DE2919552A1 - Verfahren zur herstellung eines aschefreien kohleartigen reduktionsmittels aus kohlenmonoxid enthaltenden gasgemischen - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines aschefreien kohleartigen reduktionsmittels aus kohlenmonoxid enthaltenden gasgemischen

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Jack Louis Blumenthal
Maksymilian Burk
Neal Allen Richardson
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Description

Redondo Beach, California 90278 / V.St.A. Unser Zeichen; T 5243
Verfahren zur Herstellung eines aschefreien kohleartigen Reduktionsmittels aus Kohlenmonoxid enthaltenden Gasgemischen
Die Erfindung betrifft den Ersatz eines Teils des in Erzreduktionsverfahren verwendeten kohlehaltigen Materials, in der Regel teurer metallurgischer Koks, durch ein aus Kohlenmonoxid gewonnenes kohlehaltiges Reduktionsmittel mit hohem Reinheitsgrad.
Dieses nahezu aschefreie kohleartige Reduktionsmittel zur Verwendung in Reduktionsverfahren wird durch Gewinnung von Kohle aus nicht-verbrauchtem Kohlenmonoxid erhalten. Das Kohlenmonoxid kontaktiert dabei einen Katalysator, welcher die Bildung von Kohle auf dem Katalysator begünstigt. Da die Abgase von vielen Metallerz-Reduktionsverfahren, bei denen Koks verwendet wird, eine beträchtliche Menge Kohlenmonoxid enthalten, kann dieses
Dr.Ha/Ma
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-D-
Kohlenmonoxid wiedergewonnen und zur Bildung des Reduktionsmittels verwendet werden, welches dann in den Reduktionsprozeß unter Ersatz eines Teils des verbrauchten Kokses zurückgeführt wird. Vorausgesetzt, daß der Hauptteil des Kohlenmonoxids in den. Abgasen wiederverwendet wird, erzielt man sehr gute Kosteneinsparungen, wenn dieses aschefreie Reduktionsmittel an Stelle des Kokses verwendet wird. Außerdem kann in einigen Fällen das zu reduzierende Erz selbst als Katalysator dienen. Da dieser Erzkatalysator mindestens teilweise während der Herstellung des Reduktionsmittels reduziert wird, stellt dies einen weiteren Vorteil dar.
Wenn das erfindungsgemäß erhaltene Reduktionsmittel die Form von Briketts erhält, wird es als synthetischer Koks bezeichnet, wenn es sich in Pulverform befindet, und somit in einen Hochofen durch dessen Rohrleitungen eingeblasen werden kann, wird es als Einblasmaterial bezeichnet. Das hochreine kohleartige Reduktionsmittel ist nahezu asche- und schwefelfrei und besitzt ein hohes Kohlenstoff:Wasserstoffverhältnis. Demgemäß eignet sich dieses kohleartige Reduktionsmittel in idealer Weise zum Ersatz eines Teils des Kokses. Das zur Herstellung des hochreinen kohleartigen Reduktionsmittels verwendete Kohlenmonoxid stammt vorzugsweise aus bei dem Reduktionsverfahren als Nebenprodukt anfallenden Gasgemischen. Dieses im wesentlichen schwefelfreie heiße Kohlenmonoxid reagiert bei Kontakt mit einem geeigneten Katalysator unter Bildung des kohleartigen Reduktionsmittels. Geeignete Katalysatoren können das Metallerz umfassen, welches bei dem Reduktionsverfahren behandelt wird. In diesem Falle wird ein solches Metallerz teilweise reduziert und es kann dem Reduktionsprozeß zusammen mit dem hochreinen kohleartigen Reduktionsmittel zugeführt
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werden. Wenn der Katalysator aus dem zu reduzierenden Metallerz besteht, kann das kohlehaltige Reduktionsmittel als aschefrei angesehen werden. Wenn der Katalysator ein anderes Metall oder Metallerz als das zu reduzierende Erz ist, besitzt das kohleartige Reduktionsmittel einen geringen Aschegehalt.
Obwohl die Erfindung auf viele verschiedene, Kohlenmonoxid enthaltende Gasgemische, einschließlich der Abgase eines basischen Sauerstoffofens und aus Kohle erhaltenes Generatorgas, Anwendung finden kann, besteht doch die bevorzugte Ausführungsform in der Bildung von hochreinem kohleartigem Reduktionsmittel aus den Abgasen eines Hochofens (Hochofen-Gichtgas) .
Hochofengase mit hohen Konzentrationen an Kohlenmonoxid werden derzeit als ziemlich geringwertige Quelle für Wärme oder Brennstoff angesehen. Bei üblichen Reduktionsverfahren geht somit ein beträchtlicher Anteil des Reduktionspotentials des teuren Kokses verloren. Die Erfindung schafft nun die Möglichkeit der Wiedergewinnung durch katalytische Umwandlung eines Teils des Kohlenmonoxids in hochreines kohlenartiges Reduktionsmittel, welches dann dem Hochofen unter Ersatz eines Teils des Kokses zugeführt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der Koks wirkungsvoller zur Erzreduktion ausgenutzt. Erfindungsgemäß lassen sich mindestens 50 % des in den Hochofenabgasen enthaltenen Kohlenmonoxids ausnutzen und es wurde bereits eine über 80%ige Ausnutzung erzielt. Dies macht die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber Erzreduktionsverfahren deutlich, welche das Kohlenmonoxid nicht als Reduktionsmittel zurückgewinnen, welches dann dem Hochofen wieder zugeführt wird.
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Wenn von einer weitgehenden Ausnutzung des Kohlenmonoxids in dem Abgas gesprochen wird, ist ru berücksichtigen, daß nicht das gesamte Kohlenmonoxid in das Reduktionsmittel umgewandelt wird. Das Kohlenmonoxid wird bei seinem Kontakt mit dem Katalysator gemäß den folgenden Gleichungen in Kohlenstoff übergeführt:
Katalysator
(1) 2 CO C + CO2
Katalysator
(2) CO +- H2 C + H2O
Gleichung (1) stellt die Hauptreaktion dar, nämlich die Disproportionierung von Kohlenmonoxid; Gleichung (2) ist die Sekundärreaktion. Wenn somit 80 % des- Kohlenmonoxids ausgenutzt werden, wird nur etwa die Hälfte desselben in das Reduktionsmittel umgewandelt.
Nach seiner Bildung kann das hochreine kohleartige Reduktionsmittel von dem Katalysator abgetrennt werden oder auch nicht und dann in die Redukti ons zone eingebracht werden, und zwar typischerweise entweder in Form fester Teilchen oder in Form von Briketts. Bei einem Hochofenprozeß wird das teilchenförmige Material vorzugsweise als Koksersatz durch die Eeitungen des Hochofens int Nähe seiner Basis eingeblasen. Die Brikettform wird in solche Öfen durch die Kokszuführung oben auf den Ofen aufgegeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wo das Metall oder das Metallerz in einer Reaktionszone einer Behandlung unterworfen wird und das Metall oder das Metallerz gleichzeitig ein geeigneter Katalysator für die Kohleabscheidung ist, kann der Katalysator selbst und wird auch bevorzugt zusammen mit dem hochreinen kohleartigen Reduktionsmittel
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in die Reaktionszone eingeführt. Wenn so Eisenerz in einem Hochofen mit Koks als kohlehaltigem Material zu Eisen reduziert wird, kann das Eisenerz zur Katalyse der Reaktion von Kohlenmonoxid zu hochreinem kohleartigem Reduktionsmittel verwendet und dann zusammen mit dem hochreinen kohleartigen Reduktionsmittel in den Hochofen eingeführt werden.
Das hochreine kohleartige Reduktionsmittel besitzt einen niedrigen Asche- und Schwefelgehalt und ist im chemischen Sinne metallurgischem Koks überlegen. In typischer Weise beträgt der Aschegehalt des hochreinen kohleartigen Reduktionsmittels nicht mehr als etwa 1 Gew.%, sein Schwefelgehalt beträgt nicht über etwa 0,01 Gew.% und das Kohlenstoff :Wasserstoff verhältnis beträgt mindestens etwa 10, kann jedoch im Bereich von etwa 20 bis etwa 40 liegen. Diese Eigenschaften werden durch katalytische Reaktion von Kohlenmonoxid bei einer Temperatur zwischen etwa 400 und etwa 600°C und unter einem Druck zwischen etwa 1,05 kg/cm und etwa 8,1 kg/cm (0 und etwa 100 psig) erhalten. Das Kohlenstoff-Wasserstoffverhältnis kann durch Regelung der Reaktionstemperatur gesteuert werden. Im allgemeinen ist das erzielte Kohlenstoff:Wasserstoffverhältnis um so höher, je höher die Reaktionstemperatur ist.
Unter den vorstehenden Bedingungen reagiert das Kohlenmonoxid rasch unter Bildung des kohleartigen Reduktionsmittels. In typischer Weise beträgt die Kontaktdauer von Kohlenmonoxid mit dem Katalysator zwischen etwa 2 und 20 Sekunden. In typischer Weise werden etwa 50 bis etwa 80 % des Kohlenmonoxids und etwa 10 bis 50 % des Wasserstoffs in den Gasgemischen zur Herstellung des hochreinen kohleartigen Reduktionsmittels innerhalb dieser kurzen Kontaktzeiten ausgenutzt.
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Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene hochreine kohleartige Reduktionsmittel besitzt eine große Oberfläche. Es ist auch trocken, heiß und äußerst zerbrechlich, so daß es leicht zu Teilchen mit typischen Größen von -100 bis -300 mesh zerkleinert werden kann. Es eignet sich somit ausgezeichnet als Einblasmaterial. Im Gegensatz dazu muß Kohle, bei Verwendung als Einblasmaterial getrocknet, zerstoßen und vorerhitzt werden. Das erfindungsgemäße Reduktionsmittel erlaubt somit einen vereinfachten Gebrauch.
In Hochofenprozessen, wo ein maximaler Koksersatz erwünscht ist, ist das hochreine kohleartige Reduktionsmittel ein weit besseres Einblasmaterial als ein gleiches Gewicht Kohle, Heizöl, Erdgas oder ein anderes kohlehaltiges Material, die höhere Asche- oder Schwefelgehalte oder niedrigere Kohlenstoff!WasserstoffVerhältnisse oder beides aufweisen. Es ist dies darauf zurückzuführen, daß sich in dem Hochtemperaturbereich der Einblasdüse im wesentlichen nur Kohlenmonoxid und Wasserstoff bilden kann, und daß somit die einzige, tatsächlich wärmeerzeugende Reaktion die Oxidation von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid ist. Andere Reaktionen, z.B. die Abspaltung des Wasserstoffs von dem Kohlenstoff in öl oder Kohle, sind endotherm und verringern somit die tatsächlich in dem Einblasdüseribereich freigesetzte Wärme. Da das thermische Gleichgewicht in den an die Einblasdüsen benachbarten Bereichen soweit wie möglich an das thermische Gleichgewicht, das dort herrscht, wo kein Einblasmaterial zugegeben wird, angeglichen sein muß, bedeutet das gemäß der Erfindung erzielte hohe Kohlenstoff: Wasserstoffverhältnis und der geringe Aschegehalt des kohleartigen Reduktionsmittels, daß eine Gewichtseinheit
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dieses Reduktionsmittels einen höheren Heizwert ergibt als eine Gewichtseinheit Kohle oder Heizöl. Dieser Gewinn ist mehr als eine Kompensation für die Abzweigung von Kohlenmonoxid aus einem Brennstoff und die Verwendung des Kohlenmonoxids zur Bildung eines hochreinen Reduktionsmittels, da viele Brennstoffe zur Wärmeerzeugung herangezogen werden können, die wesentlich billiger sind als der durch das erfindungsgemäß erhaltene Reduktionsmittel ersetzte Koks.
Es wurde eine Untersuchung der Wirtschaftlichkeit verschiedener Einblasmaterialien durchgeführt. Das Ersatzverhältnis, d.h. die Gewichtseinheit Koks, die durch eine Gewichtseinheit Einblasmaterial ersetzt wird, ist ein Hauptpunkt, da höhere Koks-Ersatzverhältnisse eine größere Wirtschaftlichkeit ergeben. In erster Annäherung kann das Ersatzverhältnis eines bestimmten Einblasmaterials durch Bestimmung des in der Reaktionszone erforderlichen Wärme- und Materialgleichgewichts und anschließende Berechnung der gebundenen Menge fühlbarer Wärme bei hoher Temperatur (oberhalb 9820C) für jede Tonne in der Reaktionszone zu erzeugendes heißes Metall geschätzt werden. Die so berechnete Menge an zuzuführendem Einblasmaterial muß für jeden zusätzlichen, zur Erwärmung oder zur Abführung von Feuchtigkeit aus der der Reaktionszone zusammen mit dem Einblasmaterial zugeführten Luft erforderlichen Brennstoff korrigiert werden. Das Ersatζverhältnis muß auch in bezug auf den Aschegehalt des Einblasmaterials für eine genauere Bestimmung des echten Ersatzverhältnisses korrigiert werden. In "Auxiliary Fuels for the Blast Furnace", veröffentlicht in der Augustausgabe I967 von "Iron and Steel Engineer", David L. McBride, ist erläutert, wie dieses Ersatzverhältnis berechnet wird. In "Coal for Blast Furnace Injection",
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veröffentlicht in "Energy Use and Conservation in the Metals Industry", A.I.M.E., New York, 1975, geben A.K. Garbee und L.N. Fletcher eine Formel für die Korrektur des Aschegehalts an.
Bei Berechnung von Ersatzverhältnissen nach der obigen Formel, die in bezug auf den Aschegehalt wie vorstehend korrigiert ist, erhält man die folgenden Ersatzverhältnisse:
Einblasmaterial
Ersatzverhältnis, bezogen auf das thermische Gleichgewicht, korrigiert in bezug auf das durch das Einblasen entstandene Temperaturdefizit
Ersatzverhältnis, korrigiert in bezug auf den Aschegehalt des Einblasmaterials
hochreines kohleartiges Reduktionsmittel
geringflüchtige
Kohle
Heizöl
1,05
0,94 σ, 87
1,52
0,85 1,20
Aus diesen Berechnungen ist ersichtlich, daß hochreines kohleartiges Reduktionsmittel wesentlich höhere Mengen teuren Kokses ersetzt als andere Einblasmittel, wie derzeit verwendete Kohle und Heizöl.
Bei der katalytischen Spaltung von Kohlenmonoxid zu hochreinem kohleartigem Reduktionsmittel sind die bevorzugten Katalysatoren unter anderem Metallkomponenten. Beispiele geeigneter Katalysatoren sind: Eisen, Kobalt, Nickel sowie binäre und tertiäre Legierungen von Metallen aus dieser Gruppe, einschließlich Stähle mit unbegrenzt hohem und unbegrenzt niedrigem Nickelgehalt. Metallerze, z.B. Ferro-
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und Ferrioxid, Nickeloxid und Kobaltoxid sind ebenfalls geeignete Katalysatoren. Die Katalysatoren können in Form von Pulver, Chips, Plätzchen, Folien, Fäden usw. vorliegen.
Der Katalysator kann als Festbett, oder wandernde Schicht oder als mitgeführter Bestandteil verwendet werden. Da mindestens ein Teil des Katalysatormetalls sich mit dem gebildeten hochreinen kohleartigen Reduktionsmittel vereinigt, arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren am wirksamsten dann, wenn das katalytische Metall das gleiche ist wie das in dem Hochofen behandelte. Hämatitische Eisenerze katalysieren z.B. die Kohlenmonoxiddisproportionierung in wirksamer Weise und bilden somit die bevorzugten Katalysatoren für die Eisenerzbehandlung im Hochofen.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Flußbild des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwendung auf Gichtgase und
Fig. 2 eine detaillierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das erfindungsgemäß erhaltene hochreine kohleartige Reduktionsmittel den Winddüsen eines Hochofens zugeführt wird.
In Fig. 1 wird ein Metallerz, z.B. Eisenerz, im Hochofen bei hohen Temperaturen reduziert, die zunächst durch Verbrennung von Koks erzeugt werden. Verunreinigungen, z.B. im Ofen 1 gebildete Schwefelverbindungen, werden weitgehend in einer Schlackeschicht abgefangen, deren Hauptbestandteil Kalkstein ist, welcher dem Ofen 1 zusammen mit dem Metallerz zugegeben wird.
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Unter den in dem Hochofen 1 herrschenden Bedingungen erfolgt eine Vergasung des Kokses unter Entstehung eines Abgasgemischs, enthaltend Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff. Dieses Gemisch wird am oberen Ende des Ofens aufgefangen und durch die Leitung 2 in den mit einer Wirbelschicht betriebenen katalytischen Reaktor 3 geführt. Der Reaktor 3 enthält eine Wirbelschicht des durch die Leitung 4 zugeführten Katalysators, der vorzugsweise das gleiche Metall enthält, welches in dem Hochofen 1 behandelt wird. Die Temperatur in dem Reaktor 3 beträgt vorzugsweise etwa 5100C; der Druck ist vorzugsweise Atmosphärendruck. Unter diesen Bedingungen wird das in dem Gichtgasgemisch enthaltene Kohlenmonoxid in ein hochreines kohleartiges Reduktionsmittel umgewandelt und setzt sich auf dem Katalysator ab. Das so gebildete Reduktionsmittel trennt sich bei Durchwirbelung durch den Gichtgasstrom von dem Katalysator ab und gelangt oben aus dem Reaktor 3 durch die Leitung 5 in den Separator 6.
Aus dem Separator 6 tritt das befreite Gichtgas oben durch die Leitung 7 aus und wird als Brennstoff, Wärmequelle oder beides verwendet. Hochreines kohleartiges Reduktionsmittel verläßt den Separator 6 durch die Leitung 8 und wird entweder direkt in die Winddüsen des Hochofens 1 durch die Leitung 9 eingeführt oder gelangt durch die Leitung 10 in den Mischer 11. Bei Verwendung als Einblasmaterial kann es mit üblichem Einblasmaterial, z.B. Kohle, Öl usw., vorgemischt oder vor oder nach dem Einblasen solchen üblichen Materials in den Düsenbereich eingeblasen werden.
In dem Mischer 11 wird hochreines kohleartiges Reduktionsmittel nach üblichen Methoden zu Briketts verarbeitet. Hier wird es mit Binder (z.B. aus Kohle gewonnenem Binder oder
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Teer), der durch die Leitung 12 zugeführt wird, gemischt. Das Gemisch aus Binder und hochreinem kohleartigem Reduktionsmittel gelangt durch die Leitung 13 aus dem Mischer in die Brikettiervorrichtung 14 und wird dort zu Briketts geformt. Diese Briketts werden dann als Koksersatz durch die Leitung 15 in den Hochofen 1 eingeführt.
Fig. 2 zeigt in größerem Detail das in Fig. 1 skizzierte Verfahren. In Fig. 2 werden Metallerz, z.B. Eisenerz, Koks und ein Schlackebildner, z.B. Kalkstein, nacheinander durch die Leitung 102 in den Hochofen 101 unter Bildung von Schichten aus diesen Feststoffen in dem Ofen eingefüllt. In dem Hochofen 101 wird der Koks gezündet und unter Erzielung einer Temperatur von über etwa 18000C im Düsenbereich verbrannt. Die Verbrennung erzeugt dort ein Gas, enthaltend Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff, welches das Eisenerz reduziert, wenn das Rastgas nach oben durch den Ofen steigt. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Stickstoff enthaltende Abgase gelangen aus dem Ofen 101 durch die Leitung 103 in den Separator 104.
In dem Separator 104 werden Feststoffe von den Gichtgasen abgetrennt und über die Leitung 106 gewonnen. Feststofffreie Gichtgase gelangen durch die Leitung 105 in den Abschreckbehälter 108. Durch die Leitung 107 gelangt Wasser in den Behälter 108 und gekühlte Gichtgase treten aus dem Behälter 108 durch die Leitung 109 aus. In den Gichtgasen mitgeführtes Wasser kondensiert sich in dem Kondensator 110 und tritt aus diesem durch die Leitung 111 aus.
Der Hauptteil des trockenen Gichtgases gelangt aus dem Kondensator 111 durch die Leitungen 116 und 115 in den Erhitzer/Druckbehälter 117» welcher den Druck und die Tem-
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peratur des Gichtgases erhöht. Dieses gelangt dann durch Leitungen 118 und 120 in den Wirbelschichtreaktor 119. Metallerz tritt in den Reaktor 119 aus dem eine Wirbelschicht enthaltenden Behälter 128 mittels der Förderschnecke 131, die durch den Motor 130 angetrieben wird, ein. Der Inhalt des Behälters 128 wird mit dem durch den Kompressor 122 durch Leitungen. 130, 123, 125, 126 und 127 eingepreßten Gichtgas in Durchwirbelung versetzt. Metallerz tritt durch die Leitung 129 in den Behälter 128 ein.
In dem Wirbelschichtreaktor 119 werden Metallerz und Gichtgase innig gemischt und das Kohlenmonoxid in den Gichtgasen reagiert unter Bildung des Reduktionsmittels und Kohlendioxid. Zuerst schlägt sich hochreines kohleartiges Reduktionsmittel auf der Katalysatoroberfläche nieder, bricht dann von dem Katalysator ab und tritt oben durch die Leitung 151 aus und in den Zyklon 132 ein, welcher hochreines kohleartiges Reduktionsmittel von dem davon befreiten Gichtgas trennt. Eine weitere Abscheidung von hochreinem kohleartigem Reduktionsmittel aus dem Gichtgas erfolgt in dem Wärmeaustauscher 134, in welchen Gichtgas durch die Leitung
133 eintritt. Das abgetrennte hochreine kohleartige Reduktionsmittel fällt aus dem Zyklon 132 und aus den MultiZyklonen
134 in den Druckausgleichbehälter 125. Ein Teil der Gichtgase aus den Leitungen 118 und 121 wird durch den Kompressor 122 in den Druckausgleichbehälter 125 gedrückt und hält darin das kohleartige Reduktionsmittel und Katalysator in kontinuierlicher Bewegung.
Aus dem Behälter 125 gelangt das Reduktionsmittel durch Leitungen 135 und 136 in kleinere Druckausgleichbehälter 138 bzw. 137 und von dort durch Leitungen 142 und 141 in die Zuführungsleitung 139 zu der Blasdüse. Abgase vom Kom-
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pressor 122 drücken das hochreine kohleartige Reduktionsmittel durch Leitungen 139, 14O in die Einblasdüse 143 und von dort in den Hochofen 101.
Ein kleinerer Teil der Gichtgase aus der Leitung 112 gelangt durch die Leitung 114 in den Ofen 144 und wird zur Erwärmung von aus der Atmosphäre in den Ofen 145 eintretender Kaltluft verwendet. Die so erwärmte Luft gelangt durch die Leitung 146, 147 und 148 in den Hochofen 101 und tritt in diesen durch die Blasdüse 143 zusammen mit dem hochreinen kohleartigen Reduktionsmittel ein.
Von Reduktionsmittel befreite Gichtgase aus dem Wärmeaustauscher 134 treten oben aus diesem durch die Leitung 149 aus und gelangen in den Wärmeaustauscher 150, wo die verbleibende Wärme der Gichtgase zur Umwandlung von Wasser in Wasserdampf verwendet wird.
Die folgende Tabelle I gibt die Wärme- und Materialgleichgewichte an, welche die Gasgemische in den Leitungen 105, 120, 149 und 121 hätten, wenn, wie angenommen wird, das erfindungsgemäße Verfahren in wirksamer Weise 80 % des Kohlenmonoxids und 20 % des Wasserstoffs aus den Gichtgasen zur Herstellung hochreinen kohleartigen Reduktionsmittels ausnützt.
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Tabelle 1
Gasstrom in
Leitung Nr.		 105 120 149 121
Bezeichnung Gichtgas aus
Separator 104		 Beschickungsgas
f. Wirbe 1 schi cht-
reaktor 119		 Von Feststoff
befreites Ab
gas aus 134		 Gichtgas
aus 117
Mol % 21.8 21.4 4.7 21.4
CO 3.3 3.3 2.9 3.3
H2 0.2 0.2 0.2 0.2
CH4 16.1 15.8 26.5 15.8
co2 53.4 52.3 57.3 52.3
N2 5.2 7.0 8.4 7.0
H2O
Total
100.0
100.0
100.0
100.0
Lb Mol/Std.
CO
H2
CII4
co2
N2
112°
Total
Gasstrom in
Leitung Nr.
Bezeichnung
Lbs/ßtd.
CO
CO2
N2
n2°
3 ,944 2 ,762 3 552 20.3
597 420 6 336 3.1
36 24 24 0.2
2 ,915 2 ,040 ,124 15.0
9 ,663 6 ,760 ,760 49.7
941 905 989 6.7
18,096
105
Gichtgas aus
12,911
120
Beschickungsgas
Separator 104 f .Vfiibelschichtreaktor
Total
110,448
1,189
583
128,245
270,560
16,928
527,953
77,350 850 390
89,830 189,360
16,280
374,060
11,785
149
Von Feststoff befreites Abgas aus 134
15,460
670
390
137,450
189,360
17,800
95.0
121
Gichtgas aus
568 6 3
660
1,392
121
360,130
2,750
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Tabelle I (Fortsetzung)
Temperatur, 0C. 316 68 510
Druck, kg/cm2 1,2 1,4 · 1,05 6,0
Btu/SCF 83 81,5 26 81,5
Gesamt-SCF/Std. 685 800 4 893 300 4 446 500 36 HHWv ' = höherer Heizwert
Das folgende Beispiel erläutert die Wirksamkeit von Mesabi-Eisenerz für die Disproportionierung des Kohlenraonoxids in dem Gichtgas eines Hochofens unter Bildung eines hochreinen Reduktionsmittels, das als Ersatz für Hochofenkoks geeignet ist.
Beispiel 1 Wirbelschicht-Disproportionierung
600 g Mesabi-Eisenerz wurden in einen mit einer Wirbelschicht ausgestatteten Versuchsreaktor für die Disproportionierung eingebracht, wobei dieser Reaktor einen Durchmesser von 3,75 cm und eine Höhe von et\^a 2,4 m besaß. Das Eisenerz bestand überwiegend aus Fe2O-, und besaß die folgende Zusammensetzung:
Fe2O3 79 %
SiO2 8 %
MnO2 1,4 %
Al2O3 0,8 %
Feuchtigkeit 7,8 %
Rest 3,0 %.
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Ein für die Gichtgase eines Hochofens typisches Gasgemisch, bestehend aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Stickstoff, wurde so hergestellt, da!3 man die einzelnen Gase in eine Verteilerleitung in abgemessenen Mengen leitete und periodisch die Zusammensetzung des Gemische durch GasChromatographie analysierte. Das Gasgemisch wurde auf etwa 1000C vorerhitzt und am Boden des Wirbelschichtreaktors eingeführt. Das Gemisch strömte nach oben durch einen Gasverteiler in dem Reaktor und versetzte das in diesem enthaltene Eisenerz in eine Wirbelschicht. Der Reaktor wurde mittels elektrischer Heizwicklungen und Temperaturregler auf etwa 445°C gehalten und man hielt mittels eines stromabwärts angeordneten Druckreglers einen Druck von 1,76 kg/cm aufrecht. Die Zusammensetzung des austretenden Gases und die gesamte Durchflußgeschwindigkeit wurde in Abständen von 10 Minuten mit einem Gaschromatograph bzw. einem Feuchtigkeitsmesser bestimmt.
Zunächst wurde das Fe^O,, nachdem es etwa 30 Minuten bei 5000C mit etwa 4 Liter pro Minute des Beschickungsgases in Kontakt war, zu Fe-,Οι reduziert. Nach dieser anfänglichen Reduktion zeigte das Gesamtsauerstoff-Gleichgewicht rund um die Wirbelschicht keine weitere merkliche Reduktion von Eisenerz mehr an. Das Kohlenstoff-Gleichgewicht rund um die Schicht zeigte, daß eine rasche Abscheidung von Kohle stattfand.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von zwei Dauerversuchen bei 445°C und einem Druck von 1,76 kg/cm bei einer Gasverweilzeit an der Erzoberfläche von J5 bzw. 5 Sekunden:
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2319552
Einströmgeschwindigkeit Ml/Min
Eintrittszusamraensetzung
Ausströmgeschwindigkeit Ml/Min
Tabelle 2 Versuch 2
5 Sekunden
Verweilzeit
Versuch 1
3 Sekunden
Verweilzeit		 95
H2 · - 151 1495
N2 - 2724 631
CO - 1150 471
CO2 - 817 2692
4842 3.5%
H2 - 3.1 55.5%
N2 - 56.2 23.4%
CO - 23.8 17.5%
CO2 - 16.9 53
H2 - 97 1489
N2 - 2719 209
CO - 466 670
CO2 - 1144
4426
2421
Austrittszusammensetzung ?VVl
% Ausnutzung
von CO
von Ho
H2 2.2 2.2
N2 61.4 61.5
CO 10.5 8.6
co2 - 25.9 27. 7
60% 67%
36% 44%
mittlere Kohleabscheidungsgeschwindigke.it, g Kohle/Stundeg Erz
0.175
0.109
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Die in Tabelle 2 enthaltenen Daten zeigen den in Zeiträumen von 1 bis 3 Stunden nach Erreichung von Dauerbedingungen in dem Reaktor erzielten Mittelwert. Wie Tabelle 2 zeigt, werden selbst bei kurzen Verweilzeiten von 3 und 5 Sekunden hohe Umwandlungen von Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt.
Θ09847/0831

Claims (18)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines aschefreien kohleartigen Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß man das bei einem mit einem kohleartigen Reduktionsmittel arbeitenden Reduktionsverfahren entstandene Kohlenmonoxid wiedergewinnt und katalytisch in aschefreie Kohle umwandelt, die dann wieder in das Verfahren als Reduktionsmittel zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle vor ihrer Rückführung in das Verfahren brikettiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle in feinteiliger Form in das Verfahren zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einem Hochofen durchgeführt wird und sich das Kohlenmonoxid in dem Hochofen bildet.
Dr.Ha/Ma
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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator zur Reduktion des Kohlenmonoxids eine Metallkomponente di ent.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Katalysator entweder (a) Eisen, Kobalt, Nickel, (b) eine binäre oder tertiäre Legierung von Eisen, Kobalt und/oder Nickel, oder (c) ein Oxid von Eisen, Kobalt oder Nickel ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei einer Temperatur zwischen etwa 400 und 6000C und unter einem Druck von etwa 1,05 bis 8,1 kg/cm stattfindet.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kohleartige Reduktionsmittel weniger als etwa 0,01 Gew.% Schwefel und weniger als etwa 1 Gew.% Asche enthält.
9. Verwendung des gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche erhaltenen Kohlereduktionsmittels in einem Hochofen als Koksersatz.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens etwa 50 % des in dem Hochofen gebildeten Kohlenmonoxids zur Umwandlung in das Kohlereduktionsmittel ausgenutzt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator eine Metallkomponente dient.
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12. Verfahren nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator etwa die gleiche Zusammensetzung wie das zu reduzierende Metallerz besitzt und daß mindestens ein Teil des Katalysators zusammen mit dem hochreinen Kohlereduktionsmittel zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlereduktionsmittel dem Hochofen in feinteiliger Form zugeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß ein kleinerer Anteil des Gasgemischs dazu benutzt wird, um das Kohlereduktionsmittel in mindestens einen Winddüsenbereich in dem Hochofen zu treiben.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleinerer Anteil des Gasgemischs zum Durchrühren mindestens einer Überdruckzone für das hochreine Kohlereduktionsmittel di ent.
16. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlereduktionsmittel in Brikettform in den Hochofen eingebracht wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlereduktionsmittel zur Herstellung von Eisen in einem Hochofen verwendet wird, wobei es ein Kohle-Wasserstoffgewichtsverhältnis von mindestens etwa 10 aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem durch die Winddüse eingeblasenen Kohlereduktionsmittel Kohle oder Heizöl zugemischt wird.
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