DE2719422A1

DE2719422A1 - Verfahren zur direktreduktion im drehrohrofen

Info

Publication number: DE2719422A1
Application number: DE19772719422
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Dr Reuter; Wolfram Dipl Ing Schnabel; Harry Dipl Ing Dr Serbent
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1977-04-30
Filing date: 1977-04-30
Publication date: 1978-11-09
Also published as: AU3514778A; NZ186818A; IT7822537A0; JPS6043883B2; NO148857B; JPS53140215A; AU514282B2; GB1558556A; NO148857C; FR2388885B1; TR20818A; CA1108864A; DE2719422C2; IN145873B; IT1094502B; BR7802698A; ZA781785B; GR66392B; LU79562A1; NO781443L

Description

METALLGESELLSCHAFT ' Frankfurt/M., 23. Februar 1977 Aktiengesellschaft Schr/HGa 'X 7

6000 Frankfurt/M. ^ £Ι

prov. Nr. 8047 LC

Verfahren zur Direktreduktion im Drehrohrofen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxyde enthaltenden Materialien zu Schwammeisen im Drehrohrofen mittels fester kohlenstoffhaltiger Reduktionsmittel mit einem hohen Gehalt an flüchtigen, brennbaren Bestandteilen, wobei sauerstoffhaltige Gase mittels Mantelrohren in geregelter Menge in den freien Ofenraum eingeführt werden und die Beschickung im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung der Ofenatmosphäre durch den Drehrohrofen geführt wird.

Bei der Reduktion von Eisenerzen im Drehrohrofen wird diesem eine Mischung von Erz und Reduktionsmittel aufgegeben, die den Ofen entsprechend Neigung und Umdrehung im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung der Ofenatmosphäre durchwandert. Als Reduktionsmittel können dabei praktisch alle festen kohlenstoffhaltigen Energieträger, vom Anthrazit und Koksgrus bis zu Lignit und Braunkohle verwandt werden.

Die infrage kommenden festen kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel enthalten jedoch meist Anteile an brennbaren, flüchtigen Bestandteilen, die z. B. bei Ligniten und Braunkohlen einen wesentlichen Anteil des Energieinhaltes ausmachen. Bei der bisherigen Arbeitsweise geht der größte Teil dieser brennbaren flüchtigen Bestandteile beim Aufheizen der Beschickung unmittelbar von der die Wärme aufnehmenden Beschickungsoberfläche in den Gasraum des Drehrohrofens über. Hier kann ein Teil dieser Bestandteile ausgebrannt werden,

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zu v/elchem Zweck Luft durch über die Länge des Ofens verteilte Mantelrohre zugeführt wird. Hierbei besteht mit zunehmender Ofengröße die Gefahr, daß unkontrolliert hohe Heizraumbelastungen im freien Ofenraum auftreten, wodurch Überhitzungen an der Oberfläche der Beschickung und an der Ofenwandung bewirkt v/erden, die zu störender Ansatzbildung führen. Der Energieinhalt der flüchtigen Bestandteile kann dabei nur auf dem Umweg über den freien Ofenraum der Beschickung zugute kommen. Das erhöhte Wärmeangebot an die Beschickung führt aufgrund der begrenzten Wärmeaufnahmefähigkeit der bewegten Beschickungsoberfläche zu einem Wärmestau, der eine Vergasung von auf der Beschickungsoberfläche befindlicher Kohle bewirkt. Dadurch wird das Angebot an festem Reduktionsmittel für die nachfolgende Durchführung des Sauerstoffabbaus bei der Reduktion vermindert und der Gesamtenergieaufwand erhöht, da der fehlende Kohlenstoff durch entsprechende Mehraufgabe an Frischkohle ersetzt werden muß. Wie festgestellt wurde, können durch diese unerwünschte Vergasung bis zu 20 % der aufgegebenen Kohlenstoffmenge praktisch ungenutzt verloren gehen.

Anstelle der Verwendung von Mantelrohren zur Einführung von Luft in den freien Ofenraum über der Beschickung ist es auch bekannt, Gase mittels Düsensteinen, deren Austrittsöffnungen in der Ebene der inneren Oberfläche der feuerfesten Auskleidung oder kurz darüber liegen, in den Drehrohrofen einzublasen.

Aus der US-PS 31 82 980 ist es bekannt, mittels Düsensteinen Kohlenwasserstoffe in der Reduktionszone in die Beschickung und oxydierende Gase mittels Düsensteinen über die Länge des Drehrohrofens verteilt in den freien Raum des Drehrohrofens einzublasen. Dasselbe Prinzip wird in der DT-OS 21 46 133 beschrieben, wobei die Temperatur des Beginns der Reduktionszone mit mindestens etwa 975°C angegeben wird. Aus der DT-AS 10 32 550 ist es bekannt, Luft oder reduzierende Gase in die Beschickung einzublasen, wenn diese

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bereits auf die Reduktionsteniperatur von 600 - 1000⁰C aufgeheizt ist.

Aus der DT-AS 22 39 605 ist es bekannt, Luft mittels Düsensteinen in die Beschickung und den freien Ofenraum zu blasen, v/obei dem Drehrohrofen vorerhitzte Pellets aufgegeben v/erden.

Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß keine Maßnahmen im Hinblick auf die Probleme der Aufheizung der Beschickung in einen Drehrohrofen angegeben sind.

Aus der DT-OS 22 41 168 ist es bekannt, sauerstoffhaitige Gase vom Austragsende des Drehrohrofens mit hoher Strömungsgeschwindigkeit etwa parallel zur Längsachse des Ofens einzublasen und auf diese Weise die Verwendung von Mantelrohren zu ersetzen. Als eine zusätzliche Maßnahme kann ein Teil der erforderlichen sauerstoffhaltigen Gase im Anschluß an das Beschickungsende bis zu einer Länge von etwa einem Viertel des Drehrohrofens über Düsensteine in die Beschickung, in den freien Gasraum oder in beide eingeblasen werden, wodurch eine Verkürzung der Aufheizzone durch eine sehr gute Verteilung des Sauerstoffangebotes .erzielt wird. Diese Arbeitsweise hat insbesondere Vorteile für kleinere Drehrohrofen, da in solchen Drehrohrofen durch den Fortfall der Mantelrohre die Strömungsverhältnisse verbessert werden. Bei großen Drehrohrofen ist der Einfluß der Mantelrohre auf die Strömungsverhältnisse im Ofen wesentlich geringer. Außerdem stößt bei solchen Öfen die Möglichkeit des Einblasens der Luft vom Austragsende wegen des langen Einblasweges und wegen strömungstechnischer Verhältnisse an ihre Grenzen. Das Einblasen sauerstoffhaltiger Gase in der Aufheizzone durch Düsensteine nur durch die Beschickung würde relativ viele Düsensteine erforderlich machen, was zu einer Schwächung der Ofenkonstruktion und hohem Aufwand für die Verteilung führt. Andernfalls besteht die Gefahr hoher Staubverluste infolge hoher Durchblasgeschwindigkeiten, und die Gefahr von lokalem Kaltblasen und lokaler Überhitzung. Ein Einblasen von sauerstoffhaltigen Gasen mittels Düsensteinen in den Gasraum

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ergibt eine schlechtere Vermischung der Gase, ständige Temperaturwechsel, unkontrollierte Verbrennung und Überhitzung an der feuerfesten Auskleidung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufheizung der Beschickung im Drehrohrofen bei der Verwendung fester kohlen stoffhaltiger Reduktionsmittel zu beschleunigen, dabei die brennbaren flüchtigen Bestandteile weitgehend im Ofen auszunutzen und optimale Ofenbedingungen zu erhalten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß in dem Bereich der Aufheizzone, der mit dem Auftreten zündfähiger Teilchen der festen Reduktionsmittel beginnt und vor der Reduktionszone endet, sauerstoffhaltige Gase mittels Düsensteinen in die über Düsensteinen befindliche Beschickung in geregelten Mengen eingeblasen und in den freien Ofenraum sauerstoffhaltige Gase mittels Mantelrohren in geregelter Menge eingeblasen werden.

Das erste Auftreten zündfähiger Teilchen des Reduktionsmittels erfolgt im unteren Teil der abrollenden Oberfläche der Beschickung. Während des Herunterrollens der einzelnen Teilchen auf der Oberfläche des Rollbettes werden die Teilchen von den heißen Ofengasen aufgeheizt und erreichen in einem bestimmten Abstand vom Beschickungsende kurz vor dem Einziehen in das Rollbett erstmalig die Zündtemperatur. An dieser Stelle werden dann erstmalig sauerstoffhaltige Gase mittels Düsensteinen in die Beschickung geblasen. Dadurch wird erreicht, daß die zündfähigen und gezündeten Teilchen des Reduktionsmittels bei ihrem Einziehen in das kältere Innere des Rollbettes nicht wieder unter die Zündtemperatur abgekühlt werden, sondern im Inneren des Rollbettes weiterbrennen. Die nunmehr innerhalb der Beschickung ablaufende Verbrennung bewirkt in der Art einer Kettenreaktion die Freisetzung weiterer flüchtiger brennbarer Bestandteile und erfaßt in kurzer Zeit den gesamten Beschickungsquerschnitt. Der Wärmeinhalt der flüchtigen brennbaren Bestandteile wird

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nunmehr voll für die Beschickung ausgenutzt und die zur Wärmeübertragung verfügbare Wärmeaustauschfläche erheblich vergrößert. In bestimmten Abständen von etwa 2,5 bis 3,5 m sind dann in dem Bereich der Aufheizzone weitere Düsensteine angeordnet. Diese Abstände reichen im allgemeinen aus, um genügend Sauerstoff in das Bett einblasen zu können ohne die Konstruktion des Ofens zu schwächen. Die Düsensteine sind an jeder Einblasstelle ringförmig in bestimmten Abständen in radialer Richtung über den Umfang des Ofens verteilt angeordnet, wobei die Abstände auf dem Umfang im allgemeinen ebenfalls 2,5 bis 3,5 m betragen. Durch Steuermechanismen werden jeweils nur die Düsensteine eines jeden Ringes mit sauerstoffhaltigen Gasen beaufschlagt, die sich unter der Beschickung befinden. Als sauerstoffhaltige Gase wird im allgemeinen Luft verwendet. Unter dem Ausdruck "Düsensteine" sind Gaszuführungsvorrichtungen zu verstehen, welche die Ofenwand und die feuerfeste Auskleidung des Drehrohrofens durchdringen und deren Austrittsöffnungen in der Ebene der inneren Oberfläche der feuerfesten Auskleidung oder kurz darüber oder darunter liegen. Die Düsensteine können aus keramischen oder metallischen Werkstoffen bestehen. Die Zufuhr sauerstoffhaltiger Gase in den freien Ofenraum in der Aufheizzone und auch in der Reduktionszone erfolgt mittels Mantelrohren. Die Mantelrohre sind über die Länge des Drehrohrofens verteilt in radialer Richtung angeordnet. Ihre Austrittsöffnungen liegen etwa in der Mitte des Querschnittes des Ofens und sind parallel zu der Längsachse des Ofens angeordnet. Die Austrittsöffnungen werden also nicht von der Beschickung bedeckt, so daß pro Einblasstelle jeweils nur ein Mantelrohr notwendig ist.

Es ist auch möglich, den mittels der Düsensteine eingeblasenen sauerstoffhaltigen Gasen brennbare Stoffe, wie z. B. Koksofengas, Raffineriegas, Erdgas oder Erdöl, zuzusetzen. Dadurch kann der Zündvorgang vorverlegt oder beschleunigt v/erden. Die zugesetzten brennbaren Stoffe können dabei auch zum Teil die Rolle der brennbaren flüchtigen Bestandteile

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des festen Reduktionsmittels übernehmen, wenn dessen Gehalt an diesen Stoffen geringer ist.

Weiterhin ist es möglich, ölhaltigen Walzenzunder in den Ofen zu chargieren und dessen Ölbestandteile als brennbare flüchtige Bestandteile für die Aufheizung nutzbar zu machen.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Bereich der Aufheizzone bei einer Temperatur des Reduktionsmittels von etwa 300⁰C beginnt und bei einer Temperatur der Beschickung von 800 bis 950⁰C endet. Die untere Temperatur des Reduktionsmittels wird - wie vorhergehend beschrieben - im unteren Teil der Oberfläche des von der Beschickung gebildeten Rollbettes gemessen, d.h. kurz vor dem Einziehen der Teilchen in das Rollbett. Die obere Temperatur ist die durchschnittliche Temperatur des gesamten Rollbettes der Beschickung, da bei dieser Temperatur bereits ein weitgehender Temperaturausgleich im Rollbett stattgefunden hat. Durch die Wahl dieses Temperaturbereichs wird besonders sichergestellt, daß im unteren Bereich kein Kaltblasen der Beschickung erfolgt und im oberen Bereich die Austreibung der flüchtigen Bestandteile weitgehend abgeschlossen ist.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß in den Bereich der Aufheizzone 40 bis 70 % der gesamten in den Drehrohrofen eingeleiteten Sauerstoffmenge eingeblasen werden. Dadurch wird eine besonders gute Aufheizgeschwindigkeit erreicht.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß von der in den Bereich der Aufheizzone eingeblasenen Menge an Sauerstoff 10 bis 60 % durch die Düsensteine in die Beschickung und der Rest durch die Mantelrohre in den freien Ofenraum eingeblasen werden. Dadurch wird eine schnelle Ausheizung

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und eine weitgehende Verbrennung der brennbaren gat orraigen Bestandteile im freien Ofenraum erreicht.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß in dem ersten Teil des Bereiches der Aufheizzone durch die Düsensteine sauerstoffhaltige Gase mit einem Sauerstoffgehalt eingeblasen werden, der im Hinblick auf die Verbrennung der dort entstehenden brennbaren flüchtigen Bestandteile im stöchiometrischen Verhältnis steht, und der Sauerstoffgehalt der sauerstoffhaltigen Gase über die Länge des Bereiches der Aufheizzone bis zu deren Ende auf unterstöchiometrisches Verhältnis abgesenkt wird. Das Maß der Absenkung wird mit Hilfe der Temperaturmessung so kontrolliert, daß in Abhängigkeit von der Temperatur kein Kohlenstoff verbrannt wird. Der Anfang des Bereiches der Aufheizzone ist vom Beschickung sende gesehen. Der Teil des Bereiches der Aufheizzone, in den die durch Düsensteine eingeblasene Sauerstoffmenge höchstens stöchiometrisch wird, liegt bei einer durchschnittlichen Betttemperatur von 600 - 700⁰C. Dadurch ist eine weitgehende Ausnutzung der flüchtigen Bestandteile zur Verbrennung unter weitgehender Vermeidung des unmittelbaren Abbrandes von festem Kohlenstoff möglich.

Ausführungsbeispiel

In einem Drehrohrofen mit den Abmessungen 0,80 m lichter Ofendurchmesser und 12,00 m Länge wurde Braunkohle mit 20 % Feuchte zusammen mit Erzpellets mit 67 % Fe aufgegeben. Das C-fix/Fe-Verhältnis betrug 0,42. Der Drehrohrofen wurde ohne Fremdbeheizung betrieben.

Die Analyse der Kohle im trockenen Zustand ergab: 44 % C-fix, 50 % flüchtige Bestandteile und 6 % Asche. Bei einer Betriebsweise mit ausschließlichem Luftzusatz über Luftrohre konnte bei einer Durchsatzleistung von 500 kg Pellets/h eine Metallisierung von 93 % erreicht werden. Das den Frehrohrofen verlassende Abgas hatte eine Temperatur von ca. 95O°C und die folgende Zusammensetzung:

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CO₂ - 19 % O₂ = 0,5 %, CO = 6 %, H₂ = 5 %, CH₄ = 0,5 %, Rest N₂.

Die Aufheizzone betrug ca. 25 ^ der Drehrohrlänge. Bei Zusatz von 50 % der Gesamtluftmenge in der Aufheizzone, von der wiederum 50 % über Düsensteine und 50 % über Luftrohre zugeführt wurden, ergaben sich bei etwa gleicher Metallisierung folgende Betriebsergebnisse:

Pelletaufgabe : 650 kg/h
C-fix/Fe-Verhältnis : 0,30
Abgastemperatur : 800⁰C

Abgaszusammensetzung: CO₂ = 20 %, O₂ = 0,5 %, CO + H₂ = 5

CH₄ = 0 %, Rest N₂.

Die Länge der Aufheizzone betrug in beiden Fällen 25 % der Ofenlänge.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Aufheizzone des Drehrohrofens wesentlich verkürzt und damit entweder die Durchsatzleistung eines gegebenen Ofens vergrößert oder bei gleichbleibender Durchsatzleistung der Ofen verkleinert wird, die Differenz zwischen der Gastemperatur und Betttemperatur auf ein Minimum herabgesetzt wird, und die Abgastemperatur ebenfalls auf ein Minimum herabgesetzt wird. Die geringere Heizraumbelastung führt zu einer Verminderung der Gefahr der Ansatzbildung und zu einer Erhöhung der Haltbarkeit der feuerfesten Ausmauerung. Der Gesamtenergieverbrauch wird wesentlich vermindert, weil der Wärmeinhalt der flüchtigen brennbaren Bestandteile des Reduktionsmittels weitgehend ausgenutzt wird, die Gastemperatur im freien Ofenraum und damit in den Abgasen gesenkt wird, und die unmittelbare Kohlenstoff vergasung auf der Oberfläche des Bettes durch Vermeidung des hier sonst möglichen Wärmestaues vermindert wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxyde enthaltenden Materialien zu Schwammeisen im Drehrohrofen mittels fester kohlenstoffhaltiger Reduktionsmittel mit einem hohen Gehalt an flüchtigen brennbaren Bestandteilen, wobei sauerstoffhaltige Gase mittels Mantelrohren in geregelter Menge in den freien Ofenraum eingeführt werben und die Beschickung im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung der Ofenatmosphäre durch den Drehrohrofen geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich der Aufheizzone, der mit dem Auftreten zündfähiger Teilchen der festen Reduktionsmittel beginnt und vor der Reduktionszone endet, sauerstoffhaltige Gase mittels Düsensteinen in die über Düsensteinen befindliche Beschickung in geregelten Mengen eingeblasen und in den freien Ofenraum sauerstoffhaltige Gase mittels Mantelrohren in geregelter Menge eingeblasen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Aufheizzone bei einer Temperatur des Reduktionsmittels von etwa 300 C beginnt und bei einer Temperatur der Beschickung von 800 bis 95O°C endet.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich der Aufheizzone 40 bis 70 % der gesamten in den Drehrohrofen eingeleiteten Sauerstoffmenge eingeblasen werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der in den Bereich der Aufheizzone eingeblasenen Menge an Sauerstoff 10 bis 60 % durch die Düsensteine in die Beschickung und der Rest durch die Mantelrohre in den freien Ofenraum eingeblasen werden.

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ORIGINAL INSPECTED

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5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Teil des Bereiches der Aufheizzone durch die Düsensteine sauerstoffhaltige Gase mit einem Sauerstoffgehalt eingeblasen v/erden, der im Hinblick auf die Verbrennung der dort entstehenden brennbaren flüchtigen Bestandteile im stöchiometrischen Verhältnis steht, und der Sauerstoffgehalt der sauerstoffhaltigen Gase über die Länge des Bereiches der Aufheizzone bis zu deren Ende auf unterstöchiometrisches Verhältnis abgesenkt wird.

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