DE2546416A1

DE2546416A1 - Verfahren zur gasreduktion von metallerzen

Info

Publication number: DE2546416A1
Application number: DE19752546416
Authority: DE
Inventors: Patrick William Mackay
Original assignee: Fierro Esponja SA
Current assignee: Fierro Esponja SA
Priority date: 1974-10-18
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1976-04-22
Also published as: JPS5622923B2; IE42344B1; SU627770A3; ES456385A1; TR19092A; JPS5164402A; JPS5623209A; NL169348C; AR204299A1; AU8575275A; NL7512199A; ZM14275A1; BE834512A; IT1051592B; NL169348B; RO71628A; ZA756208B; GB1524988A; AT347982B; BR7506717A

Description

1 BERLIN 33 " ¹ " 8 MÜNCHEN SO

^1BERUN " »„.—*.,-« Plenzenauer»traB»2

Auguste-Viktoria-StraBeKi Dr. RUSCHKE & PARTNER Pat.-An*. DIpL-In₈.

Olaf Ruschke

τ—,«/ 5558 B E R L . N - M 0 N C H E N

Teiegramm-Adre.se: Quadratur Mönchen

254641Q

]j^lierrü-jjjsponja S.A., Monterrey, Mexico, V.St.A.

Verfahren zur G-a sr eduction von Metallerzen

Die vorliegende Erfindung betrifft die G-asreduiction von Metalloxiden bei honen l'emperaturen und insbesondere ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines aus iaenreren Einheiten bestehenden Reaittorsystems zur Durchführung eines solchen Reduktionsverfahrens. Die Erfindung ist von besonderem Nutzen bei der direkten G-asreduiction von Eisenoxiderzen in Brocken- oder Pelletform zu ochwammeisen und soll zur Erläuterung für diese Anwendung beschrieben werden, obgleich sich aus der Beschreibung ergeben vvird, daii sich die Erfindung auch auf Verfahren zur üeduittion von anderen Metalloxiderzen als Eiaenoxiderzen anwenden läßt.

In einem ihrer Aspekte stellt die vorliegende Erfindung eine

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"Verbesserung eines bekannten naibKontinuierlichen "Verfahrens zur herstellung von ocruraiümeisen dar, bei dem ein aus mehreren jjinneiten bestehendes iieaktorsystem eingesetzt wird, in denen getrennte ilengen von eisennaitigem lslaterial gleichzeitig TDenandelt werden, ^in Verfahren dieser Art ist in der US-PS

2 900 24-7, der US-P3 3 4-2"3 201 sowie den US-PSn 3 136 623,

3 136 624 und 3 136 625 Descnrieoen. Die prinzipiellen Verfahrenssehritte bei einem lieaktorsysteiiL dieser Art sind (1) die Reduktion des ürzes zu Scrw/ammeisen, (2) das Abkühlen des reduzierten Erzes und (3) das entfernen des Schwammeisens aus dem Reaktionsgefäß und erneutes beschicken mit zu reduzierendem Eisenerz. Die Reduktion erfolgt mit einem Reduktionsgas, das gemeinhin eine Mischung aus im wesentlichen Kohlenmonoxid und wasserstoff ist. Das G-as erhält man typischerweise durch katalytische Umsetzung einer Mischung von i/ass er dampf und Methan zu Kohlenmonoxid und wasserstoff in einem katalytischen Reformier gefäß bekannter Bauweise nach der G-leichung

CH^ + H₂O > GO + 3H₂.

Das Produktgas des Reformiergefäßes wird gekühlt und danach durch einen Kühlreaktor und einen oder mehrere Reduktionsreaktoren gegeben, während der Kühl- und Reduktionsstufen wird ein zusätzlicher Reaktor, der zuweilen als Ladereaktor 'bezeichnet wird und der bereits gekühltes reduziertes Erz in Form von Schwammerz enthält, vom System abgetrennt, so daß das Schwammeisen aus dem Reaktor entfernt und dieser mit frischem Erz beschickt werden kann. Das Reaktorsystem ist mit

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geeigneten ochaltventilen versehen, so daß am finde jedes Zyklus die Gasströmung so umgeschaltet werden kann, daß der Reaktor der Kühlstufe zum Ladereaktor, der Reduktionsreaktor der letzten Stufe zum iüihlreaktor und der Ladereaktor zum ReduKtionsreaktor der ersten Stufe werden.

Da die Reduktionsreaktoren eines solcnen Systems für die Gasströmung in Reihe geschaltet sind, läßt aie Menge des frischen Reduziergases, die zur Erzeugung eines vorgegebenen Gewichts von reduziertem Erz mit vorgegebenem Redusctionsgrad erforderlich ist, sich senken, indem man die Anzahl der Redutctionsreaktoren in der Reihe erhöht. Der jedoch beim Durchströmen des Reduziergases durch die metallhaltige Beschickung in jedem Reaktor auftretende Druckabfall setzt der Anzahl der Reaktoren, die eingesetzt werden können, eine praktische Grenze. Aus diesem Grund weisen die üblicnen Anlagen dieser Art, wie die in den oben genannten Patentschriften offenbarten, üblicherweise einen Kühlreaktor und zwei ReduKtionsreaktoren auf. ,/ird in ein solches System ein dritter ReduKtionsreaktor aufgenommen, fällt die Strömung des Reduziergases auf einen nicht mehr annehmbar niedrigen riert ab, sofern man die Anlage bzw. die Betriebsbedingungen nicht abändert; derartige Änderungen bewirken aber andere unerwünschte Effekte.

Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß in Systemen dieser Art nach dem Stand der i'ecxinik, oei denen das gekühlte Reduziergas anfänglich in den Kühlreaktor gegeben wird, insbesondere während der späteren Stufen des Kühlbetriebs die Neigung besteht,

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daß der οDen erwähnte Reformierreaktor in entgegengesetzter Richtung arbeitet, d.h., daß sich dort Kohlenmonoxid und »/asserstoff zu Metnan und Wasserdampf verbinden. Da diese Umkehrreaktion exotüerm verläuft, verzögert sie die Abkühlung des Schwammeisens im letzten Teil des Kühlzyklus.

Da weiterhin das reduzierte Erz im Kühlreaktor, das zwar im wesentlichen aus Schwammeisen besteht, imuier noch eine bestimmte Menge von nicht reduziertem Oxid enthält und deshalb während des Durchlaufs des Kühlgases durch den Kühlreaktor eine gewisse Reduktion stattfindet, hat das zum Redutctionsreaktor weiterströmende Gas eine etwas niedrigere Reduktionsgüte als das aus dem Reformierreaktor austretende G-as.

«■ie in der US-PS 3 423 201 offenbart, ist erwünscht, daß das reduzierte Schwämmeisen einen bestimmxen Anteil Kohlenstoff enthält, damit es für die Stahlherstellung wirksam eingesetzt werden lcann. .Bei dem in der genannten Patentschrift offenbarten System erfolgt die gewünschte Aufkohlung durch eine zweistufige Abkühlung des Schwammeisens im Kühlreaktor. In der ersten Stufe wird das Reduziergas mit dem gleichen Durchsatz ' durch den Kühlreaktor gegeben wie durch den ersten Kühlreaktor. Während dieser ersten Stufe bricht das heiße Schwammeisen einen Teil des kohlenstoffhaltigen Reduziergases auf, .so daß sich Kohlenstoff auf der Oberfläche der Schwammeisenteilohen ablagert. Nachdem das Schwammeisen auf eine Temperatur unterhalb des G-aszersetzungswertes abgekühlt worden ist, wird das aus dem Kühlreaktor abgehende Gas gekühlt und erneut in den

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Kreislauf gegeben, um. die Abkühlung des Schwämme is ens auf etwa Raumtemperatur zu "beschleunigen, ,/ährend dieses Verfahren "brauchbar ist, um eine Ablagerung von Kohlenstoff auf den Schwämme is ent ei Ic ilen zu erreichen, unterliegt es der Einschränkung, daß die Menge des auf dem Schwammeisen abgelagerten Kohlenstoffs sich nicht in so weiten Grenzen variieren läßt, wie manchmal erwünscht wäre.

lOlglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Metalloxiderzreduktion der in den obengenannten Patentschriften allgemein angegebenen Art zu schaffen, bei dem die oben erläuterte Umkehrreaktion im Kühlreaktor sich hemmen oder unterdrücken läßt. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Metalloxiderzreduktion dieser allgemeinen Art zu schaffen, bei dem die Güteabnahme des Reduziergases infolge der Reduktion von restlichem unreduziertem Erz im Schwammeisen im Kühlreaktor die Güte des den Reduktionsreaktoren zugeführten Reduziergases nicht beeinträchtigt. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfanren zur Metalloxiderzreduktion dieser allgemeinen Art anzugeben, bei dem die Kohlenstoffablagerung auf dem reduzierten Metall im Kühlreaktor sich innerhalb eines verhältnismäßig breiten Bereiches variieren läßt. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Verbesserung beim Betrieb eines Reductionssystems mit mehreren Reactoren der oben genannten Art anzugeoen, das es praktisch möglich macht, eine Reihe von drei oder mehr Reduktionsreaktoren zu verwenden und damit das

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vom Reformierer erzeugte frische Reduziergas "besser auszunutzen. Andere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be- ' Schreibung heraus oder werden ausführlich erläutert.

Allgemein gesagt, lassen die Ziele der vorliegenden Erfindung sich erreichen, indem man ein Brzreduktionssystem der obengenannten allgemeinen Art derart modifiziert, daß der Kühlreaktor aus der liauptströmung des Äeduziergases durch die Reduzierreaktoren herausgenommen wird, wie oben ausgeführt, wird es mit einem derart abgetrennten Kühlreaktor möglich, drei oder auch mehr Realctoren in Reine einzusetzen und damit das vom Reformer erzeugte frische Reduziergas wirkungsvoller auszunutzen. Folglich soll die Erfindung hier an einem System mit drei Reduzierreaktoren erläutert werden. Bs wird jedoch darauf verwiesen, daß der abgetrennte kühlreaictor nach der vorliegenden Erfindung sich mit Vorteil auch in einem System mit weniger als drei Reduktionsreaictoren einsetzen läßt, da er sich in einem solcnen System verwenden läßt, um (a) die Umkehrreaktion zu unterdrücken, die normalerweise im Kühlreaktor erfolgt, (b) die Abnahme der Güte des den Redu&tionsreaktoren zugeführten Reduziergases infolge des unreduzierten Erzanteils im gekühlten metallhaltigen Material zu eliminieren und (c) einen breiteren Variationsbereich der auf dem reduzierten Erz abgelagerten Kohlenstoffmenge zuzulassen.

Jjie vielen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten unter Bezug auf die üeigefügte Zeichnung erläutern, die in Diagrammform ein System mit mehreren Reaktoren zeigt, mit dem sich das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung

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durchführen läßt. Das in der Zeichnung dargestellte System weist allgemein einen Kühlreaktor 10, den ersten bzw. Hauptreduktionsreairtor 12, den zweiten Reduktionsreaktor 14, den dritten Reduictionsreaktor 16 und den Ladereaktor 18 auf. Diese drei Reduktionsreaktoren sind hinsichtlich der Strömung des Reduziergases durch, die Beschickung mit eisenhaltigem Material, die sie enthalten, in Reihe geschaltet, ,/ie oben ausgeführt, arbeitet das Erzreduktionssystem zyklisch bzw. periodisch. Die Erzreduktion und Kühlung sowie das Abnehmen des gekühlten Schwammeisens aus dem Ladereaktor und dessen erneute Beschickung mit frischem Erz erfolgen gleichzeitig innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne, die von Paktoren wie der Güte des Reduziergases und dessen Durchsatz, der Größe der Reaktoren, der zeitlichen G-asrückführmenge und dergl. abhängt. Am Ende jedes Arbeitszyklus werden die Reaktoren funktionsmäßig derart umgeschaltet, daß der Ladereaktor zum zweiten Reduktionsreaktor, der Haupt- bzw. erste Reduktionsreaktor zum Kühlreaktor und der Kühlreaktor zum Ladereaktor werden. Diese funktionsmäßige Umschaltung der Reaktoren läßt sich durch eine Ventil- und Rohrleitungsanordnung zwischen den Reaktoren bewerkstelligen, die aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist und aus der Zeichnung fortgelassen wurde, um die Darstellung zu vereinfachen.

Die Strömung des Reduziergases durch die Reduktionsreaktoren findet allgemein im ΰ-egenstrom statt, d.h. das frische Reduziergas wird in den HauptreduKtionsreaktor eingespeist, der eisenhaltiges Material enthält, das im zweiten Reduktionsreaktor

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und im dritten Heduktionsreaictor während vorhergehender Arbeitszyklen bereits teilreduziert worden ist. Der dritte Reduirtionsreaictor, der anfänglich das frische Erz enthält, wird mit Gas gespeist, das bereits den ersten und den zweiten ReduKitionsreaktor durchlaufen hat.

wie nun auf der linken Seite der Zeichnung dargestellt, wird ein sich im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und v'/asserstoff zusammensetzendes Reduziergas in einem Reformer 20 bekannter Bauweise mit einem gasbeheizten katalytischen Konverter 22 und einem Kamin 24 erzeugt. Methan, Erdgas oder ein anderes Kohlenwasserstoffgas wird aus einer geeigneten Quelle über ein Rohr 26 mit einem Ventil 28 zugeführt und erwärmt sich beim Durchströmen einer Schlange 50 nahe dem oberen Ende des Schachtes 24» wo zwischen ihm und den durch den Schacht strömenden Gasen ein Wärmeaustausch stattfindet. Das die Schlange 51 verlassende Gas- bspw. Methan - wird mit Wasserdampf in den für die katalytische Umsetzung zu Kohlenmonoxid und -wasserstoff geeigneten Anteilen vermischt - typischerweise mit einem Molverhältnis von 1:2. Insbesondere wird ,/asserdampf aus einem Dampfsammler 52 durch aas Rohr 34 mit dem Ventil 36 zugeführt, und die Mischung von Wasserdampf und Methan strömt durch das Hohr 38 zu einer Schlange 40 im unteren Teil des Schachts 24» wo sie weiter vorgewärmt wird. Aus der Schlange 40 strömt die wasserdampf-Methan-Mischung durch das Hohr 42 zum Konverter des Reformers 20, in dem sie auf bekannte Weise durch extern beheizte Katalysatorrohre strömt, damit die gewünschte Umsetzung, zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff stattfindet.

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Aus dein Reformer 20 strömt das heiße Reduziergas durch, das Rohr 44 zu einem rohrförmigen Abwärmekessel 46, in dem seine fühlbare »/arme zur Dampferzeugung ausgenutzt wird. Insbesondere strömt heißes v/asser aus dem Dampf sammler durch aas Rohr 48 zum Boden des Kessels 46 und von dort durch dessen Rohre, in denen ein i'eil des wassers durch die //arme des heißen Reduziergases verdampft. Die resultierende Mischung aus Wasserdampf und heißem wasser strömt durch das Rohr 50 zum Dampfsammler zurück.

Um die v/arme der durch den Kamin 24 des Reformers 20 strömenden Gase weiter zu nutzen, wird vom Boden des Sammlers 32 durch das Rohr 52 heißes Wasser abgezogen, strömt durch eine Schlange 54 im Schacht 24 und von dort wieder durch das Rohr zum Sammler 32 zurück. Die im Kessel 46 und den Schlangen im Schacht 24 gewonnene ,/arme reicht mehr als aus, um den »vasserdampf zu erzeugen, der zur Mischung mit dem Methan als Speisegas für den Reformer benötigt wird. Es steht al30 überschüssiger Dampf zur Verfügung, den man vom Sammler 32 durch das Rohr 58 für irgendeine andere Verwendung in der Anlage abziehen kann. Ersatzspeisewasser für das Dampferzeugungssystem fließt durch das Rohr 60 zu. Die "Verwendung des Dampfsammlers 32, des Abwärmekessels 46 und der Schlangen 30, 40 und 54 im Schacht verbessert den Gesamtwärmehaushalt des Systems erheblich.

Das Keduziergas, das beim Durchströmen des Kessels 46 gekühlt worden ist, strömt durch das Rohr 62 zu einem Abschreckkühler 64, wo es gekühlt und entwässert wird und von dort zu der Kopf-

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leitung 66. üin -Kleiner Teil des xteduziergases kann aus der Kopfleitung 66 über das Rohr 68 mit dem Ventil 70 entnommen und dem Kühlreaktorsystem Zugeführt werden, wie es im folgenden beschrieben wird. Der Hauptteil des Reduziergases strömt durch das Rohr 66 mit dem Ventil 72 zu einem Schlangenheizer 74, wo es auf eine Temperatur der Größenordnung von 700 bis 85O⁰O erwärmt wird. Da die gewünschte Temperatur des Reduziergases am Eingang des ersten Reduzierreaktors 12 in der Größenordnung von 900 bis 1100 G beträgt und vorzugsweise 1050⁰C ist, muß das den Heizer 74 verlassende Gas weiter erwärmt werden. Dies erfolgt in einer Brennkammer 12a, die in Strömungsverbindung mit dem oberen Ende des ersten Reduktionsreaktors 12 steht. Insbesondere strömt das Gas aus dem Heizer 74 über das Rohr 76 zur Brennkammer 12a, wo es mit einem durch das Rohr 78, mit dem Ventil 80 zugeführten sauerstoffhaltigen Gas gemischt wird. Das sauerstoffhaltige Gas kann Luft oder reiner Sauerstoff oder deren Mischungen sein. Vorzugsweise setzt man jedoch verhältnismäßig reinen Sauerstoff ein, damit kein Stickstoff in das System eindringen kann. Innerhalb der Brennkammer wird ein Teil des heißen Reduziergases verbrannt, um eine Mischung mit der erwünschten verhältnismäßig hohen Temperatur herzustellen. Die Brennkammer 12a kann der aus der US-PS 2 900 247 bekannten Ausführung entsprechen. Falls erwünscht, kann das aus dem Heizer 74 ausströmende Gas in einem Überhitzer 82 in der Rohrleitung 76 weiter aufgeheizt werden. Die Verwendung eines Überhitzers ist besonders vorteilhaft, wenn man dem Reduziergas zwischen dem Reformer und dem Hauptreduzierreaktor ein Kohlen-

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.wasserstoffgas wie Methan hinzugibt, wie unten beschrieben, da sich durch Verwendung eines Überhitzers die Menge des der Brennkammer 12a zuzuführenden sauerstoffhaltigen Gases reduzieren läßt.

Das Volumen des eingesetzten sauerstoffhaltigen Gases sowie seine '!temperatur hängen von seinem Sauerstoff anteil ab. Verwendet man Luft als sauerstoffhaltiges Gas, wärmt man es wünscnenswerter weise auf eine Temperatur in der Größenordnung von 70O⁰C oder mehr vor; bei Sauerstoff braucht es nicht oder nur auf eine erheblich geringere Temperatur vorgewärmt zu werden. Setzt man Luft als sauerstoffhaltiges Gas ein, kann das Volumenverhältnis der Luft zu dem xieduziergas, mit dem sie vermiscnt wird, bis 0,4 : 1 betragen und liegt typischerweise im Bereich von 0,15 : 1 bis υ,3 : 1. nenn, man andererseits als sauerstoffnaltiges Gas Sauerstoff einsetzt, ergibt ein Volumenverhaltnis im Bereich von (J,05 : 1 bis 0,15 : 1 gewöhnlich annehmbare .Resultate.

Aus der Brennkammer 12a strömt das heiße xieduziergas oben in den ersten Reduktionsreaktor 12 ein und strömt durch das darin befindliche Bett von eisenhaltigem Material abwärts, wobei es dieses weiter zu Schwammmetall reduziert. Das aus dem Reaktor 12 austretende Gas tritt an dessen Boden durch das Rohr 84 aus und strömt durcn einen Abschreckkühler 86, der es kühlt und entwässert, und dann durch ein Rohr 88 mit einem Ventil 90 zu einem Schlangenheizer 92, der dem Heizer 74 entspricht . Innerhalb des Heizers 92 wird das Gas wieder auf eine Temperatur in

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der Größenordnung von 700 bis Ö5O°C aufgeheizt, strömt dann durch aas itohr 94 zur Brennkammer Ha des zweiten Reduktionsreaktors 14, die der Brennkammer 12a entspricht. Die Kammer 14 erhält weiterhin säuerstoffhaltiges Gas aus der Leitung. 96 mit dem Ventil 9Ö. In der Brennkammer 14a wird ein Teil des Reduziergases verbrannt, um die Temperatur auf 900 bis 1100⁰C zu steigern und tritt dann in den zweiten Reduktionsreaktor 14 .ein, wo es durch das in diesem befindliche Bett aus eisenhaltigem Material abwärts strömt und dieses teilweise reduziert. a/ie im Pall des ersten Reaktors kann auch das System des zweiten Reaktors mit einem Überhitzer 100 in der Rohrleitung 94 versehen werden.

Das aus dem zweiten Reduktionsreaktor 14 austretende Gas strömt durch ein Rohr 102, den Abschreckkühler 104 und die Rohrleitung 106 mit einem Ventil 108 zu einem Schlangenneizer 110, der den Heizern 74 und 92 entspricht und auf entsprechende *¥eise das durchströmende Gas erwärmt. Aus dem Heizer 110 strömt das Gas durch das Rohr 112, das mit einem Überhitzer 114 versehen sein kann, zur Brennkammer 16a, die mit dem Oberteil des dritten Reaktors 16 in Strömungsverbindung steht. Die Brennkammer 16a entspricht den Brennkammern 12a und 14a und arbeitet auf analoge Weise. Der Kammer 16a wird auf der Rohrleitung 116 mit dem Ventil 118 ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, und das heiße Reduziergas aus der Kammer 16a strömt durch das Bett aus eisenhaltigem Material in dritten Reaktor 16 abwärts, wobei es dieses teilweise reduziert. Das aus dem dritten Reaktor austretende Gas strömt durch das Rohr 120 zum Abschreckkühler 122, wo es gekühlt und entwässert wird..

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Das aus dem Kühler 122 austretende G-as enthält zwar einen •verhältnismäßig geringen Anteil reduzierender Bestandteile, läßt sich aber immer noch als Brenngas verwenden, weiterhin hat sich in einigen .Fällen die Maßnahme als vorteilnaft herausgestellt, dieses Abgas aus dem dritten Reaktor dem ersten bzw. Mauptreaktor 12 zurüctczufünren. Insbesondere läßt man einen vorbestimmten und geregelten Teil des Abgases aus dem Kühler 122 durcn das Rohr 124 mit dem Ventil 126 zu einer Pumpe 128 und von dort durch das Rohr 130 mit dem Strömungsregler 152 zur Kopfleitung 66 für das lieduziergas strömen. In Fällen, wo ein Teil des Abgases aus dem dritten Reaktor 16 auf diese tfeise in den Kreislauf rückgefünrt wird, verbessert man die Güte des dem ersten Reduktionsreaktor 12 zugeführten Gases wünschenswerter tfeise durch Zugabe von Methan, das man durch ein Rohr 134 zuführt, das an die Methanspeiseleitung 26 und die Kopfleitung 66 angeschlossen ist. Das Rohr 134 enthält einen Strömungsregler, mit dem die Methanströmung zur Kopfleitung auf einen vorbestimmten >Vert eingestellt werden kann.

Der Rest des aus dem dritten Redutctionsrealctor 16 austretenden Gases strömt zu und durch eine Kopf leitung 138. »Vie in der zieicnnung dargestellt, läßt sich mindestens ein I'eil dieses Abgases als Brenngas zum Beheizen des unteren Teils 22 des Reformers 20 und der Heizer 74, 92 und 110 verwenden. Insbesondere laßt sich Gas aus der Kopfleitung 138 durch das Rohr 140 mit dem Ventil 142 abziehen und als Brennstoff zum Beheizen des unteren Teils 22 des Reformers 20 verwenden, durch das Rohr

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mit dem Ventil λ^ abziehen und als Brennstoff für den Heizer 74 verwenden, durch, das Rohr 148 mit dem Ventil 150 abziehen und als Brennstoff für den Heizer 92 verwenden und durch das .Rohr 152 mit dem Ventil 154 abziehen und als Brennstoff für den Heizer 110 verwenden, vlenn die Abgasmenge aus dem dritten Reaktor großer ist als für die Rückführung in den Kreislauf durch das Rohr und die Beheizung des Reformers und der Heizer der Reaktoren erforderlich, kann man das überschüssige Gas durch das Rohr 156 zu einem geeigneten Speienerpunkt führen oder an die Atmosphäre ablassen.

»/ie auf der recnten Seite der Zeichnung dargestellt, ist ein Laderealetor, der im Aufbau den ReduKtionsreaktoren 12, 14 und 1b entspricht, ebenfalls mit einem Heizer 158 versehen, in dessen Mnlaßleitung 160 sich ein Ventil 162 befindet. Das Abgas des Heizers 158 strömt durch ein Rohr 164, das einen Überhitzer 166 entnalten kann, zu einer Brennkammer 18a, der sauerstoffhaltiges Gas durch ein Rohr 168 mit einem Ventil zugeführt werden kann. Während des hier beschriebenen Teils des Arbeitszyklus sind die Ventile 162 und 170 jedoch geschlossen und ist der Ladereaktor 18 vom System abgetrennt, so daß sich gekühltes reduziertes Schwammeisen aus dem Reaktor herausnehmen und eine neue Beschickung von frischem Erz einführen lassen.

v/ie oben angegeben, ist das System nach der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet durch die Tatsache, daß ein außerhalb des Gasstroms befindlicher Kühlreaktor eingesetzt wird. Der

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Kühlreaktor 10, wie auch die Reaktoren 12, 14 und 16, ist mit einem Heizer 172, einer Einlaßleitung 174 mit dem Ventil 176,-einem Überhitzer 178 und einer Brennkammer 10a versehen, die während des hier beschriebenen i'eils des Arbeitszyklus durch Schließen der Ventile 176 und 180 außer Betrieb sind, ,/ie oben beschrieben, enthält der Reaktor 10 zu Beginn des Redufctionszytclus heißes reduziertes Schwammeisen aus einem vorgehenden Reduktionszyklus. Dieses Bett heißer Schwammeisenteilchen wird durch ein durchströmendes Kühlgas gekühlt. Das Kühlgasumlaufsystem enthält eine Pumpe 1ö2, die Gas durch eine Leitung 1ö4 oDen in den KühlreaKtor 10 einpumpt. Das G-as strömt durch axe Reaktorbeschickung aus reduziertem Metall abwärts und kühlt sie. Das Abgas des Kühlreaktors 10 strömt auf einer Leitung 186 zu einem Abschreckkühler 188, der es entwässert und .Kühlt und von dort auf der Leitung 190 zur Säugpumpe 182. Wenn als Kühlmedium zur Kühlung des reduzierten Erzes Reduziergas eingesetzt werden soll, läßt sich Gas aus der Kopfleitung 66 üDer eine Leitung 68 mit einem Absperrventil 70 und einem Strömungsregler 192 abzienen, die für eine vorbestimmte Reduzie-r gasströmung in das Umlaufsystem des Kühlreaktors sorgen. Um einen unerwünschten Druckstau innerhalb des Kühlsystems zu vermeiden, wird Gas aus dem Rohr 184 durch ein Rohr 194 mit dem Rückdruckregler 196 abgezogen, um im Kühlsystem einen erwünschten Druck aufrechtzuerhalten. Das auf der Leitung 194 abgezogene Kühlgas kann entweder durch das Rohr 198 mit dem Yentil 200 zur Kopfleitung 66 zurück oder durch das Rohr 202 mit dem Ventil 204 zur AbgasSammelleitung 138 geführt werden«

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Allgemein gesagt, verbessert die Verwendung eines separaten lüihlreaktors axe Arbeitsflexibilität des Systems, da sie eine unabhängige Steuerung sowohl der GasStrömungsrate als auch der Zusammensetzung des Gases im Kühlgaskreislauf gestattet,

wie oben ausgeführt, ist oft erwünscht, als Kühlgas für die Kühlung des Heißen Erzes ein Gas mit .Bestandteilen einzusetzen,. aus denen sich Kohlenstoff in vorbestimmter Menge auf der Oberfläche des reduzierten Schwammeisens absetzen soll. Bs kann also erwünscht sein, in dem Kühlkreislauf ein Gas mit einer etwas anderen Zusammensetzung als der des den Redu&tionsreaktoren zugeführten Gases einzusetzen, um eine optimale Ablagerung des Kohlenstoffs auf dem Schwammeisen zu erreichen. Um eine Abänderung der Gaszusamuiensetzung innerhalb des Kühlreaktorkreislaufs zu gestatten, ist eine Zweigleitung 206 mit einem Ventil 2OB an die KühlgasrücJrführleitung 190 angeschlossen, ,-/ie in der Zeichnung dargestellt, kann eines einer Anzahl unterschiedlicher Gase - bspw. Kohlenmonoxid, Methan, wasserstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid - auf der Leitung 206 entweder anstelle des oder zusätzlich zu dem in die Leitung 68 gegebenen Produktgas aus dem Reformer eingegeben werden. Bei dem dargestellten System läßt sich auf diese Weise die Zusammensetzung des Kühlgases mit Leichtigkeit modifizieren, um eine gewünschte Kohlenstoff ablagerung auf der Oberfläche der reduzierten Schwammeisenteilchen zu erreichen. Weiterhin läßt der Kühlgasdurchsatz sich innerhalb eines breiten Bereiches unabhängig vom Durchsatz des Reduziergases durch die Reduzierreaktoren der Anlage einstellen«.

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ji'ln. weiterer Vorteil eines solchen abgetrennten Kühlreaktors ist, daß das Reduziergas aus dem Reformer unmittelbar auf den ersten ReduKtionsreaktor 12 gegeben werden kann, ohne daß es erst das Bett aus reduziertem Metall im Kühlreaktor durchströmen muß. Da der Druckabfall über dem im Reaktor 10 gekühlten iuetallbett sich nicht den verschiedenen Druckabfällen iri den Reduktionsreaktoren des Systems hinzuaddiert, ist es auf wirtscnaftliche weise möglich, drei oder mehr Reduktionsreaktoren in Reihe zu schalten, nicht nur die zwei Reduktionsreaktoren nacn dem Stand der Technik. Auf diese -,/eise lassen die Produktion von gekühltem und reduziertem Schwammeisen mit vorgegebenem Reduktionsgrad pro Voluineneinheit sich erhönen und sich ein verbesserter Ausnutzungswirkungsgrad des Reduziergases erreichen.

//ie bereits erwähnt, zeigt beim Einsatz eines im Strömungsfluß befindlichen Kühlreaktors während der späteren Stufen des Kühlvorgangs die Reformierreaktion die Neigung zur Umkehr, d.h. der Bildung von Methan und v/asser aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die von dieser Umkehrreaktion erzeugte »Värme verzögert den Kühlvorgang. Bei einer abgetrennten Kühlreaktion nach der vorliegenden Erfindung läßt sich Methan durch das Rohr in den Kühlgaskreis einführen, um diese unerwünschte Umkehrreaktion zu unterdrücken. Weiterhin läßt sich dem Kühlgaskreis Stickstoff hinzufügen, um die Menge des auf dem Schwammeisen abgelagerten Kohlenstoffs zu reduzieren. Das dem Kühlgaskreis durch das Rohr 206 zugeführte Kohlenstoffmonoxid fördert die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Schwämme is en, während beim

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Zufügen von Kohlendioxid diese Ablagerung geringer wird. Schließt man das Ventil 70 und führt durch das Rohr 206 als Kühlmittel wasserstoff zu, erreicht man einen hohen Metallisierungsgrad ohne Kohlenstoffablagerung. Auf diese /eise erlaubt die Abtrennung des Kühlreaktors eine erhebliche Flexibilität des !betriebs.

Es ist bereits festgestellt worden, daß der auiBerhalb des btröiüungsflusses befindliche Kühlreaictor nach der vorliegenden Erfindung besonders nützlich ist in Systemen mit drei oder mehr in Reihe geschalteten Reduictionsreaktoren. Br läßt sich aber ittit Vorteil auch in Systemen mit einem oder mehr Reduktionsreaktoren einsetzen, unabhängig von der Anzahl der eingesetzten Äeduictionsreaktoren erlaubt also der Kühlreaktor außerhalb des Strömungsflusses nach der vorliegenden Erfindung einen breiteren Bereich der Kohlenstoff-Ablagerungsmengen im Kühlreaktor und erleichtert die Unterdrückung der Umkehrreaktion im Kühlreaktor.

iss ist natürlich einzusehen, daß die obige Beschreibung nur der Erläuterung dienen soll und sich an der beschriebenen speziellen Ausführungsform zahlreiche Änderungen durchführen lassen, ohne vom Grundgedanken der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen ausgeführt ist, abzugehen. Während bspw. die Erfindung in ihrer Anwendung auf die Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen beschrieben worden ist, läßt sie sich auch bei der Reduktion von Erzen anderer Metalle wie bspw. Kupfer, Nickel und Zinn einsetzen. Weiterhin kann man - anstatt durch

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das Rohr 134 dem dpeisegas für den Reduktionsreaktor - das methan auch durch das Rohr 206 in Kreislauf für den iiühlre- ' aktor geben und auf diese weise ein umlaufendes Gas erzeugen, das mit Methan angereicnert ist. Dieses mit Methan angereicherte Gas Jcann man durch das Rohr 198 und das Rohr 66 dem Heizer 74 für den ersten Reduktionsreaktor zuführen.

Falls erwünscht, kann man das gesamte Produktgas aus dem Reformer durch das Rohr 68 in den Kühlreaktorkreis einspeisen und eine im wesentlichen gleichwertige Gasströmung durch die Rohre 194 und iy8 abziehen und als Reduzierspeisegas in die Reduktionsrea-ictoren geben, ,-nährend diese Betriebsweise keine unabhängige Steuerung der Gaszusammensetzung im Kühlreaktor und in den Reduktionsreaktoren gestattet, bietet sie dennoch gegenüber den Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik den Vorteil, daß der Druck am Verbindungspunkt der Rohre 198 und 66 sich im wesentlichen gleich dem Druck am Verbindungspunkt des Rohres 66 mit dem Rohr 68 halten läßt. Auf diese //eise läßt der Druckabfall über dem Kühlreaktor sich neutralisieren und trägt nicht zum Gesamtdruckabfall zwischen dem Reformerauslass und dem aus dem letzten Reduktionsreaktor austretenden Abgas bei.

Andere Modifikationen innerhalb des Gesamtumfangs der Erfindung sind für den Fachmann unmittelbar ersichtlich.

Patentansprüche

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Claims

- 20 - ¥ 391 Patentansprüche

1. i Torrichtung für die chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden zu Metallen derjenigen Art, bei der getrennte Mengen metallnaltigen Materials gleichzeitig in einer Vielzahl von Reaktoren behandelt werden, bei denen es sich um einen Kühlreaktor und mindestens einen Reduktionsreaktor handelt, welches System derjenigen Art angehört, bei der ein kühles Reduziergas, das sich im wesentlichen aus Kohlenstoffmonoxid und vifasserstoff zusammensetzt und von einer Quelle desselben geliefert wird, erwärmt und durch den bzw. die Reduktionsreaktoren geschickt und auch dazu verwendet wird, um das metallhaltige Material im Kühlreaktor des Systems zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in Kombination mit dem Kühlreaktor und dem Reduktionsreaktor eine Gasrückführleitung aufweist, die mit ihren Enden an den Kühlreaktor angeschlossen ist, um einen Kühlgaskreislauf zu bilden, wobei die Gasrückführleitung eine Kühlvorrichtung, die das durchfließende Gas kühlt, eine das Gas durch den Strömungskreis drückende Pumpe, eine Gasspeiseleitung, die Gas aus der Quelle zum Strömungs-

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kreis, eine Gasabzug/'leitung, die Gas aus dem Kreis zum Reduktionsreaktor leitet, eine Heizeinrichtung, um das Gas vor dem Eintritt in den Reduictionsreaktor zu erwärmen, eine Abgasleitung, die an den Kreislauf angeschlossen ist, um Gas aus dem System abzulassen, sowie eine Gasübertragungsleitung aufweist, die unmittelbar an die Speise- und die Abzugleitung angeschlossen ist, um den Druck in diesen im wesentlichen gleich zu halten.

2. Verfahren zur chargenweisen Gasreduction von Metalloxid zu einem Metall unter Einsatz der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen vorbestimmten Teil des gekühlten Heduziergases aus der Quelle durch das Bett metallhaltigen Materials im Kühlreaktor strömen läßt, um es zu ■kühlen, den Rest des Äeduziergases aus der Quelle auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, das erwärmte Reduziergas durch das metallhaltige Material in dem bzw. den Reduktionsreaktoren strömen läßt, aus dem Kühlreaktor das Gas, das durchgeströmt ist, entfernt und kühlt, das gekühlte Gas in den Kühlreaktor rückführt, um den geschlossenen Kühlgaskreislauf zu bilden, und Gas aus dem Kreislauf in einer Menge abzieht, die angenähert der eingespeisten Menge entspricht.

3. Verfahren zur chargenweisen Gasreduktion eines Metailoxids zu einem Metall unter Einsatz der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Teil des Reduziergases aus der Quelle zum Kühlgaskreislauf strömen läßt, dem Kreislauf Gas an einem Punkt zwischen der

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Pumpeinrichtung und demjenigen Punkt, an dem das umlaufende Gas in den Kählreaictor eintritt, in einer zeitlichen Menge entzieht, die im wesentlichen gleich der Menge ist, die pro Zeiteinheit dem Kreislauf zugeführt wird, und daß man mindestens einen Teil des aus dem Kreislauf entfernten Gases in einem Reduictionsreaktor des Systems durch das metallhaltige Material strömen laut.

4. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß man das gesamte üeduziergas aus der Quelle durch den Kreislauf schicht.

5· Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das gesamte aus dem Kühlgaskreislauf abgezogene Gas zum ersten Reduktionsreaktor strömen läßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Reihe von ReduKtionsreaktoren aufweist und das erwärmte Reduziergas nacheinander durch das eisenhaltige Material in den Reduktionsreaktoren der Reihe strömt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Teil des aus der Kühlgasachleife entfernten Kühlgases mit dem Rest des Reduziergases aus der Quelle zusammen dem ersten Reduktionsreaktor zuführt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn-

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zeicünet, aaß irian das aus dem Kühlgaskreislauf abgezogene Gas mit dem Abgas des letzten. RedutctionsreaKtors der Reihe von Reduuctionsreaictoren zusammenführt.

y. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis ö, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil des Abgases aus dem letzten ReduKtionsreaktor in den Kreislauf zurückgibt und mit dem dem ersten ReduKtionsreaktor zugeführten Reduziergas mischt.

10. Verfahren nach einem der Ansprücne 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man dem dem ersten Reduktionsreaktor zugefünrten Reduziergas ein Kohlenwasserstoffgas beigibt .

11. Verfanren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man Methan in den Kühlgaskreislauf gibt, um die exotherme Reaktion des Kohlenstoffmonoxids und Wasserstoffs im Reduziergas in dem Kreislauf zu unterdrücken.

12. Verfanren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man SticKstoff in den Kühlgaskreislauf eingibt, um die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem reduzierten Metall im ReduKtionsreaktor zu verringern.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohlenstoffmonoxid in den Kühlgaskreislauf gibt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohlenstoffdioxid in den Kühl-

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gasltreislaui gibt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 "bis 14, dadurch geicennzeicnnet, dais man ,/asserstoff in den Kühlgaskreislauf eingibt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 "bis 15, dadurch gekennzeichnet, aaü es sich bei dem ±,ietalloxid um Eisenoxid, Dei dem Metall um Kisen und bei dem metallhaltigen material um eisenhaltiges Material handelt.

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