DE2524120A1 - Verfahren zur thermischen reduktion von eisenerzen mittels kohlenstoff - Google Patents

Description

ATnnelder· Ludwigshafen/hnein , 28. 5. 1975

_{p /Q}

Kinglor Metor S.p.A.
Buttrio, Italien

Vertreter;

Patentanwälte

. Dipl.-Ing. Adolf H. Fischer
Dipl.-Ing. Wolf »-Dieter Fischer
67 Ludwig3hafen/Rhein
Bismarckstraße

Verfahren zur thermischen Reduktion von Eisenerzen mittels Kohlenstoff

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Reduktion von Eisenerzen mittels Kohlenstoff mit Außenerhitzung zwecks Gewinnung von Eisenschwamm.

Bei diesem Verfahren wird von oben in einem vertikalen, außenbeheizten Retortenofen ein Gemisch,bestehend aus Erz und Kohle eingeführt und der Eisenschwamm von unten zusammen mit den Aschen, dem Kohlenstaub und der Kohle nach vorhergehender Abkühlung ausgetragen. Der Eisenschwamm wird sodann magnetisch von den Verunreinigungen und von der Kohle, die noch aktiviert und in den Kreislauf rückgeführt wird,

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abgetrennt.

Die Gewinnung von Eisenschwamm durch direkte Reduktion des Erzes mittels Kohle ist ein seit dem Altertum bekanntes Verfahren.

Die bekannten Verfahren sind jedoch mit bedeutenden Nachteilen behaftet und man war bisher nicht in der Lage, sie in industriellem Maßstab durchzuführen. Vor kurzem wurde dienach der Echevarria-Methode arbeitende Anlage geschlossen. Derzeit arbeiten demnach keine Anlagen zur Reduktion von Erz in außenbeheizten vertikalen Retortenofen in industriellem Maßstab auf Grund der damit verbundenen großen Nachteile.

Einige dieser vielfachen Nachteile sind die lange Verweilzeit des Erzes in den Retorten, die 45-48 ütd. und mindestens 30-56 Std. beträgt, die geringe Produktivität pro m Retortenraum, der Verbrauch übermäßiger Mengen an Wärmeträger für die Außenbeheizung der Retorte, der starke Verschleiß der Retorten auf Grund der Gegenwart von Wasserdampf und anderer korrodierender Einflüsse, die Unmöglichkeit, bestimmte Eisenerze, wie z.B. natürliche Magnetite, zu verarbeiten-, die Sinterung der Ei sen schwämme, geringe Wärmeausbeute, usw.

Alle diese und andere negative Faktoren verhinderten eine Industrialisierung der bisher bekannten Reduktionsmethoden in vertikalen, außenbeheizten Retorten.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Industria-

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lisierung des vorerwähnten Verfahrens zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgaoe sieht gemäß der vorliegenden Erfindung vor, die Charge so innig als möglich zu vermischen, um die Homogenisierung des Reduktionsmittels mit dem zu reduzierenden Erz zu verbessern. Die Charge oder der Möller soll überdies so weit als möglich feuchtigkeitsfrei sein, bevor sie in die eigentliche Retorte gelangt. Zu diesem Zweck sieht das erfindungsgemäße Verfahren eine erste Vorwärmestufe vor, welche die Aufgabe hat, den Möller vollkommen zu trocknen. Durch diese Trocknung werden nicht nur die flüchtigen Produkte entfernt, sondern wird auch das gegebenenfalls im Möller vorhandene Wasser eliminiert.

Nach dem Eintragen wird der Möller erfindungsgemäß mit einer ersten anfangs konstanten oder annähernd konstanten Geschwindigkeit (Trockenphase) niedergeführt, um sodann mit einer zweiten Geschwindigkeit mit konstanter Reduktionsfunktion der Geschwindigkeit niederzugehen.

Diese Reduktionskonstante der Geschwindigkeit oder an eine Konstante anpaßbare Geschwindigkeit fällt im wesentlichen mit folgenden drei Phasen zusammen und steuert dieselben.

a) Der Möller muß auf die Anlauftemperatur der Reduktionsreaktion gebracht, werden,

b) der stöchiometrische Reduktionsprozeß muß in Gang gesetzt werden, wobei im Falle von Hämatit (Fe₀O₂) Pe₂O,.

' erhalten wird und

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c) das FeO muß gewonnen werden.

Sodann wird die Geschwindigkeit des Niederganges des Möllers nach einer größeren konstanten Funktion als die vorhergehende herabgesetzt, wobei diese dritte Phase des Niederganges im wesentlichen mit der Reduktionsphase FeO-Fe zusammenfällt und diese steuert.

Obgleich diese Phase fast denselben Wärmebedarf wie die vorhergehenden Phasen erfordert, läuft sie in einer viel, längeren Zeit ab, d.h. sie verläuft langsamer. Veiters ist es während dieser dritten Phase notwendig, ein Zusammenhaften zwischen den verschiedenen, in Bildung begriffenen elementaren Eisenschwämmen zu verhindern.

Erfindungsgemäß fällt mit jeder Phase des stöchiometrischen Reduktionsprozesses eine andere Wärmebehandlung von außen zusammen.

Es ist von Vorteil, im erfindungsgemäßen- Verfahren, Brenner mit vorderer Abstrahlkappe zu verwenden. Eine Variante besteht darin, die Verbrennungsabgase zu verwenden, um die von den Wärmeträgern verwendete Luft vorzuwärmen.

Die Verwendung der vorderen Abstrahlkappe, welche durch die Flamme zum Glühen gebracht wird, ermöglicht die Gewinnung der Strahlungswärme.

Erfindungsgemäß erfolgt die Außenheizung mittels Hingen von

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Brennern, wobei die Ringe senkrecht zur Vertikalachse der .Retorte liegen und die Retorte auf ihrer ganzen Länge mit Ausnahme der Vorwärmzone umschließen, welch letztere vorzugsweise mit den Verbrennungsgasen geheizt wird. Die Brennerringe können einzeln oder gruppenweise beheizt werden. Jede Gruppe von Ringen deckt ^eine bestimmte Vertikalzone der Retorte ab, die im wesentlichen mit einer Ubergangsphase im stöchiometrischen Reduktionsprozeß zusammenfällt.

Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Reduktion von Eisenerz mittels Kohlenstoff in einer vertikalen außenbeheizten Retorte, wobei der Möller bestehend aus Kohlenmaterial, Erz und gegebenenfalls Aktivierungs- und/oder Entschwefelungsmittel von oben aufgegeben wird und in jeder beliebigen Höhe reduzierende Gase eingeblasen werden können und unterhalb der Reduktionszone eine Kühlzone mit Einrichtungen zum Austragen des Eisenschwammes, des Kohlenüberschusses und der Aschen vorgesehen sind welches dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Retorte bei konstanter Niedergangsgeschwindigkeit des Möllers eine erste Vorerwärmung mittels der vom Schlot kommenden Brennerabgase vorgenommen wird, welcher eine zweite progressive Erwärmung mittels Brennern zur Einleitung der Reaktion und ersten Reduktion bei progressiv abnehmander Niedergangsgeschwindigkeit des Möllers folgt, worauf sich eine dritte konstante Erhaltungserwärmung mittels Brennern zur Beendigung der Reduktion bei progressiv abnehmender Niedergangsgeschwindigkeit des Möllers anschließt, wobei die optimale

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Maximaltemperatür wenigstens in einem Teil der erwähntenlersten mittels Brennern erwärmten Zone und in der erwärmten zweiten mittels Brennern erwärmten Zone im wesentlichen konstant gehalten und der Eisenschwamm in einer Weise ausgetragen wird , daß die zeitliche Niedergangsgeschwindigkeit des Möllers in jedem Punkt eines einzelnen Horizontalquerschnittes konstant gehalten wird.

Erfindungsgemäß soll im Falle von Hämatit bei einem .Reduktionsgrad von über 90, die Korngrößenverteilung des Erzes einem Durchmesser von 5-25 nun entsprechen, wobei die besten Ergebnisse mit einer mittleren Korngröße von 15-20 mm erhalten wurden. Die Korngrößenverteilung des Kohlenstoffes soll im Falle von Koks mit 80 % festem Kohlenstoff mit-' einem Reaktionsindex von 0,55 zwischen etwa 5 und 30 mm liegen. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Korngrößenbereich von 5-^5 mm erhalten. Die Erzfeinstoffe, d.s. der Erzstaub und Erzkcxiier mit einer Korngrößenverteilung unterhalb 5-6 mm, werden nicht der losen Möllerbegichtung zugesetzt, außer sie sind brikettiert oder pelletiert.

Gemäß einer Variante kann an Stelle des angegebenen Möllers auch ein Möller aus Briketts oder Pellets, die bereits das Erz, die Reduzierkohle und gegbenenfalls ein an sich bekanntes Aktivierungs- und/oder Entschwefelungsmittel enthalten, verwendet werden.

Die Briketts oder Pellets können gemäß einer weiteren Variante des Verfahrens gegebenenfalls mit einem Kohlenüberschuß vermischt werden.

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In der Retorte wird der Möller zuerst vollkommen ge-, trocknet um im folgenden Abschnitt der Retorte keine ,Wasserdampfentwicklung zu haben, indem man ihn auf eine Temperatur von etwa 40O⁰G in der vorzugsweise, aus feuerfestem Stahl bestehenden Vcrwärmzone erhitzt. Die Retorten haben vorzugsweise einen im wesentlichen rechteckig gen Querschnitt und besitzen zwei gegenüberliegende Seiten, die im wesentlichen parallel und im gleichen Abstand voneinander über die ganze Höhe verlaufen, wogegen die anderen beiden im wesentlichen drei große Zonen bilden. Die Zonen fallen, wie bereits erwähnt wurde, mit bestimmten Phasen oder Phasengruppen zusammen. In der oberen Zone, wo die Retorte außen mit den Verbrennungsabgasengeheizt wird, ist der Querschnitt im wesentlichen konstant und besitzt ein Verhältnis zwischen Längsseite und kurzer Seite von etwa 1:5 bis 1:8,5 vorzugsweise von etwa 1:6·*- Diesem konstanten Querschnitt entspricht eine konstante oder annähernd konstante Niedergangsgeschwindigkeit. Die optimale Niedergan^ogeschwindigkeit in den verschiedenen Zonen variiert mit der Art des eingesetzten Erzes und der Reduktionskohle. Für die vorerwähnten Hämatite und Kohlen mit der angegebenen mittleren Korngrößenverteilung liegt die Niedergangsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1,1 bis 2,2 mt/h. Gute Ergebnisse wurden mit Niedergangsgeschwindigkeiten von 1,3 bis 1,5 mt/h erzielt. Die Parameter, welche die Höhe dieser Zone mit der Niedergangsgeschwindigkeit verbinden, hängen mit einer Endtemperatur von etwa 400°G, mit welcher der Möller am Ende der Vorwärmzone ankommt, zusammen.

Die folgende Zone, in weicher der Übergang _ Fe₅O₄^ - FeO

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erfolgt, besitzt, wie erwähnt wurde, einen Vertikalquerschnitt, der nach unten zunimmt. Dem Austrittsquer schnitt entspricht eine mittlere optimale Geschwindigkeit von 0,80 bis 0,90 rat/h im Falle eines Möllers der angegebenen Art bei einer mittleren Geschwindigkeit in der Vorwärmzone von etwa 1,3 bis 1,5 mt/h. Die Erhitzung mittels der Brennerringe erfolgt vorzugsweise nur auf den langen Seiten, wogegen die kurzen Seiten von den Verbrennungsabgasen bestrichen werden. Die Brennerringe sind derart verteilt, daß eine gleichmäßige Erwärmung, je nach den thermischen Erfordernissen des Reduktionsprozesses, auf den verschiedenen Reduktionswegen erfolgt.

Erfindungsgemäß soll bereits zu Beginn des zweiten Viertels der ersten Zone, die auf die Vorwärmzone erfolgt, die Temperatur des Möllers etwa 850 bis 900⁰G betragen, um das Anspringen der Reduktionsreaktion sicherzustellen. Gegen die Mitte der ersten Zone hin beträgt die optimale Temperatur etwa 1000° bis 10*C°C, maximal 1050⁰C.

Die letzte oder untere Zone, d.h. die Zone mit der zweiten Querschnittserweiterungskonstante mit den oben angegebenen Einlaufquerschnitten und - geschwindigkeiten, ist durch eine Austrittsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 0,50 bis " 0,55 mt/h gekennzeichnet. Auch in dieser Zone erfolgt wie oben angegeben die Erwärmung entlang der beiden langen Seiten. In diesem letzten Teil dient die Erwärmung von außen lediglich zur gleichmäßigen Aufrechterhaltung der optimalen Temperatur im Inneren des Möllers, die bei einem Möller der vorerwähnten Art etwa 1000° bis 1030⁰G, maximal .1050⁰C beträgt .

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In einer industriellen Anlage wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Äusgangserz und -kohle sind von der eingangs beschriebenen Art. Der mittlere Gehalt; des Ausgangsmaterials ist folgender:

63 bis 64 % Eisen, 90 bis 91 % Hämatit Fe₃O₅.

Naoh einer Verweilzeit in der Retorte von 12 bis I3 Std. (zur Vorerwärmung und Reduktion) hat der erhaltene Eisenschwamm einen Gesamteisengehalt, d.h. metallisches Eisen und FeO, in der Größenordnung von 87 bis 88 % bei einem Metallisationsgrad, d.h. einem Verhältnis von metallischem Eisen zu GesamWeisen, von etwa 92%, was bedeutet, daß von ganzen im Eisenschwamm zugegenen Eisen etwa 80% als metallisches Eisen vorhanden sind. Diese Ergebnisse werden mit den vorerwähnten mittleren Geschwindigkeiten erhalten, bei denen eine Produktivität von etwa 60 bis 70 kg/m h erzielt wird.

Dabei muß berücksichtigt werden, daß vor allem die bei den Versuchsdurchsätzen verwendete Kohle und das Erz nicht von beater Qualität waren. Bei Verwendung von Briketts oder Pellets sind die Ergebnisse besser und können durch die Gegenwart eines Aktivierungsmittels für die Reaktion noch.weiter verbessert werden. Die'selbstreduzierenden-Briketts bieten den weiteren Vorteil, daß es möglich ist, ihre Zusammensetzung und die Beschickung zu dosieren, so daß beim Austrag der Eisenschwamm im allgemeinen ohne.wesentliche begleitende

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Verunreinigungen erhalten wird.

Die Entnahme des Eisensenwammes soll vorteilhaft derart erfolgen, daß eine Gleichförmigkeit des Niederganges in jedem Abschnitt der Retorte gewährleistet ist, da ein nicht gleichförmiger Niedergang zu Verweilzeiten und daher zu Metallisierungsgraden, die von Zone zu Zone verschieden sind, führt. Weiters besteht die Gefahr der Bildung von Zusammenballungen oder Sinterungen.

Erfindungsgemäß wird der durch die Austragsorgane geförderte Eisenschwamm vorübergehend in einer ersten Kammer gelagert, die unten einen Verschlußschieber besitzt. Von dieser ersten Kammer wird der Eisenschwamm sodann zu. einer zweiten Kammer befördert, die unter tiberdruck steht, so daß jedesmal wenn der erwähnte Schieber sich öffnet, das in der ersten Kammer vorhandene GO nicht entweichen kann. Dcx· überdruck in der zweiten Kammer wird durch ein inertes Gas aufrechterhalten.

Dieses inerte Gas besteht vorzugsweise aus den dem Schlot entnommenen Hauchgas (etwa 850 bis 95O⁰G), die auf Raumtemperatur (etwa 20° bis 24-⁰C) abgekühlt und in die zweite Kammer eingeführt werden. Diese inerten Gase dienen auch dazu, eine Oxidation.des Eisenschwammes zu verhindern. Das überschüssige Inertgas wird sodann über Filterschichten geführt und in die Atmosphäre abgeblasen.

Unter Bezugnahme auf die vorstehenden Ausführungen wird

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auf die beiliegende Zeichnung verwiesen, in welcher schematisch eine nach dem erfindungagemäßen Verfahren betriebene Anlage dargestellt ist.

In der Zeichnung ist mit 10 die Retorte bezeichnet. 11 ist die obere Vorwärmzoixe; mit 12 die erste Zone der Außenerhitzujog mittels der Brenner 1.3; 14 die zweite von außen erhitzte Zone; 17 die Eintragsöffnung und 18 die Austragsöffnung der Retorte; 19 die die Kammer 15 umfassende und die Brenner 13 abstützende Konstruktion; 20 die Abkühlzone für den Eisenschwamm, wobei die Abkühlung mittels Zwangszirkulation von Wasser in einem Zwischenraum erfolgt; 21 sind die Austragsorgane in Form einer Schnecke; 22 ist die erste Schwammaufnahmekammer} 23 sind die Schieber; 24 ist die zweite Schwammaufnahmekammer; 25 ein gegebenenfalls für den Austrag des Schwammes vorgesehenes Förderband; 26 die Abnahme der Rauchgasej 27 der Kühlkreislauf für die Kühlung der Rauchgase; 28 sind die Gebläse für die Rauchgase; 29 sind die Filterschichten.

Das vorstehend beschriebene Verfahren kann in vieler Hinsicht abgeändert werden, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So ist es beispielsweise möglich, auf die Niedergangsgeschwindigkeiten einzuwirken, indem man die Querschnitte und/oder die Höhen verändert. Veiters ist es möglich, alle Seiten der Retorte zu beheizen* Dem Möller können auch Aktivierungsmittel zur Aktivier-ung des stöchiometrischen Reduktionsprozesses oder Entschwefelungsmittel oder andere zweckmäßige Zusätze beigegeben werden. So iet · es .z.B. möglich, gasförmige reduzierende Vehikel von der ge-

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wünschten Temperatur und in der gewünschten Höhe zuzuführen. Die Vorwärmzone kann auch direkt beheizt werden und die Verbrennungsgase können für die Vorwärmung der Verbrennungsluft verwendet werden.

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Claims (12)

Patentansprüche

1. Verfahren zur thermischen Reduktion von Eisenerz mittels Kohlenstoff in einer vertikalen, außenbeheizten Retorte, wobei der Möller bestehend aus Kohlenmater LaI, Erz und gegebenenfalls Aktivierungs- und/oder Entachwefelungsmittel von oben aufgegeben wird und in jeder beliebigen Höhe reduzierende Gase eingeblasen werden können und unterhalb der Reduktionszone eine Kühlzone mit Einrichtungen zum Austragen des Eisenschwammes, des Kohlenüberschusses und der Aschen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Retorte bei konstanter Niedergangsgeschwindigkeit des Möllers eine erste Vorerwärmung mittels der vom Schlot kommenden Brennerabgase vorgenommen wird, welcher eine zweite progressive Erwärmung mittels Brennern zur Einleitung der Reaktion und ersten Reduktion bei progressiv abnehmender Niedergangsgeschwindigkeit des Möllers folgt, worauf sich ^ine dritte konstante Erhaltungserwärmung mittels Brennern zur Beendigung der Reduktion bei progressiv abnehmender Niedergangsgeschwindigkeit des Möllers anschließt, wobei die optimale Maximaltemperatur wenigstens in einem Teil der erwähnten ersten mittels Brennern erwärmten 2one und in der erwärmten zweiten mittels Brennern erwärmten Zoile im wesentlichen konstant gehalten und der Eisenschwamm in einer Weise ausgetragen wird, daß die zeitliche Niedergangsgeschwindigkeit des Möllers in jedem Punkt eines einzelnen Horizontalquerschnittes konstant gehalten wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Möller sehr homogen vermischt wird, wobei die Komponenten Minimaldurchmesser von wenigstens 5 mm aufweisen und die Beschickung frei von losen Fein- oder Staubteilchen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Möller bestehend aus Hämatit mit einer Redutionszahl von 90 bis 92 und aus Koks mit 80% festem Kohlenstoff und einer Reaktionszahl von etwa 0,55 die Korngrößenverteilung des Hämatit 5 bis 25 mm und die des Koks 5 bis 30 mm beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenerhitzung der Retorte in der oberen Vorwärmzone mit den vom Schlot kommenden Verbrennungsrauchgasen erfolgt,und daß der Möller in dieser

Zone auf 400⁰G erhitzt und dabei getrocknet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenerhitzung der Retorte in den auf die Vorwärmzone folgenden unteren Zonen mittels Brennern, welche in Ringen angeordnet sind, die im wesentlichen auf senkrecht zur Vertikalachse der Retorte verlaufenden E-benen liegen, erfolgt, die auf wenigstens zwei entgegengesetzte Seiten der Retorte wirken, wobei die Brennerringe wenigstens ringgruppenweise regelbar sind und in ,jeder Reaktionszone des Reduktionsprozesses wenigstens ein Brennerring unabhängig regelbar ist und

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die Erhitzung derart erfolgt, daß die Temperatur im betreffenden Abschnitt im wesentlichen konstant ge- ^r halten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß auf Grund der im wesentlichen konstanten forfcßchreitenden Zunahme des Querschnittes des ersten durch die Brenner erhitzten Abschnittes die zunehmende Herabsetzung der Niedergangsgeschwindxgkeit ein Zusammenfall der Verweilzeiten mit den Reaktionszeiten des Reduktionsprozesses bewirkt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen konstante Zunahme des Querschnittes der zweiten durch die Brenner erhitzten Zone die zunehmende Herabsetzung der Nieder.-gangsgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit einer Verweilzeit des Möllers, welche eine totale Reduktion des Erzes gewährleistet, erreicht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die konstant en Funktionen der ersten und der zweiten durch Brenner erhitzten Zonen unterschiedlich sind, und daß die Ausgangsgeschwindigkeit aus der dritten Zone zwischen 0,40 und 0,80 mt/h liegt und vorzugsweise 0,50 bis 0,55 mt/h beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Möllers oder Briketts

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oder Pellets aus Hämatit mit einer Reduktionszahl von 90 bis 92 und Koks mit 80% festem Kohlenstoff und einer Reaktionszahl von 0,55 die maximale Reduktionstemperatur 1050⁰C beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrag des Schwammes aus dem unteren Teil der Reduktionszone derart erfolgt, daß die Niedergangsgeschwindigkeit im Bereich einer jeden oberhalb des Austrages liegenden Horizontalebene konstant gehalten wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgetragene Eisenschwamm zu einer ersten Kammer befördert wird und aus dieser über einen Schieber in eine zweite unter dem überdruck eines inerten Gases stehende Kammer.

12. Verfahren nanh einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer mittels der vom Schlot abgezogenen und auf Raumtemperatur (25 bis 40⁰C) gekühlten Verbrennungsgase unter Überdruck gehalten wird,

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