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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen
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Erzeugen eines Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltenden Reduktionsgases
sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens. Außerdem bezieht
sich die Erfindung auf die direkte Reduktion von jietallerz.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
mittels dessen dds Reduktionsgas auf wirtschaftliche Weise in kontinuierlichem Betrieb
erzeugt werden kann, und eine Vorrichtung zur betriebssicheren Durchführung des
Verfahrens aufzuzeigen.
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Der das Verfahren betreffende Aspekt der gestellten Aufhabe ist erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß zum kontinuierlichen Erzeugen dos Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
enthaltenden fleduktionsgases fester, kohlenstoffhaltiger Brennstoff in eine obere
Zone eines Reaktionsgefäßes eingebracht wird, daß dor kohlenstoffhaltige Brennstoff
in der oberen Zone vorgeheizt wird, daß man den vorgeheizten Brennstoff in eine
Zwischenzone des Reaktionsgefaßes gelangen läßt, daß ein sauerstofftragendes Gas
an voneinander entfernten Stellen selektiv zur Zwischenzone zugeführt wird um den
Brennstoff zu vergasen und eine ausreichende Vergasungstemperatur zitrn Abspalten
flüchtiger Kohlenwasserstoffe durch Kracken des Brennstoffs und für eine partielle
Oxydation des Kohlenstoffs in dem Brennstoff aufrechtzuerhalten, daß selektiv Dampf
an voneinander entfernten Stellen zur Zwischenzone zugeführt wird, um die Vergasungstemperatur
unterhalb des Schmelzpunkts des festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zu halten
und zu ermöglichen, dan der Dampf mit dem Kohlenstoff des Brennstoffs reagiert,
um Kohlenrnonoxyd und Wasserstoff zu bilden, daß man den partiell oxydierten Brennstoff,
aus dem die flüchtigen Bestandteile ausgetrieben sind, in eine untere Zone des Reaktionsgefäßes
gelangen läßt, daß ein sauerstofftragendes Gas und Dampf zur unteren Zone zugeführt
werden, um durch Reaktion mit dem Kohlenstoff des Brennstoffs Kohlenmonoxyd und
Wasserstoff ZU erzeugen, daß Asche aus dr
unteren Zone entfernt
wird und daß Reduktionsgas, welches sowohl in der Zwischenzone als auch in der unteren
Zone erzeugt wird, aus dem Reaktionsgefäß abgeführt wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Zwischenzone
einen oberen Teil, zu dem das sauerstoff tragende Gas und der Dampf an voneinander
entfernten Stellen zugeführt wird, sowie einen unteren Teil aufweisen, in dem die
partielle Umwandlung von Kohlenstoff und die Umwandlung flüchtiger Nohlenwasserstoffe
sich fortsetzen kann.
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Man kann den der Zwischenzone zugeführten Dampf zu Bereichen führen,
die den Bereichen entsprechen, in denen das sauerstofftragende Gas in die Zwischenzone
eintritt.
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Das Reduktionsgas kann aus dem Reaktionsgefäß im Bereich zwischen
dessen Zwischenstufe und dessen unterer Stufe abgeführt werden.
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Der feste, kohlenstoffhaltige Brennstoff kann in der oberen Zone vorgeheizt
werden, indem man in dieser Zone ein oxydierharos Gas oder einen Brennstoff in Form
eines flüssigen };ohlenwa3sorstoffs verbrennt.
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Bei ein2rn Ausftihrungsbeispiel kann der ikohlenstoffhaltige Brennstoff
vorgeheizt werden, indem man ein brennbares Gas und ein sauerstoff tragendes Gas
zur oberen Zone zuführt und diese Gasmischung in der oberen Zone verbrennt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann dafür als brennbares Gas ein Gas
vorgesehen sein, das Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthält.
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Das brennbare Gas kann daher beispielsweise ein Generatorgas sein,
das durch Rückführen eines kleinen Teils des aus dem Reaktionsgefäß abgeführten
Reduktionsgases gewonnen wird, oder
kann, wenn das Verfahren in
der unten zu beschribendcn Weise in Verbindung mit einer Reduktionsstufe für Metallerz
durchgeführt wird, durch das Gichtgas der Reduktionsstufe gewonnen werden.
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Der kohlenstoffhaltige Brennstoff kann in der oberen Zone so vorgeheizt
werden, daß der Brennstoff eine ausreichende Temperatur erhält, daß partielle Oxydation
in Gegenwart von Sauerstoff heginnen kann und daß die Energiezufuhr für die endothermischen
Reaktionen ausreichend ist, die zur irzsu+gung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
zwischen dem Kohlenstoff des Brennstoffs und ohlendioxyd und Wasser ablaufen, die
afgrund der Oxydation des brennbaren Gases gebildet werden.
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Der kohlenstoffhaltige Brennstoff kann beispielsweise auf eine Temperatur
von mindestens etwa 500° C vorgeheizt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur von
etwa 600° C.
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Das sauerstofftragende Gas kann aer Zwischenzone zugeführt werden,
um eine Vergasungstemperatur aufrechtzuerhalten, die genügend hoch ist, um eine
wirksame partielle Oxydation des Kohlenstoffs des Brennstoffs sicherzustellen und
um ein wirksames Austreiben der flüchtigen Kohlenwasserstoffe des Brennstoffs und
ein wirksames Kracken der schweren, flüchtigen Kohlenwasserstoffe (in Form von Teer,
Pech, Phenolen, Ölen und dergleichen) in leichtere Kohlenwasserstofffraktionen sowie
in Wasserstoff und Kohlenstoff sicherzustellen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in der Zwischenzone
eine Vergasungstemperatur von mindestens etwa 900° C und vorzugsweise mehr als etwa
1000° C aufrechterhalten werden.
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Es ist ersichtlich, daß, innerhalb praittischer Grenzen, die Vergasungstemperatur
innerhalb der Zwischenzone um so höher ist, je stärker die Zufuhr des sauerstofftragenden
Gases zur
Zwischenzone ist, und daß daher die zunge des Dampfes
entsprechend um so qrößer ist, der zur Zwischenstufe zugeführt werden muß, um die
Temperatur unterhalb ds Schmelzpunktes des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und der
Asche zu halten. Außerdem ist ersichtlich, daß, innerhalb praktischer Grenzen, je
größer die Menge des zugeführten Dampf es ist, um so größer die Anreicherung des
in der Zwischenzone erzeugten Reduktionsgases mit dem Reaktionsprodukt aus der Wassergasreaktion
ist.
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aIan kann daher in der Praxis je nach Güte und Temperatur des Reduktionsgases,
das man zu erzeugen ainscht, sowie im Lichte wirtschaftlicher überlegungen die Zufuhr
des sauerstofftragenden Gases und damit die Zufuhr von Dampf zur Zwischenzone steuern.
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Das sauerstoff tragende Gas, das der Zwischenzone zugeführt wird,
kann Luft, Sauerstoff und Dampf oder ein Sauerstoff-Luftgemisch sein.
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Vorzugsweise ist das sauerstofftragende Gas ein Luft-Sauerstoffgemisch,
bei dem das Verhältnis von Luft zu Sauerstoff in erforderlicher Weise ausgewählt
ist.
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Das der unteren Zone des Reaktionsgefäßes zugeführte sauerstofftragend
Gas kann Luft, Sauerstoff, Sauerstoff und Dampf oder ein Sauerstoff-Luft-Gamisch
sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann als der unteren Zone ?.ugeführte,
sauerstofftragendes Gas Luft vorgesehen sein, die nach Wahl mit Sauerstoff angereichert
ist, um die Erfordernisse bezüglich des Dampfes einzustellen und dadurch die Güte
des in der unteren Zone erzeugten Reduktionsgases zu steuern.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann als fester, kohlenstoffhaltiger
Brennstoff Braunkohle, bituminöse Kohle (Backkohie, Fettkohle, Steinkohle, pechhaltige
Kohle), halb-bituminöse
Kohle, armer Anthrazit (hoher Aschegehalt)
oder Anthrazit vorgesehen sein.
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Bei Versuchen wurde gefunden, daß die Kohle in ihrer normalen Körnung
verwendet werden sollte, vorzugsweise in kleiner blußgröße (22 bis 38 mm) oder in
Nu(3größe (38 bis 76 mm)und daß es nicht erforderlich ist oder von irgendeinem Vorteil
wäre, din Kohle in pulverisierter Form zu verwenden. Tatsächlich ist es eher nachteilig,
wenn die Kohle eine feinere Körnung als Erbsengröße besitzt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das Entfernen von
Flugasche aus dem Reduktionsgas vorgesehen sein.
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Das Reduktionsgas kann mit Vorteil in einem feuerfest ausgekleideten
Zyklonabscheider üblicher Art behandelt werden, um die Flugasche zu entfernen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Reduktionsgas mit einer erdalkalischen
Verbindung in Berührung gebracht werden, un das Reduktionsgas zu entschwefeln.
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Als erdalkalische Verbindung kann Kalziumkarbonat oder Kalziumoxyd
vorgesehen sein. Man kann die erdalkalische Verhindung daher in Form von Dolomit
oder Kalkstein zuführen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Reduktionsgas entschwefelt
werden, indem man es durch einen Reihenbehälter hindurchführt, der die erdalkalische
Verbindung enthält.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die erdalkalische Verbindung
dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff beigemischt in das Reaktionsgefaß eingebracht
werden.
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Der die Vorrichtung betreffende Aspekt der gestellten Erfindungsaufgabe
ist dadurch gelöst, daß ein im Innern eine obere
Zone, eine Zwischenzone,
zu der Material aus der oberen Zone zuführbar ist, sowie eine untere Zone bildendes
Reaktionsgefäß vorgesahen ist, zu welcher Material von der Zwischenzone zuführbar
ist, daß eine Zuführeinrichtung für die Zufuhr festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs
zur oberen Zone vorgesehen ist, daß eine Vorheizeinrichtung vorhanden ist, um den
kohlenstoffhaltigen Brennstoff in der oberen Zone vorzuheizen, daß Gaszuführur.gen
für die Zufuhr sauerstofftragenden Gases und von Dampf in abgesetzten Intervallen
zur Zwischenzone vorhanden sind, daß Gaszutritte für das Zuführen von sauerstofftragendem
Gas und von Dampf zur unteren Zone vorgesehen sind, daß am Grund der unteren Zone
zur Abfuhr von Asche ein Rost vorgesehen ist und daß zwischen der Zwischenzone und
der unteren Zone eine Abzugseinrichtung für die Abfuhr von sowohl in der Zwischenzone
als auch in der unter ren Zone erzeugtem Reduktionsgas aus dem Reaktionsgefäß angeordnet
ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemanen Vorrichtung kann
die Zwischenzone durch Wandungen des Reaktionsgefäßes begrenzt sein, die gegen den
unteren Teil des eaktionsgefäßes divergierend verlaufen, um eine mögliche Blokkierung
im unteren Teil der Zwischenzone aufgrund hoher Vergasungstemperaturen, die möglicherweise
zur Schlackenbildung oder zu übermäßiger Aschebildung führen, zu verhindern.
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Vorzugsweise ist die obere Zone des Reaktionsgefäßes durch Wandungen
des Gefäßes begrenzt, die gegen das untere Ende des Reaktionsgefäße hin divergierend
verlaufen.
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Die untere Zone des Reaktionsgefäßes weist vorzugsweise einen wesentlich
größeren Durchmesser als die mittlere Zone auf, um eine ringförmige Abzugszone fUr
das.Reduktionsgas zwischen der unteren Zone und der Zwischenzone zu bilden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Reaktionsgefäß vorzugsweise
so ausgebildet, daß es dem Durchfluß des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und des
Gases durch das Reaktionsgefäß einen hinreichend geringen Widerstand entgegensetzt
und daß die Kapazität der Gas-Abzugseinrichtung ausreichend groß ist, um dem Aufbau
zu hoher Drücke innerhalb des Reaktionsgefäße entgegen zu wirken und zu ermöglichen,
daß die Vorrichtung mit niedrigem Druck von weniger als etwa 0,35 bis 0,49 Bar betreibbar
ist.
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Bei der Konstruktion des Reaktionsgefäßes der Vorrichtung sollte die
obere Zone so ausgebildet werden, daß sie ausreichend tief ist, um zu ermöglichen,
daß der kohlenstoffhaltige Brennstoff in der oberen Zone zumindest auf die minimale
Vorheiztemperatur aufgeheizt werden kann, bevor der Brennstoff unter Schwerkrafteinfluß
zur Zwischenzone gelangt.
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Die Zwischenzone sollte außerdem eine ausreichende Tiefe besitzen,
um ein gutes Verkoken des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und das Kracken der flüchtigen
Kohlenwasserstoffe in der Zwischenzone zu ermöglichen.
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Die untere Zone sollte eine ausreichende Tiefe besitzen, um eine genügende
Reaktionszeit zwischen dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff ohne ausgetriebene flüchtige
Bestandteile und dem sauerstofftragenden Gas sowie dem zur unteren Zone zugeführten
Dampf zu ermöglichen.
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Die Zufuhr von sauerstofftragendem Gas und Dampf zur unteren Zone
erfolgt in üblicher Weise so, daß einer Schlackenbildung entgegen gewirkt wird und
daß eine im wesentlichen kohlenstofffreie Asche am Grunde der unteren Zone erhalten
wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ca kombinierte Höhe
der oberen Zone und der Zwischenzone etwa gleich dem Durchmesser der unteren Zone,
und die Zwischenzone besitzt
einen Durchmesser, der etwa halb so
groß ist wie der Durchmesser der unteren Zone.
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Die Vorheizeinrichtung kann vorzugsweise eine Zuführung für ein brennbares
Gas und ein sauerstoff tragendes Gas zur oberen Zone aufweisen sowie Brenner in
der oberen Zone, die die Gasmischung virbrennon, Die Vorrichtung kann vorzugsweise
einen Luftmantel um die Zwischenzone besitzen, um die der Zwischenzone zuzuführende
Luft aufzuheizen, sowie einen die untere Zone umgebenden Dampfmantel aufweisen,
um den dem Reaktionsgefäß zuzuführenden Dampf zu erzeugen.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf nach dem beschriebenen Verfahren
und/oder mittels der beschriebenen Vorrichtung erzeugtes Reduktionsgas.
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Das gemäß dem Verfahren und/oder mit der Vorrichtung nach der Erfindung
erzeugte Reduktionsgas kann je nach Güte und Heizwert des erzeugten Reduktionsgases
verschiedenste Anwendung finden. Beispielsweise kann das Reduktionsgas als Brennstoff
für Gasturbinen, als iieizbrennstoff für Hochöfen, zur Reduktion von Metallerzen
und dergleichen Verwendung finden.
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Die Erfindung erstreckt sich außerdem auch auf ein Verfahren der oben
erwähnten Art, bei dem eine Reduktionsstufe für Metallerz mit dem Reaktionsgefäß
über eine Rohrleitung für das Reduktionsgas verbunden wird und das Reduktionsgas
im Gegenstrom zur Transportrichtung des die Reduktionsstufe durchlaufenden Metallerzes
durch die Reduktionsstufe geführt wird, um die Reduktion des Erzes zu hewirken,
wobei man das reduziert Metall aus der Reduktionsstufe gewinnnt.
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Es kann sich dabei um jede geeignete übliche Reduktionsstufe für Metallerz
handeln.
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Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens kann der Verfahrensschritt
des lJaschens eines Teils des Gichtgases aus der Reduktionsstufe vorgesehen sein
sowie der Schritt des selektiven Einblasens des gewaschenen Gichtgases in das Reduktionsgas,
um dessen Temperatur zu steuern, um dadurch die Temperatur der Reduktionsstufe unterhalb
des Schmelzbereichs des Erzes zu halten.
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Man kann auch einen Teil des Gichtgases der Reduktionsstufe zur oberen
Zone des Reaktionsgefäßes zuführen und das Gichtgas in der oberen Zone verbrennen,
um den festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff in der oberen Zone vorzuheizen.
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Bei dem Metallerz handelt es sich vorzugsweise um Eisenerz, das zur
Bildung von Schwamrieisen reduziert wird.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren der oben beschriebenen
Art, bei dem ein Hochofen mit dem Reaktionsgefäß über eine Rohrleitung für Reduktionsgas
verbunden ist und bei dem Zusatz luft mit dem heißen Reduktionsgas zum Hochofen
zugeführt wird, um aus dem Eisenerz im Hochofen Roheisen zu erzeugen.
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Zu der dem Hochofen zugeführten Luft kann Reduktionsgas zugesetzt
werden, indem man das Reduktionsgas durch ausgewählte Winddüsen des Hochofens einbläst
und/oder indem man selektiv das Reduktionsgas zu einer geeigneten Zone oder zu geeigneten
Zonen des Hochofen zuführt.
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Bei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Reaktionsgefäß
mit einer Reduktionsstufe für Metallerz oder mit einem Hochofen verbunden ist, kann
die Güte und Temperatur des Reduktionsgases gesteuert werden, indemrran die Zufuhr
des sauerstofftragenden Gases sowie die Zufuhr von Dampf zum Reaktionsgefäß steuert.
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Die Erfindung erstreckt sich außerdem auch auf Roheisen, das nach
dem oben beschriebenen Verfahren erzeugt ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausfhrungsbeispielen im einzelnen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 und 2 schematisch vereinfacht und abgebrochen gezeichnete
Längs schnitte durch eine Versuchsausführung bzw. ein durch Erkenntnisse,die mit
der Versuchsausführung gemaß Fig. 1 gewonnen wurden, verbessertes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 3 und 4 schematisch vereinfacht gezeichnete
Blockdarstellungen der Kombination der Vorrichtung gemäß Fig. 2 mit einer Eisenerz-Reduktionsstufe
zur Direktreduktion von Eisenerz bzw. mit einem Hochofen zur Erzeugung von Roheisen.
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In Fig. 1 ist mit 10.1 eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung
eines Reduktionsgases, das Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthält, bezeichnet, welche
Vorrichtung ein Reaktionsgefäß 12.1 mit einer oberen Zone 14tal, einer Zwischenzone
16.1, welche Material von der oberen Zone 14.1 durch Schwerkraft einfluß erhält,
sowie einer unteren Zone 18.1 aufweist, die unter Schwerkrafteinfluß Material aus
der Zwischenzone 16.1 erhält.
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Die Vorrichtung 10.1 weist eine Zuführeinrichtung 20.1 für festen,
kohlenstoffhaltigen Brennstoff in Form bituminöser Kohle zur oberen Zone 14.1 auf.
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Die Zuführeinrichtung 20.1 kann von jeder beliebigen, für das automatische
Zuführen von Kohle zur oberen Zone 14.1 aus einem Kohlenbunker (nicht dargestellt)
geeigneten Art sein.
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Dem Reaktionsgefäß 12.1 zugeführter Brennstoff ist mit 22.1 bezeichnet.
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Die Vorrichtung 10.1 weist eine Vorheizeinrichtung 24.1 auf, die in
am Umfang gegenseitig versetzter Anordnung rings um die Zuführeinrichtung 20.1 am
oberen Ende der oberen Zone 14.1 angeordnet ist, um den Brennstoff 22.1 in der oberen
Zone 14.1 vorzuheizen.
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Die Vorheizeinrichtung 24.1 weist eine Mehrzahl von Zuführleitungen
26.1 für brennbares Gas, eine Mehrzahl von Zuführleitungen 28.1 für sauerstofftragendes
Gas zum Bereitstellen eines Luft-Sauerstoffgemischs, sowie eine Mehrzahl von Brennern
30.1 auf, denen das brennbare und das sauerstofftragende Gas zugeführt werden.
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Die Brenner 30.1 verbrennen das brennbare Gas in Anwesenheit des sauerstofftragenden
Gases, um den Brennstoff 22.1 vorzuheizen.
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Die Zufuhr des brennbaren Gases, die Zufuhr des Sauerstoff-Luftgemischs
und die relativen Mengenverhältnisse von Sauerstoff zu Luft in dem Gasgemisch werden
so gesteuert, daß der Kohlenbrennstoff 22.1 in der oberen Zone 14.1 auf etwa 600°
C vorgeheizt wird.
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Das Vorheizen der Kohle auf diese Temperatur ist dazu ausreichend,daß
partielle Oxydation in der Zwischenzone 16.1 beginnt. Außerdem wird dadurch in der
oberen Zone 14.1 eine ausreichende Menge Energie für die endothermischen
Reaktionen
in der oberen Zone 14.1 zwischen d2m Kohlenstoff der Kohle und Kohlendioxyd und
Wasser bereitgestellt, die durch die Oxydation des brennbaren Gases entstehen, so
daß es zur Bildung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff kommt.
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Das brennbare Gas erhält man durch Rückführen eines kleineren Teils
des in der Vorrichtung erzeugten Reduktionsgases, wie unten beschrieben werden wird.
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In geeigneten gegenseitigen Abständen weist die Vorrichtung 10.1 in
der Zwischenzone 16.1 Gaszuführungen 32.1 auf, um ein sauerstofftragendes Gas, das
ein Luft-Sauerstoffgemisch enthält und um Dampf an räumlich versetzt zueinander
angeordneten Stellen in die Zwischenzone 16.1 einzuführen.
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Jede der Gaszuführungen 32.1 weist eine Dampfrohrleitung 34.1, eine
Rohrleitung 36.1 für die Zufuhr von Luft-Sauerstoffgemisch, eine Kühlwasserzuleitung
38.1 und eine Kühlwasserableitung 40.1 auf, um Kühlwasser durch die Gaszuführung
hindurchzuleiten.
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Das Sauerstoff-Luftgemisch wird der Zwischenzone 16.1 zugeführt, um
die Vergasungstemperatur in der Zwischenzone 16.1 zu erreichen und auf einem Wert
zu halten, der ausreichend ist, um die Kohle in der Zwischenzone zu vergasen und
eine partielle Oxydation des Kohlenstoffs der Kohle in der Zwischenzone zu erreichen
Das Sauerstoff-Luftgemisch wird der Zwischenzone 16.1 auch zugeführt, um die Vergasungstemperatur
auf einem so hohen Wert zu halten, der ausnicht, um schwere Bestandteile an Kohlenwasserstoffen
unter den flüchtigen Bestandteilen der Kohle zu kracken, um leichtere Kohlenwasserstofffraktionen
zu bilden sowie Wasserstoff und Kohlenstoff,um dadurch
eine Verunreinigung
des im Reaktionsgefäß erzeugten Reduktionsgases durch flüchtige Bestandteile der
Kohle zu verringern oder gänzlich auszuschalten.
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Unter geeigneten, entsprechenden Betriebsbedingungen sollte in der
Zwischenzone 16.1 eine Vergasungstemperatur von mehr als etwa 10000 C aufrecht erhalten
werden.
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Die Zufuhr von Dampf zur Zwischenzone 16.1 wird nach Wahl so gesteuert,
daß die Temperatur in der Zwischenzone unterhalb des Schmelzpunkts der Kohle gehalten
wird und daß es außerdem zur Bildung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aufgrund
einer Wassergasreaktion zwischen dem Kohlenstoff der Kohle und dem Dampf kommt.
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Je größer die Menge des Sauerstoff-Luftgemischs, das der Zwischenzone
16.1 zugeführt wird, desto höher ist die Temperatur in der Zwischenzone und desto
größer ist daher die Dampfmenge, die zugeführt werden muß, um die Temperatur in
der Zwischenzone unterhalb des Schmelzpunkts der Kohle zu halten.
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Im praktischen Betrieb kann man daher die Zufuhr des Sauerstoff-Luftgemischs
und die Dampfzufuhr steuern, um die Güte des in der Zwischenzone erzeugten Produktionsgases
zu beeinflussen, so daß die Qualität des Reduktionsgases innerhalb praktischer und
wirtschaftlicher Grenzen auf einem möglichst hohen Wert gehalten werden kann.
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Es ist zu bemerken, daß die Zwischenzone 16.1 einen oberen Teil 42.1
aufweist, in dem die Gaszuführungen 32.1 vorgesehen sind, sowie einen unteren Teil
44.1, in dem die erforderlichen Reaktionen vollständig ablaufen können, ohne daß
die Zufuhr von sauerstofftragendem Gas zu dem unteren Teil ein Aufheizen auf zu
große Vergasungstemperaturen bewirken wird.
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Die Zwischenzone 16.1 weist eine Tiefe auf, die ausreicht, um eine
wirksame partielle Oxydation des Kohlenstoffs in der Kohle, eine wirksame Vergasung
der Kohle, wirksames Kracken der flüchtigen Kohlebestandteile und eine wirksame
Wassergasreaktion sicherzustellen.
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Die Vorrichtung 10.1 weist außerdem am Grund der unteren Zone 18.1
einen Ascherost 46.1 auf sowie Türen 48.1 zum Entfernen der Asche vom Grunde der
unteren Zone 18.1.
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Außerdem weist die Vorrichtung 10.1 einen Gaseintritt 50.1 für die
Zufuhr eines sauerstofftragenden Gases zur unteren Zone 18.1 durch den Rost 46.1
hindurch sowie einen Gaseintritt 52.1 auf, um Dampf zur unteren Zone 18.1 durch
den Rost 46.1 hindurch zuzuführen.
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Das durch den Gaseintritt 50.1 zugeführte, sauerstofftragende Gas
kann Luft sein, vorzugsweise jedoch Luft, die mit Sauerstoff angereichert ist, um
die erforderliche Dampfmenge anzuheben und dadurch die Güte des Reduktionsgases
zu verbessern, das in der unteren Zone 18.1 erzeugt wird. Die Zufuhr von sauerstofftragendem
Gas und von Dampf zur unteren Zone 18.1 kann man entsprechend üblicher Techniken
so steuern, daß man im wesentlichen kohlenstoff freie Asche an den Aschentüren enthält
und daß eine Schlackenbildung in der unteren Zone 18.1 vermieden wird. Unter geeigneten
Betriebsbedingungen werden in der Zwischenzone 16.1 die flüchtigen Bestandteile
aus der Kohle ausgetrieben und diese verkokt, so daß aus der Zwischenzone im wesentlichen
nur Koks zur unteren Zone 18.1 gelangt. Außerdem hat der Koks im wesentlichen die
Temperatur des die Zwischenzone 16.1 verlassenden Kokses.
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In der unteren Zone wird daher ein der Höhe der unteren Zone 18.1
entsprechendes Feuerbett aufrechterhalten, das zur Bildung eines im wesentlichen
von flüchtigen Bestandteilen freien Reduktionsgases hoher Güte und hoher Temperatur
in der unteren
Zone 18.1 führt.
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Die Vorrichtung 10.1 weist einen Dampfmantel 54.1 rings um die untere
Zone 18.1 auf, um den Dampf für die Verwendung in der Vorrichtung zu erzeugen.
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Die Vorrichtung 10.1 weist außerdem eine Gas-Abzugseinrichtung 56.1
in Form eines ringförmigen Ausgangs zwischen der Zwischenzone 16.1 und der unteren
Zone 18.1 auf, um sowohl das in der Zwischenzone gebildete als auch das in der unteren
Zone gebildete Reduktionsgas abzuführen.
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Die ringförmige Abzugseinrichtung 56.1 führt zu einem ringförmigen
Verteiler 58.1 und von diesem zu einer Gasrohrleitung 60.1.
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Außerdem weist die Vorrichtung 10.1 eine Rückführleitung 62.1 mit
einem Ventil 64.1 auf, um einen kleineren Teil des Reduktionsgases aus der Gasrohrleitung
60.1 zurückzuführen, um als brennbares Gas zu dienen, das durch die Zuführleitungen
26.1 wieder in die Vorrichtung eingeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nunmehr anhand eines Beispiels
unter Bezugsnahme auf Versuche erläutert, die mit der Vorrichtung 10.1 von Fig.
1 durchgeftihrt worden sind.
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Bei der Durchführung dieser Versuche wurde der Betrieb damit begonnen,
daß das Reaktionsgefäß 12.1 mit Koks versehen wurde, der sodann durch bituminöse
Kohle ersetzt wurde. Bei der bei den Versuchen verwendeten bituminösen Kohle handelt
es sich um Kohle von Nußgröße (38 bis 76 mm) mit folgenden Analysewerten: Gebundener
Kohlenstoff + 59 %, flüchtige Bestandteile + + - 26 %, Asche - 12 %, Schwefel 1
% und Wasser 2 %.
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Die durchschnittlichen Betriebsparameter und Ergebnisse sind unten
in Tabelle I aufgeführt.
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In der Tabelle I sind zwei Spalten aufgeführt, wobei di eine Spalte
die tatsächlichen Betriebsparameter und Ergebnisse von Versuchen zeigt, die mit
der Vorrichtung 10.1 von Fig. 1 durchgeführt wurden. Auf der Grundlage dieser Parameter
und Versuchsergebnisse und durch Extrapolieren dieser Parameter und Ergebnisse wurde
die in Fig. 2 dargestellte Jorricntung konstruiert. Die extrapolierten Parameter
und Ergebnisse sind in der Tabelle I unter der mit Fig. 2 überschriebenen Spalte
aufgeführt.
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Tabelle I - Versuchsparameter und -ergebnisse der Vorrichtung gemäß
Fig. 1 sowie extrapolierte Betriebsparameter und -ergebnisse der Vorrichtung von
Fig. 2 -Fig. 1 Fig. 2 Verbrauch an bituminöser Kohle in Tonnen pro Stunde 4,2 10
Zufuhr brennbaren Gases zur oberen Zone 14 in m3/Stunde 200 850 Luftzufuhr zur oberen
Zone 14 und zur Zwischenzone 16 in m3/>Ainute 21 100 Luftzufuhr zur unteren Zone
18 in m3/Minute 23 100 Gesamte Luftzufuhr zum Reaktionsgefäß 12 in m3/.tinute 44
200 Sauerstoffzufuhr zur oberen Zone 14 ur.d zur Zwischenzone 16 in m3/Minute 9
20 Sauerstoffzufuhr zur unteren Zone 18 in m3/Minute 3,5 20 Gesamte Sauerstoffzufuhr
zum Reaktionsgefäß in m3/Minute 12,5 40 Gesamtmenge erzeugten Reduktionsgases in
m3/Stunde 9 000 21 600 Heizwert des Reduktionsgases in KJ/m3 7 500 10 500 Energieabgabe
in GJ/Stunde 67,5 226 Druck im Reaktionsgefäß in Bar ca. 0,09 0,49
Fortsetzung
der Tabelle I Fig. 1 Fin. 2 Vorheiztemperatur in der oberen Zone 14 (Brenner 30)
in Grad Celsius 600 600 Mittlere Temperatur in der oberen Zone 14 sowie im oberen
Teil 42 der Zwischenzone 16 in Grad Celsius 800 1 000 Austrittstemperatur des Reduktionsgases
in Grad Celsius 750 1 000 Durchschnittliche Analysewerte des in der Zwischenzone
erzeugten Reduktionsgases am Fußteil der Zwischenzone (Volumenprozente) Fig. 1 Fig.
2 CO2 6 CO 41 CH4 # 2 H2 20 N2 Rest Durchschnittliche Analysewerte des aus der Gasrohrleitung
60 entnommenen Reduktionsgases (Volumenprozente) CO2 8,5 #4 CO 34 #50 CH4 2,8 #2
H2 19,5 #35 N2 Rest #9 flüchtige 1,6 g/m3 0 Kohlebestandteile
Die
mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 durchgeführten Versuche ergeben, daß der durchschnittliche
Heizwert des in der Zwischenzone 16.1 erzeugten Reduktionsgases am Fußteil der Zwischenzone
etwa 8500 KJ/m3 beträgt.
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Beim Durchführen der Versuche mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 dient
Generatorgas, das von einem üblichen einstufigen Niederdruckgenerator erzeugt wird,
als brennbares Gas, das der oberen Zone 14.1 über die Zuleitungen 26.1 zugeführt
wird. Dieses Generatorgas weist einen Heizwert von etwa 6000 KJ/m3 auf.
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Es wird jedoch vermutet, daß noch bessere Ergebnisse erreicht werden,
wenn man das Reduktionsgas über die RUckfUhrleitung 62.1 zurückführt und es als
brennbares Gas zur oberen Zone 14.1 zuführt.
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Beim Durchführen der Versuche mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde
gefunden, daß ausreichend hohe Temperaturen nicht ununterbrochen in der Zwischenzone
16.1 aufrecht erhalten werden können, weil der trichterartig einschnürende Teil
am Fuß der Zwischenzone 16.1 zu einer Verringerung der Perireabilität führt.
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Dies bewirkt einen Druckaufbaudes in der Zwischenzone 16 erzeugten
Reduktionsgases, wodurch die Menge des sauerstofftragenden Gases verringert wird,
Qas in die Zwischenzone eingeführt werden kann.
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Aus dem gleichen Grund wurde die untere Zone 18.1 nur mit Luft verringerter
Zuführmenge gefahren, was zur Bildung eines Generatorgases in der unteren Zone führt,
dessen Heizwert lediglich etwa 4000 KJ/m3 ist, anstelle eines Heizwertes von zumindest
6000 KJ/m3, wie er normalerweise zu erhalten wäre.
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Daraus erklären sich die verhältnismäßig geringen Werte, die als Ergebnisse
dieser Versuche in Tabelle I aufgeführt sind.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung 10.2 überwindet diese Schwierigkeiten
und erbringt die in der obigen Tabelle I angegebenen Betriebsparameter.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung 10.2 stellt eine Vorrichtung
zur kontinuierlichen Erzeugung von Reduktionsgas dar, das Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
enthält.
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Die Vorrichtung 10.2 entspricht im wesentlichen der Vorrichtung 10.1,
so daß entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind, dio anstatt
mit dem Suffix ".I" nunmehr mit dem Suffix ".2" bezeichnet sind.
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Bei der Vorrichtung 10.2 verlaufen die Innenwände des Reaktionsgefäßes
12.2, die die obere Zone 14.2 und die Zwischenzone 16.2 bilden, fortlaufend divergierend
zueinander in Richtung auf den Fußteil des Reaktionsgefäßes hin.
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Dies erbringt den Vorteil, daß ein gleichmäßiger Durchfluß der Kohle
durch das Reaktionsgefäß 12.2 hindurch während des Betriebs unter Schwerkrafteinfluß
erfolgt und daß der Neigung zu einer Verringerung der Durchlässigkeit und zum Druckaufbau
innerhalb der Zwischenzone 16.2 entgegengewirktwird, so daß ein wirksamer Betrieb
bei niedrigem Druck ermöglicht wird.
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Der Durchmesser der unteren Zone 18.2 beträgt etwas mehr als das Doppelte
des Durchmessers am Fußteil der Zwischenzone 16.2
Diese Anordnung
erbringt den Vorteil, daß der Koks sich leicht von der Zwischenzone 16.2 in die
untere Zone 18.2 hinQinbewegen kann und daß eine im wesentlichen ringförmige Abzugseinrichtung
56.2 für das Gas gebildet wird, um eine wirksame und geeignete Abfuhr des im wesentlichen
gesamten Volumens an Reduktionsgas zu ermöglichen, das innerhalb des Reaktionsgefäßes
12.2 erzeugt wird.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10.2
hat die obere Zone 14.2 einen Durchmesser von etwa 2,7 m, und der Durchmesser am
unteren Ende der Zwischenzone 16.2 beträgt 3,35 m.
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Der Durchmesser der unteren Zone beträgt 7m.
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Die kombinierte Höhe der oberen Zone 14.2 und der Zwischenzone 16.2
beträgt 7m, und die Höhe der unteren Zone 18.2 beläuft sich auf 3m.
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Die Vorrichtung 10.2 weist außerdem einen Luftmantel 66 rings um die
obere Zone 14.2 und die Zwischenzone 16.2 auf. Der Luftmantel 66 weist einen Einlaß
68 für kalte Luft und einen Auslaß 70 für erhitzte Luft auf. Der Luftmantel 66 erhitzt
die Luft für die Zufuhr zum Reaktionsgefaß 12.2.
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Auf der Basis der experimentell ermittelten Parameter und Ergebnisse
beim Betrieb der Vorrichtvng 10.1 und auf der Basis sinngemäßer Extrapolation dieser
Parameter und Ergebnisse ist zu erkennen, daß das in Fig. 2 gezeigte AusfUhrungsbeispiel
folgende Vorteile erbringt: 1. Reduktionsgas hoher Güte und verhältnismäßig hohen
Heizwerts kann wirtschaftlich mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden.
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2. Unter geeigneten Betriebsbedingungen kann Reduktionsgas erzeugt
werden, dessen Güte und Heizwert ausreichend sind,um eine Direktreduktion von Eisenerz
zu Schwamrtieisen durchzuführen.
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3. Reduktionsgas kann aus bituminöser Kohle und armem Anthrazit hergestellt
werden.
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4. Bituminöse Kohle und Anthrazit können in üblicher Körnung verwendet
werden, ohne dan ein Pulverisieren erforderlich wäre.
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5. Verunreinigende, flüchtige Bestandteile der Kohle können durch
Kracken in der Zwischenzone wirksam entfernt werden, wobei Reaktionsprodukte gebildet
werden, die einen Teil des erzeugten Reduktionsgases darstellen, wodurch ein verhältnismäßig
sauberes Reduktionsgas erzeugt wird, so daß die Notwendigkeit, teuere und anfällige
Gasreiniger anwenden zu müssen, zumindest großteils in Wegfall kommt.
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6. Durch wirksames Verkoken in der Zwischenzone gelangt zur unteren
Zone 18.2 Koks, der von verunreinigenden, flüchtigen Stoffen frei oder im wesentlichen
frei ist. Es wird daher in der unteren Zone 18.2 ein sauberes oder verhältnismäßig
sauberes Reduktionsgas erzeugt.
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7. Durch Zufuhr von Koks mit entsprechend hoher Temperatur in die
untere Zone 18.2 steht die beträchtliche Wärme des Kokses zur Verfügung, um auf
wirksame und wirtschaftliche Weise in der unteren Zone ein verhältnismäßig sauoberes
Reduktionsgas hoher Gilte und hoher Temperatur zu bilden.
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8. Dadutch, dan die untere Zone so angeordnet ist, daß sie von der
Zwischenzone beschickt wird, wird der in der
Zwischenzone gebildete
Koks wirtschaftlich und wirksam ausgenutzt.
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9. Güte, Temperatur und Heizwert des Reduktionsgases können innerhalb
praktischer Grenzen durch Steuern der Zufuhr von Luft, Sauerstoff, Dampf und brennbarem
Gas zum Reaktionsgefäß 12.2 beeinfiußt werden.
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10. Das System kann unter beliebigen, wirtschaftlich sinnvollen Verhältnissen
betrieben werden, vorzugsweise mit niedrigen Drücken (vorteilhaft 0,49 Bar oder
wenioer), so daß die Anlage- und Betriebskosten, die für Hochdrucksysteme aufgewendet
werden müssen, in Wegfall kommen, wie auch die Erschwernisse beim Betrieb und die
hohen Sicherheitsanforderungen, die bei Hochdrucksystemen auf treten.
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11. Durch Betrieb bei mäßigen Temperaturen können übliche feuerfeste
Werkstoffe benutzt werden, und da geschmolzene Schlacke nicht erzeugt wird, läßt
sich die Asche in festem Zustand leicht handhaben und entfernen.
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In Fig. 3 ist mit 72 eine integrierte Vorrichtung als Ganzes bezeichnet,
die zur Herstellung von Reduktionsgas und für die Benutzung des erzeugten Redaktionsgases.zur
Direktreduktion von Eisenerz zu Schwammeisen dient.
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Die Vorrichtung 72 enthält eine Gaserzeugungsvorrichtung 10.2, wie
sie in Fig. 2 dargestellt ist, um ein sauberes Reduktionsgas zu erzeugen, das im
wesentlichen Kohlendioxyd und Wasserstoff enthält und einen ausreichend hohen Heizwert
für die Direktreduktion von Eisenerz besitzt.
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Die Vorrichtung 72 weist eine Reduktionssäule 74 üblicher Bauart auf,
die Eisenerz 76 enthält, das reduziert werden soll.
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Die Eisenerz-Reduktionssaule 74 ist mit der Vorrichtung 10.2 über
eine Rohrleitung 78 für Reduktionsgas verbunden, die an der Gasrohrleitung 60.2
angeschlossen ist und das Reduktionsgas zum Gaseinlaß 80 der Reduktionssäule führt.
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Ein hitzebeständig ausgekleideter Zyklonabscheider 82 üblicher Bauart,
der in die Rohrleitung 78 eingeschaltet ist, dient der Abscheidung von Flugasche
aus dem Reduktionsgas.
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Die Reduktionssäule 74 für Eisenerz weist einen Erzbunker 84 für die
Zufuhr des Eisenerzes 76 auf.
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Die Reduktionssäule 74 weist außerdem an ihrem unteren Ende eine Kühlzone
86 üblicher Art auf sowie am Grund einen Auslaß 38 für die Entnahme des Schwanmeisens.
Am oberen Ende weist die Reduktionssäule 74 einen Auslaß 90 für Gichtgas auf, der
mit einem Gebläse 92 zur Absaugen des Gichtgases versehen ist.
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Die Vorrichtung 72 weist eine Leitung 94 für das Gichtgas auf, die
einen Teil des Gichtgases zu den Zuführleitungen 26.2 für das brennbare Gas zurückführt,
um das brennbare Gas für die obere Zone 14.2 in der oben beschriebenen Weise zur
Verfügung zu stellen.
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Zu Beginn kann ein Teil des Reduktionsgases über die Rückführleitung
62.2 zurückgeführt werdn, wobei die Gasrückftihrung unterbrochen wird, sobald genügend
Gichtgas zur Verfügung steht.
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Die Vorrichtung weist eine Waschleitung 96 auf, um den verbleibenden
Teil des Gichtgases zu einem Gaswäscher 98 zu leiten. Der Gaswäscher 98 kann von
üblicher Art sein und weist einen Auslaß 100 für die Abgabe von Xohlendioxyd und
Wasser sowie einen Auslaß 102 auf, der zur Abgabe des gewaschenen
Gases
dient. Eine Leitung 104 für gewaschenes Gas, die an Auslaß 102 angeschlossen ist,
verzweigt sich in eine Leitung 106 für Kühlgas und eine Leitung 108 für Heizgas.
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Die Leitung 108 für das Heizgas kann einen Teil des gewaschenen Gases,
wenn es benötigt wird, für die Benutzung zur Verfügung stellen.
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Die Leitung 106 für Kühlgas führt einen Teil des gewaschenen Gases
in die Rohrleitung 78 des Reduktionsgases, um das gewaschende Gas dem Reduktionsgas
zuzu:nischen,.bevor dieses in die Reduktionssäule 74 gelangt, wobei das Zumischen
zur Steuerung der Temperatur des Reduktionsgases dient, um die Temperatur in der
Reduktionssäule 74 unter dem Schmelzbereich des Eisenerzes zu halten. Bei dem in
Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird Dolomit zu der Kohle im Reaktionsgefäß
12.2 zugesetzt, um den Schwefel bis auf einen annehmbaren Rest zu entfernen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 hat den Vorteil, daß man Güte
und Heizwert des Reduktionsgases in der oben beschriebenen Weise steuern kann und
daß die Temperatur des Reduktionsgases auf einfache Weise beeinflußt werden kann,
indem man selektiv Gas durch die Leitung 106 zumischt, um eine wirksame Reduktion
des Eisenerz zu Schwammeisen zu bekommen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 stellt daher ein wirksames integriertes
System zur Erzeugung von Reduktionsgas und zur Direktreduktion von Eisenerz dar.
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In Fig. 4 ist ein Hochofen als Ganzes mit 110 bezeichnet, der zur
Erzeugung von Roheisen dient und mit der Vorrichtung 10.2 von Fig. 2 ein integrales
Gesamtsystem bildet.
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Das in Fig. 4 gezeigte System entspricht, wenn man die Vorrichtung
10.2 dazu integriert, im wesentlichen der Vorrichtung 72 von Fig. 3, abgesehen davon,
daß der Hochofen 110 die Reduktionssäule 74 für Eisenerz ersetzt.
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Der Hochofen 110 ist von üblicher Bauart und weist am oberen Ende
Eingänge 112 für die Zufuhr von Koks, Eisenerz und Flußmittel auf. Außerdem weist
der Itochofen 110 einen üblichen Ausgang 114 für Schlacke und einen Ausgang 116
für Roheisen auf. Weiterhin weist der Hochofen 110 einen Auslaß 118 für die Abfuhr
von Gichtgas auf sowie eine Anordnung von Einblasdüsen 120. Die Anordnung der Düsen
120 ist von üblicher Art und weist eine Mehrzahl von am Umfang in gegenseitigen
Abständen angeordneten Düsen auf.
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Der Hochofen 110 ist atirkungsmäßia mit der Vorrichtung 10.2 über
eine Rohrleitung 122 für Reduktionsgas verbunden, die an der Gasrohrleitung 60,
2 angeschlossen ist, wie es oben beschrieben worden ist.
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Die Rohrleitung 122 für die Gaszufuhr führt das Reduktionsgas zu ausgewählten
Einblasdüsen zu, während Druckluft über eine Luftleitung 124 und über einen geeigneten
Winderhitzer 126 den übrigen Einblasdüsen zugeführt wird.
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Wie oben unter Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde, weist der Ausgang
118 für das Gichtgas e>in Gebläse 128, eine Leitung 130 für das Rückführen von
Gichtgas zur Vorrichtung 10.2, einen Gaswäscher 132, einen Ausgang 134 für abgeschiedene
Bestandteile und eine Leitung 136 für erzeugtes Gas auf, das nach Wunsch einem Verwendungszweck
zugefiihrt werden kann.
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Die zusätzliche Energie,die durch Zuführen von heißem Reduktionsgas
zum Hochofen 110 zur Verfügung gestellt werden kann, kann die Energieabnahme ausgleichen,
die bei Benutzung von Koks minderer Güte oder einer geringeren oksnengo auftritt,
so
daß es nunmehr ermöglicht ist, den Hochofen 110 mit Koks minderer Güte oder einer
geringeren Koksmenge betreiben.