NL8200566A - Werkwijze en inrichting voor het reduceren van metaalertsen. - Google Patents

Description

ir i \·

Werkwijze en inrichting voor het reduceren van metaalertsen.

De uitvinding heeft betrekking cp het met gassen reduceren van deeltjesvormige ertsen tot metalen in deeltjes-vorm in een vertikale schachtreaktor met een bewegend bed, en in het bijzonder op een verbeterde werkwijze voor hetiegelen 5 van de reductie van het erts en het afkoelen van de gevormde metaaldeeltjes. De uitvinding heeft verder betrekking op een optimaal ontworpen vertikale schachtreaktor waarmee vergrote effektieve onafhankelijke regeling van zowel de reductie als de afkoeling van de metaaldeeltjes mogelijk is.

10 In de volgende beschrijving wordt de werkwijze beschreven en toegelicht aan de hand van een voorbeeld van de reductie van ijzererts tot sponsijzer. Uit de beschrijving zal echter blijken dat de werkwijze en inrichting volgens de uitvinding ook toegepast kunnen worden voor de behandeling van 15 andere ertsen dan ijzererts.

In het algemeen omvat de bereiding van sponsijzer in een vertikale schachtreaktor met een bewegend bed twee basistrappen, namelijk reductie van het erts met een geschikt heet reducerend gas in een reductiezone van de reaktor en ver-20 volgens afkoelen van het gevormde sponsijzer met een gasvormig koelmiddel in een koelzone van de reaktor. Een karakteristiek reducerend gas is een gas dat in hoofdzaak bestaat uit kool-monoxyde en waterstof met een temperatuur van de orde van 750 tot 1100°C en bij voorkeur 800 tot O00°C. Het het reducerende 25 gas wordt gewoonlijk ingevoerd aan het ondereinde van de reduc tiezone en stroomt omhoog door de reaktor waarbij het daarin aanwezige metaalerts wordt gereduceerd. In een aantal eerder voorgestelde werkwijzen wordt de afkoeling van het sponsijzer bewerkstelligd door een deel van het reducerende gas met een 30 betrekkelijk lage temperatuur omhoog te voeren door de koelzone van de reaktor, waarbij de temperatuur van het reducerende gas wordt verhoogd en de temperatuur van het sponsijzer wordt verlaagd.

35 8200566 - 2 -

4 C

DikMjls wordt het sponsij zerprodukt uit de schachtreaktor met bewegend bed geheel of ten dele gebruikt als lading voor een elektrische staalbereidingsoven. Gevonden werd dat om de ekonomie en efficiency van de werking van de oven 5 maximaal te maken het gebruikte sponsijzer in beheerste mate ge opgekooid moet worden. Een dergelijke opkoling (carburiseren) kan worden bewerkstelligd door als afkoelend gas een koolstof-houdend gas te gebruiken dat wordt gekraakt als het over het hete sponsijzer stroomt en op dat sponsijzer koolstof afzet.

10 Om een bijzonder gunstige mate van opkolen van het sponsijzer te bereiken en te handhaven in combinatie met het gewenste koelende effekt, moet de samenstelling en stroomsnelheid van het koelende gas echter worden geregëd onafhankelijk van de omstandigheden die heersen in de reductiezone van de schachtoven.

15 Het is ook belangrijk dat het sponsijzer vol doende wordt afgekoeld voordat het uit de reaktor wordt afgevoerd om heroxydatiè van het sponsprodukt bij blootstellen aan de atmosfeer, dat optreedt bij uitzonderlijk hoge temperaturen, te vermijden.

20 Als gasstromen met een verschillende samen stelling en temperatuur in de twee zones van de reaktor worden gebruikt, namelijk in de reductiezone en in de koelzone, hebben de gassen neiging om zich tussen de tweezones onderling te vermengen waardoor onbeheersbare variaties in de eigenschappen 25 van éénjof beide gasstromen optreden.Onbeheerste variaties in de samenstellingen, temperaturen en stroomsnelheden van het reducerende gas en koelende gas zullen een vermindering teweeg brengen van de kwaliteit en van de efficiency van het totale reductieproces.

30 In de tot de stand der techniek behorende literatuur zijn vele problemen vermeld die gepaard gaan met het onderling vermengen van de gassen tussen de reductiezone en de koelzone en er zijn allerlei pogingen gedaan om deze ongewenste toestand van de gasstromen tot een minimum te beperken. Met 35 name worden in ÜS-A 3 775 872 en US-A-3 799 521 de voordelen 8200566 > ί - 3 - vermeld van het tot stand "brengen van een onafhankelijk regelbaar kringloop van koelgas in de schachtreaktor en wordt ook een effektieve methode en inrichting geopenbaard voor het bereiken van een dergelijke onafhankelijke regeling van de gasstroom in de 5 reductiezone en in de koelzone. De oplossing die volgens deze stand van de techniek wordt nagestreefd bestaat hierin dat wordt voorzien in een werkwijze en inrichting waarmee onderling vermengen van reducerend gas en koelgas tot een minimum wordt beperkt door toepassing van een differentiële drukregelaar om 10 de gasdruk aan het ondereinde van de reductiezone praktisch gelijk te houden aan de gasdruk aan het boveneinde van de koelzone en wel op een zodanige wijze dat er een isobare zone in stand wordt gehouden tussen de reductiezone en de koelzone. Die stand van de techniek leert verder dat, door de stroomsnelheden van het ingaande 15 gas en het uitgaande gas naar en uit de koelzone praktisch gelijk te houden, een gasstroompatroon wordt bereikt waarin er praktisch een netto nulstroom is van hetzij reducerend gas of koelgas tussen de reductiezone en de koelzone.

Hoewel deze voorstellen kunnen worden toegepast 20 voor het effektief verminderen en beheersen van de onderlinge vermenging van gassen in de schachtreaktor, is verrassenderwijze gebleken dat ook al wordt een toestand van een netto nulstroom bereikt tussen de reductiezone en de koelzone van de reaktor, toch een deel van het reducerende gas in het onderste gedeelte 25 van de reductiezone neiging heeft om omlaag te stromen naar de koelzone terwijl een deel van het koelgas in het bovenste gedeelte van de koelzone neiging heeft om omhoog te stromen naar de reductiezone.

Er treden allerlei bezwaren op als gevolg van het 30 onderling vermengen van gassen tu sen de twee zones van de reaktor, zelfs in situaties waarin de gasstroom tussen de zones betrekkelijk klein is. Bijvoorbeeld wordt de totale efficiency en ekonomie van het direkte reductieproces in ongewenste mate nadelig beïnvloed als gevolg van de sterk verschillende gassamenstellingen 35 van het reducerende gas en het koelgas. Het is typerend voor het 8200566 - k - uitstromende koelgas dat het een betrekkelijk hoog water- en methaangehalte heeft in vergelijking met het reducerende gas, waarvoor typerend is dat het een veel hoger totaal koolstofgehalte heeft bij een lager water- en methaangehalte.

5 Als koelgasnaar de reductiezone stroomt, wordt het methaan plaatselijk gereformd bij een veel hogere temperatuur door de katalytische werking van het sponsijzer, ondervanging van koolmonoxyde en waterstof volgens een endotherme reaktie die leidt tot een verlaging van de temperatuur van de reductie-10 zone. 3j gevolg wordt de reductie van het erts in de'reductie zone in ongewenste mate nadelig beïnvloed. Anderzijds wordt, als reducerend gas met een hoog koolstofgehalte naar de koelzone stroomt, het erts daarin in een onbeheerste en onbeheersbare mate opgekoöld.

15 Een ander nadeel dat is verbonden met het onderling vermengen van de gassen is gelegen in het effekt op de totale thermische efficiency van het proces. Wanneer het reducerend gas direkt van de inlaat naar de uitlaat van de koelzone stroomt en dan door de afscfcrikfase van de koelzone, 20 leidt dit tot een verlies aan energie uit het tevoren verwarmde reducerende gas.

Er werd voorts gevonden dat als de reducerende en koelende gassen tussen de reductiezone en de koelzone stromen de gelijkmatige reductie van erts in aanzienlijke mate wordt 25 verhinderd. Daar gassen naar binnen zullen stromen en omhoog zullen stromen door het middelste gedeelte van de reaktor en omlaag zullen stromen langs de wanden van de reaktor, treedt een niet gelijkmatig gasverdelingspatroon op dat leidt tot een niet gelijkmatige reductie van het erts.

30 Er bestaat derhalve behoefte aan een werkwijze waarbij wordt gereduceerd met gas en een inrichting waarin wordt gereduceerd met gas, voor de bereiding van in hoge mate metaalvormig sponsijzerprodukt, terwijl tegelijkertijd een effektieve regeling wordt bereikt van het opkolen van het 35 sponsijzer. Er bestaat ook een sterke behoefte aan een werkwijze 8200566 Λ * - 5 - en inrichting voor de bereiding van sponsijzer waarin een gewenste mate van metalliseren en opkolen wordt bereikt terwijl tegelijkertijd wordt voorzien in een optimaal ontworpen reaktor waarmee de kapitaalinvestering tot een minimum beperkt blijft 5 terwijl de totale efficiency van de reductiewerkwijze met gas maximaal is.

De uitvinding heeft derhalve ten doel te voorzien in een werkwijze en een inrichting voor het met gas reduceren van metaalertsen in een vertikale schacht of met bewegend bed, ÏO waarin een grotere produktiviteit van sponsijzer met'een hoog metallisatiegraad wordt bereikt; in het bijzonder een werkwijze en inrichting voor het met gas reduceren van metaalertsen waarbij de opkoling van het sponsijzer beter wordt beheerst en met name een werkwijze en inrichting voor het met gas redu-15 ceren van metaalertsen waarbij in totaal een betere thermische efficiency van de reductie en het koelen van het sponsijzer wordt bereikt, in het bijzonder een werkwijze en inrichting waarmee een gelijkmatigere reductie van ijzererts mogeUjk is onder toepassing van een optimaal ontworpen reaktor die een 20 maximale efficiency van de werkwijze geeft bij een minimale kapitaalinvestering.

: Zoals hiervoor uiteengezet, bestaat er een echte behoefte aan een werkwijze en inrichting waarmee de migratie van reducerend erts naar de koelzone en van koelend gas 25 naar de reductiezone effektief kan worden beheersd. Hoewel sommige van de voordelen verbonden aan een onafhankelijke regeling van zowel de kringloop van reducerend gas als de kringloop van koelend gas reeds eerder werden ingezien, was in de stand van de techniek de aandacht in de eerste plaats 30 gericht op een werkwijze waarmee een gelijkmatige gasstroom wordt bereikt en in de hand gehouden door de reductiezone en de koelzone. Gewoonlijk werd gemeend dat, door instellen van een isobare zone in de reaktor tussen de reductiezone en de koelzone de netto gasstroom door die zone nul zou zijn.

35 Er werd voorts door de vakmensen gemeend dat, 8200566 - 6 - als een materiaalbafans zou kunnen worden opgesteld voor de kringloop van reducerend gas en de kringloop van koelend gas een toestand van een netto stroom nul voorgeschreven zou kunnen worden bewerkstelligd tussen de koelzone en de reductiezone, 5 ongeacht de effektieve afstand tussen de inlaat en uitlaat van zowel het reducerende gas als het koelgas. Zie "Gas Penetration Problems for Direct Reduction in Shaft Furnaces*', Rudolf Jeschar et al., Stahl u. Eisen NR.17 (augustus 1979).

Een voor de hand liggende mogelijkheid om de 10 onderlinge vermenging van gassen tot een minimum te beperken zou zijn om de totale hoogte van de reaktor te vergroten, zodat de werkelijke afstand tussen de reductiezone en de koelzone wordt vergroot. Het willekeurig vergroten van de hoogte van de reaktor zou echter leiden tot een uitzonderlijk duur en T5 verkwistend reaktorontwerp. Een andere mogelijkheid voor het regelen en tot een minimum beperken van de onderlinge vermenging van reducerend gas en koelgas omvat de toepassing van inzet-stukken in de reaktor om de baan voor de gasstromen door de reaktor te onderbreken. Een dergelijke oplossing zou leiden 20 tot een vrij aanzienlijke stijging van de kapitaalinvesterings- kosten en zou, nogbelangrijker, een ongewenste invloed hebben op de onder invloed van de zwaartekracht omlaag zakkende stroom erts door de reaktor. Een derde met lode voor het tot een minimum beperken van de onderlinge vermenging van gassen zou zijn een 25 reaktorontwerp met een zone met een geringere diameter tussen de reductiezone en de koelzone, om de stroming van gassen vanuit de ene zone naar de andere te remmen. Als een niet gelijkmatige diameter van de reaktorwordt toegepast tussen de reductiezone en de koelzone zou echter betrekkelijk stijle korische 30 smoorplaat nodig zijn tussen de twee zones om een gelijkmatige massastroom te handhaven. Als gevolg van de betrekkelijk hoge temperatuur waarbij het erts wordt gereduceerd, hebben de ertsdeeltjes neiging vast te hechten aan oppervlakken of te agglomereren en een konische smoorplaat zou bijdragen tot het 35 optreden van brugvorming in de deeltjesmassa en tot de vorming 8200566 - 7 - van "clusters" van spon si j zerdeeltj e s, die de vloeiende en gelijkmatige massastroom door de reaktor zouden onderbreken. Een dergelijk reaktorontwerp zou duur zijn en het zou erg moeilijk zijn om een dergelijke reaktor gelijkmatig te laten werken.

5 Verrassenderwijze werd nu gevonden dat, zelfs als er een aanzienlijke isobare zone in stand wordt gehouden tussen de reductiezone en de koelzone er ongewenste convectieve onderlinge vermenging van de gassen optreedt. Er werd voorts gevonden dat er een korrelatie bestaat tussen de mate van onder- 10 linge vermenging van de gassen tussen de reductiezone en de koelzone en de verhouding van de equivalente hoogte tot de equivalente diameter van de tussenzone die inligt tussen de effektieve gasinlaten en uitlaten. Door het reaktorontwerp te optimaliseren en, in het bijzonder, de equivalente hoogte en 15 equivalente diameter van de tussenzone tussen de reductiezone en de koelzone te optimaliseren, kunnen de gassen die de reaktor binnenstromen en uit de reaktor wegstromen op een beheerste wijze worden geïsoleerd zodat de ongewenste effekten van onderlinge vermenging van de gassen worden weggenomen.

20 De uitvinding en vele uitvoeringsvormen en voor delen ervan komen duidelijk aan het licht in de volgende beschrijving die wordt gegeven aan de hand van de tekeningen die systemen illustreren voor de bereiding van sponsijzer waarvoor verschillende uitvoeringsvormen van inrichting worden toegepast 25 waarmee de werkwijze volgens de uitvinding uitvoerbaar is.

Fig. 1 illustreert schematisch een systeem voor de bereiding van sponsijzer, omvattende een vertikale schacht-reaktor met een tussen de reductiezone en koelzone daarvan gelegen tussenzone.

30 Fig. 2 illustreert een soortgelijke reaktor als wordt weergegeven in fig. 1, waarbij de tussenzone een praktisch constante cirkelvormige dwarsdoorsnede heeft die zich uitstrekt vanaf het boveneinde van de koelzone tot aan hst ondereinde van de reductiezone.

35 Fig, 3 illustreert de onderlinge vermenging van reducerend gas en koelend gas in de reaktor.

8200566 - 8 -

Fig. U geeft een grafiek weer-van de hoeveelheid gassen die zich onderling vermengen, uitgedrukt in een percentage van de totale hoeveelheid gas toegevoerd aan hetzij de reductiezone of de koelzone, als funktie van de verhouding 5 van equivalente hoogte tot equivalente diameter van de tussenzone.

In fig. 1 is een, in zijn geheel met 10 aangegeven vertikale schachtreaktor met bewegend bed weergegeven welke reaktor in het bovenste gedeelte een reductiezone 12 10 bezit en in het onderste gedeelte een koelzone 16 alsmede een tussenzone 1^ gelegen tussen de reductiezone en de koelzone.

De reaktor 10 is geschikt geïsoleerd tegen warmteuitwisseling naar buiten en kan aan de binnenzijde op op zichzelf bekende wijze bekleed zijn met een vuurvast materiaal.

15 Het deeltjesvormige erts dat moet worden behandeld wordt in de reaktor 10 ingevoerd door een invoerleiding 18. Het erts dat in de reaktor wordt gebracht kan bestaan uit klonten erts of uit voorgevormde vormstukjes of uit mengsels van beide. Nalij het onderste einde van de reductiezone 12 is 20 de reaktor voorzien van een ringvormige legerkamer 22, die zieh uitstrekt rondom de langs de omtrek van de reaktor en een voorziening vormt waardoor reducerend gas aan de reaktor kan worden toegevoerd. Er is ook een vertikaal schot 23 aanwezig dat, tezamen met de wand van de reaktor, de ringvormige 25 ruimte 22 begrensd. Het erts beweegt omlaag door de reductiezone 12 waarin het in vergaande mate wordt gereduceerd tot sponsijzer door het omhoog stromende reducerende gas.

Het gereduceerde ijzererts dat de reductiezone 12 verlaat en in de tussenzone komt bestaat in het algemeen 30 uit elementair ijzer, ijzercarbide en resthoeveelheden ijzer-oxyde. De binnenwanden die de tussenzone ih bepalen moeten zo zijn ontworpen en uitgevoerd dat een gelijkmatige massa-stroom van het omlaag bewegende erts wordt verzekerd. Het is belangrijk dat de mate van beweging tussen de deeltjes in het 35 erts dat door het bovenste gedeelte van de reaktor beweegt 8 2 ö 0 5 δ 6 - 9 - waar een betreklelijk hoge temperatuur heerst tot een minimum wordt "beperkt.

Het gereduceerde ijzererts dat omlaag -beweegt door de tussenzone 1U komt vervolgens in de koelzone 16 en 5 heeft een hoog metaalgehalte en een laag koolstofgehalte. .

Aan het ondereinde van de koelzone 16 bevindt zich een andere ringvormige legerkamer 38 die soortgelijk is aan de legerkamer 22 en waardoor een koelend gas aan de reaktor kan worden toegevoerd.

Er is ook een afgeknot kegelvormig schot 36 aanwezig dat, 10 tezamen met de wand van de reaktor de ringvormige ruimte 38 * bepaalt. Het sponsijzer beweegt omlaag door de koelzone 16 waar het wordt afgekoeld door het koelende gas dat door die zone stroomt en dat sponsijzer verlaat de reaktor door de uitlaat 39·

Wat de gasstroom in het onderhavige systeem 15 betreft, komt vers reducerend gas dat in hoofdzaak bestaat uit koolmonoxyde en waterstof het systeem binnen (vanuit een geschikte bron die hier is weergegeven) via leiding met een snelheid die wordt geregeld door de stromingsregelaar k6.

Het reducerende gas kan bijvoorbeeld worden bereid door partiële 20 verbranding van allerlei brandstoffen, door vergassing van kolen of door katalytisch reformen van koolwaterstoffen met stoom. Andere bekende typen reducerend gas zoals cokesovengas kunnen worden gebruikt in plaats van gereformd aardgas of êén of meer van de andere bovengenoemde bronnen van reducerend 25 gas.

Het reducerende gas dat het reductiesysteem binnenkomt door leiding l+5 stroomt in leiding ij-9 binnen en stroomt daarna door een verwarmingsspiraal van een ver- warmingsinrichting h2 waarin het wordt verwarmd op een tempera-30 tuur van circa 750 tot 1100°C, bij voorkeur 800 tot 100Q°C.

Het verhitte gas verlaat de verwarmingsinrichting k2 via leiding en stroomt in de legerkamer 22. Het reducerende gas stroomt door de legerkamer 22 en vandaar de reaktor binnen nabij het ondereinde van de reductiezone 12. Bij het 35 binnenkomen van de reaktor stroomt het reducerende gas omhoog 82 u ü3 o o - 10 - door de reductiezone 12 waarbij het metaalerts in die zone wordt gereduceerd en het gas wordt boven uit de reaktor afgevoerd door een afvoerstomp 1+7 en een leiding 1+8.

Het gas dat de reaktor verlaat via leiding 1+8 5 komt in een afschrikkoeler 50 waarin water wordt ingevoerd door leiding 51 om het effluentgas af te koelen en water uit het effluentgas te verwijderen. Het gas verlaat de koeler 50 via leiding 52 en stroomt in een leiding 53 die in verbinding staat met de zuigzijde van pomp 56. Het gasmengsel dat door 10 pomp 56 stroomt wordt afgevoerd door leiding 57 en verenigd zich met het verse reducerende gas dat door leiding 1+5 stroomt en het wordt daarna naar de reaktor gerecirculeerd via leiding 1+9» verwarmingsinrichting 1+2, leiding 1+1+ en legerkamer 22. Een deel van de gas stroom die door leiding 52 stroomt kan worden afge-15 voerd door leiding 55 naar een geschikt punt dat verder niet is weergegeven. Leiding 55 is voorzien van een tegendruk-regelaar 5¾ met een instelbaar referentiepunt om een gewenste positieve en constante druk in het systeem te handhaven teneinde de totale efficiency van de reaktor 10 te verbeteren.

20 Zoals weergegeven in het rechtergedeelte van fig, 1 kan aanvullend koelgas worden toegevoerd vanuit een geschikte bron (niet weergegeven) via leiding 61+ met een snelheid die wordt geregeld door de stromingsregelaar 65.

Het aanvullende koelgas stroomt door leiding 68 naar de koel-25 kringloop en stroomt vanuit leiding 68 in leiding 92 en daarna naar de zuigzijde van pomp 9l+. Het koelgas wordt vanuit pomp 9!+ in leiding 96 geperst en komt de koelzone 16 van de reaktor binnen door de legerkamer 38. Het koelgas stroomt omhoog door de koelzone 16 waarbij het sponsijzer dat door de reaktor omlaag 30 beweegt wordt afgekoeld.

Het koelgas wordt uit de reaktor verwijderd via de legerkamer 3^ die op een soortgelijke wijze is gebouwd als de legerkamer 22 en de legerkamer 38 en komt vanuit de kamers 3*+ in de leiding 98. Het koelgas stroomt vandaar in de 35 afschrikkoeler 100 waarin water wordt ingevoerd via leiding 102 8200566 - 11 - om de effluentgasstroom af te koelen. De gasstroom verlaat de afschrikkoeler 100 via de leiding 10H. Een deel van het gas wordt, na aanvullen met aanvullend koelgas uit leiding 68, gerecirculeerd door leiding 92, pomp 9^, leiding 96 en leger-5 kamer 38 naar het ondereinde van de koelzone 16 van de reaktor.

De in fig, 1 weergegeven tussenzone 1H heeft een equivalente hoogte L1, gelijk aan de kortste afstand langs de vertikale as van de reaktor, tussen het werkelijke punt waar reducerend gas via de legerkamer 22 wordt ingevoerd 10 en het punt naar het koelgas dergelijk via de legerkamer 3^ wordt afgevoerd. De equivalente diameter L2 is gelijk aan de kortste axiale afstand tussen de effektieve wanden van de tussenzone 1¼. Door de tussenzone 1¾ te optimaliseren is de hoeveelheid reducerenden koelend gas die zich onderling vermengen 15 verwaarloosbaar.

In fig. 2 is een reaktor weergegeven die in de meeste opzichten soortgelijk is aan de reaktor volgens fig. 1 en er volgt nu dan ook alleen een beschrijving van de verschillen tussen de beide reaktors. Fig. 2 illustreert een 20 voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding waarbij de tussenzone 1U zo is ontworpen dat ze een praktisch constante cirkelvormige dwarsdoorsnede heeft die zich uitstrekt vanaf het boveneinde van de koelzone 16 tot aan het ondereinde van de reductiezone 12. De equivalente hoogte L1 is gelijk aan de vertikale afstand 25 tussen het werkelijke punt van invoeren van reducerend gas in het ertsbed via de legerkamer 22 en het effektieve punt waar koelgas uit het ertsbed wordt afgevoerd via de legerkamer 31* gelegen aan het boveneinde van de koelzone 16. De equivalente diameter, L2, is gelijk aan de diameter van de cirkelvormige 30 dwarsdoorsnede van de tussenzone 1¾. De uitvoeringsvorm volgens fig. 2 is een voorkeursuitvoeringsvorm van de reaktor waarbij het totale reductieproces optimaal verloopt door instellen van een toestand van praktisch geen onderlinge vermenging van gassen, terwijl de totale kapitaalinvesteringskosten voor de reaktor 35 zelf minimaal zijn.

82 0 0-3 0 6 - %- - 12 -

Fig. 3 geeft een schematisch beeld van een voorkeursuitvoeringsvorm van de reaktor volgens de uitvinding.

Het zal duidelijk zijn dat in deze schematische figuur van de reaktor in fig. 3 het gasstromingspatroon is weergegeven over 5 slee hbs de helft van de doorsnede van de reaktor; de gasstromen over de dwarsdoorsnede van de andere helft van de reaktor zijn identiek aan de weergegeven stromen. Het zal duidelijk zijn dat de gasinlaten en afvoeren naar wens overal langs de omtrek van de reaktor kunnen zijn aangebracht.

10 De reductiezone 12, de koelzone 16 en de tussen zone 1¾ zijn uitgevoerd zoals weergegeven in fig. 2 en hebben een praktisch constante, cirkelvormige dwarsdoorsnede; het reducerende gas wordt ingevoerd aan het ondereinde van de reductiezone en het koelende gas wordt afgevoerd uit de reaktor aan het 15 boveneinde van de koelzone 16. De stroomsnelheid van het reducerende gas dat wordt ingevoerd is weergegeven als F_. en de stroomsnelheid van het koelende gas dat wordt afgevoerd is aangeduid met F . De stroomlijnen of het stromingspatroon van het reducerende gas dat in de 'reaktor volgens fig. 3 wordt 20 ingevoerd, laten zien hoe een deel van het reducerende gas F^ in de tussenzone stroomt en door de tussenzone 1U omlaag stroomt, terwijl het grootste deel van F in de reductiezone 12

K

stroomt en door de reductiezone 12 omhoog stroomt. Evenzo stroomt een deel van het koelende gas dat zou moeten worden 25 afgevoerd, omhoog in en door de tussenzone 1^, wat is aangegeven met F . u

Zoals eerder beschreven kan een praktisch isobare zone waarin de druk praktisch constant is over de gehele zone worden ingesteld door de stroomsnelheden en drukken van de 30 kringloop van koelend gas en de kringloop van reducerend gas te regelen. Als er een nettostroom nul is door de tussenzone 14 is de hoeveelheid reducerend gas die omlaag stroomt door de tussenzone 1U, F^ gelijk aan de hoeveelheid koelend gas die omhoog stroomt door de tussenzone 14, F . Daarom is, onder 35 stationaire omstandigheden bij een nettostroom nul de totale 8200566 > - 13 - stroomsnelheid van reducerend gas die door de reductiezone 12 stroomt, F^,r, gelijk aan de inlaat stroomsnelheid van reducerend gas FR. Het stromingspatroon van de gassen door de reaktor als de nettostroom door de tussenzone 1k nul is kan worden weer-5 gegeven door de volgende vergelijkingen: (,) ΓΤΗ*ΡΕ*(νν (2) Fu = Fa (3) Ftr * Fr

Uit fig. 3 blijkt echter duidelijk dat zelfs 10 onder stationaire omstandigheden, als de nettostroom door de tussenzone 1U nul is (dat wil zeggen F = F,) er toch onderlinge u d vermenging van reducerend gas en koelend gas optreedt. Zoals is aangegeven heeft het reducerende gas neiging om omlaag te stromen langs de wanden van de reaktor naar het punt waar 15 koelend gas wordt afgevoerd, terwijl het koelende gas neiging heeft om omhoog te stromen langs de as van de reaktor naar de reductiezone 12 toe.

Deze onverwachte toestand van onderlinge vermenging van gassen is van groot belang gebleken omdat een 20 belangrijke mate van onderlinge vermenging het uitermate moeilijk maakt om de gewenste onafhankelijke gassamenstellingen ia elke gaskringloop te handhaven. Een dergelijke toestand heeft een ongewenste invloed om de mate van reductie en opkoling van het sponsijzer. Door experimentele analyses en computersimulatie 25 werd er een korrelatie afgeleid tussen de specifieke geometrische vorm van de tussenzone 1^ en de mate van onderlinge vermenging van gassen die optreedt. De uitvinding is nu gelegen in het optimaliseren van de relatieve hoogte en diameter van de tussenzone van de reaktor zodat de efficiency van het reductieproces 30 maximaal wordt zonder ongewenste nadelige invloed op de massa-stroom van erts door de reaktor.

Fig. U geeft een kromme weer van de onderlinge vermenging van gassen als percentage van de totale gastoevoer naar hetzij de kringloop van reductiegas of de kringloop van 35 koelgas, als funktie van de verhouding van de equivalente hoogte 8200566 - Ill· - tot de equivalente diameter van de tussenzone. De kwantificatie van de onderlinge vermenging van reducerend gas en koelend gas die zijn gescheiden door een tussenzone werd uitgevoerd door modellen te maken van de gasstroompatronen in een nagenoeg 5 gebootst ertsbed, en wel op een soortgelijke wijze als beschreven door V. Stanek en J. Szekely in het AIChE. Journal., Vol. 20, 5, 097*0 "biz· 97*1-980; J. Szekely en M.A. Propster in Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, Vol. 19 (1977) blz. 21-30 en Fried et al. in ICCAD, 2nd International Symposium 10 On Finite Element Methods, Italië, juni (1976) blz. 695 - 700,

Met behulp van de in deze publicaties beschreven mathematische modellen, in combinatie met experimentele laboratoriumtechnieken werden de in fig. *i weergegeven resultaten bepaald; deze resultaten zijn reproduceerbaar voor vakmensen op het gebied van 15 vloeistofdynamica en nummerieke analyse.

De resultaten weergegeven in fig. b zijn illustratief voor het stroomschema dat is weergegeven in fig. 1 waarbij L1 de afstand is tussen de inlaat voor reducerend gas en de uitlaat voor koelend gas en L2 de equivalente diameter is die 20 gelijk is aan de diameter van de dwarsdoorsnede bij de uitlaat voor het koelende gas. In de tussenzone heerst een toestand van netto nul stroom.

Analyse van de resultaten leert, dat een L1/L2 verhouding van meer dan 0,5 leidt tot een verwaarloosbare 25 onderlinge vermenging van de twee gaskringlopen, dat wil zeggen minder dan 5 % vermenging van de totale gastoevoer aan de reaktor. Empirisch werd gevonden dat, als minder dan 5 % van de gastoevoer aan de reaktor onderling vermengt er geen merkbaar verlies is in de beheersing van de reductie of opkoling van het 30 sponsijzer. De kromme laat ook zien dat bij lage waarden van L1/L2 de mate van onderlinge vermenging exponent zeer toeneemt als L1/L2 kleiner wordt. Als L1/L2 echter wordt vergroot nadert de mate van onderlinge vermenging asymptotisch tot nul. Er werd verder gevonden dat, hoewel de hoeveelheid gas die zich onder-35 ling vermengt uitermate klein is voor waarden van L1/L2 groter 8200566 l·· - 15 - dan 2,0, de kapitaalinvesteringskosten voor de reaktor zelf aanzienlijk stijgen tot een onaanvaardbare hoogte als de L1/L2 verhouding toeneemt boven 2,0.

De aanvaardbare bovengrens voor onderlinge ver-5 menging van de gassen wordt bepaald door de mogelijkheid om de metallisatie en de opkoling van het gevormde sponsijzer te beheersen. Ekonomisch reaktorontverp dat een vddoende onafhankelijke beheersing van de metallisatie en opkoling van het sponsijzer geeft is gezien het voorgaande gemakkelijk bereik-10 baar bij L1/L0 verhoudingen van tenminste 0,5 tot een verhouding van circa 2,0. Een trajekt voor deze verhouding van 0,6 tot 1,6 blijkt te prefereren te zijn waarbij het trajekt van 0,7 tot 1,2 het meest de voorkeur heeft.

Zoals hiervoor vermeld dient de hiervoor gegeven 15 beschrijving uitsluitend ter illustratie om te laten zien dat de beschreven uitvoeringsvormen op verschillende wijzen gemodificeerd kunnen worden binnen het kader van de onderhavige uitvinding. De uitvoeringsvorm van fig. 1 en 2 waarin de binnenwanden van de tussenzone nagenoeg glad en vlak zijn en de 20 doorsnede constant is kan bijvoorbeeld ook een andere configura tie hebben mits de verhouding van equivalente hoogte tot equivalente diameter ongeveer wordt aangehouden. Evenzo is de uitvinding ook bruikbaar als het koelende gas wordt toegevoerd aan het boveneinde van de koelzone 16 terwijl het reducerende 25 gas wordt verwijder d aan het ondereinde van de reductiezone 12.

Met andere woorden, de reductie en koelgasstromen door de reaktor kunnen geschikt worden omgekeerd in vergelijking met de stroomrichtingen in de fig. 1, 2 en 3. Voorts kan, zoals aan het begin van deze beschrijving is aangegeven, de onderhavige 30 werkwijze en inrichting ook worden gebruikt voor de reductie van andere ertsen dan ijzererts, bijvoorbeeld voor ertsen van metalen zoals nikkel, koper of tin.

De in deze beschrijving gebruikte termen zijn slechts descriptief en houden geen enkele beperking in, dat 35 wil zeggen ook equivalenten van de beschreven uitvoeringsvormen 8200566 - 16 - zijn geschikt.

8200566

Claims (16)

1, Werkwijze voor het reduceren van metaalerts tot metaal in een vertikale schachtreaktor met een bewegend bed, waarbij men in het bovenste gedeelte van de reaktor 5 een reductiezone instelt en handhaaft waarin een heet reducerend gas dat voor een groot gedeelte bestaat uit kocüjjDnoxyde en waterstof in tegenstroom met het erts stroomt en het metaalerts reduceert tot metaal, in het onderste gedeelte van de reaktor een koelzone wordt ingesteld en gehandhaafd waarin een koelend 10 gas in tegenstroom stroomt met het gereduceerde metaal om het metaal in die zone af te koelen en een tussenzone wordt ingesteld en in stand gehouden die zich uitstrekt vanaf het boveneinde van de koelzone tot. aan het ondereinde van de reductiezone, door het hete reducerende gas in te voeren aan het ondereinde 15 van de reductiezone op een eerste injektiepunt, dat reducerende gas af te voeren op een eerste afvoerpunt aan het boveneinde van de reductiezone, het koelende gas in te voeren aan het ondereinde van de koelzone op een tweede injektieplaats, koelend gas af te voeren op een tweede afvoerpunt gelegen 20 aan het boveneinde van de koelzone met het kenmerk, dat onderling vermengen van reducerend gas dat door de reductiezone stroomt met koelend gas dat door de koelzone stroomt tot een minimum wordt beperkt door een praktisch optimale tussenzone in te stellen met een equivalente hoogte welke gelijk is aan de 25 vertikale afstand tussen het eerste injektiepunt en het tweede afvoerpunt en een equivalente diameter die gelijk is aan de kortste afstand tussen de effektieve wanden van de tussenzone, zodanig dat de tussenzone een verhouding van equi-vdente hoogte tot equivalente diameter heeft in het trajekt 30 van 0,5 tot 2,0.

2. Werkwijze volgens conclusie 1.met het kenmerk, dat de verhouding van equivalente hoogte tot equivalente diameter van de tussenzone ligt in het trajekt van 0,7 tot 1,6.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het 35 kenmerk, dat de tussenzone beschouwd op basis van een materiaal- 8200566 - 18 - balans voor de gasstromen in de reaktor, praktisch isobaar is. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de tussenzone onder praktisch isotherme omstandigheden wordt gehouden. 5 5· Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de omlaag gaande stroom van het bewegende bed van deeltjes door de gehele tussenzone en praktisch gelijkmatige dwarsdoorsnede heeft.

6. Werkwijze volgens conclusie 5,met het kenmerk, 10 dat de tussenzone een praktisch constante cirkelvormige dwarsdoorsnede heeft en vrij i s van inwendige obstructies zodat een vrij gelijkmatige stroom van de metaalerts en metaaldeeltjes mogelijk is.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, 15 met het kenmerk dat het reducerende gas aan het eerste injektie- punt wordt toegevoerd via een ringvormige ruimte en dat het koelen bevat bij het tweede afvoerpunt wordt afgevoerd via een ringvormige ruimte.

8. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, 20 met het kenmerk, dat er een praktisch even grote omlaag gaande stroom reducerend gas en omhoog gaande stroom van koelend gas door de tussenzone in stand wordt gehouden terwijl niet meer dan 5 % van de totale hoeveelheid (reducerend) gas die aan de reaktor wordt toegevoerd door de tu Benzone stroomt. 25 9· Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het deeltjesvormige metaalerts dat wordt gereduceerd ijzererts is.

10. Inrichting voor het reduceren van metaalerts tot metaal omvattende een vertikale schachtreaktor die is 30 uitgevoerd voor het reduceren van een omlaag bewegend bed van deeltjes van dat metaalerts, waarbij de reaktor omvat een reductiezone in het bovenste gedeelte en een koelzone in het onderste gedeelte, een tussenzone die zich uitstrekt vanaf het boveneinde van de koelzone tot aan het ondereinde 35 van de reductiezone, een eerste toevoerleiding die is verbonden 8200566 - 19 - met de reaktor nabij het ene uiteinde van de reductiezone voor toevoeren van heet reducerend gas naar dat bed van omlaag bewegende deeltjes op een eerste injektiepunt, eerste middelen verbonden met de reaktor nabij het andere uiteinde van de reductie-5 zone voor het afvoeren van reducerend gas uit dat bed op een eerste afvoerpunt, een tweede toevoerleiding verbonden met een reaktor bij het ene uiteinde van de koelzone voor het toevoeren van koelend gas naar dat bed op een tweede injektiepunt, een tweede reeks middelen verbonden met de reaktor nabij het andere 10 uiteinde van de koelzone voor het afvoeren van koelend gas uit dat bed op een tweede afvoerpunt, en gekenmerkt doordat de tussenzone een equivalente hoogte heeft, die gelijk is aan de kortste afstand langs de vertikale as van de reaktor tussen enerzijds het eerste injektiepunt of het eerste afvoerpunt 15 welke van de twee het dichtst bij de onderzijde van de reductiezone ligt en anderzijds het tweede injektiepunt of het tweede afvoerpunt welke van de twee het dichtst bij het boveneinde van de koelzone ligt en een equivalente diameter heeft die gelijk is aan de kortste afstand tussen de effektieve wanden van die 20 tussenzone, waarbij de verhouding van die equivalente hoogte tot die equivalente diameter ligt in het trajekt van 0,5 tot 2,0.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het eerste injektiepunt ligt aan de onder-25 zijde van de reductiezone en het tweede afvoerpunt ligt aan het boveneinde van de koelzone zodat de gasstromen door de reaktor stromen in tegenstroom met het omlaag bewegende bed van deeltjes-vormig erts.

12. Inrichting volgens conclusie 10 of 11, 30 met het kenmerk, dat de reaktor vrij is van inwendige obstructies zodat een vrije gelijkmatige stroom van de metaalerts en metaal-deeltjes plaats kan vinden.

13. Inrichting volgens conclusie 10-12, met het kenmerk, dat de reaktor een praktisch constante cirkel-35 vormige dwarsdoorsnede heeft over zijn lengte vanaf de reductie- 8200566 - 20 - zone tot aan de koelzone en dat deze eindigt in een convergerende uitlaat. 1U. Inrichting volgens een der conclusies 10 - 13, met het kenmerk, dat de verhouding van de equivalente 5 hoogte tot de equivalente diameter van de tussenzone ligt in het trajekt van 0,6 tot 1,6.

15. Inrichting volgens conclusie 10 -1!+, met het kenmerk, dat de verhouding van de equivalente hoogte tot de equivalente diameter van de tussenzone ligt in het 10 trajekt van 0,7 tot 1,2.

16. Inrichting volgens een der conclusies 10 - 15, met het kenmerk, dat de afvoerpunten en de injektie-punten elk een ringvormige ruimte omvatten waar het gas door de reaktorwand wordt weggevoerd of toegevoerd.

17. Inrichting volgens een der conclusies 10-16, met het kenmerk, dat de eerste toevoerleiding en de tweede reeks middelen voor afvoer van gas elk een toevoer door de reaktorwand omvatten voor gelijkmatige toevoer van gas naar een ringvormige ruimte.

18. Inrichting volgens een der conclusies 10-17, met het kenmerk, dat middelen aanwezig zijn waarmee een isobare tussenzone kan worden ingesteld met een zodanige verhouding van equivalente hoogte tot equivalente diameter dat de stroming omlaag van reducerend gas en dan stroming omhoog 25 van koelend gas die aan elkaar gelijk zijn niet meer bedraagt dan 5 % van de totale betreffende gasstroom.

19. Inrichting volgens conclusie 10 - 18, met het kenmerk, dat deze is uitgevoerd voor de reductie van ijzererts in deeltjesvorm.

20. Werkwijzen en inrichtingen, in hoofdzaak als beschreven in de beschrijving en/of zoals weergegeven in de figuren. 8200566