DE3205851A1

DE3205851A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduktion von metallerzen

Info

Publication number: DE3205851A1
Application number: DE19823205851
Authority: DE
Inventors: Juan Luis San Mexiko José-Alcalde
Original assignee: Hylsa SA de CV
Current assignee: Hylsa SA de CV
Priority date: 1981-02-23
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1982-09-09
Also published as: IT1190695B; JPS57155309A; BR8200909A; DE3205851C2; GR81537B; IT8219799A0; GB2093483B; KR830009228A; FR2500481A1; IN157551B; GB2093483A; BE892226A; RO84502B; NO820540L; CA1185437A; FR2500481B1; RO84502A; US4338123A; SE8201080L; ES8307913A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Metallerzen

Die Erfindung betrifft die Reduktion von feinteiligen Erzen zu Metallen in feinteiliger Form mit Gasen in einem Bewegtbettreaktor mit stehendem Schacht und insbesondere ein verbessertes Verfahren, die Reduzierung des Erzes und die Kühlung der dabei gebildeten Metallteilchen zu kontrollieren. Die Erfindung betrifft weiterhin einen optima] entworfenen Reaktor mit senkrechtem Schacht, durch den eine verbesserte wirksame unabhängige Kontrolle sowohl der Reduktion als auch der Abkühlung der Metallteilchen ermöglicht wird.

Nachfolgend wird das Verfahren hinsichtlich der Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen beschrieben. Für den Fachmann ist es jedoch ersichtlich, dass die Erfindung auch auf die Behandlung von anderen Erzen als Eisenerz anwendbar ist.

Im allgemeinen sind bei der Herstellung von Schwammeisen in einem Bewegtbettreaktor mit stehendem Schacht zwei Hauptstufen vorhanden, nämlich die Reduktion des Eisenerzes mit einem geeigneten heissen Reduktionsgas in einer Reduktionszone des Reaktors und die nachfolgende Abkühlung des gebildeten Schwammeisens mit einem

Kühlmittel in einer Kühlzone des Reaktors. Das Reduktionsgas ist meistens ein Gas, das sich hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammensetzt und eine Temperatur in der Grössenordnung von 75O⁰C bis 1100⁰C und vorzugsweisee 800 bis 1000⁰C hat. Das heisse Reduktionsgas wird im allgemeinen am Boden der Reduktionszone eingeleitet und fliesst in dem Reaktor nach oben unter Reduktion des darin enthaltenen Metallerzes. Bei einer Reihe von früher beschriebenen Verfahren wird das Kühlen des Schwammeisens durchgeführt, indem man einen Teil des Reduktionsgases bei verhältnismässig niedriger Temperatur nach oben durch die Kühlzone des Reaktors leitet, wodurch die Temperatur des Reduktionsgases erhöht und die Temperatur des Schwammeisens erniedrigt wird.

Sehr häufig wird das Schwammeisenprodukt aus dem Bewegtbettreaktor mit senkrechtem Schacht insgesamt oder als Teil der Zugabe zu einem elektrischen Stahlherstellungs-. ofen verwendet. Es wurde festgestellt, dass für eine maximale Wirtschaftlichkeit und Effizienz des Ofenbetriebes das Schwammeisen in kontrollierter Weise gekohlt sein muss. Eine solche Kohlung kann man bewirken, indem man als Kühlgas ein kohlenstoffhaltiges Gas verwendet, das sich beim überleiten über das heisse Schwammeisen zersetzt und Kohlenstoff darauf abscheidet. Um jedoch den besonders erwünschten Grad der Kohlung des Schwammeisens zu erzielen und aufrechtzuerhalten, zusammen mit der gewünschten iKühlwirkung, muss die Zusammensetzung und die Fliessgeschwindigkeit des Kühlgases unabhängig von den Bedingungen, die in der Reduktionszone

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des Ofenschachtes vorliegen, überwacht werden.

Es ist auch wichtig, dass das Schwammeisen vor dem Verlassen des Reaktors ausreichend gekühlt wird, um eine Rückoxidation des Schwammproduktes beim Aussetzen der Atmosphäre, während es noch eine sehr hohe Temperatur hat, zu vermeiden.

Werden Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung und Temperatur in den zwei Zonen des Reaktors verwendet, nämlich in den Reductions- und Kühlzonen, dann besteht die Neigung, dass sich die Gase zwischen den Zonen vermengen oder vermischen und dadurch unkontrollierte Variationen hinsichtlich der Eigenschaft bei einem oder bei beiden Gasströmen ausgebildet werden. Unkontrollierte Variationen in den Zusammensetzungen, Temperaturen und Fliessgeschwindigkeiten bei den Reduktions- und Kühlgasen haben eine nachteilige Wirkung auf die Qualität und die Effizienz des Gesamtreduktionsverfahrens.

Der Stand der Technik kennt zahlreiche Probleme, die sich mit dem Vermischen der Gase zwischen den Reduktions- und Kühlzone ergeben und es sind Versuche unternommen worden, um diese unerwünschten Gasflussbedingungen zu minimalisieren. So werden in den US-PSen 3 775 872 und 3 799 521 die Vorteile beschrieben, die auftreten, wenn man eine unabhängig kontrollierbare Kühlgasschleife innerhalb des Reaktorschachtes vorsieht und es wird eine wirksame Methode und Vorrichtung beschrieben, wie man eine solche unabhängige Kontrolle des Gasflusses in den Reduktions- und Kühlzonen bewirken

kann. Die Lösung gemäss den beiden vorerwähnten üS-PSen besteht in einem Verfahren und in einer Vorrichtung zum Minimalisieren des Vermischens der Reduktions- und Kühlgase unter Verwendung eines■Differentialdruckkontrollgerätes, um den Gasdruck am Boden der Reduktionszone im wesentlichen gleich dem Gasdruck am Kopf der Kühlzone zu halten und auf diese Weise eine isobare Zone zwischen den Reduktions- und Kühlzonen zu schaffen. Weiterhin wird dort gelehrt, dass man dadurch, dass man die Ströme des einfliessenden Gases und des ausfliessenden Gases aus der Kühlzone im wesentlichen gleich hält, ein Gasfliessbild schafft, bei dem im wesentlichen kein Fluss von entweder Reduktionsgas oder Kühlgas zwischen den Reduktions- und Kühlzonen stattfindet.

Obwohl man diese Lehren des Standes der Technik anwenden kann, um wirksam das Vermischen der Gase innerhalb des Reaktorschachtes zu vermindern und zu kontrollieren, wurde nun überraschenderweise vom Erfinder gefunden, dass, obwohl eine Bedingung vorliegt, bei welcher kein Fluss zwischen der Reduktion und der Kühlzone in dem Reaktor vorliegt, ein Teil des Reduktionsgases im unteren Teil der Reduktionszone dennoch noch die Neigung hat, nach unten in die Kühlzone zu fHessen, während ein Teil des Kühlgases im oberen Teil der Kühlzone die Neigung hat, nach oben in die Reduktionszone zu strömen..

Aufgrund des Vermischens der Gase in den beiden Zonen des Reaktors kann man zahlreiche Nachteile feststellen und zwar auch dann, wenn die Mengen des zwischen den

Zonen fliessenden Gases verhältnismässig niedrig sind. Beispielsweise wird aufgrund der sehr unterschiedlichen Gaszusammensetzungen der Reduktions- und Kühlgase die Gesamtwirtschaftlichkeit und -effizienz des Direktreduktionsverfahrens unerwünscht beeinflusst. Die Zusammensetzung des abfliessenden Kühlgases hat typischerweise einen relativ höheren Wasser- und Methangehalt im Vergleich zu dem Reduktionsgas, das typischerweise einen viel höheren Gesamtkohlenstoffgehalt und einen niedrigeren Wasser- und Methangehalt aufweist. Fliesst Kühlgas in die Reduktionszone, dann wird Methan lokal bei einer viel höheren Temperatur durch katalytische Wirkung des Schwammeisens unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einer endothermen Reaktion reformiert und dadurch wird eine Erniedrigung der Temperatur in der Reduktionszone bewirkt. Als Ergebnis davon wird die Reduktion des Erzes in der Reduktionszone unerwünscht beeinflusst. Wenn andererseits Reduktionsgas mit einem hohen Kohlenstoffgehalt in die Kühlzone strömt, so wird das darin befindliche Erz unkontrollierbar aufgekohlt.

Weitere Nachteile/ die durch das Vermischen der Gase eintreten, machen sich bei der Gesamt-Wärmeeffizienz des Verfahrens bemekrbar. Indem man heisses Reduktionsgas aus dem Einlass direkt in den Kühlzonenauslass- und dann durch die Abschreckkühlung leitet, ergibt sich ein Energieverlust bei dem zuvor erwärmten Reduktionsgas.

Weiterhin wurde festgestellt, dass bei einem Fliessen

der reduzierenden und der kühlenden Gase zwischen den Reduktions- und Kühlzonen eine gleichmassige Reduktion des Erzes feststellbar verhindert wird. Da die Gase in Aufwärtsrichtung durch die Mitte des Reaktors strömen und nach unten an den Reaktorwänden fHessen, ergibt sich ein nicht gleichmässiges Gasverteilungsbild/ durch welches eine nicht gleichmassige Reduktion des Erzes bewirkt wird.

Es besteht somit ein Bedürfnis nach einem Gasreduktionsverfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung von hochmetallischem Schwammeisenprodukt, bei dem man gleichzeitig eine wirksame Kontrolle der Kohlung des Schwammeisens erzielen kann. Ein grosses Bedürfnis besteht auch nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung von Schwammeisen mit einem besonders erwünschten Metallisationsgrad und Aufkohlungsgrad, wobei man gleichzeitig einen optimal entwickelten Reaktor benötigt, um die Kapitalkosten zu minimalisieren und die Gesamteffizienz des gasförmigen Reduktionsverfahrens zu maximalisieren.

Infolgedessen ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Gasreduktion von Metallerzen in einem Bewegtbett-Reduktionsreaktor mit senkrechtem Schacht zur Verfügung zu stellen, bei dem die Produktivität an Schwammeisen mit hoher Metallisierung erhöht wird. Ein Ziel der Erfindung ist es auch, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Gasreduktion von Metallerzen zur Verfügung zu stellen, bei dem man eine verbesserte Möglichkeit, die Kohlung des Schwammeisens

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zu kontrollieren, hat.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Gasreduktion von Metall-

■ 5 erzen zu zeigen, bei dem man eine insgesamt verbesserte Wärmeeffizienz beim Reduzieren und Kühlen des Schwammeisens erzielt. Verbunden mit diesen Zielen der Aufgabe ist es schliesslich auch, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um Eisenerz gleichmässig zu reduzieren unter Verwendung eines optimal gebauten Reaktors, um dadurch eine maximale Verfahrenseffizienz mit minimalisierten Kapitalkosten zu ermöglichen.

Weitere Ziele der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Wie schon erwähnt, besteht ein tatsächliches Bedürfnis nach einem Verfahren und einer Vorrichtung, um die Wanderung von Reduktionsgas in die Kühlzone und vom Kühlgas in die Reduktionszone wirksam zu kontrollieren.

Obwohl schon einige der Vorteile erkannt worden sind, die auftreten, wenn man unabhängig sowohl die Reduktions- als auch die Kühlgasschleifen kontrolliert, bestanden die bisherigen Verfahren doch hauptsächlich darin, dass man Verfahren zeigte, um einen kontrollierten gleichmässigen Gasfluss zwischen den Reduktionsund Kühlzonen zu bewirken. Man nahm allgemein an, dass durch die Schaffung einer isobaren Zone innerhalb des Reaktors zwischen der Reduktions- und Kühlzone der Nettofluss des Gases durch diese Zone Null sein würde.

Fachleute nahmen weiterhin an, dass dann, wenn ein

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Materialgleichgewicht innerhalb der Reduktions- und Kühlgasschleifen erzielt werden könnte, sich ein Null-Strom zwischen den Kühlzonen und den Reduktionszonen einstellen würde und zwar unabhängig von der Entfernung des Einlasses und des Auslasses sowohl des Reduktions- als auch des Kühlgases (siehe Gas Penetration Problems for Direct Reduction in Shaft Furnaces", Rudolf Jeschar et al., Stahl u. Eisen Nr. 17, August 1979).

Ein naheliegender Weg, das Vermischen der Gase zu Minimalisieren, würde darin bestehen, dass man die Gesamthöhe des Reaktors so erhöht, dass die tatsächliche Entfernung zwischen den Reduktions- und Kühlzonen vergrössert würde. Wenn man aber willkürlich die Höhe des Reaktors erhöht, ergibt sich eine ausserordentlich teure und verschwenderische Reaktorgestaltung. Eine Alternativmethode, um das Vermischen der Reduktionsund Kühlgase zu überwachen und zu minimalisieren, besteht in der Verwendung von Einsätzen innerhalb des Reaktors, um den Fliesspfad der Gase dadurch zu unterbrechen. Eine solche Lösung würde erheblich erhöhte Kapitalkosten mit sich bringen und, noch wesentlicher, würde eine unerwünschte Wirkung hinsichtlich des Schwerkraftmassenflusses des Erzes durch den Reaktor bewirken. Eine dritte Methode, um das Vermischen der Gase zu minimalisieren besteht in einer Reaktorausbildung, bei der ein kleinerer Durchmesser zwischen den Reduktions- und Kühlzonen vorliegt, wodurch der Fluss der Gase von einer Zone in die andere inhibiert würde.

Wenn man jedoch einen ungleichmässigen Reaktordurchmesser

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zwischen den Reduktions- und Kühlzonen vorsieht, wäre ein verhältnismässig steiles konisches Prallblech zwischen den Zonen .erforderlich, um einen gleichmässigen Massestrom aufrechtzuerhalten. Aufgrund der verhältbismässig hohen Temperaturen, bei denen die Reduktion des Erzes erfolgt, neigen die Erzteilchen dazu, aneinanderzuhaften oder Agglomerate zu bilden und ein konisches Prallblech würde zu einer Brückenbildung zwischen den Teilchen unter Ausbildung von Bündeln von Schwammeisenteilchen führen und dadurch würde ein glatter und gleichmässiger Massestrom durch den Reaktor unterbrochen. Eine derartige Reaktorausbildung wäre kostspielig und könnte nur sehr schwer glatt betrieben werden.

überraschenderweise wurde nun von den Erfindern festgestellt, dass selbst dann, wenn eine im wesentlichen isobare Zone zwischen den Reduktions- und Kühltonen geschaffen wird, dennoch ein unerwünschtes Strömungsvermischen der Gase abläuft. Es wurde festgestellt, dass eine Beziehung besteht zwischen dem Grad der Vermischung der Gase zwischen den Reduktions- und Kühlzonen und dem Verhältnis der Äquivalenzhöhe zu dem Äquivalenzdurchmesser der Zwischenzone zwischen den tatsächlichen Gasein- und -auslassen. Trotz einer Optimalisierung der Reaktorausgestaltung und insbesondere der Äquivalenzhöhe und des Äquivalenzdurchmessers in der Zwischenzone zwischen den Reduktions- und Kühizonen können die in den Reaktor ein- und ausströmenden Gase kontrollierbar isoliert werden, um die unerwünschten Wirkungen einer Gasvermischung zu vermeiden.

Die zahlreichen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden am besten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich, die ein Schwammeisenherstellungsverfahren beschreiben, unter Verwendung von einer Reihe von Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung und wobei man diese Vorrichtung anwenden kann, um das erfindungsgemässe Verfahren durchzuführen.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung von Schwammeisen unter Verwendung

eines Reaktors mit einem senkrechten Schacht und mit einer Zwischenzone zwischen den Reduktions- und Kühlzonen darin,

Fig. 2 beschreibt einen ähnlichen Reaktor wie in

Fig. 1 gezeigt, wobei die Zwischenzone einen im wesentlichen konstanten kreisförmigen Querschhitt hat, der sich vom Kopf der Kühlzone zum Boden der Reduktionszone erstreckt,

Fig. 3 beschreibt das Vermischen der Reduktionsund Kühlgase innerhalb des Reaktors,

Fig. 4 stellt eine Kurve dar, welche die Menge

der Gasvermischung als Prozentsatz des entweder der Reduktionszone oder der Kühlzone zugeführten Gesamtgases als Funktion des Verhältnisses der Äquivalenzhöhe zu dem Äquivalenzdurchmesser der Zwischenzone

zeigt.

In Fig. 1 der Zeichnung bedeutet 10 einen Bewegtbettreaktor mit senkrechtem Schacht mit einer Reduktionszone 12 im oberen Teil, einer Kühlzone 16 im unteren Teil und einer Zwischenzone 14 zwischen der Reduktions- und Kühlzone. Der Reaktor 10 ist vorzugsweise wärmeisoliert und so ausgerüstet, dass er in bekannter Weise mit einem feuerfesten Material innen ausgekleidet sein kann.

Peinteiliges, zu behandelndes Erz wird in den Reaktor 10 durch eine Beschickungsleitung eingeführt. Das dem Reaktor zugeführte Erz kann entweder in Klumpenform oder in Form eines vorgebildeten Granulats oder als eine Mischung davon vorliegen. In der Nähe des unteren Endes der Reduktionszone 12 ist in dein Reaktor ein kreisförmiger Beruhigungsraum vorgesehen, der sich um die Peripherie des Reaktors erstreckt und ein Mittel bildet, mittels dessen das Reduktionsgas in den Reaktor eingeleitet werden kann. Ein vertikales Prallblech 23 ist auch vorgesehen, das zusammen mit der Reaktorwandung des Beruhigungsraum 22 bildet. Das Erz bewegt sich durch die Reduktionszone 12 nach unten, wo es zum grösseren Teil durch das nach oben strömende Reduktionsgas zu Schwammeisen reduziert wird.

Das die Reduktionszone 12 verlassende und in die Zwischenzone 14 eintretende reduzierte Eisenerz besteht hauptsächlich aus elementarem Eisen, Eisenkarbid und restlichen Mengen an Eisenoxid. Die Innenwandung, welche die Zwischenzone 14 bildet, soll so ausgestaltet sein, dass sie einen gleichmässigen Massefluss des sich nach

unten bewegenden Erzes ermöglicht. Dabei ist es wichtig, dass in dem oberen Teil des Reaktors, der bei einer verhältnismässig hohen Temperatur betrieben wird, die Menge an interpartikularer Bewegung des sich durch diesen oberen Teil bewegenden Erzes miniraalisiert wird.

Das sich nach unten durch die Zwischenzone 14 bewegende reduzierte Eisen tritt in die Kühlzone 16 ein und ist hochmetallisiert und hat einen niedrigen Kohlenstoffgehalt. In der Nähe der Kühlzone 16 ist ein weiterer kreisförmiger Beruhigungsraum 38, ähnlich dem Beruhigungsraum 22, durch welchen Kühlgas in den Reaktor eingeführt werden kann, vorgesehen. Ein kegelstumpfförmiges Prallblech 36, das zusammen mit der Reaktorwandung den Beruhigungsraum 38 bildet, ist ebenfalls vorgesehen. Das Schwammeisen fliesst durch die Kühlzone 16 nach unten und wird dort durch das dort hindurchströmende Kühlgas gekühlt und verlässt den Reaktor durch den Auslass 39.

Bezugnehmend auf den Gasstrom im vorliegenden System tritt frisches Reduktionsgas, das sich hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammensetzt (aus einer nicht gezeigten Quelle) durch die Leitung 4 5 in einer durch den Mengenregler 46 kontrollierten Menge ein. Das Reduktionsgas kann z.B. durch partielle Verbrennung von Brennstoffen, durch Kohlevergasung oder durch katalytische Reformierung von Kohlenwasserstoffen und Dampf erzeugt werden. Andere bekannte Arten des Reduktionsgases, wie Koksofengas, können anstelle eines reformierten Naturgases oder der anderen zuvor erwähnten

Quellen als Reduktionsgas<verwendet werden.

Das durch die Leitung 4 5 in das Reduktionssystem eintretende Reduktionsgas fliesst in die Leitung 49 und dann durch eine Heizschlange 40 eines Erhitzers 42, wo es auf eine Temperatur von etwa 750 bis 1100⁰C und vorzugsweise 800 bis 1000⁰C erhitzt wird. Das erhitzte Gas verlässt den Erhitzer 42 durch die Leitung 44 und fliesst in die Beruhigungskammer 22. Das Reduktionsgas fliesst durch die Beruhigungskammer 22 in den Reaktor in der Nähe des Bodens der Reduktionszone 12. Beim Eintritt in den Reaktor fliesst das Reduktionsgas nach oben durch die Reduktionszone 12, reduziert das dort vorhandene metallische Erz und wird in der Nähe des Kopfes des Reaktors durch das Auslassverbindungsstück 47 und eine Leitung 48 abgezogen.

Das den Reaktor durch die Leitung 48 verlassende Gas tritt in einen Abschreckkühler 50 ein, in welchen durch die* und das Wasser aus dem abströmenden Gas zu entfernen. Das aus dem Kühler 50 durch die Leitung 52 austretende Gas fliesst in die Leitung 53, die mit der Ansaugseite der Pumpe 56 verbunden ist. Die durch die Pumpe 56 fliessende Gasmischung wird durch die Leitung 57 abgegeben und vereint sich mit frischem Reduktionsgas, das durch die Leitung 45 strömt und wird dann in den Reaktor durch die Leitung 49, den Erhitzer 42, die Leitung 44 und die Beruhigungskammer 22 zurückgeführt. Ein Teil des durch die Leitung 52 strömenden Gases kann veranlasst werden, durch die Leitung 55 zu einem geeigneten Verbraucher (nicht gezeigt), abgezweigt

* Leitung 51 Wasser eingeführt wird, um zu kühlen

zu werden. Die Leitung 55 ist auch mit einem Rückdruckregler 54 ausgestattet, der eine Einstellungsmöglichkeit aufweist, um den gewünschten positiven und konstanten Druck in dem System aufrechtzuerhalten und dadurch die Gesamteffizienz des Reaktors zu verbessern.

Bezugnehmend auf den rechten Teil der Fig. 1 kann das Ergänzungskühlgas aus einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) durch die Leitung 64 in einer durch den Strömungsregler 65 kontrollierten Rate zugeführt werden.

Das Ergänzungskühlgas fliesst durch die Leitung 68 zur Kühlschleife und fliesst von der Leitung 68 in die Leitung 92 und dann zur Ansaugseite der Pumpe 94. Das Kühlgas wird von der Pumpe 94 durch die Leitung 96 abgegeben und tritt in die Kühlzone 16 des Reaktors durch die Beruhigungskammer 38 ein. Das Kühlgas fliesst nach oben durch die Kühlzone 16 und kühlt dadurch das sich durch den Reaktor nach unten bewegende Schwammeisen.

Das Kühlgas wird aus dem Reaktor durch den Beruhigungsraum 34, ähnlich den Beruhigungsräumen 22 und 38, abgezogen und tritt in die Leitung 98 ein. Das Kühlgas tritt dann in den Abschreckkühler 100 ein, in welchen Wasser durch die Leitung 102 eingeleitet wird, um den abfliessenden Gasstrom zu kühlen. Der Gasstrom verlässt dann den Abschreckkühler 100 durch die Leitung 104. Ein Teil des Gases wird, nachdem es mit dem Ergänzungskühlgas aus Leitung 68 vereint wurde, durch die Leitung 92, Pumpe 94, Leitung 96 und Beruhigungsraum 38 zum Boden der Kühlzone 16 des Reaktors zurückgeleitet.

Die Konfiguration der Zwischenzone 14, wie sie in Fig.

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gezeigt wird, hat eine Äquivalenzhöhe L₁, die gleich der kürzesten Entfernung längs der senkrechten Achse des Reaktors zwischen dem tatsächlichen Einlasspunkt des Reduktionsgases aus dem Beruhigungsraum 22 zu dem Auslasspunkt des Kühlgases aus dem Beruhigungsraum ist. Der Äquivalenzdurchmesser L~ ist gleich der kürzesten axialen Entfernung zwischen den tatsächlichen Wänden der Zwischenzone 14. Indem man die Zwischenzone 14 optimalisiert, kann man die Menge des Gases, das sich zwischen den Reduktions- und Kühlgasen vermischt, vernachlässigen.

Bezugnehmend auf Fig. 2 der Zeichnung entspricht der dort gezeigte Reaktor im wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten und die nachfolgende Beschreibung bezieht sich deshalb nur auf Unterschiede zwischen den beiden Reaktoren. Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Zwischenzone 14 so ausgebildet ist, dass sie im wesentlichen einen konstanten kreisförmigen Querschnitt aufweist, der sich vom Kopf der Kühlzone .16 zum Boden der Reduktionszone 12 erstreckt. Die Äquivalenzhöhe L₁ ist gleich der vertikalen Entfernung zwischen dem wirksamen Einführungspunkt des Reduktionsgases in das Erzbett durch den Beruhigungsraum 22 zu dem wirksamen Entfernungspunkt des Kühlgases aus dem Erzbett durch den Beruhigungsraum 34 in der Nähe des Kopfes der Kühlzone 16. Der Äquivalenzdurchmesser L₂ entspricht dem Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts der Zwischenzone 14. Die Ausführungsform der Fig. 2 ist auf eine bevorzugte Reaktorausbildung gerichtet, in welcher das gesamte Reduktionsverfahren

optimalisiert wird, indem man eine Bedingung schafft, bei der im wesentlichen keine Gasvermischung stattfindet und dabei die Gesamtkapitalkosten des Reaktors selbst minimalisiert.
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Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Reaktorausführung gemäss der Erfindung.

Für den Fachmann versteht es sich, dass die schematisehe Darstellung des in Fig. 3 gezeigten Reaktors den Gasstrom in nur einer Hälfte des Reaktorquerschnittes zeigt, wobei der Gasstrom in der anderen Querschnittshälfte der verbleibenden Hälfte des Reaktors identisch der gezeigten ist. Weiterhin ist es selbstverständlich, dass die Gaseinlässe und -auslasse an jedem beliebigem Punkt des ümfangs des Reaktors angebracht sein können.

Die Reduktionszone 12, Kühlzone 16 und Zwischenzone 14 sind ähnlich den in Fig. 2 gezeigten und haben einen im wesentlichen konstanten kreisförmigen Querschnitt, wobei das Reduktionsgas in der Nähe des Bodens der Reduktionszone 12 eingeführt und das Kühlgas in der Nähe des Kopfes der Kühlzone 16 abgezogen wird. Die Fliessgeschwindigkeit am Einlass des Reduktionsgases wird als F_R angegeben und die des Kühlgasauslasses als F_c· Die Stromlinien bzw. Fliesspfade des in den Reaktor eingeführten Reduktionsgases, wie sie in Fig. gezeigt werden, beschreiben, wie ein Teil des Reduktionsgases F_d in und nach unten durch die Zwischenzone 14 fliesst, während der grössere Teil von F_n in und

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nach oben durch die Reduktionszone 12 strömt. Ähnlich

fliesst ein Teil des Kühlgasauslasses nach oben in und durch die Zwischenzone 14 und wird als F bezeichnet.

Wie zuvor erwähnt, kann man eine im wesentlichen isobare Zone, in welcher der Druck im wesentlichen vollständig konstant ist, dadurch schaffen, dass man die Pliessgeschwindigkeiten und -drücke in den Kühlgas- und Reduktionsgasschleifen kontrolliert. Wenn der durch die Zwischenzone 14 hindurchgehende Nettostrom Null ist, dann ist die Menge des nach unten durch die Zwischanzone 14 strömenden Reduktionsgases F, gleich der Menge des durch die Zwischenzone 14 nach oben strömenden Kühlgases F . Deshalb ist unter Gleichgewichtsbedingungen mit einem Nettofluss von Null die gesamte Fliessgeschwindigkeit des durch die Reduktionszone 12 fliessenden Reduktionsgases F_TR gleich der Fliessgeschwindigkeit F_R am Reduktionsgaseinlass. Das Fliessbild der Gase in dem Reaktor, unter der Bedingung, dass der Nettofluss durch die Zwischenzone 14 Null ist, kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

(1) F_TR =F_R+ <F_u-F_d)

(2) F_u = F_d

<^{3) F}TR ^{= P}R

Wie jedoch deutlich in Fig. 3 gezeigt wird, findet auch unter Gleichgewichtsbedingungen, bei denen der Nettodurchfluss durch die Zwischenzone 14 Null ist

(d.h. F = F,), dennoch noch eine Vermischung des Reduktionsgases mit dem Kühlgas statt. Wie gezeigt, neigt das Reduktionsgas dazu, längs der Reaktorwandung nach unten zu strömen, bis zu der Stelle, an welcher das Kühlgas entfernt wird, während das Kühlgas dazu neigt durch die Mitte des Reaktors nach oben in die Reduktionsζone 12 zu strömen.

Diese.unerwartete Bedingung einer Gasvermischung hat sich als von wesentlicher Bedeutung herausgestellt, weil ein erhebliches Vermischen es ausserordentlich erschwert, in den jeweiligen Gasschleifen die gewünschten unabhängigen Gaszusammensetzungen aufrechtzuerhalten. Eine solche Bedingung hat eine unerwünschte Wirkung auf den Grad der Reduktion und der Aufkohlung des Schwammeisens. Durch experimentelle Analyse und Computersimulierung wurde ein Zusammenhang zwischen der spezifischen geometrischen Beziehung der Zwischenzone 14 und der Menge der GasVermischung abgeleitet. Infolgedessen stellt die vorliegende Erfindung eine Optimalisierung der relativen Höhe und des Durchmessers der Zwischenzone des Reaktors dar, so dass eine Maximalisie-' rung der Wirksamkeit des Reduktionsverfahrens erfolgt, ohne dass in unerwünschter Weise der Massenfluss des Erzes durch den Reaktor beeinflusst wird.

Fig. 4 zeigt eine Kurve der Gasvermischung als Prozentsatz des gesamten entweder in die Reduktions- oder in die Kühlgasschleifen zugeführten Gases als Funktion des Verhältnisses von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser der Zwischenzone. Die Quantifizierung des Vermischens

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der durch die Zwischenzone getrennten Reduktions- und Kühlgase konnte erzielt werden, indem man ein Gasfliessbild durch ein simuliertes Erzbett in ähnlicher Weise im Modell erprobte, wie es von V. Stanek und , J. Szekely in AIChE. Journal, Bd. 20, 5 (1974), Seiten 974 bis 980; J. Szekely und M.A. Propster in Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, Bd. 19 (1977), Seiten 21 bis 30 und Fried et al in ICCAD, 2nd International Symposium On Finite Element Methods, Italien, Juni (1976), Seiten 695 bis 700 beschrieben wird. Wendet man das in diesen Publikationen beschriebene mathematische Modell zusammen mit üblichen experimentellen Labortechniken an, so werden die in Fig. 4 aufgezeichneten Daten erzeugt und können von einem Fachmann auf dem Gebiet der Fliessdynamik und der Zahlenanalyse reproduziert werden.

Die in Fig. 4 gezeigten Daten sind typisch für das in Fig. 1 gezeigte Fliessschema, wobei L. die Entfernung darstellt, die den Einlass des Reduktionsgases vom Auslass des Kühlgases trennt und L₂ der Äquivalenzdurchmesser ist, der gleich dem Durchmesser der Querschnittsfläche am Auslass des Kühlgases ist. In der Zwischenzone liegen die Fliessbedingungen Null vor.

Eine Analyse der Ergebnisse zeigt an, dass das L../L--Verhaltnis von mehr als etwa 0,5 eine vernachlässigbare Menge der Vermischung zwischen den beiden Gasschleifen ergibt, d.h. von weniger als 5 % des gesamten, dem Reaktor zugeführten Gases. Es wurde empirisch festgestellt, dass dann, wenn sich weniger als 5 % des dem

Reaktor zugeführten Gases vermischen, kein merklicher Verlust eintritt bei der Kontrolle der Reduktion oder der Aufkohlung des Schwammeisens. Die Kurve zeigt auch, dass bei einem niedrigen Wert von L.. /L₂ der Grad der Vermischung exponentiell in dem Masse ansteigt, wie L./L₂ abnimmt. In dem Masse wie L₁ZL₂ erhöht wird, nähert sich der Vermischungsgrad asymtotisch Null. Es wurde weiterhin festgestellt, dass, obwohl die Menge des sich vermischenden Gases bei einem Wert von L₁ZL₂ von mehr als 2,0 ausserordentlich niedrig ist, dann wenn sich das L₁/L₂~Verhältnis auf mehr als 2,0 erhöht die Kapitalkosten des Reaktors selbst sich wesentlich bis zu einem prohibitiven Grad erhöhen.

Die obere akzeptierbare Grenze des Vermischens der Gase wird durch die Fähigkeit, die Metallisierung und Aufkohlung des gebildeten Schwammeisens zu überwachen, bestimmt. Es wurde infolgedessen festgestellt, dass eine wirtschaftliche Reaktorausführung, bei der eine ausreichend unabhängige Kontrolle der Metallisierung und Aufkohlung des Schwammeisens vorliegt,, leicht erzielbar ist bei L-/L₂~Verhältnissen von wenigstens 0,5 bis zu einem Verhältnis von etwa 2,0. Dabei wird ein Bereich von 0,6 bis 1,6 bevorzugt und ein ganz besonders bevorzugter Arbeitsbereich liegt bei 0,7 bis 1,2.

Die vorliegende Beschreibung stellt eine Erläuterung dar, wobei die dargestellten Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weise modifiziert werden können. Beispielsweise

kann die in den Fig, 1 und 2 gezeigte Ausführungsform, bei welcher die Innenwandung der Zwischenzone 14 im wesentlichen glatt und konstant ist, eine andere Konfiguration aufweisen, unter der Voraussetzung, dass das Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser in geeigneter Weise eingestellt wird. Ebenso ist die Erfindung auch brauchbar, wenn man das Kühlgas am Kopf der Kühlzone 16 einleitet, während man das Reduktionsgas in der Nähe des Bodens der Reduktionszone 12 abzieht. Das heisst mit anderen Worten, dass die Reduktions- und Kühlgasströme innerhalb des Reaktors wirksam umgedreht werden können im Vergleich zu den in Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Strömen.

Wie schon vorher dargelegt wurde, können das erfindungsgemässe Verfahren sowie die erfindungsgemässe Vorrichtung auch zur Reduktion von anderen Erzen als Eisenerzen verwendet werden, z.B. zum Reduzieren von Nickel-, Kupfer- und Zinnerzen zu Metallen.

Die hier verwendeten Ausdrücke und Erklärungen sind für die Beschreibung gedacht und sollen keine Begrenzung darstellen und es ist nicht beabsichtigt, dass solche Ausdrücke und Beschreibungen Äquivalente gegenüber den gezeigten Merkmalen aüsschliessen.

Claims

HOFFMANN · EITLE & PARTNER PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-ING. W. E ITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMAN N · DIPL.-ING. W. LEH N DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RE R. NAT. B. JHAN SEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-8000 MÖNCHEN 81 . TELEFON (089) »11087 ■ TELEX 05-29619 (PATHE) 36 401 o/wa HYLSA S.A., MONTERREY, N.L./MEXIKO Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Metallerzen PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Reduzieren von Metallerz zu Metall in einem Bewegtbettreaktor mit stehendem Schacht (1) bei dem man im oberen Teil eine Reduktionszone (12) einrichtet und aufrecht erhält, in welcher ein heisses reduzierendes Gas, das sich hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammensetzt, im Gegenstrom hindurchströmen lässt und dadurch das Metallerz zu Metall reduziert und im unteren Teil des Reaktors eine Kühlzone (16) einrichtet und aufrecht erhält, in welcher ein Kühlgas

im Gegenstrom fliessen gelassen wird und das Metall darin kühlt und eine Zwischenzone (14) eingerichtet und aufrecht erhalten wird, die sich vom Kopf der Kühlzone (16) bis zum Boden der Reduktionszone (12) erstreckt,

indem man heisses reduzierendes Gas in das untere Ende der Reduktionszone (12) an einem ersten Einführungspunkt einführt,
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das Reduktionsgas an einem ersten Entfernungspunkt am oberen Ende der Reduktionszone (12) abzieht,

das Kühlgas in den unteren Teil der Kühlzone (16) an einem zweiten Einführungspunkt einführt, und

das Kühlgas an einem zweiten Entfernungspunkt am oberen Ende der Kühlzone (16) abzieht, dadurch gekennzeichnet , dass man das Vermisehen von jeglichem Reduktionsgas, welches durch die Reduktionszone (12) strömt, mit jeglichem Kühlgas, welches durch die Kühlzone (16) strömt, minimalisiert, indem man im wesentlichen eine optimalisierte Zwischenzone (14) einrichtet, die eine Äquivalenzhöhe aufweist, die gleich der vertikalen Entfernung zwischen dem ersten Einführungspunkt und dem zweiten Entfernungspunkt ist und einen ■Äquivalenzdurchmesser hat, der gleich der kürzesten Entfernung zwischen den tatsächlichen Wänden der Zwischenzone (14) ist,

wobei die Zwischenzone (14) ein Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser im Bereich von 0,5 bis 2,0 aufweist.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das feinteilige Metallerz Eisenerz ist.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, dass das Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser in der Zwischenzone (14) im Bereich von 0,7 bis 1,6 liegt.

4. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, dass in der Zwischenzone .(14) im wesentlichen isobare Bedingungen, ausgedrückt durch das Materialgleichgewicht der Gasströme im Reaktor, vorliegen.

5. Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenzone (14) im wesentlichen isotherme Bedingungen vorliegen.

6. Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet, dass der absteigende Strom des Bewegtbettes aus Teilchen im wesentlichen einen gleichmässigen Querschnitt in der Zwischenzone (14) aufweist.

7. Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Zwischenzone (14) einen

-Αχνα wesentlichen konstanten kreisförmigen Querschnitt aufweist und frei von inneren Widerständen ist, . um einen freien gleichmässigen Fluss der Metallteilchen zu ermöglichen.
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8. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass das Reduktionsgas dem ersten Einleitungspunkt zugeführt wird durch einen Ringraum und dass das Kühlgas von dem zweiten Entfernungspunkt durch einen Ringraum abgezogen wird.

9. Verfahren gemäss Ansprüchen 2 bis 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet / dass man den durch die ■Zwischenzone (14) nach unten strömenden Strom des Reduktionsgases und nach oben strömenden Strom des Kühlgases im wesentlichen auf einen Wert von nicht mehr als 5 t des Gesamt(Kühl)gases, welches dem Reaktor zugeführt wird, einstellt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1 zum Reduzieren von Metallerz zu Metall in einem mit stehendem Schacht versehenen Reaktor mit einem sich nach unten bewegenden Bett von Teilchen des Metallerzes, wobei in dem Reaktor vorgesehen sind:

eine Reduktionszone (12) im oberen Teil und eine Kühlzone (16) im unteren Teil,

eine Zwischenzone (14), die sich vom Kopf der Kühlzone zum Boden der Reduktionszone erstreckt,

eine erste Zuführleitung, die mit dem Reaktor in der Nähe eines Endes der Reduktionszone verbunden ist,für die Einführung von heissem Reduktionsgas in das Bett an einem ersten Einführungspunkt, - ... .

erste Einrichtungen, die mit dem Reaktor in der Nähe des anderen Endes der Reduktionszone verbunden sind, um das Reduktionsgas aus dem Bett an einem ersten Entfernungspunkt abzuziehen,.

einer zweiten Zuführungsleitung, die mit dem Reaktor in der Nähe eines Endes der Kühlzone verbunden ist, für die Zufuhr von Kühlgas in das Bett an einem zweiten Einführungspunkt,

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zweite Einrichtungen, die mit dem Reaktor in der Nähe des anderen Endes der Kühlzone (16) verbunden sind, zur Entfernung von Kühlgas aus dem Bett an einem zweiten Entfernungspunkt,

dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenzone (14) eine Äquivalenzhöhe aufweist, die gleich der kürzesten Entfernung längs der vertikalen Achse des Reaktors zwischen dem einen der ersten Einführungspunkte und dem ersten Entfernμngspunkt, der sich am nächsten am Boden der Reduktionszone befindet, und dem einen des zweiten Einführungspunktes und den zweiten Entfernungspunkt, der sich am nächsten am Kopf der Kühlzone befindet, ist und einen Äquivalenzdurchmesser aufweist, der gleich der kürzesten Entfernung zwischen den wirksamen Wandungen der Zwischenzone (14) ist.

wobei das Verhältnis der Äquivalenzhöhe zu dem Äquivalenzdurchmesser im Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt.

11. Vorrichtung gemäss Anspruch 10, zum Reduzieren von Eisenerz zu Schwammeisen, gekennzeich net durch einen ersten Einführungspunkt in der Nähe des Bodens der Reduktionszone und einem zweiten Entfernungspunkt in der Nähe des Kopfes der Reduktionszone, wodurch die Vorrichtung so angepasst ist, dass Gasströme durch den Reaktor im Gegenstrom zu den sich herabbewegenden Bewegtbettströmen fliessen.

12. Vorrichtung gemäss Anspruch 11, dadurch g e k e η η zeichnet , dass der Reaktor von inneren Widerständeil frex ist und dadurch ein gleichmässiger Strom der Metallteilchen möglich wird.

13. Vorrichtung gemäss Anspruch 12, dadurch g e k e η η zeichnet , dass der Reaktor im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt längs der Länge von der Reaktionszone zu der Kühlzone aufweist und in einer konvergenten Austragseinrichtung endet.

14. Vorrichtung gemäss Anspruch 12, dadurch g e k e η η zeichnet , dass das Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser im Bereich von 0,6 bis 1,6 liegt.

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15. Vorrichtung gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass das Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser im Bereich von 0,7 bis

1,2 liegt.
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16. Vorrichtung gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , dass die Entfernungspunkte und

die Einführungspunkte jeweils kreisförmige Gaseintritte durch die Reaktorwand umfassen. 10

17. Vorrichtung gemäss Anspruch 14, gekennzeichnet durch die erste Zuführleitung und die zweite Entfernungseinrichtung, welche einen gleichmässigen kreisförmigen Gasstromeintritt durch die Reaktorwand umfassen.

18. Vorrichtung gemäss Anspruch 13, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die während des Betriebs eine isobare Zwichenzone schaffen, die ausreicht, um den nach unten strömenden Strom des Reduktionsgases und den nach oben strömenden Strom des Kühlgases auf nicht mehr als 5 % des Gesamtkühlgases, welches dem Reaktor zugeführt wird, einzuregeln.

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