DE3220820A1 - Verfahren zur versorgung eines reaktors mit waermeenergie mit hilfe eines plasmalichtbogenbrenners sowie vorrichtung zur durchfuehrung desselben - Google Patents

Verfahren zur versorgung eines reaktors mit waermeenergie mit hilfe eines plasmalichtbogenbrenners sowie vorrichtung zur durchfuehrung desselben

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DE3220820A1
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Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines Reaktors, wie eines Schachtofens/ der mit Reduktionsmaterial gefüllt ist, mit Wärmeenergie mittels eines Reduktionsgases unter Verwendung eines Plasmalichtbogenbrenners, wobei das Reduktionsgas insgesamt oder teilweise durch den Brenner geleitet und in Gasplasma umgewandelt wird und dem Reaktor zur Durchführung endothermischer Reaktionen, vorzugsweise zur Direktreduktion von Metalloxid zu Metall, Pulvermaterial eventuell mit Zuschlägen zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Herstellung von Metallen aus Metalloxid enthaltenden Material mit Hilfe eines Reduktionsgases in einem Schachtofen, der mit Reduktionsmittel gefüllt ist, ist es an sich bekannt, dem Reduktionsgas mittels eines Plasmalichtbogenbrenners Wärmeenergie zuzuführen. Das Gas wird durch einen im Brenner erzeugten Lichtbogen geblasen, wodurch es in Plasmaform umgewandelt wird. Das pulverisierte Metalloxid wird zusammen mit dem Reduktionsgas eingeblasen und dem Gas hinter dem Lichtbogen, d. h. dem gebildeten Plasmagas, zugeführt. Gas, welches Sauerstoff, Schlackenbildner, kohlenstoffhaltiges Material wie Kohlenwasserstoffe, öl oder einen ölschlamm usw. enthält, kann auch vor, in und/oder hinter dem Lichtbogen zugeführt werden. Dieses Verfahren ist äußerst effektiv und sowohl wirtschaftlich wie technisch vorteilhaft, jedoch bleiben gewisse Probleme noch ungelöst.
Bei den heute üblichen Plasmalichtbogenbrennern wird ein innerer Lichtbogen verwendet, d. h. ein Lichtbogen, welcher
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Andrejewski, Honlce & Partner, Patentanwälte in Essen
zwischen zwei in einem Abstand voneinander im Brenner angeordneten Elektroden erzeugt wird» Wenn das sehr heiße Plasrnagas, welches erzeugt wird, mit den Wandungen des Brenners in Berührung kommt, ergibt sich eine beträchtliche Wärmeableitung an die Wandungen. Um dies zu verhindern, wird das Gas in Drehung versetzt, sodaß kaltes Gas über die Elektrodenoberflächen hinwegbläst, was den Wirkungsgrad erhöht. Dies führt jedoch ebenfalls zu verschiedenen Nachteilen. Durch die Drehung des Gases wird dieses nämlich radial nach außen geschleudert, wenn es aus dem Brenner ausströmt. Dadurch werden die Wandungen des Reaktorbehälters sehr starken lokalen Beanspruchungen unterworfen, welche dazu führen, daß die Ofenauskleidung in diesem Bereicn sehr schnell zerstört wird, was wiederum dazu führt, daß der Ofen stillgesetzt und kostenaufwendig repariert werden muß. Die Drehung des Gases ergibt auch Schwierigkeiten beim Einblasen pulverisierten Materials in den Gasstrom, da kleine Teilchen dazu neigen, infolge der Drehung aus dem Gasstrom nach außen herausgeschleudert zu werden. Weitere Nachteile bestehen darin, daß Plasmalichtbogenbrenner mit einem inneren Lichtbogen einen sehr starken Verschleiß an beiden Elektroden verursachen, sodaß diese häufig ausgewechselt werden müssen. Außerden. besteht ein großer Teil der Wärmeverluste im Brenner aus Elektrodenverlusten.
Es wurde nunmehr durchaus überraschenderweise festgestellt, daß man die vorgenannten Nachteile bei dem eingangs genannten Verfahren im wesentlichen dadurch ausschalten kann, daß man die Wärmeenergie mit Hilfe eines äußeren Lichtbogens zuführt, wobei die eine Elektrode durch den Plasmalichtbogenbrenner und die andere Elektrode durch das Material im Schachtofen gebildet wird.
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Die Verwendung eines äußeren oder übertragenen Lichtbogens ist an sich in der Technik der Stahlherstellung benannt, wenn er auch einzig und allein zum Schmelzen von Stahl, d.h. zum Schmelzen von Schrott, verwendet wird. Ein inertes Gas wie beispielsweise Stickstoff wird bei dieser Technik als ein Plasmagas verwendet, wobei das Gas nur verwendet wird, um ein Medium für den Lichtbogen zu bilden und keinerlei Teil an irgendeiner chemischen Reaktion hat. Bei diesem bekannten Verfahren, welches in "iron and Steel Engineer", Oktober 19&C, seite bl-82 "Plasma steelmaking - The Preital system" beschrieben ist, wird ein Plasmaschmelzofen verwendet, welcher mehrere im Winkel angeordnete Plasmalichtbogenbrenner besitzt, welche mit einer zentralen Bodenelektrode zusammenwirken. Das Prinzip ist annähernd das gleiche wie bei den herkömmlichen Lichtbogenofen, doch sind hier die vertikalen GraphiteleKtroden durch Lichtbogenbrenner ersetzt.
Die Verwendung eines übertragenen Lichtbogens entsprechend der Erfindung, bei welcher das Reduktionsmittel im ReaKtor als eine Elektrode für die direkte Reduktion von Metalloxid zu Metall verwendet wird, wurde jedoch bisher niemals vorgescrSagen noch in der Praxis durchgeführt.
Im Rahmen der Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, daß es möglich ist, einen stabilen Lichtbogen zwischen den. festen Reduktionsmaterial im Reaktor einerseits und dem Licntbogenbrenner, der durch die Reaktorwandung hindurchragt, andererseits zu erzeugen. In der Anlaufphase wird unmittelbar vor dem Brenneraustritt eine Aushöhlung gebildet infolge der sehr hohen Temperatur. Die gewünschten Reaktionen erfolgen
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danach in dieser Aushöhlung. Überraschend ist auch, daß das feste Reduktionsmittel im Reaktor in sehr geringem Ausmaße nach Ausbildung der Aushöhlung verbraucht wird und daß kein Zusammenbruch des Feststoffes erfolgt, der zu einem instabilen Lichtbogen führen würde.
Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt den wesentlichen Vorteil, daß der Elektrodenverschleiß zumindest an der einen Elektrode vollkommen ausgeschaltet wird, da das Reduktionsmittel als Elektrode wirkt. Wenn das Reduktionsmaterial, z.B. PioKs, als Elektrode arbeitet, wird naturgemäß ein Teil desselben verbraucht, doch selbst das ist für das Verfahren in Form von zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid oxidiertem Kohlenstoff günstig. Außerdem ist es nicht mehr erforderlich, das Gas in Drehung zu halten, was die Zufuhr von pulverisierten Material zum Gasstrom erleichtert und nachteilige Auswirkungen auf die Ofenauskleidung verhindert, die bei herkömmlichen Verfahren auftreten.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein Elektroden-Spannungsabfall im Reduktionsmittel auftritt, der die Wirksamkeit um etwa 5$ weiter verbessert, was einen beträchtlichen Zuwachs bei einer bereits hohen Wirksamkeit bedeutet.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bestehend aus einen Reaktor, wie einem Schachtofen, mit einer abdichtenden Ofengicht am Oberteil zur kontinuierlichen Zufuhr von festem, stückigem Reduktxonsmaterial und Erzeugung eines Druckabfalls, damit keine heißen Gase im
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Reaktor durch die Gicht entweichen, einem im oberen Reaktorbereich angeordneten Gasauslaß für verbrauchte Gase und möglicherweise flüchtige Metalle, Auslassen am Boden des Reaktors für Metall bezw. Schlacke und mit einem Plasmalichtbogenbrenner mit Zufuhrleitungen für Pulvermaterial und Reduktionsgas sowie für eventuelle Zuschläge wie Kohlenwasserstoffe, Sauerstoff, Schlackenbildner und Wasser, die im unteren Bereich des Reaktors angeordnet sind und mit einer Stromquelle verbunden sind, wobei der Reaktor mit einer Säule aus Reduktionsmaterial gefüllt ist, ist im wesentlichen gekennzeichnet durch in das Reduktionsmaterial eingeschobene Stromleiter, welche an die Stromquelle des Brenners derart angeschlossen sind, daß das Reduktionsmaterial die eine Elektrode und der Plasmalichtbogenbrenner die andere Elektrode in einem einen äußeren Lichtbogen erzeugenden Stromkreis bildet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Stromleiter geerdet, sodaß infolgedessen auch das Reduktionsmittel im Reaktor geerdet ist. Der besondere Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß keine Isolierung zwischen Brenner und Ofen vorgesehen werden muß, da das Brennergehäuse ebenfalls geerdet ist. Infolgedessen ist jegliche Gefahr für das an der Anlage arbeitende Personal aufgrund der Lichtbogenelektrizität vollkommen ausgeschaltet.
Weitere Merkmale und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und besondere Maßnahmen werden nachstehend im einzelnen anhand der beiliegenden Figur erläutert, welche ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt.
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Die für die nachfolgende Beschreibung der Erfindung herangezogene beiliegende Figur zeigt lediglich eine schematische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welches in Einzelheiten anders ausgebildet werden kann, ohne daß dazu der Grundgedanke der Erfindung verlassen werden müßte.
Im Prinzip besitzt die Vorrichtung einen Reaktor 1, auf demselben eine abdichtende Ofengicht 2, zumindest einen Plasmalichtbogenbrenner 3 und Stromleiter 4.
Der hier als Schachtofen ausgebildete Reaktor besitzt im oberen Teil einen Gasauslaß 5 für- das Gas und irgendwelche flüchtigen Metalle. Im unteren Bereich besitzt der Reaktor einen Auslaß 6 für das Metall und einen Auslaß 7 für die Schlacke. Der Reaktor ist mit festem, stückigem Reduktionsmaterial 8 gefüllt, welches kontinuierlich dem Reaktor über die Ofengicht zugeführt wird so wie es verbraucht wird.
Die Ofengicht 2 besitzt vorzugsweise mehrere geschlossene Zufuhrleitungen 9* welche gleichmäßig rund um den Oberrand des Reaktors 1 verteilt sind. Die Gicht erlaubt je nach Bedarf eine kontinuierliche Zufuhr von Reduktionsmaterial, während gleichzeitig eine Gassperre entsteht, d.h. der Druckabfall über die Leitungen ist so groß, daß das Gas hier nicht ausströmen kann. Aus Sicherheitsgründen kann Stickstoff unter Druck der Vorkammer für die Leitungen zugeführt werden. Der Gasauslaß 5 ist in der Figur in der Gicht zentral angeordnet* kann jedoch auch in der Seite des Reaktors angeordnet werden. Für die Ausbildung der beschriebenen Gicht ist der dargestellte Aufbau am geeignetsten.
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwähe in Essen
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Der Brenner ist lediglich schematisch und nicht im Schnitt dargestellt, da seine Punktion aus der nachstehenden Beschreibung eindeutig hervorgeht. Er besitzt zv/ei zylindrische Elektroden mit einem dazwischen liegenden Rin.3spa.Lt. Zumindest ein Teil des Reduktionsgases wird über die Leitungen 11 und 12 durch diesen Spalt zugeführt, möglicherweise zusammen mit einem Kohlenwasserstoff oder irgendeinem anderen Material. Im vorderen Bereich des Brenners sind Lanzen oder Düsen I3, 14 angeordnet, um pulveriges Material und möglicherweise Sauerstoff, Wasser, Schlackenbildner usw. einzublasen. Der Brenner kann außerdem einen stromaufwärts liegenden Einlaß 15 für Komprimiertes Gas wie beispielsweise Argon oder Luft besitzen, um in herkömmlicher V/eise einen zwischen den genannten beiden zylindrischen Elektroden ausgebildeten Lichtbogen in den Reaktor zu blasen. In der Regel genügt es jedoch, die Zustromgeschwinaigkeit des Reduktionsgases, welches dem Ringspalt für den in den Reaktor einzublasenden und auf das im Reaktor befindliche Reduictionsmaterial auftreffenden Lichtbogen zugespeist wird, zu erhöhen.
Im Reduktionsmaterial δ sind Stromleiter 4 angeordnet, die zweckmäßigerweise mit der gleichen Stromquelle 16 in Verbindung stehen, welche für den Brenner 3 vorgesehen ist. Die Leiter sind geerdet, so wie dies auch bei dem Brennergehäuse der Fall ist. Wie bereits eingangs erwähnt, werden auf diese Weise Probleme bezüglich der Isolierung und der Sicherheit für das Bedienungspersonal ausgeschaltet.
* i ^ 2
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Eine Beschreibung der elektrischen Ausrüstung wurde abdichtlich fortgelassen, da diese Ausrüstung kein Teil der vorliegenden Erfindung ist. Hinzuweisen ist allerdings darauf, daß der Brenner derart geschaltet ist, daß, wenn der Lichtbogen zwischen den zylindrischen Elektroden erzeugt und in den Reaktor geblasen wird und ein stabiler Lichtbogen zwischen dem Brenner 2 und dem Reduktionsmaterial b vorhanden ist, eine der Elektroden im Brenner vom Stromkreis abgeschaltet wird.
Wenn das Verfahren gestartet wird, wird infolgedessen ein innerer Lichtbogen zwischen den beiden zylindrischen Elektroden des Brenners gezündet. Das auf diese Weise gebildete Gasplasma, welches eine Temperatur in einer Größenordnung von pOOO°G besitzt, brennt dann das Reduktionsmaterial unmittelbar vor dem Brenner fort, sodaß eine Höhlung 1? entsteht. Die Reaktion findet anschließend in dieser Aushöhlung 17 statt. Danach oder vielmehr unmittelbar darauf wird der Lichtbogen in die Höhlung hineingeblasen und zündet das Reduktionsmaterial, woraufhin eine der Brennerelektroden abgeschaltet werden kann. Danach wird das Reduktionsmaterial im Gegensatz zu allen anderen Plasmaverfahren, bei denen dieses Material verbraucht wird, in sehr geringem Ausmaße verbraucht.

Claims (1)

  1. Andrejewski, Honke & Partner
    Patentanwälte
    Diplom-Physiker
    Dr. Walter Andrejewski
    Diplom-Ingenieur
    Dr.-Ing. Manfred Honke
    Diplom-Physiker
    Dr. Karl Gerhard Masch
    Anwaltsakte ι 58 911/Du
    4300 Eisen 1, Theaterplatz 3, Postf. 1002
    Patentanmeldung
    SKF Steel Engineering Aktiebolag
    P. O. Box 2o2
    S-813 00 HOFORS, Schweden
    Verfahren zur Versorgung eines Reaktors mit Wärmeenergie mit Hilfe eines Plasmalichtbogenbrenners sowie Vorrichtung zur Durchführung desselben
    Patentansprüche:
    1. Verfahren zur Versorgung eines Reaktors, wie eines Schachtofens, der mit Reduktionsmaterial gefüllt ist, mit Wärmeenergie mittels eines Reduktionsgases unter Verwendung eines Plasmalichtbogen- brenners, wobei das Reduktionsgas insgesamt oder teilweise durch den Brenner geleitet und in Gasplasma umgewandelt wird und dem Reaktor zur Durchführung endothermischer Reaktionen, Vorzugs-
    Andrejewski, Honke & Partner, Pafentanwäife in Essen
    weise zur Direktreduktion von Metalloxid zu Metall, Pulvermaterial eventuell mit Zuschlägen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie durch einen äußeren Lichtbogen zugeführt wird, wobei die eine Elektrode durch den Brenner (3) und die andere Elektrode durch das Material (8) im Schachtofen (1) gebildet wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionen in einer Aushölung (17) im Reduktionsmaterial (8) vor dem Brenner (3) erfolgen.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermaterial in das vom Lichtbogen erzeugte Gasplasma eingebracht wird.
    k. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushölung (17) vom Brenner (3) mit Hilfe eines von einem inneren Lichtbogen erzeugten Gasplasmas bewerkstelligt wird.
    Ο· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Lichtbogen zwischen zwei zylindrischen Elektroden im Brenner (3) über einen Spalt erzeugt wird und mittels eines in den Spalt eingebrachten Reduktionsgases in den Reaktor (1) geblasen wird und auf das im Reaktor befindliche Reduktionsmaterial (8) auftrifft, welches über Stromleitungen (4) mit der Stromquelle (16) für den Piasmaiichtbogenbrenner in Verbindung steht.
    ORIGINAL INSPECTED
    ·Λ820
    Andreiewski, Honke & Partner, Patentanwähe in Essen
    6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Reaktor, wie einem Schachtofen, mit einer abdichtenden Ofengicht am Oberteil zur kontinuierlichen Zufuhr von festem, stückigem Reduktionsmaterial und zur Erzeugung eines Druckabfalls, damit keine heißen Gase im Reaktor durch die Gicht entweichen, einem im oberen Reaktorbereich angeordneten Gasauslaß für verbrauchte Gase und möglicherweise flüchtige Metalle, Auslässen am Boden des Reaktors für Metall bezw. Schlacke und mit einem Plasmalichtbogenbrenner mit Zufuhrleitungen für Pulvermaterial und Reduktionsgas sowie für eventuelle Zuschläge wie Kohlenwasserstoffe, Sauerstoff, Schlackenbildner und Wasser, die im unteren Bereich des Reaktors angeordnet sind und mit einer Stromquelle verbunden sind, wobei der Reaktor mit einer Säule aus Reduktionsmaterial gefüllt ist, gekennzeichnet durch In das Reduktionsmaterial (b) eingeschobene Stromleiter (4), welche an die Stromquelle (16) des Brenners (j5) derart angeschlossen sind, daß das Reduktionsmaterial die eine Elektrode und der Piasmalichtbogenbrenner (3) die andere Elektrode in einem einen äußeren Lichtbogen erzeugenden Stromkreis bildet.
    DRSGIMAL !NSPECTED
DE3220820A 1981-09-03 1982-06-03 Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden in einer Reduktionsmaterialsäule eines Schachtofens mit Hilfe eines Reduktionsgases Expired DE3220820C2 (de)

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