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Verfahren zur Herstellung von Metall schwamm und
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Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Metallschwamm aus einem Erz durch Reduktion des
Erzes bei erhöhter Temperatur mittels eines reduzierenden Gases in mindestens zwei
aufeinander folgenden Reduktionskammern, wobei das Gas jeweils durch eine Reduktionskammer
geleitet wird, nach dem Verlassen der Reduktionskammer aufbereitet wird und danach
in die folgende Beduktionskammer geleitet wird.
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Das Verfahren und die Vorrichtung werden im folgenden am Beispiel
der Herstellung von Eisenschwamm beschrieben.
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Sie sind jedoch ebenso zur Herstellung anderer Metalle aus ihren Erzen
geeignet. Beispielsweise lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren auch Nickel,
Kupfer, Zinn, Titan, Barium oder Calcium gewinnen.
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Neben dem Hochofenprozeß, der vorteilhaft zur Herstellung großer Mengen
Roheisen aus Eisenerz eingesetzt wird, ist es bekannt, Metallschwamm aus in stückiger
Form vorliegenden Erzen unter Verwendung reduzierender Gase herzustellen.
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Diese Verfahrensweise empfiehlt sich insbesondere, wenn kleinere Mengen
Erz verarbeitet werden sollen.
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Aus der DE-AS 25 46 416 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird das die erste
Reduktionskammer verlassende Abgas zur Entwässerung abgekühlt und vor dem Einleiten
in die folgende Reduktionskammer wieder erhitzt. Die Erhitzung wird zunächst mittels
eines Schlangenheizers durchgeführt, eine weitere Erhitzung wird durch Teilverbrennung
des Gases mit Sauerstoff erzielt. Bei Wiederverwendung eines Teils des Abgases aus
dem dritten Reaktor der bekannten Vorrichtung zur Reduktion in dem ersten Reaktor
wird dem Gas weiterbin Methan zugegeben, um seine Güte zu verbessern. In Anbetracht
hoher Energiekosten wird man bestrebt sein, den Verbrauch von teurem Methan und
die Gesamtenergiekosten beim oben genannten Verfahren zu reduzieren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Herstellung von Metallschwamm anzugeben, durch die im Vergleich zum Stand der
Technik der Gesamt-Energieverbrauch reduziert und der Einsatz van Methan als Reduktionsmittel
minimiert wird.
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Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Aufgabe gelöst werden
kann durch die Aufbereitung des Reduktionsgases mittels feinteiligem Kohlenstoff,
Gegenstand
der Erfindung ist also ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß das Gas zur Aufbereitung auf eine Temperatur von mehr als 10000C erhitzt
wird, dem erhitzten Gas feinteiliger Kohlenstoff beigemischt wird und in die Mischung
Sauerstoff eingeleitet wird.
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Vorteilhaft wird der Sauerstoff vor dem Einleiten auf eine Temperatur
von mehr als 4000C erhitzt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also heißes, Wasserdampf
und Kohlendioxid als Oxidationsmittel enthaltendes Gichtgas nach Aufheizung zum
Vergasen von Kohle durch Oxidation benutzt. Die notwendige Reaktionswärme wird durch
Teilverbrennung des Gichtgases und/oder des Kohlenstoffs mit Sauerstoff aufgebracht.
Das durch die Umsetzung mit Kohlenstoff aufbereitete Gas hat einen ausreichend niedrigen
Oxidationsgrad, um in einer nachgeschalteten Reduktionskammer als Reduktionsgas
verwendet werden zu können.
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Zur Reinigung des Gases wird vorteilhaft nach der Aufbereitung eine
Schlackeabscheidung durchgeführt.
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Das so aufbereitete Gas wird der folgenden Reduktionskammer zugeleitet,
in der weiteres Erz reduziert wird. Hierbei wird weiterhin Flugasche, die bei der
Schlackeabscheidung
nicht entfernt worden ist, abgeschieden und
mit dem Eisenschwamm ausgetragen. Außerdem wird Schwefel mindestens teilweise mit
dem Eisenschwamm ausgeschieden.
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Je nach dem Grad der Gasausnutzung in der letzten Reduktionskammer
kann das diese Kammer verlassende Gichtgas als Heizgas verwendet werden. Vorteilhaft
kann dieses Gas auch dadurch wieder aufbereitet werden, daß es nach dem Verlassen
der letzten Reduktionskammer abgekühlt, verdichtet, konvertiert, einer Gaswäsche
unterzogen und als reduzierendes Gas in die erste Reduktionskammer erneut eingeleitet
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft so durchgeführt, daß
durch die zwischen zwei Reduktionskammern durchgeführte Aufbereitung ein Gas folgender
Zusammensetzung als Reduktionsgas für die folgende Reduktionskammer hergestellt
wird: Wasserstoff 38 - 48 % Kohlenmonoxid 32 - 40 % Kohlendioxid 5,6 - 6,9 % Wasser
9,2 - 11,3 % Methan 0,2 - 0,4 % Stickstoff 3,5 - 4,3 %, wobei die Summe der Bestandteile
100 % ergibt.
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Durch die auf die letzte Reduktionskammer folgende Behandlung des
Gases kann ein Gas folgender Zusammensetzung hergestellt werden: Wasserstoff 52
- 64 % Kohlenmonoxid 26 - 32 % Kohlendioxid 2,7 - 3,3 % Wasser 2,7 - 3,3 % Methan
1,0 - 1,2 % Stickstoff 5,5 - 6,7 %, wobei die Summe der Bestandteile 100 % ergibt.
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Das in die erste Reduktionskammer eingeleitete Gas wird vorteilhaft
mindestens teilweise durch Umsetzung von Methan und Wasserdampf zu Kohlenmonoxid
und Wasserstoff in einem Reformer hergestellt. Je nach Führung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann also das in die erste Reduktionskammer eingeleitete Gas vollständig
auf diese an sich bekannte Weise hergestellt werden, es ist aber auch möglich, die
Aufbereitung des Gichtgases der letzten Reduktionskammer mittels Kohlenstoff so
zu führen, daß auf die Gewinnung von reduzierendem Gas mit Hilfe eines Reformers
weitgehend oder vollständig verzichtet werden kann.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, bestehend aus mindestens zwei aufeinander folgenden
Reduktionskammern, die gekennzeichnet ist durch eine Vorrichtung zur Erhitzung
des
die erste Reduktionskammer verlassenden Gases, einen Reaktor zur Aufbereitung des
Gases, eine Vorrichtung zur Beimischung von feinteiligem Kohlenstoff zu dem Gas
und eine Vorrichtung zur Einleitung von Sauerstoff zu dem Gemisch aus Gas und feinteiligem
Kohlenstoff.
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Vorteilhaft ist dem Reaktor eine Mischkammer zur Vermischung von Gas
und feinteiligem Kohlenstoff vorgeschaltet.
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Die Vorrichtung weist vorteilhaft eine dem Reaktor nachgeordnete Vorrichtung
zur Abscheidung von Schlacke auf.
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Der letzten Reduktionskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
vorteilhaft Vorrichtungen zur Abkühlung des austretenden Gases, ein Verdichter,
ein Konverter und ein Gaswäscher nachgeordnet.
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Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: Der Methanaerbrauch
für die Reduktion wird durch den Einsatz von Kohle auf ein Minimum reduziert. Im
Falle der Reduktion von Eisenerz beträgt der Gesamt-Energieverbrauch pro Tonne Eisenschwamm
nur noch ca. 2,1 Gcal. Dies bedeutet gegenüber dem Energieverbrauch von ca. 2,5
Gcal/t eine erhebliche Energieersparnis.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, daß in
dem Reaktor zur Aufbereitung des Gichtgases so viel Gas erzeugt wird, daß auf einen
Reformer und damit auf in Einsatz von Methan vollständig verzichtet werden kann.
Das Verfahren kann auch bei geringem Ausnutzungsgrad des Gases in der letzten Reduktionskammer
so geführt werden, daß in der letzten Reduktionskammer erhebliche Mengen an Heizgas
erzeugt werden. Dieses Heizgas kann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Aufheizung des Reduktionsgases und des Sauerstoffs verwendet werden, oder es
kann für Heizzwecke anderweitig verwendet werden.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung
von Metallschwamm durch Reduktion von Erz mittels eines reduzierenden Gases.
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Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Reformer 1, einer
ersten Reduktionskammer 3, einer zweiten Reduktionskammer 9 und einem Reaktor 7
zur Aufbereitung des reduzierenden Gases. Zwischen dem Reformer 1 und der Reduktionskammer
3 ist ein Wärmetauscher 2 angeordnet.
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Zwei weitere Wärmetauscher 4 und 5 dienen zur Aufheizung des aus der
Reduktionskammer 3 entweichenden Gases und des Sauerstoffs. Dem Reaktor 7 ist eine
Mischkammer 6 zur
Vermischung von Gas und Kohlenstoff vorgeschaltet.
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An den Reaktor 7 ist ein Schlackeabscheider 8 angeschlossen, und auf
die Reduktionskammer 9 folgen ein Abhitzesystem 10, ein Quenchturm 11, ein Verdichter
12, ein Konverter 13 und ein Gaswäscher 14.
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Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende: Dem Reformer
1 werden über eine Zuleitung 16 Erdgas und Wasserdampf zugeführt. Die Wärmezufuhr
zu dem Reformer 1 erfolgt über die Leitung 17. Das den Reformer 1 verlassende Gasgemisch
hat folgende Zusammensetzung: Wasserstoff 68,3 % Kohlenmonoxid 14,0 % Kohlendioxid
6,2 % Wasser 1,3 % Methan 7,5 % Stickstoff 2,7 %.
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Dieses Gas verläßt den Reformer 1 über eine Leitung 18, der im Mischpunkt
15 Gas zugeführt wird, das durch Aufbereitung des Abgases der Reduktionskammer 9
erhalten wurde. Hierdurch ergibt sich folgende Gaszusammensetzung: Wasserstoff 61,1
% Kohlenmonoxid 24,3 % Kohlendioxid 4,0 % Wasser 2,5 % Methan 3,1 % Stickstoff 5,0
%.
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Die erhaltene Gasmischung wird in dem Wärmetauscher 2 aufgeheizt und
der Reduktionskammer 3 geführt. In der Reduktionskammer 3 wird Eisenerz zu Schwammeisen
reduziert.
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Das die Reduktionskammer 3 verlassende Gichtgas weist folgende Zusammensetzung
auf: Wasserstoff 42,0 % Kohlenmonoxid 17,3 % Kohlendioxid 11,2 % Wasser 21,9 % Methan
2,6 % Stickstoff 5,0 %.
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Dieses Gas wird in dem Wärmetauscher 4 von ca. 5000C auf 11000C aufgeheizt.
Es wird in die Mischkammer 6 eingeleitet. In die Mischkammer 6 wird weiterhin staubförmige
Kohle eingeleitet. In dieser Mischkammer erfolgt eine erste Reaktion des Kohlen
stoffes im wesentlichen mit dem im Gas enthaltenen Wasserdampf und Kohlendioxid.
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Aus der Mischkammer 6 wird das Gas-Kohle-Gemisch in den Reaktor 7
geleitet, in den außerdem Sauerstoff, der in dem Wärmetauscher 5 auf ca. 500"C aufgeheizt
wurde, eingeleitet wird. In dem Reaktor 7 findet eine Umsetzung des Kohlenstoffes
mit dem Abgas der Reduktionskammer 3 und dem Sauerstoff statt. Die dabei entstehende
Schlacke und Asche werden weitgehend in dem Schlackeabscheider 8 abgeschieden.
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Das aus dem Reaktor 7 mit einer Temperatur von 9160C austretende Gasgemisch
weist folgende Zusammensetzung auf: Wasserstoff 42,9 % Kohlenmonoxid 36,2 % Kohlendioxid
6,3 % Wasser 10,3 % Methan 0,3 3 Stickstoff 3,9 %.
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Dieses Gas wird in die Reduktionskammer 9 eingeleitet.
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In dieser Reduktionskammer 9 wird durch Reduktion von Erz weiterer
Eisenschwamm erzeugt. Außerdem werden die in dem Schlackeabscheider 8 nicht beseitigten
festen Verunreinigungen des Reduktionsgases an dieser Stelle abgeschieden.
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Das aus der Reduktionskammer 9 mit etwa 5500C austretende Gichtgas
weist folgende Zusammensetzung auf: Wasserstoff 34,8 % Kohlenmonoxid 21,9 % Kohlendioxid
15,3 % Wasser 23,5 % Methan 0,55 % Stickstoff 5,0 %.
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Dieses Gichtgas wird in einem Abhitzekessel 10 abgekühlt und zur Dampferzeugung
benutzt. Das den Abhitzekessel 10 verlassende Gas wird sodann in einem Quenchturm
11 weiter abgekühlt. Hierbei ergibt sich folgende Gaszusammensetzung:
Wasserstoff
44,7 % Kohlenmonoxid 28,1 % Kohlendioxid 19,7 % Wasser 1,8 % Methan 0,7 % Stickstoff
5,0 %.
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Ein Teil des erhaltenen Gases wird zur Aufheizung in den Wärmetauschern
4 und 5 verwendet. Der andere Teil wird in dem Verdichter 12 kompri'uiert und in
dem Konverter 13 und dem Gaswäscher 14 weiter behandelt. Der Konverter 13 und der
Gaswäscher 14 werden über eine Leitung 19 mittels des in dem Abhitzesystem 10 erzeugten
Wasserdampfes beheizt. In dem Gaswäscher 14 wird eine Reduzierung des Kohlendioxidgehaltes
durchgeführt, so daß sich als Gaszusammensetzung ergibt: Wasserstoff 57,8 % Kohlenmonoxid
29,0 % Kohlendioxid 3,0 % Wasser 3,0 % Methan 1,1 % Stickstoff 6,1 %.
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Dieses Gasgemisch wird beim Mischpunkt 15 wieder in den Prozeß lingcführt.