichtungen in dem zweiten und dritten Kanal vorgesehen sind, um das Gas zu erhitzen, das hierdurch strömt, bevor es in die Reduktionszone eintritt.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Heizeinrichtungen in dem ersten Kanal vorgesehen sind, um das Gas, das hierdurch strömt, zu erhitzen, bevor es in die Reduktionszone einströmt.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß Pumpeinrichtungen in dem ersten Kanal Vorgesehen sind, um das Gas durchzupumpen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtungen so angeordnet sind, daß das Gas in Richtung zum Reaktor gepumpt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Pumpeinrichtungen so angeordnet sind, daß das Gas von dem Reaktor weggepumpt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η ze i c h η e t , daß Ablaßeinrichtungen mit dem ersten Kanal zwischen den Pumpeinrichtungen und dem Reaktor verbunden sind, um Gas von dem ersten Kanal abzulassen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7_f dadurch gekennzeichnet , daß Ablaßeinrichtungen mit dem ersten Kanal auf der Saugseite der Pumpeinrichtungen vorgesehen sind und daß der Frischgaskanal mit dem ersten Kanal auf der Abgabeseite der Pumpeinrichtungen verbunden ist.
9. Verfahren zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß man einen ersten Strom eines heißen reduzierenden Gases in den Reaktor in der Nähe der Mitte der reduzierenden Zone einführt und Teile desselben durch das Erzbett der Reduktionszone in Aufwärtsrichtung und Abwärtsrichtung

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strömen läßt, das aufwärtsströmende reduzierende Gas in der Nähe der Oberseite bzw. der Spitze der Reduktionszone als zweiten Strom entfernt, das abwärtsströmende reduzierende Gas in der Nähe des Bodens der Reduktionszone als dritten Strom entfernt, den zweiten und dritten Strom außerhalb des Reaktors unter Bildung des ersten Stroms vereinigt, dem ersten Strom kontinuierlich frisches reduzierendes Gas zuführt und daß man von dem ersten Strom kontinuierlich verbrauchtes reduzierendes Gas abläßt.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß man die Fließgeschwindigkeiten des zweiten und dritten Gasstroms getrennt reguliert,' bevor man die Gasströme zur Bildung des ersten Stroms vereinigt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß man das reduzierende Gas, das durch jeden der zweiten und dritten Ströme strömt, durch Zugabe von Wasser zwischen dem Punkt, an welchem es den Reaktor verläßt, und dem Punkt, an welchem die Fließgeschwindigkeit reguliert wird, abkühlt .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß man den ersten Strom, nachdem er durch Vereinigung des zweiten und des dritten Stroms gebildet worden ist, abkühlt, um Wasserdampf daraus zu entfernen, und daß man ihn sodann erhitzt, bevor man ihn in die Reduktionszone einführt.
13. Verfahren zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen ersten Strom des heißen reduzierenden Gases dem Reaktor in der Nähe der Oberseite bzw. Spitze der reduzierenden Zone zuführt und es in Abwärtsrichtung

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ORIOlNAL INSfECTgD

durch das Erzbett strömen läßt, dem Reaktor einen zweiten Strom des heißen reduzierenden Gases in der Nähe des Bodens der Reduktionszone zuführt und es in Aufwärtsrichtung durch das Bett strömen läßt, beide Gasströme unter Bildung eines dritten Stroms vereinigt, der von dem Reaktor in der Nähe der Mitte der Reduktionszone entnommen wird, einen vorgewählten Teil des dritten Stroms als erster Strom zu der Oberseite bzw. Spitze der Reduktionszone zurückführt, den Rest des dritten Stroms als zweiten Strom zu dem Boden der Reduktionszone zurückführt, frisches reduzierendes Gas dem dritten Strom zuführt und daß man verbrauchtes reduzierendes Gas von dem dritten Strom an einem Punkt zwischen der Reduktionszone und dem Punkt, an welchem das Frischgas zu dem dritten' Strom zugeführt wird, abläßt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten und den zweiten Strom vor dem Eintritt in die reduzierende Zone erhitztI
15· Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , daß man die GasStrömungsgeschwindigkeiten des ersten und des zweiten Stroms im wesentlichen gleich hält.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 3 bis 15» dadurch gekennzeichnet , daß man den dritten Strom abkühlt, um Wasserdampf daraus zu entfernen, bevor man ihn in den ersten und zweiten Strom aufteilt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß man als Metallerz Eisenerz verwendet und daß die Metallteilchen Schwammeisenteilchen sind.

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