DE2932939A1 - Verfahren zur direktreduktion von eisenoxid mittels aus fossilem brennstoff gebildetem reduktionsgas - Google Patents

Verfahren zur direktreduktion von eisenoxid mittels aus fossilem brennstoff gebildetem reduktionsgas

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-Li-
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Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid mitttels aus fossilem Brennstoff gebildetem Beduktionsgas
Beschreibung:
Die Direktreduktion von Eisenoxid, etv;a in Form von Pellets oder Stückerz, zu metallischem Eisen in festem Zustand ist in den letzten Jahren weltweit in zahlreichen Direktreduktionsanlagen in großtechnischem Maßstab verwirklicht worden. Die addierte Jahreskapazität dieser z.Zt. in Betrieb oder im Aufbau befindlichen Anlagen übersteigt 15 Millionen Tonnen direkt-reduziertes Eisenprodukt, das hauptsächlich als Be-
Mjrv^ien: R. Krane Dipl.-l-.g · V,'. Weie' D'pl.-Pdys. Dr. rcr. nat. ■ H, ?. Brehm DiS/l.-Chem. Dr. pM. nat.
V.; ο-;ta"'■-"■ P G -' --■ '^-'-'.-i . r 0-1 -3-'" " r! -ir.q Or ;:ir ■ G Z'.vrer C'rl -ine Si})! -'■.'. -{.";.
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Schickung für Elektroöfen bei der Stahlherstellung dient. Es wird erwartet, daß der weltweite Bedarf nach zusätzlichem direkt-reduzierten Eisen für weitere Jahre in erheblichem Ausmaß ansteigt, um den wachsenden weltweiten Bedarf nach diesem Beschickungsmaterial zu befriedigen, da eine Reihe zusätzlicher Elektrostahlwerke gebaut werden.
Die Mehrzahl der Direktreduktionsanlagen verve ndet Erdgas als Reduktionsmittelquelle. Dieees Erdgas wird reformiert, um die Reduktionsmittel Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (Hp) zu bilden. Einige wenige Anlagen verwenden Kohle als Reduktionsmittelquelle in einem Drehrohrofen-Verfahren, wie etwa dem SL/RN-Verfahren, bei dem Kohle direkt in situ in dem Drehrohrofen umgesetzt wird, ohne die Kohle getrennt zu CO und H2 zu vergasen. Dieses Drehrohrofen-Verfahren hat den unausweichlichen Nachteil der unbefriedigenden Kohleausnutzung, da angenähert 2/3 der Kohle in dem Drehrohrofen verbrannt werden, um die notwendige Värme zu erzeugen, und lediglich 1/3 als Ausgangsinaterial für die Erzeugung des Reduktionsgases zur Direktredukticn dienen kann. Dieae schlechte Ausnutzung führt zu einem Kohleverbrauch von 5»0 bis 6,0 Gkal (Gigakalorien) pro Tonne direktreduziertem Eisenprodukt. Im Gegensatz werden bei der Verwendung von Erdgas als -Reduktionsmifctelquelle lediglich 3,0 bis 3,5 Gkal pro metrische Tonne an direktreduziertem Eisenprodukt verbraucht:dies gilt für die v;irksa:r.e-ren, mittels Erdgas arbeitenden Verfahren, wie etwa das Kidrexverfahron, das Furoferverfahren oder das A— -.ove-rfehrer.. 0 50009/0842
ORIGINAL INSPECTED
In der US-Patentschrift 3 853 538 werden eine Reihe, bislang noch nicht im industriellen Maßstab angewandte Verfahren beschrieben, welche Kohle durch teilweise Oxidation mit Sauerstoff und Dampf vergasen, um ein Gas zu erzeugen, das daraufhin wieder in vielfältiger Weise zur Direktreduktion von Eisen eingesetzt werden soll. Der Hauptgrund, warum keines dieser Verfahren bislang industriell genutzt wird, ist entweder darin zu sehen, daß das Verfahren zu kompliziert oder zu unpraktisch für die industrielle Anwendung ist, oder daß zu hohe Anforderungen an die einzusetzende Kohle gestellt werden. Das Grundproblem, das zu einem unpraktischen Verfahren oder zu hohen Gesamtanforderungen an die Kohle führt, ist darin zu sehen, daß das den Kohlevergaser verlassende heiße Gas ein zu kleines Verhältnis an Reduktionsmittel (CO + H5) relativ zu den Oxidationsmitteln (CO2 + H-O-Dampf) aufweist, um unmittelbar wirksam bei der Direktreduktion von Eisen eingesetzt werden zu können.
Die wesentliche Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisen anzugeben, das mit, aus Kohle erzeugtem Gas arbeitet, das gesamte, bei der Direktreduktion angefallene Abgas wiederaufbereitet und wirksam in diesem Verfahren verwendet, um den Kohlebedarf möglichst gering zu halten, und das einen hohen Wärme- und Energie-Wirkungsgrad aufweist.
Weiterhin soll mit dieser Erfindung ein wirksames Verfahren
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zur direkten Anwendung von heißem Gas aus einem Kohlevergaser bei der Direktreduktion von Eisen angegeben werden, wobei dieses Vergasungsgas mit wiederaufbereitetem verbrauchtem Reduktionsgas aus dem Reduktionsofen vermischt wird.
Schließlich soll mit der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von heißem Reduktionsgas angegeben werden, wobei das in einem Kohlevergaser erzeugte heiße Gas durch Umsetzung mit einem Schwefelakzeptor wie etwa Kalk entschwefelt wird, und dieses entschwefelte Gas mit heißem, Reduktionsmittel-reichem, wiederaufbereitetem, verbrauchtem Reduktionsgas vermischt wird.
Schließlich soll mit dieser Erfindung die Wiederverwendung von verbrauchtem Reduktionsgas aus einem Direktreduktionsofen in wirksamerer Weise möglich sein, als das bei bekannten Direktreduktionsverfahren auf Kohlebasis möglich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und Ziele ist ein Verfahren mit den in Anspruch Ί angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine Temperatures i:if?tellung (Texperung) des heißen, im Kohlevergaser erzeugten Gases mittels aufbereitetem, verbrauchtem Reduktion*=- γ;·<^ rv^. dein Reduktionsofen vorf-erjo^reii., und da? rabei er-
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ORIGINAL INSPECTED
haltene Gasgemisch durch Umsetzung mit einem Schwefelakzeptor, vorzugsweise Kalk, entschwefelt, um ein heißes, ent schwefelt es Gas zu erzeugen. Ein zweiter Strom des aufbereiteten, verbrauchten Reduktionsgases wird durch Verbrennen von verbrauchtem Reduktionsgas erhitzt und dieses erhitzte Gas mit dem heißen entschwefelten Gas vermischt, um heißes Reduktionsgas zu erzeugen, das in den Reduktionsofen eingeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet einen hohen Wärmewirkungsgrad und ermöglicht die praktische, industrielle Realisierung der Direktreduktion von Eisenoxid mittels Kohlevergasung als Quelle für das Reduktionsmittel, wobei die nunmehr in Entwicklung befindliche, verbesserte Kohlevergasungstechnologie angewandt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert angenähert 3,1 Gkal zu vergasende Kohle und ungefähr 0,4 Gkal Kohle für die Stromerzeugung bei 30%igemUmwandlungswirkungsgrad, zur Erzeugung von Sauerstoff für die Vergasung. Daraus resultiert ein Gesamtkohlebedarf von angenähert 3»5 Gkal pro Tonne direktreduziertem Eisen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf eine Figur erläutert. Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage und die fiaterial/Gas-Strö'me einer bevorzugten /usführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Direktreduktion erfolgt in einem mittels hochschmelzendem Material au;- rekl ei deter; Schnchtof on,' der für das Gegenetror,-
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prinzip ausgerüstet ist. Das Eisenoxid-Beschickungsmaterial wird in Form von Oxidpellets und/oder natürlichem Stückerz einer nominellen Teilchengröße von 5 "bis 30 mm einem Eingabetrichter 14 zugeführt und gelangt durch das Zuführrühr 16 in den Ofen und bildet darin eine Beschickung. Das reduzierte Eisenprodukt wird in Form von Pellets und/oder Stücken aus dem unteren Bereich des Ofens durch ein Austragrohr 15 ausgetragen und einem Austrag-Förderer 20 zugeführt, dessen Geschwindigkeit die Absinkgeschwindigkeit der Beschickung innerhalb des Ofens 10 steuert.
Das frische, heiße Reduktionsgas wird durch eine Reduktionsgas-Einlaßleitung 21 in den Ofen 10 eingeführt, an die sich eine Anzahl von Gaseinlaßöffnungen 22 in der hochschmelzenden Verkleidung im Mittelbereich des Ofens anschließen. Das beiße Reduktionsgas strömt anschließend innerhalb des Ofens nach oben im Gegenstrom zur herabsinkenden Beschickung. Das COpreiche, verbrauchte Reduktionsgas tritt aus der Beschickung nahe der Oberseite des Ofens aus der Beschickung an de en Oberseite 24 aus. Das Beschickungsoberseitenprofil 24 resultiert aus dem anliegenden Winkel der Beschickung, die aus dem Oxidzuführungsrohr 16 austritt. Das COp-reiche, verbrauchte Reduktionsgas (das nachfolgend als Gichtgas bezeichnet wird) verläßt den Ofen durch die Austrittsleitung 26.
Im unteren Bereich des Ofens 10 ist eine Kühlgasschleife ausgebildet, um das reduzierte Ei.c:er:proäukt vor dem Austritt
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aus dem Ofen zu kühlen.Zu dieser Kühlgasschleife gehört ein Kühlgaseinlaß 30, der zu einem Kuhlgasvertexlungsglied 31 innerhalb des Ofens führt, ferner gehören dazu ein Kühlgas-Sammelglied 32 oberhalb des Kühlgasverteilungsgliedes innerhalb des Ofens, eine Kühlgasaustrittsleitung 3^ und ein äußeres Gas-Wiederaufbereitungssystem mit einem Kühler/ Wäscher 36 und einem Umlaufgebläse 38·
Ein Vergaser 40, der pulverförmigen fossilen Brennstoff wie etwa Kohle, Lignit oder künstliche Kohle wie Holzkohle oder dgl. mittels Sauerstoff oder Sauerstoff und Wasser, die durch einen Injektor 42 zugeführt werden, vergast, erzeugt heißes Vergasungsgas, das den Vergaser 40 über die Leitung 46 verläßt. Die bei der Vergasung des Brennstoffs zurückbleibende Asche wird aus dem Vergaser 40 durch eine Ascheabführung 48 abgezogen.
Das den Ofen 10 durch die Austrittsleitung 26 verlassende Gichtgas wird im Kühler/Wäscher 45 gekühlt und von Staub befreit und tritt anschließend in die Leitung 51 ein. Ein Teil dieses gekühlten Gichtgases wird aus dem System durch die Zweigleitung 52 abgezweigt und als Brenngas zur Erzeugung von Dampf verwendet, wie das nachfolgend beschrieben ist. Ein zweiter Teil des gekühlten Gichtgases wird über die Leitung 5^ abgezogen und als Brenner-Brennstoff verwendet. Ein dritter Teil des gekühlten Gichtgases wird mittels des Kompressors 56 verdichtet und anschließend über die Leitung
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einer üblichen, regenerativ arbeitenden Anlage 58 zur Entfernung von Kohlendioxid (CO2) zugeführt. In dieser CO2-Entfernungsanlage 58 wird der Hauptanteil an CO2 aus dem Gichtgas entfernt, um ein Reduktionsmittel-reiches Gas zu erzeugen, das diese Anlage 58 durch die Leitung 64 verläßt. Ein Teil dieses Reduktionsmittel-reichen Gases wird der Temperaturausgleichsleitung 66 zugeführt, um die Temperatur des heiß-en Vergasungsgases in der Leitung 66 auf einen Wert unterhalb der Asche-Erstarrungstemperatur einzustellen (Temperung). Dieses Tempergas könnte alternativ der Gasaustrittszone des Vergasers 40 zugeführt werden, wo es keine nennenswert nachteiligen Auswirkungen auf die Vergasungstemperatur hat.
Das heiße Vergasungsgas in der Leitung 46 wird, nachdem es mit dem Tempergas aus der Leitung 66 vermischt und durch diese Vermischung teilweise abgekühlt worden ist, durch die Gaseinlaßleitung 68 einer Gasentschwefelungsanlage 70 zugeführt. Die Entschwefelungsanlage 70 ist ein mit hochschmelzendem Material ausgekleideter, für das Gegenstromprinzip ausgelegter Schachtofen, dessen Oberseite über den Einfiihrtrichter 72 und das Zuführrohr 74 teilchenförmiger Kalkstein zugeführt wird, der innerhalb der Entschwefelungs-Gi.Is ge eine Beschickung bildet. Das getemperte, heiße Ver-(!onungsgas aus der Gaseinlaßleitung 68 wird über die in der :;·..: .'i.rcliinelz enden Verkleidung der mittleren Zone des Reaktors :. ηr!-ordneten Einlaßöffnungen 76 in die Entschwefelungsanisgi ..■■■: *"ühi-. liercc Q^b rtrcmt innerhalb der Iniare durch c'.·
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Beschickung nach oben im Gegenstrom zur herabsinkenden Beschickung. Das heiße, entschwefelte Gas tritt aus der Beschickung an deren Oberseite 78 aus und strömt anschliessend durch die /ustrittsleitung 80. Der umgesetzte, teilchenförmige, schwefelhaltige Kalk sowie restlicher, nicht umgesetzter Kalk wird aus der Entschwefelungsanlage über die Austragleitung 82 auf einen Austragförderer 84- abgegeben. Die Entfernung des reagiert habenden, teilchenförmigen Materials mittels des Förderers 84 durch die Leitung 82 gewährleistet eine, von der Schwerkraft verursachte Bewegung der Beschickung und steuert die Absinkgeschwindigkeit der Beschickung innerhalb der Entschwefelungsanlage 70. Ein kleiner Anteil des Reduktionsmittel-reichen Gases aus dor Anlage 58 wird über eine Leitung 86 einem Kühlgas-Verteilungsglied 88 in der unteren Zone der Entschwefelungsanlage 70 zugeführt und dient dort als Kühlgas, um die Beschickung vor dem Austrag zu kühlen. Dieses Kühlgas strömt nach oben durch die Entschwefelungsanlage und wird von der heißen, herabsinkenden Beschickung vorgeheizt, bevor das Gas die mittlere Zone erreicht.
Um das Reduktionsmittel-reiche Gas aus der Leitung 99 auf eine Temperatur zu erhitzen, die für die Anwendung als Reduktionsgas im Reduktionsofen 10 geeignet ist, ist der Gaserhitzer 90 vorgesehen. Zu diesen Gaserhitzer 90 gehören eine Anzahl von Heizrohren 92, von denen lediglich eines dargestellt ist, sowie ein oder mehrere Brenner 9^- und ein Abgas-
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abzug 96. Das heiße Abgas aus dem Abzu 96 wird vorzugsweise einem (nicht dargestellten) Wärmetauscher zugeführt, um die aus einer Quelle 98 den Brennern 94 zugeführte Verbrennungsluft vorzuheizen. Der Brennstoff für den (die) Brenner 9^ ist das über die Leitung 54- zugeführte Gichtgas. Das erhitzte, Reduktionsmittel-reiche Gas verläßt den Gaserhitzer 90 durch die Leitung 100, wird mit heißem, entschwefelt em Gas aus der Entschwefelungsanlage 70 vermischt und mit kaltem, Reduktionsmittel-reichem Gas getempert, das über die Leitung 102 zugeführt wird, um ein Gas mit der für den Eintritt in den Ofen vorgesehenen Temperatur zu erhalten. Das dabei schließlich erhaltene Gasgemisch stellt das heiße Reduktionsgas dar, das über die Gaseinlaßleitung 21 in den Reduktionsofen 10 eingeführt wird.
Bei der Direktreduktion von Eisen stellen die Gegenstrom-Reduktions-Schachtöfen, in denen das Reduktionsgas und die reduzierenden Feststoffe im Gegenstrom zueinander geführt werden, die hinsichtlich der Wärmebilanz beste Lösung dar. Bei dieser Arbeitsweise dient das heiße Reduktionsgas nicht nur zur Reduktion des Eisenoxids zu metallischem Eisen, sondern heizt das einkommende kalte Eisenoxid auch auf Reduktionstemperatur auf.
Ein Gegenstrom-Schachtofen weist auch in chemischer Hinsicht den größten Wirkungsgrad auf, solange gewährleistet ist, daß das in den Ofen eingeführte heiße Reduktionsgas ein ausreichend hohes Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnie aufweist.
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Unter diesem Verhältnis bzw. der "Qualität" des Reduktionsgases wird das Verhältnis von Reduktionsmitteln (CO+HpO)zu Oxidationsmitteln (COp+HpO) in dem Gasgemisch verstanden. Die Erfahrung mit großtechnischen Direktreduktionsanlagen auf Erdgasbasis haben gezeigt, daß es zur vollen Ausnützung der chemischen Wirksamkeit eines Gegenstrom-Schacht-Reduktionsofens erforderlich ist, daß dieses Reduktionsmittel/ Oxidationsmittel-Verhältnis des heißen Reduktionsgases einen Wert von zumindest ungefähr 8 hat.
Bei der Vergasung von pulverisiertem, festem, fossilem Brennstoff wie etwa Kohle oder Braunkohle in einem mittels teilweiser Oxidation arbeitenden Vergaser wie etwa dem Vergaser 40, der heißes Vergasungsgas erzeugt, das hauptsächlich aus CO, Hp, COp und HpO besteht, liefern die besten für den praktischen Gebrauch geeigneten /nlagen ein heißes Vergasungsgas mit einem Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von ungefähr 5 bis 4. Es sind jedoch Entwicklungen im Gange und auch Kohlevergaser demonstriert worden, die durch verbesserte Vergasungstechnologie ein heißes Gas besserer Qualität mit einem solchen Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von zumindest ungefähr 6 erzeugen. Die vorliegende Erfindung stellt nun ein Verfahren bereit, mittels dem die bessere Qualität von solchem heißem Vergasungsgas wirksam ausgenutzt werden kann, ohne das Gas auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb derjenigen Temperatur liegt, mit welcher das Gas in den Reduktionsofen eingeführt wird.
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Die nachfolgenden Angaben zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehen sich auf die Vergasung einer typischen, sub-bituminösen Kohle aus dem Westen der USA; die pulverisierte Kohle wird mittels Sauerstoff und Wasser in einem Mitführ-Bett-Vergaser vergast und liefert ein heisses Gas, das als Hauptkomponenten CO, Hp, GO2 und HpO enthält. Die Vergasungstemperatur in diesem Vergaser liegt gewöhnlich bei ungefähr 14000C; bei dieser Temperatur fällt die Kohlenasche flüssig an, wird mit Wasser abgeschreckt und aus der Bodenzone des Vergasers als Schlacke abgezogen.
Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf die Zeichnung ein spezifisches Beispiel der Erfindung angegeben.
Dem Schachtofen 10 wird über die Gaseinlaßleitung 21 ein Reduktionsgas mit einem Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von 10 bei einer typischen, bevorzugten Gasteraperatur von 815 C zugeführt. Das heiße Gas verteilt sich innerhalb des Ofens quer zur Beschickung und strömt daraufhin im Gegenstrom zur herabsinkenden Eisenoxidbeschickung nach oben. Die in dem Gas enthaltenen Anteile an CO und Hp reagieren mit dem Eisenoxid und bilden COp und HpO, sowie metallisches Eisen iach bekannten Reduktionsreaktionen. Im Hinblick auf thermodynamische Gegebenheiten dieser Reduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen kann lediglich ein Teil der ursprünglich vorhandenen Reduktionsmittel (CO + Hp) umgesetzt werden, cove:· die gebildeten Oxidationsmittel (COo und HpO) die Reduktionsreaktionen beenden. Biese thernodTrisirdschen Bedirfrurcpn r'::~-~
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ren dazu, daß das, den Ofen durch die Austrittsleitung 26 verlassende, verbrauchte Reduktionsgas ein Reduktionsmittel/ Oxidationsmittel-Verhältnis von ungefähr 1,5 aufweist. In dem Gas-Kühler/Wäscher 50 wird viel Dampf kondensiert und aus dem Gas entfernt, so daß gekühltes Gichtgas mit einem Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von 2,0 erhalten wird. Ein Gas dieser Qualität stellt gutes Brennstoffgas zum Verbrennen dar, stellt jedoch hinsichtlich der Reduktion ein im wesentlichen neutrales Ges dar, das kein Reduktionspotential für die Direktreduktion von Eisen besitzt.
Ein kleiner Anteil dieses Gichtgases (mit dem Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von 2,0) dient als Brennstoff im Brenner 9^ des Gaserhitzers 90. Ein etwas größerer, jedoch immer noch kleiner Anteil des Gichtgases wird aus dem System durch die Ablaßleitung 52 entfernt. Dieses abgelassene Gas dient als Brennstoff zum Befeuern eines (nicht dargestellten) Boilers um den zum Betrieb der COp-Entfernungsanlage 58 erforderlichen Dampf zu erzeugen. Der größte Anteil dieses Gichtgases wird weiter befördert und wiederaufbereitet. Hierzu wird das Gichtgas unter anderem durch die COp-Entfernungsanlage 58 geführt, wo der größte .Anteil des vorhandenen COo entfernt wird; dabei wird ein Reduktionsmittel-reiches Gas gebildet, das diese COp-Entfernungsanlage durch die Leitung; 64 verläßt. Dieses Eeduktionsicittel-reiche Gas weist einen sehr hohen Wert des Reduktionsmittel/Qxida-
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tionsmittel-Verhältnisses von 23 auf und wird im weiteren Verfahren in vier Wegen verwendet.
Das heiße Vergasungsgas verläßt den Kohlevergaser 40 über die Leitung 46 bei einer Temperatur von 137o°C und weist ein Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von 6,5 auf. Das Gas enthält HpS und COS aus dem in der Kohle enthaltenen Schwefel sowie nicht-uingesetzten Kohlerückstand und einige I'lüssigkeitströpfchen aus mitgerissener Asche. Zur Verfestigung der flüssigen Aschetröpfchen in dem heißen Vergasungsgas, um dieses in Leitungen transportierbar zu machen, wird ein Tempergasstrom 66 aus kaltem, Reduktionsmittel-reichem Gas mit diesem heißen Vergasungsgas vermischt, so daß in der zur Entschwefelungsanlage 70 führenden Einlaßleitung 68 eine Gasgemischtemperatur von 95O°G herrscht. Diese Temperatureinstellung (Temperung) mit kaltem, Reduktionsmittel-reichem Gas ergibt ein Gasgemisch mit einem Reduktionsiaittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von 9»0 in der Gaseinlaßleitung 68.
Der Entschwefelungsanlage 70 wird teilchenförmiger Kalkstein zugeführt. Die Teilchengröße wird vorzugsweise im Bereich von. ungefähr 3 bis 20 mm gehalten, um eine Beschickung mit guter Gasdurchlässigkeit zu haben. Der Durchsatz an heißem Gas durch die Entschwefelungsanlage 70 ist sehr hoch, relativ zu dem Durchsatz an kaltem Kalkstein durch diese Anlage. Dies führt dazu, daß der Kalkstein sehr rasch auf die Gas-
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temperatur erhitzt wird, selbst wenn er sich in einer Höhe gerade unterhalb der Beschickungsoberseite 78 befindet. Dies führt dazu, daß der Kalkstein sehr rasch zu gebranntem Kalk (CaO) calciniert wird, welcher die geeignete i'orm von Kalk für die Umsetzung mit H2S und COS zur Entfernung dieser Bestandteile aus dem Vergasungsgas darstellt. Man könnte auch gebrannten Kalk anstelle von Kalkstein zuführen, dies wäre jedoch weniger wirtschaftlich.
Die Temperatur des heißen Vergasungsgases wird durch Zumischen von kaltem, Reduktionsmittel-reichem Gas vor der Einführung in die Entschwefelungsaalage 70 auf eine Temperatur von 95O°C eingestellt, um die bekannten Umsetzungen von H2S und CO2 mit Kalk zu begünstigen:
H2S + CaO -— CaS + H2O
COS + CaO -·■ CaS + CO2
Die Absenkung des Oxidationsmittelgehaltea (CO2 + H2O) des heißen Gases durch Temperung mit hochwertigem, Reduktionsmittel-reichem Gas begünstigt ebenfalls die Entfernung von H2S und COS. Bei Verwendung der besonderen, ausgewählten Kohle beträgt der Schwefelgehalt des heißen Vergasungsgases ungefähr 3900 ppmv (Volumenteile auf 1 Million Volumenteile) in der iorm von H2S und COS. Bei einer Reaktionstemperatur von 95O0C und bei vermindertem (CO2 + H20)-Gehalt nach der Temperatureinstellung beträgt der Schwefelgehalt des die Entschwefelungsanlage verlassenden Gases ungefähr 120 ppmv.
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Dieser Schwefelgehalt liegt unterhalb des Maximalwertes, der bei der Direktreduktion von Eisen zugelassen werden kann; dieser Schwefelgehalt wird durch Zumischen von schwefelfreiem heißemoder kaltem Reduktionsgas aus den Leitungen 100 bzw. 102 noch weiter herabgesetzt. Der Kalksteinbedarf hängt vom Schwefelgehalt der Kohle ab. Die in der Entschwefelungsanlage durch Umsetzung von Schwefel mit Kalk gebildeten (COp + H0O) Anteile stellen lediglich einen kleinen Anteil des Gesamtgasvolumens dar und haben lediglich minimale Auswirkungen auf die Qualität des die Entschwefelungsanlagen beim Auslaß 80 verlassenden Gases. Weiterhin hat der in der Entschwefelungsanlage beim Calcinieren von Kalkstein zu gebranntem Kalk freigesetzte COp-Anteil lediglich eine minimale Auswirkung auf die Gasqualität. Diese beiden geringfügigen Zusätze von (CO2 + H^O) sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt.
In der Entschwefelungsanlage 70 wird die heiße Beschickung nach Verlassen der Reaktionszone abgekühlt, bevor diese ausgetragen wird; hierzu wird ein relativ kleiner Strom Reduktionsmittel-reiches Gas aus der Leitung 86 dem Gaskühl-Verteilungsglied 88 zugeführt. Dieses hochwertige Kühlgas strömt nach oben und wird von dem aus den öffnungen 76 einströmenden Gas zum Zentrum der Reaktionszone gezwungen, nachdem es durch Kontakt mit der herabsinkenden heißen Beschikkung in der Kühlzone vorgeheizt worden ist.
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Ein Teil des, die COp-Entfernungsanlage 58 durch die Leitung 6-4 verlassenden, Keduktionsmittel-reichen Gases wird über dir Leitung 99 dem Gaserhitzer 90 zugeführt. In diesem Erhitzer, der eine Anzahl von Heizrohren 92 aus hitzebeständiger Legierung aufweist, wird das Gas auf eine Temperatur von ungefähr 615°C gebrocht, was eine bevorzugte Betriebstemperatur für die Direktreduktion der zumeist verwendeten Sorten von Eisenoxid darstellt. Diese Temperatur kann jedoch im Bereich zwi sehen 760 und 900 C liegen, ohne von eier vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In dem bc-schriebenen Beispiel weist das die Entschwefelung.=;--anlage 70 durch die Austrittsleitung 80 verlassende Gas eine Temperatur von 915°C auf, nachdem es den zutretenden kalten Kalkstein erhitzt und zu gebranntem Kalk calciniert hat. Dieses 915°C heiße Gas wird auf ungefähr 815°C abgekühlt, indem ein relativ kleiner Strom Reduktionsmittel-reiches Tenper-Gas aus der Leitung 102 zugemischt wird. Ersichtlich kann der Zusatz von Reduktionsmittel-reichem Temper-Gas aus der Leitung 102 weggelassen werden, indem einfach das Reduktionsmittel-reiche Gas im Erhitzer 90 auf eine Temperatur unterhalb 815 C erhitzt wird, um eine Reduktionsgas-Mischtemperatur am Reduktionsgaseinlaß 21 von angenähert 815 C zu erreichen. Der Zusatz von Tempergas durch die Leitung macht die Temperatursteuerung des heißen Reduktionsgases am (\; c ·:;: ' j e:; r ■:.'.; :· ο i η \ ,'■; ;'< ,'.'1 e i η ί' ü c her.
0 3 0 0 (3 9 / 0 P I 2
ORIGINAL INSPECTED
Form Analysedaten des erfindungsgeißäßen Verfahrens und sind auf die Zeichnung bezogen. Diese Daten dienen lediglich der Erläuterung und sollen die Erfindung keinesfalls einschränken. Alle angegebenen Werte beziehen sich auf eine metrische Tonne direktreduziertes Eisenprodukt mit einem mittleren Metallxsierungsgrad von 92% und einem Kohlenstoffgehalt von 1,5%· Dies sind in weitem Umfang akzeptierte Standards für direktreduziertes Eisen, das in mit Erdgas betriebenen Direktreduktionsarilagen angef al] en ist.
In der Tabelle 1 sind die Gasdurchsätze und die Gasqualität (Reduktionsaittel/Oxidationsmittel-Verhältnis) an -3en in der Zeichnung angegebenen Stellen aufgeführt.
η ? η η ο 9 / π f
Tabelle
Gasdurchsätze Nr. im Gasmenge Gas-Fließschema nm3 qualii
Vergasungsgas Tempergas
der Entschwefelungsanlage zugeführtes Gasgemisch
die Entschwefelungsanlage verlassendes Gasgemisch
Tempergas Heizgas
Reduktionsgas vebrauchtes Reduktionsgas gekühltes Gichtgas abgelassenes Gichtgas Gichtgas-Brennstoff Reduktionsmittel-reiches Gas
der Entschwefelungsanlage zugeführtes Kühlgas
46 931 23,0
66 532 9,0
68 1463
80 1511 23,0
102 220 25,0
100 238 10,0
21 1969 1,5
26 1957 2,0
51 1782 2,0
52 48 2,0
54 269 23,0
64 1031
86
23,0
Anmerkung: Der Durchsatz an verbrauchtem Gas am Auslaß 26 ist kleiner als der Reduktionsgasstrom am Einlaß 21, da dem direktreduzierten Eisen durch Umsetzung mit CO aus dem Reduktionsgas 1,5% Kohlenstoff zugesetzt worden sind.
Die nac.hi'olf crfze Tn be lie 2 bringt Angaben zum Betrieb des Kohlevergasers 40.
030009/0BA2
ORIGINAL INSPECTED
2 9 3 2 η 3
Tabelle
Kohlevergaser
< roekene Kohle (kg) 488
HpO (kg) 93
Sauerstoff (mn* auf 98% O2) 235
ide folgende Tabelle 3 bringt Angaben sum Betrieb der Ent· :■ 'hv.'efelungsanlage 70·
T a b e 1 Ie 3
Entschwefelungsanlage
·: ührte Menge Kalkstein 32,6 kg
-'.tragenes CaO ■ 9,1 kg
·: -;ragenes CaS 1I5 7 kg
nachfolgende Tabelle 4 bringt Angaben zur Energie- ■:·■ ζ den erfindungsgeiaäßen Verfahrersß,
T ab e 1 1 e 4 Energie
Kohlevergasung 3,1 Gkai
C^! Gkalx
30 0 0 9 / π ρ 4 ™!
Die nachfolgende Tabelle 5 zeigt die Gastemperaturen an den angegebenen Stellen des Verfahrens.
Tabelle 5 Gastemperatüren
Vergasungsgas der Entschwefelungsani, zugef. Gas die Entschwefelungsani. verl. Gas .Reduktionsgas Gaserhi tzer-Abgas Gaserhitzer-Brennerluft
Nr. im
Fließschema		 Temperatur
(0C)
46 1370
68 950
80 915
21 815
96 925
98 450
In der nachfolgenden Tabelle 6 sind die Gasanalysenwerte an den bezeichneten Stellen des Verfahrens aufgeführt.
Tabelle 6
TBS Nr. im
Fließ
schema		 %c 0 ^ 4 Gar, snolyc e 7 2° %c: ,1 %* 2 ppmv
(H2S-I-COS)
46 C, C. ,5 C, °2 %H2 5 ,7 O ,2 O ,9 3900
■'Ras uiii'T ι , ver,I. G Gas 68 53 ,4 Ί 30,0 ,6 O, ,2 1 ,9 2500
Erir r.rh·, -■ ί .3 80 52 OJ 34,4 4 ,1 o. *■> 1 ,9 120
Kntschvi ί P Ί ..-1 J-. ' r* 1 »"' 35,1 14 . o, 2 ,5 90
/I- , 1 *-h >';-, Q .H o, I'1 2 , ,3 0
... ■;. ι: *■·. .U - f..,-! /. ί -h ,'I 27,0 O, (ι Λ ,6 C
V-, *. r-, ,
J. i \.i < ■■ ' h111 		t. ii «; C, ( η 29,6 O -■ ■» .'; ι 6 O
O 42,1
O O! 3/08*
ORIGINAL INSPECTED
Entsprechend diesem Beispiel beträgt der Vergasungsgasstrom in der Leitung 46 931 nm* pro Tonne direktreduziertes Eisenprodukt. Dieses Gas enthält 85,5% Reduktionsmittel (CO +IL,) bzw. 796 nur dieser Komponenten. Durch die Reduktionsgas-Einlaßleitung 21 strömen 1969 nm heißes Reduktionsgas, das 68,6% bzw. 1744 nm5 Reduktionsmittel (CO +H2) enthält. Das heißt, lediglich 46% der zur Direktreduktion im Ofen 10 benötigten Reduktionsmittel (CO + H2) werden von dem Vergaser 40 bereitgestellt. Die restlichen 5^% des erforderlichen Reduktionsgases werden durch Wiederaufbereitung und Rückführung von verbrauchtem Gas aus dem Direktreduktionsofen bereitgestellt.
Obwohl für die Entschwefelung des Gases eine Gegenstrom-Schacht-Entschwefelungsanlage beschrieben worden ist, konnte diese Gasentschwefelung auch in anderen Vorrichtungen durchgeführt werden, etwa in einem Wirbelschichtbett aus KnIkteilchen, ohne von dem grundlegenden Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ferner könnte alternativ zur Verwendung von Kalk als Entschwefelungsmittel auch irgendein anderer geeigneter Schwefelakzeptor wie etwa Manganoxid verwendet werden.
Ersichtlich ist mit der vorliegenden Erfindung ein für die Bedürfnisse der Praxis geeignetes Verfahren zur Direktreduktion von Eisen mittels aus Kohlevergasung gewonnenem Gas als
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Quelle des Reduktionsmittels für die Direktredktion angegegeben worden, das einen hohen Energie-Wirkungsgrad und einen hohen Wärme-Wirkungsgrad gewährleistet.
030009/08X2

Claims (6)

BLUMBACH * WESER - BiRGHM · KRAMER ZWIRNER . BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2932939 Patemconsui! Radedces:raSs 43 8000 Mündien 60 Telefon (089) 883603/833604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult SonnenbergE-r Straße 43 620Q Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme PateniccnsuÜ Midrex Corporation 79/0?04 One NGNB Plaza 13· August 1979/HPB Charlotte, North Carolina 28280, U.S.A. Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid mittels aus fossilem Brennstoff gebildetem Reduktionsgas. Patentansprüche:
1. Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid in einem Schachtofen mittels heißem Reduktionsgas, das in den Schachtofen eingeführt wird, dort das Metalloxid zu einem metallisierten Eisenprodukt reduziert und ein COp-haltiges, verbrauchtes Reduktionsgas bildet, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a) ein erheblicher C0o-Anteil wird aus dem ver-
ΜΟι-Ίεπ: R. κγ3γ--;- D,z\.-Ir<j. . VJ .Vesir 0 n! -Pti/s. Dr. te', ns!. · H. P- Brehiri Dipi.-Ciem. Dr. ph i. nal. Vi.-„:2 2ii-: F- 3 I. :::::"r' --, . Γ ?-.:yy, D.::.-"g. Dr ^-. . G ?.,:■ rr.er yz\.-:r.x Γ C ".-.W-Ir3.
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brauchten Reduktionsgas entfernt, um ein Reduktionsmittel-reiches Gas zu erzeugen;
b) fossiler Brennstoff wird vergast, um ein heißes Vergasungsgas zu erzeugen;
c) die Temperatur des heißen Vergasungsgases wird mit einem ersten Strom des Reduktionsmittel-reichen Gases eingestellt, um ein heißes Gasgemisch zu erzeugen;
d) das heiße Gasgemisch wird mit einem Schwefelakzeptor umgesetzt, um ein heißes, entschwefeltes Gas zu erzeugen;
e) ein zweiter Strom des Reduktionsmittel-reichen Gases wird erhitzt; und
f) dieser erhitzte, zweite Strom des Reduktionsmittelreichen Gases wird mit dem heißen, entschwefelten Gas vermischt, um ein Reduktionsgas zu erzeugen, das ein Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von zumindest ungefähr 8 und eine Temperatur von ungefähr 760 bis ungefähr 9000C aufweist, das in den Schachtofen eingeführt wird.
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_ 3 —
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch Rekennzeichnet, daß als Schwefelakzeptor Kalk dient.
J). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergasungsgas ein Reduktionsmittel/Oxidationsmittel-Verhältnis von zumindest ungefähr 6 aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des CC^-haltigen, verbrauchten Reduktionsgases als Brennstoff "benutzt wird, um den zweiten Strom des Reduktionsmittel-reichen Gases zu er-hitzen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß als fossiler Brennstoff Kohle, Braunkohle und künstliche Kohle wie Holzkohle oder dgl. dient.
6. Verfahren nach einen der Ansprüche Λ bis 5*
dadurch gekennzeichnet, daß ein-dritter Strom des nicht-erhitzten, Reduktionsmittelreichen Gases mit dem entschwefelten Gas vermischt wird, uiE die Reduktionsgas-Temperatur zu steuern.
03000 9/081?
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