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Zierfahren für die gasförmige Reduktion von Metalloxyden Die Reduktion
von Metalloxyden durch Kohlendioxyd, Wasserstoff und andere Reduktionsmittel ist
auf verschiedene Arten durchgeführt worden. Bei allen bekannten Verfahren wird ein
aus CO und H2 zusammengesetztes Gas in eine Erzschicht zwecks Reduktion des Erzes
eingeleitet. Bekanntlich besteht bei allen Verfahren, bei denen an Kohlenoxyd reiche
Gase zur Verwendung gelangen, die Neigung zur Bildung einer Kohlenstoffablagerung.
Um diese Ablagerung zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, bei Temperaturen von
iooo° C und mehr zu arbeiten. Diese Temperaturen sind deswegen sehr unvorteilhaft,
weil das Erz zum Verglasen und Sintern neigt, wodurch die kontinuierliche Beschickung
gehemmt und das Eindringen des Reduktionsgases zwischen die Erzteilchen verhindert
wird. Außerdem ist das Gleichgewicht CO-C02 Metall bei hoher Temperatur ungünstiger,
was eine Herabsetzung des Ertrags je Rauminhalt des Reduktionsofens zur Folge hat.
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Die mit reinem Wasserstoff arbeitenden Verfahren liefern das reinste
Erzeugnis, ergeben die geringsten Arbeitsschwierigkeiten und ermöglichen die Verwendung
der einfachsten Anlage. Dagegen erfordert die Herstellung des Wasserstoffs einen
Energieaufwand von 3ooo kWh je Tonne Eisen, wenn der Wasserstoff auf elektrolytischem
Wege gewonnen wird, was das Verfahren gegenwärtig in den meisten Fällen sehr kostspielig
macht.
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Die Herstellung von Wasserstoff aus Kohle und Sauerstoff ist gleichfalls
teuer, da die Anlage eine hohe Kapitalanlage erfordert. Aus diesen Gründen ist angestrebt
worden, möglichst wenig Wasserstoff zu verwenden und Reduktionsmittel heranzuziehen,
die C O enthalten, insbesondere für die Reduktionen der
höheren-
Oxyde Beispielsweise ist im Fall der Reduktion von Fezd, in Fe304 oder von Fe304
in Fe0 das Reduktionsvermögen von 'CO größer als im Fall der Reduktion von Fe0 in*
Fe..- -Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren für gasförmige Reduktion von Metalloxyden,
däß die Reduktion der höheren Oxyde in niedrigere Oxyde mittels- eines Kohlenstoff
enthaltenden gasförmigen Reduktionsmittels und anschließend die Reduktion der niedrigeren
Oxyde mittels Wasserstoff durchgeführt wird.
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Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß C 0-reiche Gase
für die Reduktion der höheren Oxyde verwendet und diese Gase mittels Wasserdampf
nach bekannten Verfahren in Wasserstoff umgewandelt werden können und daß demzufolge
die den Reduktionsofen verlassenden Gase in Wasserstoff umgewandelt werden können,-
weil der Gehalt an C02. die für die Umwandlungsreaktion erforderliche.Wasserdampfmenge
herabsetzt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Wasserstoff zur Kühlung des
teilweise oder ganz reduzierten Erzes ausgenutzt werden kann, wodurch Kohlenstoffablagerungen
vermieden Werden, die auftreten könnten, wenn zu diesem Zweck eine Mischung auf
CO-Grundlage verwendet würde. Aus diesem Grunde ist bei einer gewissen Anzahl von
Verfahren die Kühlung des teilweise oder vollständig reduzierten heißen Erzes mit
Hilfe von äußeren Wassermänteln vorgesehen, so daß ein beachtlicher Teil der Wärme
des reduzierten. Gutes verlorengeht und diese Verfahren eine- ungünstige Wärmebilanz
besitzen.
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Ferner hat sich gezeigt, daß es bei den bekannten Verfahren unmöglich
ist, das Erz mittels CO bis auf einen sehr geringen Gehalt an 'rückständigem Sauerstoff
zu reduzieren. Ganz anders verhält es sich bei Wasserstoff, durch .-den das Erz-bis
auf einen sehr geringen Rückstand an Sauerstoff reduziert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ferner den Vorteil, daß es die
Beeinflussung des in dem reduzierten Metall zurückgehaltenen Kohlenstoffs ermöglicht,
da die Bildung von Karbiden nur mit dem entstandenen reinen Metall und nicht in
den höheren Oxyden stattfindet, die somit vorteilhafter durch den in den Reduktionsgasen
enthaltenen Kohlenstoff reduziert werden können. Infolgedessen kann der zurückgehaltene-
Kohlenstoff dadurch geregelt werden, daß der Anteil des dem Austrittsende des Ofens
zugeführten Wasserstoffs verändert wird.
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Die Möglichkeit des Arbeitens bei niedrigen Temperaturen (beispielsweise
von 7oo bis goo° C) läßt die Ausnutzung der Wärme der gasförmigen Reduktionsprodukte
in einem Wärmeaustauscher zu, der aus einem Stahl bestehen kann, der den verhältnismäßig
niedrigen Temperaturen dieser Gase widersteht.
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Es ist ferner möglich, eine kleine Menge Luft in die Austrittsgase
einzuleiten und auf diese Weise die Temperatur so weit zu erhöhen, daß ein befriedigender
Wärmeaustausch mit den Eintrittsgasen gewährleistet wird, so daß eine äußere Heizung
des Reduktionsofens unterbleiben kann, vorausgesetzt, daß das Erz, mit dem der Ofen
beschickt wird, auf die Reduktionstemperatur-vorgewärmt wird. Ein weiterer Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bekannten Verfahren besteht darin,
daß derjenige Teil der Gase vollständig zurückgewonnen werden kann, der nicht in
Reaktion getreten ist, weil die Gleichgewichtsbedingungen niemals im Ofen anzutreffen
waren.
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Das Verfahren nach der Erfindung hat ferner den Vorteil, daß in dem
Reduktionsofen ein hoher Druck zur Anwendung gelangen kann, ohne eine Kohlenstoffablagerung
zu verursachen, was bei Abwesenheit von Wasserstoff eintreten würde.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Anlage dargestellt,
die die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung veranschaulicht.
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Der Reduktionsofen i wird in seinem oberen Teil 2 mit dem zu reduzierenden
Metalloxyd beschickt. Das -reduzierte Metall tritt im unteren Teil 3 des Ofens aus.
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Nahe der Sohle des Ofens i ist eine Zuführungsringleitung q. angeordnet.
Eine weitere Zuführungsringleitung 5 befindet sich im mittleren Teil des Ofens.
Außerdem ist in dem Bereich unmittelbar unter der Beschickungsöffnung 2 eine Zuführungsringleitung
6 vorgesehen.
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Die weiteren Einzelheiten der Anlage ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung der Arbeitsweise.
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Nachdem das Metalloxyd bei 2 eingesetzt ist, wird eine Mischung aus
Luft, die aus einem Ventilator kommt, und aus brennbarem Gas, das einer Leitung
8 entnommen wird, der Ringleitung 6 zugeführt, um durch Verbrennung eine Vorwärmung
des Oxyds zu bewirken, das alsdann in den Schacht des Ofens i gelangt. Ein an C
O reiches Reduktionsgas wird durch die Leitung g der Ringleitung 5 zugeführt. Dieses
Gas besitzt bei seinem Eintritt in den Ofen eine Temperatur von beispielsweise 8oo°.
Es dient der teilweisen Reduktion der höheren Oxyde, wie des Fe203 in Fe304, und
dann der Reduktion des letzteren in Fe 0 im Falle von Eisenoxyd.
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Wasserstoff von Umgebungstemperatur wird durch eine Leitung =o in
die Ringleitung q. eingeführt, um die abschließende Reduktion vorzunehmen, etwa
die des Fe0 in Fe im Falle des Eisenoxyds.
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Die Gase von hoher Temperatur werden im oberen Teil- des Reduktionsofens
in einem Sammler =i aufgefangen. Diese Gase enthalten eine gewisse Menge CO; die
an der Reaktion nicht teilgenommen hat. Der Sammler =i mündet in eine Leitung 12,
an die die erwähnte Leitung 8 angeschlossen ist. Wie ersichtlich, wird also das
rückständige CO mittels der vom Venti= lator 7 eingeführten Luft verbrannt, um die
Vorwärmung des Erzes bei 6 zu bewirken.
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Die Leitung =z führt zu einem Wärmeaustauscher 13. Diese Gase, die
sich auf einer Temperatur von beispielsweise 7oo bis 8oo° beim Verlassen des Ofens
befinden, erfahren eine Temperaturerhöhung, beispielsweise auf goo°, durch Einblasen
von Luft über eine Leitung 14 kurz vor dem Wärmeaustauscher 13. Das an CO reiche
Reduktionsgas wird dem Wärmeaustauscher durch eine Leitung 15 zugeführt und verläßt
denselben durch die Leitung g. Die Erhitzung dieses Reduktionsgases erfolgt demnach
durch die Wärmeabgabe der- die Leitung 12 durchströmenden Abgase.
Diese
Abgase verlassen den Wärmeaustauscher mit einer Temperatur von beispielsweise 3oo
bis 35o° durch eine Leitung 12' und gelangen in einen Konverter 16 von bekannter
Bauart, in dem die Umwandlung C O '-, 11,0 -> CO, -;- HZ stattfindet, wobei
zu diesem Zweck die Wärme der aus dem Wärmeaustauscher 13
austretenden Gase
ausgenutzt wird. Der hierbei gewonnene Wasserstoff verläßt den Konverter 16 durch
die Leitung io. Durch eine Leitung 17 wird der im Konverter 16 nicht verwendete
Gasüberschuß abgeführt, der zu verschiedenen Zwecken dienen kann.
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Das bei 15 zugeführte Reduktionsgas kann sich auf einem Druck von
beispielsweise 2,5 bis 6 atü befinden. In diesem Falle herrscht dieser Druck in
der ganzen Anlage.
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Für die Abführung der Verbrennungsgase aus der Zone 6 ist ein Sammler
18 vorgesehen.
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Für die Regelung der Arbeitsweise der Anlage sind verschiedene Schieber
bzw. Ventile vorgesehen, deren Aufzählung im einzelnen nicht erforderlich scheint.
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An Stelle des an CO reichen Reduktionsgases kann als Reduktionsmittel
ein anderes kohlenstoffhaltiges Gas, beispielsweise Methan, verwendet werden; auch
kann vergastes 01 benutzt werden.