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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verhütten von Eisenerz, wobei
das Eisenerz zu Eisen enthaltenden Produkten reduziert wird. Mehr im einzelnen
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein solches Verfahren, bei welchem aus
einer Kohlenstoff enthaltenden Substanz wie beispielsweise Kohle gebildeter
Schwelkoks bei der Reduzierung des Eisenerzes vergast wird. Noch mehr im
einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein solches Verfahren, bei welchem
der Schwelkoks gebildet und das zu verhüttende Eisenerz ganz oder teilweise in
einem Sekundärreaktor reduziert wird und der resultierende Schwelkoks und teilweise
reduziertes Eisenerz in einen Primärreaktor mit höherer Temperatur zur Erzeugung
der Eisen enthaltenden Produkte zugeführt werden.
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Es gibt verschiedene Eisenverhüttungsprozesse, welche die Verwendung elektrischer
Lichtbogenöfen, Siemens-Martin-Öfen, Gebläseöfen, den COREX-Prozeß, und
Primärbadschmelzöfen umfassen, wie sie in dem ROMELT-Prozeß eingesetzt werden.
Bei allen diesen Reaktoren wird eine Charge von Eisenerz und eine Kohlenstoff
enthaltende Substanz wie beispielsweise Kohle oder Koks in einen Reaktor eingeführt.
Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft wird ebenfalls in den Reaktor
eingeleitet, um das Kohlenstoff enthaltende Material zu vergasen, um ein reduzierendes
Gas zu erzeugen, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Das reduzierende Gas
bewirkt die Reduktion des Erzes und dadurch die Erzeugung einer Eisen
enthaltenden Substanz wie beispielsweise eines Gemischs aus Stahl oder Eisen und einer
separaten Schlackenphase.
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Beim COREX-Verfahren werden Eisenerz und Flussmittel in einen Schachtofen
eingegeben, um das Eisen zum festen Metall zu reduzieren und das Flussmittel mit
einem in einem Schmelzvergaser erzeugten reduzierenden Gas zu kalzinieren. Kohle
oder durch Verbrennung von flüchtigen Kohlenstoffen vorgeheizte, als Schwelkoks
bekannte Kohle wird zusammen mit dem direkt reduzierten Eisen und Flussmittel
aus dem Schachtofen und Sauerstoff in einen Schmelzofenvergaser eingeführt. Der
Schwelkoks wird vergast und das Erz aus dem Schachtofen wird weiter reduziert und
geschmolzen, um ein geschmolzenes Gemisch aus Eisen und Schlacke zu erzeugen,
das als Produktstrom abgezogen werden kann. In einem Primärbadschmelzreaktor,
wie er im ROMELT-Prozeß eingesetzt wird, werden Sauerstoff, Eisenerz und Kohle
in einen Reaktor eingeführt wird, um Eisen- und Schlackenprodukte zu erzeugen.
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In allen oben erwähnten Prozessen wird das Maximieren der Produktivität des
Reaktors gewünscht. Des weiteren verwenden sämtliche oben erwähnten Prozesse
verarbeiteten Sauerstoff, nämlich Sauerstoff mit einer Reinheit von etwa 95% oder mehr
oder mit Sauerstoff angereicherte Luft. Solcher verarbeiteter Sauerstoff trägt zu den
Produktionskosten bei. Folglich ermöglicht eine Reduzierung des erforderlichen
Verbrauchs an verarbeiteten Sauerstoff entweder verringerte Produktionskosten oder
höhere Produktivität ohne Kostensteigerung, zumindest hinsichtlich des
Sauerstoffverbrauchs.
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Die Zusammenfassung aus Patent Abstracts of Japan zu der JP 62 228 415 A
beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von geschmolzenem Rohreisen, das umfasst:
Zuführen von Eisenerzfeinfraktion, Kohle und Hochtemperaturluft in einen
Vorreduzierofen zum Erzeugen von Produkten, die Gas und Schwelkoks und vorreduziertes
Eisenerz enthaltende heiße Feststoffe umfassen, und Zuführen der heißen Feststoffe
in einen Schmelzofen, wo sie geschmolzen und zur Bildung von geschmolzenem
Roheisen reduziert werden, wobei der Schmelzofen bei einer Temperatur von
weniger als derjenigen des Vorreduzierofens betrieben wird.
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Dementsprechend beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verhütten
von Eisen, das umfasst: Zuführen eines Eisenerzspeisematerials, einer Kohlenstoff
enthaltenden Substanz, und eines Sauerstoff enthaltenden Gases in einen
Sekundärreaktor zum Erzeugen von Produkten, die ein Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in
einem Verhältnis von nicht weniger als 0,25 enthaltendes Heizgas und Schwelkoks
und teilweise reduziertes Eisenerz enthaltende heiße Feststoffe umfassen, Trennen
und Abführen von mindestens etwa 90% des Heizgases von den im Sekundärreaktor
erzeugten Produkten zur Bildung eines Zwischenspeisematerials, Einleiten des
Zwischenspeisematerials in einen Primärreaktor ohne wesentliche Abkühlung der heißen
Feststoffe, und Reduzieren des teilweise reduzierten Eisenerzes im Primärreaktor zur
Bildung mindestens eines Teils eines eisenhaltigen Produkts, wobei der
Sekundärreaktor auf einer niedrigeren Temperatur als der Primärreaktor betrieben wird. Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren, das in Verbindung mit allen oben
erwähnten Prozessen eingesetzt werden kann, und das eine Steigerung der
Reaktorproduktivität im Zusammenhang mit einer Reduzierung des Verbrauchs an
verarbeitetem Sauerstoff ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Eisenverhüttungsverfahren, bei
welchem ein Eisenerzspeisematerial, eine Kohlenstoff enthaltende Substanz, und ein
Sauerstoff enthaltendes Gas zum Erzeugen von Produkten in einen Sekundärreaktor
zugeführt werden. Die Produkte umfassen ein Heizgas, das Kohlendioxid und
Kohlenmonoxid in einem Verhältnis von nicht weniger als 0,25 enthält, und erhitzte
Feststoffe, die Schwelkoks und teilweise reduziertes Eisenerz umfassen. In dieser
Hinsicht bedeutet der hier und in den Ansprüchen verwendete Begriff "teilweise
reduziertes Eisenerz" ein Gemisch aus einigen Eisenoxiden, vorwiegend Eisen (II)-
Oxide, und etwas metallisches Eisen, das aus dem Eisenerz (vorwiegend Eisen (III)-
Oxide) durch Reduktion erzeugt wird. Der Begriff "Heizgas", wie er hier und in den
Ansprüchen verwendet wird, bedeutet ein vorwiegend Wasser, Kohlenmonoxid,
Kohlendioxid, und etwas Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltendes Gas.
Mindestens etwa 90% des Heizgases wird von den im Sekundärreaktor erzeugten
Produkten zur Bildung eines Zwischenspeisematerials abgetrennt. Das
Zwischenspeiseprodukt wird in einen Primärreaktor ohne wesentliche Abkühlung der heißen
Feststoffe eingeleitet, und das teilweise reduzierte Eisenerz wird im Primärreaktor
weiter reduziert, um mindestens einen Teil eines Eisen enthaltenden flüssigen
Produkts zu bilden. Der Sekundärreaktor arbeitet auf einer niedrigeren Temperatur als
der Primärreaktor.
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Weil die vorliegende Erfindung bei einem Verfahren wie beispielsweise dem
COREX-Prozeß Anwendung findet, ist, wie man erkennen sollte, davon auszugehen,
daß das Eisenprodukt aus Eisenerz- und Flussmittelspeiseprodukten gebildet wird,
die zwischen dem Schachtofen und dem Sekundärreaktor aufgeteilt werden. In einem
solchen Fall bildet das resultierende Zwischenspeisematerial aus dem
Sekundärreaktor in den Primärreaktor nur einen Teil des eisenenthaltenden Produkts. In einem
Primärbadschmelzreaktor würde normalerweise das gesamte teilweise reduzierte zu
verarbeitende Eisenerz aus dem Sekundärreaktor zugeführt. Ein weiterer hier zu
erwähnender Punkt ist der hier und in den Ansprüchen erwähnte Begriff "wesentliches
Abkühlen", der ein Abkühlen um mehr als 200ºC von der Temperatur des
Sekundärreaktors oder innerhalb 200ºC der Umgebungstemperatur bedeutet.
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Die Produktivität und die thermische Effizienz des Primärreaktors wird durch seine
Wärmeübergangsrate und seinen Wirkungsgrad begrenzt. Der Sekundärreaktor
steigert die Kapazität des Primärreaktors, in dem er den Gesamtenergiebedarf zum
Reduzieren
des Erzes und zum Schmelzen des Flussmittels und des reduzierten Erzes
zum Erzeugen der geschmolzenen Metall- und Schlackenprodukte verringert. Der
Sekundärreaktor steigert auch die thermische Effizienz des Primärprozesses durch
Abscheiden der flüchtigen Kohlebestandteile und durch teilweises Reduzieren des
Eisenerzspeisematerials auf einer niedrigeren Temperatur innerhalb der Grenzen
eines vernünftigen Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidverhältnisses. Aus diesem
Grund können Luft oder zumindest Sauerstoffangereicherte Luft mit einer
niedrigeren Sauerstoffanreicherung, als sie im Primärreaktor erforderlich ist, als
Oxidationsmittel im Sekundärreaktor verwendet werden, und dies vermindert den Bedarf an
verarbeitetem Sauerstoff.
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Die Erfindung wird nunmehr beispielshalber und mit Bezug auf die anliegenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Ausführen eines
Verfahrens nach der Erfindung, und
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Die Fig. 2a, 2b und 2c alternative Ausführungsformen eines Sekundärreaktors,
der in der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung verwendet wird.
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Gemäß Fig. 1 ist der Primärreaktor 10 vorgesehen, der ein Siemens-Martin-Ofen
sein kann, der hinsichtlich der Wärmeenergie getrennte Eingänge haben könnte.
Andere Möglichkeiten wären die Blasbereich-Schmelzzone eines Gebläseofens, der
Schmelzofenvergaser des COREX-Prozesses oder ein Primärbadschmelzprozeß wie
beispielsweise ein ROMELT-Primärbadreaktor. In diesem Zusammenhang bedeutet
der Begriff "Schmelzofenvergaser" irgendeinen Reaktor, in welchem teilweise
reduziertes oder wesentlich reduziertes Eisen in Anwesenheit von Kohle, Koks oder
Schwelkoks, die bzw. der der Vergasung unterliegt, reduziert und geschmolzen wird,
um eine flüssige metallische eisenreiche Phase zu bilden. Der "Blasbereich eines
Gebläseofens" ist, soweit dieser Begriff hier und in den Ansprüchen verwendet wird,
eine Art eines Schmelzofenvergasers. Schließlich bedeutet ein "Schmelzreaktor des
Badtyps", wie es hier und in den Ansprüchen verwendet wird, irgendeinen Reaktor,
in welchem Eisenerz, eine Kohlenstoffquelle und Sauerstoff zu einer flüssigen
Schmelze zugegeben werden.
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Zu Erläuterungszwecken wird die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf einen
Primärbadschmelzreaktor beschrieben, in welchem Erz, Kohle und Flussmittel als
Speisematerial 12 in den Primärreaktor 10 zugeführt werden.
Sauerstoffangereicherte Luft oder sogar hochreiner Sauerstoff werden als Speisematerial 14
ebenfalls in den Primärreaktor 10 eingeleitet, um einen Abgasstrom 16 und einen
Eisenerz- und Schlackenproduktstrom 18 zu erzeugen. Eisenerz und gegebenenfalls
Flussmittel (Kalziumkarbonat) als Speisematerial 20 (das Teil der Gesamtzufuhr von
zu verhüttenden und mit Flussmittel zu versetzendem Eisenerz bildet) und ein
Kohlespeisematerial 22 werden in einen Sekundärreaktor 24 zugeführt. Die Kohle wird
teilweise durch Luft oxidiert, die als Speiseluft 26 eingeleitet wird, um Schwelkoks
zu bilden. Der flüchtige Bestandteil der Kohle wird vorzugsweise zersetzt. Das Erz
kann folglich teilweise reduziert werden, das Flussmittel kalziniert werden, und die
Kohle mit minimalem Verlust an festem Kohlenstoff im ursprünglichen
Kohlespeisematerial vorgeheizt werden, was ein sehr wünschenswertes Speisematerial für den
Primärreaktor darstellt. Das in den Sekundärreaktor 24 eingeführte Eisenerz wird
teilweise durch den Kohlenschwelkoks reduziert, und Heizgas wird durch die
teilweise Oxidation der Kohle produziert, so daß ein heißes und teilweise reduziertes
festes Erz erzeugt wird. Die Reaktion wird im Sekundärreaktor 24 derart
durchgeführt, daß das Heizgas Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in einem Verhältnis von
nicht weniger als 0,25 enthält. Das Heizgas wird von den erhitzten Feststoffen
abgetrennt, die in der Hauptsache teilweise reduziertes Eisenerz, kalziniertes Flussmittel
und Schwelkoks enthalten, und wird danach aus dem Sekundärreaktor 24 als
Heizgasstrom 27 abgeführt. Wie noch erörtert wird, wird diese Trennung durch einen
Fließbettreaktor bewerkstelligt und sollte mehr als etwa 90% des Heizgases aus den
erhitzten Feststoffen abscheiden. Die erhitzten Feststoffe und ein etwaiger nicht von
den erhitzten Feststoffen abgetrennter Teil des Heizgases werden in den
Primärreaktor 10 als Zwischenspeisematerial 28 zugeführt. Im Primärreaktor 10 vergast der
heiße Schwelkoks und erzeugt dadurch Wärme zum Schmelzen des Erzes und des
Flussmittels, und ein reduzierendes Gas, das hauptsächlich Wasserstoff,
Kohlenmonoxid und viel kleinere Mengen an Kohlendioxid und Wasserprodukten enthält.
Kohlenmonoxid und Wasserstoff reduzieren das teilweise oxidierte Eisen sowie das
Eisenerz, das noch nicht reduziert worden ist. Die Reaktionswärme schmelzt das
resultierende Eisen und die Schlacke, die als Eisenerz- und Schlackenproduktstrom 18
abgeführt werden.
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Das im Speisematerial 20 enthaltene sekundäre Erz liegt vorzugsweise in einem
Größenbereich zwischen etwa 100 und etwa 5000 Mikrometer Durchmesser. Relativ
große Kohleteilchen bilden das bevorzugte Kohlespeisematerial 22 und liegen
vorzugsweise in einem Größenbereich zwischen etwa 1 mm und etwa 50 mm
Durchmesser. Die Verwendung solcher Kohle eliminiert die Notwendigkeit für teure
Kohlenmahlanlagen.
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Die Speiseluft 26 kann mit Kohle und Eisenerz nach einer Vielfalt von Verfahren in
Berührung gebracht werden. Der Sekundärreaktor 20 kann ein extern rezirkulierter
Strömungsreaktor sein, wie in Fig. 2A dargestellt ist, ein fluidisiertes Feststoffbett,
wie in Fig. 2B dargestellt ist, oder ein Fließbett mit innerer Zirkulation, wie in
Fig. 2C dargestellt ist. Alternativ dazu kann die Speiseluft 26 vorteilhafter Weise als
zwei Teilströme 26A und 26B oberhalb und unterhalb eines expandierten
Feststoffbetts 30 eingeleitet werden, das zwischen jedem der in den Fig. 2A, 2B und 2C
dargestellten Reaktortypen gebildet ist. Kohlenmonoxid im Heizgas aus dem Erz-,
Flussmittel- und Kohlenschwelkoksbett reagiert mit dem durch den Teilstrom 26A
zugeführten Sauerstoff zur Erzeugung eines stärker oxidierten
Sekundärreaktorheizgases und steigert die thermische Effizienz des Sekundärreaktor 20. Die resultierende
Wärme wird durch das expanierte Feststoftbett 30 hauptsächlich durch
Wärmeleitung zu den Wänden des Sekundärreaktors 24 und außerdem durch Strahlung von
den Sekundärreaktorwänden übertragen.
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Das Verhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid innerhalb des Heizgases, das
im Sekundärreaktor 24 produziert wird, sollte nicht kleiner als etwa 0,25 sein. Ein
solches Verhältnis ist notwendig, um ein Gleichgewicht zwischen thermischer
Effizienz und der Notwendigkeit zum Reduzieren des Eisenerzes zu schaffen. Die
getrennten Sauerstoffzuführströme steigern das optimale Verhältnis von Kohlendioxid
zu Kohlenmonoxid wesentlich. Anders ausgedrückt, je mehr Kohlendioxid
vorhanden ist, desto thermisch effizienter ist der Prozeß, aber desto weniger
Kohlenmonoxid wird produziert, um die Reduktion von Eisen zu bewerkstelligen, und umgekehrt.
Das Verhältnis kann durch geeignetes Einstellen des Luft- und
Kohlezufuhrverhältnisses und der Gas-Feststoff-Berührungsdauer gesteuert werden. Die Betthöhe wird
dann wichtig, weil sie die Gas-Feststoff-Berührungszeit beeinflusst. Je höher das
Bett ist, desto größer ist die Massentransfereffizienz zwischen Gas und Feststoffen.
Eine höhere Massentransfereffizienz vermindert die Kohlendioxidkonzentration, was
vorteilhaft ist, weil es die Effizienz der Erzreduktion verbessert. Jedoch sind große
Betthöhen aus der Sicht des Prozesswärmegleichgewichts nicht vorteilhaft. Ein
Kompromiß zwischen diesen beiden Faktoren gibt eine Betthöhe von zwischen etwa
1 m und etwa 5 m vor, wobei das Verhältnis von Betthöhe zu Behälterdurchmesser
im Allgemeinen zwischen etwa 0,2 und 5 liegt. Das Verhältnis von Betthöhe zu
Behältnisdurchmesser ist viel weniger wichtig als der Absolutwert der Betthöhe.
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Der Sekundärreaktor 24 sollte auf einem Druck arbeiten, der grob gleich oder größer
als der Betriebsdruck des Primärreaktors und der Mittel zum Transport der Feststoffe
ist. Wo das Zwischenspeisematerial 28 durch eine kurze
Feststoffüberführungsleitung oder eine mechanische Vorrichtung wie beispielsweise einen heißen
Schraubenförderer oder ein Sternventil zugeführt wird, würde der Druck innerhalb der beiden
Reaktoren etwa der gleiche sein. Im Falle von Gastransport müsste der Druck im
Sekundärreaktor 24 höher als im Primärreaktor 10 eingestellt werden, um
Druckverluste in Leitungen zwischen den Reaktoren zu kompensieren. Bei jeder
Transporteinrichtung ist es wichtig, daß in den Primärreaktor 10 zugeführte Feststoffe ohne
wesentlichen Wärmeverlust von ihrem Ausgangspunkt im Sekundärreaktor 24 in den
Primärreaktor 10 zugeführt werden, oder, mit anderen Worten, ohne einen
Temperaturverlust während des Transports zwischen den Reaktoren von mehr als etwa
200ºC. Die Betriebstemperatur des Sekundärreaktors 24 muß größer als die
Selbstzündungstemperatur der Kohle, aber kleiner als die Sintertemperatur irgendeiner
Speisematerialkomponente sein. Daher liegt der Temperaturbereich des
Sekundärreaktorbetriebs vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 400ºC und etwa
1200ºC. Die Betriebstemperaturen des Sekundärreaktors 24 sollten mit der
Temperatur verglichen werden, bei welcher der Primärreaktor 10 arbeiten würde, die in einem
Bereich zwischen etwa 1500ºC und etwa 1800ºC liegt. Die niedrigere Temperatur
des Sekundärreaktors ermöglicht es, Luft für den Sekundärreaktor 26 zu verwenden,
und kann den Bedarf an verarbeitenden Sauerstoff beträchtlich verringern.