EP4455313A1 - Verfahren zum reduzieren von eisenerzträger zu eisenschwamm - Google Patents

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EP4455313A1
EP4455313A1 EP23170323.2A EP23170323A EP4455313A1 EP 4455313 A1 EP4455313 A1 EP 4455313A1 EP 23170323 A EP23170323 A EP 23170323A EP 4455313 A1 EP4455313 A1 EP 4455313A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
volume
discharged
reactor
fed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23170323.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Jonas Fabry
Julian Suer
Matthias Weinberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority to EP23170323.2A priority Critical patent/EP4455313A1/de
Publication of EP4455313A1 publication Critical patent/EP4455313A1/de
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    • 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
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • 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
    • C21B2100/22—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by reforming
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
    • C21B2100/26—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by adding additional fuel in recirculation pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
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    • C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
    • C21B2100/28—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by separation
    • C21B2100/282—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by separation of carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/40—Gas purification of exhaust gases to be recirculated or used in other metallurgical processes
    • C21B2100/44—Removing particles, e.g. by scrubbing, dedusting

Definitions

  • the invention relates to a process for reducing iron ore carrier to sponge iron in a reactor.
  • a heterogeneous reaction takes place between the iron ore carriers and the reducing gas, in which oxygen is removed from the iron ore.
  • the reaction takes place below the melting point of the iron ore, so that the external shape of the ores remains unchanged. Since the removal of oxygen results in a weight reduction of about 1/4 to 1/3, the reaction product has a honeycomb-shaped microstructure (solid, porous iron with many air-filled spaces). For this reason, direct reduced iron is often also referred to as sponge iron.
  • a shaft furnace is traditionally used as a reactor with a reduction zone through which the iron ore carrier passes against the direction of the reducing gas.
  • the reduction zone is arranged above a cooling zone in the shaft furnace, with a cooling gas flowing through the cooling zone.
  • the iron ore carrier then passes through the shaft furnace in a vertical direction from top to bottom.
  • Such shaft furnaces enable a good flow of reducing gas and optional cooling gas through the iron ore carriers due to the underlying chimney effect.
  • the reducing gas flows through the reduction zone against the direction of movement of the iron ore carrier.
  • the cooling gas also flows through the cooling zone against the direction of movement of the sponge iron produced.
  • the countercurrent principle is therefore used in both the reduction zone and the optional cooling zone in order to achieve an efficient reaction between the gases and the solids.
  • Carbon monoxide or hydrogen or a mixed gas comprising carbon monoxide and hydrogen is used as the reducing gas.
  • This reducing gas (mixture) is fed to the direct reduction plant in the hot state in which iron ore carriers are reduced.
  • Methanol as a carrier of hydrogen and carbon in fossil-free production of direct reduced iron
  • Andersson et al. https://doi.org/10.1016/i.ecmx.2020.100051 , methanol is described as a hydrogen storage medium which can be reformed and the resulting hydrogen heated and used as a hot reducing gas in a direct reduction process.
  • the object of the present invention is to provide an improved and more economical process for direct reduction compared to the prior art.
  • the teaching thus relates to a method for reducing iron ore carrier to sponge iron in a reactor, wherein a gas volume is fed into the reactor and a gas volume is discharged from the reactor to operate the reactor, wherein at least a partial volume of the discharged gas volume is discharged and fed to at least one process gas heater as fuel gas or part of a fuel gas and burned together with an oxygen-containing gas to form a combustion gas, or at least a partial volume of the discharged gas volume is discharged and used elsewhere outside of this process for reduction, wherein the remaining residual gas volume is circulated and fed back to the reactor by heating it in the at least one process gas heater by the combustion gas to a temperature of at least 700 °C and fed into the reactor as a hot gas volume, wherein the at least one discharged partial volume is replaced by fresh volume.
  • Methanol and/or ethanol is heated to a temperature of at least 700 °C and fed into the reactor essentially as a fresh volume.
  • Methanol, molecular formula: CH 3 OH, and/or ethanol, molecular formula: C 2 H 5 OH, is in liquid form at room temperature or comparable (ambient) temperature.
  • the liquids mentioned can be transported using normal means, for example via pipelines and/or normal tank vehicles/ships, and/or stored using normal means, for example in large tanks or reservoirs. No special precautions need to be taken in comparison to hydrogen or LPG.
  • the traditional direct reduction process can be advantageously operated with an alternative fresh volume to replace the discharged partial volume or partial volumes by heating methanol and/or ethanol to a temperature of at least 700 °C and feeding it into the reactor.
  • the reactive components in the methanol and/or ethanol can also advantageously contribute to the desired reduction work and also to the desired "carburization" of the iron ore carriers to be reduced.
  • Methanol evaporates at around 65 °C and ethanol at around 78 °C. Alternatively, it can also be provided in gaseous form.
  • the residual gas volume as well as the fresh volume must be heated to a temperature between 700 and 1100 °C in order to be able to feed a hot gas volume, which is required for reduction, into the reactor.
  • the methanol and/or ethanol is heated as a fresh volume and thus evaporates during the heating process.
  • Methanol and/or ethanol is provided in liquid or gaseous form. Only methanol or only ethanol or a mixture of methanol and ethanol, in percentages between 10:90 and 90:10 methanol/ethanol, for example, can be provided in liquid or gaseous form.
  • fresh volume can have a proportion of methanol and/or ethanol of at least 60%, in particular at least 70%, preferably at least 80%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 95% and more preferably up to 100% or even 100%, wherein residual proportions of methane, ammonia and/or carbon monoxide can be contained in the fresh volume.
  • methanol and/or ethanol in liquid or vaporized (gaseous) form is mixed as a fresh volume with the residual gas volume, heated as a mixture to a temperature of at least 700 °C and fed into the reactor as a hot gas volume.
  • mixing can take place in the process gas heater, for example via a feed line, in particular a mixing ball, which is arranged in an area of the process gas heater in which the fresh volume (methanol and/or ethanol) has already evaporated and can therefore be heated together as a mixture to the required temperature for the direct reduction process.
  • the residual gas volume can also be compressed, for example, using a compressor, which means that the pressure can be increased in order to enable introduction/combination and thus mixing with the vaporized fresh volume, which can certainly experience an increase in pressure due to heating and phase change.
  • the fresh volume can be heated to a temperature of at least 700 °C and fed into the reactor as a hot fresh volume separate from the hot gas volume.
  • Mixing of the hot gas volume (residual gas volume) with the hot fresh volume therefore only takes place in the reactor.
  • the temperature of the hot gas volume and fresh volume can in particular be at least 750 °C, preferably at least 800 °C, preferably at least 850 °C.
  • the temperature can in particular be reduced to a maximum of 1050 °C, preferably to a maximum of 1000 °C, preferably to a maximum of 950 °C.
  • Process gas heaters that enable a phase change from liquid to gaseous for the fresh volume in particular are known to experts.
  • the process gas heater is therefore not a reformer.
  • the process gas heater can also be designed in several stages, for example, so that evaporation takes place in a first stage and heating to a desired temperature can take place in at least one further stage or several stages.
  • the heating of the residual gas volume also takes place, for example, using a heat exchanger known to experts.
  • Degree of metallization [%] 100 * Fe elemental [%] / Fe total [%]. Due to the contact of the iron ore carrier surface with the hot gas volume (including fresh volume), the reaction processes and ultimately the metallization begin from the outside in. A complete reduction, i.e. a degree of metallization of 100%, is theoretically possible, but in practice economics plays an important role and thus the time for reduction, so a degree of metallization of up to 100%, in particular up to 98%, is aimed for. A degree of metallization of at least 80%, in particular 85%, preferably at least 88%, preferably at least 90% and particularly preferably 92% is aimed for in the direct reduction process.
  • Iron ore carriers can be provided in the form of sinter, pellets and/or iron ore/lump ore.
  • the iron ore carrier containing iron or iron oxide can act advantageously as a catalyst for the reforming of the gaseous fresh volume (methanol/ethanol) in the reactor.
  • the discharged gas volume can be freed of dust/solids in at least one separation unit and thus dedusted. This ensures that other units through which the discharged gas volume flows are not clogged and/or damaged by solids present in the gas.
  • dedusting units are well known in the specialist world.
  • the discharged and optionally dedusted gas volume is freed of water/steam in at least one separation unit and thus (essentially) dried, so that at least a (further) partial volume of the gas volume is removed or discharged in the form of water/steam.
  • water vapor is completely removed, for example, in particular up to 95%, preferably up to 90%, preferably up to 85%, but at least 40% of the water vapor content from the gas, for example via a scrubber, so that depending on the water vapor content in the gas, a partial volume between 10% and up to 40% can be removed from the discharged gas.
  • gas volume can be discharged.
  • the partial volume discharged due to water/water vapor may have to be replaced by fresh volume. It may be permissible for a small proportion of water/water vapor to remain in the gas volume after drying, up to 15%, in particular up to 12%, preferably up to 10% of the total gas volume.
  • the structure, principle and functioning of drying units are known to experts.
  • the water separated in the separation unit or water from another source can be heated to a temperature of at least 120 °C up to 800 °C and thus evaporated and fed into the reactor as hot steam.
  • the hydrogen thus produced in the reactor reduces the iron ore carriers and thus generates further steam, which then reforms further portions of the fresh volume (methanol and/or ethanol).
  • Steam should preferably have a temperature as high as possible, up to 800 °C, in particular at least 200 °C, preferably at least 300 °C, preferably at least 400 °C, in order to be able to bring as much energy as possible into the process.
  • the water/steam can also be heated via at least one process gas heater, of course in a separate line.
  • At least a partial volume of the discharged, optionally dedusted and dried gas volume is discharged and fed to at least one process gas heater as fuel gas or part of a fuel gas and burned together with an oxygen-containing gas to form a combustion gas.
  • the discharged, optionally dedusted and dried gas volume is freed of carbon dioxide in at least one separation unit, so that at least a (further) partial volume of the gas volume is discharged in the form of carbon dioxide.
  • the separation unit is an amine scrubber.
  • the structure, principle and functioning of carbon separation units are known in the specialist world.
  • At least a partial volume of the discharged, optionally dedusted, dried and freed of carbon dioxide gas volume is discharged and fed to at least one process gas heater as fuel gas or part of a fuel gas and burned together with an oxygen-containing gas to form a combustion gas.
  • a partial volume can be provided for combustion which is discharged from the discharged gas volume and optionally dedusted, dried and freed of carbon dioxide, or a mixture of the above with a partial volume discharged from the discharged gas volume which is only optionally dedusted and dried.
  • a partial volume leaves the process.
  • This partial volume can be fed to combustion in the process gas heater, regardless of the location of the discharge (removal), and amounts to at least 1%, in particular at least 2% of the discharged gas volume, which in turn is to be replaced by fresh volume.
  • the partial volume leaving the process can also be used for other purposes outside of this process for reduction and thus not serve as fuel gas for the process gas heater, and can be fed into a steelworks gas network, for example, in order to be fed into other processes, in particular for heating purposes.
  • This partial volume can, for example, be up to 50%, in particular up to 40%, preferably up to 50%, preferably up to 20% of the discharged gas volume.
  • FIG. 1 The invention is explained using the example of a direct reduction plant comprising a reactor (10) in the form of a shaft furnace.
  • a reactor 10 in the form of a shaft furnace.
  • iron ore carrier (io) is converted to sponge iron (si) by means of a hot gas volume (1*,12).
  • the hot gas volume (1*,12) heats and reduces the iron ore carrier (io).
  • Iron ore carriers in the form of, for example, pellets and/or lump iron ore (io) are introduced at the upper end of the reactor (10).
  • the sponge iron (si) produced is removed at the lower end of the reactor (10).
  • a reduction zone (11) is arranged in the reactor (10).
  • the hot Gas volume (1*,12) flows through the iron ore carrier (io) located in the reduction zone (11) in the countercurrent principle, thus against a direction of movement of the iron ore carrier (io).
  • a gas volume (1*,12) is fed into the reactor (10) and a gas volume (13) is discharged from the reactor (10).
  • the discharged gas volume (15) can be freed of dust/solids in at least one separation unit (14) and thus dedusted.
  • the discharged and optionally dedusted gas volume (15) is freed of water/steam in at least one separation unit (15) and thus dried, so that at least a partial volume of the gas volume (15) is discharged in the form of water/steam.
  • At least a partial volume of the discharged, optionally dedusted and dried gas volume (13) is discharged and fed to at least one process gas heater (20) as fuel gas (21) or part of a fuel gas (21) and burned together with an oxygen-containing gas (17) to form a combustion gas (22).
  • the discharged, optionally dedusted and dried gas volume (15) is freed of carbon dioxide in at least one separation unit (16), so that at least a further partial volume of the gas volume (15) is discharged in the form of carbon dioxide.
  • a partial volume of the discharged, optionally dedusted, dried and carbon dioxide-free gas volume (13) can be discharged and fed to at least one process gas heater (20) as fuel gas (21) or part of a fuel gas (21) and burned together with an oxygen-containing gas (17) to form a combustion gas (22) if the calorific value is to be higher and/or if the carbon dioxide is to be used further.
  • the discharged partial volume can be fed to the process gas heater either before the unit (16) or after the unit (16).
  • a mixture of partial volumes can also be provided, with a partial flow being discharged before the unit (16) and a partial flow being discharged after the unit (16) and can be provided as a mixture.
  • At least a partial volume of the discharged gas volume (13) can be discharged and used elsewhere outside the process for reducing.
  • at least a partial volume of the discharged, optionally dedusted, optionally dried and optionally freed of carbon dioxide gas volume (15) is discharged and not fed to the process gas heater (20) as fuel gas (21), but used elsewhere outside the process for reduction.
  • the partial volume can be fed into an optionally existing gas network and optionally converted into electricity in a power plant or fed to other processes. Natural gas or another suitable gas could then be used as fuel gas (21).
  • the fuel gas (21) is burned with an oxygen-containing gas (17), which can be air or oxygen, and the combustion gas (22) heats the residual gas volume (13*), as well as the fresh volume, which in liquid form (1) or in gaseous form essentially contains methanol, ethanol or a mixture of methanol and ethanol and is provided, to a temperature of at least 700 °C and up to 1100 °C.
  • an oxygen-containing gas (17) which can be air or oxygen
  • the combustion gas (22) heats the residual gas volume (13*), as well as the fresh volume, which in liquid form (1) or in gaseous form essentially contains methanol, ethanol or a mixture of methanol and ethanol and is provided, to a temperature of at least 700 °C and up to 1100 °C.
  • the methanol and/or ethanol in liquid or gaseous form can be mixed essentially as a fresh volume with the residual gas volume (13*) and heated as a mixture to a temperature of at least 700 °C and fed into the reactor (10) as a hot gas volume (12).
  • the methanol and/or ethanol can be heated separately to a temperature of at least 700 °C and fed into the reactor (10) as a hot fresh volume (1*) separate from the hot gas volume (12).
  • the water from the separation unit (15) or water from another source can be heated to a temperature of up to 800 °C and thus evaporated, and fed into the reactor (10) as hot steam (18).
  • heated nitrogen not shown, can also be fed into the reactor (10).
  • An oxygen-containing gas (17), air or oxygen, can be added to the hot gas volume (12) before feeding into the reactor (10), especially if a temperature increase should be appropriate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Eisenerzträger (io) zu Eisenschwamm (si) nach Anspruch 1.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Eisenerzträger zu Eisenschwamm in einem Reaktor.
  • Beim Direktreduktionsverfahren findet eine heterogene Reaktion zwischen den Eisenerzträgern und dem Reduktionsgas statt, bei der Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt wird. Die Reaktion findet unterhalb des Schmelzpunktes des Eisenerzes statt, sodass die äußere Form der Erze unverändert bleibt. Da es bei der Entfernung von Sauerstoff zu einer Gewichtsreduktion von etwa 1/4 bis 1/3 kommt, ergibt sich eine wabenförmige Mikrostruktur des Reaktionsproduktes (festes poröses Eisen mit vielen luftgefüllten Zwischenräumen). Daher wird das direktreduzierte Eisen ("direct reduced iron") häufig auch als Eisenschwamm ("sponge iron") bezeichnet. Klassisch wird beim Direktreduktionsverfahren ein Schachtofen als Reaktor mit einer Reduktionszone verwendet, durch welche der Eisenerzträger entgegen dem Reduktionsgas durchläuft. Bei einer speziellen Variante des Verfahrens ist die Reduktionszone oberhalb einer Kühlzone im Schachtofen angeordnet, wobei die Kühlzone mit einem Kühlgas durchströmt wird. Der Eisenerzträger durchläuft dann den Schachtofen in vertikaler Richtung von oben nach unten. Derartige Schachtöfen ermöglichen eine gute Durchströmung der Eisenerzträger mit Reduktionsgas und optionalem Kühlgas aufgrund des zugrundeliegenden Kamineffektes. Insbesondere durchströmt das Reduktionsgas die Reduktionszone entgegen einer Bewegungsrichtung des Eisenerzträgers. Entsprechend durchströmt das Kühlgas die Kühlzone ebenfalls entgegen einer Bewegungsrichtung des erzeugten Eisenschwamms. Sowohl in der Reduktionszone als auch in der optionalen Kühlzone wird demnach das Gegenstromprinzip eingesetzt, um eine effiziente Reaktion zwischen den Gasen und den Feststoffen zu erreichen.
  • Als Reduktionsgas werden Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff oder ein Mischgas, umfassend Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, verwendet. Dieses Reduktionsgas(gemisch) wird der Direktreduktionsanlage im heißen Zustand zugeführt, in welchem Eisenerzträger reduziert werden.
  • Aus der WO 2022/248987 A1 ist bekannt, Methanol in flüssiger Form in einen Direktreduktionsreaktor einzuspeisen. Die Einspeisung soll in einer Kühlzone des Reaktors erfolgen, sodass das flüssige Methanol neben einer Kühlung der bereits reduzierten Eisenerzträger, somit auch zur Aufkohlung des Eisenschwamms beiträgt.
  • In der Veröffentlichung "Methanol as a carrier of hydrogen and carbon in fossil-free production of direct reduced iron", Andersson et al., https://doi.org/10.1016/i.ecmx.2020.100051 , ist Methanol als Wasserstoffspeicher beschrieben, welches reformiert und der daraus gewonnene Wasserstoff erwärmt und als heißes Reduktionsgas in einem Direktreduktionsprozess eingesetzt werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes und wirtschaftlicheres Verfahren zur Direktreduktion im Vergleich zum Stand der Technik anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Aspekte der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Die Lehre betrifft somit ein Verfahren zum Reduzieren von Eisenerzträger zu Eisenschwamm in einem Reaktor, wobei zum Betreiben des Reaktors ein Gasvolumen in den Reaktor eingespeist und ein Gasvolumen aus dem Reaktor abgeführt wird, wobei mindestens ein Teilvolumen des abgeführten Gasvolumens ausgeschleust und mindestens einem Prozessgaserhitzer als Brenngas oder Teil eines Brenngases zugeführt und zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas zu einem Verbrennungsgas verbrannt wird oder mindestens ein Teilvolumen des abgeführten Gasvolumens ausgeschleust und anderweitig außerhalb dieses Verfahrens zum Reduzieren verwendet wird, wobei das verbleibende Restgasvolumen im Kreislauf geführt und dem Reaktor wieder zugeführt wird, indem es in dem mindestens einen Prozessgaserhitzer durch das Verbrennungsgas auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und als heißes Gasvolumen in den Reaktor eingespeist wird, wobei das mindestens eine ausgeschleuste Teilvolumen durch Frischvolumen ersetzt wird. Dabei wird Methanol und/oder Ethanol auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und im Wesentlichen als Frischvolumen in den Reaktor eingespeist.
  • Methanol, Summenformel: CH3OH, und/oder Ethanol, Summenformel: C2H5OH, liegt bei Raumtemperatur oder vergleichbarer (Umgebungs-)Temperatur in flüssiger Form vor. Die genannten Flüssigkeiten können mittels normalen Mitteln transportiert werden, beispielsweise über Pipelines und/oder normale Tankfahrzeuge/-schiffe, und/oder mittels normalen Mitteln gespeichert werden, beispielsweise in Großtanks respektive Reservoires. Besondere Vorkehrungen, im Vergleich zu Wasserstoff oder LPG, müssen nicht getroffen werden.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, dass der traditionell ablaufende Direktreduktionsprozess vorteilhaft mit einem alternativen Frischvolumen zum Ersetzen des ausgeschleusten Teilvolumens respektive der ausgeschleusten Teilvolumina bedient werden kann, indem erfindungsgemäß Methanol und/oder Ethanol auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und in den Reaktor eingespeist wird. Dadurch können neben den reaktionsfreudigen Bestandteilen im rückgeführten Restgasvolumen auch die reaktionsfreudigen Bestandteile im Methanol und/oder Ethanol zur gewünschten Reduktionsarbeit und auch zum gewünschten "Aufkohlen" der zu reduzierenden Eisenerzträger in vorteilhafter Weise beitragen. Somit wird im Vergleich zum Stand der Technik zum einen auf einen zusätzlichen, außerhalb des Reaktors stattfindenden Reformierungsschritt verzichtet und zum anderen muss keine weitere vom heißen Gasvolumen unabhängige "aufkohlende" und "kühlende" Flüssigkeit in den Reaktor eingespeist werden.
  • Da Methanol und/oder Ethanol in flüssiger Form bereitgestellt werden, ist eine Erwärmung erforderlich und damit einhergehend eine Phasenänderung. Methanol verdampft bei ca. 65 °C und Ethanol bei ca. 78 °C. Alternativ kann es auch in gasförmiger Form bereitgestellt werden.
  • Um einen Standardprozess bei der Direktreduktion aufrechthalten zu können, ist eine Erwärmung des Restgasvolumens, wie auch des Frischvolumens auf eine Temperatur zwischen 700 und 1100 °C notwendig, um ein heißes Gasvolumen, welches zum Reduzieren benötigt wird, in den Reaktor einspeisen zu können. Dabei wird das Methanol und/oder Ethanol als Frischvolumen erwärmt und verdampft somit im Zuge der Erwärmung.
  • Methanol und/oder Ethanol wird in flüssiger oder gasförmiger Form bereitgestellt. Dabei kann nur Methanol oder nur Ethanol oder eine Mischung aus Methanol und Ethanol, in Prozent beispielsweise zwischen 10:90 und 90:10 Methanol/Ethanol möglich, in flüssiger oder gasförmiger Form bereitgestellt werden.
  • Unter "im Wesentlichen" als Frischvolumen ist zu verstehen, dass das Frischvolumen einen Anteil von Methanol und/oder Ethanol von mindestens 60 %, insbesondere mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 95 % und weiter bevorzugt bis zu 100 % oder sogar 100 % betragen kann, wobei Restanteile aus Methan, Ammoniak und/oder Kohlenstoffmonoxid im Frischvolumen enthalten sein können.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird Methanol und/oder Ethanol in flüssiger oder in verdampfter (gasförmiger) Form als Frischvolumen mit dem Restgasvolumen gemischt, als Mischung auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und als heißes Gasvolumen in den Reaktor eingespeist. Beispielsweise kann das Mischen im Prozessgaserhitzer erfolgen, beispielsweise über eine Zuleitung, insbesondere eine Mischkugel, welche in einem Bereich des Prozessgaserhitzers angeordnet ist, in welchem das Frischvolumen (Methanol und/oder Ethanol) bereits verdampft ist und dadurch zusammen als Mischung auf die erforderliche Temperatur für den Direktreduktionsprozess erwärmt werden kann. Das Restgasvolumen kann beispielsweise auch über einen Kompressor verdichtet werden, das heißt, dass der Druck erhöht werden kann, um ein Einleiten/Zusammenführen und damit ein Mischen mit dem verdampften Frischvolumen, welches durch Erwärmung und Phasenänderung durchaus einen Druckanstieg erfahren kann, zu ermöglichen.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Frischvolumen auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und als heißes Frischvolumen getrennt vom heißen Gasvolumen in den Reaktor eingespeist werden. Eine Mischung des heißen Gasvolumens (Restgasvolumen) mit dem heißen Frischvolumen findet somit erst im Reaktor statt. Hierbei kann in vorteilhafter Weise temperaturunabhängig erwärmt werden, sodass das Frischvolumen heißer oder kälter, je nach Fahrweise und Bedarf in der Direktreduktionsanlage, als das heiße Gasvolumen erwärmt werden kann. Das Erwärmen kann in mindestens einem Prozessgaserhitzer, jedoch in unterschiedlichen Strängen laufend, erfolgen und damit außerhalb des Reaktors stofflich durch das Verbrennungsgas auf die jeweils erforderliche Temperatur erwärmt werden.
  • Die Temperatur des heißen Gasvolumens und Frischvolumens kann insbesondere mindestens 750 °C, vorzugsweise mindestens 800 °C, bevorzugt mindestens 850 °C betragen. Die Temperatur kann insbesondere auf maximal 1050 °C, vorzugsweise auf maximal 1000 °C, bevorzugt auf maximal 950 °C verringert sein.
  • Prozessgaserhitzer, die für das Frischvolumen insbesondere eine Phasenumwandlung von flüssig zu gasförmig ermöglichen, sind der Fachwelt bekannt. Der Prozessgaserhitzer ist somit kein Reformer. Der Prozessgaserhitzer kann beispielsweise auch mehrstufig ausgeführt sein, sodass in einer ersten Stufe ein Verdampfen erfolgt und in mindestens einer weiteren Stufe oder mehreren Stufen ein Erwärmen auf eine gewünschte Temperatur erfolgen kann. Die Erwärmung des Restgasvolumens erfolgt beispielsweise ebenfalls mittels eines der Fachwelt bekannten Wärmetauschers.
  • Beim Reduzieren vom Eisenerzträger zu Eisenschwamm nimmt das elementare Eisen zu und lässt sich durch den Metallisierungsgrad beschreiben: Metallisierungsgrad [%] = 100 * Fe elementar [%] / Fe total [%]. Aufgrund des Kontakts der Eisenerzträgeroberfläche mit dem heißen Gasvolumens (inkl. Frischvolumen) beginnen die Reaktionsvorgänge und letztendlich das Metallisieren von außen nach innen. Eine vollständige Reduktion, sprich ein Metallisierungsgrad von 100 %, ist zwar theoretisch möglich, in der Praxis spielt die Wirtschaftlichkeit eine wichtige Rolle und somit die Zeit für das Reduzieren, sodass ein Metallisierungsgrad bis zu 100 %, insbesondere eher bis zu 98 % angestrebt wird. Ein Metallisierungsgrad von mindestens 80 %, insbesondere 85 %, vorzugsweise mindestens 88 %, bevorzugt mindestens 90 % und besonders bevorzugt 92 %, wird im Direktreduktionsprozess angestrebt.
  • Eisenerzträger können in Form von Sinter, Pellets und/oder Eisen-/Stückerz bereitgestellt werden. Der Eisen bzw. Eisenoxid enthaltende Eisenerzträger kann vorteilhaft als Katalysator für die Reformierung des gasförmigen Frischvolumens (Methanol/Ethanol) in dem Reaktor wirken. Es ist aber zudem möglich, die Eisenerzträger zu beschichten, zum einen um beispielsweise sogenanntes Sticking (Verkleben der Eisenerzträger respektive Eisenschwamm) zu minimieren und zum anderen kann eine Beschichtung ausgewählt werden, die gute katalysatorische Eigenschaften für die Reformierung des Frischvolumens aufweist, wie z. B. Al2O3. Das Beschichten zur Minimierung von Sticking ist der Fachwelt bekannt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann das abgeführte Gasvolumen in mindestens einer Abscheideeinheit von Stäuben/Feststoffen befreit und damit entstaubt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass weitere im Verlauf vom abgeführten Gasvolumen durchströmte Einheiten nicht durch im Gas vorhandene Feststoffe zugesetzt und/oder beschädigt werden. Aufbau, Prinzip und Funktionsweise von Einheiten zur Entstaubung sind der Fachwelt bekannt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird das abgeführte und optional entstaubte Gasvolumen in mindestens einer Abscheideeinheit von Wasser/Wasserdampf befreit und damit (im Wesentlichen) getrocknet, sodass mindestens ein (weiteres) Teilvolumen des Gasvolumens in Form von Wasser/Wasserdampf entfernt bzw. ausgeschleust wird. In der mindestens einen Abscheideeinheit wird Wasserdampf beispielsweise vollständig, insbesondere bis zu 95 %, vorzugsweise bis zu 90 %, bevorzugt bis zu 85 %, jedoch mindestens 40 % des Wasserdampfanteils aus dem Gas, beispielsweise über einen Wäscher, entfernt, sodass abhängig vom Wasserdampfanteil im Gas durchaus ein Teilvolumen zwischen 10 % und bis zu 40 % aus dem abgeführten Gasvolumen ausgeschleust werden kann. Daher kann es sein, dass wenn nicht weitere Gase und/oder Wasserdampf in den Reaktor eingespeist werden, das bedingt durch Wasser/Wasserdampf ausgeschleuste Teilvolumen durch Frischvolumen ersetzt werden muss. Es kann zugelassen werden, dass ein geringer Anteil von Wasser/Wasserdampf im Gasvolumen nach Trocknung verbleibt mit bis zu 15 %, insbesondere bis zu 12 %, vorzugsweise bis 10 % auf das Gesamtvolumen des Gasvolumens. Aufbau, Prinzip und Funktionsweise von Einheiten zur Trocknung sind der Fachwelt bekannt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann das in der Abscheideeinheit abgeschiedene Wasser oder Wasser aus anderer Quelle auf eine Temperatur von mindestens 120 °C bis zu 800 °C erwärmt und damit verdampft und als heißer Wasserdampf in den Reaktor eingespeist werden. In vorteilhafter Weise kann der in den Reaktor heiß eingespeiste Wasserdampf getrennt vom Frischvolumen (Methanol und/oder Ethanol) im Reaktor eine Reformierung von CH3OH + H2O = 3 H2 + CO2 und/oder C2H5OH + 3 H2O = 6 H2 + 2 CO2 in Gang setzen, wobei durch das getrennte Einspeisen daher eine Vermischung bevorzugt erst im Reaktor stattfindet, da der Eisenerzträger, teilreduzierte Eisenerzträger und/oder Eisenschwamm im Reaktor in vorteilhafter Weise katalytisch wirken kann. Der dadurch im Reaktor entstehende Wasserstoff reduziert die Eisenerzträger und generiert so weiteren Wasserdampf, welcher dann wieder weitere Anteile des Frischvolumens (Methanol und/oder Ethanol) reformiert. Wasserdampf sollte bevorzugt eine möglichst hohe Temperatur bis zu 800 °C, insbesondere mindestens 200 °C, vorzugsweise mindestens 300 °C, bevorzugt mindestens 400 °C, aufweisen, um möglichst viel Energie in den Prozess bringen zu können. Das Erwärmen des Wassers/Wasserdampfs kann ebenfalls über den mindestens einen Prozessgaserhitzer, selbstverständlich in getrenntem Strang, erfolgen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird mindestens ein Teilvolumen des abgeführten, optional entstaubten und getrockneten Gasvolumens ausgeschleust und mindestens einem Prozessgaserhitzer als Brenngas oder Teil eines Brenngases zugeführt und zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas zu einem Verbrennungsgas verbrannt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird das abgeführte, optional entstaubte und getrocknete Gasvolumen in mindestens einer Abscheideeinheit von Kohlenstoffdioxid befreit, sodass mindestens ein (weiteres) Teilvolumen des Gasvolumens in Form von Kohlenstoffdioxid ausgeschleust wird. Beispielsweise ist die Abscheideeinheit eine Aminwäsche. Aufbau, Prinzip und Funktionsweise von Kohlenstoffabscheideeinheiten sind der Fachwelt bekannt.
  • Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung wird mindestens ein Teilvolumen des abgeführten, optional entstaubten, getrockneten und von Kohlenstoffdioxid befreiten Gasvolumens ausgeschleust und mindestens einem Prozessgaserhitzer als Brenngas oder Teil eines Brenngases zugeführt und zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas zu einem Verbrennungsgas verbrannt. Dabei kann entweder alternativ ein Teilvolumen für die Verbrennung vorgesehen sein, welches ausgeschleust aus dem abgeführten Gasvolumen und optional entstaubt, getrocknet und von Kohlenstoffdioxid befreit ist, oder eine Mischung des Vorgenannten mit einem Teilvolumen, ausgeschleust aus dem abgeführten Gasvolumen, welches nur optional entstaubt und getrocknet ist.
  • Um ein Anreichern von störenden Bestandteilen, wie zum Beispiel Inertgasen, des im Kreislauf geführten Gasvolumens/Restgasvolumens zu vermeiden, verlässt somit ein Teilvolumen den Prozess. Dieses Teilvolumen kann der Verbrennung im Prozessgaserhitzer zugeführt werden, unabhängig vom Ort des Ausschleusens (Entnahme), und beträgt mindestens 1 %, insbesondere mindestens 2 % des abgeführten Gasvolumens, welches wiederrum durch Frischvolumen ersetzt werden soll. Alternativ kann das den Prozess verlassende Teilvolumen auch anderweitig außerhalb dieses Verfahrens zum Reduzieren Verwendung finden und somit nicht als Brenngas für den Prozessgaserhitzer dienen, und beispielsweise in ein Gasnetz eines Hüttenwerks eingespeist werden, um weiteren Prozessen, insbesondere für Wärmezwecke, zugeführt werden zu können. Je nach Fahrweise kann auch bis zu 100 % ausgeschleust werden, wobei dann auch entsprechend mehr bis zu vollständig Frischgasvolumen zugeführt werden müsste. Dieses Teilvolumen kann beispielsweise bis zu 50 %, insbesondere bis zu 40 %, vorzugsweise bis zu 50 %, bevorzugt bis zu 20 % des abgeführten Gasvolumens betragen.
  • Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
  • In Figur 1 wird die Erfindung am Beispiel einer Direktreduktionsanlage, umfassend einen Reaktor (10) in Form eines Schachtofens, erläutert. In dem Reaktor (10) wird Eisenerzträger (io) zu Eisenschwamm (si) mittels eines heißen Gasvolumens (1*,12). Das heiße Gasvolumen (1*,12) erwärmt und reduziert die Eisenerzträger (io). Eisenerzträger in Form von beispielsweise Pellets und/oder Stück-/Eisenerz "iron ore" (io) werden am oberen Ende des Reaktors (10) eingebracht. Am unteren Ende des Reaktors (10) wird der erzeugte Eisenschwamm "sponge iron" (si) entnommen. Im Reaktor (10) ist eine Reduktionszone (11) angeordnet. Das heiße Gasvolumen (1*,12) durchströmt den in der Reduktionszone (11) befindlichen Eisenerzträger (io) im Gegenstromprinzip, somit entgegen einer Bewegungsrichtung des Eisenerzträgers (io).
  • Zum Betreiben des Reaktors (10) wird somit ein Gasvolumen (1*,12) in den Reaktor (10) eingespeist und ein Gasvolumen (13) aus dem Reaktor (10) abgeführt. Das abgeführte Gasvolumen (15) kann in mindestens einer Abscheideeinheit (14) von Stäuben/Feststoffen befreit und damit entstaubt werden. Das abgeführte und optional entstaubte Gasvolumen (15) wird in mindestens einer Abscheideeinheit (15) von Wasser/Wasserdampf befreit und damit getrocknet, sodass mindestens ein Teilvolumen des Gasvolumens (15) in Form von Wasser/Wasserdampf ausgeschleust wird.
  • Mindestens ein Teilvolumen des abgeführten, optional entstaubten und getrockneten Gasvolumens (13) wird ausgeschleust und mindestens einem Prozessgaserhitzer (20) als Brenngas (21) oder Teil eines Brenngases (21) zugeführt und zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas (17) zu einem Verbrennungsgas (22) verbrannt.
  • Das abgeführte, optional entstaubte und getrocknete Gasvolumen (15) wird in mindestens einer Abscheideeinheit (16) von Kohlenstoffdioxid befreit, sodass mindestens ein weiteres Teilvolumen des Gasvolumens (15) in Form von Kohlenstoffdioxid ausgeschleust wird.
  • Dabei kann ein Teilvolumen des abgeführten, optional entstaubten, getrockneten und von Kohlenstoffdioxid befreiten Gasvolumens (13) ausgeschleust und mindestens einem Prozessgaserhitzer (20) als Brenngas (21) oder Teil eines Brenngases (21) zugeführt und zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas (17) zu einem Verbrennungsgas (22) verbrannt werden, wenn der Brennwert höher sein soll und/oder wenn das Kohlenstoffdioxid weiter genutzt werden soll.
  • Das Zuführen des ausgeschleusten Teilvolumens zum Prozessgaserhitzer kann entweder vor der Einheit (16) oder nach der Einheit (16) erfolgen. Es kann auch eine Mischung von Teilvolumina vorgesehen sein, wobei ein Teilstrom vor der Einheit (16) und ein Teilstrom nach der Einheit (16) ausgeschleust wird und als Mischung bereitgestellt werden kann.
  • Alternativ und hier nicht dargestellt kann mindestens ein Teilvolumen des abgeführten Gasvolumens (13) ausgeschleust und anderweitig außerhalb des Verfahrens zum Reduzieren verwendet werden. Dabei wird mindestens ein Teilvolumen aus dem abgeführten, optional entstaubten, optional getrockneten und optional von Kohlenstoffdioxid befreiten Gasvolumen (15) ausgeschleust und nicht als Brenngas (21) dem Prozessgaserhitzer (20) zugeführt, sondern anderweitig außerhalb des Verfahrens zum Reduzieren verwendet. Beispielweise kann das Teilvolumen in ein optional bestehendes Gasnetz eingespeist werden und optional in einem Kraftwerk verstromt werden oder anderen Prozessen zugeführt werden. Als Brenngas (21) käme dann beispielsweise Erdgas oder anderes geeignetes Gas zur Anwendung.
  • In dem mindestens einen Prozessgaserhitzer (20) wird das Brenngas (21) mit einem sauerstoffhaltigen Gas (17), welches Luft oder Sauerstoff sein kann, verbrannt und das Verbrennungsgas (22) erwärmt das Restgasvolumen (13*), sowie das Frischvolumen, welches in flüssiger Form (1) oder in gasförmiger Form im Wesentlichen Methanol, Ethanol oder eine Mischung aus Methanol und Ethanol enthält und bereitgestellt wird, auf eine Temperatur von mindestens 700 °C und bis zu 1100 °C.
  • Dabei kann das Methanol und/oder Ethanol in flüssiger oder in gasförmiger Form im Wesentlichen als Frischvolumen mit dem Restgasvolumen (13*) gemischt und als Mischung auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und als heißes Gasvolumen (12) in den Reaktor (10) eingespeist werden.
  • Alternativ kann das Methanol und/oder Ethanol separat auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und als heißes Frischvolumen (1*) getrennt vom heißen Gasvolumen (12) in den Reaktor (10) eingespeist werden.
  • Beispielsweise über Einlässe, beispielsweise nicht dargestellte Lanzen bzw. Koaxiallanzen, kann zusätzlich Wasserdampf (18) in den Reaktor (10) eingespeist werden, um die Reformierung von CH3OH + H2O = 3 H2 + CO2 und/oder C2H5OH + 3 H2O = 6 H2 + 2 CO2 zu begünstigen respektive in Gang zu setzen. Dabei kann das Wasser aus der Abscheideeinheit (15) oder Wasser aus anderer Quelle auf eine Temperatur von bis zu 800 °C erwärmt und damit verdampft, und als heißer Wasserdampf (18) in den Reaktor (10) eingespeist werden. Um den Wärmeeintrag zu erhöhen, kann zudem erhitzter Stickstoff, nicht dargestellt, in den Reaktor (10) eingespeist werden.
  • Ein sauerstoffhaltiges Gas (17), Luft oder Sauerstoff, kann dem heißen Gasvolumen (12) vor dem Einspeisen in den Reaktor (10) beigemengt werden, insbesondere wenn eine Temperaturerhöhung zweckmäßig sein sollte.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Reduzieren von Eisenerzträger (io) zu Eisenschwamm (si) in einem Reaktor (10), wobei zum Betreiben des Reaktors (10) ein Gasvolumen (1*,12) in den Reaktor (10) eingespeist und ein Gasvolumen (13) aus dem Reaktor (10) abgeführt wird, wobei mindestens ein Teilvolumen des abgeführten Gasvolumens (15) ausgeschleust und mindestens einem Prozessgaserhitzer (20) als Brenngas (21) oder Teil eines Brenngases (21) zugeführt und zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas (17) zu einem Verbrennungsgas (22) verbrannt wird oder mindestens ein Teilvolumen des abgeführten Gasvolumens (13) ausgeschleust und anderweitig außerhalb dieses Verfahrens zum Reduzieren verwendet wird, wobei das verbleibende Restgasvolumen (13*) im Kreislauf betrieben und dem Reaktor (10) wieder zugeführt wird, indem es in dem mindestens einen Prozessgaserhitzer (20) durch das Verbrennungsgas (22) auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und als heißes Gasvolumen (12) in den Reaktor (10) eingespeist wird, wobei das mindestens eine ausgeschleuste Teilvolumen durch Frischvolumen ersetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Methanol und/oder Ethanol auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und im Wesentlichen als Frischvolumen in den Reaktor (10) eingespeist wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Methanol und/oder Ethanol in flüssiger Form (1) bereitgestellt wird, in flüssiger oder in verdampfter Form als Frischvolumen mit dem Restgasvolumen (13*) gemischt wird, als Mischung auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und als heißes Gasvolumen (12) in den Reaktor (10) eingespeist wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Methanol und/oder Ethanol in flüssiger Form (1) bereitgestellt wird, auf eine Temperatur von mindestens 700 °C erwärmt und als heißes Frischvolumen (1*) getrennt vom heißen Gasvolumen (12) in den Reaktor (10) eingespeist wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Methanol in flüssiger Form (1) oder gasförmiger Form bereitgestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Ethanol in flüssiger Form (1) oder gasförmiger Form bereitgestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Mischung aus Methanol und Ethanol in flüssiger Form (1) oder gasförmiger Form bereitgestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das abgeführte Gasvolumen (13) in mindestens einer Abscheideeinheit (14) von Stäuben/Feststoffen befreit und damit entstaubt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das abgeführte und optional entstaubte Gasvolumen (15) in mindestens einer Abscheideeinheit (15) von Wasser/Wasserdampf befreit und damit getrocknet wird, sodass mindestens ein Teilvolumen des Gasvolumens (15) in Form von Wasser/Wasserdampf ausgeschleust wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das in der Abscheideeinheit (15) abgeschiedene Wasser oder Wasser aus anderer Quelle auf eine Temperatur von mindestens 120 °C bis zu 800 °C erwärmt und damit verdampft wird, und als heißer Wasserdampf (18) in den Reaktor (10) eingespeist wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei mindestens ein Teilvolumen des abgeführten, optional entstaubten und getrockneten Gasvolumens (13) ausgeschleust und mindestens einem Prozessgaserhitzer (20) als Brenngas (21) oder Teil eines Brenngases (21) zugeführt und zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas (17) zu einem Verbrennungsgas (22) verbrannt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das abgeführte, optional entstaubte und getrocknete Gasvolumen (13) in mindestens einer Abscheideeinheit (16) von Kohlenstoffdioxid befreit wird, sodass mindestens ein weiteres Teilvolumen des Gasvolumens (15) in Form von Kohlenstoffdioxid ausgeschleust wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens ein Teilvolumen des abgeführten, optional entstaubten, getrockneten und von Kohlenstoffdioxid befreiten Gasvolumens (13) ausgeschleust und mindestens einem Prozessgaserhitzer (20) als Brenngas (21) oder Teil eines Brenngases (21) zugeführt und zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas (17) zu einem Verbrennungsgas (22) verbrannt wird.
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