DE3332556C2

DE3332556C2 -

Info

Publication number: DE3332556C2
Application number: DE3332556A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Ing.(Grad.) 4330 Muelheim De Janssen; Klaus Dr.-Ing. 5628 Heiligenhaus De Ulrich
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1983-09-09
Filing date: 1983-09-09
Publication date: 1987-06-19
Also published as: IT8422556A0; BR8404471A; AU558346B2; CA1230230A; ZA838046B; DE3332556A1; IT1176668B; IN161608B; AU3209484A; DD223728A5; PH22127A; US4581061A

Description

Verfahren zur Reduktion oxidischer Eisenerze im Drehrohrofen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduktion oxidischer Eisenerze mittels fester, gasreicher Reduktionsmittel in einem Drehrohrofen, bei dem über Manteldüsen sauerstoffhaltige Gase oder Sauerstoff zugeführt, zumindest ein Teil der Reduktionsmittel vom Austragsende des Ofens so eingebracht wird, daß er sich über einen wesentlichen Bereich der Ofenbeschickung verteilt, und der ggf. verbleibende Teil der Reduktionsmittel zusammen mit den oxidischen Eisenherzen und Zuschlagstoffen am Eintragsende des Drehrohrofens aufgegeben werden.

Bei den bekannten Verfahren dieser Art, bei denen Eisenerze in stückiger Form oder als Pellets im Drehrohrofen zu Eisenschwamm reduziert werden, wird ein Gemenge aus Eisenerz, Kohle, Rohdolomit oder Kalkstein als Entschwefelungsmittel sowie aus dem Prozeß zurückgewonnener Überschußkohlenstoff dem geneigt gelagerten Drehofen aufgegeben. Das Feststoffgemenge wird durch heiße Ofengase auf eine Temperatur über 900°C bis max. 1250°C aufgeheizt. Ein solches Verfahren ist z. B. vorbekannt aus der US-PS 38 90 138.

Die für die Feststofferwärmung, den Wärmebedarf der endothermen Reaktionen und für die Deckung der Verluste notwendige Energie wird bei den bekannten Verfahren teilweise durch die Nachverbrennung des entstehenden Kohlenmonoxids mit über die Ofenlänge zugeführtem Luftsauerstoff erzeugt.

Typisch für alle diese Verfahren ist, daß über einen Großteil der Ofenlänge die Temperaturdifferenz zwischen den heißen Gasen im freien Ofenraum und der Beschickung etwa 100-150°C beträgt. Für alle Direktreduktionsprozesse, die im Drehrohrofen durchgeführt werden, ist außerdem typisch, daß im Bereich des unteren Ofenteils, wo die Reduktion schon weitgehend abgeschlossen ist, nur noch wenig Kohlenmonoxid aus der Beschickung austritt. Dieses wenige Kohlenmonoxid reicht nicht aus, um durch dessen Nachverbrennung in diesem Ofenbereich die Temperatur für eine Endmetallisierung von über 90% (Metallisierung = metallischer Eisengehalt/Gesamt- Eisengehalt) ausreichend hoch zu halten. Daher führen diese Verfahren die im Austragsbereich des Drehofens zusätzlich benötigte Heizenergie durch Verbrennung von Öl, Gas oder Kohle zu.

Je höher die Temperatur des Feststoffgemenges im Ofen eingestellt wird, desto schneller laufen die Reaktionen ab, um so größer ist somit die produzierte Eisenschwammenge je Einheit Ofenvolumen. Für einen wirtschaftlichen Betrieb wird daher die Materialtemperatur möglichst hoch eingestellt. Das führt jedoch bei diesen Verfahren, bei denen größere Anteile feinkörniger gasreicher Kohle vom Austragsende in den Ofen eingeblasen werden, oftmals dazu, daß Betriebsstörungen durch ein Anbacken von schmelzflüssigen oder backenden Feststoffteilchen an der inneren Ofenwand auftreten. Diese Anbackungen können zu erheblichen Störungen des Materialflusses im Ofen führen. Bei verschiedenen Betriebsanlagen verringerten sie den freien Ofenquerschnitt so stark, daß der Produktionsbetrieb eingestellt werden mußte, um den Ofen von diesen Ansätzen zu säubern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der trotz einer Beheizung mit billiger bituminöser Kohle die Ansatzbildung im Drehrohrofen weitestgehend vermieden wird.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in den Maßnahmen gemäß den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß mit dem Verfahren nach der Erfindung die Ansatzbildung sich praktisch völlig vermeiden läßt, ein Vorteil, wie er sonst nur durch vollständige Ofenbeheizung mittels Gas zu erzielen ist, wodurch das Verfahren in der Regel jedoch erheblich verteuert wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß gasreiche Kohlen der verschiedensten Art, z. B. auch Braunkohlen, eingesetzt werden können. Zu gasreichen Brennstoffen werden solche gerechnet, deren Gasanteil bei mindestens 20 Gewichts-% liegt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des neuen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 wiedergegeben.

Bei den in den Ansprüchen angegebenen Reduktionsmittel- Mengen handelt es sich immer nur um frisch zugegebene Reduktionsmittel (Frischkohle), die wiederverwendeten abgeschwelten Reduktionsmittel-Reste (Rückkoks) sind also dabei nicht berücksichtigt.

Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Mit diesem Beispiel konnte beim Betrieb einer Großanlage zur Eisenschwammerzeugung nachgewiesen werden, daß eine Ansatzbildung bei der Durchführung des Verfahrens vollkommen unterblieb.

Kohle mit einem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von über 25% wurde bei 3 mm abgesiebt. Die Grobkohle mit einer Körnung von 3-35 mm wurde mittels einer Einblasvorrichtung vom Austragsende in den Ofen chargiert. Das Einbringen wurde insbesondere durch Regulierung der Injektorluft so durchgeführt, daß die Kohle, vom Austragsende aus gemessen, von etwa 20% bis zu etwa 60% der Ofenlänge gleichmäßig verteilt wurde.

Die durch die Erhitzung der sich mit der Beschickung mischenden Grobkohle freiwerdenden Kohlen-Schwelgase wurden mit über Manteldüsen zugegebenen Luftsauerstoff verbrannt. Die Nachverbrennung dieser gasförmigen Energieträger lieferte den überwiegenden Teil (ca. 85%) der in den jeweiligen Ofenbereichen benötigten zusätzlichen Heizenergie, die nicht durch die CO-Nachverbrennung gedeckt werden konnte. Der Drehrohrofen hatte einen Manteldurchmesser von 4,6 m und eine Länge von 74 m.

Durch eine zweite Einblasvorrichtung wurde in einen Bereich von 0-15 m Entfernung vom Austragsende, das sind 0-20% der Ofenlänge, ein geringer Anteil von Kohle der Körnung 0-35 mm, also unabgesiebte Kohle, eingeblasen. Die Verbrennung der Feinkohleanteil <3 mm lieferte die restlichen ca. 15% der benötigen zusätzlichen Heizenergie. Die abgesiebte Feinkohle mit einer Körnung kleiner als 3 mm wurde gemeinsam mit der Restkohle, d. h. dem Rest der insgesamt eingebrachten Reduktionsmittel, dem Erz, dem Entschwefelungsmittel und Rückkoks am Eintragsende, dem oberen Ofenende, aufgegeben.

Die spezifischen Parameter des Verfahrens nach der Erfindung wurden wie folgt ermittelt:

Dem Drehrohrofen wurde insgesamt folgende Materialmenge, bezogen auf 1 t erzeugten Eisenschwamms, aufgegeben:

1,43 t  Erz mit 66% Fe und einer Körnung von 5-25 mm,
0,048 t  Rohdolomit mit einer Körnung von 1-4 mm,
0,12 t  zurückgeführter Koks, Körnung: 1,6-10 mm.

Von den insgesamt 0,593 t/t Eisenschwamm zugeführter Kohle wurden mit dem Erz, Rohdolomit und Rückkoks gemeinsam aufgegeben:

0,157 t Kohle/t Eisenschwamm mit einer Körnung von 0-35 mm.

Vom Austragsende wurden in den Ofen eingeblasen:

0,436 t Kohle/t Eisenschwamm.

Von dieser Menge hatten

0,377 t Kohle/t Eisenschwamm eine Körnung von 3-35 mm und
0,059 t/ Kohle/t Eisenschwamm eine Körnung von 0-3 mm.

Erzeugt wurde ein Eisenschwamm mit einer Metallisierung von 92%.

Die Kohle, deren unterer Heizwert 27 MJ/kg betrug, hatte folgende Bestandteile:

fester Kohlenstoff:59,0% flüchtige Bestandteile:30,0% Asche:11,0% Schwefel: 0,9% Wasser: 4,0%

und folgende Elementaranalyse:

C:74,8% H: 4,6% O: 7,7% N₂: 1,0% S: 0,9%

Die rechnerische Bestimmung des Molverhältnisses von Wasserstoff zu flüchtigen Kohlenstoff-Bestandteilen zeigte, daß die flüchtigen Kohlenwasserstoffe der Kohle im wesentlichen als CH₄ vorlagen. Bei dem bekannten Heizwert von CH₄ = 35,8 MJ/Nm³ kann aus der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile dieser Kohle etwa die folgende Wärmemenge gewonnen werden:

9,23 MJ/kg Kohle.

Aus einer Wärmebilanz, die für die mit den angegebenen Einsatzmengen arbeitende Drehrohrofenanlage zur Eisenschwammerzeugung aufgestellt wurde, geht folgender spezifischer Energiebedarf je Tonne erzeugter Eisenschwamms hervor:

Deckung der endothermen Reduktionsreaktion: 6,50 GJ/t Aufheizen der Feststoffe auf etwa 1050°C 1,45 GJ/t Deckung der Kohlenstoff-Verluste in der Asche,
im Staub des Abgases und im Eisenschwamm: 1,52 GJ/t Deckung der Wärmeverluste im Abgas: 5,55 GJ/t Deckung der Wärmeverluste durch Abstrahlung des
Drehrohrofens: 1,01 GJ/t 16,03 GJ/t

Für die Berechnung der benötigten Reaktionswärme der Bruttoreaktion mittels der bekannten Enthalpien für Fe₂O₃ und CO gilt folgende Gleichung:

Fe₂O₃ + 3 C = 2 Fe + 3 CO + 469,47 kJ

Die Reaktionswärme für die Nachverbrennung von 3 Molen CO mit gasförmigem Sauerstoff errechnet sich nach folgender Gleichung:

3 CO + ³/₂ O₂ = 3 CO₂ - 846,46 kJ

Daraus ergibt sich je 2 Mole Fe ein Energieüberschuß von 378,99 kJ, der für die Materialerwärmung sowie zur Deckung von Verlusten zur Verfügung steht. Der entsprechende Überschuß je t Eisenschwamm beträgt dann noch 2,97 GJ/t, wenn das noch oxidisch vorliegende Eisen als FeO gebunden ist, und wie oben angegeben Eisenschwamm mit einer Metallisierung von 92% aus einem Erz mit 66% Fe erzeugt wird.

Diese überschüssige Wärmemenge von 2,97 GJ/t Eisenschwamm, bei der die endotherme Reduktionsreaktion bereits berücksichtigt ist, reicht, wie die vorstehende Wärmebilanz zeigt, nicht aus, um den insgesamt benötigten Wärmebedarf zu decken. An zusätzlicher Wärmeenergie sind also bereitzustellen:

16,03 - (6,50 + 2,97) = 6,56 GJ/t Eisenschwamm

Da diese Wärmemenge durch die Verbrennung flüchtiger Bestandteile der Kohle mit der angegebenen Analyse mit Luftsauerstoff erzeugt werden soll und bei Einsatz der Kohlemenge von 0,593 t/t Eisenschwamm diese Verbrennung der flüchtigen Bestandteile eine Wärmemenge von

0,593 × 9,23 = 5,47 GJ/t Eisenschwamm

liefert, muß nur noch die geringe Differenz von 1,09 GJ/t Eisenschwamm durch die Verbrennung von festem Kohlenstoff erzeugt werden. Wird die Erfahrung zugrunde gelegt, daß von der eingesetzten reaktionsfreudigen Kohle alle Partikel <3 mm vollständig verbrennen, so brauchen von dieser Körnung nur noch 59 kg Kohle/t Eisenschwamm in den Ofen eingegeben zu werden. Wird diese Kohle vom Austragsende eingeblasen so entspricht das einem Anteil an Feinkohle mit einer Körnung <3 mm von nur 10,0% der gesamten eingeblasenen Kohle.

Claims

1. Verfahren zur Reduktion oxidischer Eisenerze mittels fester, gasreicher Reduktionsmittel in einem Drehrohrofen, bei dem über Manteldüsen sauerstoffhaltige Gase oder Sauerstoff zugeführt, zumindest ein Teil der Reduktionsmittel vom Austragsende des Ofens so eingebracht wird, daß diese sich über einen wesentlichen Bereich der Ofenbeschickung verteilen, und der verbleibende Teil der Reduktionsmittel zusammen mit den oxidischen Eisenerzen und Zuschlagstoffen am Eintragsende des Drehrohrofens aufgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 60% der festen Reduktionsmittel mit Ausnahme des Rückkokses vom Austragsende aus eingebracht werden und diese höchstens 20% des unter 4 mm Korngröße liegenden Feinanteils der gesamten Reduktionsmittel enthalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 70 bis 85% der Reduktionsmittel vom Austragsende aus eingebracht werden und diese höchstens 15% des unter 3 mm Korngröße liegenden Feinanteils der gesamten Reduktionsmittel enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Austragsende eingebrachten Reduktionsmittel so eingeblasen oder eingeschleudert werden, daß sie sich über 30 bis 70%, vorzugsweise 50 bis 60% der unteren Ofenlänge verteilen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur 30 bis 50% der vom Austragsende aus eingebrachten Reduktionsmittel den Feinanteil enthalten, der insgesamt für das Einbringen vom Austragsende aus vorgesehen ist, und diese Reduktionsmittel so eingegeben werden, daß sie sich über höchstens 20% der unteren Ofenlänge verteilen, und der Rest der vom Austragsende aus einzubringenden Reduktionsmittel über den anschließenden, über 20% hinausreichenden Teil der unteren Ofenlänge verteilt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Eintragsende aufgegebene Reduktionsmittel-Anteil nach Menge und Zusammensetzung so bemessen ist, daß die durch Verbrennung der austretenden flüchtigen Bestandteile erzeugte Wärmemenge den für die Trocknung, Kalzination und Vorwärmung des Ofeneinsatzes im Drehrohrofen erforderlichen Energiebedarf abdeckt.