DE3606740C2

DE3606740C2 -

Info

Publication number: DE3606740C2
Application number: DE3606740A
Authority: DE
Inventors: John Mac Pittsburgh Pa. Us Dougall; John K. Ellwood City Pa. Us Pargeter
Original assignee: INTERNATIONAL METALS RECLAMATION Co Inc ELLWOOD CITY PA US
Current assignee: INTERNATIONAL METALS RECLAMATION Co Inc ELLWOOD CITY PA US
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-03-01
Publication date: 1988-08-25
Also published as: US4622905A; DE3606740A1; BR8600899A; IN166596B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reduzieren von Metalloxyde enthaltendem Agglomerat mittels beigemischten Reduktionsmittel unter überwiegender Erwärmung durch Strahlung in einem Wanderherdofen.

Es ist bekannt, Metall-, beispielsweise Eisenoxyde in Form von Pellets oder Briketts auf einem im wesentlichen undurchlässigem Wanderherd, beispielsweise in einem Drehofen einer direkten Reduktion zu unterwerfen. Dabei erreicht das Einsatzgut sehr rasch die Reduktionstemperatur, ohne daß es zu einem wesentlichen Entstehen flüssiger Phase kommt. Verfahren dieser Art sind aus den US-PS 27 93 109, 34 43 931 und 39 22 165 bekannt. Insbesondere aus den beiden erstgenannten Patentschriften ergibt sich die besondere Eignung von Öfen mit Wanderherd zum thermischen Behandeln oxyd- und reduktionsmittelhaltiger Pellets mit Hilfe der Flamme eines Gasbrenners, die so gerichtet ist, daß sich die obere feuerfeste Strahlungsoberfläche, beispielsweise die Strahlungsfläche 21 nach Fig. 3 der US-PS 34 43 931, erwärmen. Nach der US-PS 27 93 109 erreicht die strahlende Oberfläche eine Temperatur von etwa 1366 K, während die US-PS 34 43 931 als Gewölbetemperatur eine Zone mit 1256 bis 1478 K und eine Zone mit 1533 bis 1700 K angibt, was für eine Herdtemperatur von 1533 bis 1700 K in einer Herdzone ausreicht. Nach der US-PS 39 22 165 werden zylindrische gekerbte Briketts im wesentlichen durch Wärmeleitung von den heißen Verbrennungsgasen erwärmt.

Gemeinsam ist den zuvor erwähnten bekannten Verfahren die Verwendung von Gas als Energieträger. In zahlreichen für eine direkte Reduktion beispielsweise von Eisenoxyden interessanten Ländern sind gasförmige Brennstoffe jedoch knapp und ziemlich teuer. Andererseits gibt es jedoch häufig örtliche Kohlevorkommen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Verwendung fester Brennstoffe nicht nur als Reduktionsmittel, sondern auch als Heizenergieträger erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Bei dem Verfahren der eingangs erwähnten Art wird das auf der Oberfläche eines undurchlässigen Wanderherds befindliche Agglomerat im Gegenstrom zu den heißen Verbrennungsgasen in einem direkt beheizten Ofen behandelt. Das direkte Beheizen des Ofens geschieht mit Brennern, die mindestens zum Teil mit Kohlenstaub beschickt werden bei nahstöchiometrischer Verbrennung mit einem oxidierenden Gas, beispielsweise Luft, und ergibt heiße und leuchtende Flammen. Dabei sind die strahlenden Flammen vorzugsweise im Abstand voneinander über den Weg des Agglomerats durch den Ofen verteilt und dienen als Strahlungsheizquelle für das Agglomerat, während die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases für einen pneumatischen Transport der anfallenden Asche aus dem Ofen ausreicht, um eine Verunreinigung des Agglomerats durch Asche zu vermeiden.

Als Agglomerat für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich vorzugsweise aus feuchtem Feingut in einer Pelletiertrommel oder auf einem Pelletiertisch hergestellte Pellets. Unter praktischen Gesichtspunkten empfehlen sich im wesentlichen kugelförmige Pellets mit einem Durchmesser von 1 bis 3 cm. Es eignen sich jedoch auch andere Agglomerate, beispielsweise von einem Preßstrang abgetrennte oder zylindrische Briketts, wie sie in der US-PS 39 22 165 beschrieben sind.

Als reduktionsfähige Metalloxyde eignen sich insbesondere die Oxyde des Eisens, des Kobalts und des Nickels; diese besitzen ebenso wie die entsprechenden Metalle eine hohe Schmelztemperatur und lassen sich mit Kohlenstoff leicht reduzieren. Besonders geeignet als Reduktionsmittel für diese Oxyde sind Kohle- und Koksstäube in einer Menge etwas über dem stöchiometrischen Wert. Insbesondere beim Reduzieren von Eisenoxyd nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sollte das Einsatzgut vorteilhafterweise einen Kohlenstoffüberschuß von etwa 4% aufweisen, der als Rest in dem vollständig reduzierten Agglomerat verbleibt. Dieser Kohlenstoffüberschuß verhindert eine Rückoxydation des Metalls durch die Ofenatmosphäre vor dem Verlassen des Ofens sowie eine Oxydation des Metalls durch die Atmosphäre nach dem Verlassen des Ofens bis zu Erreichen einer Temperatur von 100°C. Selbstverständlich kommen außer Kohle und Koks auch andere Reduktionsmittel für das Agglomerat in Frage. So eignen sich beispielsweise auch preiswert erhältliche organische Abfallprodukte wie beispielsweise Papierfabrikabfälle als Binde- und Reduktionsmittel; diese bedürfen daher einer Berücksichtigung beim Bestimmen des notwendigen Anteils an Reduktionskohlenstoff. Das Agglomerat kann auch Erdöl oder Erdölrückstände als Binde- oder Reduktionsmittel enthalten, die ebenfalls in die Oxyd/Reduktionsmittel-Bilanz eingehen.

Bei dem das Agglomerat aufnehmenden im wesentlichen undurchlässigen Wanderherd handelt es sich vorzugsweise um einen Drehherd. Mit "im wesentlichen undurchlässig" sind dabei solche Ofenherde angesprochen, durch die im Gegensatz zu Rostherden kein Gas gesaugt oder gedrückt wird. Bei der Verwendung durchlässiger Ofenherde geschieht der Wärmeübergang auf das Agglomerat im wesentlichen durch Wärmeleitung beim Kontakt zwischen den heißen Verbrennungsgasen und dem Agglomerat. Zwar haben sich derartige Herde durchaus bewährt: gleichwohl bringen sie erhebliche praktische Probleme mit sich und erfordern einen erheblichen Aufwand für das Erwärmen und Umwälzen des Gases, beispielsweise für Wärmetauscher und Gebläse; sie sind daher sehr teuer. Darüber hinaus muß das den Herd und das Agglomerat durchströmende Gas im wesentlichen feststofffrei sein, da Herd und Agglomerat wie ein Filter wirken und einen Großteil der Asche, brennbaren Stoffe und brennenden Teilchen des Gases festhalten.

Im Hinblick auf einen Ofenbetrieb mit strahlenden Flammen hohen Emissionsgrades kommt der mindestens teilweisen Verwendung staubförmiger Brennstoffe wie Kohlen- und Koksstaub eine wesentliche Bedeutung zu. Im Hinblick auf eine maximale Flammentemperatur über 1920 K bei der Verwendung von Luft als Sauerstoffträger sollte die Verbrennungswärme des Brennstoffs über etwa 20 NJ/kg Trockensubstanz liegen. Unter diesem Gesichtspunkt eignen sich als Brennstoffstäube für das erfindungsgemäße Verfahren Koks, beim Herstellen von Koks anfallende Kohle, Anthrazitkohle, niederflüchtige Bitumenkohle, hochflüchtige Gas- und Gasflammkohle sowie Stanzbrandkohle A und B. Bei der Verwendung sauerstoffangereicherter Luft eignen sich auch ärmere Kohlen als einziger Brennstoff. Darüber hinaus kommen aber auch Brennstoffgemische, beispielsweise aus natürlichem oder synthetischen Erdgas oder Erdöl einerseits und Kohlenstaub andererseits in Frage, um eine Flamme mit hohem Emissionsgrad und hoher Temperatur zu erzeugen. Im Hinblick auf ein hohes Emissionsvermögen eignen sich des weiteren flüssige Brennstoffe mit hohem Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff, beispielsweise einem Gewichtsverhältnis über etwa 11 : 1.

Der Flammenbeschaffenheit kommt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besondere Bedeutung zu; die Flammentemperatur sollte bei hohem Emissionsvermögen daher über etwa 1920 K liegen. Der Wärmeübergang auf das auf dem undurchlässigen Wanderherd befindliche Agglomerat geschieht dabei im wesentlichen durch Strahlung. Die Gesamtstrahlung eines schwarzen Körpers ergibt sich aus der Gleichung:

W _b = δ T⁴ (W/m²),

wobei δ die Stefan-Boltzmann-Konstante 5,7 × 10^-8 W/m² · T⁴ bei T in ^øK ist. Das Beheizen mit strahlenden Flammen als primäre Strahlungsquelle mit einer Temperatur von mindestens 1920 K ergibt theoretisch etwa die 1,6fache Gesamtstrahlung einer gleichgroßen strahlenden Fläche mit einer Temperatur von 1700 K. Darüber hinaus wirkt eine Kohlenstaubflamme vor allem wie eine pneumatische Förderung glühender Teilchen, und zwar von Teilchen mit Kohlenstoffoberfläche bis zu ausgebrannten Ascheteilchen, und darüber hinaus wie eine nicht im grauen Band strahlende Gasphase im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Wasserdampf, unvollständig verbrannten und vollständig verbrannten Brennstoffbestandteilen. Obgleich eine ins einzelne gehende wissenschaftliche Analyse der Flammenstrahlung noch nicht vorliegt und wegen der unterschiedlichen Kohlen auch praktisch unmöglich ist, dürfte etwa die Hälfte der Teilchen-Gesamtoberfläche der Kohlenstaubflamme stets die strahlende Fläche der eingangs erwähnten herkömmlichen Öfen übersteigen. Darüber hinaus dürfte der mittlere Emissionsgrad der Teilchen den Emissionsgrad herkömmlicher strahlender Feuerfest-Oberflächen übersteigen. Diese Annahme basiert darauf, daß eine Kohlenstoffoberfläche Wärmeenergie höhere Temperatur wirksamer abstrahlt als ein oxydischer Feuerfeststoff und daß es sich bei Oxydasche um Wärmestrahler handelt, die in ihrer Wirksamkeit etwa Feuerfestoxyden entsprechen. Was den Beitrag der Nicht-Graustrahlung zur Gesamtstrahlung der Kohlenstaubflamme anbetrifft, ist anzunehmen, daß dieser Beitrag sich nicht signifikant von der Nicht-Graustrahlung anderer Kohlenwasserstoffflammen unterscheidet. Ungeachtet des tatsächlichen Strahlungsmechanismus der strahlenden Kohlenstaubflamme wurde beim Betrieb eines Drehherdofens festgestellt, daß sich bei über den Herd verteilten kleinen Brennern parallel zur Herdebene erstreckende Flammen erzeugen lassen, die weniger Brennstoff erfordern als bei vergleichbaren erdgasbetriebenen Öfen.

Des weiteren wurde festgestellt, daß sich bei Eisen- oder Nickelerzen ein höherer Reduktionsgrad mit Hilfe einer strahlenden Kohlenstaubflamme erreichen läßt. So ist der Reduktionsgrad bzw. der Sauerstoffabbau bei der Verwendung einer strahlenden Kohlenstaub-Flamme höher als bei einer Erdgas-Flamme gleichen Brennstoffeinbringens auf Basis des Heizwerts.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Herd eines in

Fig. 2 im Querschnitt dargestellten Drehherdofens.

Bei diesem Ofen bewegt sich ein Drehherd 11 entgegen dem Uhrzeigersinn innerhalb eines aus Wänden 13 und einem Gewölbe 14 jeweils aus feuerfestem Material bestehenden Ofens. Pellets 12 aus Eisenoxyd und Kohlenstaub werden in einer Chargierzone 15 auf den Ofenherd 11 gebracht, während die reduzierten, im wesentlichen metallischen Eisen und etwa 4% Kohlenstoff enthaltenden Pellets mittels einer wassergekühlten Förderschnecke 19 aus einer Austragszone 17 abgezogen werden. Zwischen der Chargierzone 15 und der Austragzone 17 befindet sich eine Barriere 21. Der Drehherd 11 besteht im wesentlichen aus einer metallischen Tragplatte 23 mit in Wassertassen 26 eintauchenden Schürzen 25. Die Tragplatte 23 weist Räder 27 auf und ist in üblicher Weise angetrieben. Der Ofenherd 11 besteht des weiteren aus einer feuerfesten Wanne 31, 33 mit einer Isolationsschicht 35 und einem feuerfesten Granulat 37 als oberste Schicht 39 des undurchlässigen Drehherds 11. Die Pellets 12 befinden sich auf der Herdschicht 39 und werden in dem Ofen 13, 14 von grünen Oxyd/Reduktionsmittel-Pellets zu metallischen bzw. reduzierten Pellets mit dem Kohlenstoffüberschuß entsprechendem Restkohlenstoff umgewandelt.

Der aus dem Herd 11, den Wänden 13 und dem Gewölbe 14 bestehende Reduktionsofen wird mittels im Abstand voneinander angeordneter Brenner 41 bzw. deren Flammen 43 oberhalb des Ofenherdes 11 beheizt. Die Brenner 41 werden aus Kohlenstaubbunkern 45 mit Kohlenstaub einer Körnung beschickt, bei der sich 90% im Unterkorn eines 74-µm-Siebs befinden. Des weiteren wird den Brennern 41 von einem Gebläse 47 über eine Leitung 49 Verbrennungsluft zugeführt. Die Leitung 49 kann mit Ventilen zur Versorgung mehrerer oder auch aller Brenner versehen sein. Darüber hinaus kann die Verbrennungsluft auch als Trägergas für den Kohlenstaub dienen. Wichtig ist, daß sich Flammen und strahlende Feuerfestflächen auch im Bereich der Chargierzone 15 bzw. des Weganfangs der Beschickung durch den Ofen befinden; dann über den undurchlässigen Ofenherd gelangt verhältnismäßig wenig Wärme durch Konvektion und Strahlung in das Agglomerat. Wenn sich daher im Bereich der Chargierzone 15 keine Strahlungsheizquellen befinden, erwärmt sich das Agglomerat kaum bis es in den im Abstand von der Chargierzone beginnenden Strahlungsbereich gelangt.

Die Flammen 43 erstrecken sich im wesentlichen im Abstand voneinander parallel zur Herdoberfläche. Dabei strömt das Verbrennungsgas der Flammen 43 zusammen mit den beim Dehydrieren und Reduzieren der Oxyde in den Pellets 12 entstehenden Gasen entgegen der Drehbewegung des Herds 11 und verläßt den Ofen über einen Abzug 51 im Ofengewölbe. Im Hinblick auf den Reinheitsgrad des Reduktionsguts insbesondere bei der Verbrennung aschereicher Kohle sollte die Strömungsgeschwindigkeit des den Abzug 51 verlassenden Abgases zwischen den Ofenwänden 13 am Fuße des Abzugs 51 mindestens 1,0 m/s betragen. Diese Mindestgeschwindigkeit garantiert, daß Asche und Brennstoffbestandteile die reduzierten Pellets nicht verunreinigen. Vorteilhafterweise sollte jedoch die Austrittsgeschwindigkeit des Abgases am Fuße des Abzugs 51 mindestens 5,0 m/s betragen.

Die Pellettemperatur ändert sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise von einer üblichen Chargiertemperatur von bis etwa 100°C in der Chargierzone über etwa 1100°C nach einer 180°-Drehung des Herdes auf etwa 1320°C im Bereich der Austragzone 17. Die Gewölbetemperatur beträgt im Schnitt etwa 1260°C und die maximale Flammentemperatur etwa 1650 bis 1820°C.

Die nachfolgende Tabelle I enthält einen Datenvergleich zwischen einem Ofenbetrieb mit einer nicht strahlenden Erdgasflamme einerseits und einer erdgasunterstützten strahlenden Kohlenstaubflamme andererseits bei gleichartigen Drehherdöfen zum Reduzieren heißer oxydhaltiger Pellets.

Tabelle I

Die Daten der vorstehenden Tabelle zeigen, daß sich beim Ofenbetrieb mit strahlender Kohlenstaubflamme reduzierte Pellets mit erheblich weniger Energieverbrauch herstellen lassen als bei einem Betrieb des gleichen Ofens mit Erdgas.

Angesichts der unterschiedlichen Daten über die weltweit angebotene Kohle wurde die nachfolgende Tabelle II aus dem Buch Kirk-Othmer, "Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Auflage, übernommen; sie gibt die Bezeichnung und Daten verschiedener Kohlen wieder, die sich als Brennstoff und Reduktionsmittel im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen.

Claims

1. Verfahren zum Reduzieren von Metalloxyde enthaltendem Agglomerat mittels beigemischtem Reduktionsmittel unter überwiegender Erwärmung durch Strahlung in einem Wanderherdofen, dadurch gekennzeichnet, daß das Agglomerat überwiegend direkt mittels durch nahstöchiometrisches Verbrennen von Kohlenstaub oberhalb der Agglomeratoberfläche erzeugter Strahlung erwärmt wird und die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase so hoch ist, daß die Verbrennungsasche mit dem Abgas ausgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Flammentemperatur über 1920 K liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verbrennung von Staub aus Koks, Anthrazit, Bitumenkohle und Subbitumenkohle.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wanderherd mit Pellets beschickt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets Eisen-, Nickel- und Kobaltoxyd einzeln oder nebeneinander enthalten.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner mit einem Kohlenstaub betrieben werden, dessen Heizwert mindestens 20 MJ/kg Trockensubstanz beträgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktions- und die Verbrennungskohle einen Heizwert von mindestens 20 MJ/kg Trockensubstanz besitzt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner mit Luft betrieben werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Agglomerat auf den Herd eines Drehherdofens chargiert wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasgeschwindigkeit am Ofenauslaß mindestens 1,0 m/s beträgt.