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Verfahren und Ofenanlage zur Reduktion von Erzen oder erzartigen Sauerstoffverbindungen,
insbesondere von Eisenerzen. Den Gegenstand vorliegender Erfindung bildet ein Verfahren
zur Reduktion von Erzen und insbesondere zur Reduktion von Eisenerz, doch kann es
auch zur Reduktion von Erzen anderer Metalle verwendet werden.
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Zweck der Erfindung ist, eine beträchtliche Ersparnis an Brennstoff
und elektrischer Energie im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren zu erzielen.
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Die Reduktion von Eisenerz wird in der Praxis bekanntlich durch Verwendung
von Kohlenstoff oder aus Kohlenstoff hergestelltem Kohlenoxyd als Reduktionsmittel
durchgeführt, wobei die zur Durchführung der Reduktion erforderliche Wärme entweder
durch Verbrennung von Kohlenstoff (Hochofen) oder durch Zufuhr elektrischer Energie
(elektrischer Hochofen) erzeugt wird. Um soweit wie möglich den Heizwert des bei
dem Verfahren gebrauchten kohlenstoffhaltigen Brennstoffes auszunutzen, ist es von
Wichtigkeit, daß der Kohlenstoff so vollständig wie möglich zu Kohlensäure verbrannt
wird, und daß die aus dem Ofen abweichenden Gase infolgedessen möglichst wenig Kohlenoxyd
und andere brennbare Gase enthalten.
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Es ist nicht möglich, nur mit Hilfe der Reduktion alles Kohlenoxyd
in Kohlensäure überzuführen, denn bei der Reduktion von Eisenoxyden mit Kohlenoxyd
tritt ein Gleichgewichtszustand bei jeder Temperatur ein, wenn ein bestimmtes Verhältnis
zwischen dem Gehalt des Gases an Kohlensäure und an Kohlenoxyd erreicht ist. Da
außerdem die Reaktionsgeschwindigkeit bei den in Betracht kommenden Temperaturen
verhältnismäßig gering ist, kann ein Gleichgewicht niemals erreicht werden, sondern
das nach der Reduktion entweichende Gas wird immer mehr Kohlenoxyd und weniger Kohlensäure
enthalten als dem Gleichgewichtszustand bei der in Frage kommenden Temperatur entspricht.
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Die einzige Art und Weise, auf welche das nach der Reduktion verbleibende
Kohlenoxyd in Kohlensäure übergeführt werden kann, ist die Verbrennung desselben
mit Luft. Mit Hilfe einer derartigen Verbrennung ist es
möglich,
die erforderliche Wärme für eine Vorwärmung des Erzes auf die geeignete Reduktionstemperatur
zu erzeugen. Es ist jedoch nicht möglich, eine derartige Verbrennung auszuführen,
wenn das Erz und das feste kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel gemischt sind, denn
die durch die Verbrennung erzeugte Kohlensäure würde dann unmittelbar wieder durch
den Kohlenstoff zu Kohlenoxyd reduziert werden, und außerdem würde der Kohlenstoff
auch direkt durch den Sauerstoff der Luft weggebrannt werden.
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Es ist daher vorgeschlagen worden, das Erz und das feste Reduktionsmittel
getrennt in den Ofen einzuführen und sie zuerst in einer niedrigeren Zone zu mischen
als die, in welcher die obenerwähnte Verbrennung stattfinden würde.
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Es ist jedoch für die chemischen Prozesse in dem Gestell des Ofens
erforderlich, daß das Erz und das feste Reduktionsmittel in gewissen- bestimmten
Verhältnissen gemischt werden, welche Mischung sowohl in den Hochöfen wie auch in
den elektrischen Hochöfen in der Weise ausgeführt wird, daß man die mit einer bestimmten
Menge Koks oder Holzkohle zu mischenden Erzmengen ganz genau abwiegt.
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Bei der obengenannten vorgeschlagenen Anordnung, bei welcher teilweise
reduziertes, glühendes Erz, welches der Einwirkung der Luft nicht ausgesetzt werden
kann, mit Koks oder Holzkohle gemischt werden würde, ist ein Abwiegen des Erzes
nicht möglich. Man hat hierfür selbsttätige Einrichtungen in Vorschlag gebracht,
welche jedoch auf praktische Schwierigkeiten stoßen und deshalb nicht verwendet
werden.
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Es ist jedoch für die Reduktion .des Erzes mittels Kohlenstoff nicht
erforderlich, daß das Erz mit dem Kohlenstoff gemischt wird, weil, solange sich
das Erz in fester Form befindet, irgendeine Reduktion durch unmittelbare Berührung
mit derKohle nichtstattfindenkann. Man muß daher annehmen, daß die Reduktion mit
Hilfe von Gasen in einer solchen Weise durchgeführt wird, daß das Erz zunächst von
dem umgebenden Kohlenoxyd reduziert wird, wobei Kohlensäure gebildet wird, welche
unmittelbar darauf in Berührung mit dem glühenden kohlenstoffhaltigen Brennstoff
kommt, wobei sie wiederum zu Kohlenoxyd reduziert wird. Der Prozeß kann durch die
folgenden Gleichungen erläutert werden:
Auf diese Weise wird das Endergebnis dasselbe, als wenn die Reduktion unmittelbar
mit Kohlenstoff stattgefunden hätte. Die Reaktionen i und :2 brauchen nicht unmittelbar
hintereinander in demselben Ofen durchgeführt zu werden, wie es der Fall ist, wenn
das Erz und der Kohlenstoff gemischt sind. Sie kann vielmehr ebensogut in der Weise
durchgeführt werden, daß das Erz in einem besonderen Ofen mittels Kohlenoxyds reduziert
und dann die durch die Reduktion gebildete Kohlensäure aus dem Ofen weg= geleitet
wird, worauf sie durch eine erhitzte Schicht von kohlenstoffhaltigem Brennstoff
geleitet wird, wodurch wiederum Kohlenoxyd erzeugt wird, das dann wieder für die
Reduktion verwendet werden kann. Auf diese Weise wird der Vorteil erreicht, daß
das Erz und der Kohlenstoff niemals für die Reduktion des Erzes gemischt zu werden
brauchen.
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Ein auf diesem Prinzip gegründetes Verfahren ist bereits vorgeschlagen
worden. Nach jenem Verfahren wird das Erz für sich in einen Schacht gefüllt, in
welchen es mittels Kohlenoxyds reduziert wird, das seinerseits derart erzeugt wird,
daß ein Teil der Gesamtgasmenge, der durch den Schacht geht, am oberen Ende des
Schachtes, d. h. nachdem er durch die ganze Erzmasse gegangen ist, entfernt wird,
um regeneriert zu werden, welches dadurch geschieht, daß dieser Teil durch eine
erhitzte Schicht von kohlenstoffhaltigem Brennstoff hindurchgedrückt und dann wiederum
in den unteren Teil des Schachtes eingeführt wird. Infolge der obenerwähnten Gleichgewichtszustände,
die bei der Reduktion von Eisenoxyden mit Kohlenoxyd auftreten, ist es jedoch nicht
möglich, in der beschriebenen Weise etwas anderes als eine sehr unvollständige Ausnutzung
des Heizwertes des bei dem Prozeß verwendeten Brennstoffes zu erzielen. Um eine
einigermaßen vollständige Reduktion des Erzes in genügend kurzer Zeit zu erreichen,
ist es nämlich notwendig, eine Temperatur von mindestens goo° C zu verwenden. Bei
der Reduktion von Eisenoxydul zu metallischem Eisen bei dieser Temperatur kann aber
ein größerer Wert des Verhältnisses C OZ : C O nach der Reduktion als o,q. nicht
erreicht werden, da bei der genannten Gaszusammensetzung Gleichgewicht stattfindet.
Da jedoch das Eisenerz nicht aus Eisenoxydul, sondern aus höheren Eisenoxyden besteht,
z. B. Fez 04, so kann ein etwas größerer Wert des Verhältnisses C 0, : C
O- in den entweichenden Gasen erzielt werden.
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Nimmt man z. B. an, daß ein Ofen gemäß obigem Vorschlag mit reinem
Fei O¢ und reinem C beschickt wird, und daß die Reduktion von Fei 04 in zwei Stufen
stattfindet, so daß Feg 0, zunächst zu Fe O reduziert
wird
und hiernach Fe O zu Fe, und nimmt man ferner an, daß die Reduktion bei goo° unter
den bestmöglichsten Verhältnissen stattfindet, d. h. so, daß Gleichgewicht bei der
Reduktion von Fe O zu Fe erreicht wird, so finden die folgenden Reaktionen statt:
Das Verhältnis C OZ : C O nach der Reduktion von Fe O zu Fe hat aber seinen großmöglichsten
Wert 0,4, und dasselbe Verhältnis in den entweichenden Gasen ist dann o,62, oder
mit anderen Worten: das aus dem Ofen entweichende Gas besteht aus 38 Prozent
CO, und 6a Prozent CO. Praktisch würde ein Gleichgewicht niemals erreicht
werden können, und das entweichende Gas würde daher noch weniger C O, und noch .mehr
C O enthalten als nach der obigen Berechnung.
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Wenn man eine genaue Berechnung macht, so erfährt man auch, daß das
Gas aus dem Ofen mit einer hohen Temperatur entweicht, welcher Umstand zusammen
mit dem großen Kohlenoxydgehalt desselben es unmöglich macht, in der genannten Weise
eine beträchtliche Ersparnis an Brennstoff und elektrischer Energie im Vergleich
zu den bisher verwendeten elektrischen Hochöfen zu erzielen.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Verbesserung des oben als
bekannt angegebenen Prinzips zur Durchführung der Reduktion des Erzes mit Kohlenoxyd,
die durch Regenerierung eines Teiles der bei der Reduktion erzeugten Kohlensäure
hergestellt wird, zu bewirken, indem sie eine vollständige Verwertung der chemischen
Energie des Brennstoffs ermöglicht, wodurch eine beträchtliche Ersparnis an Brennstoff
und elektrischer Energie gemacht werden kann.
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Die Erfindung bestellt im wesentlichen darin, daß der im Gegenstrom
zum Erz sich bewegende reduzierende Gasstrom, bevor er durch die ganze Erzmasse
gegangen ist, und bevor seine reduzierende Eigenschaft vollkommen ausgenutzt ist,
in der Weise geteilt wird, daß ein Teil davon aus dem Ofen entfernt wird und durch
Reduktion mit Kohlenstoff hinsichtlich Kohlenoxyd regeneriert und dann wieder in
den Ofen als reduzierendes Gas eingeführt wird, während der übrige Teil des Gases
durch die Erzmasse weiterstreicht und auf dieselbe weiter reduzierend wirkt, wobei
eine geeignete Reduktionstemperatur durch Verbrennung der in dem letzteren Teil
des Gases nach der Reduktion verbleibenden brennbaren Bestandteile erzielt wird.
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Die reduzierende Eigenschaft des Gases kann durch die obenerwähnte
Teilung des Gasstromes in einer erheblich günstigeren Weise ausgenutzt werden, als
wenn die Reduktion während der ganzen Zeit mit der ganzen Gasmenge durchgeführt
würde. Dies ist z. B. aus den folgenden Reaktionsgleichungen ersichtlich, welche
eine Anwendung des Prinzips vorliegender Erfindung auf das obige Rechenbeispiel
darstellen.
Das Verhältnis C O@ : C O nach der Reduktion von Fe O zu- Fe ist fortwährend seinen
größtmöglichsten Wert bei goo°, nämlich o,4, zu haben angenommen worden. Mittels
des vorliegenden Verfahrens ist das Verhältnis C O, : C O in dem nach vollständiger
Reduktion entweichenden Gase von o,62 auf 2,6 gesteigert worden, oder mit anderen
Worten: das Gas enthält nach der Reduktion 7-2 Prozent C O, und 28 Prozent C O,
welche Zusammensetzung bei Reduktion von Fe, O,, zu Fe O bei goo° erreichbar ist.
Da in der Praxis Gleichgewicht niemals erreicht werden kann, wird das Gas nach der
Reduktion weniger C O, und mehr C O als nach obiger Berechnung enthalten, aber der
Kohlensäuregehalt desselben muß beträchtlich größer werden als nach den bisher verwendeten
Verfahren.
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Das in dem Gas nach der Reduktion verbleibende
Kohlenoxvd
wird immer ausreichend sein, um durch seine Verbrennung die für die Erhitzung des
Erzes auf eine geeignete Reduktionstemperatur erforderliche Wärme zu liefern, denn
wenn die Reduktion aus irgendeinem Grunde zu stark wird, so daß der Kohlenoxydgehalt
des Gases abnimmt, wird auch die Verbrennungstemperatur desselben abnehmen. Hierdurch
wird das Erz kälter und die Stärke der Reduktion nimmt ab. Auf diese Weise findet
also eine selbsttätige Regelung der Temperatur in der Verbrennungszone statt.
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Da das in dem Gase nach der Reduktion verbleibende Kohlenoxyd für
die Erhitzung des Erzes auf die Reduktionstemperatur verwertet wird, braucht keine
elektrische Energie für diesen Zweck dem Prozesse zugeführt. zu werden. Dieser Umstand
zusammen mit der Tatsache, daß das Kohlenoxyd sehr vollständig für die Reduktion
des Erzes verwertet wird, wodurch der Bedarf sowohl an Kohlenstoff als an Reaktionswärme
vermindert wird, ermöglicht eine beträchtliche Ersparnis an Brennstoff und elektrischer
Energie.
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Das zwecks Wiedergewinnung des Kohlenoxvds entfernte Gas entweicht
aus dem Reduktionsöfen mit hoher Temperatur. Wenn es nicht möglich ist, das Gas
mit dieser Temperatur in das seine Bewegung bewirkende Gebläse einzuführen, so muß
es gekühlt werden, bevor es in das Gebläse eintritt. Die Einführung des Gases in
kaltem Zustande in den Ofen, in welchem die Reduktion der Kohlensäure zu Kohlenoxyd
stattfinden soll, würde jedoch große Wärmeverluste nach sich ziehen.
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Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, die Kühlung des Gases in der
`'reise auszuführen, daß es, tia,:hdem es aus dem Reduktionsofen herausgetreten
ist, abwechselnd durch den einen von zwei Wärmespeichern geleitet wird, in welchen
es einen Teil seines Wärmeinhalts abgeben kann, bevor es in das Gebläse eintritt.
Hierauf wird es wiederum auf die höchstmögliche Temperatur in dem anderen Wärmespeicher
erhitzt, bevor es in den für die Reduktion der Kohlensäure bestimmten Ofen eintritt.
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Auf der beiliegenden Zeichnung ist ein senkrechter Schnitt durch eine
Ausführungsform eines zur Ausführung des vorliegenden Verfahrens dienenden Ofens
schematisch dargestellt. Das Erz wird durch eine offene oder geschlossene Gicht
a in einen Schacht, der aus drei Abteilungen b, c und d besteht, eingeführt.
In der Abteilung b wird Glas Erz auf die gegeignete Reduktionstemperatur durch Verbrennung
der aus der Abteilung c emporsteigenden Gase erhitzt. Die Verbrennung wird dadurch
bewirkt, daß Luft durch die Öffnungen e eingeführt wird, was entweder durch Hervorrufen
von Zug mit Hilfe eines Kamins f oder durch Verwendung eines Gebläses ä erreicht
werden kann.
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In den Abteilungen c und d findet die Reduktion des Erzes statt, und
der erhaltene Eisenschwamm wird an dem unteren Ende h des Schachtes entfernt. Die
Reduktion wird durch Kohlenoxyd bewirkt, welches an dem unteren Ende des Schachtes
durch Öffnungen i eingeführt wird. Der größte Teil des durch die Reduktion in der
Abteilung d erhaltenen kohlesäurehaltigen Gases wird durch die Öffnungen k entfernt,
um regeneriert zu werden, während nur ein kleinerer Teil aufwärts durch die Abteilung
c weitergeht. Die Abteilung c kann daher zweckmäßig einen geringeren Querschnitt
als die Abteilung d haben. Die Abteilungen c und d sind miteinander durch ein Gewölbe
l verbunden, dessen Neigung kleiner als der Böschungswinkel des Erzes ist. Hierdurch
wird der Vorteil erreicht, daß ein freier Raum zwischen dem Gewölbe und dem herabfallenden
Erz gebildet wird, so daß ein gleichmäßigeres Ausströmen des Gases erreicht werden
kann, als dies der Fall sein würde, wenn das Erz in unmittelbarer Berührung mit
den Austrittsöffnungen sich befände. Derjenige Teil des aus der Abteilung d entweichenden
Gases, der nicht zwecks Regenerierung entfernt wird, steigt durch die Abteilung
c empor, in welcher seine ' reduzierende Eigenschaft noch weiter werwertet wird,
bevor er in die Abteilung b eintritt, in welcher die nach der Reduktion noch verbleibenden
brennbaren Bestandteile verbrannt werden.
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Das durch die Öffnungen k zwecks Regenerierung entfernte Gas wird
mittels eines Gebläses m durch eine wärmeisolierte Leitung it und ein Umsteuerungsventil
o nach einem Wärmespeicher p gesaugt, in welchem es eine so große Wärmemenge abgibt,
daß es bei seinem Austritt aus diesem Wärmespeicher auf eine für den Eintritt in
das Gebläse geeignete Temperatur abgekühlt worden ist. Zwischen dem Wärmespeicher
p und dem Gebläse in ist ein Umsteuerungsv entil q eingeschaltet, welches bezweckt,
eine Umsteuerung der Bewegungsrichtung des Gases zu ermÖglichen unter Beibehaltung
derselben Richtung während des Durchgangs durch das Gebläse. Das (#.'as wird von
(lern Gebläse durch das Unisteuerungsventil q nach dem Wärmespeicher r- gedrückt,
in welchem es auf die höchstmögliche Temperatur durch die Wärmemenge erhitzt wird,
die an fliese Kammer bei einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung des Gases abgegeben
`worden ist. Hierauf tritt es durch das Umsteuerungsventil o in einen Ofen s (Karburator)
ein, in welchem es durch eine
glühende Schicht von Brennstoff gedrückt
wird,_ die mittels elektrischer Lichtbogen erhitzt wird. Hierdurch wird der größere
Teil der in dem Gase enthaltenen Kohlensäure durch den glühenden Brennstoff zu Kohlenoxyd
reduziert, welches zusammen mit dem Kohlenoxyd, das bereits vorher in dem Gase enthalten
war, und den flüchtigen Bestandteilen, welche aus dem Brennstoff entweichen können,
durch die üffnungeni in den Schachtd eingeführt wird, um für die Reduktion des Erzes
verwendet zu «-erden.
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Wenn die flüchtigen Bestandteile, die aus (lern in dem Karburator
verwendeten Brennstoff entweichen, schwefelhaltige Gase enthalten, so ist es nicht
zweckmäßig, diese mit dem Gase in den Schacht eintreten zu lassen, sondern sie sollten
vielmehr aus dem Gase entfernt werden, bevor es in den Schacht eintritt. Dies kann
entweder dadurch bewirkt werden, daß man den Brennstoff mit einem Absorptionsmittel
für schwefelhaltige Gase mischt (beispielsweise mit Kalk oder Kalkstein), oder dadurch,
daß man das Gas, nach-(lern es aus der Brennstoffschicht entwichen ist, durch oder
über eine Schicht eines derartigen Materials leitet, bevor es in den Schacht eintritt.
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Ein schwefelhaltiger Brennstoff, z. B. Koks, kann daher für die Reduktion
verwendet werden, ohne daß der darin enthaltene Schwefel von dem Eisen aufgenommen
wird. Da bei der Vergasung eines Brennstoffes kein Phosphor vergast wird, können
auch phosphorhaltige Brennstoffe verwendet werden, ohne daß der darin enthaltene
Phosphor von dem Eisen aufgenommen wird.
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Wenn das Gebläse in so ausgeführt ist, daß es, mit Gasen von hoher
Temperatur arbeiten kann, so können die beiden Wärmespeicher p und r und
die Umsteuerungsventile o und q
wegbleiben, und das Gebläse kann unmittelbar
in eine wärmeisolierte Leitung zwischen den Öffnungen h und dem Ofen s eingeschaltet
werden. Anstatt des Gebläses kann natürlich auch irgendeine andere geeignete Einrichtung
verwendet werden, um das Gas in der Leitung zwischen den Öffnungen h und dem Ofen
s zu bewegen.
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Wenn das zu reduzierende Erz sich nicht in Stückform befindet, sondern
in Pulverform, z. B. in der Form von Erzschlich, so kann vorliegendes Verfahren
zweckmäßig in einer Drehrohrofenanlage ausgeführt werden oder in einem Ofen von
beliebiger Bauart, der mit geeigneten Vorrichtungen versehen ist, um (las Erz vorwärts
zu bringen, wenn er nur mit Einrichtungen für die Gaszirkulation gemäß vorliegender
Erfindung versehen wird sowie auch mit Einrichtungen für die Verbrennung des Gasüberschusses,
um das Erz auf die Reduktionstemperatur zu erhitzen.