WO2002000944A1 - Verfahren und anlage zur direktreduktion von teilchenförmigen oxidhältigen erzen - Google Patents

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WO2002000944A1
WO2002000944A1 PCT/AT2001/000208 AT0100208W WO0200944A1 WO 2002000944 A1 WO2002000944 A1 WO 2002000944A1 AT 0100208 W AT0100208 W AT 0100208W WO 0200944 A1 WO0200944 A1 WO 0200944A1
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gas
fluidized bed
reducing gas
stage
reduction
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PCT/AT2001/000208
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Leopold Werner Kepplinger
Wolfgang Hillisch
Martin Hiebler
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Voest-Alpine Industrieanlagenbau Gmbh & Co
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    • 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
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    • Y02P10/143—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions of methane [CH4]

Definitions

  • the invention relates to a process for the direct reduction of particulate oxide-containing ores, in particular of iron oxide-containing material, in a fluidized bed process at a pressure> 5 bar, the ore being heated with the aid of a reducing gas generated from natural gas in a fluidized bed reactor designed as a preheating stage, and optionally also being reduced, subsequently is reduced to sponge iron in at least one fluidized bed reactor designed as a reduction stage and the reducing gas is conducted from the reduction stage to the preheating stage via a reducing gas line in the opposite direction of the material to be reduced which is conducted from stage to stage, is withdrawn as top gas and is returned to the reduction stage after cleaning, and also a Plant for carrying out the process.
  • a method of this type is known for example from AT-B - 402 937.
  • iron oxide-containing material is reduced in four fluidized bed reduction zones connected in series.
  • freshly formed reducing gas is partly supplied directly to the fluidized bed reduction zones following the first fluidized bed reduction zone in the direction of reducing gas flow in addition to the reducing gas flowing through the fluidized bed reduction zones in series, so that the fluidized bed reduction zones are connected both in series and in parallel with regard to the reduction gas flow.
  • the additionally supplied, freshly formed reducing gas is preferably fed to the individual fluidized bed reduction zones in an amount of 5 to 15% in each case.
  • the reduction potential of the reducing gas conducted in countercurrent is reduced, that is to say its oxidation potential increases from stage to stage, that is to say in accordance with the operating time of the reducing gas.
  • so-called auto-reforming reactions can occur, which determine the methane content in the reducing gas, which is an inert gas component. lower and increase the amount of reducing gas components (CO, H 2 ), whereby thermodynamic advantages can be achieved in the reduction of the solid.
  • the amount of the so-called make-up gas, ie freshly supplied reducing gas can be reduced by the in-situ generation of CO and H, as a result of which the entire gas system can be downsized.
  • a method is known from WO-A-97/13878 in which a part of the reducing gas flowing from a final reduction stage into a pre-reduction stage is branched off, washed, cleaned of CO 2 and heated and then returned to the final reduction stage.
  • the reduction gas removed and branched off from the final reduction stage can be heated to the reduction temperature in this case recuperatively and / or regeneratively and / or by partial combustion of the removed part of the reduction gas.
  • WO-A-97/07247 describes a process in which an export gas drawn off from a reduction zone for the direct reduction of iron oxide-containing material is subjected to CO 2 elimination and heating and is fed to a further reduction zone for the direct reduction of iron oxide-containing material, the heating being carried out in two stages can take place, in a first stage by heat of the export gas emerging from the further reduction zone, which is burned, for example, and gives up heat recuperatively to the reducing gas supplied to the further reduction zone, and in a second stage by partial combustion of freshly supplied reduction gas from the further reduction zone.
  • JP 58-34114 A a method for reducing fine-grained iron ore is known, in which the reducing gas for the final reduction stage is generated by decomposing and reforming hydrocarbon by means of the oxidizing exhaust gas withdrawn from the final reduction zone, the iron ore being removed in a first stage the hydrocarbon deposited carbon is pre-reduced.
  • the oxidizing exhaust gas is heated before it is brought into contact with the hydrocarbon. No.
  • 3,985,547 A describes a process for iron ore reduction in a multiple fluidized bed reactor, in which fresh reducing gas is generated by substoichiometric combustion of methane and oxygen in a burner assigned to the reactor, the burner of which is arranged with its outlet opening between the lowermost and the fluidized bed above.
  • the used reducing gas emerging from the top fluidized bed is cleaned, freed of water and CO 2 and, when heated, is fed to the bottom fluidized bed as a recycling reducing gas.
  • the invention has for its object to subject the reduction gas in a process of the type described in the introduction from a fluidized bed reduction zone into the downstream fluidized bed reduction zone to such a heating that the reducing gas and the solid in a kinetically and thermodynamically for the reduction brought favorable temperature range in which auto-reforming reactions to increase the proportion of reductants in the reducing gas can take place, but a melting of the dust contained in the reducing gas caused by local overheating and the problems associated therewith should be avoided.
  • This object is achieved in that heat is supplied to the reduction gas supplied to the reduction stage and / or preheating stage, namely by burning an external fuel gas, in particular natural gas, together with oxygen and / or air.
  • the combustion gas is preferably burned in a combustion chamber, the combustion chamber being flooded directly by reducing gas which flows from a fluidized bed reduction stage into the fluidized bed reduction or preheating stage downstream in the direction of the gas flow.
  • the outlay on equipment is kept as low as possible.
  • the combustion gas is burned in a combustion chamber separate from the reduction gas line.
  • the combustion gas formed here is only then allowed to flow into the reducing gas line. This means that any flame fronts that occur during combustion are leveled before they come into contact with the dust-laden reducing gas.
  • the combustion gas is advantageously mixed with the reducing gas in a mixing chamber. This results in better mixing of the reducing gas with the combustion gas.
  • the degree of oxidation of the reducing gas can advantageously be changed and production of reducing gas components can be initiated, as a result of which the reducing gas composition can be influenced.
  • the fuel gas is burned in a burner within a fluidized bed reactor provided for the direct reduction of the oxide-containing ores.
  • the combustion can take place either below the fluidized bed, at the level of the fluidized bed or above the fluidized bed. It is also conceivable that all burners are arranged in the fluidized bed reactors.
  • This embodiment has the advantage that the heat can be supplied to the reducing gas in a very targeted and particularly efficient manner. If the burner is arranged at the level of the fluidized bed or above the fluidized bed, the thermal load on the distributor base is reduced compared to the arrangement below the fluidized bed and the fouling of solid matter at or in the nozzles and openings of the distributor base is prevented.
  • a plant for carrying out the method according to the invention with at least two fluidized bed reactors connected in series for the direct reduction of particulate oxide-containing ores, in particular iron oxide-containing material, by means of a CO and H 2 -containing reduction gas produced from natural gas, with a reduction gas supply line to the last fluidized bed reactor seen in the flow direction of the oxide-containing material, a top gas discharge from the first fluidized bed reactor seen in the flow direction of the iron oxide-containing material, which line-wise with the reduction gas supply line is in connection, and with a reducing gas line provided for guiding the reducing gas from a fluidized bed reactor into the upstream fluidized bed reactor is characterized in that the system is piped with at least one burner for burning an external fuel gas, in particular natural gas, with oxygen and / or air connected is.
  • the burner has a combustion chamber which is provided directly in the reducing gas line and preferably as one in diameter
  • the burner has a combustion chamber, which is connected in line with the reducing gas line.
  • a mixing chamber is expediently provided at the mouth of the line leading from the combustion chamber into the reducing gas line.
  • the burner is advantageously arranged in one of the fluidized bed reactors. It is arranged either below the fluidized bed, at the level of the fluidized bed or above the fluidized bed.
  • FIGS. 1 to 3 each illustrating an advantageous variant of the method according to the invention in a block diagram
  • FIGS. 4 to 6 illustrating an enlarged detail of a preferred embodiment.
  • the plant shown in FIG. 1 has four fluidized bed reactors 1 to 4 connected in series, with particulate oxide-containing ore, such as iron oxide-containing ore, via a feed system 5 and an ore feed line 6 to the first fluidized bed reactor 1, in which preheating of the fine ore in a preheating stage 7 and possibly a pre-reduction takes place, is fed and is subsequently passed from fluidized bed reactor 1 to fluidized bed reactor 2, 3 and 4 via delivery lines 11.
  • the fluidized bed reactors 2 and 3 one takes place in two pre-reduction stages 8 and 9 Pre-reduction and in the fluidized bed reactor 4 in a final reduction stage 10 a final reduction of the fine ore.
  • the finished reduced material is fed via a conveyor line 12 to a collecting container 13, from where it reaches a briquetting device 14, in which it is hot or cold briquetted. If necessary, the reduced material is protected against reoxidation during transport, storage and briquetting by an inert gas system, not shown.
  • the fine ore Before the fine ore is introduced into the first fluidized bed reactor 1 via the feed system 5, it is subjected to ore preparation, such as drying and sieving, which is not shown in detail.
  • Reducing gas is conducted in countercurrent to the ore flow from fluidized bed reactor 4 to fluidized bed reactor 3 to 1 via connecting lines 15 and as top gas via a top gas discharge line 16 derived from the last fluidized bed reactor 1 in the gas flow direction and cooled and washed in a wet scrubber 17, during the implementation of the fluidized bed process a pressure of> 5 bar is maintained.
  • the reduction gas is produced by reforming any previously desulfurized natural gas, air and water vapor in a steam reformer 18.
  • the reformed gas formed essentially consists of H 2 , CO, CH 4 , H 2 O and CO 2 .
  • This reformed gas is fed via a gas delivery line 19, which ends with the top gas discharge line 16, together with the top gas compressed by means of a compressor 20 to a CO 2 elimination system 21 and subsequently to a gas heater 22 and from there via a reducing gas feed line 23 to the Flow direction of the fine ore last arranged fluidized bed reactor 4 fed.
  • the CO 2 elimination system 21 can be designed, for example, as a pressure swing adsorption system or as a chemical or physical CO wet scrubber. If necessary, top gas and reducing gas or a part thereof can also be supplied to the gas heater 22 via a line 24 without CO 2 elimination. Part of the top gas can also be supplied to the gas heater 22 as a fuel gas via a branch line 25.
  • burner 26 In order to supply heat to the reducing gas flowing into the pre-reduction stages 8 and 9 and / or into the preheating stage 7, there are on the connecting lines 15 which have thickened portions 15a at these points, which the reducing gas flows through Combustion chambers act, burner 26 arranged.
  • the burners 26, which is fed as air in parallel via a 'supply line 27 external fuel gas such as natural gas, as well as air and / or oxygen in the form of another oxygen-containing gas is supplied.
  • the gas temperature increases to auto-reforming processes and to the production of further reducing components, which advantageously increases the reduction potential of the reducing gas and additionally prevents sticking in the fluidized bed reactors.
  • burners 26, into which in turn external fuel gas and oxygen and / or air open, are arranged on combustion chambers 28 which are separated from the connecting lines 15 but are connected to them in terms of lines, so that flame fronts which may occur during the combustion are already in the combustion chambers 28 are made more uniform before the combustion gas comes into contact with the possibly dust-laden reducing gas flowing in the connecting lines 15 ' .
  • FIG. 3 differs from that illustrated in FIG. 2 by mixing chambers 29 arranged in the connecting lines 15, in which the hot combustion gas generated in the combustion chambers 28 is mixed with the reducing gas. Because of the longer residence time of the reducing gas in the mixing chambers 29, the mixing process can be completed more quickly and more quickly.
  • the combustion of the external fuel gas used takes place together with oxygen and / or air by means of a burner assigned to a fluidized bed reactor.
  • the fluidized bed reactor 30 shown schematically in FIG. 4 shows an interior 31 divided into three zones, to which a gas supply line 32 leads down and an exhaust line 33 leads away at the upper end.
  • the lowest zone 34 is separated from the central zone 35 by the distributor base 37, which distributes the reducing gas flowing through the interior 31 of the fluidized bed reactor 30 from bottom to top evenly over the entire cross section of the fluidized bed reactor 30 and thereby produces a uniform fluidized bed of fine ore particles.
  • the boundary between the central zone 35 formed by the fluidized bed and the uppermost zone 36 forming a free space, the so-called freeboard, is less sharp than in the two lower zones.
  • the gas space is calmed down in the freeboard, thereby preventing ore particles from being discharged from the fluidized bed reactor 30.
  • a burner 38 is arranged, to which an oxygen and / or air line, not shown, and a fuel gas line lead.
  • the hot combustion gases lead to this Fluidized bed reactor 30 flowing reducing gas to heat or lead to auto-reforming reactions.
  • the burner 38 is arranged in the central zone 35, in the fluidized bed. This embodiment is advantageous if the reducing gas is particularly dust-laden, since there is no danger that the distributor floor 37 will be laid by melting dust.
  • FIG. 6 shows a preferred embodiment in which the burner 38 is arranged in the freeboard 36.
  • the heat is transferred by means of radiation and / or convection through particles discharged from the fluidized bed, which are then fed back into the fluidized bed, e.g. by gravitation or by means of a cyclone.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments shown in the drawing, but can be modified in various ways. For example, it is possible to choose the number of fluidized bed reactors depending on the requirements.
  • the reducing gas can also be generated by various known methods.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Direktreduktion von teilchenförmigen oxidhältigen Erzen, insbesondere von eisenoxidhältigem Material, im Wirbelschichtverfahren bei einem Druck >5 bar, wobei das E rz mit Hilfe eines aus Erdgas erzeugten Reduktionsgases in einem als Vorwärmstufe (7) ausgebildeten Wirbelschichtreaktor (1) erhitzt, gegebenenfalls auch vorreduziert wird, anschließend in mindestens einem als Reduktionsstufe (8, 9) ausgebildeten Wirbelschichtreaktor (2, 3) zu Eisenschwamm reduziert wird und das Reduktionsgas über eine Reduktionsgasleitung (15) in Gegenrichtung des von Stufe zu Stufe geleiteten zu reduzierenden Materials von der Reduktionsstufe (8, 9) zur Vorwärmstufe (7) geleitet wird, als Topgas abgezogen und nach Reinigung in die Reduktionsstufe (8, 9) rückgeführt wird, wird dem der Reduktionsstufe (8, 9) und/oder Vorwärmstufe (7) zugeführten Reduktionsgas Wärme zugeführt, und zwar durch Verbrennung eines externen Brenngases, insbesondere Erdgas, zusammen mit Sauerstoff und/oder Luft.

Description

Verfahren und Anlage zur Direktreduktion von teilchenförmi en oxidhältigen Erzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von teilchenförmigen oxidhältigen Erzen, insbesondere von eisenoxidhältigem Material, im Wirbelschichtverfahren bei einem Druck > 5 bar, wobei das Erz mit Hilfe eines aus Erdgas erzeugten Reduktionsgases in einem als Vorwärmstufe ausgebildeten Wirbelschichtreaktor erhitzt, gegebenenfalls auch vorreduziert wird, anschließend in mindestens einem als Reduktionsstufe ausgebildeten Wirbelschichtreaktor zu Eisenschwamm reduziert wird und das Reduktionsgas über eine Reduktionsgasleitung in Gegenrichtung des von Stufe zu Stufe geleiteten zu reduzierenden Materials von der Reduktionsstufe zur Vorwärmstufe geleitet wird, als Topgas abgezogen und nach Reinigung in die Reduktionsstufe rückgeführt wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der AT-B - 402 937 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird eisenoxidhältiges Material in vier in Serie hintereinander geschalteten Wirbelschicht-Reduktionszonen reduziert. Um in allen Wirbelschicht- Reduktionszonen eine etwa gleich hohe konstante Temperatur einzustellen, wird frisch gebildetes Reduktionsgas zum Teil den der in Reduktionsgas-Strömungsrichtung ersten Wirbelschicht-Reduktionszone folgenden Wirbelschicht-Reduktionszonen zusätzlich zu dem die Wirbelschicht-Reduktionszonen in Serie durchströmenden Reduktionsgas direkt zugeführt, so daß die Wirbelschicht-Reduktionszonen hinsichtlich der Reduktionsgasführung sowohl in Serie als auch parallel geschaltet sind. Das zusätzlich zugeführte, frisch gebildete Reduktionsgas wird den einzelnen Wirbelschicht-Reduktionszonen hierbei vorzugsweise in einer Menge von jeweils 5 bis 15% zugeführt.
Bei Wirbelschicht-Reaktorkaskaden mit Gegenstromfuhrung von eisenoxidhältigem Material und Reduktionsgas, wie aus der AT-B - 402 937 bekannt, kommt es zu einer schrittweisen Erwärmung des Feststoffs entsprechend der Enthalpieabnahme des Gases. Dies kann unter Umständen dazu führen, daß die Temperatur in den einzelnen Reduktionsstufen zu gering wird, wodurch eine Reaktion des Feststoffs mit dem Gas kinetisch und thermodynamisch behindert wird.
Durch Reduktion des eisenoxidhältigen Materials verringert sich das Reduktionspotential des im Gegenstrom geführten Reduktionsgases, d.h. sein Oxidationspotential nimmt von Stufe zu Stufe, d.h. entsprechend der Einsatzzeit des Reduktionsgases, zu. Durch Erhöhung der Temperatur des Reduktionsgases können sogenannte Autoreforming-Reaktionen ablaufen, welche den Gehalt an Methan im Reduktionsgas, das eine inerte Gaskomponente darstellt, absenken und die Menge an reduzierenden Gasbestandteilen (CO, H2) erhöhen, wodurch thermodynamische Vorteile bei der Reduktion des Feststoffs erzielt werden können. Weiters kann durch die in-situ-Generierung von CO und H die Menge des sogenannten Make-up- Gases, d.h. frisch zugeführten Reduktionsgases, abgesenkt werden, wodurch die gesamte Gasanlage verkleinert werden kann.
Aus der WO-A - 97/13878 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Teil des aus einer Endreduktionsstufe in eine Vorreduktionsstufe strömenden Reduktionsgases abgezweigt, gewaschen, von CO2 gereinigt sowie aufgeheizt und anschließend in die Endreduktionsstufe rückgeführt wird. Die Erhitzung des der Endreduktionsstufe entnommenen und abgezweigten Reduktionsgases auf Reduktionstemperatur kann hierbei rekuperativ und/oder regenerativ und/oder durch eine Teilverbrennung des entnommenen Teils des Reduktionsgases erfolgen.
In der WO-A - 97/07247 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein aus einer Reduktionszone zur Direktreduktion eisenoxidhältigen Materials abgezogenes Exportgas einer CO2- Eliminierung sowie einer Aufheizung unterzogen und einer weiteren Reduktionszone zur Direktreduktion eisenoxidhältigen Materials zugeführt wird, wobei die Aufheizung zweistufig erfolgen kann, und zwar in einer ersten Stufe durch Wärme des aus der weiteren Reduktionszone austretenden Exportgases, welches z.B. verbrannt wird und Wärme rekuperativ an das der weiteren Reduktionszone zugeführte Reduktionsgas abgibt, und in einer zweiten Stufe durch Teilverbrennung von der weiteren Reduktionszone frisch zugeführtem Reduktionsgas.
Wird das staubbeladene Reduktionsgas direkt mit Sauerstoff verbrannt, wie gemäß der WO-A - 97/13878 und der WO-A - 97/07247, so können lokal sehr hohe Temperaturen auftreten, die nachteilig zu einem Anschmelzen des Staubes führen. Dies ist nicht erwünscht, da das Anschmelzen des Staubes zu Störungen im Direktreduktionsverfahren führt; es kommt zu Agglomerationen und Anbackungen an Wänden der Reduktionsgefäße und Förderleitungen.
Aus der JP 58-34114 A ist ein Verfahren zur Reduktion von feinkörnigem Eisenerz bekannt, bei dem das Reduktionsgas für die Endreduktionsstufe durch Zersetzung und Reformierung von Kohlenwasserstoff mittels des aus der Endreduktionszone abgezogenen oxidierenden Abgases erzeugt wird, wobei das Eisenerz in einer ersten Stufe durch aus dem Kohlenwasserstoff abgeschiedenen Kohlenstoff vorreduziert wird. Zur Bereitstellung der für die Erzeugung des Reduktionsgases benötigten Energie wird das oxidierende Abgas erhitzt, bevor es mit dem Kohlenwasserstoff in Kontakt gebracht wird. In der US 3,985,547 A ist ein Verfahren zur Eisenerzreduktion in einem Mehrfachwirbelbettreaktor beschrieben, bei dem frisches Reduktionsgas durch unterstöchiometrische Verbrennung von Methan und Sauerstoff in einem dem Reaktor zugeordneten Brenner erzeugt wird, der mit seiner Auslassöffnung zwischen dem untersten und dem darüber gelegenen Wirbelbett angeordnet ist. Das aus dem obersten Wirbelbett austretende verbrauchte Reduktionsgas wird gereinigt, von Wasser und CO2 befreit und im erhitzten Zustand dem untersten Wirbelbett als Recycling-Reduktionsgas zugeführt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art das Reduktiongas beim Strömen von einer Wirbelschicht-Reduktionszone in die dieser nachgeschaltete Wirbelschicht-Reduktionszone so einer Aufheizung zu unterziehen, daß das Reduktionsgas und der Feststoff in einen für die Reduktion kinetisch und thermodynamisch günstigen Temperaturbereich gebracht werden, in welchem Autoreformingreaktionen zur Erhöhung des Reduktandenanteils im Reduktionsgas ablaufen können, wobei jedoch ein durch eine lokale Überhitzung bedingtes Anschmelzen des im Reduktionsgas enthaltenen Staubes und die damit verbundenen Probleme vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem der Reduktionsstufe und/oder Vorwärmstufe zugeführten Reduktionsgas Wärme zugeführt wird, und zwar durch Verbrennung eines externen Brenngases, insbesondere Erdgas, zusammen mit Sauerstoff und/oder Luft.
Durch die Verbrennung eines staubfreien Brenngases, wie z.B. Erdgas, mit einem ' sauerstoffhältigen Gas vermeidet man die lokal sehr hohen Temperaturen, die entstehen, wenn das staubbeladene Reduktionsgas direkt mit Sauerstoff verbrannt wird.
Durch die Erhöhung der Reduktionsgastemperatur mittels der erfindungsgemäßen Verbrennung eines Brenngases werden Autoreformingreaktionen in der Gasphase thermodynamisch sowie kinetisch bevorzugt, wobei der vorhandene Staub im Reduktionsgas als Katalysator wirken kann. Bei diesen Autoreformingreaktionen kommt es zum Umsetzen von Methan mit CO2 bzw. H2O, wobei CO bzw. H2 gebildet werden. Durch diese in-situ- Generierung der reduzierenden Bestandteile kann einerseits die Reduktionsgasanalyse und somit auch thermodynamisch die Reduktion feinteilchenförmigen oxidhältigen Materials verbessert werden und andererseits die Menge des Make-up-Gases, d.h. frisch zugeführten Reduktionsgases, reduziert werden. Vorzugsweise erfolgt erfindungsgemäß die Verbrennung des Brenngases in einer Brennkammer, wobei die Brennkammer direkt von Reduktionsgas, das von einer Wirbelschicht-Reduktionsstufe in die in Richtung des Gasflusses nachgeschaltete Wirbelschicht-Reduktions- bzw. Vorwärmstufe strömt, geflutet wird. Hierdurch wird der apparative Aufwand so gering wie möglich gehalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verbrennung des Brenngases in einer von der Reduktionsgasleitung separaten Brennkammer. Das hierbei gebildete Verbrennungsgas wird erst anschließend in die Reduktionsgasleitung strömen gelassen. Hierdurch werden möglicherweise auftretende Flammenfronten bei der Verbrennung nivelliert, bevor sie mit dem staubbeladenen Reduktionsgas in Kontakt gelangen.
Vorteilhaft wird das Verbrennungsgas mit dem Reduktionsgas in einer Mischkammer gemischt. Hierdurch erreicht man eine bessere Vermischung des Reduktionsgases mit dem Verbrennungsgas .
Durch Zuführung eines weiteren Stoffes, wie Erdgas oder anderer Kohlenwasserstoffe, in die Mischkammer läßt sich vorteilhaft in Abhängigkeit von der Art des Stoffes der Oxidationsgrad des Reduktionsgases verändern sowie eine Produktion von reduzierenden Gasbestandteilen initiieren, wodurch die Reduktionsgaszusammensetzung beeinflußt werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird das Brenngas in einem Brenner innerhalb eines für die Direktreduktion der oxidhältigen Erze vorgesehenen Wirbelschicht-Reaktors verbrannt. Die Verbrennung kann je nach Anordnung des Brenners entweder unterhalb des Wirbelbetts, in Höhe des Wirbelbetts oder oberhalb des Wirbelbetts erfolgen. Auch ist es denkbar, daß alle Brenner in den Wirbelschicht-Reaktoren angeordnet sind.
Diese Ausführungsform hat zum Vorteil, daß dem Reduktionsgas die Wärme äußerst gezielt und besonders effizient zugeführt werden kann. Wird der Brenner in Höhe des Wirbelbettes oder oberhalb des Wirbelbettes angeordnet, wird gegenüber der Anordnung unterhalb des Wirbelbettes die thermische Belastung des Verteilerbodens verringert und das Fouling von Feststoff an bzw. in den Düsen und Öffnungen des Verteilerbodens verhindert.
Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit mindestens zwei in Serie hintereinandergeschalteten Wirbelschichtreaktoren zur Direktreduktion von teilchenförmigen oxidhältigen Erzen, insbesondere eisenoxidhältigem Material, mittels eines aus Erdgas erzeugten CO- und H2-hältigen Reduktionsgases, mit einer Reduktiongas- Zuleitung zu dem in Fließrichtung des oxidhältigen Materials gesehenen letzten Wirbelschichtreaktor, einer Topgas- Ableitung aus dem in Fließrichtung des eisenoxidhältigen Materials gesehenen ersten Wirbelschichtreaktor, welche leitungsmäßig mit der Reduktionsgas-Zuleitung in Verbindung steht, und mit einer zur Führung des Reduktionsgases von einem Wirbelschichtreaktor in den diesem vorgeschalteten Wirbelschicht-Reaktor vorgesehenen Reduktionsgasleitung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage leitungsmäßig mit mindestens einem Brenner zur Verbrennung eines externen Brenngases, insbesondere Erdgas, mit Sauerstoff und/oder Luft verbunden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Brenner eine Brennkammer auf, die direkt in der Reduktionsgasleitung vorgesehen ist und vorzugsweise als eine im Durchmesser
• erweiterte Stelle der Reduktionsgasleitung ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Brenner eine Brennkammer auf, die leitungsmäßig mit der Reduktionsgasleitung verbunden ist.
Zweckmäßig ist an der Einmündung der von der Brennkammer in die Reduktionsgasleitung führenden Leitung eine Mischkammer vorgesehen.
Vorteilhaft ist der Brenner in einem der Wirbelschichtreaktoren angeordnet. Dabei ist er entweder unterhalb des Wirbelbetts, in Höhe des Wirbelbetts oder oberhalb des Wirbelbetts angeordnet.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die Fig. 1 bis 3 jeweils eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens im Blockschema und die Fig. 4 bis 6 ein vergrößertes Detail einer bevorzugten Ausführungsform veranschaulichen.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage weist vier in Serie hintereinandergeschaltete Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 auf, wobei teilchenförmiges oxidhältiges Erz, wie eisenoxidhältiges Erz, über ein Aufgabesystem 5 und eine Erzzuleitung 6 dem ersten Wirbelschichtreaktor 1, in dem in einer Vorwärmstufe 7 eine Vorerwärmung des Feinerzes und eventuell eine Vorreduktion stattfinden, zugeleitet und anschließend von Wirbelschichtreaktor 1 zu Wirbelschichtreaktor 2, 3 und 4 über Förderleitungen 11 geleitet wird. In den Wirbelschichtreaktoren 2 und 3 erfolgt in zwei Vorreduktionsstufen 8 und 9 eine Vorreduktion und im Wirbelschichtreaktor 4 in einer Endreduktionsstufe 10 eine Endreduktion des Feinerzes.
Das fertig reduzierte Material wird über eine Förderleitung 12 einem Sammelbehälter 13 zugeführt, von wo es in eine Brikettiereinrichtung 14 gelangt, in der es heiß- oder kaltbrikettiert wird. Erforderlichenfalls wird das reduzierte Material vor Reoxidation während des Transports, der Lagerung und der Brikettierung durch ein nicht dargestelltes Inertgas- System geschützt.
Vor Einleitung des Feinerzes über das Aufgabesystem 5 in den ersten Wirbelschichtreaktor 1 wird es einer Erzvorbereitung, wie einer Trocknung und einem Sieben, unterzogen, die nicht näher dargestellt ist.
Reduktionsgas wird im Gegenstrom zum Erzdurchfluß von Wirbelschichtreaktor 4 zu Wirbelschichtreaktor 3 bis 1 über Verbindungsleitungen 15 geführt und als Topgas über eine Topgas- Ableitung 16 aus dem in Gasströmungsrichtung letzten Wirbelschichtreaktor 1 abgeleitet und in einem Naßwäscher 17 gekühlt und gewaschen, wobei bei der Durchführung des Wirbelschichtverfahrens ein Druck von > 5 bar aufrechterhalten wird.
Die Herstellung des Reduktionsgases erfolgt durch Reformieren von gegebenenfalls vorher entschwefeltem Erdgas, Luft und Wasserdampf in einem Dampfreformer 18. Das gebildete reformierte Gas besteht im wesentlichen aus H2, CO, CH4, H2O und CO2.
Dieses reformierte Gas wird über eine Gasförderleitung 19, die mit der Topgas- Ableitung 16 zusammenmündet, gemeinsam mit dem mittels eines Verdichters 20 verdichteten Topgas einer CO2-Eliminierungsanlage 21 und nachfolgend einem Gaserhitzer 22 zugeleitet und von diesem über eine Reduktionsgas-Zuleitung 23 dem in Fließrichtung des Feinerzes letztangeordneten Wirbelschichtreaktor 4 zugeführt. Die CO2-Eliminierungsanlage 21 kann zum Beispiel als Druckwechsel- Adsorptionsanlage oder als chemischer oder physikalischer CO -Naßwäscher ausgebildet sein. Gegebenenfalls können Topgas und Reduktionsgas oder ein Teil derselben auch ohne CO2-Eliminierung dem Gaserhitzer 22 über eine Leitung 24 zugeführt werden. Ein Teil des Topgases kann auch als Brenngas dem Gaserhitzer 22 über eine Zweigleitung 25 zugeführt werden.
Zur Zuführung von Wärme an das in die Vorreduktionsstufen 8 und 9 und/oder in die Vorwärmstufe 7 strömende Reduktionsgas sind an den Verbindungsleitungen 15, die an diesen Stellen Verdickungen 15a aufweisen, welche als vom Reduktionsgas durchströmte Brennkammern wirken, Brenner 26 angeordnet. Den Brennern 26 wird parallel über eine ' Zuführleitung 27 externes Brenngas, wie Erdgas, sowie Luft und/oder Sauerstoff, der auch in Form eines anderen sauerstoffhältigen Gases als Luft zuführbar ist, zugeführt. Im Reduktionsgas kommt es durch die Erhöhung der Gastemperatur zu Autoreforming-Prozessen und zur Erzeugung von weiteren reduzierenden Bestandteilen, wodurch das Reduktionspotential des Reduktionsgases vorteilhaft zunimmt und zusätzlich "sticking" in den Wirbelschichtreaktoren verhindert wird.
Gemäß Fig. 2 sind Brenner 26, in die wiederum parallel externes Brenngas und Sauerstoff und/oder Luft münden, an von den Verbindungsleitungen 15 separierten, jedoch mit ihnen leitungsmäßig in Verbindung stehenden Brennkammern 28 angeordnet, so daß bei der Verbrennung möglicherweise auftretende Flammenfronten bereits in den Brennkammern 28 vergleichmäßigt werden, ehe das Verbrennungsgas mit dem in den Verbindungsleitungen 15 ' strömenden, gegebenenfalls staubbeladenen Reduktionsgas in Kontakt gelangt.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 2 veranschaulichten durch in den Verbindungsleitungen 15 angeordnete Mischkammern 29, in denen das in den Brennkammern 28 erzeugte heiße Verbrennungsgas mit dem Reduktionsgas vermischt wird. Aufgrund der längeren Verweildauer des Reduktionsgases in den Mischkammern 29 kann der Vermischungsvorgang vollständiger und schneller ablaufen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verbrennung des verwendeten externen Brenngases, beispielsweise Erdgas, zusammen mit Sauerstoff und/oder Luft mittels eines einem Wirbelschichtreaktor zugeordneten Brenners. Der in Fig. 4 schematisch dargestellte Wirbelschichtreaktor 30 zeigt einen in drei Zonen gegliederten Innenraum 31, zu dem unten eine Gaszuführungsleitung 32 hin- und am oberen Ende eine Abgasleitung 33 wegführt. Die unterste Zone 34 ist von der mittleren Zone 35 durch den Verteilerboden 37 getrennt, der das durch den Innenraum 31 des Wirbelschichtreaktors 30 von unten nach oben strömende Reduktionsgas über den ganzen Querschnitt des Wirbelschichtreaktors 30 gleichmäßig verteilt und dadurch ein einheitliches Wirbelbett aus Feinerzteilchen erzeugt. Die Grenze zwischen der vom Wirbelbett gebildeten mittleren Zone 35 und der obersten einen Freiraum bildenden Zone 36, dem sogenannten Freeboard, ist weniger scharf als bei den beiden unteren Zonen. Im Freeboard findet eine Beruhigung des Gasraums statt, wodurch verhindert wird, daß Erzteilchen aus dem Wirbelschichtreaktor 30 ausgetragen werden. In der untersten Zone 34 unterhalb des Verteilerbodens 37 ist ein Brenner 38 angeordnet, zu dem eine nicht dargestellte Sauerstoff- und/oder Luftleitung sowie eine Brenngasleitung führen. Die heißen Verbrennungsgase führen dem in den Wirbelschichtreaktor 30 strömenden Reduktionsgas Wärme zu bzw. führen zu Autoreforming-Reaktionen.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der Brenner 38 in der mittleren Zone 35, im Wirbelbett, angeordnet. Diese Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn das Reduktionsgas besonders staubbeladen ist, da hierbei keine Gefahr besteht, daß der Verteilerboden 37 durch anschmelzenden Staub verlegt wird.
Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei welcher der Brenner 38 im Freeboard 36 angeordnet ist. Hierbei erfolgt die Wärmeübertragung mittels Strahlung und/oder Konvektion durch aus dem Wirbelbett ausgetragene Partikel, die dann wieder in das Wirbelbett eingetragen werden, z.B. durch Gravitation oder mittels eines Zyklons.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden. Beispielsweise ist es möglich, die Anzahl der Wirbelschichtreaktoren je nach den Erfordernissen zu wählen. Ebenso kann das Reduktionsgas nach verschiedenen bekannten Methoden erzeugt werden.

Claims

Patentansprüche:
' 1. Verfahren zur Direktreduktion von teilchenförmigen oxidhältigen Erzen, insbesondere von eisenoxidhältigem Material, im Wirbelschichtverfahren bei einem Druck > 5 bar, wobei das Erz mit Hilfe eines aus Erdgas erzeugten Reduktionsgases in einem als Vorwärmstufe (7) ausgebildeten Wirbelschichtreaktor (1) erhitzt, gegebenenfalls auch vorreduziert wird, anschließend in mindestens einem als Reduktionsstufe (8,9) ausgebildeten Wirbelschichtreaktor (2,3) zu Eisenschwamm reduziert wird und das Reduktionsgas über eine Reduktionsgasleitung (15) in Gegenrichtung des von Stufe zu Stufe geleiteten zu reduzierenden Materials von der Reduktionsstufe (8,9) zur Vorwärmstufe (7) geleitet wird, als Topgas abgezogen und nach Reinigung in die Reduktionsstufe (8, 9) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem der Reduktionsstufe (8, 9) und/oder Vorwärmstufe (7) zugeführten Reduktionsgas Wärme zugeführt wird, und zwar durch Verbrennung eines externen Brenngases, insbesondere Erdgas, zusammen mit Sauerstoff und/oder Luft.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas in einer Brennkammer (15a) verbrannt wird, wobei die Brennkammer (15a) direkt von Reduktionsgas, das von einer Wirbelschicht-Reduktionsstufe (8, 9, 10) in die in Richtung des Gasflusses nachgeschaltete Wirbelschicht-Reduktionsstufe (8, 9) bzw. -Vorwärmstufe (7) strömt, geflutet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas in einer von der Reduktionsgasleitung (15) separaten Brennkammer (28) verbrannt wird und das hierbei gebildete Verbrennungsgas anschließend in die Reduktionsgasleitung (15) strömen gelassen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgas mit dem Reduktionsgas in einer Mischkammer (29) gemischt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkammer (29) zwecks Beeinflussens der Reduktionsgaszusammensetzung noch ein weiterer Stoff, wie Erdgas oder andere Kohlenwasserstoffe, zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas in einem Brenner (38) innerhalb eines der Direktreduktion des oxidhältigen Erzes dienenden Wirbelschicht-Reaktors (30), und zwar entweder unterhalb des Wirbelbetts (35), in Höhe des Wirbelbetts (35) oder oberhalb des Wirbelbetts (35), verbrannt wird. (Fig. 4 bis 6)
7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mindestens zwei in Serie hintereinandergeschalteten Wirbelschichtreaktoren zur
■ Direktreduktion von teilchenförmigen oxidhältigen Erzen mittels eines aus Erdgas erzeugten CO- und H -hältigen Reduktionsgases, mit einer Reduktionsgas-Zuleitung (23) zu dem in Fließrichtung des eisenoxidhältigen Materials gesehenen letzten Wirbelschichtreaktor (10), einer Topgas- Ableitung (16) aus dem in Fließrichtung des oxidhältigen Materials gesehenen ersten Wirbelschichtreaktor (1), welche leitungsmäßig mit der Reduktionsgas-Zuleitung (23) in Verbindung steht, und mit einer zur Führung des Reduktionsgases von einem Wirbelschichtreaktor in den diesem vorgeschalteten Wirbelschichtreaktor vorgesehenen Reduktionsgasleitung (15), dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage leitungsmäßig mit mindestens einem Brenner (26,38) zur Verbrennung eines externen Brenngases, insbesondere Erdgas, zusammen mit Sauerstoff und/oder Luft verbunden ist.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (26) eine Brennkammer (15a) aufweist, die direkt in der Reduktionsgasleitung (15) vorgesehen ist und vorzugsweise als eine im Durchmesser erweiterte Stelle der Reduktionsgasleitung (15) ausgebildet ist. (Fig. 1)
9. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (26) eine Brennkammer (28) aufweist, die leitungsmäßig mit der Reduktionsgasleitung (15) verbunden ist. (Fig. 2)
10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einmündung der von der Brennkammer (28) in die Reduktionsgasleitung (15) führenden Leitung eine Mischkammer (29) vorgesehen ist. (Fig. 3)
• 11. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (38) in einem Wirbelschicht-Reaktor (30) angeordnet ist. (Fig. 4 bis 6)
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (38) unterhalb des Wirbelbetts (35) angeordnet ist. (Fig. 4)
13. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (38) in Höhe des Wirbelbetts (35) angeordnet ist. (Fig. 5)
14. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (38) oberhalb des Wirbelbetts (35) angeordnet ist. (Fig. 6)
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