DE3735966C2

DE3735966C2 -

Info

Publication number: DE3735966C2
Application number: DE3735966A
Authority: DE
Inventors: Erich Traun At Ottenschlaeger; Werner L. Linz At Kepplinger
Original assignee: Deutsche Voest Alpine Industrieanlagenbau GmbH
Current assignee: Deutsche Voest Alpine Industrieanlagenbau GmbH
Priority date: 1986-10-30
Filing date: 1987-10-23
Publication date: 1991-01-17
Also published as: SK278800B6; CZ769087A3; CN87107197A; JPS63118021A; KR950001909B1; CZ279319B6; DE3735966A1; SU1582991A3; SK769087A3; AT386006B; AU597737B2; CA1324265C; AU8000587A; UA2125A1; CN1010325B; PH24466A; KR890006831A; IN172088B; BR8705781A; DD262676A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Metallen bzw. Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen durch Reduktion von Metalloxiden in einer Reduktionszone, die aus einem von Reduktionsgas durchströmten Kohlebett gebildet wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

In der EP-A-01 74 291 ist ein Verfahren zum Erschmelzen von Metallen, u. zw. Kupfer, Blei, Zink, Nickel, Kobalt und Zinn, aus oxidischen feinkörnigen Nichteisenmetallerzen beschrieben, wobei das Einsatzmaterial in eine Reduktionszone eingebracht wird, die von einer Kohlewirbelschicht in einem Einschmelzvergaser gebildet wird. Beim Passieren dieser Reduktionszone wird das oxidische Einsatzmaterial zu Metall reduziert, welches im unteren Teil des Einschmelzvergasers gesammelt wird.

Es hat sich gezeigt, daß das Verfahren nach der EP-A- 01 74 291 zur Reduktion von Oxiden, die mit elementarem Kohlenstoff bei Temperaturen unter 1000°C reagieren, mit Vorteil angewendet werden kann, daß es jedoch bei der Gewinnung von Metallen und Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen, wie Ferromangan, Ferrochrom und Ferrosilicium, welche aus ihren Oxiden erst bei Temperaturen von über 1000°C mit elementarem Kohlenstoff als Reduktionsmittel gewonnen werden können, zu Schwierigkeiten kommen kann, weil die Kontaktzeit dieses bei höheren Temperaturen reagierenden oxidischen Einsatzmaterials mit den die Wirbelschicht bildenden Kohlenstoffteilchen relativ kurz ist.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Anlage der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche es ermöglichen, Metalle und Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen, wie Ferromangan, Ferrochrom und Ferrosilicium, aus feinkörnigem oxidischem Material in einem Einschmelzvergaser herzustellen, wobei das Metall eine so hohe Affinität zu Sauerstoff hat, daß es erst oberhalb 1000°C mit elementarem Kohlenstoff reagiert.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kohlebett aus drei Festbettschichten gebildet wird, wobei

- eine unterste, einen flüssigen Sumpf aus reduziertem Metall und Schlacke bedeckende Schicht aus entgaster Kohle vorgesehen wird,
- in eine mittlere Schicht Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet wird, um ein im wesentlichen aus CO bestehendes heißes Reduktionsgas zu bilden, und im Abstand darüber in die mittlere Schicht feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial eingeführt wird; und
- in eine oberste Schicht Verbrennungsgase aus Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigem Gas eingeleitet werden.

Vorteilhaft wird feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial mit einer Korngröße bis zu 6 mm eingesetzt.

Zweckmäßig wird zur Bildung der Festbettschichten Kohle mit einer Korngröße von 5 bis 100 mm, insbesondere 5 bis 30 mm, verwendet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der mittleren und obersten Festbettschicht zwischen 1 und 4 m gehalten.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß aus dem die Reduktionszonen passierenden Abgas staubförmige Kohlenstoffteilchen abgeschieden und diese Kohlenstoffteilchen, vorzugsweise in heißem Zustand, zusammen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas Brennern zugeführt wird, die in die oberste Festbettschicht gerichtet sind.

Das von Kohlenstoffteilchen befreite Abgas kann als Fördermedium für das feinkörnige oxidische Einsatzmaterial verwendet werden.

Als Kohle wird vorzugsweise eine solche eingesetzt, die nach Entgasung ihren stückigen Charakter beibehält, so daß bei einem eingesetzten Korngrößenbereich von 5 bis 100 mm, vorzugsweise 5 bis 30 mm, nach Entgasung noch mindestens 50% der entstandenen entgasten Kohle innerhalb des ursprünglichen Korngrößenbereiches von 5 bis 100 mm bzw. von 5 bis 30 mm vorhanden ist und der Rest als Unterkorn vorliegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß alle bekannten Vorteile der Reduktionsprozesse in mit fossiler Energie gefeuerten Schachtöfen erhalten bleiben, wie Gegenstromwärmetausch, metallurgische Reaktion im Festbett mit elementarem Kohlenstoff, welche für die Reduktion von Oxiden unedler Metalle erforderlich ist, und gute Trennung von Metall und Schlacke. Die Verkokung bzw. die Entgasung von Kohle kann ohne Bildung von Teer und anderer kondensierbarer Verbindungen durchgeführt werden. Das bei der Entgasung der Kohle gebildete Gas wirkt als zusätzliches Reduktionsmittel zu den aus der Vergasung der entgasten Kohle gebildeten Reduktionsgasen.

Das eingesetzte oxidische Material kann nach einer besonderen Ausführungsform in einer Vorreduktionsstufe vorreduziert werden, was sich besonders beim Erzeugen von Ferrolegierungen, wo der Eisenoxidanteil des Einsatzmateriales dieser Reduktion zugänglich ist, als vorteilhaft erwiesen hat.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Reduktion von Oxiden unedler Elemente, wie beispielsweise Silicium, Chrom, Mangan ohne Verwendung von elektrischer Energie durchgeführt werden kann. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache Weise die für die Entgasung der Kohle erforderliche Energie gesteuert, da das Unterkorn (kleiner als 5 mm) mit den heißen Gasen des Einschmelzvergasers ausgetragen, abgeschieden und in die obere Einblaszone sauerstoffhaltiger Gase rückgeführt und mittels der sauerstoffhaltigen Gase oxidiert wird, wobei Wärme frei wird.

Das Kornzerfallsverhalten wird so getestet, daß eine Kohle-Kornfraktion von 16 bis 20 mm einer einstündigen Entgasung in einer auf 1400°C vorerhitzten Kammer unterworfen wird. Das Kammervolumen beträgt 12 dm³. Nach Abkühlung durch Spülen mit kaltem Inertgas wird die Kornverteilung bestimmt.

Die Erfindung umfaßt des weiteren eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit einem feuerfest ausgekleideten schachtförmigen Einschmelzvergaser, der im Oberteil eine Chargieröffnung zum Einbringen von Kohle sowie eine Gasableitung aufweist, die Seitenwand des Einschmelzvergasers von Zuleitungen für Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltiges Gas durchsetzt ist und ein unterer Abschnitt zum Sammeln von schmelzflüssigem Metall und flüssiger Schlacke vorgesehen ist. Diese Anlage ist dadurch gekennzeichnet, daß unter Bildung von drei übereinander angeordneten Festbettschichten A, B, C

- im Bereich zwischen der untersten Festbettschicht A und der mittleren Festbettschicht B ein Kranz von Einblasrohren für Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen ist,
- im Abstand darüber ein Kranz von Einblasrohren für feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial und
- im Abstand darüber im Bereich zwischen der mittleren Festbettschicht B und der obersten Festbettschicht C ein Kranz von mit Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigem Gas beschickten Brennern vorgesehen sind.

Vorteilhaft ist in der Gasableitung ein Heißzyklon zum Abscheiden von Kohlenstoffteilchen aus dem Abgas vorgesehen und ist das Austragsende dieses Heißzyklons mit dem Kranz von Brennern leitungsmäßig verbunden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform steht mit dem Heißzyklon ein weiterer Heißzyklon in leitungsmäßiger Verbindung, wobei in diese Verbindungsleitung zwischen den beiden Heißzyklonen eine Chargiervorrichtung für oxidisches Einsatzmaterial mündet; das Austragsende des weiteren Heißzyklons ist mittels einer Förderleitung mit dem Kranz von Einblasrohren für das oxidische Einsatzmaterial verbunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Anlage zur Durchführung des Verfahrens sind in der Zeichnung näher erläutert, wobei Fig. 1 eine schematische Darstellung des Einschmelzvergasers mit daran angeschlossenen Zusatzeinrichtungen erläutert. In Fig. 2 ist das Temperaturprofil im Einschmelzvergaser wiedergegeben.

Mit 1 ist ein schachtförmiger Einschmelzvergaser bezeichnet, der mit einer feuerfesten Auskleidung 2 versehen ist. Der Bodenbereich des Einschmelzvergasers dient zur Aufnahme von schmelzflüssigem Metall 3 und schmelzflüssiger Schlacke 4. Eine Abstichöffnung für Metall ist mit 5 und eine Abstichöffnung für die Schlacke mit 6 bezeichnet. Im Oberteil des Einschmelzvergasers ist eine Chargieröffnung 7 zur Zugabe von stückiger Kohle vorgesehen. Oberhalb des Flüssigsumpfes 3, 4 ist das Kohlefestbett ausgebildet, u. zw. eine mit A bezeichnete, nicht durchgaste unterste Schicht aus entgaster Kohle, eine darüber befindliche, mit B bezeichnete durchgaste mittlere Schicht aus entgaster Kohle und eine darüber befindliche, mit C bezeichnete durchgaste oberste Schicht aus Kohleteilchen.

Die Seitenwand des Einschmelzvergasers 1 ist von Einblasrohren durchsetzt, u.zw. von einem Kranz von Einblasrohren 8 für Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase. Diese Rohre sind im Grenzbereich zwischen der nicht durchgasten Festbettschicht A und der Festbettschicht B angeordnet. Im Abstand darüber, u.zw. im mittleren bis oberen Teil der Festbettschicht B, mündet ein Kranz von düsenförmig ausgebildeten Einblasrohren 9, durch welche feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial in die mittlere Schicht B eingeblasen wird.

Im Abstand darüber, u.zw. im Grenzbereich zwischen der Schicht B und der Schicht C, ist ein Kranz von die Seitenwand des Einschmelzvergasers 1 durchsetzenden Brennern 10 vorgesehen, in welche ein Gemisch aus staubförmigen Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigem Gas eingeführt wird. Vom oberen Teil des Einschmelzvergasers 1 führt eine Gasableitung 11 weg, die das entstandene Abgas zu einem Heißzyklon 12 führt. Staubförmige Kohlenstoffteilchen, die in dem Abgas suspendiert sind, werden im Heißzyklon 12 abgeschieden und vom Austragsende des Heißzyklons 12, in welchem eine Dosiereinrichtung 13 vorgesehen ist, durch eine Leitung 14 dem Kranz von Brennern 10 zugeführt. Mit 15 ist eine zu den Brennern 10 führende Leitung für sauerstoffhaltiges Gas bezeichnet. Mit der Dosiereinrichtung 13 kann der Füllstand des Heißzyklons 12 geregelt und die Abscheidewirkung des Heißzyklons 12 beeinflußt werden.

Vom Oberteil des Heißzyklons 12 führt eine Leitung 16 zu einem weiteren Heißzyklon 17. In die Verbindungsleitung 16 mündet eine Chargiervorrichtung 18, die aus einem feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial enthaltenden Bunker 19 beschickt wird. Das Gas aus der Leitung 16 dient als Fördermedium. Vom Austragsende des Heißzyklons 17 wird das feinkörnige oxidische Einsatzmaterial in eine Förderleitung 20 ausgetragen und von dort durch eine Leitung 21 den Einblasrohren 9 zugeführt.

Vom oberen Ende des Heißzyklons 17 führt eine Leitung 22 weg, durch welche das überschüssige Abgas abgeführt wird. Es kann abgekühlt und komprimiert werden und durch eine Leitung 23 als Fördermedium in die Leitung 21 eingeblasen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft so ausgeführt, daß die in den Oberteil des Einschmelzvergasers 1 chargierte Kohle in der Festbettschicht C entgast wird. Die für die Entgasung erforderliche Wärme wird einerseits von den heißen Reduktionsgasen geliefert, die aus der Festbettschicht B aufsteigen, andererseits durch Verbrennungswärme der festen Kohlenstoffteilchen, die mittels sauerstoffhaltiger Gase in den Brennern 10 verbrannt werden. Die vertikale Erstreckung der Schicht C wird so gewählt, daß das die Schicht C verlassende Gas eine Mindesttemperatur von 950°C aufweist. Dadurch ist sichergestellt, daß Teere und andere kondensierbare Verbindungen gekrackt werden. Eine Verstopfung der Festbettschicht C ist damit ausgeschlossen. In der Praxis erweist sich eine Schichtdicke für die Schicht C von 1 bis 4 m als vorteilhaft. Eine vertikale Erstreckung von 1 bis 4 m erweist sich auch für die Festbettschicht B als vorteilhaft. Die in der Schicht C entgaste Kohle bildet beim Absinken nach unten die Festbettschicht B.

Das feinkörnige oxidische Einsatzmaterial wird durch das heiße Reduktionsgas und den Flugstaub im weiteren Heißzyklon 17 vorreduziert und aus dem Gas wieder ausgeschieden. Eine Beladung des heißen Reduktionsgases mit feinkörnigem kohlenstoffhaltigem Staub kann sich vorteilhaft erweisen, da der Kohlenstoff mit dem bei der Reduktion gebildeten CO₂ unter Bildung von CO reagiert, wodurch der stark reduzierende Charakter des heißen Gases aus dem Einschmelzvergaser 1 aufrecht bleibt. Das nach erfolgter Vorreduktion mit dem im Flugstaub abgeschiedene feinkörnige oxidische Einsatzmaterial wird in der Schicht B aufgeschmolzen und durch den elementaren Kohlenstoff reduziert. Die für das Schmelzen und die Reduktion erforderliche Wärme wird durch Vergasung von heißer entgaster Kohle mittels sauerstoffhaltiger Gase, die über die Einblasrohre 8 in den Vergaser eingebracht werden, aufgebracht. Das in der Festbettschicht B entstehende schmelzflüssige Metall und die schmelzflüssige Schlacke fließen nach unten und werden unterhalb der Schicht A gesammelt und abgestochen.

In Fig. 2 ist das Temperaturprofil über die Höhe des Einschmelzvergasers 1 veranschaulicht, wobei auf der Ordinate die Höhenverhältnisse und auf der Abszisse die Temperaturen eingetragen sind. Die voll ausgezogenen Linien geben den Temperaturverlauf der zugesetzten Kohle und die strichlierten Linien den Temperaturverlauf des entstehenden Gases wieder. Die mit 8 markierte Höhe repräsentiert den Kranz der Einblasrohre 8, die mit 9 bezeichnete Höhe das Niveau der Einblasrohre 9 für feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial (Erz), die mit 10 bezeichnete Höhe die Kohlenstoffteilchenrückführung durch die Brenner 10, die mit 24 markierte Höhe die Festbettobergrenze 24 und die mit 11 bezeichnete Höhe die Gasableitung 11 bzw. die Chargieröffnung 7 für Kohle.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Metallen und Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen, durch Reduktion von Metalloxiden in einer Reduktionszone, die aus einem von Reduktionsgas durchströmten Kohlebett gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlebett aus drei Festbettschichten (A, B, C) gebildet wird, wobei

- eine unterste, einen flüssigen Sumpf aus reduziertem Metall (3) und Schlacke (4) bedeckende Schicht (A) aus entgaster Kohle vorgesehen wird,
- in eine mittlere Schicht (B) Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet wird, um ein im wesentlichen aus CO bestehendes heißes Reduktionsgas zu bilden, und im Abstand darüber in die mittlere Schicht (B) feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial eingeführt wird; und
- in eine oberste Schicht (C) Verbrennungsgase aus Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigem Gas eingeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial mit einer Korngröße bis zu 6 mm eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Festbettschichten (A, B, C) Kohle mit einer Korngröße von 5 bis 100 mm, insbesondere 5 bis 30 mm, verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der mittleren und obersten Festbettschicht (B, C) zwischen 1 und 4 m gehalten wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem die Reduktionszonen passierenden Abgas staubförmige Kohlenstoffteilchen abgeschieden und diese Kohlenstoffteilchen, vorzugsweise in heißem Zustand, zusammen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas Brennern (10) zugeführt wird, die in die oberste Festbettschicht (C) gerichtet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von Kohlenstoffteilchen befreite Abgas als Fördermedium für das feinkörnige oxidische Einsatzmaterial verwendet wird.

7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, mit einem feuerfest ausgekleideten schachtförmigen Einschmelzvergaser (1), der im Oberteil eine Chargieröffnung (7) zum Einbringen von Kohle sowie eine Gasableitung (11) aufweist, die Seitenwand des Einschmelzvergasers (1) von Zuleitungen für Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltiges Gas durchsetzt ist und ein unterer Abschnitt zum Sammeln von schmelzflüssigem Metall (3) und flüssiger Schlacke (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß unter Bildung von drei übereinander angeordneten Festbettschichten (A, B, C)

- im Bereich zwischen der untersten Festbettschicht (A) und der mittleren Festbettschicht (B) ein Kranz von Einblasrohren (8) für Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen ist,
- im Abstand darüber ein Kranz von Einblasrohren (9) für feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial und
- im Abstand darüber im Bereich zwischen der mittleren Festbettschicht (B) und der obersten Festbettschicht (C) ein Kranz von mit Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigem Gas beschickten Brennern (10) vorgesehen sind.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasableitung (11) ein Heißzyklon (12) zum Abscheiden von Kohlenstoffteilchen aus dem Abgas vorgesehen ist und das Austragsende dieses Heißzyklons (12) mit dem Kranz von Brennern (10) leitungsmäßig verbunden ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Heißzyklon (12) ein weiterer Heißzyklon (17) in leitungsmäßiger Verbindung steht, in diese Verbindungsleitung (16) zwischen den beiden Heißzyklonen (12, 17) eine Chargiervorrichtung (18) für oxidisches Einsatzmaterial mündet und das Austragsende des weiteren Heißzyklons (17) mit einer Förderleitung (20) zu dem Kranz von Einblasrohren (9) für das oxidische Einsatzmaterial verbunden ist.