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Die Erfindung betrifft ein Wirbelbettaggregat zur Reduktion von oxidhältigem Feststoff-Material mittels einem Reduktionsgas, mit mindestens einem Wirbelbettreaktor zur Aufnahme jeweils eines Wirbelbettes oberhalb eines offenen Düsenrostes, mit jeweils mindestens einer Leitung zum Einleiten des Reduktionsgases und jeweils mindestens einer Leitung zum Ableiten eines Abgases, und jeweils mindestens einer Leitung zum Einleiten der oxidhältigen Feststoffe, und jeweils mindestens einer Leitung zum Ableiten der zumindest teilweise reduzierten Feststoffe, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelbettaggregates dieser Art.
Ein Wirbelbettaggregat bezeichnet dabei einen Satz von zusammenwirkenden einzelnen Maschinen, Apparaten oder Teilen, insbesondere einen oder mehrere getrennt von einander arbeitende, oder miteinander verbundene Wirbelbettreaktoren.
Ein Wirbelbettreaktor wiederum bezeichnet eine Vorrichtung in der eine physikalische oder chemische Reaktion abläuft, wobei definitionsgemäss jeweils ein Wirbelbettreaktor als geschlossene Einrichtung ein Wirbelbett aufnimmt.
Der Begriff offener Düsenrost bezeichnet eine Platte mit je nach Erfordernis ausgeführten Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen, zum Einsatz in einem Wirbelbettreaktor. Dieser Düsenrost dient insbesondere der Erzeugung des Wirbelbettes.
Mit zunehmender Bedeutung einer umweltgerechten Erzeugung von Industriemetallen, sowie einer Abkehr vom Hochofen als alleinigem Aggregat zur Roheisenerzeugung wurden alternative Verfahren zur Behandlung metallischer, insbesondere oxidischer, Erze entwickelt Einen besonderen Stellenwert in einer Vielzahl von Verfahren zur Metallerzeugung nimmt hierbei das Konzept der Direktreduktion mittels Wirbelbett ein.
Hierbei wird der Rohstoff, insbesondere das metallische Erz, in einer entsprechend aufbereiteten Form durch ein Träger- und Reduktionsgas in einem sogenannten Wirbelbett geführt. Durch die Bewegung der Feststoffteilchen im Reaktionsgas, und einem damit verbundenen steten Kontakt der Teilchen mit dem reduzierenden Medium wird einerseits eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, sowie andererseits ein hoher Prozesswirkungsgrad erreicht.
Eine Einrichtung erwähnter Art zur Reduktion von oxidhältigem Material ist nach AT405057B bekannt. Es handelt sich hierbei um einen Wirbelschichtreaktor mit erwähnten Merkmalen, der einzeln oder in einer Kolonne betrieben wird, und eine Reduktionsgaszuführung am unteren Ende des Reaktors, also durch den Boden des Reaktors, vorsieht Im Betrieb treten jedoch Schwierigkeiten bei einem plötzlichen Druckabfall in der Reduktionsgaszuführung auf. In diesem Fall bricht das Wirbelbett zusammen, worauf die Feststoffteilchen durch den offenen Düsenrost fallen, sich im unteren Teil des Reaktors ansammeln, und die weitere Reduktionsgaszuführung, und damit einen weiteren Betrieb des Wirbelbettes behindern.
Verschiedene Einrichtungen im Stand der Technik zielen auf eine Verbesserung der Strömungsverhältnisse im Wirbelbettaggregat hin. So wird in W09855218 A1 eine Einrichtung mit einer durch verschiedene Mittel auf strömungstechnische Bedürfnisse hin verbesserten Luftkammer ausgeführt, die im wesentlichen ein gleichmässigeres Wirbelbett erreicht Abgesehen davon, dass diese Einrichtung in ihrer Anschaffung bedeutend mehr Kosten verursacht als eine herkommliche Konstruktion, bleibt das problematische Verhalten, angesichts eines massiven Druckabfalls, zwar in beschränktem Ausmass, aber weiterhin bestehen.
Gemäss US3205065A ist ein Prozess zur Reduktion von Eisenoxiden bekannt, welcher sich eines neuartigen Reduktionsreaktors bedient. Dabei befinden sich innerhalb eines Reaktors mehrere Wirbelbetten, wobei der metallische Rohstoff diese Wirbelbetten, vereinfacht dargestellt, sequentiell durchläuft. Bei Druckabfall in der massgeblichen Reduktionsgaszuleitung tritt jedoch auch in diesem Fall ein Versagen des Aggregates ein.
US5149062A lehrt ein Wirbelbettaggregat, wobei das Reduktionsgas seitlich unterhalb des Düsenrostes in eine Windkammer eingeleitet wird. Diese Anlage erweist sich im Betneb, insbesondere bei einem Druckabfall in der Reduktionsgaszuleitung als nicht zweckmässig.
US3428446A hat einen weiteren Prozess zur Direktreduktion von Eisenoxiden zum Inhalt, wobei abermals ein Reaktor mehrere Wirbelbetten enthält. Bei Druckabfall der massgeblichen Reduktionsgaszuleitung tritt dabei wiederum ein Versagen des Aggregates ein.
Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle ein nach US4934282A bekannter Verbrennungsreaktor erwähnt. Dieser Verbrennungsreaktor besitzt spezielle für diesen Zweck geeignet mit einer Abdeckung versehene Düsen, wodurch eine gravierende Behinderung der Gaszuführung
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unmöglich wird. Durch die Anbringung einer derartigen Abdeckung können jedoch keine staubbeladenen Gase, wie bei einem Direktreduktionsreaktor üblich, durch diese Düsen eingeblasen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 zu entwickeln, dass die gemeinsame Zuführung von feinem Erz und Reduktionsgasen zur Erzeugung einer Wirbelschicht, und einen störungsfreien Betrieb des Wirbelbettes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens eine Leitung zum Einleiten des Reduktionsgases seitlich am Wirbelbettreaktor unterhalb des offenen Düsenrostes, und mindestens eine Hilfsleitung zum Ableiten von Feststoffen am unteren Ende des Wirbelbettreaktors vorgesehen ist.
Ebenso wird die oben angeführte Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei welchem zur Erzeugung eines Wirbelbettes Reduktionsgas seitlich am Wirbelbettreaktor unterhalb des offenen Düsenrostes zugeführt wird, und am unteren Ende des Wirbelbettreaktors unterhalb des offenen Düsenrostes angesammelte Feststoffe abgeleitet werden.
Die Verwendung eines offenen Düsenrostes ermöglicht eine gemeinsame Zuführung von feinem Erz und Reduktionsgasen, wie bei Wirbelbettreaktoren insbesondere bei Betrieb in der Kolonne üblich. Dadurch, dass die Leitungen zum Einleiten des Reduktionsgases seitlich am Wirbelbettreaktor unterhalb des offenen Düsenrostes vorgesehen sind, und aus diesem Grund nicht verlegt werden können, wird ein längerfristiger Stillstand des Aggregates bei plötzlichem Druckabfall in der Reduktionsgaszuleitung verhindert. Der Anteil von Festkörpern, der sich bei Druckabfall im unteren Teil des Wirbelbettreaktors unterhalb des offenen Düsenrostes ansammelt und dort agglomeriert, wird durch eine Hilfsleitung zum Ableiten von Feststoffen am unteren Ende des Wirbelbettreaktors einer weiteren Verwertung zugeführt.
Abgestimmt auf die technischen Erfordernisse können eine oder mehrere Leitungen zum Einleiten eines Reduktionsgases vorgesehen werden. Besonders vorteilhaft ist diesbezüglich die Anbringung zweier Leitungen seitlich unterhalb des Düsenrostes Diese beiden Leitungen teilen in vorteilhafter Weise den Umfang des Reaktorquerschnittes, der je nach Begebenheit vorzugsweise annähernd kreisrund, elliptisch oder polygon ausgeführt ist, in zwei gleich grosse Teile. Dabei sind die Leitungen in einer Weise angebracht, dass sie in vorteilhafter Weise entweder annähernd radial oder annähernd tangential in den Reaktor einmünden. So wird im ersten Fall ein annähernd radialer Gasstrom (mit Feststoffanteilen) im zweiten Fall ein annähernd tangentialer Gasstrom (mit Feststoffanteilen) bewirkt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist weiters eine Ausführung mit vier Leitungen zum Einleiten von Reduktionsgas seitlich unterhalb des Düsenrostes. In diesem Fall teilen die Leitungen in vorteilhafter Weise den Umfang des Reaktors in vier annähernd gleiche Teile. Dabei sind die Leitungen abermals in einer Weise angebracht, dass sie in vorteilhafter Weise entweder annähernd radial oder annähernd tangential in den Reaktor einmünden So wird im ersten Fall ein annähernd radialer Gasstrom (mit Feststoffanteilen) im zweiten Fall ein annähernd tangentialer Gasstrom (mit Feststoffanteilen) bewirkt.
Durch die Möglichkeiten zur Gaseinleitung wie im vorigen Absatz ausgeführt, wird eine homogene und für den Betrieb überaus günstige Strömungscharakteristik im Wirbelbett erzeugt. Neben den angeführten gibt es eine Anzahl von weiteren Möglichkeiten die Leitungen am Reaktor seitlich zu positionieren, beispielsweise in unterschiedlichen Höhen am Reaktor.
Einem Merkmal der Erfindung zufolge ist die Hilfsleitung zum Ableiten von Feststoffen am unteren Ende des Wirbelbettreaktors mit einer Leitung zum Einleiten von Feststoffen, auch interne Leitung genannt, desselben Wirbelbettreaktors verbunden. Diese Bauform erweist sich insbesondere dann als nützlich, wenn durch einen Druckabfall in der Reduktionsgaszuleitung ein Teil der, beispielsweise teilreduzierten, Feststoffe durch den Düsenrost fällt, sich im unteren Teil des Wirbelbettreaktors sammelt, und in weiterer Folge dem Wirbelbett nicht weiter ausgesetzt ist. In diesem Fall werden die gesammelten teilreduzierten Feststoffe über die Hilfsleitung zum Ableiten von Feststoffen abgeleitet, und durch besagte interne Leitung an das Wirbelbett rückgeführt.
Grundsätzlich muss an dieser Stelle festgestellt werden, dass sich der im Erfindungsgegenstand geschilderte Wirbelbettreaktor für einen Betrieb in der Kolonne, d. h., dass mehrere miteinander verbundene Reaktoren gemeinsam betrieben werden, eignet. Dabei wird beispielsweise die
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Leitung zum Ableiten der Abgase eines Reaktors mit der Leitung zum Einleiten der Reduktionsgase eines weiteren Reaktors, und/oder die Leitung zum Ableiten von Feststoffen eines Reaktors mit der Leitung zum Einleiten von Feststoffen eines weiteren Reaktors verbunden. Auf diese Weise werden einerseits die Abgase eines Wirbelbettreaktors als Reduktionsgase eines weiteren Wirbelbettreaktors weiter verwendet, und andererseits die bereits (teil-)reduzierten Feststoffe einer weiteren Reduktion unterzogen.
Es sind hierbei sowohl Möglichkeiten zum vollständigen oder teilweise seriellen oder parallelen Betrieb der Reaktoren gegeben
Gemäss einem weiteren Merkmal ist an mindestens einer Hilfsleitung zum Ableiten von Feststoffen am unteren Ende des Wirbelbettreaktors ein Absperrorgan und/oder eine Fördereinrichtung angebracht, das/die durch einen geeigneten Mechanismus betätigt wird. Durch diese Einrichtung ist es möglich den Wirbelbettreaktor von unterhalb des offenen Düsenrostes angesammeltem Material zu entleeren, und je nach Erfordernis und den anlagentechnischen Möglichkeiten zu entscheiden, ob die Feststoffe in den Reaktor rückgeführt, in einen weiteren Wirbelbettreaktor zur weiteren Reduktion eingebracht, oder einem nachsten Schritt der Metallherstellung zugeführt werden.
Dabei ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Mittel zur Einbringung von Transportgas im Bereich der Hilfsleitung zum Ableiten von Feststoffen vorgesehen, wodurch das durch die Hilfsleitung abtransportierte Material weiterbefördert, insbesondere in den Reaktor rückgeführt, werden kann. Das verwendete Transportgas zeichnet sich durch einen niedrigen Oxidationsgrad aus. Die besagte Rückführung kann dabei durch eine speziell dafür vorgesehene Leitung, oder durch Einschleusen des Materials in eine vorhandene Leitung zum Einleiten von oxidhältigen Feststoffen durchgeführt werden Daneben kann dieses Mittel zur Einbringung von Transportgas auch die Funktion einer Schleuse erfüllen, und auf diese Weise den Fluss des durch die Hilfsleitung abtransportierten Materials steuern.
Weiters wird die Ableitung von Feststoffen durch die Hilfsleitung vereinfacht, wenn der Reaktor im Bereich unterhalb des Dusenrostes zumindest teilweise trichterförmig ausgebildet ist und die Hilfsleitung zum Ableiten der reduzierten bzw. teilreduzierten Feststoffe im Bereich der tiefsten Stelle dieser Trichterform angeordnet ist, wobei die Neigung des trichterförmigen Abschnittes so gross gewährt wird, dass das Feststoff-Material durch die Schwerkraft selbsttätig in die Leitung abfliesst, vorzugsweise schliessen die Reaktorwände mit dem trichterförmigen Teil des Reaktors einen Winkel grösser als 120 Grad ein
Die Erfindung sieht in einer weiteren Ausführungsform die Anbringung von einer oder mehreren Gaszuleitungen an der Leitung zum Ableiten der teilreduzierten Feststoffe vor, wodurch das Fliessverhalten der abzuieitenden Feststoffe verbessert,
und damit ein Abtransport erleichtert wird.
Im folgenden werden nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigen:
Fig 1 schematisch ein Wirbelbettaggregat mit einem Wirbelbettreaktor zur Reduktion von oxidhältigem Feststoff-Material, ausgestattet mit einer Leitung zur Rückführung von teilreduzierten Feststoffanteilen des Wirbelbettreaktors
Fig. 2 schematisch eine Auswahl an Möglichkeiten zur seitlichen Einbringung von Reduktionsgasen
Fig. 3 schematisch ein Wirbelbettaggregat mit zwei Wirbelbettreaktoren zur Reduktion von oxidhältigem Feststoff-Material, wobei die Abgase eines ersten Reaktors als Reduktionsgase für einen zweiten Reaktor verwendet werden
Ein in Fig.
1 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Wirbelbettaggregates 1 umfasst einen Wirbelbettreaktor 2, mit einem Wirbelbett 3, einen im unteren Drittel des Wirbelbettreaktors befindlichen offenen Düsenrost 4, zwei Leitungen 5 zum Einleiten eines Reduktionsgases, eine Hilfsleitung 6 zum Ableiten von Feststoffen am unteren Ende des Wirbelbettreaktors, zwei oder mehrere Gaszuleitungen 7 zur Verbesserung des Fliessverhaltens der Feststoffe im Bereich der Hilfsleitung 6 zum Ableiten von Feststoffen, ein Absperrorgan oder eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Zellenradschleuse 8, zur Ableitung der Feststoffe aus dem Wirbelbettreaktor, eine Leitung 9, auch externe Leitung genannt, zum Transport der Feststoffe in einen weiteren Wirbelbettreaktor, eine Leitung 10, auch Dump-line genannt, zum Transport der Feststoffe zu einer weiteren, insbesondere metallurgischen, Behandlung,
weiters eine Leitung 11, auch interne Leitung genannt, zum
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Rücktransport der Feststoffe in das ursprüngliche Wirbelbett 3, eine Leitung 12 zum Ableiten der Abgase, eine Leitung 21 zum Einleiten der Feststoffe in den Wirbelbettreaktor, und eine Leitung 20 zum Ableiten der Feststoffe aus dem Wirbelbettreaktor. Die senkrechten Wände des Reaktors schliessen mit dem trichterförmigen Teil des Reaktors einen Winkel a, der vorzugsweise grösser als 120 Grad ist, ein.
Die dargestellten Komponenten des Wirbelbettaggregates wechselwirken nun auf folgende Art und Weise miteinander:
Durch eine Leitung 21 zum Einleiten der Feststoffe in den Wirbelbettreaktor wird oxidhältiges Material in den Wirbelbettreaktor eingebracht. Durch Einleiten eines Reduktionsgases durch eine Leitung 5 wird dieses Material einer Reduktion unterzogen. Dabei erzeugt das eingeleitete Reduktionsgas mittels einem speziell für diesen Zweck ausgeführten Düsenrost 4 ein sogenanntes Wirbelbett 3, wodurch der charakteristische Kontakt des oxidhältigen Materials mit dem Reduktionsgas erreicht wird.
Ist die Reduktion des oxidhältigen Materials in diesem Wirbelbettreaktor abgeschlossen, wird das reduzierte Material über die Leitung 20 abgeleitet. Bei Ausfall oder massivem Druckabfall der Reduktionsgaszuführung sammelt sich unterhalb des offenen Düsenrostes 4, zumeist nur teilweise reduziertes oxidhältiges, Material an.
Ist die Reduktion des oxidhältigen Materials auf diese Weise unterbrochen, wird das Material über eine Hilfsleitung 6 durch ein Absperrorgan und/oder eine Fördereinrichtung 8 und je nach Erfordernis entweder über eine Leitung 10 ausgebracht, oder über eine Leitung 9 einem weiteren Wirbelbettreaktor zugeführt, oder aber mittels einer Leitung 11 wieder an das ursprüngliche Wirbelbett rückgeführt Dabei wird über ein Mittel zur Einbringung von Transportgas 22 Transportgas, das durch einen niedrigen Oxidationsgrad gekennzeichnet ist, beispielsweise Inertgas, eingebracht, welches zum Transport des über die Hilfsleitung abtransportieren Materials dient. Ausserdem erfüllt das Mittel zur Einbringung von Transportgas auch die Funktion einer Schleuse, wodurch man den Stofffluss gezielt steuern kann.
So wird beispielsweise bei einer Einstellung das abtransportierte, insbesondere teilreduzierte, Material durch Transportgas ausschliesslich durch die interne Leitung 11 an das Wirbelbett rückgeführt, wohingegen bei einer zweiten Einstellung das abtransportierte, insbesondere teilreduzierte, Material durch Transportgas ausschliesslich durch die externe Leitung 9 einem weiteren Wirbelbett zur weiteren Reduktion zugeführt wird, oder aber es wird bei einer dritten Einstellung dieses Mittels das Material über eine Dump-line 10 einer weiteren Verwertung zugerührt. Über Gaszuleitungen 7 werden weiters Spülmittel, vorzugsweise Spülgase, zur Verbesserung der Fluidität der Feststoffpartikel zugeführt.
Fig. 3 stellt eine Ausführungsform eines Wirbelbettaggregates, welches zwei Reaktoren 2 umfasst, dar. Insbesondere wird dabei Abgas aus einem ersten Reaktor 19 in einen zweiten Reaktor 2 über eine Leitung 17 zur Verwendung als Reduktionsgas überführt. Der Verfahrensablauf sowie die Wechselwirkung der einzelnen Komponenten des Wirbelbettaggregates unterscheiden sich sonst nicht wesentlich von der zu Fig. 1 ausgeführten Weise.
In Fig. 2 werden verschiedene Ausführungsformen der seitlichen Reduktionsgaseinleitung in einem Höhenquerschnitt des Wirbelbettreaktors dargestellt. Grundsätzlich ist eine seitliche Reduktionsgaseinleitung auf verschiedene Arten möglich, wobei als Ziel jeweils die Erreichung eines möglichst homogenen Wirbelbettes im Vordergrund steht. Dabei unterscheidet man im wesentlichen zwischen Ausführungsformen in Abhängigkeit von der Anzahl der Reduktionsgasleitungen, und Ausführungsformen mit gleicher Anzahl von Reduktionsgasleitungen, aber anderer Anordnung derselben am Umfang des Wirbelbettreaktors (siehe Fig. 2).
Besonders vorteilhaft sind radiale Anordnungen der Reduktionsgaseinleitungen, wodurch im Einlassbereich des Reduktionsgases eine radiale Strömung erzeugt wird. Dabei kann beispielsweise eine einzelne Gaszuführung wie in 14, können zwei Gaszuführungen wie in 16, oder vier Gaszuführungen, wie in 13 vorgesehen werden. Jedoch auch eine höhere Anzahl von Reduktionsgaseinleitungen, sowie Zuleitungen auf verschiedenen Höhenebenen sind verwirklichbar
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt eine tangentiale Reduktionsgaseinleitung 15. Dabei wird, zumindest im Einlassbereich des Reduktionsgases eine tangentiale Gasströmung erzeugt.