DE69906384T2

DE69906384T2 - Verfahren und vorrichtung zur direktreduktion von eisenerzen

Info

Publication number: DE69906384T2
Application number: DE69906384T
Authority: DE
Inventors: Gianpietro Benedetti; Rafael Bueno; David Rabascall
Original assignee: Danieli and C Officine Meccaniche SpA
Current assignee: Danieli and C Officine Meccaniche SpA
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2003-09-04
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: WO2000036156A1; IT1302811B1; AU1292100A; AR021609A1; US6551549B2; AR026103A1; BR9916118A; AU1291900A; EP1147233B1; DE69906384D1; BR9916119A; US6395055B1; ITUD980212A1; EG22422A; EP1147233A1; EG22368A; WO2000036158A1; ATE235564T1; US20020030310A1; US6319301B1

Description

ERFINDUNGSGEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von metallischem Eisen ausgehend von mineralischem Eisen, wobei das Eisen in Form von Oxyden vorliegt; ferner bezieht sich die Erfindung auf die entsprechende Vorrichtung, die einen Reduktionsofen mit mehreren Einlassen für das Reduktionsgas aufweist, innerhalb dem das Verfahren der Direktreduktion des Eisens (DRI) durchgeführt wird. Das reduzierte Eisen kann aus dem Reduktionsofen entweder heiß oder kalt austreten und kann anschließend zu einem Schmelzofen geschickt werden, um flüssigen Stahl zu erzeugen oder es kann in einen heißen Formstahl (HBI) umgewandelt werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Nach dem Stand der Technik sind Verfahren einer Direktreduktion bekannt, bei denen Kohlenwasserstoffe in den Strom des Reduktionsgases eingeblasen werden, um die Reaktion des Methans im Ofen mit dem H&sub2;O und CO&sub2; im Gas zu ermöglichen; es sind auch Verfahren zur Direktreduktion bekannt, bei denen Kohlenwasserstoffe mit C < 5 direkt in den Ofen im Bereich zwischen dem Einblasen des Reduktionsgases und dem oberen Auslaß des Abzugsgases eingeblasen werden.
Aus den folgenden Patentdokumenten sind andere Verfahren für die Direktreduktion von mineralischen Eisen bekannt:
US-A-2,189,260 US-A-3,601,381 US-A-3,748,120 US-A-3,749,3 86
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
US-A-5,407,460
Nach dem Stand der Technik sind auch Verfahren bekannt, bei denen das heiße metallische Eisen in einem Reduktionsofen der Schachttype mit einem vertikalen und durch Schwerkraft hervorgerufenen Strom des Materials hergestellt wird, das anschließend mittels eines geschlossenen pneumatischen Transportsystems in einer inerten Atmosphäre zum Schmelzofen transportiert wird.

ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG

Das Verfahren zur Herstellung metallischen Eisens durch Direktreduktion von Eisenoxyden sowie die entsprechende Vorrichtung gemäß der Erfindung sind vorausgesetzt und charakterisiert in den entsprechenden Hauptansprüchen, wogegen die abhängigen Ansprüche andere innovative Merkmale der Erfindung beschreiben.
Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß das mineralische Eisen verschiedener Kornverteilung in einem Reduktionsofen der Schachttype in Berührung mit einem zugefühlten Gas gebracht wird, wobei sowohl das Gas als auch das Material kontinuierlich zugeführt wird, sodaß eine zufolge der Schwerkraft vertikale Strömung des Materials hervorgerufen wird und die Direktreduktion des Minerals erreicht wird. Das Material kann aus dem Reaktor entweder kalt oder vorzugsweise heiß abgeführt werden, um es anschließend zu einem Schmelzofen zu fördern, oder es kann in heißes Formeisen (HBI) umgeformt werden oder gekühlt und in direkt reduziertes Eisen (DRI) umgeformt werden.
Der Reduktionsofen ist mit Mitteln zum Zuführen des mineralischen Eisens und Mitteln zum Abführen des reduzierten metallischen Eisens ausgestattet; er ist ferner mit mindestens zwei Einlaßsammlern zum Einblasen des Reduktionsgases versehen, und zwar in Übereinstimmung mit verschiedenen Reduktionszonen innerhalb des Ofens, um eine größere Reduktionszone zu sichern.
Das in den Reaktor eingebrachte Reduktionsgas enthält Kohlenwasserstoffe, die in den Strom nach der teilweisen Verbrennung des Wasserstoffes und Kohlenmonoxydes mit dem Sauerstoff eingeblasen werden.
Bei einer Variante werden die Kohlenwasserstoffe vor der teilweisen Verbrennung eingeblasen, um die Temperatur des in den Reaktor eingebrachten Gases zu erhöhen.
Nach einer weiteren Variante werden die Kohlenwasserstoffe mindestens teilweise in einer Zone zwischen der Reduktionszone und jener Zone, in der das reduzierte Material abgeführt wird, eingeblasen.
In allen Fällen wirken die eingeblasenen Kohlenwasserstoffe derart, daß sie das Eisenoxyd (FeO) zu metallischem Eisen reduzieren, wobei mehr H&sub2; und CO erzeugt wird.
Die Direktreduktion der Eisenoxyde wird in zwei verschiedenen kontinuierlichen Schritten innerhalb des Reduktionsreaktors erreicht.
In einem ersten Schritt, der als Vorerhitzungs- und Vorreduktionsschritt bezeichnet wird, werden die frischen Eisenoxyde, das sind jene, die gerade in den Ofen eingeführt werden, in Berührung mit einer Mischung von Reduktionsgas gebracht, das teilweise aus Abzugsgas aus dem darunter liegenden Teil des Ofens und aus frischem heißen Gas besteht, das von der Außenseite eingeführt wird und aus einem Sammler kommt, der frisches Reduktionsgas und möglicherweise CH&sub4; oder anderes natürliches Gas zuführt. Diese erste Stufe findet in einem entsprechenden Bereich im oberen Teil des Ofens statt.
In der zweiten Stufe, oder wirklichen Reduktionsstufe, wird die völlige Reduktion der bereits teilweise in der ersten Stufe reduzierten Eisenoxyde erreicht, und zwar zufolge der Wirkung einer Mischung von auf H&sub2; und CO basierenden Reduktionsgas und mindestens einem Kohlenwasserstoff, vorzugsweise einem natürlichen Gas, das in die mittlere Zone des Reduktionsreaktors eingeblasen wird. Diese zweite Stufe erfolgt in einer entsprechenden zweiten Zone unterhalb der ersten Zone.
Die beiden Einlasse in den Ofen, durch welche das Gas eingeführt wird, können unabhängig reguliert werden, und zwar die Strömung frischen Reduktionsgases und der Zusatz von natürlichem Gas in den Strom.
Darüber hinaus kann die Einlaßtemperatur der beiden Ströme von Reduktionsgas unabhängig voneinander reguliert werden, und zwar durch Einblasen von O&sub2; bevor sie in den Reduktionsreaktor eintreten.
Die notwendige Oxydationsreaktion zur Anhebung der Temperatur des Gases führt zu einem Wechsel im Level der Oxydation des Gases von Normalwerten von 0.04-0.08 bis 0.06-0.15.
Das folgende Verhältnis ist für den Level der Oxydation des Reduktionsgases bestimmt: Nox = (H&sub2;O + CO&sub2;)/H&sub2;O + CO&sub2; + H&sub2; + CO
In der zweiten Reaktionszone des Ofens, in der die Reduktion der Eisenoxyde vervollständigt wird, wird ein Gas mit einem hohen Anteil an H&sub2; und CO und mit einem Oxydationslevel zwischen 0.15 und 0.25 erzeugt, und zwar zufolge der Reduktionsreaktionen der Eisenoxyde mit H&sub2;, CO und CH&sub4;.
Sobald dieses Gas die zweite Reaktionszone verläßt, tritt es in die höher gelegene erste Reaktionszone ein und mischt sich mit dem heißen Gas, das in die erste Zone zum Vorheizen und zur Vorreduktion der Eisenoxyde eingeblasen wird.
Das aus dem Reduktionsreaktor austretende Gas wird teilweise rezirkuliert und teilweise als Brennstoff verwendet.
Das rezirkulierte Gas hat eine Volumenzusammensetzung in den folgenden Bereichen: H&sub2; = 20% bis 41%, CO = 15% bis 28%, CO&sub2; = 15% bis 25%. CH&sub4; = 3% bis 10%, N&sub2; = 0% bis 8%, H&sub2;O = 2% bis 7%.
Entsprechend einer Charakteristik der Erfindung besteht das dem Reduktionsreaktor zugeführte Gas aus einer Mischung von natürlichem Gas, rezirkuliertem Gas aus dem Reaktor selbst und umgebildetem Gas; das rezirkulierte Gas ist vorgeheizt auf eine Temperatur zwischen 650ºC und 950ºC; das aus dem Vorheizer austretende Gas wird seinerseits mit dem frisch umgeformten Gas und anschließend mit Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft oder reinem Sauerstoff gemischt, um eine teilweise Verbrennung von H&sub2; und CO in dem Reduktionsgas durchzuführen, um die Temperatur aufwerte zwischen 800ºC und 1150ºC, vorzugsweise zwischen 1000ºC und 1150ºC zu erhöhen; der Oxydationslevel des den Ofen speisenden resultierenden Gases liegt zwischen 0.06 und 0.15.
Das Methan hat einen Volumenanteil zwischen 6% und 20% der Mischung des Reduktionsgases.
Wenn das zugeführte Gas in der Reduktionszone mit dem heißen teilweise reduzierten Material, das teilweise aus metallischem Eisen und aus Eisenoxyden besteht, in Berührung kommt, entsteht eine hohe endothermische Reaktion. Es entsteht auch eine endothermische Reaktion in der Vorerhitzungs- und Vorreduktionszone, wenn das Gas in Berührung mit dem Eisenoxyd kommt. Ein Vorteil dieser Erfindung ist, daß die erste Vorerhitzungs- und Vorreduktionszone ausgedehnt ist, wodurch die Überführung des Ematite (Fe&sub2;O&sub3;) in Wustite (FeO) schneller ermöglicht wird.
Der gesamte Reaktor arbeitet mit einer höheren Durchschnittstemperatur, die vor allem in beiden Zonen, sowohl den Vorreduktionszonen als auch den Reduktionszonen, konstant ist, wodurch eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit mit einem daraus erfolgenden Effekt einer Reduzierung des Verbrauches und einer Steigerung der Produktivität erreicht wird.
Der erste Einlaß für das Reduktionsgas ist in einem gegebenen Abstand (x) vom zweiten Einlaß angeordnet, der im Mittelteil des Ofens in Übereinstimmung mit der zweiten Reduktionszone gelegen ist. Dieser Abstand (x) beträgt zwischen Im und 6 m, vorzugsweise zwischen 2 m und 4 m, um die Reaktionen zwischen Reduktionsgas und den Eisenoxyden in der am meisten geeigneten Zone zu fördern.
Der erste Gaseinlaß hat auch die Funktion, das von der zweiten Reduktionszone kommende Gas gegen die Mitte des Ofens zu schieben, um eine gleichmäßige Verteilung des Gases im Bereich des Reaktors hervorzurufen.
Bei einer Variante sind mehr Einlasse für das Reduktionsgas in den Ofen, oder mehr wie zwei vorgesehen. Der erste Strom vom Reduktionsgas wird in die Mitte des Reaktors eingeblasen, in die passende Reduktionszone, wogegen die anderen Ströme in die Zone zwischen der Einblasung des ersten Gasstromes und des Auslasses des Abzugsgases im oberen Teil des Ofens eingerührt werden. Diese Zwischenzone wird als Vorerhitzungs- und Vorreduktionszone für das auf Eisenoxyd basierende Material genannt.
Die Strömung des derart zusammengesetzten Gases in den Reaktor ermöglicht es, die gesamte Reduktions- und Vorreduktionszone bei einer soweit als möglich konstanten Temperatur zu halten, und ein Gas innerhalb des Ofens zu haben, das eine höhere Reduktionskraft besitzt, wodurch eine größere Produktivität und ein geringerer Gasverbrauch gefördert wird; dies um die Metallisierung des Produktes zu verbessern.
Darüber hinaus wird das Eisenoxyd, das in der Reduktionszone ankommt, schon teilweise reduziert, wodurch die Fertigstellung der Endreduktion vom FeO zu Fe gefördert wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform augenscheinlich, die mit Hilfe der Figuren als ein nicht einschränkendes Beispiel beschrieben ist. Dabei zeigen:
Fig. 1 in schaubildlicher Darstellung eine Vorrichtung für die erfindungsgemäße Direktreduktion von Eisenoxyden;
Fig. 2 eine erste Variante des in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Ofens;
Fig. 3 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf innerhalb des Ofens nach den Fig. 1 und Fig. 2 veranschaulicht;
Fig. 4 eine zweite Variante des in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Ofens;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Temperatur innerhalb des Ofens nach Fig. 4 veranschaulicht und
Fig. 6 eine andere Variante der Vorrichtung nach Fig. 1.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Gemäß Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Direktreduktion von Eisenoxyden einen Reduktionsofen der Schachttype oder Reduktionsreaktor 10 auf, der folgende Teile besitzt: Eine obere Öffnung 11 für die Zufuhr von oben, durch die das Mineral (Eisenoxyde) eingeführt werden kann, eine erste Vorerhitzungs- und Vorreduktionszone 12, eine zweite oder mittlere Zone 14, in der die Endreduktion der Eisenoxyde stattfindet, und eine untere oder Entladezone, die ähnlich einem Kegelstumpf geformt ist und am Boden eine untere Öffnung 16 aufweist, durch die das Eisen abgeführt werden kann.
Die auf Eisen basierenden Metalloxyde werden in den Reaktor 10 in Form von Pelletts oder rohen Mineralien in geeigneten Größen eingeführt; darin sind normal zwischen 63 und 68 Gewichtsprozent Eisen enthalten.
Am Ende des erfindungsgemäßen Prozesses beträgt der Eisengehalt in dem den Reaktor 10 verlassenden Material normal zwischen 80 und 90 Gewichtsprozent.
In Übereinstimmung mit den beiden Zonen 12 und 14 des Reaktors 10 sind zwei unabhängige Einlasse 17 und 18 vorgesehen, durch welche eine Gasmischung eingeführt werden kann, wie nachstehend beschrieben wird.
Im oberen Teil oberhalb der Zone 12 ist der Reaktor 10 mit einer Öffnung 19 ausgestattet, durch welche das Abzugsgas austritt. Dieses Gas hat normalerweise die folgenden Charakteristiken: Zusammensetzung: H&sub2; = 20% bis 41%, CO = 15% bis 18%, CO&sub2; = 12% bis 25%, CH&sub4; = 2% bis 10%, N&sub2; = 0% bis 8%, H&sub2;O = 2% bis 15%; Temperatur zwischen 500ºC und 700ºC; Oxydationslevel zwischen 0.03 und 0.05, vorzugsweise zwischen 0.04 und 0.45; und ein Reaktionsverhältnis R zwischen 1 und 1.8 wobei die Reaktion durchgeführt als: R = (H&sub2; + CO)/(H&sub2;O + CO&sub2;)
Das aus dem Reaktor 10 austretende Abzugsgas gelangt über eine Leitung 20 zu einer Kühleinheit 21, welche die abzugebende Wärme rückgewinnt. Von der Kühleinheit 21 gelangt es durch eine weitere Leitung 22 zu einer Kühl- und Kondensationseinheit 24. In dieser Einheit 24 wird das Abzugsgas in Wasser bei einer Temperatur zwischen 40ºC und 65º gewaschen und die im Gas selbst enthaltene Wassermenge teilweise entfernt. Der Prozentsatz von Wasser, das im Gas beim Auslaß aus der Einheit 24 verbleibt, liegt zwischen 2% und 7%.
Das Gas vom Auslaß der Einheit 24 gelangt über eine Leitung 30 teilweise zu einem Vorheizer 36, teilweise zu einem katalytischen Umformer 44, als Brennstoff verwendet, und teilweise zu einem Kompressor 26.
Das aus dem Kompressor 26 austretende Gas wird teilweise als Rezirkulationsgas verwendet und durch eine Leitung 28 in die Einheit 21 geschickt, sowie teilweise, über eine Leitung 46, mit natürlichem Gas, das Methan (CH&sub4;) enthält, oder reinem Methan gemischt, das von einer Leitung 34 kommt; die Mischung erfolgt dabei etwa 4 : 1 (das heißt für jeden Teil natürlichen Gases etwa vier Teile von Gas aus der Leitung 46) und diese Mischung wird in den Umformer 44 eingeführt, sodaß die Umformungsreaktion von Methan (CH&sub4;) mit H&sub2;O und CO&sub2; beginnen kann.
Jener Teil des Gases, welcher über die Leitung 28 zur Einheit 21 gefördert wird, wird vorgeheizt und dann durch eine Leitung 22 zum Vorheizer 36 gesendet, wo er weiter auf eine Temperatur zwischen 600ºC und 950ºC vorerhitzt wird. CH&sub4; kann auch durch die Leitung 32 eingeführt werden.
Das aus dem Vorheizer 36 austretende Gas mit einer Abgaberate zwischen 600 Nm_/ton DRI und 1500 Nm_/ton DRI wird in einer Leitung 38 mit dem über eine Leitung 50 vom Umformer 44 kommenden Gas gemischt.
Dieses gemischte Gas wird in zwei Teile geteilt und auf zwei Leitungen 40 und 41 verteilt, die mit den Einlassen 17 und 18 des Ofens 10 verbunden sind. Die Abgabe von Reduktionsgas wird in jeder Zone 12, 14 durch Regulierventile 55 und 56 gesteuert.
In jede Leitung 40, 41 wird Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff und natürliches Gas in variablem Verhältnis eingeblasen, um eine teilweise Verbrennung des CO und des H&sub2; zu erreichen und die Temperatur des Gases anzuheben.
Ein Strom von CH&sub4; oder natürlichem Gas wird in das Gas eingeblasen bevor es in den Reaktor eingeführt wird.
Bei einer Variante, die durch strichlierte Linien in Fig. 1 angedeutet ist, wird CH&sub4; eingeblasen, bevor die teilweise Verbrennung erreicht ist, wodurch eine Erhöhung der Temperatur des in den Reaktor eingerührten Gases bezweckt ist.
Das CH&sub4; kann auch in eine Zone zwischen der Reduktionszone 14 und dem Entladekonus für das Material durch eine Leitung 81 eingerührt werden. In diesem Fall kühlt das eingeblasene CH&sub4; vor dem Eintritt in die Zone 14, in der die Reduktionsreaktionen durchgeführt werden, das reduzierte Eisen vor seinem Austritt.
Ventile V&sub1; bis V&sub1;&sub1; sind in Übereinstimmung mit den verschiedenen Leitungen der Anlage angeordnet, sodaß die Strömung selektiv gesteuert werden kann.
Die entstehenden Mischungen werden in die Vorheiz- und Vorreduktionszone 12 eingeführt und entsprechend in die Reduktionszone 14. Demnach wird für jede Zone 12 und 14 die entsprechende Gasmischung in unabhängiger Weise reguliert.
Im Einzelnen beträgt der Gasstrom in der ersten Zone 12 zwischen 500 Nm_/ton DRI und 800 Nm_/ton DRI und tritt in den Reduktionsreaktor 10 mit einer Temperatur zwischen 800ºC und 1150ºC, vorzugsweise zwischen 1000ºC und 1150ºC ein, wogegen der Gasstrom in der zweiten Zone zwischen 1000 Nm_/ton DRI und 1500 Nm_/ton DRI beträgt und in den Reduktionsreaktor 10 mit einer Temperatur zwischen 800ºC und 1150ºC, vorzugsweise zwischen 1000ºC und 1150ºC eintritt.
Der Sauerstoffverbrauch, der zur Anhebung der Temperatur des Reduktionsgases von 650ºC bis 950ºC auf 800ºC bis 1150ºC notwendig ist, beträgt bezogen auf reinen Sauerstoff plus dem Sauerstoffgehalt m der Luft, soferne diese auch eingeblasen wird, zwischen 8 Nm_/ton DRI und 60 Nm_/ton DRI, vorzugsweise zwischen 20 und 60 Nm_/ton DRI.
Der Verbrauch an CH&sub4; liegt zwischen 50 Nm_/ton DRI und 120 Nm_/ton DRI, vorzugsweise zwischen 90 Nm_/ton DRI und 110 Nm_/ton DRI.
CH&sub4; ist zwischen 6% und 20% Volumsprozent der Mischung des Reduktionsgases, das in den Reaktor eingeführt wird enthalten.
Die Reaktionen, die in der Reduktionszone 14 stattfinden sind folgende:
FeO + CH&sub4; = Fe + 2H&sub2; + CO (1)
Gleichzeitig finden in derselben Zone 14 die folgenden Reduktionsreaktionen mit Wasserstoff und Kohlenmonoxyd statt:
FeO + H&sub2; = Fe + H&sub2;O (2)
FeO + CO = Fe + CO&sub2; (3)
Die Konsequenz dieser endothermischen Reaktionen ist, daß die Temperatur des Gases in der Reduktionszone von 800ºC bis 1150ºC auf 700ºC bis 900ºC sinkt, trotzdem die Reaktionstemperaturen höher sind als in Öfen nach dem Stand der Technik, und das Gas, das die Reduktionszone 14 verläßt, einen Oxydationslevel zwischen 0.15 und 0.35 und eine Reduktionskraft zwischen 1.1 und 2.8 hat.
Die Reaktionen in der Vorreduktionszone 12 sind folgende:
Fe&sub2;O&sub3; + H&sub2; = 2FeO + H&sub2;O (4)
Fe&sub2;O&sub3; + CO = 2FeO + CO&sub2; (5)
In der unteren Zone 15, die ähnlich einem Kegelstumpf gestaltet ist, ist es ebenso möglich Gas einzuführen, das natürliches Gas enthält, damit der Endkohlenstoff in dem heiß reduzierten Eisen Werte zwischen 1.5% und 3.0% aufweist.
Bei einer ersten in Fig. 2 dargestellten Variante besitzt der Ofen 10 anstatt eines einzigen unteren kegelstumpfförmigen Teiles mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier untere Enden, die entsprechend einem Konus oder einem kegelstumpfförmigen Konus 15a, 15b, 15c geformt sind, durch die das reduzierte metallische Eisen in gesteuerter und unabhängiger Weise abgezogen werden kann. In diesem Fall kann CH&sub4; auch mittels einer Vorrichtung eingeführt werden, die in einem Bereich angeordnet ist, in dem sich die kegelstumpfförmigen Enden 15a, 15b und 15c schneiden, wodurch die geometrische Ausbildung des Systems ausgenutzt, wird.
Die Temperaturentwicklung innerhalb des Ofens 10, und zwar sowohl bei der Version nach Fig. 1 als auch bei der Variante nach Fig. 2, ist in Fig. 3 dargestellt, aus der ersichtlich ist, wie die Temperatur höher und mehr konstant in dem durch die beiden Zonen 12 und 14 beeinflußten Segment ist.
Bei einer in Fig. 4 gezeigten zweiten Variante weist der Ofen 10 anstatt von zwei Einlassen für die Einführung des Reduktionsgases eine Mehrzahl von Einlassen, nämlich mehr als zwei, auf. In diesem Fall wird ein erster Gasstrom in den unteren Einlaß 18 durch die Leitung 41 eingerührt, ein zweiter Gasstrom wird in den Einlaß 17 durch die Leitung 40 eingeführt und andere Gasströme, deren jeder selbständig reguliert werden kann, werden durch Leitungen 42 und entsprechende Einlasse 43 eingeführt, die zwischen dem Einlaß 17 und der oberen Öffnung 19 angeordnet sind.
Die Entwicklung der Temperatur innerhalb des Ofens 10 bei der Variante nach Fig. 4 ist im Diagramm in Fig. 5 gezeigt, aus dem ersichtlich ist, wie die Temperatur höher und mehr konstant im gesamten durch die Leitungen 40, 41 und 42 beeinflußten Bereich ist.
Bei einer anderen in Fig. 6 gezeigten Variante kann das reduzierende Prozeßgas ohne Durchgang durch einen katalytischen Umformer rezirkuliert werden, aber ein Teil des Gases, das aus dem Reduktionsofen 10 austritt, wird im Wärmetauscher 21 vorgeheizt und über die Leitung, 32 mit natürlichem Gas, z. B. CH&sub4;, gemischt und zum Vorheizer 36 geschickt.
Bei dieser Variante hat das den Ofen 10 verlassende Gas eine Temperatur zwischen 500ºC und 600ºC und besitzt die folgende Zusammensetzung: H&sub2; = 30% bis 36%, CO = 20% bis 25%, CO&sub2; = 20% bis 25%, CH&sub4; = 2% bis 7%, H&sub2;O = 15% bis 25%; der Oxydationslevel liegt zwischen 0.4 und 0.5.
Das derart vorgeheizte und mit natürlichem Gas gemischte Gas tritt aus dem Vorheizer 36 mit einer Temperatur zwischen 650ºC und 950ºC aus und wird anschließend in verschiedene Ströme von Reduktionsgas geteilt; in jeden dieser Ströme wird Sauerstoff und natürliches Gas eingeblasen, bevor sie in den Reduktionsofen 10 eintreten, sodaß die Temperatur der Gase auf einen Wert zwischen 800ºC und 1150ºC steigt.
Ein anderer Teil des den Reduktionsofen 10 verlassenden Gases wird als Brennstoff verwendet, um in dem Vorheizer 36 mittels der Leitung 30 Hitze zu erzeugen.
Die im Reduktionsofen 10 stattfindenden Reaktionen sind Vorheizen und Vorreduzieren des Minerals in der oberen Zone 12 und Reduzieren der Wustite (FeO) mit Ch&sub4;, H&sub2; und CO in der Reduktionszone 14.
Bei einer Variante kann CH&sub4; in die Zone zwischen der Reduktionszone 14 und dem kegelstumpfförmigen Auslaßende 15 eingeblasen werden; auf diese Weise wird das CH&sub4; vorerhitzt, kühlt das reduzierte Material, und kommt in der Reduktionszone 14 zum Zusammenwirken mit dem Methan, das in dem in die Reduktionszone 14 eingeblasenen Reduktionsgas enthalten ist.
Bei diesem System ist es möglich, den katalytischen Umformer 44 zu eliminieren und gleichzeitig ermöglicht es durch die Mehrzahl von Gaseinlässen das Temperaturprofil des Reduktionsofens 10 zu verbessern, es mehr zu vergleichmäßigen und die Reduktionsreaktionen zu beschleunigen.
Selbstverständlich ist es möglich, Abänderungen und Zusätze zu dem oben beschriebenen Verfahren für die Direktreduktion von mineralischem Eisen und den zugehörigen Vorrichtungen durchzuführen, aber dies bleibt im Rahmen der Erfindung.

Claims

1. Verfahren für die Direktreduktion von mineralischem Eisen in einem vertikalen Reduktionsofen (10) mit einer Beladung durch Schwerkraft, wobei das Reduktionsgas gegenläufig zu dem in den Ofen eingeführten Material strömt und das Verfahren folgende Schritte aufweist: Zuführen des Eisens von oben in den Ofen (10), Einblasen einer Mischung von Gas mit einer hohen Temperatur in mindestens zwei verschiedene Reduktionszonen (12, 14) des Ofens (10) die übereinander angeordnet sind, Entnahme des Abzugsgases aus einem oberen Teil des Ofens (10) und Entnahme des reduzierten Minerals aus einem unteren Teil des Ofens (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung von hochtemperiertem Gas durch Mischen mindestens eines Teiles des Abzugsgases, das mindestens auf eine Temperatur etwa zwischen 650ºC und 950ºC vorerhitzt wurde, und einem auf H&sub2; und CO basierenden, von einem außerhalb stattfindenden Prozeß kommenden Gas erzeugt wird, um eine erste Mischung von Gas hervorzurufen, worauf anschließend in diese erste Gasmischung mindestens Kohlenwasserstoff und Sauerstoff eingeblasen wird um die Temperatur dieser ersten Gasmischung zwischen 800ºC und 1150ºC zu erhöhen, daß ferner die Menge der genannten Mischung von hochtemperiertem Gas, das in jede der mindestens zwei verschiedenen Reduktionszonen (12, 14) eingeblasen wird, durch erste Ventilmittel (55, 56) gesteuert wird und daß die Menge des Kohlenwasserstoffes und Sauerstoffes durch zweite Ventilmittel (V&sub1;, V&sub2;, V&sub4;, V&sub5;) gesteuert wird, damit die Reduktion und Umformung im Ofen (10) optimiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff aus Methan besteht und daß dieses Methan zwischen 6% und 20% Volumsprozent der genannten Gasmischung beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabe der genannten Mischung von hochtemperiertem Gas in verschiedenen Prozentanteilen in den mindestens zwei verschiedenen Reduktionszonen (12, 14) entlang der vertikalen Länge des Ofens (10) in den es eingeblasen wird, gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff vorzugsweise aus natürlichem Gas besteht und daß der Prozentanteil des Kohlenwasserstoffes in der genannten ersten Gasmischung unabhängig in den zwei verschiedenen Reduktionszonen (12, 14) entlang der vertikalen Länge des Ofens (10) gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung von hochtemperiertem Gas unabhängig erhitzt wird, bevor sie in jede der mindestens zwei verschiedenen Reduktionszonen (12, 14) entlang der vertikalen Länge des Ofens (10) eingeblasen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Reduktionsgas aus einer zweiten Mischung eines variablen und gesteuerten Prozentanteiles des Abzugsgases und von Gasen besteht, die von außerhalb stattfindenden Prozessen kommen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Reduktionsgas aus einer zweiten Mischung eines variablen und gesteuerten Anteiles des Abzugsgases und eines von einem außerhalb befindlichen katalytischen Umformer (44) kommenden Gases besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Reaktor eingeblasene Gasmischung hoher Temperatur einen Oxydationslevel zwischen 0.06 und 0.25 besitzt.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner CH&sub4; teilweise in den Ofen (10) eingeblasen wird, und zwar in einer Zone zwischen dem genannten untere Teil (14) und einer darunterliegenden Auslaßzone (15).

10. Vorrichtung für die Direktreduktion von mineralischem Eisen, mit einem vertikalen Reduktionsofen (10) mit einer Beladung durch Schwerkraft, um darin Reaktionen einer Reduktion des mineralischen Eisens zu erreichen, dieser Ofen (10) weist auf: mindestens zwei übereinander vertikal angeordnete verschiedene Reduktionszonen (12, 14), Zuführmittel zum Zuführen des mineralischen Eisens in den Ofen (10) von oben, Einblasmittel (17, 18) zum Einblasen einer Mischung von hochtemperiertem Gas in die mindestens zwei verschiedenen Reduktionszonen (12, 14), erste Entnahmemittel (19) zur Entnahme des Abzugsgases aus einem oberen Teil des Ofens (10), und zweite Entnahmemittel (15) zur Entnahme des reduzierten Minerals aus dem unteren Teil des Ofens (10), dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Ofens (10) befindliche Mischungsmittel zur Mischung mindestens eines Teils des Abzugsgases vorgesehen sind, das durch Erhitzungsmittel mindestens vorerhitzt auf eine Temperatur zwischen etwa 650ºC und 9500C wird, sowie eines auf H&sub2; und CO basierenden, aus einem Prozeß außerhalb dieses Ofens (10) kommenden Reduktionsgases, um eine erste Gasmischung zu erzeugen, und anschließend in diese erste Gasmischung mindestens Kohlenwasserstoff und Sauerstoff eingeblasen wird um die Temperatur dieser ersten Gasmischung zwischen etwa 800ºC und 1150ºC zu erhöhen, ferner daß erste Ventilmittel (55, 56) für die Steuerung der Menge dieser hochtemperierten Gasmischung, die in jede der zwei verschiedenen Reduktionszonen (12, 14) eingeblasen wird, vorgesehen sind, und daß zweite Ventilmittel (V&sub1; V&sub2; V&sub4; V&sub5;) zur Steuerung der Menge des Kohlenwasserstoffes und Sauerstoffes vorgesehen sind, um den Reduktions- und Umformungsprozeß im Ofen (10) zu optimieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten zweiten Ventilmittel (V&sub1; V&sub2; V&sub4; V&sub5;) vor den Einlassen in den Ofen (10) in Übereinstimmung mit den mindestens zwei verschiedenen Reduktionszonen (12, 14) angeordnet sind, um die Mischung hochtemperierten Gases zu liefern, worin der Kohlenwasserstoff anteilsmäßig sowie unabhängig und selbstständig in jeden der mindestens zwei verschiedenen Reduktionszonen (12, 14) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Reduktionsgas aus einer zweiten Mischung aus dem genannten Abzugsgas in einem veränderbaren und gesteuerten Prozentsatz, und aus weiteren Gasen, die außerhalb der Vorrichtung hergestellt werden, besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Gasmischung besteht ausschließlich aus dem genannten Abzugsgas und aus Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Naturgas oder CH&sub4;, anschließend gemischt mit O&sub2; oder O&sub2;-angereicheter Luft.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Reduktionsgas besteht aus einer zweiten Mischung aus dem genannten Abzugsgas in einem veränderbaren und gesteuerten Prozentsatz, und aus weiteren Gasen, die außerhalb der Vorrichtung hergestellt werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten zweiten Entnahmemittel (15) mindestens Enden (15a-15C) aufweisen, die nach Art eines Kegels oder eines Kegelstumpfes geformt sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Art eines Kegels oder Kegelstumpfes geformten Enden (15a-15c) nach unten verjüngt sind und jedes mit einer entsprechenden unteren Öffnung (16a-16c) versehen ist, durch welche das reduzierte metallische Eisen in gesteuerter und unabhängiger Weise selektiv entladen werden kann.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Einblasmittel (81) vorgesehen sind, um mindestens teilweise CH&sub4; in den Ofen (10) einzublasen, und zwar in einer Zone zwischen den genannten zweiten Entnahmemitteln (15) und der Unterseite der genannten mindestens zwei verschiedenen Reduktionszonen (14).

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Einblasmittel (81) in der Zone des Zusammentreffens der genannten Enden (15a-15c), die nach Art eines Kegels oder Kegelstumpfes geformt sind, angeordnet sind.