DE4206828A1 - Schmelzreduktionsverfahren mit hoher Produktivität - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schmelzreduktion von Metallerzen, bei dem in einem Verbundprozeß die Metallerze ein- oder mehrstufig teilreduziert und anschließend in einem Schmelzreak­ tor vollständig zu Metall reduziert werden.

In einer Metallschmelze Metall-Sauerstoff-Verbindungen, bevorzugt Metallerze, zu reduzieren und die erforderliche Energie der Schmelze durch kohlenstoffenthaltende Brennstoffe und sauerstoffhaltige Gase zuzuführen, ist nicht neu, und es existieren eine Reihe von Schutzrechten und Vorveröffentlichungen, die sich mit der Schmelzre­ duktion befassen.

Bereits bei der Stahlerzeugung nach den verschiedenen Windfrisch­ verfahren hat man sich damit beschäftigt, Erze in einem Konverter mit Kohlenstoff zu reduzieren. Der Sauerstoffgehalt des Blasemittels dient u. a. dazu, die erforderliche Wärme durch die Oxidation eines Teiles des Kohlenstoffs zu erzeugen. Die deutsche Patentschrift 6 05 975 aus dem Jahre 1932 beschreibt ein Verfahren, bei dem das Blasemittel und der Kohlenstoff voneinander getrennt und abwech­ selnd der Schmelze zugeführt werden, und man hat interessanterwei­ se den Kohlenstoff in Form eines kohlenstoffhaltigen Gases zugege­ ben. Dies geht auch aus dem Patentanspruch mit dem folgenden Wortlaut hervor: "Verfahren zur Herstellung von Stahl in Konvertern oder in mit Düsen versehenen Flammöfen, bei dem Erze in einem Eisensumpf reduziert werden und der Kohlenstoff, getragen von einem sauerstoffhaltigen Blasmittel, ergänzt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man wechselweise Luft oder sauerstoffangereicherte Luft oder reinen Sauerstoff und neutrale oder selbst Kohlenstoff abgebende bzw. reduzierend wirkende Gase als Blas- und Kohlen­ stofftragmittel verwendet."

Ein wesentlicher Beitrag, um die Reduktion von Metallerzen im Metallbad wirtschaftlich zu betreiben, ist durch die Nachverbren­ nung der Reaktionsgase, hauptsächlich CO und H₂, im Gasraum oberhalb der Metallschmelze und Rückführung der dabei entstehenden Wärme an die Metallschmelze geleistet worden. Die Lehren zu dieser Nachverbrennung der Reaktionsgase und der erfolgreichen Rücküber­ tragung der Wärme an die Metallschmelze beschreibt erstmals das weltweit geschützte Verfahren zur Verbesserung der Wärmebilanz beim Stahlfrischen, u. a. US Patent 41 95 985. In dieser Patent­ schrift ist in Spalte 14, Reihe 39, auch der Einsatz von Eisenerz anstelle von Schrott als Kühlmedium bei der Stahlerzeugung genannt. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens und seine Weiterentwicklung zu höheren Nachverbrennungsraten sowie eine spezielle Vorrichtung sind in dem international geschützten Verfahren und der Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktions­ gasen, u. a. im US Patent 50 52 918, niedergelegt.

Ein durchdachtes Verfahren zur Eisen-/Rohstahlherstellung mit einem Kohlenstoffgehalt von 2 bis 3% ist in der deutschen Patentschrift 33 18 005 beschrieben. Bei diesem Prozeß werden in einem Ein­ schmelzgefäß, in dem sich eine Eisenschmelze von ca. 120 t befindet, pro Stunde ca. 70 t Rohstahl erzeugt. Bei dem Verfahren handelt es sich um ein Verbundsystem aus einem Einschmelzreaktor, einem Gaskonditionierungsgefäß und einem Schachtofen für die Vorreduktion der Erze. Dieses Verfahren zur Eisenherstellung aus Erz ist dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Eisenschmelze austretenden Reaktionsgase im Einschmelzgefäß teilweise nachver­ brannt werden, wobei die dabei entstehende Wärme weitgehend an die Schmelze übertragen wird und die Reaktionsgase auf dem Weg zum Erzreduktionsgefäß mit Reduktionsmitteln abgekühlt und redu­ ziert werden. Dieser Prozeß zeichnet sich, neben der angegebenen Produktivität, durch eine verhältnismäßig kleine Umlaufgasmenge von 80 000 Nm³/h aus, mit der man 110 t Eisenerz bis zu einem Metallisierungsgrad von ca. 75% reduziert, und anschließend verläßt das Gas den Schachtofen mit einer Zusammensetzung von ca. CO 41%, CO₂ 30%, H₂ 23%, H₂O 1%, N₂ 4%, um als Brauchgas zum Beispiel für Heizzwecke weiterverwendet zu werden.

In dem bislang beschriebenen Stand der Technik sind erfinderische Schritte, die zur wirtschaftlichen Durchführung eines Schmelzreduk­ tionsverfahrens wesentlich beitragen, deutlich zu erkennen. Während man beispielsweise schon vor relativ langer Zeit die Grundüber­ legungen zur Reduktion von Eisenerzen bei der Stahlerzeugung dargelegt hat, beschreibt u. a. der letztgenannte Prozeß in seinen Beispielen die betriebliche Anwendung der Schmelzreduktion mit Erzeugungsdaten und Gaszusammensetzungen und -mengen. Demgegen­ über ist in vielen neuen erteilten Schutzrechten zur Schmelzreduktion lediglich eine Aneinanderreihung von an sich bekannten Schritten zu finden, und quantitative Angaben zur Mengen- und Stoffbilanz dieser Prozesse fehlen in den Patentschriften. Als Beispiel dafür sei hier die zufällig ausgewählte US Patentschrift 49 85 068 genannt, deren Hauptanspruch wie folgt lautet: "A method for smelting reduction of iron oxide, comprising (a) feeding prereduced iron oxide into an enclosed smelter; (b) heating, melting and reducing said iron oxide to molten metal by combusting an excess of natural gas with oxygen, carburizing the molten metal by dissolving dissociated carbon in the metal, and forming a reacted off-gas; (c) introducing hot air into the enclosed smelter above the molten bath and oxidizing a portion of the off-gas to produce a flue gas; (d) cleaning and cooling flue gas to a temperature of from about 800°C to 950°C; (e) contacting said iron oxide with said cleaned flue gas to perform the prereducing function; and (f) drawing off molten iron product."

Anläßlich der European Ironmaking Conference im September 1991 in Glasgow, haben die Autoren Cusack/Hardie/Burke mit ihrem Beitrag "HIsmelt - Second Generation Direct Smelting" einen umfassenden Bericht über die Entwicklung der Schmelzreduktion vorgelegt, und aus dieser Veröffentlichung lassen sich eine Reihe wichtiger Prozeßparameter und deren Relation zueinander entnehmen. Auf den Grad der Vorreduktion der Erze in Abhängigkeit vom Nachverbren­ nungsgrad der Reaktionsgase und den daraus resultierenden Kohlebedarf für die Eisenerzeugung, wird ebenso eingegangen, wie auf den Entwicklungsstand der aus der Industrie bekanntgewordenen Schmelzreduktionsverfahren und ihrer wesentlichen Charakteristika. Aber den HIsmelt-Prozeß ist eine vereinfachte Stoff- und Wärmebilanz angegeben, und es wird für die im Bau befindliche Demonstrations­ anlage eine Erzeugungskapazität von 14 t Roheisen pro Stunde bzw. 100 000 t pro Jahr genannt.

Aus den vielen Vorveröffentlichungen über die Schmelzreduktion von Metallerzen und der Kombination einer Erzvorreduktionsstufe mit einem Einschmelzgefäß, sowie aus den bekanntgewordenen Einzelhei­ ten über die Versuchs- und Produktionsanlagen auf dieser Basis, lassen sich auch einige gemeinsame Nachteile erkennen. Die bekanntgewordenen Erzeugungskapazitäten, d. h. die Metallproduktion pro Zeiteinheit, sind relativ gering. Wahrscheinlich ergeben sich hier Grenzen durch die hohen Energieumsätze im Einschmelzreaktor. Weiterhin fällt auf, daß es zwar Unterschiede bei den aus dem Prozeß abzuführenden Gasmengen und deren Restenergieinhalte gibt, jedoch sind in jedem Fall erhebliche Gasmengen mit relativ hohem Heizwert aus dem Prozeß abzuführen. Dies gilt selbst auch für Verfahren, bei denen man die teilweise nachverbrannten Gase aus dem Einschmelzgefäß zur Erzvorreduktion mit relativ niedrigem Metallisierungsgrad nutzt. Die Wirtschaftlichkeit dieser Prozesse bleibt davon abhängig, welche Erlöse aus dem Verkauf der Gasüberschußmengen zu erzielen sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demzufolge darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es in wirtschaftlicher Weise möglich ist, die Produktivität im Einschmelzgefäß einer Schmelz­ reduktionsanlage deutlich zu steigern, d. h. auf das Gewicht der Metallschmelze im Einschmelzreaktor bezogen, eine sehr viel größere Menge Flüssigmetall im Vergleich zu den bekannten Verfahren pro Zeiteinheit zu erzeugen und die Gasausnutzung im Gesamtprozeß zu verbessern. Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung zielt also auf eine Verbesserung der Ökonomie bei der Metallerzeugung nach dem Schmelzreduktionsverfahren ab.

Nach der Erfindung gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß der Verbundprozeß aus mindestens drei Verfahrenseinheiten besteht und der Einschmelzreaktor eine Verfahrenseinheit bildet, während die Teilreduktion der Metallerze in mindestens zwei weiteren Verfahrenseinheiten durchgeführt wird, und daß in jeder dieser mindestens drei Verfahrenseinheiten ein unterschiedliches Abgas erzeugt wird, und daß das Abgas des Einschmelzreaktors nur durch eine Verfahrenseinheit zur Teilreduktion geleitet wird.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Schmelz­ reduktion von Metallerzen, bei dem in einem Verbundprozeß die Metallerze ein- oder mehrstufig teilreduziert und anschließend in einem Einschmelzreaktor vollständig zu Metall reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundprozeß aus mindestens drei Verfahrenseinheiten besteht und der Einschmelzreaktor eine Verfah­ renseinheit bildet, während die Teilreduktion der Metallerze in mindestens zwei weiteren Verfahrenseinheiten durchgeführt wird, und daß in jeder dieser mindestens drei Verfahrenseinheiten ein nach Menge, Zusammensetzung und Heizwert unterschiedliches Abgas erzeugt wird.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es in unvorhersehbarer Weise gelungen, die Produktion von flüssiger Metallschmelze in dem Einschmelzreaktor einer als Verbundprozeß aus mehreren Verfahrens­ einheiten aufgebauten Schmelzreduktionsanlage auf ungefähr das Doppelte gegenüber den bekannten Schmelzreduktionsanlagen zu steigern. Weiterhin ließ sich der Kohleverbrauch für die Erzeugung von 1 t Metallschmelze nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den bekannten Prozessen um mehr als 10% senken. Diese Brennstoffeinsparung ist wahrscheinlich auf den überraschenderweise deutlich höheren Nachverbrennungsgrad der Reaktionsgase im Einschmelzreaktor und gleichzeitig guter Wärmerückübertragung der bei der Gasnachverbrennung entstehenden Energie an das Metallbad zurückzuführen.

Bei allen bislang bekanntgewordenen Schmelzreduktionsverfahren in Kombination mit einer Erzvorreduktion setzt man die Reaktionsgase aus dem Einschmelzgefäß zur Vorreduktion der Metallerze ein. Dabei kann entweder ohne oder mit einer relativ geringen Nachverbrennung der Reaktionsgase im Einschmelzgefäß gearbeitet werden, um ein anwendbares Reduktionsgas für die Metallerze bei ihrer Vorreduktion zur Verfügung zu haben. Bei einem höheren Nachverbrennungsgrad im Einschmelzgefäß sind die Abgase entsprechend aufzubereiten, um ihr Reduktionspotential zu verbessern. Die dafür eingesetzten Gasaufbereitungsanlagen sind aufwendig und erfordern die Abküh­ lung der Gase für eine CO₂-Wäsche. Anschließend ist das gereinigte Gas dann wieder auf die günstige Reduktionstemperatur für die Metallerze aufzuheizen. Bei der weiterhin bekannten, direkten Reduktion der Abgase aus dem Einschmelzreaktor auf dem Weg zum Erzreduktionsgefäß mit entsprechenden Reduktionsmitteln, wie Kohlen­ stoff und Erdgas, ergeben sich bislang noch Schwierigkeiten bei der Betriebssicherheit und Reproduzierbarkeit dieses Verfahrensschrittes.

Das Verfahren gemäß der Erfindung geht hier einen vollkommen neuen Weg, der schließlich zu den überraschend günstigen Ergebnis­ sen führt. Dabei wird von einem Verbundprozeß für die Schmelzre­ duktion von Metallerzen ausgegangen, der sich aus mehreren, jedoch mindestens drei, Verfahrenseinheiten zusammensetzt. Es wird in diesem Zusammenhang bewußt der Begriff "Verfahrenseinheit" ge­ wählt, um gegenüber einem üblichen Verfahrensschritt deutlich herauszustellen, daß diese Einheiten im gesamten Verbundprozeß relativ selbständige Anlagen darstellen, die man unterschiedlich ausgestalten kann. Es sind lediglich die verfahrenstechnischen Auslegungsdaten der einzelnen Verfahrenseinheiten so aufeinander abzustimmen, daß ein für den erfindungsgemäßen Verbundprozeß gleichmäßiger Stofffluß gewährleistet wird. Zum Beispiel kann jeder der mindestens zwei Teilreduktionseinheiten mehrstufig ausgelegt sein. Es läßt sich u. a. ein mehrstufiges zirkulierendes Wirbelbett für eine oder beide der Verfahrenseinheiten für die Teilreduktion der Metallerze anwenden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbund­ prozesses für die Schmelzreduktion von Metallerzen, kann aus drei Verfahrenseinheiten bestehen, wobei die Verfahrenseinheit A der Einschmelzreaktor ist. Die Abgase aus dem Einschmelzreaktor weisen einen hohen Nachverbrennungsgrad auf und gelangen auf direktem Weg zu der Verfahrenseinheit B, einer Vorheiz- und Anfangsreduk­ tionsanlage für die Metallerze. Die Abgase aus dieser Verfahrensein­ heit B sind vollverbrannt, und ihre physikalische Restwärme kann beispielsweise direkt oder über Wärmeaustauscher für Heizzwecke genutzt werden. Die in der Verfahrenseinheit B aufgeheizten und ggf. leicht reduzierten Metallerze werden der dritten Verfahrensein­ heit C, der eigentlichen Teilreduktionsanlage, zugeführt und dort auf einen deutlich höheren Metallisierungsgrad vorreduziert und dann der Verfahrenseinheit A, dem Einschmelzreaktor, zugeleitet.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung entstehen in den drei verschiedenen Verfahrenseinheiten unterschiedliche Abgasströme, die sich sowohl in der Menge, der Gaszusammensetzung und dem Heizwert voneinander unterscheiden. Dabei wird im weiteren die Gaszusammen­ setzung durch den Nachverbrennungsgrad ausgedrückt, der bei der Beurteilung des Gesamtverfahrens, dem Verbundprozeß, und der einzelnen Verfahrenseinheiten eine wichtige Kennzahl darstellt. Der Nachverbrennungsgrad in Prozent ist wie folgt definiert:

Da als Reaktionsgase im Einschmelzreaktor praktisch nur CO und Hz aus dem Metallbad austreten, die dann im Gasraum darüber mit Sauerstoff oder Luft nachverbrannt werden, setzt sich das Abgas für jede Verfahrenseinheit, abgesehen von geringen Verunreinigungen, nur aus den Komponenten CO, H₂, CO₂, H₂O und dem Anteil N₂ aus der Nachverbrennungsluft zusammen. Beispielweise weist die Gaszu­ sammensetzung 16,3% CO, 10,0% CO₂, 3,59% H₂, 9,89% H₂O und 60,23% N₂ definitionsgemäß einen Nachverbrennungsgrad von 50% auf. In der weiteren Beschreibung gilt diese Angabe über den Nachverbrennungsgrad auch als implizite Größe für die Gaszusam­ mensetzung.

Bei der angegebenen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verbundprozesses für die Schmelzreduktion von Metallerzen, entstehen für die Erzeugung von 1 t Eisenschmelze mit ca. 3,5% Kohlenstoff aus einem hochwertigen Eisenerz, ungefähr die folgenden Abgasströme in den einzelnen Verfahrenseinheiten. Aus dem Ein­ schmelzreaktor, der Verfahrenseinheit A, strömen ca. 2000 Nm³ mit einer Temperatur von 1680°C und einem Nachverbrennungsgrad von 60% in die Vorheiz- und Anfangsreduktionsanlage, der Verfah­ renseinheit B. Der Abgasstrom aus dieser Verfahrenseinheit beträgt ca. 2600 Nm³ mit einer Temperatur von ca. 900°C und ist vollverbrannt, d. h. der Nachverbrennungsgrad beträgt 100%. In der Verfahrenseinheit C, also der Teilreduktionsanlage, wird aus Kohle und einem oxidierenden Gas, hauptsächlich Heißwind, gezielt ein Reduktionsgas erzeugt, und es verlassen diese Anlage ca. 825 Nm³ hochwertiges Brenngas mit einer Temperatur von 950°C, einem Nachverbrennungsgrad von 30% und einem Heizwert von 1,2 Mcal/Nm³. Dieses Gas läßt sich beliebig nutzen, z. B. kann es für die Erzeugung von Heißwind herangezogen werden.

Die einzelnen Anlagen oder Verfahrenseinheiten, in deren Verbund das erfindungsgemäße Schmelzreduktionsverfahren abläuft, können beispielsweise folgendermaßen gebaut und ausgelegt sein. Bei dem Einschmelzreaktor, der Verfahrenseinheit A, kann es sich um ein geneigt angeordnetes Trommelgefäß handeln, das über Einleitungs­ düsen mit Schutzmediumummantelung unterhalb der Badoberfläche verfügt, und Zugabevorrichtungen für verschiedene Feststoffe sowie eine oder mehrere Aufblasdüsen für Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltige Gase zur Nachverbrennung der Reaktionsgase im oberen Reaktorraum aufweist. Als Unterbaddüsen haben sich sowohl die üblichen Konstruktionen aus zwei konzentrischen Rohren und auch Ringschlitz­ düsen, wie sie beispielsweise die deutsche Patentschrift 24 38 142 beschreibt, ebenso bewährt wie einfache Rohre für die Zugabe von zusätzlichem Spülgas, um beispielsweise die Badbewegung in begrenzten Bereichen des Einschmelzreaktors zu erhöhen. Auch die Zufuhr von Spül- und Reaktionsgasen in die Schlackenzone des Gefäßes liegt im Sinne der Erfindung. Selbstverständlich sind dann die Düsen höher in der Seitenwand oder in einer entsprechenden Zugabeebene des Gefäßes bzw. seiner Ausmauerung eingebaut. Für die Zufuhr des Nachverbrennungssauerstoffes im Gasraum des Einschmelzreaktors können einmal mehrere einfache Rohre und zum anderen sogenannte Blockdüsen, bei denen aus einem Metallblock mit mehreren Kanälen brauseähnlich Gasstrahlen austreten, oder bevor­ zugt Aufblasdüsen gemäß der Patentschrift US 50 51 127 eingesetzt werden. Als sauerstoffhaltige Gase für die Nachverbrennung kommen reiner Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft und bevorzugt Heißwind, d. h. vorgewärmte Luft, mit oder ohne Sauer­ stoffzusatz, zum Einsatz.

Der Eintrag sämtlicher Feststoffe kann sowohl unterhalb der Badoberfläche als auch auf die Badoberfläche erfolgen. Bevorzugt führt man die Feststoffe, abhängig von ihrer Zusammensetzung, Korngröße und Temperatur, sowohl unterhalb der Badoberfläche als auch über die Aufblasdüsen bzw. besonderen Zuführungsrohre in den Aufblasdüsen der Schmelze zu. Beispielsweise ist es häufig der Fall, den abgeschiedenen Staub aus den verschiedenen Anlagenteilen durch Bodendüsen in die Schmelze zu rezirkulieren. Gleichzeitig bläst man Kohle, meistens nur Teilmengen des Gesamtbedarfs, und Erz, von Fall zu Fall auch die vorgeheizten teilreduzierten Erze, durch die Bodendüsen in den Einschmelzreaktor. Meistens führt man jedoch das vorreduzierte heiße Erz direkt aus der Verfahrenseinheit C von oben in den Einschmelzreaktor.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung strömt das Abgas aus dem Einschmelzreaktor, der Verfahrenseinheit A, in die Vorheizanlage, der Verfahrenseinheit B. Der Anlagentyp dieser Verfahrenseinheit ist nicht festgelegt. Es kann sich beispielsweise um einen Drehrohrofen, einen Schachtofen oder um ein normales Wirbelbett handeln. Als vorteilhaft hat sich ein zirkulierendes Wirbelbett herausgestellt. In diesem zirkulierenden Wirbelbett werden die Abgase aus dem Ein­ schmelzreaktor mit Sauerstoff oder Luft, vorzugsweise aber mit Heißwind, vollverbrannt. Jedoch nutzt man zuvor das Reduktionspo­ tential der Abgase zur Vorreduktion der Metallerze, und diese werden darüber hinaus von der eingebrachten Wärme getrocknet und aufgeheizt. Zusätzlich läßt sich in diesem zirkulierenden Wirbelbett Kalkstein entsäuern, um den entstehenden Branntkalk dann u. a. als Schlackenbildner im Einschmelzvergaser einzusetzen. Ebenso können hier weitere Zuschlagstoffe, insbesondere die Schlackenbildner, aufgeheizt und ggf. kalziniert werden. Die weitere Überschußenergie aus der Nachverbrennung der Abgase dient der Dampferzeugung in den bekannten Kühlelementen eines zirkulierenden Wirbelbettes. Das Abgas verläßt vollverbrannt und mit einer Temperatur von ca. 900°C diese Verfahrenseinheit B. Normalerweise verlassen die vorgeheizten Erze das zirkulierende Wirbelbett mit einem Vorreduktionsgrad von 10 bis 30%, jedoch liegt es auch im Sinne der Erfindung, die Erze in der Verfahrenseinheit B nur zu trocknen und aufzuheizen, um sie dann praktisch mit einem sehr geringen Vorreduktionsgrad oder gar nicht vorreduziert der eigentlichen Teilreduktionsanlage, der Verfahrenseinheit C, zuzuführen.

Gemäß der Erfindung handelt es sich bei der Teilreduktionsanlage, der Verfahrenseinheit C, um ein zirkulierendes Wirbelbett. Bekann­ termaßen setzt sich ein zirkulierendes Wirbelbett, stromabwärts gesehen, im wesentlichen aus einer Mischkammer, einem Steigrohr und einem Zyklon mit Feststoffrückführungsrohr zur Mischkammer zusammen. Bei so einem Wirbelbettreaktor, beispielsweise der Bauart Fluxflow, führt man der Mischkammer die Einsatzstoffe zu, und im Steigrohr befinden sich die Kühlsysteme, hauptsächlich Wärme­ austauscher, in denen auch Wasserdampf erzeugt werden kann. Neben den etwa 900°C heißen und leicht vorreduzierten Erzen und den Schlackenbildnern aus der Vorheiz- und Anfangsreduktions­ anlage, beschickt man die Verfahrenseinheit C weiterhin mit Kohle und den für die Verbrennung nötigen Sauerstoff, bevorzugt in Form von Heißwind. Die Feststoffe, bevorzugt in körniger oder gemahlener Form, werden pneumatisch zusammen mit der üblichen Trägergas­ menge der Teilreduktionsanlage zugeleitet.

Gemäß der Erfindung ist die zugeführte Kohlemenge größer, als in der Verfahrenseinheit C durch die eingeleitete oxidierende Gasmenge verbrannt werden kann, um das gewünschte hochwertige Reduktions­ gas zu erzeugen. Diese Überschußkohle befreit man in der Teilreduktionsanlage von ihren flüchtigen Bestandteilen, und der somit erzeugte Koks gelangt zusammen mit dem vorreduzierten Erz, das meistens einen Metallisierungsgrad in der Größenordnung von ca. 50% aufweist, und den Schlackenbildnern aus der Verfahrens­ einheit C in den Einschmelzreaktor, der Verfahrenseinheit A, und damit ist der Stoffkreislauf in diesem Verbundprozeß geschlossen.

Das zirkulierende Wirbelbett und dessen Betrieb mit der gezielten Teilreduktion der Metallerze und der gesteuerten Erzeugung eines wertvollen Abgases mit hohem Energieinhalt, stellt ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schmelzreduktion von Metallerzen dar. Diese Verfahrenseinheit bietet die Möglichkeit, unabhängig vom Nachverbrennungsgrad der Reaktionsgase im Ein­ schmelzreaktor und der weiteren Ausnutzung seiner Abgase, sowohl das Reduktionsgas selbst als auch den Vorreduktionsgrad der Erze optimal einzustellen. Neben dem Mengenverhältnis von Kohle und Verbrennungssauerstoff, kann auch über die Verweilzeit der Erze in diesem zirkulierenden Wirbelbett und durch die Menge des pneumati­ schen Fördergases bzw. eines zusätzlichen Inertgases, der Metalli­ sierungsgrad der Metallerze von 30% bis 70%, vorzugsweise von 35% bis 65%, gezielt eingestellt werden.

Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Verfahren durch die zusätzli­ che Erzeugung von Koks über die Befreiung der eingeleiteten Kohle von ihren flüchtigen Bestandteilen im zirkulierenden Wirbelbett die besonders wirtschaftliche Versorgung des Einschmelzreaktors mit Kohlenstoff als Heizmittel. Beispielsweise werden in der Teilreduk­ tionsanlage von der zugeführten Kohlemenge ungefähr die Hälfte als Koks, zusammen mit dem teilreduzierten Metallerz mit einem Metallisierungsgrad von ca. 55% und einer Temperatur von 950°C, dem Einschmelzreaktor zugeführt. Unter diesen Voraussetzungen ist es überraschenderweise möglich, die Roheisenerzeugung im gleichen Einschmelzreaktor, d. h. bei gleichem Schmelzgewicht und gleichen geometrischen Abmessungen, gegenüber den bekannten Verfahren ungefähr zu verdoppeln. Diese erhöhte Produktivität in einem Einschmelzreaktor bietet neben den bereits aufgezeigten ökonomischen Vorteilen, z. B. die Kalzinierung der Schlackenbildner und die Kokserzeugung, weitere wirtschaftliche Verbesserungen, hauptsächlich durch die nichtproportional mit der Erhöhung der Roheisenerzeugung ansteigenden Kosten für die feuerfeste Gefäßausmauerung, Wärmever­ luste der Anlagen und allgemeine Betriebs- und Personalkosten.

Bei den bislang bekanntgewordenen Verfahren zur Schmelzreduktion von Eisenerzen liegt die Produktionsrate in Tonnen pro Stunde, bezogen auf das mittlere Schmelzgewicht im Einschmelzgefäß - im weiteren Produktionskennzahl genannt -, bei maximal 0,6. Zum Beispiel bei dem in der deutschen Patentschrift 33 18 005 beschrie­ benen Einschmelzgefäß mit einem mittleren Gewicht der Eisenschmelze von 120 t, werden pro Stunde 70 t Roheisen erzeugt. Daraus errechnet sich eine Produktionskennzahl von 0,58. Unter "mittleres Gewicht der Eisenschmelze im Einschmelzreaktor" wird dabei das arithmetische Mittel des Gewichtes der Schmelze im Einschmelzgefäß vor und nach dem Abstich einer Charge oder Teilmenge verstanden. Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich Produktions­ kennzahlen von mehr als 0,8, vorzugsweise von mehr als 1,0, erzielen.

Obwohl das Verfahren gemäß der Erfindung schon in dem beschrie­ benen Verbund mit drei Verfahrenseinheiten eine überraschend hohe Produktivität und erhebliche wirtschaftliche Vorteile aufweist, liegt es im Sinne der Erfindung, weitere Verfahrenseinheiten, ggf. unter Einbeziehung bestehender Werksanlagen und externer Gasnutzung, in den Verbundprozeß einzubauen. So kann die Verfahrenseinheit B als mehrstufiges Wirbelbett ausgelegt werden oder aus zwei getrennten Anlagen vom gleichen oder unterschiedlichen Typ bestehen, bei­ spielsweise ist die Kombination von Drehrohrofen mit einem zirkulierenden Wirbelbett möglich. Vorteilhaft kann es sein, die Verfahrenseinheit C anstelle eines zirkulierenden Wirbelbettes, mit zwei weitgehend getrennt arbeitenden zirkulierenden Wirbelbettan­ lagen zu betreiben. Es ist dann möglich, im ersten zirkulierenden Wirbelbett eine höhere Nachverbrennungsrate einzustellen, d. h. die chemische Energie der zugeführten Kohle weiter auszunutzen. Den hohen Metallisierungsgrad des Erzes kann man dann im zweiten zirkulierenden Wirbelbett erreichen. Für die Energiebilanz des Verbundprozesses ergeben sich bei dieser zusätzlichen Verfahrensein­ heit, nämlich dem zweiten zirkulierenden Wirbelbett, das der eigentlichen Verfahrenseinheit C nachgeschaltet ist, Vorteile durch einen um etwa 20% niedrigeren Kohleverbrauch.

Eine empfehlenswerte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens mit dem Ziel, die Produktivität zu steigern und möglichst den Energiebedarf, d. h. den Kohleverbrauch, zu senken, ergibt sich aus einer Temperaturerhöhung des Heißwindes sowohl für die Kohlever­ brennung als auch für die Nachverbrennung der Reaktionsgase. Normalerweise wird Heißwind mit einer Temperatur von maximal 1200°C erzeugt. Bei den üblicherweise als Brennstoff für die Luftvorwärmung genutzten Abgasen aus den bekannten Schmelzreduk­ tionsprozessen ist eine weitere Steigerung der Heißwindtemperatur ohne Zusatz von energiereichem Gas nicht möglich. Die Verwendung des energiereichen Abgases aus der Verfahrenseinheit C erlaubt es ohne weiteres, Heißwindtemperaturen bis ca. 1400°C zu erzielen. Als Aufheizaggregat für die Luft läßt sich beispielsweise ein sogenann­ ter Pebbie Heater, wie ihn die deutsche Patentschrift 38 41 708 beschreibt, einsetzen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit gleicher Zielsetzung, wie zuvor genannt, wird mit der Sauerstoffanreicherung des Heißwindes erzielt. Die Sauer­ stoffanreicherung des Heißwindes kann bis zu Sauerstoffgehalten von 50% erfolgen. Es haben sich aber auch sehr viel geringere Sauerstoffanreicherungen, beispielsweise bis zu Sauerstoffgehalten von 25%, als überraschend günstig gezeigt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich mit der Kombination der beiden letztgenannten Verbesserungen erreichen, d. h. mit der Temperaturerhöhung des Heißwindes bei gleichzeitiger Heraufsetzung seines Sauerstoff­ gehaltes. So konnten beispielsweise mit Heißwindtemperaturen von 1350°C und zusätzlicher Anhebung des Sauerstoffgehaltes auf ca. 25%, bei der Erzeugung von 1 t flüssigem Roheisen ca. 50 kg Kohle eingespart werden, und die Produktivität im Einschmelzreaktor nahm in unvorhersehbarer Weise um ca. 40% zu.

Schließlich liegt es im Sinne der Erfindung, den Energiebedarf in den einzelnen Verfahrenseinheiten teilweise durch die Zufuhr von physikalischer Wärme zu decken, beispielsweise durch das Einleiten hochaufgeheizter, sich inert verhaltender Gase. Hierzu können unterschiedliche Gase mit Temperaturen von 900 bis 1600°C, vorzugsweise von 1200 bis 1400°C, herangezogen werden. Es haben sich beispielsweise das rückgeführte, vollverbrannte Abgas aus der Verfahrenseinheit B, Kohlendioxid und Stickstoff bewährt. Selbstver­ ständlich ist die Anwendung dieser heißen Gase zur Wärmezufuhr nicht auf die genannten Gasarten beschränkt, sondern vielmehr lassen sich vergleichbare Gase und beliebige Mischungen davon einsetzen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist bei der Wahl der Brennstoffe außerordentlich flexibel. Es können sowohl feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe einzeln oder in Mischungen verarbeitet werden. Es lassen sich beliebige Kohlesorten von den Gasflammkoh­ len bis hin zum Anthrazit ebenso einsetzen wie problematische brennbare Rückstände bei der Graphit- und Aluminiumerzeugung. Ebenso können Raffinerierückstände, alle Schwerölsorten, beliebige Öltypen, bis hin zum Dieselöl und leichtes Heizöl verwendet werden. Von den gasförmigen Brennstoffen haben sich neben Erdgas, Methan, Äthan, Propan, Butan und Mischungen davon als geeignet erwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand einer Schemazeichnung und anhand verschiedener Anwendungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verbundprozesses zur Schmelzreduktion von Metallerz mit den mindestens drei Verfahrenseinheiten.

Die Verfahrenseinheit A besteht aus dem Einschmelzreaktor, der über eine nicht dargestellte feuerfeste Ausmauerung verfügt, und in dem sich die Metallschmelze 2 befindet. Die Reaktionspartner werden durch die Bodendüsen 3, die Zugabevorrichtung 4 oberhalb der Badoberfläche und die Aufblasdüse 5 für das sauerstoffhaltige Gas, vorzugsweise Heißwind, in den Gasraum 6 des Einschmelzreaktors 1 eingeblasen. Die aus der Schmelze 2 austretenden Reaktionsgase reagieren im Gasraum 6 mit dem Sauerstoff des Heißwindes aus Düse 5, und die dabei freiwerdende Wärme wird mit einem Wirkungsgrad von über 80% an die Schmelze 2 übertragen. Das entstehende Abgas verläßt den Einschmelzreaktor 1 über die Abgasöffnung, die der Pfeil 7 symbolisiert. Die erzeugte Metallschmelze und die Schlacke verlassen den Einschmelzreaktor 1 durch die Abstichöffnung 8.

Die Verfahrenseinheit B oder Vorheiz- und Anfangsreduktionsanlage, besteht aus einem zirkulierenden Wirbelbett mit der Mischkammer 10, dem Steigrohr 11, in dem sich der Wärmeaustauscher 12 für die Dampferzeugung befindet, sowie dem Zyklon 13 mit der Feststoffrück­ führungsleitung 14 und dem Austrag 15. Über die Eintrittsöffnung 17 gelangt das Abgas aus der Verfahrenseinheit A in die Mischkammer 10 der Verfahrenseinheit B. Den Heißwind für die Nachverbrennung der eingeleiteten Gase sowie für die Erze und die zu kalzinierenden Schlackenbildner führt man über Öffnung 18 in die Mischkammer 10 ein. Das Abgas tritt aus dieser Verfahrenseinheit über die Öffnung 16 aus. Die Austrittsöffnung 19 ist für die vorgeheizten Feststoffe bestimmt, die von dort pneumatisch zur Verfahrenseinheit C gefördert werden.

Durch die Einblasöffnung 20 gelangen sämtliche Feststoffe in die Mischkammer 21 der Verfahrenseinheit C. Dabei handelt es sich um die aufgeheizten und anfangs reduzierten Metallerze, die kalzinier­ ten und aufgeheizten Schlackenbildner, die Kohle und um das für den pneumatischen Transport benötigte Fördergas. Über die Einblas­ öffnung 22 der Mischkammer 21 führt man die sauerstoffhaltigen Gase, meistens Heißwind, zur Verbrennung, vorzugsweise Teilver­ brennung, der in die Mischkammer 21 eingeführten Kohle zu. Durch die Austragöffnung 23 gelangen die Feststoffe der Verfahrenseinheit C, dies sind hauptsächlich die gezielt auf einen hohen Metallisie­ rungsgrad reduzierten Metallerze, und weiterhin die Schlackenbild­ ner und der Koks, in den Einschmelzreaktor, also in die Verfahrenseinheit A. Das relativ energiereiche Abgas der Verfahrens­ einheit C wird über die Abgasöffnung 24 den Verbrauchern, beispielsweise den Brennern der Pebble Heater für die Heißwinder­ zeugung, zugeleitet.

Der Betrieb der Verfahrenseinheit C und sinngemäß der Verfahrens­ einheit B, da es sich in diesem Beispiel auch um ein zirkulierendes Wirbelbett handelt, läuft grundsätzlich etwa folgendermaßen ab: In der Mischkammer 21 werden die Feststoffe, zugeführt durch die Öffnung 20 und über das Feststoffrückführungsrohr 29, durch die über die Einblasöffnung 22 einströmenden sauerstoffhaltigen Gase teilweise verbrannt und aus dem Gas und den Feststoffen eine Wirbelschicht erzeugt, die in das Steigrohr 30 aufsteigt, in dem der Kühler 25 angeordnet ist. Den Kühler 25 speist man über die Eintrittsöffnung 26 mit Wasser, und der entstehende Dampf entweicht über den Austritt 27. Die Wirbelschicht tritt anschließend tangential in den Zyklon 28 ein, und das hier im Zyklon 28 weitgehend von den Feststoffen befreite Abgas verläßt diesen über die Abgasöffnung 24. Die Feststoffe gelangen über das Feststoffrohr 31 zum Teil über die Austragsöffnung 23 zum Einschmelzreaktor, und ein anderer Teil strömt über das Feststoffrückführungsrohr 29 zurück in die Mischkammer 21. Die Aufteilung des Feststoffstromes geschieht durch nicht dargestellte Steuerventile, beispielsweise Schieber oder Aus­ tragsvorrichtungen, beispielsweise Zellenradschleusen. Von der Mischkammer aus zirkuliert der Feststoffstrom wie beschrieben erneut durch die Anlage.

Es folgen nun mehrere Beispiele, die das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern. Alle in den Beispielen genannten Zahlenangaben beziehen sich dabei auf die Erzeugung einer metrischen Tonne flüssigen Roheisens aus einem hochwertigen Eisenerz, z. B. einem typischen australischen Erz. Der Einschmelz­ reaktor, und damit auch die Roheisenproduktion, ist bei den Beispielen relativ klein gewählt und entspricht ungefähr einer Pilotanlage, bei der das Gewicht der Schmelze im Einschmelzreaktor im Mittel etwa 15 t beträgt. Die Erzvorreduktion, d. h. die Verfahrenseinheiten B und C, sind als zirkulierende Wirbelbett­ anlagen zum Beispiel der Bauart Fluxflow ausgelegt.

Das erste Beispiel dient dem Vergleich und beschreibt das bekannte Verfahren, bestehend aus einem Schmelzreduktionsgefäß mit einer Erzvorreduktionsstufe, wie es z. B. für den HIsmelt-Prozeß veröffent­ licht ist.

Dem Schmelzreduktionsgefäß werden über die Bodendüsen ca. 700 kg Kohle, ca. 150 kg rückgeführter Staub und oberhalb der Badoberflä­ che 1700 kg Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 20% und der Temperatur von 900°C zugeführt. Zur Nachverbrennung bläst man ca. 2800 Nm³ Heißwind mit einer Temperatur von 1200°C in den Gasraum über der Schmelze. Aus dem Schmelzreduktionsgefäß strömen 3700 Nm³ Abgas mit einer Temperatur von 1700°C und einem Nachverbren­ nungsgrad von 50% in die Erzvorreduktionsstufe, einem zirkulie­ renden Wirbelbett, das mit 350 kg Schlackenbildnern und 1600 kg Erz beschickt wird. Die Abgasmenge dieser Anlage beträgt 2300 Nm³ mit einer Temperatur von 900°C und einem Nachverbrennungsgrad von 70%. Der Heizwert liegt bei ca. 0,35 Mcal. Mit diesem bekannten Prozeß kann man maximal eine Produktionsrate von 7 t pro Stunde, entsprechend einer Produktionskennzahl von 0,47, erzielen, bei der eine Schlackenmenge von ca. 400 kg/t Roheisen anfällt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich dagegen im gleichen Einschmelzreaktor eine Produktion von ca. 13 t pro Stunde und damit eine Produktionskennzahl von 0,87 erreichen. Dazu werden in den Einschmelzreaktor 1 über die mit Schutzmedium ummantelten Bodendüsen 3 ca. 100 kg Kohle und der rückgeführte Staub der Gesamtanlage von ca. 250 kg, zusammen mit dem erforderlichen Trägergas eingeleitet. Über die Zugabevorrichtung 4 gelangen 250 kg Koks, ca. 1300 kg vorreduziertes Erz mit einem Vorreduk­ tionsgrad von 65% und einer Temperatur von 950°C in die Schmelze 2 des Einschmelzreaktors 1. Zur Nachverbrennung der Reaktionsgase aus der Schmelze 2 werden in den Gasraum 6 durch die Nachver­ brennungsdüse 5 ca. 1550 Nm³ Heißwind mit einer Temperatur von 1200°C geblasen. Durch die Abgasöffnung 7 gelangen ca. 2000 Nm³ Abgas mit einer Temperatur von ca. 1700°C und einem Nachverbren­ nungsgrad von ca. 60% über die Eintrittsöffnung 17 in die Mischkammer 10 der Vorheiz- und Anfangsreduktionsanlage. Dieser Verfahrenseinheit B führt man über die Einlaßöffnung zusätzlich 350 kg Schlackenbildner, 1500 kg Erz und ca. 450 Nm³ Heißwind zu. Die Abgasmenge dieser Verfahrenseinheit B beträgt 2500 Nm³ mit einer Temperatur von 900°C, und es ist vollverbrannt, d. h. es weist einen Nachverbrennungsgrad von 100% auf. Dieses Abgas strömt aus der Öffnung 16 den Endverbrauchern zu, die die physikalische Wärme des Gases nutzen.

Aus dieser Verfahrenseinheit B gelangen durch die Austragsöffnung 19 in das zirkulierende Wirbelbett der Verfahrenseinheit C 1600 kg leicht vorreduziertes Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 11% und einer Temperatur von 900°C. Zusätzlich führt man der Anlage C 500 kg Kohle und 300 Nm³ Heißwind zu. Die Abgasmenge dieser Anlage beträgt 800 Nm³ mit einer Temperatur von 950°C, einem Nachverbrennungsgrad von 30% und einem Heizwert von 1,2 Mcal/ Nm³. Von dieser Teilreduktionsanlage führt man die am Anfang des Beispiels genannten Erz- und Schlackenbildnermengen dem Ein­ schmelzreaktor zu.

Bei einem typischen Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren beträgt die Produktion ca. 15 t/h, entsprechend einer Produktions­ kennzahl von 1,0. Dabei gelangen in den Einschmelzreaktor aus der Teilreduktionsanlage (Verfahrenseinheit C) 250 kg Koks, 1300 kg vorreduziertes Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 65%, einer Temperatur von 950°C und einem Trägergasanteil von 60 Nm³. Zusätzlich strömen über die Bodendüsen 90 kg Kohle und ca. 250 kg rückgeführter Staub. Zur Reaktionsgasnachverbrennung benutzt man im Einschmelzreaktor 1500 Nm³ Heißwind mit einer Temperatur von 1200°C. Die Abgasmenge von ca. 1800 Nm³ mit einem Nachverbren­ nungsgrad von 70% und einer Temperatur von 1700°C strömt in das Wirbelbett der Vorheiz- und Anfangsreduktionsanlage (Verfahrensein­ heit B). Diese Anlage wird weiterhin mit 340 kg Schlackenbildnern, 1540 kg Erz und 270 Nm³ Heißwind beschickt. Aus der Verfahrensein­ heit B entweichen 2300 Nm³ vollverbranntes Abgas (Nachverbren­ nungsgrad 100%) mit einer Temperatur von 900°C. Wie bereits erläutert, führt man dieses Abgas zur Ausnutzung der physikali­ schen Wärme einem beliebigen Endverbraucher zu.

In der Teilreduktionsanlage (Verfahrenseinheit C) wird aus 540 kg Kohle und 660 Nm³ Heißwind ein hochwertiges Reduktionsgas hergestellt, um die 1600 kg Erz mit einer Temperatur von 900°C und einem Vorreduktionsgrad von 11%, die man aus der Verfahrensein­ heit B in die Verfahrenseinheit C übergeführt hat, auf den bereits genannten Vorreduktionsgrad (65%) zu reduzieren. Aus der Verfah­ renseinheit C entweichen 1200 Nm³ energiereiches Abgas mit einer Temperatur von 950°C, einem Nachverbrennungsgrad von 38% und einem Heizwert von 0,9 Mcal/Nm³. Dieses Gas kann beispielsweise dazu genutzt werden, um in einem Pebble Heater die Heißwindmenge für den erfindungsgemäßen Verbundprozeß aufzuheizen.

Schließlich zeigt ein drittes Beispiel, das die besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt, nämlich eine erhöhte Heißwindtemperatur mit gleichzeitiger Sauerstoffanreicherung des Heißwindes, die folgende Wärme- und Mengenbilanz. Der Schmelze im Einschmelzreaktor werden unterhalb der Badoberfläche ca. 50 kg Kohle und ca. 100 kg rückgeführter Staub mit den üblichen Trägergasmengen zugeführt. Oberhalb der Badoberfläche gelangen 1400 kg teilreduziertes Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 65% und 900°C in die Schmelze. Zur Nachverbrennung benutzt man ca. 1000 Nm³ Heißwind mit einer Temperatur von 1350°C und einem Sauerstoffgehalt von 24,5%. Die Abgasmenge aus der Verfahrenseinheit A, die der Verfahrenseinheit B zugeführt wird, beträgt 1260 Nm³ mit einer Temperatur von 1720°C und einem Nachverbrennungsgrad von 66%. Die Verfahrenseinheit B beschickt man mit ca. 1540 kg Erz, 330 kg Schlackenbildner und ca. 190 Nm³ Heißwind, ebenfalls mit 1350°C und 24,5% Sauerstoff. Aus der Verfahrenseinheit B entweichen 1680 Nm³ vollverbranntes Abgas mit einer Temperatur von 900°C. Von dieser Vorheiz- und Anfangsreduk­ tionsanlage gelangen 1640 kg Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 11% und einer Temperatur von 900°C, zusammen mit 530 kg Kohle und 530 Nm³ Heißwind, in das zirkulierende Wirbelbett der Verfahrenseinheit C. Die Abgasmenge aus dieser Teilreduktionsanlage liegt bei 1100 Nm³, und das Abgas weist eine Temperatur von 950°C, einen Nachverbrennungsgrad von 40% und einen Heizwert von 0,9 Mcal/Nm³ auf.

Es ergab sich für dieses Beispiel die außerordentlich hohe Produktionsrate von ca. 20 t pro Stunde Betriebszeit, entsprechend einer Produktionskennzahl von 1,33.

Das Verfahren gemäß der Erfindung, das es ermöglicht, Metallerze in einem Verbundprozeß aus mindestens drei Verfahrenseinheiten gezielt auf einen bestimmten Metallisierungsgrad teilzureduzieren und in einem Einschmelzreaktor mit bisher nicht gekannter Produktivität vollständig zu Metall zu reduzieren, zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus. Es läßt sich in bestehende metallurgische Werke, z. B. in ein Stahlwerk, vorteilhaft integrieren und den verschiedenen Produktionsbedingungen in günstiger Weise anpassen. Wie bereits zuvor erläutert, können sowohl die Vorheiz- und Anfangsreduktionsanlage ebenso wie die eigentliche Teilreduk­ tionsanlage ein- oder mehrstufig aufgebaut werden. Es kann weiterhin neben den drei hauptsächlich beschriebenen Verfahrensein­ heiten eine vierte Verfahrenseinheit, beispielsweise zur gleichzeiti­ gen Versorgung eines entsprechend ausgelegten Einschmelzreaktors, dem Verbundprozeß hinzugefügt werden.

Durch die gemäß der Erfindung getrennten Abgasströme der Verfahrenseinheiten B und C kann es sich für bestimmte Anwen­ dungsfälle auch als zweckmäßig erweisen, den Stofffluß zwischen diesen beiden Verfahrenseinheiten ganz oder teilweise zu unterbre­ chen. Es ist denkbar, einen Teil, bis hin zur gesamten Menge der erzeugten getrockneten und anfangsreduzierten Metallerze, zeitweise zwischenzulagern. Diese Betriebsweise ist zwar von der Energie­ bilanz her ungünstig, kann aber für die Anpassung des Verbund­ prozesses an bereits bestehende Produktionswege sinnvoll sein und liegt daher im Sinne der Erfindung.

Weiterhin liegt es im üblichen Rahmen der zweckmäßigen Umge­ staltung des Verbundprozesses, in den einzelnen Verfahrenseinheiten den Stofffluß nach der Betriebserfahrung abzuändern und zu variieren. Diese praxisnahen Anpassungen und vorteilhaften Weiter­ entwicklungen liegen ebenfalls im Sinne des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Claims (18)

1. Verfahren zur Schmelzreduktion von Metallerzen, bei dem in einem Verbundprozeß die Metallerze ein- oder mehrstufig teilreduziert und anschließend in einem Einschmelzreaktor vollstän­ dig zu Metall reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundprozeß aus mindestens drei Verfahrenseinheiten besteht und der Einschmelzreaktor eine Verfahrenseinheit bildet, während die Teilreduktion der Metallerze in mindestens zwei weiteren Verfahrens­ einheiten durchgeführt wird, und daß in jeder dieser mindestens drei Verfahrenseinheiten ein unterschiedliches Abgas erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den mindestens drei Verfahrenseinheiten ein nach Menge, Zusammensetzung und Heizwert unterschiedliches Abgas erzeugt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundprozeß aus drei Verfahrensein­ heiten, dem Einschmelzreaktor, Verfahrenseinheit A, der Vorheiz- und Anfangsreduktionsanlage, Verfahrenseinheit B, und der Teilre­ duktionsanlage, Verfahrenseinheit C, besteht.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundprozeß aus mehr als drei Verfahrenseinheiten besteht.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorheiz- und Anfangsre­ duktionsanlage, Verfahrenseinheit B, als Drehrohrofen oder Schacht­ ofen oder Wirbelbett oder zirkulierendes Wirbelbett eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilreduktionsanlage, Verfahrenseinheit C, ein zirkulierendes Wirbelbett eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrenseinheiten B und C ein- oder mehrstufig aufgebaut werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase im Ein­ schmelzreaktor mit hohem Nachverbrennungsgrad von 50 bis 80% mit sauerstoffhaltigen Gasen nachverbrannt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase aus dem Ein­ schmelzvergaser in der Vorheiz- und Anfangsreduktionsanlage vollverbrannt werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorheiz- und Anfangs­ reduktionsanlage die Metallerze aufgeheizt und mit einem Vorreduk­ tionsgrad von 0 bis 30% vorreduziert werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorheiz- und Anfangsreduktionsanlage die Schlackenbildner für das Erzreduk­ tionsgefäß, insbesondere Kalkstein (CaCO₃) und Flußmittel, aufge­ heizt und entsäuert werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeheizten und leicht vorreduzierten Metallerze aus der Vorheiz- und Anfangsreduktionsan­ lage der Teilreduktionsanlage zugeführt und dort mit Kohleüberschuß weiter reduziert werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Teilreduktionsanlage von der zugeführten Kohle ein Anteil verbrannt und der andere Anteil von den flüchtigen Bestandteilen befreit wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallerze in der Teilreduktionsanlage auf einen Metallisierungsgrad von 30% bis 70%, vorzugsweise von 35% bis 65%, gezielt vorreduziert werden.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die teilreduzieren Erze, der Koks und die Schlackenbildner im aufgeheizten Zustand aus der Teilreduktionsanlage dem Einschmelzreaktor zugeführt werden.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als oxidierende Gase für die Verbrennung der zugeführten Brennstoffe in allen Verfahrenseinheiten und für die Nachverbrennung der Reaktionsgase im Einschmelzreaktor Sauerstoff, Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft eingesetzt werden.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffangereicherten Gase, hauptsächlich Luft und sauerstoffangereicherte Luft, auf Temperaturen von 1000°C bis 1600°C und vorzugsweise von 1200°C bis 1400°C vorgeheizt werden.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Produktionskennzahl, definiert als die Produktionsrate der Metallschmelze in Tonnen pro Stunde, bezogen auf das mittlere Gewicht der Schmelze im Einschmelzgefäß in Tonnen, größer als 0,8, vorzugsweise größer als 1,0, eingestellt wird.