DE2904768C2 - Verfahren und Anlage zur direkten Reduktion von Eisenerz - Google Patents

Verfahren und Anlage zur direkten Reduktion von Eisenerz

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Description

A) eine Teilung (6), die sich quer durch den oberen Teil des Schachtofens erstreckt,
b) mindestens eine Leitung (S), die von der Teilung (S) nach unten reicht,
c) Mittel zur Einleitung (4) von heißem Sauerstoff, der Im wesentlichen von Inertgasen frei Ist, und Dampf oberhalb der Teilung (6) sowie zum Einführen von Reduktionsgas (9) zwischen der Teilung (6) und dem Austragsrost (12),
d) MIttel zum Ableiten (7) des Gichtgases unmittelbar unterhalb der Teilung (6) und
e) MIttel zum Kühlen, Reinigen und Trocknen des Gichtgases (16, 17, 18, 21) und Einleiten eines Teiles " des gekühlten und gereinigten Gichtgases durch Leitungen (8, 11) In den Schachtofen (2) In der Nahe des Austragsrostes (12).
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Austragsrost (12) besteht aus:
(Ί> a) einem Oberteil (24) und einem Unterteil (26), die beide öffnungen (23 bzw. 2S) besitzen, wobei die öffnungen des Oberteils (24) sich nicht mit denen des Unterteils (26) decken,
b) Mittel zur Drehung (27, 28) des einen Rostteils (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.
Die Erfindung bezieht sich auf die sogenannte »direkte Reduktion« von Elsenerz mit festem Brennstoff, d. h.
eine Reduktion des Erzes bei Temperaturen 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 Reaktion getretenem Eisenoxid, Elsencarbid und freiem Kohlenstoff. Wenn das Material In einem Stahlofen zum Schmelzen gebracht wird, wird durch den anwesenden Kohlenstoff die Reduktion des Elsenoxids vervollständigt. . s
Direkte Reduktionsverfahren sind In den letzten Jahren aus verschiedenen Gründen zu wachsender Bedeutung gelangt. Sie lassen sich wirtschaftlich in kleineren Kapazitäten als in Hochofen durchfuhren. Die Anlagen eignen sich auch besser für eine Intermittierende Arbeitsweise als Hochöfen. Sie sind hinsichtlich der Verwendung von Brennstoffen vielseitiger als Hochöfen and 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.
Ein gebräuchliches oder in der Entwicklung begriffenes Verfahren verwendet Kohle als Quelle für das Reduktionsgas. Dabei wird eine Mischung von Kohle und Eisen in den Oberteil eines sehr großen geneigten Drehofens eingefüllt. An 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 Sauentoff 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 Fließbettvergasungsofen statt, und das Gas wird in einem hiervon getrennten Reduktionsofen verwendet.
Für direkte Reduktionsverfahren sind bereits eine außerordentlich große Zahl von amerikanischen Patenten erteilt worden. Daher sollen nur die der vorliegenden Erfindung besonders nahekommenden diskutiert werden.
Das amerikanische Patent 34 27013 von Cavanaugh bezieht sich auf einen »Niedertemperatur-Schachtofen«. In den Oberteil dieses Schachtofens 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 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 Arbeltsweise unter Bedingungen, die zur Bildung von Wasserstoff führen, das bekanntlich ein wirksameres Reduktionsmittel als Kohlenmonoxid darstellt; es beschreibt auch keine Ruckführung der Abgase, die einen großen Teil Stickstoff enthalten.
Das amerikanische Patent 38 53 538 von Nemeth beschreibt ein Verfahren, bei dem Kohle oder Braunkohle (wobei die Betonung auf der letzteren Hegt) in einer getrennten Vergasungsapparatur durch teilweise Verbrennung mit Sauerstoff, »wenig 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 Kohlendloxid entfernt. Ein Teil des gekühlten und gereinigten Gases wird wieder in den Unterteil des Schachtofens eingeleitet, um das Schwammelsen zu kühien. 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 27 86 747 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 Mittel-Punktes 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 >vaA Wasserstoff reagiert, um so die Reduktion des Eisenerzes zu bewirken. Dabei wird eine Temperatur von 950° C verwendet, die unter dem Schmelzpunkt des gekohlten Eisens Hegt. Am oberen Ende des Ofens wird eine Mischvng von Wasserstoff, V/asser, Kohlenmonoxid und Kohlendloxid abgezogen. Diese Gasmischung dient Im Oberteil des Ofens dazu, das Elsenerz vorzuerhltzen, wobei die Gase gleichzeitig gekohlt werden. Anschließend erfolgt eine weitere Kühlung, wobei das Kuhlendioxid entfernt wird, und die anderen Gase wieder am Boden des Ofens eingeleitet werden. Beim Aufsteigen durch das herabrutschende Elsenerz kohlen sie dieses und werfen Ihrerseits erhitzt. Anschlleßend nehmen sie an der Reduktion des Eisenerzes teil.
Das Verfahren bedarf der Verwendung einer elektrischen Heizung, die teuer Ist.
Die DE-OS 23 45 083 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion von Eisenerz unter Einsatz eines Schachtofens. Ein Gemisch aus Elsenerz und Kohle wird In den oberen Teil des Ofens eingeführt. Reiner Sauerstoff wird in den mittleren Teil des Ofens eingeblasen. Aus dem oberen Teil des Ofens wird Gichtgas abgezogen i>nd nach Abkühlung entweder In den unteren Teil eingeführt oder zunächst mit Koks reagiert, worauf das »reformierte« Gas In den Schachtofen eingeführt wird. Das reduzierte Elsen wird am Boden abgezogen. Es gibt keine physikalische Unterteilung zwischen Irgendwelchen Zonen des Schachtofens und keine Zuföhrune reduzierenden Gases mit Ausnahme am Boden.
Die DE-OS 26 59 670 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Direktreduktion von oxydischen Erzen. Hiernach wird das Erz oben In den Schachtofen eingeführt, wahrend ein reduzierendes Gas Im mutieren Bereich bei einer Temperatur von etwa 871° C oder höher eingeleitet wird. Gekohltes reduzierendes Gas wird
außerdem am Boden des Schachtes zugeführt. Dieses Verfahren befaßt sich nicht mit dem Einsatz eines festen
' Reduzierungsmittels Innerhalb des Schachtofens.
Keines dieser Patente und keine dem Erfinder bekannte Literatur beschreibt die Verwendung von Cellulosematerial, wie Holzabfallen, stadtischem Abfall oder Müll als Brennstoff bei einem modernen direkten Reduktionsverfahren. Aus Holz entstandene Holzkohle wurde natürlich bereits seit Jahrhunderten zur Reduktion von Elsenerz vor der Einführung von Koks verwendet.
Ό Der Erfindung Hegt die Ausgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anlage zur Durchführung eines direkten Reduktionsverfahrens unter Verwendung festen Brennstoffes aus vielseitigen Quellen, der hinsichtlich des Kapitalaufwandes wirtschaftlich eingesetzt werden kann, zu schaffen.
Gelost wlril cllcic Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Im Kennzeichen ilcs Haupinnspruchcs angegebenen Merkmale. Die Anlage zeichnet sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 11 aus. Hinsichtlich bevorzugter Ausfuhrungsformen des Verfahrens sowie der Anlage wird auf die Merkmale der Unteransprüche verwiesen.
Erz und Brennstoff, der aus Kohle (vorzugsweise bituminöser Kohle, Moorkohle oder Braunkohle), Holzkohle oder Irgendeinem Ceiiuiosemateriai (wie HufcäufSüen, Papier, städtischen?. Abf»ü, MuH »nd dergleichen) bestehen kann, wird in den Oberteil eines Schachtofens eingefüllt. In dem drei Zonen existieren. In der obersten Zone, der Vergasungs- und anfanglichen Reduktionszone, wird der Brennstoff durch geregelte Einleitung von Sauerstoff (von etwa 98%lger 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 Einleiten der Reduktion des Elsenerzes ein Gas entsteht, dsis In der Hauptsache aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, verdünnt mit Kohlendloxid und Dampf, entsteht.
2^ Das Erz, der Brennstoff und die Gase bewegen sich dann im Gleichstrom abwärts In die zweite 2'.one, die endgültige Reduktionszone. In dieser Zone findet die endgültige Reduktion des Erzes statt. In die Mitte dieser zweiten Zone werden heiße wasserstoffreiche Reduktionsgase eingeleimt.
Die Abgase werden aus dem Unterteil ebenso wie aus dem Oberteil der zweiten Zone abgezogen, gekühlt, von Staub und Kohlendloxid 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 katalytisch^ 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 1^ Teil der gereinigten Abgase wird von Wasserdampf befreit und In die Nähe der Unterteils des Ofens oberhalb und unterhalb des Rostes für Kühl- und Carbur!e-runes7wecke eingeleitet, wie dies welter unten beschrieben wird.
Das aus der zweiten Zone herabrutschende Schwammelsen tritt In die dritte Kühl- und Carburlerzorie ein im Gegenstrom zu den aufsteigenden, zurückgeführten und entwasserten Gasen, wie dies Im vorigen Absatz
•»ο 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 hler 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 Welse findet eine Zirkulation und Vermischung In der -)5 letzten Reduktionszone und in der Kühl- und Carburlerzone statt.
Die verwendete Brennstoffmenge ist beträchtlich höher als die stöchlometrisch erforderliche, so daß zusammen mit dem Schwammelsen 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.
so In den beiliegenden Zeichnungen stellt:
FI g. 1 eine schematische Erläuterung des Verfahrensablaufes gemäß der Erfindung dar.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Austragerost 12in Flg. 1.
Fig. 3 Ist eine Ansicht der Unterseite des Austragerostes.
F i g. 4 1st ein Schnitt durch den Austragerost, der die Entleerung an einem Teil des Rostes zeigt.
« Flg. 5 ist ein ebensolcher Schnitt wie Fig. 4, der jedoch die Entleerung an einem anderen Teil des Rostes /elgt.
Das Verfahren wird In einem gut isolierten, festen, vertikalen Schachtofen 2 durchgeführt, der am IKopf und am Boden Gasverschlüsse 1 und 13 aufweist. Innerhalb des Ofens befindet sich eine Teilung 6, die Austrlttsöffnungen S aufweist. In der Nähe des Bodens befindet sich der Austragerost 12, der im einzelnen näher beschrie- t*> ben wird. Über der Teilung 6 ist ein Gasbrenner 3 vorhanden. Eine Anzahl ringförmiger Rippen 14 innerhalb der inneren Umfangs verhindern ein unbeabsichtigtes Austreten der aufsteigenden und absteigenden Gase nach dem Hindurchströmen durch das Erz.
Andere Eintritts- und Austrittsöffnungcn sollen später beschrieben werden.
Eine Mischung von granuliertem oder zu Kngelchen zerkleinertem Eisenerz und festem kohlenstoffhaltigen as Brennstoff wird durch den GasverschluB 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 anfängliche Reduktionszone A über der Teilung 6, die endgültige Reduktionszone B In dem Teil
zwischen der Teilung 6 und dem oberen Glchlgas-Austrlttssystem 10 und die Kühl- und Carburlerzone C 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 mln<!~stens eine Reinheit von 98« haben, d. h. er soll Im wesentlichen von Stickstoff und anderen Inerten Gasen frei sein. Mindestens wahrend 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 7.W bis 950" C entsteht. Das Verbrennen der Gase In den Brennern 3 ι» 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 zugefQhrten Brenngase. Wenn die Temperatur zu hoch 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 2'/2 Atmosphären absolut 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 S ermöglicht.
Das Gas, das teilweise reduzierte Erz und der noch vorhandene pyrolytische Brennstoff (Im wesentlichen In Form von Kohle) rutscht nun In die Zone B, d. h. die endgültige Reduktionszone hinab.
B. Die endgültige Reduktionszone
Durch die Öffnungen des Leitungssystems 9, die über die Peripherie des Ofens 2 verteilt sind, strömt nun zusatzlicher 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 110 mit einem Druck von etwa 1 Atmosphäre absolut abgezogen. In dieser Zone wird der Hauptanteil des Brennstoffs vergast, und die Reduktion des Elsenerzes durch das Gas erfährt ihre Vervollständigung. In dieser Zone werden vorzugsweise Temperaturen von 750° bis 950" C aufrechterhalten. Je höher die Temperatur Hegt, um so rascher verläuft die Reduktion, aber die Tempera- vi tür soll nicht einen Bereich Oberstelgen, 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 Schachtes sich festsetzen könnte.
Die in den Zoner. A und B ablaufenden Reaktionen sollen nun diskutiert werden.
In der Zone B liegt der Brennstoff weltgehend In Form von Kohlenstoff vor, und die Reaktionen zwischen Kohlenstoff, heißem Dampf, Kohlendloxid und Sauerstoff können durch folgende Formeln wiedergegeben werden:
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 Hauptantell 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 Anteiie reagieren prompt mit Sauerstoff und Dampf, während der Kohlenstoff nach unten In 5n die Zone B rutscht.
Wie oben angegeben, wird fester Brennstoff In einer Menge angewendet, die das stochiometrische 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 etwa folgende Zusammensetzung aufweisen:
C H —► co2 H2
CO2 H > 2CO
C H * CO +
y o2
- C
r H2O
(Reduktionsgas) H2 29%
(Reduktionsgas) CO 64%
N2O <2%
CO2 4%
CH4 <ü\5%
Die Zusammensetzung schwankt jedoch und kann geregelt werden. Sie Ist eine Funktion der Art des kohlenstoffhaltigen Materials, der Reaktlonsternperatur Im Ofen usw. Indessen soll der Anteil der utsächlichen Reduktionsgase, d. h. des Wasserstoffs mit dem Kohlenmonoxid, mehr als 90% betragen.
Die Reaktion zwischen Elsenerz und dem Reduktionsgas wird durch Innigen Kontakt zwischen dem Elsenerz und den festen Materlallen begünstigt, aus denen das Reduktionsgas gebildet Ist, ferner durch den oberatmosphärischen Gasdruck und die kontinuierliche Verschiebung der Massen. Diese Verschiebung wird durch das Verfahren der Entleerung begünstigt, das welter unten beschrieben werden wird.
Die Reduktion des Erzes geschieht nach folgenden Reaktionsgleichungen:
Fe2O3 + 3H2 — 2Fe + 3H2O (4)
Fe2O3 + 3CO — 2Fe + 3CO2 (5) In FeO +H2 — Fe + H2O (6) FeO + CO — Fe + CO2 (7) C. Kühl- und Carburlerzone
In dem Gebiet unter dem Austrittssystem 10 wird das reduzierte Elsen durch Berührung mit einem getrockneten Reduktionsgas gekühlt, um eine Wlederoxldlening beim Kontakt mit Luft und Wasserdampf zu verhindern. Das getrocknete und gekühlte Cias, 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 Schwammelsen aufwärts. Das Kühlgas wird zusammen mit dem Abgas durch die Leitung 10 aus der Zone B abgezogen. Im oberen heißeren Teil der Zone C findet zwischen dem Elsen und dem Reduktionsgas eine Carburlerungsreaktlon gemäß folgender Gleichung statt.
» 3 Fe + CO + Hj - Fe,C + H2O (8)
Bei der Stahlherstellung Ist eine gewisse Menge an Elsencarbld erwünscht. Das l£lscncarbld dient zur Reduzierung des Im Elsen noch vorhandenen Eisenoxids. Ein kg Kohlenstoff In Form von Elsencarbld bildet etwa 6 kg Elsen aus FeO.
3d Bei dem direkten Reduktionsverfahren bestimmt das Verhältnis von metallischem Elsen zum gesamten Eisengehalt Im Endprodukt den sogenannten Mf.ialllslerungsgrad, der gewöhnlich In Prozenten ausgedrückt wird. Infolge der Fähigkeit des Elsencarblds, noch vorhandenes Elsenoxid Im elektrischen Ofen zu reduzieren, wird die Summe der Prozentzahl der Metallisierung plus dem 6fachen der Prozentzahl des vorhandenen Kohlenstoffs als »Metalllslerungsäqulvalent« bezeichnet. Die Carburierung während der Kühlung zeugt einen geringeren Metallisierungsgrad, und somit einen höheren Gesamtaustrag In der Reduzierzone, wobei Immer noch das gewünschte Meta!!!s!emngsSqu!vs!ent auf etwa 9i% gehalten werden kann.
Der Austrag durch den Rost 12 erfolgt in einer besonderen, jetzt näher zu beschreibenden Welse.
Der Rost 12 besteht, wie aus den Flg. 2, 3, 4 und S hervorgeht, aus zwei Elementen.
Er besteht aus einem oberen festen Rostbestandtell 24 und einem unteren drehbaren Rosuell 26. Der untere
jo 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 enthalt 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 3 öffnungen 25 dargestellt. Auf diese Welse 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 Zelten. So befindet sich gemäß Fig. 4 eine öffnung 25 mit der öffnung 23 In Deckung, während gemäß F1 g. 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 de: Fertigreduzierung und der Kühl- und Carburlerzone C.
Vi Das ausgetragene Material besteht aus carburlertem Schwammeisen,* Asche und Kohle. Die beiden letzteren Bestandteile werden von dem Schwammelsen, 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 EInIaB 1 wieder In den Kreislauf zurückgeführt. Wenn die Trennung nicht durchführbar ist, well die Aschenmenge zu gering ist, kann ein Teil der Asche und der Kohle entfernt und der Rückstand Im Kreise zurückgeführt werden. Es 1st indessen unerwünscht, eine größere Aschenmenge Im Kreislauf zurückzuführen.
Wenn der Brennstoff merkliche Mengen Schwefel enthalt, kann zusammen damit Kalk oder Dolomit zugesetzt werden. Obwohl grundsätzlich roher 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 vermeldet man die Entstehung von zusätzlichem Kohlendioxid innerhalb des Ofens. Die Anwesenheit von Kohlendioxid unterdrückt in gewissem Maße die Reduktion des Elsenerzes durch Kohlenmonoxid. Der sulfidische Kalkstein wird von dem Eisenerz durch Absieben, Schwerkrafttrennung und/oder magnetische Abscheidung entfernt und ausgetragen.
Gaskreislauf
Wie oben erwähnt, werden heißer Dampf und Sauerstoff durch die Leitung 4 In die Vergasungs- und anfäng-
(I
: liehe Kutluktlons/onc Λ mil c'ncin Druck von 2'/ί Atmosphären absolut clniiclcllcl, wahrend Urennna.s den
,:' llrcnncrn 3 unler etwas niedrigstem Druck von 2 Atmosphären absolut zugeführt wird. Hellldampl und mit
- Wasserstcff angereichertes Kohlenmonoxid und Kohlendloxidgas 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 s
« 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 des in der Zone A entstehenden Reduktlons-
% gases zusammen mit dem Brenngas, das durch die öffnungen S ausströmt, nach unten Im Gleichstrom mit dem
ψ. Elsenerz und der Kohle. Dieser Druckunterschied erzeugt auch eine Strömung des Heißdampfes und des mit
M Wasserstoff angereicherten Kohlenmonoxlds und Kohlendloxids nach oben und unten Innerhalb der Zone B, in
>' sowie eine Strömung des getrockneten Reduktionsgases aus den Leitungen 8 und 11 nach aufwärts durch die
Zone C. 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 naher beschrieben wird.
Zunächst v/ird das Gas einer Indirekten Wärmeaustauschung In Abhitze- oder Heizkesseln 16 unterworfen. (Infolge des Temperatur- und Druckunterschiedes 1st 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, COS und Schwefelwasserstoff, entfernt werden. Für diesen Zweck kann eine Kalklösung, ; Alkall oder Alkalicarbonat verwendet werden; vorzugsweise benutzt man jedoch sogenannte Benfleld-Lösungen
(heiße Pottasche-Lösungen) (vgl. Ullman Enzyklopädie der Technischen Chemie, 3. Auflage, Ergänzungsband Seite 472) oder Diäthanolamln (DEA), da diese Lösungen durch Sieden mit Dampf unter Freisetzung von Kohlendloxid 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 Claus-} Verfahren gewonnen werden. Das Kohlendloxid 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 Kühlgaszuleltungen 8 und 11 zurückgeführt. Ein anderer Tel! 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 1700° C 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 Luftverflüssigung und anschließender Destillation dient, um Sauerstoff vom Stickstoff und anderen Inerten Gasen zu trennen. Dieser Sauerstoff wird zusammen mit der Hauptmenge des Im Dampfkessel 19 erzeugten Dampfes durch die Leitung 4 In den Schachtofen 2 eingeleitet. Der letzte Teil des aus der Säurewasche 18 abströmenden Reduktionsgases wird mit Wasserstoff angereichert, dessen Reduktionsvermögen starker Ist als das von Kohlenmonoxid. Diese i Wasserstoffanreicherung findet Im Reaktlonsgefäß 20 gemäß der Wasser-Gas-Reaktlon statt:
Ka" ;or
CO + H2O (Heißdampf) ► H2 + CO2 (9)
Die Mischung von Heißdampf und an Wasserstoff angereichertem Gas, das Kohlenmonoxid und Koi.!;ndloxld enthält, wird In die Mitte (bei 9) der endgültigen Reduktionszone B eingeleitet.
Umweltaspekte
; Das einzige, in die Atmosphäre ausströmende Gas Ist das Verbrennungsgas aus dem Kamin 23, und das
'Λ Kohlendioxid aus den Gasverschlüssen 1 und 13. Da das Gichtgas vor seiner Verbrennung gereinigt wird,
; i handelt es sich bei diesen Verbrennungsgasen fast vollständig nur um Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff
j; und überschüssigen Sauerstoff aus der Verbrennungsluft. Bei der hohen Verbrennungstemperatur von 1500° bis
ä 1700° C verbrennen alle etwa anwesenden schädlichen Genichsstoffe. Der Staub wird aus dem Gas durch den
§j Wäscher 17 entfern». Das Wasser kann geklärt und Im Kreislauf zurückgeführt werden. Infolgedessen sollte
1 eine sehr geringe Verunreinigung der Luft oder der Wasserlaufe eintreten.
8| Städtische Abfälle und Müll schaffen vom Standpunkt der Umweltverschmutzung ein erhebliches Problem für
Ii die Gemeinschaft. Durch die vorliegende Erfindung wird nicht nur dieses Problem vermindert, sondern das
|| Abfallmaterial wird einem guten Zweck zur Reduzierung von Eisenerz zugeführt, wobei nützliche Gase für
H andere Zwecke gewonnen werden. Die Möglichkeit der Verwendung städtischer Abfalle und Müll als Brennstoff H mit Hilfe der besonderen Konstraktien des Ofens ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung. «
I Beispiel
I Ein geeigneter Ofen ist etwa 10,0 m hoch und hat einen Durchmesser von etwa 7,6 m in der Mitte. Er ist
1 leicht verjüngt, um der Volumenverminderung bei der Vergasung des festen Brennstoffes Rechnung zu tragen. « H Die Vergasungs- und anfängliche Reduktionszone A stelle eine im wesentlichen geschlossene Kammer dar,
m die von dem übrigen Schachtofen 2 durch die Teilung 6 abgetrennt ist. In dieser Kammer findet die hauptsäch-
M Hche Vergasungsreaktion statt Da es sich um eine im wesentlichen begrenzte Zone handelt, die von dem übri-
gen Teil des Schachtofens isoliert ist, vermag die Zufuhr von Heißdampf und Sauerstoff von 98%Iger Reinheit ^
zusammen mit der Verbrennung des regenerierten Gichtgases und eine? WasserverdOsung die Temperatur In der r;
Zone A und nierriurch das Ausmaß der Pyrolyse des festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zu regem. Aufgrund yj
dieser Tatsache ISSt sich das Verfahren an praktisch alle Arten festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs anpassen. %
Ein besonders vorteilhaftes Merkmal Ist die Eignung, cellulosehaltigen Material, wie Holzabfalle, stadtische ir? Abfälle und Müll, zu verwenden, wie dies oben beschrieben 1st
Theoretisch solite eine Tonne cellulosehaltigen Materials ausreichen, um drei bis vier Tonnen Eisenerz zu ί
reduzieren. Indessen ist es, wie oben schon ausgeführt, erwünscht, einen betrachtlichen Überschuß gegenüber %
diesen stöchiometrischen Mengen anzuwenden. Hierdurch wird sichergestellt, daß stark reduzierende Bedingun- ψ,
i" gen zu allen Zeiten vorhanden sind, und daß genügend Hitze erzeugt wird, um die Vergasung und die Reduk- 'j.%
Hon durchzuführen. '£$ Infolgedessen werden nach einer bevorzugten Ausführungsform gleiche Mengen stadtischer Abfall oder Müll V:
oder Holzabfälle und zerkleinertes Erz kontinuierlich dem Ofen 2 durch den Gasverschluß 1 zugeführt. In der ti
Zone A wird ein großer Anteil des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs vergast und der Rückstand In Kohle utnge- .·-■·
wandelt. Eisenerz und Kohle rutschen durch die Leitung S in die Zone B hinab, die die endgültige Reduktion bewirkt. In dieser Zone kann das Eisenerz 70% der Masse darstellen. Die Dichte der Erz-Kohlenstoff-Mischung in der Zone B der endgültigen Reduktion kann zu etwa 2600 kg/m1 angenommen werden; davon werden etwa 1800 kg Erz sein. Unter der Annahme eines Durchmessers von 7,6 m, einer Zonenhöhe von 3 m und einer Aufenthzltsdauer von 3 Stundete in der Zone, kann der Durchsatz etwa 2800 kg/täglich an Eisenerz, oder etwa 2000 Tonnen/taglich an Metall betragen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

  1. Patentansprüche:
    I. Verfahren zur direkten Reduktion von Elsenerz, bei weichem man das Elsenerz zusammen mit festem kohlenstoffhaltigem Material und Sauerstoff in den oberen Teil eines Schachtofens einfahrt, dadurcOIh
    s gekennzeichnet, daß man Dampf und ein Brenngas zusammen mit dem Elsenerz, dem festen kohlenstoffhaltigen Material und im wesentlichen von Inertgasen freiem Sauerstoff In eine Vergasungs- und anfängliche Reduktionszone In der Nahe des oberen Abschlusses der Schachtkammer einfahrt,
    eine heiße Mischung aus Dampf und an Wasserstoff angereichertem Kohlenmonoxid einer endgültigen Reduktionszone Im mittleren Teil des Schachtofens zuführt,
    Ό ein kühles, vom Wasser befreites Reduktionsgas, das im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. In den unteren Teil einer in der Nähe des Bodens des Schachtofens befindlichen Kühlzone einleitet und
    das Gichtgas aus einem oberen und unteren Teil der Zone der endgültigen Reduktion mit einer solchen Geschwindigkeit abzieht, daß ein Abwärtsströmen des Reduktionsgases aus der Vergasungs- und anfängliehen Reduktionszone bewirkt wird, wobei man diese Gase vom Mittelteil der endgültigen Reduktionszone nach oben und unten und durch die Kühlzone aufwärts strömen laßt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekühlte Schwammeisen absatzweise an seitlich voneinander getrennten Stellen abgezogen wird, um eine Bewegung und Zirkulation in der Kühlzone und der "Lucs, der endgültigen Reduktion herbeizuführen.
  3. 3. Verfisfeen nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Gichtgas zur Entfernung von Staub.
    Schwefel, Kohlendloxid und Wasser gekühlt und behandelt wird, worauf das so behandelte Gas als Reduktionsgas benutzt wird, das in die Kühlzone eingeleitet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gichtgas von Schwefel, Kohlendloxid und Wasser befreit wird und ein Teil des Gichtgases unter Erzeugung von Dampf und Abtrennung von
    H Sauerstoff aus der Luft verbrannt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gichtgas durch Entfernen von Staub, Kohlendloxid und Schwefel gereinigt und ein Teil des gereinigten Gases im Kreislauf wieder der Vergasungsund anfänglichen Reduktionszone zur Verbrennung zugeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kohlenmonoxid in dem gereinigten Gichtgas mn Heißdampf reagieren laßt, um das gereinigte Gichtgas an Wasserstoff anzureichern, worauf das so angereicherte Gas in den Mittelteil der endgültigen Reduktionszone Im Kreislauf zurückgeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl in der Vergasungs- und anfänglichen Reduktionszone ds aucrt in der Zone der endgültigen Reduktion eine Temperatur von 750° bis 950° C aufrechterhalten wird.
    JS
  8. 8. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungs- und anfängliche Reduktions
    zone Im wesentlichen aus einer geschlossenen Kammer besteht, die nahezu gegenüber dem übrigen Teil des Schachtofens abgeschlossen Ist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Material aus cellulosehaltigen! Material besteht.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste kohlenstoffhaltige Material aus
    Müll, städtischem Abfall, Holzabfall oder minderwertiger Kohle besteht
    II. Anlage zur direkten Reduktion von Elsenerz, bestehend aus einem festen Schachtofen mit Mitteln am oberen Ende des Schachtofens zur Zuführung von Erz In den Schachtofen, einem Austragsrost, der sich quer durch den Unterteil des Schachtofens erstreckt, Mitteln zum Einführen von Reduktionsgas sowie Mitteln zum Einleiten eines gekühlten Gases durch Leitungen In den Schachtofen In der Nähe des Austragsrostes, gekennzeichnet durch
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