DE69906377T2 - METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING IRON BY DIRECT REDUCTION - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING IRON BY DIRECT REDUCTIONInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Herstellung eines Eisenmetalles auf der Grundlage eines eisenhaltigen Minerales, worin das Eisen in der Form eines Oxydes angereichert ist, und der entsprechenden Vorrichtung, welche einen Reduktionsofen beinhaltet, welcher einen oder mehrere Einlässe für das Reduktionsgas aufweist, und innerhalb welchem das Verfahren der direkten Reduktion des Eisens (DRI) ausgeführt wird. Das Reduktionsgas wird durch die Mischung eines Teiles des Prozessgases, welches im Reduktionsofen entsteht, mit einem zusätzlich beigefügten Gas, das von einem außerhalb angeordneten Aufbereitungskreislauf zugeführt wird, hergestellt.The present invention relates to a process for the production of a ferrous metal based on a ferrous mineral in which the iron is enriched in the form of an oxide, and the corresponding device, which includes a reduction furnace having one or more inlets for the reducing gas and within which the process of direct reduction of iron (DRI) is carried out. The reducing gas is produced by mixing a part of the process gas produced in the reduction furnace with an additional gas supplied from an externally arranged processing circuit.
Der Stand der Technik beinhaltet Verfahren von direkter Reduktion unter Verwendung der Zuführung von Kohlenwasserstoffen in den Strom des Reduktionsgases, um eine Reaktion für die Aufbereitung des Methans in dem Ofen mit dem H&sub2;O und CO&sub2; in dem Gas zu ermöglichen; es sind ebenfalls Verfahren für die direkte Reduktion bekannt, welchen die Zuführung von Kohlenwasserstoffen mit C > 5 direkt in den Ofen in die Zone zwischen der Zuführung des Reduktionsgases und dem Auslass aus diesem heraus oberhalb dem verbrannten Gas zu Grunde liegen.The prior art includes direct reduction processes using the introduction of hydrocarbons into the reducing gas stream to enable a reaction for upgrading the methane in the furnace with the H₂O and CO₂ in the gas; direct reduction processes are also known which involve the introduction of hydrocarbons with C > 5 directly into the furnace in the zone between the reducing gas introduction and the outlet from it above the burned gas.
Nachfolgend werden weitere Patent-Dokumente anderer Verfahren für die direkte Reduktion von eisenhaltigen Mineralien angegeben:Further patent documents for other processes for the direct reduction of iron-containing minerals are given below:
US-A-2,189,260, US-A-3,601,381, US-A-3,748,120, US-A-3,749,386, US-A-3,764,123, US-A-3,770,421, US-A-4,054,444, US-A-4,173,465, US-A-4,188,022, US-A-4,234,169, US-A-4,201,571, US-A-4,270,739, US-A-4,374,585, US-A-4,528,030 US-A-4,556,417, US-A-4,720,299, US-A-4,900,356, US-A-5,064,467, US-A-5,078,788, US-A-5,387,274 und US-A-5,407,460.US-A-2,189,260, US-A-3,601,381, US-A-3,748,120, US-A-3,749,386, US-A-3,764,123, US-A-3,770,421, US-A-4,054,444, US-A-4,173,465, US-A-4,188,022, US-A-4,234,169, US-A-4,201,571, US-A-4,270,739, US-A-4,374,585, US-A-4,528,030 US-A -4,556,417, US-A-4,720,299, US-A-4,900,356, US-A-5,064,467, US-A-5,078,788, US-A-5,387,274 and US-A-5,407,460.
Der Stand der Technik beinhaltet ebenfalls Verfahren, worin heißes Eisenmetall in einem Reduktionsofen vom Typ eines Schachtofens hergestellt wird, welcher einen vertikalen und gravitationalen Fluß für das Material aufweist, welches nachfolgend in den Schmelzofen zugeführt wird, durch Mittel eines geschlossenen, pneumatischen Transportsystems in einer inneren Atmosphäre.The prior art also includes processes wherein hot ferrous metal is produced in a shaft furnace type reduction furnace having a vertical and gravitational flow for the material which is subsequently fed into the melting furnace by means of a closed pneumatic transport system in an internal atmosphere.
Das Dokument EP-A-0262353 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung von heißem Eisenschwamm in einem vertikalen Schachtofen, wobei das Reduktionsgas für die Reduzierung in einer Aufbereitungseinheit durch katalytische Konvertierung einer Mixtur von Dampf und natürlichem Gas zu einem Reduktionsgas im Wesentlichen bestehend aus CO und H&sub2; hergestellt wird. Das zugeführte Gas oder das Prozessgas, welches die Reduktionszone des Reaktors verlässt, strömt zu einer Lösch-Kühl-Vorrichtung, worin es gekühlt und dehydriert wird, und in eine Kohlenstoff-Dioxid-Einheit, worin das CO2 entzogen wird. Ein Rückstau- Druckregulator ermöglicht es, das überströmende Gas zurückzuhalten und den Reaktor und die damit verbundenen Ausstattungen unter einem bestimmten, gewünschten Druck zu halten. Deshalb ist das Prozeß-Gas im Wesentlichen vollkommen von H2O und CO2 "gereinigt" im Sinne einer Wiederzuführung als ein Teil des aktiven Gases (H2 und CO), welches in dem zugeführten Gas beinhaltet ist. Was dabei passiert, ist einfach das, dass etwas was nicht mehr erforderlich ist (H2O und CO2) aus dem Prozeß-Gas entnommen wird, während die verbleibenden Teile in die Hauptleitung für die Gasversorgung zugeführt werden, worin das Reduktionsgas fließt, welches durch die Dampf-Aufbereitungseinheit erzeugt wird.Document EP-A-0262353 discloses a method and apparatus for the production of hot sponge iron in a vertical shaft furnace, wherein the reducing gas for the reduction is produced in a preparation unit by catalytic conversion of a mixture of steam and natural gas to a reducing gas consisting essentially of CO and H₂. The feed gas or the process gas leaving the reduction zone of the reactor flows to a quenching-cooling device, where it is cooled and dehydrated, and to a carbon dioxide unit, where the CO2 is removed. A back pressure regulator makes it possible to retain the overflowing gas and to keep the reactor and the associated equipment under a certain, desired pressure. Therefore, the process gas is essentially completely "cleaned" of H2O and CO2 in the sense of being recycled as a portion of the active gas (H2 and CO) contained in the feed gas. What happens is simply that something that is no longer required (H2O and CO2) is taken out of the process gas, while the remaining parts are fed into the main gas supply line into which the reducing gas produced by the steam conditioning unit flows.
Das Verfahren zur Herstellung von Eisenmetall durch die direkte Reduktion von Eisenoxiden und die entsprechende Vorrichtung bezüglich der Erfindung werden beschrieben und charakterisiert in den entsprechenden Hauptansprüchen, wobei die abhängigen Ansprüche weitere, innovative Merkmale der vorliegenden Erfindung beschreiben.The process for producing ferrous metal by the direct reduction of iron oxides and the corresponding apparatus relating to the invention are described and characterized in the respective main claims, with the dependent claims describing further innovative features of the present invention.
Das Verfahren bezüglich der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eisenhaltiges Mineral mit unterschiedlicher Granulat-Geometrie mit dem zugeführten Gas in dem Reduktionsofen vom Typ eines Schaftofens in Kontakt gebracht wird, wobei beide sowohl das Gas als auch das Material kontinuierlich zugeführt werden, so dass ein vertikaler und gravitational bedingter Fluss des Materials erzeugt wird und die direkte Reduktion des Minerals erreicht wird. Das Material kann aus dem Reaktor entweder kalt oder vorzugsweise heiß entnommen werden, um nachfolgend einem Schmelzofen oder dergleichen zugeführt zu werden, so dass es in heiße Eisenbriketts (HBI) umgeformt werden kann oder gekühlt und anschließend in direkt reduziertes Eisen (DRI) umgeformt werden kann.The method related to the present invention consists in bringing iron-containing mineral with different granule geometry into contact with the supplied gas in the shaft furnace type reduction furnace, whereby both the gas and the material are continuously supplied so that a vertical and gravitational flow of the material is created and the direct reduction of the mineral is achieved. The material can be removed from the reactor either cold or preferably hot to be subsequently fed to a melting furnace or the like so that it can be formed into hot iron briquettes (HBI) or cooled and subsequently formed into direct reduced iron (DRI).
Der Reduktions-Ofen ist mit Mitteln für die Zuführung des eisenhaltigen Minerales und mit Mitteln für die Entladung und Reduzierung des Eisenmetalles ausgestattet; er ist ausgestattet mit wenigstens einem Einlass-Sammler für die Zuführung des Reduktionsgases in Korrespondenz mit einer Reduktions-Zone oder einem Reaktor innerhalb des Ofens.The reduction furnace is equipped with means for feeding the ferrous mineral and with means for discharging and reducing the ferrous metal; it is equipped with at least one inlet manifold for feeding the reducing gas in correspondence with a reduction zone or reactor within the furnace.
Das in den Reaktor zugeführte Reaktionsgas beinhaltet Kohlenwasserstoffe, welche in den Strom eingebracht werden, nachdem eine partielle Verbrennung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit dem Sauerstoff erfolgt und erreicht wird durch die Mischung eines Teiles des Prozess-Gases, welches im Reduktionsofen besteht, mit zusätzlichem Gas, das von einem äußeren Aufbereitungskreislauf zugeführt wird.The reaction gas fed into the reactor contains hydrocarbons, which are introduced into the stream after partial combustion of hydrogen and carbon monoxide with oxygen and is achieved by mixing part of the process gas present in the reduction furnace with additional gas supplied from an external treatment circuit.
In einer Variante werden die Kohlenwasserstoffe zugeführt, bevor die partielle Verbrennung erreicht ist, mit dem Zweck der Erhöhung der Temperatur des Gases, welches in den Reaktor hinein zugeführt wird.In one variant, the hydrocarbons are added before partial combustion is achieved, with the purpose of increasing the temperature of the gas fed into the reactor.
Bezüglich einer weiteren Variante werden die Kohlenwasserstoffe wenigstens partiell in eine Zone zwischen der Reduktionszone und der Zone zugeführt, in welcher das zu reduzierende Material entladen wird.According to a further variant, the hydrocarbons are at least partially fed into a zone between the reduction zone and the zone in which the material to be reduced is discharged.
In allen Fällen reagieren die zugeführten Kohlenwasserstoffe zur Reduzierung des Eisenoxides (FeO) zu Eisenmetall, wobei mehr H2 und CO erzeugt wird.In all cases, the supplied hydrocarbons react to reduce the iron oxide (FeO) to iron metal, producing more H2 and CO.
Die direkte Reduzierung des Eisenoxides wird in zwei unterschiedlichen, kontinuierlichen Stadien innerhalb des Reduktions-Reaktors erreicht. In einer speziellen Ausführungsform ist der Ofen mit einer ersten Stufe ausgestattet, definiert als die Vorheizungs- und Vorreduktions-Stufe, worin die frischen Eisenoxide, das sind jene, welche gerade in den Ofen zugeführt wurden, in Kontakt kommen mit einer Mixtur von Reduktionsgas, bestehend aus teilweise verbranntem Gas, welches von den darunter liegenden Teilen des Ofens kommt, und von frischem, heißem Gas, das ist jenes Gas, welches von außen zugeführt wird, ankommend aus einem Sammler, welcher frisches Reduktionsgas und möglicherweise CH&sub4; oder andere neutrale Gase zuführt. Diese erste Stufe findet statt in einer korrespondierenden, ersten Zone, welche angeordnet ist im oberen Teil des Ofens.The direct reduction of the iron oxide is achieved in two different, continuous stages within the reduction reactor. In a specific embodiment, the furnace is equipped with a first stage, defined as the preheating and prereduction stage, in which the fresh iron oxides, that is, those which have just been fed into the furnace, come into contact with a mixture of reducing gas consisting of partially burned gas coming from the lower parts of the furnace and of fresh hot gas, that is, that gas which is fed from the outside, arriving from a collector which supplies fresh reducing gas and possibly CH₄ or other neutral gases. This first stage takes place in a corresponding first zone arranged in the upper part of the furnace.
In der zweiten Stufe findet nun die richtige Reduktion statt, die gesamte Reduktion des Eisenoxides wird erreicht, aufgrund der Wirkung auf die Oxide, welche bereits teilweise in der ersten Stufe reduziert wurden, durch eine Mixtur eines Reduktionsgases, basierend auf H&sub2; und CO und wenigstens einem Kohlenwasserstoff, vorzugsweise natürlichem Gas, zugeführt in der mittleren Zone des Reduktions-Reaktors. Diese zweite Stufe findet in einer korrespondierenden, zweiten Zone statt, angeordnet unterhalb der ersten Zone.In the second stage the real reduction now takes place, the total reduction of the iron oxide is achieved due to the action on the oxides which have already been partially reduced in the first stage, by a mixture of a reducing gas based on H₂ and CO and at least one hydrocarbon, preferably natural gas, supplied in the middle zone of the reduction reactor. This second stage takes place in a corresponding second zone, located below the first zone.
Die zwei Einlässe für den Ofen, durch welche das Gas zugeführt wird, können unabhängig voneinander reguliert werden, wobei bei beiden, sowohl der Strom des frischen Reduktionsgases als auch der des zusätzlichen, natürlichen Gases, in dem zugeführten Strom beeinflusst sind.The two inlets for the furnace through which the gas is supplied can be regulated independently of each other, with both influencing the flow of the fresh reducing gas and the additional natural gas in the supplied stream.
Ferner kann die Einlasstemperatur der beiden Ströme für das Reduktionsgas unabhängig voneinander durch die Beimengung von O&sub2; reguliert werden, bevor sie in den Reduktions-Reaktor eintreten.Furthermore, the inlet temperature of the two reducing gas streams can be regulated independently by the addition of O₂ before they enter the reduction reactor.
Die Oxidations-Reaktion, welche erforderlich ist, um die Temperatur des Gases zu erhöhen, führt zu einer Änderung in der Konzentration der Oxidation des Gases, von einem normalen Wert von 0,04 bis 0,08 auf 0,06 bis 0,15.The oxidation reaction required to raise the temperature of the gas results in a change in the concentration of oxidation of the gas from a normal value of 0.04 to 0.08 to 0.06 to 0.15.
Das folgende Verhältnis ist vorgesehen für die Oxidations-Konzentration des Reduktionsgases:The following ratio is intended for the oxidation concentration of the reducing gas:
Nox = (H&sub2;O + CO&sub2;/(H&sub2;0 + CO&sub2; + H&sub2; + CO).Nox = (H2 O + CO2 /(H2 O + CO2 + H2 + CO).
In der zweiten Reaktionszone des Ofens, in welcher die Reduktion des Eisenoxides abgeschlossen wird, wird ein Gas erzeugt mit einem hohen Anteil von H&sub2; und CO und mit einer Oxidations-Konzentration zwischen 0,15 und 0,25 abhängig von der Reduktions-Reaktion der Eisenoxide mit H&sub2;, CO und CH&sub4;.In the second reaction zone of the furnace, where the reduction of the iron oxide is completed, a gas is produced with a high proportion of H₂ and CO and with an oxidation concentration between 0.15 and 0.25 depending on the reduction reaction of the iron oxides with H₂, CO and CH₄.
Nachdem dieses Gas die zweite Reaktionszone verlassen hat, tritt es in die erste Reaktionszone ein, welche weiter oben angeordnet ist, und mischt sich mit dem heißen Gas, welches in die erste Zone zu dem vorgeheizten und vorreduzierten Eisenoxiden beimengt.After this gas has left the second reaction zone, it enters the first reaction zone, which is located higher up, and mixes with the hot gas which is added to the preheated and prereduced iron oxides in the first zone.
Das sich im Reduktions-Reaktor ergebende Gas wird teilweise im Kreislauf wieder zugeführt und teilweise als Brennstoff verwendet.The gas produced in the reduction reactor is partly recycled and partly used as fuel.
Das dem Kreislauf wieder zugeführt Gas hat eine Volumen-Zusammensetzung in den folgenden Bereichen:The gas returned to the circuit has a volume composition in the following ranges:
H&sub2; = 20-41%, CO = 15-28%, CO&sub2; = 15-25%, CH&sub4; = 3-10%, N&sub2; = 0-8%, H&sub2;O = 2-7%.H&sub2; = 20-41%, CO = 15-28%, CO&sub2; = 15-25%, CH4 = 3-10%, N2 = 0-8%, H2 O = 2-7%.
Bezüglich einer Charakteristik der vorliegenden Erfindung besteht das dem Reduktions-Reaktor zugeführte Gas aus einer Mixtur eines natürlichen Gases, mit dem dem Kreislauf wieder zugeführten Gas, ebenfalls bekannt als Prozessgas oder Gichtgas, das im Reaktor selbst vorkommt, und wieder aufbereitetem Gas; das dem Kreislauf wieder zugeführte Gas ist vorgeheizt auf eine Temperatur zwischen 650 und 950ºC; dass sich im Vorheizer ergebende Gas ist der Reihe nach gemischt mit frischem, wieder aufbereitetem Gas und nachfolgend mit Luft oder mit mit Sauerstoff angereicherter Luft oder mit reinem Sauerstoff, um eine teilweise Verbrennung des H&sub2; und CO in dem Reduktionsgas zu erreichen, zum Zwecke der Erhöhung der Temperatur, auf Werte zwischen 800 und 1150ºC, vorzugsweise zwischen 1000 und 1150ºC; und die Oxidations-Konzentration des resultierenden Gases, welches dem Ofen zugeführt wird, bewegt sich zwischen 0,06 und 0,15.According to a characteristic of the present invention, the gas fed to the reduction reactor consists of a mixture of a natural gas, with the recirculated gas, also known as process gas or blast furnace gas, present in the reactor itself, and reclaimed gas; the recirculated gas is preheated to a temperature of between 650 and 950°C; the gas resulting in the preheater is mixed in turn with fresh reclaimed gas and subsequently with air or with oxygen-enriched air or with pure oxygen in order to achieve partial combustion of the H₂ and CO in the reduction gas, for the purpose of increasing the temperature to values of between 800 and 1150°C, preferably between 1000 and 1150°C; and the oxidation concentration of the resulting gas fed into the furnace ranges between 0.06 and 0.15.
Das Methan repräsentiert zwischen 6 und 20% des Volumens des Gemisches des Reduktionsgases.The methane represents between 6 and 20% of the volume of the reducing gas mixture.
Wenn das zugeführte Gas in der Reduktions-Zone mit dem heißen, teilweise reduziertem Material in Kontakt kommt, welches folglich teilweise aus Eisenmetall besteht und teilweise aus Eisenoxiden, wird eine höchst endothermische Reaktion hervorgerufen.When the supplied gas in the reduction zone comes into contact with the hot, partially reduced material, which consequently consists partly of iron metal and partly of iron oxides, a highly endothermic reaction is induced.
Es erfolgt ebenfalls eine endothermische Reaktion in der Vorheiz- und Vorreduktions-Zone, wenn das Gas mit dem Eisen-Oxid in Kontakt kommt.An endothermic reaction also occurs in the preheating and prereduction zone when the gas comes into contact with the iron oxide.
Ein Vorteil diese Erfindung liegt darin, dass die erste Vorheiz- und Vorreduktions- Zone erweitert ist, wodurch es möglich ist, dass die Transformierung von Ematite (Fe&sub2;O&sub3;) in Wustite (FeO) wesentlich rascher eingeleitet werden kann.An advantage of this invention is that the first preheating and prereduction zone is extended, which makes it possible for the transformation of ematite (Fe2O3) to wustite (FeO) to be initiated much more quickly.
Der gesamte Reaktor arbeitet bei einer höheren, durchschnittlichen Temperatur, welche über beide Zonen konstant ist, wodurch in beiden Zonen, sowohl in der Vor- Reduktions- als auch in der Reduktions-Zone, eine höhere Reaktions- Geschwindigkeit gefördert wird, wodurch konsequenterweise der Effekt der Reduzierung des Verbrauches und des Anstiegs der Produktivität erreicht wird.The entire reactor operates at a higher average temperature, which is constant across both zones, thus promoting a higher reaction rate in both the pre-reduction and reduction zones, consequently achieving the effect of reducing consumption and increasing productivity.
In dem Fall, in welchem der Ofen zwei Einlässe für die Zuführung des Reduktionsgases aufweist, ist der erste Einlass auf einem ermittelten Abstand (x) angeordnet in Bezug auf den zweiten Einlass, welcher im mittleren Bereich des Ofens angeordnet ist, in Korrespondenz mit der zweiten Reduktions-Zone. Dieser Abstand (x) ist möglich zwischen 1 und 6 Metern, vorzugsweise zwischen 2 und 4 Metern, zur Förderung der Reaktionen in der am besten dafür geeigneten Zone zwischen dem Reduktionsgas und den Eisenoxiden.In the case where the furnace has two inlets for the supply of the reducing gas, the first inlet is arranged at a determined distance (x) with respect to the second inlet, which is arranged in the central area of the furnace, in correspondence with the second reduction zone. This distance (x) can be between 1 and 6 meters, preferably between 2 and 4 meters, in order to promote the reactions in the most suitable zone between the reducing gas and the iron oxides.
Der erste Gas-Einlass hat zusätzlich die Funktion des Anstoßens des aus der zweiten Reduktionszone gegen das Zentrum des Ofens vorströmenden Gases um eine einheitliche Verteilung des Gases in diesem Abschnitt des Reaktors zu erreichen.The first gas inlet also has the function of pushing the gas flowing from the second reduction zone towards the center of the furnace in order to achieve a uniform distribution of the gas in this section of the reactor.
Bezüglich einer Variante sind mehrere oder mehr als zwei Einlässe für das Reduktionsgas in den Ofen hinein vorhanden. Der erste Strom des Redulktionsgases wird in der Mitte des Reaktors zugeführt, möglichst in die Reduktionszone hinein, während die anderen Ströme in die Zone zwischen der Einströmung des ersten Stromes von Gas und dem Auslass des Brenngases angeordnet sind, in dem oberen Teil des Ofens. Diese mittlere Zone wird Vorheizungs- und Vorreduzierungs-Zone für die eisenoxidbasierenden Materialien genannt.According to one variant, there are several or more than two inlets for the reducing gas into the furnace. The first stream of reducing gas is fed into the middle of the reactor, preferably into the reduction zone, while the other streams are arranged in the zone between the inflow of the first stream of gas and the outlet of the fuel gas, in the upper part of the furnace. This middle zone is called the preheating and prereduction zone for the iron oxide-based materials.
Der Strom des Gases in den Reaktor hinein, welcher so zusammengesetzt ist, ermöglicht es, die gesamte Reduktions- und Vor-Reduktions-Zone auf eine so konstant wie mögliche Temperatur zu halten und im Inneren des Ofens Ein Gas vorzuhalten, welches ständig eine hohe Reduktionskraft aufweist, wodurch eine größere Produktivität und ein geringerer Verbrauch von Gas bewirkt wird; was es ebenfalls ermöglicht, die abschließende Metallisierung des Produktes zu verbessern.The flow of gas into the reactor, which is thus composed, allows the entire reduction and pre-reduction zone to be kept at as constant a temperature as possible and to maintain a gas inside the furnace that has a high reducing power at all times, thus ensuring greater productivity and lower gas consumption; which also allows the final metallization of the product to be improved.
Auf diese Art und Weise wird überdies erreicht, dass das Eisenoxid in der Reduktionszone bereits teilweise reduziert wird, wodurch die Vollendung der abschließenden Reduktions-Reaktion von FeO zu Fe gefördert wird.In this way, it is also achieved that the iron oxide in the reduction zone is already partially reduced, which promotes the completion of the final reduction reaction from FeO to Fe.
Diese und weitere Charakteristika der vorliegenden Erfindung werden noch verständlicher werden aus der folgenden Beschreibung einiger, bevorzugter Formen von Ausführungsformen, welche als nicht restriktive Beispiele gegeben werden, unter Zuhilfenahme der beigefügten Figuren, wobei:These and other characteristics of the present invention will become even more understood from the following description of some preferred forms of embodiments, given as non-restrictive examples, with the aid of the accompanying figures, in which:
Fig. 1a in Diagrammform eine Vorrichtung für die direkte Reduktion von Eisenoxiden bezüglich der vorliegenden Erfindung in einer ersten Form einer Ausführungsform zeigt;Fig. 1a shows in diagrammatic form an apparatus for the direct reduction of iron oxides relating to the present invention in a first form of embodiment;
Fig. 1b in Diagrammform eine Vorrichtung für die direkte Reduktion von Eisenoxiden bezüglich der vorliegenden Erfindung in einer zweiten Form einer Ausführungsform zeigt;Fig. 1b shows in diagrammatic form an apparatus for the direct reduction of iron oxides relating to the present invention in a second form of embodiment;
Fig. 2 eine erste Variante eines Ofens darstellt, welcher Teil der Vorrichtung in der Fig. 1a ist;Fig. 2 shows a first variant of an oven which is part of the device in Fig. 1a;
Fig. 3 ein Diagramm ist, welches die Temperatur im Inneren des Ofens zeigt, dargestellt in den Fig. 1a und 2;Fig. 3 is a diagram showing the temperature inside the furnace shown in Figs. 1a and 2;
Fig. 4 eine zweite Variante eines Ofens zeigt, welcher in der Vorrichtung in Fig. 1a angeordnet ist;Fig. 4 shows a second variant of a furnace arranged in the device in Fig. 1a;
Fig. 5 ein Diagramm ist, welches die Temperatur im Inneren des Ofens zeigt wie dargestellt in Fig. 4;Fig. 5 is a graph showing the temperature inside the furnace as shown in Fig. 4;
In Bezug auf die Fig. 1a beinhaltet eine Vorrichtung für die direkte Reduktion von Eisenoxiden, nach der vorliegenden Erfindung, einen Reduktionsofen, welcher von dem Typ Schachtofen ist, oder vom Typ eines Reduktions-Reaktors 10, der Reihe nach beinhaltend eine obere Öffnung 11 für die Zufuhr von oben her, durch welche es möglich ist, die Mineralien (Eisenoxide) zuzuführen, eine erste Vorheiz- und Vorreduktions-Zone 12, eine zweite Zone oder eine mittlere Zone 14, worin die abschließende Reduktions-Reaktion des Eisenoxides stattfindet, und eine untere Zone oder Entladezone 15, ausgeformt wie ein abgeschnittener Kegel, lösbar angeordnet an der Bodenseite in einer unteren Öffnung 16, durch welche das Eisen abgelassen wird.With reference to Fig. 1a, an apparatus for the direct reduction of iron oxides, according to the present invention, comprises a reduction furnace, which is of the shaft furnace type, or of the reduction reactor type 10, comprising in turn an upper opening 11 for the top feed through which it is possible to feed the minerals (iron oxides), a first preheating and prereduction zone 12, a second zone or middle zone 14 in which the final reduction reaction of the iron oxide takes place, and a lower zone or discharge zone 15, shaped like a truncated cone, detachably arranged at the bottom side in a lower opening 16 through which the iron is discharged.
Die eisenbasierenden Metalloxide werden in den Reaktor 10 hinein zugeführt in der Form von Körnern oder rohem Mineral in den entsprechenden Größen; wobei das darin befindliche Eisen gewöhnlicherweise zwischen 63 und 68% des Gewichtes vorkommt.The iron-based metal oxides are fed into the reactor 10 in the form of grains or crude mineral of appropriate sizes; the iron therein usually being between 63 and 68% by weight.
Am Ende des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung liegt der Eisengehalt in dem reduzierten Material, welches aus dem Reaktor 10 wieder herauskommt, normaler Weise zwischen 80 und 90% im Gewicht.At the end of the process according to the present invention, the iron content in the reduced material coming out of the reactor 10 is normally between 80 and 90% by weight.
Mit den beiden Zonen 12 und 14 des Reaktors 10 korrespondieren zwei unabhängige Einlässe 17 bzw. 18, durch welche ein Gemisch aus Gas in geeigneter Weise zugeführt werden kann, wie es noch detaillierter hier nachfolgend beschrieben wird.Corresponding to the two zones 12 and 14 of the reactor 10 are two independent inlets 17 and 18, respectively, through which a mixture of gas can be supplied in a suitable manner, as will be described in more detail below.
In diesem oberen Teil, oberhalb der Zone 12, ist der Reaktor 10 mit einer Öffnung 19 ausgestattet, durch welche das verbrannte Gas oder das Prozessgas entströmt. Dieses Gas hat normalerweise die folgenden Charakteristikas:In this upper part, above zone 12, the reactor 10 is equipped with an opening 19 through which the combusted gas or the process gas flows out. This gas normally has the following characteristics:
Zusammensetzung: H&sub2; = 20-41%, CO = 15-28%, CO&sub2; = 12-25%, CH&sub4; = 2-1 0%, N&sub2; = 0-8%, H&sub2;0 = 2-15%; die Temperatur liegt zwischen 500 und 700ºC; die Oxidations- Konzentration liegt zwischen 0,3 und 0,50, vorzugsweise zwischen 0,40 und 0,45; und das Reduktions-Verhältnis R liegt zwischen 1 und 1,8, wobei das Reduktions- Verhältnis folgendermaßen berechnet wird:Composition: H₂ = 20-41%, CO = 15-28%, CO₂ = 12-25%, CH₄ = 2-10%, N₂ = 0-8%, H₂O = 2-15%; the temperature is between 500 and 700ºC; the oxidation concentration is between 0.3 and 0.50, preferably between 0.40 and 0.45; and the reduction ratio R is between 1 and 1.8, the reduction ratio being calculated as follows:
R = (H&sub2; + CO)/(H&sub2;O + CO&sub2;).R = (H2 + CO)/(H2 O + CO2).
In der Ausführungsform, wie dargestellt in der Fig. 1b, beinhaltet der Ofen 10 nur eine Reaktionszone 14 und nur einen Einlass 18, durch welchen das Reduktionsgas in den Ofen hinein zugeführt wird. In beiden Versionen, das sind die eine, dargestellt in Fig. 1a und die andere, dargestellt in Fig. 1b, wird das verbrannte Gas, welches aus dem Reaktor 10 entweicht, durch eine Leitung 20 zu einer Kühleinheit 21 geführt, welche dazu geeignet ist, die davon abgegebene Hitze wieder zurückzugewinnen; von der Kühleinheit 21 gelangt es, durch eine weitere Leitung 22, an eine Kühl- und Kondensationseinheit 24. In dieser Einheit 24 wird das verbrannte Gas bei einer Temperatur zwischen 40ºC und 65ºC gewaschen und die Quantität des Wassers, welches in dem Gas selbst vorhanden ist, wird teilweise ausgetauscht. Der im Gas verbleibende Prozentsatz von Wasser am Auslass der Einheit 24 liegt zwischen 2 und 7%.In the embodiment shown in Fig. 1b, the furnace 10 comprises only one reaction zone 14 and only one inlet 18 through which the reducing gas is introduced into the furnace. In both versions, that is, the one shown in Fig. 1a and the other shown in Fig. 1b, the burnt gas escaping from the reactor 10 is led through a pipe 20 to a cooling unit 21, suitable for recovering the heat given off by it; from the cooling unit 21 it passes, through another pipe 22, to a cooling and condensing unit 24. In this unit 24, the burnt gas is washed at a temperature between 40°C and 65°C and the quantity of water present in the gas itself is partially replaced. The percentage of water remaining in the gas at the outlet of unit 24 is between 2 and 7%.
Das Gas am Auslass der Einheit 24 wird durch eine Leitung 30 geschickt, teilweise durch einen Vorheizer 36, teilweise durch einen katalystorischen Wiederaufbereiter 44, um als Brennstoff verwendet zu werden, und teilweise durch einen Kompressor 26.The gas at the outlet of the unit 24 is sent through a line 30, partly through a preheater 36, partly through a catalytic reprocessor 44 to be used as fuel, and partly through a compressor 26.
Das aus dem Kompressor 26 austretende Gas wird der Reihe nach als dem Kreislauf wieder zugeführtes Gas verwendet und durch eine Leitung 28 geschickt, innerhalb der Einheit 21, und teilweise durch eine Leitung 46, gemischt mit einem natürlichen Gas, beinhaltend Methan (CH&sub4;) oder reines Methan, zugeführt durch eine Leitung 34 in einem Verhältnis von etwa 4 : 1 (wozu hier angeführt wird, dass für jeden Teil eines natürlichen Gases etwa 4 Teile des durch die Leitung 46 einströmenden Gases zugeführt werden) und in den Wiederaufbereiter 44 zugeführt werden, so dass die Wiederaufbereitungs-Reaktion des Methans (CH&sub4;) mit H&sub2;O und CO&sub2; beginnen kann.The gas exiting the compressor 26 is used in turn as recycle gas and is sent through a line 28, inside the unit 21, and partially through a line 46, mixed with a natural gas containing methane (CH4) or pure methane, supplied through a line 34 in a ratio of about 4:1 (it being stated here that for each part of natural gas, about 4 parts of the gas entering through line 46 are supplied) and fed into the regenerator 44 so that the recycle reaction of the methane (CH4) with H2O and CO2 can begin.
Der Teil des Gases, welches zu der Einheit 21 durch die Leitung 28 zugeführt wird, ist vorgeheizt und wird dann durch die Leitung 32 zu dem Vorheizer 36 geführt, wo es weiter vorgeheizt wird, auf eine Temperatur zwischen 650 und 950ºC CH&sub4; kann ebenfalls in die Leitung 32 zugeführt werden.The portion of the gas supplied to the unit 21 through line 28 is preheated and is then passed through line 32 to the preheater 36 where it is further preheated to a temperature between 650 and 950ºC. CH₄ may also be supplied into line 32.
Das aus dem Vorheizer 36 entsteigende Gas, welches ein Zuführaufkommen von zwischen 600 Nm³/ton DRI und 1500 Nm³/ton DRI aufweist, wird in einer Leitung 38 mit dem Gas gemischt, welches aus dem Wiederaufbereiter 44 durch die Leitung 50 zugeführt wird.The gas emerging from the preheater 36, which has a feed rate of between 600 Nm³/ton DRI and 1500 Nm³/ton DRI, is mixed in a line 38 with the gas which is fed from the reprocessor 44 through the line 50.
Das aus dieser Mixtur resultierende Gas wird in zwei Teile geteilt und auf zwei Leitungen 40 und 41 verteilt, welche mit den Einlässen 17 und 18 des Ofens 10 verbunden sind. Die Versorgung des Reduktionsgases wird in jeder der Zonen 12, 14 durch Mittel in Form von Regulierventilen 55 und 56 kontrolliert.The gas resulting from this mixture is divided into two parts and distributed between two pipes 40 and 41 connected to the inlets 17 and 18 of the furnace 10. The supply of reducing gas is controlled in each of the zones 12, 14 by means in the form of regulating valves 55 and 56.
In jede Leitung 40 und 41 wird Luft eingebracht oder Luft die mit Sauerstoff angereichert ist, oder reiner Sauerstoff und natürliches Gas in variablen Prozentsätzen, zum Zwecke der Erreichung einer teilweisen Verdichtung des CO und des H&sub2; und zur Anhebung der Temperatur des Gases.In each line 40 and 41 is introduced air, or air enriched with oxygen, or pure oxygen and natural gas in variable percentages, for the purpose of achieving partial compression of the CO and H₂ and raising the temperature of the gas.
Ein Strom von CH&sub4; oder natürlichem Gas wird in das Gas eingeleitet, bevor es in den Reaktor zugeführt wird.A stream of CH4 or natural gas is introduced into the gas before it is fed into the reactor.
In einer Variante, dargestellt durch eine strichlierte Linie in den Fig. 1a und 1b, wird das CH&sub4; eingeleitet, bevor es der teilweisen Verbrennung zugeführt wird, zum Zwecke der Erhöhung der Temperatur des Gases, welches in den Reaktor zugeführt wird.In a variant, shown by a dashed line in Figures 1a and 1b, the CH4 is introduced before being fed to the partial combustion, for the purpose of increasing the temperature of the gas fed into the reactor.
Das CH&sub4; kann ebenfalls in einer Zone zwischen der Reduktionszone 14 und dem Auslasskegel für das Material, durch die Leitung 81, zugeführt werden. In diesem Falle kühlt das zugeführt CH&sub4; teilweise das reduzierte Eisen, bevor es in die Zone 14 eintritt, in welcher die Reduktions-Reaktionen durchgeführt werden, bevor das Eisen abgestochen wird.The CH4 may also be introduced into a zone between the reduction zone 14 and the material outlet cone, through line 81. In this case, the introduced CH4 partially cools the reduced iron before it enters the zone 14 in which the reduction reactions are carried out before the iron is tapped.
Die resultierenden Mixturen werden anschließend in die Reduktionszone 14 zugeführt, und optional in die Vorheiz- und Vorreduktions-Zone 12.The resulting mixtures are then fed into the reduction zone 14 and optionally into the preheating and prereduction zone 12.
Unter Bezug auf den Ofen 10 mit zwei Einlässen (Fig. 1a) für jede Zone 12 und 14 wird die korrespondierende Mixtur von Gas in einer automatischen und unabhängigen Art und Weise reguliert.Referring to the furnace 10 with two inlets (Fig. 1a) for each zone 12 and 14, the corresponding mixture of gas is regulated in an automatic and independent manner.
Um noch exakter zu sein, ist der Gasfluss in der ersten Zone 12 zwischen 500 Nm³/ton DRI und 800 Nm³/ton DRI und tritt in den Reaktor 10 mit einer Temperatur zwischen 800ºC und 1150ºC ein, vorzugsweise zwischen 1000ºC und 1150ºC, während der Gasfluss in der zweiten Zone 14 zwischen 1000 Nm³/ton DIR und 1.500 Nm³/ton DRI liegt und ebenfalls in den Reduktionsreaktor 10 mit einer Temperatur zwischen 800ºC und 1150ºC eintritt, worzugsweise zwischen 1000ºC und 1150ºC.To be more precise, the gas flow in the first zone 12 is between 500 Nm³/ton DRI and 800 Nm³/ton DRI and enters the reactor 10 at a temperature between 800ºC and 1150ºC, preferably between 1000ºC and 1150ºC, while the gas flow in the second zone 14 is between 1000 Nm³/ton DIR and 1500 Nm³/ton DRI and also enters the reduction reactor 10 at a temperature between 800ºC and 1150ºC, preferably between 1000ºC and 1150ºC.
Der Verbrauch von Sauerstoff, welcher dazu erforderlich ist, die Temperatur des Reduktionsgases von 650ºC bis 950ºC auf 800ºC bis 1150ºC zu erhöhen, ist vorzugsweise reiner Sauerstoff plus dem, beinhaltet in der Luft, wenn Luft ebenfalls eingeblasen wird, und liegt zwischen 8 Nm³/ton DRI und 60 Nm³/ton DRI, vorzugsweise zwischen 20 und 60 Nm³/ton DRI.The consumption of oxygen required to raise the temperature of the reducing gas from 650ºC to 950ºC to 800ºC to 1150ºC is preferably pure oxygen plus that contained in the air if air is also blown in and is between 8 Nm³/ton DRI and 60 Nm³/ton DRI, preferably between 20 and 60 Nm³/ton DRI.
Der Verbrauch von CH&sub4; liegt zwischen 50 und 120 Nm³/ton DRI, vorzugsweise zwischen 90 und 110 Nm³/ton DRI. Volumenmäßig repräsentiert CH&sub4; zwischen 6 und 20% der Mischung des Reduktionsgases, welches in den Reaktor zugeführt wird.The consumption of CH₄ is between 50 and 120 Nm³/ton DRI, preferably between 90 and 110 Nm³/ton DRI. In terms of volume, CH₄ represents between 6 and 20% of the mixture of reducing gases fed into the reactor.
Die Reaktionen, welche in der Reduktionszone 14 involviert sind, sind folgendermaßen:The reactions involved in the reduction zone 14 are as follows:
FeO + CH&sub4; = Fe + 2H&sub2; + CO (1).FeO + CH4 = Fe + 2H2 + CO (1).
Gleichzeitig findet in der gleichen Zone 14 folgende Reduktions-Reaktion statt, mit Wasserstoff- und Kohlenstoffmonoxid:At the same time, in the same zone 14, the following reduction reaction takes place, with hydrogen and carbon monoxide:
FeO + H&sub2; = Fe + H&sub2;O (2)FeO + H2 = Fe + H2 O (2)
FeO + CO = Fe + CO&sub2; (3).FeO + CO = Fe + CO₂ (3).
Die Konsequenz dieser drei endotherischen Reaktionen ist jene, dass die Temperatur des Gases in der Reduktionszone abfällt, und zwar von 800ºC bis 1150 ºC auf 700ºC bis 900ºC, wobei jedoch die Reaktionstemperatur höher bleibt als in Öfen nach dem Stand der Technik, und das die Reduktionszone 14 verlassende Gas hat eine Reduktions-Konzentration zwischen 0,15 und 0,35 und eine Reduktions- Kraft zwischen 1,1 und 2,8.The consequence of these three endothermic reactions is that the temperature of the gas in the reduction zone drops from 800ºC to 1150ºC to 700ºC to 900ºC, but the reaction temperature remains higher than in state of the art furnaces and the gas leaving the reduction zone 14 has a reducing concentration between 0.15 and 0.35 and a reducing power between 1.1 and 2.8.
Die Reaktionen, welche in der Vorreduktionszone 12 involviert sind, sind wie folgt:The reactions involved in the pre-reduction zone 12 are as follows:
Fe&sub2;O&sub3; + H&sub2; = 2FeO + H&sub2;O (4)Fe&sub2;O&sub3; + H2 = 2FeO + H2 O (4)
Fe&sub2;O&sub3; + CO = 2FeO + CO&sub2; (5).Fe&sub2;O&sub3; + CO = 2FeO + CO2 (5).
In der unteren Zone 15, welche wie ein abgeschnittener Kegel geformt ist, ist es ebenfalls möglich, Gas zuzuführen, welches natürliches Gas beinhaltet, um den restlichen Kohlenstoff in dem heiß reduzierten Eisen auf Werte zwischen 1,5% und 3,0% einzuregeln.In the lower zone 15, which is shaped like a truncated cone, it is also possible to supply gas, which includes natural gas, in order to regulate the residual carbon in the hot reduced iron to values between 1.5% and 3.0%.
In einer Variante, wie dargestellt in Fig. 2, weist der Ofen 10 anstelle eines einzelnen, unteren Teiles, welcher geformt ist wie ein abgeschnittner Kegel, wenigstens zwei auf, und vorzugsweise drei oder vier untere Enden, ausgeformt wie ein Kegel oder ein abgeschnittener Kegel 15a, 15b und 15c, durch welche reduziertes Eisenmetall in einer kontrollierten und unabhängigen Art und Weise entnommen werden kann. In diesem Fall kann das CH&sub4; ebenfalls durch Mittel oder Vorrichtungen, angeordnet an der mittleren Zone der Enden des abgeschnittenen Kegels 15a, 15b und 15c, zugeführt werden, wodurch die geometrische Gestalt des Systemes ausgenutzt wird.In a variant, as shown in Fig. 2, the furnace 10, instead of a single lower part shaped like a truncated cone, has at least two, and preferably three or four, lower ends shaped like a cone or truncated cone 15a, 15b and 15c through which reduced ferrous metal can be withdrawn in a controlled and independent manner. In this case, the CH4 can also be supplied by means or devices arranged at the central zone of the ends of the truncated cone 15a, 15b and 15c, thus exploiting the geometric shape of the system.
Die Entwicklung der Temperatur innerhalb des Ofens 10, sowohl in der Version wie dargestellt in der Fig. 1a als auch in der Version wie dargestellt in der Fig. 2, ist in der Fig. 3 gezeigt, aus welcher ersehen werden kann, wie die Temperatur höher und konstanter in dem Segment ist, welches durch die Zonen 12 und 14 beeinflusst ist.The evolution of the temperature inside the furnace 10, both in the version as shown in Fig. 1a and in the version as shown in Fig. 2, is shown in Fig. 3, from which it can be seen how the temperature is higher and more constant in the segment affected by zones 12 and 14.
Bezüglich einer weiteren Variante, wie dargestellt in Fig. 4, ist der Ofen 10 anstelle mit zwei Einlässen für die Zufuhr des Reduktionsgases mit einer Vielzahl von Einlässen ausgestattet, nämlich mehr als zwei. In diesem Falle wird ein erster Gasstrom in den unteren Einlass 18 durch die Leitung 41 zugeführt, ein zweiter Gasstrom in den Einlass 17 durch die Leitung 40 zugeführt und andere Gasströme, wovon jeder autonom geregelt werden kann, werden durch Leitungen 42 und korrespondierende Einlässe 43 zugeführt, welche zwischen den Einlässen 17 und der oberen Öffnung 19 angeordnet sind.Regarding a further variant, as shown in Fig. 4, the furnace 10 is equipped with a plurality of inlets, namely more than two, instead of two inlets for supplying the reducing gas. In this case, a first gas flow is supplied to the lower inlet 18 through the line 41, a second gas flow is supplied to the inlet 17 through the line 40 and other gas flows, each of which can be autonomously controlled, are supplied through lines 42 and corresponding inlets 43 arranged between the inlets 17 and the upper opening 19.
Die Entwicklung der Temperatur innerhalb des Ofens 10, in der Ausführungsform wie dargestellt in Fig. 4, ist in dem Diagramm, dargestellt in Fig. 5, gezeigt, aus welchem es ersehen werden kann, wie die Temperatur höher und konstanter in dem gesamten Segment ist, beeinflusst durch die Leitungen 40, 41 und 42.The evolution of the temperature inside the furnace 10, in the embodiment as shown in Fig. 4, is shown in the diagram shown in Fig. 5, from which it can be seen how the temperature is higher and more constant in the whole segment influenced by the lines 40, 41 and 42.
Es liegt auf der Hand, dass es möglich ist, Modifikationen und Erweiterungen bei diesem Verfahren für die direkte Reduktion eisenhaltigem Minerales und der entsprechenden Vorrichtung, wie hier vorangehend beschrieben, durchzuführen, dies weicht jedoch nicht von der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung ab.It is obvious that it is possible to make modifications and extensions to this process for the direct reduction of iron-containing minerals and the corresponding apparatus as described above, but this does not deviate from the technical teaching of the present invention.
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8363 | Opposition against the patent |