DE3205851C2

DE3205851C2 -

Info

Publication number: DE3205851C2
Application number: DE3205851A
Authority: DE
Inventors: Juan Luis San Mexiko Us Jose-Alcalde
Original assignee: Hylsa Sa Monterrey Nl Mx
Current assignee: Hylsa Sa Monterrey Nl Mx
Priority date: 1981-02-23
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1989-04-27
Also published as: FR2500481A1; RO84502A; US4338123A; KR830009228A; ZA82801B; AU8024282A; NO820540L; IT8219799A0; IT1190695B; DE3205851A1; BR8200909A; GB2093483B; JPS57155309A; ES509811A0; IN157551B; GB2093483A; NL8200566A; RO84502B; ES8307913A1; DD202052A5

Description

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 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 750°C bis 1100°C und vorzugsweise 800 bis 1000°C 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 Stahlherstellungsofen 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 zusammen mit der gewünschten Kühlwirkung aufrechtzuerhalten, muß die Zusammensetzung und die Fließgeschwindigkeit des Kühlgases unabhängig von den Bedingungen, die in der Reduktionszone 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 Reduktions- 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 Kühlzonen ergeben, und es sind Versuche unternommen worden, um diese unerwünschten Gasflußbedingungen zu minimalisieren. So werden in den US-PS 37 75 872 und 37 99 521 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 US-PS 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 fließen, 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 bemerkbar. 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 gleichmäßige Reduktion des Erzes feststellbar verhindert wird. Da die Gase in Aufwärtsrichtung durch die Mitte des Reaktors strömen und nach unten an den Reaktorwänden fließen, ergibt sich ein nicht gleichmäßiges Gasverteilungsbild, durch welches eine nicht gleichmäßige 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reduzieren von Metallerz, insbesondere Eisenerz, in einem Bewegtbettreaktor bereitzustellen, bei dem man die Produktivität an Schwammeisen mit hoher Metallisierung erhöhen und die Kohlung des Schwammeisens kontrollieren kann. Weiterhin soll erfindungsgemäß auch eine Vorrichtung hierfür bereitgestellt werden.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.

Die Unteransprüche 2 und 3 beinhalten Ausbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1, und die Unteransprüche 5 bis 7 Ausbildungen der Vorrichtungen nach Anspruch 4.

Es wurde festgestellt, daß eine Beziehung 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 -auslässen besteht. Trotz einer Optimalisierung der Reaktorausgestaltung und insbesondere der Äquivalenzhöhe und des Äquivalenzdurchmessers in der Zwischenzone zwischen den Reduktions- und Kühlzonen können die in den Reaktor ein- und ausströmenden Gase kontrollierbar isoliert werden, um die unerwünschten Wirkungen einer Gasvermischung zu vermeiden.

Die vorliegende Erfindung wird am besten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich.

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 Querschnitt hat, der sich vom Kopf der Kühlzone zum Boden der Reduktionszone erstreckt;

Fig. 3 beschreibt das Vermischen der Reduktions- und 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.

Feinteiliges, 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 dem 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 den 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 minimalisiert 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.

Bezugnahmend 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 45 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 45 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 1100°C und vorzugsweise 800 bis 1000°C 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 Leitung 51 Wasser eingeführt wird, um zu kühlen 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 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 Beruhigungräumen 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. 1 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 34 ist. Der Äquivalenzdurchmesser L₂ 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 Querschnittes 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.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Reaktorausführung gemäß der Erfindung.

Für den Fachmann versteht es sich, daß die schematische 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 -auslässe an jedem beliebigen Punkt des Umfangs 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. 3 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 _R in und 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 _u 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 Fließgeschwindigkeiten 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 Zwischenzone 14 strömenden Reduktionsgases F _d gleich der Menge des durch die Zwischenzone 14 nach oben strömenden Kühlgases F _u. 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:

F _TR = F _R + (F _u-F _d) (1)

F _u = F _d (2)

F _TR = F _R (3)

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 _u=F _d), 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 Reduktionszone 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 Maximalisierung der Wirksamkeit des Reduktionsverfahrens erfolgt, ohne daß in unerwünschter Weise der Massenfluß des Erzes durch den Reaktor beeinfluß 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 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 L₁ 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 L₁/L₂- Verhältnis 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 L₁/L₂ der Grad der Vermischung exponentiell in dem Maße ansteigt, wie L₁/L₂ abnimmt. In dem Maße, wie L₁/L₂ erhöht wird, nähert sich der Vermischungsrad asymptotisch Null. Es wurde weiterhin festgestellt, daß, obwohl die Menge des sich vermischenden Gases bei einem Wert von L₁/L₂ 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 L₁/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 ausschließen.

Claims

1. Verfahren zum Reduzieren von Metallerz, insbesondere Eisenerz, zu Metall in einem Bewegtbettreaktor mit stehendem Schacht (1), bei dem man im oberen Teil eine Reduktionszone (12) einrichtet und aufrechterhält, in der man 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 aufrechterhält, in der ein Kühlgas im Gegenstrom fließt zur Kühlung des Metalls, und eine Zwischenzone (14) eingerichtet und aufrechterhalten wird, die sich vom Kopf der Kühlzone (16) bis zum Boden der Reduktionszone (12) erstreckt:
heißes, reduzierendes Gas in das untere Ende der Reduktionszone (12) an einem ersten Einführungspunkt eingeführt wird;
das Reduktionsgas an einem ersten Entfernungspunkt am oberen Ende der Reduktionszone (12) abgezogen wird;
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) abgezogen wird;
dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Vermischens des Aufwärts- und des Abwärtsstromes zwischen der Reduktionszone und der Kühlzone eine Zwischenzone (14) eingerichtet wird, 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 (12) ist, und ein Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser im Bereich 0,5 bis 2 eingehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser in der Zwischenzone (14) im Bereich von 0,7 bis 1,6 eingehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Zwischenzone (14) nach unten strömende Strom des Reduktionsgases und der nach oben strömende Strom des Kühlgases auf einen Wert von nicht mehr als 5% des Gesamtkühlgases, das dem Reaktor zugeführt wird, eingestellt wird.

4. 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;
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 zum Minimieren des Aufwärts- und des Abwärtsstromes zwischen der Reduktions- und der Kühlzone 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 Entfernungspunkt, der sich am nächsten am Boden der Reduktionszone befindet, und dem einen des zweiten Einführungspunktes und dem 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.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser im Bereich von 0,6 bis 1,6 liegt.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Äquivalenzhöhe zu Äquivalenzdurchmesser im Bereich von 0,7 bis 1,2 liegt.

7. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 4 bis 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die während des Betriebes eine isobare Zwischenzone schaffen, wobei das Verhältnis der Äquivalenzhöhe zu dem Äquivalenzdurchmesser ausreicht, um den nach unten strömenden Strom des Reduktionsgases und den nach oben strömenden Strom des Kühlgases auf nicht mehr als 5% des dem Reaktor zugeführten Gesamtkühlgases einzustellen.