DE880655C - Verfahren fuer die Reduktion von Erzen und Metalloxyden - Google Patents

Description

• Verfahren für die Reduktion von Erzen und Metalloxyden Die Reduktion von Metalloxyden und Erzen mit heißen reduzierenden Gasen, wie Wasserstoff, Kohlenoxyd oder Gemischen von Kohlenoxyd und Wasserstoff (Wassergas) ist bekannt. Bei diesen Verfahren werden die verwendeten reduzierenden Gase nach bekannten Methoden, wie z. B. Elektrolyse, Wassergasprozeß in einstufiger oder zweistufiger Form, oder durch Spaltung von Kohlenwasserstoffen hergestellt und dem Reduktionsofen unabhängig von den durch die Reduktion gegebenen Verhältnissen als fertige Gase zugeführt.
• Diese Arbeitsweise verteuert die Reduktionsverfahren erheblich, da infolge der Strahlungsverluste und des Wärmeverbrauches der Reduktion dem Prozeß Wärme zugeführt «-erden muß, während bei den thermischen Verfahren, z.B. für die Wassergasherstellung oder für die Spaltung von Kohlenwasserstoffen,Wärmeüberschüsse auftreten. Hierzu kommt, daß vielfach die Anlagen zur Durchführung der thermischen Wassergas- oder Wasserstoffherstellung sehr kostspielig sind.
• Um ein kontinuierliches Reduktionsverfahren in Gang zu halten, muß einerseits das verbrauchte Reduktionsgas und andererseits der Temperaturverlust des aus dem Ofen austretenden Gichtgases ersetzt werden, wenn der Überschuß dieses aus dem Ofen austretenden Gases wieder zur Reduktion verwendet werden soll.
• Die Erfindung bezweckt, die Herstellung der Reduktionsgase (Wasserstoff oder wasserstoff- und kohlenoxydhaltige Gase) organisch mit dem Reduktionsprozeß selbst zu koppeln und so einerseits zu einem vollständigen Ausgleich der Wärmewirtschaft unter Ausnutzung der bei der Herstellung der Reduktionsgase erhaltenen Überschußwärme für die Reduktion zii gelangen, andererseits eine Reihe von kostspieligen Einrichtungen zu ersparen, die bei den üblichen Prozessen zur Herstellung der Reduktionsgase erforderlich sind.
• Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren für die Reduktion von Erzen und Metalloxyden mit Hilfe von heißen reduzierenden Gasen, welche in die das auf die Reduktionstemperatur vorerhitzte Erz oder Metalloxyd enthaltende Reduktionszone eines Ofens im Gegenstrom eingeführt, als Gichtgase abgelassen, wieder reduktionsfähig gemacht und ganz oder teilweise wieder zur weiteren Reduktion verwendet werden. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der reduzierenden Gase ohne Wärmezufuhr auf elektrischem Wege organisch mit dem Reduktionsprozeß gekoppelt wird, derart, daß die bei der Herstellung der reduzierenden Gase erzeugte Wärme für die genannte Reduktion ausgenutzt wird. .
• In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens werden für die Herstellung der reduzierenden Gase gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe als Ausgangsstoffe verwendet, welche mit Hilfe von Wasserdampf und hochprozentigem, vorteilhaft mehr als goo/oigem Sauerstoff ohne `Katalysator bei so hoher Temperatur gespalten werden, daß das Spaltgas genügend fühlbare Wärme mitbringt, um nach Mischung mit dem die Reduktionszone verlassenden überschüssigen Lichtgas dieses Gasgemisch auf eine Temperatur zu bringen, welche zur Aufheizung der regenerierten, für den Wiedereintritt in den Ofen bestimmten Reduktionsgase in einem Wärmeaustauscher auf die erforderliche Reduktionstemperatur ausreicht. Man kann auch von festen Brennstoffen für die Herstellung von reduzierenden Gasen ausgehen, wobei man dann mit Wasserdampf und hochprozentigem, z. B. 95°/oigem Sauerstoff eine Wassergasherstellung bei so hoher Temperatur vornimmt, daß die den Gaserzeuger verlassenden Gase wieder genügend fühlbare Wärme mitbringen, um nach Mischung mit den Lichtgasen die obenerwähnte Aufheizung der Reduktionsgase auf die erforderliche Reduktionstemperatur zu gewährleisten.
• Wenn dem aus dem -Ofen austretenden Lichtgas zur Regeneration C O-haltige reduzierende Gase zugesetzt werden, so kann nach Verlassen des Wärmeaustauschers das darin enthaltene C O zu Wasserstoff konvertiert werden. In vielen Fällen können wesentliche Ersparnisse dadurch erzielt werden, daß nur ein Teil der beheizenden Gase nach Verlassen des Wärmeaustauschers in einen Konverter geleitet werden, während der andere Teil nach Ausnutzung seiner noch vorhandenen Wärme zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet und ganz oder teilweise auch nach gebräuchlichen Verfahren von CO, befreit wird, bevor er wieder zur Aufheizung in den Wärmeaustauscher eintritt.
• Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In der Zeichnung ist mit i ein Reduktionsofen bezeichnet, an dessen oberem Einlaß 2 das zu reduzierende Erz oder Metalloxyd eingeführt und unten bei 3 das reduzierte Metall abgelassen wird. Der Ofen teilt sich in eine Verbrennungskammer 6 im oberen Teil 5, eine Reduktionszone q. und eine Kühlzone io. Eine Ringleitung 7 ist für den Eintritt der reduzierenden Gase vorgesehen, welche durch eine weitere Ringleitung 9 den Ofen als Gichtgase wieder verlassen. Im unteren Teil des Ofens befindet sich noch eine Ringleitung 8, während die zur Vorheizung des Erzes dienenden Heizgase bei 25 in die Verbrennungskammer eintreten und diese durch das Ventil 27 wieder verlassen.
• Die dargestellte Anlage funktioniert folgendermaßen: Das im oberen Teil des Ofens durch einen passenden Verschluß 2 eintretende Erz wird dort in der Verbrennungskammer 6 auf die Reduktionstemperatur vorgeheizt, um die Reaktionstemperatur in der Reduktionszone q. aufrechtzuerhalten.
• Bei 7 tritt über eine Ringleitung aus der Zuleitung i i heißes Reduktionsgas, das aus einem Gemisch von H2, CO, C021 NT2 oder aus reinem Wasserstoff bestehen kann, in die Reduktionszone ein. Ein Teil des Gases, das praktisch aus reinem Wasserstoff und evtl. auch Stickstoff mit nur geringen Mengen C O besteht, wird dem Ofen bei 8 kalt durch eine Zuleitung 12 zugeführt, wo das zum größten Teil schon reduzierte Erz in der Kühlzone io unter Vermeidung von Kohlenstoffabscheidung gekühlt und die fühlbare Wärme des reduzierten Metalls für die Reduktionszone durch die aufsteigende Tendenz des bei 8 eintretenden wasserstoffreichen Gases für die Reduktionszone wiedergewonnen wird. Gleichzeitig werden dabei die letzten Spuren von Sauerstoff im reduzierten Material durch die hohe Reduktionskraft des Wasserstoffes bei niedrigeren Temperaturen in der Kühlzone io entfernt.
• Das Reduktionsgas verläßt, durch die Reduktion teilweise oxydiert, als Lichtgas die Reduktionszone q. des Ofens bei 9 mit einer Temperatur, die meist tiefer liegt als diejenige bei seinem Eintritt bei 7. Wenn beispielsweise bei 7 die Eintrittstemperatur 8oo° C beträgt, so kann sie beim Austritt 9 auf etwa 700° gesunken sein. Gleichzeitig ist ein bestimmter Anteil von Wasserstoff und C O zu Wasserdampf bzw. C02 oxydiert worden.
• Um das verbrauchte Reduktionsgas und den Temperaturverlust des Lichtgases zu ersetzen, wird im Brenner 1q. Methan (Erdgas) oder ein anderer gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoff bei einer entsprechend höheren Temperatur, als es gewöhnlich der Fall ist, durch Verbrennung mit Sauerstoff unter Zusatz von einem der Temperatur entsprechenden Wasserdampfüberschuß zu einem C O- und H2 Gemisch (Wassergas) gekrackt und unmittelbar vor dem Wärmeaustauscher 15 der Lichtgasleitung 13 bei der Mischungsstelle 3o zugesetzt. Dadurch kann die Temperatur der Mischung aus gekracktem reduzierendem Gas und Lichtgas so hoch getrieben werden, daß das bei 7 aus der Leitung i i in den Ofen eintretende Reduktionsgas im Wärmeaustauscher 15 auf 8oo° vorgewärmt werden kann. Der Zusatz des mit entsprechendem Wasserdampfüberschuß beladenen Spaltgases zum Gichtgas, das noch die durch die Reduktion der Erze entstandenen Wasserdampf-und Kohlensäuremengen enthält, hat zur Folge, daß die heizenden, den Wärmeaustauscher 15 verlassenden Gasmengen auf so hoher Temperatur gehalten werden können, daß ihr Temperaturabfall im Wärmeaustauscher in solchen Grenzen bleibt, daß ihre Austrittstemperatur noch genügend hoch ist, beispielsweise 4oo°, um ohne zusätzliche Erwärmung eine Konvertierung ihres CO-Gehaltes zu Wasserstoff in einem normalen Katalysatorkonverter 16 zu erlauben.
• Ein Teil des regenerierten und konvertierten Reduktionsgases wird in Form von hochprozentigem Wasserstoff bei 17 abgezweigt und zur Wiedergewinnung der im reduzierten Metall noch vorhandenen fühlbaren Wärme sowie zur Vervollständigung der Reduktion durch die Leitung 12 dem Ofen am unteren Teil 8 kalt zugesetzt. Daher steht im Wärmeaustauscher ein entsprechend höherer Wasserwert bei höherer Anfangstemperatur (z. B. 9oo°) des wärmeabgebenden Gases einem kleineren Wasserwert bei niedrigerer Endtemperatur (z. B. 8oo°) des zu erwärmenden Gases gegenüber, so daß die nötige Konversionstemperatur bei geeigneter Wahl der umlaufenden Gasmengen stets gesichert ist.
• Ein Teil der den Wärmeaustauscher 15 verlassenden Gase wird bei 18 von der Leitung 13 abgezweigt, durchströmt den Dampfkessel i9 und zur Kondensation seines Wassergehaltes den Kühler 2o. Der Kessel i9 liefert so ohne zusätzliche Wärmekosten den Dampf für die Methankrackung im Brenner 14. und die CO-Konversion im Konverter 16. Bei 21 vereinigt sich das nichtkonvertierte Gas aus der Leitung 22 wieder mit dem konvertierten, das bei 17 nach Austritt aus dem Konverter 16 von der Leitung 12 abgezweigt wurde. Zum Ausgleich der Druckverluste dient eine in die Leitung ii eingeschaltete Umwälzpumpe 2d..
• Die Aufheizung des Metalloxyds oder Erzes kann durch ein beliebiges Heizgas erfolgen, das bei 25 dem oberen Teil des Ofens 5 zugeführt und verbrannt wird. Die Verbrennungsgase durchströmen die Beschickung der Verbrennungskammer des Ofens nach oben und verlassen ihn durch das Ventil 27, das gleichzeitig zur automatischen Regulierung des Druckes im Ofen dient. Sehr zweckmäßig ist für die Aufheizung der Metalloxyde und Erze in der Verbrennungskammer des Ofens die Verwendung von einem Teil der den Wärmeaustauscher verlassenden Gase, die beispielsweisebei 29 zwischen dem Kessel i9 und dem Kühler 20 von der Leitung 22 abgezweigt und durch die Leitung 26 der Verbrennungskammer bei 25 zugeführt werden. Um eine Vermischung der Verbrennungsgase mit den Reduktionsgasen und insbesondere ein Eindringen der Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer 6 in die Reduktionszone ,4 zu verhüten, ist eine automatische Drucksperre 28 vorgesehen. Diese dient zur Einstellung der Druckdifferenz zwischen dem oberen Teil der Reduktionstone -. des Ofens und der -'erbremiungskammei und ist mit dem Ventil 27 gekuppelt. Um eine praktisch vollständige Auseinanderbaltung der Gase in der Verbrennungskammer und in der Reduktionszone zu erzielen, wird diese Drucksperre auf den Differenzdruck o eingestellt, wodurch praktisch ein-, Gasströmung an der Eintrittsstelle in die Verbrennungskammer vermieden wird. Es kann aber auch manchmal zweckmäßig sein, die Drucksperre 28 auf einen bestimmten Differenzdruck einzustellen und so eine durch diesen kontrollierte Reduktionsgasmenge aus der Reduktionszone .f unmittelbar der Verbrennungskammer 6 im obersten Teil des Ofens zuzuführen.
• Bei Verwendung fester Brennstoffe zur Herstellung der Reduktionsgase und deren Vergasung mit Sauerstoff und Wasserdampf werden die Gaserzeuger so nahe wie möglich an den Wärmeaustauscher herangebracht. Wenn die erforderliche Gastemperatur im Gaserzeuger 1.4 nicht erreicht werden kann, so wird an der Mischungsstelle 30 eine Sauerstoffinjektion vorgesehen, wodurch die nötige Temperatur durch Verbrennung eines Teiles dieses Gases erzielt wird.

Claims (3)

1. P ATE'#TANsraÜci1E: i. Verfahren für die Reduktion von Erzen und Metalloxyden, bei welchem heiße reduzierende Gase in die das auf die Reduktionstemperatur vorerhitzte Erz oder Metalloxyd enthaltende Reduktionszone eines Ofens im Gegenstrom eingeführt, als Gichtgase abgelassen, wieder reduktionsfähig gemacht und mindestens zum Teil wieder zur weiteren Reduktion verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der reduzierenden Gase ohne Wärmezufuhr auf elektrischem Wege organisch mit dem Reduktionsprozeß gekoppelt wird, derart, daß die bei der Herstellung der reduzierenden Gase erzeugte Wärme für die genannte Reduktion ausgenutzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der reduzierenden Gase so heiß geführt wird, daß das erzeugte reduzierende Gas genügend fühlbare Wärme enthält, um nach Mischung mit dem die Reduktionszone verlassenden Gichtgas dieses Gasgemisch auf eine Temperatur zu bringen, welche zur Aufheizung der wieder reduktionsfähigen, für den Wiedereintritt in den Ofen bestimmten Reduktionsgase in einem Wärmeaustauscher auf die erforderliche Reduktionstemperatur ausreicht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der reduzierenden Gase aus gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen so erfolgt, daß die genannten Kohlenwasserstoffe mit Hilfe eines mindestens zum größeren Teil aus Sauerstoff bestehenden Gases und Wasserdampf ohne Katalysator bei so hoher Temperatur zu C O und H2 gespalten werden, daß das so erzeugte reduzierende Spaltgas die genannte genügende fühlbare Wärme enthält. q.. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltung der genannten Kohlenwasserstoffe mit Hilfe von mehr als 9oo/oigem Sauerstoff erfolgt. 5. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der reduzierenden Gase aus festem Brennstoff und Wasserdampf erfolgt, indem die Wassergasherstellung mit mindestens zum größeren Teil aus Sauerstoff bestehendem Gas und Wasserdampf so heiß geführt wird, daß das erzeugte reduzierende Gas die genannte genügende fühlbare Wärme enthält. 6. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der für die Aufheizung der wieder reduktionsfähigen Gase im genannten Wärmeaustauscher notwendigen Temperatur noch ein mindestens zum größeren Teil aus Sauerstoff bestehendes Gas dem die Reduktionszone verlassenden Gichtgas vor dem Eintritt in den Wärmeaustäuscher zugesetzt wird. 7. Verfahren nach Anspruch i und 5, dadurch gekennzeichnet, daß' der Zusatz des sauerstoffhaltigen Gases an der Mischungsstelle von Gichtgas und erzeugtem reduzierendem Gas vorgenommen wird. B. Verfahren nach Anspruch i und 2, bei welchem das erzeugte reduzierende Gas C O enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeabgebende Gasgemisch aus Gichtgas und frisch erzeugtem C O-haltigeln reduzierendem Gas nach Verlassen des Wärmeaustauschers mindestens zum Teil zu einem wasserstoffreichen Gas konvertiert wird, welches mindestens zum Teil zur Kühlung des die Reduktionszone des Ofens verlassenden reduzierten Materials in einer Kühlzone desselben verwendet wird, um eine Kohlenstoffabscheidung zu verhüten. g. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorheizung des Erzes oder Metalloxyds auf Reduktionstemperatur ein Heizgas verwendet wird, das über eine Verbrennungskammer im oberen Teil des Ofens eintritt und diesen an der Gicht über ein Ventil wieder verläßt, welches gleichzeitig zur Einstellung des Druckes im Ofen dient. io. Verfahren nach Anspruch i, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorheizung des Erzes oder Metalloxyds ein Teil des aus dem Wärmeaustauscher austretenden Gasgemisches aus Gichtgas und frisch erzeugtem reduzierendem Gas verwendet wird. i r. Verfahren nach Anspruch r, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Druckdifferenz zwischen der Reduktionszone des Ofens und der Verbrennungskammer desselben durch eine einstellbare, mit dem Ventil an der Gicht der Verbrennungskammer gekoppelte Drucksperre erfolgt. 12. Verfahren nach Anspruch i, 2, 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Verbrennungskammer des Ofens und in der Reduktionszone desselben angenähert gleichgehalten wird, um ein merkliches Vermischen durch Überströmen der in der Verbrennungskammer enthaltenen Gase und der in der Reduktionszone des Ofens vorhandenen Gase zu vermeiden. 13. Verfahren nach Anspruch i, 2, 9 und i i, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz zwischen der Reduktionszone des Ofens und der Verbrennungskammer so eingestellt wird, daß ein bestimmter kleiner Anteil der in der Reduktionszone enthaltenen Reduktionsgasmenge in die Verbrennungskammer des Ofens einströmt.