EP4499879A1 - Reduktion metalloxidhaltigen materials auf basis von ammoniak nh3 - Google Patents

Reduktion metalloxidhaltigen materials auf basis von ammoniak nh3

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EP4499879A1
EP4499879A1 EP23716441.3A EP23716441A EP4499879A1 EP 4499879 A1 EP4499879 A1 EP 4499879A1 EP 23716441 A EP23716441 A EP 23716441A EP 4499879 A1 EP4499879 A1 EP 4499879A1
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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
EP23716441.3A
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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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Publication date
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    • 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 material containing metal oxide, using reducing gas obtained using ammonia NH3.
  • Hydrogen can be used as the only reducing gas, or in combination with other gases, for example natural gas-based reducing gases.
  • Ammonia can be split into nitrogen and hydrogen
  • Hydrogen f H2 can react as a reducing agent with metal oxides, for example iron oxides:
  • ammonia can also act as a reducing agent itself:
  • reducing gas obtained using ammonia NH3 can be used to reduce material containing metal oxide;
  • a reducing gas can be, for example, ammonia NH3, or a mixture of ammonia NH3 with one or more other gases - preferably one or more of which can have a reducing effect on metal oxide-containing material, which is the case, for example, with a mixture of ammonia and its cleavage products hydrogen f H2 and nitrogen f N2 would be the case, although of course other gases could also be contained in the mixture.
  • reducing gas obtained using ammonia NH3 can also be a reducing gas act, which does not contain ammonia NH3, but contains the cleavage product hydrogen f H2 obtained from a cleavage - alone or together with the cleavage product nitrogen f N2 -, optionally in a mixture with one or more other gases - preferably one or more reducing to metal oxide-containing material can have an effect.
  • Such a reducing gas can be, for example, ammonia NH3, or a mixture of ammonia NH3 with one or more other gases - preferably one or more of which can have a reducing effect on material containing metal oxide - which, for example, is the case with a mixture of ammonia and its cleavage products hydrogen f H2 and nitrogen f N2 would be the case, although of course other gases could also be contained in the mixture.
  • a reducing gas can be, for example, ammonia NH3, or a mixture of ammonia NH3 with one or more other gases - preferably one or more of which can have a reducing effect on material containing metal oxide - which, for example, is the case with a mixture of ammonia and its cleavage products hydrogen f H2 and nitrogen f N2 would be the case, although of course other gases could also be contained in the mixture.
  • 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 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 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.
  • 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 partial quantity occurs both when, with the composition of the top gas remaining 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 one 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.
  • the top gas is subjected to processing.
  • the preparation can include one or more stages. Possible levels are, for example:
  • 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 it relates to the reducing gas quality - expressed as the ratio of the volume percent contents of carbon monoxide CO, hydrogen f H2, carbon dioxide CO2, water H2O (CO+H2) / (CO2+H2O) or of hydrogen f H2 and water H2O H2 /H2O - effects.
  • 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 took place in the reduction reactor, it still contains components that have a reducing effect - such as hydrogen fH2 - 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 quantity and temperature of the reducing gas supplied.
  • the reducing gas has a temperature above 750 ° C, particularly 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 reducing gas is used that also contains natural gas-based reducing components, a lower value is preferred, for example 1500-1600 Nm 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 f 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 f 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.
  • These components should primarily be used for reduction purposes; Their use, without a significant contribution to the reaction conversion, merely 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 f is not completely separated.
  • the reduction occurs in order to slow down the accumulation 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.
  • processes such as membrane separation, for example with hollow fiber membranes or with separation membranes based on porous graphene or with single- or multi-stage inorganic membranes, processes such as pressure swing adsorption (PSA), processes such as cryogenic distillation.
  • PSA pressure swing adsorption
  • a resulting gas stream Increased nitrogen content can be utilized, for example thermally in a reducing gas oven or in a reformer.
  • the resulting gas stream with - due to the separation of the inert nitrogen - increased content of reducing components - for example increased hydrogen content - is used in the preparation of the reducing gas.
  • the reduction in the nitrogen content is advantageously regulated 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 during the processing of the top gas, 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 f is inert with respect 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 setpoint 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 is regulated.
  • This partial quantity is removed from the cycle for preparing reducing gas;
  • the discharged 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.
  • Ammonia It can be used in liquid or gas form Hydrogen obtained from ammonia, for example as pure hydrogen or in a mixture of nitrogen N2 and hydrogen H2. admitted.
  • 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.
  • Hydrocarbons for example ethane C2H6, propane CaHs, butane C4H10,
  • CO, H2, CH4, C2-C6 hydrocarbons, N2, CO2, added This is hydrogen obtained from sources other than ammonia; It was not obtained from ammonia and is therefore non-ammonia-based hydrogen. This can be, for example, green, blue, gray, turquoise or pink hydrogen. These “colors” are understood to 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 - this is common Types of production of green hydrogen that the production is CO2-free. With blue hydrogen, CO2 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 CO2.
  • Hydrogen f is produced by separating out the resulting carbon f C. With pink hydrogen f, hydrogen f is produced using atomic electricity. 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 - whereby the resulting CO2 is predominantly 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 The most important gaseous starting material for syngas production is natural gas.
  • Production methods include, for example, 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 f H2 used can also be increased if the amount of green ammonia NH 3 used should 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
  • the 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; Using top gas is cheap because its chemical energy is used within the reduction process.
  • Chemical reactions leading 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.
  • At least one member of the first group is added to the resulting gas mixture.
  • the gas mixture present after the top gas or processing gas has been combined with 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; Using top gas is cheap because its chemical energy is used within the reduction process.
  • Chemical reactions leading 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 for example, can serve as the basis for the fuel for the gas burners.
  • Addition of ammonia can take place in top gas, in the processing gas, in the precursor of the reducing gas.
  • ammonia can, for example, be added to the gas that leads to the bustle.
  • it is a process for the reduction of metal oxide-containing material, which is carried out in a reduction reactor with a cooling zone and/or a product cooler, wherein it is characterized in that ammonia is introduced into the cooling zone of the reduction reactor and/or the product cooler is introduced.
  • 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 if it is fed to an EAF.
  • a further subject of the invention is a device for reducing material containing metal oxide, comprising:
  • top gas outlet for removing top gas from the reduction reactor, at least one supply line for ammonia contribution
  • a supply line for supplying reducing gas and/or a precursor of the reducing gas to the reduction reactor, characterized in that the top gas outlet opens into the preparation system.
  • 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 material containing metal oxide can comprise one or more supply lines.
  • ammonia NH3 can be used to obtain reducing gas.
  • the reducing gas is prepared in the preparation system using ammonia NH3.
  • the preparation system can include one or more splitting systems for splitting ammonia.
  • the preparation system can also include one or more mixing devices that mix ammonia - liquid or gaseous - and / or at least one of its cleavage products hydrogen f H2 and nitrogen f N2 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 f H2 and nitrogen f N2; Separation does not only mean complete separation, but also enrichment or depletion of hydrogen f H2 or nitrogen f N2.
  • separation devices for separating the gas mixture obtained from the splitting of ammonia from hydrogen f H2 and nitrogen f N2; Separation does not only mean complete separation, but also enrichment or depletion of hydrogen f H2 or nitrogen f N2.
  • a feed line for ammonia contribution can open into a line carrying top gas, with the mouth being understood as a mixing device. Reducing gas can therefore be prepared using ammonia and top gas as components.
  • a feed line for ammonia contribution can open into a line carrying processing gas, the mouth being to be understood as a mixing device.
  • Reducing gas can thus 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. Reducing gas can therefore be prepared using ammonia.
  • the reduction reactor or its bustle is supplied with reducing gas via the supply line.
  • 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 with a reduced nitrogen content compared to top gas can be provided.
  • This can be, for example, a device for reducing the nitrogen content based on 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.
  • the preparation system comprises at least one feed line for feeding one or more members of the group consisting of:
  • Hydrocarbons for example ethane C2H6, propane CaHs, butane C4H10,
  • 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 supply line opens into the cooling zone and/or the product cooler.
  • 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.
  • the signal processing device is part of a control and/or regulation of a device for reducing material containing metal oxide.
  • Another subject of the present application is a machine-readable program code for a signal processing device - which is part of a control and / or regulation of a device for reducing metal oxide-containing material -, characterized in that the program code has control commands which cause the signal processing device to carry out a method according to the invention .
  • Another object is a computer program product comprising commands for a signal processing device - which is part of a control and / or regulation of a device for reducing metal oxide-containing material - which, when executing the program for the signal processing device, cause it to carry out the method to carry out 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.
  • a further subject of the present application is a control and/or regulation of a device for the reduction of metal oxide-containing material with a computer containing a computer program product, comprising commands which, when the computer program is executed by the computer, cause it to carry out the steps of a method according to one of claims 1 up to 7.
  • Another subject of the present application is a computer program product comprising commands which, when the computer program is executed by a computer, cause it to carry out the steps of a method according to one of claims 1 to 7.
  • Another subject of the present application is a computer-readable data carrier on which such a computer program product is stored.
  • Figure 1 shows schematically the implementation of a variant of the method according to the invention in a variant of the device according to the invention for reducing material containing metal oxide
  • FIG. 2 schematically shows another variant.
  • FIG. 3 shows another variant.
  • Figure 4 shows schematically another variant.
  • Figure 5 shows schematically another variant.
  • Figure 1 shows schematically the implementation of a method according to the invention in a device 1 according to the invention for reducing metal oxide-containing material.
  • Metal oxide-containing material here iron oxide-containing material
  • a reduction reactor 2 here a reduction shaft
  • 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 NHa 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 analogously to Figure 1, a variant in which the top gas is used indirectly in the preparation of the reducing gas.
  • Processing gas is supplied to the preparation system 6 via the top gas outlet 5.
  • the processing gas is obtained by processing the top gas;
  • In the top gas outlet 5 there is a device for reducing the nitrogen content 9, a stream of processing gas depleted in nitrogen f is fed to the preparation system 6 via the top gas outlet 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 has a feed line for natural gas 10 includes.
  • 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 separately).
  • Figure 4 shows, largely analogously 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.
  • FIG 5 shows, largely analogously to Figure 1, 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, since 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 NH3 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

Beschreibung
Reduktion metalloxidhaltigen Materials auf Basis von Ammoniak NH3
Gebiet der Technik
Die Anmeldung betri f ft 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 C02-Ausstoßes bei der Reduktion von metalloxidhaltigem Material ist es bekannt , Wasserstof f H2 als reduzierendes Gas zu verwenden . Dabei kann Wasserstof f als einziges Reduktionsgas verwendet werden, oder in Kombination mit anderen Gasen, beispielsweise erdgasbasierten Reduktionsgasen . Je größer der Anteil von CO2 neutralem Wasserstof f H2 im Reduktionsgas ist , desto weniger CO2 wird emittiert .
Speicherung von Wasserstof f H2 und Transport vom Ort seiner Erzeugung zu Verbrauchern ist j edoch aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften problematisch und mit großem
Aufwand verbunden .
Zur Verminderung des CCt-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 Wasserstof f H2 .
Ammoniak kann in Stickstof f und Wasserstof f gespalten werden
2 NH3 -> N2 + 3 H2 .
Wasserstof f H2 kann als Reduktionsmittel mit den Metalloxiden, beispielsweise Eisenoxiden, reagieren :
Ammoniak kann aber auch selbst als Reduktionsmittel wirken :
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 Wasserstof f H2 und Stickstof f 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 Wasserstof f H2 - allein oder gemeinsam mit dem Spaltungsprodukt Stickstof f 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 Wasserstof f H2 und mit Ammoniak NH3, und auch die Spaltung von Ammoniak in Stickstof f N2 und Wasserstof f 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 Wasserstof f H2 erhebliche Mengen Stickstof f N2 . Entsprechend besteht das Problem, wie bei industrieller Durchführung der anfallende Stickstof f 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 Wasserstof f H2 und Stickstof f 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 Wasserstof f H2 - alleine oder gemeinsam mit dem Spaltungsprodukt Stickstof f 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 Voll 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 Stickstof f N2 - , als auch solche , die unter den im Reduktionsreaktor herrschenden Bedingungen mit dem metalloxidhaltigen Material reagieren . Diesbezüglich sind auf das metalloxidhaltige Material reduzierend wirkende Komponenten bevorzugt ; es kann sich beispielsweise um kohlenwasserstof fhaltige Gase , kohlenstof fhaltige Gase , wasserstof fhaltige Gase , Wasserstof f handeln .
Reduktionsgas kann auch unter Nutzung von Ammoniak erhalten werden, indem Ammoniak gespalten wird, und das dabei entstehende Gasgemisch aus Stickstof f und Wasserstof f - gegebenenfalls nach einer Anreicherung oder Abreicherung von Stickstof f oder von Wasserstof f - mit weiteren Komponenten des Reduktionsgases vermischt wird .
Reduktionsgas kann auch unter Nutzung von Ammoniak erhalten werden, indem Ammoniak gespalten wird, und der dabei entstehende Wasserstof f nach einer Abtrennung vom Stickstof f mit weiteren Komponenten des Reduktionsgases vermischt wird, oder das gesamte Reduktionsgas - gegebenenfalls mit verbliebenen geringen Mengen von bei der Spaltung entstandenem Stickstof f - stellt .
Grundsätzlich kommt Ammoniak j eglicher „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 Wasserstof fs verbunden . Der Ammoniak kann beispielsweise grün sein, beispielsweise wenn er mittels grünen Wasserstof fs erzeugt wurde ; er kann blau sein, beispielsweise , wenn er mittels unter Sequestrierung von entstehendem Kohlendioxid CO2 gewonnenen Wasserstof fs erzeugt wurde . Der Ammoniak kann auch mittels türkisen Wasserstof fs erzeugt werden, beispielsweise , wenn der Wasserstof f unter Abscheidung von entstehendem Kohlenstof f C erzeugt wird; er kann mittels pinken Wasserstof fs erzeugt werden, beispielsweise , wenn der Wasserstof f 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 Wasserstof fs .
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 eine 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 statt findenden 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 Wasserstof f - 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, Wasserstof f H2 , Kohlendioxid CO2 , Wasser H2O ( CO+H2 ) / ( CO2+H2O) beziehungsweise von Wasserstof f 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 Wasserstof f 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 , besonders bevorzugt über 800 ° C . Bei Verwendung eines Reduktionsgases , das nur auf Basis von Wasserstof f H2 und/oder Ammoniak NH3 reduziert , ist es bei der Direktreduktion von Eisenoxiden beispielsweise bevorzugt , wenn die in den Reduktionsreaktor eingeleitete spezi fische 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 Nm 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 Stickstof f kann im Verfahren als Wärmeträgermedium genutzt werden . Auch wenn der Stickstof f bezüglich der Reduktionsreaktionen inert ist , trägt er somit zur ressourcenschonenden Durchführung des Verfahrens bei . Energie , die von Stickstof f 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, Wasserstof f H2 , Kohlenwasserstof fe - sind teurer und aufwändiger bereitzustellen als der ohnehin bei der Spaltung von Ammoniak NH3 anfallende Stickstof f N2 - auf 3 Volumenanteile Wasserstof f H2 kommt ein Volumenanteil Stickstof f N2 - , und sollten daher nicht unbedingt all zu überstöchiometrisch verwendet werden . Diese Komponenten sollten in erster Linie für den Reduktions zweck genutzt werden; ihre Nutzung ohne wesentlichen Beitrag am Reaktionsumsatz lediglich für den Eintrag von Wärmeinhalt ist im Vergleich zur Nutzung von Stickstof f wenig ressourcenschonend und aufwändig .
Nach einer Aus führungs form umfasst die Aufbereitung des aus dem Reduktionsreaktor abgezogenen Topgases einen Verfahrensschritt zur Verminderung des Gehaltes an Stickstof f .
Das Topgas wird dabei einer Aufbereitung unterzogen, die zumindest eine Verminderung des Gehaltes des Topgases an Stickstof f umfasst . Der Stickstof f wird dabei nicht vollständig abgetrennt . Die Verminderung geschieht , um eine aufgrund der Nutzung des Topgases erfolgende Anreicherung von Stickstof f im Reduktionsgas und damit einhergehende Verminderung der Reduktionskraft des Reduktionsgases zu bremsen .
Zur Verminderung des Gehaltes an Stickstof f 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 Hohl fasermembranen 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 . Ein dabei anfallender Gasstrom mit erhöhtem Stickstof f gehalt kann verwertet werden, beispielsweise thermisch in einem Reduktionsgasofen oder in einem Reformer . Der anfallende Gasstrom mit - aufgrund der Abtrennung des inerten Stickstof fs -erhöhtem Gehalt an reduzierenden Komponenten - beispielsweise erhöhtem Wasserstof f gehalt - wird bei der Zubereitung des Reduktionsgases genutzt .
Vorteilhaft erfolgt die Verminderung des Stickstof f gehaltes derart geregelt , dass das Reduktionsgas weniger als 40 Vol% , bevorzugt weniger als 30 Vol% , besonders bevorzugt weniger als 20 Vol% Stickstof f enthält .
Die Menge des im Topgas enthaltenen Stickstof fs wird bei der Aufbereitung des Topgases zwar vermindert , aber das Aufbereitungsgas enthält noch verbleibenden Stickstof f . Auf diese Weise wird der Wärmeinhalt dieses Stickstof fs im Verfahren genutzt . Auch wenn dieser Stickstof f bezüglich der Reduktionsreaktionen inert ist , trägt er somit zur ressourcenschonenden Durchführung des Verfahrens bei .
Der Stickstof f gehalt 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 Aus führungs form 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 gas förmig 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 Aus führungs form 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 CaHs, 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 Wasserstof f , der aus anderen Quellen als Ammoniak gewonnen wurde ; er wurde also nicht aus Ammoniak gewonnen, ist also nicht-ammoniakbasierter Wasserstof f . Dabei kann es sich beispielsweise um grünen, blauen, grauen, türkisen, pinken Wasserstof f handeln . Unter diesen „Farben" ist die Farbgebung in Zusammenhang mit der zugrundeliegenden Produktionsart zu verstehen . Grüner Wasserstof f ist beispielsweise durch Elektrolyse von Wasser mittels Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt , oder durch Vergasung oder Vergärung von Biomasse , oder Dampf reformierung von Biogas - gemeinsam ist den Produktionsarten von grünem Wasserstof f , dass die Produktion CO2- frei erfolgt . Bei blauem Wasserstof f 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 Wasserstof f wird unter Abscheidung von entstehendem Kohlenstof f C erzeugt . Bei pinkem Wasserstof f wird Wasserstof f unter Verwendung von Atomstrom erzeugt . Ebenso in Frage kommt ein Gemisch aus einem oder mehreren dieser „Farben" des Wasserstof fs . Bei grauem Wasserstof f wird aus fossilen Brennstof fen erzeugt - beispielsweise aus Erdgas mittels Dampf reformierung - wobei das entstehende CO2 überwiegend in die Atmosphäre abgegeben wird .
Auch in Frage kommen andere Farben des Wasserstof fs . Ebenso in Frage kommt ein Gemisch aus einem oder mehreren dieser „Farben" des Wasserstof fs .
Unter Syngas oder Synthesegas sind industriell hergestellte Gasgemische zu verstehen, die hauptsächlich Kohlenstof fmonoxid und Wasserstof f neben wechselnden Mengen weiterer Gase , beispielsweise Kohlendioxid, enthalten . Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen, flüssigen und gas förmigen Ausgangsstof fen erfolgen . Als flüssige Ausgangsstof fe für Synthesegas können beispielsweise unterschiedliche Rohöldestillate eingesetzt werden, sowohl leichtsiedende als auch hochsiedende Fraktionen . Das wichtigste gas förmige Edukt zur Synthesegaserzeugung ist Erdgas .
Herstellungsmethoden sind beispielsweise Dampf reformierung von Erdgas oder flüssigen Kohlenwasserstof fen, beziehungsweise Vergasung von Kohle , Biomasse oder anderen Reststof fen .
Eine mögliche Zusammensetzung von Synthesegas ist beispielsweise Kohlenmonoxid C0=41 Vol% , Kohlendioxid CO2=14 Vol% , Wasserstof f H2= 34Vol% , Methan CH4= 5 Vol% , Kohlenwasserstof fe C2-C6= 2 Vol% , Stickstof f 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 j edoch bevorzugt , eine Zugabe nach Abschluss der Aufbereitung, also zum Aufbereitungsgas vorzunehmen .
Es ist vorteilhaft , gleichzeitig grünen Ammoniak NHa und grünen Wasserstof f H2 einzusetzen, da die Wirtschaftlichkeit besonders günstig ist und CCt-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 Wasserstof f H2 vermindert werden soll oder muss - beispielsweise aus Verfügbarkeits- oder Kostengründen .
Es kann auch die eingesetzte Menge an grünem Wasserstof f H2 erhöht werden, wenn die eingesetzte Menge an grünem Ammoniak NH3 vermindert werden soll oder muss - beispielsweise aus Verfügbarkeits- oder Kostengründen .
Nach einer Aus führungs form 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 Hei zvorrichtungen 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 Brennstof f für die Gasbrenner können beispielsweise sowohl Erdgas oder Topgas dienen; Nutzung von Topgas ist günstig, da seine chemische Energie innerhalb des Reduktionsverfahrens 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 Brennstof f für die Gasbrenner können beispielsweise sowohl Erdgas oder Topgas dienen; Nutzung von Topgas ist günstig, da seine chemische Energie innerhalb des Reduktionsverfahrens genutzt wird .
Nach einer Aus führungs form 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 Hei zvorrichtungen 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 Brennstof f für die Gasbrenner können beispielsweise sowohl Erdgas oder Topgas dienen; Nutzung von Topgas ist günstig, da seine chemische Energie innerhalb des Reduktionsverfahrens 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 Brennstof f 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 Aus führungs form handelt es sich um ein Verfahren zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material , das in einem Reduktionsreaktor mit einer Kühl zone und/oder einem Produktkühler durchgeführt wird, wobei es dadurch gekennzeichnet ist , dass Ammoniak in die Kühl zone des Reduktionsreaktors und/oder den Produktkühler eingebracht wird .
Der Ammoniak wird dabei bevorzugt gas förmig eingebracht . Der Ammoniak wird im Reduktionsreaktor gespalten, wobei die ablaufenden Reaktionen überwiegend endotherm sind . Spaltung erfolgt bereits in der Kühl zone . In die Kühl zone 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 gas förmigem Ammoniak geeignet , oder sowohl zur Zugabe von flüssigem Ammoniak als auch zur Zugabe von gas förmigem Ammoniak geeignet , oder zur Zugabe von aus Ammoniak durch Spaltung enthaltenem Wasserstof f H2 - rein oder in einem Gemisch mit Stickstof f 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 gas förmig - und/oder zumindest eines seiner Spaltungsprodukte Wasserstof f H2 und Stickstof f 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 Wasserstof f H2 und Stickstof f N2 umfassen; dabei ist unter Trennung nicht nur vollständige Trennung zu verstehen, sondern auch Anreicherung beziehungsweise Abreicherung von Wasserstof f H2 beziehungsweise Stickstof f 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 Wasserdampf gehaltes , oder eine Entschwefelungsvorrichtung . Es ist auch möglich, dass eine Aufbereitungsanlage mehrere Aufbereitungs funktionen erfüllt - beispielsweise kann eine Kühlungsvorrichtung auch als Vorrichtung zur Einstellung des Wasserdampf gehaltes wirken .
Nach einer bevorzugten Aus führungs form umfasst die Topgasausleitung zumindest eine Aufbereitungsanlage , die eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstof f gehaltes ist . Somit kann der Stickstof f gehalt des Topgases vermindert werden, und ein Aufbereitungsgas mit gegenüber Topgas vermindertem Stickstof f gehalt bereitgestellt werden .
Dabei kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstof f gehaltes auf Basis unterschiedlicher Permeationsraten, um eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstof f gehaltes unter Nutzung unterschiedlicher Adsorptionskräfte - wie beispielsweise Druckwechseladsorption um eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstof f gehaltes unter Nutzung unterschiedlicher Siedetemperaturen handeln .
Nach einer bevorzugten Aus führungs form umfasst die Zubereitungsanlage zumindest eine Zuspeisleitung zur Zuspeisung eines oder mehrerer Mitglieder der Gruppe bestehend aus :
- Erdgas
- Kohlenwasserstof fe , beispielsweise Ethan C2H6, Propan CaHs , Butan C4H10,
- Wasserstof f ,
- Kohlenmonoxid,
- Koksofengas ,
- Syngas .
Also beispielsweise eine Erdgas zuspeisleitung, eine Wasserstof f zuspeisleitung, eine Kohlenmonoxidzuspeisleitung, eine Koksofengas zuspeisleitung, eine Syngas zuspeisleitung, eine Kohlenwasserstof f zuspeisleitung .
Eine oder mehrere oder alle Zuspeisungleitungen können auch geeignet sein zur Zuspeisung mehrerer Gruppenmitglieder, beispielsweise eine Erdgas/Syngas/Koksof engas zuspeisleitung .
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 Aus führungs form weist der Reduktionsreaktor eine Kühl zone und/oder einen Produktkühler auf , und mündet eine Ammoniakzuleitung in die Kühl zone 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 . Die Signalverarbeitungseinrichtung ist Teil einer Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material .
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein maschinenlesbarer Programmcode für eine Signalverarbeitungseinrichtung - die Teil einer Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material ist - , 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 Teil einer Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material ist - , die bei der Aus führung 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 . Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material mit einem Computer enthaltend ein Computerprogrammprodukt , umfassend Befehle die bei Aus führung des Computerprogramms durch den Computer diesen veranlassen, die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aus zuführen .
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Computerprogrammprodukt , umfassend Befehle die bei Aus führung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aus zuführen . Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein computerlesbarer Datenträger, auf dem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist .
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 Aus führungs formen
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 NHa 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 5 ist eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickstof f gehaltes 9 vorhanden, ein bezüglich Stickstof f abgereicherter Strom von Aufbereitungsgas wird der Zubereitungsanlage 6 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 Stickstof f gehaltes 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 Kühl zone 12 des Reduktionsreaktors 2 mündet . Dadurch kann bei der Direktreduktion im Reduktionsreaktor 2 Ammoniak in die Kühl zone 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 Bezugs zeichen
1 Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material
2 Reduktionsreaktor
3 metalloxidhaltiges Material
4 Festbett
5 Topgasausleitung
6 Zubereitungsanlage
7 Zuleitung für Ammoniakbeitrag
8 Zufuhr lei tung
9 Vorrichtung zur Verminderung des Stickstof f gehaltes
10 Zuspeisleitung für Erdgas
11 Ammoniakzuleitung
12 Kühl zone
13 Bustle
14 Topgas führende Leitung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material (2) , wobei unter Nutzung von Ammoniak NHa 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 Stickstoff gehaltes (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 .
15 . Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Reduktion von metalloxidhaltigem Material mit einem Computer enthaltend ein Computerprogrammprodukt , umfassend Befehle die bei Aus führung des Computerprogramms durch den Computer diesen veranlassen, die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aus zuführen .
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