DE3320669C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Reduktionsgases - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Reduktionsgases

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Reduktionsgases mit niedrigem Schwefel­ gehalt durch Vergasen eines Kohlenstoff enthaltenden Brenn­ stoffes in einer Eisenbadschmelze.
Die Erfindung ist eine Verbesserung des in der DE-OS 27 50 725 beschriebenen Verfahrens, bei welchem Reduktions­ gas in einem Metallschmelzbad erzeugt wird. Der bekannte Vergaser unterliegt einem erheblichen Verschleiß der feuer­ festen Auskleidung.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, den Verschleiß der feuerfesten Auskleidung herabzusetzen. Ferner soll ein gut ausgewogenes Reduktionsgas für die Direktreduktion von Ei­ senoxid erzeugt werden. Schließlich zielt die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ab.
Das gattungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Ansprüchen 2 bis 7 zu entnehmen. Die gattungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruches 8 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 9 bis 11 beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Problem eines starken Verschleißes der feuerfesten Auskleidung des Ge­ fäßes dadurch gelöst, daß die Badtemperatur des Vergasers auf einem niedrigeren Pegel gehalten wird. Dies wird da­ durch erreicht, daß in das Metallschmelzbad ein Kühlmittel eingeblasen wird. Neben Brenn­ stoff, Sauerstoff und einem Schlackenbildner, die durch den Boden des das Bad enthaltenden Gefäßes in das Metall­ schmelzbad eingeblasen werden, wird also auch ein Kühlmittel eingeblasen, um die Reaktion innerhalb des Gefäßes zu küh­ len. Als Kühlmittel dient vom Direktreduktions­ ofen zurückgeführtes Abgas oder ein Gemisch aus Abgas und Dampf. Ein ausgewogenes Reduktionsgas für die Direktreduktion des Eisens wird dadurch erhalten, daß die Betriebstemperatur des Schmelzbadvergasers oberhalb der Temperatur des eutektischen Punktes im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm gehalten wird.
Bei der Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen in einem Schachtofen ist das Abgas des Schachtofens über­ hitzt und muß unmittelbar nach der Entfernung aus dem Ofen gekühlt werden. Bei vorliegender Erfindung wird diese Überhitzung dazu benutzt, Kalk für die Schwefelentfernung aus dem Schachtofen zu brennen.
Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine bevorzug­ te Ausführungsform der Erfindung mit einem Schmelzbadvergaser für die Versorgung eines Schachtofens mit Reduktionsgas und mit der erforderlichen Hilfsausrüstung;
Fig. 2 in schematischer Darstellung ein zu Fig. 1 alternatives Flußdiagramm,
Fig. 3 ein weiteres alternatives Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Schmelzbadvergaser 10 eine Eisen­ schmelze 12 und flüssige Schlacke 14. Kühlwindungen 16 umgeben den Vergaser. Brennstoff wie Kohle aus einer Quelle 20 wird durch den Boden des Vergasers in das Schmelzbad eingeblasen. Ein Flußmittel, wie Kalk aus einer Quelle 22, wird ebenfalls in das Schmelzbad eingeblasen, soweit dies zur Einstellung des Flüssigkeitsgrades der Schlacke erforderlich ist, und um die Schwefelentfernung zu unterstützen. Außer­ dem wird auch Sauerstoff aus einer Quelle 24 in das Schmelz­ bad durch den Boden des Vergasers eingeblasen, um den Brennstoff zu Kohlenmonoxid zu verbrennen und zu vergasen.
Geeignete Brennstoffe sind Kohle, Kohlenwasserstoffe, Holzkohle, Koksofengas oder irgendein Gemisch hiervon. Der bevorzugte Brennstoff ist pulverisierte Kohle.
Eine äußere Kühlung des Vergasers ist in Form von Windungen 16 vorgesehen. Wasser aus einer nicht dargestellten Quelle wird vorzugsweise unten in die Windungen 16 eingeleitet und verläßt diese als Dampf über eine Leitung 30. Vorzugs­ weise wird die Betriebstemperatur des Vergasers bei unge­ fähr 1500°C gehalten. Kohlen­ dioxidarmes Abgas aus einer Leitung 34 oder eine Mischung aus Abgas und Dampf aus einer Quelle 32 wird gesteuert durch ein Ventil 36 über eine Lei­ tung 38 in das Schmelzbad eingeblasen. Die Temperatur des Schmelzbades wird durch eine nicht dargestellte Meßein­ richtung überwacht, die die Arbeitsweise des Ventils 36 steuert und damit den Einblasvorgang von Dampf und/oder gereinigtem Abgas.
Durch einen Auslaß 40 wird bei Bedarf flüssige Schlacke 14 aus dem Vergaser entfernt. Heißes durch unvollständige Verbrennung des Brennstoffes erhaltenes Gas (Reduktionsgas) wird aus dem Vergaser 10 über eine Leitung 42 entfernt und dann in einem Abschreckgefäß 46 durch kohlendioxidarmes Abgas aus einer Leitung 44 schnell abgekühlt bzw. abgeschreckt auf eine Temperatur, die unterhalb der Schlackenschmelztem­ peratur liegt. Erhitztes kohlendioxidarmes Abgas aus einer Leitung 48 wird dem abgeschreckten Reduktionsgas zugesetzt und das erhaltene Gemisch über eine Leitung 52 in einen Direktreduktionsofen 50 eingeleitet. Eisenoxid aus einem Bunker 54 wird in den Ofen 50 über eine Leitung 56 char­ giert, um in diesem eine Schüttung zu bilden. Die absin­ kende Eisenoxidbeschickung wird durch das im Gegenstrom ge­ führte Reduktionsgas zu metallischem Eisen reduziert. Das metallische Eisen wird am Auslaß 58 unten aus dem Ofen ent­ fernt und das Abgas, d. h. das verbrauchte Reduktionsgas oben aus dem Ofen über eine Leitung 60. Falls gewünscht, können dem Ofen über die Leitung 56 Kalk oder Kalkstein zu­ geführt werden, um einen Teil der absinkenden Beschickung zu bilden. Die Hitze in dem Abgas brennt bzw. kalziniert den Kalk. Falls im Reduktionsgas noch eine merkliche Menge an Schwefel vorhanden ist, verbindet sich dieser mit dem Kalzium und bildet Kalziumsulfid, das zusammen mit dem metallisierten Eisen und Kalziumoxid, das nicht reagiert hat, über den Auslaß 58 aus dem Ofen entfernt wird. Auf die­ se Weise wird sowohl eine Verschmutzung des direkt redu­ zierten Eisens mit Sulfid wie eine Verschmutzung des Abgases verhindert.
Wegen der thermodynamischen Bedingungen reagiert nicht der gesamte Wasserstoff und das gesamte Kohlenmonoxid in dem Reduktionsgas mit dem Eisenoxid, so daß das über die Lei­ tung 60 entfernte Abgas wertvolle Anteile an Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Das Abgas wird durch den Kühler 62 und den Wäscher 64 geleitet, um die Gastemperatur herab­ zusetzen und Wasser und Staub aus dem Gas zu entfernen. Ein Teil des gereinigten gekühlten Abgases wird über die Leitungen 66 und 68 geleitet und als Brennstoff für einen Brenner 70 benutzt. Verbrennungsluft wird diesem Brenner aus einer Quelle 72 zugeführt, und, falls es für eine ge­ eignete Betriebsweise des Brenners 70 erforderlich ist, kann aus einer Quelle 74 zusätzlicher Brennstoff eingebla­ sen werden. Bei Bedarf kann auch Brennstoff für andere Prozesse erzeugt werden. Dieser Brennstoff kann aus der Leitung 66 über eine Leitung 76 abgezogen und in einem Tank 78 gespeichert werden.
Der Hauptanteil an Abgas aus der Leitung 66 wird in einem Verdichter 80 verdichtet, dann in einem Abscheider 82 für saures Gas von Kohlendioxid befreit. Das erhaltene CO2-arme Abgas wird in dreifacher Weise benutzt, nämlich erstens, um das Metallschmelzbad über die Leitungen 34 und 38 zu kühlen, zweitens, um das durch Vergasung gewonnene Reduktionsgas über die Leitung 44 abzuschrecken und drittens zur Steue­ rung der Temperatur des Reduktionsgases in der Leitung 52, nachdem es über eine Leitung 86 in ein Heizgerät 84 einge­ führt worden ist, um hier wieder erhitzt zu werden.
Im Betrieb wird die Temperatur des Metallschmelzbades auf der gewünschten Betriebstemperatur zwischen 1350°C und 1600°C, vorzugsweise bei 1500°C, gehalten. Die Temperatur des Reduktionsgases in der Leitung 52 wird zwischen 800°C und 900°C, vorzugsweise auf einer Temperatur von etwa 850°C gehalten, um ein Reduktionsgas zu liefern, das mit der Eisenoxidschüttung reagiert, nicht aber das metallisierte Eisenprodukt beeinträchtigt.
Die in Fig. 2 dargestellte alternative Ausführungsform enthält eine Schwefelentfernungseinrichtung 90, in die über eine Leitung 92 Kalziumoxid eingebracht wird, und aus der das Reaktionsprodukt, Kalziumsulfid über eine Leitung 94 entfernt wird. Somit wird dem Ofen 50 über die Leitung 52 im wesentlichen schwefelfreies Reduktionsgas zugeführt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das über die Lei­ tung 38 in den Vergaser 10 eingeblasene Kühlmittel gereinig­ tes, gekühltes Abgas mit der gleichen Zusammensetzung wie in Leitung 66. Der Kohlendioxidabscheider 82 liefert brenn­ stoffreiches Gas für die Leitung 44, von dem ein Teil oberhalb des Metallschmelzbades über eine Leitung 98 in den Vergaser 10 eingeblasen wird. Hierdurch wird ein etwas kühleres Reduktionsgas in der Leitung 42 erhalten, dessen Temperatur um etwa 1500°C liegt. Die Temperatur dieses Reduktionsgases wird dann im Abschreckgefäß 46 auf etwa 850°C erniedrigt, bevor das Reduktionsgas in den Direktre­ duktionsofen 50 eingeblasen wird.
Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß das er­ findungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens ein Reduktionsgas in einem Metall­ schmelzbad liefern, durch das in Verbindung mit einem Schachtofen Eisenoxid zu metallischem Eisen direkt redu­ ziert werden kann, wobei der Prozeß einen hohen Wirkungs­ grad aufweist und sowohl im wesentlichen schwefelfreies metallisiertes Eisen wie auch im wesentlichen schwefel­ freies Abgas erhalten werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Reduktionsgases in einem Metallschmelzbad, bei dem Brennstoff, Sauerstoff und ein Flußmittel in ein druckdichtes Gefäß unterhalb des Ba­ des eingeblasen werden, um ein teilweise entschwefeltes Gas durch unvollständige Verbrennung zu erzeugen, das einen Wasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt von wenigstens 80% aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) in das Metallschmelzbad ein Kühlmittel aus einem brennstoffreichen Gas oder aus einem Gemisch aus brennstoffreichem Gas und Dampf eingeblasen wird, wobei das brennstoffreiche Gas im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht;
  • b) die Temperatur des Metallschmelzbades durch Ein­ stellen des Durchsatzes des Kühlmittels zwischen 1350°C und 1600°C gehalten wird,
  • c) das durch unvollständige Verbrennung erzeugte Gas mit kohlendioxidarmem Gas abgeschreckt wird, um ein Reduk­ tionsgas mit einer Temperatur zwischen 800°C und 900°C zu erzeugen;
  • d) das abgeschreckte Gas in einen Direktreduktions­ ofen eingeleitet wird, der eine Eisenoxidbeschickung ent­ hält, um das Eisenoxid zu metallischem Eisen zu reduzieren und ein Abgas zu bilden;
  • e) aus dem Abgas des Direktreduktionsofens ein we­ sentlicher Anteil des Kohlendioxids entfernt wird; und
  • f) das kohlendioxidarme Abgas dem Metallschmelzbad von unten als Kühlmittel zugeführt wird, um das Metall­ schmelzbad zu kühlen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Flußmittel in Form von Kalk, Dolomit oder gebranntem Dolomit vorliegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Me­ tallschmelzbades ein aus Abgas des Direktreduktionsofens gewonnenes brennstoffreiches Gas in das Gefäß eingeblasen wird, um die Temperatur des durch unvollständige Verbren­ nung erzeugten Gases zwischen 1350°C und 1600°C zu halten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das brennstoffreiche Gas beim Einblasen in das Gefäß nach unten gegen das Metallschmelzbad gerichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel ein kohlendioxidarmes, verbrauchtes Reduktionsgas ist, das durch Direktreduktion des Eisenoxids zu metallischem Eisen erhalten worden ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Direktreduktions­ ofen als Teil der Beschickung ein Schwefelakzeptor zuge­ führt wird, um das metallisierte Eisenprodukt und das Ab­ gas zu entschwefeln.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwefelakzeptor aus der Gruppe Kalk, Kalkstein, Dolomit und gebrannter Dolomit ausgewählt ist.
8. Vorrichtung zum Erzeugen eines Reduktionsgases und zum Reduzieren von Eisenoxid mit
  • a) einem Schmelzbadvergaser (10) zum Erzeugen eines durch Vergasung gewonnenen Gases;
  • b) einem im allgemeinen senkrechten Schachtofen (50) für die Direktreduktion von Eisenoxid, der oben eine Ein­ richtung (56) für die Zufuhr von Partikeln und unten eine Einrichtung (58) für die Entfernung der Partikel enthält, um ein Absinken der Beschickung innerhalb des Ofens zu er­ möglichen, ferner zwischen der Einrichtung (56) für die Teilchenzufuhr und der Einrichtung (58) für die Teil­ chenentnahme eine Einrichtung (52) zur Einleitung des Re­ duktionsgases sowie einen Auslaß für das verbrauchte Gas (Abgas) aus dem oberen Bereich des Ofens;
  • c) einer ersten Leitung (42), die den Vergaser (10) und die Einrichtung (52) zur Einleitung des Reduktionsgases verbindet, um das Reduktionsgas aus dem Vergaser zu entfer­ nen und dem Schachtofen (50) zuzuführen;
  • d) einer Einrichtung zum Kühlen und Reinigen (62, 64) des aus dem oberen Abschnitt des Schachtofens (50) entfern­ ten Abgases;
  • e) einer Einrichtung zum Einblasen von festen fossi­ len Brennstoffen (20) in den Boden des Vergasers (10) un­ terhalb des Badspiegels;
  • f) einer Einrichtung zum Einblasen von Sauerstoff (24) in den Vergaser (10) unterhalb des Badspiegels;
  • g) einer zweiten Leitung (60), die den Auslaß für das Abgas mit der Einrichtung (62, 64) zum Kühlen und Reinigen des Gases verbindet;
  • h) einem Abscheider (82) für saures Gas zum Entfernen von CO2 aus dem gereinigten und gekühlten Abgas;
  • i) einer dritten Leitung (66), die die Einrichtung (62, 64) zum Kühlen und Reinigen des Abgases mit dem Ab­ scheider (82) für saures Gas verbindet;
    dadurch gekennzeichnet,
  • j) eine vierte Leitung (34) zwischen dem Abscheider (82) für saures Gas und dem Boden des Vergasers (10);
  • k) eine fünfte Leitung (44) zwischen dem Abscheider (82) für saures Gas und einem mit der ersten Leitung (42) verbundenen Abschreckgefäß (46);
  • l) eine sechste Leitung (86) zwischen dem Abscheider (82) für saures Gas und der sich an die erste Leitung (42) anschließenden Einrichtung (52) zur Einleitung des Redukti­ onsgases mit einer Heizeinrichtung (84) in diesem Leitungs­ weg.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeich­ net durch eine Einrichtung zum Einblasen eines kalkhal­ tigen Flußmittels (22) in den Vergaser (10) unterhalb des Badspiegels.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekenn­ zeichnet durch eine Kühleinrichtung, die den Ver­ gaser (10) umgebende Kühlwindungen (16) enthält.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine siebte Leitung (76) zwischen der dritten Leitung (66) und einer Speicherein­ richtung (78) für aus gereinigtem Abgas gebildeten Brenn­ stoff, um Brennstoff aus der Vorrichtung abzugeben.
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