DE2546416C3

DE2546416C3 - Verfahren für die chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung

Info

Publication number: DE2546416C3
Application number: DE2546416A
Authority: DE
Inventors: Patrick William Monterrey Mackay (Mexiko)
Original assignee: Hylsa Sa Monterrey Nl (mexiko)
Current assignee: Hylsa Sa Monterrey Nl (mexiko)
Priority date: 1974-10-18
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1980-10-23
Also published as: DE2546416A1; SU627770A3; GB1524987A; SE7510901L; NL169348B; FR2288153B1; JPS5623209A; PL113935B1; CA1051202A; GB1524988A; LU73600A1; JPS5164402A; RO71628A; IL48221A; US4067728A; ZA756208B; NL169348C; IT1051592B; ES441905A1; NZ178964A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden zu Metallen bei der getrennte Mengen metallhaltigen Materials gleichzeitig in einer Vielzahl von Reaktoren einschließlich eines Kühlreaktors und mindestens eines Reduktionsreaktors behandelt werden, die in umlaufendem Wechseltakt arbeiten und Verfahrem zum Betrieb der Vorrichtung.

Es ist eine Reduktionsvorrichtung zur Gasreduktion von Eisenoxiderzen in Brocken- oder Pelletform zu Schwammeisen bekannt (DE-OS 23 32 999), bei der ein aus mehreren Einheiten bestehendes Reaktorsystem eingesetzt ist, in denen getrennte Mengen von eisenhaltigem Material gleichzeitig behandelt werden. Ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung ist aus den US-PS 29 00 247; 34 23 201 sowie den US-PS 623, 3136 624 und 3136 625 bekannt. Die prinzipiellen Verfahrensschritte zum Betrieb dieser Vorrichtung sind (1) die Reduktion des Erzes zu Schwammeisen, (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 Gas erhält man typischerweise durch katalytische Umsetzung einer Mischung von Wasserdampf und Methan zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem katalytischen Reformiergefäß bekannter Sauweise nach der Gleichung

CH₄ + H₂O + CO + 3H₂.

Das Produktgas des Reformiergefäßes wird gekühlt und danach durch einen Kühlreaktor und einen oder mehrere P.eduktionsreaktoren 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 geeigneten Schaltventilen versehen, so daß am Ende jedes Zyklus die Gasströmung so umgeschaltet werden kann, daß der Reaktor der Kühlstufe zum Ladereaktor, der Reduktionsreaktor der letzten Stufe zum Kühlreaktor und der Ladereaktor zum Reduktionsreaktor der ersten Stufe werden.

Da die Reduktionsreaktoren eines solchen Systems für die Gasströmung in Reihe geschaltet sind, läßt die Menge des frischen Reduziergases, die zur Erzeugung eines vorgegebenen Gewichts von reduziertem Erz mit vorgegebenem Reduktionsgrad erforderlich ist, sich senken, indem man die Anzahl der Reduktionsreaktoren in der Reihe erhöht. Der jedoch beim Durchströmen des so 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 bekannten Vorrichtungen üblicherweise einen Kühire- Ji aktor und zwei Reduktionsreaktoren auf. Wird in einer solchen Vorrichtung ein dritter Reduktionsreaktor aufgenommen, fällt die Strömung des Reduziergases auf einen nicht mehr annehmbar niedrigen Wert ab, sofern die Vorrichtung bzw. die Betriebsbedingungen nicht ίο abgeändert werden. Derartige Änderungen bewirken aber andere unerwünschte Effekte.

Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß bei den bekannten Vorrichtungen, bei denen das gekühlte Reduziergas anfänglich in den Kühlreaktor gegeben wird, insbesondere während der späteren Stufen des Kühlbetriebs die Neigung besteht, daß der oben erwähnte Reformierreaktor in entgegengesetzter Richtung arbeitet, d. h., daß sich dort Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Methan und Wasserdampf verbinden. Da diese Umkehrreaktion exotherm verläuft, verzögert sie die Abkühlung des Schwammeisens im letzten Teil des Kühlzyklus.

Da weiterhin das reduzierte Erz im Kühlreaklor, das zwar im wesentlichen aus Schwammeisen besteht, « immer noch eine bestimmte Menge von nicht reduziertem Oxid enthält und deshalb während des Durchlaufs des Kühlgases durch den Kühlreaktor eine gewisse Reduktion stattfindet, hat zum Reduktionsreaktor weiterströmendes Gas eine etwas niedrigere f> <> Reduktionsgüte als das aus dem Reformierreaktor austretende Gas.

Gemäß der US-PS 34 23 201 ist erwünscht, daß das reduzierte Schwammeisen einen bestimmten Anteil Kohlenstoff enthält, damit es für die Strahlherstellung b'^; wirksam eingesetzt werden kann. Beim Verfahren gemäß def US-PS 34 23 201 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 Schwammeisenteilchen ablagert. Nachdem das Schwammeisen auf eine Temperatur unterhalb des Gaszersetzungswertes abgekühlt worden ist, wird das aus dem Kühlreaktor abgehende Gas gekühlt und erneut in den Kreislauf gegeben, um die Abkühlung des Schwammeisens auf etwa Raumtemperatur zu beschleunigen. Während dieses Verfahren brauchbar ist, um eine Ablagerung von Kohlenstoff auf den Schwammeisenteilchen 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung gemäß der eingangs erwähnten Art und ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, daß eine effektivere chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden zu Metallen und sine bessere Ausnutzung des erzeugten, frischen Reduziergases möglich werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahme gemäß den Kennzeichen der Patentansprüche 1,2 und 3 gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich die Umkehrreaktion im Kühlreaktor geeigneterweise hemmen oder unterdrücken. Weiterhin beeinträchtigt die Güteabnahme des Reduziergases infolge der Reduktion von restlichem unreduziertem Erz im Schwammeisen die Güte des den Reduktionsreaktoren zugeführten Reduziergases nicht. Auch läßt sich die Kohlenstoffablagerung auf dem reduzierten Metall im Kühlreaktor innerhalb eines verhältnismäßig breiten Bereiches variieren. Schließlich lassen sich eine effektive chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden zi: Metallen und damit eine verbesserte Ausnutzung des vom Reformierer erzeugten frischen Reduziergases erzielen.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die in Diagrammform eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit mehreren Reaktoren zeigt.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung weist allgemein einen Kühlreaktor 10, den ersten bzw. Hauptreduktionsreaktor 12, den zweiten Reduktionsreaktor 14, den dritten Reduktionsreaktor 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. Wie 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 Faktoren wie der Güte des Reduziergases und dessen Durchsatz, der Größe der Reaktoren, der zeitlichen Gasrückführmenge una dergleichen 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 Gegenstrom statt, d. h. das frische Reduziergas wird in den Hauptreduktionsreaktor eingespeist, der eisenhaltiges Material enthält, das im zweiten Reduktionsreaktor und im dritten Reduktionsreaktor während vorhergehender Arbeitszyklen bereits teilreduziert worden ist. Der dritte Reduktionsreaktor, der anfänglich das frische Erz enthält, wird mit Gas gespeist, das bereits den ersten und den zweiten Reduktionsreaktor durchlaufen hat.

Wie nun auf der linken Seite der Zeichnung dargestellt, wird ein sich im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff 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 30 nahe dem oberen Ende des Schachtes 24, wo zwischen ihm und den durch den Schacht strömenden Gasen ein Wärmeaustausch stattfindet. Das die Schlange 31 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 i : 2. insbesondere wird Wasserdampf aus einem Dampfsiimmler 32 durch das Rohr 34 mit dem Ventil 36 zugeführt, und die Mischung von Wasserdampf und Methan strömt durch das Rohr 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 Rohr 42 zum Konverter 22 des Reformers 20, in dem sie auf bekannte Weise durch extern beheizte Katalysatorrohre strömt, damit die gewünschte Umsetzung zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff stattfindet.

Aus dem Reformer 20 strömt das heiße Reduziergas durch das Rohr 44 zu einem rohrförmigen Abwärmekessel 445. in dem seine fühlbare Wärme zur Dampferzeugung ausgenutzt wird. Insbesondere strömt heißes Wasser aus dem Dampfsammler durch das Rohr 48 zum Boden des Kessels 46 und von dort durch dessen Rohre. in denen ein Teil des Wassers durch die Wärme des heißen Reduziergases verdampft. Die resultierende Mischung aus Wasserdampf und heißem Wasser strömt durch das Rohr 50 zum Dampfsammler zurück.

Um die Wärme 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 56 zum Sammler 32 zurück. Die im Kessel 46 und den Schlangen im Schacht 24 gewonnene Wärme reicht mehr als aus, um den Wasserdampf zu erzeugen, der zur Mischung mit dem Methan als Speisegas für den Reformer benötigt wird. Es steht also 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 24 verbessert den Gesamtwärmehaushalt des Systems erheblich.

Das Reduziergas, 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 Kopfleitung 66. Ein kleiner Teil des Reduziergases 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

!5 der Größenordnung von 700 bis 850⁰C erwärmt wird. Da die gewünschte Temperatur des Reduziergases am Eingang des ersten Reduzierreaktors 12 in der Größenordnung von 900 bis 1100⁰C 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 29 00 247 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 Kohlenwasserstoffgas 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 Sauerstoffanteil ab. Verwendet man Luft als sauerstoffhaltiges Gas, wärmt man es wünschenswerter Weise auf eine Temperatur in der Größenordnung von 700°C 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 Reduziergas, mit dem sie vermischt wird, bis 0,4 :1 betragen und liegt typischerweise im Bereich von 0,15 :1 bis 0,3 :1. Wenn man andererseits als sauerstoffhaltiges Gas Sauerstoff einsetzt, ergibt ein Volumenverhältnis im Bereich von 0,05 :1 bis 0,15 :1 gewöhnlich annehmbare Resultate.

Aus der Brennkammer 12a strömt das heiße Reduziergas oben in den ersten Reduktionsreaktor 12 ein und strömt durch das darin befindliche Bett von eisenhaltigem Material abwärts, wobei es dieses weiter zu Schwammetall reduziert. Das aus dem Reaktor 12 austretende Gas tritt an dessen Boden durch das Rohr 84 aus und strömt durch 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 der Größenordnung von 700 bis 850°C aufgeheizt, strömt dann durch das Rohr 94 zur Brennkammer 14a des zweiten Reduktionsreaktors 14, die der Brennkammer 12a entspricht. Die Kammer 14 erhält weiterhin sauerstoffhaltiges Gas aus der Leitung 96 mit dem Ventil 98. In der Brennkammer 14a wird ein Teil des Reduziergases verbrannt, um die Temperatur auf 900 bis HOO⁰C 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. Wie im Fall 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 Schlangenheizer 110, der den Heizern 74 und 92 entspricht und auf entsprechende Weise 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 im 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.

Das aus dem Kühler 122 austretende Gas 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 vorteilhaft herausgestellt, dieses Abgas aus dem dritten Reaktor dem ersten bzw. Hauptreaktor 12 zurückzuführen. Insbesondere läßt man einen vorbestimmten und geregelten Teil des Abgases aus dem Kühler 122 durch das Rohr 124 mit dem Ventil 126 zu einer Pumpe 128 und von dort durch das Rohr 130 mit dem Strömungsregler 132 zur Kopfleitung 66 für das Reduziergas strömen. In Fällen, wo ein Teil des Abgases aus dem dritten Reaktor 16 auf diese Weise in den Kreislauf rückgeführt wird, verbessert man die Güte des dem ersten Reduktionsreaktor 12 zugeführten Gases wünschenswerter Weise 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 Wert eingestellt werden kann.

Der Rest des aus dem dritten Reduktionsreaktor 16 austretenden Gases strömt zu und durch eine Kopfleitung 138. Wie in der Zeichnung dargestellt, läßt sich mindestens ein Teil dieses Abgases als Brenngas zum Beheizen des unteren Teils 22 des Reformers 20 und der Heizer 74,92 und 110 verwenden. Insbesondere läßt 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 144 mit dem Ventil 146 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. Wenn die Abgasmenge aus dem dritten Reaktor größer 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

ίο einem geeigneten Speicherpunkt führen oder an die Atmosphäre ablassen.

Wie auf der rechten Seite der Zeichnung dargestellt, ist ein Ladereaktor, der im Aufbau den Reduktionsreaktoren 12, 14 und 16 entspricht, ebenfalls mit einem Heizer 158 versehen, in dessen Einlaßleitung 160 sich ein Ventil 162 befindet. Das Abgas des Heizers 158 strömt durch ein Rohr 164, das einen Überhitzer 166 enthalten kann, zu einer Brennkammer 18a, der sauerstoffhaltiges Gas durch ein Rohr 168 mit einem Ventil 170 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.

Wie oben angegeben, ist das System nach der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet, durch die Tatsache, daß ein außerhalb des Gasstroms befindlicher Kühlreaktor eingesetzt wird. Der 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 Teils des Arbeitszyklus durch Schließen der Ventile 176 und 180 außer Betrieb sind. Wie oben beschrieben, enthält der Reaktor 10 zu Beginn des Reduktionszyklus heißes reduziertes Schwammeisen aus einem vorgehenden Reduktionszyklus. Dieses Bett heißer Schwammeisenteilchen wird durch ein durchströmendes Kühlgas gekühlt. Das Kühlgasumlaufsystem enthält eine Pumpe 182, die Gas durch eine Leitung 184 oben in den Kühlreaktor 10 einpumpt. Das Gas strömt durch die Reaktorbeschikkung 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 Saugpumpe 182. Wenn als Kühlmedium zur Kühlung des reduzierten Erzes Reduziergas eingesetzt werden soll, läßt sich Gas

so aus der Kopfleitung 66 über eine Leitung 68 mit einem Absperrventil 70 und einem Strömungsregler 192 abziehen, die für eine vorbestimmte Reduziergasströmung 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 Ventil 200 zur Kopfleitung 66 zurück oder durch das Rohr 202 mit dem Ventil 204 zur Abgassammelleitung 138 geführt werden. Allgemein gesagt, verbessert die Verwendung eines separaten Kühlreaktors die 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. Es kann also erwünscht sein, in dem Kühlkreislauf ein Gas mit einer etwas anderen Zusammensetzung als der des den Reduktionsreaktoren zugeführten Gases einzusetzen, um eine optimale Ablagerung des Kohlenstoffs auf dem Schwammeisen zu erreichen. Um eine Abänderung der Gaszusammensetzung innerhalb des Kühlreaktorkreislaufs zu gestatten, ist eine Zweigleitung 206 mit einem Ventil 208 an die Kühlgasrückführleitung 190 angeschlossen. Wie 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 Kohlenstoffablagerung auf der Oberfläche der reduzierten Schwammeisenteilchen zu erreichen. Weiterhin läßt der Kühlgasdurchsatz sich innerhalb eines breiten Bereiches unabhängig vom Durchsatz des Reduziergases durch die Reduzierrekatoren der Anlage einstellen.

Ein weiterer Vorteil eines solchen abgetrennten I'ühlreaktors 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 Metallbett sich nicht den verschiedenen Druckabfällen in den Reduktionsreaktoren des Systems hinzuaddiert, ist es auf wirtschaftliche Weise möglich, drei oder mehr Reduktionsreaktoren in Reihe zu schalten, nicht nur die zwei Reduktionsreaktoren nach dem Stand der Technik. Auf diese Weise lassen die Produktion von gekühltem und reduziertem Schwammeisen mit vorgegebenem Reduktionsgrad pro Volumeneinheit sich erhöhen und sich ein verbesserter Ausnutzungswirkungsgrad des Reduziergases erreichen.

Wie 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 Wasser aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die von dieser Umkehrreaktion erzeugte Wärme verzögert den Kühlvorgang. Bei einer abgetrennten Kühlreaktion nach der vorliegenden Erfindung läßt sich Methan durch das Rohr 206 in den Kühlgaskreis einführen, um diese unerwünschte Urnkehrreakticn 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 Schwammeisen, während beim 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 Weise erlaubt die Abtrennung des Kühlreaktors eine erhebliche Flexibilität des Betriebs.
Es ist bereits festgestellt worden, daß der außerhalb

ίο des Strömungsflusses befindliche Kühlreaktor nach der vorliegenden Erfindung besonders nützlich ist in Systemen mit drei oder mehr in Reihe geschalteten Reduktionsreaktoren. Er läßt sich aber mit Vorteil auch in Systemen mit einem oder mehr Reduktionsreaktoren einsetzen. Unabhängig von der Anzahl der eingesetzten Reduklionsreakloren erlaubt also der Kühireaktor außerhalb des Strömungsflusses nach der vorliegenden Erfindung einen breiteren Bereich der Kohlenstoff-Ablagerungsmengen im Kühlreaktor und erleichtert die Unterdrückung der Umkehrreaktion im Kühlreaktor.

Es 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 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

-⁵⁰ bspw. Kufper, Nickel und Zinn einsetzen. Weiterhin kann man — anstatt durch das Rohr 134 dem Speisegas für den Reduktionsreaktor — das Methan auch durch das Rohr 206 in Kreislauf für den Kühlreaktor geben und auf diese Weise ein umlaufendes Gas erzeugen, das

J⁵ mit Methan angereichert ist. Dieses mit Methan angereicherte Gas kann 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 198 abziehen und als Reduzierspeisegas in die Reduktionsreaktoren geben. Während 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 halter, läßt. Auf diese Weise 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für die chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden zu Metallen, bei der getrennte Mengen metallhaltigen Materials gleichzeitig in einer Vielzahl von Reaktoren einschließlich eines . Kühlreaktors und mindestens eines Reduktionsreaktors behandelt werden, die in umlaufendem Wechseltakt arbeiten, gekennzeichnet durch eine Gaszuführungsleitung (68), die eine Quelle eines kühlen Reduziergases mit einer Kühlgasschleife verbindet, die eine Gasumlaufleitung (184, 190) aufweist, die die Enden des als Kühlreaktor arbeitenden und eine Kühleinrichtung (188) zur Kühlung des hindurchfließenden Gases enthaltenden Reaktors (10) verbindet, sowie eine Pumpeneinrichtung (182) für den Umlauf des Gases durch die Schleife aufweist, durch eine Rückführleitung (198) zur Verbindung der Schleife mit einem Reduktionsreaktor (12), durch eine wirksam mit der Schleife verbundene Abgasleitung (202) zur Abführung des Gases, und durch eine die Gaszufuhr- und -rückführleitungen (68, 198) direkt verbindende Leitung (66) zur Beibehaltung des gleichen Gasdrukkes in beiden Leitungen. 2">

2. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daG man einen vorbestimmten Teil des gekühlten Reduziergases aus der Quelle durch das Bett metallhaltigen Materials im Kühlreaktor zwecks Kühlung strömen läßt, den Rest des Reduziergases aus der Quelle auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, das erwärmte Reduziergas durch das metallhaltige Material in dem bzw. den Reduktionsreaktcren strömen läßt, aus dem Kühlreaktor das Gas, das durchgeströmt ist, i*> entfernt . und kühlt, das gekühlte Gas in den Kühlreaktor unter Bildung eines geschlossenen Kühlgaskreislauf rückführt und Gas aus dem Kreislauf in einer Menge abzieht, die angenähert der eingespeisten Menge entspricht.

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

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das gesamte Reduziergas aus der « Quelle durch den Kreislauf schickt.

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 2 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 f>5 strömt.

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

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder /, dadurch gekennzeichnet, daß man das aus dem Kühlgaskreislauf abgezogene Gas mit dem Abgas des letzten Reduktionsreaktors der Reihe von Reduktionsreaktoren zusammenführt

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, 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 Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man dem dem ersten Reduktionsreaktor zugeführten Reduziergas ein Kohlenwasserstoffgas beigibt

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

12. Verfahren 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.

13. 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 Kühlgaskreislauf gibt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man Wasserstoff in den Kühlgaskreislauf eingibt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metalloxid um Eisenoxid, bei dem Metall um Eisen und bei dem metallhaltigen Material um eisenhaltiges Material handelt.