DE2904768A1

DE2904768A1 - Verfahren und anlage zur direkten reduktion von eisenerz

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Publication number: DE2904768A1
Application number: DE19792904768
Authority: DE
Inventors: Jack Hsieh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-21
Filing date: 1979-02-08
Publication date: 1979-08-23
Also published as: GB2014616B; GB2014616A; DE2904768C2; US4160663A; JPS54126618A; CA1108865A; JPS5727923B2

Description

PATENTANWÄLTE

DR. KARL TH. HEGEL DIPL.-ING. KLAUS DICKEL

GROSSH BBRGSTRASSB 223 2000 HAMBURG 5O JULIUS-KRBIS-STRASSE 33 8000 MÜNCHEN

POSTFACH BO 08 62 TELEFON |ΒΒ|Πβ«>ΜΗ TELEFON (0 88) 88 52IO

(040) 3S2S9&

Telegramm-Adresse: Doellnerpstent Hamburg

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H 2939

2OOO Hamburg, den

Dr.He/mk

JAOE HSIES
Route 4, Box 9770
Eichland, Washington, 99352 V.St. A.

VEBIAHBEN UND ANLAGE ZUH DIEEEDEN EEDUEDION VON EISENEBZ

Die Erfindung bezieht sich auf die sogenannte "direkte Ee duktion " von Eisenerz mit festem Brennstoff, d.h. eine Eeduktion des Erzes "bei !Demperaturen unter dem Schmelzpunkt des Eisens, was zu sogenanntem "Schwammeisen" führt. Dieses Produkt besitzt,wie der Name bereits angibt, eine etwas poröse Struktur und enthält geringe Mengen von nicht in Seaktion getretenem Eisenoxid, Eisencarbid und freiem Kohlen-

Poatachaoklcontoi Hamburg 2Θ1220-20Β · Bank ι Dresdner Bank AOr Hamburg, Kto.-Nr. 8813 8Θ7

BLZ 20080000

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stoff. Wenn das Material in einem Stahlofen „zum Schmelzen gebracht wird, wird durch den anwesenden Kohlenstoff die Reduktion des Eisenoxids vervollständigt.

Direkte Reduktionsverfahren sind in den letzten Jahren aus verschiedenen Gründen zu wachsender Bedeutung gelangt. Sie lassen sich wirtschaftlich in kleineren Kapazitäten als in jäcnaofetöfen durchführen. Die Anlagen eignen sich auch besser für eine intermittierende Arbeitsweise als Sciwteörtöfen. Sie sind hinsichtlich der Verwendung von Brennstoffen vielseitiger als htöfen und erfordern nicht den teuren Koks, der für die letzten erforderlich ist. Zum Verkoken geeignete Kohle ist nicht in großem Umfang vorhanden und wird immer schwieriger und teurer erhältlich.

Das direkte Reduktionsverfahren besteht ursprünglich in einer Reduktion durch Gase, gewöhnlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Bei den meist verwendeten Verfahren wird gemäß Literaturangaben eine Mischung dieser Gase dadurch hergestellt, daß Naturgas durch Reaktion mit Dampf und Sauerstoff "reformiert" wird. In manchen Fällen sind auch andere Kohlenwasserstoffgase oder leichte Erdölfraktionen verwendet worden.

Wie jedoch allgemein bekannt ist, wird Naturgas zunehmend teurer, und zukünftige Lieferungen sind zweifelhaft. Daher besteht ein Anreiz zur Verwendung anderer Brennstoffe.

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Ein gebräuchlich.es oder in der Entwicklung begriffenes Verfah-* ren verwendet Kohle als Quelle für das Reduktionsgas. Dabei wird eine Mischung von Kohle und Eisen in den Oberteil eines sehr großen geneigten Drehofens eingefüllt. In verschiedenen Stellen längs des Ofens wird Luft eingeleitet, die eine teilweise Verbrennung der Kohle bewirkt, die Temperatur erhöht und Kohlenmonoxid bildet, das als Reduktionsmittel wirkt.

Bei einem anderen bereits vorgeschlagenen Verfahren wird die Kohle durch Reaktion mit Sauerstoff und Dampf vergast, wobei eine Mischung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff entsteht, die als Reduktionsgas verwendet wird. Bei diesem Verfahren findet die Vergasung der Kohle entweder in verdünnter Phase oder in einem KLießbettvergasungsofen statt, und das Gas wird in einem hiervon getrennten Reduktionsofen verwendet.

iiir direkte Reduktionsverfahren sind bereits eine ausserord;entlich große Zahl von amerikanischen Patenten erteilt worden. Daher sollen nur die der vorliegenden Erfindung besonders nahekommenden diskutiert werden.

Das amerikanische Patent 3,4-27jO13 von Cavanaugh bezieht sich auf einen'lNiedertemperatur-Schachtofen". In den Oberteil dieses SöÄ&elrfcofens wird eine Mischung von Erz mit Kohle, Koks oder Braunkohle eingefüllt. Zur lediglich teilweisen Verbrennung des Brennstoffes wird an verschiedenen Punkten im Oberteil des Ofens erhitzte Luft in genügender Menge eingeleitet, um so

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Kohlenmonoxid zu bilden, das durch, den Luftstickstoff weitgehend verdünnt ist. Das Erz wird durch Verbrennung des Brennstoffs allmählich aufgeheizt und durch das Kohlenmonoxid reduziert. Im untersten Teil des Schachtes wird das sogenannte "metallisierte Erz" durch, indirekten Wärmeaustausch,", mit der einströmenden Luft gekühlt. Der Ofen arbeitet unter überatmosphärischem Druck, wobei die Abgase in der Hauptsache am oberen Ofenende abgezogen werden. Ein Teil strömt jedoch abwärts zum Boden hinaus und dient dadurch als Luftabschluß.

Das Patent beschreibt keine Arbeitsweise unter Bedingungen, die zur Bildung von Wasserstoff führen, das bekanntlich ein wirksameres Reduktionsmittel als Kohlenmonoxid darstellt; es beschreibt auch keine Rückführung der Abgase, die einen großen Teil Stickstoff enthalten.

Das amerikanische Patent 3,853?538 vpn Nemeth beschreibt ein Verfahren, bei dem Kohle oder Braunkohle (wobei die Betonung auf der letzteren liegt) in einer getrennten Vergasungsapparatur durch teilweise Verbrennung mit Sauerstoff, "waaig oder keinem Dampf" und sehr wenig Stickstoff vergast werden soll. Das Gas, das angeblich in der Hauptsache aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, wird entschwefelt und in den Unterteil, aber oberhalb des Bodens eines Schachtofens eingeleitet. Das Abgas wird gewaschen, und das Kohlendioxid entfernt. Ein Teil des gekühlten und gereinigten Gases wird wieder in den Unterteil des Schachtofens eingeleitet, um das Schwammeisen zu

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• /H-

kühlen. Ein weiterer Teil wird mit dem Reduktionsgas entweder in der Gaserzeugungszone oder zwischen dieser und der Entschwefelungsvorrichtung gemischt.

Die Verwendung einer getrennten Gaserzeugungsvorrichtung kompliziert das Verfahren und erhöht den Wärmeverlust.

Das amerikanische Patent 2, 786,74-7 von Galluser beschreibt ein Verfahren, bei dem mit Kohle oder Koks vermischtes Erz in den Oberteil eines Schachtofens eingefüllt wird, während Dampf in der Nähe des Mittelpunktes eingeleitet wird. Der Mittelteil des Ofens wird elektrisch auf eine Temperatur erhitzt, daß der Dampf mit der Kohle oder dem Koks unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff reagiert, um so die Reduktion des Eisenerzes zu bewirken. Dabei wird eine Temperatur von 95O⁰O verwendet, die unter dem Schmelzpunkt des gekohlten Eisens liegt. Am oberen Ende des Ofens wird eine Mischung von Wasserstoff, Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid abgezogen. Diese Gasmischung dient im Oberteil des Ofens dazu, das Eisenerz vorzuerhitzen, wobei die Gase gleichzeitig gekühlt werden. Anschließend erfolgt eine weitere Kühlung, wobei das Kohlendioxid entfernt wird, und die anderen Gase wieder am Boden des Ofens eingeleitet werden. Beim Aufsteigen durch das herabrutschende Eisenerz kühlen sie dieses und werden ihrerseits erhitzt. Anschließend nehmen sie an der Reduktion des Eisenerzes teil.

Das Verfahren bedarf der Verwendung einer elektrischen Heizung,

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die teuer ist.

Keines dieser Patente und keine dem Erfinder bekannte Literatur beschreibt die Verwendung von Cellulosematerial, wie Holzabfällen, städtischem Abfall oder Müll als Brennstoff bei einem modernen direkten Reduktionsverfahren. Aus Holz entstandene Holzkohle wurde natürlich bereits seit Jahrhundert en zur Reduktion von Eisenerz vor der Einführung von Koks verwendet.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines direkten Reduktionsverfahrens unter Verwendung festen Brennstoffes aus vielseitigen Quellen, der hinsichtlich des Kapitalaufwandes wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Das Verfahren wird an einem festen Schachtofen durchgeführt, in dem die Vergasung des Brennstoffs und die Reduktion des Erzes stattfindet.

Erz und Brennstoff, der aus Kohle (vorzugsweise bituminöser

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Kohle\oder Braunkohle), Holzkohle oder irgendeinem Oellulosematerial (wie Holzabfällen, Papier, städtischem Abfall, Müll und dergleichen) bestehen kann, wird in den Oberteil eines Schachtofens eingefüllt, in dem drei Zonen existieren. In der obersten Zone, der Vergasungs- und anfänglichen Reduktionszone, wird der Brennstoff durch geregelte Einleitung von Sauerstoff (von etwa 98%iger Reinheit, der im wesentlichen frei von Stickstoff und anderen inerten Gasen ist) und Dampf vergast. Regeneriertes Gichtgas wird ebenfalls eingeleitet und verbrannt. Die Bedingungen werden so geregelt, daß beim Vorerhitzen und

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Einleiten der Reduktion des Eisenerzes ein Gas entsteht, das in der Hauptsache aus Kohlenmonoxid und Wasserstoffj verdünnt mit Kohlendioxid und Dampf- entsteht.

Das Erz, der Brennstoff und die Gase bewegen sich dann im Gleichstrom abwärts in die zweite Zone, die endgültige Reduktionszone. In dieser Zone findet die endgültige Reduktion des Erzes statt» In die Mitte dieser zweiten Zone werden heiße wasserstoffreiche Reduktionsgase eingeleitet.

Die Abgase werden aus dem Unterteil ebenso wie aus dem Oberteil der zweiten Zone abgezogen, gekühlt, von Staub und Kohlendioxid

und erforderlichenfalls von Schwefel gereinigt. Etwa 30 % der gereinigten Gase,(die im wesentlichen aus Wasser, Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehen), werden mit Luft vermischt und verbrannt, um heißen Dampf und die nötige Energie zur Extraktion des Sauerstoffs aus der Luft zu gewinnen. Der Rückstand der Gase wird in zwei Teile geteilt. Ein Teil wird durch katalytische Wassergasreaktion mit Wasserstoff angereichert. Dieses wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthaltende Gas zusammen mit sehr heißem Dampf wird in den oben erwähnten Mittelteil der zweiten Zone eingeleitet. Der andere Teil der gereinigten Abgase wird von Wasserdampf befreit und in die Nähe des Unterteils des Ofens oberhalb und unterhalb des Rostes für Kühl- und Carburierungszwecke eingeleitet, wie dies weiter unten beschrieben wird»

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Das aus der zweiten Zone herabrutschende Schwammeisen tritt in die dritte Kühl- und Carburierzone ein im Gegenstrom zu den aufsteigenden, zurückgeführten und entwässerten Gasen, wie dies im vorigen Absatz beschrieben ist. Diese Gase dienen zur Kühlung und Carburierung des aus der zweiten Zone herabrutschenden Schwammeisens, wobei sie in diesem Verfahren aufgeheizt werden. Sie gelangen zum Boden der zweiten Zone und werden hier zur Regenerierung abgesaugt.

Das Schwammeisen wird aus der dritten Zone durch einen beweglichen Rost ausgetragen, der das Material absatzweise in getrennten Anteilen ablegt. Auf diese Weise findet eine Cirkulation und Vermischung in der letzten Reduktionszone und in der Kühl- und Garburierzone statt.

Die verwendete Brennstoffmenge ist beträchtlich höher als die stöchiometrisch erforderliche, so daß zusammen mit dem Schwammeisen Kohle ausgetragen wird. Der überschüssige Kohlenstoff in der Eisenmischung erleichtert die Carburierung des Eisens und sorgt dafür, daß stark reduzierende Bedingungen in dem ganzen Ofen vorhanden sind.

In den beiliegenden Zeichnungen stellt:

Pig. 1 eine schematische Erläuterung des Verfahr ens ab lauf es gemäß der Erfindung dar.

Hg. 2 ist eine Draufsicht auf den Austragerost 12 in Pig.i. ]?ig. J ist eine Ansicht der Unterseite des Austragerostes.

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Pig. 4 ist ein Schnitt durch den Austragerost, der die Entleerung an einem Teil des Rostes zeigt.

Pig. 5 ist ein ebensolcher Schnitt wie Hg. 4-, der jedoch die Entleerung an einem anderen Teil des Rostes zeigt.

Das Verfahren wird in einem gut isolierten, festen, vertikalen Schachtofen 2 durchgeführt, der am Kopf und am Boden Gasverschlüsse 1 und 13 aufweist. Innerhalb des Ofens befindet sich eine Teilung 6, die Austrittsöffnungen 5 aufweist. In der Nähe des Bodens befindet sich der Austragerost 12, der im einzelnen näher beschrieben wird. Über der Teilung 6 ist ein Gasbrenner 3 vorhanden. Eine Anzahl ringförmiger Rippen 14-innerhalb des inneren Umfangs verhindern ein unbeabsichtigtes Austreten der aufsteigenden und absteigenden Gase nach dem Hindurchströmen durch das Erz.

Andere Eintritts- und Austrittsöffnungen sollen später beschrieben werden.

Eine Mischung von granuliertem oder^yzerkleinertem Eisenerz und festem Kohlenstoff-haltigen Brennstoff wird durch den Gasverschluß 1 eingefüllt, der mit dem aus dem Gichtgas extrahierten Kohlendioxid angefüllt ist.

Das Innere des Schachtofens 2 kann für das Verfahren in drei Zonen eingeteilt werden, und zwar die Vergasungs- und an-

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fängliche Reduktionszone A über der Teilung 6, die endgültige Reduktionszone B in dem Teil zwischen der Teilung 6 und dem oberen^Sustrittssystem 10 und die Kühl- und Carburierzone 0 im Unterteil des Ofens. Der in diesen Zonen sich abspielende Prozess soll nun im einzelnen beschrieben werden.

A. Die Vergasungs- und anfängliche Reduktionszone Eine heiße Mischung von Dampf und Sauerstoff wird durch die Leitung 4 eingeführt. Der Sauerstoff soll mindestens eine Reinheit von 98 % haben, d.h. er soll im wesentlichen von Stickstoff und anderen inerten Gasen frei sein. Mindestens während der Anfangsstadien des Verfahrens wird Brenngas, vorzugsweise Kohlenmonoxid und Wasserstoff, auch durch die Brenner 3 eingeleitet. Die Bedingungen werden so eingeregelt, daß eine Temperatur etwa im Bereich von 75O°bis 95O°O entsteht. Das Verbrennen der Gase in den Brennern 3 und die thermisch isolierte Wand des Schachtes helfen dazu, die Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Temperatur wird durch die Regelung des Verhältnisses und der Gesamtmenge des Dampfes und des Sauerstoffes kontrolliert, die bei 4 eingeleitet wird, sowie durch die den Brennern 3 zugeführten Brenngase. Wenn die Temperatur zuftoch wird, kann Wasser durch die Brenner 3 eingesprüht werden. Der feste Brennstoff unterliegt einer teilweisen Oxidation, einer Pyrolyse und einer Reaktion mit Dampf, wodurch ein hohe Mengen an Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendes Gas entsteht. Der Druck an der Stelle 4 wird auf etwa ^Atmosphären abso-

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lut gehalten, der Druck an den Brennern 3 auf etwa 2 Atmosphären absolut. Dies wird durch den Gasverschluß 1 und den Materialwiderstand gegen die Gasströmung in den Leitungen 5 ermöglicht»

Das Gas, das teilweise reduzierte Erz und der noch vorhandene pyrolytisch^ Brennstoff (im wesentlichen in Form von Kohle) rutscht nun in die Zone B, d.h. die endgültige Reduktionzone hinab.

B. Die endgültige Reduktionszone

flurch die Öffnungen des Leitungssystems 9s die über die Peripherie des Ofens 2 verteilt sind, strömt nun zusätzlicher heißer Dampf und eine an Wasserstoff angereicherte Mischung aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid mit einem Druck von etwa 2 Atmosphären absolut ein. Diese Einleitung befindet sich etwa in der Mitte der Zone B. Die Abgase werden durch die Leitungen 7 und 10 mit einem Druck von etwa 1 Atmosphäre absolut abgezogen» In dieser Zone wird der Hauptanteil des Brennstoffs vergast, und die Reduktion des Eisenerzes durch das Gas er-■fährt ihre Vervollständigung. In dieser Zone werden vorzugsweise Temperaturen von 75O°bis 950°0 aufrecht erhalten. Je höher die Temperatur liegt, umso rascher verläuft die Reduktion, aber die Temperatur soll nicht einen Bereich übersteigen, der deutlich unterhalb des Schmelzpunktes der Asche und der anderen feststoffe liegt. Eine solche niedrige Temperatur verhütet die Bildung einer Schlacke, die an der Innenwand des

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Schachtes sich festsetzen könnte.

Die in den Zonen A und B ablaufenden Reaktionen sollen nun diskutiert werden.

In der Zone B liegt der Brennstoff weitgehend in Form von Kohlenstoff vor, und die Reaktionen zwischen Kohlenstoff, heißem Dampf, Kohlendioxid und Sauerstoff können durch folgende Formeln wiedergegeben werden:

G +O₀ ^ GO^ (1)

GO₂ + G } 2GO (2)

H₂ (5)

In der Zone A ist die Situation etwas komplizierter und hängt von der Zusammensetzung des Brennstoffs ab. Wenn es sich um Koks oder Holzkohle handelt, werden im wesentlichen die gleichen Reaktionen, wie oben für Zone B angegeben, ablaufen. Wenn der Wasserstoffgehalt des Brennstoffs sich jedoch erhöht, kommen andere und kompliziertere Reaktionen zum Tragen, besonders im Fall von Cellulose, die den Hauptanteil von Holzabfällen, städtischen Abfällen, Müll und dergleichen ausmacht.

Dabei findet auch eine Pyrolyse der Cellulose unter Bildung von Kohlenstoff und flüchtigen Anteilen statt. Diese flüchtigen Anteile reagieren prompt mit Sauerstoff und Dampf, während der Kohlenstoff nach unten in die Zone B rutscht.

Wie oben angegeben, wird fester Brennstoff in einer Menge

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angewendet, die das stöchiometrische Verhältnis beträchtlich übersteigt, und durch Pyrolyse wird eine beträchtliche Menge an Kohlenstoff gebildet, die zusammen mit dem reduzierten Eisen ausgetragen wird.

Die entstandenen Gase können ebwa folgende Zusammensetzung aufweisen:

(Reduktionsgas) H₂ 29 %

( _M_ ) σθ 64- %

H₂O

GO₂ ■ 4 %

OH₄ <0,5 %

Die Zusammensetzung schwankt jedoch und kann geregelt werden. Sie ist eine Funktion der Art des kohlenstoffhaltigen Materials, der Reaktionstemperatur im Ofen usw. Indessen soll der Anteil der tatsächlichen Eeduktionsgase, d.h. des Wasserstoffs mit dem Kohlenmonoxid, mehr als 90 % betragen.

Die Reaktion zwischen Eisenerz und dem !Reduktionsgas wird durch innigen Ibntakt zwischen dem Eisenerz und den festen Materialien begünstigt, aus denen das Reduktionsgas gebildet ist, ferner durch den überatmosphärischen Gasdruck und die kontinuierliche Verschiebung der Massen. Diese Verschiebung wird durch das Verfahren der Entleerung begünstigt, das weiter unten beschrieben werden wird.

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• SO·

Die Reduktion des Erzes geschieht nach folgenden Reaktionsgleichungen:

Fe₂O₅ + 3H₂ - 2Fe + 3H₂O (4)

Fe₂O₅ + 300 - 2Fe + 30O₂ (5) FeO +H₂- Fe + H₃O (6) FeO + 00 - Fe + GO₂ (7)

0. Kühl- und Oarburierzone

In dem Gebiet unter dem Austrittssystem 10 wird das reduzierte Eisen durch Berührung mit einem getrockneten Reduktionsgas gekühlt, um eine Wiederoxidierung beim Kontatk mit Luft und Wasserdampf zu verhindern. Das getrocknete und gekühlte Gas, das im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, wird unter einem Druck von etwa 3 Atmosphären absolut über und unter dem Entleerungsrost 12 durch die Leitungen 8 und 11 eingeleitet; es strömt durch das herabrutschende Schwammeisen aufwärts. Das Kühlgas wird zusammen mit dem Abgas durch die Leitung 10 aus der Zone B abgezogen« Im oberen heißeren Teil der Zone 0 findet zwischen dem Eisen und dem Reduktionsgas eine Oarburierungsreaktion gemäß folgender Gleichung statt.

3 Fe + 00 +H₂ - Fe₅O + H₂O (8)

Bei der Stahlherstellung ist eine gewisse Menge an Eisencarbid erwünscht. Das Eisencarbid dient zur Reduzierung des im Eisen , noch vorhandenen Eisenoxids. Ein kg Kohlenstoff in Form von Eisencarbid bildet etwa 6 kg Eisen aus FeO.

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Bei dem direkten Reduktionsverfahren "bestimmt das Verhältnis von metallischem Eisen zum gesamten Eisengehalt im Endprodukt den sogenannten Hetallisierungsgrad, der gewöhnlich, in Prozenten ausgedrückt wird. Infolge der Fähigkeit des Eisencar-"bids, noch vorhandenes Eisenoxid im elektrischen Ofen zu reduzieren, wird die Summe der Prozentzahl der Metallisierung plus dem 6-fachen der Prozentzahl des vorhandenen Kohlenstoffs als "Metallisierungsäquivalent" "bezeichnet. Die Carburierung während der Eühlung erzeugt einen geringeren Metallisierungsgrad, und somit einen höheren Gesamtaustrag in der Reduzierzone, wobei immer noch das gewünschte Metallisierungsäquivalent auf etwa. 98 % gehalten werden kann.

Der Austrag durch den Rost 12 erfolgt in einer besonderen,jetzt näher zu beschreibenen Weise.

Der Rost 12 besteht, wie aus den Pig. 2, 3» 4- und 5 hervorgeht, aus zwei Elementen.

Er besteht aus einem oberen festen Rostbestandteil 24- und einem unteren drehbaren Rostteil 26„ Der untere drehbare Rostteil 26 trägt eine ringförmige Zahnstange 28, die in ein Kegelrad 27 eingreift, das von der Welle 29 angetrieben wird.

Der obere Rostteil 24- enthält eine Reihe von öffnungen 23, während der untere Rostteil 26 eine Reihe Öffnungen 25 aufweist, die gegenüber den Öffnungen 23 versetzt sind. Der Einfachheit halber sind in der Zeichnung nur 4· Öffnungen 23 und drei Öff-

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39-

nungen 25 dargestellt. Auf diese Weise deckt sich in einem bestimmten Augenblick lediglich eine Öffnung 25 mit einer Öffnung 23· Bei einer Drehung oder Schwingung der Platte 26 um ihre Achse mit Hilfe des Kegelrades 27 decken sich also verschiedene Öffnungen zu verschiedenen Zeiten. So befindet sich gemäß !ig. 4 eine Öffnung 25 mit der Öffnung 23 in Deckung, während gemäß lig. 5 sich eine Öffnung 25 mit der diametral gegenüberliegenden Öffnung 23 deckt. Dieser aufeinander folgende Austrag verschiedener Teile verursacht eine Verschiebung und Mischung des Materials in der Zone B der Fertigreduzierung und der Kühl- und Oarburierzone G.

Das ausgetragene Material besteht aus carburiertem Schwammeisen, Asche und Kohle. Die beiden letzteren Bestandteile werden von dem Schwammeisen, beispielsweise durch Absieben oder Magnettrennung abgesondert.

Wenn die Asche und die Kohle sich in ihren physikalischen Eigenschaften genügend unterscheiden, wird die Kohle am besten abgetrennt und durch den Einlaß Λ wieder in den Kreislauf zurückgeführt. Wenn die Trennung nicht durchführbar ist, weil die Aschenmenge zu gering ist, kann ein Teil der Asche und der Kohle entfernt und der Rückstand im Kreise zurückgeführt werden. Es ist indessen unerwünscht, eine größere Aschenmenge im Kreislauf zurückzuführen.

Wenn der Brennstoff merkliche Mengen Schwefel enthält, kann

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zusammen damit Kalk oder Dolomit zugesetzt werden. Obwohl grundsätzlich, roner Kalkstein oder Dolomit verwendet werden können, ist es vorzuziehen, das Material vorher zu calcinieren, und den so entstandenen gebrannten Kalk oder calcinierten Dolomit der Charge zuzusetzen. Dadurch vermeidet man die Entstehung von zusätzlichem Kohlendioxid innerhalb des Ofens. Die Anwesenheit von Kohlendioxid unterdrückt in gewissem Maße die Reduktion des Eisenerzes durch Kohlenmonoxid. Der sulfidische Kalkstein wird von dem Eisenerz durch Absieben, Schwerkrafttrennung und/oder magnetische Abscheidung entfernt und ausgetragen.

Wie oben erwähnt, werden heißer Dampf und Sauerstoff durch die Leitung 4- in die Vergasungs- und anfängliche Reduktionszone A mit einem Druck von 2 /2 Atmosphären absolut eingeleitet, während Brenngas den Brennern 3 unter etwas niedrigerem Druck von 2 Atmosphären absolut zugeführt wird. Heißdampf und mit Wasserstoff angereichertes Kohlenmonoxid und Kohlendioxidgas wird mit einem Druck von 2 Atmosphären absolut durch die Leitung 9 eingeleitet. Ein Kühlgas aus getrocknetem Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird mit einem Druck von 3 Atmosphären absolut durch die Leitungen 8 und 11 zugeführt. Der niedrigste Druck in dem Schachtofen herrscht an den Stellen 7 und 10, wo Gichtgas mit einem Druck von etwa einer Atmosphäre absolut abgezogen wird. Dieser Druckunterschied verursacht eine Strömung des in der Zone A entstehenden Reduktionsgases zusammen

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•34-

mit dem Brenngas, das durch die Öffnungen 5 ausströmt, nach unten im Gleichstrom mit dem Eisenerz und der Kohle. Dieser Druckanterschied erzeugt auch eine Strömung des Heißdampfes und des mit Wasserstoff angereicherten Kohlenmonoxid und Kohlendioxids nach oben und unten innerhalb der Zone B, sowie eine Strömung des getrockneten Reduktionsgases aus den Leitungen 8 und 11 nach aufwärts durch die Zone 0. Dieses Gas erhitzt sich und wird durch die Leitung 10 abgezogen.

Das durch die Leitungen 7 und 10 abgezogene Gas wird dann verschiedenen Behandlungen unterworfen und im Kreislauf zurückgeführt, wie dies im folgenden näher beschrieben wird.

Zunächst wird das Gas einer indirekten Wärmeaustauschung in Abhitze- ader Heizkesseln 16 unterworfen. (Infolge des Temperatur- und Druckunterschiedes ist es vorzuziehen, getrennte Einheiten für den Gasstrom aus der Leitung 7 und'denjenigen aus der Leitung 10 vorzusehen.) Das so entstandene heiße Wasser wird als Ausgangsmaterial für die Hoch-Temperatur-Kessel verwendet, wie es im folgenden näher beschrieben wird.

Das aus den Heizkörpern 16 ausströmende Gas, das noch warm ist, wird mit Wasser in den Wäschern 17 gewaschen, um Staub zu entfernen. Es wird dann zu einem Säurewaschturm 18 geleitet, wo die sauren Gase, nämlich Kohlendioxid, GOS und Schwefelwasserstoff, entfernt werden. Für diesen Zweck kann eine Kalklösung, Alkali oder Alkalicarbonat verwendet werdenj vorzugs-

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weise benutzt man jed-och sogenannte Benfield-Lösungen (heiße ,. Pottasche-Lösungen) (vergl. Ullman Enzyklopädie der Technischen Chemie, 3«Auflage, Ergänzungsband Seite 472) oder Diäthanolamin (DEA), da diese Lösungen durch Sieden mit Dampf unter Freisetzung von Kohlendioxid regeneriert und dann zurückgeleitet werden können. Der Dampf stammt von dem Hoch-Temperatur-Brenner und Dampfkessel 19· Der Schwefel kann aus den Gasen als Elementarschwefel nach dem 01aus-Verfahren gewonnen werden. Das Kohlendioxid wird unter Druck gesetzt und für die Gasverschlüsse 1 und 13 verwendet.

Das aus der Säurewäsche 18 abströmende Gas wird geteilt. Ein Teil wird in der Anlage 21 von Wasser befreit und zu den Kühlgaszuleitungen 8 und 11 zurückgeführt. Ein anderer Teil wird zur Speisung der Brenner 3 verwendet. Ein weiterer Teil wird zusammen mit Luft dem Hoch-Temperatur-Kessel 19 zugeführt, wo es bei einer Temperatur von 1500° bis 1700⁰G verbrannt wird, um Geruchsstoffe zu entfernen, bevor das Gas durch den Kamin 23 entweicht; gleichzeitig wird hierdurch überhitzter Dampf erzeugt« Ein Teil des Dampfes kann dazu verwendet werden, um Energie für die Sauerstofftrennanlage 22 zu liefern, die der Luft-verflüssigung und anschließender Destillation dient, um Sauerstoff vom Stickstoff und anderen inerten Gasen zu trennen. Dieser Sauerstoff wird zusammen mit der Haupt-

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menge des im Dampfkessel 19 erzeugten Dampfes durch die Leitung 4- iln den Schachtofen 2 eingeleitet. Der letzte Teil des aus der Säurewäsche 18 abströmenden Reduktionsgases wird mit

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Wasserstoff angereichert, dessen Reduktionsvermögen stärker ist als das von Kohlenmonoxid. Diese Wasserstoffanreicherung findet im Reaktionsgefäß 20 gemäß der Wasser-Gas-Reaktion statt:

00 + H₂O (Heißdampf) Katalysator H₂₊OO₂ (9)

Die Mischung von Heißdampf und an Wasserstoff angereichertem Gas, das Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthält, wird in die Mitte (bei 9) der endgültigen Reduktionszone B eingeleitet.

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Das einzige, in die Atmosphäre ausströmende Gas ist das Yerbrennungsgas aus dem Kamin 23, und das Kohlendioxid aus den Gasverschlüssen 1 und 13. Da das Gichtgas vor seiner Verbrennung gereinigt wird, handelt es sich bei diesen Verbrennungsgasen fast vollständig nur um Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff und überschüssigen Sauerstoff aus der Verbrennungsluft. Bei der flohen Verbrennungstemperatur von 1500° bis 1700°0 verbrennen alle etwa anwesenden schädlichen Geruchsstoffe. Der Staub wird aus dem Gas durch den Wäscher 17 entfernt. Das Wasser kann geklärt und im Kreislauf zurückgeführt werden. Infolgedessen sollte eine sehr geringe Verunreinigung der Luft oder der Wasserläufe eintreten.

Städtische Abfälle und Müll schaffen vom Standpunkt der Umweltverschmutzung ein erhebliches Problem für die Gemeinschaft. Durch die vorliegende Erfindung wird nicht nur dieses Problem

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vermindert, * Ur ·

sondern das Abfallmaterial wird einem guten Zweck zur Reduzierung von Eisenerz zugeführt, wobei nützliche Gase für andere Zwecke gexronnen xferden. Die Möglichkeit der Verwendung städtischer Abfälle und Müll als Brennstoff mit Hilfe der besonderen Konstruktion des Ofens ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung.

BEISPIEL·

Ein geeigneter Ofen ist etwa 10,Om hoch, und hat einen Durchmesser von etwa 7j6 m in der Mitte. Er ist leicht verjüngt, um der Yolumenverminderung bei der Vergasung des festen Brennstoffes Eechnung zu tragen*

Die Vergasungs- und anfängliche Redukti'onszone A stellt eine im wesentlichen geschlossene Kammer dar, die von dem übrigen Schachtofen 2 durch die Teilung 6 abgetrennt ist. In dieser Kammer findet die hauptsächliche Vergasungsreaktion statt. Da es sich um eine im wesentlichen begrenzte Zone handelt, die von dem übrigen Teil des Schachtofens isoliert ist, vermag die Zufuhr von Heißdampf und Sauerstoff von 98 %iger Reinheit zusammen mit der Verbrennung des regenerierten Gichtgases und einer Wasserverdüsung die Temperatur in der Zone A und hierdurch das Ausmaß der Pyrolyse des festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zu regeln. Aufgrund dieser Tatsache läßt sich das Verfahren an praktisch alle Arten festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs anpassen. Ein besonders vorteilhaftes Merkmal ist die Eignung, cellulosehaltiges Material, wie Holzabfälle,

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städtische Abfälle und Müll, zu verwenden, wie dies oben beschrieben ist.

Theoretisch sollte eine Tonne cellulosehaltigen Materials ausreichen, um' drei bis vier Tonnen Eisenerz zu reduzieren. Indessen ist es, wie oben schon ausgeführt, erwünscht, einen beträchtlichen Überschuß gegenüber diesen stöchiometrischen Mengen anzuwenden. Hierdurch wird sichergestellt, daß stark reduzierende Bedingungen zu allen Zeiten vorhanden sind, und daß genügend Hitze erzeugt wird, um die Vergasung und die Reduktion durchzuführen.

Infolgedessen werden nach einer bevorzugten Ausführungsform gleiche Mengen städtischer Abfall oder Müll oder Holzabfälle und zerkleinertes Erz kontinuierlich dem Ofen 2 durch den Gasverschluß 1 zugeführt. In der Zone A wird ein großer Anteil des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs vergast und der Rückstand in Kohle umgewandelt. Eisenerz und Kohle rutschen durch die Leitung 5 in die Zone B hinab, die die endgültige Reduktion bewirkt. In dieser Zone, kann das Eisenerz 70 % der Masse darstellen. Die Dichte der ErK-Kohlenstoff-Mischung in der Zone B der endgültigen Reduktion kann zu etwa 2600 kg/nr angenommen werden} davon werden etwa 1800 kg Erz sein. Unter der Annahme eines Durchmessers von 7,6i, einer Zonenhöhe von 3 m und einer Aufenthaltsdauer von 3 Stunden in der Zone, kann der Durchsatz etwa 2800 kg/täglich an Eisenerz, oder etwa 2000 Tonnen/täglich an Metall betragen.

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Claims

1. Verfahren zur direkten Reduktion von Eisenerz, bestehend aus folgenden Schritten:

(a) Einführen des Eisenerzes zusammen mit festem kohlenstoffhaltigem Material, Dampf, Brenngas und heißem Sauerstoff, der im wesentlichen von Inertgasen frei ist, in eine Vergasungsund anfängliche Reduktionszone im oberen Teil eines festen, vertikalen Schachtofens, Regelung der Zuführung des Sauerstoffs, des Dampfes und des Brennergases derart, daß eine (Temperatur aufrecht erhalten wird, die eine teilweise Verbrennung und Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials und dessen Reaktion mit dem Dampf bewirkt, um ein Reduktionsgas herzustellen, das aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht· unter Einleitung der Reaktion zwischen

diesem Reduktionsgas und dem Erz; lassen

(b) Abifärts strömen/des Eisenerzes, des kohlenstoffhaltigen Materials und des Reduktionsgases durch begrenzte Durchlässe in eine Zone der endgültigen Reduktionj

(c) Einführen einer heißen Mischung aus Dampf und an Masserstoff angereichertem Kohlenmonoxid in den Mittelteil dieser Zone der endgültigen

(ά) Abwärtsströmenlassen des Eisenerzes und des kohlenstoffhaltigen Materials durch die Zone der endgültigen Reduktion, wobei in dieser eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des metallischen Eisens, der Asche und der anderen festen Bestandteile aufrecht erhalten wird,die g'edoch genügend hoch ist, um eine Reduktion des Eisenerzes zu Schwammeisen herbeizuführen}

(e) Hiedersinkenlassen dieses Schwammen sens in eine ι Kühlzone j

(f) Einleiten eines kühlen, von Wasser befreiten Reduktionsgases, das aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, in den unteren Teil der Kühlzone j

(g) Abziehen des Gichtgases aus einem oberen und unteren Teil der Zone der endgültigen Reduktion mit solcher Geschwindigkeit, daß ein Abwärtsströmen des Reduktionsgases aus der Yergasungs- und anfänglichen Reduktionszone verursacht wird, wobei diese Gase vom Mittelteil der Zone der end gültigen Reduktion nach oben und unten und aufwärts durch die Kühlzone strömen;

(h) Abziehen des gekühlten Schwammeisens nach unten aus der Kühlzone j

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß das gekühlte Schwammeisen absatzweise an seitlich voneinander getrennten Stellen abgezogen wird, um eine Bewegung und Zirkulation in der Kühl zone und der Zone der endgültigen Eeduktion herbeizuführen.

3. "Verfahren nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gichtgas zur Entfernung von Staub, Schwefel, Kohlendioxid und Wasser gekühlt und behandelt wird, worauf das so behandelte Gas als Reduktionsgas be nutzt wird, das in die Euhlzone eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gichtgas von Schwefel, Kohlendioxid und Wasser befreit wird und ein Teil des Gichtgases unter Erzeugung von Dampf und Abtrennung von Sauerstoff aus der Luft verbrannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gichtgas durch Entfernen von Staub, Kohlendioxid und Schwefel gereinigt und ein iDeil des gereinigten Gases im Kreislauf wieder' der Vergasung^- und anfänglichen Eeduktionszone zur Verbrennung zugeführt wird.

6. Yerfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet« daß man das Sohlenmonöxid in dem gereinigten Giehtgas

mit Heißdampf reagieren läßt, um das gereinigte Gichtgas an Wasserstoff anzureichern, worauf das so angereicherte Gas in den Mittelteil der endgültigen Reduktionszone im Kreislauf zurückgeführt wird.

7- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl in der Vergasungs- und anfänglichen Reduktionszone als auch in der Zone der endgültigen Reduktion eine Temperatur von 750° bis 95O⁰O aufrecht erhalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungs- und anfängliche Redukti ons zone im wesentlichen aus einer geschlossenen Kammer besteht, die nahezu gegenüber dem übrigen Teil des Schachtofens abgeschlossen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoff-haltige Material aus Cellulosehaltigen! Material besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste kohlenstoffhaltige Material aus Müll, städtischem Abfall, Holzabfall oder minderwertiger Kohle besteht.

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11. Anlage zur direkten Reduktion von Eisenerz, "bestehend aus:

(a) einem festen Schachtofen, (2),

(b) einer Teilung (6), die sich quer durch den Oberteil des Schachtofens erstreckt,

(c) mindestens einer Leitung (5)» die von der Teilung (6) nach unten reicht,

(d) Mittel zur Zuführung (1) von Erz in den Schachtofen (2) oberhalb der Teilung (6),

(e) einem Austragrost (12), der sich quer durch den Unterteil des Schachtofens (2) erstreckt,

(f) Mittel zur Einleitung (4) von heißem Sauerstoff, der im wesentlichen von Inertgasen frei ist, und Dampf oberhalb der Teilung (6) und zum Einführen von Reduktionsgas (9) zwischen der Teilung (6) und dem Austragsrost (12),

(g) Mittel zum Ableiten (7) des Gichtgases unmittelbar unterhalb der Teilung (6),

(h) Mittel zum Kühlen, Reinigen und Trocknen des Gichtgases (16, 17,18,21) und Einleiten eines Teiles des gekühlten und gereinigten Gichtgases durch die Leitungea(8 und 11) in den Schachtofen (2) in der Nähe des Austragrostes (12).

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Austragsrost (12) besteht aus!

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(a) einem Oberteil (24) und einem Unterteil (26), die beide öffnungen (23 bzw. 25) besitzen, wobei die öffnungen des. Oberteils- (24) sich nicht mit denen des Unterteils (26) decken,

(b) Mittel zur Drehung (27,28) des einen Eostteils (26) gegenüber dem anderen Teil (24) um eine Mittelachse, wodurch das Material im Schachtofen ('2) nacheinander an getrennten Stellen mit Hilfe des Austragsrostes (12) abgelagert wird.

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