DE2521038C3

DE2521038C3 - Verfahren zur trockenen Reduktion von feinkörnigem, Eisenoxid enthaltendem Material bei hohen Temperaturen mit Reduktionsgasen nach dem Wirbelbettverfahren

Info

Publication number: DE2521038C3
Application number: DE2521038A
Authority: DE
Inventors: Björn Västeraas Widell
Original assignee: Stora Kopparbergs Bergslags AB
Current assignee: Stora Enso Oyj
Priority date: 1974-05-20
Filing date: 1975-05-12
Publication date: 1981-09-17
Also published as: SU850012A3; AU8094075A; IT1035769B; FR2272176A1; NL7505896A; CA1070954A; LU72504A1; BE829170A; FR2272176B1; SE7406695L; SE384226B; DE2521038B2; DE2521038A1; GB1470938A; JPS50159401A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur trockenen Reduktion vjn fet: körnigem, Eisenoxid enthaltendem Material bei hohen Temperaturen mit Reduktionsgasen nach dem Wirbe^r -ettverfahren, wobei feinkörniges, kohlenstoffhaltiges Material an einer oder mehreren Stellen in das Wirbelbett eingeführt wird und die erforderliche Reaktionswärme durch dessen Verbrennung geliefert wird. Ein solches Verfahren ist bereits aus der deutschen Auslegeschrift 11 86 887 bekannt

Es ist allgemein bekannt, daß einer der Gründe, daß das Wirbelbettverfahren nur in einem sehr begrenzten Ausmaß bei der Herstellung von völlig oder teilweise metallisierten Eisenerzkonzentraten Verwendung findet, darin besteht, daß es schwierig ist, bei den hohen Reduktionstemperaturen, die aus reaktionskinetischen Gründen erforderlich sind, das Verkleben zu vermeiden. Unter Verkleben versteht man, daß die kleinen Materialpartikel im Bett zu größeren Partikeln und Aggregaten, die im Endzustand eine Verwirbelung unmöglich machen, agglomerieren.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Ol in das heiße Wirbelbett einzusprühen, um durch die Krackwirkung aus dem öl koksähnliche Produkte zu bilden, die an den Eisenerzpartikeln abgelagert werden und das Verkleben verhindern. Es wurde weiterhin vorgeschlagen, daß, wenn das Reduzieren in mehreren Stufen erfolgt, in einem Teil des Systems eine genügend niedere Temperatur beibehalten wird, um Kohlenstoff, der durch das kohlenmonoxid enthaltende Reduzierungsgäs gebildet wird, abzulagern, wobei dieser Kohlenstoff als Ruß auf den Partikeln abgelagert wird. Ähnliche Vorschläge wurden hinsichtlich der Verwendung fester, feinkörniger, kohlenstoffhaltiger Materialien gemacht, die in solchen Mengen verwendet werden sollen, daß die kohlenstoffhaltigen Partikel mechanisch das Verkleben der mehr oder weniger reduzierten Erzpartikel verhindern, ledoch haben alle diese Verfahren ihre

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⁵⁰ Nachteile.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren der vorgenannten Art das Verkleben im Wirbelschichtbett dadurch vermieden, daß das feinkörnige, kohlenstoffhaltige Material, das wenigstens 15% flüchtige Bestandteile enthält und eine Partikelgröße von kleiner als 5 mm aufweist, im Oberschuß zugeführt wird und daß das Eisenoxid enthaltende Material, dessen Partikelgröße kleiner als die des kohlenstoffhaltigen Materials ist in die Reaktionszone des kohlenstoffhaltigen Materials, in der die flüchtigen Bestandteile ausgetrieben und das kohlenstoffhaltige Material teilweise vergast und verkokt wird, eingeleitet wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem heißen Wirbelbett die Bildung von Mikroaggregaten zwischen den Partikeln des oxidischen Konzentrats und den porösen, popcornähnlichen Kokspartikelp, die beim Einführen des kohlenstoffhaltigen Materials in das Bett gebildet werden, bewirkt Unter Mikroaggregaten sind kleine Aggregate zu verstehen, die im allgemeinen ein Kokspartikel und ein oder einige Konzentratpartikel, die daran haften, umfassen. Da die Mehrzahl der Konzentratpartikel in dieser Weise in Aggregatform mit den Kokspartikeln verbunden sind, kann das Verkleben vollständig vermieden werden.

Wenn man das feinkörnige, kohlenstoffhaltige Material mit einem Anteil von wengistens 15% flüchtiger Bestandteile in ein heißes Wirbelbett einführt, werden die Partikel extrem schnell erhitzt, wobei sie, wie festgestellt wurde, teerähnliche Substanzen ausschwitzen und an der Oberfläche der Partikel sammeln. Je schneller die Erhitzung erfolgt, umso mehr Teer sammelt sich an der Oberfläche, bevor er zu Gas und Koks gekrackt wird. Derartige teerbedeckte Partikel scheinen vorzugsweise an den Partikeln des Konzentrats zu haften, wodurch sie Mikroaggregate von Koks und Konzentrat bilden. Überraschenderweise wachsen aber die Aggregate nicht über den Mikrobereich hinaus. Der Grund ist wahrscheinlich, daß die Zeit während der die Teerschicht vor ihrer Vergasung und Verkokung klebrig ist, nur so kurz ist, daß die Partikel keine Zeit haben, mit mehr als ein paar Konzentratpartikeln in Kontakt zu kommen.

Um eine hohe Geschwindigkeit bei der Mikroaggregatbildung zu erreichen, worunter zu verstehen ist, daß ein beträchtlicher Anteil der Konzentratpartikel mit Kokspartikeln Aggregate bilden, muß das kohlenstoffhaltige Material nxhr als 15% flüchtige Bestandteile enthalten. Bessere Ergebnisse werden mit einem höheren Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, wie mit bituminöser Kohle und Lignit erzielt. Die Partikelgröße aes kohlenstoffhaltigen Materials ist kleiner als 5 mm und bei Kreislauf-Wirbelbetten kleiner als 0,5 mm. Aus technischen Gründen sollte das zur Verwirbelung vorgesehene, Eisenerz enthaltende, Material wegen seines höheren spezifischen Gewichts eine geringere Partikelgröße als das kohlenstoffhaltige Material aufweisen.

Die Abmessungen des Bereichs, innerhalb welchem die Bildung der Mikroaggregate erfolgt, ist abhängig von der Partikelgröße des kohlenstoffhaltigen Materials und seinem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen sowie von der Temperatur und Gasgeschwindigkeit in dem Bett.

Ein Reduzierungsgas, das zur Reduktion des oxidischen Materials geeignet ist, besteht vorzugsweise aus einem Gemisch von CO und H2, das man durch Teilverbrennung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff

mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen, wie Luft, erhält Das Gas kann entweder im Wirbelbett von einem außerhalb gelegenen Gaserzeuger zugeführt oder es kann innerhalb des Bettes durch Teilverbrennung eines Teils des kohlenstoffhaltigen Materials, das dann in größeren Mengen zugeführt werden muß, erzeugt werden.

Die Bildung von Mikroaggregaten bildet einen ausreichenden Schutz gegen das Verkleben sogar bei einem hohen Grad an Metallisierung. So ist beispielsweise bei einer 70- bis 80%igen Metallisierung und einer Temperatur von 900° C, die erforderliche Zuführung an kohlenstoffhaltigem Material nicht größer als zur Bildung eines Produkts, das Kohlenstoff entsprechend seinem Sauerstoffgehalt plus dem gewünschten Überschuß enthält Ein solches Produkt kann Roheisen mit + 4% Kohlenstoff nach der Schmelzreduktion ohne besondere Zugabe von Koks für das Reduktionsverfahren liefern.

Das Verfahren der Erfindung wird weiterhin in Verbindung mit der Verwendung zweier unterschiedlicher Typen von Wirbelbettreaktoren beschneben. In

F i g. 1 ist die Verwendung eines herkömmlichen Wirbelbetts und in

F i g. 2 die Verwendung eines im Kreislauf arbeitenden Wirbelbetts erläutert

Die F i g. 1 zeigt ein herkömmliches Wirbelbett, das aus einer Reaktionskammer 1 mit einem Gasverteilungsboden 2, einem Zuführungsrohr 3 für Gas und einem Auslaßrohr für das verbrauchte Gas besteht Das zugeführte Gas verwirbelt das Bett über dem Verteilungsboden. Ein geeigneter Partikelstrom wird durch das Auslaßrohr 5 abgezogen. Wenn das Wirbelbett zur Reduktion eines Eisenoxide enthaltenden Materials verwendet wird, wird vorzugsweise kontinuierlich das Material durch das Einlaßrohr 7 in das Bett zugeführt, wo es durch ein reduzierendes, über die Leitung 3 zugeführtes Gas reduziert wird, und das reduzierte Bettmaterial über die Auslaßleitung 5 abgezogen wird. Nach der Erfindung führt man Kohlenpulver oder andere kohlenstoffhaltige Materialien mit einem hohen Gehalt an flüchtigen Stoffen, kontinuierlich in einer eingestellten Menge über die Zuführungsleitung 6 zu. Am Ausgang der Zuführungsleitung 6 wird eine Zone 8 gebildet wo die flüchtigen Bestandteile ausgetrieben und teilweise vergast und verkokt werden. Das Zuführungsrohr 7 für das die Eisenoxide enthaltende Material ist so angebracht daß das Material in die Zone zugeführt wird, wodurch Mikroaggregate von Koks und Konzentrat gebildet werden. w

Die F i g. 2 zeigt ein im Kreislauf arbeitendes Wirbelbett, d. h. ein Wirbelbett in dem die Geschwindigkeit des Gases so hoch gehalten wird, daß das Bett die gesamte Reaktorkammer ausfüllt und das diese Kammer verlassende Gas einen hohen Gehalt an festen « Partikeln aufweist, die in einem Zyklon abgetrennt und dann der Reaktionskammer wieder zugeführt werden. Für die hier in Frage kommenden Materialien wird die erforderliche Verwirbelung bei einer Gasgeschwindigkeit von 2j5—5 m/Sek, trreieht Die Partikelgröße des mi behandelten Materials in einem im Kreislauf arbeitenden Wirbelbett kann kleiner sein als sie in einem herkömmlichen Wirbelbett Verwendung findet. Beispielsweise kann das die Eisenoxide enthaltende Material eine Durchschnittspartikelgröße von < 0,5 mm, vorzugsweise < 0,3 mm aufweisen. Der in der Zeichnung aufgezeigte Wirbelbettreaktor, der zur Reduktion des Eisenoxide enthaltenden Materials vorgesehen ist, besteht aus einer Reaktorkammer 10,11, 12, wobei der obere Teil 10 mit einem Zyklon 13 verbunden ist der ein Rückführungsrohr 14 aufweist, durch das die abgetrennten festen Partikel dem Zentralteil 11 der Reaktorkammer wieder zugeführt werden. In dem unteren Teil 12 wird das die Eisenoxide enthaltende Material durch ein Reduzierungsgas, das von unten eingeführt wird, reduziert. Wenn dieses Gas den Zentralteil 11 des Reaktors erreicht, ist das Gas teilweise zusammen mit dem festen kohlenstoffhaltigen Material durch die Luft die durch eine Anzahl kleiner Düsen 15 zugeführt wird, verbrannt, wodurch ausreichend Wärme zur Reaktion gebildet wird. Das feine, körnige, kohlenstoffhaltige Mate:.*¹; mit einem hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen wi. d kontinuierlich dem Zentralteil 11 durch die Zuführungsröhre 16 zugeführt Die flüchtigen Bestandteile werden schnell aus den Partikeln des kohlenstoffhaltigen Materials in der Zone 17 um die Einlasse ausgetrieben. Das vorerhitzte, die heißen Oxide enthaltende Material wird proportional diesen Zonen durch die Zuführungsleitung^} 18 zugeführt. Auf diese Weise werden Mikroaggregate von Koks und Konzentrat gebildet die durch das Gas durch den oberen Teil der Reaktorkammer dem Zyklon 13 zugeführt und in den Zentralteil 11 des Reaktors über die Rückführungsleitung 14 wieder zurückgeführt werden. Nach einem oder mehreren Kreisläufen in dem oberen Teil des Reaktors gehen die Partikel,, die nun erhitzt und mehr oder weniger reduziert sind, in den unteren Teil 12 des Reaktors, wo sie weiter durch das dort vorhandene stark reduzierende Gas reduziert werden, wonach sie über den Auslaß 19 abgezogen werden. Die Beschickung des Reaktors mit festem Material und der Abzug des Materials aus dem Reaktor werden so gesteuert daß die Menge des festen Materials in dem Reaktor konstant bleibt Die Überführung von Wärme von dem oberen Teil des Reaktors in seinen unteren Teil ist hoch wegen dem beträchtlichen Innenumlauf des Bettmaterials, wodurch ein extrem guter Temperaturausgleich sichergestellt ist. Teilverbranntes Gas verläßt den Zyklon 13 über eine Venturivorrichtung 20, der nicht behandeltes Eisenoxide enthaltendes Material bei 21 zugeführt wird. Dieses Material wird durch die Gase vorerhitzt, in zwei Zyklonen 22 und 23 abgetrennt und über die Zuführungsleitung 18 dem Zentralteil 11 des Reaktors zug-.iührt. Ein Teil des Gases, das den Zyklon 23 verläßt, wird von CO₂ und H₂O in der Waschvorrichtung 24 befreit und nach Wärmeaustausch und Vorerhitzen als Reduzierungsgas dem unteren Teil 12 des Reaktors wieder zugeführt, während der Rest 25 für andere Zwecke verwendet wird, wie beispielsweise zur Bildung elektrischer Energie, zum Schmelzen und zur Endreduktion des erhaltenen, ganz oder teilweise reduzierten Produkts.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur trockenen Reduktion von feinkörnigem Eisenoxid enthaltendem Material bei hohen Temperaturen mit Reduktionsgasen nach dem Wirbelbettverfahren, wobei feinkörniges, kohlenstoffhaltiges Material an einer oder mehreren Stellen in das Wirbelbett zur Bildung von Reaktionswärme durch dessen Verbrennung eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das feinkör- m nige, kohlenstoffhaltige Material, das wenigstens 15% flüchtige Bestandteile enthält und eine Partikelgröße von kleiner als 5 mm aufweist, im Überschuß zugeführt wird und daß das Eisenoxid enthaltende Material, dessen Partikelgröße kleiner ^!5 als die des kohlenstoffhaltigen Materials ist, in die Reaktionszone des kohlenstoffhaltigen Materials, in der die flüchtigen Bestandteile ausgetrieben und das kohlenstoffhaltige Material teilweise vergast und verkokt wird, eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsstoffe in ein im Kreislauf arbeitendes Wirbelbett eingebracht werden, wobei die Partikelgröße des kohlenstoffhaltigen Materials kleiner als 0,5 mm und das Eisenoxid enthaltende Material vorerhitzt ist