DE3811654C2

DE3811654C2 -

Info

Publication number: DE3811654C2
Application number: DE3811654A
Authority: DE
Inventors: Oscar G. Dam G.; Henry R. Puerto Ordar Edo. Bolivar Ve Bueno C.
Original assignee: Cvg Siderurgica Del Orinoco Ca Matanzas Edo Bolivar Ve
Current assignee: Cvg Siderurgica Del Orinoco Ca Matanzas Edo Bolivar Ve
Priority date: 1987-11-02
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1992-08-20
Also published as: GB8808853D0; DE3811654A1; GB2211860B; AR246986A1; MX167965B; CA1336359C; BR8804025A; GB2211860A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von reformiertem Gas zur Verwendung bei der Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenprodukten. 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 Stahlherstellung eingesetzt werden. Es wird erwartet, daß der Weltbedarf an zusätzlichem, direkt reduziertem Eisen über viele Jahre hinaus noch wesentlich zunimmt, um den Bedarf an Ausgangsprodukten zu decken, der durch den Bau weiterer elektrischer Lichtbogenöfen für die Stahlherstellung entsteht.

Bekannte Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxid zu metallischem Oxid, wie in US-PS 33 75 099, US-PS 37 64 123 oder US-PS 40 46 557 beschrieben, verwenden ein reformiertes Gas als Reduktionsmittel. Erdgas wird als Quelle zur Erzeugung des reformierten Gases eingesetzt. Das reformierte Gas zum Einsatz bei Verfahren unter Direktreduktion wird in einer als Reformer bezeichneten Einrichtung erzeugt, indem man Erdgas mit einem Sauerstoff enthaltenden Material in Gegenwart eines Katalysators, im allgemeinen eines Nickelkatalysators, der die Reformierungsreaktion 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 Direktreduktion zwei getrennte Reaktionszonen zur Durchführung des Verfahrens erforderlich, nämlich eine erste Zone zur Herstellung eines reformierten Gases unter Verwendung eines Nickelkatalysators und eine zweite Zone zur Durchführung des tatsächlichen Verfahrens zur Direktreduktion. Bei diesen herkömmlichen Verfahren ist es notwendig, daß das in der ersten Zone gebildete reformierte Gas vor dem Eintritt in die Reduktionszone 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 Reaktionszonen und die Verwendung von Nickelkatalysatoren entfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Direktreduktion sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von reformiertem Zufuhrgas bereitzustellen, das bei der Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß kann auf einen Katalysator zum Aktivieren der Reformierungsreaktion verzichtet werden. Ferner wird die Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenprodukten mit lediglich einer Reaktionszone ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird das reformierte Gas in der Reduktionszone eines Direktreduktionsreaktors gebildet, wobei es unmittelbar in Kontakt mit dem zu reduzierendem Eisenoxidmaterial kommt.

Ferner wird eine Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden zu metallischen Eisenprodukten bereitgestellt, bei der ein Zufuhrgas direkt reduziertem Eisen zunächst mit Material (im folgenden DRI-Material genannt) in Kontakt gebracht wird, um ein reformiertes Gas zu bilden, das anschließend mit den Metalloxiden zu deren Direktreduktion in Kontakt gebracht wird.

Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine Vorrichtung zur Durchführung der Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden 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 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.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit einer einzigen Reaktionszone 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 DRI-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 (24) zu metallischen Eisenprodukten durch Reduktion der Oxide mit einem reformierten, an H₂ und CO reichen Zufuhrgasstrom in einem Reduktionsreaktor (10), wobei die Reformation des zur Reduktion verwendeten Zufuhrgasstroms in auf 850 bis 950°C erhitztem direkt reduziertem Eisen-Material erfolgt, das in der Strömungsrichtung des Zufuhrgasstroms im Reduktionsreaktor vor den Oxiden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufuhrgasstrom vor der Reformation durch ein Gemisch aus Erdgas und Sauerstoff enthaltendem Material, das Luft, CO₂, H₂O, reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Prozeßgas sein kann, gebildet wird, wobei das Verhältnis von Sauerstoff zu Erdgas auf einen Wert von 0,75 : 1 bis 1 : 1 eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von direkt reduziertem Eisen-Material zu Metalloxid auf einen Wert von 0,25 : 1,00 bis 0,50 : 1,00 eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Reaktor bei einem Erdgasdruck von etwa 1,1 bis 1,2 bar in Gegenwart von Sauerstoff in einer Menge von 16 bis 20 Vol.-% betrieben wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden (24) zu metallischen Eisenprodukten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem eine Reaktionszone (18) definierenden Reaktor (10), und mit einer Einspeiseeinrichtung (20) zum Einspeisen eines Zufuhrgases in die Reaktionszone (18), wobei das Zufuhrgas in Kontakt mit dem direkt reduzierten Eisen-Material gelangt und vor dem Kontakt mit den Eisen enthaltenden Metalloxiden (24) reformiert wird, gekennzeichnet durch eine erste Auflageeinrichtung (12), auf der eine Schicht des direkt reduzierten Eisen- Materials in der Reaktionszone (18) an einer ersten Stelle aufliegt, und durch eine zweite Auflageeinrichtung (22), auf der die Eisen enthaltenden Metalloxide (24) in der Reaktionszone (18) an einer zweiten Stelle in der Nähe der ersten Stelle aufliegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Auflageeinrichtung (12) unterhalb der zweiten Auflageeinrichtung (22) befindet.

6. Verfahren zum Herstellen von reformiertem Zufuhrgas zur Verwendung bei der Direktreduktion von Eisen enthaltenden Metalloxiden (24) zu metallischen Eisenprodukten, dadurch gekennzeichnet, daß direkt reduziertes Eisen- Material in eine Reaktionszone (18) eingebracht, die Reaktionszone auf Reformationstemperatur vorgewärmt und anschließend ein Gemisch aus Erdgas und Sauerstoff enthaltendem Material, wie Luft, CO₂, H₂O, reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Prozeßgas, in die Reaktionszone zur Herbeiführung eines Kontakts mit dem direkt reduzierten Eisen-Material eingespeist wird.