DE3811654A1

DE3811654A1 - Verfahren zur direktreduktion von eisen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3811654A1
Application number: DE3811654A
Authority: DE
Inventors: G Oscar G Dam; C Henry R Bueno
Original assignee: ORINOCO SIDERURGICA
Current assignee: ORINOCO SIDERURGICA
Priority date: 1987-11-02
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1989-05-18
Also published as: DE3811654C2; MX167965B; AR246986A1; CA1336359C; GB2211860A; GB2211860B; BR8804025A; GB8808853D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von re formiertem Gas zur Verwendung bei der Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenpro dukten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Direktreduktion von Metalloxiden mit dem reformierten Gas und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Direktreduktion von Eisenoxid, beispielsweise in Form von Pellets oder Stückerz, zu metallischem Eisen in gediegenem Zustand wurde in den letzten Jahren in der gesamten Welt großtechnisch eingeführt. Die Gesamtjahreskapazität der gegenwärtig in Betrieb oder im Bau befindlichen Anlagen zur Direktreduktion beträgt mehr als 15 Millionen Tonnen an direkt reduzierten Eisenprodukten, wobei die Produkte vorwiegend als Ausgangsprodukte in elektrischen Lichtbogenöfen zur Stahlher stellung eingesetzt werden. Es wird erwartet, daß der Weltbe darf an zusätzlichem, direkt reduziertem Eisen über viele Jahre hinaus noch wesentlich zunimmt, um den Bedarf an Ausgangs produkten zu decken, der durch den Bau weiterer elektrischer Lichtbogenöfen für die Stahlherstellung entsteht.

Bekannte Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid zu metal lischem Oxid verwenden ein reformiertes Gas als Reduktionsmit tel. Erdgas wird als Quelle zur Erzeugung des reformierten Gases eingesetzt. Das reformierte Gas zum Einsatz bei Verfah ren unter Direktreduktion wird in einer als Reformer bezeich neten Einrichtung erzeugt, indem man Erdgas mit einem Sauer stoff enthaltenden Material in Gegenwart eines Katalysators, im allgemeinen eines Nickelkatalysators, der die Reformie rungsreaktion des Erdgases unter Bildung eines an H₂ und CO reichen, reformierten Gases aktiviert, in Kontakt bringt. Das aus dem Reformer gewonnene reformierte Gas wird anschließend in einen das Eisenoxidmaterial enthaltenden Reduktionsreaktor eingespeist, wo die Reaktion der Direktreduktion durchgeführt wird. Somit sind bei bisher üblichen Verfahren zur Direktre duktion zwei getrennte Reaktionszonen zur Durchführung des Verfahrens erforderlich, nämlich eine erste Zone zur Her stellung eines reformierten Gases unter Verwendung eines Nickelkatalysators und eine zweite Zone zur Durchführung des tatsächlichen Verfahrens zur Direktreduktion. Bei diesen her kömmlichen Verfahren ist es notwendig, daß das in der ersten Zone gebildete reformierte Gas vor dem Eintritt in die Re duktionszone einer Behandlung zur Entfernung von CO₂ und/oder Wasserdampf unterzogen wird.

Naturgemäß wäre es sehr wünschenswert, über ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxidmaterialien zu metallischem Eisen zu verfügen, bei dem die Notwendigkeit von getrennten Reak tionszonen und die Verwendung von Nickelkatalysatoren entfal len.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein ver bessertes Verfahren zur Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden unter Bildung eines metallischen Eisenprodukts bereitzustellen. Insbesondere soll sich das erfindungsgemäße Verfahren in einer einzigen Reaktionszone eines Direktre duktionsreaktors durchführen lassen. Ferner soll erfindungsge mäß ein derartiges Verfahren bereitgestellt werden, bei dem DRI-Material als Katalysator zur direkten Bildung eines refor mierten Gases in der Reaktionszone eines Direktreduktionsreak tors verwendet wird. Ferner soll erfindungsgemäß eine Vor richtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens bereit gestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenpro dukten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man

- einen Reduktionsreaktor bereitstellt,
- in diesen Reaktor eine erste Schicht von DRI-Material (DRI = direkt reduziertes Eisen) einbringt,
- eine Schicht aus Metalloxidmaterial in den Reaktor über das DRI-Material einführt,
- den Reaktor auf Reduktionstemperatur vorwärmt und
- anschließend Erdgas in Gegenwart eines Sauerstoff enthaltenden Materials in das DRI-Material einspeist.

Erfindungsgemäß wird das reformierte Gas in der Reduktions zone eines Direktreduktionsreaktors gebildet, wobei es unmit telbar in Kontakt mit dem zu reduzierendem Eisenoxidmaterial kommt.

Ferner wird eine Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenprodukten be reitgestellt, bei der ein Zufuhrgas zunächst mit DRI-Material in Kontakt gebracht wird, um ein reformiertes Gas zu bilden, das anschließend mit den Metalloxiden zu deren Direktre duktion in Kontakt gebracht wird.

Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine Vorrichtung zur Durchführung der Direktreduktion von Eisen enthaltenden Me talioxiden zu metallischen Eisenprodukten, die gekennzeichnet ist durch einen eine Reaktionszone definierenden Reaktor, eine erste Auflageeinrichtung, auf der ein Katalysatormaterial in der Reaktionszone an einer ersten Stelle aufliegt, eine zweite Auflageeinrichtung, auf der die Metalloxide in der Reaktions zone an einer zweiten Stelle in der Nähe zur ersten Stelle aufliegen, und eine Einspeiseeinrichtung zum Einspeisen eines Zufuhrgases in die Reaktionszone, wobei das Zufuhrgas in Kon takt mit dem Katalysatormaterial gelangt und vor dem Kontakt mit den Metalloxiden reformiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit einer einzigen Reak tionszone in einem Direktreduktionreaktor aus, die sowohl für die Bildung des reformierten Gases zum Einsatz in Reduktions verfahren als auch für die tatsächliche Direktreduktion des Eisenoxidmaterials herangezogen wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reduktionsreaktors;

Fig. 2a, 2b und 2c schematische Darstellungen der in den Vergleichsbeispielen verwendeten Testvorrichtung; und

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Ergebnisse der erfindungsge mäßen Direktreduktion mit den Ergebnissen eines herkömmlichen Verfahrens verglichen werden.

Die in Fig. 1 gezeigte schematische Darstellung einer Vor richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen Reduktionsreaktor 10 mit einer ersten Auflage fläche 12 zur Auflage von direkt reduziertem Eisen (DRI), das im erfindungsgemäßen Verfahren als Katalysator zur Bildung von an H₂ und CO reichem, reformiertem Gas aus Erdgas dient. Beim direkt reduzierten Eisen (DRI) handelt es sich um ein Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Direktreduktion. Die erste Auflagefläche 12 ist mit einer Mehrzahl von Öffnungen 14 versehen, durch die Gas aus einer ringförmigen Vorwärmzone 16, die eine Reaktionszone 18 umgrenzt, eingespeist wird. Ein Einlass 20 ist zum Einspeisen eines Zufuhrgases (das nachste hend näher erläutert wird) in die ringförmige Vorwärmzone 16 vorgesehen. Der Reaktor umfaßt ein zweites Auflageelement 22, das sich oberhalb der ersten Auflagefläche 12 befindet, so daß ein dazwischen liegender Zwischenraum definiert wird, der vom DRI-Material eingenommen wird. Die zweite Auflagefläche 22 trägt die Eisenoxidteilchen 24, die beim erfindungsgemäßen Direktreduktionsverfahren zu metallischem Eisen reduziert werden sollen. Die zweite Auflagefläche 22 ist mit einer Mehrzahl von Öffnungen 26 in entsprechender Weise wie die erste Auflagefläche 12 versehen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Zufuhrgas in die ringförmige Vorwärmzone geleitet und von dort nach oben durch das DRI-Material geführt, wo das Zufuhrgas zu einem an H₂ und CO reichen Gas reformiert wird. Das Zufuhrgas besteht aus Erdgas, das mit Sauerstoff enthaltendem Material vermischt ist. Beim Sauerstoff enthaltendem Material kann es sich um Luft, CO₂, H₂O, reinen Sauerstoff oder beliebige andere Pro zeßgase, die als eine Komponente Sauerstoff enthalten, han deln. Erfindungsgemäß soll das Mengenverhältnis von Sauerstoff zu Erdgas etwa 0,75:1,0 bis 1,0:1,0 betragen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann Stickstoff während des Vorwärmvorgangs oder zusammen mit dem Erdgas in das Sauer stoff enthaltende Gemisch eingespeist werden. Die Aufgabe des Stickstoffs besteht darin, eine Reoxidation des DRI-Materials zu verhindern. Erfindungsgemäß wird das Zufuhrgas zunächst im Reduktionsreaktor mit dem DRI-Material in Kontakt gebracht und reformiert, so daß ein an H₂ und CO reiches, reformiertes Gas gebildet wird. Das Mengenverhältnis von DRI-Material zum Eisenoxidmaterial soll etwa 0,25:1,0 bis 0,50:1,0 betragen, um eine ausreichende Menge an reformiertem Gas für das Direktre duktionsverfahren bereitzustellen. Der Reaktor wird beim Gas reformierungs-Direktreduktionsverfahren unter folgenden Bedin gungen betrieben: Temperatur 850 bis 950°C; Druck 1,1 bis 1,2 bar; Gasströmungsgeschwindigkeit 5 bis 20 Liter/min. Das beim Kontakt des Zufuhrgases mit dem DRI-Material gebildete refor mierte Gas strömt nach oben durch die Eisenoxidteilchen und wirkt als Reduktionsmittel für die Direktreduktion der Metall oxide zu metallischen Eisenprodukten. Um ein Reduktionsverfah ren von hohem Wirkungsgrad zu gewährleisten, soll das Mengen verhältnis von reformiertem Gas zu Eisenoxidmaterial etwa 800 bis 1400 Nm³/Tonne und vorzugsweise etwa 100 bis 1200 m³/Tonne betragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen ein mit hohem Wirkungsgrad ablaufendes Direktreduktionsverfahren, das herkömmlichen Verfahren überle gen ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Zum Nachweis der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Direktreduktionsverfahren wird ein dreistufiges Programm durchgeführt. Fig. 2a, 2b und 2c stellen schematische Erläute rungen der drei einzelnen Stufen dar.

Fig. 2a betrifft das herkömmliche Direktreduktionsverfahren. Bei diesem bekannten Verfahren begrenzt ein Reaktor 100 eine Reaktionszone 102, die eine Mineralprobe 104 mit einem Gehalt an einem Eisen enthaltenden Metalloxid enthält. In die Reak tionszone wird selektiv über die Leitung 106 Stickstoff aus einem Behälter 108 und ein reduzierendes Gemisch mit einem Gehalt an 72% H₂, 14% CO, 9% CO₂ und 5% CH₄ aus einem Behälter 110 eingespeist. Das Reduktionsverfahren wird unter herkömmlichen Bedingungen der Direktreduktion durchgeführt. Nach Beendigung des Reduktionsverfahrens wird der Gewichts verlust des Materials kontinuierlich mittels einer Thermowaage und unter Verwendung der gemäß der nachstehenden Gleichung er zeugten Reduktionskurve gemessen:

Die in Fig. 3 dargestellte Reduktionskurve zeigt, daß mit dem herkömmlichen Verfahren zur Direktreduktion eine 90prozentige Reduktion des Eisenoxidmaterials erzielt wird.

Beispiel 2

Zum Nachweis der Eignung von DRI als Katalysator bei der Erzeugung eines reformierten Gases wird eine Reaktionszone, die mit der von Beispiel 1 identisch ist, verwendet. Gemäß Fig. 2b ist die Reaktionszone mit DRI-Material beschickt. In die Reaktionszone werden selektiv Stickstoff (nur für Erwär mungs- und Kühlzwecke) CO₂ und Erdgas aus den Behältern 112, 114 bzw. 116 mit folgenden Strömungsgeschwindigkeiten einge speist: 5 Liter/min, 4 Liter/min bzw. 6 Liter/min. Die Refor mierungsreaktion wird unter folgenden Bedingungen durchge führt: 200 g DRI-Material; Temperatur 900°C bei einer Ein speisung von Zufuhrgas von 10 Liter/min (4 Liter/min CO₂ und 6 Liter/min CH₄). Zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Reformierungsreaktion werden Proben der austretenden Gase entnommen, um ihre Zusammensetzung zu bestimmen. In Tabelle I sind die Werte für die Behandlungszeit in der Reaktionskammer und die Bildung an reformiertem Gas unter Verwendung von DRI als Katalysator angegeben. Es ist ersichtlich, daß das refor mierte Gas reich an H₂ und CO ist.

Tabelle I

Beispiel 3

Um die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Direktreduktionsver fahrens zu ermitteln, wird Eisenoxid in dem im Fig. 1 gezeig ten Reaktor auf folgende Weise umgesetzt. Gemäß Fig. 2c werden 200 g DRI-Material in den Reaktor gebracht. Über das DPI-Material werden 500 g Eisenoxidmaterial gegeben. Die Reaktionszone wird auf die Reduktionstemperatur von 900°C vorgewärmt. Anschließend wird ein Gemisch aus CO₂ und Erdgas (40% CO₂ und 60% CH₄) aus den Behältern 114 und 116 in die Reaktionszone mit einer Geschwindigkeit von 10 Liter/min vom Boden der Reaktionszone aus so eingespeist, daß ein Kontakt mit dem DRI-Material vor dem Kontakt mit dem Metall oxid gewährleistet ist. Nach Beendigung des Reduktionsverfah rens wird der Gewichtsverlust gemessen und eine Reduktions kurve wird aufgestellt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist der beim erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Reduktionsgrad praktisch identisch mit dem Ergebnis des herkömmlichen Re duktionsverfahrens von Beispiel 1, womit die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens nachgewiesen ist.

Claims

1. Verfahren zur Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenprodukten, dadurch gekennzeichnet, daß man

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Erdgas und das Sauerstoff enthaltende Material durch das DRI-Material führt, so daß ein an H₂O und CO reiches, reformiertes Gas erzeugt wird, das in Kontakt mit dem Eisen enthaltenden Metalloxid kommt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von DRI-Material zu Metalloxid 0,25:1,00 bis 0,50:1,00 beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Reaktor bei einer Temperatur von 850 bis 950°C und einem Erdgasdruck von etwa 1,1 bis 1,2 bar in Gegenwart von Sauerstoff in einer Menge von 16 bis 20 Vol.-% betreibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verhältnis von Sauerstoff zu Erdgas 0,75:1,0 bis 1,0:1,0 beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung von reformiertem Gas zur Verwendung bei der Direktreduktion von Eisen enhaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenprodukten, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Reaktionszone bereitstellt, DRI- Material in die Reaktionszone einbringt, die Reaktionszone auf Reformationstemperatur vorwärmt und anschließend Erdgas in Gegenwart eines Sauerstoff enthaltenden Materials in die Reaktionszone zur Herbeiführung eines Kontakts mit dem DRI- Material einspeist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformationstemperatur 850 bis 950°C beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Sauerstoff und Erdgas enthaltende Material in die Reaktionszone bei einem Verhältnis von Sauerstoff zu Erdgas von 0,75:1,00 bis 1,00:1,00 einspeist.

9. Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenprodukten, gekennzeichnet durch einen eine Reaktionszone definierenden Reaktor, eine erste Auflageeinrichtung, auf der ein Katalysatormaterial in der Reaktionszone an einer ersten Stelle aufliegt, eine zweite Auflageeinrichtung, auf der die Metalloxide in der Reaktionszone an einer zweiten Stelle in der Nähe zur ersten Stelle aufliegen, und eine Einspeiseeinrichtung zum Einspeisen eines Zufuhrgases in die Reaktionszone, wobei das Zufuhrgas in Kontakt mit dem Katalysatormaterial gelangt und vor dem Kontakt mit den Metalloxiden reformiert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszone länglich ist und sich die Stellung der ersten Auflageeinrichtung oberhalb der Einspeiseeinrichtung und unterhalb der Stellung der zweiten Auflageeinrichtung befindet.