-
Verfahren und Vorrichtung für die Direktreduktion
-
von Eisenerz mit Holz als Reduktionsmittel.
-
Diese Erfindung hat zum Ziel, in Drehrohröfen aus Eisenerz mit Holz
als alleinigen Brennstoff und Reduktionsmittel Eisenschwamm herzustellen.
-
Die Direktreduktion im Drehrohrofen gehört zum Stand der Technik.
Sie wird mit Koks, Steinkohle oder Braunkohle vollzogen. Die wirtschaftliche Bedeutung
der Direktreduktion mit Koks und mineralischen Kohlen wächst lebhaft.
-
Illzkohle hat sich im Pilot-Drehrohrofen bewährt. Dabei hat es sich
gezeigt, daß Erz mit Holzkohle schneller und bei tieferen Temperaturen zu reduzieren
ist, als mit Koks und
Kohle. Zugleich ist der Betrieb sicherer und
der Eisenschwamm reiner.
-
Nur in waldreichen Ländern jedoch wird die Direktreduktion mit Holzkohle
Beachtung finden. Aber selbst in diesen wird die Holzkohlegewinnung schwer auf der
Forstwirtschaft lasten. Vom ursprünglichen Energiegehalt des Holzes nämlich ist
nur das in der Holzkohle enthaltene Drittel für die Direktreduktion zu verwenden.
Beim Herstellen der Holzkohle gehen zwei Drittel des Heizwerts für die Reduktion
verloren.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den ganzen Heizwert
des Holzes für die Direktreduktion zu nutzen. Es ist zu beobachten, daß das Holz
bei der Direktreduktion sich in mancher Hinsicht als den bekannten Reduktionsmitteln
überlegen erweist, weil sein Schwelen unter Wärmebildung verläuft. Diese Eigenschaft
des Holzes begünstigt die Direktreduktion im Drehrohrofen ungemein. Zugleich wird
der gesamte Heizwert des Holzes genutzt.
-
Erfindungsgemäß reduziert man mit Holz in einem Gleichstrom-Drehrohrofen.
Dabei durchwandern Erz und Holz (die Beschikkung) mit dem Rauchgas in derselben
Richtung den Ofen. Am oberen Ende des geneigten Drehrohrofens wird die Beschikkung
eingebracht und hier sind auch Luftzuführung und Stützbrenner angeordnet. Die Ofenhitze
und der Stützbrenner heizen die Beschickung auf, wobei nachstehendes geschieht:
Bis
etwa 220 C verliert Holz seine Feuchte und sein Konstitutionswasser und von 220
bis 280 C vor allem Kohlensäure.
-
Diese Vorgänge sind endotherm. Bei etwa 280 C setzt dann das exotherme
Schwelen ein, das genug Wärme entwickelt, um die Zersetzung aufrecht zu erhalten
und die Schwelprodukte auf etwas über 400 C zu erhitzen. Hierbei entstehen beträchtliche
Mengen Teer. Oberhalb 400 C sind die Reaktionen endotherm, wobei Gase freiwerden.
(Die genannten Temperaturen verschieben sich bei den verschiedenen Holzsorten etwas)
Die Dämpfe und Gase des exothermen Schwelens entflammen schein bei rund 250 C. Holz
brennt schnell, weil das exotherme Schwelen selbstgehend ist und reichlich Kohlenwasserstoffe
liefert.
-
Im Vergleich dazu verbrauchen sowohl Steinkohle als auch Braunkohle
fürs Schwelen viel Wärme. Daher zünden sie erst bei 400 bis 600 C und brennen träger,
weil die Geschwindigkolt des Schwelens von der Wärmezufuhr abhängt.
-
im Drehrohrofen wird daher die Beschickung mit Holz schnelicr auf
Reduktionstemperatur gebracht als mit Kohle und Koks.
-
@@@ Reduktion selbst beginnt mit Holz bei tieferer Temperatur. Die
Zustellung des Ofens wird dadurch geschont und :t- znsatzbildung vermieden.
-
ir die Reduktion des Erzes sind Kohlenstoff und Wärme
erforderlich.
Holz liefert beides. Die nach dem Schwelen vorliegende Holzkohle und der Rückstand
der teilweise verkrackten Teerdämpfe versorgen die Reduktion mit Kohlenstoff.
-
Wärme liefern die Verbrennung der flüchtigen Bestandteile und des
bei der Reduktion gebildeten Kohlenmonoxids.
-
Die reduzierte Beschickung und das ausgebrannte Rauchgas verlassen
den Drehrohrofen mit angenähert gleicher Temperatur, nämlich mit 850 bis 950 C.
Mit Anthrazit oder Koks liegt sie mit fast 1100 C wesentlich höher.
-
Beim Verlassen des Ofens besteht die Beschickung aus Eisenschwamm
und einigen Prozenten überschüssiger Holzkohle. Dadurch bleibt innerhalb der Beschickung
eine reduzierene Atmosphäre erhalten, die den Eisenschwamm vor Verzunderung schützt.
-
Der Gleichstrombetrieb neigt dazu, die Teerdämpfe und Gase des exothermen
Schwelens nach den heißeren Ofenpartien zu verschleppen, um sie erst dort zu zünden
und zu verbrennen.
-
Günstiger ist es, sie über ihrem Entstehungsort schon zum Zünden zu
bringen, und die Verbrennung in Richtung zum kälteren Auf gabeende des Drehrohrofens
hin zu verlagern. Beides ist zu erreichen, wenn man Luft, Brüden und Schweldämpfe
verwirbelt und einen Teil von ihnen als Rückstrom ::u. kälteren Ende des Drehrohrofens
bringt. Stützflamme und die Strahlung des Ofenraums sorgen dann fürs Zünden
und
Verbrennen auch oberhalb der noch kalten Beschickung, die dadurch viel schneller
aufgeheizt wird. Größere Öfen benötigen im Betrieb keine Stützflamme. Die vom heißen
Bereich des Ofens eingestrahlte Wärme genügt, um zu zünden und die Verbrennung aufrecht
zu erhalten.
-
Diesen günstigen Rückstrom erhält man im kälteren Bereich des zylindrischen
Drehrohrofens durch den Impuls der zugeführten Luft und der Stützflamme. Hier bleibt
der Rückstrom auf einen Teil des Ofenraums beschränkt.
-
Mit der Sonderbauart des Drehrohrofens, die aus der DAS 1 184 891
bekannt ist, erhält man den Rückstrom im gesamten Drehrohrofen, und mit ihm frühes
Zünden und eine ausgeglichene Temperatur im gesamten Ofenraum.
-
Die zylindrische Bauart skizziert Fig. 1. Der Drehrohrofen 1 ist geneigt
und rotiert um seine Längsachse 2. (Antrieb und Lagerung des Drehrohrofens sind
nicht gezeichnet.
-
Erz und Holz werden mit der Aufgabevorrichtung 3 in den Ofen 1 eingebracht.
Mit der Drehung wandert die Beschikkuna zum tieferen Ofenende und verläßt als Eisenschwamm
4 it etwas Holzkohle den Drehrohrofen. Der Austrag wird herkrlich aufbereitet. (in
Fig.1 nicht angeführt). Luft und {^ -benenfalls Brennstoff werden mit der Zuführung
5 ein-:£st. Der Impuls dieses Strahles bewirkt die Wirbel und (n Rückstrom 6. An
der Aufgabeseite wird der Ofenraum mit
der Stirnwand 7 abgeschlossen,
an der die Aufgabevorrichtung j und die Luftzuführung 5 angebracht sind. Das Rauchgas
8 beruhigt sich auf dem Weg durch den Ofen und wird im Austrittsgehäuse 9 gefaßt.
Die Wärme des Rauchgases wird in der Regel genutzt.
-
Die Sonderbauart nach der DAS 1 184 891 ("Drehtrommelofen zum Verbrennen
von Müll") ist in Fig.2 skizziert. Der birnenförmige Drehtrommelofen 1 dreht sich
um seine horizontale Längsachse 2 (Antrieb und Lagerung sind nicht angeführt). Die
Beschickung 3 wird mit der Aufgabevorrichtung 4 in den Ofenraum gebracht. Eisenschwamm
5 mit etwas Holzkohle verläßt am gegenüberliegenden Ende den Ofen. Die Luft 6 erhält
in der Leitvorrichtung 7 einen Drall und tritt tangential in den Drehtrommelofen
1 ein. Luft und alle übrigen Gase rotieren heftig um die Achse 2 (die Rotation ist
nicht gezeichnet), wodurch ein starker, zentrischer Rückstrom sich einstellt. Der
längs der Achse 2 verfahrbare Stützbrenner 9 stabilsiert mit seinem Impuls den Rückstrom
8 Dazu wird die Luftzufuhr des Stützbrenners 9 auch nach dem Abstellen des Brennstoffes
aufrechterhalten. Das Rauchgas le wird im Austrittsgehäuse 11 gefaßt und in der
Regel einer Abwärmeverwertung zugführt.(Die Aufbereitung des reduzierten Ofenaustrags
5 ist nicht angeführt.) Bei beiden Ausführungen ist es vorteilhaft, wenn das Erz
im Mittel 10 bis 15 mm groß ist. Das Holz kann gröber sein, nämlich im Mittel 15
bis 30 mm.
-
Getrocknetes olz kommt im Ofen schneller zum Schwelen als feuchtes.
Daher liegt es nahe, das Holz auf 0 % Feuchte zu darren. Vorhin wurde erwähnt, daß
Holz beim Erwärmen bis rund 280 C Wasserdampf und Kohlensäure abgibt. Dabei nimmt
sein Gewicht um etwa ein Drittel ab, doch sein Energieinhalt bleibt im wesentlichen
erhalten. Solches "bertiniertes" Holz ist für die Direktreduktion vorzüglich geeignet,
weil es im Drehrohrofen außerordentlich schnell zum Schwelen kommt.
-
Bei der zylindrischen Bauart nach Fig.l soll die Austrittsgeschwindigkeit
aus der Luftzuführung 5 20 bis 70 m/s betragen. Bei feuchterem Holz sind größere
Geschwindigkeiten zu empfehlen. Besonders vorteilhaft ist es die Luft auf mehrere
Zuführungen aufzuteilen, der Rückstrom wird dadurch stabiler.
-
Versuche mit Holzkohle haben gezeigt, daß man für jede Tonne Eisenschwamm
etwa 460 kg Holzkohle benötigt. Hinzu kommt nocI der Brennstoff für das Stützfeuer.
Für die genannte IIol-};ohle muß man midestens 2000 kg Holz verkohlen. Die arbeit
mit olz gemäß dieser Erfindung benötigt für die Tonne Eisenschwamm lediglich rund
1000 kg lufttrockenes Holz.
-
Diese Ersparnis zeigt den großen Fortschritt dieser Erflndung. Die
Forstwirtschaft wird sehr entlastet, weil die .-röIilun(j des Holzes mit seiner
Energieverschwendung ver-@@@@@ wird.
-
Schrifttum: 1.) G. Reuter, H. Serbent and W. Schnabel, "SL/RN -The
Key to Direct Reduction and Steelmaking for South- and Central Amerika Paper presented
at the Direct Reduction Congress of the Latin American Iron and Steel Institute,
Caracas, Venezuela, July 10 to 14, 1977.
-
2.) W. J. Müller und E. Graf, Kurzes Lehrbuch der Technologie der
Brennstoffe, 2. und 3. Auflage, Franz Deuticke, Wien 1945, Seiten 175 bis 177 und
339 bis 344.