DE69732151T2

DE69732151T2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der direktaufkohlung

Info

Publication number: DE69732151T2
Application number: DE69732151T
Authority: DE
Inventors: III Juan CELADA GONZALEZ; Raul Gerardo Quintero Flores; Ricardo Viramontes Brown; Octaviano Roberto Flores Serrano
Original assignee: Hylsa SA de CV
Current assignee: Hylsa SA de CV
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2017-10-11
Also published as: EP1036203A4; AU748102B2; ES2234007T3; BR9714930A; DE69732151D1; WO1999019520A1; EP1036203A1; EP1036203B1; US5858057A; AU4792197A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung von vorreduziertem Eisenerz, direkt reduziertem Eisen (DRI), oder ähnlichen, in einer Eisenherstellungsanlage, worin das Reduktionsgas, das für die chemische Reduktion der Eisenoxide verwendet wird, aus Erdgas in dem Reduktionsreaktorsystem durch Reformieren der Kohlenwasserstoffe mit Oxidantien, wie z. B. Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff, innerhalb des Reduktionsreaktors hergestellt wird, der unter Gleichgewichtsbedingungen metallisches Eisen enthält, das als Reformationskatalysator agiert. Die Kohlenstoffmenge in dem DRI kann dadurch eingestellt werden, dass die relativen Mengen an Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff in der Zusammensetzung des Reduktionsgases, das dem Reduktionsreaktor zugeführt wird, modifiziert wird. Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, das DRI mit hoher Effizienz und Verläßlichkeit produziert, ohne den derzeit verwendeten Erdgasreformer außerhalb des Reduktionsreaktorsystems zu verwenden, wodurch die Kapital- und die Betriebskosten der Direktreduktionsanlagen vermindert werden.
Hintergrund der Erfindung
Direktreduktionsanlagen für die Herstellung von direkt reduziertem Eisen, bekannt als DRI oder Eisenschwamm, heiß brikettiertes Eisen oder Ähnliches (im allgemeinen vorreduzierte Materialien, die sich als Ausgangsmaterial für Eisen und Stahlherstellung eignen), stellen es derzeit durch Umsetzung eines Reduktionsgases bei Temperaturen im Bereich von 750 bis 1.050°C und hauptsächlich zusammengesetzt aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit einem Bett aus teilchenförmigem, eisenhaltigem Material in der Form von Klumpen oder Granulaten her. Heutzutage benutzen die meisten laufenden Direktreduktionsanlagen einen Fließbettreaktor, in dem die Gase im Gegenstrom zu einem mit der Schwerkraft absteigenden Bett aus Eisenerzpartikeln fließen, die den Reaktor hinabfließen. Beispiele solcher Verfahren sind in den US-Patenten Nrn. 3,749,386; 3,764,123; 3,816,101; 4,002,422; 4,046,557; 4,336,063; 4,375,983; 4,428,072; 4,556,417 und 5,078,787 beschrieben.
Es ist bekannt, dass DRI als Befüllung oder Teil einer Befüllung für einen Ofen zur Stahlherstellung mit elektrischem Bogen (EAF) wünschenswerterweise bestimmte Mengen an mit dem Eisen in dem DRI-Material chemisch gebundenen Kohlenstoff enthalten sollte. Gebundener Kohlenstoff, im Gegensatz zu freiem Kohlenstoff, der als Ruß in dem DRI oder als Grafit zu dem geschmolzenen Eisenbad in dem EAF gegeben werden kann, stellt eine Anzahl an Vorteilen für das Stahlherstellungsverfahren bereit, z. B. bleibt ein größerer Anteil des Kohlenstoffs (ungefähr 70 bis 85%) in dem flüssigen Eisenbad und trägt durch Bildung von Kohlenmonoxid weiter zur Reduktion des in dem DRI-Rohmaterial enthaltenen Eisenoxid bei; die Reduktionsreaktion dieses Kohlenmonoxids produziert Gasblasen, die eine "schaumige" Schlackeschicht über dem geschmolzenen Eisenbad bilden mit der sehr gewünschten Wirkung des Schutzes der EAF-Wände gegenüber der Strahlung des elektrischen Bogens; außerdem liefert das Kohlenmonoxid dem EAF Energie, wenn es zu Kohlendioxid weiter oxidiert wird, und führt zur Ersparnis im Verbrauch elektrischer Energie.
Es wurde lange gewünscht, ein direktes Reduktionsverfahren zu haben, bei dem das DRI-Produkt die richtige Menge an chemisch gebundenem Kohlenstoff enthält, die am besten an die speziellen Merkmale des Stahlherstellungsvorgangs angepasst ist.
Die derzeit im Betrieb befindlichen Reduktionsverfahren stellen DRI mit einer Kohlenstoffmenge in einem bestimmten engen Bereich her, zwischen 0,8% bis 1,8%, abhängig von der durchschnittlichen Zusammensetzung des Reduktionsgases, da das Aufkohlen hauptsächlich durch die Boudouard-Reaktion: 2CO --> C + CO₂ beeinflusst wird. Diese Reaktion ist exotherm und wird bei relativ niedrigen Temperaturen, d. h. im Bereich von 500°C bis 700°C, gefördert; entsprechend war es üblich, diese Aufkohlungsreaktion in solchen Verfahren zu fördern, bei denen das DRI-Produkt vor dem Abführen aus dem Reduktionsreaktor auf Umgebungstemperaturen dadurch abgekühlt wird, dass CO-haltiges Gas durch den Kühlungs-Abführteil des Reaktors zirkuliert wird.
Ein anderer Weg, um ein DRI-Produkt mit einer gewünschten Kohlenstoffmenge zu erhalten, ist, das heiße DRI-Produkt mit Erdgas in der Kühlzone des Reaktors in Kontakt zu bringen. Die Kohlenwasserstoffe im Erdgas, wie z. B. Methan, werden zu elementarem Kohlenstoff, der mit dem metallischen Eisen kombiniert, und Wasserstoff plus Kohlenmonoxid gecrackt, das in der Reduktionszone verwendet wird. Dies ist eine gut bekannte Praxis, wie z. B. in US-Patent 4,046,557 und 4,054,444 gezeigt, wobei das letztere Patent außerdem vorschlägt, das auf kohlende Erdgas in die Zwischenzone zwischen der Reduktionszone und der Kühlzone des Reduktionsreaktors einzuführen, um die Hitze des DRI für das Cracken der Kohlenwasserstoffe zu nutzen.
Die beteiligte Crackreaktion ist CH₄ --> C + 2H₂. Da das Cracken von Kohlenwasserstoffen stark endotherm ist, wird diese Reaktion meist in solchen Verfahren genutzt, die "kaltes" DRI-Produkt herstellen. Aufgrund der obigen Reaktion wurde in manchen Verfahren Erdgas als Kühlmittel verwendet, z. B. in US-Patenten 3,765,872 und 5,437,708. Das letztere Patent offenbart ein Verfahren, bei dem die Kohlenstoffmenge in dem DRI dadurch erhöht wird, dass die Verweildauer des in der Reaktionszone hergestellten DRI verlängert wird. Dieses Verfahren ist allerdings nicht praktisch, da die Verweildauer von 5 bis 6 Stunden auf 9 bis 15 Stunden erhöht wird. Das erfordert einen größeren Reaktor, um dieselbe Produktionsgeschwindigkeit zu erhalten.
Genaue und verlässliche Kontrolle der Aufkohlung von DRI wird etwas schwieriger, wenn das DRI-Produkt herkömmlich von dem Reduktionsreaktor bei hohen Temperaturen abgeführt wird (z. B. oberhalb von 550°C) für die direkte Nutzung in einem EAF mit großen Vorteilen in Energieersparnis und Produktivität im Stahlherstellungsverfahren oder für die Herstellung von heißem, brikettiertem Eisen (HBI) mit seinen Vorteilen, seinem Transport über Land oder See und seiner Verwendung im Stahlherstellungsofen. Es gab einige Vorschläge, um die gewünschte Menge an Kohlenstoffkombination in einem Verfahren zur Herstellung von heißem DRI zu erreichen. Ein solches Verfahren ist in US-Patent 4,834,792 und 4,734,128 beschrieben. Diese Patente beschreiben Verfahren, worin ein Reduktionsgas mit einer vorbestimmten Reduktionsleistung in einem separaten Reformationsofen hergestellt wird, wobei Kohlenwasserstoffe im Erdgas in dem Reformationsofen zu H₂ und CO umgewandelt werden und die aufgekohlten Kohlenwasserstoffe zu dem Reduktionsgas zugegeben werden, das in den Reaktor eingeführt wird.
Ein anderer Vorschlag für die Herstellung von "heißem" DRI mit einer hohen Kohlenstoffmenge ist in DE 44 37 679 A1 offenbart, worin Erdgas zu dem Abführteil des Reduktionsreaktors zugeführt wird, um die Kohlenwasserstoffe unter Verwendung der Hitze des DRI, das von der Reduktionszone abwärts fließt, zu cracken. Dieses Aufkohlungsverfahren ist dasselbe wie oben beschrieben mit dem einzigen Unterschied, dass das Reduktionsgas in dem Reaktor produziert wird. Dieses Patent besitzt allerdings den Nachteil, dass wiederum die für die Ausführung der endothermen Aufkohlungsreaktion zur Verfügung stehende Energie die Wärme des DRI ist; und wenn das DRI bei hoher Temperatur abgeführt werden soll, wird die Aufkohlungsmenge sehr beschränkt sein.
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber den Verfahren aus dem Stand der Technik und offenbart im besonderen eine Verbesserung gegenüber US-Patent 5,110,350 von Villarreal-Trevino et al. Dieses Patent beschreibt ein direktes Reduktionsverfahren ohne einen externen Erdgasreformer, bei dem die Reduktionsgase durch Reformation von Erdgas mit Wasser hergestellt werden, das zu dem Reduktionsgas zugegeben wird, bevor der Reduktionsgasstrom durch Sättigung mit heißem Wasser erwärmt wird, das aus dem Abgaskühler entnommen wird. Die Mischung aus Erdgaswasser und recycliertem Gas wird in einem Gasheizer erwärmt und in den Reduktionsreaktor eingeführt, in dem die Reformationsreaktionen, die Reduktionsreaktionen und die Aufkohlungsreaktionen alle stattfinden. Dieses Patent nutzt allerdings nicht Sauerstoff für teilweise Verbrennung des Reduktionsgases, bevor dieses Gas in den Reduktionsreaktor eingeführt wird, um die für die Aufkohlung des DRI auf einen gewünschten vorbestimmten Grad notwendige Energie bereitzustellen.
Andere verwandte Patente aus dem Stand der Technik sind US-Patent 3,375,099 von W. E. Marshall, das ein Reduktionsverfahren für Eisenoxide offenbart, worin Erdgas oder Methan teilweise mit Sauerstoff in einer Verbrennungskammer verbrannt wird, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf bekannte Weise herzustellen. Nur ein geringer Teil des regenerierten Gases kann wieder dem Reaktor zugeführt werden, da die Temperatur des in den Reaktor eintretenden Gases stark abfallen würde, da kein Gasheizer für den recyclierten Strom vorgesehen ist. Der Verbrauch an frischem Erdgas ist deshalb groß und wertvolles Reduktionsgas muss wegen dieser Einschränkung verschwendet werden. Der Verbrauch an Sauerstoff ist ebenfalls hoch, da die gesamte Wärme, die für das Anheben der Temperatur des Reduktionsgases auf den Reduktionslevel notwendig ist, durch partielle Verbrennung des Erdgases mit Sauerstoff bereitgestellt werden muss.
US-Patent 5,064,467 von Dam et al. offenbart ein direktes Reduktionsverfahren, ähnlich zu dem aus DE 44 37 679 , worin die Reduktionsgase durch teilweise Verbrennung von recycliertem Gas und Erdgas mit Luft oder Luft plus Sauerstoff hergestellt werden, wodurch die Kohlenwasserstoffe des Erdgases innerhalb des Reduktionsreaktors, wie im Stand der Technik bekannt, reformiert werden. Dieses Verfahren nutzt allerdings nicht einen guten Grad an Feuchtigkeit für die Reformation des Erdgases, sondern verwendet Kohlendioxid und Sauerstoff für die Reformation. Da dieses Verfahren keine CO₂-Entfernungseinheit für die Regeneration des recyclierten Gases umfasst, ist die Menge des aus dem System exportierten Gases in der Größenordnung von 30% des aus dem Reaktor ausfließenden Gases.
US-Patent 4,528,030 von Martinez Vera et al. offenbart ein Reaktionsverfahren ohne externen Reformer, worin Erdgas mit Dampf als hauptsächlichem Oxidans in dem Reduktionsreaktor reformiert wird. Dieses Patent schließt allerdings nicht die Zugabe von Sauerstoff ein, um die Temperatur des in den Reaktor eintretenden Reduktionsgases zu erhöhen und um die für die Aufkohlung des DRI notwendige Energie und die Flexibilität für das Einstellen der Kohlenstoffmenge wie in der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um DRI mit einer vorbestimmten Menge an Kohlenstoff durch Einstellen der Zugabe von Wasser und Sauerstoff herzustellen, die mit dem Reduktionsgas, das in den Reduktionsreaktor eintritt, gemischt werden.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um Eisenoxide mit hoher Effizienz in einem Reduktionsreaktorsystem herzustellen, ohne den derzeit verwendeten Erdgasreformer zu benutzen.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten offensichtlich sein oder werden in dieser Beschreibung der Erfindung und den anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ihre Ziele dadurch erreicht, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung wie folgt bereitgestellt werden:
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen (DRI) mit einer kontrollierten Menge an Kohlenstoff in einem Reduktionssystem ohne Erdgasreformer und worin das Reduktionsgas durch Reformation der Kohlenwasserstoffe in dem Reduktionsgas mit Wasser und Sauerstoff in dem Reduktionssystem hergestellt wird, das Verfahren in einem Fließbett-Reduktionsreaktor durchgeführt wird mit einer Reduktionszone, worin eisenoxidhaltige teilchenförmige Materialien zumindest teilweise chemisch zu metallischem Eisen mit einem Hochtemperatur-Reduktionsgas reduziert werden, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Einführen des eisenoxidhaltigen teilchenförmigen Materials in den oberen Teil der Reduktionszone des Reaktors; Zuführen eines ersten Stroms von Reduktionsgas bei einer Temperatur im Bereich von 900°C bis 1.150°C und Bewirken, dass das heiße Reduktionsgas aufwärts durch die Reduktionszone fließt, um die Eisenoxide darin zumindest teilweise zu metallischem Eisen zu reduzieren, Aufkohlen des metallischen Eisens mit in den Reaktor eingeführtem Reduktionsgas, dadurch Herstellen von DRI, das chemisch gebundenen Kohlenstoff in einem kontrollierten und vorbestimmten Grad enthält; Abziehen eines zweiten Stroms von verbrauchtem Reduktionsgas aus der Reduktionszone bei einer Temperatur im Bereich von 250°C bis 450°C; Durchleiten des zweiten Stroms durch einen Wärmetauscher, wobei Wärme aus dem zweiten Strom zurückgewonnen wird; Abkühlen des zweiten Stroms in einer Kühl- und Wascheinheit durch direktes Inkontaktbringen des Gasstroms mit flüssigem Wasser, um den zweiten Strom zu entwässern und zu säubern; Entfernen von Kohlendioxid aus zumindest einem Teil des zweiten Stroms, was in einem dritten Strom, der nicht mehr als 10% Kohlendioxid enthält, resultiert; Mischen des dritten Stroms mit Erdgas, um einen vierten Strom von Reduktionsgas zu bilden; Erhöhen des Wassergehalts in dem vierten Strom durch Inkontaktbringen des Gases mit heißem Wasser, das aus der Kühl-Wascheinheit fließt; Einstellen des Wassergehalts in dem vierten Strom auf einen Wert im Bereich von 5% bis etwa 12%; Aufwärmen des vierten Stroms auf eine Temperatur im Bereich von 850°C bis 1.000°C; Mischen des heißen vierten Stroms mit einem sauerstoffhaltigen Gas, um die Temperatur des vierten Stroms auf einen Bereich von 950°C bis 1.150°C zu erhöhen, um den ersten Strom zu bilden; und Abführen des DRI mit einer kontrollierten und vorbestimmten Menge an Kohlenstoff aus dem Reaktor.
Eine Vorrichtung für die Herstellung von DRI, die einen Reduktionsreaktor, eine Pumpvorrichtung und ein Leitungssystem enthält, um zumindest einen Teil des aus dem Reaktor ausströmenden Gichtgases in einen Reduktionskreislauf zu zirkulieren, das den Reduktionsreaktor, eine Kühl- und Wascheinheit für das Kühlen und Aufreinigen des ausströmenden Gichtgases, eine Kohlendioxid-Entfernungseinheit, einen Gaserhitzer, der in der Lage ist, die Temperatur des Gasstroms, der durch den Kreislauf zirkuliert, auf den Bereich zwischen 850°C und 980°C zu erhöhen, Mittel zum Mischen von Erdgas mit dem aus dem Reduktionsreaktor ausströmenden Gichtgas vor dem Durchströmen durch den Gaserhitzer und Mittel für das Mischen und Kontrollieren der Menge an sauerstoffhaltigem Gas mit dem recyclierten Gas, bevor das Gas in den Reaktor eintritt, umfasst, wodurch ein DRI-Produkt mit vorbestimmter Menge an Kohlenstoff erhalten wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In dieser Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen sind einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben und verschiedene Alternativen und Modifikationen davon vorgeschlagen worden. Es ist zu verstehen, dass diese nicht dazu gedacht sind, erschöpfend zu sein, und dass viele andere Änderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung gemacht werden können. Die Vorschläge hierin sind ausgewählt und für den Zweck der Illustration eingeschlossen worden, damit andere Fachleute die Erfindung und ihre Prinzipien besser verstehen und dadurch in die Lage versetzt werden, sie in einer Vielfalt von Formen zu modifizieren, die jeweils am besten für die Bedingungen einer bestimmten Verwendung geeignet sind.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug auf 1 bezeichnet Nr. 5 im allgemeinen ein Reduktionssystem, das einen Fließbett-Reduktionsreaktor 10 für die chemische Reduktion von Eisenoxiden umfasst mit einer Reduktionszone 12 und einer Abführzone 14. Erdgas wird in das Reduktionssystem 5 aus einer geeigneten Quelle 16 eingeführt und mit recycliertem und regeneriertem Reduktionsgas aus Reaktor 10 durch Leitung 18 gemischt. Die Mischung aus Erdgas und recycliertem Gas wird dann durch einen Befeuchter 20 geleitet, in dem heißes Wasser bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 60°C bis ungefähr 90°C in Kontakt gebracht wird mit dem Gasstrom, der in einem Gasstrom mit einem Wassergehalt im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 12 Vol.-% resultiert, der durch Leitung 22 fließt. Dieses Wasser wird als Oxidans für die Reformation der Kohlenwasserstoffe verwendet, die im Erdgas in dem Reduktionsreaktor 10 vorhanden sind. Die befeuchtete Mischung aus Erdgas und recycliertem Gas wird im Wärmeaustauscher 24 auf eine Temperatur von ungefähr 300°C bis ungefähr 400°C vorgewärmt durch Wärmerückgewinnung aus dem noch heißen Gasstrom, der aus Reaktor 10 durch Leitung 26 ausströmt, und fließt durch Leitung 28 zum Gaserhitzer 30, wo seine Temperatur auf einen Bereich von ungefähr 850°C bis ungefähr 960°C erhöht wird. Gasheizer 30 wird durch Verbrennung eines geeigneten Brennstoffes aus einer Quelle 32 auf bekannte Art und Weise befeuert. Das heiße Reduktionsgas fließt dann durch die Transferleitung 34 und wird mit einem sauerstoffhaltigen Gas aus Quelle 36 gemischt. Da ein Hauptteil des Gases, das durch den Reaktor 10 durchgeleitet wird, wieder zum Reaktor zurückgeleitet wird, ist es bevorzugt, reinen Sauerstoff anstelle von Luft oder Sauerstoff-angereicherter Luft zu verwenden, da der Stickstoff der Luft sich in dem recyclierten Gas anreichern würde. Die teilweise Verbrennung des Reduktionsgases mit Sauerstoff erhöht seine Temperatur auf den Bereich von ungefähr 1.000°C bis ungefähr 1.100°C. Diese teilweise Verbrennung produziert neben der Bereitstellung von Energie für die Durchführung der endothermen Aufkohlungsreaktionen des DRI auch Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus den Kohlenwasserstoffen, die in dem Erdgas enthalten sind, das dem Reduktionssystem 5 zugeführt wird. Das Reduktionsgas, das in den Reaktor eintritt und ebenfalls Kohlenwasserstoff aus dem Erdgas enthält, reduziert die Eisenoxide innerhalb des Reaktors, und zur selben Zeit wandeln die Oxidantien, die in dem Reduktionsgas enthalten sind, das Methan und andere Kohlenwasserstoffe zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter Ausnutzung der katalytischen Eigenschaften des im Reduktionsreaktor hergestellten DRI (Schwammeisen) um. Das Reduktionsgas wird bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 250°C bis ungefähr 400°C aus dem Reaktor 10 durch eine Leitung 26 abgezogen, die es zu einem Wärmeaustauscher 24 leitet, und fließt dann durch Leitung 38 zu einer Kühl-Wascheinheit 40, worin das Reduktionsgas durch direkten Kontakt mit dem Kühlwasser abgekühlt wird. Das durch die Kühl-Wascheinheit 40 hergestellte heiße Wasser kann verwendet werden, um das zum Reaktor recyclierte Reduktionsgas zu befeuchten, wie beschrieben in US-Patent 5,110,350. Nachdem es abgekühlt wurde und entwässert wurde, fließt das Reduktionsgas durch Leitung 42 und wird dann in mindestens zwei Teile geteilt. Ein kleiner Teil fließt durch Leitung 44 mit einem Druckkontrollventil 46, durch das etwas Gas aus dem System abgelassen wird, um den Systemdruck beizubehalten und zu kontrollieren und um ungewünschte Ansammlungen von Inertgasen zu eliminieren. Der Hauptteil des Reduktionsgases fließt durch Leitung 48 und wird durch Pumpvorrichtung 50 bewegt, die ein Gebläse oder Kompressor sein kann, um das Gas zum Reaktor 10 zurückzuführen. Nach der Pumpvorrichtung 50 fließt das Gas durch Leitung 52 und wird dann durch eine geeignete Kohlendioxid-Entfernungseinheit 54 geleitet, in dem Kohlendioxid von den anderen Bestandteilen des Reduktionsgasstroms durch geeignete Mittel, wie z. B. flüssige Absorberlösungen (heiße Carbonatlösungen, Aminlösungen oder ähnliche), PSR (Druckwechselabsorptionseinheiten) oder bevorzugt VSA (Volumenwechselabsorptionseinheiten), getrennt wird. Kohlendioxid wird abgetrennt und fließt durch Leitung 56, um auf verschiedene Weisen verwendet zu werden.
Nach dem Entfernen des Kohlendioxids fließt das recyclierte Gas durch Leitung 18, wodurch der Zyklus vervollständigt wird. Eisenoxiderz 60 in Form von Klumpen oder Granulat wird in den Reaktor 10 durch den oberen Teil der Reduktionszone 12 eingeführt und reagiert mit dem heißen Reduktionsgas, das entgegengesetzt zu dem Gas fließt, und wird schließlich als DRI 62 mit der gewünschten Kohlenstoffmenge abgeführt.
Falls gewünscht, kann DRI aus dem Reduktionsreaktor 10 bei hoher Temperatur, z. B. oberhalb von ungefähr 500°C abgeführt werden, oder es kann bei einer Temperatur unterhalb von ungefähr 100°C abgeführt werden, dadurch, dass das DRI in dem unteren Teil des Reaktors durch Zirkulieren eines Stroms an Kühlgas, gewöhnlich Erdgas, in Kontakt mit dem DRI gekühlt wird. Für diesen Zweck wird ein Strom an Erdgas aus einer geeigneten Quelle 64 in die Abführzone 14 eingeführt und kann, falls notwendig, wieder zur Kühlzone zurückgeführt werden oder kann andererseits dadurch für Reduktionszwecke verwendet werden, dass das Gas durch Leitung 66 zu dem Reduktionskreislauf des Gases transferiert wird, das der Reduktionszone 12 des Reaktors 10 zugeführt wird. Für Kühlzwecke kann ebenfalls ein Teil des Reduktionsgases, das durch Kompressor 50 recycliert wird, aus Leitung 52 entnommen werden und veranlasst werden, durch Leitung 68 zu fließen, die schließlich zu der Kühlungs-Abführzone 14 geleitet wird, ohne mit Erdgas 64 gemischt zu werden oder mit dem Erdgas kombiniert zu werden.
Ein Beispiel des beanspruchten Verfahrens, wie in einer Vorführanlage praktiziert, mit einer Produktionsrate im Bereich von 23 bis 25 metrischen Tonnen an DRI pro Tag ist wie folgt: Reduktionsgas mit einer Volumenzusammensetzung an Wasser zwischen 5% bis 9,5% und einer Temperatur im Bereich zwischen 935°C und 969°C wurde mit Sauerstoff gemischt und seine Temperatur auf den Bereich zwischen 1.013°C und 1.057°C erhöht. Dieses Gas wurde dann in den Reduktionsreaktor eingeleitet und mit Eisenoxiden umgesetzt, um DRI mit einem konstanten Metallisierungsgrad zwischen 93,18% und 93,18% herzustellen, und der Kohlenstoffgehalt in dem DRI-Produkt war umgekehrt proportional zu der Menge an Wasser in dem Reduktionsgas und war in dem Bereich zwischen 1,15% und 3,64%. Die Menge an Kohlendioxid in dem Reduktionsgas vor Mischung mit Sauerstoff war 4,97% bis 5,46 Vol.-%. Diese Menge an Kohlendioxid wird als praktisch konstant angenommen. Die durchschnittliche Flussrate an Reduktionsgas vor dem Mischen mit Sauerstoff war 2207 NCM/TonFe und die durchschnittliche Flussrate an Sauerstoff, gemischt mit dem Reduktionsgas, war 57 NCM/TonFe. Die Menge an Erdgas, die dem Reduktionssystem als Zusatz zugeführt wurde, war 265 NCM/TonFe. In einer Arbeitsperiode der Anlage war die Zusammensetzung des Reduktionsgases vor Mischen mit Sauerstoff in Vol.-%: Wasserstoff 48,25; Kohlenmonoxid 14,52; Kohlendioxid 5,02; Methan 25,62; Stickstoff 0,97; Wasser 4,97; Ethan 0,61 und Propan 0,06. Mit der obigen Zusammensetzung war der Kohlenstoff in dem DRI-Produkt 3,64% und seine Metallisierung 93,18%.
Aus der vorangehenden Beschreibung sollte offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereitstellt, das in der Lage ist, die verschiedenen, oben angegebenen Ziele der Erfindung zu erreichen. Deshalb stellt es ein neues und außergewöhnlich effizientes Verfahren für die Herstellung von DRI mit einer vorbestimmten und fein kontrollierbaren Menge an Kohlenstoff bereit, ohne einen Reformationsofen für die Herstellung des Reduktionsgases zu verwenden, und durch Bereitstellen der Energie für die DRI-Aufkohlung durch partielle Verbrennung mit Sauerstoff des in den Reduktionsreaktor eintretenden Reduktionsgases.

Claims

Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen (DRI) mit einer kontrollierten Menge an Kohlenstoff in einem Reduktionssystem ohne Erdgasreformer und worin das Reduktionsgas durch Reformieren der Kohlenwasserstoffe in dem Reduktionsgas mit Oxidationsmitteln, die zumindest Wasser und Sauerstoff einschliessen, in einer Reduktionszone generiert wird, wobei das Verfahren in einem Fliessbett-Reduktionsreaktor ausgeführt wird, der die Reduktionszone aufweist, worin eisenoxidhaltige teilchenförmige Materialien zumindest teilweise durch kohlenstoffhaltiges Reduktionsgas hoher Temperatur, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel umfasst, zu metallischem Eisen chemisch reduziert werden, wobei das Verfahren umfasst: Einführen des eisenoxidhaltigen teilchenförmigen Materials in den oberen Teil der Reduktionszone des Reaktors; Zuführen eines ersten Stroms von Reduktionsgas bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1.150°C in die Reduktionszone; Fliessenlassen des heissen Reduktionsgases durch die Reduktionszone, um die Eisenoxide darin zumindest teilweise zu metallischem Eisen zu reduzieren und das metallische Eisen mit Kohlenstoff aus dem dem Reaktor zugeführten Reduktionsgas aufzukohlen; Abziehen eines zweiten Stroms von verbrauchtem Reduktionsgas aus der Reduktionszone; Entfernen von Kohlendioxid aus zumindest einem Teil des zweiten Stroms, was in einem dritten Strom, der nicht mehr als 10% Kohlendioxid enthält, resultiert; Mischen des dritten Stroms mit Erdgas, um einen vierten Strom von Reduktionsgas zu bilden; Einstellen des Wassergehalts des Reduktionsgases ausserhalb des Reaktors vor dem Aufheizen, um nach dem Aufheizen einen Wert im Bereich von 5 bis 12 Vol.-% zu ergeben; Erhitzen des vierten Stroms auf erhöhte Reduktionstemperaturen; Mischen des heissen vierten Stroms mit einem sauerstoffhaltigen Gas, um die Temperatur des vierten Stroms zu erhöhen, damit sie im Bereich von 950 bis 1.150°C liegt, um den ersten Strom zu bilden; und Abführen des direkt reduzierten Eisens mit einer kontrollierten und vorbestimmten Menge an Kohlenstoff aus dem Reaktor.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strom gekühlt, gereinigt und entwässert wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strom mit Wasser abgeschreckt wird und der resultierende Heisswasserausfluss aus einer solchen Abschreckung für die kontrollierte Befeuchtung des resultierenden Reduktionsgases verwendet wird, bevor dieses Gas dem Erhitzer zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt durch Kontaktieren des Gases mit Wasserdampf eingestellt wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Kohlenstoff in dem direkt reduzierten Eisenprodukt durch Einstellen der Wassermenge im Reduktionsgas, das in den Reduktionsreaktor eintritt, kontrolliert wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Kohlenstoff, die in die direkt reduzierten Eisenpartikel eingebracht werden kann, jeden Wert innerhalb zumindest des Bereichs von 1,1 bis 3,64% annehmen kann.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und vierte Gasstrom durch einen Wärmeaustauscher geleitet wird, in dem Wärme aus dem zweiten Strom durch den vierten Strom wieder aufgenommen wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsgas mit beigemischtem Erdgas und eingestelltem Wassergehalt in einem direkt befeuerten Erhitzer auf eine Temperatur zwischen 850 und 1.000°C erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlendioxid durch einen Volumenwechsel-Adsorber (volume swing adsorber, VSA) entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlendioxid durch einen Druckwechsel-Adsorber (pressure swing adsorber, PSA) entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlendioxid durch eine Entfernungseinheit, die eine flüssige Lösung von Aminen verwendet, entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das direkt reduzierte Eisen bei einer Temperatur oberhalb von 500°C aus dem Reduktionsreaktor abgelassen wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das direkt reduzierte Eisen bei einer Temperatur oberhalb von 500°C aus dem Reduktionsreaktor abgelassen und anschliessend heiss brikettiert wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das direkt reduzierte Eisen bei einer Temperatur unterhalb von 100°C aus dem Reduktionsreaktor abgelassen wird, indem ein Kühlgasstrom in Kontakt mit dem direkt reduzierten Eisen zirkuliert wird.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas Erdgas umfasst.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas aus der Reduktionszone des Reduktionsreaktors ausströmendes Gas umfasst.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strom aus verbrauchtem Reduktionsgas eine Temperatur im Bereich von 250 bis 450°C hat.
Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen gemäss einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das direkt reduzierte Eisen mit einem kontrollierten und vorher festgelegten Grad an chemisch gebundenem Kohlenstoff hergestellt wird.
Vorrichtung ohne externen Reformer zur Reduktion von eisenoxidhaltigen Partikeln mit Reduktionsgas, um DRI-Partikel mit einer kontrollierten Menge an darin eingeschlossenem Kohlenstoff herzustellen, welche umfasst: einen Fliessbett-Reduktionsreaktor mit einer Reduktionszone, einen Reduktionsgaskreislauf, um zumindest einen Hauptteil des ausströmenden Gichtgases aus der Reduktionszone des Reaktors für die Konditionierung und das Aufrüsten zu zirkulieren und der Reduktionszone des Reaktors als verbessertes Umwälzreduktionsgas wieder zuzuführen, wobei der Kreislauf die Reduktionszone einschliesst und: eine Kühl- und Wascheinheit für das Kühlen und Auf reinigen des ausströmenden Gichtgases, eine Pumpe, um Umwälzreduktionsgas durch den Kreislauf und den Reaktor zu zirkulieren, eine Kohlendioxid-Entfernungseinheit zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem Umwälzreduktionsgas, einen Gaserhitzer, der die Temperatur des Gasstroms, der durch den Kreislauf zirkuliert, auf den Bereich zwischen 850 und 1.000°C erhöhen kann, Mittel zum Einstellen des Wassergehalts des Umwälzreduktionsgases, Mittel für die Zugabe von Erdgas zu dem Reduktionsgaskreislauf und Mittel zum Mischen und Kontrollieren einer Menge eines sauerstoffhaltigen Gases mit dem Umwälzreduktionsgas, bevor das Gas in den Reaktor eintritt.
Vorrichtung gemäss Anspruch 19, worin die Kohlendioxid-Entfernungseinheit eine Druckwechsel-Adsorptions-(pressure swing adsorption, PSA)-Einheit ist.
Vorrichtung gemäss Anspruch 19, worin die Kohlendioxid-Entfernungseinheit eine Volumenwechseladsorptions-(volume swing adsorption, VSA)-Einheit ist.
Vorrichtung gemäss Anspruch 19, worin die Kohlendioxid-Entfernungseinheit eine Adsorptionseinheit ist, die eine flüssige Lösung von Aminen umfasst.
Vorrichtung gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 22, die darüber hinaus einen Wärmeaustauscher umfasst, um den Gasstrom vorzuerwärmen, der durch den Kreislauf zirkuliert, und um das ausströmende Gichtgas zu kühlen.