DE2805944C2

DE2805944C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von feinteiligem Eisenoxid zu metallischem Eisen mittels festem Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE2805944C2
Application number: DE2805944A
Authority: DE
Inventors: Donald Charlotte N.C. Beggs; Bruce G. Fort Mill S.C. Kelley
Original assignee: Midrex Corp 28280 Charlotte Nc Us; Midrex Corp 28280 Charlotte NC
Current assignee: Midrex International BV Rotterdam Zurich Branch
Priority date: 1977-02-16
Filing date: 1978-02-13
Publication date: 1983-11-24
Also published as: AR218474A1; PT67629A; US4082543A; AT367454B; PL125724B1; SU704463A3; ES467046A1; AU3335478A; IT7820215A0; DE2805944A1; CA1102139A; JPS53100911A; PT67629B; ATA99378A; IN147336B; PL204615A1; PH16506A; IT1095401B; GB1594162A; US4140301A

Description

In den letzten Jahren hat sich die Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen zu einem wirtschaftlich durchführbaren Verfahren entwickelt, das weltweit zunehmende Anerkennung gefunden hat, so daß In weitem Umfang entsprechende Produktionskapazitäten aufgebaut worden sind. Das aus der Direktreduktion von Elsenoxid· erhaltene direkt reduzierte Eisen wird in großem Umfang bei der Elsen- und Stahlerzeugung eingesetzt, insbesondere In elektrischen Lichtbogenöfen zur Stahlerzeugung. Der zur Zelt weltweit bestehende Bedarf nach direkt reduziertem Eisen übersteigt bei weitem die bestehenden Produktionskapazitäten und diejenigen der geplanten Dlrektreduktionsanlagen; Im wesentlichen beruht dies darauf, daß In den meisten industriell betriebenen Direktreduktionsverfahren als wesentliche Energiequelle Erdgas eingesetzt wird. Erdgas jedoch nicht in unbegrenztem Ausmaß zur Verfügung steht.

<" Um den kurzfristig und langfristig bestehenden Bedarf nach direkt reduziertem Elsen zu befriedigen, lsi es wesentlich, neue und verbesserte Direktreduktionsverfahren zu entwickeln, die mit festen Brennstoffen, wie

etwa Kehle oder Braunkohle (Lignit), arbeiten, damit sie!, die Direktreduktion auch in den zahlreichen Ländern wie etwa den Vereinigten Staaten von Nordamerika durchsetzen kann, wo einerseits große Reserven an testen Brennstoffen verfügbar sind, andererseits die Vorrate an Erdgas begrenzt sind.

In den letzten Jahren haben sich die Anstrengungen zur Entwicklung von Direktreduktionsverfahren, welche mit festen Brennstoffen als Quelle für das Reduktionsmittel des RedUiaionsverfahrens arbeiten, hauptsächlich auf zwei unterschiedliche grundlegende Verfahren konzentriert. Nach dem e:.ien Konzept wird der feste Brennstoff mit dem Eisenoxid vermischt, und das Gemisch wird in einem rotierenden Drehofen behandelt, wobei Luft zur Verbrennung in den Drehofen eingeführt wird; ein typisches Beispie! für dieses Verfahren wird in der US-PS 30 46 106 beschrieben. Das im rotierenden Drehofen betriebene Verfahren ist notwendigerweise mit dem grundlegenden, wärmewirtschaftlichen Nachteil behaftet, daß angenähert 65'Ί, des durch Verbrennung verbrauchten Brennstoffs verbraucht wird, um die hohe Temperatur des Drehofens zu gewahrleisten, so daß lediglich ungefähr 35'Ό des Brennstoffgehaltes für die Reduktion zur Verfügung stehen. Dies führt zu einem Bedarf an festem Brennstoff in der Größenordnung von 5,0 bis 6,0 Giga-Kalorien für 1 Tonne direkt reduziertes Eisen.

Bei dem zweiten grundlegenden Verfahren wird der feste Brennstoff in einem getrennten, mittels partieller Verbrennung arbeitenden Gaserzeuger vergast, wobei zur Gaserzeugung Sauerstoff und Dampf benötigt werden. Jo Das im Gaserzeuger erzeugte Gas wird anschließend gekühlt und gewaschen, entschwefelt und daraufhin im Direktreduktionsolen als Quelle für das Reduktionsmittel verwendet; ein Beispiel für diese Kombination von Gaserzeuger und Direktreduklionsofen ist mit der US-PS » 38 44 766 beschrieben. Auch diese Kombination ist mit dem grundlegenden wärniewirtschaftlichen Nachteil behaltet, daß angenähert 50'Ί, des festen Brennstoffs im Gaserzeuger durch Verbrennung verbraucht werden, und lediglich die verbleibenden 50h, des Brennstolfgehaltes ·»<) als Quelle Tür das Reduktionsmittel zur Verfügung stehen. Obwohl sich diese Kombination als hochwirksam bei der Anwendung des im Gaserzeuger erzeugten Gases für Reduktionszwecke erwiesen hat. werden immer noch angenähert 4,0 bis 5.0 Giga-Kalorien fester Brennstoff für ·»> I Tonne direkt reduziertes Eisen benötigt.

Bei den beiden oben beschriebenen, mit festem Brennstoff arbeitenden Direktreduktionsverfahren, wird der Hauptanteil des Heizwertes des festen Brennstoffs durch Sauerstoff aus der Luft oder durch industriell erzeugten ">" Saucrstofl verbraucht. Bei der Arbeitsweise im rotierenden Dreholcn wird lediglich ein geringer Anteil durch die Reaktion mit Sauerstoff aus dem Eisenoxid verbraucht, was im Ergebnis die Reduktion bew irkt.

Mit der (R-PS 22 74 694 wird ein Schachtofen mit 5' rohrlörmlger Reaktionskammer beschrieben, durch welche die Beschickung hindurchgeführt wird. Das entsprechende Rohr wird von außen mittels Brennern erhitzt. Als Beschickung wird dem Ofen Eisenerz und Koks zusammen mit einem geeigneten Entschwefelungsmittel ^6Ü zugeführt. Es sind keine Maßnahmen für die Handhabung der Reaktionsprodukte oder deren Anwendung im Verfahren vorgesehen. Hei dieser Sorte Ofen führt die Beheizung des Rohres von außen her zu einem Tcmperalurgradienien in der Beschickung, da die Beschickung kein guter.Wärmeleiter ist.

Aus der LS-PS 19 37 064 ist ein elektrisch betriebener, vertikaler Schachtofen bekannt, dem gebrochener Koks, Graphit, Siliciumkarbid oder andere elektrisch leitende Materialien zugeführt werden, um die Beschickung zu bilden. Anschließend wird durch die Beschickung geschmolzenes Metall geführt, während elektrischer Strom durch die Beschickung geleitet wird, was im Ergebnis zu einer Feinung oder Vergütung des geschmolzenen Metalls führt. Die Beschickung besteht somit aus einer stationär gehaltenen, körnigen Masse aus kohlenstoffhaltigem Material, welche selbst nicht durch den Ofen bewegt wird; Im Ergebnis stellt somit die Beschikkung auch nicht das Material dar, das beim Durchgang durch den Ofen behandelt wird.

Aus der DE-PS 10 44 849 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Eisenschwamm durch Reduktion von Eisenerz mit einem hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenoxid bestehenden Gas als Reduktionsmittel in einem durch elektrische Widerstandsheizung beheizten vertikalen Schachtofen bekannt. Das im Gegenstrom geführte Gas wird in gekühltem Zustand nach Entfernung von Wasserdampf und Kohlendioxid am Baden des Ofens, zusammen mit erhitztem Frischgas, in den Schacht rijckgeführt. Ein wesentlicher Teil des fertig reduzierten Eisenschwammcs wird zusammen mit nicht reduziertem Eisenerz rückgeführt. Auch nach diesem Verfahren ist also der Einsatz eines aus Wasserstoff und Kohlenoxid bestehenden Reduktionsmittels erforderlich.

Zu diesem Gebiet der Technik dürften weiterhin die nachfolgenden US-PS 20 89 782 (Carlsson), 27 55 325 (Brugger) und 31 61 500 (Southam) von Interesse sein.

Die grundlegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur üirektreduklion von Elsenoxid zu metallischem Eisen in einem schachtförmigen Reduktionsofen anzugeben, bei dem als Reduktionsmittel fester Brennstoff verwendet wird.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Direktreduktion von Eisenerz in einem Schachtofen anzugeben, bei dem gegenüber den zur Zeit in industriellem Maßstab durchgeführten Direktreduktionsverfahren der Bedarf an zugeführter Energie wesentlich vermindert ist.

Noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin. Maßnahmen für einen noch wirksameren Betrieb eines Schachtofens zur Direktreduktion anzugeben, als das bislang möglich war.

Schließlich besteht eine weitere Aufgabe dieser Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Durchführung der oben angegebenen Verfahren bereitzustellen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgaben ist insbesondere mit den Patentansprüchen 1 und 8 wiedergegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.

Danach wird mit der vorliegenden Erfindung ein Direktreduktionsverfahren angegeben, bei dem fester Brennstoff in einer neuen und thermisch höchst wirksamen Weise ausgenutzt wird, so daß der feste Brennstoff direkt im Reduktionsprozeß durch Reaktion mit Sauerstoff aus dem Eisenoxid verbraucht wird, wodurch das Elsenoxid zu metallischem Elsen reduziert wird. Die Gesamtreaktioneii in dem Ofen verlaufen endotherm; die benötigte Wärme wird durch elektrische Aufheizung der Beschickung zugeführt. Durch Ausschluß von von außen ".!geführter Lull oder von industriell erzeugtem Sauerstoff wird der Bedarf an festem Brennstoff auf angenähert 2.2 Giga-Kalorien pro Tonne direkt reduziertes Eisen verringert, wobei der zusätzliche Bedarl an elektrischer Energie angenähert 700 kWh (das sind 0.6 Giga-Kalorien) pro Tonne direkt reduziertes Eisen ausmacht.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen auch 5 Blatt Abbildungen mit den Flg. 1 bis 6; im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung der Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schachtofens mit Angabe der Gasströme sowie der dazugehörigen Ausrüstung;

Fig. 2 die Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer alternativen Ausführungsl'orm der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 die Schnittdarstellung einer Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 in schematischer Darstellung die im vertikalen Abstand zueinander angeordneten Elektroden als alternative Maßnahme zur Zuführung von elektrisch erzeugter Wärme zu der Beschickung im Schachtofen;

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht des Ofens nach Flg. 4 mit einer modifizierten Ausführungsform der Elektroden; und

Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht des Ofens nach Fig. 5 längs der Linie 6-6 aus Fig. 5.

Zu der Ausführungsform nach Flg. 1 gehört ein Schachtofen 10 mit einem Stahlmantel 12, der mit einer hitzebeständigen Auskleidung 14 versehen ist. Ein Beschickungstrichter 16 Ist an der Oberseite des Ofens 10 angebracht, um feinieillge Feststoffe 18 in den Ofen 10 einzuführen. Das zugeführte Material besteht aus Eisenoxid in der Form von Pellets oder Stückerz, sowie aus festem kohlenstoffhaltigem Brennstoff. Das zugeführte Material sinkt unter der Wirkung der Schwerkraft durch eine oder mehrere Zuführlellungen 20 nach unten und bildet ein Bett 22 aus gepackten, ("einteiligen, zugeführten Feststoffen, bzw. aus der Beschickung in dem Ofen 10. Das reduzierte Produkt wird aus dem Ofen mittels dem Austragslörderer 26 ausgetragen, der unterhalb der Austragsleitung 24 angeordnet ist. Die Entfernung des reduzierten Produkts, das in der Form metallisierter Pellets oder Stücke anfällt, durch die Austragsleitung 24 hindurch gewährleistet eine von der Schwerkraft verursachte Bewegung der !'einteiligen Beschickung 22 durch den Schachtofen 10 hindurch.

Der Ofen 10 hat vorzugsweise einen quadratischen oder rechteckigen horizontalen Querschnitt. Der mittlere Bereich des Ofens ist mit Elektrodenplatten 30 aus einer hitzebeständigen Legierung versehen, welche an den Elektrodenstangen 32 angebracht sind, die wiederum mit einer (nicht dargestellten) Quelle für den elektrischen Strom verbunden sind. Die Elektrodenplatten 30 sind vorzugsweise in Aussparungen innerhalb der Wand-Auskleidung 14 angeordnet, so daß eine im wesentlichen glatte Innenwand geschaffen ist. Die Elektrodenplatten sind mit der Maßgabe angeordnet, daß gegenüberliegende Elektrodenpaare gebildet sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind drei gegenüberliegende Elektrodenpaare dargestellt, welche im vertikalen Abstand zueinander längs des Ofens angeordnet sind, um eine Verfahrenskontrolle zu gewährleisten. Die Elektrodenstangen 32 werden von einem geeigneten, elektrisch isolierenden Material 34 wie etwa Asbestpappe, gehalten, das zur Isolierung der Stäbe 32 gegenüber dem Stahlmantel 12 des Ofens beiträgt. Ein Rohr 38 aus einer hitzebeständigen Legierung erstreckt sich durch das Ofendach hindurch und ragt mit seinem geschlossenen unteren Ende vertikal bis in den Bereich zwischen dem untersten Elektrodenpaar 30 in die Beschickung hinein. In dem Rohr 38 befinden sich (nicht dargestellte) Temperaturfühler, mittels denen die Temperatur der Beschickung in unterschiedlichen Höhenlagen festgestellt wird, insbesondere In derjenigen Höhenlage, die jedem Elektrodenpaar entspricht.
Das Gichtgas verläßt den Ofen durch eine Gichtgas-Auslaßleitung 40, die oberhalb des unteren Endes der Beschickungszuführung 46 angeordnet ist. Das untere Ende einer Zuführleitung 20 erstreckt sich bis unterhalb zu der Auslaßleitung 44; durch diese Anordnung wird ίο gewährleistet, daß oberhalb der Beschickung ein praktisch leerer Raum 48 gebildet wird, in dem sich das Gichtgas sammeln kann; dadurch kann das Gichtgas im wesentlichen symmetrisch zu der Beschickungszuführung 46 austreten und frei durch die Glchtgas-Auslaßleitung 44 ausströmen.

Für das Gichtgas ist eine Gasreinigung und eine Rezirkulatlon vorgesehen, um Feststoffe und kondensierbare Anteile aus dem Gichtgas zu entfernen, und um das Gichtgas zu kühlen, um ein kaltes Prozeßgas zu erhalten. Das reagiert habende Gichtgas verläßt den Schachtofen 10 durch die Auslaßleitung 44, strömt in einen Ölwäscher 50, wo Teer, Öl und felnteillge Feststoffe in Form von Schlamm aus dem Gas abgetrennt werden. Mittels der Pumpe 52 wird der Schlamm durch die Schlammeinführleitung 54 hindurch in den Ofen zurückgepumpt; das untere offene Ende der Schlammrückführleitung 54 endet weit genug unterhalb der Beschickungsführung 46. so daß eine Reaktion der Schlammkomponenten mit der Beschickung gewährleistet ist, um zu verhindern, dalJ das Gichtgas diese Komponenten erneut in den Ölwäscher befördert.

Im Anschluß an den Ölwäscher 50 wird das Gichtgas durch einen Wasserwäscher 60 geführt, in dem das Gas weiter gekühlt und gereinigt wird. Zur Rezirkulation des Gases ist ein Gebläse 62 vorgesehen, welches das gekühlte und gereinigte Prozeßgas aus dem Wasserwäscher 60 abzieht. In der Leitung 66 ist je nach Bedarf ein Ventil 65 vorgesehen. Ein Teil des ProzeUgases wird in die Leitung 68 eingeführt, um die Rückführung des Schlammes in die Beschickung im Schachtofen zu unterstützen. Der Hauptanteil des Prozeiigases wird über die Gaseinlaßleitung 40 durch einen Gasverteiler 42 innerhalb des Ofens hindurch in Form von kaltem Prozeßgas erneut in den Schachtofen eingeführt. Ein gewisser Anteil des Prozeßgases muß üblicherweise abgelassen werden, da durch die Reaktion von festem Kohlenstoff im Ofen mit Sauerstoff aus dem Eisenoxid stets Kohlenmonoxid und Kohlendioxid gebildet werden; diese Reaktion führt zu einer Zunahme der Gasmenge, so daß überschüssiges Gas durch den Auslaß V hindurch abgelassen werden kann; natürlich stellt dieses überschüssige, abzulassende Gas eine Energiequelle für andere Verwendungszwecke dar.

Zu der mit Fig. 2 dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung gehören Einrichtungen, um sowohl die Einführung von kaltem Prozeßgas wie heißem Prozeßgas in den unteren Bereich des Ofens unterhalb der Elektroden zu gewährleisten. Das kaite Prozeßgas wird durch die Einlaßleitung 50 für kaltes Prozeßgas in gleicher Weise in den Ofen eingeführt wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Das heiße Prozeßgas wird durch eine Einlaßleitung 72 für heißes Prozeßgas und einen daran angeschlossenen Gasverteiler 74 innerhalb des Ofens in die Beschickung eingeführt. Der Bereich zwischen dem Gasverteiler für das kalte Prozeßgas und dem Gasverteller für das heiße Prozeßgas dient als Kühlzone, um das heiße Produkt vor dem Austrag abzukühlen.

Das Gichtgas verläßt die Beschickung auf der Höhe dos umeren lindes der Beschickungszufuhr und irilt durch die Gichtgas-AuslalJieilung 44 aus dem Ofen aus. Das Gichtgas wird im Ölwäscher 50 von Teer, Öl und !einteiligen Feststoffen befreit und damit gereinigt; anschließend wird dieses Gichtgas im Wasserkühler 60 weiter gereinigt und gekühlt, tin Teil des Prozeßgases wird in Form von kaltem Prozeßgas durch die tinlaßleitung 411 in den Ölen zurückgeführt, tin zweiter Teil des ProzelJgases wird über die Leitung 79 dem Gasvorheizer 80 zugeführt. Das erwärmte Gas strömt durch die Leitung 82 und wird duich die tinlaßleitung 72 für heißes ProzelJgas in den Ofen eingeführt, tin dritter Teil des kalten ProzelJgases wird durch die Leitung 84 geführt und in die Schlammrückführleitung 86 eingeführt, um den Transport des Schlammes in den Ofen zurück zu unterstützen, tin weiterer Teil des ProzelJgases wird über die Leitung 88 dem Brenner 90 des Gasvorheizers 80 zugeführt und dient dort als Brennstoff. An die Leitung 88 ist ein Auslaß I 1 angeschlossen, um hier nach Bedarf einen bestimmten Anteil des gekühlten ProzelJgases abzulassen. Die Verbrennungsluft wird dem Brenner 90 von einer Lultquelle 92 zugeführt. Über den AuslalJ I₂ werden die Verbrennungsprodukte aus dem Vorheizer 80 abgeführt.

Zu der Auslührungsform nach I ig. 3 gehört eine kühlzonc im unteren Abschnitt des Ofens, hierbei wird das Kühlgas durch den kühlgaseinlalJ 100 und den Kühlgasvcrteiler 102 in den Ofen eingeführt. Oberhalb vom Kühlgasverteiler 102 befindet sich ein Kühlgassamniler 104. der über einen Kühlgasauslaß 110 und die Leitung 112 mit einem Waschkühler 108 in Verbindung steht. In der Leitung 116 oder an einer sonstigen geeigneten Stelle innerhalb der Kühlgasschlcife ist ein Gebläse 114 für die Kc/.irkulation des Kühlgases angeordnet, so daß eine beständige Gasströmung aufrechterhalten wird. Zu der Kühlgasschleile gehört die Kühlzonc innerhalb des Ofens, welche dem Ofenabschnitt zwischen dem Kühlgasverleiler 102 und dem Kühlgassamniler 104 entspricht.

Bei dieser Auslührungsform nach (ig. 3 wird lediglich vorgeheiztes ProzelJgas durch die tinlaßleitung 72 für Prozeßgas in den Ofen eingeführt. Die restlichen Bestandteil der Vorrichtung nach I-Ί g. 3 entsprechen weitgehend den Bestandteilen nach Fig. 2.

Mit I ig. 4 ist eine alternative Anordnung /ur Zuführung von elektrischem Strom dargestellt, wobei der elektrische Strom in vertikaler Richtung durch die Bcschikkung geleitet wird. Hierzu sind aus den Stangen 126 und 127 bestehende tlektroden vorgesehen, die ihrerseits aus einer hilzebeständigen tegierung bestehen; diese Stangen 126 und 127 erstrecken sich durch eine Wand des Mantels 12 hindurch in Richtung der ülcnbrcitc und enden in der Auskleidungswand an der gegenüberliegenden Seile des Ofens. Diese tlektroden sind in den oberen und unteren Bereichen des Ofens vorgesehen, wie das mit der Zeichnung angedeutet ist. Jeder Stab 126 und 127 kann mit Scheiben 130 aus einer hitzebesländigcn Legierung versehen sein, damit eine ausgedehnte tlektrodenobcrfläche gewährleistet ist. Die Anzahl der verwendeten tlektrodenstäbe hängt von den horizontalen Abmessungen des Ofens ab. Sofern die Elektroden mit der Maßgabe angeordnet sind, daß ein Strom in vertikaler Richtung durch die Beschickung fließt, wie das mit Fig. 4 dargestellt ist, kann der Ofen jeden beliebigen Querschnitt aufweisen, einschließlich nahezu jede bliebige Form wie etwa quadratisch, rund, rechteckig, oval und dgl.

Thermofühler 132 zur Feststellung der Temperatur der Beschickung ragen in ausgewählten Höhenlagen durch die Seilenwand des Ofens in diesen hinein; im einzelnen sitzen diese Thermofühler 132 in elektrischen Isolatoren 134, die am Olcnmanlel 12 angebracht sind. Mit diesen Thermolühlern wird die Temperatur der Beschickung an verschiedenen Stellen festgestellt, wenn die Beschickung durch den Ofen hindurchwandert.

Bei der Ausführungsform nach 1 ig. 5 ist eine alternative Anordnung der Auslührungslorni nach Fig. 4 vorgesehen. Hier ist die obere Llektrode 140 in den Lagern 142</ und 142/) drehbar gelagert, welche außerhalb des Ofens oder isoliert in der Ofenwand 144 angebracht sein können.

Ls können eine oder mehrere dieser oberen tlektroden vorgesehen sein, was von den Abmessungen des horizontalen Querschnitts des Ofens abhängt. Die obere tlekirode dient sowohl als Fördereinrichtung wie als Clusterbrechcr für das Material in der oberen Zone des Ofens; hierzu sind an der tlektrode ein oder mehrere radial abstehende Brechsegmente 146 angebracht, wie das am besten der Fig. 6 zu entnehmen ist. Die obere tlektrode 140 ist angeschlossen an und wird angetrieben von einem oscillierbaren Antrieb 148. ts ist wenigstens eine unlere tlektrodc 150 vorgesehen, welche drehbar in den isolierten und abgedichteten Lagern 152« und 152/) gelagert ist; auch diese Lager 152</ und 152/> können außerhalb des Ofens oder in der Ofenwand angebracht sein. Die untere tlektrodc 150 ist angeschlossen an und wird angetrieben von einem oscillierbaren Antrieb 156. Die untere tlektrode ist mit einem oder mehreren radial abstehenden bogenförmigen Brechsegmcnien 158 versehen und kann deshalb als Clusterbrecher in der unteren Zone des Ofens dienen. Jedes Clusierbrechersegment steht lediglich um ungefähr 180 bis 270" über die tlektrode hinaus. Wenn die tlektrode innerhalb Ihrer Lage hin- und herbewegt wird, dient die Elektrode sowohl als Fördereinrichtung wie als Clusterbrecher. Damit wird das Material alternierend von den gegenüberliegenden Wänden des Ofens nach unten befördert, und gleichzeitig werden jegliche Cluster aus heißem, anhaftendem Material zerbrochen.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Eisenoxidpellets, das Stückerz oder andere geeignete Formen von Eisenoxid mit dem festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff wie etwa Kohle, Koks oder Braunkohle vermischt und das erhaltene Gemisch anschließend durch die Zuführleitung 20 In das Innere des Ofens 10 eingeführt, um dort die in Form eines gepackten Bettes vorliegende Beschickung 22 zu bilden.

Der Ofen wird elektro-thermisch aufgeheizt, indem elektrischer Strom durch die Beschickung zwischen den Legierungselektroden Im Üfen hindurchgeführi wird. Direkt reduzierte tisenpellets oder Eisenstücke sind selbst in der ersten Stufe der Reduktion elektrisch leitend, nachdem sich metallisches Eisen lediglich auf der Pelletoberfläche gebildet hat. Zur Aufnahme des Betriebs des elektrisch aufgeheizten Schachtofens nach der vorliegenden Erfindung wird der Ofen mit teilweise metallisierten, direkt reduzierten Elsenpellets, mit Petrolkoks, oder irgendeinem anderen elektrisch leitendem Material beschickt. Nachdem eine Anlage in Betrieb genommen worden Ist, stehen reduzierte oder teilweise metallisierte Pellets für die Erstbeschickung leicht zur Verfügung; es können jedoch auch andere elektrisch leitende Materialien eingeführt werden, sofern reduzierte oder teilweise metallisierte Pellets nicht zur Verfügung stehen. Es Ist festgestellt worden, daß bereits Pellets mit einem so niedrigen Metallisierungsgrad von 6% elektrisch leitend sind.

Der Schachtofen weist drei verschiedene Prozeßzonen auf. Im oberen Bereich ist eine Vorreduktionszone ausgebildet. In der die Beschickung durch die Konvektion der Gase, die im Uegcnstrom durch die Beschickung strömen, aulgeheizt wird. Aus der Kohle oder dem sonstigen kohlenstoffhaltigen Brennstoff in der Beschickung werden kondensierbare und nleht-kondensierbarc llüclitigc Anteile freigesetzt. Die nieht-kondensierbarc. llüchtigcn Anteile, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen beslchcn. entweichen als Gichtgas, werden daraufhin gereinigt und schließlich als l^Jrozeligas rezirkulieri. Die in Form eines gepackten Bettes herabrutschendc Pelletbeschickung wirkt als körniges Abschreckmittel und verhindert höchst wirksam, daß schwere nüssige Komponenten, die Gasauslaßleitungen verstopfen. Einige Schweröle und teerige Komponenten, die aus der Kohle ausgetrieben werden, werden von der Oxidbeschickung absorbiert und reagieren nachfolgend mit Kohlendioxid und Wasserdampf in dem Prozellgas, bin hohes Verhältnis von Üxidbeschickung zu schweren flüssigen Komponenten vermindert die Gefahr, dall die Beschickung nahe der Beschickungszuführung zu stark Cluster bildet. In dieser Vorreduklionszone wild das zugeführt oxidische Material bis zu einem niedrigen Meiallisierungsgrad reduziert; d. h.. durch die Reaktion mit den Reduktionsmitteln. Wasserstoff und Kohlenmonoxid in den nach oben strömenden Gasen wird ein Metallisierungsgrad von weniger als 25"., erreicht. Dadurch wird die Beschickung elektrisch leitend, bevor die Beschickung die Vorreduktionszone verläßt.

Im mittleren Bereich des Schachtofens ist eine Reduktionszone ausgebildet, in welcher durch Reaktion des aus dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff gebildeten Kohlungsrückstandcs mit dem Sauerstotl aus dem Eisenoxid metallisches Eisen gebildet wird. Die Reaktionen in dieser Reduklionszonc laufen endotherm ab; die erforderliche Wärme wird der Reduktionszone auf clektro-thcrmischem Wege zugeführt.

Im unteren Bereich des Ofens ist eine Kühlzonc ausgebildet, wo kaltes I'ro/cßgas oder ein anderes Kühlgas durch das heiße Produkt hindurchgeführt wird, bevor dieses ausgetragen wird. Das kalte l'rozeügas tritt durch die Linialileitung 4(1 (vgl. die I ig. 1 und 2) in die Kühlzonc ein; oder es ist eine Kühlgassehleile vorgesehen, in deren Verlauf das Gas durch die Kühlzone zw ischcn dem liinlall KMI und dem Auslall M(I (vgl. Hg. 3) rezirkulieri wird.

Das aus dem Schachtofen ausgelragcnc Produkt enthält reduziertes Eisen. Asche aus der Kohle und einige Anteile an restlichem Kohlungsrückstand bzw. Kohlungsprodukt mit sehr kleiner Teilchengröße. Das ausgetragene Produkt wird gesiebt, um die reduzierten Pellets abzutrennen; anschließend wird das durch das Sieb hindurchgclrctcnc Material durch eine magnetisch arbeitende Trenneinrichtung geführt, um das !einteilige rcduzierte Material zu trennen.

Dem zugelührtcn Material kann in einem kleinen Anteil bis zu 5 Gew.-",, Kalkstein oder Dolomit zugeführt werden; diese reagieren mit dem Schwefel, der innerhalb des Ofens freigesetzt werden kann. Das dabei gebildete nicht-metallische Material wird von dem direkt reduzierten Eisen ebenfalls in der magnetisch arbeitenden Trenneinrichtung abgetrennt.

Als spezifische Beispiele für die Durchführung des crlindungsgemiißen Verfahrens in jedem der Öfen nach den I-ig. 1 bis 4 sind Berechnungen angestellt worden; diese Berechnungen berücksichtigen den Gasdurchsatz, die Gastemperatur und die Gaszusammensetzung an einer Anzahl von Stellen in dem zu jedem Ofen gehörenden I lulldiagramni. Diese Berechnungen beruhen auf einem zugelührten Oxidmaterial. das aus 97",, FciOj und 3"„ Gangart besteht. Als kohlenstoffhaltiger Brennstoff wurde eine Kohle mit angenähert der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet, nämlich 57.6% festem Kohlenstoff. 3,3",, Wasser, 29,0",, flüchtige Anteile und 10,1",, Asche; im Ergebnis handelt es sich hierbei um eine bituminöse Kohle mit einem hohen Anteil an P.üchtigen Anteilen (Grad A); den Berechnungen wurde ein Kohleanteil zugrundegclegt. der den theoretisch zu erwartenden Bedarf um 10",, übersteigt. Aus I Tonne eingesetzter Kohle sind ungefähr 0.11 nv' leer und Öl zu erwarten. In I m' Gichtgas sind 22 g leer und Öl enthalten. In der Reduktionszone ist eine Temperatur von 980° C vorgesehen. Für das lindprodukt ist ein Metallisierungsgrad von 92¹V, vorgesehen, wobei in der Vorreduktionszonc eine Metallisierung von 20",. erreicht wird. Durch die Anwendung von überschüssiger Kohle wird ein nicht-reagiert habender Kohlungsrücksiand erhalten, der zusammen mit dem metallischen Eisen aus dem Ofen ausgetragen wird. Dieser Kohlungsrücksiand kann magnetisch von dem Bisen getrennt und anschließend durch Flotation oder andere geeignete Mallnahmen von der Asche gelrennt werden. Der schließlich erhaltene Kohlungsrücksiand kann erneut in den Ofen eingeführt werden, wodurch der Kohlebcdarf im wesentlichen au! den theoretisch zu erwartenden Wert reduziert wird.

Mit den Tabellen 1 bis 3 sind die berechneten Betriebsdaten für einen Dircktreduktionsofen angegeben, der entsprechend der vorliegenden Erfindung betrieben wird. Die Gasanalysen sind typische Betriebsdaten an den mit den Überschriften angegebenen Stellen des Ofens; im einzelnen handelt es sich hierbei um die nachfolgenden Stellen;

A Gichtgas beim Austritt durch den Gichtgasauslaß 44;

B Gas. das den Wasserwäscher 60 verläßt;

C Gas, das durch den Auslaß V oder V, austritt;

D Gas. das durch den Einlaß 72 in den Ölen eintritt; E Gas, das durch den Einlaß 40 in den Ofen eintritt;

F Gas, das durch die Leitung 88 dem Brenner 90 zugeführt wird;

G Kühlgas, das aus der Kühlzonc durch den Auslaß 110 abgezogen wird; und

11 Kühlgas, das durch den Einlaß 100 in die Kühlzone eingeführt wird.

Die in den Tabellen angeführten Zahlenwerte beziehen sich auf m³ Gasdurchsatz pro t Produkt (NmVt).

Mit der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Betriebsdaten angeführt, die für den Betrieb eines Direktreduktionsolens entsprechend Fig. 1 oder Fig. 4 zu erwarten sind:

11

Libelle 1	mil.)	Λ	H	C	I	In die	mis der
						Kedukllons-	Kcdukilons-
	"„ CO					/iino	/one
	",. CO..					eintretendes	:iuslrclendes
	",. II;					C ι as	Ii ils
	".. HO	1.100	1260	500	760	760	12X0
Hurchsai/	··.. (11,
(Nni'/i I'	■·,. N-	3Wl	40	40	40	640	4X0
leiup. t		49.1	50.7	50.7	50,7	53.9	65,6
Aiwh Sw	23,3	24,1	24,1	24,1	20,4	X,3
	17.Γ	17,6	17.6	17,6	14.4	21.0
	4,0	6.0	6,0	6,0	4.2	4,5
	0,4	0.4	O.^l>	0.4	0,4	0.0
	0,7	0.7	0,7	0.7	0,7	0.6

Mil Libelle 2 siiul die Betriebsdaten angegeben, die liir ilen crnndungsgcnhUicn UcUich eines Dlrcklicikiklioiisolciis iwcli I iu. 2 /Li erwarten sind:

hibcllc 2

	■roil.)	Λ	H	ι	I)	1	1	in clic	aus dor
								Kcdiikllnns-	Kciliikllons-
	". ( O							/nno	/ono
	■·.. co-							dnlreleniles	austretendes
	·■.. H-							Cis	Cias
DLirciis.ii/	■·,. HO	1300	1 26'.)	44(1	.15	725	II)	760	12X0
(Nni'/t I	".. til,
1 jnip. (.	■·,. N.	360	4(1	40	4SO	40	40	6X0	4X0
Analyse	44.1	50.7	50.7	53.4	50,7	50.7	53.4	65.6
	23.3	24.1	24.1	20.4	24.1	24.1	20.4	X.3
	17.0	17,6	17,6	14,4	17,6	17,6	14.4	21,0
	4.0	6.0	6.(1	4.2	6.0	6.0	4,2	4.5
	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0,0
	0 7	0.7	0.7	0.7	0.7	0,7	0.7

Mil 1 abelle .1 sind die Betriebsdaten aulgelülirl. die für den crl'indungsgcmäUen Hctricb eines Dircktreduklinnsolens nach I- iu. 3 /u erwarten sind:

in die

aus der

Redukiions- Rcduktions-

/onc /»ine

cinlrelendcs austrelendos

Gas Gas

Durchsatz	CO	1300	1260	260	760	240
	,CO:
(NmVt Prod.)	„Η.	360	40	40	980	40
Temp. - C	u H;O	49.1	50.7	50,7	53,9	50,7
Analyse -'	,CH₄	23,3	24.1	24,1	20,9	24,1
	u N,	17.0	17.6	17,6	14,4	17,6
•	9.0	6.0	6,0	9,2	6.0
	0,9	0,9	0,9	0,9	0.9
•	0.7	0.7	0.7	0.7	0.7
I

725 725

760

660 40 980

53,9

20,9

14,4

9,2

0,9

0,7

1280

980

65,6 8,3

21,0 4,5 0,0 0,6

Mit der nachfolgenden Tabelle 4 sind Angaben zu der erforderlichen Energie für den Betrieb der Öfen nach Fig. I, 2 und 3 aufgefünrt.

Tabelle 4
Energiebedarf

Kohle (Gcal/t)

elektr. Energie (kWh/t)

2,17	826
2,17	811
2,17	700

Ofen nach Fig. 1
Ofen nach F i g. 2
Ofen nach F1 g. 3

Hierbei 1st zu beachten, daß der Energiebedarf für die Öfen nach den Fig. 1 und 2 im wesentlichen gleich Ist, während für den Ofen nach Fig. 3 ein geringfügig geringerer Energiebedarf erforderlich ist; der letztere Ist daher geringfügig leistungsfähiger.

Weiterhin wurden Untersuchungen zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes üblicher metallisierter Pellets mit einem Durchmesser von 12 mm durchgeführt, welche unterschiedlichen Metallisierungsgrad aufweisen. Mit Tabelle 5 sind die entsprechenden Werte aufgeführt, die aus einer graphischen Darstellung der ermittelten Ergebnisse erhalten worden sind.

Tabelle 5

Melalllslerungsgrad	elektrischer Widerstand
	(Ohm/Pellet)
10%	0,19
25%	0,14
50%	0,06
75%	0,025
95%	0,02

Es sind weiterhin Untersuchungen durchgeführt worden, um den elektrischen Widerstand der In Form eines gepackten Bettes vorliegenden Beschickung bei verschiedenen Temperaturen zu ermitteln; hierbei wurde davon ausgegangen, daü die Beschickung aus 89% üblicher PeI-

lets mit einem Durchmesser von 12 mm und einem angenährten Metallisierungsgrad von 90%, sowie 10% Kohlungsrückstände (0 12 mm) aus bituminöser Kohle mit geringen flüchtigen Anteilen, und \% Kalkstein (0 6 mm) besteht. In Tabelle 6 sind die Widerstandswerte aufgeführt, welche dem elektrischen Widerstand einer Beschickung entsprechen mit einem Oberflächenbereich von 1 m² und einer Tiefe von 1 m. In der nachfolgenden Tabelle sind Werte angegeben, die den In Kurvenform dargestellten Ergebnissen entnommen worden sind.

Tabelle 6 Temperatur

Widerstandswert (Ohm/m)

!00⁰C
300° C
500° C
700° C
900° C

0,0055
0,0033
0,0Q20
0,0012
0,0007

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt die bevorzugte Reduktionstemperatur im Ofen zwischen 900 und 1000" C. In diesem Temperaturbereich erfordert der Widerstandswert der Beschickung, ob diese nun hohen oder niedrigen Metallisierungsgrad aufweist, eine relativ hohe Stromdichte bei relativ niedriger Spannung; dadurch Ist es Im praktischen Umfang möglich, eine Widerstandsheizung der Beschickung durchzuführen, ohne dali aulwendige und komplizierte Mallnahmen /ur elektrischen Isolierung oder zur Erdung erforderlich sind.

Wie für Fachleute ersichtlich ist. ergibt sich aus den obigen Angaben, dall mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Elsen in einem Schachtofen vorgesehen ist, wobei als Ouelle für das Reduktionsmittel ein fester Brennstoff dient, und wobei der Bedarf an zusätzlich zugeführter Energie gegenüber den z. Zl. bekannten, im industriellen Malistab durchgeführten Direktreduktlonsanlagen stark verringert Ist; darüberhinaus gewährleistet die Erfindung einen leistungsfähigeren Betrieb solcher Anlagen, als das bislang möglich war.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Verfahren zur Erzeugung von Eisenschwamm durch Reduktion von teilchenförmigen! Elsenoxid mit einem Reduktionsmittel in einem durch direkte elektrische Widerstandsheizung beheizten vertikalen Schachtofen, wobei die Beschickung an der Oberseite des Schachtofens zugeführt, das teilchenförmlge Produkt am unteren Ende des Schachtofens ausgetragen wird, und ein bei der Reduktion gebildetes Abgas Im Gegenstrom durch die herabsinkende Beschickung geführt. Im oberen Bereich aus dem Schachtofen abgezogen und nach Reinigung und Kühlung erneut in den unteren Bereich des Schachtofens eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als alleiniges Reduktionsmittel ein teilchenförmlger, kohlenstoffhalllger Brennstoff wie Kohle, Koks oder Braunkohle verwendet und im Gemisch mit dem Eisenoxid dem Schachtofen als Beschickung zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff ein fester, nicht reagiert habender Kohlungsrückstand gebildet wird; dieser Kohlungsrückstand mit dem teilchenförmigen Produkt aus dem Ofen ausgetragen wird; der Kohlungsrückstand aus dem felntelllgen Produkt abgetrennt und erneut als teilchenförmiger kohlenstoffhaltiger Brennstoff In den Ofen eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschickung bis zu 5% Kalkstein, Dolomit oder ein Gemisch von Kalkstein und Dolomit zugesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das aus dem Ofen abgezogene Abgas In einem Wäscher gereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Wäscher aus dem Abgas abgetrennten Rückstände an einer Stelle unterhalb der Zuführung der Beschickung in das Innere des Schachtofens eingebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des gereinigten Abgases In die im Wäscher aus dem Abgas abgetrennten Rückstände eingeführt wird, um die Beförderung dieser Rückstände in den Ofen zu unterstützen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Schachtofen abgezogene, gereinigte und gekühlte Abgas vorgeheizt wird, bevor es erneut In den Schachtofen eingeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlgas in die Kühlzone im unleren Abschnitt des Schachtofens eingeführt wird; das erwärmte Kühlgas am oberen Ende der Kühlzone abgezogen wird; das abgezogene, erwärmte Kühlgas gekühlt und gereinigt wird; und das gereinigte Kühlgas erneul in die Kühlzone eingeführt wird.
8. Vorrichtung zur Reduktion von teilchenförmlgem Eisenoxid zu metallischem Elsen entsprechend dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7. mit

a) einem vertikalen Schachtofen mit einer Beschlkkungszuführung an der Oberseite des Ofens und einem Austrag für das reduzierte Produkt an der Sohle des Schachtofens, so daß innerhalb des Ofens eine unter der Wirkung der Schwerkraft herabsinkende Beschickung gewährleistet Ist;

b) einer ersten Elektrode im wesentlichen horizontal nahe der Sohle des Ofens angeordnet, weiterhin mit einer zweiten Elektrode im wesentlichen parallel zur ersten Elektrode nahe an der Oberseite des Ofens angeordnet, und mit einer äußeren Stromquelle zur direkten elektrischen Widerstandsbeheizung der Beschickung;

c) einem Gasauslaß im oberen Bereich des Schachtofens, um Abgas aus dem Schachtofen abzuziehen;

d) außerhalb des Schachtofens vorgesehene Einrichtungen zur Kühlung und Reinigung des abgezogenen Abgases, die über Leitungen mit dem Abgasauslaß verbunden sind;

e) mit der Einrichtung zur Kühlung und Reinigung des Abgases sowie mit dem Inneren des Schachtofens In Verbindung stehende Leitungen, um das gekühlte und gereinigte Abgas erneut In den unteren Bereich des Schachtofens einzubringen,

dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Elektrode wenigstens eine Scheibe aus wärmebeständiger Legierung gehört.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden drehbar angebracht sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden an einen oszillierenden Antrieb angeschlossen sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenscheiben an Ihrem Außenumfang Zähne aufweisen, so daß diese Elektroden als Clusterbrecher dienen können.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenscheiben aus einem radial nach außen abstehenden Brechsegment bestehen, das über einen Umfang von etwa 180 bis 270" der Elektrode vorsieht.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d-idurch gekennzeichnet, daß Fühler zur Ermittlung der Beschickungstemperatur vorgesehen sind.