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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.
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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.
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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.
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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.
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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. .
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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.
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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.
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Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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..
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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.
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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.