DE4426623A1

DE4426623A1 - Zweistufenverfahren zur Erzeugung von Eisencarbid aus Eisenoxid

Info

Publication number: DE4426623A1
Application number: DE19944426623
Authority: DE
Inventors: Jun Frank M Stephens
Original assignee: Iron Carbide Holdings Ltd
Current assignee: Iron Carbide Holdings Ltd
Priority date: 1994-01-14
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: US5869018A; DE4426623B4; US6328946B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Eisencarbid aus einem eisenhaltigen Be schickungsmaterial. Genauer gesagt nutzt die Erfindung ein Zweistufenverfahren, um in der ersten Stufe Eisenoxid in metallisches Eisen umzuwandeln und um in der zweiten Stufe metallisches Eisen in Eisencarbid, für die Verwendung bei der Stahlherstellung, umzuwandeln.

Die Stahlindustrie ist auf ein Verfahren angewiesen, das seit vielen Jahren bei der Umwandlung von Eisenerz in Stahl angewandt wurde. Das Verfahren wandelt unter Verwendung von in einem Verkokungsofen hergestelltem Koks Eisenerz in einem Hochofen in Roheisen um. Das Verfahren wandelt danach das Masseleisen oder flüssige Roheisen in einem Herdofen oder Sauerstoffaufblaskonverter in Stahl um.

In den letzten Jahren sorgten Bundes- und lokale Umwelt schutzvorschriften für zahlreiche Probleme bei den Stahl produzenten, die diese Stahlerzeugungsverfahren anwandten. Die in diesem Verfahren angewandte Hoch- und Verkokungsofen sind nicht nur energieintensiv, sondern zeichnen auch für die meisten umweltschädigenden Emissionen der Stahlproduzenten verantwortlich. Es ist teuer, Hochöfen und Verkokungsöfen so umzugestalten oder zu modifizieren, daß sie den Standardwerten für Schadstoffe gerecht werden. Die Verteuerung würde dazu führen, daß die Kosten für nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellten Stahl gegenüber denjenigen für durch aus ländische Wettbewerber hergestellten Stahl nicht mehr kon kurrenzfähig wären.

Um diese Probleme anzugehen, wurde ein Verfahren zur Stahlerzeugung entwickelt, das den Hochofen und Verkokungsofen im Verfahren der Stahlherstellung ausschließt. In dem Ver fahren wird ein Eisenoxidbett durch einen einzelnen Mehr komponentengasstrom fluidisiert und direkt in ein eisencarbid haltiges Produkt, das in erster Linie aus Fe₃C besteht, umge wandelt. Das Eisencarbid wird dann in einen Sauerstoffaufblas konverter oder einen Elektrolichtbogenofen gegeben, um Stahl zu erzeugen. In dem Verfahren finden Reduktions- und Aufkohlungs- bzw. Zementierungsreaktionen zusammen in dem gleichen Wirbelbett statt.

Ein anderes Verfahren wurde zur Erzeugung von nadel förmigem Eisencarbid mit erwünschten magnetischen Eigen schaften, zum Einsatz bei der magnetischen Aufzeichnung und als Katalysator zur Umwandlung von Co und H₂ in niedrige aliphatische Kohlenwasserstoffe, angewandt. In diesem Ver fahren wird ein Bett des nadelförmigen Eisenoxids durch ein Gas reduziert und ein Bett des Reduktionsprodukts wird dann durch ein anderes Gas aufgekohlt, um nadelförmiges Eisencarbid herzustellen. Das Verfahren krankt an einer langsamen Reak tionskinetik und großen Mengen an Verunreinigungen (ein schließlich Eisenoxid, freiem Kohlenstoff und metallischem Eisen) in dem nadelförmigen Eisencarbidprodukt.

Andere Techniken zur Umwandlung eines eisenhaltigen Beschickungsmaterials in ein eisencarbidhaltiges Produkt sind diskontinuierliche bzw. Batchverfahren, die teure Bestandteile erfordern und/oder bei denen andere Komplikationen während des Betriebs auftreten.

Es wäre vorteilhaft, ein kontinuierliches Verfahren zur Umwandlung von eisenhaltigen Materialien in Eisencarbid zur Verfügung zu stellen. Es wäre ferner vorteilhaft ein Eisen carbidprodukt mit umweltfreundlichen und/oder ungefährlichen Nebenprodukten herzustellen. Es wäre ein weiterer Vorteil die Reaktionskinetiken der chemischen Reaktionen zur Umwandlung der eisenhaltigen Materialien in Eisencarbid zu optimieren und ein Eisencarbidprodukt zu erzeugen, das eine hohe Reinheit aufweist.

Zusätzlich wäre es vorteilhaft, ein umweltfreundliches, energie-effizientes und billiges Verfahren zur Erzeugung von Stahl zu entwickeln. Es wäre ferner vorteilhaft, eisenhaltiges Material billig und wirksam in Eisencarbid für die Verwendung in der Stahlerzeugung umzuwandeln. Es wäre ferner vorteilhaft, den Hochofen und Verkokungsofen aus dem Stahlherstellungs verfahren zu eliminieren.

In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfin dung wird ein Zweistufenverfahren zur Herstellung von Eisen carbid zur Verfügung gestellt. In der ersten Stufe wird ein eisenhaltiges Beschickungsmaterial mit einem ersten Gas in Kontakt gebracht, um ein erstes, metallisches Eisen ent haltendes Produkt zu erzeugen. Das erste Gas enthält Wasser stoff. Der Wasserstoff in dem ersten Gas kann Wasserstoffgas, eine Wasserstoffgas-Vorstufe oder Mischungen davon sein.

Das erste Produkt enthält nicht mehr als ungefähr 49 Gewichtsprozent Eisencarbid. Um dieses Ergebnis zu liefern, enthält das erste Gas nicht mehr als eine vorgegebene Menge an reaktivem Kohlenstoff. Der hier verwendete Begriff "reaktiver Kohlenstoff" bezieht sich auf irgendeine kohlenstoffhaltige Verbindung, die geeignet ist, Kohlenstoff für das Aufkohlen von metallischem Eisen bei der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung der Reaktoratmosphäre zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel kann reaktiver Kohlenstoff Kohlen monoxid, Kohlendioxid und Mischungen davon einschließen. Das Aufkohlen des ersten Beschickungsmaterials ist unerwünscht, da es die Geschwindigkeit vermindert, mit der das Eisenoxid zu metallischem Eisen reduziert wird.

Es ist bevorzugt, daß das Eisenoxid in der ersten Stufe auf wasserfreier Basis mindestens ungefähr 90 Molprozent des Beschickungsmaterials ausmacht. Bevorzugt wird ein wesent licher Teil, bevorzugter eine Mehrheit des Eisenoxids, in dem ersten Beschickungsmaterial in der ersten Stufe in metal lisches Eisen umgewandelt. Die Anwesenheit von Eisenoxiden in dem ersten Produkt ist unerwünscht, da Eisenoxid in der zweiten Stufe die Reaktionskinetik verlangsamt und die Verweilzeit verlängert.

In einer zweiten Stufe wird das erste Produkt mit einem zweiten Gas in Kontakt gebracht, um ein zweites, eisencarbid haltiges Produkt zu erzeugen. Um ein zweites, eisencarbid haltiges Produkt zu erzeugen, schließt das zweite Gas (a) einen ersten Bestandteil ein, der Kohlenmonoxid oder eine Kohlenmonoxid-Vorstufe, Kohlendioxid oder eine Kohlendioxid- Vorstufe oder Mischungen davon enthält und (b) einen zweiten Bestandteil, der Wasserstoffgas oder eine Wasserstoffgas Vorstufe enthält. Das zweite Gas kann auch einen dritten Bestandteil einschließen, der Methan oder eine Methan-Vorstufe enthält. Das zweite Produkt kann direkt einem geeigneten Reaktor zur Umwandlung in Stahl zugeführt werden.

Eine Mehrheit des zweiten Produkts ist bevorzugt Eisencarbid. Es ist erwünscht, daß mindestens ungefähr 90 Molprozent, bevorzugter 95 Molprozent des Eisencarbids in Form von Fe₃C vorliegen. Im Gegensatz zu Fe₃C ist Fe₂C unerwünscht, da es hochreaktiv ist und oxidiert, wenn es der Luft ausgesetzt wird. Das zweite Produkt sollte nicht mehr als ungefähr 6 bis ungefähr 8 Molprozent an Verunreinigungen, einschließlich von metallischem Eisen, freiem Kohlenstoff und Eisenoxid enthalten. Verunreinigungen wie metallisches Eisen, freier Kohlenstoff und Eisenoxid können Probleme verursachen, wenn das zweite Produkt in Stahl umgewandelt wird und der Stahl zu nützlichen Gegenständen verarbeitet wird.

In dem zweiten Gas ist der erste Bestandteil bevorzugt Kohlenmonoxid oder eine Kohlenmonoxid-Vorstufe, Kohlendioxid oder eine Kohlendioxid-Vorstufe, oder Mischungen davon. Der erste Bestandteil sollte die primäre Kohlenstoffquelle bei der Umwandlung des metallischen Eisens in Eisencarbid sein. Obwohl das Methan oder die Methan-Vorstufe in dem dritten Bestandteil Kohlenstoff enthält, sind die bevorzugten Kohlenstoffquellen für das Aufkohlen des metallischen Eisens Kohlenmonoxid oder eine Kohlenmonoxid-Vorstufe, Kohlendioxid oder eine Kohlendioxid-Vorstufe, oder Mischungen davon. Wasser und nicht Wasserstoffgas ist ein Nebenprodukt des Kohlens unter Ver wendung der bevorzugten Verbindungen.

In dem zweiten Bestandteil begrenzt Wasserdampf, eine Wasserstoffgas-Vorstufe, im wesentlichen die Zersetzung des Kohlenmonoxids zu freiem Kohlenstoff, wodurch der freie Kohlenstoff im wesentlichen aus dem zweiten Produkt entfernt wird.

Der dritte Bestandteil, Methan, eine Methan-Vorstufe, oder Mischungen davon, verhindert, daß sich Wasserstoff mit dem Kohlenstoff im Eisencarbid umsetzt, eine Reaktion, die Eisencarbid in metallisches Eisen umwandeln würde. Metalli sches Eisen in dem zweiten Produkt kann unter Bildung von Eisenoxiden oxidieren, was zu Schwierigkeiten bei der Um wandlung des zweiten Produkts in Stahl führt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren. Bevorzugt werden die beiden Stufen in getrennten Reaktionszonen durchgeführt, um die Kontinuität des Verfahrens zu erleichtern. Bevorzugt ist die Reaktionszone in einer oder beiden Verfahrensstufen ein Wirbelbett.

Die Erfindung weist gegenüber bestehenden Verfahren und Apparaturen zahlreiche Vorteile auf. Eine Ausführungsform der Erfindung stellt vorteilhafterweise ein kontinuierliches Ver fahren zur Umwandlung von eisenhaltigen Materialien in Eisen carbid zur Verfügung. Die Erfindung vermeidet dabei einen An stieg an Betriebskosten, wie er mit den Batch-Verfahren ver bunden ist.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung stellt vor teilhafterweise ein Verfahren mit einer schnellen Reaktions kinetik zur Verfügung. Die Zusammensetzung eines jeden Gases kann so ausgewählt werden, daß in jeder Verfahrensstufe die Kinetik der Reaktion optimiert wird. Die Reaktionsbedingungen, wie Druck, Temperatur und Zeit, können ebenfalls so ausgewählt werden, um die Kinetik jeder Reaktion zu optimieren.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung stellt vorteil hafterweise ein Verfahren zur Verfügung, das ein Eisencarbid produkt von hoher Reinheit erzeugt. Das Eisencarbidprodukt ist im wesentlichen frei von Verunreinigungen, einschließlich von freiem Kohlenstoff, Eisenoxid und metallischem Eisen.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung erzeugt vor teilhafterweise Nebenprodukte, die umweltfreundlich und un schädlich sind. Das Hauptnebenprodukt ist Wasserdampf.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung stellt vor teilhafterweise ein umweltfreundliches, energie-effizientes und billiges Verfahren zur Stahlherstellung zur Verfügung. Das Verfahren beseitigt mittels direkter Umwandlung des eisen haltigen Materials in Eisencarbid, gefolgt von der Erzeugung von Stahl, den Hoch- und Verkokungsofen.

Fig. 1 stellt ein Fließschema einer Ausführungsform der Erfindung dar, das den Zweistufen-Ansatz zur Umwandlung eines eisenhaltigen Beschickungsmaterials in ein eisencarbidhaltiges Produkt aufzeigt,

Fig. 2 ist eine Graphik, die die Fe-O-H-C-Stabilität bei 800°K zeigt,

Fig. 3 stellt ein Fließschema einer anderen Ausführungs form der Erfindung dar, bei der getrennte Gas-Loops bzw. Gasumlaufsysteme für den ersten und zweiten Reaktor verwendet werden, und

Fig. 4 stellt die Daten für die Gaszusammensetzung, den Druck und die Temperatur für Beispiel 2 dar.

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen: In einer Ausführungs form der Erfindung kann ein Eisenmaterial 4 in einer Heizein richtung 6 erhitzt werden, um ein Beschickungsmaterial 8 zu erzeugen. Das Eisenmaterial 4 kann aus einem breiten Bereich eisenhaltiger Materialien ausgewählt werden, einschließlich von Eisenerzen und Eisenerzkonzentraten. Bevorzugt ist das Eisenmaterial 4 eines von oder eine Mischung aus verschiedenen Eisenoxiden, einschließlich Magnetit (Fe₃O₄), Hämatit (Fe₂O₃), Limonit (Fe₂O₃ · H₂O) und Geothit (Fe₃O₄ · H₂O), und Eisen hydroxiden, einschließlich Fe(OH)₂ und Fe(OH)₃. Bevorzugter ist das Eisenmaterial 4 eine Mischung aus Eisenoxiden und am bevorzugtesten enthält das Eisenmaterial 4 mindestens ungefähr 90 Molprozent Eisenoxide, auf wasserfreier Basis. In einigen Anwendungen, wie Eisenerze und Eisenerzkonzentrate, kann das Eisenmaterial 4 kleine Mengen an Wasser einschließen.

In der Heizeinrichtung 6 wird das Eisenmaterial 4 bevor zugt in einer oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um das Eisenoxid und andere Bestand teile des Eisenmaterials 4 zu oxidieren. Diese Stufe erhöht die Ausbeute an Eisencarbid, indem Magnetit in Hämatit und sulfidischer Schwefel in Schwefeldioxidgas oder stabilere Schwefelverbindungen (z. B. thermisch stabile Sulfate, gebildet durch Umsetzung des oxidierten sulfidischen Schwefels mit Alkali- und Erdalkalioxiden) umgewandelt wird und indem Wasser als Wasserdampf entfernt oder beseitigt wird.

Die Umwandlung des Magnetits in dem Eisenmaterial 4 in Hämatit in dem Beschickungsmaterial 8 vergrößert die Eisen carbidausbeute, da der Hämatit in dem ersten Reaktor 12 einfacher als Magnetit zu metallischem Eisen reduziert wird. Das Beschickungsmaterial 8 enthält bevorzugt mindestens ungefähr 90, bevorzugter mindestens ungefähr 95, und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 98 Molprozent Eisenoxide, auf wasserfreier Basis. Nach dem Erhitzen in der Heizein richtung 6 sollte der Eisenoxidbestandteil in dem Be schickungsmaterial 8 bevorzugt mehr als ungefähr 75, bevor zugter mehr als ungefähr 85 und am bevorzugtesten mehr als ungefähr 95 Molprozent Haematit und bevorzugt weniger als ungefähr 25, bevorzugter weniger als ungefähr 15, und am bevorzugtesten weniger als ungefähr 5 Molprozent Magnetit enthalten. Bevorzugt wird in der Heizeinrichtung 6 mindestens ungefähr 50, bevorzugter mindestens ungefähr 75, und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 95 Molprozent des Magnetits in dem Eisenmaterial 4 in Hämatit umgewandelt.

Die Ausbeute an Eisencarbid wird durch die Anwesenheit von sulfidischem Schwefel in dem Beschickungsmaterial 8 ver ringert, da der sulfidische Schwefel die Umwandlung von metallischem Eisen in Eisencarbid verzögert. Das Beschickungs material 8 sollte bevorzugt weniger als ungefähr 2, bevor zugter weniger als ungefähr 1 und am bevorzugtesten weniger als ungefähr 0,1 Molprozent sulfidischen Schwefel enthalten.

Die Ausbeute an Eisencarbid wird durch die Anwesenheit von Wasser oder Wasserdampf verringert, da Wasserdampf, der ein Nebenprodukt der Umwandlung von Eisenoxiden in metal lisches Eisen und von metallischem Eisen in Eisencarbid ist, der Erzeugung von metallischem Eisen und Eisencarbid Gleich gewichtsbeschränkungen auferlegen kann. Das Beschickungs material 8 sollte bevorzugt weniger als ungefähr 5, bevor zugter weniger als ungefähr 2 und am bevorzugtesten weniger als ungefähr 1 Molprozent Wasser aufweisen.

Die oxidierende Atmosphäre in der Heizeinrichtung 6 kann irgendein geeignetes oxidierendes Gas einschließen. Bevorzugt enthält das oxidierende Gas freien Sauerstoff, bevorzugter mindesten ungefähr 2 und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 5 Volumenprozent freien Sauerstoff.

Das Eisenmaterial 4 wird in der oxidierenden Atmosphäre bevorzugt auf eine Temperatur von ungefähr 500 bis ungefähr 800°C erhitzt, bevorzugter von ungefähr 550 bis ungefähr 700°C, und am bevorzugtesten von ungefähr 600 bis ungefähr 650°C.

Die Heizeinrichtung 6 kann jeder Heizbehälter sein, der geeignet ist, die bevorzugten Temperaturen zu erreichen. Bei spielsweise kann die Heizeinrichtung irgendeine Ofenein richtung oder irgendein Heizgerät sein, einschließlich eines Drehofens und eines mehrherdigen Ofens oder eines Schachtofens.

Das Beschickungsmaterial 8 kann mit einem ersten Gas 10 in einem ersten Reaktor 12 in Kontakt gebracht werden, um ein erstes Reaktorabgas 14 und ein erstes Produkt 16 zu erzeugen. Das erste Gas 10 sollte Wasserstoff enthalten, um die Eisenoxide und Hydroxide in dem Beschickungsmaterial 8 zu metallischem Eisen zu reduzieren. Bevorzugt liegt der Wasserstoff in Form von Wasserstoffgas, einer Wasserstoffgas- Vorstufe oder einer Mischung davon vor.

Obwohl keine Festlegung auf irgendeine Theorie beab sichtigt ist, wird doch angenommen, daß Wasserstoffgas die Eisenoxide und -hydroxide gemäß einer oder mehrerer der nachstehenden Gleichungen zu metallischem Eisen reduziert:

Fe₂O₃ + 3 H₂ → 2 Fe + 3 H₂O (1)
Fe₃O₄ + 4 H₂ → 3 Fe + 4 H₂O (2)
Fe(OH)₂ + H₂ → Fe + 2 H₂O (3)
2 Fe(OH)₃ + 3 H₂ → 2 Fe + 6 H₂O (4)

Es versteht sich, daß Kohlenmonoxid ebenfalls zur Reduktion der Eisenoxide und -hydroxide verwendet werden kann. Da das Kohlendioxid-Nebenprodukt der Reduktionsreaktion schwierig aus dem ersten Reaktor-Abgas 14 entfernt werden kann und freier Kohlenstoff in dem ersten Produkt 16 mittels Umsetzung abgeschieden werden kann, ist Kohlenmonoxid nicht das bevorzugte Reduktionsmittel.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Zusammen setzung des ersten Gases 10 auf Fig. 2 basieren. Fig. 2 ist ein für das Eisen-Sauerstoff-Wasserstoff-Kohlenstoff-System repräsentatives Stabilitätsdiagramm, das sich auf die Bildung von metallischem Eisen und Eisencarbid bei einer Betriebs temperatur von ungefähr 800°K in einem 5-Sorten-Gassystem bezieht, das Co, CO₂, H₂, CH₄ und H₂O enthält. Es versteht sich, daß sich das Stabilitätsdiagramm ändert, wenn sich die Betriebstemperaturen ändern. Obwohl der Gasdruck sich auf die Zusammensetzung des ersten Gases 10 auswirkt, verursacht er in dem Stabilitätsdiagramm keine Änderung. Das Stabilitäts diagramm zeigt, daß es durch Steuerung der Zusammensetzung der Gasatmosphäre und der Betriebstemperatur in dem ersten Reaktor 12 möglich ist, sicherzustellen, daß metallisches Eisen das Endprodukt ist.

Jeder Punkt des Stabilitätsdiagramms entspricht einer einzigartigen Gaszusammensetzung in dem 5-Sorten-Gassystem bei einer speziellen Betriebstemperatur und bei einem speziellen Druck. Es ist möglich, die doppellogarithmischen Koordinaten an dem Punkt in die einzigartige Gaszusammensetzung, basierend auf Gleichgewichtsbeschränkungen für das System, wie sie durch die nachstehenden Gleichgewichte repräsentiert werden, zu überführen.

CO + H₂O → CO₂ + H₂ (5)
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (6)

Wie durch die Gleichgewichte gezeigt wird, ist das S-Sorten- Gassystem ein Boulliardsystem Es versteht sich, daß, wenn eine Sorte in einem Boulliardsystem in weniger als der Gleich gewichtsmenge auftritt, die anderen Bestandteile des Systems eine Gleichgewichtskonzentration der Sorten in dem System erzeugen werden. Wenn das System zum Beispiel weniger als die Gleichgewichtskonzentration an Methan aufweist, werden einer seits Wasser und Wasserstoff und andererseits Kohlenmonoxid und Kohlendioxid unter Erzeugung der benötigten Methanmenge reagieren.

Die Menge an Wasserstoffgas und/oder an Wasserstoffgas- Vorstufe in dem ersten Gas 10 sollte mindestens gleich der jenigen Menge sein, die dem Betriebspunkt, ausgewählt in dem Fe-Bereich von Fig. 2, entspricht. Das erste Gas 10 enthält bevorzugt mindestens ungefähr 30, und bevorzugter mindestens ungefähr 35 und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 45 Molprozent Wasserstoffgas.

Bevorzugt enthält das erste Gas 10 nicht mehr als die jenigen Mengen an CO, CO₂, CH₄ und H₂O, die dem in dem Fe- Bereich von Fig. 2 ausgewählten Punkt entsprechen. Es versteht sich, daß Konzentrationen einer oder mehrere dieser Bestand teile, die im Überschuß gegenüber den in Fig. 2 gezeigten Mengen vorliegen, eine Verschiebung des ausgewählten Punktes in dem Stabilitätsdiagramm verursachen, was zur Erzeugung einer unerwünschten Sorte, einschließlich von Magnetit und Eisencarbid, führen kann. Bevorzugter enthält das erste Gas 10 nicht mehr als ungefähr 40 und bevorzugter nicht mehr als ungefähr 30 Molprozent an reaktivem Kohlenstoff.

In einer anderen Ausführungsform, gezeigt in Fig. 3, enthält das erste Gas 10 ein Wasserstoffgas, eine Wasser stoffgas-Vorstufe oder Mischungen davon und ist im wesentlichen frei von CO, CO₂ und CH₄. Diese Ausführungsform ist kein 5-Sorten-Gassystem, da zuwenig Kohlenstoff verfügbar ist, um Gleichgewichtskonzentrationen an CO, CO₂ und CH₄ zu erzeugen.

Es ist bevorzugt, daß mindestens ungefähr 70, bevorzugter mindestens ungefähr 80 und am bevorzugtesten mindestens 95 Molprozent der Eisenoxide in dem Beschickungsmaterial 8 in dem ersten Reaktor 12 in metallisches Eisen umgewandelt werden. Der Eisenbestandteil in dem ersten Produkt 16 beträgt bevorzugt mindestens ungefähr 65, bevorzugter mindestens ungefähr 75 und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 90 Molprozent an metallischem Eisen. Das erste Produkt 16 enthält bevorzugt nicht mehr als ungefähr 35, bevorzugter nicht mehr als ungefähr 25 und am bevorzugtesten nicht mehr als ungefähr 10 Gewichtsprozent Eisencarbid. Bevorzugt enthält das erste Produkt 16 weniger als ungefähr 10 Molprozent Eisenoxide. Die Anwesenheit von Eisenoxiden in dem ersten Produkt 16 ver langsamt die Reaktionskinetik, wenn das erste Produkt 16 in einem zweiten Reaktor 20 in Eisencarbid umgewandelt wird.

Der erste Reaktor 12 kann aus einer Vielzahl von Reak toren ausgewählt werden, einschließlich einem Wirbelbett reaktor, einem Drehofen oder einem mehrherdigen Ofen oder einem Schachtofen. Für das Beschickungsmaterial 8, das einen mittleren Durchmesser von nicht mehr als ungefähr 6,35 mm (1/4 inch) aufweist, ist der bevorzugte Reaktor ein Wirbelbett reaktor. Für das Beschickungsmaterial 8 mit einem mittleren Durchmesser von mindestens ungefähr 6,35 mm (1/4 inch) ist der bevorzugte Reaktor ein Schachtofen. Wirbelbettreaktoren weisen im Gegensatz zu Schachtofenreaktoren überall im Bett für feinere Teilchengrößen eine einheitliche Zusammensetzung des ersten Gases 10 auf, was einen wichtigen Faktor für die Ausbeute und Reinheit des ersten Produkts 16 darstellt. Der horizontale Querschnitt des Wirbelbettreaktors kann jeder gewünschten geometrischen Struktur entsprechen, er kann zum Beispiel rechtwinklig oder zylindrisch sein.

Für einen Wirbelbettreaktor beträgt die Tiefe des Bettes des Beschickungsmaterials 8 bevorzugt ungefähr 30,48 cm (1 Fuß) bis ungefähr 182,88 cm (6 Fuß), bevorzugter ungefähr 60,96 cm (2 Fuß) bis ungefähr 121,92 cm (4 Fuß) und am bevorzugtesten ungefähr 91,44 cm (3 Fuß). Die Größe des Beschickungsmaterials 8 in dem Bett beträgt bevorzugt ungefähr 0,05 mm bis ungefähr 1,5 mm, bevorzugter ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 1,5 mm und am bevorzugtesten ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 1,0 mm.

Während der Fluidisation des Beschickungsmaterials 8 in dem ersten Reaktor 12 beträgt der Druck des ersten Gases 12 über dem Wirbelbett bevorzugt ungefähr 103,421 × 10³ Pa (15 psia) bis ungefähr 551,581 × 10³ Pa (80 psia), bevorzugter ungefähr 137,895 × 10³ Pa (20 psia) bis ungefähr 482,633 × 10³ Pa (70 psia) und am bevorzugtesten ungefähr 206,843 × 10³ Pa (30 psia) bis ungefähr 413,686 × 10³ Pa (60 psia). Die Ober flächengeschwindigkeit des ersten Wirbelgases 12 beträgt bevorzugt ungefähr 30,48 cm/sec (1,0 Fuß/Sekunde) bis ungefähr 121,92 cm/sec (4,0 Fuß/Sekunde,) bevorzugter ungefähr 30,48 cm/sec (1,0 Fuß/Sekunde) bis ungefähr 106,68 cm/sec (3,5 Fuß/Sekunde), und am bevorzugtesten ungefähr 45,72 cm/sec (1,5 Fuß/Sekunde) bis ungefähr 106,68 cm/sec (3,5 Fuß/Sekunde).

Die Temperatur des Beschickungsmaterials 8 in dem ersten Reaktor 12 sollte ausreichen, um pyrophores metallisches Eisen zu erzeugen. Wie bekannt sein dürfte, ist pyrophores metal lisches Eisen die bevorzugte Form des metallischen Eisens, da die hohe Reaktivität des pyrophoren metallischen Eisens die Reaktionsgeschwindigkeiten vergrößert und die Verweilzeiten verringert. Die Temperatur des Beschickungsmaterials 8 in dem Wirbelbett beträgt bevorzugt ungefähr 400 bis 700°C, bevor zugter ungefähr 500 bis ungefähr 600°C und am bevorzugtesten ungefähr 550 bis ungefähr 600°C.

Um das Beschickungsmaterial 8 wirkungsvoll in einem Wir belbettreaktor in metallisches Eisen umzuwandeln, ist es be vorzugt, daß das Beschickungsmaterial 8 während einer Zeit dauer in Kontakt mit dem ersten Gas 10 bleibt, die ausreicht, daß die diffusionsgesteuerte Bildung von metallischen Eisen bis zum Ende fortschreitet. Bevorzugt beträgt die Verweilzeit ungefähr 10 bis ungefähr 600 Minuten, bevorzugter 30 bis unge fähr 300 Minuten und am bevorzugtesten ungefähr 60 bis unge fähr 300 Minuten.

Das erste Produkt 16 wird von dem ersten Reaktor 12 zu einem zweiten Reaktor 20 überführt und mit einem zweiten Gas 18 in dem zweiten Reaktor 20 in Kontakt gebracht, um ein zweites Reaktorabgas 22 und ein zweites Produkt 24 zu erzeugen. Das zweite Gas 18 ist ein Mehrkomponentengasstrom, der das metallische Eisen in dem ersten Produkt 16 aufkohlt und es in Eisencarbid verwandelt.

Das zweite Gas 18 enthält bevorzugt reaktiven Kohlen stoff, um das metallische Eisen zu kohlen, und Wasserstoffgas oder eine Wasserstoffgas-Vorstufe. In einer Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, daß das zweite Gas 18 Konzen trationen an reaktivem Kohlenstoff und Wasserstoff aufweist, die größer sind als die Gleichgewichtskonzentrationen in Fig. 2, um die Zeit zu verringern, die erforderlich ist, um das metallische Eisen in Eisencarbid umzuwandeln.

Der bevorzugte reaktive Kohlenstoff ist Kohlenmonoxid oder eine Kohlenmonoxid-Vorstufe, Kohlendioxid oder eine Kohlendioxid-Vorstufe oder eine Mischung davon. Basierend auf Fig. 2 beträgt die Gleichgewichtskonzentration an Kohlen monoxid bevorzugt ungefähr 2 bis ungefähr 10, bevorzugter ungefähr 2 bis ungefähr 8, und am bevorzugtesten ungefähr 2 bis ungefähr 6 Molprozent. Die Gleichgewichtskonzentration an Kohlendioxid beträgt bevorzugt ungefähr 1 bis ungefähr 5, bevorzugter ungefähr 1 bis ungefähr 4, und am bevorzugtesten ungefähr 1 bis ungefähr 3 Molprozent.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält das zweite Gas 18 bevorzugt nicht mehr als ungefähr 50, bevorzugter nicht mehr als ungefähr 45, und am bevorzugtesten nicht mehr als ungefähr 40 Molprozent Kohlenmonoxid. Das zweite Gas 18 enthält bevorzugt nicht mehr als ungefähr 50, bevorzugter nicht mehr als ungefähr 45, und am bevorzugtesten nicht mehr als ungefähr 40 Molprozent Kohlendioxid. Wie klar sein dürfte, kann das zweite Reaktorabgas 22 Nebenprodukte enthalten, einschließlich Methan und Wasserdampf.

Obwohl hier keine Festlegung auf eine bestimmte Theorie beabsichtigt ist, wird doch angenommen, daß das zweite Gas 18 das metallische Eisen entsprechend einer oder mehreren der nachstehenden Gleichungen in Eisencarbid umwandelt:

3 Fe + CO + H₂ → Fe₃C + H₂O (7)
3 Fe + CO₂ + 2 H₂ → Fe₃C + 2 H₂O (8)
2 Fe +CO + H₂ → Fe₂C + H₂O (9)
2 Fe + CO₂ + 2 H₂ → Fe₂C + 2 H₂O (10)

Wie aus den vorstehenden Gleichungen ersichtlich ist, sind Kohlenmonoxid und Kohlendioxid die primären Kohlen stoffquellen für die Umwandlung von metallischem Eisen in Eisencarbid. Es ist bevorzugt, daß das Eisencarbid in dem zweiten Produkt 24 aus mindestens ungefähr 90, bevorzugter mindestens ungefähr 92, und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 95 Molprozent Fe₃C besteht. Bevorzugt besteht das Eisencarbid aus weniger als ungefähr 1, bevorzugter weniger als ungefähr 0,5 und am bevorzugtesten weniger als ungefähr 0,1 Molprozent Fe₂C. Fe₂C ist im Gegensatz zum FeC₃ hoch reaktiv und wird, wenn es der Luft ausgesetzt wird, reoxidiert.

Die Entfernung des Sauerstoffs in dem Kohlenmonoxid und Kohlendioxid gestattet die Freisetzung des Kohlenstoffs für die Bildung des Eisencarbids. Der Sauerstoff in dem Kohlen monoxid und/oder Kohlendioxid verbindet sich mit dem in Bezug auf die Gleichgewichtsmenge überschüssigen Wasserstoffgas in dem zweiten Gas 18 und wird in Wasser umgewandelt.

Das Wasserstoffgas und/oder die Wasserstoff-Vorstufe, wie Wasserdampf, vermindert im wesentlichen die Abscheidung von freiem Kohlenstoff auf dem Eisencarbid in dem zweiten Produkt 24. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das zweite Gas 18 bevorzugt bis zu ungefähr 50, bevorzugter bis zu ungefähr 40 und am bevorzugtesten bis zu ungefähr 30 Mol prozent Wasserstoffgas.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung entspricht die in der in Fig. 2 aufgeführte Gleichgewichtskonzentration an Wasserstoff in dem zweiten Gas 18 der gewünschten Minimal konzentration an Wasserstoff in dem zweiten Gas 18. Basierend auf Fig. 2 beträgt die Gleichgewichtskonzentration an Wasser stoffgas in dem zweiten Gas 18 bevorzugt ungefähr 25 bis ungefähr 40, bevorzugter ungefähr 25 bis ungefähr 35, und am bevorzugtesten ungefähr 30 bis ungefähr 35 Molprozent.

Der freie Kohlenstoff resultiert aus dem Vorhandensein von Kohlenmonoxid in dem zweiten Gas 18 in einer in Bezug auf die Gleichgewichtskonzentration des Kohlenmonoxids in Fig. 2 überschüssigen Menge. Obwohl hier keine Festlegung auf eine bestimmte Theorie erfolgen soll, wird doch angenommen, daß überschüssiges Kohlenmonoxid sich zu freiem Kohlenstoff zer setzt oder sich mit Wasserstoff entsprechend den nachstehenden Gleichungen umsetzt:

2 CO → CO₂ + C (11)
CO + H₂ → H₂O + C (12)

und daß die Anwesenheit von Wasserstoffgas, einer Wasser stoffgas-Vorstufe, oder Mischungen davon in dem zweiten Gas 18 die nachstehende Gleichung begünstigt:

CO₂ + H₂ → CO + H₂O (13)

Wie aus diesen Gleichungen ersichtlich ist, schränkt die Anwesenheit von Wasserdampf, einer Wasserstoff-Vorstufe und Kohlendioxid die Zersetzung des überschüssigen Kohlenmonoxids in freien Kohlenstoff ein und das Wasserstoffgas wandelt überschüssiges Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Wasser um.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält das zweite Gas 18 Methan oder eine Methan-Vorstufe und Wasserdampf. In dieser Ausführungsform können das Methan und der Wasserdampf entweder von außen in das System mit dem zweiten Gas 18 oder intern in das System (wenn das System ein Recycling-Gasumlaufsystem aufweist) als Nebenprodukte der Aufkohlungsreaktion eingeführt werden. In dieser Ausführungs form werden sich die Konzentrationen der fünf Bestandteile in dem zweiten Gas 18 mit der Zeit ändern. Die Methan konzentration in dem zweiten Gas wird entsprechend dem ausgewählten Punkt in Fig. 2 auf die Gleichgewichts konzentration ansteigen.

Das Methan oder die Methan-Vorstufe verringert die Zersetzung des Eisencarbids wesentlich. Basierend auf Fig. 2 enthält das zweite Gas 18 im Gleichgewicht bevorzugt bis zu ungefähr 65, bevorzugter bis zu ungefähr 60, und am bevor zugtesten bis zu ungefähr 55 Molprozent Methan.

Die Zersetzung des Eisencarbids wird durch ein Ungleich gewicht der Wasserstoffaktivität gegenüber der Kohlenstoff aktivität in dem zweiten Gas 18 verursacht. Obwohl keine Festlegung auf eine bestimmte Theorie beabsichtigt ist, wird doch angenommen, daß sich Eisencarbid entsprechend der nach stehenden Gleichungen zu metallischem Eisen zersetzen kann:

Fe₃C + 2 H₂ → 3 Fe + CH₄ (14)
Fe₂C + 2 H₂ → 2 Fe + CH₄ (15)

Die Anwesenheit von Methan oder einer Methan-Vorstufe in dem zweiten Gas 18 verschiebt das Gleichgewicht nach links, oder zur Bildung von Eisencarbid. Wie klar sein dürfte, wäre jedes metallische Eisen in dem zweiten Produkt 24 pyrophor und würde leicht oxidieren. Wenn das zweite Produkt 24 zu Stahl umgewandelt würde, würden die Eisenoxide eine überschüssige Energiezufuhr bei der Umwandlung erfordern.

Obwohl Methan und Methan-Vorstufen Kohlenstoff enthalten, ist es bevorzugt, daß Methan oder eine Methan-Vorstufe keine Kohlenstoffquelle für die Aufkohlung des metallischen Eisens darstellen. Die Verwendung des Kohlenstoffs in dem Methan oder der Methan-Vorstufe zur Bildung des Eisencarbids könnte Wasserstoffgas erzeugen, wie durch die Rückreaktionen in den vorstehenden Gleichungen gezeigt wird. Das Nebenprodukt Was serstoffgas würde die Zusammensetzung des zweiten Gases 18 verändern und den ausgewählten Punkt in Fig. 2 nach links verschieben. In Bezug auf die Gleichgewichtsmenge überschüs siges Wasserstoffgas ist mittels Gaswaschtechniken schwer aus einem Gasstrom zu entfernen.

Das überschüssige Wasserstoffgas würde mit dem Eisen carbid reagieren und erneut metallisches Eisen und Methan bilden, wodurch unreines Eisencarbid erzeugt würde. Mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle enthält das Eisencarbid nicht nur weniger Verunreinigungen, sondern es tritt als Nebenprodukt der Umwandlung von metallischem Eisen zu Eisencarbid auch eher Wasser als Wasserstoffgas auf. Es versteht sich, daß Wasserdampf leichter in dem Gaswäscher bzw. dem Skrubber 36 zu entfernen ist als Wasserstoffgas.

Basierend auf dem Vorstehenden versteht es sich, daß das Methan in der Erfindung eine Art von Gleichgewichtsfaktor (balance wheel) darstellt. Wenn das 5-Elemente-Gas zusätz lichen Wasserstoff oder Kohlenstoff erfordert, wird das Methan mit anderen Bestandteilen unter Erzeugung des benötigten Materials reagieren. Wenn das System zu viel Wasserstoff oder Kohlenstoff aufweist wird sich Methan bilden.

Das zweite Gas 18 kann auch Wasserdampf enthalten. Das zweite Gas 18 enthält bevorzugt nicht mehr als ungefähr 1,5, bevorzugter nicht mehr als ungefähr 1 und am bevorzugtesten nicht mehr als ungefähr 0,5 Volumenprozent Wasserdampf. Wie klar sein dürfte, verschiebt die geringe Konzentration an Wasserdampf in dem zweiten Gas 18 das Gleichgewicht in den Gleichungen (7) bis (10) zugunsten der Bildung von Eisencarbid und Wasser nach rechts.

Das zweite Produkt 24 ist nicht pyrophor, enthält einen hohen Prozentsatz an Eisen und weist eine hohe Reinheit auf.

Die eisenhaltigen Materialien in dem zweiten Produkt 24 betragen bevorzugt mindestens ungefähr 90, bevorzugter min destens ungefähr 92, und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 95 Molprozent Eisencarbid. Das zweite Produkt 24 enthält bevorzugt weniger als ungefähr 5 Molprozent Eisenoxide, weniger als ungefähr 1 Molprozent freien Kohlenstoff, und weniger als ungefähr 2 Molprozent metallisches Eisen.

Der zweite Reaktor 20 kann aus einer großen Vielfalt an geeigneten Reaktoren ausgewählt werden, einschließlich einem Wirbelbettreaktor, einem Drehofen oder einem mehrherdigen Ofen oder einem Schachtofen. Für ein erstes Produkt 16 mit einem mittleren Durchmesser von nicht mehr als ungefähr 6,35 mm (1/4 inch) ist der bevorzugte Reaktor ein Wirbelbettreaktor. Für ein erstes Produkt 16 mit einem mittleren Durchmesser von mindestens ungefähr 6,35 mm (1/4 inch) ist der bevorzugte Reaktor ein Schachtofen. Wirbelbettreaktoren weisen im Gegensatz zu Schachtofenreaktoren überall im Bett für feinere Teilchengrößen eine einheitliche Zusammensetzung des zweiten Gases 18 auf, was einen wichtigen Faktor für die Ausbeute und Reinheit des zweiten Produkts 24 darstellt. Der horizontale Querschnitt des Wirbelbettreaktors kann jeder gewünschten geometrischen Struktur entsprechen, er kann zum Beispiel rechtwinklig oder zylindrisch sein.

Für einen Wirbelbettreaktor als den zweiten Reaktor 20 beträgt die Tiefe des Bettes bevorzugt ungefähr 30,48 cm (1 Fuß) bis ungefähr 182,88 cm (6 Fuß), bevorzugter ungefähr 60,96 cm (2 Fuß) bis ungefähr 121,92 cm (4 Fuß) und am bevorzugtesten ungefähr 91,44 cm (3 Fuß). Die Größe des mittleren Durchmessers des ersten Produkts 16 in dem Bett beträgt bevorzugt zwischen ungefähr 0,05 mm bis ungefähr 1,5 mm, bevorzugter ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 1,5 mm und am bevorzugtesten ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 1 mm.

Während der Fluidisation des ersten Produkts 16 in dem zweiten Reaktor 20 beträgt der Druck des zweiten Gases 18 über dem Wirbelbett bevorzugt ungefähr 103,421 × 10³ Pa (15 psia) bis ungefähr 620,538 × 10³ Pa (90 psia), bevorzugter ungefähr 103,421 × 10³ Pa (15 psia) bis ungefähr 517,107 × 10³ Pa (75 psia), und am bevorzugtesten ungefähr 206,843 × 10³ Pa (30 psia) bis ungefähr 413,686 × 10³ Pa (60 psia). Die Ober flächengeschwindigkeit des zweiten Wirbelgases 18 beträgt bevorzugt ungefähr 30,48 cm/sec (1,0 Fuß/Sekunde) bis ungefähr 121,92 cm/sec (4,0 Fuß/Sekunde,) bevorzugter ungefähr 30,48 cm/sec (1,0 Fuß/Sekunde) bis ungefähr 106,68 cm/sec (3,5 Fuß/Sekunde), und am bevorzugtesten ungefähr 45,72 cm/sec (1,5 Fuß/sec) bis ungefähr 106,68 cm/sec (3,5 Fuß/Sekunde).

Die Temperatur des ersten Produkts 16 in dem Wirbelbett beträgt bevorzugt ungefähr 400 bis ungefähr 600°C, bevorzugter ungefähr 500 bis ungefähr 600°C und am bevorzugtesten ungefähr 550 bis ungefähr 590°C.

Um das erste Produkt 16 wirkungsvoll in Eisencarbid umzuwandeln, ist es bevorzugt, daß das erste Produkt 16 während einer Zeitdauer mit dem zweiten Gas 18 in Kontakt bleibt, die ausreicht, daß die diffusionsgesteuerte Bildung von metallischen Eisen bis zum Ende fortschreitet. Bevorzugt beträgt die Verweilzeit ungefähr 30 bis ungefähr 600 Minuten, bevorzugter ungefähr 60 bis ungefähr 300 Minuten, und am bevorzugtesten ungefähr 120 bis ungefähr 300 Minuten.

Nach einer ausreichenden Zeit in dem zweiten Reaktor 20 wird das zweite Produkt 24 entfernt. Bevorzugt wird mindestens ungefähr 90, bevorzugter mindestens ungefähr 94, und am bevorzugtesten mindestens ungefähr 98 Gewichtsprozent des metallischen Eisens im ersten Produkt 16 in dem zweiten Reaktor 20 in Eisencarbid umgewandelt.

Das zweite Produkt 24 kann beim Verlassen des zweiten Reaktors 20 eine Wasserstoffschicht auf seiner Oberfläche aufweisen. Da eine katalytische Verbrennung des Wasserstoffs zu einer Erhitzung des Materials führen kann, die für eine Oxidation ausreicht, ist es wünschenswert das zweite Produkt 24 einer Behandlung zur Entfernung der Wasserstoffschicht zu unterziehen. Das zweite Produkt 24 kann zum Beispiel einem Strom eines Inertgases unterzogen werden oder in ein Vakuum eingebracht werden, um den Wasserstoff zu entfernen.

In dem zweiten Reaktor 20 und dem modifizierten Sauer stoffaufblaskonverter 26 ist nur eine kleine Wärmemenge erfor derlich, um das Verfahren auto-thermal zu gestalten. Es versteht sich, daß die Erfindung auch andere Anwendungen als die Bereitstellung von Eisencarbid für die Umwandlung in Stahl aufweist. Für das Stahlerzeugungsverfahren kommt das zweite Produkt 24 bei einer erhöhten Temperatur von ungefähr 500 bis ungefähr 600°C, bevorzugter von ungefähr 520 bis ungefähr 590°C, und am bevorzugtesten von ungefähr 550 bis ungefähr 590°C aus dem zweiten Reaktor 20 . Das zweite Produkt 24 kann bei dieser Temperatur direkt zu dem modifizierten Sauerstoff aufblaskonverter gegeben werden. Alternativ dazu kann das zweite Produkt 24 auf ungefähr 1200°C erhitzt werden, um im wesentlichen die gesamte Wärme zur Verfügung zu stellen und das Verfahren auto-thermal zu machen.

Das erste Reaktorabgas 14, das eine Temperatur von ungefähr 500 bis ungefähr 600°C aufweist, wird mit dem zweiten Reaktorabgas 22 vereinigt, um das Abgas 30 zu bilden. Das Abgas 30 passiert einen Wärmeaustauscher 32, der ein Umlaufgas 34 erhitzt. Ausgehend von dem Wärmeaustauscher 32 passiert das Abgas 30 einen Gaswäscher 36.

Der Gaswäscher 36 schließt einen Venturi-Wäscher 37 ein, um feine Teilchen und überschüssige Wärme aus dem Abgas 30 zu entfernen und einen Füllturmbereich 35, wo das Abgas 30 gegenläufig zum Wasser bei ungefähr 70°C strömt, um in den ersten und zweiten Reaktoren 12, 20 gebildetes Wasser zu kon densieren und das Umlaufgas 34 zu bilden.

Das Umlaufgas 34 passiert einen geeigneten Kompressor 38 und dann den Wärmeaustauscher 32, wo es mittels des Abgases 30 auf ungefähr 400°C erhitzt wird. Ein Teil des Umlaufgases 34 kann abgelassen werden, um die Bildung unerwünschter Bestand teile zu überprüfen. Das Umlaufgas 34 wird in der Heizeinrich tung 40 auf eine Temperatur zwischen ungefähr 550 und ungefähr 700°C erhitzt.

Das erste Gas 10 ist eine Mischung aus dem Umlaufgas 34 und dem ersten Make-up-Gas 42. Die Mengen an dem Umlaufgas 34 und dem ersten Make-up-Gas 42 in dem ersten Gas 10 hängen von der Zusammensetzung eines jeden Gases und der gewünschten Zusammensetzung des ersten Gases 10 ab. Nach dem Mischen der beiden Gase wird das erste Gas 10 dem ersten Reaktor 12 bei einer Temperatur zwischen ungefähr 550 und 700°C zugeführt.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Ofenabgas 44 aus einem modifiziertem Sauerstoffaufblaskonverter 26 direkt zu dem zweiten Make-up-Gas 46 geleitet werden. Im wesentlichen wird der gesamte reaktive Kohlenstoff, der in dem zweiten Reaktor 20 verwendet wurde, um metallisches Eisen in Eisencarbid umzuwandeln, als Kohlenmonoxid in dem modifizier ten Sauerstoffaufblaskonverter 26 zurückgewonnen und durch den zweiten Reaktor 20 dem Kreislauf wiederzugeführt, um für die Erzeugung von Eisencarbid wiederverwendet zu werden.

Es wird auf Fig. 3 Bezug genommen, einer anderen Aus führungsform der Erfindung, wo ein Eisenmaterial 4 in einer Heizeinrichtung 6 erhitzt werden kann, um ein Beschickungs material 8 zu erzeugen. Das Beschickungsmaterial 8 kann mit einem ersten Gas 10 in einem ersten Reaktor 12 in Kontakt gebracht werden, um das erste Reaktorabgas 14 und ein erstes Produkt 16 zu erzeugen. Nach einer ausreichenden Zeit in dem ersten Reaktor 12 kann das erste Produkt 16 in einen zweiten Reaktor 20 überführt werden.

Das erste Reaktorabgas 14 wird durch einen ersten Wärmeaustauscher 48 geleitet, der ein erstes Umlaufgas 50 erhitzt. Von dem ersten Wärmeaustauscher 48 strömt das erste Reaktorabgas 14 durch einen ersten Gaswäscher 52.

In dem ersten Gaswäscher 52 wird ein Venturi-Wäscher (nicht gezeigt) verwendet, um feine Teilchen und etwas überschüssige Wärme aus dem ersten Reaktorabgas 14 zu entfernen. Das erste Reaktorabgas 14 strömt dann zu einem Füllturmbereich (nicht gezeigt) des ersten Gaswäschers 52, wo das erste Reaktorabgas 14 gegenläufig zum Wasser strömt, um in dem ersten Reaktor 12 gebildetes Wasser zu kondensieren und das Umlaufgas 50 zu bilden. Das erste Umlaufgas 50 durchströmt den ersten Wärmeaustauscher 48, wo es durch das erste Reaktorabgas 14 erhitzt wird. Ein Teil des ersten Umlaufgases 50 kann abgelassen werden, um die Bildung unerwünschter Bestandteile zu überprüfen. Das Umlaufgas 50 wird in einer ersten Vorheizeinrichtung 54 erhitzt.

Das erste Gas 10 ist eine Mischung aus dem ersten Umlaufgas 50 und einem ersten Make-up-Gas 56. Die Mengen an dem Umlaufgas 50 und dem ersten Make-up-Gas 56 in dem ersten Gas 10 hängen von der Zusammensetzung eines jeden Gases und der gewünschten Zusammensetzung des ersten Gases 10 ab. Nach dem Mischen der beiden Gase wird das erste Gas 10 durch einen geeigneten Kompressor geleitet (nicht gezeigt) und dem ersten Reaktor 12 zugeführt.

Das erste Produkt 16 wird mit einem zweiten Gas 18 in einem zweiten Reaktor 20 in Kontakt gebracht, um ein zweites Reaktorabgas 28 und ein zweites Produkt 24 zu erzeugen. Nach einer ausreichenden Zeitdauer in dem zweiten Reaktor 20 kann das zweite Produkt 24 in den modifizierten Sauerstoffaufblas konverter 26 überführt werden.

Das zweite Reaktorabgas 28 strömt durch einen zweiten Wärmeaustauscher 58, der ein zweites Umlaufgas 60 erhitzt. Aus dem zweiten Wärmeaustauscher 58 strömt das zweite Reaktorabgas 28 durch einen zweiten Gaswäscher 62.

In dem zweiten Gaswäscher 62 wird ein Venturi-Wäscher (nicht gezeigt) verwendet, um feine Teilchen und etwas über schüssige Wärme aus dem zweiten Reaktorabgas 28 zu entfernen. Das zweite Reaktorabgas 28 strömt dann zu einem Füll turmbereich (nicht gezeigt) des zweiten Gaswäschers 62, wo das zweite Reaktorabgas 28 gegenläufig zum Wasser strömt, um in dem zweiten Reaktor 20 gebildetes Wasser zu kondensieren und das zweite Umlaufgas 60 zu bilden.

Das zweite Umlaufgas 60 durchströmt den zweiten Wärme austauscher 58, wo es durch das zweite Reaktorabgas 28 erhitzt wird. Ein Teil des zweiten Umlaufgases 60 kann abgelassen werden, um die Bildung unerwünschter Bestandteile (z. B. Stickstoff) in dem zweiten Umlaufgas 60 zu überprüfen. Das zweite Umlaufgas 60 wird in einer zweiten Vorheizeinrichtung 64 erhitzt.

Das zweite Gas 18 ist eine Mischung aus dem zweiten Um laufgas 60 und einem zweiten Make-up-Gas 66. Das Ofenabgas 44 aus dem modifizierten Sauerstoffaufkonverter 26 kann direkt zu dem zweiten Make-up-Gas 66 geleitet werden, um einen Teil des Kohlenmonoxids in dem zweiten Make-up-Gas 66 zu liefern. Die Mengen an dem zweiten Umlaufgas 18 und dem zweiten Make-up-Gas 66 in dem zweiten Gas 18 hängen von der Zusammensetzung eines jeden Gases und der gewünschten Zusammensetzung des zweiten Gases 18 ab. Das zweite Gas 18 wird durch einen geeigneten Kompressor (nicht gezeigt) geleitet und dem zweiten Reaktor 20 zugeführt.

BEISPIELE Beispiel 1

Als ein Beispiel für die Wirksamkeit des Zweistufenver fahrens für die Erzeugung von Eisencarbid wurde zunächst Magnetiterz, das 69,8 Prozent Eisen und weniger als 2 Prozent Gangart enthielt, in einem Wirbelbett-Laborreaktor unter Ver wendung eines Wirbelgases mit hohem Wasserstoffgehalt als Reduktionsgas zu metallischem Eisen reduziert. Der Reaktor wies ein Umlaufsystem (recycling loop) für das Wirbelgas auf, das dem in Fig. 1 gezeigten glich. Nachdem die Probe bei einer Temperatur von 500°C im wesentlichen vollständig in metallisches Eisen umgewandelt worden war, wurde ein Wirbel gas, das Wasserstoffgas zusammen mit Kohlenmonoxid und Kohlen dioxid enthielt, in das System eingeleitet. Es versteht sich, daß der Kohlenstoff in dem Kohlenmonoxid und dem Kohlendioxid mit einem Teil des überschüssigen Wasserstoffs unter Erzeugung von Methan reagiert. Als Ergebnis wird eine Gleichgewichts menge an Methan in dem Umlaufgas anwesend sein.

Innerhalb einiger Minuten nach dem Kontakt mit dem Wirbelgas begann das metallische Eisen in Eisencarbid (Fe₃C) umgewandelt zu werden und nach drei Stunden ergab eine Analyse des Materials in dem Wirbelbettreaktor 97,5% Fe₃C, mit weniger als 0,2% in dem Produkt verbleibendem FeO oder Fe₃O₄.

Die analytischen Daten für diese Untersuchung sind in den nachstehenden Tabellen 1-3 wiedergegeben. Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung des Magnetiterzes

Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung des Magnetiterzes

Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzung für dem Reaktor produkt entnommenen Proben.

Tabelle 2

Chemische Zusammensetzung des Produkts

Tabelle 3 gibt die chemischen Verbindungen in dem Produkt, basierend auf einer Mössbaueranalyse des Produkts wieder.

Tabelle 3

Chemische Zusammensetzung des Produkts

Beispiel 2

Um die Unterschiede der in dem Zweistufenverfahren für die Erzeugung von Eisencarbid eingeschlossenen, grundlegenden Reaktionen im Vergleich mit denjenigen aufzuzeigen, die in dem in U.S.-Patent 4.053.301 beschriebenen Einstufenverfahren eingeschlossen sind, wurde eine Untersuchung durchgeführt, bei der ein hochwertiger Haematiterz in einem Wirbelbettreaktor bei 500°C ungefähr 250 Minuten lang zunächst zu metallischem Eisen reduziert wurde.

Das metallische Eisen wurde dann mit einem Gas, das eine Zusammensetzung aus Fig. 2 aufwies, die für die direkte Umwandlung von Eisenoxid in Eisencarbid geeignet ist, fluidisiert. Die Gaszusammensetzung entspricht der Gleich gewichts-Gaszusammensetzung an einem ausgewählten Punkt in dem Fe₃C-Bereich von Fig. 2. An dem ausgewählten Punkt wies die Gleichgewichts-Gaszusammensetzung ungefähr 60 Volumen-% Methan und 20 Volumen-% Wasserstoff mit einer Spurenmenge an vorhandenem Kohlenmonoxid und Kohlendioxid auf. Die Probe wurde 175 Minuten lang mit dem Gas in Kontakt gebracht, während dieser Zeit bildete sich wenig oder kein Eisencarbid.

Nach dem Ende der 175 Minuten wurde die Gaszusam mensetzung verändert, um ein Beschickungsgas zur Verfügung zu stellen, das ungefähr 5 bis ungefähr 40% Kohlenmonoxid, ungefähr 3 bis ungefähr 30% Kohlendioxid und ungefähr 20 bis ungefähr 80% Wasserstoff enthielt. Wie vorstehend in der Diskussion von Beispiel 1 bemerkt, war in dem Umlaufgas Methan vorhanden. An der Probe war sofort eine Umwandlung von metallischem Eisen in Eisencarbid feststellbar. Nach 160 Minuten war das Eisen in der Probe vollständig zu Eisencarbid umgewandelt worden, ohne Eisenoxide, und wobei in der Probe nur 1,7% metallisches Eisen zurückblieb. (Siehe Tabelle 5). In der fertigen Probe war kein freier Kohlenstoff anwesend, wobei die gesamten 6,5% des Kohlenstoffs als Fe₃C vorhanden waren.

Analytische Daten für diese Untersuchung sind in der nachstehenden Tabelle 4-6 mit den Daten der Gaszusammensetzung und der Temperatur für die graphisch in Fig. 4 gezeigte Unter suchung wiedergegeben. Diese Daten zeigen, daß die Umwandlung von metallischem Eisen in Eisencarbid leicht unter Verwendung von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle erreicht werden kann. Im Gegensatz zu den Eisenoxiden im Einstufenverfahren wird metallisches Eisen unter Verwendung des reaktiven Kohlenstoffs im Methan als einer Kohlen stoffquelle nicht einfach in Eisencarbid verwandelt. Obgleich hier keine Festlegung auf eine Theorie erfolgen soll, so wird doch angenommen, daß das Fehlen von Sauerstoff in dem System die Umwandlung von metallischen Eisen zu Eisencarbid mittels der Einstufen-Gasmischung verzögert. Das Fehlen von Sauerstoff verhindert, daß das System den überschüssigen Wasserstoff als Wasserdampf entfernt. Wasserdampf ist der einzige Bestandteil des Gases, der von einem Gaswäscher in dem Umlaufgassystem entfernt wird. Dementsprechend wird nur genug metallisches Eisen in Eisencarbid unter Erzeugung einer Gleichgewichtsmenge an Wasserstoffgas umgewandelt. In dem Einstufenverfahren liegt das Eisen in Form von Eisenoxid (nicht als metallisches Eisen) vor, das genügend Sauerstoff liefert, wenn das Eisenoxid sich in Eisencarbid umwandelt, um eine Bildung von Wasser zu gestatten, wodurch es dem Methan gestattet wird, als Kohlenstoffquelle zu fungieren.

Tabelle 4 gibt die chemische Zusammensetzung der Haema titerzprobe wieder. Tabelle 5 gibt die chemischen Zusammen setzungen wieder für die Probe vor einer Röststufe, um den Magnetit in der Probe zu Hämatit zu oxidieren, für die Probe nach einer Röststufe, für die Probe nach der Reduktionsstufe, und für die Probe nach der Aufkohlungsstufe. In der Auf kohlungsstufe wurde das Gas, das Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthält, ungefähr 160 Minuten lang mit der Probe in Kontakt gebracht, danach wurde eine Aufkohlung unter Verwendung der Einstufengasmischung versucht. Tabelle 6 gibt im Gegensatz dazu die Zusammensetzungen des Beschickungs materials vor der Reduktion ("Beschickung"), nach der Reduk tion ("Reduziertes Fe"), nach der versuchten Aufkohlung unter Verwendung der Einstufengasmischung ("Einstufen-Gasmisch.") und unter Verwendung der gleichen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff-Gasmischung wieder, auf die vorstehend in Bezug auf Tabelle 5 ("CO+CO₂+H₂") Bezug genommen wurde. Die endgültige Zusammensetzung der Probe (wenn das Experiment nach einer gesamten Dauer von 585 Minuten beendet wird) ist in Tabelle 5 (siehe "Endbett") wiedergegeben.

Tabelle 4

Analyse der chemischen Zusammensetzung des Produkts

Tabelle 5

Chemische Zusammensetzung der Probe unter Verwendung von Mössbauer- und Kohlenstoffanlaysetechniken

Tabelle 6

Chemische Zusammensetzung der Probe unter Verwendung von Mössbauer- und Kohlenstoffanalysetechniken

Obgleich verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, versteht es sich für den Fachmann, daß Modifikationen und Anpassungen dieser Ausführungsformen auftreten können. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hinge wiesen, daß solche Modifikationen und Anpassungen sich im Geltungsbereich der Erfindung befinden, wie er in den nach stehenden Ansprüchen dargelegt ist.

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Umwandlung von eisenhaltigem Material in Eisencarbid dar. Das Verfahren schließt eine erste Stufe ein, in der das eisenhaltige Material mit einem reduzierenden Gas in Kontakt gebracht wird, daß nicht mehr als eine kleine Menge an reaktivem Kohlenstoff enthält, um metallisches Eisen zu erzeugen, und eine zweite Stufe, in der das metallische Eisen mit einem reduzierenden und aufkohlenden Gas unter Erzeugung von Eisencarbid in Kontakt gebracht wird.

Das reduzierende und aufkohlende Gas schließt reaktiven Kohlenstoff, Wasserstoff und Methan ein. Das Eisencarbid produkt ist von hoher Reinheit.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Eisencarbid, umfassend:

(a) das In-Kontakt-bringen eines Beschickungs materials, umfassend Eisen, mit einem ersten Gas, umfassend Wasserstoff, unter Erzeugung eines ersten Produkts, umfassend metallisches Eisen, wobei das erste Produkt nicht mehr als ungefähr 35 Gewichtsprozent Eisencarbid enthält; und
(b) das In-Kontakt-bringen des ersten Produkts mit einem zweiten Gas, umfassend (i) einen ersten Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenmonoxid oder einer Kohlenmonoxid-Vorstufe, Kohlendioxid oder einer Kohlen dioxid-Vorstufe, oder Mischungen davon, (ii) einen zweiten Bestandteil, umfassend Wasserstoffgas oder eine Wasserstoff gas-Vorstufe, und (iii) einen dritten Bestandteil, umfassend Methan oder eine Methan-Vorstufe, unter Erzeugung eines zweiten Produkts, umfassend Eisencarbid.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stufen (a) und (b) in getrennten Reaktionszonen durchgeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das In-Kontakt bringen in Stufe (a) das Fluidisieren eines Bettes des ersten Beschickungsmaterials mit dem ersten Gas umfaßt, und das In- Kontakt-bringen in Stufe (b) das Fluidisieren eines Bettes des ersten Produkts mit dem zweiten Gas umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschickungs material Eisenoxid umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschickungs material Magnetit und Haematit umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Erhitzen des Beschickungsmaterials in einer oxidierenden Atmosphäre vor der Stufe (a) auf eine Temperatur umfaßt, die ausreicht, um das Beschickungsmaterial zu oxidieren.

8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Beschickungs material weniger als ungefähr 4 Molprozent Wasser umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Beschickungsmaterials in Stufe (a) in einem Bereich von ungefähr 400 bis ungefähr 700°C liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 3, wobei mindestens ungefähr 90 Molprozent des Beschickungsmaterials aus Eisenoxid, auf wasserfreier Basis, besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein wesentlicher Teil des Eisenoxids in Stufe (a) in metallisches Eisen umgewandelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Mehrheit des ersten Produkts aus metallischem Eisen besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Produkt pyrophores metallisches Eisen umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wasserstoff in dem ersten Gas aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffgas, einer Wasserstoffgas-Vorstufe oder Mischungen davon ausgewählt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das erste Gas mindestens ungefähr 30 Molprozent Wasserstoff umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des ersten Produkts in Stufe (b) im Bereich von ungefähr 400 bis ungefähr 600°C liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Mehrheit des metallischen Eisens in Stufe (b) in Eisencarbid umgewandelt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Gas nicht mehr als eine vorgegebene Menge an reaktivem Kohlenstoff umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein erster Teil des ersten Bestandteils aus der Gruppe bestehend aus Kohlen monoxid, einer Kohlenmonoxid-Vorstufe oder einer Mischung davon ausgewählt ist und ein zweiter Teil des ersten Bestandteils aus der Gruppe bestehend aus Kohlendioxid, einer Kohlendioxid-Vorstufe oder einer Mischung davon ausgewählt ist.

20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ungefähr 90 Molprozent des zweiten Produkts aus Eisencarbid bestehen.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das zweite Produkt nicht mehr als ungefähr 10 Molprozent Verunreinigungen enthält.

22. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend:

(c) Umwandlung des zweiten Produkts in Stahl.

23. Verfahren zur Umwandlung von Eisenoxid in Eisen carbid, umfassend:

(a) das In-Kontakt-bringen eines eisenhaltigen Beschickungsmaterials mit einem ersten Gas, umfassend Wasserstoffgas oder eine Wasserstoffgas-Vorstufe, in einer ersten Reaktionszone unter Umwandlung des eisenhaltigen Beschickungsmaterials in ein metallisches, eisenhaltiges Produkt, und
(b) das In-Kontakt-bringen des metallischen, eisen haltigen Produkts in einer zweiten Reaktionszone mit einem zweiten Gas, umfassend: (i) eine erste Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenmonoxid, einer Kohlen monoxid-Vorstufe, oder Mischungen davon, (ii) eine zweite Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlen dioxid, einer Kohlendioxid-Vorstufe, oder Mischungen davon, (iii) eine dritten Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffgas, einer Wasserstoffgas-Vorstufe, oder Mischungen davon, und (iv) eine vierte Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methan, einer Methan- Vorstufe, oder Mischungen davon, unter Bildung eines eisen carbidhaltigen Produkts.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das eisenhaltige Material mindestens 90 Molprozent Eisenoxid umfaßt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Eisenoxid aus mindestens ungefähr 75 Molprozent Haematit besteht.

26. Verfahren nach Anspruch 24, wobei mindestens 70 Molprozent des Eisenoxids in Stufe (a) in metallisches Eisen umgewandelt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Zeitdauer des In-Kontakt-bringens in Stufe (a) zwischen dem ersten Gas und dem eisenoxidhaltigen Beschickungsmaterial im Bereich von ungefähr 10 bis ungefähr 600 Minuten liegt.

28. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das metallische, eisenhaltige Produkt mindestens ungefähr 65 Molprozent metallisches Eisen umfaßt.

29. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das zweite Gas zwischen ungefähr 2 und 50 Molprozent der ersten Verbindung umfaßt.

30. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das zweite Gas zwischen ungefähr 1 und 50 Molprozent der zweiten Verbindung umfaßt.

31. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das zweite Gas zwischen ungefähr 25 und 50 Molprozent der dritten Verbindung umfaßt.

32. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das zweite Gas bis zu ungefähr 65 Molprozent der vierten Verbindung umfaßt.

33. Verfahren nach Anspruch 23, wobei mindestens 90 Molprozent des Eisencarbids aus Fe₃C bestehen.