DD209850A5

DD209850A5 - Verfahren zur direktreduktion von eisenerz

Info

Publication number: DD209850A5
Application number: DD83250872A
Authority: DD
Inventors: Enrique R Martinez-Vera; Alberto Bustani-Adem
Original assignee: Hylsa Sa
Priority date: 1982-05-12
Filing date: 1983-05-12
Publication date: 1984-05-23
Also published as: GB2123038A; DE3317062C2; GB2123038B; BR8302466A; JPS59166610A; MX156697A; DE3317062A1; JPH0366365B2; GB8312825D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Eisen durch Direktreduktion von Eisenerz und insbesondere ein optimalisiertes Verfahren, bei dem man mit hoeheren Reduktionstemperaturen arbeiten kann und man die Probleme hinsichtlich des Sinterns und Agglomerierens von Eisenerzteilchen minimalisieren kann.Erfindungsgemaess wird ein Verfahren zur Verfuegung gestellt,bei dem man die Reduktionsgaserzeugungseinheit vermindern kann. Beide Ziele werden vorzugsweise dadurch erzielt, dass man nur Methangas oder ein aehnliches, Methan enthaltendes Gas, in die Kuehlschleife des Direktreduktionsverfahrens einspritzt und einen Teil des Kuehlgases aus der Kuehlzone in die Reduktionszone ablueftet (vorzugsweise in der Groessenordnung von 1 bis 2% des Methangehaltes des Kuehlgases in bezug auf den Volumenfluss des zu reduzierenden Gases.

Description

~i- Berlin, 17. 10. 1983

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Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischem Eisen durch Direktreduktion von Eisenerz.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

ileduktionsverfahren mit Bewegtbettreaktoren sind bekannt. Im allgemeinen liegen dabei zwei Zonen vor, und zwar eine erste im oberen Teil des Reaktors, welche die sogenannte Reduktionszone ist, in welcher Eisenerz mittels der Schwerkraft nach unten strömt, und ein Strom eines nach oben strömenden Reduktionsgases hoher Temperatur das Eisenerz im Gegenstrom kontaktiert und wobei das Reduktionsgas ein Gasgemisch ist, das sich hauptsächlich aus H« und CO zusammensetzt· In dieser Zone findet eine Vorheizung und die Reduktion des Eisenerzes statt.

In der zweiten Zone, im unteren Teil des Reaktors, ist die sogenannte Kühlzone, in v/elcher das heiße absteigende Gas und reduzierte Eisenerzteilchen im Gegenstrom mit einem aufsteigenden Strom aus kaltem Gas in Berührung kommen, um die reduzierten Eisenerzteilchen abzukühlen, bevor sie an die Atmosphäre abgegeben werden. Diese Abkühlung ist erforderlich, um eine Rückoxydation der reduzierten Teilchen mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff zu vermeiden.

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Derzeit zieht man es vor, Pellets mit einem hohen Eisengehalt als Ausgangsmaterial für Direktreduktionsverfahren zu verwenden· Der Hauptgrund hierfür ist, daß die Pellets im allgemeinen leichter reduziert werden als Erzbrocken. Diese Qualität erleichtert es, ein hochmetallisiertes Produkt zu erhalten. Darüber hinaus sind Pellets auch äußerst beständig gegenüber einem mechanischen Abbau während des Reduktionsverfahrens, und aus diesem Grund bilden sie auch weniger Peinstoffe als bei Erzbrocken· Außerdem ist es auch möglich, innerhalb gewisser Grenzen die chemische Zusammensetzung des tauben Gesteins zu verändern, um die Verwendung des reduzierten Materials als Zufuhr für elektrische Bogenöfen zu optimalisieren.

Derzeit besteht in der Eisen- und Stahlindustrie eine Tendenz, Pellets mit einem Eisengehalt von mehr als 67 % zu verwenden· Dadurch erhöht sich das Agglomerationsproblem, weil es bekannt ist, daß bei einem höheren Eisengehalt ein Sintern und Agglomerieren der Pellets in stärkerem Maße stattfindet«

Wenn eine Feststoffagglomeration in einem Bewegtbettreaktor vorkommt, treten ernste Probleme hinsichtlich des Feststoffflusses und der Gasstromverteilung auf· Dadurch geht die Kontrolle über das Verfahren verloren und die Produktqualität leidet darunter·

Es sind bereits eine Reihe von Lösungen zum Lösen der Agglomerationsprobleme in Bewegtbettreaktoren bei der Direktreduktion von Eisenerzen vorgeschlagen worden· Die offen-

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sichtlichste Lösung ist die, daß man mechanisch die Agglomerate zerstört· Dies ist jedoch eine nichtoptimale Lösung, weil solche Mechanismen im allgemeinen in dem Pließpfad für die Peststoffe angeordnet sind und dadurch eine Störung des Stroms verursachen und die Probleme noch erhöhen. Darüber hinaus unterliegen sie einem starken Abrieb und sind hohen Temperaturen ausgesetzt· Solche mechanischen Vorrichtungen sind daher komplex und teuer.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Lösung des Problems der Pelletagglomerierung beim Arbeiten bei hohen Temperaturen besteht darin, daß man den Reaktor mit einer Mischung der Pellets und Brocken oder von Pellets und einem inerten Material unregelmäßiger Form füllt· In beiden Fällen wird durch die Form das Problem der Agglomerierung minimalisiert·

Im Falle der Verwendung von Erzbrocken besteht der Nachteil, daß die Brocken im allgemeinen schlechter reduzierbar sind als Pellets und daß sie eine größere Menge an Feinstoffen bilden« Darüber hinaus gibt es auf der Welt nur wenige brockenartige Erze, die man in einem Direktreduktionsverfahren anwenden kann. Deshalb ist es nicht immer richtig, eine Direktreduktionsanlage so zu entwerfen, daß man Mischungen von Pellets und Brocken verarbeiten kann.

Der Hachteil bei der Verwendung; von Mischungen aus einem inerten Material und Pellets besteht darin, daß man das inerte Material von dem Produkt abtrennen muß und daß dadurch die Reaktorproduktivität absinkt·

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Wegen der Vorteile bei der Anwendung von Pellets, z· B. der sehr guten Reduzierbarkeit und des geringen Anfalls an taubem Gestein und wegen der niedrigeren Bildung von Peinstoffen besteht ein Bedürfnis für ein Direktreduktionsverfahren, das einen Betrieb mit 100 % Pellets mit einem hohen Eisengehalt von mehr als 67 % und bei Reduktionstemperaturen oberhalb 900 ⁰C ermöglicht, ohne daß Probleme hinsichtlich des Sinterns und Agglomerierens vorliegen·

Aus der US-PS 4 268 303 ist ein Direktreduktionsverfahren bekannt, bei dem man bei hohen Temperaturen und ohne Agglomerationsprobleme arbeiten kann. Das in dieser Patentschrift beschriebene Verfahren beruht auf einem Bewegtbettreaktor mit zwei Reduktionszonen und ohne Kühlzone·

In der ersten Zone findet die Reduktion bei Temperaturen in der Größenordnung von 950 bis 1200 ⁰C mit Gasen mit einem hohen Methangehalt (15 bis 40 %) statt·

Gemäß der Lehre dieser Patentschrift ist es möglich, die erste Reduktionsstufe (30 bis 80 %) bei hohen Temperaturen durchzuführen und bei einem hohen Methangehalt, weil die Reduktion3reaktion von Methan stark endotherm verläuft·

In der zweiten Zone wird die Reduktion bei Temperaturen im Bereich von 750 bis 950 ⁰C mit Gasen ι Methangehalt (2 bis 7 %) durchgeführt,

Bereich von 750 bis 950 ⁰C mit Gasen mit einem niedrigeren

Die Hauptbeschränkung bei diesem Verfahren ist das extreme Niveau, auf welches die Temperatur der Gase mit hohem

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Methangehalt erhöht werden muß, um die Reduktion durchzuführen. Einerseits sind die Materialien, die man für den Betrieb von Hei3vorrichtungen bei Temperaturen in der Größenordnung von 1200 ⁰C benötigt, äußerst spezialisiert und teuer und andererseits wird bei diesen Temperaturen die Pyrolyse von Methan begünstigt (wodurch Probleme einer hohen Kohlenstoffabscheidung auftreten, die wiederum Probleme hinsichtlich des Reaktorbetriebes bedingen).

In dieser Patentschrift wird die große Agglomeratisierungstendenz der Pellets mit hohem Eisengehalt nicht erwähnt, noch wird in irgendeiner Weise vorgeschlagen, wie man dieses Problem lösen kann.

ZJeI₁ der Erfindung

Wie schon vorher erwähnt, ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mittels dem man Pellets mit einem hohen Eisengehalt von oberhalb 67 % bei Temperaturen zwischen 900 und 960 ⁰C ohne Agglomerierung verarbeiten kann»

Sin weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mittels dem man die äquivalente Größe der Reformiereinheit, die einem Reduktionsreaktor zugeordnet ist, verkleinern kann« Dies ist sehr bedeutsam, weil die Reformiereinheit bei einer Direktreduktionsanlage die teuerste Vorrichtung darstellt.

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- 7 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optimalisiertes Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz zu schaffen, mittels dem man bei höheren Reduktionstemperaturen arbeiten kann und die Probleme hinsichtlich des Sinterns und des Agglomerierens von Eisenerzteilen minimalisieren kann. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem die erforderliche Größe der Reduktionsgaserzeugungseinheit vermindert wird·

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das mit einem Bewegtbettreaktor mit drei Zonen arbeitet, und zwar einer Reduktionszone im oberen Teil des Reaktors, einer Kühlzone im unteren Teil des Reaktors und einer Zwischenzone, welche die beiden vorerwähnten Zonen trennt»

In der Reduktionszone wird die Reduktion bei Temperaturen in der Größenordnung von 950 ⁰C mit einem Gas mit einem Methangehalt zwischen 4 und10 %_t einem Wasserstoffgehalt zwischen 60 und 70 % und einem Kohlenmonoxidgehalt zwischen 2 und 15 % durchgeführt.

Im unteren Teil des Reaktors befindet sich die Abkühlungszone für das Produkt* Diese Abkühlung wird in einem geschlossenen Kreislauf bewirkt, der aus dem unteren Teil des Reaktors, einem Abschreckkühler und einem Kompressor be-

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steht. Ein Naturgasstrom, der hauptsächlich aus Methan besteht, wird dieser Schleife als Ergänzung zugeführt. Da kein Gasauslaß nach außen aus dem Reaktor in dieser Kühlschleife vorgesehen ist, verursacht das in diese Schleife eingespritzte Methan, daß das Methan von dort durch die Zwischenzone in die Reduktionszorie strömt.

In der Zwischenzone wird das aus der Kühlzone kommende Methan mit einem Teil des heißen Reduktionsgases, das in die Reduktionszone eingespritzt wird, vermischt.

Das aus der Kühlzone strömende Kühlgas hat eine Temperatur zwischen 400 und 600 ⁰C. Wenn das Kühlgas in der Zwischenzone mit den oxydierenden Elementen, die in dem heißen Reduktionsgas vorhanden sind, in Berührung kommt, wird die stark endotherme Reformierungsreaktion des Methans beschleunigt. Aufgrund dieser Reaktionen nimmt die Temperatur der Peststoffe sehr schnell ab, weil die Reaktionswärme von den absteigenden Peststoffmassen zur Verfügung gestellt wird. Dieses plötzliche Abkühlen der Peststoffe verhindert 'eine Agglomerierung der hochmetallhaltigen Pellets und Teilchen, weil die Zeit, während welcher sie bei derartig hohen Temperaturen gehalten werden, sehr kurz ist.

Auf diese Weise kann man die Agglomerisierung von Teilchen von hochmetallhaltigen Pellets vermeiden, ohne daß man einen hohen Methangehalt in dem Reduktionsgas, verbunden mit extrem hohen Temperaturen (1200 ⁰C) in der Reduktionszone haben

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Bei der vorliegenden Erfindung findet die Reduktion in einer einzigen Stufe mit einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid statt, wobei diese Mischung eine größere Reduktionsgeschwindigkeit hat als die von Methan·

Die Reformierung, die in der Zwischenstufe stattfindet, vermeidet die Bildung von Agglomeraten und ermöglicht es, die Kapazität der Naturgasreformierungseinheit zu vermindern. In den US-PS 4 046 557 und 4 049 440 wird das Einspritzen von Naturgas in die Ktihlschleife eines Reduktionsverfahrens in einem Bewegtbettreaktor offenbart. Dennoch wird die Naturgaseinspritzung immer mit einer weiteren Einspritzung von im Kreislauf gefahrenem gekühlten Reduktionsgas begleitet· Das Hauptziel in dem vorerwähnten Patent besteht darin, das im Kreislauf gefahrene Gas aus der Reduktionsschleife als Kühlgas zu verwenden, ohne daß man die Reduktionsschleife beeinflußt. Das Naturgas wird eingespritzt, um das Reduktionspotential in dem Kreislaufgas zu regenerieren, indem man das Naturgas in der Kühlschleife reformiert und dann einen Teil dieses Gases nach oben in die Reduktionsschleife strömen läßt. In den US-PS 4 046 und 4 049 440 trägt die Menge des in die Kühlzone eingespritzten und dann im Reaktor reformierten Gases nicht dazu bei, die Kapazität der Reformierungseinheit zu vermindern, weil die Menge des heißen reformierten Gases, welches aus der Reformiereinheit strömt, durch die Temperaturerfordernisse an dem Reduktionszoneneinlaß bestimmt und fixiert ist. Diese Temperatur ist fixiert durch die Mischung des heißen Reduktionsgases mit dem kühlen, im Kreislauf gefahrenen Gas. Es ist nicht möglich, einen zu großen Teil des heißen Gas-

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Stroms, der aus der Reformiereinheit kommt, zu vermindern, ohne daß man die Temperatur am Einlaß der Reduktionszone erniedrigt. Das Einspritzen von Naturgas in die Kühlschleife ermöglicht es deshalb nicht, in der Praxis die Kapazität der Reformiereinheit zu verkleinern· Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das reformierte Gas kühl als Ergänzungsgas in die Reduktionsschleife eingespritzt und die Ergänzungsmischung mit dem im Kreislauf gefahrenen Gas wird erwärmt, bevor sie in die Reduktionszone des Reaktors eingespritzt wird· In diesem Pail bewirkt das Einspritzen des Naturgases die Verminderung der Größe der Reformiereinheit·

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Bewegtbettreaktor verwendet, der aus drei Zonen besteht. In der oberen Zone findet die Reduktion des Eisens mit einem niedrigen Methangasgehalt, der zwischen 4 und 10 % liegt, und einem hohen Gehalt an reduzierenden Komponenten, nämlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid zwischen 75 und 90 % bei einer Reduktionstemperatur zwischen 900 und 960 ⁰C, statt· Dieser Reduktionsgasstrom fließt in einen geschlossenen Kreislauf, dem Ergänsungsreduktionsgas aus einem getrennten Reformer zugeführt wird· Die untere Zone des Reaktors, die Kühlzone, in welcher ein Abschreckkühler und ein Kompressor vorhanden sind, ist mit einer geschlossenen Kühlzone kombiniert. Die Gaszusammensetzung des Ergänzungsgases für die Kühlschleife besteht vorzugsweise aus einem Kühlgas mit einem Gehalt von wenigstens 75 % Methan. Normalerweise wird das Ergänzungsgas für diese Schleife von einem Naturgasstrom gebildet· Die Menge dieses Natur-Ergänzungsgases

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liegt zwischen 1 und 2 % des Reduktionsgasstromes (am Einlaß der Reduktionszone)·

Zwischen der Reduktions- und der Kühlzone befindet sich die Zwischenzone, in welcher unter kontrollierten Bedingungen das Mischen zwischen einem Teil des heißen Reduktionsgases j, das aus der Reduktionszone kommt und dem Methangas, das aus der Kühlzone kommt, beschleunigt wird· In dieser Zwischenzone findet eine Methanreformierung statt, durch welche eine erhebliche Menge der Wärme absorbiert wird und dadurch kühlen sich die Peststoffe schnell ab und vermeiden eine Agglomerierung der Pellets mit einem hohen metallischen Eisengehalt.

Durch das Reformieren des in die Kühlzone eingespritzten Methans innerhalb des Reaktors kann man die Größe des Reformers, den man für die Reduktionsgaseinheit benötigt, verkleinern·

Das Verfahren ist weiter dadurch gekannzeichnet, daß das dem Reaktor zugeführte Erz in Form von Pellets mit einem Eisengehalt von mehr als 67 Gew.-% vorliegt· Der erste Strom ist eine Mischung aus rezirkuliertem Gas aus der Reduktionszone und Ergänzungsgas aus einem katalytischen Reformer· Das rezirkulierte Reduktionsgas wird erwärmt und wird dann mit dem heißen Reduktionsgasstrom, der aus dem Reformer kommt, vermischt· Das Kohlendioxid wird aus dem rezirkulierten Gasstrom abgeführt·

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Pig* 1 zeigt die Relation der Produktivität einer Direkt reduktionsanlage in bezug auf die Betriebstempera tur,

Pig· 2 ist ein Diagramm und zeigt die Wirkung des Eisengehaltes in den Pellets auf den Agglomerierungsindex,

Pig* 3 zeigt die Wirkung der Betriebstemperatur auf die erforderliche Größe der Reduktionsgaserzeugungseinheit für zwei verschiedene Fälle, und zwar einmal für das Einspritzen von Naturgas in die Kühlschleife und einmal ohne eine solche Einsprit

Pig· 4 ist ein schematisehes Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens·

Pig· 1 zeigt die Temperaturwirkung auf die Produktivität in einer Direktreduktionsanlage der Art, bei welcher man das erfindungsgemäße Verfahren anwenden kann· In dieser grafischen Darstellung wird gezeigt, daß die Produktivität der Anlage um 17 % erhöht wird und daß die Menge des verwendeten reformierten Gases vermindert wird, wenn die Reduktionstemperatur auf 850 bis 960 ⁰C ansteigt· Es ist deshalb erstrebenswert, bei hohen Reduktionstemperaturen zu arbeiten* Das Hauptproblem beim Arbeiten bei hohen Temperaturen mit Pellets mit einem hohen Eisengehalt von mehr als 67 % ist die Agglomerisierung der Pellets, wenn sie

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metallisieren» Durch die Gegenwart von Agglömeraten entstehen Störungen in dem Feststoffstrom und im Gasstrom in

j den Bewegtbettreaktoren, wie sie für die Direktreduktion !von Eisenerzpellets verwendet werden. Diese Störungen verursachen Betriebsprobleme und vermindern die Gebrauchsjfähigkeit der Anlage (d_e h* daß sie die Produktivität verringern) und erschweren die Kontrolle der Produktqualität (aufgrund eines ungleichen Stroms der Massen, wodurch diese leine ungleiche Behandlung erfahren und ungleiche Produkte !ergeben)·

Pig· 2 zeigt die Wirkung des Eisengehaltes in der zugegebenen Charge auf die Bildung von Agglömeraten, bezogen auf den sogenannten Agglomerationsindex Ia, der wie folgt definiert ist:

[n V/a

Ia =

worin bedeuten:

Wb

Ia Agglomerationsindex

Wa Agglomeratgewicht während des Betriebs rib Agglomerat gewicht während des Betriebs, durch welche Probleme in der Verfügbarkeit der Anlage und der Produktqualitätskontrolle eintreten.

In Übereinstimmung mit dieser Definition ist es wünschen s^-- wert, daß Ia immer niedriger als 1,0 ist, wobei dies den maximalen Wert darstellt, der für einen stabilen Betrieb der Anlage akzeptierbar ist, ohne daß Probleme hinsichtlich des Peststoff- und Gasstromes eintreten.

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In Pig» 2 werden drei Kurven gezeigt, und zwar zwei kontinuierliche Kurven für das Verfahrens das bei 900 ⁰C bzw« 960 ⁰C ohne üFaturgaseinspritzung betrieben wird und eine gepunktete Kurve für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das bei 960 ⁰C mit laturgaseinspritzung arbeitet«

Gemäß dieser Information ist es erforderlich, um die Anlage bei 960 ⁰C ohne Naturgaseinspritzung und ohne Betriebsprobleme zu betreiben, daß der Eisengehalt in den Pellets niedriger als 66,6 % liegt oder alternativ, daß man die Temperatur auf 900 ⁰C erniedrigt, wenn man mit Pellets mit einem Eisengehalt von höher als 67 % arbeitet, um eine Ia von weniger als Λ % zu erzielen« Wenn man. dagegen vom er™ findungsgemäßen Verfahren Gebrauch macht, ist es möglich, bei 96Ο ⁰C mit Pellets mit einem hohen Eisengehalt in der Größenordnung von 67,5 % zu arbeiten, ohne daß besondere Aggrlomerationsprobleme eintreten« Dieses Verfahren ermög- , licht eine hohe Anlagenproduktivität sowie eine verbesserte Produktquälitat mit einer hohen Metallisierung und einer niedrigen Peinstofferzeugung und ermöglicht es, Pellets mit hohem Eisengehalt einzusetzen, im Gegensatz zu der Verwendung von nicht-pelletisierten Erzklumpen·

Gemäß Fig* 2 ist es erforderlich, um das Verfahren mit Pellets mit einem Eisengehalt von 67,4 % und ohne Naturgaseinspritzung au betreiben, niedrigere Temperaturen als 900 ⁰C anzuwenden, wobei man 10 % der Produktivität verliert« ' ' .

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Beim Einspritzen von Naturgas in die Kühlzone ist es möglich, die Kurven Ia gegen T bei 960 ⁰C nach rechts zu verschieben, aufgrund der plötzlichen Abkühlung des heißen reduzierten Materials und auch aufgrund der minimalisierten Zeit, während welcher die reduzierten Teilchen diesen hohen Temperaturen ausgesetzt sind· Dieses plötzliche Abkühlen wird hauptsächlich durch den aufsteigenden Strom des Methans, das in die geschlossene Kühlschleife injiziert wird, bewirkt und zum Teil durch die Methanreformierung mit den oxydierenden Elementen des Gases, welches aus der Reduktionsschleife eintritt, wobei ein Teil des Gases in der Zwischenzone des Reaktors vermischt wird und dadurch die endotherme Reformierungsreaktion beschleunigt wird:

CH₄ + H₂O * CO + 3 H₂ (1)

CH₄ + CO₂ » 2 CO + 2 H₂ (2)

Das heiße Reduktionsgas, welches in die Reduktionsschleife eintritt, hat einen Kohlendioxidgehalt zwischen 2 und 15 % und einen Feuchtigkeitsgehalt zwischen 1 und 4 %· Diese oxydierten Elemente werden für die Reformierung verwendet, die in der Zwischenzone des Reaktors abläuft*

Figα 3 zeigt die Wirkung der Temperatur und der Naturgaseinspritzung auf die Kapazität des Reformers der Reduktionsanlage. Für eine Betriebstemperatur von 960 ⁰C benötigt das Naturgaseinspritzverfahren einen Reformer, der annähernd 15 % kleiner ist als bei dem Verfahren ohne Naturgasein- i spritzung.

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Bei dem Direktreduktionsverfahren mit Hilfe von Naturgas wird das Naturgas im allgemeinen zweifach angewendet« Ein Teil des Naturgases wird in einen katalytischen Reformer eingeführt, um die Kohlenwasserstoffe in Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu überführen, die dann als reduzierende Elemente bei der Direktreduktion von Eisenerz verwendet werden· Ein anderer Teil des Naturgases wird verwendet als Brennstoff zur Erzielung der nötigen Wärme, um die endotherme Reaktion der Reformierung zu bewirken und auch um die Reduktionsgase, bevor sie in den Reduktionsreaktor eingespritzt werden, zu erwärmen·

Im allgemeinen wird das als Brennstoff verwendete Naturgas mit dem Gasstrom, der aus dem Verfahren abgelüftet wird und der nur eine niedrige Reduktionskraft aufweist, aber der noch als Brennstoff geeignet ist, vermischt· Dieser zweite Naturgasstrom wird verwendet, um das abgelüftete Verfahrensgas zu verbessern und dann als Brennstoff für den Heizer und für den Reformer in dem Verfahren auszunutzen·

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Teil des Naturgases in die Kühlschleife eingespritzt· In dieser Schleife beschleunigt das Naturgas die Abkühlung des Produktes aufgrund seiner hohen kalorischen Kapazität und infolgedessen findet die Abkühlung schneller und effizienter statt·

Da die Kühlschleife eine geschlossene Schleife ist, fließt das eingespritzte Naturgas nach oben durch den Reaktor in die Zwischenzone, wo es mit einem Teil des heißen Reduktionsgases in Berührung kommt und die Reformierung eines Teils dieses Naturgases, wie vorher erwähnt, beschleunigt·

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' ' ' . -Π - .. ; . .. : . ' :.:,.

Beim Reformieren des Methans innerhalb des Reaktors werden reduzierende Elemente gebildet,die in der Reduktionszone verwendet werden, um die Reduktion wirksamer zu gestalten (wodurch das Erfordernis an die Reformerkapazität weiter vermindert wird).

Das nicht-reformierte Methan in der Zwischenzone fließt in die Reduktionszone und wirkt als Wärmeträgerelement und trägt dazu bei, das Eisenoxid, das in die Reduktionszone ausgetragen wird, zu erwärmen·

Schließlich verläßt dieses Methan (vermischt mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Feuchtigkeit) den Reaktor und ein Teil dieser Mischung verläßt das Verfahren als Abgas, das dann als Brennstoff verwendet wird.

Kurz gesagt ergibt sich durch das in die Kühlschleife eingespritzte Methan eine Reihe von Verfahrensvorteilens In der Kühlzone wird die Abkühlung des Produktes verbessert, die Agglomerierung der Pellets wird aufgrund der plötzlichen endothermen Abkühlung in der Zwischenzone vermieden, die Erfordernis an die Reformerkapazität wird aufgrund der Reformierung, die in der Zwischenzone stattfindet, verringert und es dient auch in der Reduktionszone als Wärmeträger· Schließlich reichert es die Mischung des entlüfteten Gases, das als Brennstoff in dem Reformer und für den Heizer verwendet wird, an·

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, darauf hinzuweisen, daß alle diese Vorteile nur bei dem erfindungsgemäßen Ver-

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fahren erzielt werden, weil es einen Reformer außerhalb der Reduktionsschleife und eine Heizvorrichtung für die Reduktion des Einlaßgases, welches in die Reduktionszone führt, aufweist.

Bei Verfahren mit stöchiometrischen Reformern und ohne Heizvorrichtung für den im Kreislauf gefahrenen Gasstrom, wie sie in den vorerwähnten Patentschriften beschrieben werden, ist es nicht möglich, den erfindungsgemäßen Vorteil zu erzielen, nämlich die Verkleinerung der Reformergröße, den man zum Einspritzen des Naturgases in die Kühlschleife benötigt, weil der Fluß des heißen Gases aus dem Reformer nicht vermindert werden kann, ohne daß man die Temperatur am Einlaß der Reduktionszone vermindert und da-! mit auch die Produktivität der Anlage.

Befindet sich der Reformer innerhalb der Reduktionsschleife, dann erreicht das in die Kühlschleife injizierte Methan allmählich den Reformer und infolgedessen kann in diesem Fall der Vorteil, daß man die Reformerkapazität verkleinern kannjnicht erzielt werden·

Es liegt auf der Hand, daß die Vorteile der Verminderung der Reformerkapazität, wie sie erfindungsgemäß erzielt werden, unabhängig von dem Material ist, das dem Reaktor zugeführt wird, so daß dieses in Form von Pellets, Erzklumpen oder einer Mischung aus diesen beiden bestehen kann.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, mittels dem die Vorteile der Erfindung erzielt werden.

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Die Reduktion von Eisenerz findet in einem mit 1 bezeichneten Bewegtbettreaktor statt, der aus drei Zonen besteht, nämlich einer Reduktionszone 2, einer Zwischenzone 3 und einer Kühlzone 4· Der Reaktor wird vorzugsweise etwas oberhalb Atmosphärendruck, typischerweise bei 5 kg/cm (5 bar) betrieben. Eisenerz wird kontinuierlich in den Reaktor 1 durch die Zuführleitung 5 eingegeben und das Erz fließt durch die Schwerkraft durch die drei Zonen des Reaktors. Die Geschwindigkeit des Peststoffstroms wird durch ein Drehventil 6, das sich am Boden des^Reaktors befindet, überwacht« Durch Kontrollieren des Peststoffstroms wird mittels dieses Ventils auch die Verweilzeit des Feststoffes und die Produktion des Reaktors eingestellt.

Im unteren Teil der Reduktionszone 2 wird ein Strom von Reduktionsgas 7 bei einer Temperatur zwischen 900 und 960 ⁰C eingespritzt. Dieser Strom fließt nach oben durch die Reduktionszone 2, wo er mit den absteigenden Peststoffen in Berührung kommt· Wenn das heiße Gas das Eisenerz berührt, findet die Reduktion des vorerwähnten Materials statt.

Das Reduktionsgas verläßt den Reaktor an dessen oberem Teil durch die Leitung 8. Es wird in einem Abschreckkühler 9 abgekühlt und das durch die Reduktionsreaktion mit Wasserstoff gebildete Wasser wird kondensiert und entfernt. Auf diese Weise wird die Reduktionskraft des Gasabflusses aus dem Reaktor erhöht.

Der Gasabfluß aus dem Abschreckkühler 9 wird in zwei Gasströme 10 und 13 aufgeteilt. Der erste Gasstrom 10 wird

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mittels eines Kompressors 11 und durch einen Heizer 12 an den Einspritzpunkt des heißen Reduktionsgases in dem unteren Teil der Reduktionszone 2 im Kreislauf gefahren.

Der zweite Gasstrom 13 wird in ein Brennstoffsammelrohr eingeführt, das für den Brennstoff in den Brennern des Heizers 12 und im Reformer 14, wie nachfolgend beschrieben wird, verwendet wird. Der im Kreislauf gefahrene Gasstrom 10 wird, bevor er durch den Heizer 12 geleitet wird, mit dem kalten Reformiergasstrom, der aus dem Reformer 14 kommt j vermischt· In dem Reformer 14 findet die katalytische Umwandlung von Naturgas und V/asserdampf statt und bildet eine Gasmischung, die sich hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt· Ein Strom des Naturgases 15 und ein Strom des V/asserdampfs 16 wird in den Reformer eingeführt, um die vorerwähnte katalytische Umwandlung durchzuführen· Im Reformer 14 wird normalerweise ein ITickelkatalysator verwendet, um die Reformierung des Methans in dem naturgas zu beschleunigen. Um den in dem Reformer 14 enthaltenen Katalysator vor einer zu starken Kohlenstoff abscheidung zu schützen, wird diese Vorrichtung im allgemeinen mit einem Überschuß von Wasserdampf betrieben, in bezug auf die stöchiometrisch notwendige Menge, die zur Reformierreaktion erforderlich ist. Da dieser Wasserdampf ein unerwünschtes Element in dem Ergänzungsreduktionsgas für das Reduktionssystem ist, ist es erforderlich, den nichturngesetzten Wasserdampf aus dem Gasabstrom des Reformers 14 zu entfernen, und zu diesem Zweck wendet man einen Abschreckkühler 17 an und man erhält einen Strom 18, der im wesentlichen wasserfrei ist und einen hohen Gehalt an Y/asserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Der Strom 18 wird

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mit dem im Kreislauf gefahrenen Gasstrom 10 vermischt und in den Heizer 12 eingeführt, wo dessen Temperatur, bevor er in die Reduktionszone 2 eingeführt wird, erhöht wird.

Im unteren Teil der Kühlzone 4 wird ein Kühlgasstrom, der im Gegenstrom zu den absteigenden Peststoffen fließt, eingespritzt* Dieses Kühlgas verläßt den Reaktor durch eine Leitung 20, die am oberen Teil der Kühlzone 4 angebracht ist. Es wird dann in einem Abschreckkühler 21 gekühlt. Das Kühlgas wird dann in einem geschlossenen Kreis am unteren Teil der Kühlzone 4 mittels eines Kompressors 22 rezirkuliert.

Ein kühler Naturgasstrom 23 wird als Ergänzung in die Kühlschleife eingespritzt und bildet mit dem im Kreislauf gefahrenen Kühlgasstrom einen Strom 19, der in die Kühlzone 4 eingespritzt wird.

Da die Kühlschleife eine geschlossene Schleife ist, fließt ein Teil des Stroms 19 im Inneren aus der Kühlzone 4 in die Zwischenzone 3, wie durch die Pfeile 24 angezeigt wird« In der Zwischenzone 3 kommt das Methan, das aus der Kühlzone 4 fließt,in Berührung mit den oxydierenden Elementen in dem heißen Reduktionsgasstrom 7 und beschleunigt die Reformierung eines Teils des eingespritzten Methans«

Es muß darauf hingewiesen werden, daß der Naturgasstrom 23 im Vergleich zum Reduktionsgasstrom 7 klein sein muß, um das Reduktionsgas nicht zu stark abzukühlen und dadurch die Reduktionsreaktion in der Reduktionszone 2 nachteilig

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zu beeinflussen« Beim erfindungsgemäßen Verfahren hat die Fließrate des Naturgasstroms 23 einen Wert zwischen 1 und 2 % de^s Reduktionsgasstroms 7· Zusätzlich zu den Natur« gasströmen 15 und 23 (beide werden in dem Verfahren benötigt, und zwar der erste wird in den Reformer 14 eingespritzt und der zweite wird in die Kühlschleife des Reaktors eingegeben) wird ein dritter Naturgasstrom 251 der als Brennstoff verwendet wird, eingesetzt· Der vorerwähnte Naturgasstrom 25 wird mit dem abgelüfteten Gasstrom 13 vermischte Diese Mischung wird verwendet, um die erforderliche Wärme in den Brennern 26 und den Heizern 12 und in den Brennern 27 des Reformers 14 zu erzeugen. Dabei ist es offensichtlich für den Fachmann, daß man die bevorzugte Ausführungsform modifizieren kann, ohne außerhalb der Erfindung zu sein. Modifizierungen, wie die Anwendung einer COg-Absorptionseinheit, um CO₂ aus dem Gasstrom 10 zu entfernen und auch um einen Teil des Stroms 18 als einen kleineren Teil des Ergänzungsstroms in der Kühlschleife zu verwenden, können angewendet werden, ohne daß man den Geist und den Umfang der Erfindung verläßt· Ebenso liegt es noch im erfindungsgemäßen Verfahren, daß man nur den Gasstrom 10 heizt und ihn heiß mit dem heißen Reduktionsgasstrom aus dem Reformer vermischt«

Claims

62 487 13 Erfindungsanspruch

1· Direktreduktionsverfahren mit Gas für die Herstellung von Schwammeisen aus Eisenerz in Form von Pellets, Erzklumpen oder einer Mischung aus beiden in einem Bewegtbettreaktor mit drei Zonen, nämlich einer Reduktionszone am oberen Teil des Reaktors, einer Kühlzone am unteren Teil des Reaktors und einer Zwischenzone zwischen der Reduktionszone und der Kühlzone, gekennzeichnet dadurch, daß man Eisenerz in den Reaktor in den oberen Teil einführt,

daß man einen ersten heißen Reduktionsgasstrom, der sich hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt und der auch eine untergeordnete Menge an oxydierenden Elementen in Form von Wasser und Kohlendioxid enthält, in eine Reduktionsschleife, die aus der Reduktionszone, einem Abschreckkühler, einem Kompressor und einem Erhitzer für das Reduktionsgas besteht, im Kreislauf führt,

daß man einen zweiten Kühlgasstrom, der sich hauptsächlich aus Methan zusammensetzt, in einer Kühlschleife, die aus der Kühlzone, einem Abschreckkühler und einem Kompressor besteht, im Kreislauf führt,

und daß man einen dritten Gasstrom, der sich hauptsächlich aus Methan zusammensetzt, in die Kühlschleife eingibt,

wobei ein Teil des zweiten Stroms nach oben in den Reaktor in die Zwischenzone strömt und einen vierten Gasstrom bildet,

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daß man einen Teil des ersten Gasstroms mit dem vierten Gasstrom mischt, wodurch das in dem vierten Gasstrom enthaltene Methan mit den oxydierenden Elementen, die in dem ersten Gasstrom enthalten sind, reformiert wird und endotherm das reduzierte Erz, welches in die Zwischenzone eintritt, kühlt und

daß man das reduzierte Eisenerz am unteren Teil des Reaktors abführt«

2« Verfahren gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der erste Gasstrom in die Reduktionszone bei einer Temperatur zwischen 900 und 960 ⁰C eingespritzt wird.

3» Verfahren gemäß Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Methangehalt des dritten Gasstroms wenigstens 75 % beträgt«

4* Verfahren gemäß Punkt 3» gekennzeichnet dadurch, daß der Methangehalt des ersten Gasstroms zwischen 4 und 10 Vol.-# beträgt.

5. Verfahren gemäß Punkt 4_S gekennzeichnet dadurch, daß der Wassergehalt in dem ersten Gasstrom zwischen 1 und 4..% und der Kohlendioxidgehalt zwischen 2 und 15 % liegt»

6. Verfahren gemäß Punkt 5* gekennzeichnet dadurch, daß die Pließrate des dritten Gasstroms in bezug auf dessen Methangenalt zwischen 1 und 2 VoI·-% der Gesamtfließrate dee ersten Gasstroms ausmacht.

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7· Verfahren gemäß Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß das dem Reaktor zugeführte Erz in Form von Pellets mit einem Eisengehalt von mehr als 67 Gew.-% vorliegt.

8. Verfahren gemäß Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß der erste Strom eine Mischung aus rezirkuliertem Gas aus der Reduktionszone und Ergänzun^sgas aus einem katalytischen Reformer ist.

9. Verfahren gemäß Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß das rezirkulierte Reduktionsgas erwärmt wird und dann mit dem heißen Reduktionsgasstrom, der aus dem Reformer kommt, vermischt wird.

10. Verfahren gemäß Punkt 9» gekennzeichnet dadurch, daß das Kohlendioxid aus dem rezirkulierten Gasstrom abgeführt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen