DE3026949A1

DE3026949A1 - Verfahren und vorrichtung zum reduzieren von eisenoxid-partikeln und zum erzeugen von geschmolzenem eisen

Info

Publication number: DE3026949A1
Application number: DE19803026949
Authority: DE
Inventors: Donald Beggs; N C Charlotte; Charles Walter Sanzenbacher; John Combs Scarlett
Original assignee: Midrex Corp
Current assignee: Midrex International BV Rotterdam Zurich Branch
Priority date: 1979-07-16
Filing date: 1980-07-16
Publication date: 1981-02-12
Also published as: AU533349B2; RO81318B; ES8106179A1; AR219874A1; TR21075A; BR8004347A; ZA804226B; DE3026949C2; FR2461758A1; GB2056498B; RO81318A; GR69285B; KR830002558A; MX153453A; AT379616B; SE8005175L; FR2461758B1; ES493397A0; HU184306B; AU5970180A

Description

Beschreibung: 80/0701

Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren von Eisenoxid-Partikeln und zum Erzeugen von geschmolzenem Eisen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen hat sich weltweit durchgesetzt und direktreduziertes Eisen ist ein kommerziell verwertetes Ausgangsmaterial für die Stahlerzeugung.

Direktreduziertes Eisen oder Eisenschwamm eignet sich besonders gut für die Technologie des Lichtbogenofens. Es ist als Hauptbeschickungsmaterial nicht so gut geeignet für andere Stahlerzeugungsöfen, die bei einem Prozeß eingesetzt werden, bei dem Sauerstoff vom Boden des Gefäßes eingeblasen wird und bei denen flüssiges Roheisen oder geschmolzenes Metall als Einsatzmaterial benötigt werden. Gegenwärtig wird Roheisen kommerziell nur mittels Hochöfen erzeugt, die in ihrer Wirtschaftlichkeit von Natur aus auf die Verfügbarkeit von Kokskohle und auf integrierte Stahlwerkseinrichtungen beschränkt sind. Es besteht deshalb der Wunsch, Roheisen mittels Direktreduktionseinrichtungen zu erzeugen, die auch für kleine Stahlwerksanlagen geeignet und unabhängig von der Verwendung von Kokskohle sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur. Direktreduktion von teilchenförmigem Eisenoxid zu Roheisen 3Q verfügbar zu machen, wobei als Reduktionsquelle ein fester Brennstoff benutzt wird. Es wird ein Verfahren mit hohem Wirkungsgrad angestrebt, zum Umwandeln von Eisenoxid-Partikeln in

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flüssiges Roheisen unter einem Gegenstrom-Wärmeaustausch durch Reaktion mit gasförmigen Reduktionsmitteln, die aus festem Brennstoff und Sauerstoff erzeugt werden. Ziel der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen aus Eisenoxid-Partikeln in einem einzigen Durchlaufverfahren ohne die Entfernung von Kohlendioxid und Schwefelbestandteilen aus den Reduktionsgasen. Mit dem Verfahren soll gleichzeitig flüssiges Roheisen und ein sauberer gasförmiger Brennstoff mit hohem Heizwert erzeugt werden.

Schließlich ist es ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens verfügbar zu machen.

•j 5 Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Ansprüchen 2 bis 12 zu entnehmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruches 13 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind den Ansprüchen 14 bis 29 zu entnehmen.

Danach werden in einem Schachtofen Eisenoxid-Partikel zu heissen metallisierten Eisenpartikeln direktreduziert, die heissen Partikel in einem Einschmelzvergasergefäß eingeschmolzen, in das fester Brennstoff und Sauerstoff eingeblasen werden und das heiße in dem Gefäß gebildete Abgas in den Schachtofen zurückgeführt, um in diesem die Eisenoxid-Partikel zu reduzieren. Dieses Verfahren ist einfach, wirksam, umweltfreundlich und für kleinere Stahlwerksanlagen wirtschaftlich. Es ist darüberhinaus für die Verwendung anderer Kohlesorten außer Kokskohle geeignet, die weltweit verfügbar sind.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Schachtofen-Einschmelzgefäßes mit, der zugehörigen Ausrüstung einschließlich einer Einblasvorrichtung für festen Brennstoff und Sauerstoff in das Schmelzgefäß,

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Figur 2 eine schematische Darstellung einer ähnlichen Vorrichtung wie der von Figur 1, bei der fester Brennstoff und Sauerstoff unterhalb der Badoberfläche in das Schmelzgefäß eingeblasen werden,
. .

Figur 3 eine schematische Darstellung eines mit einem Einschmelzgefäß gekoppelten Schachtofens und der zugehörigen Ausrüstung, bei dem das Schmelzgefäß einen Herd mit Aufprallbett aufweist.
10

Figur 1 stellt einen Schachtofen 10 mit einem Stahlmantel 11 dar, der mit feuerfestem Material 12 ausgekleidet ist. Am oberen Ende des Schachtofens 10 ist ein Beschickungstrichter 14. befestigt, der zum Chargieren von Beschickungsmaterial 15 aus Feststoffteilchen dient. Das Beschickungsmaterial besteht aus Eisenoxid in Form von Pellets oder Stückerz. Das Beschikkungsmaterial sinkt infolge der Schwerkraft durch eine oder mehrere Beschickungsrohre 16 ab, um im Schachtofen 10 eine Schüttung oder einen Möller 18 aus Feststoffteilchen zu bilden. Das reduzierte teilchenförmige Material 21 wird mittels eines Austragförderers 28 aus dem Ofen 10 durch ein Ofenaustragsrohr 22 in eine Abdichtkammer 23 gebracht und dann durch ein Austragrohr 25 in eine Förderkammer 26. Durch die Geschwindigkeit des Austrag-förderers 28 wird die Absinkgeschwindigkeit der Schüttung durch den Schachtofen 10 gesteuert. Der Austragförderer 28 ist ein wesentliches Dosiergerät der für den Prozeß vorgesehenen eisenhaltigen Feststoffe.

Das reduzierte teilchenförmige Material 21 fällt vom Austragförderer 28 frei durch ein Strahlungsschutzrohr 29 in ein Einschmelzvergasergefäß 30, das einen Stahlmantel 32 aufweist und mit feuerfestem Material 34 ausgekleidet ist. Das Strahlungsschutzrohr 29 dient dazu, die Hitzestrahlung aus dem Inneren des Einschmelzvergasergefäßes 30, dessen Temperatur bei etwa 1200⁰C liegt, in die Förderkammer 26 klein zu halten, in der die Temperatur etwa 800⁰C beträgt.Hierdurch wird vermieden, daß das reduzierte teilchenförmige Material überhitzt wird, zusammenbäckt und nicht mehr frei fließen kann.

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Das reduzierte, teilchenförmige Material 21 fällt in das Schmelzbad 35 und wird aufgeschmolzen. Das reduzierte geschmolzene Erzeugnis wird aus dem Einschmelzgefäß 30 durch ein Eisenabstichloch 37 abgelassen. Der Abstich der Schmelze aus dem Einschmelzgefäß 30 erfolgt intermittierend oder kontinuierlich, jedenfalls aber in Abhängigkeit von dem Austrag des reduzierten teilchenförmigen Materials 21 aus dem Schachtofen 10, der normalerweise kontinuierlich erfolgt, damit ein vorgegebener Flüssigkeitspegel 38 im Einschmelzgefäß 30 unterhalb von Einblasrohren 40 für Kohle und Sauerstoff (nur eines ist dargestellt) aufrechterhalten wird und zugleich genügend weit unterhalb von Wassereinspritz- bzw. -einsprührohren 42, von denen ebenfalls nur eines dargestellt ist.

Wie beschrieben bewegt sich das gesamte eisenhaltige Material durch Schwerkraft von dem Beschickungstrichter 14 hinunter zum Eisenabstichloch 37. Das gesamte nicht-eisenhaltige Material steigt durch das Einschmelzvergasergefäß 30 und den Schachtofen 10 im Gegenstrom zu dem absinkenden eisenhaltigen Material nach oben. Dies gewährleistet die wirksamste Ausnutzung der Energie zur Erzeugung des Roheisens aus Kohle und Sauerstoff mittels eines einfachen Verfahrens.

Jedes Einblasrohr 40 ist ein Doppelkanalrohr mit einem zentralen Kanal für fossilen Brennstoff, der über eine Leitung 45 an eine Quelle 44 fossilen Brennstoffs angeschlossen ist und mit einem Ringkanal für Sauerstoff, der über eine Leitung 48 mit einer Sauerstoffquelle 47 in Verbindung steht. Pulverisierte Kohle (Kohlenstaub) oder ein anderes kohlehaltiges Material wird dem Einblasrohr 40, das sich durch eine öffnung 50 in der Seitenwandung des Einschmelzvergasergefäßes 30 hindurch erstreckt, über die Leitung 45 pneumatisch mittels eines kleinen Druckgasstromes aus einer Leitung 5I zugeführt. Vorzugsweise wird durch einen Kompressor 52 Prozeßgas komprimiert und als Fördermittel benutzt. Die geförderte pulverisierte Kohle wird durch den zentralen Kanal des Einblasrohres 40 auf die Oberfläche des Schmelzbades 35 an einer Stelle eingeblasen, die etwas oberhalb der Höhe des Flüssigkeitspegels

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38 liegt. Es ist erwünscht, die Höhe des Flüssigkeitspegels geringfügig unterhalb des Einblasrohres 40 zu halten, so daß der Strom aus Kohle und Sauerstoff auf die Oberfläche des geschmolzenen Materials auftrifft, wodurch ein guter Wärmeübergang und eine stabile Verbrennung der Kohle gewährleistet werden. Der von der Quelle 47 gelieferte Sauerstoff wird auf einen geeigneten Druck verdichtet und durch den Ringkanal des Einblasrohres 40 eingeblasen, so daß die Sauerstoff- und Kohlenstaubströme an den Austrittsstellen der jeweiligen Rohre am Ausgang des Einblasrohres 40 aufeinandertreffen. Die Kohle wird mit dem Sauerstoff auf oder oberhalb der Oberfläche 38 des Schmelzbades 35 exotherm verbrannt, wodurch genügend Wärme frei wird, um das heiße teilchenförmige Material 21 im Einschmelzvergaser 30 zu schmelzen. Das Verhältnis von Kohle zu Sauerstoff wird so gesteuert, daß die Verbrennung bei einer theoretischen adiabatischen Flammentemperatur von etwa 1950⁰C erfolgt. Die Menge an verbrannter Kohle wird abhängig von der Menge an reduziertem teilchenförmigem Material gesteuert, wie sie mittels des Austragförderers 28 gemessen wird. Das Verhältnis Kohle zu reduziertem teilchenförmigem Material wird so eingestellt, daß eine geeignete Menge an Abgas des Einschmelzvergasers erhalten wird, um das gesamte Eisenoxid im Schachtofen 10 zu metallischem Eisen zu reduzieren.

Das heiße, reduktionsmittelreiche Abgas 54 verläßt die Oberfläche 38 des Eisenbades 35 bei einer Temperatur von etwa 1400⁰C. Die Qualität (Verhältnis von Reduktionsmitteln zu Oxidationsmitteln) und die Temperatur des Gases sind jeweils höher als es für die Verwendung im Schachtofen 10 erwünscht ist. Aus diesem Grund wird durch die Wassereinspritzdüsen flüssiges Wasser aus einer Quelle 55 eingespritzt, wodurch die Temperatur des Abgases auf etwa 1200⁰C gesenkt und das heiße Abgas zugleich so befeuchtet wird, daß die für den Reduktionsprozeß gewünschte Gasqualität entsteht. Das befeuchtete Abgas verläßt den oberen Teil des Einschmelzvergasergefässes 30 durch ein Austrittsrohr 56. In einem Zyklonabscheider 57 werden die heißen Feststoffe von dem befeuchteten Abgas

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getrennt. Die abgeschiedenen Feststoffe können in den Einschmelzvergaser zurückgeführt werden, indem sie durch eine Leitung 58 in die Leitung 45 mit pulverisierter Kohle eingeblasen werden.

Das den Zyklonabscheider 57 über eine Leitung 60 verlassende befeuchtete Abgas wird weiter gekühlt, um die gewünschte Gastemperatur für die Reduktionszwecke zu erhalten. Das heiße Gas tritt durch eine Drosselöffnung 62 hindurch, die nur den Durchtritt einer gesteuerten Gasmenge zuläßt. Der Rest, ebenfalls eine gesteuerte Gasmenge, wird durch eine Leitung 64 abgezweigt und durch einen wassergekühlten Wärmetauscher 66 geleitet, in dem das Gas gekühlt wird. Ein Teil des gekühlten Gases wird zur Leitung 51 abgezweigt, um Druckgas für die Kohleeinblasleitung 45 zu gewinnen. Der Rest an gekühltem Gas durchströmt eine Leitung 68 und wird mit dem Heißgasstrom in der Leitung 69 wiedervereinigt. Die Temperatur des Reduktionsgases in der Leitung 6 9 wird durch automatisches Einstellen des Stromes an kaltem Beipaß-Gas aus der Leitung 68 gesteuert.

Der Wärmetauscher 66 kann als direkter oder indirekter Wärmetauscher ausgebildet sein. Für den Prozeß ist kein Dampf erforderlich. Sollte es jedoch für andere Zwecke erwünscht sein, Dampf zu erzeugen, dann kann ein Abhitzekessel verwendet werden. Falls eine Dampferzeugung nicht gewünscht wird, kann als Wärmetauscher 66 ein einfacher direkt arbeitender Wasserkühler verwendet werden.

Das wiedervereinigte Reduktionsgas der gewünschten Temperatur, Qualität und Menge für die Reduktion tritt in den Schachtofen 10 durch ein Ringleitungs-und Düsensystem 70 ein. Das Reduktionsgas strömt nach innen und aufwärts durch die absinkende Schüttung 18, um das teilchenförmige Eisenoxid zu erhitzen und zu metallischem Eisen zu reduzieren. Bei der Reaktion Eisenoxid zu Eisen zu reduzieren, wird das Reduktionsgas teilweise oxidiert und gekühlt. Das teilweise oxidierte und gekühlte Gas verläßt den Reduktionsschachtofen 10 durch ein Abgasaustrittsrohr 72, gelangt in einen wassergekühlten Wäscher (Naßreiniger) 73, in dem es gekühlt und von Staub befreit wird. Das durch

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die Leitung 75 abgezogene kalte saubere Abgas des Schachtofens enthält CO und H₂ und besitzt einen Heizwert von etwa 1900 Kcal /Nm³. Es stellt damit einen wertvollen gasförmigen Brennstoff dar, der überall im Stahlwerk oder sonstwo gebraucht werden kann.

Sauerstoff und Kohle werden in das Einschmelzvergasergefäß 30 unter einem ausreichend hohen Druck eingeführt, um den Druckabfall zu überwinden, der bei der Strömung des Gases durch den Einschmelzvergaser und den Schachtofen auftritt und um Abgasbrennstoff eines üblichen Druckes zu liefern. Der Gasdruck im Einschmelzvergasergefäß 30 ist höher als im Schachtofen 10. Deshalb wird durch ein Eintrittsrohr 77 in die Abdichtkammer 23 zwischen dem Ofenaustragrohr 22 und dem Austragrohr 25 eine Menge an kaltem Inertgas eingeleitet. Der Druck in der Abdichtkammer 23 wird etwas höher als der Druck im unteren Teil des Schachtofens 10 und in der Austragförderkanmer 26 gehalten, so daß etwas an kaltem inertem Dichtgas nach oben in den Schachtofen 10 und nach unten in die Austragförderkammer 26 strömt. Dies hindert die 1200⁰C heißen Gase aus dem Einschmelzvergasergefäß 30 daran, direkt nach oben in den unteren Teil des Schachtofens zu strömen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein vollständiger, kontinuierlicher Gegenstromprozeß angewandt, um in höchst wirksamer Weise andere feste Brennstoffe als Kokskohle zu benutzen, um Roheisen aus teilchenförmigem Eisenoxid zu erzeugen und gleichzeitig einen wertvollen gasförmigen Brennstoff zu gewinnen.

Um die praktische Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu veranschaulichen, ist in den nachstehenden Tabellen I, II und III eine Verfahrensanalyse entwickelt worden, die auf der Verwendung einer für die westlichen Vereinigten Staaten typischen Moorkohle als kohlenstoffhaltiges Material basiert.

Die Qualität des Reduktionsgases ist als Verhältnis der Reduk-

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tionsmittel (CO plus H₂) zu den Oxidationsmitteln (CO₂ plus H₂O) im Gasgemisch definiert. Damit aus dem dem Verfahren eigenen chemischen Wirkungsgrad eines Gegenstromreduktionschachtofens voller Nutzen gezogen werden kann, sollte die Qualität des heißen Reduktionsgases mindestens etwa 8 betragen.

Die Betriebstemperaturen in einem Schachtofen schwanken zwischen 760 und 900⁰C und hängen von dem speziellen zu reduzierenden teilchenförmigen Eisenoxidmaterial ab. Die praktische Betriebstemperatur für die meisten Materialien beträgt 815°C.

	Tabelle I	Art	Bezugs zahl	. Durchsatz in Gasqua- Nm³ * lität	*Nm³ = Normalkubikmeter	-	Gastemperatur ⁰C
		Sauerstoff	-	576	16,9	50
15	Gasströme und deren Temperaturen	Gas des Ein schmelzver gasers	54	1869	8,0	1400
	Befeuchtetes Gas des Ein schmelzverga sers	56	2014	8,0	1200
	Beipaßgas	64	741	8,0	60
20	Reduktions gas	69	1983	1,4	815
	Schachtofen abgas	72	1983	—	__
25	Gereinigtes Brenngas	75	1850		60

•
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	Tabelle	Nm³	II	Gcal
	Beschickung und	—	Energiebedarf	6,71 (HHV)
Art	Bezugs zahl	576	kg	1,01 *
Kohle	45	—	1055	—
Sauerstoff	48		—
Oxide	15	1850	1420	(3,47)
Befeuchtungs wasser	55		117	4,25
Abgegebenes Brenngas	75
Netto-Ener- giebedarf

* Energiebedarf (HHV) an benötigter Kohle, um 576 Nm³ O₂ bei einem Wirkungsgrad von 30 % zu erzeugen.

Wegen der bei der Reduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen gegebenen chemisch-thermodynamischen Verhältnisse kann nur ein Teil der ursprünglichen Reduktionsmittel (CO plus H₂) zur Reaktion gebracht werden, bevor die gebildeten Oxidationsmittel (CO₂ plus H₂O) das Ende der Reduktions-Reaktionen hervorrufen. Diese thermodynamische Situation führt dazu, daß das den Schachtofen 10 durch das Abgasaustrittsrohr 72 verlassende verbrauchte Reduktionsgas bei einem mit großem Wirkungsgrad arbeitenden Ofen eine Qualität von etwa 1,5 aufweist. Somit wird das Reduktionsgas einer Qualität von 8 im Reduktionsprozeß zu einer Qualität von 1,5 oxidiert. Die so verbrauchte Menge an CO plus H₂ bestimmt die Menge des benötigten Reduktionsgases. Für einen leistungsfähigen Betrieb ergibt sich damit praktisch eine Menge von 1800 bis 2100 Nm³/t reduzierten Eisenproduktes.

Jede Tonne des vom Einschmelzvergasergefäß 30 abgegebenen Roheisens erfordert 1,035 Tonnen an direkt-reduziertem teilchenförmigem Material mit dem der Einschmelzvergaser beschickt werden muß. Ein typischer Wert für den Grad der Metallisierung des direkt-reduzierten Materials ist 92 %. Das Material wird dem Einschmelzvergaser mit einer Temperatur von 700⁰C züge-

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führt. Das Roheisen wird mit einer Temperatur von 1350⁰C entnommen. Es muß deshalb im Einschmelzvergaser eine genügend große Wärmemenge erzeugt werden, um das mit 700⁰C zugeführte direkt-reduzierte Material auf 1350⁰C zu erhitzen, das restliehe FeO zu Eisen zu reduzieren, SiO₂, MnO, P₂Oj. etc. zu reduzieren, den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen, die Schlacke auf 1350⁰C zu erhitzen und die Wärmeverluste des Systems auszugleichen. Dies erfordert 403.000 Kcal pro Tonne Roheisen. Die benötigte Hitze wird durch exotherme Reaktion von Kohle und Sauerstoff innerhalb des Einschmelzvergasers und durch Abkühlen der Verbrennungsprodukte auf 1400⁰C geliefert.

Die nachstehende Tabelle III zeigt Gasanalysen an den angezeigten Stellen des Verfahrens.
15

Tabelle III Gasanalysen im Verlaufe des Verfahrens

Gasart Bezugs- %C0 %C0₂ %H₂ %H₂0 %N₂ zeichen ^

~ : ~
Gas im Einschmelzvergase 54 66,9 2,3 26,2 3,2 1,4

Reduktionsgas 69 63,0 2,2 24,7 8,8 1,3

Schachtofenabgas 72 26,6 28,1 21,7 12,3 1,3

Abgegebenes

reines Brenngas 75 38,8 29,8 23,0 6,0 2,4

Obgleich der bevorzugte, durch die Leitung 45 zuzuführende fossile Brennstoff nicht kokende Kohle oder Braunkohle ist, kann das Verfahren auch mit kokender Kohle, Holzkohle oder Koks durchgeführt werden. Der eingeblasene feste fossile Brennstoff muß auf eine Korngröße von höchstens etwa 6 mm (1/4 Zoll) zerkleinert sein. Stattdessen kann das Verfahren auch mit aus fossilem Brennstoff gewonnenem flüssigem Petroleum oder auch mit einem gasförmigen fossilen Brennstoff wie Erdgas durchgeführt werden.

Bei dem anhand der Figur 2 veranschaulichten abgewandelten

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Ausführungsbeispiel werden Kohle und Sauerstoff in das Einschmelzvergasergefäß 30 unterhalb der Oberfläche 38 des Schmelzbades 35 eingeblasen. Roheisen und Schlacke werden intermittierend aus dem Einschmelzvergaser 30 abgezogen, um die Oberfläche 38 des Schmelzbades 35 stets oberhalb des austrittsseitigen Endes der Einblasrohre 80 für Kohle und Sauerstoff (von denen in Figur 2 nur eines dargestellt ist) sowie unterhalb der Wassereinspritzrohre 42 (von denen ebenfalls nur eines dargestellt ist) zu halten. Die Höhe des Flüssigkeitsspiegels 38 ist nicht kritisch, sondern nur von der Form des Einschmelzvergasergefäßes 30 und dem vertikalen Abstand zwischen den Höhen der Rohre 80 und 42 abhängig. Es ist erwünscht, die Höhe des Flüssigkeitsspiegels nur wenig oberhalb des austrittsseitigen Endes des Einblasrohres 80 zu halten, damit der Druck, unter dem die Kohle und der Sauerstoff eingeblasen werden müssen, so niedrig wie möglich ist. Der Kohlenstaub wird durch ein zentrales Rohr des Einblasrohres 80 in das Schmelzbad 35 an einer Stelle unterhalb der Höhe des Flüssigkeitsspiegels 38 eingeblasen. Sauerstoff aus der Quel-Ie 47 wird auf einen geeigneten Druck komprimiert und dann durch einen Ringkanal 82, der das zentrale Rohr umgibt, eingeblasen, so daß sich die Sauerstoff- und Kohlenstaubströme an den Austrittsstellen der entsprechenden Rohre treffen. Die Kohle wird innerhalb des Schmelzbades 35 mit Sauerstoff verbrannt. Die Verbrennung von Kohle mit Sauerstoff ist exotherm, und es wird ausreichend Hitze freigesetzt, um das heiße teilchenförmige Material innerhalb des Bades zu schmelzen. Das Verhältnis von Kohle zu Sauerstoff wird so gesteuert, daß die Verbrennung bei einer theoretisch adiabatischen Flammentemperatur von etwa 1950⁰C erfolgt. Die Menge der verbrannten Kohle wird in Abhängigkeit von der Menge des reduzierten teilchenförmigen Materials gesteuert, die durch den Austragförderer 28 gemessen wird.

Figur 3 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel dar. Eine Einschmelzvergaserkammer 110 mit einem Stahlmantel ist im oberen Bereich mit feuerfesten Steinen 112 und im unteren Bereich mit Kohlenstoffsteinen 114 ausgekleidet. Die Einschmelzvergaserkammer 110 weist vorzugsweise im wesentlichen einen kreisförmi-

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genQuerschnitt auf. Im Bodenbereich der Kammer kann ein erhöhter Schmelzherd bzw. -sockel 116 vorgesehen sein. Dieser Herd ist innerhalb der Kammer so angeordnet, daß ein Reservoir 118 für Roheisen und Schlacke gebildet wird, in dem sich Roheisen 119 und Schlacke 120 ansammelt. Ein Roheisen- und Schlackeabstichloch 37 ist vorgesehen, um periodisch aus dem Reservoir 118 die heiße Flüssigkeit abzuziehen. Der Herd 116 ist vorzugsweise als ein zentraler aufrechtstehender Sockel ausgebildet, der von einem ringförmigen Becken 118 für das ο Roheisen umgeben ist. Andererseits kann der Herd auch durch einen Haufen von Pellets oder anderem Material auf dem Boden des Einschmelzvergasergefäßes gebildet sein.

In der Seitenwand der Einschmelzvergaserkammer 110 ist eine Vielzähl von wassergekühlten Düsen 123 angeordnet, die nach unten gegen den oberen Bereich des Schmelzherdes 116 gerichtet sind. Im oberen Bereich der Kammer ist eine Wassersprühdüse 42 angeordnet, die Wasser in die Kammer spritzt bzw. einsprüht. Ein Gasaustrittsrohr 56 und eine Eintrittsöffnung für reduzierte Eisenpellets sind oben in der Kammer angeordnet. Mit dem oberen Bereich der Einschmelzvergaserkammer 110 ist ein Direktreduktionsschachtofen 10 verbunden.

Heiße reduzierte Eisenpellets werden in einer durch den Austragförderer 130 geregelten Menge aus dem Ofenaustragrohr 22 abgezogen, um ein Absinken der Ofenschüttung 18 durch Schwerkraft zu bewirken. Der Austragförderer 130 kann in üblicher Weise als Heißaustragförderer ausgebildet sein, wie eine aus einer hitzebeständigen Legierung hergestellte Abstreifleiste oder ein Transportband. Die vom Austragförderer 130 abgezogenen heißen reduzierten Eisenpellets fallen durch Schwerkraft auf den Herd bzw. Sockel 116, wo ein Haufen 132 mit einem entsprechenden Böschungswinkel gebildet wird. Ein kleiner Anteil Stückkoks kann der Charge an Oxidpellets im Beschickungstrichter 14 zugesetzt werden, um eine Quelle gebundenen Kohlenstoffes verfügbar zu haben, die mit dem heißen, direkt reduzierten Eisen vermischt ist, welches auf dem Aufprallbett des Her-

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des geschmolzen wird. Der Koks durchläuft den Reduktionsofen 10 ohne Reaktion. Wenn er auf den Boden des Einschmelzvergasers auftrifft, der in diesem Fall nicht als erhöhter Sokkel ausgebildet sein muß, bildet er zusammen mit den Eisenpellets ein aufrechtes Aufprallbett im Herd. Der Koks gewährleistet eine kohlenstoffreiche Umgebung an der Stelle, an der sich der Schmelzvorgang abspielt.

Der in der Einschmelzvergaserkammer 110 zu vergasende Kohlenstaub wird den Düsen 123 aus einer Kohlenstaubquelle 44 und der der Vergasung dienende Sauerstoff den Düsen 123 aus einer Sauerstoffquelle 47 zugeführt. Die Düsen sind gegen die Oberfläche des auf dem Herd 116 gebildeten Haufens aus heißen, direkt reduzierten Pellets gerichtet. Der Aufprall dient nicht nur zur Beschleunigung der Vergasung und Verbrennung, sondern auch zur Beschleunigung des Schmelzens der Pellets. Wenn die Pellets schmelzen, tropfen überhitztes Roheisen und Schlacke kontinuierlich über den Rand des Herdes 116 und fließen nach unten in das ringförmige Reservoir 118 von Roheisen und Schlacke. Roheisen und Schlacke werden periodisch durch das Eisenabstichloch 37 abgestochen. Wenn die Pellets in dem Haufen 132 schmelzen und ein Schrumpfen des Haufens in der Größe verursachen, tastet eine nicht dargestellte Sonde das Haufenniveau ab und betätigt den Austragförderer 130 des Reduktionsofens, um die eingeschmolzenen Pellets durch heiße reduzierte Eisenpellets aus dem Reduktionsofen 10 zu ersetzen. Zur Regelung der Menge des Heißgases aus der Leitung 60, das durch den Beipaßkühler 66 strömt, ist ein Durchsatzsteuerventil 140 vorgesehen, das mittels einer nicht dargestellten bekannten Steuereinrichtung auf einen Gastemperaturfühler 142 anspricht und dazu dient, die Temperatur des Gases am Einlaß 70 zu steuern.

Zur Erzielung der gewünschten Flüssigkeit der geschmolzenen Schlacke und zur Eisenentschwefelung werden vorzugsweise mit den Eisenoxidpellets in den Beschickungstrichter 14 des Reduktionsofens Kalksteine oder Dolomit eingegeben, wie dies beim bekannten Hochofen üblich ist. Alternativ könnte auch pulverisierter Kalk oder Dolomit durch die Düsen 123 einge-

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blasen werden.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß es sich bei der Erfindung um eine kontinuierlich arbeitende Gegenstromvorrichtung und ein Verfahren zur Direktreduktion von teilchenförmigen! Eisenoxid zu Roheisen handelt, bei dem mit hohem Wirkungsgrad nicht kokende, feste fossile Brennstoffe als Hauptquelle für das Reduktionsmittel dienen, und bei dem gleichzeitig ein wertvolles, anderweitig verwendbares Brenngas erzeugt wird.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KJiAMER. . . . PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Palentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patenlconsull Palentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Midrex Corporation 80/0701 One NCNB Plaza Charlotte, North Carolina 28280, U.S.A. Patentansprüche

1. Verfahren zum Reduzieren von Eisenoxid-Partikeln und zum Erzeugen von geschmolzenem Eisen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Eisenoxid-Partikel werden in einem Reduktions-Schachtofen durch Reaktion mit einem heißen, hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Reduktionsgas zu einem festen metallisierten Eisenpartikel-Produkt reduziert;

b) das heiße metallisierte Eisenpartikel-Produkt wird in ein ein Bad einer Metallschmelze enthaltendes Schmelzgefäß entleert;

c) durch Einblasen von fossilem Brennstoff und Sauerstoff in das Schmelzgefäß wird das Eisen geschmolzen und der fossile Brennstoff zu einem heißen Abgas vergast;

d) das heiße Abgas wird im Schmelzgefäß zur Bildung eines heissen Reduktionsgases gekühlt und befeuchtet;

e) das heiße Redutionsgas wird aus dem Schmelzgefäß abgezogen und dem Schachtofen als Reduktionsmittel zum Reduzieren der Eisenoxid-Partikel zu dem Eisenpartikel-Produkt zugeführt;

f) das geschmolzene Eisenprodukt wird aus dem Schmelzgefäß abgezogen.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fossile Brennstoff und der Sauerstoff auf die Oberfläche der Metallschmelze aufprallend aufgeblasen werden (Fig. 1).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fossile Brennstoff und der Sauerstoff in die Metallschmelze unterhalb des Badspiegels eingeblasen werden (Fig. 2).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im

ο Schmelzgefäß ein im wesentlichen zentral aufgeschütteter Haufen des Eisenpartikel-Produktes gebildet wird, der von einem Bad geschmolzenen Metalls umgeben ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schachtofen durch die Reaktion ein Abgas gebildet und aus dem Schachtofen entfernt, gekühlt und zu einem Brenngas gereinigt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als fossiler Brennstoff fester Brennstoff zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als fester Brennstoff ein aus kohlehaltigem Brennstoff, wie Kohle, Braunkohle, Holzkohle und Koks, ausgewählter Brennstoff zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als fossiler Brennstoff flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem aus dem Schmelzgefäß abgezogenen heißen Reduktionsgas Feststoffe entfernt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die

Feststoffe in das Schmelzgefäß gemeinsam mit dem fossilen Brennstoff zurückgeführt werden.

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11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des heißen Reduktionsgases als Trägermedium für den fossilen Brennstoff verwendet wird.

12.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des im Schmelzgefäß gebildeten heißen Gases durch Einspritzen von Wasser in das Schmelzgefäß oberhalb der Einblasstelle des fossilen Brennstoffes und unterhalb der Austrittstelle für das heiße Gas auf etwa 1200⁰C abgesenkt wird.

13. Vorrichtung zum Reduzieren von Eisenoxid-Partikeln und zum Erzeugen von geschmolzenem Eisen, gekennzeich net durch:

a) einen oben mit einer Einfüllöffnung (14) für Eisenoxid-Partikel (15) versehenen im wesentlichen senkrechten Schachtofen (10), der weiterhin unten einen Auslaß (25) für Materialpartikel, zwischen seinem oberen und unteren Ende einen Einlaß (70) für dem Ofeninhalt zuzuführendes heißes Reduktionsgas und oben einen Auslaß (72) für verbrauchtes Reduktionsgas aufweist;

b) ein Einschmelzvergasergefäß (30) zur Aufnahme eines metallischen Schmelzbades, in das oben eine mit dem Auslaß (25) des Schachtofens (10) in einer nach außen abgeschlossenen Verbindung stehende Leitung (29) einmündet und das unten ein Abstichloch (37) zum Ablassen geschmolzenen Produktes aufweist;

c) eine Vorrichtung (44, 45, 47, 48 und 40 bzw. 80, 82 bzw. 123) zum Zuführen von Sauerstoff und fossilem Brennstoff in das Einschmelzvergasergefäß (30 bzw. 110);

d) eine am Einschmelzvergasergefäß (30) vorgesehene Einspritzdüse (42) zum Einspritzen von Wasser in das Gefäß (30) zum Befeuchten der darin befindlichen heißen Gase;

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e) eine von einer Austrittsöffnung (56) des Einschmelzvergasergefäßes (30) zum Einlaß (70) des Schachtofens (10) für heißes Reduktionsgas führende Verbindungsleitung (60,60) zum Zuführen des befeuchteten Abgases aus dem Gefäß (30) zum Schachtofen (10) als Reduktionsgas.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13/ dadurch gekennzeichnet, daß das Einschmelzvergasergefaß (30) an seinem Boden einen zentralen Aufprallsockel (116) aufweist, der von einem zur Aufnahme des Schmelzbades (119) dienenden ringförmigen Becken umgeben ist (Fig. 3).

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zuführen von Sauerstoff und fossilem Brennstoff ein oberhalb der Oberfläche (38) des Schmelzbades (35) mündendes Einblasrohr (40) aufweist, durch welches der Sauerstoff und der fossile Brennstoff auf diese Oberfläche (38) aufprallend zugeführt werden (Fig.1).

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zuführen von Sauerstoff und fossilem Brennstoff ein unterhalb der Oberfläche (38) des Schmelzbades (35) mündendes Einblasrohr (80,82) aufweist (Fig. 2).

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Einblasrohr (40 bzw. 80) einen zentralen Kanal für den fossilen Brennstoff und einen denselben umgebenden Ringkanal (82) für den Sauerstoff aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch eine die Zufuhr der reduzierten Materialpartikel in das Einschmelzvergasergefaß (30) regelnde Dosiervorrichtung (Austragförderer 28 bzw.130).

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch

gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (60, 69) für

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das Reduktionsgas eine Kühlvorrichtung (64, 66, 68) zum Kühlen des Reduktionsgases vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (60, 69) für das Reduktionsgas ein Heißgaszyklonabscheider (57) zum Ausscheiden von Feststoffen aus dem Reduktionsgas vorgesehen ist,

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Feststoffaustrittssteile des Heißgaszyklonabscheiders (57) eine in eine Leitung (45) zum Zuführen des fossilen Brennstoffs in das Einschmelzvergasergefäß (30) einmündende Verbindungsleitung (58) ausgeht.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß an die Verbindungsleitung (60, 69) für das Reduktionsgas eine in eine Zuführungsleitung (45) für den fossilen Brennstoff einmündende Zweigleitung (64, 51) zur Unterstützung der Förderung des fossilen Brennstoffs in das Einschmelzvergasergefäß (30) anschließt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wasser-Einspritzdüse (42) am Einschmelzvergasergefäß (30) oberhalb der Oberfläche (38) des Schmelzbades (35) zum Kühlen und Befeuchten der vom Schmelzbad (35) aufsteigenden Gase vorgesehen ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Austragende des Schachtofens (10) und mit dem oberen Teil des Einschmelzvergasergefäßes (30) eine Abdichtkammer (23) verbunden ist, die eine Einführstelle zum Zuführen eines inerten Sperrgases enthält, welches ein Strömen von Gas zwischen dem Einschmelzvergasergefäß (30) und dem Schachtofen (10) durch die Abdichtkammer (23) hindurch verhindert (Fig. 1).

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, um in der Abdichtkammer (23) einen größeren Gas-

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druck als im Schachtofen (10) und im Einschmelzvergasergefäß (30) aufrechtzuerhalten.

26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (123) zum Zuführen von Sauerstoff und fossilem Brennstoff auf den Aufprallsockel bzw. das Aufprallbett des Herdes (132) gerichtet ist, um metallisches Material zu schmelzen und heißes Gas zu erzeugen.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zuführen von Sauerstoff und fossilem Brennstoff ein Brenner ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zuführen von Sauerstoff und fossilem Brennstoff eine Heißwinddüse (123) ist (Fig. 3).

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (60, 69) für das Reduktionsgas eine von einer Umgehungsleitung (64, 68) umgangene Drosselöffnung (62) und in der Umgehungsleitung (64, 68) ein Wärmetauscher (66) zum Kühlen des Gases vorgesehen ist, und daß in der Verbindungsleitung (60, 69) nahe dem Schachtofen (10) ein Temperaturfühler (142) und außerdem in der Umgehungsleitung (64, 68) ein vom letzteren her steuerbares Strömungsventil (140) zur Regelung der Temperatur des dem Schachtofen (10) zugeführten Reduktionsgases vorgesehen ist (Fig.3).

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