EP4253572A1 - Reduktion metalloxidhaltigen materials auf basis von ammoniak nh3 - Google Patents

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EP4253572A1
EP4253572A1 EP22194331.9A EP22194331A EP4253572A1 EP 4253572 A1 EP4253572 A1 EP 4253572A1 EP 22194331 A EP22194331 A EP 22194331A EP 4253572 A1 EP4253572 A1 EP 4253572A1
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EP
European Patent Office
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gas
ammonia
reducing
reduction reactor
top gas
Prior art date
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Application number
EP22194331.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Millner
Alexander Fleischanderl
Bernd Weiss
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Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Austria GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Primetals Technologies Austria GmbH filed Critical Primetals Technologies Austria GmbH
Priority to PCT/EP2023/058112 priority Critical patent/WO2023186967A1/de
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    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/06—Making pig-iron in the blast furnace using top gas in the blast furnace process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
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    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
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    • C21B2100/80—Interaction of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel with other processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2300/00—Process aspects
    • C21B2300/04—Modeling of the process, e.g. for control purposes; CII

Definitions

  • the application relates to a method and device for the reduction of metal oxide-containing material, wherein reducing gas obtained using ammonia NH 3 is used.
  • Hydrogen can be used as the only reducing gas, or in combination with other gases, for example natural gas-based reducing gases.
  • ammonia offers significant advantages over hydrogen H 2 in terms of storage and transport.
  • Ammonia can be split into nitrogen and hydrogen 2NH3 ⁇ N2 + 3H2 .
  • Hydrogen H 2 can react as a reducing agent with metal oxides, for example iron oxides: 3 Fe 2 O 3 + H 2 ⁇ 2 Fe 3 O 4 + H 2 O Fe 3 O 4 + H 2 ⁇ 3 FeO + H 2 O FeO + H 2 ⁇ Fe + H 2 O.
  • metal oxides for example iron oxides: 3 Fe 2 O 3 + H 2 ⁇ 2 Fe 3 O 4 + H 2 O Fe 3 O 4 + H 2 ⁇ 3 FeO + H 2 O FeO + H 2 ⁇ Fe + H 2 O.
  • ammonia can also act as a reducing agent itself: 9 Fe 2 O 3 + 2 NH 3 ⁇ 6 Fe 3 O 4 + N 2 + 3 H 2 O 3 Fe 3 O 4 + 2 NH 3 ⁇ 9 FeO + N 2 + 3 H 2 O 3 FeO + 2 NH 3 ⁇ 3 Fe + N 2 + 3 H 2 O.
  • reducing gas obtained using ammonia NH 3 can be used to reduce material containing metal oxide;
  • a reducing gas can be, for example, ammonia NH 3 , or a mixture of ammonia NH 3 with one or more other gases - preferably one or more of which can have a reducing effect on metal oxide-containing material - which, for example, is the case with a mixture of ammonia and its cleavage products, hydrogen H 2 and nitrogen N 2 would be the case, although of course other gases could also be contained in the mixture.
  • reducing gas obtained using ammonia NH 3 can also be a reducing gas act, which does not contain ammonia NH 3 , but the cleavage product obtained from a cleavage contains hydrogen H 2 - alone or together with the cleavage product nitrogen N 2 -, optionally in a mixture with one or more other gases - preferably one or more metal oxide-containing material can have a reducing effect.
  • the material containing metal oxide is preferably a material containing iron oxide.
  • the reduction process is, for example, a direct reduction process.
  • the reducing gas is obtained using ammonia NH 3 .
  • Such a reducing gas can be, for example, ammonia NH 3 , or a mixture of ammonia NH 3 with one or more other gases - preferably one or more of which can have a reducing effect on metal oxide-containing material - which, for example, is the case with a mixture of ammonia and its cleavage products, hydrogen H 2 and nitrogen N 2 would be the case, although of course other gases could also be contained in the mixture.
  • a reducing gas can be, for example, ammonia NH 3 , or a mixture of ammonia NH 3 with one or more other gases - preferably one or more of which can have a reducing effect on metal oxide-containing material - which, for example, is the case with a mixture of ammonia and its cleavage products, hydrogen H 2 and nitrogen N 2 would be the case, although of course other gases could also be contained in the mixture.
  • the reducing gas obtained using ammonia NH 3 can also be a reducing gas that does not contain ammonia NH 3 , but the cleavage product obtained from a cleavage contains hydrogen H 2 - alone or together with the cleavage product nitrogen N 2 -, if necessary in a mixture with one or more other gases - preferably one or more being able to have a reducing effect on metal oxide-containing material.
  • the reducing gas can therefore include ammonia; it can consist partly or completely of ammonia.
  • ammonia contains other components;
  • One aspect of using the ammonia is mixing it with the other components;
  • ammonia can be added to the other components in such a way that it accounts for more than 0.5% by volume of the gas stream obtained after it has been added.
  • Other possible components include those which are inert with respect to reactions with the metal oxide-containing material under the conditions prevailing in the reduction reactor - for example nitrogen N 2 - and those which react with the metal oxide-containing material under the conditions prevailing in the reduction reactor.
  • components that have a reducing effect on the metal oxide-containing material are preferred; it can be, for example, hydrocarbon-containing gases, carbon-containing gases, hydrogen-containing gases, hydrogen.
  • Reducing gas can also be obtained using ammonia by splitting ammonia and mixing the resulting gas mixture of nitrogen and hydrogen - optionally after enrichment or depletion of nitrogen or hydrogen - with other components of the reducing gas.
  • Reducing gas can also be obtained using ammonia by splitting ammonia and mixing the resulting hydrogen with other components of the reducing gas after separation from the nitrogen, or the entire reducing gas - if necessary with remaining small amounts of nitrogen formed during the splitting - provides.
  • ammonia of any “color” is suitable.
  • Cold means the coloring in connection with the underlying type of production.
  • the color of ammonia is often linked to the color of the hydrogen used in production.
  • the ammonia can, for example, be green, for example if it was produced using green hydrogen; it can be blue, for example if it was produced using hydrogen obtained by sequestering the resulting carbon dioxide CO 2 .
  • the ammonia can also be produced using turquoise hydrogen, for example if the hydrogen is under Deposition of resulting carbon C is generated; it can be produced using pink hydrogen, for example if the hydrogen is produced using nuclear power.
  • the reducing gas is the gas introduced into the reduction reactor or its interior containing metal oxide-containing material - in which the reduction reactions take place - with its composition and temperature at the time of introduction.
  • a precursor of the reducing gas is present, on the basis of which the reducing gas is prepared.
  • the preparation can be carried out, for example, by adding further components or heating.
  • the preparation can also be carried out by chemical reactions taking place in the precursor without external intervention, which, for example, change the chemical composition or the temperature.
  • the reduction reactor is, for example, a reduction shaft - for example when carrying out a direct reduction process with a reduction shaft containing a fixed bed of material containing metal oxide.
  • the reduction reactor is, for example, a fluidized bed reactor - for example when carrying out a direct reduction process with a reduction reactor containing a fluidized bed of material containing metal oxide.
  • the fluidized bed reactor can also include several individual partial reactors, which are connected, for example, in parallel or sequentially and together form the fluidized bed reactor.
  • the reduction reactor is, for example, a fluidized bed reactor - for example when carrying out a direct reduction process with a fluidized bed containing material containing metal oxide Reduction reactor.
  • the fluidized bed reactor can also include several individual partial reactors, which are connected, for example, in parallel or sequentially and together form the fluidized bed reactor.
  • the reduction reactor can also be a blast furnace that contains a fixed bed comprising metal oxide-containing material - when operating a blast furnace, ammonia can, for example, replace PCI coal or fossil reducing gases.
  • a top gas is discharged from the reduction reactor.
  • the top gas is created from the reducing gas as it flows through the reduction reactor due to the reactions of its components with the metal oxide-containing material or the products resulting from these reactions, for example the resulting metallic iron, which take place in the reduction reactor.
  • the top gas has less reducing power than the reducing gas.
  • At least a portion of the top gas is used - if necessary after processing - as a component in the preparation of the reducing gas.
  • Use of a subset occurs both when, with the composition of the top gas unchanged, only a subset of the resulting top gas volume is used, and when not all components of the resulting top gas are used - for example, when an enrichment of a component - for example enrichment of hydrogen - takes place and the correspondingly enriched gas stream is used completely or partially.
  • One step in the preparation of the reducing gas is - if no preparation takes place - the mixing of top gas with other components of the reducing gas; Either the resulting gas mixture forms the reducing gas, or the reducing gas is prepared on the basis of this gas mixture, with further steps such as adding additional components or heating to the gas mixture desired temperature when introduced into the reduction reactor, or chemical reactions leading to a change in the composition take place.
  • the top gas is subjected to processing.
  • Dedusting is preferably carried out dry, as the heat content of the gas can then be used better in the process than with wet dedusting.
  • the heat can be used to evaporate the ammonia.
  • the heat can also be used elsewhere in the process, possibly via a heat transfer medium, for example to generate hot water and/or steam.
  • water vapor content is advantageous, for example, if natural gas is reformed with steam in a reformer when preparing reducing gas. This is also why the water vapor content is set to a desired level advantageous because they relate to the reducing gas quality - expressed as the ratio of the volume percent contents of carbon monoxide CO, hydrogen H 2 , carbon dioxide CO 2 , water H 2 O (CO+H 2 )/(CO 2 +H 2 O) or of Hydrogen H 2 and water H 2 OH 2 /H 2 O - affects.
  • processing gas The gas obtained after the processing step or steps is called processing gas in the context of the present application.
  • processing gas is used as a component in the preparation of the reducing gas - top gas is then used indirectly via the processing gas obtained on the basis of the top gas in the preparation of the reducing gas.
  • One step in the preparation of the reducing gas is then mixing the processing gas with other components of the reducing gas; Either the resulting gas mixture forms the reducing gas, or the reducing gas is prepared on the basis of this gas mixture, with further steps taking place such as adding additional components or heating to the desired temperature when introduced into the reduction reactor, or chemical processes leading to a change in the composition Reactions.
  • the top gas has less reducing power than the reducing gas as a result of the reduction reactions that have taken place in the reduction reactor, it still contains components that have a reducing effect - such as hydrogen H 2 - and its reducing power has not yet been exhausted. It also has energy content due to its temperature.
  • the energy can be supplied via the reducing gas and can be changed, for example, via the amount and temperature of the reducing gas supplied.
  • the reducing gas has a temperature above 750 °C, preferably above 800 °C.
  • the specific amount of reducing gas introduced into the reduction reactor is over 2000 Nm 3 /ton of directly reduced iron DRI, preferred is over 2200 Nm 3 /tDRI.
  • a lower value is preferred, for example 1500 - 1600 Nm 3 /tDRI.
  • top gas - directly as top gas and/or indirectly via processing gas obtained on the basis of the top gas - to prepare the reducing gas enables the use of reduction potential remaining in the top gas and the use of the heat content of the top gas.
  • the nitrogen contained in the top gas can be used as a heat transfer medium in the process. Even if the nitrogen is inert with respect to the reduction reactions, it contributes to the resource-saving implementation of the process. Energy that is carried into the reduction reactor by nitrogen via its heat content does not have to be introduced into the reduction reactor by other substances; for example, not from the components of the reducing gas that have a reduction potential.
  • This Components - for example ammonia NH 3 , hydrogen H 2 , hydrocarbons - are more expensive and more complex to provide than the nitrogen N 2 that is produced in the splitting of ammonia NH 3 - for every 3 volumes of hydrogen H 2 there is one volume of nitrogen N 2 - and should therefore not necessarily used too hyperstoichiometrically. These components should be used primarily for reduction purposes; Their use without making a significant contribution to the reaction conversion, simply for the input of heat content, is less resource-efficient and time-consuming compared to the use of nitrogen.
  • the processing of the top gas withdrawn from the reduction reactor includes a process step for reducing the nitrogen content.
  • the top gas is subjected to a treatment which includes at least a reduction in the nitrogen content of the top gas.
  • the nitrogen is not completely separated.
  • the reduction occurs in order to slow down the enrichment of nitrogen in the reducing gas due to the use of the top gas and the associated reduction in the reducing power of the reducing gas.
  • a resulting one Gas stream with increased nitrogen content can be utilized, for example thermally in a reducing gas oven or in a reformer.
  • the resulting gas stream with an increased content of reducing components - for example increased hydrogen content - due to the separation of the inert nitrogen - is used in the preparation of the reducing gas.
  • the nitrogen content is advantageously reduced in such a way that the reducing gas contains less than 40% by volume, preferably less than 30% by volume, particularly preferably less than 20% by volume of nitrogen.
  • the amount of nitrogen contained in the top gas is reduced when the top gas is processed, but the processing gas still contains remaining nitrogen. In this way, the heat content of this nitrogen is used in the process. Even if this nitrogen is inert with regard to the reduction reactions, it contributes to the resource-saving implementation of the process.
  • the nitrogen content in the reducing gas can also be controlled and/or regulated to a desired value by appropriately controlling and/or regulating the top gas subset - if necessary after preparation of the top gas - which is not used as a component in the preparation of the reducing gas .
  • This subset is removed from the cycle for preparing reducing gas;
  • the discharge gas can be used thermally, for example, in a gas oven, reduction gas oven, or reformer. It is preferred if discharge gas is discharged after the top gas has been cooled.
  • One or more members of the first group can be added to the top gas and/or the processing gas.
  • the ammonia is preferably added in gaseous form.
  • the ammonia can be warmed before addition; for example electrically. Heating can be done, for example, by means of a gas oven, whereby the gas oven can be heated, for example, with electrical energy, or by burning fuel.
  • the first group is hydrogen obtained from ammonia; so it is ammonia-based hydrogen. This includes the fact that this hydrogen is added as a component of a gas mixture - for example a gas mixture of nitrogen and hydrogen formed during the splitting of ammonia.
  • This can be, for example, green, blue, gray, turquoise or pink hydrogen.
  • These “colors” mean the coloring in connection with the underlying type of production.
  • Green hydrogen is produced, for example, by electrolysis of water using electricity from renewable energies, or by gasification or fermentation of biomass, or steam reforming of biogas - what the types of production of green hydrogen have in common is that the production is CO 2 -free. With blue hydrogen, CO 2 produced during production is stored so that it does not enter the atmosphere; for example, if it was produced by sequestering the resulting carbon dioxide CO 2 . With turquoise hydrogen, C is produced by separating out the resulting carbon. Pink hydrogen involves producing hydrogen using nuclear power. A mixture of one or more of these “colors” of hydrogen is also possible. Gray hydrogen is produced from fossil fuels - for example from natural gas using steam reforming - with the resulting CO 2 predominantly being released into the atmosphere.
  • Syngas or synthesis gas refers to industrially produced gas mixtures that mainly contain carbon monoxide and hydrogen in addition to varying amounts of other gases, such as carbon dioxide.
  • synthesis gas can be produced from solid, liquid and gaseous starting materials. For example, different crude oil distillates, both low-boiling and high-boiling fractions, can be used as liquid starting materials for synthesis gas.
  • the most important gaseous educt for syngas production is natural gas.
  • Production methods include steam reforming of natural gas or liquid hydrocarbons, or gasification of coal, biomass or other residues.
  • One or more members of the second group can therefore be added to the processing gas.
  • Members of the first or second group could also be added to the top gas or the processing gas before the start or completion of the treatment; However, if processing is carried out, it is preferred to add it after the processing has been completed, i.e. to the processing gas.
  • the amount of green hydrogen H 2 used can also be increased if the amount of green ammonia NH 3 used is to or must be reduced - for example for reasons of availability or cost.
  • At least one member of the second group is added to the resulting gas mixture. That after unification Gas mixture present from top gas or processing gas and at least one member of the first group is a precursor of the reducing gas; At least one member of the second group is added to this precursor.
  • the resulting gas mixture can be the reducing gas or a precursor of the reducing gas. If it is a precursor, further steps are carried out such as admixing additional components or heating to the desired temperature when introduced into the reduction reactor or chemical reactions leading to a change in the composition.
  • At least one member of the second group is added to the gas mixture created after combining top gas or processing gas and at least one member of the first group
  • changes can be made to this gas mixture, such as adding additional components or heating or chemical reactions leading to a change in the composition.
  • Heating can be carried out, for example, using electrically operated heating devices.
  • Heating can, for example, take place indirectly via gas burners, with one variant also heating the precursor from the resulting exhaust gas via heat exchangers.
  • natural gas or top gas can serve as the basis for the fuel for the gas burners; Use of top gas is cheap because its chemical energy is used within the reduction process.
  • Chemical reactions that lead to a change in the composition can be initiated, for example, by reforming the precursor - especially when natural gas is added.
  • Heating in a reformer used can, for example, take place indirectly via gas burners, with one variant also heating the precursor from the resulting exhaust gas via heat exchangers.
  • natural gas or top gas can serve as the basis for the fuel for the gas burners; Use of top gas is cheap because its chemical energy is within the Reduction process is used.
  • the resulting gas mixture after combining top gas or processing gas and at least one member of the second group, at least one member of the first group is added to the resulting gas mixture.
  • the gas mixture present after the combination of top gas or processing gas and at least one member of the second group is a precursor of the reducing gas; At least one member of the first group is added to this precursor.
  • the resulting gas mixture can be the reducing gas or a precursor of the reducing gas. If it is a precursor, further steps are carried out such as admixing additional components or heating to the desired temperature when introduced into the reduction reactor or chemical reactions leading to a change in the composition.
  • Heating can, for example, take place indirectly via gas burners, with one variant also heating the precursor from the resulting exhaust gas via heat exchangers.
  • natural gas or top gas can serve as the basis for the fuel for the gas burners; Use of top gas is cheap because its chemical energy is used within the reduction process.
  • Chemical reactions that lead to a change in the composition can be initiated, for example, by reforming the precursor - especially if natural gas is added.
  • Heating in a reformer used can, for example, take place indirectly via gas burners, with one variant also heating the precursor from the resulting exhaust gas via heat exchangers.
  • natural gas or top gas can serve as the basis for the fuel for the gas burners.
  • Ammonia can be added in top gas, in the processing gas, or in the precursor of the reducing gas.
  • ammonia can, for example, be added to the gas that leads to the bustle.
  • the ammonia is preferably introduced in gaseous form.
  • the ammonia is split in the reduction reactor, with the reactions occurring being predominantly endothermic. Splitting already occurs in the cooling zone. Ammonia introduced into the cooling zone contributes to cooling on the one hand because it is split endothermically, and on the other hand it contributes to reduction reactions in the reduction reactor.
  • the cooling using ammonia can, for example, be regulated so that the temperature of the reduced material removed from the reduction reactor has a desired temperature for further processing. For example, if the hot DRI - HDRI - taken from the reduction reactor is subsequently compacted If necessary, a different temperature should be aimed for than when it is fed to an EAF.
  • the device for reducing material containing metal oxide can comprise one or more reduction reactors.
  • the device for reducing metal oxide-containing material can include one or more top gas outlets.
  • the device for reducing metal oxide-containing material can include one or more supply lines for ammonia contribution; these are suitable for adding liquid ammonia, or suitable for adding gaseous ammonia, or suitable for both adding liquid ammonia and for adding gaseous ammonia, or for adding hydrogen H 2 contained from ammonia by splitting - pure or in one Mixture with nitrogen N2 - suitable.
  • the device for reducing material containing metal oxide can comprise one or more supply lines.
  • ammonia NH 3 can be used to obtain reducing gas.
  • the reducing gas is prepared in the preparation system using ammonia NH 3 .
  • the preparation system can include one or more splitting systems for splitting ammonia.
  • the preparation system can also include one or more mixing devices which mix ammonia - liquid or gaseous - and/or at least one of its cleavage products hydrogen H 2 and nitrogen N 2 with other components; you can also mix mixtures of the cleavage products with other components.
  • the preparation system can also include one or more component supply lines for supplying components used in the preparation of the reducing gas.
  • the preparation system can also include one or more separation devices for separating the gas mixture obtained from the splitting of ammonia from hydrogen H 2 and nitrogen N 2 ; Separation does not only mean complete separation, but also enrichment or depletion of hydrogen H 2 or nitrogen N 2 .
  • separation devices for separating the gas mixture obtained from the splitting of ammonia from hydrogen H 2 and nitrogen N 2 ; Separation does not only mean complete separation, but also enrichment or depletion of hydrogen H 2 or nitrogen N 2 .
  • a supply line for ammonia contribution can open into a line carrying top gas, the opening being to be understood as a mixing device. Reducing gas can therefore be prepared using ammonia and top gas as components.
  • a supply line for ammonia contribution can open into a line carrying processing gas, the opening being to be understood as a mixing device.
  • reducing gas can be prepared using ammonia and processing gas as components.
  • a feed line for ammonia contribution can open into a line carrying precursors of the reducing gas, the mouth being to be understood as a mixing device. This means that reducing gas can be prepared using ammonia.
  • the reduction reactor or its bustle is supplied with reducing gas via the supply line, which is created by adding ammonia via a supply line for ammonia contribution into a line carrying top gas.
  • the supply line also serves as a preparation system and mixing device, since top gas and ammonia mix as they flow through and the reducing gas is prepared.
  • the supply line can also be part of the preparation system in another way; for example, if feed lines for feeding additional components into the precursor gas open into the feed line, or if heating devices are present in the feed line.
  • the preparation system includes devices for heating ammonia so that ammonia can be heated before being added to top gas and/or processing gas.
  • the top gas removal includes one or more processing plants; Processing gas is then supplied to the preparation system through the top gas outlet.
  • the processing systems can be, for example, a dedusting device - dry or wet - or a cooling device, or a compression device, or a heating device, or a cooling device, or a device for adjusting the water vapor content, or a desulfurization device. It is also possible for a processing system to fulfill several processing functions - for example, a cooling device can also act as a device for adjusting the water vapor content.
  • the top gas discharge comprises at least one processing system, which is a device for reducing the nitrogen content.
  • the nitrogen content of the top gas can thus be reduced and a processing gas can be provided with a reduced nitrogen content compared to top gas.
  • This can be, for example, a device for reducing the nitrogen content different permeation rates, a device for reducing the nitrogen content using different adsorption forces - such as pressure swing adsorption -, a device for reducing the nitrogen content using different boiling temperatures.
  • a natural gas feed line for example, a natural gas feed line, a hydrogen feed line, a carbon monoxide feed line, a coke oven gas feed line, a syngas feed line, a hydrocarbon feed line.
  • One or more or all feed lines can also be suitable for feeding several group members, for example a natural gas/syngas/coke oven gas feed line.
  • the reduction reactor has a cooling zone and/or a product cooler, and an ammonia feed line opens into the cooling zone and/or the product cooler.
  • Another subject of the present application is a signal processing device with a machine-readable program code, characterized in that it has control commands for carrying out a method according to the invention.
  • Another item is a signal processing device for carrying out the method according to one of claims 1 to 7.
  • Another subject of the present application is a machine-readable program code for a signal processing device, characterized in that the program code has control commands which cause the signal processing device to carry out a method according to the invention.
  • a further subject is a computer program product comprising instructions for a signal processing device which, when the program is executed for the signal processing device, cause the signal processing device to carry out the method according to one of claims 1 to 7.
  • Another subject of the present application is a storage medium with a machine-readable program code according to the invention stored thereon.
  • Another object is a storage medium with a computer program stored thereon for carrying out the method according to one of claims 1 to 7.
  • Figure 1 shows schematically the implementation of a method according to the invention in a device 1 according to the invention for the reduction of material containing metal oxide.
  • Metal oxide-containing material 3, here iron oxide-containing material, is introduced into a reduction reactor 2, here a reduction shaft, and forms a fixed bed 4 there.
  • reducing gas is used to reduce the metal oxide-containing material 3 in the reduction reactor 2.
  • Top gas is removed from the reduction reactor 2 by means of top gas discharge 5.
  • the top gas outlet 5 flows into the preparation system 6 for preparing reducing gas.
  • a supply line for ammonia contribution 7 flows into the preparation system 6.
  • reducing gas is prepared using ammonia NH 3 and using top gas as a component.
  • the reducing gas obtained using ammonia and top gas is fed via the supply line 8 to the reduction reactor 2 containing the metal oxide-containing material 3.
  • top gas is mixed with ammonia, and the resulting gas mixture is the reducing gas.
  • the top gas is therefore used directly when preparing the reducing gas.
  • FIG 2 shows largely analogous to Figure 1 schematically a variant in which the top gas is used indirectly during the preparation of the Reducing gas is used.
  • the preparation system 6 is supplied with processing gas via the top gas outlet 5.
  • the processing gas is obtained by processing the top gas;
  • In the top gas discharge there is a device for reducing the nitrogen content 9; a nitrogen-depleted stream of processing gas is fed to the preparation system via the top gas discharge 5.
  • the processing gas is mixed with ammonia, and the resulting gas mixture is the reducing gas.
  • a portion of the top gas is used as a component in the preparation of the reducing gas.
  • Figure 3 shows largely analogous to Figure 2 schematically a variant in which the preparation system 6 includes a feed line for natural gas 10. This makes it possible to add natural gas to the resulting gas mixture after combining processing gas and ammonia, or to add ammonia to the resulting gas mixture after combining processing gas and natural gas.
  • the resulting gas mixture can serve as a precursor of the reducing gas and can be converted into reducing gas in a reformer, not shown.
  • Figure 4 shows largely analogous to Figure 2 schematically a variant in which an ammonia supply line 11 opens into the cooling zone 12 of the reduction reactor 2. This allows ammonia to be introduced into the cooling zone during the direct reduction in the reduction reactor 2.
  • Figure 5 shows largely analogous to Figure 1 schematically a variant in which the bustle 13 of the reduction reactor is also shown.
  • Reducing gas is supplied to the bustle 13 via supply line 8.
  • ammonia is fed into the line 14 carrying top gas via a feed line for ammonia contribution 7.
  • the supply line 8 also counts as a preparation system and as a mixing device, as ammonia and top gas are mixed in it.

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Abstract

Verfahren zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material (2), wobei unter Nutzung von Ammoniak NH<sub>3</sub> erhaltenes Reduktionsgas eingesetzt wird, und wobei das Reduktionsgas einem das metalloxidhaltige Material enthaltenden Reduktionsreaktor (2) zugeführt wird, und aus dem Reduktionsreaktor ein Topgas ausgeleitet wird. Zumindest eine Teilmenge des Topgases wird, gegebenenfalls nach einer Aufbereitung des Topgases, als Komponente bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt. Eine Vorrichtung (1) zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material (3) umfasst einen Reduktionsreaktor (2), eine Topgasausleitung (4) zur Ausleitung von Topgas aus dem Reduktionsreaktor (2), zumindest eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag (7), eine Zubereitungsanlage (6) zur Zubereitung von Reduktionsgas, in welche zumindest eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag (7) mündet, eine Zufuhrleitung (8) zur Zufuhr von Reduktionsgas und/oder eines Vorläufers des Reduktionsgases zum Reduktionsreaktor (2). Die Topgasausleitung (5) mündet in die Zubereitungsanlage (6).

Description

    Gebiet der Technik
  • Die Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material,
    wobei unter Nutzung von Ammoniak NH3 erhaltenes Reduktionsgas eingesetzt wird.
    • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, metalloxidhaltiges, beispielsweise eisenoxidhaltiges, Material - wie beispielsweise Erze - mittels reduzierenden Gases zu reduzieren. So etwa mittels Direktreduktion mit Reduktionsgas in einem Reduktionsaggregat, wie beispielsweise einem Reduktionsschacht; auch im Hochofenverfahren wirkt beispielsweise Kohlenmonoxid CO als reduzierendes Gas im Reduktionsaggregat Hochofen. Bei derzeit großindustriell angewendeten, herkömmlichen Verfahren basiert das reduzierende Gas überwiegend auf Erdgas. Daher fallen dabei große Mengen Kohlendioxid CO2 an, was unter anderem aus umweltpolitischen Gründen unerwünscht ist.
  • Zur Verminderung des CO2-Ausstoßes bei der Reduktion von metalloxidhaltigem Material ist es bekannt, Wasserstoff H2 als reduzierendes Gas zu verwenden. Dabei kann Wasserstoff als einziges Reduktionsgas verwendet werden, oder in Kombination mit anderen Gasen, beispielsweise erdgasbasierten Reduktionsgasen. Je größer der Anteil von CO2 neutralem Wasserstoff H2 im Reduktionsgas ist, desto weniger CO2 wird emittiert.
  • Speicherung von Wasserstoff H2 und Transport vom Ort seiner Erzeugung zu Verbrauchern ist jedoch aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften problematisch und mit großem Aufwand verbunden.
  • Zur Verminderung des CO2-Ausstoßes bei der Reduktion von metalloxidhaltigem Material ist es auch bekannt, Ammoniak NH3 als Reduktionsmittel einzusetzen. Ammoniak bietet bezüglich Speicherung und Transport deutliche Vorteile gegenüber Wasserstoff H2.
  • Ammoniak kann in Stickstoff und Wasserstoff gespalten werden

             2 NH3 → N2 + 3 H2.

  • Wasserstoff H2 kann als Reduktionsmittel mit den Metalloxiden, beispielsweise Eisenoxiden, reagieren:

             3 Fe2O3 + H2 → 2 Fe3O4 + H2O

             Fe3O4 + H2 → 3 FeO + H2O

             FeO + H2 → Fe + H2O.

  • Ammoniak kann aber auch selbst als Reduktionsmittel wirken:

             9 Fe2O3 + 2 NH3 → 6 Fe3O4 + N2 + 3 H2O

             3 Fe3O4 + 2 NH3 → 9 FeO + N2 + 3 H2O

             3 FeO + 2 NH3 → 3 Fe + N2 + 3 H2O.

  • Grundsätzlich kann also unter Nutzung von Ammoniak NH3 erhaltenes Reduktionsgas zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material eingesetzt werden; so ein Reduktionsgas kann beispielsweise Ammoniak NH3 sein, oder eine Mischung von Ammoniak NH3 mit einem oder mehreren anderen Gasen - wobei bevorzugt eines oder mehrere auf metalloxidhaltiges Material reduzierend wirken können -, was beispielsweise bei einer Mischung von Ammoniak und seinen Spaltungsprodukten Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 der Fall wäre, wobei natürlich auch noch andere Gase in der Mischung enthalten sein könnten. Es kann sich bei unter Nutzung von Ammoniak NH3 erhaltenem Reduktionsgas aber auch um ein Reduktionsgas handeln, das keinen Ammoniak NH3 enthält, aber das aus einer Spaltung erhaltene Spaltungsprodukt Wasserstoff H2 - allein oder gemeinsam mit dem Spaltungsprodukt Stickstoff N2 - enthält, gegebenenfalls in Mischung mit einem oder mehreren anderen Gasen - wobei bevorzugt eines oder mehrere auf metalloxidhaltiges Material reduzierend wirken können.
  • Solche Reduktionsreaktionen zur Erzeugung von metallischem Eisen Fe mit Wasserstoff H2 und mit Ammoniak NH3, und auch die Spaltung von Ammoniak in Stickstoff N2 und Wasserstoff H2 sind endotherm. Entsprechend besteht das Problem, wie bei industrieller Durchführung zum Ablauf solcher Reaktionen ausreichende Energiemengen ressourcenschonend zugeführt werden können.
  • Bei der Spaltung von Ammoniak und bei seiner Wirkung als Reduktionsmittel entstehen neben dem Wasserstoff H2 erhebliche Mengen Stickstoff N2. Entsprechend besteht das Problem, wie bei industrieller Durchführung der anfallende Stickstoff dem Verfahren zuträglich genutzt werden kann.
    • Zusammenfassung der Erfindung Technische Aufgabe
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beitrag zur Lösung für zumindest einige der vorgenannten Probleme vorzustellen.
    • Technische Lösung
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein
    • Verfahren zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material, wobei unter Nutzung von Ammoniak NH3 erhaltenes Reduktionsgas eingesetzt wird,
    • wobei das Reduktionsgas einem das metalloxidhaltige Material enthaltenden Reduktionsreaktor zugeführt wird,
    • und aus dem Reduktionsreaktor ein Topgas ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    • zumindest eine Teilmenge des Topgases, gegebenenfalls nach einer Aufbereitung des Topgases,
    • als Komponente bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt wird.
  • Bei dem metalloxidhaltigen Material handelt es sich bevorzugt um eisenoxidhaltiges Material.
  • Das Verfahren zur Reduktion ist beispielsweise ein Verfahren zur Direktreduktion.
  • Das Reduktionsgas wird unter Nutzung von Ammoniak NH3 erhalten.
  • So ein Reduktionsgas kann beispielsweise Ammoniak NH3 sein, oder eine Mischung von Ammoniak NH3 mit einem oder mehreren anderen Gasen - wobei bevorzugt eines oder mehrere auf metalloxidhaltiges Material reduzierend wirken können -, was beispielsweise bei einer Mischung von Ammoniak und seinen Spaltungsprodukten Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 der Fall wäre, wobei natürlich auch noch andere Gase in der Mischung enthalten sein könnten. Es kann sich bei unter Nutzung von Ammoniak NH3 erhaltenem Reduktionsgas aber auch um ein Reduktionsgas handeln, das keinen Ammoniak NH3 enthält, aber das aus einer Spaltung erhaltene Spaltungsprodukt Wasserstoff H2 - alleine oder gemeinsam mit dem Spaltungsprodukt Stickstoff N2 - enthält, gegebenenfalls in Mischung mit einem oder mehreren anderen Gasen - wobei bevorzugt eines oder mehrere auf metalloxidhaltiges Material reduzierend wirken können.
  • Das Reduktionsgas kann also Ammoniak umfassen; es kann dabei teilweise oder vollständig aus Ammoniak bestehen.
  • Wenn es nur teilweise aus Ammoniak besteht, enthält es weitere Komponenten; ein Aspekt der Nutzung des Ammoniaks ist dann die Vermischung mit den weiteren Komponenten; beispielsweise kann Ammoniak den weiteren Komponenten so zugegeben werden, dass er mehr als 0,5 Vol% des nach seiner Zumischung erhaltenen Gasstromes ausmacht. Als weitere Komponenten sind sowohl solche möglich, die unter den im Reduktionsreaktor herrschenden Bedingungen bezüglich Reaktionen mit dem metalloxidhaltigen Material inert sind - beispielsweise Stickstoff N2 -, als auch solche, die unter den im Reduktionsreaktor herrschenden Bedingungen mit dem metalloxidhaltigen Material reagieren. Diesbezüglich sind auf das metalloxidhaltigen Material reduzierend wirkende Komponenten bevorzugt; es kann sich beispielsweise um kohlenwasserstoffhaltige Gase, kohlenstoffhaltige Gase, wasserstoffhaltige Gase, Wasserstoff handeln.
  • Reduktionsgas kann auch unter Nutzung von Ammoniak erhalten werden, indem Ammoniak gespalten wird, und das dabei entstehende Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff - gegebenenfalls nach einer Anreicherung oder Abreicherung von Stickstoff oder von Wasserstoff - mit weiteren Komponenten des Reduktionsgases vermischt wird.
  • Reduktionsgas kann auch unter Nutzung von Ammoniak erhalten werden, indem Ammoniak gespalten wird, und der dabei entstehende Wasserstoff nach einer Abtrennung vom Stickstoff mit weiteren Komponenten des Reduktionsgases vermischt wird, oder das gesamte Reduktionsgas - gegebenenfalls mit verbliebenen geringen Mengen von bei der Spaltung entstandenem Stickstoff - stellt.
  • Grundsätzlich kommt Ammoniak jeglicher "Farbe" in Frage. Unter "Farbe" ist damit die Farbgebung in Zusammenhang mit der zugrundeliegenden Produktionsart zu verstehen. Oftmals ist die Farbe des Ammoniaks mit der Farbe des bei der Produktion eingesetzten Wasserstoffs verbunden. Der Ammoniak kann beispielsweise grün sein, beispielsweise wenn er mittels grünen Wasserstoffs erzeugt wurde; er kann blau sein, beispielsweise, wenn er mittels unter Sequestrierung von entstehendem Kohlendioxid CO2 gewonnenen Wasserstoffs erzeugt wurde. Der Ammoniak kann auch mittels türkisen Wasserstoffs erzeugt werden, beispielsweise, wenn der Wasserstoff unter Abscheidung von entstehendem Kohlenstoff C erzeugt wird; er kann mittels pinken Wasserstoffs erzeugt werden, beispielsweise, wenn der Wasserstoff unter Verwendung von Atomstrom erzeugt wird. Ebenso in Frage kommt ein Gemisch aus einem oder mehreren dieser "Farben" des Ammoniaks, beziehungsweise ein Gemisch von Farben des dem Ammoniak zugrundeliegenden Wasserstoffs.
  • Das Reduktionsgas ist das in den Reduktionsreaktor beziehungsweise seinen metalloxidhaltiges Material enthaltenden Innenraum - in dem die Reduktionsreaktionen stattfinden - eingeleitete Gas mit seiner bei der Einleitung vorliegenden Zusammensetzung und Temperatur. Bevor diese Zusammensetzung und Temperatur gegeben sind, liegt ein Vorläufer des Reduktionsgases vor, auf dessen Basis das Reduktionsgas zubereitet wird. Die Zubereitung kann beispielsweise durch Hinzugabe weiterer Komponenten oder Erhitzung erfolgen. Die Zubereitung kann auch durch im Vorläufer ohne äußeres Zutun ablaufende chemische Reaktionen erfolgen, welche beispielsweise die chemische Zusammensetzung beziehungsweise die Temperatur ändern.
  • Bei dem Reduktionsreaktor handelt es sich beispielsweise um einen Reduktionsschacht - zum Beispiel bei Durchführung eines Direktreduktionsverfahrens mit einem ein Festbett von metalloxidhaltigem Material enthaltenden Reduktionsschacht. Bei dem Reduktionsreaktor handelt es sich beispielsweise um einen Fließbettreaktor - zum Beispiel bei Durchführung eines Direktreduktionsverfahrens mit einem ein Fließbett von metalloxidhaltigem Material enthaltenden Reduktionsreaktor. Der Fließbettreaktor kann dabei auch mehrere einzelne Teilreaktoren umfassen, die beispielweise parallel oder sequenziell geschaltet sind und gemeinsam den Fließbettreaktor bilden.
  • Bei dem Reduktionsreaktor handelt es sich beispielsweise um einen Wirbelschichtreaktor - zum Beispiel bei Durchführung eines Direktreduktionsverfahrens mit einem ein Wirbelschicht von metalloxidhaltigem Material enthaltenden Reduktionsreaktor. Der Wirbelschichtreaktor kann dabei auch mehrere einzelne Teilreaktoren umfassen, die beispielweise parallel oder sequenziell geschaltet sind und gemeinsam den Wirbelschichtbettreaktor bilden.
  • Bei dem Reduktionsreaktor kann es sich auch um einen Hochofen handeln, der ein metalloxidhaltiges Material umfassendes Festbett enthält - beim Betrieb eines Hochofens kann Ammoniak beispielsweise PCI-Kohle oder fossile Reduktionsgase ersetzen.
  • Aus dem Reduktionsreaktor wird ein Topgas ausgeleitet. Das Topgas entsteht aus dem Reduktionsgas beim Durchströmen des Reduktionsreaktors aufgrund der im Reduktionsreaktor stattfindenden Reaktionen seiner Komponenten mit dem metalloxidhaltigen Material beziehungsweise den bei diesen Reaktionen entstehenden Produkten, beispielsweise dem entstehenden metallischen Eisen. Das Topgas besitzt infolge der im Reduktionsreaktor stattgefundenen Reduktionsreaktionen weniger Reduktionskraft als das Reduktionsgas.
  • Zumindest eine Teilmenge des Topgases wird - gegebenenfalls nach einer Aufbereitung - als Komponente bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt. Nutzung einer Teilmenge liegt sowohl vor, wenn bei unveränderter Zusammensetzung des Topgases nur eine Teilmenge des anfallenden Topgasvolumens genutzt wird, als auch, wenn nicht alle Bestandteile des anfallenden Topgases genutzt werden - also beispielsweise, wenn eine Anreicherung eines Bestandteiles - beispielsweise Anreicherung von Wasserstoff - stattfindet und der entsprechend angereicherte Gasstrom vollständig oder teilweise genutzt wird.
  • Ein Schritt bei der Zubereitung des Reduktionsgases ist also - wenn keine Aufbereitung erfolgt - die Vermischung von Topgas mit anderen Komponenten des Reduktionsgases; entweder bildet die dabei erhaltene Gasmischung das Reduktionsgas, oder das Reduktionsgas wird auf Basis dieser Gasmischung zubereitet, wobei noch weitere Schritte wie beispielsweise Zumischung zusätzlicher Komponenten oder Erhitzung auf die bei der Einleitung in den Reduktionsreaktor gewünschte Temperatur, oder zu einer Veränderung der Zusammensetzung führende chemische Reaktionen erfolgen.
  • Gegebenenfalls wird das Topgas einer Aufbereitung unterzogen.
  • Die Aufbereitung kann eine oder mehrere Stufen umfassen. Mögliche Stufen sind beispielsweise:
    • Entstaubung- die trocken oder nass durchgeführt werden kann,
    • Kühlung,
    • Einstellung des Gehaltes an Wasserdampf auf ein gewünschtes Niveau, gegebenenfalls mittels Kühlung,
    • Verdichtung,
    • Erhitzung,
    • Entschwefelung; beispielsweise bei Reduktion von schwefelhaltigem Material, speziell wenn bei der Zubereitung von Reduktionsgas Reformer genutzt werden.
  • Bevorzugt wird die Entstaubung trocken durchgeführt, da der Wärmeinhalt des Gases dann besser als bei Nassentstaubung im Verfahren genutzt werden kann. Beispielsweise kann die Wärme zur Verdampfung des Ammoniaks genutzt werden. Die Wärme kann im Verfahren auch an anderer Stelle genutzt werden,- gegebenenfalls über ein Wärmeträgermedium -, beispielsweise zur Erzeugung von Heißwasser und/oder Dampf.
  • Einstellung des Gehaltes an Wasserdampf auf ein gewünschtes Niveau ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn bei der Zubereitung von Reduktionsgas Erdgas mit Wasserdampf in einem Reformer reformiert wird. Einstellung des Gehaltes an Wasserdampf auf ein gewünschtes Niveau ist auch deshalb vorteilhaft, weil sie sich auf die Reduktionsgasqualität - ausgedrückt als das Verhältnis der Volumsprozent-Gehalte von Kohlenmonoxid CO, Wasserstoff H2, Kohlendioxid CO2, Wasser H2O (CO+H2)/(CO2+H2O) beziehungsweise von Wasserstoff H2 und Wasser H2O H2/H2O - auswirkt.
  • Das nach dem Aufbereitungsschritt beziehungsweise den Aufbereitungsschritten erhaltene Gas wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung Aufbereitungsgas genannt.
  • Wenn Topgas aufbereitet wird, wird Aufbereitungsgas als Komponente bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt - Topgas wird dann also indirekt über das auf Basis des Topgases erhaltene Aufbereitungsgas bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt. Ein Schritt bei der Zubereitung des Reduktionsgases ist dann die Vermischung des Aufbereitungsgases mit anderen Komponenten des Reduktionsgases; entweder bildet die dabei erhaltene Gasmischung das Reduktionsgas, oder das Reduktionsgas wird auf Basis dieser Gasmischung zubereitet, wobei noch weitere Schritte erfolgen wie beispielsweise Zumischung zusätzlicher Komponenten oder Erhitzung auf die bei der Einleitung in den Reduktionsreaktor gewünschte Temperatur, oder zu einer Veränderung der Zusammensetzung führende chemische Reaktionen.
    • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Das Topgas besitzt zwar infolge der im Reduktionsreaktor stattgefundenen Reduktionsreaktionen weniger Reduktionskraft als das Reduktionsgas, aber es enthält immer noch reduzierend wirkende Komponenten - wie beispielsweise Wasserstoff H2 -, seine Reduktionskraft ist noch nicht erschöpft. Außerdem hat es aufgrund seiner Temperatur einen Energieinhalt.
  • Es ist günstig, die im Topgas noch vorhandene Reduktionskraft für das Reduktionsverfahren zu nutzen. Es ist auch günstig, den Energieinhalt für das Reduktionsverfahren zu nutzen; mit steigender Nutzung sinkt der zusätzliche Energiebedarf für Erhitzungsschritte, mit denen die benötigte Temperatur des Reduktionsgases eingestellt wird.
  • Speziell bei im Reduktionsreaktor ablaufenden endothermen Reaktionen, ist Energiezufuhr in den Reduktionsreaktor zur Aufrechterhaltung der Reaktionen wichtig. Die Energie kann über das Reduktionsgas zugeführt werden, und dabei beispielsweise über zugeführte Menge und Temperatur des Reduktionsgases verändert werden. Bei der Direktreduktion von Eisenoxiden ist es bevorzugt, wenn das Reduktionsgas eine Temperatur über 750 °C aufweist, bevorzugt über 800 °C. Bei Verwendung eines Reduktionsgases, das nur auf Basis von Wasserstoff H2 und/oder Ammoniak NH3 reduziert, ist es bei der Direktreduktion von Eisenoxiden beispielsweise bevorzugt, wenn die in den Reduktionsreaktor eingeleitete spezifische Reduktionsgasmenge über 2000 Nm3/Tonne direktreduziertes Eisen DRI, bevorzugt über 2200 Nm3/tDRI liegt. Wenn ein Reduktionsgas verwendet wird, das auch auf Erdgas basierende reduzierende Komponenten enthält, ist beispielsweise ein niedrigerer Wert bevorzugt, zum Beispiel 1500 - 1600 Nm3/tDRI.
  • Eine Nutzung des Topgases - direkt als Topgas und/oder indirekt über auf Basis des Topgases erhaltenes Aufbereitungsgas - zur Zubereitung des Reduktionsgases ermöglicht die Nutzung von im Topgas verbliebenen Reduktionspotential und die Nutzung des Wärmeinhalts des Topgases.
  • Der im Topgas enthaltene Stickstoff kann im Verfahren als Wärmeträgermedium genutzt werden. Auch wenn der Stickstoff bezüglich der Reduktionsreaktionen inert ist, trägt er somit zur ressourcenschonenden Durchführung des Verfahrens bei. Energie, die von Stickstoff über seinen Wärmeinhalt in den Reduktionsreaktor getragen wird, muss nicht von anderen Substanzen in den Reduktionsreaktor eingebracht werden; beispielsweise nicht von den ein Reduktionspotential aufweisenden Komponenten des Reduktionsgases. Diese Komponenten - beispielsweise Ammoniak NH3, Wasserstoff H2, Kohlenwasserstoffe - sind teurer und aufwändiger bereitzustellen als der ohnehin bei der Spaltung von Ammoniak NH3 anfallende Stickstoff N2 - auf 3 Volumenanteile Wasserstoff H2 kommt ein Volumenanteil Stickstoff N2 -, und sollten daher nicht unbedingt allzu überstöchiometrisch verwendet werden. Diese Komponenten sollten in erster Linie für den Reduktionszweck genutzt werden; ihre Nutzung ohne wesentlichen Beitrag am Reaktionsumsatz lediglich für den Eintrag von Wärmeinhalt ist im Vergleich zur Nutzung von Stickstoff wenig ressourcenschonend und aufwändig.
  • Nach einer Ausführungsform umfasst die Aufbereitung des aus dem Reduktionsreaktor abgezogenen Topgases einen Verfahrensschritt zur Verminderung des Gehaltes an Stickstoff.
  • Das Topgas wird dabei einer Aufbereitung unterzogen, die zumindest eine Verminderung des Gehaltes des Topgases an Stickstoff umfasst. Der Stickstoff wird dabei nicht vollständig abgetrennt. Die Verminderung geschieht, um eine aufgrund der Nutzung des Topgases erfolgende Anreicherung von Stickstoff im Reduktionsgas und damit einhergehende Verminderung der Reduktionskraft des Reduktionsgases zu bremsen.
  • Zur Verminderung des Gehaltes an Stickstoff kommen beispielsweise Verfahren unter Nutzung unterschiedlicher Permeationsraten, Verfahren unter Nutzung unterschiedlicher Adsorptionskräfte, Verfahren unter Nutzung unterschiedlicher Siedetemperaturen zur sortierten Verflüssigung der einzelnen Fraktionen in Frage. Es kommen auch Kombinationen mehrerer dieser Verfahren in Frage.
  • Es handelt sich zum Beispiel um Verfahren wie Membrantrennung beispielsweise mit Hohlfasermembranen oder mit Trennmembranen auf Basis porösen Graphens oder mit ein- oder mehrstufigen anorganischen Membranen, Verfahren wie Druckwechseladsorption - englisch Pressure Swing Adsorption PSA -, Verfahren wie kryogene Destillation in Frage. Ein dabei anfallender Gasstrom mit erhöhtem Stickstoffgehalt kann verwertet werden, beispielsweise thermisch in einem Reduktionsgasofen oder in einem Reformer. Der anfallende Gasstrom mit - aufgrund der Abtrennung des inerten Stickstoffs -erhöhtem Gehalt an reduzierenden Komponenten - beispielsweise erhöhtem Wasserstoffgehalt - wird bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt.
  • Vorteilhaft erfolgt die Verminderung des Stickstoffgehaltes derart geregelt, dass das Reduktionsgas weniger als 40 Vol%, bevorzugt weniger als 30 Vol%, besonders bevorzugt weniger als 20 Vol% Stickstoff enthält.
  • Die Menge des im Topgas enthaltenen Stickstoffs wird bei der Aufbereitung des Topgases zwar vermindert, aber das Aufbereitungsgas enthält noch verbleibenden Stickstoff. Auf diese Weise wird der Wärmeinhalt dieses Stickstoffs im Verfahren genutzt. Auch wenn dieser Stickstoff bezüglich der Reduktionsreaktionen inert ist, trägt er somit zur ressourcenschonenden Durchführung des Verfahrens bei.
  • Der Stickstoffgehalt im Reduktionsgas kann auch dadurch auf einen Sollwert gesteuert und/oder geregelt werden, dass die Topgas-Teilmenge - gegebenenfalls nach einer Aufbereitung des Topgases -, die nicht als Komponente bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt wird, entsprechend gesteuert und/oder geregelt wird. Diese Teilmenge wird aus dem Kreislauf der Zubereitung von Reduktionsgas ausgeschleust; das ausgeschleuste Ausschleusegas kann beispielsweise in einem Gasofen, Reduktionsgasofen, Reformer thermisch genutzt werden. Bevorzugt ist es, wenn Ausschleusegas nach einer Kühlung des Topgases ausgeschleust wird.
  • Nach einer Ausführungsform wird dem Topgas und/oder dem Aufbereitungsgas bei der Zubereitung des Reduktionsgases zumindest ein Mitglied der ersten Gruppe bestehend aus:
    • Ammoniak; Einsatz ist flüssig oder gasförmig möglich
    • aus Ammoniak gewonnener Wasserstoff, beispielsweise als reiner Wasserstoff oder in einem Gemisch von Stickstoff N2 und Wasserstoff H2.
    zugegeben.
  • Es können dem Topgas und/oder dem Aufbereitungsgas also ein Mitglied oder mehrere Mitglieder der ersten Gruppe zugegeben werden.
  • Der Ammoniak wird bevorzugt gasförmig zugegeben.
  • Der Ammoniak kann vor der Zugabe erwärmt werden; beispielsweise elektrisch. Erwärmung kann beispielsweise mittels Gasofen erfolgen, wobei der Gasofen beispielsweise mit elektrischer Energie beheizt werden kann, oder durch Verbrennung von Brennstoffen. In der ersten Gruppe handelt es sich um Wasserstoff, der aus Ammoniak gewonnen wurde; es ist also ammoniakbasierter Wasserstoff. Dabei ist mit umfasst, dass dieser Wasserstoff als Bestandteil eines Gasgemisches zugegeben wird - beispielsweise eines bei der Spaltung von Ammoniak entstandenen Gasgemisches von Stickstoff und Wasserstoff.
  • Nach einer Ausführungsform wird dem Topgas und/oder dem Aufbereitungsgas bei der Zubereitung des Reduktionsgases zumindest ein Mitglied der zweiten Gruppe bestehend aus:
    • Erdgas
    • Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Ethan C2H6, Propan C3H8, Butan C4H10,
    • Wasserstoff,
    • Kohlenmonoxid,
    • Koksofengas
    • Syngas umfassend mehrere Bestandteile aus der Gruppe von Bestandteilen bestehend aus
      CO, H2, CH4, C2-C6 Kohlenwasserstoffen, N2, CO2 ,
    zugegeben.
  • Dabei handelt es sich um Wasserstoff, aus anderen Quellen als Ammoniak gewonnen wurde; er wurde also nicht aus Ammoniak gewonnen, ist also nicht-ammoniakbasierter Wasserstoff. Dabei kann es sich beispielsweise um grünen, blauen, grauen, türkisen, pinken Wasserstoff handeln. Unter diesen "Farben" ist die Farbgebung in Zusammenhang mit der zugrundeliegenden Produktionsart zu verstehen. Grüner Wasserstoff ist beispielsweise durch Elektrolyse von Wasser mittels Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt, oder durch Vergasung oder Vergärung von Biomasse, oder Dampfreformierung von Biogas - gemeinsam ist den Produktionsarten von grünem Wasserstoff, dass die Produktion CO2-frei erfolgt. Bei blauem Wasserstoff wird bei der Produktion entstehendes CO2 gespeichert, so dass es nicht in die Atmosphäre gelangt; beispielsweise, wenn er unter Sequestrierung von entstehendem Kohlendioxid CO2 erzeugt wurde. Bei türkisem Wasserstoff wird unter Abscheidung von entstehendem Kohlenstoff C erzeugt. Bei pinkem Wasserstoff wird Wasserstoff unter Verwendung von Atomstrom erzeugt. Ebenso in Frage kommt ein Gemisch aus einem oder mehreren dieser "Farben" des Wasserstoffs. Bei grauem Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen erzeugt - beispielsweise aus Erdgas mittels Dampfreformierung - wobei das entstehende CO2 überwiegend in die Atmosphäre abgegeben wird.
  • Auch in Frage kommen andere Farben des Wasserstoffs. Ebenso in Frage kommt ein Gemisch aus einem oder mehreren dieser "Farben" des Wasserstoffs.
  • Unter Syngas oder Synthesegas sind industriell hergestellte Gasgemische zu verstehen, die hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff neben wechselnden Mengen weiterer Gase, beispielsweise Kohlendioxid, enthalten. Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen, flüssigen und gasförmigen Ausgangsstoffen erfolgen. Als flüssige Ausgangsstoffe für Synthesegas können beispielsweise unterschiedliche Rohöldestillate eingesetzt werden, sowohl leichtsiedende als auch hochsiedende Fraktionen. Das wichtigste gasförmige Edukt zur Synthesegaserzeugung ist Erdgas.
  • Herstellungsmethoden sind beispielsweise Dampfreformierung von Erdgas oder flüssigen Kohlenwasserstoffen, beziehungsweise Vergasung von Kohle, Biomasse oder anderen Reststoffe.
  • Eine mögliche Zusammensetzung von Synthesegas ist beispielsweise Kohlenmonoxid CO=41 Vol%, Kohlendioxid CO2=14 Vol%, Wasserstoff H2= 34Vol%, Methan CH4= 5 Vol%, Kohlenwasserstoffe C2-C6= 2 Vol%, Stickstoff N2= 4Vol%.
  • Es können dem Aufbereitungsgas also ein Mitglied oder mehrere Mitglieder der zweiten Gruppe zugegeben werden.
  • Mitglieder der ersten oder der zweiten Gruppe könnten dem Topgas beziehungsweise dem Aufbereitungsgas auch vor Beginn oder vor Abschluss der Aufbereitung zugegeben werden; beim Vorliegen einer Aufbereitung ist es jedoch bevorzugt, eine Zugabe nach Abschluss der Aufbereitung, also zum Aufbereitungsgas vorzunehmen.
  • Es ist vorteilhaft, gleichzeitig grünen Ammoniak NH3 und grünen Wasserstoff H2 einzusetzen, da die Wirtschaftlichkeit besonders günstig ist und CO2-Belastung des Verfahrensproduktes dann besonders gut reduziert werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die eingesetzte Menge an grünem Ammoniak NH3 erhöht wird, wenn die eingesetzte Menge an grünem Wasserstoff H2 vermindert werden soll oder muss - beispielsweise aus Verfügbarkeits- oder Kostengründen.
  • Es kann auch die eingesetzte Menge an grünem Wasserstoff H2 erhöht wird, wenn die eingesetzte Menge an grünem Ammoniak NH3 vermindert werden soll oder muss - beispielsweise aus Verfügbarkeits- oder Kostengründen.
  • Nach einer Ausführungsform wird nach Vereinigung von Topgas beziehungsweise Aufbereitungsgas und zumindest einem Mitglied der ersten Gruppe dem entstandenen Gasgemisch zumindest ein Mitglied der zweiten Gruppe zugegeben. Das nach Vereinigung von Topgas beziehungsweise Aufbereitungsgas und zumindest einem Mitglied der ersten Gruppe vorliegende Gasgemisch ist ein Vorläufer des Reduktionsgases; diesem Vorläufer wird zumindest ein Mitglied der zweiten Gruppe zugegeben. Das dabei entstehende Gasgemisch kann das Reduktionsgas sein, oder ein Vorläufer des Reduktionsgases. Wenn es ein Vorläufer ist, erfolgen noch weitere Schritte wie beispielsweise Zumischung zusätzlicher Komponenten oder Erhitzung auf die bei der Einleitung in den Reduktionsreaktor gewünschte Temperatur oder zu einer Veränderung der Zusammensetzung führende chemische Reaktionen.
  • Bevor dem nach Vereinigung von Topgas beziehungsweise Aufbereitungsgas und zumindest einem Mitglied der ersten Gruppe entstandenen Gasgemisch zumindest ein Mitglied der zweiten Gruppe zugegeben wird, können an diesem Gasgemisch noch Veränderungen wie beispielsweise Zumischung zusätzlicher Komponenten oder Erhitzung oder zu einer Veränderung der Zusammensetzung führende chemische Reaktionen erfolgen. Erhitzung kann beispielsweise mittels elektrisch betriebener Heizvorrichtungen erfolgen.
  • Erhitzung kann beispielsweise indirekt über Gasbrenner erfolgen, wobei nach einer Variante auch aus dem dabei anfallenden Abgas über Wärmetauscher der Vorläufer erhitzt wird. Als Grundlage für den Brennstoff für die Gasbrenner können beispielsweise sowohl Erdgas oder Topgas dienen; Nutzung von Topgas ist günstig, da seine chemische Energie innerhalb des Reduktionsverfahren genutzt wird.
  • Zu einer Veränderung der Zusammensetzung führende chemische Reaktionen können beispielsweise mittels Reformierung des Vorläufers veranlasst werden - speziell, wenn Erdgas zugegeben wird. Erhitzung in einem dabei verwendeten Reformer kann beispielsweise indirekt über Gasbrenner erfolgen, wobei nach einer Variante auch aus dem dabei anfallenden Abgas über Wärmetauscher der Vorläufer erhitzt wird. Als Grundlage für den Brennstoff für die Gasbrenner können beispielsweise sowohl Erdgas oder Topgas dienen; Nutzung von Topgas ist günstig, da seine chemische Energie innerhalb des Reduktionsverfahren genutzt wird.
  • Nach einer Ausführungsform wird nach Vereinigung von Topgas beziehungsweise Aufbereitungsgas und zumindest einem Mitglied der zweiten Gruppe dem entstandenen Gasgemisch zumindest ein Mitglied der ersten Gruppe zugegeben. Das nach Vereinigung von Topgas beziehungsweise Aufbereitungsgas und zumindest einem Mitglied der zweiten Gruppe vorliegende Gasgemisch ist ein Vorläufer des Reduktionsgases; diesem Vorläufer wird zumindest ein Mitglied der ersten Gruppe zugegeben. Das dabei entstehende Gasgemisch kann das Reduktionsgas sein, oder ein Vorläufer des Reduktionsgases. Wenn es ein Vorläufer ist, erfolgen noch weitere Schritte wie beispielsweise Zumischung zusätzlicher Komponenten oder Erhitzung auf die bei der Einleitung in den Reduktionsreaktor gewünschte Temperatur oder zu einer Veränderung der Zusammensetzung führende chemische Reaktionen.
  • Bevor dem nach Vereinigung von Topgas beziehungsweise Aufbereitungsgas und zumindest einem Mitglied der zweiten Gruppe entstandenen Gasgemisch zumindest ein Mitglied der ersten Gruppe zugegeben wird, können an diesem Gasgemisch noch Veränderungen wie beispielsweise Zumischung zusätzlicher Komponenten oder Erhitzung auf die bei der Einleitung in den Reduktionsreaktor gewünschte Temperatur oder zu einer Veränderung der Zusammensetzung führende chemische Reaktionen erfolgen. Erhitzung kann beispielsweise mittels elektrisch betriebener Heizvorrichtungen erfolgen.
  • Erhitzung kann beispielsweise indirekt über Gasbrenner erfolgen, wobei nach einer Variante auch aus dem dabei anfallenden Abgas über Wärmetauscher der Vorläufer erhitzt wird. Als Grundlage für den Brennstoff für die Gasbrenner können beispielsweise sowohl Erdgas oder Topgas dienen; Nutzung von Topgas ist günstig, da seine chemische Energie innerhalb des Reduktionsverfahren genutzt wird.
  • Zu einer Veränderung der Zusammensetzung führende chemische Reaktionen können beispielsweise mittels Reformierung des Vorläufers veranlasst werden - speziell, wenn Erdgas zugegeben wird. Erhitzung in einem dabei verwendeten Reformer kann beispielsweise indirekt über Gasbrenner erfolgen, wobei nach einer Variante auch aus dem dabei anfallenden Abgas über Wärmetauscher der Vorläufer erhitzt wird. Als Grundlage für den Brennstoff für die Gasbrenner können beispielsweise sowohl Erdgas oder Topgas dienen.
  • Zugabe von Ammoniak kann in Topgas erfolgen, im Aufbereitungsgas erfolgen, in Vorläufer des Reduktionsgases erfolgen. Bei Verwendung eines Reduktionsreaktors, der zur Einleitung von Reduktionsgas in den metalloxidhaltiges Material enthaltenden Innenraum - in dem die Reduktionsreaktionen stattfinden - eine Bustle aufweist, kann Ammoniak beispielsweise in das Gas die zur Bustle führt, zugegeben werden.
  • Nach einer Ausführungsform handelt es sich um ein Verfahren zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material, das in einem Reduktionsreaktor mit einer Kühlzone und/oder einem Produktkühler durchgeführt wird,
    • wobei es dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • Ammoniak in die Kühlzone des Reduktionsreaktors und/oder den Produktkühler eingebracht wird.
  • Der Ammoniak wird dabei bevorzugt gasförmig eingebracht. Der Ammoniak wird im Reduktionsreaktor gespalten, wobei die ablaufenden Reaktionen überwiegend endotherm sind. Spaltung erfolgt bereits in der Kühlzone. In die Kühlzone eingebrachter Ammoniak trägt also einerseits zur Kühlung bei, weil er endotherm gespalten wird, und er trägt andererseits zu Reduktionsreaktionen im Reduktionsreaktor bei.
  • Die Kühlung mittels Ammoniak kann dabei beispielsweise so geregelt werden, dass die Temperatur des aus dem Reduktionsreaktor entnommenen reduzierten Materials eine für weitere Verarbeitung angestrebte Temperatur aufweist. Falls beispielsweise das heiße aus dem Reduktionsreaktor entnommene DRI - HDRI - anschließend kompaktiert wird, wird gegebenenfalls eine andere Temperatur angestrebt werden, als wenn es einem EAF zugeführt wird.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material, umfassend:
    • einen Reduktionsreaktor,
    • eine Topgasausleitung zur Ausleitung von Topgas aus dem Reduktionsreaktor,
    • zumindest eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag,
    • eine Zubereitungsanlage zur Zubereitung von Reduktionsgas,
      in welche zumindest eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag mündet,
    • eine Zufuhrleitung zur Zufuhr von Reduktionsgas und/oder eines Vorläufers des Reduktionsgases zum Reduktionsreaktor,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Topgasausleitung in die Zubereitungsanlage mündet.
  • Die Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material kann einen oder mehrere Reduktionsreaktoren umfassen.
  • Die Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material kann eine oder mehrere Topgasausleitungen umfassen.
  • Die Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material kann eine oder mehrere Zuleitungen für Ammoniakbeitrag umfassen; diese sind zur Zugabe von flüssigem Ammoniak geeignet, oder zur Zugabe von gasförmigem Ammoniak geeignet, oder sowohl zur Zugabe von flüssigem Ammoniak als auch zur Zugabe von gasförmigem Ammoniak geeignet, oder zur Zugabe von aus Ammoniak durch Spaltung enthaltenem Wasserstoff H2 - rein oder in einem Gemisch mit Stickstoff N2 - geeignet.
  • Die Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material kann eine oder mehrere Zufuhrleitungen umfassen.
  • Mit einer solchen Vorrichtung kann Ammoniak NH3 genutzt werden, um Reduktionsgas zu erhalten. Das Reduktionsgas wird in der Zubereitungsanlage unter Nutzung von Ammoniak NH3 zubereitet. Die Zubereitungsanlage kann dazu eine oder mehrere Spaltungsanlagen zur Spaltung von Ammoniak umfassen. Die Zubereitungsanlage kann dazu auch eine oder mehrere Mischvorrichtungen umfassen, die Ammoniak - flüssig oder gasförmig - und/oder zumindest eines seiner Spaltungsprodukte Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 mit weiteren Komponenten vermischen; sie können auch Gemische der Spaltungsprodukte mit weiteren Komponenten vermischen. Die Zubereitungsanlage kann auch eine oder mehrere Komponentenzuleitungen zur Zufuhr von bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzten Komponenten umfassen. Die Zubereitungsanlage kann auch eine oder mehrere Trennvorrichtungen zur Trennung des bei der Spaltung von Ammoniak erhaltenen Gasgemisches von Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 umfassen; dabei ist unter Trennung nicht nur vollständige Trennung zu verstehen, sondern auch Anreicherung beziehungsweise Abreicherung von Wasserstoff H2 beziehungsweise Stickstoff N2. Beispielsweise kann in der Zubereitungsanlage eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag in eine Topgas führende Leitung münden, wobei die Mündung als Mischvorrichtung zu verstehen ist. Somit kann Reduktionsgas unter Nutzung von Ammoniak und von Topgas als Komponente zubereitet werden.
  • Beispielsweise kann in der Zubereitungsanlage eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag in eine Aufbereitungsgas führende Leitung münden, wobei die Mündung als Mischvorrichtung zu verstehen ist. Somit kann Reduktionsgas unter Nutzung von Ammoniak und von Aufbereitungsgas als Komponente zubereitet werden. Beispielsweise kann in der Zubereitungsanlage eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag in eine Vorläufer des Reduktionsgases führende Leitung münden, wobei die Mündung als Mischvorrichtung zu verstehen ist. Somit kann Reduktionsgas unter Nutzung von Ammoniak zubereitet werden.
  • Wenn beispielsweise ein Reduktionsreaktor mit Bustle verwendet wird, wird dem Reduktionsreaktor beziehungsweise seiner Bustle über die Zufuhrleitung Reduktionsgas zugeführt, welches durch Zugabe von Ammoniak über eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag in eine Topgas führende Leitung entsteht. Dabei dient die Zufuhrleitung auch als Zubereitungsanlage und Mischvorrichtung, da sich Topgas und Ammoniak beim Durchströmen mischen und das Reduktionsgas zubereitet wird. Die Zufuhrleitung kann auch auf andere Weise Teil der Zubereitungsanlage sein; beispielsweise, wenn in die Zufuhrleitung Zuspeisleitungen zur Zuspeisung zusätzlicher Komponenten in das Vorläufergas münden, oder wenn Erhitzungsvorrichtungen in der Zufuhrleitung vorhanden sind.
  • Gegebenenfalls umfasst die Zubereitungsanlage Vorrichtungen zur Erwärmung von Ammoniak, damit Ammoniak vor einer Zugabe zu Topgas und/oder Aufbereitungsgas erwärmt werden kann.
  • Gegebenenfalls umfasst die Topgasausleitung eine oder mehrere Aufbereitungsanlagen; dann wird der Zubereitungsanlage durch die Topgasausleitung Aufbereitungsgas zugeführt. Bei den Aufbereitungsanlagen kann es sich beispielsweise um eine Entstaubungsvorrichtung - trocken oder nass - handeln, oder um eine Kühlungsvorrichung, oder um eine Verdichtungsvorrichtung, oder um eine Erhitzungsvorrichtung, oder um eine Kühlungsvorrichtung, oder um eine Vorrichtung zur Einstellung des Wasserdampfgehaltes, oder eine Entschwefelungsvorrichtung. Es ist auch möglich, dass eine Aufbereitungsanlage mehrere Aufbereitungsfunktionen erfüllt - beispielsweise kann eine Kühlungsvorrichtung auch als Vorrichtung zur Einstellung des Wasserdampfgehaltes wirken.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Topgasausleitung zumindest eine Aufbereitungsanlage, die eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstoffgehaltes ist. Somit kann der Stickstoffgehalt des Topgases vermindert werden, und ein Aufbereitungsgas mit gegenüber Topgas vermindertem Stickstoffgehalt bereitgestellt werden.
  • Dabei kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstoffgehaltes auf Basis unterschiedlicher Permeationsraten, um eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstoffgehaltes unter Nutzung unterschiedlicher Adsorptionskräfte - wie beispielsweise Druckwechseladsorption -, um eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstoffgehaltes unter Nutzung unterschiedlicher Siedetemperaturen handeln.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zubereitungsanlage zumindest eine Zuspeisleitung zur Zuspeisung eines oder mehrerer Mitglieder der Gruppe bestehend aus:
    • Erdgas
    • Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Ethan C2H6, Propan C3H8, Butan C4H10,
    • Wasserstoff,
    • Kohlenmonoxid,
    • Koksofengas,
    • Syngas .
  • Also beispielsweise eine Erdgaszuspeisleitung, eine Wasserstoffzuspeisleitung, eine Kohlenmonoxidzuspeisleitung, eine Koksofengaszuspeisleitung, eine Syngaszuspeisleitung, eine Kohlenwasserstoffzuspeisleitung.
  • Eine oder mehrere oder alle Zuspeisungleitungen können auch geeignet sein zur Zuspeisung mehrerer Gruppenmitglieder, beispielsweise eine Erdgas/Syngas/Koksofengaszuspeisleitung.
  • Aufgrund des Vorhandenseins der Zuspeisleitungen - und gegebenenfalls von Mischvorrichtungen - können Mitglieder der zweiten Gruppe dem Topgas und/oder dem Aufbereitungsgas zugegeben werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Reduktionsreaktor eine Kühlzone und/oder einen Produktkühler auf, und mündet eine Ammoniakzuleitung in die Kühlzone und/oder den Produktkühler.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Signalverarbeitungseinrichtung mit einem maschinenlesbaren Programmcode, dadurch gekennzeichnet, dass er Regelbefehle zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Bei einem weiteren Gegenstand handelt es sich um eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein maschinenlesbarer Programmcode für eine Signalverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmcode Regelbefehle aufweist, welche die Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen. Bei einem weiteren Gegenstand handelt es sich um ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle für eine Signalverarbeitungseinrichtung, die bei der Ausführung des Programms für die Signalverarbeitungsvorrichtung diese veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten erfindungsgemäßen maschinenlesbaren Programmcode. Bei einem weiteren Gegenstand handelt es sich um ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer schematischer Figuren beispielhaft beschrieben.
    • Figur 1 zeigt schematisch die Durchführung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material
    • Figuren 2 zeigt schematisch eine weitere Variante.
    • Figuren 3 zeigt eine weitere Variante.
    • Figur 4 zeigt schematisch eine weitere Variante.
    • Figur 5 zeigt schematisch eine weitere Variante.
    Beschreibung der Ausführungsformen Beispiele
  • Figur 1 zeigt schematisch die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material.
  • In einen Reduktionsreaktor 2, hier ein Reduktionsschacht, wird metalloxidhaltiges Material 3, hier eisenoxidhaltiges Material, eingegeben und bildet dort ein Festbett 4. Zur Reduktion des metalloxidhaltigen Materials 3 im Reduktionsreaktor 2 wird Reduktionsgas eingesetzt. Aus dem Reduktionsreaktor 2 wird Topgas mittels Topgasausleitung 5 ausgeleitet. Die Topgasausleitung 5 mündet in die Zubereitungsanlage 6 zur Zubereitung von Reduktionsgas. In die Zubereitungsanlage 6 mündet eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag 7. In der Zubereitungsanlage 6 erfolgt Zubereitung von Reduktionsgas unter Nutzung von Ammoniak NH3 und unter Nutzung von Topgas als Komponente. Das unter Nutzung von Ammoniak und Topgas erhaltene Reduktionsgas wird über die Zufuhrleitung 8 dem das metalloxidhaltige Material 3 enthaltenden Reduktionsreaktor 2 zugeführt. In der Zubereitungsanlage 6 wird Topgas mit Ammoniak gemischt, und die dabei erhaltene Gasmischung ist das Reduktionsgas. Das Topgas wird also direkt bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt.
  • Figur 2 zeigt weitgehend analog zu Figur 1 schematisch eine Variante, in der das Topgas indirekt bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt wird. Der Zubereitungsanlage 6 wird über die Topgasausleitung 5 Aufbereitungsgas zugeführt. Das Aufbereitungsgas wird durch Aufbereitung des Topgases gewonnen; in der Topgasausleitung ist eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstoffgehaltes 9 vorhanden, ein bezüglich Stickstoff abgereicherter Strom von Aufbereitungsgas wird der Zubereitungsanlage über die Topgasausleitung 5 zugeführt. In der Zubereitungsanlage 6 wird das Aufbereitungsgas mit Ammoniak gemischt, und die dabei erhaltene Gasmischung ist das Reduktionsgas. In Figur 2 wird infolge der Verminderung des Stickstoffgehaltes also eine Teilmenge des Topgases als Komponente bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt.
  • Figur 3 zeigt weitgehend analog zu Figur 2 schematisch eine Variante, in der die Zubereitungsanlage 6 eine Zuspeisleitung für Erdgas 10 umfasst. Dadurch ist es möglich, nach Vereinigung von Aufbereitungsgas und Ammoniak dem entstandenen Gasgemisch Erdgas zuzumischen, oder nach Vereinigung von Aufbereitungsgas und Erdgas dem entstandenen Gasgemisch Ammoniak zuzumischen. Das dabei erhaltene Gasgemisch kann als Vorläufer des Reduktionsgases dienen und in einem nicht extra dargestellten Reformer zu Reduktionsgas umgesetzt werden.
  • Figur 4 zeigt weitgehend analog zu Figur 2 schematisch eine Variante, in der eine Ammoniakzuleitung 11 in die Kühlzone 12 des Reduktionsreaktors 2 mündet. Dadurch kann bei der Direktreduktion im Reduktionsreaktor 2 Ammoniak in die Kühlzone eingebracht werden.
  • Figur 5 zeigt weitgehend analog zu Figur 1 schematisch eine Variante, in der auch die Bustle 13 des Reduktionsreaktors dargestellt ist. Reduktionsgas wird der Bustle 13 über Zufuhrleitung 8 zugeführt. Zur Zubereitung des Reduktionsgases wird Ammoniak in die Topgas führende Leitung 14 über eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag 7 zugeleitet. Die Zufuhrleitung 8 zählt dabei auch als Zubereitungsanlage und als Mischvorrichtung, da in ihr Ammoniak und Topgas gemischt werden.
    • Liste der Bezugszeichen
    • 1
    Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material
    2
    Reduktionsreaktor
    3
    metalloxidhaltiges Material
    4
    Festbett
    5
    Topgasausleitung
    6
    Zubereitungsanlage
    7
    Zuleitung für Ammoniakbeitrag
    8
    Zufuhrleitung
    9
    Vorrichtung zur Verminderung des Stickstoffgehaltes
    10
    Zuspeisleitung für Erdgas
    11
    Ammoniakzuleitung
    12
    Kühlzone
    13
    Bustle
    14
    Topgas führende Leitung

Claims (14)

  1. Verfahren zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material (2),
    wobei unter Nutzung von Ammoniak NH3 erhaltenes Reduktionsgas eingesetzt wird,
    wobei das Reduktionsgas einem das metalloxidhaltige Material enthaltenden Reduktionsreaktor (2) zugeführt wird,
    und aus dem Reduktionsreaktor ein Topgas ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest eine Teilmenge des Topgases, gegebenenfalls nach einer Aufbereitung des Topgases,
    als Komponente bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung des aus dem Reduktionsreaktor (2) abgezogenen Topgases einen Verfahrensschritt zur Verminderung des Gehaltes an Stickstoff umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Topgas und/oder dem Aufbereitungsgas bei der Zubereitung des Reduktionsgases zumindest ein Mitglied der ersten Gruppe bestehend aus:
    - Ammoniak,
    - aus Ammoniak gewonnener Wasserstoff,
    zugegeben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Topgas und/oder dem Aufbereitungsgas bei der Zubereitung des Reduktionsgases zumindest ein Mitglied der zweiten Gruppe bestehend aus:
    - Erdgas,
    - Kohlenwasserstoffe,
    - Wasserstoff,
    - Kohlenmonoxid,
    - Koksofengas,
    - Syngas umfassend mehrere Bestandteile aus der Gruppe von Bestandteilen bestehend aus
    CO, H2, CH4, C2-C6 Kohlenwasserstoffen, N2, CO2,
    zugegeben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Vereinigung von Topgas beziehungsweise Aufbereitungsgas und zumindest einem Mitglied der ersten Gruppe dem entstandenen Gasgemisch zumindest ein Mitglied der zweiten Gruppe zugegeben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Vereinigung von Topgas beziehungsweise Aufbereitungsgas und zumindest einem Mitglied der zweiten Gruppe dem entstandenen Gasgemisch zumindest ein Mitglied der ersten Gruppe zugegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es in einem Reduktionsreaktor (2) mit einer Kühlzone (12) und/oder einem Produktkühler durchgeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Ammoniak in die Kühlzone (12) des Reduktionsreaktors (2) und/oder den Produktkühler eingebracht wird.
  8. Vorrichtung (1) zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material (3),
    umfassend:
    - einen Reduktionsreaktor (2),
    - eine Topgasausleitung (4) zur Ausleitung von Topgas aus dem Reduktionsreaktor (2),
    - zumindest eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag (7),
    - eine Zubereitungsanlage (6) zur Zubereitung von Reduktionsgas,
    in welche zumindest eine Zuleitung für Ammoniakbeitrag (7) mündet,
    - eine Zufuhrleitung (8) zur Zufuhr von Reduktionsgas und/oder eines Vorläufers des Reduktionsgases zum Reduktionsreaktor (2),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Topgasausleitung (5) in die Zubereitungsanlage (6) mündet.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Topgasausleitung (5) zumindest eine Aufbereitungsanlage, die eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstoffgehaltes (9) ist, umfasst.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zubereitungsanlage (6) zumindest eine Zuspeisleitung (10) zur Zuspeisung eines oder mehrerer Mitglieder der Gruppe bestehend aus:
    - Erdgas,
    - Kohlenwasserstoffe,
    - Wasserstoff,
    - Kohlenmonoxid,
    - Koksofengas,
    - Syngas,
    umfasst.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Reduktionsreaktor (2) eine Kühlzone (12) und/oder einen Produktkühler aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ammoniakzuleitung (11) in die Kühlzone (12) und/oder den Produktkühler mündet.
  12. Signalverarbeitungseinrichtung mit einem maschinenlesbaren Programmcode, dadurch gekennzeichnet, dass er Regelbefehle zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
  13. Maschinenlesbarer Programmcode für eine Signalverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmcode Regelbefehle aufweist, welche die Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 veranlassen.
  14. Speichermedium mit einem darauf gespeicherten maschinenlesbaren Programmcode nach Anspruch 13.
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JP2013216929A (ja) * 2012-04-05 2013-10-24 Jfe Steel Corp 還元鉄の冷却方法
CN112813219A (zh) * 2021-02-05 2021-05-18 辽宁科技大学 一种氨气直接还原铁实现近零排放的系统及工艺
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