DE3228432A1 - Drehofen und verfahren zur direkten reduktion unter verwendung eines solchen drehofens - Google Patents

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH u

PATENTANWALT ' 6 FRANKFURT/MAIN 1, DEN 28. JUÜ 1982

KÜHHORNSHOFWEG 10 Κ/C

POSTSCHECK-KONTO FRANKFURT/M. 3425-60B '

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KAWASAKI JUKOGYO KABUSHIKI KAISHA, Kobe, Japan

Drehofen und Verfahren zur direkten Reduktion unter Verwendung eines solchen Drehofens

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehofen mit wenigstens einem zylindrischen Mantel, der in einem Winkel zur Horizontalebens drehbar gelagert ist, wie er zum Erhitzen und Kalzinieren von Kalk, Abfall usw. geeignet ist, und auf ein Verfahren zur direkten Reduktion von Metalloxiden unter Verwendung eines solchen Drehofens.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Drehofen, der einen zylindrischen Mantel 2 aufweist, der mit einer feuerfesten oder feuerbeständigen Auskleidung 7 versehen und in einem spitzen Winkel zur Horizontalen drehbar ist. Um den Mantel mit Verbrennungsluft zu versorgen, sind Luftgebläse 1 an der Außenseite des

Mantels 2 vorgesehen, die Luft durch eine Anzahl von Brennerrohren 4 treiben. Die Rohre 4 erstrecken sich radial nach innen durch die Wand des Mantels 2 und der Verkleidung 7 und ragen bis in die Nähe der Drehachse des Ofens. Ein Hauptbrenner 24 ist am unteren Ende des Mantels angeordnet und eine Hilfsbrennerdüse 5 ist an dem inneren Ende jedes Brennerrohres 4 vorgesehen. Dem Hauptbrenner 24 werden Luft und Brennstoff zugeführt.

Der Mantel 2 wird von seinem oberen Ende her mit Material 8, wie Eisenerz, Kalk und Abfall beladen, das durch die Rotation des Mantels 2 umgeschüttet wird und sich zum unteren Ende hin bewegt, während es durch die Brenner erhitzt wird.

Weil die Brennerrohre 4 zusammen mit dem Mantel 2 rotieren, müssen die HilfsbrennerdUsen 5 nahe der Drehachse des Ofens und entfernt vom Material 8 am Mantelboden angeordnet werden. Außerdem sind die Brennerrohre 4 wiederholt in intermittierendem Kontakt mit dem Material, wenn der Mantel 2 rotiert. Dies ist wegen der Hitze und Reibung eine beachtliche Fehlerursache, so daß die Rohre 4 keine lange Lebensdauer haben. Außerdem wird ein Teil des Gases wahrscheinlich durch den zentralen Raum innerhalb des Mantels geblasen, ohne einen ausreichenden Beitrag zur Erhitzung des Materials 8 am Boden des Mantels zu leisten.

Fig. 2 zeigt eine andere bekannte Drehofenkonstruktion, bei der Brennerdüsen 6 am Umfang des Mantels angebracht sind, aber von der feuerfesten Auskleidung 7 nicht radial nach innen vorstehen. Die Düsen 6 werden über Rohre 3 abwechselnd mit Brennstoff und Luft versorgt. Die Düsen 6 erfordern Mittel zum Öffnen und Schließen, damit sie beim Drehen des Mantels 2 abwechselnd mit Brennstoff versorgt werden, wenn sie in das Material 8 eintauchen, und mit Luft, wenn sie nicht eingetaucht sind. Des weiteren sind die Düsen 6 beim Drehen des

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Mantels wiederholt Wärmebelastungen von dem beheizten Material 8 und dem heißen Gas ausgesetzt. Dies führt zu einem Drehofen mit einer komplexen Konstruktion und einer großen Zahl von Faktoren, die zum Versagen führen. 5

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehofen anzugeben, der die Temperatur des heißen Gases oberhalb des zu erhitzenden Materials innerhalb des Mantelraums sowie die Temperatur des Materials genau steuert und es verhindert, daß das Brennerrohr aufgrund thermischer Ermüdung, verursacht durch die periodischen Wechsel in der Wärmebelastung, versagt, wodurch die Lebensdauer verlängert wird.

Des weiteren soll ein Verfahren zur direkten Reduktion von Metalloxid durch die Verwendung eines solchen Drehofens geschaffen werden.

Ein Drehofen, der wenigstens einen zylindrischen Mantel aufweist, der in einem Winkel zur Horizontalebene drehbar gelagert ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein inneres Rohr sich in Längsrichtung in den Mantel erstreckt, unabhängig vom Mantel fest abgestützt ist, über seinen äußeren Umfang von einer feuerfesten Schicht bedeckt ist und wenigstens einen Strömungskanal enthält und daß wenigstens eine Brennerdüse in dem Raum zwischen Rohr und Mantel angeordnet, vom Rohr getragen und mit dem Strömungskanal verbunden ist.

Ein Verfahren zur direkten Reduktion von Metalloxid unter Verwendung eines Drehofens gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch Beladen des Raumes im Drehofen mit Material, das hauptsächlich Metalloxid und kohlenstoffhaltige Materialien als Reduktionsmittel enthält, Versorgen der Düsen mit Brennstoff und/oder sauerstoffhaltigem Gas, wie Luft, von der Außenseite

des Mantels, und Beheizen des Materials durch Verbrennungswärme von den Düsen, von einem Haupfbrenner im Drehofen und von Wärme, die durch das feuerfeste Material reflektiert wird.
5

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Darstellungen zweier bekannter Drehöfen,

Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Längsschnitt, eines Drehofens gemäß der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3,

Fig. 5A bis 5D, 6, 7 und 9 Querschnitte ähnlich Fig. durch andere Ausführungsformen des Drehofens,

Fig. 8 eine bruchstückhafte Ansicht im Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 10 in einer Seitenansicht, teilweise im Längsschnitt, ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Drehofen nach Fig. 3 weist einen äußeren zylindrischen Mantel 2 auf, der an beiden Enden offen und mit feuerfestem Material 7 ausgekleidet ist. Der Mantel 2 ist auf Unterteilen 13 derart drehbar gelagert, daß seine Achse in einem spitzen Winkel zur Horizontalen verläuft. Der Mantel 2 ist durch Rollen 11 abgestützt, die mit ihren Bettungen 12 auf den Unterteilen 13 montiert sind.

Ein Zahnring 14, der am äußeren Umfang des Mantels 2 befestigt ist, kämmt mit einem von einem Motor 16 angetriebenen Zahnrad 15, um den Mantel um seine Achse zu drehen.
5

Der Mantel 2 ist mit einer Abgashaube 17 an seinem oberen Ende und mit einer Haube 18 zum Entladen des erhitzten Materials an seinem unteren Ende versehen. Über Dichtungen 19 ergibt sich eine drehbare, gasdichte Verbindung zwischen dem Mantel und der Innenseite der einander zugewandten Enden der Hauben 17 und 18. Die Abgashaube 17 besitzt einen oberen Auslaß 17A für das austretende Abgas. Ein Ladetrichter 27 erstreckt sich durch die Abgashaube 17 und in den Mantel 2, um den Mantel mit Material zu beladen. Die Materialhaube 18 hat eine untere Öffnung 29, um das Produkt, Asche usw. zu entladen.

Durch den Mantel 2 erstreckt sich im wesentlichen axial ein inneres Rohr 21, das an beiden offenen Enden durch Träger 20 festgehalten ist, die außerhalb des Mantels 2 sich befinden, so daß sich der Mantel 2 um das innere Rohr 21 und unabhängig davon drehen kann. Das Rohr 21 ist konzentrisch oder exzentrisch zur Achse des Mantels 2 angeordnet. Wenn das Rohr exzentrisch montiert ist, sollte es sich in der Nähe des oberen Teils des Mantelraumes befinden, damit sich in der Nähe des Bodens zusätzlicher Platz für das zu behandelnde Material ergibt. Die äußere Oberfläche des Rohres 21 ist mit feuerfestem Material 32 bedeckt.

Innerhalb des inneren Rohres 21 erstrecken sich Leitungen 23 für die Zufuhr von Brennstoff und/oder sauerstoffhaltigem Gas für die Verbrennung. Die Leitungen 23 haben Abzweigungen, die außerhalb des Rohres 21 zu einem oder mehreren Hauptbrennern 24 führen, welche unterhalb des Rohres 21 und innerhalb des Mantels 2

nahe dem unteren oder Entladeende des Mantels angeordnet sind.

Die Leitungen 23 führen auch in das Rohr 21. Im wesentliehen quer hierzu verlaufen Düsenrohre 26, die sich radial nach außen und im wesentlichen nach unten durch das Rohr 21 und das feuerfeste Material 32 in den Raum 9 zwischen dem Rohr 21 und dem Mantel 2 erstrecken. Die Rohre 26 sind mit Abständen angeordnet, und zwar sowohl axial (Fig. 3) als auch im Winkel oder in Umfangsrichtung (Fig. 4). Die Rohre 26 sind an dem Rohr 21 befestigt.

An das äußere Ende eines jeden Rohres 26 ist eine Brennerdüse 22 angeschlossen, deren vorderes Ende 25 entweder axial in Richtung auf das Entladeende (Fig. 3) oder radial (Fig. 4) zum Mantel gerichtet ist.

Die Länge der Rohre 26, ihre Anzahl und ihre Abstände können so bestimmt werden, daß sie ein optimales Temperaturprofil des Gases oberhalb des zu behandelnden Materials erzeugen, so daß das Material gemäß den Anforderungen des Verfahrens optimal erhitzt werden kann. Wie Fig. 3 zeigt, wird der Mantel 2 im wesentlichen kontinuierlich durch den Trichter 27 mit dem Material 8 beladen, das hauptsächlich Metalloxide, wie Eisenerz, und kohlenstoffhaltiges Material als Reduktionsmittel hierfür aufweist. Das Material 8 bewirkt eine reduzierende Reaktion durch Absorbierung der Wärme, die von dem oberhalb des Materials befindlichen Gas abgestrahlt wird, das durch den Brenner und die Düsen 22 sowie durch die von dem feuerfesten Material 22 auf dem inneren Rohr 21 abgestrahlte Wärme beheizt wird, während das Material 8 sich nach unten in Richtung auf den Brenner 24 bewegt, wie es ein Pfeil 28 andeutet, wodurch sich eine Läuterung in

- ίο -

metallisches Eisen ergibt. Die Bewegung wird durch die Drehung und die Neigung des Mantels 2 hervorgerufen. Das Material 8 wird abschließend am unteren Endteil des Mantels 2 durch den Brenner 24 beheizt, bevor es durch die Entladeöffnung 29 der Haube 18 entladen wird. Das Gas wird durch den Auslaß 17A der oberen Haube abgegeben.

Die Menge des über die Düsen 22 eingeführten Brennstoffes und/oder/Verbrennungsluft kann voreingestellt odea? gemäß dem Fortschreiten der Reaktion über die Länge innerhalb des Mantels 2 gesteuert oder geregelt werden, um die Temperaturverteilung zu vergleichmäßigen oder die richtige Temperaturverteilung in Längsrichtung innerhalb des Mantels aufrechtzuerhalten, wodurch die Wirksamkeit des Reduzierverfahrens verbessert wird.

Anders als bei den bekannten Drehofen mit Hilfsbrennern an dem Mantel sind die Brennerdüsen 22 an dem inneren Rohr 21 in Lagen befestigt, die für das Verfahren sehr geeignet sind und einen Drehofen mit einer hohen Produktivität ergeben. Des weiteren sind die Wärmebelastungen und mechanischen Beanspruchungen der Düsenrohre 26 konstant und werden keinen wechselnden Belastungen ausgesetzt, so daß sich die Wahrscheinlichkeit ihres Versagens vermindert.

Der Querschnitt des inneren Rohres 21 muß nicht notwendigerweise kreisförmig sein, sondern kann jede andere Form, wie diejenige der Fig. 5A bis 5D haben.

Es können auch zwei oder mehr innere Rohre 21 verwendet werden, falls notwendig. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß sich das innere Rohr 21 über die gesamte Mantellänge erstreckt, weil der Zylinder auch freitragend an einem Ende gehalten sein kann.

Wie Fig. 6 zeigt, können eine oder mehrere Düsenrohre 26 so lang bemessen sein, daß ihre gesamte Länge oder nur ihr vorderes Ende 25 immer in dem Material 8 eingetaucht ist, um dieses wirksam zu beheizen. Dabei werden die Rohre 26 keinen Wärmebelastungsänderungen ausgesetzt, wie beim Stand der Technik, so daß sich die Wahrscheinlichkeit eines Yersagens der Brennerdüse vermindert. Wenn das Material 8 genügend brennbare flüchtige Bestandteile enthält, kann es ausreichen, über die Düsen 22 lediglich Luft einzublasen.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem das innere Rohr 21 (der äußere Mantel ist nicht gezeigt) mit einer inneren zylindrischen Hülse 30 nahe seiner inneren Oberfläche versehen ist. Die Hülse 30 hat einen radialen Abstand vom Rohr 21 und es sind radiale Trennstege 31 vorgesehen, so daß sich in Umfangsrichtung verlaufende Kammern oder Kanäle 42 innerhalb des Zylinders 21 ergeben. Einer oder mehrere der Kanäle 42 kann für die Zuleitung von Brennstoff, Brennluft und/oder Gas zu den Brennerdüsen 22 anstelle der Leitungen 23 der Fig. 3 verwendet werden. Ein Teil der in dem Raum 9 innerhalb des Mantels 2 entstehenden Hitze wird über das feuerfeste Material 32 auf das innere Rohr 21 übertragen, wodurch der Brennstoff oder die Verbrennungsluft beim Durchströmen der Hülsenkanäle 42 vorbeheizt werden, was die Verbrennung an den Düsen 22 verbessert. Einer oder mehrere der Kanäle 42 kann statt dessen auch benutzt werden, um ein Kühlmittel, wie Wasser, hindurchzuleiten, um eine Überhitzung des inneren Rohres 21 zu verhindern.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Endabschnitt des inneren Rohres 21 ist mit einem darin befestigten Abgasrohr 33 für heißes Gas versehen und besitzt eine Öffnung 34 in seiner zylindrischen Wand. Das Rohr 33 ist an seinem inneren

Ende durch einen Blindstopfen 35 verschlossen und besitzt ebenfalls eine Öffnung 36 in ihrer zylindrischen Wand, die mit der Öffnung 34 ausgerichtet ist. Das benachbarte Ende des Mantels 2 ist durch eine Deckscheibe 38 anstelle der in Fig. 3 veranschaulichten Haube 17 verschlossen und es ist eine Dichtung zwischen der Scheibe 38 und dem Zylinder 21 vorgesehen, so daß der Mantel in einer gasdichten Passung rotieren kann. Heißes Gas innerhalb des Mantels 2 fließt, wie es die Pfeile 37 zeigen, durch die Öffnungen 34 und 36 in das Rohr 33 und v/erden dann einer geeigneten Vorrichtung zugeführt, welche die hohe Wärmeenergie nutzt.

Wie Fig. 3 zeigt, kann das innere Rohr 21 an der Außenseite eine Vorrichtung 39 zur Steuerung oder Regelung des Ofenbetriebes aufweisen. Die Vorrichtung 39 kann beispielsweise ein Temperaturfühler, ein Gasprüfrohr, ein Materialprüfrohr und/oder ein Fenster zur Beobachtung des Raumes innerhalb des Mantels sein. Die Steuervorrichtung 39 kann daher zweckmäßigerweise in der Nähe des Materials 8, aber ohne es zu berühren, angeordnet werden, um eine genaue Messung zu erzielen und die Lebensdauer der Steuervorrichtung zu erhöhen, verglichen mit der üblicherweise an der Innenwand des Mantels angeordneten Steuervorrichtung.

Fig. 9 zeigt eine kreisförmige Vergrößerung 40, beispielsweise eine spiralförmige Schicht aus feuerfestem Material, die am äußeren Umfang des inneren Rohres 21 unabhängig von der Existenz der Brennerdüsen 22 angebracht sein kann. Wenn die Spirale 40 so bemessen ist, daß sie nicht mit dem Material in Kontakt steht, strömt das Gas innerhalb des Mantels 2 spiralförmig, um die Temperatur innerhalb des Mantels zu vergleichmäßigen.

Wenn die Spirale 40 das Material 8 berührt, wie es Fig. 9 zeigt, kann der obere Teil des Materials bei der Drehung des Mantels 2 umgewälzt werden.

Wenn die Richtung der Spirale 40 so gewählt ist, daß sie den Materialfluß entgegengesetzt zum normalen Schwerkraftfluß des Materials 8 antreibt, kann der obere Teil des Materials 8 für eine längere Zeit innerhalb des Mantels 2 bleiben als es der Fall bei einem normalen Drehofen ist. Dies ist günstig, wenn es erwünscht ist, die Zeit für das Beheizen nur großer Stücken oder Massen des Materials 8 zu verlängern, die schwierig ausreichend zu beheizen sind, weil große Stücken normalerweise die Neigung haben, auf der Oberseite des Materials zu schwimmen.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das zv/ei oder mehr Mantel 2 und 2a umfaßt, welche stirnseitig verbunden sind und durch welche sich ein inneres Rohr 21 erstreckt. Zwischen den beiden Mänteln ist eine am Unterteil befestigte Zwischenstütze 41 vorgesehen, die eine gasdichte Abdichtung zwischen den Mänteln bildet, aber die Mantel nicht an einer Drehung relativ zueinander hindert. Die feststehende Zwischenstütze 41 erstreckt sich durch den Raum zwischen den Mänteln und dem Rohr 21 und greift sicher am inneren Rohr 21 an. Wie Fig. 10 zeigt, ist der im oberen Teil des Raums befindliche Teil der Stütze 41 fest, während der im unteren Raum befindliche Teil durchbrochen ist, damit das Material durch die Mantel nach unten strömen kann. Die Stütze 41 ist vorgesehen, um eine Verformung des sehr langen Rohres 21 aufgrund seines Gewichts und der Hitze zu verhindern. Die relativen Drehgeschwindigkeiten und/oder Durchmesser der mehreren Mäntel 2 und 2a können unterschiedlich sein, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Materials 8 in den beiden Mänteln zu ändern und damit auch die Wärmemengen, die vom Material in den früheren und späteren Stufen des Kalzinierungs- oder Reduktions-Prozesses aufgenommen werden, wodurch sich ein optimaler Verfahrensbetrieb ergibt. Für die beiden Mantel sind

- 14 getrennte Antriebsmotoren 16 vorgesehen.

Da das Mischungsverhältnis der Bestandteile des Materials 8 längs der in Längsrichtung unterschiedliehen Stellen des Mantels 2 sich ändern kann oder da das Material ein nicht im Gleichgewicht stehendes Mengenverhältnis von Metalloxiden und Reduktionsmitteln aufweisen kann, wenn das Verfahren fortschreitet, kann das innere Rohr 21 mit Mitteln, beispielsweise einer (nicht veranschaulichten) Düse, versehen sein, um zusätzliche Mengen des Materials 8 zuzuführen, beispielsweise als Reduktionsmittel durch Beladedüsen, die in geeigneter Weise in dem inneren Rohr 21 an Stellen verteilt sind, wo das zusätzliche Material benötigt wird, wodurch die Reduktionsreaktion verbessert wird.

Die Reaktionsbedingungen können durch Anbringung mehrerer Steuervorrichtungen 39 (Fig. 3) längs des inneren Rohres 21 festgestellt werden und das zusätzliche Material kann durch das innere Rohr 21 in Abhängigkeit von den gemessenen Werten zugeführt werden, um eine wirksame Reduktionsreaktion zu erbringen.

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   10

   Drehofen mit wenigstens einem zylindrischen Mantel, der in einem Winkel zur Horizontalebene drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein inneres Rohr (21) sich in Längsrichtung in den Mantel (2) erstreckt, unabhängig vom Mantel fest abgestützt ist, im wesentlichen über seinen äußeren Umfang von einer feuerfesten Schicht (32) bedeckt ist und wenigstens einen Strömungskanal (23) enthält, und daß wenigstens eine Brennerdüse (22) in dem Raum (9) zwischen Rohr und Mantel angeordnet, vom Rohr getragen und mit dem Strömungskanal verbunden ist.
2. 2. Drehofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (21) exzentrisch in dem Mantel

   (2) angeordnet ist, damit sich ein größerer Raum auf der einen Seite des Rohres und innerhalb des Mantels bildet und daß die Düse (22). in der Nähe des größeren Raumes angeordnet ist. 20
3. 3. Drehofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (21) sich durch den Mantel (2) und über dessen Enden hinaus erstreckt und an beiden Enden außerhalb des Mantels abgestützt ist.
4. 4. Drehofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Düsen (22) mit Abständen voneinander angeordnet sind.
5. 5. Drehofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Mäntel (2, 2a) vorgesehen sind und daß das innere Rohr (21) sich durch diese Mäntel erstreckt und daß eine Zwischenstütze (41) vorgesehen ist, die die Mäntel stirnseitig in gasdichter Weise miteinander verbindet.
6. 6. Drehofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (30) innerhalb des inneren Rohres (21) vorgesehen ist und zwischen Hülse und Rohr Strömungskanäle (42) gebildet sind.
7. 7. Drehofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rohr (21) und dem Mantel (2) Mittel (38) zum Verschließen des Mantels an beiden Enden in gasdichter Weise verbunden sind und daß das eine Ende des Rohres einen Durchlaß aufweist, durch den heißes Gas aus dem Raum zur Außenseite des Mantels abgegeben werden kann.
8. 8. Drehofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Kühlvorrichtungen (39) am inneren Rohr (21) zum Messen der Zustände des Gases und der Materialien in dem Mantel (2).
9. 9. Drehofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Vorrichtungen am inneren Rohr (21) zur Zufuhr von Materialien in den Raum von der Außenseite des Drehofens.
10. 10. Drehofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstütze (41) sich durch den Raum erstreckt, am inneren Rohr (21) angreift und einen

    - 3 Zwischenteil dieses Rohres abstützt.
11. 11. Verfahren zur direkten Reduktion unter Verwendung eines Drehofens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Beladen des Raumes mit Material, das hauptsächlich Metalloxid und kohlen-

    die stoffhaltiges Material enthält/ Versorgung der Düse mit Brennstoff und/oder sauerstoffhaltigem Gas von der Außenseite des Mantels und das Erhitzen des Materials durch Verbrennungswärme von den Düsen und die von der feuerfesten Schicht reflektierte Wärme.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch das Hindurchleiten eines Kühlmittels durch einen oder mehrere der Strömungskanäle.