DE3104281A1

DE3104281A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von eisenschwamm

Info

Publication number: DE3104281A1
Application number: DE19813104281
Authority: DE
Inventors: Sven 81300 Hofors Santén
Original assignee: SKF Steel Engineering AB
Current assignee: SKF Steel Engineering AB
Priority date: 1981-02-07
Filing date: 1981-02-07
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE3104281C2

Description

Ungeachtet der Tatsache, daß Steinkohle einen der Rohstoffe
bildet, welche in größter Menge zur VerfUgung stelien, und den billigsten Energieerzeuger bildet, wurde sie bisher nur in äußerst begrenztem Maße als Reduktionsmittel bei der Herstellung von Eisenschwamm verwendet. Diese Situation herrscht trotz der günstigen Relation zwischen Preis und Energiegehalt der Steinkohle auch heute noch vor.
Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Eisenschwamm, bei denen Kohle als Reduktionsmittel verwendet wird, sind hauptschlich die folgenden: a) Das Drehherdofen-Verfahren, bei welchem Steinkohle zusammen mit dem zu reduzierenden Erz in einem schrag liegenden Drehherdofen verwendet wird. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht darin, daß hauptsächlich infolge der kinetischen Energie mit relativ hohen Temperaturen, vorzugsweise 1000 °C, gearbeitet werden muß, was beträchtliche Probleme durch Materialverstopfung und -anhäufung in der Reaktionskammer verursacht.
b) Die Verwendung eines Schachtofens in Kombination mit einer Einrichtung zur Kohlevergasung, welche auf einer teilweisen Verbrennung beult. Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens sind hauptsächlich die extrem hohen DCnvestitionskosten fUr die Vergasungseinriehtung uncl auch der überaus lwohe Energieverbrauch.
c) Das Verfahren, welches in der schwedischen Patentschrift 75 04 )32-5 offenbart ist und bei welchem Kohle in fester Form unter Verwendung eines Plasmaerzeugers direkt vergast wird. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß die Kohlezufuhr äußerst genau eingestellt werden muß und bei einigen Kohlearten sich Probleme bei der Itandhabung der Asche ergeben. Außerdem besitzt das erzeugte Gas einen Wasserstoffgehalt, welcher niedriger ist, als er für Reduktionszwecke ideal wäre.
Es wurde nun festgestellt, daß die vorgenannten Schwierigkeiten und Nachteile der bisher bekannten Verfahren im wesentlichen durch die Erfindung ausgeschaltet werden können, welche ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Eisenseliwanim durch kontinuierliche Reduktion von Eisenoxiden in einem Schachtofen betrifft.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Reduktionsgas im Gegenstrom zu den Eisenoxiden durch den Schachtofen geleitet und be steht hauptsächlich aus CO und II2, wobei dieses Iicdul:-tionsgas aus Rezirkulationsgas erzeugt wird, d.h. aus dem den Schachtofen verlassenden Reaktionsgas sowie aus einem Extragas, welches aus festem Reduktionsmittel wie beispielsweise Kohle, vorzugsweise Steinkohle, mit Hilfe eines Plasmagenerators hergestellt wird. Dieses Rezirkulationsgas wird zunächst einmal im wesentlichen von C02 und H20 befreit und dann in zwei Teilstrme aufgeteilt, von denen einer einem Plasmagenerator zugeleitet wird.
Das Reduktionsmittel wird zusammen mit Wasser in den heißen (lasstrom eingeblasen, welcher den Plasmagenerator verläßt, sodaß das Wasser mit dem Reduktionsmittel zur Reaktion gebracht wird und eine Mischung aus hauptsächlich CO und H2 bildet. Die Temperatur des erzeugten Gases wird in einem derartigen Bereich gehalten, daß im festen Reduktionsmittel enthaltene Asche eine Schlacke bildet. Die den Gaserzeuger verlassende heiße C0-H2-Mischung wird mit wenigstens einem der anderen Teilströme des gereinigten Rezirkulationsgases in einem derartigen Verhältnis gemischt, daß die Temperatur der endgültigen Gasmischung für das Reduktionsverfahren geeignet ist.
Gemäß einer Besonderheit der Erfindung wird die Temperatur des im Gas erzeuger hergestellten Gases auf einen Temperaturbereich von 1300-1500°C eingestellt. Vorzugsweise wird auch, bevor die fertige Gasmischung dem unteren Teil des Schachtofens zugeführt wird, ihre Temperatur auf 700-1000°C gebracht, indem sie mit dem zweiten Teilstrom gemischt wird.
Nach einer weiteren Besonderheit der Erfindung wird das Rezirkulatioiisgas in einem Gaswäscher gereinigt, bis sein C02-Gehalt vorzugsweise unter 2% beträgt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Eisenschwarnm besitzt ein System zur Erzeugung von Reduktionsgas, welches eine Reinigungseinrichtung für das die ReaktionsIai-nmer verlassende Reaktionsgas und einen damit verbundenen Gaserzeu;er-Schacht aufweist, um einen Teil des auf diese Weise gereinigten Reduktionsgases aufzunehmen. Der Gaserzeuger-Schacht weist einen Plasmagenerator und Zufuhreinrichtungen für das gesteuerte Einbringcn von Reduktionsmittel und Wasser in das in ihm erzeugte Plasmagas auf. Hinter dem Gaserzeuger-Schacht ist ein einstellbarer Mischer vorgesehen, um den Teil des Reduktionsgases aus dem Schacht mit einem zweiten unbehandelten Teil des gereinigten Reaktionsgases zu mischen. Außerdem ist im unteren Abscntt der Reaktionskammer zum Einbringen der auf diese Weise erHaltenen endgültigen Gasmischung eine Gebläseeinrichtung vorgesehen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Figur, welche in schematischer Darstellung ein Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, im einzelnen erläutert.
Die Reduktion von Eisenoxidbrocken wird in einem Reduktionsschacht 1 durchgeführt. Die Eisenoxidbrocken 2 werden durch einen Keilschieber 3 in den Schacht 1 eingebracht und durch einen Gegenstrom eines heißen Reduktionsgases, welches hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas besteht, welches im unteren Abschnitt 4 des Schachtes eingeblasen wird, behandelt.
Das Eisenschwamm-Produkt wird durch einen Auslaß 5 im Boden 4 des Schachtes 1 entfernt. Das Reduktionsgas, von weichen 5o-¼0% reagiert hat, wird vom oberen Teil des Schachtes 1 durch einen Auslaß 6 entfernt.
Das auf diese Weise aus dem Schacht 1 entfernte Gas enthält neben 50-70% unreagiertem CO und H2 auch die Reaktionsprodukte C02 und H20. Da dieses Gas noch relativ hohe Anteile an CO und H2 enthält, kann es erneut im Verfahren verwendet werden. Um jedoch als Reduktionsgas erneut verwendet werden zu können, muß der Gehalt an C02 und H20 auf weniger als 5% herabgesetzt werden.
Dies wird dadurch erreicht, daß das Gas durch einen Gaswäscher (C02/ll2U-Waicller) 7 geleitet wird. Wenn das Gas durch diesen Wäscher hindurchströmt, wird es nicht nur von den Reaktionsprodukten C02 und H20 befreit, sondern der tatsächliche Waschprozeß ermöglicht einen Ausgleich der Gasmenge, sodaß ein Zurückschlagen des Gases vermieden werden kann. Der Wäscher 7 kann als aktive Substanz beispielsweise Monoäthanolamin enthalten, und der Gehalt an C02 im Gas kann beim Durchgang durch den Wäscher auf unter 2% herabgesetzt werden.
Im Anschluß an den Wäscher 7 strömt das Gas zu einem Kompressor FS, in welchem der für das Verfahren erforderliche Druckanstieg erzeugt wird, und wird dann in wenigstens zwei Teilströme 9 und 10 aufgeteilt.
Der Teilstrom 9, welcher Raumtemperatur besitzt, wird in einen Gaserzeuger 11 geleitet, in welchem das erforderliche Extragas aus einem festen Reduktionsmittel, vorzugsweise Kohle, und Wasser erzeugt wird. Der Gasstrom 9 wird als Plasmagas in einem Gaserzeuger 11 verwendet und die Menge an für den Gaserzeugungs-Prozeß erforderlicher Energie wird in einem Plasmabrenner 12 geliefert. Die Hauptenergiequelle, bei der es sich um Kohlenstaub handelt, wird mit einem Oxidationsmittel, vorzugsweise Wasser, behandelt und dem Gaserzeuger 11 über Düsen 15 zugeleitet, sodaß es den den Plasmabrenner 12 verlassenden heißen c;;cnstrorn derart durchdringt, daß KohlerlstauL) und Oxidations -mittel zur Reaktion gebracht werden und CO und H2 bilden. Um eine ausreichende Reaktion sowie einwandfreie Uberleitungsmerkmale sicherzustellen, wird vorzugsweise Kohlenstaub mit einer Teilchengröße von unter 20 Maschen und vorzugsweise unter 100 Maschen verwendet.
Die Energiezufuhr im Gaserzeuger 11 wird derart geregelt, daß die im Kohlenstaub vorhandene Asche zu einer Schlacke 14 geschmolzen wird, welche vom unteren Teil des Gaserzeugers 11 in f:LUssiger oder fester Form entfernt werden dann. Infolge der Zusammensetzung der Asche wird die Temperatur vorzugsweise derart gewählt, daß sie zwischen 1500 und 150000 liegt.
Das in der Vorrichtung erzeugte Reduktionsgas kann neben CO und H2 auch Schwefel enthalten, welcher in der Kohle enthalten war.
Diese Zwischengasmischung wird daher durch einen Schwefelfilter 15 (beispielsweise einen Dolomit-Filter) geleitet, in welchem der Schwefelgehalt auf eine annehmbare Höhe für das Eisenschwamm-Verfahren, vorzugsweise unter 75 ppm, gesenkt wird.
Das den Schwefelfilter 15 verlassende Gas ist wesentlich heißer als dies für das Eisenschwamm-Verfahren erforderlich ist, sodaß seine Temperatur durch Mischung in einem geeigneten Verhältnis mit dem kalten gewaschenen Gas im Teilstrom 10 gesenkt wird, uni eine für das Verfahren geeignete Temperatur, beispielsweise 750-1000°C, vorzugsweise 825°C, zu erreichen.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden bedeutende technische Vorteile erreicht. In dieser Beziehung kann die Gaserzeugung bei einer Temperatur stattfinden, daß die Asche Schlacke bildet, welche lelcht zu handhaben ist und abgelassen werden ann, ohne daß Verstopfungsprobleme im Verfahren verursacht werden. Der Wasserstoffgehalt des Reduktionsgases kann auf eine Menge eingestellt werden, welche für das Reduktionsverfahren geelgnet ist, und zwar durch den Waschprozeß und das anschließende Einspritzen des Wassers in den Gaserzeuger. Außerdem bietet die Kombination der Gaswaschung und Gaserzeugung bei erhöhten Temperaturen überragende Möglichkeiten eines Ausgleichs der Gasmenge im System und der Regelung der Reduktionstemperatur. Gleichzeitig wird eine hohe Energieausbeute erreicht, da die vom Plasmagenerator zugeführte Energie im wesentlichen vollständig im Verfahren verbraucht wird, d.h. die Temperatureinstellung wird durch Zusetzen von kühlere zurückfließendem Reduktionsgas erreicht, statt dadurch, daß dem System Wärme entzogen wird.
Bei Versuche im Testmaßstab ergaben sich für 1 to Eisenschwamm nachstehende Verbrauchswerte; Elektrische Energie: 820 kWh; Steinkohlenpulver: 172 kg.
Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich einfacher zu regeln. Eine einfachere und wirkungsvollere Regelung des gesamten Verfahrens wird bei der Erzeugung des Plasmagases durch vorheriges Mischen von Kohlenstaub mit zugesetztem Wasser im korrekten Verhältnis erreicht, vorzugsweise in stöchiometrischen Proportionen. Infolge der vorhergehenden Mischung von Kohlenstaub und Wasser läßt sich die Mischung auch leichter in Form einer Kohle/Wasser-Emulsion einspritzen.
Sollten bei der Bindung der Asche vom festen Reduktionsmittel in einer Schlackenphase Schwierigkeiten auftreten, können Additive verwendet werden, welche die Eigenschaften der Schlacke wie beispielsweise den Schmelzpunkt, die Schwefelabsorption usw.
beeinflussen, wie beispielsweise Alkaliverbindungen und Kalk.
Diese Additive werden vorzugsweise mit dem festen Reduktionsmittel vermischt. Geeignete Gel-Bildner können zugesetzt werden, um die Kohle/Wasser-Mischung zu stabilisieren, und Sauerstoff kann in Form von Sauerstoffgas anstelle von Wasser dem Gaserzeuger 11 zugeführt werden.
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Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Eisenschwamm.

Ansprüche.

1. Verfahren zur Herstellung von Eisenschwamm durch kontinuierliche Reduktion von Eisenoxiden in einem Schachtofen, d a -d u r c h g e ic e n n z e i c h n e t , daß aus einem Schacht ofen (1) das Reaktionsgas entfernt wird, daß diesem Reaktionsgas im wesentlichen das gesamte C02 und H20 entzogen wird, daß das Reaktionsgas in wenigstens zwei Teilströme (9, lO) aufgeteilt wird und einer (9) dieser Teilströme einem Gasgeneratur (11) zugeleitet wird, welcher einen Plasmabrenner (12) und Einrichtungen (13) zum Einspritzen eines festen Reduktionsmittels und eines Oxidationsmittels besitzt, und daß dieses Reaktionsgas durch den Plasmabrenner erhitzt wird und in das erhitzte Gas das feste Reduktionsmittel und das Oxidationsmittel eingeblasen werden, um eine Zwischengasmischung auszubilden, welche hauptsächlich aus CO und H2 besteht, daß diese Zwischengasmischung auf einer derartigen Temperatur gehalten wird, daß in dem festen Reduktionsmittel enthaltene Asche eine Schlacke bildet, daß dieses Zwischengas mit wenigstens einem (10) der anderen Teileitrönle in einem derartigen Verhältnis gemischt wird, daß die Temperatur des sich ergebenden Reduktionsgases zur Reduktion von Eisenoxiden in einem Schachtofen (1) geeignet ist, daß dieses Reduktionsgas in den unteren Teil (4) eines Schachtofens eingeblasen und durch den Schachtofen nach oben geleitet wird, wodurch Eisenoxide in dem Schachtofen reduzierbar sind, und daß das reduzierte Eisen aus dem Ofen entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel Wasser oder Sauerstoff ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ZwiscIcngasmischung auf einer Temperatur von etwa 1500 bis 15000C gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ,.wischengas mit wenigstens einem (10) der anderen Teilströme in einem derartigen Verhältnis gemischt wird, daß die Temperatur des entstehenden Reduktionsgases vor den Einblasen in den Schacht oren (1) zwischen 700 und 100000 liegt.

5. Verfahren nach Ansprucl-l Sl, dadurch gekennzeicl-lnet, daß (lie Temperatur des Reduktionsgases vor dem Einblasen in den Schacht ofen (1) annähernd 82500 beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß C02 und H20 dem Reaktionsgas durch eine Gaswaschung entzogen werden, bis der Gehalt an C02 weniger als etwa 2% beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel Kohle verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Kohlenstaub ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Steinkohlenstaub ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daIo das Reduktionsmittel Kohlenstaub mit einer Teilchengröße von unter 20 Maschen ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Kohlenstaub mit einer Teilchengröße von unter 100 Maschen ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischengasmischung durch einen Schwetelfilter (15) hindurchgeleitet wird.

15. Vorrichtung zur Herstellung von Eisenschwamtn durch leontinuierliche Reduktion von Eisenoxiden, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Schachtofen (1) zur Reaktion von Eisenoxiden durch ein Reaktionsgas besitzt, welches im wesentlichen aus CO und H2 besteht, daß mit dem oberen Bereich des Schachtofens Anordnungen (6) zur Entfernung des Reaktionsgases aus dem Ofen verbunden sind, daß Reinigungseinrichtungen (7) zur Entfernung von C02 aus dem Reaktionsgas vorgesehen sind, daß Einrichtungen zur Trennung des gereinigten Reaktionsgases in wenigstens zwei Teilströme (9, 10) vorgesehen sind, daß ein Gasgenerator (11) zur Aufnahme wenigstens eines (9) dieser Teilströme vorgesehen ist, welcher einen Plasmabrenner (12) sowie Einrichtungen (1)) zum Einblasen eines festen Reduktionsmittels und eines Oxidationsmittels in das vom Plasmabrenner erhitzte Gas besitzt, um eine Zwischengasmischung zu erzeugen, welche hauptsächlich aus CO und H2 besteht, daß eine Mischeinrichtung zur gesteuerten Mischung dieser Zwischengasmischung mit wenigstens einem (10) der anderen Teilströme des Reaktionsgases vorgesehen ist, um ein Reaktionsgas herzustellen, und daß Einrichtungen zum Einblasen dieses Reaktionsgases in den unteren Bereich (4) des Schachtofens vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungseinrichtung aus einem C02-1fäscher (7) besteht.

Vorriciitung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, tlaß 1er CO'-WäscIier (7) als aktiven Wirkstoff Monoäthanolamin enthält.

1. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Reinigungseinrichtung (7) und der Einrichtung zur Trennung des gereinigten Reaktionsgases ein Kompressor (8) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (11) mit Anordnungen (14) zur Schlackenentfernung versehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gasgenerator (11) und der Mischeinrichtung ein Schwefelfilter (15) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13) zum Einblasen des festen Reduktionsmittels und des Oxidationsmittels eine Inetionsfläche unmittelbar vor dem Plasmabrenner besitzt.