DE2850053A1

DE2850053A1 - Verfahren zum reduzieren von teilchenfoermigem metallerz

Info

Publication number: DE2850053A1
Application number: DE19782850053
Authority: DE
Inventors: Gilberto Guerra-Garcia; Enrique Ramon Martinez-Vera; Patrick William Mckay; Juan Federico Price-Falcon
Original assignee: Hylsa SA de CV
Current assignee: Hylsa SA de CV
Priority date: 1977-11-17
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1979-07-05
Also published as: GB2011474A; ES475213A1; MX152014A; SU1001863A3; AR218512A1; IT1109261B; IT7851902A0; IN150496B; US4150972A; DD140479A5; GB2011474B; DK509278A; RO76263A; GR72090B; BR7807464A; ZA786210B; JPS638161B2; NO783733L; JPS5499705A; CA1105710A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Gasreduktion von teilchenförmigem Metallerz zu Metallen in Teilchenform in einem
Fließbett-Vertikalschachtreaktor und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Schwammetall mit vorbestimmtem gewünschten Aufkohlungsgrad durch direkte Gasreduktion. In der folgenden
Beschreibung ist das Verfahren zur Erläuterung an der Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen beschrieben. Es ist für den Fachmann jedoch einzusehen, daß die Erfindung auch zur Behandlung von anderen als Eisenerzen eingesetzt werden kann.

Allgemein gesagt, muß man die Herstellung von Schwammeisen in einem Fließbett-Vertikalschachtreaktor im allgemeinen zweistufig durchführen. Zunächst wird dabei das Erz mit einem geeigneten - typischerweise größtenteils aus Kohlenmonoxid und
Wasserstoff bestehenden - heißen Reduziergas bei Temperaturen

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in der Größenordnung von 700 Ms 1000 ⁰G, vorzugsweise 750 bis 950 ⁰O reduziert und das resultierende Schwammeisen dann mit einem Kühlgas auf 100 bis 200 ⁰C - vorzugsweise unter 100 G abgekühlt. Ein Verfahren dieser Art lehrt die US-PS 3 765 872, nach der ein vertikales Reaktionsgefäß mit einer Reduktionszone im Oberteil und einer Kühlzone im Unterteil eingesetzt wird. Das zu behandelnde Erz fließt abwärts durch die Reduktionszone, wo es in einer Strömung aus heißem Reduziergas reduziert wird. Danach fließt das reduzierte Erz durch eine Kühlzone, in der es mit einem Kühlgasstrom behandelt wird. Das gekühlte Schwammeisen wird am Boden des Reaktionsgefäßes abgenommen. Üblicherweise werden sowohl das Reduzier- als auch das Kühlgas in geschlossenen Kreisläufen geführt, denen man Frischgas zuführt und aus denen erschöpftes Gas abgezogen wird.

Nach einem Verfahren der in der US-PS 3 765 872 beschriebenen Art hergestelltes Schwammeisen dient im allgemeinen als Quelle der Eiseneinheiten für die Stahlherstellung in elektrischen Lichtbogenöfen. Derartiges Schwammeisen enthält normalerweise einen bestimmten Anteil - beispielsweise 10 bis 20 Gew.-^ Eisenoxid, da es unwirtschaftlich ist zu versuchen, eine 100%ige Metallisierung des Erzes im Gasreduktionsofen zu erreichen. Wenn der Reduktionsgrad des eisenhaltigen Rohstoffs eine 100$ige Metallisierung näherkommt, wird es immer schwieriger und langwieriger, den verbleibenden Sauerstoff aus dem Rohmaterial zu entfernen; zusätzlich sind übermäßige Reduzier-

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gasmengen hierzu erforderlich. Während sich die Reduktionsreaktion in gewissem Ausmaß durch Erhöhen der Temperatur verstärken laßt, ist diese Temperaturerhöhung durch den Umstand begrenzt, daß die Arbeitstemperatur unter der Sintertemperatur gehalten werden muß, wenn das Schwammeisen leicht aus dem Ofen entfernbar bleiben soll.

Diese Temperaturgrenze gilt nicht für Elektroöfen, in denen eisenhaltiges Rohmaterial als Schmelze behandelt wird. Es ist theoretisch möglich, Elektroöfen mit beispielsweise 85#ig metallisiertem Schwammeisen zu beschicken und der Charge eine ausreichende Menge elementaren Kohlenstoff zuzugeben, um eine Reaktion mit dem in Eisenerz verbliebenen Kohlenstoff zu ermöglichen. Es ist jedoch schwierig, eine innige Berührung zwischen dem elementaren Kohlenstoff und den Schwammeisenteilchen im Elektroofen herzustellen - insbesondere da Kohlenstoff eine wesentlich geringere Dichte als das Eisen hat und sich von diesem abzutrennen neigt. Folglich wird man das Schwammeisen wünschenswerterweise aufkohlen, bevor man es in den Stahlofen füllt - beispielsweise im Reduktionsreaktor.

Dieses Aufkohlen von Schwammeisen mit einem kohlenstoffhaltigen Gas in einem Reduktionsgefäß ist beispielsweise in den US-PS¹η 3 136 624-, 3 748 120 und 3 765 872 sowie der GA-PS 508 951 offenbart. Es ist bekannt, daß im Betrieb eines Pließbettofens sich Kohlenstoff auf den metallhaltigen Teilchen sowohl in der Reduktions- als auch in der Kühlzone ablagert und daß unter ge-

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eigneten Bedingungen der größte Teil des abgelagerten Kohlenstoffs, wenn sogar dessen Gesamtmenge, zur Reaktion zu Eisenkarbid veranlaßt werden kann.

Verwendet man ein Eisenkarbid enthaltendes Schwammeisen als Speisematerial für einen Lichtbogen-Stahlofen, erreicht man eine Anzahl wichtiger Vorteile. Zunächst hat dieses Schwammeisen einen niedrigeren Schmelzpunkt, der das Schmelzen bei der Stahlherstellung erleichtert. Weiterhin ist der Kohlenstoff in der Form von Eisenkarbid wesentlich reaktionsfreudiger als geschütteter Kohlenstoff und stellt ein wirksameres Reduziermittel für den Restsauerstoff des Schwaimneisens im Elektroofen dar. Ein anderer Vorteil einer Benutzung von eisenkarbidhaltigem Schwammeisen ist, daß die Reaktion des Eisenkarbids mit Eisen(II-)-Oxidresten in Schwammeisen weniger Wärme als die Reaktion zwischen elementarem Kohlenstoff und Eisen(III)-oxid verbraucht.

Andere Vorteile der Verwendung von eisencarbidhaltigem Schwammeisen als Beschickung für Elektroofen ergeben sich aus dem Umstand, daß die Reduktion des restlichen Eisen(II)-oxids durch das Eisenkarbid zu Kohlenmonoxid führt, das durch die Schmelze aufwärts perlt und diese wünschensweifcerweise in Bewegung hält. Weiterhin erzeugt das abgegebene Gas eine leichte schaumige Schlacke, die die Elektroden umhüllt und dadurch die Strahlungsverluste zum Dach und den Wänden des Ofens verringert. Die schaumxge Schlacke ist weiterhin dahingehend vorteilhaft, daß, wo der Ofen mit dem Schwammeisen kontinuierlich beschickt wird,

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die Schwammeisenpellets vorgewärmt werden, während sie durch die Schlacke hindurchfallen, und zu reagieren beginnen, bevor sie die Schmelze erreichen.

Diese Vorteile lassen sich erreichen, ohne daß man die Wärmebelastung des elektrischen Ofens erhöht. Die Hauptreaktionen bei der .Reduktion des restlichen Eisenoxids mit dem Eisenkarbid lassen sich wie folgt darstellen:

Fe^ + FeO-^Fe + CO - 59.192 BTU (Endotherm) (1) CO + 1/2 O₂-^ CO₂ + 121.744 BTU (Exotherm) (2)

Aus diesen Beziehungen ist ersichtlich, daß, während die Reduktionsreaktion endotherm abläuft, sie zur Bildung von Kohlenstoff monoxid führt, das in einer stark exothermen Reaktion zu Kohlendioxid oxidiert wird. Die Reduktion des Eisen(II)oxid im Schwämmeisen durch den dort enthaltenen Kohlenstoff erzeugt also keine Zunahme des Wärmebedarfs des Elektroofens. Es hat sich allgemein herausgestellt, daß sich insgesamt Einsparungen und Wirtschaftlichkeitsvorteile erreichen lassen, wenn man die Gasreduktionsanlage so betnibt, daß das erzeugte Schwammeisen schwächer metallisiert wird als maximal erreichbar, und man das Schwammeisen in der Reduktionsanlage so weit aufkohlt, wie ausreicht, um die Reduktion im Elektroofen abzuschließen, so daß man die Hochtemperatur-Reduktionsfähigkeit des Ofens wirkungsvoll ausnutzt.

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Hinsichtlich der Aufteilung der Reduzierfunktion zwischen der Reduzieranlage und dem Elektroofen hat sich als zweckmäßig herausgestellt, einen Parameter anzuwenden, den man als "potentielle" oder "äquivalente Metallisierung kennzeichnen kann. Es hat sich herausgestellt, daß im allgemeinen jedes als Eisen(EEI)-carbid oder elementarer Kohlenstoff im Schwammeisen vorliegende Prozent Kohlenstoff in der Lage ist, etwa 6 % IeO im Elektroofen zu reduzieren. Man kann also sagen, daß -ein 85%ig metallisiertes Schwammeisen mit 2 % reaktionsfähigem Kunststoff eine potentielle Metallisierung von 97 % in dem Sinne aufweist, daß, wenn der Kohlenstoff des Schwammeisens vollständig mit dem anwesenden FeO-Rest reagiert, man eine 97%ige Metallisierung erhält.

Während eine gewisse Aufkohlung des Schwammeisens wesentliche Vorteile bringt, wie oben ausgeführt, ist sie in anderer Hinsicht nachteilig. Beispielsweise entstabilisiert eine übermäßige Aufkohlung den Lichtbogen im Stahlofen, so daß die feuerfeste Auskleidung des Ofens schneller verschleißt. Weiterhin muß die Aufbereitungsdauer verlängert werden, um überschüssigen Kohlenstoff zu entfernen. In vielen Fällen fällt der erwünschte Kohlenstoffanteil im Schwammeisen in den Bereich 1 bis 3 Gew.-%. Wie einzusehen ist, hängt die Praktizierbarkeit einer Schwammeisenherstellung mit vorbestimmtem erwünschtem Zusammenhang zwischen Metallisierung und potentieller Metallisierung, um die oben erläuterten Vorteile zu erreichen, wesentlich von der Einstellbarkeit des Aufkohlens im Reduzierschritt ab. Für eine ge-

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gebene potentielle Metallisierung sollte der Kohlenstoffanteil im Schwammeisen wünschenswerterweise innerhalb enger Grenzen gehalten werden.

Wie bereits erwähnt, ist es bekannt, Schwammeisen in der Reduzierzone eines Fließbettreaktors aufzukohlen. Beispielsweise lehrt die US-PS 3 74-8 120 das Aufkohlen von metallisierten Pellets in der Reduzierzone eines !ließbettreaktors. Das Aufkohlen in der Reduzierzone läßt sich jedoch nicht mit der gewünschten Genauigkeit einstellen, da die vorherrschende Forderung für die Reduzierzone ist, die Arbeitsbedingungen so einzustellen, daß man die optimale erwünschte Reduktion erhält. In gewissem Grad trifft das gleiche Dilemma auch auf die Kühlzone zu, wenn dort sowohl gekühlt als auch aufgekohlt werden soll. Wie jedoch in der US-PS 3765 872 dargelegt, gibt es eine Anzahl Methoden, dieses Dilemma hinsichtlich der Punktion der Kühlzone zu lösen.

Eine Schwierigkeit ist bei dem Versuch aufgetreten, eine präzise Steuerung der Aufkohlung in einem Reduktionssystem der in der US-PS 3 765 872 beschriebenen Art zu erzielen. Diese Schwierigkeit ergibt sich aus dem Umstand, daß das Ausmaß des Aufkohlens in der Reduzierzone so groß sein kann, daß das in die Kühlzone eintretende Schwammeisen bereits eine größere als die erwünschte Kohlenstoffmenge enthält. Dann kann man den Aufkohlgrad des erzeugten Schwammeisens nicht mehr einstellen, indem man oe

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das Aufkohlen in der Kühlzone steuert.

Es ist also ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung des Aufkohlens von Schwammeisen in einem Fließbett-Erzreduzierreaktor anzugeben. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Unterdrücken der Ablagerung von Kohlenstoff in der Reduzierzone eines solchen Reaktors anzugeben, so daß man eine effektive Kontrolle über die Aufkohlung in der Kühlzone des Reaktors erhält. Andere Ziele der Erfindung sind z.T. offensichtlich, zum anderen Teil wird auf sie direkt Bezug genommen.

Um die Einsicht in das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zu fördern, wird darauf verwiesen, daß die Reduktion des 3?eO in der Reduzierzone des Reaktors mit einem heißen Reduziergas erfolgt, das größtenteils aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff besteht, und zwar nach den folgenden Gleichungen:

CO + PeO > Fe + CO₂ (3)

H₂ + FeO *Fe + H₂O (4)

Die Aufkohlreaktionen, die gleichzeitig mit den Reduzierreaktionen auftreten, lassen sich wie folgt darstellen:

2GO ■ *C + CO₂ (5)

3C + Fe ^FeC₅ (6)

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Es ist "bekannt, daß Aufkohlreaktionen von Temperaturen in der Größenordnung von 500 bis 700 ⁰O gefördert werden und die Aufkohlung daher nahe der Mitte der Reduzierzone stattzufinden neigt. Aus der Gl. (5) ist zu erkennen, daß die Aufkohlrate in der Reduzierzone wesentlich beeinflußt wird nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Konzentration des Kohlenmonoxids im Reduziergas.

Es hat sich nun unerwarteterweise herausgestellt, daß, obgleich kohlenmonoxid nach Gl. (3) aufgebracht wird, die Heduzierzone oft insgesamt Kohlenmonoxid abgibt. Während die Erfinder nicht an eine besondere Theorie über den Grund dieser Tatsache gebunden zu sein wünschen, scheint dieses überraschende Ergebnis von einer Umsetzung des Kohlendioxids in Kohlenmonoxid im unteren Teil der Reduzierzone nach der Beziehung

+ H₂ > GO + H₂O - (7)

verursacht zu werden.

Diese Reaktion scheint im unteren Teil der Reduzierzone durch die dort vorliegende verhältnismäßig hohe Temperatur und die katalytische Beeinflussung der Reaktion durch das dort vorliegende Schwammeisen begünstigt zu werden. Es ist aus einer Untersuchung der GIn. (5) und (7) zu erkennen, daß die Reaktion der Gl. (7)? sofern sie stattfindet, eine Ablagerung von Kohlenstoff

nach der Gl. (5) sowohl durch Verringern der Konzentration des Kohlenstoffdioxids im Gas als auch durch Erhöhen der Konzentration des Kohlenmonoxids in diesem fördert.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Reduzieren von teilchenförmigen! Ketallerz zu Schwammeisenteilen im oberen Teil eines Vertikalschacht-Jließbettreaktors, in dem man ein heißes Reduziergas, das im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, aufwärts durch einen Teil des Betts fließen läßt, um das dort vorliegende Metallerz zu Metall zu reduzieren, wobei der Reaktor in seinem unteren Teil eine Kühlzone enthält, wo das Metall gekühlt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man das Reduziergas in einem Kreislauf führt, der die Reduzierzone sowie eine externe Leitung, die die Reduzierzone oben und unten miteinander verbindet, und einen Kühler enthält, um das Ausflußgas aus der Reduzierzone zu entwässern, daß man aus einer außerhalb des Kreises liegenden Quelle frisches Reduziergas diesem Kreis an einem Punkt zwischen dem Kühler und dem Reaktor zuführt und im oberen Teil der Reduzierzone dem Reduziergas Wasserdampf zuführt, um den Kohlenmonoxidanteil im Ausflußgas aus der Reduzierzone und damit das Aufkohlen in der Reduzierzone zu verringern.

Beim Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung wird die Bildung von elementarem Kohlenstoff und Eisen(IIl)-carbid in der Reduzierzone des Reaktors indirekt durch Verringerung des Kohlenmonoxidantexls des Gases in der Reduzierzone verkleinert·

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Insbesondere wird der Wasserdampfgehalt des Gases so eingestellt, daß die oben mit der Gl. (7) dargestellte Reaktion nach links getrieben wird, um die bekannte Wassergas-Verschiebereaktion

CO + H₂ > GO₂ + H₂O (8)

zu fördern.

Es hat sich herausgestellt, daß durch entsprechende Einstellung des Wasserdampfgehaltes des Reduziergases die Kohlenstoffbildung in der Reduzierzone erheblich verringert werden kann, da das in Gasstrom vorliegende Kohlenmonoxid vermutlich vorzugsweise nach der Gl. (8) zu Kohlendioxid, nicht nach der Gl. (5) zu elementarem Kohlenstoff reagiert. Insbesondere läßt sich der Kohlenanteil im Schwammeisen auf diese Weise unter den für das erzeugte Schwammeisen erforderlichen verringern, so daß man den Kohlenstoffanteil des Schwammeisens in der Kühlzone wirksam steuern und einstellen kann, ohne die Optimierung der Reduzierbedingungen in der Reduzierzone wesentlich zu stören.

Der Außenteil des Reduziergaskreises weist häufig zusätzlich zum Gaskühler eine Umlaufpumpe und eine Heizvorrichtung auf, um das Reduziergas erneut zu erwärmen, durch den das Ausflußgas aus dem Reaktor in Reihe strömt. Wasserdampf kann dem Umlaufgas beispielsweise unmittelbar vor dem Eintritt in die Heizvorrich-

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tang und auch unmittelbar in den Reaktor nahe dem Oberteil der Reduzierzone zugegeben werden. Weiterhin kann man Wasserdampf in das dem Reduziergaskreislauf zugeführte Auffrischgas eingeben, ebenso wie man getrennte Teile des Wasserdampfes an zwei oder mehreren dieser Orte im System zuführen kann. Zusätzlich kann man, wenn der Wasserdampfanteil des ausströmenden Reduziergases besonders hoch ist, ihn auf den gewünschten Wert absenken, indem man die Kühlwasserzufuhr zum Gaskühler nachstellt.

Durch das Zugeben von Dampf zum Reduziergas verdünnt man notwendigerweise auch dessen reduzierende Bestandteile. Gibt man den Dampf dem Speisegas zur Reduzierzone zu, verringert man das Verhältnis H₂ : (H₂ + HgO) erheblich, so daß man auch das Reduzierpotential des Gases am Boden der Reduzierzone verringert, d.h. dort, wo der letzte und schwierigste Teil der Reduktion stattfindet und ein hochwertiges Gas besonders wichtig ist.

Gibt man Dampf jedoch nahe der Spitze der Reduzierzone zu, wo die anfängliche und verhältnismäßig einfache Reduktion des Erzes stattfindet, hat die Verdünnung des Reduziergases durch den Dampf eine verhältnismäßig schwache Wirkung auf den Reduzierwirkungsgrad insgesamt. Auch ist die erwünschte Wassergas-Verschiebereaktion (Gl.(8) oben), die beim Einführen des Dampfes in das Reduziergas erfolgt, exotherm und trägt daher zum Erwärmen des frisch eingefüllten Erzes bei. Weiterhin ist das oben auf dem Bett vorliegende Eisenoxid ein guter Katalysator für die Wassergas-Verschiebereaktion und fördert also diese

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erwünschte Reaktion.

Die Zugabe von Wasserdampf zum Speisegas für die Reduzierzone hat zwar die oben erwähnten Nachteile, ist aber zuweilen vorteilhaft, nämlich in dem speziellen Fall, in dem das in die
Reduzierzone eingespeiste Gas erhebliche Methanmengen enthält beispielsweise wenn es sich bei dem dem Reduziergaskreislauf
zugeführten Auffrischgas um ein reformiertes, mit Methan oder Erdgas angereichertes Gas handelt oder als Auffrischgas Koksofengas dient. In diesem Jail kann der Wasserdampf mit dem
foethan nach folgender Formel reagieren:

+ H₂O > 3H₂ + 00 (9)

Auf diese Weise bilden sich weitere Mengen der erforderlichen Substanzen Wasserstoff und Kohlenmonoxid.

In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, ein Kompromißverfahren anzuwenden, d.h. einen kleineren Anteil des Dampfes dem Reduziergas bei Eintritt in den Reaktor, den größeren Anteil des Dampfes oben in die Erzfüllung in der Reduzierzone des Reaktors einzuführen.

Die Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen nun anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

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Pig. 1 zeigt schaubildlich ein Vertikalschacht-Fließbett-Reaktorsystem zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung ; und

!"ig. 2 zeigt ein entsprechendes System zur Durchführung eines abgeänderten Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.

Auf der rechten Seite der Pig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 allgemein einen Vertikalschachtreaktor mit einer Reduzierzone 12 im oberen Teil und einer Kühlzone 14 im unteren Teil. Der Reaktor 10 ist auf geeignete Weise wärmeisoliert ausgeführt und innen mit einem feuerfesten Werkstoff auf bekannte Weise ausgekleidet. Das zu behandelnde teilchenförmige Erz wird in den Reaktor 10 durch ein Beschickungsrohr 16 eingeführt; es kann in Form von Klumpen oder vorgeformten Pellets vorliegen. Es fließt abwärts durch die Reduzierzone, wo es von einem aufwärts strömenden Reduziergas größtenteils zu Schwammeisen reduziert wird, und dann durch die Kühlzone 14, wo es durch aufwärtsströmendes Kühlgas gekühlt wird. Es verläßt den Reaktor durch den Auslaß 18. Der Mittelteil des Reaktors 10 weist eine Ringleitung 20 auf, deren oberes Ende mit einer Ringschürze 22 eine Ringkammer 24 bildet, in die das Reduziergas aus einer Leitung 26 einströmt und die dieses um die Innenwand des Reaktors herum verteilt. Das Reduziergas strömt aufwärts durch die Reduzierzone 12 und verläßt den Reaktor durch ein Rohr 28.

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Der untere Teil der Ringleitung 20 ist verjüngt ausgeführt, wo sie in eine Ausgabekammer 30 übergeht und mit dieser eine Einlaßkammer 32 für das Kühlgas bildet, die Kühlgas aus der Leitung 34- aufnimmt und dieses entlang der Innenwand des Reaktors verteilt. Das Kühlgas strömt aufwärts durch die Kühlzone in
eine ringförmige Kühlgas-Auslaßkammer 36, die von der Ringleitung 20 und einem kegelstumpfförmig verlaufenden Leitring 38
gebildet wird. Die Kammer 36 dient zum Auffangen des Kühlgases am oberen Ende der Kühlzone und zum Abführen des Kühlgases an die Kühlgas-Auslaßleitung 40.

Wie links in der Zeichnung dargestellt, wird Reduziergas zum
Reduzieren des Erzes aus einer geeigneten Reduziergasquelle 50 zugeführt. Typischerweise kann es sich bei der Quelle um einen bekannten katalytischen Reformer handeln, in dem man eine
Mischung aus Erdgas und Wasserdampf zu einer Mischung aus
Wasserstoff und Kohlenmonoxid umwandelt. Alternativ kann man
Koksofengas - entweder wie erzeugt oder reformiert - einsetzen. Weiterhin kann man das Reduziergas aus anderen gasförmigen
Kohlenwasserstoffen als Erdgas oder auch aus flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohle herstellen.

Das Reduziergas aus der Quelle 50 strömt durch die Leitung 60 zum Reduziergaskreislauf und insbesondere zu einem Strömungsregler 62 in einer Leitung 64, der für eine vorbestimmte Strömung des Reduziergases zum Reaktor 10 sorgt. Das Reduziergas
wird in der Leitung 64 einer Heizvorrichtung 66 zugeführt, die

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es auf eine Temperatur von "beispielsweise 750 bis 950 G erwärmt, und strömt dann durch die Leitung 26 in den Reaktor, wie bereits beschrieben.

Das Ausflußgas aus dem Reaktor strömt durch das Rohr 28 in einen Abschreckkühler 80, der einen Teil des Wassers aus dem Gas kondensiert und Staub aus ihm entfernt. Das den Kühler verlassende Gas kann einem von zwei Wegen folgen. Es kann durch das Rohr 82 mit dem Rückschlagventil 84· zu einem Rückdruckregler 85 und durch diesen an die Atmosphäre abgehen, einer geeigneten Speichervorrichtung zugeführt oder sofort als Brenngas genutzt werden. Das Abflußgas aus dem Kühler 80 kann auch von der Leitung 82 über die Leitung 88, die Umlaufpumpe 90, die Leitung mit dem Ventil 94 zurück zur Leitung 64- und schließlich erneut in die Reduzierzone des Reaktors strömen. Normalerweise wird ein größerer Teil des Abgases aus dem Kühler 80 durch das Rohr 88 und die Pumpe 90 des Reduziergaskreislaufs, aber nur ein kleiner Teil vom Kreislauf durch die Leitung 82 abgezogen, um gespeichert oder abgelassen oder als Brennstoff benutzt zu werden.

Wie oben erwähnt, wird das reduzierte Erz mit einem Kühlgas in der Kühlzone 14 des Reaktors gekühlt. Links unten in der Zeichnung tritt Kühlgas in das System in eine Leitung 96 ein, die ein Absperrventil 98 und einen Strömungsregler 100 enthält. Theoretisch kann man eine breite Vielfalt von Kühlgasen einsetzen - beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxid, deren

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Mischungen, Methan oder anderes Kohlenwasserstoffgas, Kohlendioxid oder Stickstoff. Nach der vorliegenden Erfindung wird jedoch das Schwammeisen in der Kühlzone in einem gewünschten einstellbaren Ausmaß aufgekohlt; um dies zu erreichen, muß das Kühlgas eine kontrollierbare Menge aufkohlender Bestandteile enthalten, wie unten ausführlicher beschrieben. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, daß das Auffrisch-Kühlgas die gleiche Zusammensetzung hat wie das Auffrisch-Reduziergas, das die Quelle 50 liefert. Zu diesem Zweck ist die Leitung 60 an die Leitung 96 über ein Rohr 102 geführt, das das Absperrventil 104- enthält.

Beim Eintreten in den Kühlgaskreislauf strömt das Kühlgas zu einem Gebläse 106, dessen Auslaß an die Leitung 34 führt, die den selbsttätigen Strömungsregler 108 enthält. Das die Kühlzone durch die Leitung 40 verlassende Abgas strömt durch einen Kühler 110, da es kühlt und entwässert, und dann auf der Leitung 112 zurück zur Einlaßseite der Pumpe 106, um den Kühlgaskreislauf zu schließen. Kühlgas kann dem Kreislauf durch die Leitung 114 mit dem Strömungsregler 116 entnommen werden. In einigen Fällen ist die Zusammensetzung des Kühlgases derart, daß man es mit Vorteil in den Reduziergaskreislauf einspeisen kann. Zu diesem Zweck ist die Leitung 114 über ein Überführrohr 117 roi* dem Absperrventil 118 an die Leitung 88 so gelegt, daß das aus dem Kühlgaskreislauf abgezogene Kühlgas dem im Reduziergaskreislauf umlaufenden Gas zugegeben werden kann. Wenn das abgenommene Kühlgas nicht in den Reduziergaskreislauf ein-

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gespeist werden soll, kann das verbrauchte Kühlgas durch das Ventil 120 in der Leitung 114 auf die Leitung 82 gegeben und von dort an die Atmosphäre gelüftet, gespeichert oder als Brenngas genutzt werden.

Wie oben erläutert, will die Wassergas-Verschiebereaktion in der vorliegenden Erfindung normalerweise im oberen Teil der Reduzierzone auftreten und wird unterstützt, indem man Wasserdampf in den Reduziergaskreis einspeist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung speist man Wasserdampf in das System aus einem Speiserohr 130 ein; er strömt durch die Leitung 136 mit dem Ventil 138 in eine Sammelkammer 140, aus der er durch die Öffnungen 142 in den oberen Teil der Erzfüllung in der Reduzierzone einströmt. Weiterhin kann Wasserdampf von der Leitung 130 durch die Leitung 132 mit dem Ventil 134 zur Leitung 64 und von dort durch die Heizvorrichtung 66 zum unteren Ende der Reduzierzone 12 strömen. Schließlich kann man einen Teil des Wasserdampfes in den Reduziergaskreislauf durch die Düsen 142 einspritzen und einen zweiten, vorzugsweise kleineren Teil des Wasserdampfes auf der Leitung 132 in die Leitung 64 einspeisen.

Die einzusetzende Dampfmenge hängt von Einflußgrößen wie dem Wassergehalt des durch die Leitung 92 umlaufenden Gases, der Temperatur des dem Reaktor zugeführten Gases und dem Erzdurchsatz ab. Im allgemeinen liegt die zugegebene Dampfmenge im Bereich zwischen 1 und 20 Vol.-#. Typischerweise kann der dem

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Kreislauf rait der Leitung 132 zugeführte v;asserdampf etwa 1 bis 5 Mol.-# des umlaufenden Gases und die mit der Leitung 136 zugeführte Dampfmenge etwa 3 bis 15 Mol.-$ des umlaufenden Gases ausmachen.

Das in der Fig. 2 gezeigte System entspricht im allgemeinen dem der Fig. 1; zur Kennzeichnung entsprechender Teile sind daher gleiche Bezugszeichen "benutzt worden. Im System der Fig. 2 enthält der Reduziergaskreislauf einen separaten katalytischen Reaktor. Insbesondere strömt das Abgas aus der Reduzierzone 12 durch die Leitung 28 zum katalytischen Reaktor 150 und von dort durch die Leitung 152 zum Kühler 80. Wasserdampf wird dem Reaktor 150 auf der Leitung 154- mit dem Ventil 156 zugeführt. Wie oben erläutert, hat diese Ausführungsform der Erfindung den Nachteil, daß ein getrennter Anlagenteil erforderlich ist; sie hat jedoch den Vorteil, daß die Reaktion des Wasserdampfes mit dem Reduziergas sich unabhängig von den in der Reduzierzone des Reaktors abspielenden Reaktionen einstellen läßt.

Um das Wesen der Erfindung weiter zu erläutern, macht die folgende Tabelle I Angaben für eine Anzahl beispielhafter, mit und ohne Dampfzugabe durchgeführter Produktionsdurchläufe. In der Tabelle I drücken die Symbole F,, bis F₁- die Strömungen (in Standard-Strömungseinheiten) an jedem von fünf Punkten im System wie folgt aus:

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Rohr 60 Rohr 64 Rohr 34 Rohr 136 Rohr 132

Die Strömungseinheiten der Tabelle I ergaben sich, nachdem der Strömung des Auffrischgases Τ?* pro Tonne Erz im Durchgang Nr. der willkürliche Bezugswert von 100 Strömungseinheiten zugewiesen worden war. Die anderen Strömungswerte in der Tabelle geben die Strömung pro Tonne Erz gegenüber diesem Bezugswert an.

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Tab.

^Γ1 ^Γ2 ^r3 ^r4 ^f5

Durchlauf (Str.-. (Str.- (Str.- (Str.- (Str.-

Nr. einhei— einhei- einhei- einhei— einhei-

_________ ten) ten) ten) ten) ten)

Temp. Met. C-Gehalt

1
2

3
4
5
6
7

loo 68 68 7o 65 68 67

369 276 256

265 24o 249 242

135 113 113 117 Io9 99 Io5

27

14

Io

O 75o 93,9 4,7

O ' 85o 9o,4 2,9

O 85o 87,6 2,3

O 85o 9o,2 2,1

O 85o 84,9 2,2

8 85o 77,9 1,7

6 9oo 92,7 2,2

ro co cn O ο cn co

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Der Vergleich der Durchläufe 1 und 2 einerseits und der Durchlaufe 3 bis 7 andererseits zeigt, daß die Zugabe von Wasserdampf zum umlaufenden Reduziergas die Aufkohlung innerhalb der Reduzierzone erheblich abschwächt und damit erlaubt, die Aufkühlung in der Kühlzone wirkungsvoll zu steuern, wo eine Beeinflussung präziser möglich ist. Die vorgehende Beschreibung dient natürlich nur zur Erläuterung; an den offenbarten Einzelheiten lassen sich zahlreiche Änderungen durchführen, ohne den Grundgedanken und Umfang der Erfindung zu verlassen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.

Gl/He

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Claims

Patentansprüche

.1. Verfahren zum Reduzieren von teilchenförmigen! Metallerz zu Schwammmetallteilchen in einem Fließbett-Vertikalschachtreaktor mit einer Reduzierzone in dessen oberen Teil, in der ein im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes heißes Reduziergas durch einen Teil des Betts geführt wird, um dessen Metallerz zu Metall zu reduzieren, und mit einer Kühlzone in dessen unterem Teil, um das Metall zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß man das Reduziergas in einem Kreislauf führt, der die Reduzierzone und eine externe Leitung, die den Oberteil der Reduzierzone mit ihrem Unterteil verbindet und einen Kühler zum Entwässern des Abgases aus der Reduzierzone enthält, daß man frisches Reduziergas aus einer außerhalb des Kreislaufs liegenden Quelle an einem Punkt desselben zwischen dem Kühler und dem Reaktor einführt und dem Reduziergas im oberen Teil der Reduzier zone Viasserdampf zugibt, um den Kohlenmonoxidgehalt des Abgases aus der Reduzierzone und damit das Ausmaß der Aufkohlung in der Reduzierzone zu verringern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man heißes Reduziergas dem Reaktor nahe dem unteren Ende der

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Reduzierzone zuführt, damit es aufwärts durch, das Bett aus metallhaltigem Material in der Zone strömt, vom Reaktor oben Gas abzieht und es kühlt, um Wasser aus ihm zu entfernen, das gekühlte Gas erneut erwärmt, um das dem Reaktor zugeführte heiße Gas auszubilden, und das frische Reduziergas aus der externen Quelle dem Kreislauf zwischen dem Gaskühl- und dem Gaserwarmungspunkt des Kreislaufs zuführt.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen 'feil des gekühlten Gases aus dem Kreislauf abzieht und frisches Reduziergas aus der externen Quelle dem Kreislauf zwischen dem Gasabnahme- und dem Gaserwarmungspunkt im Kreislauf zuführt.
4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Reduziergas insgesamt zwischen J und 15 Molprozent Wasserdampf zugibt.
5· Verfahren nach Anspruch 2 oder 3i dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil des Dampfes dem Kreislauf zwischen dem Frischgaseinlaß und dem Reaktor und einen zweiten Teil des Dampfes dem Reaktor im Oberteil der Reduzierzone zuführt.
6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß man einen größeren Teil des Dampfes dem Reaktor am Oberteil der Reduzierzone und einen kleineren Teil des Dampfes dem Kreislauf zwischen dem Frischgaseinlaß und dem Reaktor zuführt.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man dem umlaufenden Reduziergas Dampf in einer Menge von 1 bis 5 Kolprozent zugibt.
8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metallerz um Eisenerz
handelt, das man zu Schwammeisen reduziert.

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