DE60005161T2

DE60005161T2 - Vorrichtung zur verhinderung der gegenstrommischung in einem fluidatbettreaktor

Info

Publication number: DE60005161T2
Application number: DE60005161T
Authority: DE
Inventors: Hang-Goo Kim; Sun-Kwang Jeong; Il-Ock Lee; Nag-Joon Choi
Original assignee: Research Institute of Industrial Science and Technology RIST; Pohang Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Research Institute of Industrial Science and Technology RIST; Posco Holdings Inc
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: WO2001042515A1; BR0008796A; KR100321053B1; KR20010054550A; DE60005161D1; EP1165844A1; CA2367349A1; ATE249525T1; ZA200007246B; RU2201457C1; AU2026501A; AU777008B2; EP1165844B1; US20020136670A1

Description

(a) Gebiet der Erfindung
sDie vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbelschicht-Reduktionsreaktor und insbesondere einen Wirbelschicht-Reduktionsreaktor, der es verhindert, daß sich das umgesetzte Feineisenerz mit dem nicht-umgesetzten Feineisenerz rückvermischt.
(b) Beschreibung des Standes der Technik
Um durch Reduktion und Schmelzen von Eisenerz heißes metallisches Eisen herzustellen, wurde generell häufig ein Hochofen eingesetzt. Der Hochofen hat jedoch den Nachteil, daß die Beschickungsmaterialien vorbehandelt werden sollten, so daß sie stückiges Material wie gesintertes Eisenerz und Koks enthalten.
Zur Lösung eines derartigen Problems wurde ein Schmelzund Reduktionsverfahren zur unmittelbaren Verwendung von Feineisenerz und Kohle ohne Vorbehandlung entwickelt.
Das Schmelz- und Reduktionsverfahren basiert auf dem Einsatz eines Einschmelzvergasers und eines Wirbelschicht-Reduktionsreaktors. Der Einschmelzvergaser vergast die eingetragene Kohle unter Bildung eines Reduktionsgases und schmilzt das aus dem Wirbelschicht-Reduktionsreaktor zugeführte reduzierte Eisen. Der Wirbelschicht-Reduktionsreaktor nutzt das Reduktionsgas, das durch den Einschmelzvergaser erzeugt wird, um Eisenerz indirekt zu reduzieren. Der Wirbelschicht-Reduktionsreaktor ist mit einem Vorheizreaktor zum Vorheizen des in ihn eingetragenen Eisenerzes, einem Reaktor zur Vorreduktion für die Reduktion des aus dem Vorheizreaktor zugeführten Eisenerzes und einem abschließenden Reduktionsreaktor ausgestattet.
Kohle wird kontinuierlich von oben in den Einschmelzvergaser eingetragen und bildet darin in einer bestimmten Höhe ein Holzkohlebett. Wenn die Kohle in Gegenwart von Sauerstoffgas hohen Drucks, das von unten eingeblasen wird, verbrannt wird, wird darin Reduktionsgas hoher Temperatur erzeugt und zu dem Wirbelschicht-Reduktionsreaktor geführt. Auch reduziertes Eisenerz wird von oben in den Einschmelzvergaser eingetragen und während es durch das Holzkohlebett fließt unter Bildung von Eisenschmelze geschmolzen.
Bei dem Wirbelschicht-Reduktionsreaktor wird Feineisenerz bei Umgebungstemperatur in den Vorheizreaktor eingetragen und läuft nacheinander durch den Reaktor zur Vorreduktion und durch den abschließenden Reduktionsreaktor. Man läßt das Eisenerz durch Austragsrohre strömen (Steigrohre), die die jeweiligen Reaktoren verbinden. Der Eisenerzstrom wird vom oberen Reaktor durch sein eigenes Gewicht zum unteren Reaktor befördert.
Das Reduktionsgas wird nacheinander durch Gasleitungen, die die Reaktoren verbinden, zu den jeweiligen Reaktoren geleitet. Die Strömungsrichtung des Reduktionsgases ist direkt entgegengesetzt zu der des Eisenerzes. Das heißt, daß das Reduktionsgas nacheinander in den abschließenden Reduktionsreaktor, den Reaktor zur Vorreduktion und den Vorheizreaktor strömt. Da der untere Reaktor einen höheren Druck als der obere Reaktor besitzt, strömt das Reduktionsgas vom unteren Reaktor zum oberen Reaktor.
Wenn das Eisenerz durch den wie oben aufgebauten Wirbelschicht-Reduktionsreaktor fließt, wird es durch das Hochtemperatur-Reduktionsgas erhitzt und zu bis zu 90% oder mehr reduziert.
Ein solcher Wirbelschicht-Reduktionsreaktor weist insoweit verschiedene Vorteile auf, als die Effizienz von Wärme- und Materialtransfer zwischen dem Feineisenerz und dem Reduktionsgas sehr hoch ist und die Temperatur- und Konzentrationsverteilung des Eisenerzes innerhalb der Wirbelschicht homogen ist.
Der Wirbelschicht-Reduktionsreaktor hat auch einen Nachteil, da die Vermischung des Feineisenerzes in der Wirbelschicht so rasch erfolgt, daß die Verweilzeit des Feineisenerzes schwankt. Wenn die Verweilzeit des Feineisenerzes in den jeweiligen Reaktoren schwankt, mischt sich ein Teil des frisch in den jeweiligen Reaktor eingetragenen Feineisenerzes mit dem umgesetzten Eisenerz und wird in den nachfolgenden Reaktor ausgetragen, obwohl es noch nicht vollständig umgesetzt wurde. Dieses Phänomen wird als "Rückvermischung" von Feineisenerz bezeichnet. Wenn ein solches Rückvermischungsphänomen auftritt, wird der Gesamtreduktionsgrad des Feineisenerzes deutlich verringert.
Es wurde vorgeschlagen, Trennbarrieren in die jeweiligen Reaktoren einzubauen, um das Phänomen einer Rückvermischung zu verhindern.
Beispielsweise (JP-A-10267546) können oberhalb des Gasverteilers mehrere Trennbarrieren eingebaut werden, um die Wirbelschicht in mehrere Reaktionsbereiche zu zerteilen. Jede Trennbarriere außer der einen, die den ersten und den letzten Reaktionsbereich zerteilt, besitzt in der Mitte ein Loch, durch das das eingetragene Eisenerz fließen kann. Das Feineisenerz fließt nacheinander durch die Löcher von der ersten bis zur letzten Trennbarriere, wobei es im aufgewirbelten Zustand in den jeweiligen Reaktionsbereichen durch das von unten in den Reaktor eingeblasene Reduktionsgas reduziert wird.
Die Löcher in den Trennbarrieren sind jedoch für den Eisenerzstrom durch die Löcher etwas ungünstig. Außerdem schwankt die Verweilzeit des Eisenerzes in den jeweiligen Reaktionsbereichen, so daß die Qualitätskontrolle schwierig ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wirbelschicht-Reduktionsreaktor bereitzustellen, der das Auftreten des Rückvermischungsphänomens verhindern kann, wobei die Verweilzeit des eingetragenen Feineisenerzes konstant gehalten wird.
Diese und andere Aufgaben werden durch einen Wirbelschicht-Reduktionsreaktor mit einer Vielzahl von Wirbelschichtreaktoren gelöst. Jeder Wirbelschichtreaktor weist einen Gasverteiler auf. Ein Eisenerz-Beschickungsrohr läuft mit einem freien Ende senkrecht durch die Oberseite des Wirbelschichtreaktors. Das freie Ende des Eisenerz-Beschickungsrohrs ist nahe der Mitte der Oberseite des Gasverteilers positioniert. Eine spiralförmige Trennbarriere ist auf dem Gasverteiler angebracht. Die Trennbarriere umgibt das Eisenerz-Beschickungsrohr, wobei es spiralförmig vom Eisenerz-Beschickungsrohr zu einer Innenwand des Wirbelschichtreaktors verläuft. Das eine Ende der Trennbarriere ist an der Innenwand des Wirbelschichtreaktors befestigt. An einer Wand des Wirbelschichtreaktors ist ein Austragsrohr angebracht, um das Feineisenerz aus dem Wirbelschichtreaktor auszubringen. Das Austragsrohr ist nahe dem befestigten Ende der Trennbarriere positioniert.
Bei dem obigen Aufbau wird das Feineisenerz, das durch das Eisenerz-Beschickungsrohr eingetragen wird, aufgewirbelt und reduziert, während es sich spiralförmig vom Zentrum des Wirbelschichtreaktors zur Innenwand des Wirbelschichtreaktors bewegt. Daher tritt kein Rückvermischungsphänomen auf, bei dem sich das umgesetzte Feineisenerz mit dem nicht-umgesetzten Feineisenerz vermischt.
Außerdem strömt das eingetragene Feineisenerz hintereinander durch den spiralförmig verlaufenden Raum weiter, der von der Trennbarriere umgeben wird, so daß die Verweilzeit des Feineisenerzes im Reaktor konstant gehalten werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine besseres Verständnis der Erfindung und vieler der damit verbundenen Vorteile ergibt sich unter Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten darstellen, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Wirbelschichtreaktors für einen Wirbelschicht-Reduktionsreaktor mit einem Element zum Verhindern der Rückvermischung ist; und
2 eine Aufsicht auf den in 1 gezeigten Wirbelschichtreaktor ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜRHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung werden unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen erklärt.
1 veranschaulicht einen Wirbelschichtreaktor für einen Wirbelschicht-Reduktionsreaktor mit einem Element zum Verhindern der Rückvermischung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 2 veranschaulicht den Strom des eingetragenen Feineisenerzes in dem in 1 gezeigten Wirbelschichtreaktor. Da alle Wirbelschichtreaktoren den gleichen Aufbau besitzen, wird in den Zeichnungen nur ein Wirbelschichtreaktor dargestellt.
Wie in den Zeichnungen gezeigt, wird in den Wirbelschichtreaktor 10 ein Eisenerz-Beschickungsrohr 12 mit einem freien Ende eingesetzt, das an seinem entgegengesetzten Ende mit einem Behälter zur Beschickung mit Eisenerz (nicht gezeigt) verbunden ist.
Das Eisenerz-Beschickungsrohr 12 kann durch die Mitte der Oberseite oder das Seitenteil des Wirbelschichtreaktors 10 laufen. Das freie Ende des Eisenerz-Beschickungsrohrs 12 ist unmittelbar oberhalb des Zentrums eines Gasverteilers 19 positioniert. Bevorzugt sollte das Eisenerz-Beschickungsrohr 12 gerade (nicht gekrümmt) auf der Linie der Vertikalachse des Wirbelschichtreaktors 10 positioniert sein.
Der Gasverteiler 19 wird im Inneren des Wirbelschichtreaktors 10 am unteren Ende plaziert und besitzt zahlreiche Düsen. Der Gasverteiler 19 verteilt das Hochtemperatur-Reduktionsgas, das durch einen Einschmelzvergaser (nicht gezeigt) erzeugt wird, gleichmäßig auf den Innenraum des Wirbelschichtreaktors 10. Eine Gaszufuhrleitung 16 ist unter dem Gasverteiler 19 mit dem Wirbelschichtreaktor 10 verbunden, um ihm das Reduktionsgas zuzuführen.
Auf dem Gasverteiler 19 ist eine spiralförmige Trennbarriere 13 angebracht. Die Trennbarriere 13 umgibt das Eisenerz-Beschickungsrohr 12 und verläuft vom Eisenerz-Beschickungsrohr 12 zur Innenwand des Wirbelschichtreaktors 10.
Das freie Ende der Trennbarriere 13 ist nahe dem Eisenerz-Beschickungsrohr 12 positioniert und ihr entgegengesetztes Ende ist an der Innenwand des Wirbelschichtreaktors 10 über eine senkrechte Platte 14 befestigt. Dementsprechend wird durch die spiralförmige Trennbarriere 13 im Wirbelschichtreaktor 10 ein ununterbrochener spiralförmig verlaufender Kanal gebildet.
Die Trennbarriere 13 kann vom Eisenerz-Beschickungsrohr 12 entweder spiralförmig im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn verlaufen. Außerdem kann die Breite des spiralförmigen Kanals konstant sein oder ausgehend vom Eisenerz-Beschickungsrohr 12 allmählich zunehmen.
Vorzugsweise sollte die Höhe H der Trennbarriere 13 größer sein als die Wirbelschicht aus Eisenerz, die im Wirbelschichtreaktor 10 gebildet wird.
An der Wand des Wirbelschichtreaktors 10 ist ein Austragsrohr 15 angebracht, um umgesetztes Eisenerz auszubringen. Das Austragsrohr 15 ist zwischen dem oberen Ende der Trennbarriere 13 und dem Gasverteiler 19 positioniert und befindet sich neben der vertikalen Platte 14, wo der Eisenerzestrom im Reaktor 10 endet.
Bei Betrieb wird das im Einschmelzvergaser erzeugte Reduktionsgas durch die Gaszufuhrleitung 16 zum Boden des Wirbelschichtreaktors 10 geführt und das aus dem Behälter mit Eisenerz zugeführte Feineisenerz wird durch das Eisenerz-Beschickungsrohr 12 oberhalb des Gasverteilers 19 eingetragen.
Das Reduktionsgas und das Feineisenerz werden kontinuierlich in den Wirbelschichtreaktor 10 geführt.
Das eingetragene Eisenerz bewegt sich durch den durch die spiralförmige Trennbarriere 13 gebildeten spiralförmig verlaufenden Kanal, wobei es sich vom Zentrum des Wirbelschichtreaktors 10 weiter zu dessen Innenwand bewegt. Hierbei bildet das Feineisenerz eine Wirbelschicht mit dem durch den Gasverteiler 19 eingeblasenen Reduktionsgas, wobei es reduziert wird.
Die eingetragenen Eisenerzpartikel werden aufgewirbelt und nacheinander umgesetzt, so daß kein Rückvermischungsphänomen auftritt.
Der Strom aus umgesetztem Eisenerz wird durch die senkrechte Barriere 14 gestoppt und durch das Austragsrohr 15, das nahe der senkrechten Barriere 14 positioniert ist, ausgebracht.
Die Verweilzeit des Feineisenerzes in dem Wirbelschichtreaktor 10 kann durch Verlängerung oder Verkürzung der Länge der spiralförmigen Trennbarriere 13 reguliert werden. Das heißt, der Zwischenraum der Spirale aus der Trennbarriere 13 kann verbreitert oder verengt werden.
Das folgende Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung genauer.
Beispiel 1
Bau und Versuchsbedingungen für den Wirbelschicht-Reduktionsreaktor waren wie folgt.
(a) Bau des Wirbelschichtreaktors (des Vorheizreaktors, des Reaktors zur Vorreduktion und des abschließenden Reduktionsreaktors)

– Radius des Gasverteilers: 0,74 m
– Höhe des Wirbelschichtreaktors über der Oberfläche des Gasverteilers: 6,0 m
– Abstand zwischen dem Einlaß des Austragsrohrs und der Oberfläche des Gasverteilers: 1,5 m
– Abstand zwischen dem Auslaß des Eisenerz-Beschickungsrohrs und der Oberfläche des Gasverteilers: 0,5 m
– Höhe der Trennbarriere: 2,5 m
– Länge der Trennbarriere: 7 m

(b) Feineisenerz

– Teilchengröße (Korngröße) des Feineisenerzes: unter 8 mm
– Teilchengrößenverteilung: unter 0,05 mm: 4,6%, 0,05-0,15 mm: 5,4%, 0,15-0,5 mm: 16,8%, 0,5-4,75 mm: 59,4%, 4,75-8 mm: 13,8%
– Chemische Zusammensetzung des Feineisenerzes: T.Fe: 62,17, FeO: 0,51, SiO₂: 5,5%, TiO₂: 0,11%, Mn: 0,05%, S: 0,012, P: 0,65, Kristallwasser: 2,32%

(c) Reduktionsgas

– Chemische Zusammensetzung CO: 55%, H₂: 20%, CO₂: 5%, N₂: 20%
– Temperatur im Wirbelschichtreaktor: 830°C
– Oberflächen-Gasgeschwindigkeit an der Oberfläche des Gasverteilers: 1,6 m/s
– Druck im Wirbelschichtreaktor: 2,0 kgf/cm²

Es wurden mehrere Versuche mit dem Wirbelschichtreaktor durchgeführt, um das Reduktionsverhalten des eingetragenen Feineisenerzes in der Wirbelschicht zu untersuchen.
Die Versuchsergebnisse zeigten, daß Eintrag und Ausbringen des Feineisenerzes über einen langen Zeitraum kontinuierlich und gleichmäßig erfolgen. Daraus folgt, daß das eingetragene Feineisenerz gleichmäßig verzögerungsfrei strömt und stabil eine Wirbelschicht bildet.
Wenn der Reduktionsgrad des durch das Austragsrohr 15 ausgebrachten Feineisenerzes untersucht wurde, stellte sich außerdem heraus, daß das Feineisenerz vollständig reduziert war und sein Reduktionsgrad 90% oder mehr betrug. Daraus folgt, daß sich das eingetragene Feineisenerz nicht rückvermischt, wobei seine Verweilzeit konstant gehalten wird.

Claims

Wirbelschicht-Reduktionsreaktor, der eine Vielzahl von Wirbelschichtreaktoren (10) mit jeweils einem Gasverteiler (19) aufweist und ein Reduktionsgas aus einem Einschmelzvergaser erhält, wobei der Wirbelschicht-Reduktionsreaktor umfaßt: ein Eisenerz-Beschickungsrohr (12) mit einem freien Ende, das durch die Oberseite des Wirbelschichtreaktors (10) läuft, wobei das freie Ende des Eisenerz-Beschickungsrohrs (12) nahe der Mitte des Gasverteilers (19) positioniert ist; eine spiralförmige Trennbarriere (13), die auf dem Gasverteiler (19) angebracht ist, wobei die Trennbarriere (13) das Eisenerz-Beschickungsrohr (12) umgibt und spiralförmig vom Eisenerz-Beschickungsrohr (12) zu einer Innenwand des Wirbelschichtreaktors (10) verläuft, wobei die Trennbarriere (13) an der Innenwand des Wirbelschichtreaktors (10) befestigt ist; und ein Austragsrohr (15), das an einer Wand des Wirbelschichtreaktors (10) angebracht ist, um das Feineisenerz aus dem Wirbelschichtreaktor (10) auszubringen, wobei das Austragsrohr (15) nahe dem befestigten Ende der Trennbarriere (13) positioniert ist; wobei das Feineisenerz, das durch das Eisenerz-Beschickungsrohr (12) eingetragen wird, unter Bildung einer Wirbelschicht aufgewirbelt und reduziert wird, während es spiralförmig von der Mitte des Wirbelschichtreaktors (10) zur Innenwand des Wirbelschichtreaktors (10) strömt.
Wirbelschicht-Reduktionsreaktor nach Anspruch 1, wobei die Trennbarriere (13) entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn spiralförmig vom Beschickungsrohr (12) zur Innenwand des Wirbelschichtreaktors (10) verläuft.
Wirbelschicht-Reduktionsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Höhe der Trennbarriere (13) größer ist als die Wirbelschicht, die in dem Wirbelschichtreaktor (10) gebildet wird.