DE2655813A1 - Verfahren und vorrichtung zur direkten eisengewinnung - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft

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vat,ι 26. November 1976

Verfahren und Vorrichtung zur direkten Eisengewinnung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren r,ur direkten Gewinnung von Eisen aus feinkörnigen Erzen und/oder deren Konzentraten, insbesondere ira Körnungsbereich kleiner 250 Mikron, unter Verwendung von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltenden Substanzen als Ausgangsstoff für die Reduktion.

Die klassische Gewinnung von Eisen/Stahl im System Hochofen-Stahlofen erfordert umfangreiche Vorbereitungen der feinkörnigen Eisenerzkonzentrate und die Veredelung von Kohle zu hochwertigem standfesten metallurgischen Koks.

Stückerze wie sie ku Beginn der Entwicklung der Hochofentechnolo gie als Ausgangsprodukt die Regel waren, sind heute nur noch in untergeordnetem Maße verfügbar und werden zu weniger als 15 % direkt eingesetzt. Mehr als 85 % des Erzvorlaufes für die Eisengewinnung sind feinkörnige Konzentrate. Der Hochofen kann aber nur mit stückigen Produkten betrieben werden und an diese werden hinsichtlich ihrer physikalischen Beschaffenheit ganz besondere Anforderungen gestellte Aus diesem Grunde müssen die Erzkonzentrate einem thermischen Sinter-

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prozeß oder einem zweistufigen mechanisch-thermischen Verfestigungsprozeß unterworfen werden.

Das fossile Reduktionsmittel Kohle muß in separater Verfahrensstufe in Kokereien zu Koks mit hinreichender Standfestigkeit für den Hochofen umgewandelt werden. Dazu können nur besondere Kohlesorten verwendet werden, die in immer geringer werdenden Mengen verfügbar sein werden.

Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, Verfahren der Eisengewinnung zu entwickeln, die hinsichtlich der Rohproduktvorbereitung weniger auf v/endig sind und sich der Art der Rohstoffe, wie sie heute verfügbar sind, in stärkerem Maße anpassen.

Einen Weg dazu beschreiten die unter dem Begriff Direktreduktion zusammengefaßten und bekanntgewordenen Prozesse. Es sind eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen worden, bei denen als Reduktionsmittel nicht mehr Koks sondern ein Reduktionsgas verwendet wird und/oder bei dem Feinerze nicht mehr mit Koksgruß gesintert sondern in Form von weniger aufwendig herzustellenden Pellets eingesetzt werden. Als Reduktionsgefaße sind entsprechende Schachtofen und Retorten entwickelt worden.

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Bemühungen, noch einen Schritt weiter zu gehen und feinkörnige Eisenerze direkt mit Gas zu reduzieren, haben zu einer Vielzahl von Verfahrensvorschlägen geführt, bei denen Erzteilchen und Gas im Schwebezustand miteinander reagieren sollen, was naturgemäß einen ganz erheblichen technologischen und wirtschaftlichen Fortschritt bedeuten würde. Es ist aber bisher nicht gelungen, eines dieser Verfahren zur betrieblichen Reife zu bringen. Der Grund dafür liegt darin, daß es nicht gelungen ist, in sinnvoller Weise solche Technologien miteinander zu verknüpfen, daß Mangel und Begrenzungen von an sich bekannten Einzelschritten ausgeschaltet werden.

Man hat sich im wesentlichen für die Reduktion auf die technologischen Verfahrensvarianten Wirbelschicht, Flugstaubwolke und jet-smelting im Gleichstrom konzentriert, Systeme, bei denen sehr enge Grenzen für das Gas-Feststoffverhältnis gezogen sind, um es stabil zu halten. (Bogdandy, Engell, Die Reduktion der Eisenerze, S. 209 - 243, Verlag Stahleisen mbH/ Düsseldorf 1967}

Reduktionsverfahren in der sogenannten Flugstaubwolke und solche in der Wirbelschicht haben als gemeinsames typisches Charakteristikum vergleichsweise niedrige Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Erzteilchen und dem Reduktionsgas, wobei beträchtliche Gasdurchsätze erforderlich sind, um den Wärmebedarf von Reduktion und Aufheizung des Erzes zu decken.

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Um eine Flugstaubwolke zu erzeugen, wählt man Gasgeschwindigkeiten, die gerade ausreichen, um Feinstkorn entsprechend seinem spezifischen Gewicht und der deraus resultierenden Fallgeschwindigkeit in Schwebe zu halten. Dazu sind Geschwindigkeiten erforderlich, die in der Regel unter 1 m pro Sekunde liegen, in Ausnahmefällen bei Korngrößen von über 0,1 mm sind Gasgeschwindigkeiten von über 1 m pro Sekunde möglich.

Bei Wirbelschichtverfahren liegt die Gasgeschwindigkeit in der gleichen Größenordnung. Man kann hier vergleichsweise mit größeren Körnungen arbeiten. Die Grenzgeschwindigkeiten der Gase liegen bei Korngrößen von über 1 mm in der Größenordnung von ca. 1,5 m pro Sekunde.

Beim sogenannten 'jet-smelting' ist im Gegensatz dazu das Gleichstromprinzip angewendet worden, wo Einströmgeschwindigkeit und Fallgeschwindigkeit sogar so einander angepaßt werden, daß es kaum zu einer Relativgeschwindigkeit zwischen Feststoff und Gas kommt.

Da jedoch die Reduktion feiner Erzkörner durch erhitztes Gas außerordentlich rasch erfolgt, setzt sich ein Reduktionsgas nach ganz kurzer Berührung mit dem Erzkörnchen in dessen unmittelbarer Oberfläche in das für die vorgegebene Reaktionstemperatur gültige Gleichgewicht und kann nicht weiter reduzieren. Es ergibt sich daher, daß bei den obengenannten vor-

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bekannten Verfahren aufgrund der nur geringen möglichen Strömungsgeschwindigkeiten des Reduktionsgases über sehr lange Zeiten große Mengen an Reduktionsgas an die Erzkörnchen herangeführt werden müssen, um zu wenigstens einigermaßen hinreichenden Reduktionsgraden zu kommen, was naturgemäß eine äußerst unbefriedigende Gasausnutzung zur Folge hat, die durch eine hohe Relation zwischen Gas- und Feststoff gekennzeichnet ist und in der Regel mehr als das 2 bis 3fache der stöchiometrisch erforderlichen Gasmenge beträgt. So ist zum Beispiel aus J. Iron Steel Inst. 194 (i960), S. - 221 bekannt, daß der Zeitbedarf zur 80% Reduktion von feinkörnigen Erzpartikelchen verschiedener Herkunft, bei kleinster Körnung (50 - 150 Mikron) im Schwebezustand in Hp und im Temperaturbereich von 700 - 1100° C zwischen 20 und 30 see liegt, und zwar nahezu unabhängig von Erzart und Korngröße.

Es ist zwar bekannt, daß ein höherer chemischer Ausnutzungsgrad des Reduktionsgases erreichbar ist, wenn die Reduktion bei möglichst hoher Temperatur geführt wird. Da andererseits Versuche gezeigt haben, daß oberhalb 900° C reduzierte Feinerz-Eisen-Gemische in Abhängigkeit vom Reduktionsgrad zu mehr oder weniger oberflächlichem Erweichen der Partikelchen führen, kann auch nicht die Möglichkeit höherer Reduktionstemperaturen ausgenutzt werden. Bei den beschriebenen Direkt-

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reduktionsverfahren wird vielmehr stets empfohlen, mit der Reduktionstemperatur unterhalb dieser Grenze zu bleiben. Die chemischen und thermodynamischen Gesetz -näßigkeiten (Gleichgewichtsverhältnis) führen jedoch bei Reduktionstemperaturen unterhalb 900 C auch bei völliger Gasausnutzung zu vergleichsweise geringer Stoffumsetzung. Von daher wäre man also eigentlich erst recht gezwungen, für eine gute Reduktion besonders große Gasmengen über sehr lange Zeiten am Erzteilchen vorbeizuführen, um das therodynamische Gleichgewicht immer wieder zu stören und so günstige Bedingungen für weitere Reduktion zu schaffen. Dies läßt sich aber bei den oben aufgezeigten Prozeßtechnologien nur erreichen, wenn lange Verweilzeiten und damit spezifisch geringe Leistungen der Reaktoren in Kauf genommen werden_o

Nun gibt es zur Schaffung günstigerer Bedingungen in dieser Hinsicht zwar auch den Vorschlag, feinkörniges Eisenerz in einem Zyklönwärmetauschersystem im Trockenzustand in einem Reduktionsgas zu reduzieren. Dabei sollte die Erzeugung von feinstkörnigem Eisenpulver angestrebt werden. Dies hat für sich allein aber den entscheidenden Mangel, daß bei den erforderlichen Temperaturen die Gefahr einer Reoxidation des bereits einmal reduzierten Erzes beim Zusammentreffen mit Luft sehr groß ist, weshalb vorgeschlagen wurde, durch

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Kohleausatz in den einzelnen Zyklonstufen dem entgegen zu wirken. Solchermaßen erzeugtes Eisenpulver- auch Eisenschwamm genannt, muß unter Schutzgas verfestigt werden und einer Weiterverarbeitung zugeführt werden. Bei Tolerierung von festem Kohlenstoff im Eisenschwamm muß eine schlechte Reduktionsmittelausnutzung in Kauf genommen werden.

Für die Herstellung von Reduktionsgas ist man bislang bei den praktisch erprobten Ausführungsvorschlägen für Eisenerzreduktionsverfahren außerhalb des Hochofens in der Mehrzahl der Fälle von Erdgas ausgegangen, das durch ein Krackverfahren zu CO/Hp-reichem Reduktionsgas umgewandelt worden war. Es gibt aber auch Verfahren, deren Ziel es ist, aus Kohle direkt ein Reduktionsgas zu erzeugen. Dies geschieht in sogenannten Gasgeneratoren, von denen nur die Hochtemperatur-Schmelzgeneratoren direkt ein für Reduktionszwecke gut geeignetes Gas ohne nennenswerte Anteile an Kohlenwasserstoffen liefern. Frei von C0„ ist es jedoch nicht.

In jüngster Zeit ist die Entwicklung eines Vergasungsverfahrens bekannt geworden, bei dem Kohle durch Einblasen in ein geschmolzenes Eisenbad ein Reduktionsgas frei von Kohlenwasserstoffen und COpliefert. Dabei führt man der Eisenschmelze die Kohle in feinkörniger Form durch eine wassergekühlte Lanze zu. Gleichzeitig wird mit einer zweiten Lanzen-

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einrichtung Sauerstoff in das Eisenbad eingeleitet. Dem Eisen bad wird Kalk zugegeben, um eine basische Schlacke auf dem Eisenbad zu erzeugen. Der in der Kohle vorhandene Schwefel wird von der basischen Schlacke aufgenommen. Mit diesem Verfahren kann billige und unreine Kohle mit Erfolg umgewandelt werden, und es steht ein Reduktionsgas mit hohem CO/H„-Gehalt bei einer für Reduktionsprozesse genügend hohen Temperatur von ca. 1.400 C zur Verfugung.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß das Verfahren der Umwandlung von Kohle in Reduktionsgas mit Hilfe eines Eisenbadreaktors für die Reduktion von Eisenerz in der Schwebe besonders geeignet ist, wenn es gelingt, das Reduktionsgas technisch problemlos und wirtschaftlich in den Eiser— gewinnungsprozeß einzukoppeln und die Leistungsgrenzen der bisher bekannten Reduktionssysteme zu überwinden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren für die direkte Eisengewinnung zu schaffen, bei dem feinkörnige Eisenerzkonzentrate direkt und ohne agglomerieren de Vorbereitung im Trockenzustand bis zum Eisenschwamm reduziert werden und unmittelbar anschließend flüssiges Metall erzeugt wird.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Kohlenstoff und/oder kohlenstoffenthaltende Substanzen zusammen mit Sauerstoff und/ oder sauerstoffenthaltenden Medien in einem Metallbadreaktor zu CO/Hp-reichem Reduktionsgas umgewandelt werden und daß das heiße Reduktionsgas und die feinkörnigen Erze in einer Reduktionsvorrichtung bei Gasgeschwindigkeiten größer 1,5 m/sec. vorzugsweise bei einer Gasgeschwindigkeit zwischen 3 und 30 m/sec. in der Schwebe in innige Berührung miteinander gebracht werden und die Erze in mehreren Reduktionsstufen bei hoher und wechselnder Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Erz so weitgehend reduziert werden, daß diese unmittelbar anschließend in einen Schmelzreaktor eingeleitet werden, aus dem flüssiges Eisen als Wertprodukt abgezogen wird.

Oer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß nunmehr ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren zur direkten Gewinnung von Eisen nach dem Schwebegasreduktionssystem zur Verfugung steht, das bei hoher Ausnutzung des Reduktionsmittels kapazitätsmäßig den derzeitigen Anforderungen an Großanlagen umfassend gerecht wird. Dieser Gesamterfolg ergibt sich aus dem folgenden funktionellen Zusammenwirken.

Mit diesem Verfahren wird erreicht, daß ein praktisch COp-freies Reduktionsgas mit einem sehr hohen CO/Hp-Gehalt von über 80 Volumenprozent erzeugt wird und daß durch die Mehrstufigkeit der Reduktionsvorrichtung eine im Vergleich zu den bisher be-

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kannten Direktreduktionssystemen geringe Gasmenge im Verhältnis zum Feststoff in großer und sich zeitlich ändernder Geschwindigkeit an die K.rista 1 loberflache der Erzpartikel herangeführt werden kann. Dies ist von entscheidender Bedeutung für einen hohen Reduktionsgrad, weil die Abführung der gasförmigen Reaktionsprodukte C0_ und HpO und nicht die überaus rasche Reaktion zwischen Gasmolekül und Kristalloberfläche als Phasengrenzreaktion den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt darstellt. Damit ist dafür Sorge getragen, daß in der Reduktionsvorrichtung jederzeit das für eine bestimmte Temperatur charakterisierte Reaktionsgleichgewicht dauernd gestört wird und weitere Reaktionen stattfinden können. Hierdurch wird der Reduktionsgrad entscheidend verbessert, und durch die Mehrstufigkeit des Systemes optimal, so daß ein Reduktionsgrad von annähernd 100% erreicht werden kann. Gleichzeitig wird eine maximale Gasausnutzung erzielt, die dem stöchiometrischen Gasverbrauch angenähert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz einer mehrstufigen Reduktionsvorrichtung mit hoher und dazu noch veränderlicher Relativgeschwindigkeit zwischen den Erzpartikeln und dem Reduktionsgas in jeder Stufe, bietet weiterhin den Vorteil, daß die Kontaktzeiten zwischen den Erzpartikeln und dem Reduktionsgas auch bei maximaler Gasausnutzung und bei Erzielung eines hohen Reduktionsgrades klein gehalten werden können. Das bedeutet aber auch, daß bei den großen Relativgeschwindigkeiten

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von z.B. 30 m/sec. eine lokale Überschreitung der kritischen Temperatur bei 900° C für die Reduktion toleriert werden kann, ohne daß es zu der gefürchteten Sinterung der teilreduzierten Erzpartikelchen aneinander oder an den Wänden des Reduktionsgefäßes kommt, eine Störung, die bei den vorbekannten Schwebegassystemen zum Teil sogar bereits bei Temperaturen unter 850° C zutage treten.

Die weitgehend zu metallischem Erz reduzierten Erzpartikel neigen zwar infolge der sehr feinkörnigen Beschaffenheit und der großen porigen Körnungsoberfläche zu einer sehr schnellen Reoxydation, die jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig vermieden wird, da das für die Schwebegasreduktion im Metallbadreaktor erzeugte Gas fast HpO- und COp-frei mit dem am weitesten reduzierten Erz zusammentrifft.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß das solchermaßen erzeugte Eisenpulver, auch Eisenschwamm genannt, unmittelbar in einen Schmelzreaktor unter reduzierenden Bedingungen zu flüssigem Eisen als Wertprodukt eingeschmolzen werden kann. Von besonders wirtschaftlicher Bedeutung ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die kontinuierliche Verfahrensführung, die in weiten Bereichen hinsichtlich der zu reduzierenden Erzmenge, der im Metallbad erzeugten Reduktionsgasmenge und des verwendeten Schmelzreaktors auf die jeweiligen Anforderungen einstellbar ist.

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In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die gesamte erforderliche Reduktionsgasmenge aus dem Metallbadreaktor in den Schmelzreaktor eingeleitet und anschließend der Reduktionsvorrichtung zugeführt wird. Auf diese Weise kann der hohe Wärmeinhalt des im Metallbadreaktor erzeugten Reduktionsgases, welches eine Austrittstemperatur von ca. 1.400 C hat, direkt zur reduzierenden Einschmelzung des vorreduzierten Erzes aus der Reduktionsvorrichtung verwendet werden, wobei das aus dem Schmelzreaktor abgezogene Reduktionsgas gegebenenfalls noch geringfügig gekühlt wird, damit es die für die trockene Reduktion erforderliche Temperatur aufweist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Teilmenge des heißen Reduktionsgases in die Reduktionsvorrichtung geleitet und daß die andere Teilmenge des Reduktionsgases zusammen mit Sauerstoff und/oder einem sauerstoffenthaltenden Medium in den Schmelzreaktor geführt wird. Dem Schmelzreaktor wird also nur diejenige Menge des heißen Reduktionsgases zugeführt, die nach entsprechender Oxidation mit Luft-Sauerstoff für die Einschmelzung der reduzierten Eisenerzpartikel erforderlich ist, während die andere Teilmenge des CO/Hp-reichen Reduktionsgases gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Kühlers direkt in die Reduktionsvorrichtung eingeleitet werden kann. Zweckmäßig ist hierbei, daß das in den Schmelzreaktor eingeleitete Reduktionsgas im stöchiometrischen Unterschuß mit dem Luft-Sauerstoff oxidiert wird,

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ORDINAL INSPECTED

so daß v/ährend des Schmelzvorganges reduzierende Bedingungen herrschen.

In weiterbildender Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß das durch die Reduktionsvorrichtung geleitete Reduktionsgas entstaubt und zumindest teilweise und vorzugsweise in die heißeste Stufe der Reduktionsvorrichtung zurückgeführt wird. Vorzugsweise beträgt die Rückgasmenge hierbei etwa 10 bis 20% der in die Reduktionsvorrichtung eingeleiteten Reduktionsgasmenge. Durch die Gasrückführung wird das aus dem Metallbadreaktor mit einer Temperatur von etwa 1.400° C austretende Gas je nach Erzbeschaffenheit auf eine mittlere Gasein— trittstemperatur an der Reduktionsvorrichtung von ca. 1100° C bis 1.300° C eingestellt, wobei durch den Wärmeaustausch zwischen vorreduzierten Eisenerzen und Reduktionsgas eine mittlere Reduktionstemperatur in der Größenordnung von etwa 900° C aufrechterhalten wird, so daß Schmelzphasenbildung und Agglomeration des feinkörnigen Eisenerzes nachhaltig vermieden werden.

Bei abnehmender Temperatur in den oberen Stufen der Reduktions— vorrichtung kommt es zu einem Zerfall von CO unter Kohlenstoffabscheidung, wobei sich dieser an die Erzpartikel anlagert und bis in die heißeren Stufen der Reduktionsvorrichtung gelangt. Mit der Gasrückführung in die heißeste Stufe der Vorrichtung wird weiterhin erreicht, daß durch das CO₂-haltige Rückgas der

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in den kälteren oberen Stufen abgeschiedene Kohlenstoff (Boudouard Reaktion) durch das Oxidationsvermögen des Rückgases wieder zu CO umgesetzt wird. Durch dieses Rückkühlungsverfahren wird der Partialdruck der reduzierenden Gase CO und Hp im Gegensatz zu einer Inertgaskühlung beispielsweise mit Stickstoff nicht herabgesetzt, so daß die Reduktionsgeschwindigkeit nicht negativ be-einflußt wird.

In bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß den feinkörnigen Erzen vor Eintritt in den Schmelzreaktor Zuschlagstoff zur Schlackenbildung aufgegeben wird, so daß als Schmelzreaktor ein Schmelzzyklon eingesetzt werden kann. Zweckmäßig ist hierbei, daß bei Verwendung eines aus Zyklonofen und Sammelofen bestehenden Schmelzreaktors nur soviel an Abgas aus dem Zyklonofen in den Sammelofen abgeführt wird, daß in letzterem Red-uktionsbedingungen herrschen. Hierdurch wird auch im Sammelofen die Gefahr von Reoxydation des eingeschmolzenen Erzes vermieden.

Die Erfinudung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem Metallbadreaktor unterhalb der Badoberfläche der Metallschmelze und im feuerfest angekleideten Wandbereich mindestens eine Düse für die Zufuhr von Kohlenstoff und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen und für Sauerstoff und/oder sauerstoffenthaltenden Medien angeordnet ist und daß

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ACT

der Metallbadreaktor abgasseitig mit einer mehrstufig arbeitenden Reduktionsvorrichtung vorzugsweise mit einem aus mehreren übereinander angeordneten Zyklonen bestehenden Schwebegaswärmetauscher und/oder einem Schmelzreaktor verbunden ist und daß der Gutabzug des Schwebegaswärmetauschers mit dem Schmelzreaktor in Verbindung steht. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen steht eine kompakte kontinuierlich arbeitende Einrichtung zur direkten Gewinnung von Eisen aus feinkörnigen Erzen oder deren Konzentraten zur Verfugung, die bei wirtschaftlicher Ausnutzung eines mit CO/H„ hoch angereicherten Reduktionsgases des Metallbadreaktors eine optimale Reduzierung des feinkörnigen Gutes in einem Schwebegasreduktionssystem ermöglicht, wobei der hohe Reduzierungsgrad der Erze bei Vermeidung jeglicher Reoxydation ein direktes nachfolgendes Einschmelzen in einem Schmelzreaktor erlaubt. Mit dieser Kompaktanlage wird der regeltechnische und anlagentechnische Aufwand gegenüber bisher bekannten Schwebegasreduktionssystemen erheblich gesenkt und erstmalig eine kontinuierlich arbeitende großtechnische Anlage geschaffen, die eine wirtschaftliche Erzeugung von schmelzflüssigem Eisen als Wertprodukt direkt aus den feinkörnigen Eisenerzen erlaubt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Abgasleitung des Schwebegaswärmetauschers eine Brennkammer angeordnet ist, die heißgasseitig mit einem Heißlufterzeuger in Verbindung steht, dessen Heißluftleitung in eine Vorwärm-

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einrichtung für das Erz geführt ist. Mit diesen Maßnahmen werden die von dem Schwebegaswärmetauscher abgezogenen CO-haltigen Abgase nach Ausnutzung ihres Reduktionspotentials wärmetechnisch genutzt und die fühlbare Wärme zur Vorwärmung des feinkörnigen Eisenerzes verwendet, bevor diese dem Schwebegaswärmetauscher aufgegeben wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei Verwendung eines aus Zyklonofen und Sammelofen bestehenden Schmelzreaktors der Sammelofen mit dem Eisenbadreaktor in Höhe der Eisenbadoberfläche über eine Abzugsleitung für Eisenüberschuß des Eisenschmelzbades verbunden ist, so daß das Volumen des Eisenbades im Eisenbadreaktor genau eingestellt ist.

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Darstellung für eine Anlage zur direkten Gewinnung von Eisen aus Eisenerzen oder deren Konzentraten näher beschrieben, der weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zu entnehmen sind:

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ORiQlWAL INSPECTED

Die dargestellte Eisengewinnungsanlage besteht aus einem Eisenbadreaktor 1, der unterhalb der Badoberfläche 2 der Eisenschmelze eine Düse 3 für die Zufuhr von feinkörniger Kohle und eine Düse 4 für Sauerstoff aufweist, die aus Verschleiß— gründen in den mit feuerfestem Material 5 ausgekleideten Wänden 6 des Eisenbadreaktors 1 angeordnet sind. Auf der Bad— Oberfläche der Eisenschmelze befindet sich die Entschwefelungsschlacke 7. Oberhalb des Schlackenbades befindet sich der Sammelraum 8 für das erzeugte Reduktionsgas.

Der Sammelraum 8 des Eisenbadreaktors steht über eine Gasabzugsleitung 9, von der wiederum eine Zweigleitung 10 ausmündet, mit einem aus vier übereinander angeordneten Zyklonen I - IV bestehenden Schwebegaswärmetauscher 11 und über die Zweigleitung 10 mit einem Schmelzreaktor 12 in Verbindung. Der Schmelzreaktor 12 besteht z.B. aus einem Schmelzzyklon und einem Sammelofen 14, beispielsweise einem Elektroofen. Die einzelnen Zyklone des Schwebegaswärmetauschers sind über Gasleitungen 15, 16 und 17 so miteinander verbunden, daß die Reduktionsgase aus dem Eisenbadreaktor die Zyklone I bis IV von unten nach oben hintereinander durchströmen.

Aus dem obersten Zyklon IV wird das Reduktionsgas über eine Abgasleitung 18 in eine Entstaubungseinrichtung 19 geleitet, welche ihrerseits mit einem Saugzuggebläse 20 in Verbindung

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steht. In die zum obersten Zyklon IV des Schwebegaswarmetauschers führende Gasleitung 17 mündet der Austrag eines Bunkers 21, der die feinkörnigen Erze 34 bzw. deren Konzentrate enthält, und dem gleichzeitig schlackebildende Zuschlagstoffe 31 aufgegeben werden. Die Austragsspitzen eines jeden Zyklons sind durch Austragsleitungen 22, 2 3 und 24 mit den gasführenden Leitungen 16, 15 und 9 verbunden, wobei die Austragsleitung 25 des untersten Zyklones I gegebenenfalls zusätzlich unter Zwischenschaltung eines Bunkers für schlackebildende Zuschlagstoffe in den Zyklonofen 13 des Schmelzreaktors 12 geführt ist. Hinter der Entstaubungseinrichtung 19 mündet eine Rückgasleitung 26 aus, die in die zur heißesten Zyklonstufe I des Schwebegaswärmetauschers führende Gasabzugsleitung 9 des Eisenbadreaktors 1 einmündet.

Im Anschluß an das Saugzuggebläse 20 befindet sich eine Brennkammer 27, die ihrerseits eine Zuführleitung 28 für Sauerstoff aufweist. Die Brennkammer 27 ist ihrerseits heißgasseitig mit einem Heißlufterzeuger 29 verbunden, der seinerseits abgasseitig mit der Atmosphäre in Verbindung steht und abluftseitig über eine Vorwärmeinrichtung 30 für das Erz 34 mit dem Aufgabebunker 21 verbunden ist. Die Vorwärmeinrichtung 30 ist nur schematisch dargestellt und kann beliebiger Bauart sein, beispielsweise ein direkt oder auch indirekt wirkender Wärmetauscher.

Die erfindungsgemäße Anlage zur direkten Eisengewinnung aus feinkörnigem Eisen wird wie folgt betrieben:

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In den Eisenbadreaktor 1 werden über die Düsen 3, 4 feinkörnige Kohle und Sauerstoff in einem für die Verbrennung erforderlichen stöchiometrisehen Mengenverhältnis in das Eisenbad eingeblasen. In der Eisenschmelze erfolgt dann bei stark positiver Wärmebilanz die Umsetzung der feinkörnigen Kohle mit dem Sauerstoff zu einem Reduktionsgas, das im wesentlichen nur aus CO und H„ besteht. COp- und H„O-Anteile treten dabei nicht auf und die in der Kohle enthaltenden Schwefelbestandteile werden in dem Schlackenbad 7 gebunden. Die Schlacke wird über eine nicht näher dargestellte Regenerati veinheit von den verunreinigenden Bestandteilen wieder befreit. Das CO/Hp-reiche Reduktionsgas wird aus dem Sammelraum 8 des Eisenbadreaktors über die Abgasleitung 9 in die unterste Zyklonstufe I des aus vier übereinander angeordneten Zyklonen I bis IV bestehenden Schwebegaswärmetauscher eingeleitet. Eine Teilmenge dieses mit etwa 1.400 C anfallen den Reduktionsgases wird über die Teilgasleitung 10 in den Schmelzzyklon 13 des Schmelzreaktors 12 eingeleitet.

Das heiße Reduktionsgas durchströmt die mit den Gasleitungen 15, 16, 17 verbundenen Zyklonstufen hintereinander und wird von dem Saugzuggebläse 20 nach Durchströmen des Staubabscheiders 19 aus dem Wärmetauschersystem abgezogen. Aus dem Erzbunker 21 werden in die zum obersten Zyklon IV des Schwebegaswärmetauschers führende Gasleitung 17 das zu re-

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duzierende feinkörnige Eisenerz und schlackebildende Zuschlagstoffe aufgegeben und dabei in direkten Kontakt mit den heißen Reduktionsgasen gebracht. Das Reduktionsgas dringt durch die Gashülle eines Feinkornes und durch dessen Poren vor bis zur Kristalloberfläche des eigentlichen Oxydes. Es erfolgt eine Reduktion zwischen Gasmolekel und Kristalloberfläche als Phasengrenzreaktion. Aus der unmittelbaren Körnchenoberfläche und aus den Poren diffundieren die gasförmigen Reaktionsprodukte heraus. Durch die hohe Relativgeschwindigkeit, mit der das CO/H„-reiche Reduktionsgas an den Erzpartikeln vorbeiströmt, wird für einen schnellen Abtransport dieser gasförmigen Reaktionsprodukte gesorgt und es wird das für eine bestimmte Temperatur charakterisierte Reaktionsgleichgewicht gestört, so daß weitere Reaktionen mit dem Reduktionsgas stattfinden können und ein hoher Reduktionsgrad erzielt wird.

In dem obersten Zyklon IV des Schweüegaswärmetauschers 11 werden die Erzpartikel von den Gasen getrennt, sammeln sich in der Zyklonspitze und werden über die Austragsleitung 22 in die darunterliegende Gasleitung 16 aufgegeben. In dieser Gasleitung wird das feinkörnige Erz infolge der anfänglich hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Erzpartikeln und Reduktionsgas wieder stark beschleunigt und im Gasstrom fein dispergiert, so daß die einzelnen Erzpartikel wie oben beschrieben optimal mit den Reduktionsgasen in Berührung kommen.

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Bei abnehmender Relativgeschwindigkeit tritt der feine Dispersionsstrom in den nächsten unterhalb des obersten Zyklons angeordneten Abscheidezyklon III und wird dort in Feststoff und Gasanteil getrennt. Die feinen Erzpartikel werden in der Zyklonspitze gesammelt und über die Austragsleitung 23 in die gasführende Leitung 15 wieder aufgegeben. Auf diese Weise ergibt sich von Zyklonstufe zu Zyklonstufe eine hohe und noch dazu zeitlich verändernde Relativgeschwindigkeit des Reduktion sgases gegenüber den Erzteilchen, so daß auch unter dem Gesichtspunkt eines besonders günstigen Verhältnisses von Gas zu Feststoff im Hinblick auf die Thermodynamik eine optimale Reduktion zv/ischen Gasmolekel und Kristalloberfläche des eigentlichen Oxydes erreicht wird, und für eine permanente Störung des Reduktionsgleichgewichtes gesorgt ist. Da die Flugstrecken bis zur Abscheidung im Zyklon kurz sind, ergibt sich für das gesamte System das Gegenstromprinzip und für die einzelnen Stufen selbst eine laufend sich ändernde Relativkomponente zwischen Gas und Erzteilchen.

Aus dem untersten Zyklon I des Schwebegaswärmetauschers 11 wird dann das vorreduzierte Eisenerz gegebenenfalls unter zusätzlicher Zugabe von schlackenbildenden Zuschlagstoffen in die Teilgasleitung 10 aufgegeben und von dort in den Schmelz zyklon 13 eingeblasen. Gleichzeitig wird in den Schmelzzyklon nur soviel Sauerstoff eingeführt, daß dieser im stöchiometrischen Unterschuß mit dem Reduktionsgas reagiert

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und Bedingungen für ein reduzierendes Einschmelzen des vorreduzierten Eisenerzes im Zyklon eingestellt sind. Das erschmolzene metallische Eisen wird in dem Elektroofen 14 gesammelt, wobei aus dem Zyklonofen 13 nur soviel Abgas in den Sammelofen abgeführt wird, daß in letzterem Reduktionsbedingungen herrschen. Aus dem Sammelofen wird dann das flüssige Eisen als Wertprodukt abgezogen.

Da das im Eisenbadreaktor erzeugte Reduktionsgas bei einer Temperatur von etwa 1.400 C anfällt, ist es erforderlich, daß die in den-Schwebegaswärmetauscher eingeführte Gasmenge entsprechend herabgekühlt wird, damit im Schwebegaswärmetauscher die für eine trockene Reduktion erforderlichen Temperaturen von ca. 900 C eingehalten werden. Zu diesem Zweck wird über die Rückgasleitung 26 eine Teilmenge des aus dem Schwebegaswärmetauscher 11 austretenden Abgases entstaubt zurückgeführt und in die zur heißesten Zyklonstufe I führende Abgasleitung 9 eingeleitet. Bei einer Rückgasmenge von ca. 10 bis 20 % erhält man so vor dem Eintritt in den Schwebegaswärmetauscher eine mittlere Gastemperatur von etwa 1.100 bis 1.300° C, so daß durch den Wärmeaustausch zwischen den vorreduzierten Erzen und dem heißen Reduktionsgas eine mittlere Wärmetauschertemperatur von etwa 900 C aufrechtei halten bleibt und Schmelzphasenbildung mit nachfolgender

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Agglomerationsgefahr der einzelnen Partikel nachhaltig vermieden wird. Das COphaltige Rückgas setzt gleichzeitig durch sein Oxydationsvermögen den in den kälteren Zyklonstufen des Wärmetauschers abgeschiedenen und an den Erzpartikeln angelagerten Kohlenstoff wieder zu CO um.

Das aus dem Schwebegaswärmetauscher über das Saugzuggebläse 20 abgezogene und durch die Entstaubungseinrichtung 19 gereinigte Reduktionsgas wird in der Brennkammer 27 unter Zugabe von Luft-Sauerstoff verbrannt und die entstehenden Heißgase anschließend in den Heißlufterzeuger 29 zur Gasabkühlung gegeben. Das gekühlte Abgas wird dann in die atmosphärische Umgebung geleitet. Die aus dem Heißlufterzeuger abgezogene Heißluft wird durch die Vorwärmeinrichtung 30 zur Vorwärmung des feinkörnigen Erzes geleitet.

Die Erfindung ist nicht nur auf das dargestellte Ausführungsbeispiel einer Schwebegasreduktionsanlage beschränkt, sondern es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die Gesamtmenge der Reduktionsgase aus dem Eisenbadreaktor in den Schmelzzyklon zu leiten, aus diesem abzuziehen und anschließend dem Schwebegaswärmetauscher zuzuführen. Auch bei einer derartig konzipierten Anlage werden die optimalen Bedingungen hinsicht lich der Reduktion zwischen Gas und feinkörnigem Erz im Schwebegaswärmetauscher erreicht.

Patentans prüche

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Claims (16)

Patentansprüche

1. Verfahren zur direkten Gewinnung von Eisen aus feinkörnigen Erzen und/oder deren Konzentraten insbesondere im Körnungsbereich kleiner 250 Mikron unter Verwendung von Kohlenstoff und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen als Ausgangsstoff für die Reduktion, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffenthaltenden Substanzen zusammen mit Sauerstoff und/oder sauerstoffenthaltenden Medien in einem Metallbadreaktor zu CO/H„-reichem Reduktionsgas umgewandelt werden und daß das heiße Reduktionsgas und die feinkörnigen Erze in einer Reduktionsvorrichtung bei Gasgeschwindigkeiten größer 1,5 m/sec. vorzugsweise bei einer Gasgeschwindigkeit zwischen 3 und 30m/sec. in der Schwebe innig miteinander in Berührung gebracht und die Erze in mehreren Reduktionsstufen bei hoher und wechselnder Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Erz so weitgehend reduziert werden, daß diese unmittelbar anschließend in einen Schmelzreaktor eingeleitet werden, aus dem flüssiges Eisen als Wertprodukt abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge an Reduktionsgas aus dem Metallbadreaktor in den Schmelzreaktor eingeleitet und anschließend der Reduktionsvorrichtung zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge des heißen Reduktionsgases in die Reduk-

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tionsvorrichtung geleitet und daß die andere Teilmenge des Reduktionsgases zusammen mit Sauerstoff und/oder einem sauerstoffenthaltenden Medium in den Schmelzreaktor geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Schrnelzreaktor eingeleitete Reduktionsgas mit dem Sauerstoff und/oder sauerstoffenthaltendem Medium im stöchiometrischen Unterschuß verbrannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Reduktionsvorrichtung abgezogene Reduktionsgas entstaubt und zumindest teilv/eise und vorzugsweise in die heißeste Stufe der Reduktionsvorrichtung zurückgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Reduktionsvorrichtung abgezogene Reduktionsgas nach Ausnutzung seines Reduktionspotentials ausgebrannt und zur Vorwärmung der Erze verwendet wird_e

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Reduktionsgas aus der Reduktionsvorrichtung abgezogenen Reaktionsprodukte ausgewaschen werden und das so gereinigte Reduktionsgas zumindest teilweise der Reduktionsvorrichtung wieder zugeführt wird_e

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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den feinkörnigen Erzen vor Eintritt in den Schmelzreaktor Zuschlagstoff zur Schlackenbildung aufgegeben wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines aus Zyklonofen und Sammelofen bestehenden Schmelzreaktors nur soviel an Abgas aus dem Zyklonofen in den Sammelofen abgeführt wird, das in letzterem Reduktionsbedingungen herrschen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenüberschuß aus dem Eisenbadreaktor in den Schmelzreaktor eingeleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines aus Zyklonofen und Sammelofen bestehenden Schmelzreaktors der Eisenüberschuß in den Sammelofen eingeleitet wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Metällbadreaktor (l) unterhalb der Badoberfläche (2) der Metallschmelze mindestens eine Düse (3, 4) für die Zufuhr von Kohlenstoff und/oder kohlenstoffenthaltenden Substanzen und für Sauerstoff und/oder sauerstoffenthaltenden Medien angeordnet ist

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und daß der Metallbadreaktor (1) abgasseitig mit einer mehrstufig arbeitenden Reduktionsvorrichtung vorzugsweise mit einem aus mehreren übereinander angeordneten Zyklonen bestehenden Schwebegaswärmetauscher (11) und/oder einem Schmelzreaktor (12) verbunden ist und daß die Gutaustragsleitung (25) des Schwebegaswärmetauschers mit dem Schmelzreaktor in Verbindung steht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbadreaktor (1) abgasseitig über eine Gasabzugsleitung (9) mit dem Schwebegaswärmetauscher (11) und über eine Zweigleitung (10) mit dem Schmelzreaktor (12) verbunden ist, wobei am Schmelzreaktor eine Zuführungsleitung (32) für Sauerstoff und/oder sauerstoffenthaltendes Medium angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (18) des Schwebegaswärmetauschers (11) vorzugsweise hinter einer Entstaubungseinrichtung (19) eins Rückgasleitung (26) ausmündet, die vorzugsweise in die zur heißesten Zyklonstufe des Schwebegaswärmetauschers führende Gasabzugsleitung (9) des Metallbadreaktors (l) einmündet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (18) des Schwebegaswärmetauschers (11) eine Brennkammer (27) angeordnet ist, die

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heißgasseitig mit einem Heißlufterzeuger (29) in Verbindung steht, dessen Heißluftleitung (30) in eine Vorwärmeeinrichtung für das Erz geführt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines aus Zyklonofen (13) und Sammelofen (14) bestehenden Schmelzreaktors (12) der Sammelofen mit dem Metallbadreaktor (1) in Höhe der Metallbadoberfläche (2) über eine Abzugsleitung (33) für den Metallüberschuß des Metallschmelzbades verbunden ist.

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