DE2332999A1

DE2332999A1 - Verfahren zur reduktion von metallerzen

Info

Publication number: DE2332999A1
Application number: DE2332999A
Authority: DE
Inventors: Juan Celada; Patrick Willaim Mackay; Enrique Ramon Martinez; Antonio Villasenor; Ricardo Viramontes
Original assignee: Fierro Esponja SA
Current assignee: Fierro Esponja SA
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-28
Publication date: 1974-01-31
Also published as: AR199577A1; PH10520A; IL42595A0; FR2236950B1; BR7304879D0; IL42595A; GB1424184A; JPS5341608B2; ZA734309B; ES416548A1; IT989716B; SE418974B; CA985511A; AU466222B2; AT322591B; GB1421599A; NL7309109A; ES442302A1; JPS4943814A; BE801767A

Description

2k 116 n/wa

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

Verfahren zur Reduktion von Metallerzen.

Die Erfindung bezieht sich auf die Gasreduktion von Metalloxiden zu elementaren Metallen bei erhöhten Temperaturen unter dem Schmelzpunkt der Metalle und insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Mehreinheitenreaktorsystems zur Durchführung eines derartigen Reduktionsverfahrens. Die Erfindung ist insbesondere in Verbindung

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mit der direkten gasförmigen Reduktion von Eisenoxiderzen in Klumpen- oder Pelletform zu Schwammeisen anwendbar und wird in Verbindung mit dieser Anwendung veranschaulicht, wenngleich aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, dass die Erfindung genausogut in Verfahren zur Reduktion von von Eisenerz verschiedenen Metalloxiden zu elementaren Metallen angewendet werden kann.

Einer der Aspekte der Erfindung betrifft eine Verbesserung bei einem bekannten Typus eines semi-kontinuierlichen Verfahrens zur Erzeugung von Schwammeisen, bei dem ein Mehreinheitreaktorsystem Anwendung findet, worin separate Eisenmaterialkörper gleichzeitig behandelt werden. Ein Verfahren dieser Art ist in der US-PS 2,900,2¹^? (Celada) und in den US-PS 3,136,623j 3,136,624 und 3,136,625 (Mader et al) be_T schrieben. Die in einem Reaktorsystem dieses Typus durchgeführten hauptsächlichen Verfahrensschritte sind (1) Reduktion des Erzes zu Schwammeisen, (2) Kühlung des reduzierten Erzes und (3) Ausführung des Schwammeisens aus einem Reaktor und dessen Wiederbeschickung mit frischem, zu reduzierenden Eisenerz. Die Reduktion wird durch ein Reduktionsgas durchgeführt, welches üblicherweise ein weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammengesetztes Gemisch darstellt. Das Gas wird typischerweise durch katalytische Umwandlung eines Gemisches aus Dampf und Methan in Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem katalytisehen Reformer bekannter Art gemäss der Gleichung

CH₄ + H₂O > CO + 3 H₂

erzeugt.

Das aus dem Reformer ausströmende Gas wird abgekühlt und sukzessive durch einen Kühlreaktor und einen oder mehrere

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Reduktionsreaktoren geführt. Während den Kühlungs- und · Reduktionsstufen wird ein weiterer Reaktor, der zuvor, gekühltes, reduziertes Erz in Form von Schwammeisen enthält, von dem System isoliert, so dass das Schwammeisen aus dem Reaktor ausgeführt und der Reaktor mit frischem Erz beschickt werden kann. Das Reaktorsystem ist mit geeigneten Schaltventilen versehen, wodurch der Gasfluss am Ende jedes Zyklus derart verlagert werden kann, dass der Kühl-, reaktor zum Beschickungsreaktor, der Endstufen-reduktionsreaktor.zum Kühlreaktor und der Beschickungsreaktor zum Vorreduktionsreaktor werden.

Es wurde in früheren Systemen dieses Typus, in denen das gekühlte Reduktionsgas anfänglich in den Kühlreaktor eingeführt wird, festgestellt, dass, insbesondere während des späteren Stadiums des Kühlvorgangs, eine Neigung zur Verschiebung des Refqrmierungsreaktionsgleichgewichts in umgekehrter Richtung, insbesondere zur Umsetzung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff unter Bildung von Methan und Wasserdampf besteht. Da die umgekehrte Reaktion exotherm ist, führt dies zu einer Verzögerung der Abkühlung des Schwammeisens im späteren Teil des Kühlungszyklus.

Darüber hinaus enthält das reduzierte Erz in dem Kühlreaktor, das weitgehend aus Schwammeisen besteht, immer noch eine gewisse unreduzierte Oxidmenge, weshalb ein gewisser Teil der Reduktion während des Durchtritts des Kühlgases durch den Kühlreaktor mit dem Ergebnis erfolgt, dass das zu dem Reduktionsreaktor weiterfliessende Gas eine etwas geringere Reduktionsqualität als das aus dem Reformer ausströmende Gas aufweist.

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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein verbessertes Verfahren für die ansatzweise, halbkontinuierliche Gasreduktion von Metallerzen in einem Mehrreaktorsystem bereitzustellen. Die Erfindung ist weiter darauf gerichtet, die vorstehend angeführten Nachteile bekannter Reduktionssysteme dieser Art zu überwinden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems zur Gasreduktion von Eisenerzen unter Erzeugung von Schwammeisen des allgemeinen, vorstehend beschriebenen Typ-us, welches die Verwendung von nur zwei Reaktoren erfordert. Andere Aufgabenstellungen der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.

Die Aufgaben der Erfindung werden, allgemein gesprochen, dadurch erfüllt, dass man ein Reduktionsgas, das wie in früheren Verfahren weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammengesetzt ist, erzeugt, das Reduktionsgas in dem ersten Augenblick jedoch in einen Reduktionsreaktor anstatt in einen Kühlreaktor einführt und dass man die aus dem Reduktionsreaktor ausströmenden Gase, nach Kühlung, als ein Medium zur Kühlung des reduzierten Erzes aus einem früheren Reduktionszyklus verwendet. Die Aufgabenstellungen und Vorteile der Erfindung werden am besten unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verständlich, die eine Vorrichtung veranschaulichen, die zur Durchführung der Erfindung verwendet werden kann.

Fig. 1 veranschaulicht ein zur Durchführung einer Ausführungsform der Erfindung verwendbares 3-Reaktorsystem.

- 5 -Π 9 8 8 5 / 0 9 fi Π

Pig. 2 veranschaulicht ein zur Durchführung einer AusfUhrungsform der Erfindung anwendbares 2-Reaktorsystem.

Fig. 3 stellt eine Abänderung des Systems der Fig. 2 dar, worin das dem System zugeführte Methan in den KühlgaszurückfUhrungsteil des Systems eingeführt wird und die aus der Kühlgasrückführung ausströmenden Gase als Methanbeschickung für den Reformer verwendet werden.

Fig. 4 stellt ein Verfahren zur Beschickung von Erz in und zur Entfernung von Schwammeisen aus einem 2-Reaktorsystem dar.

Fig. 5 veranschaulicht einen typischen Zeitplan für den Betrieb eines 2-Reaktorsystems des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Typus.

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 umfasst das gezeigte System die Reaktoren 10, 12 und 14, die jeweils mit Verbrennungskammern 10a, 12a und 14a versehen sind, die mit den oberen Teilen des Reaktors in Verbindung stehen. Das System wird anfänglich während des Teils des Zyklus beschrieben, in welchem der Reaktor 10 den Reduktionsreaktor, der Reaktor 12 den KUhlreaktor, und der Reaktor 14 den Beschickungsreaktor darstellen.

In dem linken Teil der Fig. 1 wird ein, weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Gas in einem Reformer 16 bekannter Bauart erzeugt.,Methan, Erdgas oder anderes Kohlenwasserstoffgas aus einer geeigneten Quelle wird durch die Leitung 18 geführt und in dem Schaohtteil

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20 des Reformers vorerhitzt. Es fliesst sodann durch Leitung 22, in der es mit durch dieLeitung 24 zugeführtem Wasserdampf vermischt wird und das Methan-Wasserdampfgemisch tritt in den unteren Teil 26 des Reformers ein. In dem unteren Teil 26 des Reformers wird das Methan-Dampfgemisch katalytisch bei erhöhter Temperatur und in bekannter Weise in ein Reduktionsgas umgewandelt, das weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht.

Das resultierende -Gasgemisch fliesst durch die Leitung 28 zu einem Abschreckungskühler JO, in dem es gekühlt und ent- , wässert wird, und sodann zu dem Reduktionsgassamme1rohr 52, welches ein Strömungsmessgerät J5j5 und ein Rückdruckkontrollgerät jj4 enthält. Die Sammelleitung 52 ist durch eine Zweigleitung 36, die das Ventil 58 enthält, mit einem röhrenförmigen Schlangenheizgerät 40, durch eine Zweigleitung 4-2, die/las Ventil 44 enthält, mit einem Erhitzer 46 und durch die Zweigleitung 48, die ein Ventil 50 enthält, mit dem Erhitzer 52 verbunden. Während des hier beschriebenen Teils des Zyklus sind die Ventile 44 und 50 geschlossen und das Ventil 38 geöffnet.

Das Reduktionsgas fliesst durch die Leitung 36 zu dem Erhitzer 40 in dem es auf eine Temperatur in der Grössenordnung von 700 bis 85O⁰C erhitzt wird. Da die erwünschte Reduktionsgastemperatur beim Eintritt in den Reduktionsreaktor 10 in der Grössenordnung von 900 bis 1100⁰C, vorzugsweise etwa 1050⁰C, liegt, ist ein weiteres Erhitzen des den Schlangenerhitzer 40 verlassenden Gases erforderlich, wobei diese weitere Erhitzung in der Verbrennungskammer 10a durchgeführt wird. Insbesondere fliesst das aus dem Erhitzer 40 ausströmende Gas durch eine Leitung 5^ zu

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der Verbrennungskammer 10a, in der es mit einem sauerstoffenthaltenden Gas, das durch die Leitung 56, die das Ventil 53 enthält, eingeführt ist, vermischt wird. Das sauerstoffenthaltende Gas kann Luft oder reiner Sauerstoff oder deren Gemische darstellen, wobei es jedoch vorzugsweise relativ reiner Sauerstoff zur Vermeidung der Einführung von Stickstoff in das System ist. Innerhalb der Verbrennungskammer wird ein Teil des heissen Reduktionsgases unter Erzeugung eines Gemisches verbrannt, das die gewünschte relativ hohe Temperatur aufweist. Die Verbrennungskammer 10a kann von dem in dem US-PS 2,900,247 (Celada) beschriebenen Typus sein. Es wird in Klammern"vermerkt, dass die Verbrennungskammer 12a mit dem sauerstoffenthaltenden Gas durch eine Leitung 6o, die das Ventil 62 enthält, und die Verbrennungskammer 14a mit dem sauerstoffenthaltenden Gas durch eine Leitung 64, die das Ventil 66 enthält, versorgt werden können. Jedoch sind während des hier beschriebenen Teils des Zyklus die angegebenen Ventile 62 und 66 geschlossen.

Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass die Verbrennungskammern 10a, 12a und 14a, sofern erwünscht, durch Überhitzer ersetzt werden können, um das Reduktionsgas von der Auslasstemperatur der Schlangenerhitzer 40, 46 und 52 auf die gewünschte Reduktionstemperatur von 900 MsIlOO⁰C zu bringen.

Das Volumen des verwendeten sauerstoffenthaltenden Gases sowie dessen Temperatur hängen von dem Sauerstoffgehalt des Gases ab. So wird es, wenn Luft als sauerstoffenthaltendes Gas verwendet wird, wünschenswerterweise auf eine Temperatur in der Grössenordnung von 700⁰C oder höher vorerhitzt, während bei Verwendung von Sauerstoff eine Vorerhitzung nicht erforderlich ist, oder auf eine wesent-

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lieh tiefere Temperatur erfolgen kann. In ähnlicher Weise kann, wenn Luft als sauerstoffenthaltendes Gas verwendet wird, das Volumenverhältnis von Luft zu Reduktionsgas, mit welchem es vermischt wird, einen derart hohen Wert von 0.4 : 1 und typischer-weise in dem Bereich von 0.15 bis 0.3 erreichen. Wenn andererseits Sauerstoff als sauerstoffenthaltendes Gas verwendet wird, werden normalerweise bei einem Volumenverhältnis innerhalb des Bereiches von 0.05 bis 0.15 annehmbare Ergebnisse erhalten.

Aus der Verbrennungskammer 10a tritt das heisse Reduktionsgas in den oberen Teil des Reaktors 10 ein und fllesst durch das darin befindliche Erzbett unter Bewirkung einer Reduktion des Erzes zu Schwämmetall nach unten. Wie nunmehr beschrieben werden wird, wird ein wesentlicher Teil dieses Gases unter Erzeugung einer relativ hohen Massenflussgeschwindigkeit des Gases durch das Erzbett zurückgeführt.

Das aus dem Reaktor 10 ausfliessende Gas verlässt den ReakT tor in der Nähe von dessen Boden durch eine Leitung 68 und tritt durch einen Abschreckungskühler 70, in dem es gekühlt und entwässert wird, und sodann durch eine Leitung 72 in eine Sammelleitung bzw. Kopfstück 74. Mit der Sammelleitung bzw. Kopistück 74 sind eine Zweigleitung 76, die ein Ventil 78 enthält, und eine Zweigleitung 80, die ein Ventil 82 enthält, verbunden. In gleicher Weise kann das aus dem Reaktor 12 ausfliessende Gas zu der Sammelleitung bzw. Kopfstück 84 fliessen, das mit einer Zweigleitung 86, die ein Ventil 88, und einer Zweigleitung 90, die ein Ventil 92 enthält, verbunden ist. Auch kann das aus dem Reaktor 14 ausfliessende Gas zu einer Sammelleitung 94 fliessen, die mit einer Zweigleitung 96, die ein Ventil 98 enthält, und einer Zweigleitung 100, die ein Ventil 102 enthält, verbunden ist. Während des Teils des hier beschrie-

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benen Zyklus sind die Ventile 78 und 92 geöffnet und die Ventile 82, 88, 98 und 102 geschlossen.

"Ein Teil des aus dem Reduktionsreaktor 10 ausströmenden Gases wird wiedererhitzt und in den Reduktionsreaktor zurückgeführt und der verbleibende Teil des ausströmenden Gases wird in das KUhlgassystem in einer nachstehend beschriebenen Weise übergeführt. Insbesondere fliesst das aus dem Reduktionsreaktor 10 ausströmende Gas durch die Leitung 76 zu der Reduktionsgaswiederzurückführungs-Sammelleitung 104, welche ein Prüfventil 105 enthält, und an einem Ende mit der Saugseite der Reduktionsgasrezirkulationspumpe I06 und an ihrem anderen Ende mit einer Gastransferleitung 108 verbunden ist. Von der Pumpe 106 fliesst Reduktionsgas durch die Leitung 110, die den Strömungsregler 112 enthält, zu der Sammelleitung 32 und dann durch den Erhitzer 40 und die Verbrennungskammer 10a zu dem Reaktor Der Teil des Reduktionsgases, der aus dem Reduktionsgaskreis durch die Leitung I08 entzogen wird, fliesst zu der Kühlgassammelleitung 114. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Leitung I08 ein Prüfventil 116 und ein Strömungsmessgerät 118.

Das Volumenverhältnis von durch die Pumpe I06 zurückgeführten Gases zu Aiffüllreduktionsgas aus dem Reformer 26 kann von beispielsweise 0.5 : 1 bis zu einem so hohen Wert von 10: 1 variieren, liegt jedoch typischerweise in der Grössenordnung von 2 : 1 bis J> : I. Die ZurUckführung des Reduktionsgases zu dem Reaktor 10 erhöht die Massenströmungsgeschwindigkeit durch das Erzbett, wodurch das Bett auf einer mehr annäherndgleichförmigen und höheren Durchschnittstemperatur gehalten wird. Auch erlaubt eine derartige Zurückführung eine grössere Ausnutzung der Reduktionskomponenten des Gases.

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Wie vorstehend angeführt, arbeitet der Reaktor 12, während des nun beschriebenen Teils des Zyklus als Kühlreaktor und es wird hierdurch Kühlgas in einer nun zu beschreibenden Weise zirkuliert. Wie bereits vorstehend angeführt, fliesst ein Teil des gekühlten Reduktionsgases von dem Reduktionsgaskreis durch die Leitung 108 zu der Sammelleitung 114. Die Sammelleitung ist mit dem oberen Teil des Reaktors 12 durch eine Zweigleitung 120 verbunden, die das offene Ventil 122 enthält. Sie ist auch mit dem oberen Teil des Reaktors 10 durch eine Zweigleitung 124, die das Ventil 126 enthält, und mit dem oberen Teil des Reaktors 14 durch eine Zweigleitung 128, die das Ventil 130 enthält, verbunden, wobei jedoch während des hier beschriebenen Teils des Zyklus die angegebenen Ventile 126 und IJO geschlossen sind. Das Kühlgas fliesst durch die Leitung 120 zu dem Reaktor 12 und nach unten durch das Bett des hierin befindlichen reduzierten Erzes zu dessen Kühlung. Das aus dem Reaktor 12 ausströmende Gas fliesst durch die Leitung 132 zu einem Abschreck-ungskühler 134, worin es gekühlt und entwässert wird,und sodann durch eine Leitung I36, die Sammelleitung 84 und die Leitung 90 zu der Kühlgaszurückführungssammelleitung I38. Die Zurückführung des Kühlgases wird durch einen Anschluss der Sammelleitung 138 an das Saugen der KUhlgaszurückführungspumpe l40 bewirkt, deren Auslass mit der Sammelleitung 114 verbunden ist. Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, enthält dieSammeUeitung 114 einen Strömungsregler 142, der zwischen dem Auslass der Pumpe 140 und dem Punkt befindlich ist, an dem die Transferleitung I08 mit der Sammelleitung verbunden ist.

Somit wird ein Kühlgaskreis zur Verfügung gestellt, der den Reaktor 12, die Leitung 132, den Kühler 134, die Leitung 136, die Sammelleitung 84, die Leitung 90, die Sammelleitung I38, die Pumpe l40, die Sammelleitung 114 und die Leitung 120 umfasst. Nahe der Saugseite der Pumpe 140

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wird Gas aus diesem Kreis kontinuierlich durch eine Treibstoffsammei leitung 144 entzogen, die ein Prüfventil 145 und einen Rückdruckregler 146 enthält, um den Druck in dem Kühlgaskreis im wesentlichen konstant zu halten. Das durch die TreibstoffSammelleitung 144 entzogene Gas kann als ein Treibstoflgas zum Erhitzen des Reformers 16 und/oder der Erhitzer 40, 46 und 52 verwendet werden. Es kann, sofern erwünscht, durch Zusatz von Methan oder Erdgas ergänzt und angereichert werden.

Das Volumenverhältnis des durch den Kühlgaskreis zirkulierenden Gases zu dem in den Kreis durch die Leitung 108 eintretenden Gas, liegt wünschenswerterweise innerhalb des gleichen Bereiches wie jenes des Reduktionsgaskreises, d.h., 0.5 bis 10, wobei das bevorzugte Verhältnis in der Grössenordnung von 2 : 1 bis J5 '· 1 liegt.

Während des Teils des nun beschriebenen Zyklus ist der Reaktor 14 wirksam von dem Rest des Systems durch die geschlossenen Ventile 50, 98, 102, IJO und 66 isoliert. Während dieses Zeitraums wird das gekühlte Schwammeisen hieraus ausgelassen und der Reaktor mit frischem Erz beschickt. Am Ende eines Zyklus werden dieReaktoren funktionell ausgetauscht, d.h. der Reaktor 10 wird zum KUhlreaktor, der Reaktor 12 wird der Ausführungs- und Beschickungsreaktor und der Reaktor 14 wird zum Reduktionsreaktor. Die Art und Welse, in der die verschiedenen vorstehend beschriebenen Ventile zur Durchführung dieses Austausche geöffnet oder geschlossen werden können, ist für den Fachmann offensichtlich.

In der Fig. 2 der Zeichnungen ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in der lediglich zwei Reaktoren und ein Schlangenheizer verwendet werden. Das Sy-

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stem der Fig. 2 umfasst die Reaktoren 210 und 212, die den Reaktoren 10 und 12 der Fig. 1 ähnlich sind, und die die verbundenen Verbrennungskammern 210a und 212a jeweils aufweisen. -Das System wird anfangs in einem Zustand erläutert, in dem der Reaktor 210 als Reduktionsreaktor und der Reaktor 212 als Kühlungsreaktor arbeitet . Wie im Fall der Fig. 1 wird ein Gas, das weithin aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, in einem Reformer 216 erzeugt, und dieses fliesst durch die Leitung 228 zu einem Absehreckungskühler 230, worin es gekühlt und entwässert wird. Aus dem Kühler 230 fliesst das Reduktionsgas durch die Leitung 232, die ein Strömungsmessgerät 233 und ein Rückdruckregelgerät 23²J- enthält, zu einem einzigen Schlangenerhitzer 350, der beiden Reaktoren dient. Innerhalb des Erhitzers 350 wird das Gas auf eine Temperatur von JOO bis 850⁰C erhitzt und fliesst sodann zu einer Heissreduktionsgassammelleitung 352, die durch die Zweigleitung 35^, die das Ventil 356 enthält, mit der Verbrennungskammer 210a des Reaktors 210 und durch eine Zweigleitung 358, die das Ventil 360 enthält, mit der Verbrennungskammer 212a des Reaktors 212 verbunden ist. Während des nun beschriebenen, Teils des Zyklus ist das Ventil 360 geschlossen und das Ventil 356 geöffnet.

Wie im Fall des Systems der Fig. 1,umfasst das System der Fig. 2 einen Reduktionsgaskreis zur Zurückführung des Reduktionsgases, welches den Reduktionsreaktor verlässt, einen Kühlgaskreis bzw. -kreislauf zur Zurückführung des den Kühlreaktor verlassenden KUhlgases, eine Gastransferleitung zur Überführung eines Teils des Reduktionsgases von dem Reduktionsgaskreis zu dem Kühlgaskreis und eine Einrichtung zur Entfernung einer vorbestimmten Menge des KUhlgases von dem Kühlgaskreis. Insbesondere fliesst das in

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den Reaktor 210 von der Verbrennungskammer 210a eintretende heisse Gas abwärts durch ein Erzbett in dem Reaktor, um dieses weitgehend zu Sehwamtneisen während des Reduktionszyklus zu reduzieren. Das aus dem Reaktor 210 ausfliessende Gas fliesst durch die Leitung 268, den Kühler 270, die Leitung 272, welche einen Strömungsmesser 273 aufweist, die Sammelleitung 27²I-, die Leitung 276, die Leitung 304, die einen Strömungsregler 3505 enthält, die Pumpe 306 und eine Leitung 362 zu Leitung 232, sodann erneut durch den Erhitzer 350 und die Leitungen 352 und 354 zu der Verbrennungskammer 210a und dem Reaktor 210. Von der Leitung 276 des Reduktionsgaskreises wird Gas durch eine Leitung 364, die ein PrUfventil 366 enthält, entzogen und fliesst zu der KühlgasrUckführungssammelleitung 314 des KUhlgaskrelses. Der Kühlgaskreis umfasst den Kühlreaktor 212 von dem ausströmendes Gas durch die Leitung 332, den Kühler 334, die Leitung 336, die ein Strömungsmessgerät 337 enthält, die Sammelleitung 284, die Leitung 290, die Leitung 338, die das Strömungsregelgerät 339 enthält, die Pumpe 340, die Leitung 314 und die Leitung 320 zurück zu dem oberen Teil bzw. der Spitze des Reaktors 212. Die ZurückführungsVerhältnisse für die Reduktionsgas- und Kühlgaskreise können innerhalb des gleichen Bereiches liegen, der vorstehend in Verbindung mit Pig. 1 angegeben wurde. Das Gas wird kontinuierlich aus dem Kühlgaskreis durch die Leitung 344, die das Prüfventil 345 enthält, entnommen und fliesst zu einer Treibstoffsammelleitung 368, die ein Rückdruokregelgerät 369 enthält. Das derart entfernte Gas, ergänzt durch einen Methan- oder Erdgaszusatz, sofern erforderlich, kann als Brennstoffgas angewandt werden, um den Reformer 216 und/oder Erhitzer 350 mit Wärme zu versorgen. Das System der Fig. unterscheidet sich von dem der Pig. 1 dadurch, dass der Reaktor 212 sowohl als Kühlreaktor als auch als Auslassund Beschickungsreaktor verwendet wird. Die Zurückführungs-

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Verhältnisse in den Reduktions- und Kühlkreisen werden derart eingestellt, dass der Kühlkreis in einem kürzeren Zeitraum als der Reduktionskreis beendet ist. Das Zeitintervall zwischen der Beendigung des Kühlzyklus und der Beendigung des Reduktionszyklus ist derart, dass der Reaktor 212 bis zur Beendigung des Reduktionszyklus in Reaktor 210 ausgelassen und mit frischem Erz beschickt werden kann. Nach Beendigung des Reduktionszyklus werden die Reaktoren in der in Verbindung mit Pig. I beschriebenen Weise funktionell ausgetauscht, d.h. der Reaktor 210 wird ein Kühlreaktor und der Reaktor 212 wird ein Reduktionsreaktor.

Ein typischer Zeitplan des Betriebes der Reaktoren über einen 24-Stunden-Zeiträum ist in Fig. 5 der Zeichnungen dargestelltt So zeigt Fig. 5* dass der Reaktor 210 während eines Zeitraums von 4 Stunden als Reduktionsreaktor und sodann J> Stunden als Kühlreaktor betrieben wird, wonach er ausgelassen und erneut beschickt wird und sodann wird der Betriebszyklus wiederholt. In gleicher Weise arbeitet der Reaktor 212 j5 Stunden als Kühlreaktor, wird sodann ausgelassen und mit frischem Erz in der folgenden Stunde beschickt, wonach er während 4 Stunden als Reduktionsreaktor betrieben wird. Hiernach wird C3r zyklische Betrieb des Reaktors 212 wiederholt.

Somit werden mit dem System der Fr.g« 2 die Reduktions-, Kühl- und Auslassvorgänge in zwei Reaktoren derart durchgeführt, dass eine aussergewöhnlich effiziente Ausnutzung der Anlagen erreicht wird. Da lediglich zwei Reaktoren verwendet werden, sind die Hauptanlagenkasten im Vergleich zu solchen Systemen verringert, die mit drei oder mehr Reaktoren arbeiten.

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Während des Auslass- und BeschickungsVorgangs wird der "Reaktor von dem System isoliert und es ist deshalb erforderlich, Massnahmen für den Teil des aus dem Reduktionsreaktor ausströmenden Gases zu treffen, der aus dem Reduktionsgaskreis entzogen wird. In Fig. 2 ist die Kühlgassammelleitung 314 durch eine Leitung 370, die ein Ventil 372 enthält, mit der Treibstoffsammeileitung 368 verbunden. Während des Zeitraums,,in dem der eine oder der andere der Reaktoren ausgelassen und beschickt wird, wird das Ventil 372 geöffnet um ein direktes Pliessen des Transfergases zu der Treibstoffsammeileitung 368 zu gestatten.

Wie vorstehend in Verbindung mit der Erörterung der bekannten Verfahren, die in den Mader-und-Celada Patenten beschrieben sind, angegeben wurde, besteht bei sukzessiver Einleitung des Reduktionsgases aus dem Reformer in einen Kühlreaktor und einen Reduktionsreaktor die Neigung, dass während des späteren Teils des Kühlzyklus der Wasserstoff und das Kohlenmonoxidtoethan unfl Wasserdampf erzeugen und, da diese Reaktion exotherm ist, dass die Abkühlung des Schwammaisens verzögert wird. Diese Reaktion kann bis zu einem bedeutenden Ausmass durch Anwendung des in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren Inhibiert werden, worin das frisch gebildete Gas aus dem Reformer zuerst in den Reduktionsreaktor eingegeben, sodann abgekühlt und in den Kühlreaktor eingeleitet wird. Diese unerwünschte Reaktion kann noch weiter durch Anwendung der Abänderung der Erfindung, die in der Fig. 3 der Zeichnungen veranschaulicht ist, unterdrückt werden.

Da die Fig. 3 der Fig. 2 sehr ähnlich ist, sind nur die Unterschiede zwischen den zwei Figuren beschrieben und es werden die gleichen Bezugsziffern zur Bezeichnung entsprechender Teile in den beiden Figuren angewandt . Die

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hauptsächlichen Unterschiede in dem System der Fig. 3 bestehen darin, dass das in das System eingeführte Methan in das System über den Kühlgaskreis eintritt und das den Kühlgaskreis verlassende Gas durch den Reformer zurückgeführt wird.

In der Fig. 3 ist dargestellt, dass mit der Kühlgaszurück führungssarnmelleitung 314 eine Leitung 374, die ein Ventil 376 enthält, verbunden ist, wodurch das Methan in den Kühlgaskreis eingeführt wird. Ein Methanzusatz an diesem Punkt erzeugt ein an Methan relativ reiches Kühlgas, welches die vorstehend angegebene Reaktion unterdrückt, nämlich

3 H₂ + CO > H₂O +

Das aus dem Kühlgaskreis durch die Leitungen 344 und 370 entzogene Gas fliesst zu einer Sammelleitung 378. Ein Teil des durch dieSammelleitung 378 fliessenden Gases wird durch die Leitung 382 abgelenkt, die einen Rückdruckregler 384 enthält, um als Treibstoffgas für den Reformer 216 und durch die Zweigleitung 386 als Treibstoffgas für den Erhitzer 350 angewandt zu werden. Der Rest des durch die Sammelleitung 378 fliessenden Gases wird durch die Pumpe 388 durch die Leitung 390, die einen Strömungsregler 380 enthält, zu dem Reformer als Beschickungsgas für den Reformer gepumpt.

Einer der Vorteile des 2-Reaktor-Systems, wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, besteht unter Bezugnahme auf Fig. 4 darin, dass es die Anwendung einer kompakten und effizienten Feststoffbeschickungs- und Auslassvorrichtung erlaubt. Die Reaktoren 410 und 412 der Fig. 4 können, wie jene der Fig. 1 bis 3 in der in der US-PS 3,467,368 be-

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* schriebenen Weise aufgebaut sein, wobei ein Bett aus inertem, teilchenförmigen!, feuerfestem Material, z.B. Gangart, zuerst auf dem Boden des Reaktors ausgebildet ist und ein nachfolgend aufgebrachtes Bett des zu reduzierenden Eisenerzes trägt. Die Reaktoren sind oberhalb eines einzigen Ausführungstrichters angebracht, der einen regulierbaren Verschluss 416 aufweist, der über einem endlosen Förderband 4-18 befindlich ist. Das Band 418 wird durch eine Walze 419, auf der es angebracht ist, betrieben. Die Walze 419 kann auf jegliche geeignete Weise, wie z.B. einen Motor (nicht gezeigt) betrieben werden. Die Reaktoren 410 und 412 haben jeweils an ihrem Boden entfernbare Verschlüsse 410a und 412a. Somit kann, wenn, beispielsweise, Reaktor 410 das Ende des Kühlzyklus erreicht, der Verschluss 410a unter Auslass des gekühlten Schwammeisens in den Trichter 414 geöffnet und der Verschluss 4l6 zur Aufgabe von Schwamraeisen auf das Band 4l8 zur Überführung in einen Stahlerzeugungsofen oder Lagerraum reguliert werden.

Die Reaktoren 410 und 412 weisen entfernbare Deckel 410b und 412b,durch die sie beschickt werden können, auf. Über den Reaktoren befindet sich ein zentral angeordneter Eisenerztrichter 420, der die Trichter 422 und 424 auf jeder seiner Seiten enthält, wobei die letzteren Trichter zur Aufnahme eines teilchenförmigen feuerfesten Materials wie Gangart, geeignet sind. Der Trichter 422 weist an seinem unteren Teil ein Auslassro-.hr 426 auf, das hierin ein Ventil oder Führungsschlitz 428 enthält. Das untere Ende des Rohrs 426 ist in Deckung in den oberen Teil des Reaktors 410 einfUhrbar, wenn der Deckel 410b zur Beschickung des Reaktors mit feuerfestem Material aus dem Trichter 422 entfernt worden ist. Der Trichter 420 weist ein Paar Leitung3ii43O und 432 an seinem untern Ende auf, die hierin jeweils die Ventile oder Eingusstellen 4^4 und *

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436 enthalten. Die unteren Enden der Rohre 430 und 432 sind in die Spitzen der Reaktoren 4lÖ und 412 jeweils einführbar um eine Beschickung der Reaktoren mit Erz aus dem Trichter 420 zu erlauben. Der Trichter 424 weist ein Auslassrohr 438 auf, das ein Ventil oder eine Eingusstel-

,, . dieses

Ie 440 aufweist und/ist in Deckung in die Spitze des Reaktors 412 zur Beschickung des Reaktors 412 mit feuerfestem Material aus Trichter 424 einführbar. Wenn es beispielsweise gewünscht wird, den Reaktor 410 zu beschicken, so wird der Deckel 41Ob hiervon entfernt und das Ventil während eines Zeitraums geöffnet, so dass die gewünschte Menge des feuerfesten Materials in den Reaktor unter Bildung eines Bettes an dessen unterem Ende in der in der US-PS 3,467,368 beschriebenen Weise fällt. Sodann wird das Erzventil 434 zur Vervollständigung der Beschickung des Reaktors geöffnet und der Deckel 410b wieder angebracht. Der Reaktor 412 kann in entsprechender Weise beschickt werden. Die Reaktoren, Zuführungstrichter, Auslasstrichter und der Förderer, bilden eine kompakte und effiziente Peststoffhandhabungseinheit.

Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung lediglich der Veranschaulichung dient und dass zahlreiche weitere Bestandteile, Mengenverhältnisse und Betriebsbedingungen angewandt werden können, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise kann, wie bereits eingangs angegeben, das Verfahren zur Reduktion von Erzen, die von Eisenerz verschieden sind, z.B Erzen von Metallen wie Nickel, Kupfer, Zinn, Titan, Barium und Kalcium angewandt werden. Es ist auch offensichtlich, dass die in Fig. 4 der Zeichnungen gezeigte Vorrichtung ziemlich leicht an ein 3-Reaktorsystem angeglichen werden kann.

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Claims

2337999 Patentansprüche

1. Verfahren zur ansatzweisen Gasreduktion von Metalloxiden zu Metallen in einem Mehr-Einhefenreaktorsystem des Typus, in,dem separate Körper metallhaltigen Materials gleichzeitig in einer Vielzahl von Reaktoren behandelt werden, ein weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Reduktionsgas durch katalytische Umwandlung eines Gemisches von Dampf und Kohlenwasserstoffgas in einem Reformer erzeugt und das Reduktionsgas sukzessive durch die Reaktoren des Systems geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man das Reduktionsgas auf eine Temperatur von 900 bis HOO⁰C erhitzt, das erhitzte Gas durch einen Körper des Metalloxides in einem Reduktionsreaktor des Systems zur zumindest teilweisen Reduktion des Metalloxids zu Schwammetall führt, das aus dem Reduktionsreaktor ausströmende Gas kühlt, einen Teil des gekühlten ausströmenden Gases wieder erhitzt und dieses durch den Reduktionsreaktor unter Bildung eines Reduktionsgaskreises wieder zirkuliert, und den Rest des gekühlten ausströmenden Gases durch einen Körper aus weitgehend reduziertem Metalloxid in einem Kühlreaktor des Systems zur Kühlung des hierin befindlichen Körpers des reduzierten Metalloxides führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zumindest einen Teil des aus dem Kühlreaktor ausströmenden Gases kühlt

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und in den Kühlreaktor zurückführt.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest des gekühlten ausgeströmten Gases aus dem System zur Verwendung als Treibstoffgas entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e ke η η zeichnet, dass das Volumenverhältnis von durch den Kühlreaktor zurückgeführtem Gas zu aus dem Reduktionsreaktor ausgeströmten Gas , das zu dem Kühlreaktor geleitet wird, von 1 : 1 bis 10 : 1 beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis von zu dem Reduktionsreaktor zurückgeführtem Gas zu der Gasbeschickung in den Reduktionsgaskreis von 1 : 1 zu 10 : 1 beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System drei Reaktoren umfasst, von denen der erste den Reduktionsreaktor darstellt, der zweite hiervon den Kühlreaktor darstellt und der dritte hiervon von den ersten und zweiten Reaktoren zum Auslass des reduzierten Erzes aus dem dritten Reaktor und zu dessen Wiederbeschickung mit frischem Erz abgeschaltet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System zwei Reaktoren umfasst, wovon der erste den Reduktionsreaktor und der zweite den Kühlreaktor darstellt und der Fluss des Gases durch den Kühlreaktor unterbrochen wird,

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während der Fluss des Reduktionsgases durch den Reduktionsreaktor während eines vorbestimmten Zeitabschnittes fortgesetzt wird, wobei dieser Zeitabschnitt zum Auslass des reduzierten Erzes aus dem Kühlreaktor und zu dessen Wiederbeschickung mit frischem Erz ausreichend ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil des aus dem Kühlreaktor ausfliessenden Gases gekühlt und zu dem Kühlreaktor zurückgeführt wird, dem zu dem Kühlreaktor zurückgeführten Gas Kohlenwasserstoffgas zugefügt und ein zweiter Teil des aus dem Kühlreaktor ausströmenden Gases als in den Reformer eingeleitetes Kohlenwasserstoff gas angewandt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Teil des Auslassgases aus dem KUhlreaktor als Treibstoffgas verwendet wird, um den Reformer mit Wärme zu versorgen.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Teil des Auslassgases aus dem Kühlreaktor als Treibstoffgas zum Erhitzen des Reduktionsgases, das dem Reduktionsreaktor zugeführt wird, verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassgas aus dem Kühlreaktor mit Ausnahme des zurückgeführten, ersten Teils (a) als in den Reformer eingegebenes Kohlenwasserstoffgas, (b) als Treibstoffgas zur Versorgung des

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Reformers mit Wärme und (c) als Treibstoffgas zum Erhitzen des dem Reduktionsreaktor zugeführten Reduktionsgases angewandt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss des Kühlgases

durch den Kühlreaktor unterbrochen wird, während der Fluss des Reduktionsgases durch den Reduktionsreaktor während eines vorbestimmten Zeitabschnitts fortgesetzt wird, wobei der Zeitabschnitt zum Aust lass des reduzierten Erzes aus dem Kühlreaktor und zu dessen Wiederbeschickung mit frischem Erz ausreichend ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η .zeichnet, dass während des Zeitabschnitts der Rest des gekühlten Auslassgases aus dem Reduktionsreaktor mit dem zugesetzten Kohlenwasserstoffgas vermischt und zumindest ein Teil des resultierenden Gemisches als Kohlenwasserstoffbeschickung zu dem Reformer verwendet wird.

14. Vorrichtung zur Beschickung und für den Auslass eines Paares von austauschbaren Reaktoren, die einen ersten Reaktor zur Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen und einen zweiten Reaktor zur Kühlung des Schwammeisens umfassen, dadurch gekennzeichn e t , dass die Vorrichtung einen ersten Trichter (420), der über den Reaktoren (410, 412) befindlich und zur Aufnahme von Eisenerz geeignet ist, wobei der erste Trichter Leitungen bzw, Rohre (4j5O,4j2) die zu den Spitzen der ersten und zweiten Reaktoren (410, 412) führen, aufweist, einen zweiten und dritten Trichter (422, 424), die auf gegenüberliegenden

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Seiten des ersten Trichters (420) angeordnet und zur Aufnahme von teilchenfÖrmigern feuerfesten Material geeignet sind, Rohre bzw. Leitungen (426, 428), die von den zweiten und dritten Trichtern (422, 424) zu den Spitzen der ersten und zweiten Reaktoren (410, 412) jeweils führen, einen vierten Trichter (4l4), der unter den Reaktoren (410, 412) befindlich und zur Aufnahme von aus den Reaktoren (410, 412) ausgelassenen Feststoffen aufgebaut und angeordnet ist, einen endlosen Förderer (418), der zur Aufnahme von aus dem vierten Trichter (4l4) ausgelassenen Feststoffen angeordnet ist, und Einrichtungen zum Betrieb des endlosen Förderbandes (4l8) zur Entfernung der Feststoffe aus dem Gebiet der Reaktoren umfasst.

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