EP4624594A1 - Reduktion eisenoxidhaltigen materials mit ammoniak nh3 - Google Patents

Reduktion eisenoxidhaltigen materials mit ammoniak nh3

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Publication number
EP4624594A1
EP4624594A1 EP24189231.4A EP24189231A EP4624594A1 EP 4624594 A1 EP4624594 A1 EP 4624594A1 EP 24189231 A EP24189231 A EP 24189231A EP 4624594 A1 EP4624594 A1 EP 4624594A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ammonia
reduction
iron oxide
reducing gas
containing material
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
EP24189231.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Eglauer
Alexander Fleischanderl
Robert Millner
Gernot Polke
Hermann Voelkl
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.)
Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Primetals Technologies Austria GmbH filed Critical Primetals Technologies Austria GmbH
Priority to PCT/EP2025/058216 priority Critical patent/WO2025202253A1/de
Publication of EP4624594A1 publication Critical patent/EP4624594A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • C21B13/0086—Conditioning, transformation of reduced iron ores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0033—In fluidised bed furnaces or apparatus containing a dispersion of the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/02—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/001—Injecting additional fuel or reducing agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/001—Injecting additional fuel or reducing agents
    • C21B2005/005—Selection or treatment of the reducing gases

Definitions

  • the application relates to a method and device for the reduction of iron oxide-containing material, where ammonia NH 3 containing reducing gas is used.
  • ammonia offers significant advantages over hydrogen H2 with regard to storage and transport.
  • Hydrogen H 2 can react as a reducing agent with metal oxides, for example iron oxides: 3 Fe 2 O 3 + H 2 ⁇ 2 Fe 3 O 4 + H 2 O Fe 3 O 4 + H 2 ⁇ 3 FeO + H 2 O FeO + H 2 ⁇ Fe + H 2 O.
  • metal oxides for example iron oxides: 3 Fe 2 O 3 + H 2 ⁇ 2 Fe 3 O 4 + H 2 O Fe 3 O 4 + H 2 ⁇ 3 FeO + H 2 O FeO + H 2 ⁇ Fe + H 2 O.
  • Ammonia NH 3 -containing reducing gas can consist of ammonia, or can be a mixture of ammonia with one or more other gases - one or more of which can preferably have a reducing effect on iron oxide-containing material.
  • reducing gas obtained using ammonia NH 3 can be used to reduce iron oxide-containing material; such a reducing gas can be, for example, ammonia NH 3 , or a mixture of ammonia NH 3 with one or more other gases - one or more of which can preferably have a reducing effect on iron oxide-containing material - which is the case, for example, with a mixture of ammonia and its decomposition products.
  • Hydrogen H 2 and nitrogen N 2 would be the case, although of course other gases could also be included in the mixture.
  • the melt will have a nitrogen content influenced by the nitride content of the product.
  • the presence of nitrogen in the melt can lead to undesirable properties of the melt or the final products obtained from the melt through further processing.
  • the temperature is prevented from falling below 680°C.
  • the temperature should therefore be at least 680°C.
  • the temperature in those areas of the interior which contain iron oxide-containing material with a degree of metallization of more than 30% and in which ammonia NH 3 is present is at least 680°C.
  • the reduction process for example, is a direct reduction process.
  • the reducing gas can be, for example, ammonia NH 3 , or a mixture of ammonia NH 3 with one or more other gases - preferably one or more of which can have a reducing effect on iron oxide-containing material - which would be the case, for example, with a mixture of ammonia and its decomposition products hydrogen H 2 and nitrogen N 2 , although, of course, other gases could also be included in the mixture.
  • the reducing gas therefore includes ammonia; it can consist partly or entirely of ammonia.
  • Reducing gas can also be obtained using ammonia by splitting ammonia and mixing the resulting gas mixture of nitrogen and hydrogen - optionally after enrichment or depletion of nitrogen or hydrogen - with other components of the reducing gas.
  • ammonia of any color is possible.
  • “Color” thus refers to the coloring in connection with the underlying production method.
  • the color of the ammonia is often linked to the color of the hydrogen used in production.
  • the ammonia can be green, for example, if it was produced using green hydrogen; it can be blue, for example, if it was produced using hydrogen obtained by sequestering carbon dioxide (CO2 ) .
  • the ammonia can also be produced using turquoise hydrogen, for example, if the hydrogen is produced by capturing carbon dioxide (C); it can be produced using pink hydrogen, for example, if the hydrogen is produced using nuclear power.
  • a mixture of one or more of these ammonia "colors" or a mixture of colors of the hydrogen used in the ammonia is also possible.
  • the product - for example the iron carrier sponge iron (direct reduced iron, DRI), possibly with a degree of metallization above 90 percent - has a higher degree of metallization than the iron oxide-containing material used - in the case of sponge iron, these are oxidic iron carrier particles.
  • DRI direct reduced iron
  • FeMet or FeM can also be used, and for all iron present, the term total iron or FeTot or FeT can be used.
  • Elemental iron and the iron content in compounds in which iron is present with oxidation number 0 - m FeT is the mass of the total iron contained in the measured quantity; "total iron", T stands for total.
  • Total iron includes HOT BRIQUETTED IRON (HBI)QUALITY ASSESSMENT GUIDE, International Iron Metallics Association August 2018 , all iron in any form, whether free or combined with other elements such as oxygen.
  • HBI HOT BRIQUETTED IRON
  • ASSESSMENT GUIDE International Iron Metallics Association August 2018 , all iron in any form, whether free or combined with other elements such as oxygen.
  • the reducing gas is the gas introduced into the reduction reactor, or rather its interior chamber containing iron oxide material where the reduction reactions take place, with its composition and temperature at the time of introduction. Before this composition and temperature are reached, a precursor of the reducing gas is present, on the basis of which the reducing gas is prepared. Preparation can be achieved, for example, by adding additional components or heating. Preparation can also be achieved through chemical reactions occurring in the precursor without external intervention, which, for example, change the chemical composition or the temperature.
  • the reduction reactor is, for example, a reduction shaft - for example when carrying out a direct reduction process with a reduction shaft containing a fixed bed of iron oxide-containing material.
  • a fixed-bed reduction shaft has a reduction zone in which the iron oxide-containing material in its interior is reduced.
  • Reduction transforms the iron oxide-containing material into metallized material; the further the reduction progresses, the higher the degree of metallization of the metallized material that is produced from the iron oxide-containing material.
  • the section of a fixed-bed reduction shaft below the reduction gas introduction area is often called the transition zone, or it is called the cooling zone if the reduced material loses temperature compared to the reduction zone.
  • the discharge zone adjoins the transition zone or cooling zone.
  • the reduction reactor is, for example, a fluidized-bed reactor—for example, when conducting a direct reduction process with a reduction reactor containing a fluidized bed of iron oxide-containing material.
  • the fluidized-bed reactor can also comprise several individual sub-reactors, which are connected in parallel or sequentially, for example, and together form the fluidized-bed reactor.
  • the reduction reactor is, for example, a fluidized-bed reactor—for example, when conducting a direct reduction process with a reduction reactor containing a fluidized bed of iron oxide-containing material.
  • the fluidized-bed reactor can also comprise several individual sub-reactors, which are connected in parallel or sequentially, for example, and together form the fluidized-bed reactor.
  • the reduction reactor can also be a blast furnace that produces a material containing iron oxide.
  • Fixed bed - in the operation of a blast furnace, ammonia can, for example, replace PCI coal or fossil reducing gases.
  • the upper limit for the ammonia content is preferably 7% by volume, particularly preferably 5% by volume, most particularly preferably 3% by volume.
  • the lower limit for the ammonia content is preferably 0.1% by volume, particularly preferably 1% by volume.
  • the temperature is 680°C or more. Preferably, it is up to 1150°C.
  • Areas of the interior of the reduction reactor where the temperature is less than 680°C have no ammonia content in a range of 0.05 vol% to 10 vol%.
  • control and/or regulation devices may be present; for example, results from temperature measurements may be used.
  • the measures listed can be taken individually, but two or more of the measures listed can also be taken in parallel.
  • the temperature is at least 680°C.
  • the product has a temperature below 680°C when removed.
  • a cooling step is carried out in the reduction reactor for the metallized material obtained in a previous reduction step, during which the material is cooled to a Cooled to a temperature below 680°C.
  • the cooling step precedes removal.
  • the cooling in the cooling step can be promoted, for example, by introducing a cooling gas; preferably, the cooling gas has an ammonia content of less than 0.05% by volume, particularly preferably the cooling gas is ammonia-free, i.e., it contains no ammonia.
  • the cooling gas can, for example, contribute to cooling by having a temperature below 680°C.
  • the cooling gas can, for example, contribute to cooling by reacting endothermically with the material obtained in the reduction step.
  • the cooling gas can also contribute to cooling through a combination of the two aspects mentioned above.
  • the product has a temperature of over 680°C when removed.
  • the DRI product is fed in this hot state to a briquetting plant to produce HBI (hot briquetting sponge iron).
  • the DRI is fed in this hot state by means of a transport device - for example, a hot conveyor, pneumatic transport device, transport container - or by gravity for use in a melting device.
  • a transport device - for example, a hot conveyor, pneumatic transport device, transport container - or by gravity for use in a melting device.
  • a melting unit melts at least partially based on electrical energy.
  • a converter vessel is, for example, a steelworks converter for steel production.

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Abstract

Verfahren zur Reduktion von eisenoxidhaltigem Material, wobei Ammoniak NH<sub>3</sub> enthaltendes Reduktionsgas eingesetzt wird und das Reduktionsgas einem das eisenoxidhaltige Material in einem Innenraum enthaltenden Reduktionsreaktor zugeführt wird. In denjenigen Bereichen des Innenraums, in denen Komponenten des Reduktionsgases reduzieren, wird ein Unterschreiten der Temperatur 680 °C verhindert wird.

Description

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

            2 NH3 → N2 + 3 H2.

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

            3 Fe2O3 + H2 → 2 Fe3O4 + H2O

            Fe3O4 + H2 → 3 FeO + H2O

            FeO + H2 → Fe + H2O.

  • Ammoniak kann aber auch selbst als Reduktionsmittel wirken:

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

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

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

  • Ammoniak NH3 enthaltendes Reduktionsgas kann aus Ammoniak bestehen, oder eine Mischung von Ammoniak mit einem oder mehreren anderen Gasen - wobei bevorzugt eines oder mehrere auf eisenoxidhaltiges Material reduzierend wirken können - sein. Grundsätzlich kann also unter Nutzung von Ammoniak NH3 erhaltenes Reduktionsgas zur Reduktion von eisenoxidhaltigem 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 eisenoxidhaltiges Material reduzierend wirken können -, was beispielsweise bei einer Mischung von Ammoniak und seinen Spaltungsprodukten Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 der Fall wäre, wobei natürlich auch noch andere Gase in der Mischung enthalten sein könnten.
  • Es ist bekannt, dass die Gegenwart von Ammoniak NH3 bei der Reduktion von eisenoxidhaltigem Material zur Bildung von Nitriden des Metalls führen kann. Beispielsweise führen die folgenden Reaktionen zu Nitridierungsreaktionen mit metallischen Eisen:

            4 Fe + NH3 => Fe4N + 3/2 H2 (5,4 % Gewichtszunahme)

            3 Fe + NH3 => Fe3N + 3/2 H2 (7,2 % Gewichtszunahme)

            2 Fe + NH3 => Fe2N + 3/2 H2

  • Ebenso kann es bei Anwesenheit von Ammoniak NH3 auch bei bereits reduziertem Material zu Reaktionen kommen, die Nitride bilden. Beispielsweise kann sich auf reduzierten DRI-Pellets durch Kontakt mit Ammoniak NH3 an der Oberfläche eine Eisennitrid bzw. Eisennitride umfassende Schicht bilden.
  • Wenn Nitride umfassendes Produkt einer Reduktion von eisenoxidhaltigem Material unter Einschmelzen weiterverarbeitet wird, wird die Schmelze entsprechend einen von dem Gehalt an Nitriden im Produkt beeinflussten Stickstoffgehalt aufweisen. Vorhandensein von Stickstoff in der Schmelze kann zu unerwünschten Eigenschaften der Schmelze beziehungsweise der aus der Schmelze durch Weiterverarbeitung gewonnenen Endprodukte führen.
    • Zusammenfassung der Erfindung Technische Aufgabe
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei industrieller Produktion eine Möglichkeit zur Verminderung des Gehalts an Nitriden im Produkt einer Reduktion von eisenoxidhaltigem Material mit ammoniakhaltigem Reduktionsgas vorzustellen.
    • Technische Lösung
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein
    • Verfahren zur Reduktion von eisenoxidhaltigem Material, wobei Ammoniak NH3 enthaltendes Reduktionsgas eingesetzt wird,
    • wobei das Reduktionsgas einem das eisenoxidhaltige Material in einem Innenraum enthaltenden Reduktionsreaktor zugeführt wird,
    • dadurch gekennzeichnet, dass
    • in denjenigen Bereichen des Innenraums, in denen Komponenten des Reduktionsgases reduzieren, ein Unterschreiten der Temperatur 680 °C verhindert wird.
  • Das Reduktionsgas kann nur eine Komponente, nämlich Ammoniak NH3, oder es kann mehrere Komponenten umfassen: neben der Komponente Ammoniak sind dann noch eine weitere Komponenten oder mehrere weitere Komponenten vorhanden - beispielsweise: Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid. Zumindest eine der Komponenten des Reduktionsgases kann auf eisenoxidhaltiges Material reduzierend wirken.
  • In denjenigen Bereichen des Innenraums, in denen Komponenten des Reduktionsgases reduzieren - also der Reduktionszone -, wird ein Unterschreiten der Temperatur 680 °C verhindert. Beispielsweise durch das Vorhandensein einer Temperaturregelvorrichtung und/oder einer Temperatursteuervorrichtung am Reduktionsreaktor. Die Temperatur soll also mindestens 680°C betragen.
  • Bevorzugt ist es, wenn in denjenigen Bereichen des Innenraums, die eisenoxidhaltiges Material mit einem Metallisierungsgrad von über 30 % aufweisen, und in denen Ammoniak NH3 vorhanden ist, die Temperatur mindestens 680°C beträgt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein
    • Verfahren zur Reduktion von eisenoxidhaltigem Material, wobei Ammoniak NH3 enthaltendes Reduktionsgas eingesetzt wird,
    • wobei das Reduktionsgas einem das eisenoxidhaltige Material in einem Innenraum enthaltenden Reduktionsreaktor zugeführt wird,
    • dadurch gekennzeichnet, dass
    • in denjenigen Bereichen Innenraums, in denen der Ammoniak-Gehalt in einem Bereich von 0,05 Volums% bis zu 10 Volums% liegt, die Temperatur 680 °C oder mehr beträgt.
  • Das Ziel eines Verfahrens zur Reduktion von eisenoxidhaltigem Material ist Entfernung von Sauerstoff beziehungsweise die Herstellung von Material mit vergleichsweise erhöhtem Metallisierungsgrad, vorzugsweise metallischem Eisen.
  • Das Verfahren zur Reduktion ist beispielsweise ein Verfahren zur Direktreduktion.
  • Das Reduktionsgas kann beispielsweise Ammoniak NH3 sein, oder eine Mischung von Ammoniak NH3 mit einem oder mehreren anderen Gasen - wobei bevorzugt eines oder mehrere auf eisenoxidhaltiges Material reduzierend wirken können -, was beispielsweise bei einer Mischung von Ammoniak und seinen Spaltungsprodukten Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 der Fall wäre, wobei natürlich auch noch andere Gase in der Mischung enthalten sein könnten.
  • Das Reduktionsgas umfasst also Ammoniak; es kann dabei teilweise oder vollständig aus Ammoniak bestehen.
  • Wenn es nur teilweise aus Ammoniak besteht, enthält es weitere Komponenten; ein Aspekt der Nutzung des Ammoniaks ist dann die Vermischung mit den weiteren Komponenten; beispielsweise kann Ammoniak den weiteren Komponenten so zugegeben werden, dass er mehr als 0,5 Vol% des nach seiner Zumischung erhaltenen Gasstromes ausmacht. Als weitere Komponenten sind sowohl solche möglich, die unter den im Reduktionsreaktor herrschenden Bedingungen bezüglich Reaktionen mit dem eisenoxidhaltigen Material inert sind - beispielsweise Stickstoff N2 -, als auch solche, die unter den im Reduktionsreaktor herrschenden Bedingungen mit dem eisenoxidhaltigen Material reagieren. Diesbezüglich sind auf das eisenoxidhaltige Material reduzierend wirkende Komponenten bevorzugt; es kann sich beispielsweise um kohlenwasserstoffhaltige Gase, kohlenstoffhaltige Gase, wasserstoffhaltige Gase, Wasserstoff handeln.
  • Reduktionsgas kann auch unter Nutzung von Ammoniak erhalten werden, indem Ammoniak gespalten wird, und das dabei entstehende Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff - gegebenenfalls nach einer Anreicherung oder Abreicherung von Stickstoff oder von Wasserstoff - mit weiteren Komponenten des Reduktionsgases vermischt wird.
  • Grundsätzlich kommt Ammoniak jeglicher "Farbe" in Frage. Unter "Farbe" ist damit die Farbgebung in Zusammenhang mit der zugrundeliegenden Produktionsart zu verstehen. Oftmals ist die Farbe des Ammoniaks mit der Farbe des bei der Produktion eingesetzten Wasserstoffs verbunden. Der Ammoniak kann beispielsweise grün sein, beispielsweise wenn er mittels grünen Wasserstoffs erzeugt wurde; er kann blau sein, beispielsweise, wenn er mittels unter Sequestrierung von entstehendem Kohlendioxid CO2 gewonnenen Wasserstoffs erzeugt wurde. Der Ammoniak kann auch mittels türkisen Wasserstoffs erzeugt werden, beispielsweise, wenn der Wasserstoff unter Abscheidung von entstehendem Kohlenstoff C erzeugt wird; er kann mittels pinken Wasserstoffs erzeugt werden, beispielsweise, wenn der Wasserstoff unter Verwendung von Atomstrom erzeugt wird. Ebenso in Frage kommt ein Gemisch aus einem oder mehreren dieser "Farben" des Ammoniaks, beziehungsweise ein Gemisch von Farben des dem Ammoniak zugrundeliegenden Wasserstoffs.
  • Reduktionsgas wird einem das eisenoxidhaltige Material - beispielsweise Pellets, Stückerz, Oxidfines, Sinter - enthaltenden Reduktionsreaktor zugeführt. Im Reduktionsreaktor erfolgt Reduktion - durch Reaktionen des Reduktionsgases mit eisenoxidhaltigem Material. Aus dem Reduktionsreaktor erfolgt Entnahme eines Produkts. Das Produkt weist einen höheren Metallisierungsgrad auf aus das eisenoxidhaltige Material.
  • Das Produkt - beispielsweise der Eisenträger Eisenschwamm (direct reduced iron, DRI), gegebenenfalls mit einem Metallisierungsgrad über 90 Prozent - weist einen höheren Metallisierungsgrad auf als das eingesetzte eisenoxidhaltige Material - bei Eisenschwamm sind das oxidische Eisenträgerpartikel.
  • Der Metallisierungsgrad - auch genannt Metallisierung - ist dabei definiert als das Verhältnis der Massenanteile von metallisch vorliegendem Eisen zum gesamten vorhandenen Eisen im Produkt: Metallisierungsgrad = Massenanteil Fe metallisch / Massenanteil Fe gesamt .
  • Für metallisches Eisen kann auch FeMet oder FeM, und für gesamtes vorhandenes Eisen der Begriff Gesamteisen oder FeTot oder FeT verwendet werden.
  • Beispielsweise kann Information bezüglich Metallisierungsgrad folgendermaßen gewonnen werden auf Basis einer Messung, ähnlich ISO 11258: M % = 100 * m FeM / m FeT M ist der Metallisierungsgrad einer vermessenen Menge Produkt - Mess-Menge - in Massenprozent. mFeM ist die Masse von metallisch vorliegendem Eisen in der Mess-Menge. Metallisches Eisen ist nach HOT BRIQUETTED IRON (HBI)QUALITY ASSESSMENT GUIDE, International Iron Metallics Association August 2018, Eisen in nicht-oxidierter Form mit Oxidationszahl 0.
  • Elementares Eisen und der Eisenanteil in Verbindungen, in denen das Eisen mit Oxidationszahl 0 vorliegt - mFeT ist die Masse des gesamten in der Mess-Menge enthaltenen Eisens; "total iron", T steht für total. Total iron umfasst nach HOT BRIQUETTED IRON (HBI)QUALITY ASSESSMENT GUIDE, International Iron Metallics Association August 2018, alles Eisen in jeglicher Form, ob frei oder mit anderen Elementen wie beispielsweise Sauerstoff kombiniert. Ein Rechenbeispiel: mFeM = 90 g, mFeT - 100 g → M = 90 %
  • Die Definition greift entsprechend auch bei Verwendung von Angaben zu Massenprozenten (m-%) bezüglich der Mess-Menge: M % = 100 * m FeM / m FeT
  • Rechenbeispiel:
    mFeM = 90 m-%, mFeT = 95 m-%: M = 94.7 %.
  • Das Reduktionsgas ist das in den Reduktionsreaktor beziehungsweise seinen eisenoxidhaltiges 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 eisenoxidhaltigem Material enthaltenden Reduktionsschacht.
  • Ein Reduktionsschacht mit Festbett weist eine Reduktionszone auf, in der das eisenoxidhaltige Material in seinem Innenraum reduziert wird.
  • Bei einem ein Festbett enthaltenden Reduktionsreaktor strömt Reduktionsgas vom Bereich seiner Einleitung nach oben durch das Festbett; das eisenoxidhaltige Material durchwandert den Reduktionsreaktor im Verlauf der Reduktion von oben nach unten, Entnahme des Produktes erfolgt unten.
  • Durch die Reduktion entsteht aus dem eisenoxidhaltigen Material metallisiertes Material; je weiter die Reduktion fortgeschritten ist, desto höher ist der Metallisierungsgrad des metallisierten Materials, das aus dem eisenoxidhaltigen Material entsteht.
  • Der Abschnitt eines Reduktionsschachtes mit Festbett unterhalb des Bereiches der Einleitung des Reduktionsgases wird oft Übergangszone genannt, oder er wird Kühlzone genannt, wenn das reduzierte Material gegenüber der Reduktionszone Temperatur verliert. An die Übergangszone oder Kühlzone schließt sich der Austragsbereich an.
  • Bei dem Reduktionsreaktor handelt es sich beispielsweise um einen Fließbettreaktor - zum Beispiel bei Durchführung eines Direktreduktionsverfahrens mit einem ein Fließbett von eisenoxidhaltigem 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 eisenoxidhaltigem 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 eisenoxidhaltiges Material umfassendes Festbett enthält - beim Betrieb eines Hochofens kann Ammoniak beispielsweise PCI-Kohle oder fossile Reduktionsgase ersetzen.
  • In denjenigen Bereichen des Innenraums, in denen der Ammoniak-Gehalt in einem Bereich von 0,05 Volums% bis zu 10 Volums% liegt, beträgt die Temperatur 680 °C oder mehr.
  • Bevorzugt liegt die Obergrenze für den Ammoniak-Gehalt bei 7 Volums%, besonders bevorzugt bei 5 Volums%, ganz besonders bevorzugt bei 3 Volums%.
  • Bevorzugt liegt die Untergrenze für den Ammoniak-Gehalt bei 0,1 Volums%, besonders bevorzugt 1 Volums%.
  • Die Bereiche für Volums% umfassen ihre Grenzen.
  • In denjenigen Bereichen Innenraums des Reduktionsreaktors, in denen der Ammoniak-Gehalt in einem Bereich von 0,05 Volums% bis zu 10 Volums% liegt, beträgt die Temperatur 680 °C oder mehr. Vorzugsweise beträgt sie bis zu 1150°C.
  • Bereiche des Innenraums des Reduktionsreaktors, in denen die Temperatur weniger als 680°C beträgt, weisen keinen Ammoniak-Gehalt in einem Bereich von 0,05 Volums% bis zu 10 Volums%, auf.
  • Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Bildung von Nitriden bei der Reduktion von eisenoxidhaltigem Material mit Ammoniak NH3 enthaltendem Reduktionsgas bei einer Temperatur von 680 °C oder höher nur in einem tolerierbaren Ausmaß oder überhaupt nicht erfolgt. Indem die Temperatur in Bereichen des Innenraums des Reduktionsreaktors, in denen der Ammoniak-Gehalt in einem Bereich von 0,05 Volums% bis zu 10 Volums% liegt, auf 680 °C oder mehr gehalten wird, kann das Problem der Nitridbildung also zumindest vermindert oder ganz vermieden werden.
  • Um ein Unterschreiten der Temperatur 680°C zu vermeiden, beziehungsweise um eine Temperatur von zumindest 680° sicherzustellen, kommen als Maßnahmen beispielsweise in Frage:
    • Einleitung des Reduktionsgases in den Reduktionsreaktor mit einer Temperatur von zumindest 750°C;
    • Einstellung der Zusammensetzung des Reduktionsgases bezüglich des Gehaltes an endotherm reagierenden Komponenten und des Gehaltes an exotherm reagierenden Komponenten;
    • Begrenzung der über das Reduktionsgas zugegebenen Menge Ammoniak NH3 - das deshalb, weil Ammoniak bei der Reduktion von eisenoxidhaltigem Material endotherm reagiert.
  • Zur Realisierung dieser Maßnahmen können Steuer- und/oder Regelvorrichtungen vorhanden sein; dabei können beispielsweise Ergebnisse von Temperaturmessungen verwendet werden.
  • Die aufgezählten Maßnahmen können einzeln ergriffen werden, aber es können auch zwei oder mehr der aufgezählten Maßnahmen nebeneinander ergriffen werden.
  • Bevorzugt ist es, wenn in denjenigen Bereichen des Innenraums, die eisenoxidhaltiges Material mit einem Metallisierungsgrad von über 30 % aufweisen, und in denen Ammoniak NH3 mit einem Gehalt im Bereich von 0,05 Volums% bis zu 10 Volums% vorhanden ist, die Temperatur mindestens 680°C beträgt.
  • Nach einer Ausführungsform hat das Produkt bei der Entnahme eine Temperatur unter 680°C.
  • Gegebenenfalls erfolgt im Reduktionsreaktor ein Kühlschritt für das in einem vorgelagerten Reduktionsschritt erhaltene metallisierte Material, dabei wird das Material auf eine Temperatur unter 680°C abgekühlt. Der Kühlschritt ist der Entnahme vorgelagert.
  • Die Abkühlung im Kühlschritt kann beispielsweise durch Einleitung eines Kühlgases gefördert werden; bevorzugt hat das Kühlgas einen Ammoniakgehalt von unter 0,05 Volums%, besonders bevorzugt ist das Kühlgas ammoniakfrei, es enthält also keinen Ammoniak.
  • Das Kühlgas kann beispielsweise zur Abkühlung beitragen, indem es eine Temperatur unter 680°C hat. Das Kühlgas kann beispielsweise zur Abkühlung beitragen, indem es mit dem im Reduktionsschritt erhaltenen Material endotherm reagiert. Das Kühlgas kann auch zur Abkühlung beitragen durch eine Kombination der beiden voranstehend genannten Aspekte.
  • Das Kühlgas kann aus einer Substanz bestehen, oder ein Gemisch mehrerer Substanzen sein; es kann beispielsweise, bevorzugt überwiegend, aus einem oder mehreren Mitgliedern der Gruppe bestehend aus den fünf Mitgliedern Methan CH4, Wasserstoff H2, Argon, Kohlenmonoxid CO, Stickstoff N2 bestehen.
  • Bei einem ein Festbett enthaltenden Reduktionsreaktor strömt Reduktionsgas von der Stelle seiner Einleitung nach oben durch das Festbett; das eisenoxidhaltige Material durchwandert den Reduktionsreaktor im Verlauf der Reduktion von oben nach unten, Entnahme des Produktes erfolgt unten. Durch die Reduktion entsteht aus dem eisenoxidhaltigen Material metallisiertes Material; je weiter die Reduktion fortgeschritten ist, desto höher ist der Metallisierungsgrad des metallisierten Materials, das aus dem eisenoxidhaltigen Material entsteht. Da ein Kühlschritt mittels Kühlgases unterhalb der Einleitung von Reduktionsgas erfolgt, also unterhalb der Reduktionszone - es soll ja das in einem vorgelagerten Reduktionsschritt erhaltene Material gekühlt werden -, und weil auch das Kühlgas nach oben strömt, kann Eindringen von Ammoniak NH3 aus der Reduktionszone in die Kühlzone unterbunden werden.
  • Nach einer Ausführungsform hat das Produkt bei der Entnahme eine Temperatur über 680°C.
  • Nach einer Variante wird das Produkt DRI in diesem heißen Zustand einer Brikettieranlage zur Erzeugung von HBI (heiß brikettieren Eisenschwamm) zugeführt.
  • Nach einer anderen Variante wird das DRI in diesem heißen Zustand mittels einer Transporteinrichtung - beispielsweise Heißförderer, pneumatische Transporteinrichtung, Transportbehälter - oder durch Gravitation der Nutzung in einer Schmelzvorrichtung zugeführt.
  • Die Schmelzvorrichtung ist beispielsweise ein Mitglied der Gruppe bestehend aus
    • Elektrolichtbogenofen electric arc furnace EAF;
    • Submerged arc furnace SAF,
    • Open slag bath furnace OSBF
    • Schmelzaggregat,
    • Konvertergefäß.
  • Ein Schmelzaggregat schmilzt zumindest teilweise auf Basis elektrischer Energie.
  • EAF und SAF und OSBF sind im Rahmen dieser Anmeldung nicht als Schmelzaggregat zu verstehen.
  • Unter einem Konvertergefäß ist beispielsweise ein Stahlwerkskonverter zur Stahlherstellung zu verstehen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Reduktion von eisenoxidhaltigem Material, wobei Ammoniak NH3 enthaltendes Reduktionsgas eingesetzt wird,
    wobei das Reduktionsgas einem das eisenoxidhaltige Material in einem Innenraum enthaltenden Reduktionsreaktor zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in denjenigen Bereichen des Innenraums, in denen Komponenten des Reduktionsgases reduzieren, ein Unterschreiten der Temperatur 680 °C verhindert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in denjenigen Bereichen des Innenraums, die eisenoxidhaltiges Material mit einem Metallisierungsgrad von über 30 % aufweisen, und in denen Ammoniak NH3 vorhanden ist, die Temperatur mindestens 680°C beträgt.
  3. Verfahren zur Reduktion von eisenoxidhaltigem Material, wobei Ammoniak NH3 enthaltendes Reduktionsgas eingesetzt wird,
    wobei das Reduktionsgas einem das eisenoxidhaltige Material in einem Innenraum enthaltenden Reduktionsreaktor zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in denjenigen Bereichen Innenraums, in denen der Ammoniak-Gehalt in einem Bereich von 0,05 Volums% bis zu 10 Volums% liegt, die Temperatur 680 °C oder mehr beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in denjenigen Bereichen des Innenraums, die eisenoxidhaltiges Material mit einem Metallisierungsgrad von über 30 % aufweisen, und in denen Ammoniak NH3 mit einem Gehalt im Bereich von 0,05 Volums% bis zu 10 Volums% vorhanden ist, die Temperatur mindestens 680°C beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Reduktionsreaktor ein Kühlschritt für das in einem vorgelagerten Reduktionsschritt erhaltene metallisierte Material erfolgt, wobei das Material auf eine Temperatur unter 680°C abgekühlt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt bei der Entnahme eine Temperatur über 680°C hat.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt DRI einer Brikettieranlage zur Erzeugung von HBI (heiß brikettieren Eisenschwamm) zugeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das DRI mittels einer Transporteinrichtung oder durch Gravitation der Nutzung in einer Schmelzvorrichtung zugeführt wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP4159879A1 (de) * 2020-05-28 2023-04-05 Nippon Steel Corporation Verfahren zur herstellung von reduziertem eisen
WO2023052308A1 (en) * 2021-09-28 2023-04-06 Paul Wurth S.A. Method for operating a shaft furnace plant
CN116732259A (zh) * 2023-05-05 2023-09-12 首钢集团有限公司 一种高炉喷吹富氢气体的冶炼方法及其系统

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