NO812839L - Fremgangsmaate og apparatur for gassreduksjon av jernmalm til jernsvamp - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår direkte gassreduksjon

av metallmalmer av den type der partikkelformige malmer behandles med en varmreduserende gass hovedsakelig bestående av hydrogen og karbonmonoksyd, og den er spesielt brukbar ved fremstilling av jernsvamp.

Reduksjonsgassen kan fremstilles ved katalytisk reformering av lette hydrokarboner eller lignende ved hjelp av damp eller karbondioksyd, ved partiell forbrenning av brennstoffer med oksygen, eller på en hvilken som helst annen kjent måte. Mere spesielt er oppfinnelsen rettet mot en forbedret fremgangsmåte og apparatur for reduksjon av metallmalmer ved bruk av katalytiske reformere der i det minste en del av omsatt reduserende gassavløp fra reduksjonssonen i en reaktor med bevegelige sjikt kvalitetsforbedres og til-bakeføres til reduksjonssonen idet den tilbakeførte gasstrøm oppvarmes før gjeninnføring i reduksjonssonen.

US-PS 3.765.872, 3.779.741 og 4.224.057 er eksempler på typer av direkte reduksjonsprosesser med bevegelige sjikt der foreliggende oppfinnelse er spesielt brukbar.

Med den siste tids dramatiske økning av brennstoffom-kostningene kan levedyktigheten til den kommersielle prosess settes alvorlig i fare hvis den ikke er brenselseffektiv. Fordi katalytiske reformere som benyttes i direkte reduksjonsprosesser må arbeide ved høye temperaturer for brukbare fortsatt funksjon og for å gi reduserende gass med de riktige be-standdeler kan slike reformer uten varmegjenvinning kun arbeide med maksimalt ca. 50% termisk effektivitet. ,

Reformeringsreaksjonen for lette hydrokarboner og naftaer skjer i katalytisk pakkede rør ved temperaturer fra 600 til 900°C. Katalysatorrørene er karakteristisk anbrakt i et strålingskammer der de flammeoppvarmes. De fremstilte røkgasser forlater kammeret karakteristisk ved en høy temperatur på ca. 1000°C.

For å øke den totale effektivitet i reformeren har det vært praksis i den senere tid og gjenvinne så myé av den termiske energi fra disse røkgasser som mulig, f.eks. ved å be-nytte varmevekslere for å forvarme reformermatblandingen av naturgass og damp, og danne den damp som er nødvendig for reaksjonen og for å forvarme forbrenningsluften som benyttes i reformerens brennere. På disse måter er det mulig å øke den totale termiske effektivitet for disse reformere til et område fra 80 til maksimum 90 eller 91%. Ved således å øke den termiske effektivitet i reformeren er imidlertid noe av den damp som fremstilles et overskudd av det som er nødvendig for reduksjonsprosessen. Dette kalles "eksport"-damp. Denne eksportdamp kan benyttes for å drive turbiner for å danne mekanisk eller elektrisk energi (f.eks. for anvendelse i drivpumper, kompressormotorer og lignende). På grunn av tilgjengeligheten av andre mere kostnadseffektive energi-kilder er imidlertid i mange anlegg bruken av overskuddsdamp fra reformeren for å fremstille eksportdamp uønsket. Det er også et trekk ved disse katalytiske reformere at de er meget følsomme overfor termiske sjokk og således bør drives i stabil tilstand. F.eks. tar en oppstarting av en reformer karakteristisk en til tre dager. Som en konsekvens er det ytterst ønskelig at reformeren ikke stenges under kortfristige prosess-avbrudd.

Den andre hovedkilde for energiforbruket i disse prosesser er varmeren som benyttes for å heve temperaturen av den avvannede oppfriskingsreduserende gass og/eller tilbakeført reduserende gass til et nivå som er passende for reduksjonen av malmen, nemlig fra 700 til 1100°C og fortrinnsvis mellom 870 og 9 50°C. Typisk holdes utløsetemperaturen for røkgassene fra denne separate varmer- vanligvis innen området 140 til 20 0°C og helst ca. 160°C. Driftsbetingelsene for varmeren avhenger av de spesielle driftsbetingelser for reaktoren som kan variere f.eks. på grunn av produktivitetsforandringer eller på grunn av forandring av malmtype.

Gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en apparatur for å redusere metallmalmer til me-tallpartikler med mindre totalt brenselsforbruk enn det som tidligere var nødvendig.

En ytterligere gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en slik fremgangsmåte og apparatur med en forbedret

total termisk effektivitet.

Ytterligere en gjenstand for oppfinnelsen er å oppnå

de foregående gjenstander på en mere effektiv og økonomisk måte enn det som var mulig ved de tidligere prosesser.

Ytterligere en gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en apparatur som gir større fleksibilitet ved den totale konstruksjon og drift av anlegget.

Andre gjenstander og fordeler ved oppfinnelsen ville fremgå av følgende beskrivelse og dennes foretrukne utførel-sesformer.

Der det i den senere tid har vært antatt nødvendig

å separere funksjonene for reformer og oppvarmer har søkeren oppdaget at disse kan kombineres i en viss grad for å reali-sere forbedret termisk effektivitet og brennstoffinnsparinger og likevel oppnå fleksibiliteten av uavhengig drift som er nødvendig for å opprettholde stabil drift av reformeren mens man tillater variasjoner i driften av oppvarmeren som respons på forandrende behov i reaktoren (inkludert stans).

Denne overraskende partielle integrering av reformeren og oppvarmeren er oppnådd ved å mate røkgassene fra reformeren (karakteristisk ved ca. 650 til 700°C) til oppvarmeren. Dette reduserer kjrenselsbehovene i oppvarmeren med en mengde lik varmeinnholdet i reformerens røkgasser. En uavhengig brenner i oppvarmeren er ansvarlig for reaktorens behov og tilfører resten av den energi som er nødvendig for å oppvarme de reduserende gasstilmatninger til reaktoren. Fordi oppvarmerens brenner er uavhengig av reformerens brenner kan oppvarmeren stenges og reformerrøkgassene skilles av fra oppvarmeren til avlufting gjennom en separert skorstein anordnet oppstrøms oppvarmeren. Dette tillater fortsatt drift av reformeren under stenging av oppvarmeren.

Denne integrering av reformerovnen og oppvarmingsovnen gir en forbedret total termisk effektivitet som vil være i størrelsesorden 93%. Ennu mere viktig er reduksjonen av varmeinnholdet pr. tidsenhet som er nødvendig for å fyre de integrerte ovner i motsetning til separate ovner, noe som gir en esti-mert brennstoffbesparelse på ca. 13%.

I foreliggende beskrivelse og i de ledsagende tegninger er det vist og beskrevet fortrukne utførelsesformer av oppfinnelsen og det er foreslått forskjellige alternativer og modifikasjoner av disse; det skal imidlertid være klart at disse ikke er ment å være utfyllende og at mange andre for-andringer og modifikasjoner kan skje innenfor oppfinnelsens ramme. Disse forslag er valgt og innarbeidet for illustrasjons-formål slik at fagmannen mere fullstendig forstår oppfinnelsen og dennes prinsipper og således vil være i stand til å modifi-sere den og utføre den i et antall former alt etter slik be-tingelsene i det aktuelle tilfelle tilsier.

En slik modifikasjon og utførelsesform er rettet mot

et prosessflytskjerna som innarbeider en andre uavhengig regulert oppvarmingsenhet ment å samarbeide med det integrerte oppvarmer- og reformersystem som beskrives generelt ovenfor. Denne andre oppvarmingsenhet kan konstrueres som en funksjonelt separat varmekilde med en varmeutgang valgt for effektivt å supplere varmen som dannes i det integrerte oppvarmer- og reformersystem. På denne måte kan kapitalomkostningene for det totale system nok en gang reduseres betydelig mens man bibe-holder prosesseffektivitet og oppnår forbedret fleksibilitet og driftspålitelighet. I tillegg er en koordinert prosesskon-struksjon som benytter en slik andre uavhengig regulert oppvarmer av vesentlig betydning ved kvalitetsforbedring av et kon-vensjonelt direkte reduksjonsanlegg med fast eller bevegelig sjikt som allerede arbeider med separat reformer og oppvarmer ved-å bibeholde den separate oppvarmer og erstatte den konven-sjonelle reformer med en enhet med øket kapasitet omfattende integrert oppvarmer-reformerenhét . som heri beskrevet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til de ledsagende tegninger der

figur 1 viser det prinsipielle flytskjema for frem-gangsmåten ifølge oppfinnelsen som anvender en integrert oppvarmer-ref ormerenhét ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen;

figur 2 viser en alternativ utførelsesform rettet mot anvendelse av en supplementsoppvarmer i forbindelse med en

integrert oppvarmer-reformerenhét som beskrevet i figur 1.

Selv om den følgende beskrivelse spesielt angår reduksjon av jernmalmer til jernsvamp skal det være klart for fagmannen at det direkte gassreduksjonssystem også kan anvendes på reduksjon av metallmalmer forskjellige fra jern.

Under henvisning til figur 1 angir referansetallet

10 generelt en vertikal sjaktreduksjonsreaktor med bevegelig sjikt med en reduksjonssone 12 i den øvre del og en avkjølings-sone 14 i den nedre del av reaktoren. Jernmalm som skal reduseres trer inn i toppen av reaktoren gjennom et innløp 16 og strømmer nedover gjennom reduksjonssonen 12 der den reduseres av oppoverstrømmende varm reduserende gass. Den reduserte jernmalm strømmer deretter nedover gjennom avkjølingssonen 14 og ut av reaktoren gjennom utløpet 18.

Reduksjonen av jernmalmen gjennomføres ved hjelp av en reduserende gass som i vensentlig grad består av karbonoksyd og hydrogen som fremstilles i en reformeringsenhet 30. Naturgass fra en kilde 40 strømmer gjennom strømningsregulatoren 42 og rørledningen 44 og deles deretter i en del som strømmer gjennom rørledningen 46 til et brukspunkt, f.eks. som røkgass, mens resten av naturgassen strømmer gjennom rørledningen 48 der den blandes med damp fra rørledningen 49. Blandingen av naturgass og damp strømmer gjennom rørledningen 50 og forvarmes i oppvarmingsrøret 52 hvoretter den oppvarmede blanding strøm-mer gjennom rørledningen 54 til katalysatorpakkede rør 56 hvori naturgassen og dampen reformeres og gir en reduserende gass som for det vesentlige består av hydrogen og karbonmonoksyd. Den varmereduserende gass trer ut av de katalysatorpakkede rør 56 gjennom rørledningen 58 ved en tempertur i området 700 til 10 00°C. Blandingen av naturgass og damp kan reformeres i reformeringsenheten 30 i henhold til ligningen;

CH4+ H20 3H2+ CO

Reformeringsenheten 30 er konstrusert slik at driften kan reguleres integrert med den for oppvarmingsenheten 80. Spesielt har reformeringsenheten 30 et strålingskammer 32 som inneholder de katalysatorpakkede rør 56, et første konvek sjonskammer 34 og en røkgasskorstein 36. Varme tilføres til reformeringsenheten 30 via brennere 38. Naturgass forbrennes i reformeringsenheten 30 hvorved forbrenningsproduktene i det første konveksjonskammer 3 4 har en temperatur i området 800 til 1200°C. Forbrenningsproduktene eller røkgass strømmer gjennom konveksjonskammeret 34 og gjennom oppvarmingsrøret 52 til innløpet for oppvarmingsenheten 80. Røkgasstempera-turen ved innløpet til oppvarmingsenheten 80 ligger i området 500 til 1000°C og fortrinnsvis 650 til 700°C. Oppvarmingsenheten 80 inneholder et andre konveksjonskammer 82 som står i forbindelse med en røkgasskorstein 84 gjennom en indusert trekkvifte 86. Røkgasskorsteinen 36 tjener til avlufting av varme røkgasser fra reformerenheten 30 til atmosfæren og passerer oppvarmingsenheten 80. Når oppvarmingsenheten 80 ikke er i drift er en demper 37 anbrakt slik at varmerøkgasser deles og avluftes gjennom skorsteinen 36 slik at de stabile driftsbetingelser for reformerenheten 30 opprettholdes.

Den reduserende gass som strømmer gjennom rørledningen 58 og inneholder ca. 20 til 25 volum-% vann, føres gjennom avvannskokeren 60, varmeveksleren 62 og bråkjøleren 64 hvori vannet i den reduserende gass kondenseres. Den relativt

tørre, dvs. ca. 1% vann, og avkjølte reduserende gass strøm-mer gjennom rørledningen 66 og kombineres med reaktorgass-avløpet fra den reduserende sone i: reaktoren 10.

Hva angår reaktoren 10 skjer som angitt ovenfor reduksjonen av gassen ved hjelp av en reduserende gass som hovedsakelig består av karbonmonoksyd og hydrogen som oppvarmes i oppvarmingsenheten 80 til en temperatur innen området ca. 7 50 til 1000°C og deretter strømmer gjennom rørledningen 100 til reaktoren 10. Etter innblåsing i reaktoren strømmer den varme reduserende gass oppover gjennom den partikkelformige jernmalm i reduksjonssonen 12 for å redusere malmen til jernsvamp. Gassen som trer ut på toppen av malmsjiktet i reduksjonssonen 12 forlater reaktoren gjennom rørledningen 10 2 og strømmer gjennom en bråkjøler 104 der den avkjøles og avvannes med direkte kontakt med kjølevannet.

Den avkjølte og avvannede reduserende gass forlater kjøleren 10 4 gjennom rørledningen 106 og deles deretter i en del som strømmer gjennom rørledningen 108 til et egnet lag-ringspunkt eller brukspunkt, f.eks. som brenselsgass. Resten av den reduserende gass gjennom rørledningen 10 6 føres gjennom rørledningen 110 til en pumpe 112 ved hjelp av hvilken den pumpes gjennom rørledningen 114 til CO^ fjerningsenheten 116 for å fjerne CG^ fra reaktoravløpet. Kvalitetsforbedret reduserende gass strømmer deretter gjennom rørledningen 118

til et blandepunkt med oppfriskningsreduserende gass gjennom rørledningen 66 fra reformerenheten 30.

Blandingen av reaktoravløp og oppfrisknigsgass strøm-mer gjennom rørledningen 120 til oppvarmingsenheten 80 der den oppvarmes i oppvarmingsrør 81 anordnet i konveksjonskammeret 82. Varme tilføres til oppvarmingsenheten 80 ved hjelp av brennere 88 som styres av en regulator 90. Således strøm-mer en vesentlig del av den reduserende gass i en reduserende sløyfe, omfattende reduksjonssonen 12, rørledningen 102, kjøle-ren 104, rørledningen 106 og 110, pumpen 112, rørledningen 114, CG^-fjerningsenheten 116, rørledningen 118 og 120, oppvarmingsenheten 80 og rørledningen 100. Til denne sløyfe kommer oppfriskningsreduserende gass gjennom rørledningen 6 6 fra reformerenheten 30 og kombineres med reaktoravløpet i rørledningen 118 for strømning gjennom rørledningen 120 til oppvarmingsenheten 80. Som vist i tegningen er rørledningen 10 8 utstyrt med en tilbaketrykksregulator 109 for å holde et ønsket forhøyet trykk i reaktoren.

Avkjølingssonen 14 utgjør på samme måte som reduksjonssonen 12 også en del av gasstrømsløyfen. Kjølegass trer inn i bunnen av kjølesonen gjennom rørledningen 122 og strømmer oppover gjennom kjølesonen 14 til et punkt 124 der den går ut og til en kjøler 126 hvor den avkjøles og avvannes og deretter føres gjennom rørledningen 108 til sirkulasjonspumpen 130 ved hjelp av hvilken den pumpes gjennom rørledningen 132 tilbake til rørledningen 122.

Hva angår utførelsesformen som er vist i figur 2 skal det påpekes at fordi den prinsipielle reduksjonsprosess er lik den som er beskrevet i figur 1 vil den detaljerte beskrivel se som følger primært begrenses til de vesentlige forskjeller mellom de respektive utførelsesformer. Det skal videre påpekes at utstyr som er vist i figur 2, men ikke beskrevet er likt eller identisk med det tilsvarende utstyr som er beskrevet og vist i figur 1.

Reduksjon av jernmalm gjennomføres ved hjelp av en reduserende gass bestående hovedsakelig av karbonmonoksyd og hydrogen fremstilt i en reformerenhét som beskrevet i forbindelse med prosesskjemaet i figur 1. Varm reduserende gass blåses inn gjennom rørledningen 200 til reaktoren og strømmer oppover gjennom den partikkelformige jernmalm i reduksjonssonen 219 for å bevirke reduksjon av jernmalmen til jernsvamp. Gassen fra toppen av malmsjiktet i reduksjonssonen 219 trer

ut av reaktoren gjennom rørledningen 20 2 og strømmer gjennom en bråkjøler og C02~fjerningsenhet, hvis nødvendig, som beskrevet i figur 1. Den reduserende gass fra kjøleren, C02-fjerningsenheten og dermed forbundet utstyr strømmer gjennom rørledningen 20 4 for kombinering med supplerende gass refor-mert i reformeren 230 og strømmende fra bråkjøleren 264 til og gjennom rørledningen 20 6 for å danne en kombinert gasstrøm i rørledningen 208. En andel av gasstrømmen gjennom rørled-ningen 208 strømmer inn i og gjennom rørledningen 210 og gjennom oppvarmingsrøret 212 anbrakt i oppvarmingsenheten 220. Den gjenværende del av gassen som strømmer gjennom rør-ledningen 208 strømmer inn i og gjennom rørledningen 210 for innblåsing i oppvarmingsrør 216 som befinner seg i oppvarmingsenheten 280 (konstruert for å samarbeide med reformeringsenheten 230 på samme måte som'det integrerte system som er vist i figur 1).

Gassen som strømmer gjennom oppvarmingsenheten 280 oppvarmes i denne og trer ut gjennom rørledningen 218. På samme måte blir gassen som strømmer gjennom oppvarmingsrørene 212 oppvarmet og trer ut av oppvarmingsenheten 2 20 gjennom rørledningen 221. De oppvarmede gasser som strømmer gjennom rørledningene 218 og 221 kombineres og blåses inn i oppvarmingsenheten 220 og gjennom rørledningen 222 og blir på regulært måte oppvarmet i oppvarmingsrøret 224 og 226. Den kombinerte gasstrøm trer ut av oppvarmingsenheten 220 gjennom rørlednin-gen 200 og tilbakeføres til reaktoren gjennom rørledningen 200 .

De relative mengder av varme som tilføres i oppvar-mingsenhetene 220 og 280 til de respektive gasstrømmer som strømmer gjennom disse kan varieres på regulært måte. Avhengig av forskjellige prosessbetingelser kan der være ønskelig å minimalisere varmebehovet i den supplementære oppvarmingsenhet 220 eller det kan være fordelaktig å rédusere mengden av varme som tilføres i oppvarmingsenheten 280. Uansett mengde av varme som tilføres til disse enheter bør temperaturen i den reduserende gass som tilbakeføres til reaktoren gjennom rørledningen 200 være i området ca. 750 til 1000°C.

Claims (18)

1. Fremgangsmåte for redusering av partikkelformige metallmalmer til svampmetall omfattende å føre en varm reduserende gass i det vesentlige bestående av karbonmonoksyd og hydrogen gjennom et legeme av nevnte malm i en reaktor, fjerning av vann fra avløpsgassen fra reaktoren, tilbake-føring av i det minste en del av avløpsgassen til reaktoren for å danne en reduserende gasslø yfe, reformering av en hydrokarbonholdig gass i en katalytisk reformer ved forhøyet temperatur for å oppnå supplerende reduserende gassråstoff til sløyfen, og brenning av et egnet brennstoff for å oppnå varme ■ forbrenningsprodukter for^ oppvarming av nevnte gass i reformeren, karakterisert ved at nevnte varme forbrenningsprodukter etter føring gjennom reformeren føres gjennom et oppvarmingskammer i varmevekslingsforhold med minst en andel av nevnte reaktoravløpsgass for å oppvarme denne.

2.. Fremgangsmåte ifølge krav 1, kar:akteris ert ved at det som hydrokarbonholdig gass anvendes naturgass.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som nevnte egnede brennstoff anvendes i det minste delvis avløpsgass fra reaktoren.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at avløpsgassen behandles for å fjerne karbondioksyd.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at avløpsgassen oppvarmes i det minste delvis ved varme forbrenningsproduktene og delvis ved varme som tilføres i en uavhengig regulerbar oppvarmer.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at nevnte uavhengige oppvarmer har en første oppvarmingssone med relativt lav temperatur og en andre oppvarmingssone med relativt høy temperatur idet en første strøm av av-løpsgassen mates til den første oppvarmingssone, en andre strøm av avløpsgassen mates til oppvarmingskammeret og nevte første og andre strøm kombineres og mates til den andre oppvarmingssone i den uavhengige regulerbare oppvarmer.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forbrenningsproduktene som passerer gjennom reformeren slippes ut til atmosfæren i perioder der oppvarmingskammeret ikke er i drift.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at avløpsgassen fra reaktoren avkjøles for å fjerne vann fra denne og at den•tilbakeførte andel gjenoppvarmes.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at nevnte egnede brennstoff i det minste delvis er et fossilt brennstoff.

10. Apparatur for redusering av partikkelformige metallmalmer til metallsvamp omfattende en ■' .vertikal skaftreaktor med bevegelig sjikt og med en reduksjonssone der metallmalmen reduseres med en varm reduserende gass i det vesentlige bestående av karbonmonoksyd og hydrogen, gassinnløp og utløp anbrakt i motsatte ender av re-duks jonssonen, en ytre ledning som forbinder innløpet og ut-løpet og omfatter en vannfjerningsenhet og en primær oppvarmingsenhet , en katalytisk reformer tilpasset til fremstilling av suppleringsreduserende gass ved reformering av hydrokarboner, brennere for å tilveiebringe varme for reformeringen ved forbrenning av et egnet brennstoff som gir varmerøkgasser, karakterisert ved midler for overføring av nevnte varme røkgasser til oppvarmingsenheten, hvorved varme innholdet i de varme røkgasser benyttes for oppvarming av gass som sirkuleres gjennom rørledningen, og forbiføringsinnretninger ment for å lufte av nevnte varme røkgasser fra reformeren før de når nevnte oppvarmingsenhet når den siste ikke er i drift hvorved reformeren kan fortsette å virke.

11. Apparatur ifølge krav 10, karakterisert ved at den ytre ledning omfatter en karbondioksydfjerningsenhet.

12. Apparatur ifølge krav 10, karakterisert ved at forbiføringsmidlene omfatter en røkgasskorstein og en demper i denne for selektivt å regulere strømmen av varme røkgasser til oppvarmingsenheten.

13. Apparatur ifølge krav 10, karakterisert ved at oppvarmingsenheten har en andre brenneranordning.

14. Apparatur ifølge krav 10, karakterisert ved at vannfjerningsenheten er en bråkjøler.

15. Apparatur ifølge krav 14, karakterisert ved en ytterligere uavhengig oppvarmingsenhet.

16. Apparatur ifølge krav 15, karakterisert ved at nevnte primære og nevnte supplerende oppvarmingsenhet er forbundet med nevnte ytre ledning i parallell.

17. Apparatur ifølge krav 15, karakterisert ved at den supplerende oppvarmingsenhet har en første oppvarmingssone med relativt lav temperatur og en andre oppvarmingssone med relativt høy temperatur idet den primære oppvarmingsenhet og den første oppvarmingssone i den supplementære oppvarmingsenhet er forbundet i parallell og deretter er forbundet i serie med nevnte andre oppvarmingssone i den supplerende oppvarmingsenhet.

18. Apparatur ifølge krav 16, karakterisert ved en karbondioksydfjerningsenhet i den ytre ledning.