DE2655813B2

DE2655813B2 - Verfahren und Anlage zur direkten und kontinuierlichen Gewinnung von Eisen

Info

Publication number: DE2655813B2
Application number: DE2655813A
Authority: DE
Inventors: Karl Mueller; Horst Weigel
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1976-12-09
Filing date: 1976-12-09
Publication date: 1980-10-23
Also published as: BR7708175A; SE7713984L; US4223876A; AU3105177A; ES464689A1; ZA777302B; DE2655813A1; US4179284A; JPS5371613A; LU78647A1

Description

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

Die klassiche 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 zu Beginn der Entwicklung der Hochofentechnologie 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 gestellt Aus diesem Grunde müssen die Erzkonzentrate einem thermischen Sinterprozeß 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. Dexi können nur besondere Kohlesorten verwendet werden, die in immer geringer werdenden Mengen verfügbar sein werdea

Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt. Verfahren der Eisengewinnung zu entwickeln, die hinsichtlich der ι s Rohproduktvorbereitung weniger aufwendig 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 KoksgruB gesintert sondern in Form von weniger aufwendig herzustellenden Pellets eingesetzt werden. Als Reduktionsgefäße sind entsprechende Schachtofen und Retorten entwickelt worden.

Bemühungen, noch einen Schritt weiter zu gehen und feinkörnige Eisenerze direkt mit Gas zu reduzieren, haben zu einer Vielzahl von Verfahrensvorschlägfn geführt, bei denen Erzteilchen und Gas im Schwebezustand miteinander reagieren sollen, was naturgemäß einen ganz erheblichen technologischen und wirtschaftlichen Fortschritt bedeuten wurde. 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 werdea

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, Engeil, Die Reduktion der Eisenerze, S. 209—243, Verlag Stahleisen mbH/Düsseldorf 1967).

Reduktionsverfahren in der sogenannten Flugstaub- so wolke 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.

Um eine Flugstaubwolke zu erzeugen, wählt man Gasgeschwindigkeiten, die gerade ausreichen, um Feinstkorn entsprechend seinem spezifischen Gewicht und der daraus 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 Gleichgeweicht und kann nicht weiter reduzieren. Es ergibt sich daher, daß bei den obengenannten vorbekannten 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. 211 -221 bekannt daß der Zeitbedarf zur 80% Reduktion von feinkörnigen Erzpartikelchen verschiedener Herkunft bei kleinster Körnung (50—150 Mikron) im Schwebezustand in H₂ 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 900⁰C 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 Direktreduktionsverfahren wird vielmehr stets empfohlen, mit der Reduktionstemperatur unterhalb dieser Grenzen zu bleiben. Die chemischen und thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten (Gleichgewichtsverhältnis) führen jedoch bei Reduktionstemperaturen unterhalb 900⁰C 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 thermodynamische 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.

Nun gibt es zur Schaffung günstigerer Bedingungen in dieser Hinsicht zwar auch den Vorschlag, feinkörniges Eisenerz in einem Zyklonwärmetauschersystem 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 Reoxidatiori des bereits einmal reduzierten Erzes beim Zusammentreffen mit Luft sehr groß ist, weshalb vorgeschlagen wurde, durch Kohlezusatz 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 Reduktionsmittelausinutzung in Kauf genommen werden.

Für die Herstellung von Reduktionsgas ist man bislang bei den praktisch erprobten Ausführungsvorschlläigen für Eisenerzreduktionsverfahren außerhalb des Hochofens in der Mehrzahl der Fälle von Erdgas ausgegangen, das durch ein Krackverfahren zu CO/H₂-reichen 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 CO! ist es jedoch nicht

In jüngster Zeit ist die Entwicklung eines Vergasungsverlahrens bekanntgeworden, bei dem Kohle durch Einblasen in ein geschmolzenes Eisenbad ein Reduktionsgas frei von Kohlenwasserstoffen und CO2 liefert. Dabei führt man der Eisenschmelze die Kohle in feinkörniger Form durch eine wassergekühlte Lanze zu. Gleichzeitig wird mit einer zweiten Lanzeneinrichtung Sauerstoff in das Eisenbad eingeleitet Dem Eisenbad 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/H₂-Gehalt bei einer für Reduktionsprozesse genügend hohen Temperatur von ca. 1400⁰C zur Verfügung.

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 Eisengewinnungsprozeß 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 agglomerierende Vorbereitung im TroeLcenzustand bis zum Eisenschwamm reduziert wenden und unmittelbar anschließend flüssiges Metall erzemgt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kombination der Maßnahmen:

a) daß die Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltenden Substanzen zusammen mit Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltenden Medien in einem vom Schmelzreaktor gesonderten Eisenbadreaktor zu CO/Hy-reichein Reduktionsgas umgewandelt werden,

b) daß eine Teilmenge des Reduktionsgases abgezweigt und durch Mischung mit verbrauchtem Reduktionsgas auf die für eine trockene Reduktion erforderliche Temperatur herabgekühlt wird,

c) das gekühlte Reduktionsgas und feinkröniges Erz in der Schwebe bei Gasgeschwindigkeiten größer 1,5 m/sec, innig miteinander in Berührung gebracht und dabei das Erz in mehreren Reduktionsstufen bei hohen und wiederholt wechselnden Relativgeschwindigkeiten Gas/Erz reduziert wird,

d) daß die übrige Teilmenge ungekühlten Reduktionsgases nach Einleiten des vorreduzierten Erzes und gegebenenfalls unter Zugabe von schlackenbildenden Zuschlagstoffen sowie unter Zuführung von Sauerstoff in einen separaten Schmelzreaktor eingeleitet und darin verbrannt wird, wobei Eisen erschmolzen und aus dem Sammelofen abgezogen wird.

Der 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.

Dadurch, daß ein praktisch von oxydierenden Bestandteilen wie beispielsweise COrfreies Reduktionsgas mit einem sehr hohen Gehalt an CO und H2 von über 80 Volumenprozent erzeugt wird, und daß durch die Mehrstufigkeit der Reduktion eine im Vergleich zu den bisher bekannten Direktreduktionssystemen geringe Gasmengen im Verhältnis zum Feststoff, jedoch von höchstmöglichem Reduktionspotential, mit großen und wiederholt wechselnden Relativgeschwindigkeiten zwischen Gas und Erz an die Kristalloberfläche der Erzpartikel herangeführt werden kann, wird ein höhet Reduktionsgrad erzielt Denn die Abführung der gasförmigen Reaktionsprodukte CO₂ und H2O und nicht die relativ schnelle Reaktion zwischen Gasmolekül und

Kristalloberfläche als Phasengrenzrekation stellt den

geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dar.

Dadurch, daß nur eine Teilmenge des Reduktionsga-

ses zur Reduktion des feinkörnigen Erzes in die Reduktionsvorrichtung eingeleitet und vor Einleitung in die Reduktionsvorrichtung durch Einleiten einer Teilmenge des aus der Reduktionsvorrichtung austretenden Abgases auf die für eine trockene Reduktion erforderlichen Temperaturen herabgekühlt wird, ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß eine Überschreitung der kritischen Temperatur beispielsweise bei 900° C für die Reduktion vermieden wird, so daß es nicht zur gefürchteten Sinterung der teilreduzierten Erzpartikelchen aneinander oder an den Wänden des Reduktionssystemes kommt

Dadurch, daß eine andere Teilmenge des Reduktionsgases unter Zugabe des vorreduzierten Erzes sowie unter Zuführung von Sauerstoff in einen separaten Schmelzreaktor eingeleitet und darin verbrannt wird, wobei Eisen erschmolzen und aus dem Sammelofen abgezogen wird, ergibt sich weiter der Vorteil, daß gasförmige Oxydationsprodukte des Schmelzprozesses nicht in das Reduktionsgas und damit nicht in die Reduktionsvorrichtung gelangen können. Dies ist wichtig, weil eine dadurch verursachte Erniedrigung des Reduktionspotentials den Reduktionsgrad bei sonst gleichen Betriebs-Parametern wie Temperatur, Ver-

weilzeit, Feinkornigkeit des aufgegebenen Gutes etc. in gravierender Weise beeinträchtigen würde.

Es ist zwar schon ein Verfahren und eine Vorrichtung zum direkten Herstellen von Stahl bekanntgeworden, bei dem Feinerz in hintereinandergeschalteten Zyklonen indirekt reduziert und der Eisenschwamm eingeschmolzen wird (DE-OS 21 32 150).

Dabei wird jedoch das vorreduzierte Feinerz in ein- und demselben Schmelz- und Frischaggregat bei gleichzeitiger Erzeugung des Reduktionsgases durch unvollständige Verbrennung von Kohlenstoff im Überschuß eingeschmolzen und anschließend mittels Sauerstoff gefrischt.

Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es nur intermittierend betrieben werden kann, weil während des Einschmelzens der Zustrom von Eisenschwamm bis auf Null verringert wird. Dadurch eröht sich, insbesondere während der Totzeiten, die Anbackungsgefahr zwischen Eisenschwamm und der Reduktionsvorrichtung ganz beträchtlich.

Dadurch, daß in ein- und demselben Reaktionsgefäß sowohl geschmolzen als auch gefrischt wird, wozu beträchtliche Mengen von Sauerstoff benötigt werden, wird das Reduktionspotential des erzeugten Reduktionsgases beträchtlich vermindert, was zu einer Verringerung des erzielbaren Reduktionsgases bei sonst gleichen Betriebsparametern führt

Die Erfindung vermeidet in vorteilhafter Weise die Nachteile des bekannten Verfahrens, wobei die kontinuierliche Verfahrensführung von besonders wirtschaftlicher Bedeutung ist, insbesondere da diese hinsichtlich der zu reduzierenden Erzmenge, der im Metallbad erzeugten Reduktionsmenge, und des verwendeten Schmelzreaktors im Gleichgewicht auf die jeweiligen Anforderungen optimal einstellbar ist

Dabei ist vorgesehen, daß für eine trockene Reduktion eine Temperatur um ca. 900° C eingestellt wird. Hierdurch wird die Gefahr einer Verstopfung der Reduktionsvorrichtung durch Schmelzphasenbildung vermieden.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß das in den Schmelzrekator eingeleitete Reduktionsgas mit Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltenden Medien im stöchiometrischen Unterschuß verbrannt wird.

Diese Maßnahme ergibt den Vorteil, daß während des Schmelzvorganges reduzierende Bedingungen herrschen, beziehungsweise daß die reduzierenden Bedingungen graduell eingestellt werden können. Denn dem Schmelzreaktor wird nur diejenige Menge des heißen Reduktionsgases zugeführt, die nach entsprechender Oxydation mit Luft-Sauerstoff zum Einschmelzen der reduzierten Eisenerzepartikel erforderlich ist, während die andere Teilmenge des CO/H₂-reichen Reduktionsgases gegebenfalls nach Zwischenkühlung direkt in die Reduktionsvorrichtung eingeleitet wird.

In weiterbildender Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß das Reduktionsgas nach Ausnutzung seines Reduktions- und Wärmepotentials mindestens teilweise dem frischen Reduktionsgas vorzugsweise vor dessen Einleitung in die Reduktionsvorrichtung beigemischt wird.

Vorzugsweise beträgt die Menge des dem Reduktionsgas beigemischten Abgases etwa 10 bis 20%. Durch Rückführung des Abgases wird das aus dem Eisenbadreaktor mit Temperaturen um ca. 1400°C austretende Reduktionsgas je nach Erzbeschaffenheit auf eine mittlere Eintrittstemperatur an der Reduktionsvorrichtung von ca. 1100° C eingestellt, wobei durch Wärmeaustausch zwischen vorreduzierten Eisenerzen und dem Reduktionsgas mittlere Reduktionstemperaturen in der Größenordnung um 900⁰C erhalten werden, so daß eine s Schmelzphasenbildung des feinkörnigen Eisenerzes vermieden wird.

Es ergibt sich aber noch ein weiterer Vorteil: Bei abnehmender Temperatur in den oberen Stufen

der Reduktionsvorrichtung kommt es nämlich zu einem

ίο Zerfall von CO unter Kohlenstoff abscheidung, wobei sich dieser an den Erzpartikeln anlagert und bis in die heißeren Stufen der Reduktionsvorrichtung gelangt.

Mit Rückführung von Abgas in die heißeste Stufe der Reduktionsvorrichtung wird nun erreicht, daß durch das Oxydationsvermögen des COrhaltigen Abgases der in

den kälteren oberen Stufen abgeschiedene Kohlenstoff wieder zu CO umgesetzt wird.

Weiter ist vorgesehen, daß verbrauchtes Reduktionsgas vor dessen Beimischung zum frischen Reduktionsgas von Reaktionsprodukten und/oder Staub gereinigt wird.

Durch die Reinigung des verbrauchten Reduktionsgases von Reaktionsprodukten wird eine zu starke Herabsetzung des Reduktionspotentiales im Reduktionsgas durch oxidierende Komponenten vermieden.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist weiter vorgesehen, daß aus der Reduktionsvorrichtung abgezogenes Abgas ausgebrannt und die dabei entstehende Wärme zur Vorwärmung von Erz verwendet wird.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme sieht schließlich vor, daß dem feinkörnigen Erz im Bereich der Reduktionsstufe Zuschlagstoffe zur Schlackenbildung beigemischt werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Eisengewinnungsanlage zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch einen Eisenbadreaktor mit mindestens einer vorzugsweise unterhalb der Oberfläche des Eisenbades angeordneten Düse mit Mitteln zur Zufuhr von Reduktionsgas erzeugenden Reagenzien wie Kohlenstoff und/oder Kohlenstoff enthaltenden Substanzen, Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltenden Medien und gegebenenfalls Schlacke bildenden Substanzen, welcher Eisenbadreaktor gasseitig einerseits mittels einer Gasabzugsleitung mit einer vorzugsweise als mehrstufiger Schwebegaswärmetauscher ausgebildeten Reduktionsvorrichtung sowie andererseits mittels einer Zweigleitung mit einem separaten Schmelzreaktor in Verbindung steht wobei der Gutaustrag der Reduktionsvorrichtung mit dem Schmelzreaktor in Verbindung steht und wobei am Schmelzreaktor eine Zuführungsleitung für Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltende Medien vorgesehen ist sowie ferner durch eine aus der Abgasleitung der Reduktionsvorrichtung abgezweigte Rückgasleitung, welche vorzugsweise in die Gasabzugsleitung — in Strömungsrichtung gesehen — oberhalb der Zweigleitung einmündet sowie durch einen Sammelofen zur Aufnahme der vom Schmelzreaktor erzeugten Eisenschmelze.

Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Koppelung

von Anlagenteilen zu einer kompakten Anlage für die direkte Gewinnung von Eisen aus feinkörnigen Erzen ist unter anderem die Ermöglichung einer kontinuierlichen

Arbeitsweise. Die Anlage ermöglicht ferner eine direkte wirtschaft-

liehe Nutzung des mit CO und H2 hochangereicherten

Reduktionsgases aus dem Metallbadreaktor für eine

optimale Reduktion von feinkörnigen Erzen in einem

Schwebegasreduktionssystem, wobei der hohe Reduk-

tionsgrad die Erze bei Vermeidung jeglicher Reoxydation infolge Ausschlusses von unerwünschten oxydierenden Bestandteilen ein direktes, ununterbrochenes Einschmelzen in einem gesonderten Schmelzreaktor erlaubt.

Mit dieser Kompaktanlage wird daher der regeltechnische und anlagentechnische Aufwand gegenüber bekannten Schwebegasreduktionssystemen und Anlagen zur direkten Eisengewinnung erheblich gesenkt und erstmalig eine kontinuierlich arbeitende großtechnische Anlage erstellt, die eine wirtschaftliche Erzeugung von schmelzflüssigem Eisen als Wertprodukt direkt aus feinkörnigen Eisenerzen erlaubt

In Ausgestaltung der Eisengewinnungsanlage ist vorgesehen, daß der Sammelofen mit dem annähernd auf gleichem Niveau angeordneten Eisenbadreaktor in Höhe der Eisenbadoberfläche durch einen Kanal verbunden ist, wodurch mit Vorteil erreicht wird, daß das Volumen des Eisenbades im Eisenbadreaktor genau eingestellt ist

Weiter ist vorgesehen, daß die Rückgasleitung hinter einer Entstaubungseinrichtung aus der Abgasleitung abgezweigt ist.

Mit Vorteil ist ferner vorgesehen, daß in der Abgasleitung des Schwebegaswärmetauschers eine Brennkammer angeordnet ist, die heißgasseitig mit einem Heißlufterzeuger in Verbindung steht, an den eine Vorwärmeinrichtung für die Erze angeschlossen ist.

Mit diesen Maßnahmen werden die von dem Schwebegaswärmetauscher abgezogenen Abgase nach Ausnutzung ihres Reduktionspotentiales auch noch wärmetechnisch annähernd vollständig genutzt, und die chemisch gebundene sowie die fühlbare Wärme des Abgases zur Vorwärmung des feinkörnigen Eisenerzes eingesetzt, bevor dieses dem Schwebegaswärmetauscher zur Reduktion aufgegeben wird.

Und schließlich ist vorgesehen, daß der Gutaustrag der Reduktionsvorrichtung in die vom Eisenbadreaktor zum Schmelzreaktor führende Zweigleitung einmündet

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

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 Verschleißgründen in den mit feuerfestem Material 5 ausgekleideten Wänden 6 des Eisenbadreaktors 1 angeordnet sind Auf der Badoberfläche 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—FV bestehenden und als Reduktionsvorrichtung vorgesehenen Schwebegaswärmetauscher 11 und über die Zweigleitung 10 mit einem Schmelzreaktor 12 in Verbindung. Der Schmelzreaktor 12 besteht z.B. aus einem Schmelzzyklon 13 und einem Sammelofen 14, beispielsweise einem Elektroofen. Die einzelnen Zyklone des Schwebegaswärmetauschers sind Ober Gasleitungen 15, 16 und 17 so miteinander verbunden, daß die Reduktionsgase aus dem Eisenbadreaktor (1) die Zyklone I bis IV von unten nach oben hinterteinander durchströmen.

Aus der obersten Zyklon IV wird verbrauchtes Reduktionsgas ais Abgas über eine Abgasleitung 18 in eine Entstaubungseinrichtung 19 geleitet, welche ihrerseits mit einem Saugzuggebläse 20 in Verbindung steht. In die zum obersten Zyklon IV des Schwebegaswärmetauschers führende Gasleitung 17 mündet der Austrag eines Bunkers 21, der die feinkörnigen Erze 34 bzw. deren Konzentrate enthält, und dem gleichzeitig

to schlackebildende Zuschlagstoffe 31 aufgegeben werden. Die Austragsspitze eines jeden Zyklons sind durch Austragsleitungen 22, 23 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 (11) 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 feinkörnigen Erzen wird wie folgt betrieben:

In den Eisenbadreaktor 1 werden über die Düsen 3,4 feinkörnige Kohle und Sauerstoff in einem für die Verbrennung erforderlichen stöchiometrischen Mengenverhältnis sind die Eisenschmelze eingeblasen. Darin erfolgt bei stark positiver Wärmebilanz die Umsetzung der feinkörnigen Kohle mit dem Sauerstoff zu einem Reduktionsgas, das im wesentlichen aus CO und H₂ besteht. CO2- und H2O-Anteile treten dabei praktisch nicht auf, und die in der Kohle enthaltenden Schwefelbestandteile werden in der Entschwefelungsschlacke 7 gebunden. Die Schlacke wird gegebenenfalls über eine nicht näher dargestellte Regenerativeinheit von den verunreinigenden Bestandteilen wieder befreit Das CO/H2-reiche Reduktionsgas wird aus dem Sammelraum 8 des Eisenbadreaktors über die Gasabzugsleitung 9 in die unterste Zyklonstufe I des aus vier übereinander angeordneten Zyklonen I bis IV bestehenden und als Reduktionsvorrichtung vorgesehenen Schwebegaswärmetauschers eingeleitet Eine Teilmenge dieses mit etwa 1400° C anfallenden Reduktionsgases wird über die Zweigleitung 10 in den Schmelzzyklon 13 des Schmelzreaktors 12 eingeleitet

Das heiße Reduktionsgas durchströmt die mit den Gasleitungen 15, 16, 17 verbundenen Zyklonstufen

6G hintereinander und wird von dem Saugzuggebläse 20 nach Durchströmen des Staubabscheiders 19 aus dem

System des Schwebegaswärmetauschers 11 abgezogen. Aus dem Erzbunker 21 werden in die zum obersten Zyklon IV des Schwebegaswärmetauschers 11 führende

Gasleitung 17 das zu reduzierende 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/H₂-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 Schwebegaswärmetauschers 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.

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 gesam- jo melt 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 Reduktionsgases 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 zwischen 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 d^;e einzelnen Stufen selbst eine laufend sich ändernde Relativkomponente der Geschwindigkeiten zwischen Gas und Erzteilchen.

Aus dem untersten Zyklon I des Schwebegaswärmetauscher 11 wird dann das vorreduzierte Eisenerz gegebenenfalls unter zusätzlicher Zugabe von schlakkenbildenden Zuschlagstoffen in die Zweileitung 10 aufgegeben und von dort in den Schmelzzyklon 13 eingeblasen. Gleichzeitig wird in den Schmelzzyklon nur soviel Sauerstoff eingeführt, daß dieser im stöchiometrischen Unterschuß mit dem Reduktionsgas reagiert 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 14 wird dann das flüssige Eisen als Wertprodukt abgezogen.

Da das im Eisenbadreaktor erzeugte Reduktionsgas bei einer Temperatur von etwa HOO⁰C 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 Gasabzugsleitung 9 eingeleitet. Bei einer Teilmenge des Abgases von ca. 10 bis 20% erhält man so vor dem Eintritt in den Schwebegaswärmetauscher eine mittlere Gastemperatur von etwa 1100 bis 1300° C, so daß durch den Wärmeaustausch zwischen den vorreduzierten Erzen und dem heißen Reduktionsgas eine mittlere Wärmetauschertemperatur von etwa 900° C aufrechterhalten bleibt und Schmelzphasenbildung mit nachfolgender Agglomerationsgefahr der einzelnen Partikel nachhaltig vermieden wird. Das CO2-haltige Abgas 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 11 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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur direkten und kontinuierlichen Gewinnung von Eisen aus feinkörnigen Erzen und/oder Konzentraten insbesondere im Körnungsbereich kleiner 250 Mikron, unter Verwendung von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltenden Substanzen als Ausgangsstoff für die Reduktion, gekennzeichnet durch eine Kombination der Maßnahmen:

a) das die Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltenden Substanzen zusammen mit Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltenden Medien in einem vom Schmelzrekator gesonderten Eisenbadreaktor zu CO/Hrreichem Reduktionsgas umgewandelt werden,

c) daß gekühltes Reduktionsgas und feinkörniges Erz in der Schwebe bei Gasgeschwindigkeiten größer l^m/sea, innig miteinander in Beruhrung gebracht und dabei das Erz in mehreren Reduktionsstufen bei hohen und wiederholt wechselnden Relativgeschwindigkeiten Gas/Erz reduziert wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine trockene Reduktion eine Temperatur um ca. 900° C eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Schmelzrekator eingeleitete Reduktionsgas mit Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltenden Medien im unterstöchiometrischen Verhältnis verbrannt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Reduktionsgas nach Ausnutzung seines Reduktions- und Wärmepotentials mindestens teilweise dem frischen Reduktionsgas vorzugsweise vor dessen Einleitung in die so Reduktionsvorrichtung beigemischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß verbrauchtes Reduktionsgas vor dessen Beimischung zum frischen Reduktionsgas von Reaktionsprodukten und/oder Staub gereinigt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Reduktionsgases nach Ausnutzung seines Reduktionspotentials ausgebrannt und die dabei entstehende Wärme zur Vorwärmung von Erz verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem feinkörnigen Erz im Bereich der Reduktionsstufe Zuschlagstoffe zur Schlackenbildung beigemischt werden.

8. Eisengewinnungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Eisenbadreaktor (1) mit mindestens einer vorzugsweise unterhalb der Oberfläche (2) de- Eisenbades angeordneten Döse (3, 4) mit Mitteln zur Zufuhr von Reduktionsgas erzeugenden Reagenzien wie Kohleastoff und/oder Kohlenstoff enthaltenden Substanzen, Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltenden Medien und gegebenenfalls Schlacke bildenden Substanzen, welcher Eisenbadreaktor (1) gasseitig einerseits mittels einer Gasabzugsleitung (9) mit einer vorzugsweise als mehrstufiger Schwebegaswärmetauscher ausgebildeten Reduktionsvorrichtung (11) sowie andererseits mittels einer Zweigleitung (10) mit einem separaten Schmelzreaktor (12) in Verbindung steht, wobei der Gutaustrag (25) der Reduktionsvorrichtung (U) mit dem Schmelzreaktor (12) in Verbindung steht, und wobei am Schmelzreaktor (12) eine Zuführungsleitung (32) für Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltende Medien vorgesehen ist, sowie ferner durch eine aus der Abgasleitung (18) der Reduktionsvorrichtung (11) abgezweigte Rückgasleitung (26), welche vorzugsweise in die Gasabzugsleitung

(9) — in Strömungsrichtung gesehen — oberhalb der Zweigleitung (10) einmündet, sowie durch einen Sammelofen (14) zur Aufnahme der vom Schmelzreaktor (13) erzeugten Eisenschmelze.

9. Eisengewinnungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelofen (14) mit dem annähernd auf gleichem Niveau angeordneten Eisenbadreaktor (1) in Höhe der Eisenbadoberfläche (2) durch einen Kanal (33) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder

9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgasleitung (26) hinter einer Entstaubungseinrichtung (19) aus der Abgasleitung (18) abgezweigt ist

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (18) des Schwebegaswärmetauschers (11) eine Brennkammer (27) angeordnet ist, die heißgasseitig mit einem Heißlufterzeuger (29) in Verbindung steht, dessen Heißluftleitung (30) mit einer Vorwärmeinrichtung für das Erz in Verbindung steht

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis

11, dadurch gekennzeichnet daß der Gutaustrag (25) der Reduktionsvorrichtung (11) in die Zweigleitung

(10) mündet