<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von eisenerzhältigem teilchenförmigem, ins- besondere feinteilchenförmigem Material in einem mindestens zweistufigen Verfahren, wobei Reduktionsgas durch mindestens zwei in Serie hintereinandergeschaltete, von bewegtem teilchen- formigem Material gebildete Reaktionszonen geleitet wird und das teilchenförmige Material die Reaktionszonen in umgekehrter Reihenfolge zum Reduktionsgas durchsetzt, wobei das teilchen- förmige Material in der fur das teilchenförmige Material ersten Reaktionszone erhitzt und in der weiteren Reaktionszone bzw. den weiteren Reduktionszonen reduziert wird.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der US 5,082,251 A, der WO 92/02458 A1 und der EP 0 571 358 A1 bekannt. Gemäss der US 5,082,251 A wird eisenreiches Feinerz in einem System von in Serie angeordneten Wirbelschichtreaktoren mit Hilfe von Reduktionsgas unter erhöhtem Druck reduziert. Das so erzeugte Eisenpulver wird anschliessend einer Heiss- oder Kaltbrikettierung unterworfen.
Das Reduktionsgas wird durch katalytische Reformierung von entschwefeltem und vorgewärm- tem Erdgas mit überhitztem Wasserdampf in einem konventionellen Reformerofen erzeugt. Das reformierte Gas wird sodann in einem Wärmetauscher gekühlt und nachfolgend wird durch CO- Konvertierung mit Hilfe eines Eisenoxid-Katalysators der H2-Anteil im Reduktionsgas erhöht. An- schliessend wird das dabei entstehende sowie das vom Reformer stammende CO2 in einem CO2- Wäscher entfernt
Dieses Gas wird mit dem nur teilweise verbrauchten Reduktionsgas (Topgas) vermischt, erhitzt und in drei Stufen (drei Wirbelschichtreaktoren) im Gegenstrom das Feinerz reduziert.
Der Fluss des Erzes beginnt mit einer Trocknung und einer anschliessenden Siebung. Sodann gelangt das Erz in einen Vorwärmreaktor, in dem Erdgas verbrannt wird. In drei folgenden Reakto- ren wird das Feinerz unter erhöhtem Druck reduziert.
Aus der EP 0 571 358 A1 ist es bekannt, die Reduktion von Feinerz nicht ausschliesslich uber die stark endotherme Reaktion mit H2 gemäss
EMI1.1
sondern zusätzlich über die Reaktion mit CO, gemäss
EMI1.2
die exotherm ist, durchzuführen, Hierdurch gelingt es, die Betriebskosten, insbesondere die Energiekosten, beträchtlich zu senken.
Gemäss dem Stand der Technik kommt es bei der Direktreduktion aufgrund der Kinetik der bekannten Verfahren zur Magnetitbildung, u. zw. in einer stetig von aussen nach innen wachsenden Schicht, die sich auf jedem Partikel bzw. Korn des eisenoxidhältigen Materials bildet. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Magnetitbildung für die Direktreduktion mit Reduktionsgas hemmend ist. So gelingt es nur mehr mit erhöhtem Aufwand, eine mehr oder weniger vollständige Reduktion des eingesetzten eisenoxidhältigen Materials zu erzielen.
Die Reaktionskinetik der Magnetitbildung wird durch die Zusammensetzung des Gases und des Feststoffes beeinflusst. Die Moleküle des Reduktionsgases müssen aus dem äusseren Gasstrom durch die adhärierende Gasgrenzschicht und durch die Makro- und Mikroporen zum Reaktionsort gelangen. Dort läuft der Sauerstoffausbau ab. Das oxidierte Gas gelangt auf dem gleichen Weg zurück. Das Erzkorn wird somit von aussen nach innen reduziert. Dabei nimmt die Porosität zu, da der ausgebaute Sauerstoff Hohlräume hinterlässt und das ursprüngliche Volumen des Erzkornes kaum schrumpft.
Die Reaktionsfront wandert von aussen nach innen in das Erzkorn hinein Die Konzentration des Reduktionsgases nimmt bei dichten Schichten von aussen nach innen ab Das Gas diffundiert zuerst von aussen durch die bereits reduzierte Schale bis zur Reaktionsfront, wo es sich umsetzt und dann als Reaktionsprodukt zurückdiffundiert. Bei porösen Oberflächen läuft innerhalb der Reaktionsfront die Phasengrenzreaktion an den Wänden der Poren ab, während das Gas zugleich auch innerhalb diffundieren kann. Bei dichten Magnetitschichten an der Oberfläche des Erzkornes wird die Reaktionskinetik dadurch gehemmt, weil das Reduktionsgas an der Diffusion durch eben diese Schicht behindert wird und somit der Stoffaustausch des Reduktionsgases nicht wie bei porösen Erzkörnern erfolgen kann.
<Desc/Clms Page number 2>
Die Ausbildung einer Magnetitschicht erfolgt sehr rasch, u. zw. umso schneller, je näher die
Temperatur des eisenoxidhältigen Materials bei der Grenztemperatur von etwa 580 C liegt. Laut
Baur-Glaessner-Diagramm geschieht diese Ausbildung einer dichten Magnetitschicht auf der
Oberfläche eines Eisenerzkornes bei Kontakt mit dem Reduktionsgas vorwiegend bis zu einer
Temperatur des Eisenerzes von 580 C. Bei einer Temperatur des Eisenerzes unter 400 C ist trotz
Kontakt mit dem Reduktionsgas die Magnetitausbildung verlangsamt, und daher werden weniger rasch dichte Magnetitschichten ausgebildet.
Um die vorhin erwähnte Magnetitbildung bzw. Mischungen aus Magnetit und metallischem Ei- sen in weiteren Reduktionsschritten in einen weitgehend metallischen Zustand zu überführen, sind längere Verweilzeiten in den oder der nachfolgenden Behandlungsstufe(n) oder höhere Feststoff- und/oder Gastemperaturen notwendig.
Durch diese Phänomene ergibt sich eine Reihe von Nachteilen: - Bildung eines verstärkten Abriebes des Feststoffes durch längere Verweilzeiten in den nach- folgenden Reduktionsstufen, - erhöhte Metallisierung dieses Abriebes und damit verstärkte Zusammenbackneigung dieses
Materials, - wesentliche Verschlechterung der Fluidisierungseigenschaften der aus diesem Material ge- bildeten Wirbelschichten, - Bildung von Anbackungen in Zyklonen, Fallrohren (Diplegs) und Transportleitungen (Stand- pipes), - dadurch Produkttransferprobleme, - niedrige Metallisierung des Endproduktes.
Weiters sind mit diesem Erscheinen ein erhöhter Reduktionsbedarf, ein höherer Staubaustrag (und damit ein erhöhter Oxidverbrauch) und eine grössere Menge von Abfall gegeben. Insbesonde- re ist es notwendig, auch in den erstangeordneten Wirbelschichtzonen Reduktionsgas mit hohem
Reduktionspotential zur Verfügung zu stellen.
Aus der WO 99/0922 A1 ist es bekannt, zur Ausnutzung des Reduktionsgases sowohl hinsicht- lich seines Reduktionspotentials als auch hinsichtlich seiner fühlbaren Wärme in der ersten Wirbel- schichtzone eine Temperatur des eisenoxidhältigen Materials entweder unter 400 C oder über 580 C oder eine Temperatur im Bereich von 400 bis 580 C einzustellen, wobei bei einer Tempera- tureinstellung auf unter 400 C der Temperaturbereich zwischen 400 C und 580 C in der in Fliess- richtung des eisenoxidhältigen Materials der ersten Wirbelschichtzone nachgeordneten Wirbel- schichtzone innerhalb einer Zeitspanne von 10 Minuten, vorzugsweise innerhalb von 5 Minuten, durchschritten wird, und wobei bei einer Temperatureinstellung auf über 580 C der Temperaturbe- reich zwischen 400 C und 580 C innerhalb einer Zeitspanne von maximal 10 Minuten, vorzugswei- se 5 Minuten durchschritten wird,
und wobei weiters bei einer Temperatureinstellung im Bereich von 400 C bis 580 C das eisenoxidhältige Material in diesem Temperaturbereich maximal 10 Minuten, vorzugsweise 5 Minuten verweilt und unmittelbar nach Erreichen der gewünschten Temperatur in die nächstfolgende Wirbelschichtzone weitergeleitet wird.
Durch diese Massnahmen gelingt es, die Magnetitschichtenbildung auf ein erträgliches Mass zu reduzieren.
Gemäss dem in der WO 99/09220 A1 beschriebenen Verfahren wird der Übergang der Tempe- ratur des eisenoxidhältigen Materials beim Erhitzen von 400 auf 580 C in möglichst kurzer Zeit bewerkstelligt sowie ein Halten in diesem kritischen Temperaturbereich vermieden. Bei raschem Durchschreiten dieses Temperaturbereiches ist trotz eines Reduktionsgases mit hohem bzw. optimalen Reduktionspotential die Magnetitschichtbildung äusserst gering.
Die Erfindung bezweckt eine verfahrensmässige Weiterentwicklung der aus der WO 99/09220 A1 bekannten Erfindung dahingehend, dass das zur Reduktion bestimmte teilchen- förmige Material schon in der ersten Reaktionszone auf eine möglichst hohe Vorwärmtemperatur erhitzt werden kann, wobei jedoch die Bildung von schwerreduzierbaren Phasen, wie Magnetit bei Eisenerz, weitestgehend, wenn nicht überhaupt zur Gänze, vermieden werden kann und die oben beschriebenen Nachteile solcher Phasen nicht auftreten können. Insbesondere soll eine Zeitlimitie- rung für die Vorwärmung vermieden werden, so dass der Materialumsatz je Zeiteinheit alleine durch das Reduzieren und nicht durch das Vorwärmen bestimmt wird.
Diese Aufgabe wird für Eisenerz erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Erzielung einer
<Desc/Clms Page number 3>
maximalen Vorwärmtemperatur das der ersten Reaktionszone zugefügte Reduktionsgas konditio- niert wird, sodass keine oder nahezu keine Reduktion stattfindet, jedoch eine Vorwärmtemperatur für das teilchenförmige Material im Grenzbereich des Beginnens einer Reduktion erzielt wird, wobei entweder der Oxidationsgrad des Reduktionsgases erhöht oder die Temperatur des Reduk- tionsgases erniedrigt oder beide Massnahmen gemeinsam durchgeführt werden und wobei in der für das Eisenerz zweiten Reaktorzone ein Temperaturniveau von mindestens etwa 600 C, vor- zugsweise im Bereich zwischen 600 und 700 C, insbesondere zwischen 620 und 660 C, einge- stellt wird und das eisenoxidhältige Material zu Wüstit reduziert wird.
Gemäss einer bevorzugten Variante der Erfindung wird zur Erzielung einer maximalen Vor- wärmtemperatur für zu reduzierendes teilchenförmiges Material das der ersten Reaktionszone zugefügte Reduktionsgas konditioniert, sodass keine oder nahezu keine Reduktion stattfindet, jedoch eine Vorwärmtemperatur für das teilchenförmige Material im Grenzbereich des Beginnens einer Reduktion erzielt wird, wobei entweder der Oxidationsgrad des Reduktionsgases erhöht oder die Temperatur des Reduktionsgases erniedngt oder beide Massnahmen gemeinsam durchgeführt werden und wobei in der fur das teilchenförmige Material ersten Reaktionszone eine maximale
Reduktionsgeschwindigkeit von 0,2 % Sauerstoffabbau pro Minute, vorzugsweise von 0,05 %
Sauerstoffabbau pro Minute, eingehalten wird. Dieses Verfahren ist insbesondere für den Einsatz von Eisenerz geeignet.
Aus "Steel Times International", März 2001, Seiten 20 und 22, ist es bekannt, die Bildung von
Magnetit zu unterdrücken, indem die Reaktortemperatur des Vorwärmreaktors auf etwa 400 C gesenkt wird, u. zw. zwar durch Eindüsen von Wasser. Hierdurch wird zwar eine effiziente Verhin- derung einer Magnetitbildung erzielt, jedoch auf Kosten der Vorwärmtemperatur, wodurch eine erhöhte Energiezufuhr zum Aufheizen des zu reduzierenden Materials in den für das teilchenförmi- ge Material ersten Reduktionszone nachfolgenden Reaktionszonen erforderlich ist.
Erfindungsgemäss kann eine höhere Vorwärmtemperatur als gemäss dem Stand der Technik erzielt werden, die sogar so hoch sein kann, dass mittels des die Vorwärmung durchführenden
Reduktionsgases - sofern unbehandelt - eine Reduktion stattfinden würde, die jedoch verhindert wird, indem der Oxidationsgrad des Reduktionsgases erhöht wird. Wesentlich ist erfindungsge- mäss, dass das teilchenförmige Material auf eine Vorwärmtemperatur erwärmt wird, die im Grenzbe- reich des Beginnens einer durch das Vorwärmgas verursachten Reduktion liegt
Hierdurch wird eine längere Verweilzeit im für das teilchenförmige Material ersten Reaktor er- möglicht, wodurch der Materialfluss, d. h. die Durchsatzzeit durch diesen Reaktor, an das anschliessende Reduktionsverfahren anpassbar ist. Es muss für das Reduktionsverfahren keine Rücksicht auf das Vorwärmen genommen werden.
Vorzugsweise erfolgt die Einstellung des Temperaturniveaus und des Oxidationsgrades unab- hängig von frischem, für die Reduktion des teilchenförmigen Materials eingesetztem Reduktions- gas, d. h. unter Vermeidung einer Einflussnahme auf die chemische Zusammensetzung und die Temperatur des dem teilchenförmigen Material zur Endreduktion frisch zugefügten Reduktionsga- ses.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere für feinteilchenförmiges Material geeignet, u. zw. für Material mit einer Teilchengrösse bis zu 12 mm, vorzugsweise bis 10 mm, entweder in Form von Monokorn oder in Form von Kornband.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt, dass in der ersten Reaktionszone ein Temperaturni- veau zwischen 350 und 550 C, vorzugsweise zwischen 400 und 470 C, eingestellt wird.
Durch die erfindungsgemäss erzielte hohe Vorwärmtemperatur ist es möglich, dass in der für das teilchenförmige Material zweiten Reaktionszone bzw. in gegebenenfalls vorhandenen weiteren Reaktionszonen ein gegenüber dem unbeeinflusstem Wärmetausch abgesenktes Temperaturni- veau eingestellt wird.
Vorteilhaft erfolgt das Einstellen des Temperaturniveaus in der für das teilchenförmige Material ersten Reaktionszone durch das Eindüsen von H2O in flüssiger und/oder dampfförmiger Form in diese Reaktionszone und/oder in das dieser Reaktionszone zugeführte Reduktionsgas.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Einstellung des Temperaturni- veaus in der für das teilchenförmige Material ersten Reaktionszone durch Zumischen von Kaltgas in diese Reaktionszone und/oder in das dieser Reaktionszone zugeführte Reduktionsgas, wie durch Zumischen von kaltem CO2 und/oder kaltem Reduktionsgas.
<Desc/Clms Page number 4>
Eine weitere zweckmässige Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen des Oxidationsgrades des Reduktionsgases in der für das teilchenförmige Material ersten Reakti- onszone durch Zuführen von dampfförmigem und/oder flüssigem H20 in diese Reaktionszone und/oder in das dieser Reaktionszone zugeführte Reduktionsgas erfolgt.
Das Einstellen des Oxidationsgrades des Reduktionsgases in der für das teilchenförmige Mate- rial ersten Reduktionszone kann jedoch auch durch Eindüsen von CO2 und/oder von CO2/H2O
Gemischen in diese Reaktionszone und/oder in das dieser Reaktionszone zugeführte Reduktions- gas erfolgen.
Durch die Erfindung kann in der für das teilchenförmige Material ersten Reaktionszone eine durchschnittliche Verweilzeit für das teilchenförmige Material bis zu 40 Minuten, vorzugszeise bis zu 30 Minuten, eingehalten werden und in der für das Eisenerz letzten Reaktionszone ein Tempe- raturniveau zwischen 760 und 850 C, vorzugsweise im Bereich von 770 und 800 C, eingestellt werden. Durch letztere Massnahmen ist "sticking" - ein Zusammenbacken der in der Wirbelschicht verweilenden Teilchen bei einer Eisenerzreduktion von Eisenschwamm - vermeidbar.
Die Erfindung wird zweckmässig durch eine oder mehrere der folgenden Massnahmen verwirk- licht: . durch Variation des Oxidationsgrades des frischen Reduktionsgases, . durch Einstellung der Temperatur des Reduktionsgases, . durch Einstellung der Verweilzeit in den für das Eisenerz der zweiten Reaktionszone fol- genden Reaktionszonen, . durch Einstellung der spezifischen Reduktionsgasmenge, . durch Einstellung der Zusammensetzung des Reduktionsgases, insbesondere durch Va- riation des Methananteiles und/oder Inertgasanteiles im Reduktionsgas.
Vorzugsweise wird das aus der für das teilchenförmige Material ersten Reaktionszone in Fliess- richtung des Materials nachgeordneten Reaktionszone austretende Reduktionsgas nach Kühlung und Wäsche nur zum Teil in die erste Reaktionszone eingeleitet sowie zweckmässig das aus der für das teilchenförmige Material ersten Reaktionszone austretende Reduktionsgas zumindest teilweise in die erste Reaktionszone rezirkuliert.
Erfindungsgemäss wird angestrebt, dass der CO-Gehalt des Reduktionsgases weniger als 20 % beträgt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 4 und 10 % liegt sowie dass in der für das teil- chenförmige Eisenerz ersten Reaktionszone für das Reduktionsgas ein Dampf-Kohlenstoff- Verhältnis im Bereich von 2,5 bis 5, vorzugsweise im Bereich 2,5 bis 4, eingestellt wird.
Um bei einer Unterbrechung der Zufuhr von metallhältigem teilchenförmigem Material eine Un- terbrechung des Reduktionsverfahrens zu vermeiden, wird vorteilhaft die Temperatur in den Reak- tionszonen abgekühlt, vorzugsweise durch Regelung der Temperatur des Reduktionsgases und/oder durch H20 - bzw. CO2 -Eindüsung.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei Fig. 1 ein Verfah- rensschema nach einer bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht. Fig. 2 zeigt das Baur- Glaessner-Diagramm, in dem der Reduktionsverlauf ohne erfindungsgemässe Massnahmen und mit erfindungsgemässen Massnahmen eingezeichnet ist. Die Fig. 3a und 3b veranschaulichen Redukti- onsprozesse anhand eines Hämatitkornes.
Die Anlage gemäss Fig. 1 weist vier in Serie hintereinander geschaltete Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 auf, wobei eisenoxidhältiges Material, wie Feinerz, über eine Erzzuleitung 5 dem ersten Wirbelschichtreaktor 1 zugeleitet wird, in dem eine Aufheizung auf eine vorbestimmte Temperatur stattfindet, wie später noch genauer ausgeführt wird. Anschliessend wird das Feinerz, z. B. mit einer chemischen Zusammensetzung gemäss nachstehender Tabelle, von Wirbelschichtreaktor zu Wir- belschichtreaktor über Förderleitungen 6 geleitet, wobei sich innerhalb der Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 jeweils Wirbelschichtzonen ausbilden. Das fertig reduzierte Material (Eisenschwamm) wird in einer Brikettieranlage 7 heissbrikettiert.
Erforderlichenfalls wird das reduzierte Eisen während der Brikettierung vor einer Reoxidation durch ein nicht dargestelltes Inertgas-System geschützt.
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
<tb>
Chemische <SEP> Analyse <SEP> des <SEP> Feinerzes <SEP> (Gewichtsprozent)
<tb>
<tb> Fetot <SEP> Fe203 <SEP> Fe0 <SEP> Ca0 <SEP> SiO2 <SEP> Al2O3 <SEP> MgO <SEP> Ti02 <SEP> C <SEP> LO1
<tb>
EMI5.2
Vor Einleitung des Feinerzes in den ersten Wirbelschichtreaktor 1 wird es einer Erzvorberei- tung, wie einer Trocknung und einem Sieben, unterzogen, die nicht näher dargestellt ist.
Reduktionsgas wird im Gegenstrom zum Erzdurchfluss von Wirbelschichtreaktor 4 zu Wirbel- schichtreaktor 3 bis 1 geführt und als Topgas über eine Topgas-Ableitung 8 aus dem in Gasströ- mungsrichtung letzten Wirbelschichtreaktor 1 abgeleitet und in einem Nasswäscher 9 gekühlt und gewaschen.
Die Herstellung des Reduktionsgases erfolgt durch Reformieren von über die Leitung 11 zuge- führtem und in einer Entschwefelungsanlage 12 entschwefeltem Erdgas in einem Reformer 10
Das aus Erdgas und Dampf gebildete, den Reformer 10 verlassende Gas besteht im wesentlichen aus H2, CO, CH2, H2O und CO2 Dieses reformierte Erdgas wird über die Reformgasleitung 13 einem oder mehreren Wärmetauschern 14 zugeleitet, in denen es auf 80 bis 150 C abgekühlt wird, wodurch Wasser aus dem Gas auskondensiert wird.
Die Reformgasleitung 13 mündet in die Topgas-Ableitung 8, nachdem das Topgas mittels ei- nes Kompressors 15 verdichtet wurde. Das sich so bildende Mischgas wird durch einen CO2- Wäscher 16 hindurchgeschickt und von C02 sowie von H2S befreit. Es steht nunmehr als Redukti- onsgas zur Verfügung. Dieses Reduktionsgas wird über eine Reduktionsgaszuleitung 17 in einem dem CO2- Wäscher 16 nachgeordneten Gaserhitzer 18 auf eine Reduktionsgastemperatur von etwa 840 C erhitzt und dem in Gasdurchflussrichtung ersten Wirbelschichtreaktor 4 zugeführt, wo es mit den Femerzen zur Erzeugung von direktreduziertem Eisen reagiert. Die Wirbelschichtreakto- ren 4 bis 1 sind in Serie geschaltet ; Reduktionsgas gelangt über die Verbmdungsleitungen 19 von Wirbelschichtreaktor zu Wirbelschichtreaktor.
Die Anzahl der Wirbelschichtreaktoren richtet sich nach dem Gegebenheiten, wie den Eigenschaften des Reduktionsgases, dem gewünschten Reduktionsgradienten etc. So könnte z. B. der strichliert dargestellte Wirbelschichtreaktor 3 in Fortfall kommen, so dass das Verfahren dreistufig abläuft.
Ein Teil des Topgases wird aus dem Gas-Kreislauf 8,17, 19 ausgeschleust, um eine Anreiche- rung von Inertgasen, wie N2, zu vermeiden. Das ausgeschleuste Topgas wird über eine Zweiglei- tung 20 dem Gaserhitzer 18 zur Erwärmung des Reduktionsgases zugeführt und dort verbrannt Eventuell fehlende Energie wird durch Erdgas, welches über die Zuleitung 21 zugeführt wird, ergänzt.
Die fühlbare Wärme des aus dem Reformer 10 austretenden reformierten Erdgases sowie der Reformerrauchgase wird in einem Rekuperator 22 genutzt, um das Erdgas nach Durchlauf durch die Entschwefelungsanlage 12 vorzuwärmen, den für die Reformierung benötigten Dampf zu erzeugen sowie die dem Gaserhitzer 18 über die Leitung 23 zugeführte Verbrennungsluft sowie gegebenenfalls auch das Reduktionsgas vorzuwärmen. Die dem Reformer 10 über die Leitung 24 zugeführte Verbrennungsluft wird ebenfalls vorgewärmt.
Zur Vermeidung bzw. Minimierung einer Magnetitbildung wird gemäss einer ersten bevorzugten Variante das Reduktionsverfahren wie folgt durchgeführt:
In dem Wirbelschichtreaktor 1 wird Eisenerz in der Menge von 110 t/h eingebracht. Das Eisen- erz ist getrocknet und weist eine Temperatur von etwa 70 C auf.
Das über die Leitung 17 dem Wirbelschichtreaktor 4 zugeführte frische Reduktionsgas weist eine Temperatur von 840 C auf und es wird in einer Menge von 2.150 Nm3/t Erz zugeführt. Seine chemische Zusammensetzung ist in nachstehender Tabelle wiedergegeben.
EMI5.3
<tb>
H2 <SEP> CO <SEP> CH4 <SEP> CO2 <SEP> N2 <SEP> H20
<tb> Vol% <SEP> 61 <SEP> 6 <SEP> 22 <SEP> 2,5 <SEP> 7 <SEP> 1,5 <SEP>
<tb>
<Desc/Clms Page number 6>
Die Temperatur dieses Reduktionsgases beträgt beim Eintritt in den zweiten Wirbelschichtreak- tor 720 C und beim Eintritt in den Wirbelschichtreaktor 1 640 C. Aus diesem tritt es mit einer Temperatur von 450 C aus.
Im Wirbelschichtreaktor 1 wird das Eisenerz auf eine Temperatur von etwa 450 C vorgewärmt, was ohne bzw. nahezu ohne Magnetitbildung durch Erniedrigung des Reduktionspotentiales des dem Wirbelschichtreaktor 1 zugeführten Reduktionsgases bzw. Erhöhung seines Oxidationsgrades möglich wird. Dies geschieht gemäss der Erfindung durch Eindüsen von Wasser, das eine Tempe- ratur von 40 C aufweist. Es wird in einer Menge von 15 Nm3/h entweder direkt in den Wirbel- schichtreaktor 1 eingebracht, u. zw. über die Leitung 25, oder über die Leitung 26 in die die Wirbel- schichtreaktoren 2 und 1 verbindende Leitung 19 zugeführt. Hierdurch erfolgt eine Herabsetzung der Temperatur des Reduktionsgases um etwa 100 C sowie eine Minderung des Reduktionspoten- tials bzw.
Erhöhung des Oxidationsgrades nach der Definition:
EMI6.1
Eine Änderung der Zusammensetzung des Reduktionsgases bei Durchtritt durch den oberen
Wirbelschichtreaktor 1 ergibt sich im wesentlichen nur durch die Wasserzugabe, da keine Reaktion stattfindet. Der Oxidationsgrad vor, bzw. nach der Wassereindüsung erhöht sich anteilsmässig um die eingedüste Wassermenge.
Das auf 450 C vorgewärmte Eisenerz wird im Wirbelschichtreaktor 2 teilreduziert und gelangt mit einer Temperatur von 640 C in den Wirbelschichtreaktor 3. Nach der Fertigreduktion im Wirbel- schichtreaktor 4 weist es eine Metallisierung von 92,5 % auf.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Wassereindüsung in den Wirbelschichtreaktor 1 eine
Magnetitbildung wirkungsvoll verhindert werden konnte, obwohl die Vorwärmung des Eisenerzes auf eine Temperatur von 450 C erfolgte, bei welcher Temperatur das zum Erhitzen eingesetzte
Reduktionsgas, das bei Einleitung in den Wirbelschichtreaktor 1, wie oben erwähnt, eine Tempera- tur von 640 C aufweist, eine Vorreduktion bewirken würde.
Durch die erfindungsgemässe Massnahme gelingt es, das Reduktionspotential des teilverbauch- ten Reduktionsgases, das für die Aufheizung des Eisenerzes herangezogen wird, so weit zu redu- zieren, dass eine Reduktion, wenn überhaupt, nicht stattfindet, u. zw. bei nahezu beliebiger Verweil- zeit des Eisenerzes im Wirbelschichtreaktor 1. Es hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass eine gewisse sehr geringe Vorreduktion stattfinden kann, die jedoch für eine Reduktion in den nachfol- genden Wirbelschichtreaktoren 2 bis 4 unschädlich ist. Eine solche Vorreaktion kann bis maximal
0,2 % Sauerstoffabbau/Minute stattfinden. Bei den meisten Erzen ergeben sich Reduktionsge- schwindigkeiten von < 0,05 % 02-Abbau pro Minute.
Erfindungsgemäss wird somit im Grenzbereich des Beginnens einer Reduktion vorgewärmt, wobei, und das ist wesentlich, die Temperatur des für die Vorwärmung herangezogenen Redukti- onsgases möglichst hoch gehalten wird, um erstens eine hohe Vorwärmtemperatur zu erzielen und zweitens ein hohes Temperaturniveau im Wirbelschichtreaktor 2, bei dem es - ohne Hemmung durch Magnetit - unmittelbar zur Wüstitbildung kommt, einstellen zu können. Diese soll bei der Reduktion von Eisenerz mindestens etwa 600 C, vorzugsweise 620 - 660 C, betragen.
Das Einstellen einer hohen Vorwärmtemperatur kann auch gemäss einer Variante der Erfindung durch Zuleiten eines Stroms von flüssigem C02 durch die Leitungen 25 und 26 erzielt werden, wobei das gemässden oben angegebenen Ausführungsbeispielen zugeführte Wasser durch einen Strom von 50 Nm3/h C02 bei gleicher Wirkung ersetzt werden könnte. Es ist auch möglich, Gemi- sche aus CO2 und H2O zur Konditionierung des Reduktionsgases einzusetzen.
Für das erfindungsgemässe Verfahren kommt es nicht auf einen Gegenstrom zwischen dem Vorwärmgas und dem vorzuwärmenden teilchenförmigen Material an, sondern es kann ein Wär- metausch auf verschiedene Art und Weise, z.B. auch im Kreuzstrom, stattfinden.
Aus Fig. 2, dem Baur-Glaessner-Diagramm, ist zu erkennen, dass es bei einem Reduktions- prozess ohne erfindungsgemässe Massnahmen bereits im für das zu reduzierende Material ersten Wirbelschichtreaktor zu einer Magnetitbildung kommt. Dieser Prozess ist mit runden Punkten und einer strichlierten Linie veranschaulicht.
(Das Baur-Glaessner-Diagramm ist als thermodynami- sches Diagramm zu verstehen und daher unabhängig von der Reaktionskinetik und somit auch von
<Desc/Clms Page number 7>
der Vorgeschichte der Reduktion.)
Die geschwungen strichlierten Klammern im Baur-Glaessner-Diagramm, die mit 1 bis 4 be- zeichnet sind, kennzeichnen den reduktionsgemassen Verfahrensablauf nach dem Stand der Tech- nik in den gleich nummerierten Reaktoren, also ohne erfindungsgemässe Massnahmen; die Quadra- te sowie die durchgehende Linie und die durchgehenden Klammern 1 bis 4 veranschaulichen das erfindungsgemässe Reduktionsverfahren, wie es in den gleich nummerierten Reaktoren 1 bis 4 stattfindet.
Aufgrund der erfindungsgemässen Massnahmen, beispielsweise einer Temperaturemiedngung im Wirbelschichtreaktor 1 auf etwa 450 C, wird eine Magnetitbildung im Wirbelschichtreaktor 1 nahezu zur Gänze vermieden.
Fig. 3 A zeigt in schematischer Weise die Magnetitbildung bei herkömmlicher Reduktion, wobei aus einem Hämatitkorn durch Niedrigtemperaturreduktion im Wirbelschichtreaktor 1 bei etwa
550 Celsius ein dichter Magnetit entsteht, aus dem durch die nachfolgende Reduktion bei hohen Temperaturen in den Wirbelschichtreaktoren 2,3 und 4 ein dichtes metallisches Eisen mit einge- schlossenem Wüstit und einer das Korn bedeckenden Randzone aus Magnetit gebildet wird.
Demgegenüber ist in Fig. 3B die erfindungsgemässe Reduktion veranschaulicht, wobei im Wirbel- schichtreaktor 1 bei einer Temperatur von etwa 450 C keine Reduktion stattfindet, sodass der im Wirbelschichtreaktor 1 eingesetzte Hämatit als solcher in den Wirbelschichtreaktor 2 gelangt Hier erfolgt eine Hochtemperaturreduktion, ebenso wie in den anschliessenden Wirbelschichtreaktoren 3 und 4, woraus ein hochporöser und nicht zu "sticking" neigender Eisenschwamm resultiert.
Das erfindungsgemässe Verfahren liefert eine wesentliche Verbesserung der Energiebilanz, da durch die hohe Vorwärmung im Wirbelschichtreaktor 1, die bei 50 C oder auch darüber gegenüber dem bekannten Vorwärmverfahren liegen kann, eine Absenkung der Reduktionsgastemperatur in den für das teilchenförmige Material nachfolgenden Reaktoren, also in den Wirbelschichtreaktoren 2 bis 4, möglich ist, insbesondere kann die Reduktionsgastemperatur im für das teilchenformige Material letzten Reaktor herabgesetzt werden, wodurch die Gefahr für "sticking" des fertig reduzier- ten Materials, also des Eisenschwamms, in der Wirbelschicht ganz wesentlich herabgesetzt ist. Es ergibt sich auch eine Verbesserung des Fliessverhaltens der Feinteile in den Transferlinien, da auch hier die "sticking"-Gefahr minimiert ist.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Verringerung der Gefahr einer Hochtemperaturkorrosion (metal-dusting) bei der Gaserhitzung, beim Gastransport und der Gasverteilung.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist darin zu sehen, dass es mit einfachen Mitteln gelingt, ein Temperaturprofil in der gesamten Reaktorkaskade einzustellen, da lediglich die Wassermenge bzw. gegebenenfalls die COz-Menge hierfür eingestellt werden muss.
Im Unterschied dazu musste bisher eine Gasmengenregelung vorgenommen werden, bei der auf die Leerrohrgeschwindigkeit durch laufende Druckänderungen der gesamte Kaskade reagiert werden musste.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.