DE2256266A1

DE2256266A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduktion von metallerzteilchen

Info

Publication number: DE2256266A1
Application number: DE2256266A
Authority: DE
Inventors: Juan Celada; William Mackay; Enrique R Martinez
Original assignee: Fierro Esponja SA
Current assignee: Fierro Esponja SA
Priority date: 1971-11-26
Filing date: 1972-11-16
Publication date: 1973-05-30
Also published as: IL40758A; JPS5232612B2; IL40758A0; JPS4863916A; US3816102A; GB1372289A; PH10147A; NL158850B; AU4878172A; ES409001A1; DE2256266B2; AU463201B2; FR2161071A1; CA966655A; BE791784A; TR17038A; IT973677B; AT322590B; BR7208265D0; LU66549A1

Description

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

Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Metallerzteilchen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Gasreduktion von Erzteilchen zu Metallen in Teilchenform in einem vertikalen Schachtreaktor-Fliessbett und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung

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der Wirksamkeit der Reduktion des Erzes in einem derartigen Reaktor. In der folgenden Beschreibung werden das Verfahren und die Vorrichtung veranschaulichend bei der Anwendung zur Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen beschrieben. Aus der folgenden Beschreibung wird jedoch dem Fachmann klar, dass die Erfindung auch auf die Behandlung von anderen Erzen ausser Eisenerz anwendbar ist.

Im allgemeinen umfasst die Herstellung von Schwammeisen in einem vertikalen Schachtfliessbettreaktor zwei hauptsächliche Schritte, nämlich Reduktion des Erzes in einer Reduktionszone des Reaktors mit einem geeigneten heissen reduzierenden Gas und anschliessendes Abkühlen des resultierenden Schwammeisens mit einem gasförmigen Kühlmittel in einer Kühlzone des Reaktors. Das Reduktionsgas stellt typischerweise ein Gas, das weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, dar, das beispielsweise durch katalytische Umformung eines Gemisches aus Erdgas und Dampf oder durch eine Wasser-Gas-Reaktion oder in anderer bekannter Weise erzeugt wurde. Das Reduktionsgas wird mit dem Eisenerz in der Reduktionszone des Reaktors bei einer Temperatur in der Grössenordnung von 850° bis 110O⁰C, vorzugsweise 900° bis 1000⁰C in Berührung gebracht. Das Reduktionsgas kann in den Reaktor am unteren Ende der Reduktionszone eingeführt und im Gegenstrom zu dem sich abwärts bewegenden Erzbett geführt oder in alternativer Weise kann das Reduktionsgas am oberen Ende der Reduktionszone eingeführt und im Gleichstrom mit dem sich abwärts bewegenden Erzbett geführt werden.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung kann angeführt werden, dass die in einem derartigen Reaktor erreichte Gesamtreduktionsgeschwindigkeit primär von 2 Paktoren abhängt, insbesondere (a) der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den reduzierenden Bestandteilen des

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Gases und dem Sauerstoff des Erzes und (b) der Geschwindig-_ keit, mit der das Reduktionsgas in das Innere der Erzpartikel eindiffundiert. Die chemische Reaktionsgeschwindigkeit ist stark temperaturabhängig, während die Gasdiffusionsgeschwindigkeit in die Erzpartikel im wesentlichen temperaturanabhängig ist und stark von der Wasserstoffkonzentration in dem Reduktionsgas abhängt. In den frühen Stufen des Reduktionsverfahrens, d.h., wenn das Reduktionsausmass des Erzes zwischen beispielsweise 0 % und etwa 60 % liegt, stellt die chemische Reaktionsgeschwindigkeit den dominierenden Paktor bei der Bestimmung der Gesamtreduktionsgeschwindigkeit dar, während im späteren Verlauf des Reduktionsverfahrens, d.h., zwischen beispielsweise 60 $-iger und 95 $-iger Reduktion die Gasdiffusionsgeschwindigkeit den dominierenden Paktor bei der Bestimmung der Gesamtreduktionsgeschwindigkeit darstellt.

Bei den Fällen, wo der Gegenstromfluss des Reduktionsgases und des Erzes verwendet wird, kommt das frische, einen hohen Prozentsatz an Wasserstoff enthaltende Gas anfänglich mit weithin reduziertem Erz in Berührung. Somit ist die Diffusionsgeschwindigkeit des Gases in die Erzteilchen relativ hoch. In anderen Worten begünstigen die Bedingungen in dem unteren Teil der Reduktionszone eine relativ hohe Gesamtreduktionsgeschwindigkeit. Mit der Aufwärtsbewegung des Gases in den oberen Teil der Reduktionszone nehmen sowohl dessen Temperatur als auch der Gehalt an reduzierenden Bestandteilen ab. Wie im Vorstehenden angeführt wurde, wird, wenn der Reduktionsprozentsatz, weniger als βθ % beträgt, die chemische Reaktionsgeschwindigkeit ein dominanter Paktor, wobei diese Reaktionsgeschwindigkeit wiederum durch sowohl die relativ niedrige Temperatur des Gases als auch dessen niedrige Konzentration an reduzierenden Bestandteilen beeinflusst wird. Demnach sind die Bedingungen in dem oberen Teil der Reduktionszone vom Standpunkt des Erreichens einer ho-

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hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit unvorteilhaft.

In den Fällen wo ein Gleichstrom des Reduktionsgases und des Erzes angewendet wird, führen die hohe Temperatur und Konzentration an reduzierenden Bestandteilen des in den oberen Teil der Reduktionszone eintretenden Gases zur Maximierung der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit. Somit sind die Bedingungen im oberen Teil der Reduktionszone vom Standpunkt des Erreichens einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit vorteilhaft. Jedoch ist im unteren Teil der Reduktionszone das Gas im wesentlichen von seinem Wasserstoffgehalt befreit und diffundiert somit relativ langsam in das Innere der weithin reduzierten Schwammeisenteilchen. Da diese Diffusionsgeschwindigkeit den dominanten Paktor in der Gesamtreduktionsgeschwindigkeit im Fall weithin reduzierter Teilchen darstellt, sind die Bedingungen im unteren Teil der Reduktionszone vom Standpunkt des Erreichens einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit unvorteilhaft.

In einigen Fällen ist es wünschenswert den Kohlenstoffgehalt des reduzierten Schwammeisens zu erhöhen. Diese Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes kann bequem, wie es beispielsweise in der US-PS 3.136.624 beschrieben ist, durch Verwendung eines Kohlenstoff enthaltenden Reduktionsgases als Kühlmittel unter derartigen Bedingungen bewirkt werden, dass zumindest ein Teil des Kühlmittelgases zur Abscheidung von Kohlenstoff auf den Oberflächen der Schwammeisenteilchen gecrackt wird. Durch geeignete Regelung der Zusammensetzung und der Fliessgeschwindigkeit des Kühlgases kann eine gewünschte Menge an Kohlenstoff, beispielsweise 1.5 bis 23ei$ des Schwammeisens auf den Schwammeisenteilchen abgeschieden werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Reduktion von Metallerzen, z.B. Eisenerzen, zu Schwammetall, z.B. Schwammeisen, zur Verfügung zu stellen

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und das reduzierte Metall unter derartigen Bedingungen zu kühlen, dass eine gewünschte Menge von Kohlenstoff hierauf abgeschieden wird.

Die Erfindung hat sich weiter die Aufgabe gestellt, ein derartiges Verfahren mit verbesserter Reduktionswirksamkeit zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung ist insbesondere darauf gerichtet, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Gasreduktion von Metallerzen in einem Fliessbettreaktor zur Verfügung zu stellen, welches die Vorteile des Gegenstroms und des Gleichstroms von Gas und Erz in der Reduktionszone des Reaktors unter Minimierung von deren Nachteilen kombiniert.

Die Erfindung hat sich weiter die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu liefern, das die vorstehend angeführten Aufgaben mit einem Minimum an Hilfsvorrichtungen wie Pumpen, Erhitzer, Kühlgeräte und dergleichen erfüllt.

Die Erfindung hatjfeich weiter die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die zum Erhalt eines vorgegebenen Reduktionsausmasses erforderliche Verweilzeit in dem Reaktor verringert und hierdurch die Produktion des Reaktors erhöht.

Die Erfindung hat sich weiter die Aufgabe gestellt,.ein effizientes und wirksames Verfahren zur Regelung des Flusses der verschiedenen Gasströme in einem System des hier beschriebenen Typs zu liefern.

Weitere Aufgaben der Erfindung werden teilweise nächste-, hend offenbar oder veranschaulicht.

Die, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden nm hosten unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung verstanden

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und gewürdigt, welche schematisch die Vorrichtung dadurch veranschaulicht, dass sie eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung einführt, die geeignet ist, zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet zu werden. Das in der Zeichnung gezeigte Erzreduktionssystem umfasst im allgemeinen einen vertikalen Schachtreaktor mit einem darin nach unten bewegten Erzteilchenbett und miteinander verbundenen Reduktionsgas-und Kuhlgassehleifen für die Zufuhr von Reduktionsgas und Kühlgan in den Reaktor zur Reduktion des darin befindlichen Eisenerzes und Kühlung des reduzierten Metalles. In der Zeichnung ist der vertikale Schachtreaktor allgemein durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet und weist in seinem oberen Teil eine Reduktionszone 12 und in seinem unteren Teil eine Kühlzone 14 auf. Der Reaktor 10 wird in geeigneter Weise wärmeisoliert und innen mit einem feuerfesten Material in bekannter V/eise ausgekleidet. Zu behandelnde Erzteilchen werden in den Reaktor 10 durch eine Zufuhrleitung 16 eingeführt. Das einzubringende Erz kann in Form von Klumpen oder von vorgebildeten Pellets vorliegen. Es fliesst durch die Reduktionszone 12 abwärts, in der es weitgehend zu Schwammeisen in der nachstehend beschriebenen Weise reduziert wird, anschliessend durch die Kühlzone 14, in der es durch hindurchfl!essendes Kühlgas gekühlt wird und verlässt den Reaktor durch die Auslassleitung 18.

In der Nähe der Reduktionszone 12 ist der Reaktor mit einer ringförmigen Luftkammer 20 versehen, die sich um die Peripherie des Reaktors ausdehnt und eine Vorrichtung darstellt, durch die Reduktionsgas in den Heaktor eingeführt werden kann. Am unteren Teil der Reduktionszone 12 befindet sich eine zweite Luftkammer 22, die der Luftkammer 20 ähnlich ist, durch die Reduktionsgas aus dem Reaktor entfernt v/erden kann. Tn der Mähe des unteren Teils des Reaktors befindet sich ein abgestumpft konischer; Ablenkblech 2't, wel-

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ches zusammen mit der Reaktorwand einen ringförmigen Raum 26 festlegt, durch welchen das Kühlgas in den Reaktor eingeführt werden kann, um durch den Körper der reduzierten Teilchen in. der Kühlzone 14 zu fliessen«, Sofern gewünscht, kann, der Reaktor 10 bei erhöhtem Druck betrieben werden, wobei in 'diesem Fall'das Erz von dem oberen Ende des Reaktors eingespeist und das Schwammeisen von dem unteren Teil des Reaktors unter Verwendung geeigneter und bekannter Zufuhr- und Auslassvorrichtungen entfernt, die zur Aufrechterhaltung des gewünschten Druckes angepasst sind.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird der Gasfluss durch die verschiedenen Teile des. veranschaulichten Systems durch eine Zahl von Instrumenten geregelt und kontrolliert. Um die Beschreibung zu vereinfachen wird das allgemeine Gasfliessmuster in dem System zuerst und anschliessend die Instrumente zur Regulierung und Kontrolle des Flusses in den verschiedenen Teilen des Systems hiernach anschliessend beschrieben.

Im linken Teil der Zeichnung tritt frisches Reduktionsgas, das weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammengesetzt ist, in das System durch eine Leitung 28 von einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) ein. Das Reduktionsgas kann beispielsweise in einem bekannten Typus eines katalytischen Reformers erzeugt werden, indem ein Gemisch von vorerhitztem Erdgas und Dampf durch ein erhitztes Katalysatorbett des Reformers durchgeführt werden. Beim Durchfluss durch das Katalysatorbett wird das Erdgas/Dampf-Gemisch in ein Gasgemisch übergeführt, das weitgehend aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasserdampf besteht. Das aus dem Reformer ausströmende Gas wird durch einen Abschreckungskühler hindurchgeführt, infdem es zur Entfernung des grössten Teils des Wasserdampfes hieraus abgekühlt wird, wonach das gekühlte Gas in die Leitung 28 eingeführt werden kann. ■

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Das in das System durch die Leitung 28 eintretende Gas wird geteilt, Wobei ein Teil hiervon duroh die Leitung 30 zu einer Reduktionsgassebleife des Systems fliesst, während der Rückstand des eintretenden Gases durch eine Leitung 31 in eine Kühlgasschleife des Systems fliesst. Ins-, besondere fliesst eintretendes Reduktionsgas von der Leitung 30 in die Leitung 32 und von dort zu einer Heizschlange 34 eines Heizgerätes 36* in der es auf eine Temperatur in der Grössenordnung von 700 bis 85O⁰C erhitzt wird.

Da die Temperatur des Reduktionsgas« bei Eintritt in den Reaktor vorzugsweise in der Grössenordnung von 900 bis HOO⁰C, d.h., oberhalb der Temperatur des Gases, das das Schlangenheizgerät 36 verlässt, liegen sollte, wird das Gas weiter vor Eintritt in den Reaktor in einer Verbrennungskammer 38 erhitzt, mit der der Auslass der Schlange 34 durch eine Leitung 40 verbunden ist. Innerhalb der Verbrennungskammer 38 wird das Reduktionsgas mit einer kleineren Menge Luft oöor Sauerstoff, die durch Leitung 42 eingeführt werden, vermischt. Ein Teil des Reduktionsgases wird innerhalb der Verbrennungskammer verbrannt, um die Temperatur des resultierenden Gemisches auf den gewünschten Wert anzuheben. Insbesondere in Fällen, wo Luft als Oxidationsmittel verwendet wird, wird das Oxidationsgas vorzugsweise auf ungefähr die Temperatur des Reduktionsgases mit dem es gemischt wird, vorerhitzt. Ein derartiges Vorerhitzen kann beispielsweise in einem Schlangenheizgerät wie dem Schlangenheizgerät 36 durchgeführt werden. Die Zugabe von Luft oder Sauerstoff zu dem Reduktionsgas kann beispielsweise, wie es in der US-Patentschrift 2.900.247 beschrieben ist, durchgeführt werden.

Das heisse Gas der Verbrennungskammer 38 fliesst durch die Luftkammer 20 in die Reduktionszone 12 des Reaktors in der

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Nähe des Zentrums der Reduktionszone und wird ansohliessend geteilt. Insbesondere fliesst ein Teil des eintretenden Gra ses durch die Reduktionszone nach oben, d.h., im Gegenstrom zu dem Fluss des Erzes in dem Reaktor, während der Rückstand des eintretenden Gases durch den Teil des Erzbettes nach unten in den unteren Teil der Reduktionszone, d.h., im Gleichstrom mit dem Fluss der Erzteilchen in dem Reaktor fliesst. Der nach oben fliessende heisse Reduktionsgasstrom bewirkt eine teilweise Reduktion des Erzes im oberen Teil der Reduktionszone und wird in der Nähe des oberen Endes^ des Reaktors durch eine Leitung 44 entfernt, die zu einem Abschreckungskühler 46 führt, in den Wasser durch eine Leitung 48 zur Kühlung und Entwässerung des ausfliessenden Gases eingeführt wird.

Der Teil des heissen Reduktionsgases, der in den Reaktor aus der Verbrennungskammer 38 eintritt und nach unten durch die Reduktionszone fliesst, vervollständigt im wesentlichen die Reduktion des Erzes im unteren Teil der Reduktionszone und wird anschliessend mit dem Gas, das durch die Kühlzone 14 aufwärts fliesst, in einer im nachstehenden weiter beschriebenen Weise vereinigt. Die kombinierten Gasströme werden von dem Reaktor durch die Luftkammer 22 und eine Leitung 54 abgezogen.Gas von der Spitze des Reaktors, das den Kühler 46 durch die Leitung 50 verlässt, wird mit dem durch Leitung 54 fliessenden Gas vermischt und das resultierende Gemisch fliesst durch Leitung 56 zu einem Abschreckungskühler 58, in dem es zur Verringerung seiner Temperatur und zur Entfernung von Wasserdampf hieraus gekühlt wird.

Da das durch Leitung 56 in den Kühler 58 fliessende Gasgemisch von den reduzierenden Bestandteilen relativ befreit ist, wird das aus dem Kühler 58 ausfliessende Gas geteilt und ein Teil hiervon aus dem System entfernt. Insbesondere fliesst das aus dem Kühler 58 ausfliessende Gas durch die

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Leitung 60 zu einem Abzugsrohr 62, durch welches ein Teil des Gases das System mit dem Rückstand des Gases, das durch die Leitung 64 zn der Ansaugseite einer Pumpe 66 fliesst, verlässt.

Das aus dem System durch das Abzugsrohr 62 entfernte Gas kann als Brenngas für das Heizgerät 36 oder für andere Zwecke nach Wunsch verwendet werden.

Der Teil des durch Leitung 64 zur Pumpe 66 fliessenden Gasgemisches wird durch die Leitung 68 ausgelassen und erneut in zwei Teile aufgeteilt, wovon einer durch die Leitung 32, das Heizgerät 36, die Leitung 40 und die Verbrennungskammer 38 in der Luftkammer 20 zurückgeführt wird und der andere Teil hiervon fliesst durch die Leitung 70 zu dem unteren Teil der Kühlzone 14 des Reaktors. Insbesondere tritt das relativ kalte, durch die Leitung 70 fliessende Gas in den Reaktor durch die Kammer 26 ein und fliesst durch das reduzierte Metall in der Kühlzone 14 zu dessen Kühlung aufwärts. Beim Durchfluss durch die Kühlzone wird das Kühlgas erhitzt und ein Teil hiervon zur Abscheidung von Kohlenstoff auf der Oberfläche des Schwammeisens gecrackt. Wie vorstehend angeführt,wird das nach oben durch die Kühlzone 14 fliessende Kühlgas mit dem nach unten fliessenden Reduktionsgasstrom in dem unteren Teil der Reduktionszone kombiniert und der kombinierte Gasstrom durch die Luftkammer 22 abgezogen.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass das Gas in dem vorliegenden System in drei miteinander verbundenen Schleifen fliesst, die den oberen Teil der Reduktionszone, den unteren Teil der Reduktionszone und die Kühlzone jeweils einschliessen. Somit schliesst die erste Gasschleife den oberen Teil der Reduktionszone, die Leitung 44, den Kühler 46, die Leitung 50, die Leitung 56, den Kühler 58, die Leitung 60, die Leitung 64, die Pumpe

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66, die Leitung 68, die Leitung 32, das Heizgerät 36, die Leitung 40, die Verbrennungskammer 38 und die'Luftkammer 20 ein. Die zweite Schleife umfasst den unteren Teil der Reduktionszone, die Luftkammer 22, die Leitung 54, die Leitung 56, den Kühler 58, die Leitung 60, die Leitung 64, die Pumpe 66, die Leitung 68, die Leitung 32, das Heizgerät 36, die Leitung 4o, die Verbrennungskammer 38 und die Luftkammer 20. Die dritte Schleife umfasst die Kühlzone 14, die Luftkammer 22, die Leitung 54, die Leitung 56, den Kühler 58, die Leitung 60, die Leitung 64, die Pumpe 66, die Leitung 68, die Leitung 70 und den ringförmigen Raum 26. Es wird festgestellt, dass die Leitung 32, das Heizgerät 36 und die Verbrennungskammer 38 sowohl der ersten wie auch der zweiten Schleife angehören, wodurch der Gebrauch lediglich eines Heizsystemes für beide Gasströme, die durch die Reduktionszone fliessen erforderlich ist» .Auch der Kühler 58, die Leitung 60, die Leitung 64, die Pumpe 66 und die Leitung 68 gehören allen drei Schleifen an und somit kann der erwünschte Gasfluss mit einer einer einzigen Pumpe erzielt werden.

Wendet man sich nun der Ausrüstung des Systems mit Instrumenten zu, wie vorstehend angeführt^ so tritt frisches Reduktionsgas in das System durch die Leitung.28 ein, welche mit einem Plussaufzeichnungsgerät PR-7 des Düsentypus zur Anzeige des Einlassgasflusses versehen ist. Das Abzugsrohr 62 zur Entfernung von abgereichertem bzw. erschöpftem Reduktionsgas aus dem System ist mit einem Gegendruckregulator 72 versehen, der einen manuell einstellbaren Pixpunkt bzw₀ Sollwert aufweist, so dass dieser zur Aufrechterhaltung eines; gewünschten positiven und konstanten Druckes in dem System zur Verbesserung der Wirksamkeit der Pumpe 66 und auch zur Verhinderung eines Luftleckschadens innerhalb des Systems eingeregelt werden kann.

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Die Leitung 32 in der Nähe des Einlasses des Heizgerätes 36 ist mit einem Plusskontrollschreiber PRC-I mit einem manuell einstellbaren Pixpunkt bzw. Sollwert versehen, wodurch ein vorbestimmter, erwünschter Durchfluss durch die Leitung 32 festgelegt werden kann. Wenn der durch PRC-I abgerufene Gasfluss grosser als der durch die Leitung 32 wieder zurückgeführte Fluss ist, fliesst durch die Leitung 30 Frischgas in Leitung 32,um die Differenz auszugleichen.

In gleicher Weise enthält die Leitung 50 ein Regelgerät FRC-2 mit einem manuell einstellbaren Regelwert. Die Einstellung des Kontrollgerätes FRC-2 bestimmt die relativen Mengenverhältnisse des in den Reaktor durch die Luftkammer 20 eintretenden Gases, die auf- und abwärts durch die Reduktionszone fliessen.

Die Leitung 70 der KUhlschleife ist mit einem Kontrollgerät PRC-3 ausgerüstet, welches manuell zur Erzeugung eines gewünschten Kühlgasflusses in die KUhlzone 14 eingestellt werden kann. Diese Einstellung hängt teilweise von der gewünschten Kohlenstoffabscheidung in der Kühlzone ab. Sofern der durch FRC-3 abgerufene Gasfluss grosser als der durch die Leitung 70 wieder zurückgeführte Fluss ist, wird Frischgas in die Kühlschleife durch die Leitung 3I eingezogen.

Der Fluss durch die Leitungen 60 und 64 wird automatisch zur Aufrechterhaltung eines konstanten Verhältnisses zwischen dem nach unten gerichteten und dem nach oben gerichteten Stromfluss des Abzugsrohrs 62 reguliert. Somit enthält die Leitung 60 einen Strömungsmesser, der allgemein mit PR-5 bezeichnet ist und auf den Different!aldruck (he) über Düse 74 in der Leitung 60 anspricht. Das Messgerät PR-5 ist zur Erzeugung eines entsprechenden Signals eingestellt, welches

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einem Verhältniscomputer 76 übermittelt wird. Die Leitung 64 enthält einen weiteren Strömungsmesser, der allgemein mit FR-6 bezeichnet ist und eine öffnung bzw. Düse 78, einen auf den Differentialdruck (hg) über die Düse 78 ansprechenden Sensor 80, einen auf den Druck (Pg) in Leitung 64 an- sprechenden Sensor 82 und einen auf die Temperatur (Tg) des Gases in Leitung 64 ansprechenden Sensor 84 umfasst. Die Sensoren erzeugen Signale, die einem Verhältniscomputer übermittelt werden, der ein dem Quadrat des Flusses proportionales Signal erzeugt, das heisst, (hg)(Pg)/Tg welches gleich (Fg/Kg) ist, wobei K die öffnungs- bzw, Düsenkonstante darstellt.

Das durch den Sensor 80 erzeugte Signal, d.h„ (hg) wird dem Verhältniscomputer 76 übermittelt, der ein dem Verhältnis hg/hj- entsprechendes Signal erzeugt. Da das durch die öffnungen 74 und 78 fliessende Gas den gleichen Druck und Temperatur aufweist, ist es nicht erforderlich, dass das Messgerät PR-5 mit separaten Druck- und Temperatursensoren versehen wird. Da auch die Zusammensetzung des durch die öffnungen 7^ und 78 fliessenden Gases die gleiche ist, beeinflusst das spezifische Gewicht des Gases das Verhältnis hg/hp. nicht. Das Ausgabesignal des Computers 76 wird dem Kontrollschreiber FRC-8 übermittelt, welcher es in einen pneumatischen Druck zur Regulation des Ventils 86 in der Leitung 68 umwandelt und somit das Ventil zur Konstanthaltung des Verhältnisses hg/h,- reguliert.

Wie vorstehend beschrieben, wird an dem Auslassende der Leitung 68 der Gasfluss in einen Teil des durch die Leitung 32 zu dem Heizgerät 36 fliessenden Gases und einen zweiten Teil des durch Leitung 70 zu der Kammer 26 am unteren Ende der Kühlsection des Reaktors fliessenden Gases aufgeteilt. Der Teil dieses aufgeteilten Gasflusses, der

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durch den Teil der Leitung 32 zwischen den Leitungen 68 und 30 fliesst, wird derart geregelt, dass dieser Gasfluss einen im wesentlichen konstanten Teil des Oasflusses durch die Leitung 68 darstellt. Um diese Aufgabe zu erreichen ist ein allgemein mit FR-4 bezeichneter Strömungsmesser, der dem Messgerät FR-6 ähnlich ist, vorgesehen. Das Messgerät FR-4 umfasst eine öffnung 88, einen auf den Differentialdruck (h^) über die öffnung 88 ansprechenden Sensor 90, einen auf den Druck (P₂.) in Leitung 32 ansprechenden Sensor 92 und einen auf die Temperatur (Th) des Gases in Leitung 32 ansprechenden Sensor 9k. Die Sensoren 90, 92 und 94 erzeugen Signale, die einem Verhältniscomputer 96 des Strömungsmessers FR-4 übermittelt werden. Der Verhältniscomputer 96 erzeugt ein, dem Quadrat des Flusses in Leitung 32 proportionales Signal, d.h., (h^)(P^)/T^ welches gleich (F^/K^) ist, wobei K die öffnungskonstante darstellt. Dieses Signal wird einem Verhältniscomputer 98 übermittelt.

Wie vorstehend beschrieben, erzeugt der Verhältniscomputer 85 des Strömungsmessers FR-6 ein Signal, das dem Quadrat des Flusses durch die Leitung 64 (Fg/Kg) gleich ist. Dieses Signal wird, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, auch dem Verhältniscomputer 98 übermittelt. Wie in der Zeichnung angegeben ist, erzeugt der Computer 98 ein Signal, das eine Funktion des Verhältnisses der zwei Eingabesignale ρ ρ

und (Pg/Kg) darstellt. Das Ausgabesignal des Computers 98 wird einem Strömungsregler FRC-9 übermittelt, indem es in einen entsprechenden pneumatischen Druck zur Regelung des Ventils 100 umgewandelt wird. Somit wird das Ventil automatisch reguliert, um das Verhältnis des Flusses durch die Leitung 32 (vor dem Zusatz von Frischgas) zu dem Fluss durch die Leitung 64 im wesentlichen konstant zu halten. Dem Fachmann ist offenbar, dass die verschiedenen Signale, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, sowohl auf entwe-

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der pneumatischem oder elektrischem Wege übermittelt werden können.

Die bestimmten,in den verschiedenen Teilen des vorstehend beschriebenen Systems verwendeten Gasströme variieren in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie der Art und Teilchengrösse des Erzes, der Verweilzeit des Erzes in dem Reaktor, dem Ausmass der gewünschten Reduktion und der zur Abscheidung auf dem reduzierten Erz gewünschten Kohlenstoffmenge. Veranschaulichende Näherungswerte der Flüsse bzw. Ströme in den unterschiedlichen Teilen des Systems sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben:

Gasstromeinheiten

In den Reaktor bei der Luftkammer 20 eintretendes Gas 200

Aufwärtsstrom in der Reduktionszone 12 150

Abwärtsstrom in der Reduktionszone 12 50

In den Reaktor bei Kammer

26 eintretendes Gas , 100

Gasfluss in Leitung 5²^ 150

Gasfluss in Leitung 60 300

Gasfluss in Leitung 62 150

Gasfluss in Leitung 6k 150

Gasfluss in Leitung 32 vor -

Zusatz 100

Gasfluss in Leitung 70 vor

Zusatz 50

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Gasstromeinheiten

Gasfluss in Leitung 30 100

Gasfluss in Leitung 31 50

Gasfluss in Leitung 28 150

Die in vorstehender Tabelle enthaltenen Ströme sind lediglich annähernd wiedergegeben, da beispielsweise Veränderungen infolge von Luft- oder SauerstoffInjektionen in die Verbrennungskammer 38, Veränderungen durch die Gas-Feststoff reaktion in dem Reaktor und Veränderungen infolge der Wasserveränderung in dem Kühlturm 58 nicht in Rechnung gestellt sind. Die Fluss- bzw. Strömungswerte sollen lediglich eine grobe Vorstellung der typischen Ströme in den unterschiedlichen Teilen des Systems wiedergeben.

Aus der vorstehenden Beschreibung sollte hervorgehen, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Reduktion und Kühlung von Metallerzen, das zur Erfüllung der eingangs erwähnten Aufgaben geeignet ist, zur Verfügung stellt. Durch die Verwendung eines geteilten Stromes des Reduktionsgases in der Reduktionszone des Reaktors werden die vorteilhaften Merkmale des Gegenstroms und des Gleichstroms des Gases und Erzes erhalten, während die nachteiligen Merkmale dieser beiden Strömungstypen minimiert werden. Sowohl die geteilten Reduktionsgasströme als auch die Kühlgasströme werden wieder zurückgeführt und die Zurückführung von allen dreien dieser Ströme wird mit einer einzigen Pumpe, Kühlgerät und Verbrennungskammer bewirkt. Somit stellt die vorliegende Erfindung ein aussergewöhnlich wirksames Verfahren zur Erzeugung von

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Schwammeisen mit einem gewünschten Kohlenstoffgehalt in einem vertikalen Schachtreaktor mit bewegtem Bett zur Verfügung.

Ein weiterer Vorteil des Systems liegt in der Tatsache^ dass die Luftkammer 20 in der Mähe des Zentrums der Reduktionszone eine Einlassluftkammer darstellt. Beim Entwurf und dem Betrieb von Industrieanlagen, insbesondere wo das behandelte Erz einen wesentlichen Anteil an kleinen Teilchen ent~ hält, kann der Transport der Teilchen aus dem Reaktor* der durch hohe Gasgeschwindigkeiten bei einer Auslasskammep bewirkt wird, ein Problem darstellen» In dem hierbeschriebenen System stellt die Luftkammer 20, welche einen relativ hohen Gasstrom führt, eine Einlasskammer dar, wodurch das Transportproblem der Teilchen aus diesem Teil des Reaktors eleminiert wird. Während es zutrifft, dass ein relativ grosses Gasvolumen den Reaktor durch die Luftkammer 22 verlässt, weist dieses Gas eine relativ niedrige Temperatur auf, was das Transportproblem weniger akut gestaltet„

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen in einem vertikalen Schachtfliessbettreaktor, der in seinem oberen TeiL eine Reduktionszone, in der ein heisses Reduktionsgas durch einen Teil des Bettes zur Reduktion von dessen Metallerz zu Metall geführt wird und eine Kühlzone in dem unteren Teil des Bettes zur Kühlung der reduzierten Metallteilch,en aufweist, dadurch gekennzei chnet, dass man einen ersten Strom heissen Reduktionsgases in den Reaktor in der Nähe des Zentrums der Reduktionszone einspeist und bewirkt, dass getrennte Teile des Stromes aufwärts und abwärts durch das Bett fliessen, den nach oben fliessenden Teil des ersten Stromes aus dem Reaktor in der Nähe des oberen Endes der Reduktionszone als zweiten Gasstrom entfernt, einen dritten Strom eines kalten Reduktionsgases in den Reaktor in der Nähe des unteren Endes der Kühlzone einspeist und dessen Aufwärtsfliessen durch das Bett in die Kühlzone bewirkt, das aufwärtsfliessende Gas in der Kühlzone und das abwärtsfliessende Gas in der Reduktionszone zur Bildung eines vierten Gasstromes kombiniert und die vierten Gasstrom aus dem Reaktor entfernt, die zweiten und vierten Gasströme zur Erzeugung eines fünften Gasstroms vermischt einen Teil des fünften Gasstroms in den Reaktor als ersten Strom zurückführt und den Rest des fünften Stroms in den Reaktor als dritten Strom zurückführt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den ersten Strom vor der Einspeisung in den Reaktor erhitzt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2_g dadurch g e kennzeichnet, dass man dem ersten Strom vor dessen Erhitzen Frischreduktionsgas zufügt. ν

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man dem dritten Strom Frischreduktionsgas zufügt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man abgereiohertes Reduktionsgas aus dem fünften Strom abzieht.

6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass den Fluss des fünften Gasstroms vor und nach dem Abzug des abgereicherten Reduktionsgases hiervon misst, das Verhältniss der Flussmessungen bestimmt und den wieder zurückgeführten Strom des fünften Stroms durch Ansprechen auf das Verhältnis der beiden Messungen reguliert,

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man den fünften Strom kühlt und komprimiert, bevor er in den Reaktor zurückgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man den Fluss des fünften Stroms misst, den Fluss des Teils des fünften Stroms, der als erster Strom zurückgeführt wird, misst, das Verhältniss der zwei Flussmessungen bestimmt und den Teil des fünften Stroms, der als erster Strom

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zurückgeführt wird, reguliert, um das Verhältnis im wesentlichen konstant zu halten.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man den Fluss des ersten, zweiten und dritten Stroms im wesentlichen konstant hält.

10. Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Fliessbettreaktor mit einer Reduktionszone und einer Kühlzone, einer ersten Leitung, die mit dem Reaktor in der Nähe der Mitte der Reduktionszone zur Einspeisung von erhitztem Reduktionsgas in die Zone verbunden ist, einer zweiten Leitung, die mit dem Reaktor in der Nähe des oberen Endes der Reduktionszone verbunden ist, einer dritten Leitung, die mit dem Reaktor in der Nähe des unteren Endes der Kühlzone zur Einspeisung von Gas in di-e Kühlzone verbunden ist, eine vierte Leitung, die mit einem Ende mit dem Reaktor in der Nähe des unteren Teils der Reduktionszone und mit ihrem anderen Ende mit dem Ende der zweiten Leitung entfernt von dem Reaktor verbunden ist, eine fünfte Leitung, die mit einem Ende mit der Verbindung der zweiten und vierten Leitung und an ihrem anderen Ende mit den ersten und drittens Leitungen verbunden ist, und die erste, zvö.-te und fünfte Leitung und der obere Teil der Reduktionszone eine erste Gasstromschleife, die erste, vierte und fünfte Leitung und der untere Teil der Reduktionszone eine zweite Gasschleife, und die dritte, vierte und fünfte Leitung und die KUhlzone eine dritte Gasschleife bilden, Ventileinrichtungen in den Schleifen zur Regelung des Gasflusses hierdurch, eine Quelle für Frischgas, Leitun-

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gen zur Verbindung von der Frischgasquelle mit der ersten und dritten Leitung und Abzugsvorrichtungen, die mit der fünften Leitung zum Abzug eines Teils des durch die Schleifen fliessenden Gases verbunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e k en η .zeichnet, dass die erste Leitung Heizvorrichtungen zum Erhitzen des durch den Reaktor fliessenden G-ases umfasst.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Leitung Kühlvorrichtungen zu Abkühlung des hindurchfliessenden Gases, umfasst.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet., dass die fünfte Leitung Pumpvorrichtungen zum Pumpen des Gases durch die Schleife umfasst. .--.--

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis Ij5, dadurch gekennzei chnet, dass die fünfte Leitung erste Messgeräte zur Messung des hindurchfliessenden Gasflusses vor den Abzuggeräten und zweite Messgeräte zur Messung des Gasflusses durch die fünfte Leitung nach den Abzugsgeräten, und Regelvorrichtungen in der fünften Leitung zur Regelung des Gasflusses durch Ansprechen auf das Verhältnis der Plusswerte, die durch die ersten und zweiten Messgeräte gemessen werden, umfasst.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzei chnet , dass sie erste Messgeräte zur Messung des Gasflusses in der fünften Leitung, zweite Messgeräte zur Messung des Gasflusses in der ersten LeI-

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tung und Regelgeräte in der ersten I+eitung zur Regelung des Gasflusses hierin durch Ansprechen auf das Verhältnis des Gasflusses, der durch die ersten und zweiten Plussmessgeräte gemessen wurde, umfasst.

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