LU83472A1 - Verfahren und einrichtung zum herstellen von metallschwamm - Google Patents

Description

- 1 - i

Verfahren und Einrichtung zum Herstellen von Metallschwamm

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metallschwamm durch Direktreduzieren von Erzen, wie Eisen-, Mangan-, 5 Chromerz, sowie die hierzu erforderliche Einrichtung.

Zum Reduzieren von Erzen verwendet man diese meistens in grobkörniger bis stückiger Form, da die Reduktion von feinkörnigen Erzen problematisch ist und zwar ungeachtet, ob man die Reduktion in der Festphase 10 oder bis in die Flüssigphase betreiben will.

Feinkörniges Eisenerz steht in grossen Mengen und zu relativ niedrigen Preisen zur Verfügung. Der Grund hierfür ist die Tatsache, dass der Billigtransport von Erzen mittels Rohrleitungen voraussetzt, dass die 15 Erze in feingemahlenem Zustand vorliegen, wobei die mittlere Korngrösse bei rund 50 /U, liegt. Dies wiederum hat zur Folge, dass die auf billigem Wege transportierten Erze erneut in eine Form überführt werden müssen, die ihre metallurgische Weiterverarbeitung gestattet, was bedeutet, dass die Erze vor ihrer Weiterverarbeitung pelletiert 20 werden müssen. Das Pelletieren ist jedoch eine relativ kostspielige , Angelegenheit, so dass die durch den Billigtransport erzielten Gewinne infolge der zwangsläufig notwendigen Ueberführung der Erze in Pellets, zum grössten Teil wieder verloren gehen.

25 Es besteht eine Fülle von veröffentlichten Direktreduktionsverfahren.

- 2 -

So wurde, wie in der U.S. 3.652.069 beschrieben versucht, Metalloxyde mit einem Überschuss an Rohkohle zu mischen, zu pelletieren und in einem Schachtofen zu verarbeiten, wobei die flüchtigen Bestandteile in der oberen Ofenzone ausgetrieben werden und da-5 selbst Niedrigtemperaturkoks entsteht. Der Ueberschuss an Koks wandert mit dem Möller und wird auf Blasformebene mit Kalt- oder . mit Heissluft verbrannt. Hierbei wird der Ofen alternierend mit

Pellets und mit stückigem Koks beschickt.

s 10 Ein ähnliches Verfahren beschreibt die U.S. 3.832.158; dort wird gelehrt, dass der Kokssatz ausreichend sein muss, um die Koks-schicht im Verlauf des Prozesses aufrechtzuerhalten, wobei die Pellets genügend Kohlenstoff enthalten, um die Reduktion herbeizuführen.

15

Die U.S. 4.179.283 lehrt darüber hinaus, lediglich Pellets, ohne zusätzlichen Koks zu chargieren, die aus Metalloxyden sowie aus Kohlenstoffträgern, Schlackenbildnern und Bindemitteln bestehen, wobei die Kohlenstoffträger weniger als 15 % flüchtige Bestandtei-20 le enthalten; die Wärme wird durch Direktverbrennung erzeugt.

Gemäss dem Stand der Technik wird praktisch die gesamte, zum Reduzieren der Oxyde notwendige Energiemenge durch das Verbrennen von Kohlenstoff erzeugt. Dies bedingt eine Zufuhr von ausreichenden 25 Mengen an Sauerstoff, durch Einblasen von Heiss- oder Kaltluft. Aus diesem Grunde herrschen jedenfalls innerhalb gewisser Zonen im Ofen oxydierende Bedingungen, was nicht ohne Einfluss auf die Haltbarkeit der feuerfesten Ausmauerung des Reduktionsreaktors einerseits sowie auf die erzielten Reduktionsgrade andererseits 30 bleiben kann.

So stellt die Idee, die zur Entwicklung eines in der U.S.4.082.254 beschriebenen Reaktors führte, einen möglichen Ausweg aus den oben erwähnten Problemen dar und zwar wird dort vorgeschlagen, die 35 Energie indirekt an das zu reduzierende Gut heranzutragen, indem - 3 - eine Mehrzahl an Walzen den Reaktor in zwei voneinander mehr oder weniger isolierte Kammern trennt, wobei man in einer der Kammern Gas verbrennt und so die betreffende Walzenpartie erhitzt, während sich in der anderen Kammer das zu reduzierende Gut befindet. Durch Drehen 5 der Walzen soll die heisse Walzenpartie dann im Kontakt mit dem zu beheizenden Gut gebracht werden. Leider hat es sich herausgestellt, dass diese Idee sich nicht in die Praxis umsetzen liess. Ein derartiger Reaktor eignet sich desweitern nicht für ein Arbeiten unter Druck.

10 > Das Ziel der Erfindung bestand darin, ein Verfahren vorzuschlagen, das die oben erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile vermeidet, sowie eine geeignete Einrichtung, in der insbesondere der Reduktionsvorgang selbst unter eindeutig reduzierenden Bedingungen durchge-15 führt werden kann.

Dieses Ziel wird erreicht durch das erfindungsgemässe Verfahren, das vorsieht, dass man in einer Vorstufe ein Gemisch aus Kohle und aus Erz bildet, wobei beide Komponenten einzeln oder gemeinsam ge-20 trocknet, aufgeheizt und ggf.in eine geeignete Form überführt, bspw. brikettiert werden. Das Hauptmerkmal des Verfahrens besteht darin, dass man das heisse Erz-Kohle-Gemisch unter Druck, durch Kontakt mit einem festen, stückigen Wärmeträger aufheizt und das Erz reduziert, wobei man das vornehmlich aus CO bestehende Abgas sammelt und dass 25 man den gebildeten Metallsehwamm und den abgekühlten Wärmeträger voneinander trennt und letzteren in einer getrennten Stufe, z.B. durch Verbrennen des beim Reduktionsprozess anfallenden CO wieder aufheizt.

30 Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein Erz- Kohle--Gemisch in einer geeigneten Form einem Reduktionsprozess zugeführt wird, der in einem Aufheizen des zu reduzierenden Gutes besteht, wobei die Energie über einen neutralen Wärmeträger an das Gut übertragen wird. Dieser Wärmeträger ist ein stückiges, festes Material, 35 das sich mit dem zu behandelnden Gut innig vermengen lässt.

- 4 -

Der Vorteil dieses Wärmeträgers besteht darin, dass er in einem vom Reduktionsreaktor unabhängigen Raum aufgeheizt werden kann und dass er, unabhängig davon wie die Wärme an ihn selbst herangetragen wurde, diese lediglich durch Strahlung oder durch physischen Kontakt 5 an das zu reduzierende Gut abgibt, ohne dieses anders als thermisch zu beeinflussen. Infolgedessen bleiben sowohl das Gut als auch die Ausmauerung des Reduktionsreaktors von oxydierenden Einflüssen verschont.

10 Der Wärmeträger selbst kann aus abgerundeten Formstücken, sog. Pebbles, im Idealfall aus Kugeln bestehen, wobei als Material jeder Stoff in Frage kommt, der die notwendige thermische sowie mechanische Stabilität aufweist. Es kann sich demnach generell um keramische oder mineralische Formlinge handeln; besonders interessant ist 15 die Verwendung von Eisen- oder Stahlkugeln. In der Tat sind Brüche bzw. Abrieb nie ganz zu vermeiden. Verwendet man jedoch erfindungs-gemäss einen aus Eisen bestehenden Wärmeträger, so lassen sich Brüche und Abrieb getrost in Kauf nehmen, da Eisenpartikel im reduzierten Metallschwamm nicht stören, was bei der Verwendung von Wärmeträ-20 gern bspw. auf Aluminiumoxyd-Basis nicht der Fall ist.

Die zum Durchführen des Verfahrens notwendige Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein als Druckgefäss ausgebildeter Reduktionsreaktor einerseits über eine Abgasleitung und andererseits über 25 eine Feststoff-Abfuhrleitung und eine Feststoffzufuhrleitung mit einem Verbrennungsofen verbunden ist, der zum Wiederaufheizen des Wärmeträgers dient, wobei die Abgasleitung ein Drucksteuerventil aufweist un die Feststoff-Förderleitungen in Bezug auf den Reaktor und den Ofen so angeordnet sind, dass der Wärmeträger sowohl den Ofen als auch den Reaktor fallend durchquert. Erfindungsgemäss ist 30 zum Trennen des Metallschwammes und des Wärmeträgers zwischen dem Reduktionsreaktor und der Feststoff-Abfuhrleitung ein Siebaggregat geschaltet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient die Beschreibung der 35 Zeichnung, in der die Fig.1 ein schematisiertes Schaltbild darstellt - 5 - das in nicht einschränkender Weise eine mögliche Ausführungsform des Verfahrensablaufs und der Einrichtung aufzeigt.

In der hier dargestellten Ausführungsform werden Kohle und Erz sepa-5 rat vorbehandelt, d.h. getrocknet und aufgeheizt. Andererseits besteht die Möglichkeit, diese Vorstufen in einer und derselben Anlage durchzuführen, so wie die Anmelderin dies in ihren Patentanmeldungen LU 82.766 bzw. LU 82.826 beschrieben hat.

10 Die Zeichnung zeigt zwei Trocknungsanlagen (1 und 2) in denen die , zerkleinerten Kohlen (C) bzw. das Erz (M) getrocknet werden. Das

Trocknen ist eine wichtige Voraussetzung für den ungestörten Ablauf des Verfahrens, da eine völlige Abwesenheit von Sauerstoff innerhalb der eigentlichen Reduktionsstufe angestrebt wird.

15

Zum Aufheizen der Kohle gelangt diese in einen Reaktor (10), der bspw. ein Flugstromreaktor sein kann, so wie er in der DE-PS 1.571.710 beschrieben ist. Diese Stufe stellt einen an sich autonomen Prozess dar, indem die beim Aufheizen der Kohle freiwerdenden 20 Gase integral wiederverwendet werden und zur Aufrechterhaltung der notwendigen Temperatur (500-600°C) ausreichen. Je nach der Beschaffenheit der verwendeten Kohle, weisen die Gase einen mehr oder weniger hohen Heizwert auf; ein mittlerer Heizwert von 6.000 kcal/Nm3 sowie Gasmengen von rund 40 Nm3/t Kohle sind übliche 25 Betriebswerte.

Das Gas (G10) aus dem Reaktor (10) wird mit Luft (A) gemischt und in den Prozess zurückgeführt; die beim Aufheizen der Kohle entstehenden Teere (D) werden abdestilliert und können anderweitig verwendet wer-30 den. Da diese Teere wasserlösliche Bestandteile (Phenole) enthalten, empfiehlt es sich, die Kondensation oberhalb 110°C durchzuführen.Es entstehend rund 50 kg Teere/t Kohle.

Das Erz (M) gelangt in einen als Fliessbett ausgestalteten Reaktor 35 (20), in welchem ein Aufheizen erfolgt, dessen Energiequelle später beschrieben wird.

- 6 -

Das Mischen der heissen Komponenten (C und M) erfolgt in einem Mischer (30) der, falls dies je nach Ausgestaltung des Reduktionsreaktors notwendig ist, ein Formgebungsaggregat, bspw. eine Heissbrikettieranlage wie sie zum Stand der Technik gehört, aufweisen 5 kann.

Das Gemisch gelangt sodann in das Kernstück der Einrichtung, den Reduktionsreaktor (40). Letzterer ist ein als Druckgefäss ausgebildeter Reaktor, der eine zum Einfuhren des zu reduzierenden Gutes 10 dienende Druckschleuse (41) und eine zum Austragen des Metallschwammes sowie des Wärmeträgers dienende Druckschleuse (42) aufweist.

Erfindungsgemäss vollzieht sich die Reduktion durch den innigen Kon-15 takt zwischen dem Gemisch und einem Wärmeträger, der durch die Druckschleuse (43) in den Reaktor (40) gelangt. Zum Erreichen dieses Kontaktes können die Schleusen (41 und 43) mit Hilfsmitteln versehen werden, wie sie in der modernen Hochofen-Beschickungstechnik entwik-kelt wurden, wobei diese Hilfsmittel ein gezieltes, lokales Divigie-20 ren der eingeführten Stoffe in den Reaktorraum und auf die Schütt-flache desselben erlauben.

Weiter ist am Reaktor (40) eine Gasableitung (C0) angeordnet, die ein Drucksteuerventil (44) aufweist.

25

Dieses Drucksteuerventil (44) erlaubt es, die Höhe des sich innerhalb des Reaktors durch die ständige Gasbildung aufbauenden Druckes zu regeln. Erfindungsgemäss steuert man den Reduktionsprozess so, dass man einerseits über das Regelventil (44) den für den Ablauf der 30 Reaktion günstigsten Druck einstellt und dass man andererseits die Wärmezufuhr regelt. Letzteres erfolgt durch die Regelung des Zugaberythmus mit Bezug auf den Wärmeträger durch die Schleuse (43).

Ein wertvoller, durch das erfindungsgemässe Verfahren gebotener 35 Vorteil beseht somit darin, dass man die Reduktion unter Druck durchführen kann, ohne ein Druckgebläse einsetzen zu müssen.

- 7 -

Ein nicht weniger wertvoller Vorteil wird dadurch geboten, dass man, wie aus dem in der Folge Dargelegten hervorgeht, auch auf eine interne Entstaubungsanlage für die Abgase verzichten kann. In der Tat werden die Abgase integral einem Verbrennungsofen (60) zugeleitet, 5 wo sie, mit Luft (A) gemischt, verbrannt werden. Die freiwerdende Energie dient zum Aufheizen des Wärmeträgers. Es ist leicht einzusehen, dass das Prinzip der Wärmeübertragung über einen stückigen Wärmeträger nach der Erfindung, es ohne weiteres gestattet, auch stark staubhaltige Abgase aus dem Reaktor (40) in , 10 den Ofen (60) zu leiten, denn der in den Stäuben enthaltene

Kohlenstoff wird im Ofen (60) nutzbringend verbrannt, während Erz-, bzw. Metallschwammpartikel zusammen mit dem aufgeheizten Wärmeträger durch die Leitung (PI) wieder in den Reduktionsreaktor (40) zurückbefördert werden. Ebenso stö'ren weder zerbrochene Pebbles, 15 noch Pebbles-Abrieb, insbesondere wenn die Pebbles aus Eisen, oder aus Stahl bestehen.

Am Ausgang des Reaktors (40) befindet sich die Druckschleuse (42), durch welche der gebildete Metallschwamm, sowie die abgekühlten 20 Pebbles in ein Siebaggregat (50) gelangen. Letzteres ist ein geschlossenes Aggregat, das nützlicherweise unter einer Inertgasatmosphäre (N) also unter Stickstoff, Argon betrieben wird.

Der Metlalschwamm (PROD), der heiss anfällt, muss in der Tat gegen Oxydation geschützt werden.

25

Man kann den Metallschwamm selbstverständlich direkt weiterverarbeiten, bspw. im Rahmen von Verfahren wie die Anmelderin sie in ihren Patenten LU 71.435, LU 82.227 beschrieben hat. Falls Transporte des Metallschwamms über grössere Distanzen vorgesehen sind, empfiehlt 30 sich eine entsprechende Formgebung, Brikettierung u.dgl.

Wie gesagt, wird der Verbrennungsofen (60), in dem der Wärmeträger wiederaufgeheizt wird, mit dem aus der Reduktionsstufe stammenden Gas beheizt. Die hierbei gebildeten Abgase, die bei guter Ofenfüh-35 rung vornehmlich aus C02 bestehen, weisen noch eine beträchtliche Temperatur auf. Um die fühlbare Wärme dieses Restgases - 8 - (G20) zu nutzen, verwendet man es als Gas- und Wärmequelle beim Aufheizen des Erzes im Fliessbett (20) und, falls erforderlich, im Reaktor (10) zum Heizen der Kohle. Das Restgas (G60) kann auch, wie die gestrichelten Linien es andeuten, zum Trocknen von Kohle und 5 Erz, in die Trockungsanlagen (1 und 2) geleitet werden.

Andererseits kann man, falls ein besonders starkes Aufheizen des Erzes erwünscht ist, das Fliessbett (20) auch vor den Ofen (60) schalten und mit heissem CO beschicken, während man das Restgas 10 (G60) dann Integral zum Trocknen der Kohle und des Erzes verwendet.

Eine weitere Möglichkeit zum Aufheizen des Wärmeträgers besteht darin, dass man wenigstens zum Teil Hochofengas einsetzt, das relativ billig und leicht zugänglich ist. Da Hochofengas zudem einen 15 nicht geringen Anteil an Wasserstoff enthält kann man auch vorsehen, die Reduktionsraktion durch Zugabe bestimmter Mengen Wasserstoff günstig zu beeinflussen, ohne sich vom Konzept der Erfindung zu entfernen.

20 Was den Rundtransport des Wärmeträgers im Rahmen des erfindungs-gemässen Verfahrens anbelangt, so wird man sinnvoll so vorgehen, dass man die Pebbles sowohl durch den Ofen (60) als auch durch den Reaktor (40) fallend führt. Auf diese Weise kann man erreichen, dass der steigend verlaufende Transport auf die abgekühlten Pebbles be-25 schränkt bleibt. Je nach der Temperatur die diese aufweisen, kann man einen Transport durch Rohrleitungen mit Hilfe von Magnetfördersystemen vorsehen, vorausgesetzt, die Temperaur der Pebbles liegt unterhalb des Curie-Punktes. Ansonsten eignet sich jedwedes konventionelles Transportsystem, das sich ohne besondere Wärmeverluste 30 durchführen lässt.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen von Metallschwamm, durch Direktreduzieren von Erz wie Eisen-, Mangan-, Chromerz, das vorsieht, dass man in einer Vorstufe ein Gemisch aus Erz und aus Kohle bildet, wobei 5 die Komponenten einzeln oder gemeinsam getrocknet, aufgeheizt und ggf.in eine geeignete Form überführt, bspw. brikettiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass man das heisse Erz- Kohlenstoff-Gemisch unter Druck durch Kontakt mit einem stückigen, festen Wärmeträger aufheizt und das Erz reduziert, wobei man das « vornehmlich aus CO bestehende Abgas sammelt und dass man den gebildeten Metallschwamm und den abgekühlten Wärmeträger abzieht, voneinander trennt und den Wärmeträger in einer getrennten Stufe aufheizt und ihn dann in die Reduktionsstufe zurückführt. 15

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger aus abgerundeten, vorzugsweise kugelförmigen Formstücken, sog. Pebbles, besteht.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermaterial ein anorganischer Stoff ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermaterial ein Metall, eine Metallegierung, vorzugs- 25 weise Eisen bzw. Stahl ist. a

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Aufheizen des Wärmeträgers das im Verlauf des Direktreduktionsprozesses gebildeten Abgas verwendet, welches man ggf. 30 mit Hochofengas mischt. „ 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass man das beim Verbrennen der Abgase zum Wiederaufheizen des Wärmeträgers gebildete, heisse Restgas zum Aufheizen des Erzes und 35 eventuell auch der Kohle verwendet. - 2 -

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass man das beim Verbrennen der Abgase zum Wiederaufheizen des Wärmeträgers gebildete, heisse Restgas zum Trocknen des Erzes sowie der Kohle verwendet. 5

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Aufheizen der Kohle das bei diesem Prozess entwickelte Abgas verwendet, welches man abtrennt, mit Luft mischt und in den Prozess zurückführt. 10

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Reduktionsreaktion steuert, indem man den für die Reaktion günstigsten Druck durch Regelung der Abgasabzugsgeschwindigkeit und die gewünschte Reduktionstemperatur durch Regelung des

15 Zugaberythmus an Wärmeträger einstellt.

10. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Druckgefäss ausgebildeter Reduktionsreaktor (40) einerseits über eine Abgasleitung (CO) 20 und andererseits über eine Feststoff-Abfuhrleitung (P2) und eine Feststoffzufuhrleitung (PI) mit einem Verbrennungsofen (60) verbunden ist, der zum Wiederaufheizen des rundgeführten Wärmeträgers dient, wobei die Abgasleitung (C0) ein Drucksteuerventil (44) aufweist und die Feststoff- Förderleitungen (PI und P2) in 25 Bezug auf den Reaktor und den Ofen so angeordnet sind, dass der Wärmeträger sowohl den Ofen (60) als auch den Reaktor (40) fal-f lend durchquert.

11. Einrichtung nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass 30 zum Trennen des Metallschwammes und des Wärmeträgers, zwischen dem Reduktionsreaktor (40) und der Feststoff-Abfuhrleitung (P2) ein Siebaggregat (50) geschaltet ist.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeich- 35 net, dass der Reaktor (40) eine zum Einträgen des zu reduzieren den Gutes dienende Druckschleuse (41), und eine zum Austragen - 3 - des Metallschwammes sowie des abgekühlten Wärmeträgers dienende Druckschleuse (42) aufweist.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (40) eine zum Einträgen von heissem Wärmeträger geeignete Druckschleuse (43) aufweist.

14. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, 10 dass die Druckschleusen (41 und 43) Hilfsmittel zum gezielten , Dirigieren der eingeführten Stoffe in den Reaktorraum und auf die Schüttfläche desselben aufweisen.

15. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeich- 15 net, dass das Siebaggregat als geschlossene Anlage ausgestaltet ist, die ein Spülsystem zum Spülen mit Inertgas aufweist. « ♦ im