DE102021112922A1 - Process for the direct reduction of iron ore - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm, wobei das Eisenerz eine Reduktionszone (11) zum Reduzieren des Eisenerzes zu Eisenschwamm durchläuft, wobei die Reduktionszone (11) in eine Vorreduktionszone (12), welche mit einem ersten Reduktionsgas (22) gespeist wird, und in eine Fertigreduktionszone (13), welche mit einem zweiten Reduktionsgas (23) gespeist wird, unterteilt ist, wobei das erste Reduktionsgas (22) eine andere Gaszusammensetzung im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) aufweist, wobei ein erstes Reduktionsgas (22) mit einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) höheren Wasserstoffanteil verwendet wird, welcher mindestens 5 Vol.-% höher ist.The invention relates to a method for the direct reduction of iron ore to sponge iron, the iron ore passing through a reduction zone (11) for reducing the iron ore to sponge iron, the reduction zone (11) being fed into a pre-reduction zone (12) which is fed with a first reducing gas (22). and is divided into a finished reduction zone (13) which is fed with a second reduction gas (23), the first reduction gas (22) having a different gas composition compared to the second reduction gas (23), a first reduction gas (22 ) is used with a compared to the second reducing gas (23) higher hydrogen content, which is at least 5 vol .-% higher.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm.The invention relates to a method for the direct reduction of iron ore to sponge iron.

Beim Direktreduktionsverfahren findet eine Feststoffreaktion statt, bei der Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt wird. Hierzu werden klassisch Kohle und/oder Erdgas bzw. kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen und/oder Verbindungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff als Reduktiongas verwendet. Der Trend in letzter Zeit geht dahin, dass häufiger auch Wasserstoff als Reduktionsgas vorgeschlagen wird. Die Reaktion findet unterhalb des Schmelzpunktes des Eisenerzes statt, sodass die äußere Form der Erze unverändert bleibt. Da es bei der Entfernung von Sauerstoff zu einer Gewichtsreduktion von etwa 1/4 bis 1/3 kommt, ergibt sich eine wabenförmige Mikrostruktur des Reaktionsproduktes (festes poröses Eisen mit vielen luftgefüllten Zwischenräumen). Daher wird das direktreduzierte Eisen („direct reduced iron“) häufig auch als Eisenschwamm („sponge iron“) bezeichnet. Klassisch wird beim Direktreduktionsverfahren ein Schachtofen als Reaktor mit einer Reduktionszone verwendet, durch welche das Eisenerz entgegen dem Reduktionsgas durchläuft. Bei einer speziellen Variante des Verfahrens ist die Reduktionszone oberhalb einer Kühlzone im Schachtofen angeordnet, wobei die Kühlzone mit einem Kühlgas durchströmt wird. Das Eisenerz durchläuft dann den Schachtofen in vertikaler Richtung von oben nach unten. Derartige Schachtöfen ermöglichen eine gute Durchströmung des Eisenerzes mit Kühlgas und Reduktionsgas aufgrund des zugrundeliegenden Kamineffektes. Insbesondere durchströmt das Reduktionsgas die Reduktionszone entgegen einer Bewegungsrichtung des Eisenerzes. Entsprechend durchströmt das Kühlgas die Kühlzone ebenfalls entgegen einer Bewegungsrichtung des erzeugten Eisenschwamms. Sowohl in der Kühlzone als auch in der Reduktionszone wird demnach das Gegenstromverfahren eingesetzt, um eine effiziente Reaktion zwischen den Gasen und den Feststoffen zu erreichen.In the direct reduction process, a solids reaction takes place that removes oxygen from the iron ore. For this purpose, conventionally coal and/or natural gas or hydrocarbon-containing compounds and/or compounds made of carbon and oxygen are used as the reducing gas. The recent trend is that hydrogen is also being proposed as a reducing gas. The reaction takes place below the melting point of the iron ore, so the shape of the ore remains unchanged. Since there is a weight reduction of about 1/4 to 1/3 when removing oxygen, the reaction product has a honeycomb microstructure (solid porous iron with many air-filled interstices). Therefore, the directly reduced iron ("direct reduced iron") is often referred to as sponge iron ("sponge iron"). In the direct reduction process, a shaft furnace is traditionally used as a reactor with a reduction zone through which the iron ore runs counter to the reducing gas. In a special variant of the process, the reduction zone is arranged above a cooling zone in the shaft furnace, with a cooling gas flowing through the cooling zone. The iron ore then passes through the shaft furnace in a vertical direction from top to bottom. Such shaft furnaces allow a good flow of cooling gas and reducing gas through the iron ore due to the underlying chimney effect. In particular, the reduction gas flows through the reduction zone counter to a direction of movement of the iron ore. Correspondingly, the cooling gas also flows through the cooling zone counter to a direction of movement of the sponge iron produced. The countercurrent process is therefore used both in the cooling zone and in the reduction zone in order to achieve an efficient reaction between the gases and the solids.

Als Reduktionsgas kann insbesondere CO oder H2 oder ein Mischgas verwendet werden, dass CO und H2 umfasst. Die Reduktionsreaktionen sind dabei wie folgt („()“ zeigt Festkörper; „{}“ zeigt gasförmige Stoffe an): 5(Fe2O3) + {CO} ↔ 2(Fe3O4) + {CO2} (Fe3O4) + {CO} ↔ 3(FeO) + {CO2} (FeO) + {CO} ↔ (Fe) + {CO2} 3(Fe2O3) + {H2} ↔ 2(Fe3O4) + {H2O} (Fe3O4) + {H2} ↔ 3(FeO) + {H2O} (FeO) + {H2} ↔ (Fe) + {H2O} In particular, CO or H2 or a mixed gas comprising CO and H2 can be used as the reducing gas. The reduction reactions are as follows ("()" indicates solids; "{}" indicates gaseous substances): 5(Fe 2 O 3 ) + {CO} ↔ 2(Fe 3 O 4 ) + {CO 2 } (Fe 3 O 4 ) + {CO} ↔ 3(FeO) + {CO 2 } (FeO) + {CO} ↔ (Fe) + {CO 2 } 3(Fe 2 O 3 ) + {H 2 } ↔ 2(Fe 3 O 4 ) + {H 2 O} (Fe 3 O 4 ) + {H 2 } ↔ 3(FeO) + {H 2 O} (FeO) + {H 2 } ↔ (Fe) + {H 2 O}

Das Reduktionsgas wird üblicherweise aus fossilen Kohlenwasserstoffen (z.B. Erdgas und/oder Kohlegas) erzeugt. Beispielhaft werden im Folgenden die Reaktion für Methan (als Hauptbestandteil von Erdgas aber auch Biogas) als Ausgangsgas erläutert. Andere Kohlenwasserstoffe sind ebenfalls als Ausgangsgas möglich. Das Reduktionsgas wird in einem Gasreformer aus Methan, CO2 und Wasserdampf erzeugt (MIDREX®-Verfahren). CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 The reducing gas is usually generated from fossil hydrocarbons (e.g. natural gas and/or coal gas). The reaction for methane (as the main component of natural gas but also biogas) as the starting gas is explained below as an example. Other hydrocarbons are also possible as the starting gas. The reduction gas is generated in a gas reformer from methane, CO 2 and steam (MIDREX® process). CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 CH 4 + H 2 O ↔ CO + 3H 2

Es ergibt sich ein Gaskreislauf, bei dem das verbrauchte Methan durch neues Methan mit dem gereinigten Prozessgas des Schachtofens vor dem Gasreformer gemischt wird. Das Prozessgas des Schachtofens enthält CO2 und Wasserdampf als Produkte der Reduktionsreaktion. Mithilfe einer katalytischen Reaktion im Gasreformer wird aus Methan, CO2 und Wasserdampf das Reduktionsgas H2 und CO erzeugt. Dieses Reduktionsgasgemisch wird dem Schachtofen zugeführt, wo es gemäß den obigen Reaktionsgleichungen das Eisenerz reduziert. Als wesentliche Reaktionsprodukte entstehen CO2, Wasserdampf und Eisenschwamm. CO2 und Wasserdampf und unverbrauchten Reduktionsgas werden mit Methan gemischt und wieder dem Gasreformer zugeführt.The result is a gas cycle in which the used methane is mixed with new methane with the cleaned process gas from the shaft furnace upstream of the gas reformer. The process gas of the shaft furnace contains CO 2 and water vapor as products of the reduction reaction. With the help of a catalytic reaction in the gas reformer, the reducing gas H 2 and CO are generated from methane, CO 2 and steam. This reducing gas mixture is fed to the shaft furnace, where it reduces the iron ore according to the above reaction equations. The main reaction products are CO 2 , water vapor and sponge iron. CO 2 and water vapor and unused reducing gas are mixed with methane and fed back to the gas reformer.

Die Erzeugung von Eisenschwamm umfasst im Wesentlichen zwei grundlegende Schritte. Als erster Schritt wird die Reduktion des Eisenerzes zu Eisenschwamm in einer Reduktionszone mit einem geeigneten heißen Reduktionsgas durchgeführt. Typischerweise umfasst ein Reduktionsgas im Wesentlichen Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff (beispielsweise CH4), Verbindungen oder Mischungen aus Kohlenstoff und Sauerstoff (beispielsweise CO) und/oder Wasserstoff (H2) bei Temperaturen im Bereich von 700 °C bis 1100 °C. In einem zweiten Schritt wird der erzeugte Eisenschwamm in einer Kühlzone mittels eines Kühlgases auf Temperaturen heruntergekühlt, die typischerweise unterhalb von 100 °C liegen. Entsprechende Verfahren sind aus der Praxis bekannt.Sponge iron production essentially involves two basic steps. As a first step, the iron ore is reduced to sponge iron in a reduction zone with a suitable hot reducing gas. Typically, a reducing gas essentially comprises compounds or mixtures of carbon and hydrogen (e.g. CH4), compounds or mixtures of carbon and oxygen (e.g. CO) and/or hydrogen (H2) at temperatures ranging from 700°C to 1100°C. In a second step, the sponge iron produced is cooled down to temperatures typically below 100 °C in a cooling zone using a cooling gas. Corresponding methods are known from practice.

Des Weiteren ist in der DD 153 701 A5 ein gattungsgemäßes Verfahren offenbart, welches ein Einspeisen von unterschiedlichen Gasströmen auf unterschiedlichen Ebenen in die Reduktionzone eines Schachtofens zur Eisenerzreduktion beschreibt. Das Verfahren offenbart eine einfache und kostengünstige Nutzbarmachung eines schwefelhaltigen Gases aus einer Gasquelle im Direktreduktionprozess.Furthermore, in the DD 153 701 A5 a generic method is disclosed, which describes the feeding of different gas streams at different levels into the reduction zone of a shaft furnace for iron ore reduction. The method discloses a simple and inexpensive utilization of a sulfur-containing gas from a gas well in the direct reduction process.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass weniger Kohlenstoffdioxid erzeugt wird.The object of the present invention is to further develop these methods in such a way that less carbon dioxide is produced.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm, wobei das Eisenerz eine Reduktionszone zum Reduzieren des Eisenerzes zu Eisenschwamm durchläuft, wobei die Reduktionszone in eine Vorreduktionszone, welche mit einem ersten Reduktionsgas gespeist wird, und in eine Fertigreduktionszone, welche mit einem zweiten Reduktionsgas gespeist wird, unterteilt ist, wobei das erste Reduktionsgas eine andere Gaszusammensetzung im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas aufweist, wobei ein erstes Reduktionsgas mit einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas höheren Wasserstoffanteil verwendet wird, welcher mindestens 5 Vol.-% höher ist.This object is achieved by a method for the direct reduction of iron ore to sponge iron, the iron ore passing through a reduction zone for reducing the iron ore to sponge iron, the reduction zone being divided into a pre-reduction zone, which is fed with a first reducing gas, and a final reduction zone, which is fed with a second reducing gas is fed, is divided, wherein the first reducing gas has a different gas composition compared to the second reducing gas, wherein a first reducing gas is used with a higher hydrogen content compared to the second reducing gas, which is at least 5% by volume higher.

Über das erste Reduktionsgas mit einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas um mindestens 5 Vol.-% höheren Wasserstoffanteil kann in der Vorreduktionszone die wesentliche Reduktionsarbeit zum Austreiben von Sauerstoff aus dem Eisenerz effektiver als im Stand der Technik verrichtet werden. Durch den höheren Wasserstoffanteil in der Vorreduktionszone, welche gleichzeitig auch die (letzte) Reduktionsstufe vor dem Austrag des ausgeschleusten Prozessgases ist, kann neben der Reduktionsarbeit zudem auch zeitgleich eine Reaktionsmöglichkeit bereitgestellt werden, so dass das ausgeschleuste Prozessgas wesentlich geringere Anteile von Kohlenstoffdioxid umfasst und dadurch der Austrag von Kohlenstoffdioxid reduziert werden kann.The essential reduction work for expelling oxygen from the iron ore can be performed more effectively in the pre-reduction zone than in the prior art via the first reduction gas with a hydrogen content that is at least 5% by volume higher than that of the second reduction gas. Due to the higher proportion of hydrogen in the pre-reduction zone, which is also the (last) reduction stage before the discharged process gas is discharged, in addition to the reduction work, a reaction option can also be provided at the same time, so that the discharged process gas contains significantly lower proportions of carbon dioxide and thus the Discharge of carbon dioxide can be reduced.

Durch das Vorsehen von zwei Reduktionsbereichen in der Reduktionszone können zwei isobare Bereiche mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Reduktionszone eingestellt werden, wodurch die Reaktionsdauer jeweils zur Vor- und Fertigreduktion erhöht und ein Austausch der jeweiligen Reduktionsgase untereinander vermindert werden kann. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auch weniger ausgeschleustes Prozessgas erzeugt werden, welches vom Volumen her entsprechend wirtschaftlicher reformiert bzw. rezykliert werden kann, um bei Bedarf und somit optional im Kreislauf zumindest in Mischung mit frischem Gas als zweites Reduktionsgas in die Fertigreduktionszone der Reduktionszone wieder eingespeist werden zu können.By providing two reduction areas in the reduction zone, two isobaric areas with low flow velocities can be set within the reduction zone, whereby the reaction time for preliminary and final reduction can be increased and an exchange of the respective reduction gases with one another can be reduced. As a result, less discharged process gas can also be generated in an advantageous manner, which can be reformed or recycled more economically in terms of volume, so that it can be fed back into the finished reduction zone of the reduction zone as a second reduction gas, at least in a mixture with fresh gas, if necessary and thus optionally in the circuit to be able to

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens weist das erste Reduktionsgas einen Wasserstoffanteil von mindestens 55 Vol.-% auf. Je mehr Wasserstoff in die Vorreduktionszone eingeschleust wird, umso effektiver kann die Reduktionsarbeit verrichtet werden. Das erste Reduktionsgas weist einen Wasserstoffanteil von insbesondere mindestens 65 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 75 Vol.-%, bevorzugt mindestens 85 Vol.-% auf. Die weiteren Anteile des ersten Reduktionsgases können mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und/oder Wasserdampf und unvermeidbare Verunreinigungen, wie beispielsweise Schwefelverbindungen und/oder Stickstoff enthalten.According to one configuration of the method, the first reduction gas has a hydrogen content of at least 55% by volume. The more hydrogen that is introduced into the pre-reduction zone, the more effectively the reduction work can be performed. The first reducing gas has a hydrogen content of in particular at least 65% by volume, preferably at least 75% by volume, preferably at least 85% by volume. The other portions of the first reducing gas can contain at least one compound or mixture of carbon and oxygen and/or water vapor and unavoidable impurities such as sulfur compounds and/or nitrogen.

Besonders bevorzugt besteht das erste Reduktionsgas aus Wasserstoff, um die höchstmögliche und optimale Reduktionsarbeit verrichten zu können. Die Verwendung von Wasserstoff würde dazu führen, dass der Kohlenstoffgehalt des vorreduzierten Eisenerzes in der Regel besonders niedrig wäre, da in der Vorreduktionszone keine Nebenreaktion mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen auftreten können, die Kohlenstoff im vorreduzierten Eisenerz ablagern würden, so dass nach der Vorreduktionzone ein Kohlenstoffgehalt im vorreduzierten Eisenerz kleiner als 0,25 Gew.-% vorliegen dürfte.The first reduction gas particularly preferably consists of hydrogen in order to be able to carry out the highest possible and optimal reduction work. The use of hydrogen would mean that the carbon content of the pre-reduced iron ore would usually be particularly low, since no side reactions with carbon-containing compounds can occur in the pre-reduction zone, which would deposit carbon in the pre-reduced iron ore, so that after the pre-reduction zone a carbon content in the pre-reduced Iron ore should be less than 0.25% by weight.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das erste Reduktionsgas auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C erwärmt. Vor dem Einspeisen in die Vorreduktionszone der Reduktionszone wird das erste Reduktionsgas in einem Gaserwärmer auf die erforderliche Temperatur erwärmt, um die Vorreduktion des Eisenerzes zu bewirken. Bei einem Einspeisen von (im Wesentlichen 100 %) Wasserstoff kann eine Einspeisung ohne insbesondere zusätzliche Beaufschlagung und somit Nachverbrennung mit Sauerstoff erfolgen, sprich, dass dadurch die vollständige Nutzung des Wasserstoffs für die Reduktion des Eisenerzes gewährleistet und dadurch das Verfahren wirtschaftlicher betrieben werden kann. Sehr hohe Wasserstoffanteile müssen nicht auf so hohe Prozesstemperaturen erwärmt werden, da die Reduktion des Eisenerzes, vgl. Baur-Glässner-Diagramm, bei niedrigen Temperaturen stattfinden kann.According to one embodiment of the method, the first reduction gas is heated to a temperature between 500 and 1200°C. Before being fed into the pre-reduction zone of the reduction zone, the first reduction gas is heated in a gas heater to the temperature required to effect the pre-reduction of the iron ore. When (essentially 100%) hydrogen is fed in, it can be fed in without additional exposure and thus post-combustion with oxygen, i.e. this ensures that the hydrogen is used completely for the reduction of the iron ore and the process can be operated more economically as a result. Very high proportions of hydrogen do not have to be heated to such high process temperatures, since the reduction of the iron ore, cf. Baur-Glässner diagram, can take place at low temperatures.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein zweites Reduktionsgas mit einem im Vergleich zum ersten Reduktionsgas höheren Anteil mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff verwendet. Der höhere Anteil der mindestens einen Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff im zweiten Reduktionsgas, welches in die Fertigreduktionszone eingeschleust wird, mit welchem Wärme durch entsprechende Reaktion in den Prozess eingebracht und das aus der Vorreduktionszone kommende vorreduzierte Eisenerz weiter zu reduzieren und dieses zumindest teilweise aufzukohlen. So weist das zweite Reduktionsgas mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit einem Anteil von mindestens 55 Vol.-%, insbesondere mindestens 60 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 65 Vol.-%, bevorzugt mindestens 70 Vol.-% auf. Die weiteren Anteile des zweiten Reduktionsgases können Sauerstoff als Oxidationsmittel zur Temperaturerhöhung, Wasserstoff und/oder Wasserdampf und unvermeidbare Verunreinigungen, wie beispielsweise Schwefelverbindungen und/oder Stickstoff enthalten.According to one configuration of the method, a second reducing gas with a higher proportion of at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound or mixture of carbon and oxygen than the first reducing gas is used. The higher proportion of the at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound or mixture of carbon and oxygen in the second reduction gas, which is introduced into the final reduction zone, with which heat is introduced into the process by a corresponding reaction and that from the Pre-reduction zone to further reduce the coming pre-reduced iron ore and carburize it at least partially. Thus, the second reducing gas has at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound tion or mixture of carbon and oxygen with a proportion of at least 55% by volume, in particular at least 60% by volume, preferably at least 65% by volume, preferably at least 70% by volume. The other parts of the second reducing gas can contain oxygen as an oxidizing agent for increasing the temperature, hydrogen and/or water vapor and unavoidable impurities such as sulfur compounds and/or nitrogen.

Besonders bevorzugt umfasst das zweite Reduktionsgas im Wesentlichen kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen oder Mischungen, somit mehr Verbindungen oder Mischungen mit Kohlenstoff und Wasserstoff als Verbindungen oder Mischungen mit Kohlenstoff und Sauerstoff.The second reducing gas particularly preferably comprises essentially hydrocarbon-containing compounds or mixtures, ie more compounds or mixtures with carbon and hydrogen than compounds or mixtures with carbon and oxygen.

Das zweite Reduktionsgas kann auch eine Mischung aus einem Frischgas, welches aus einer Quelle zugeführt wird, und einem reformierten Gas, welches aus dem ausgeschleusten Prozessgas erzeugt und dem Frischgas beigemengt wird, umfassen.The second reduction gas can also include a mixture of a fresh gas, which is supplied from a source, and a reformed gas, which is produced from the discharged process gas and is added to the fresh gas.

Die kohlenstoffhaltige, insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Verbindung oder Mischung des zweiten Reduktionsgases kann effektiv ein Aufkohlen des vorreduzierten Eisenerzes in der Fertigreduktionszone bewirken. Mit dem Kohlenstoff aus der mindestens einen Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder Kohlenstoff und Sauerstoff im zweiten Reduktionsgas kann sich Kohlenstoff beim Durchströmen des vorreduzierten Eisenerzes in der Fertigreduktionszone auf dem vorreduzierten Eisenerz ablagern. Der abgelagerte Kohlenstoff diffundiert ins Eiseninnere und verbindet sich dann mit dem Eisen des vorreduzierten Eisenerzes zu Zementit. Auf diese Weise kann der Kohlenstoffgehalt des vorreduzierten Eisenerzes erhöht werden. Der Kohlenstoffgehalt des fertig reduzierten Eisenerzes respektive Eisenschwamms kann nach dem Durchlaufen der Fertigreduktionszone im Bereich 0,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% liegen.The carbon-containing, in particular hydrocarbon-containing compound or mixture of the second reduction gas can effectively carburize the pre-reduced iron ore in the final reduction zone. With the carbon from the at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or carbon and oxygen in the second reduction gas, carbon can be deposited on the pre-reduced iron ore as it flows through the pre-reduced iron ore in the final reduction zone. The deposited carbon diffuses into the interior of the iron and then combines with the iron in the pre-reduced iron ore to form cementite. In this way, the carbon content of the pre-reduced iron ore can be increased. After passing through the final reduction zone, the carbon content of the completely reduced iron ore or sponge iron can be in the range from 0.5% by weight to 3.5% by weight.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das zweite Reduktionsgas auf eine Temperatur zwischen 700 und 1300 °C erwärmt. Vor dem Einspeisen in die Fertigreduktionszone der Reduktionszone wird das zweite Reduktionsgas in einem Gaserwärmer auf die erforderliche Temperatur erwärmt, um die Fertigreduktion des Eisenerzes zu bewirken.According to one embodiment of the method, the second reduction gas is heated to a temperature between 700 and 1300°C. Before being fed into the final reduction zone of the reduction zone, the second reducing gas is heated in a gas heater to the required temperature to effect final reduction of the iron ore.

Ist ein Heißeinsatz des aus der Reduktionszone kommenden Eisenschwamms mit einer Temperatur zwischen 500 und 800 °C nicht möglich, durchläuft der Eisenschwamm gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens eine Kühlzone. Somit sieht das Verfahren vor, dass das Eisenerz nacheinander eine Reduktionszone zum Reduzieren des Eisenerzes zu Eisenschwamm und eine Kühlzone zum Kühlen des Eisenschwamms durchläuft. In der Kühlzone wird der Eisenschwamm von einem Kühlgas durchströmt. Das Kühlgas dient zum Kühlen des Eisenschwamms auf eine zum Weitertransport geeigneten Temperatur beispielsweise unterhalb von 100 °C und kann zudem in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Kühlgases auch ein (weiteres) „Aufkohlen“ des Eisenschwamms bewirken, insbesondere wenn kohlenstoffhaltige Verbindungen zum Einsatz kommen, vorzugsweise Kohlenstoffdioxid (CO2), welches bevorzugt aus dem ausgeschleusten Prozessgas aus der Reduktionszone abgetrennt werden kann und nicht beispielsweise CCS oder CCU zugeführt wird. In der Kühlzone findet am Beispiel von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff die sogenannte Bosch-Reaktion statt CO2 +2H2 → C +2H2O If it is not possible to use the sponge iron coming from the reduction zone at a temperature between 500 and 800° C., the sponge iron passes through a cooling zone according to one embodiment of the method. Thus, the method provides that the iron ore successively passes through a reduction zone for reducing the iron ore to sponge iron and a cooling zone for cooling the sponge iron. In the cooling zone, a cooling gas flows through the sponge iron. The cooling gas is used to cool the sponge iron to a temperature suitable for further transport, for example below 100 °C, and depending on the composition of the cooling gas it can also cause (further) "carburization" of the sponge iron, especially if carbon-containing compounds are used, preferably carbon dioxide (CO 2 ), which can preferably be separated from the discharged process gas from the reduction zone and is not supplied, for example, to CCS or CCU. In the cooling zone, the so-called Bosch reaction takes place using the example of carbon dioxide and hydrogen CO2 + 2H2 → C + 2H2 O

Kohlenstoffdioxid kann bei dem „Aufkohlen“ des Eisenschwamms unter den dort vorherrschenden Bedingungen verbraucht werden. In der Kühlzone und durch das Kühlgas, welches zumindest eine kohlenstoffhaltige Verbindung umfasst, kann der Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms nach dem Kühlen respektive nach der Kühlzone größer als 0,5 Gew.-%, insbesondere größer 1,0 Gew.-%, vorzugsweise größer 2,0 Gew.-% eingestellt werden. Weiterhin kann der Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms nach der Kühlzone kleiner als 4,5 Gew.-%, insbesondere kleiner als 4,0 Gew.-%, vorzugsweise kleiner 3,5 Gew.-% eingestellt werden, was den Vorteil hat, dass der Eisenschwamm den bekannten Weiterverarbeitungsprozessen zugeführt werden kann, ohne dass eine Anpassung der Weiterverarbeitungsprozesse erforderlich ist. Insbesondere kann der Eisenschwamm beispielsweise im Linz-Donawitz-Konverter (auch als „Basic Oxygen Furnace“ bezeichnet) weiterverarbeitet werden. Zudem kann der Schmelzpunkt des Eisenschwamms durch eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalt erniedrigt werden. Dadurch kann auch der Energiebedarf beim Einschmelzen im Lichtbogenofen (auch als „Electric Arc Furnace“ bezeichnet) reduziert werden.Carbon dioxide can be used up during the "carburization" of sponge iron under the prevailing conditions. In the cooling zone and through the cooling gas, which comprises at least one carbon-containing compound, the carbon content of the sponge iron after cooling or after the cooling zone can be greater than 0.5% by weight, in particular greater than 1.0% by weight, preferably greater than 2 .0% by weight can be set. Furthermore, the carbon content of the sponge iron after the cooling zone can be set to less than 4.5% by weight, in particular less than 4.0% by weight, preferably less than 3.5% by weight, which has the advantage that the sponge iron can be supplied to the known further processing without the need for an adjustment of the further processing. In particular, the sponge iron can be further processed, for example, in the Linz-Donawitz converter (also known as the "Basic Oxygen Furnace"). In addition, the melting point of sponge iron can be lowered by increasing the carbon content. As a result, the energy requirement for melting in the electric arc furnace (also referred to as "Electric Arc Furnace") can also be reduced.

So kann gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens die Reduktionszone umfassend Vorreduktions- und Fertigreduktionszone oberhalb der Kühlzone in einem Schachtofen angeordnet sein. Das Eisenerz durchläuft dann den Schachtofen in vertikaler Richtung von oben nach unten. Derartige Schachtöfen ermöglichen eine gute Durchströmung des Eisenerzes mit erstem und zweitem Reduktionsgas und anschließend des fertig reduzierten Eisenerzes respektive Eisenschwammes mit Kühlgas aufgrund des zugrundeliegenden Kamineffektes. Insbesondere durchströmt das erste und zweite Reduktionsgas die Vor- und Fertigreduktionszone entgegen einer Bewegungsrichtung des Eisenerzes. Entsprechend durchströmt das Kühlgas die Kühlzone ebenfalls entgegen einer Bewegungsrichtung des erzeugten Eisenschwamms. Sowohl in der Reduktionszone als auch in der Kühlzone wird demnach das Gegenstromverfahren eingesetzt, um eine effiziente Reaktion zwischen den Gasen und den Feststoffen zu erreichen.Thus, according to one embodiment of the method, the reduction zone, comprising the pre-reduction zone and the final reduction zone, can be arranged above the cooling zone in a shaft furnace. The iron ore then passes through the shaft furnace in a vertical direction from top to bottom. Such shaft furnaces enable a good flow through the iron ore with first and second reducing gas and then through the completely reduced iron ore or sponge iron with cooling gas due to the underlying chimney effect. In particular, the first and second reduction gas flows through the preliminary and final reduction zones counter to a direction of movement of the iron ore. Correspondingly, the cooling gas also flows through the cooling zone counter to a direction of movement of the sponge iron produced. The countercurrent process is therefore used both in the reduction zone and in the cooling zone in order to achieve an efficient reaction between the gases and the solids.

Gemäß einer alternativen Variante des Verfahrens umfassen die Reduktionszone aufweisend eine Vor- und eine Fertigreduktionzone jeweils mindestens einen oder mehrere Wirbelschichtreaktoren und/oder die Kühlzone einen oder mehrere Wirbelschichtreaktoren. In einem Wirbelschichtreaktor wird eine feinkörnige Feststoffaufschüttung durch das kontinuierlich über einen Gasverteiler von unten einströmende Gas aufgewirbelt. Dies ermöglicht gleichfalls eine effiziente Reaktion zwischen den Gasen und den Feststoffen.According to an alternative variant of the process, the reduction zone having a pre-reduction zone and a final reduction zone each comprise at least one or more fluidized-bed reactors and/or the cooling zone one or more fluidized-bed reactors. In a fluidized bed reactor, a fine-grained solid bed is whirled up by the gas flowing in continuously from below via a gas distributor. This also enables efficient reaction between the gases and the solids.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Dabei zeigt die einzige 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens an einer schematischen Darstellung eines Schachtofens.The invention is explained in more detail using the following exemplary embodiments in conjunction with the figures. It shows the only 1 an example of a method according to the invention in a schematic representation of a shaft furnace.

In 1 wird die Erfindung am Beispiel eines Schachtofens (10) erläutert. Eisenerz „iron ore“ (io) wird am oberen Ende des Schachtofens (10) eingebracht. Am unteren Ende des Schachtofens (10) wird der erzeugte Eisenschwamm „sponge iron“ (si) entnommen. Im Schachtofen (10) ist eine Reduktionszone (11) aufweisend eine Vorreduktionszone (12) und eine Fertigreduktionszone (13) und optional eine Kühlzone (14) angeordnet. Die Reduktionszone (11) ist dabei oberhalb der optionalen Kühlzone (14) angeordnet. Die Kühlzone (14) ist nicht zwingend erforderlich, wenn ein Heißeinsatz des unmittelbar die Reduktionszone (11) verlassenden heißen Eisenschwamms möglich ist respektive das in die Fertigreduktionszone (12) eingeschleuste zweite Reduktionsgas (23) mindestens eine kohlenstoffhaltige Verbindung oder Mischung umfasst, welche durch Reaktion in der Fertigreduktionszone (13) der Reduktionszone (11) nicht nur das vorreduzierte Eisenerz weiter reduziert, sondern gleichzeitig auch ausreichend „aufkohlen“ kann, um den Folgeprozessen mit dem erforderlichen Kohlenstoffgehalt zugeführt zu werden. Das erste Reduktionsgas (22) wie auch das zweite Reduktionsgas (23) durchströmen das Eisenerz in der Reduktionszone (11) im Gegenstromprinzip, somit entgegen einer Bewegungsrichtung des Eisenerzes. Das zweite Reduktionsgas (23) wird vor dem Einschleusen durch einen Gaserwärmer (33) durchgeleitet und auf eine Temperatur von bis zu 1300 °C erwärmt. Das zweite Reduktionsgas (23) umfasst ein Frischgas (NG) aus einer Quelle mit mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff, wobei Erdgas mit einem sehr hohen Anteil von kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen oder Mischungen, Methan (CH4), bevorzugt verwendet wird. Das Frischgas (NG) kann mit einem reformierten Gas (RG), welches aus dem aus der Reduktionszone (11) des Schachtofens (10) ausgeschleusten Prozessgas (40) aufbereitet wird, gemischt werden. Dabei kann sich das ausgeschleuste Prozessgas (40) aus unverbrauchtem Reduktionsgas aus etwaigen gasförmigen Reaktionsprodukten zusammensetzen. Das ausgeschleuste Prozessgas (40) kann Wasserstoff (H2), mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff (CO, CO2) und/oder mindestens eine wasserstoffhaltige Verbindung (H2O) und unvermeidbare Verunreinigungen umfassen. Das ausgeschleuste Prozessgas (40) kann einem ersten Prozessschritt zugeführt, in welchem mindestens eine Verbindung oder Mischung des Prozessgases und/oder zumindest Teile der unvermeidbaren Verunreinigungen abgeschieden und/oder abgetrennt werden, beispielsweise in einer Einheit zur Prozessgasreinigung und Entstaubung, in welcher zumindest ein Teil der unvermeidbaren Verunreinigungen aus dem ausgeschleusten Prozessgas (40) abgetrennt werden. In einem weiteren Prozessschritt kann das Prozessgas durch eine Einheit durchgeleitet werden, beispielsweise durch einen Kondensator und entsprechend abgekühlt, so dass der im Prozessgas befindliche Wasserdampf (H2O) kondensiert und somit vom Prozessgas abgetrennt wird. Durch das Kondensieren und Ableiten des Kondensats wird das Prozessgas „entfeuchtet“. Ein Teil des „entfeuchteten“ Prozessgases oder das vollständige „entfeuchtete“ Prozessgas, strichliniert dargestellt, kann als (Teil-)Gas a) zur Befeuerung des Gaserwärmers (32, 33) verwendet werden. Sollte nicht genug „entfeuchtetes“ Prozessgas zur Verfügung stehen, wird ein entsprechendes Brenngas zum Teil oder vollständig zur Befeuerung der Gaserwärmer (32, 33) bereitgestellt. Wird ein Teil des „entfeuchteten“ Prozessgases oder das vollständige „entfeuchtete“ Prozessgas nicht zur Befeuerung der Gaserwärmer (32, 33) bereitgestellt, kann aus dem „entfeuchteten“ Prozessgas in einem weiteren Prozessschritt Kohlenstoffdioxid (CO2) abgeschieden werden, beispielsweise in einem Wäscher. Das abgeschiedene Kohlenstoffdioxid kann als Kühlgas (24) oder Teil des Kühlgases (24) in einer optionalen Kühlzone (14) eingesetzt werden. Das von Kohlenstoffdioxid befreite Prozessgas kann aber auch alternativ zum Teil oder vollständig, strichliniert dargestellt, als (Teil-)Gas b) zur Befeuerung des Gaserwärmers (32, 33) verwendet werden. Sollte nicht genug (Teil-)Gas b) zur Verfügung stehen, wird ein entsprechendes Brenngas zum Teil oder vollständig zur Befeuerung der Gaserwärmer (32, 33) bereitgestellt. Das von Kohlenstoffdioxid befreite Prozessgas respektive reformierte Gas (RG) kann auch zusätzlich oder alternativ in einem weiteren Prozessschritt der Direktreduktion wieder zu geführt werden, indem es mit dem Frischgas (NG) gemischt wird, insbesondere bevor die Mischung im Gaserwärmer (33) auf eine Temperatur zwischen 700 und 1300 °C erwärmt wird. Optional, daher strichliniert dargestellt, kann dem heißen Reduktionsgas zusätzlich Sauerstoff (O2) zugeführt werden, um das Reaktionsvermögen des zweiten Reduktionsgases (23) in der Fertigreduktionszone (13) der Reduktionszone (11) und damit den Wärmeeintrag zu erhöhen.In 1 the invention is explained using the example of a shaft furnace (10). Iron ore "iron ore" (io) is introduced at the upper end of the shaft furnace (10). The “sponge iron” (si) produced is removed from the lower end of the shaft furnace (10). A reduction zone (11) having a pre-reduction zone (12) and a final reduction zone (13) and optionally a cooling zone (14) is arranged in the shaft furnace (10). The reduction zone (11) is arranged above the optional cooling zone (14). The cooling zone (14) is not absolutely necessary if hot use of the hot sponge iron leaving the reduction zone (11) is possible or if the second reducing gas (23) introduced into the final reduction zone (12) comprises at least one carbon-containing compound or mixture which, by reaction in the finished reduction zone (13) of the reduction zone (11) not only the pre-reduced iron ore is further reduced, but at the same time it can also be sufficiently "carburized" to be fed to the subsequent processes with the required carbon content. The first reduction gas (22) as well as the second reduction gas (23) flow through the iron ore in the reduction zone (11) according to the countercurrent principle, thus against the direction of movement of the iron ore. Before being introduced, the second reduction gas (23) is passed through a gas heater (33) and heated to a temperature of up to 1300 °C. The second reduction gas (23) comprises a fresh gas (NG) from a source with at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound or mixture of carbon and oxygen, with natural gas having a very high proportion of hydrocarbon-containing compounds or mixtures , methane (CH4), is preferably used. The fresh gas (NG) can be mixed with a reformed gas (RG), which is processed from the process gas (40) discharged from the reduction zone (11) of the shaft furnace (10). The discharged process gas (40) can be composed of unused reduction gas from any gaseous reaction products. The discharged process gas (40) can include hydrogen (H2), at least one compound or mixture of carbon and oxygen (CO, CO 2 ) and/or at least one compound containing hydrogen (H 2 O) and unavoidable impurities. The discharged process gas (40) can be fed to a first process step, in which at least one compound or mixture of the process gas and/or at least parts of the unavoidable impurities are separated and/or separated, for example in a unit for process gas cleaning and dedusting, in which at least a part the unavoidable impurities are separated from the discharged process gas (40). In a further process step, the process gas can be passed through a unit, for example through a condenser, and cooled accordingly, so that the water vapor (H 2 O) present in the process gas is condensed and thus separated from the process gas. The process gas is "dehumidified" by condensing and discharging the condensate. A part of the "dehumidified" process gas or the entire "dehumidified" process gas, shown in dashed lines, can be used as (partial) gas a) for firing the gas heater (32, 33). If not enough "dehumidified" process gas is available, a corresponding fuel gas is made available partially or completely to fire the gas heaters (32, 33). If a part of the "dehumidified" process gas or the complete "dehumidified" process gas is not provided for firing the gas heater (32, 33), carbon dioxide (CO 2 ) can be separated from the "dehumidified" process gas in a further process step, for example in a scrubber . The separated carbon dioxide can be used as cooling gas (24) or part of the cooling gas (24) in an optional cooling zone (14). Alternatively, the process gas freed from carbon dioxide can also be used partially or completely, shown in dashed lines, as (partial) gas b) for firing the gas heater (32, 33). If not enough (partial) gas b) is available, a corresponding fuel gas is provided in part or in full to fire the gas heaters (32, 33). The process gas or reformed gas (RG) freed from carbon dioxide can also be additionally or alternatively a further direct reduction process step, in that it is mixed with the fresh gas (NG), in particular before the mixture is heated to a temperature between 700 and 1300 °C in the gas heater (33). Optionally, therefore shown in dashed lines, the hot reduction gas can also be supplied with oxygen (O 2 ) in order to increase the reactivity of the second reduction gas (23) in the final reduction zone (13) of the reduction zone (11) and thus the heat input.

Das in die Vorreduktionszone (12) der Reduktionszone (11) eingeschleuste erste Reduktionsgas (22) einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) hat im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) um mindestens 5 Vol.-% höheren Wasserstoffanteil, weist insbesondere einen Wasserstoffanteil von mindestens 55 Vol.-% auf. Besonders bevorzugt besteht das erste Reduktionsgas (22) aus Wasserstoff (H2). Vor dem Einspeisen in die Vorreduktionszone (12) kann das erste Reduktionsgas (22) in einem Gaserwärmer (32) auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C erwärmt werden.The first reduction gas (22) introduced into the pre-reduction zone (12) of the reduction zone (11) has a hydrogen content that is at least 5% by volume higher than that of the second reduction gas (23), and in particular has a hydrogen content of at least 55% by volume. The first reducing gas (22) particularly preferably consists of hydrogen (H2). Before being fed into the pre-reduction zone (12), the first reduction gas (22) can be heated to a temperature of between 500 and 1200° C. in a gas heater (32).

Nach dem Verlassen der Reduktionszone (11) respektive der Fertigreduktionszone (13) tritt der Eisenschwamm in die optionale Kühlzone (14) ein. Dabei hat der Eisenschwamm eine Temperatur im Bereich von 500 bis 800 °C. Auch in der Kühlzone (14) wird der Eisenschwamm mit Kühlgas (24) entgegen der Bewegungsrichtung des Eisenschwammes durchströmt. Unverbrauchtes Kühlgas tritt zusammen mit etwaigen gasförmigen Reaktionsprodukten als Prozessgas (25) wieder aus. Ein gewisser Anteil des Kühlgases (24) kann in die Fertigreduktionszone (13) eintreten. Ebenso kann ein gewisser Anteil des zweiten Reduktionsgases (23) in die Kühlzone (14) eintreten. Am Übergang zwischen Fertigreduktionszone (13) und Kühlzone (14) kann es also zu Mischungen von Kühlgas (24) und Reduktionsgas (23) kommen. Das Kühlgas (24) umfasst insbesondere eine kohlenstoffhaltige Verbindung oder Mischung, vorzugsweise Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Methan. Wasserstoff (H2) kann bei Bedarf dem Kühlgas (24) beigemengt werden, wodurch in der Kühlzone (14) das Kühlgas (24) die Bosch-Reaktion unter Anwesenheit des heißen Eisenschwamms als Katalysator durchläuft. Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) im Kühlgas reagieren somit nach der Reaktion CO2 +2H2 → C +2H2O zu Wasserdampf (H2O) und Kohlenstoff (C), wobei sich der Kohlenstoff auf dem als Katalysator dienenden Eisenschwamm ablagert. Der Wasserdampf mit anderen gasförmigen Reaktionsprodukten wird als Prozessgas (25) aus der Kühlzone (14) des Schachtofens (10) ausgeschleust. Der abgelagerte Kohlenstoff diffundiert anschließend ins Innere des Eisenschwamms und bildet Zementit (Fe3C). Durch diesen Effekt erhöht sich der Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms (si) auf 2,0 Gew.-% bis zu 4,5%. Der so aufgekohlte und gekühlte Eisenschwamm (si) kann im unteren Bereich des Schachtofens (10) entnommen werden und auf bekannte Weise der Stahlerzeugung zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.After leaving the reduction zone (11) or the final reduction zone (13), the sponge iron enters the optional cooling zone (14). The sponge iron has a temperature in the range of 500 to 800 °C. Cooling gas (24) also flows through the sponge iron in the cooling zone (14) counter to the direction of movement of the sponge iron. Unused cooling gas exits again as process gas (25) together with any gaseous reaction products. A certain proportion of the cooling gas (24) can enter the final reduction zone (13). A certain proportion of the second reducing gas (23) can also enter the cooling zone (14). Mixtures of cooling gas (24) and reducing gas (23) can therefore occur at the transition between the final reduction zone (13) and the cooling zone (14). The cooling gas (24) comprises in particular a carbon-containing compound or mixture, preferably carbon dioxide (CO 2 ) or methane. If necessary, hydrogen (H 2 ) can be added to the cooling gas (24), as a result of which the cooling gas (24) runs through the Bosch reaction in the cooling zone (14) in the presence of hot sponge iron as a catalyst. Hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO 2 ) in the cooling gas thus react after the reaction CO2 + 2H2 → C + 2H2 O to water vapor (H 2 O) and carbon (C), with the carbon being deposited on the sponge iron serving as a catalyst. The steam with other gaseous reaction products is discharged as process gas (25) from the cooling zone (14) of the shaft furnace (10). The deposited carbon then diffuses into the interior of the sponge iron and forms cementite (Fe3C). This effect increases the carbon content of the sponge iron (si) to 2.0% by weight up to 4.5%. The sponge iron (si) carburized and cooled in this way can be removed in the lower region of the shaft furnace (10) and fed in a known manner to steel production for further processing.

Die besonders bevorzugte Fahrweise zum Direktreduktion von Eisenerz (io) zu Eisenschwamm (si) sieht Wasserstoff (H2) als erstes Reduktionsgas (22) vor, welches nach Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C in die Vorreduktionszone (12) der Reduktionszone (11) in einem Schachtofen (10) eingeschleust wird. In der Vorreduktionszone (12) beruht die Reaktion bei Verwendung von Wasserstoff (H2) als erstes Reduktionsgas (22) des Eisenerzes zu vorreduziertem Eisenerz im Wesentlichen auf Fe2O3 + 3H2 → 2Fe +3H2O The particularly preferred mode of operation for the direct reduction of iron ore (io) to sponge iron (si) provides for hydrogen (H2) as the first reduction gas (22) which, after heating to a temperature between 500 and 1200° C., is fed into the pre-reduction zone (12) of the reduction zone ( 11) is introduced into a shaft furnace (10). In the pre-reduction zone (12), the reaction is essentially based on the use of hydrogen (H2) as the first reduction gas (22) of the iron ore to form pre-reduced iron ore Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

Als zweites Reduktionsgas (23) der besonders bevorzugten Fahrweise wird Erdgas als Frischgas (NG) bereitgestellt, welches nach Erwärmung auf Betriebstemperatur zwischen 700 und 1300 °C bei Bedarf mit Sauerstoff (02) gemischt und in die Fertigreduktionszone (13) der Reduktionszone (11) des Schachtofens (10) eingeschleust wird. In der Fertigreduktionszone (13) beruht die Reaktion bei Verwendung eines Frischgases aus Erdgas (NG) ohne Zufuhr von zusätzlichen Sauerstoff des vorreduzierten Eisenerzes zu Eisenschwamm im Wesentlichen auf 3Fe2O3 + 4CH4 → 2Fe3C + 2H2 + 6H2O + CO2 + CO. The second reduction gas (23) of the particularly preferred mode of operation is natural gas as fresh gas (NG), which, after heating to an operating temperature of between 700 and 1300 °C, is mixed with oxygen (02) if required and fed into the final reduction zone (13) of the reduction zone (11). of the shaft furnace (10) is introduced. In the finished reduction zone (13), the reaction when using a fresh gas from natural gas (NG) without the supply of additional oxygen is essentially based on the pre-reduced iron ore to form sponge iron 3Fe2O3 + 4CH4 → 2Fe3C + 2H2 + 6H2O + CO2 + CO.

In die Kühlzone (14) kann ein Kühlgas (24) aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) eingeschleust werden und den Eisenschwamm (si) auf eine Temperatur unterhalb von 100 °C abgekühlt werden.A cooling gas (24) composed of carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) can be introduced into the cooling zone (14) and the sponge iron (si) can be cooled to a temperature below 100.degree.

Das aus dem Schachtofen (10) oberhalb der Reduktionszone (11) ausgeschleuste Prozessgas (40) wird wie in 1 dargestellt, nach seiner „Entfeuchtung“ vollständig als Brenngas bzw. als Teil davon dem Gaserwärmer (33) zugeführt, strichliniert dargestellt, und wird nicht dem Frischgas (NG) zugeführt und mit diesem gemischt.The process gas (40) discharged from the shaft furnace (10) above the reduction zone (11) is, as in 1 shown, fed to the gas heater (33) completely as fuel gas or as part of it after its "dehumidification", shown in dashed lines, and is not fed to the fresh gas (NG) and mixed with it.

Durch die besonders bevorzugte Konfiguration ist es möglich, ein Direktreduktionverfahren variabel mit Wasserstoff (22) und Erdgas (23) in variablen Mischungsverhältnis von 0 bis 100% hinsichtlich des CO2-Ausstoßes, Effizienz und der Verfügbarkeit der Reduktionsgase optimal einzustellen.The particularly preferred configuration makes it possible to optimally set a direct reduction process with hydrogen (22) and natural gas (23) in variable mixing ratios from 0 to 100% with regard to CO 2 emissions, efficiency and the availability of the reduction gases.

Alternativ und hier nicht dargestellt kann die Erfindung auch in einer Kaskade von Wirbelschichtreaktoren durchgeführt werden. Dabei bildet mindestens jeweils ein Wirbelschichtreaktor eine Vor- und Fertigreduktionszone einer Reduktionszone und je nach Gegebenheit und wenn kein Heißeinsatz möglich sein sollte, kann mindestens ein weiterer Wirbelschichtreaktor in der Kaskade als Kühlzone verwendet werden. So würde das Eisenerz den ersten und zweiten Wirbelstromreaktor der Reduktionszone und optional einen dritten Wirbelschichtreaktor der Kühlzone sukzessive durchlaufen und dabei schrittweise in Eisenschwamm umwandeln. Im, falls erforderlich, letzten Wirbelschichtreaktor kann der Eisenschwamm mittel Kühlgas abgekühlt werden. Das Prinzip entspricht im Wesentlichen dem eines Schachtofens, jedoch auf mehrere Wirbelschichtreaktoren anstelle eines Schachtes verteilt. Die Anzahl der Wirbelschichtreaktoren kann je nach Bedarf zusammengeschaltet werden.Alternatively and not shown here, the invention can also be carried out in a cascade of fluidized bed reactors. At least one fluidized bed reactor forms a pre- and final reduction zone of a reduction zone and, depending on the circumstances and if hot application is not possible, at least one further fluidized bed reactor in the cascade can be used as a cooling zone. Thus, the iron ore would successively pass through the first and second fluidized bed reactor of the reduction zone and optionally a third fluidized bed reactor of the cooling zone, gradually converting it into sponge iron. In the last fluidized bed reactor, if necessary, the sponge iron can be cooled using cooling gas. The principle essentially corresponds to that of a shaft furnace, but distributed over several fluidized bed reactors instead of one shaft. The number of fluidized bed reactors can be interconnected as required.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DD 153701 A5 [0007]DD 153701 A5 [0007]

Claims (13)

Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm, wobei das Eisenerz eine Reduktionszone (11) zum Reduzieren des Eisenerzes zu Eisenschwamm durchläuft, wobei die Reduktionszone (11) in eine Vorreduktionszone (12), welche mit einem ersten Reduktionsgas (22) gespeist wird, und in eine Fertigreduktionszone (13), welche mit einem zweiten Reduktionsgas (23) gespeist wird, unterteilt ist, wobei das erste Reduktionsgas (22) eine andere Gaszusammensetzung im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Reduktionsgas (22) mit einem im Vergleich zum zweiten Reduktionsgas (23) höheren Wasserstoffanteil verwendet wird, welcher mindestens 5 Vol.-% höher ist.Process for the direct reduction of iron ore to sponge iron, the iron ore passing through a reduction zone (11) for reducing the iron ore to sponge iron, the reduction zone (11) being fed into a pre-reduction zone (12) which is fed with a first reducing gas (22), and in a finished reduction zone (13) which is fed with a second reduction gas (23), the first reduction gas (22) having a different gas composition compared to the second reduction gas (23), characterized in that a first reduction gas (22) with a higher proportion of hydrogen compared to the second reducing gas (23), which is at least 5% by volume higher. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Reduktionsgas (22) einen Wasserstoffanteil von mindestens 55 Vol.-% aufweist.procedure after claim 1 , wherein the first reducing gas (22) has a hydrogen content of at least 55% by volume. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Reduktionsgas (22) aus Wasserstoff besteht.procedure after claim 1 or 2 , wherein the first reducing gas (22) consists of hydrogen. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das erste Reduktionsgas (22) auf eine Temperatur zwischen 500 und 1200 °C erwärmt wird.A method according to any one of the preceding claims, wherein the first reducing gas (22) is heated to a temperature between 500 and 1200°C. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei ein zweites Reduktionsgas (23) mit einem im Vergleich zum ersten Reduktionsgas (22) höheren Anteil mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens einer Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a second reducing gas (23) with a higher proportion of at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound or mixture of carbon and oxygen than the first reducing gas (22) is used. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das zweite Reduktionsgas (23) mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit einem Anteil von mindestens 55 Vol.-% aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the second reducing gas (23) has at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound or mixture of carbon and oxygen with a proportion of at least 55% by volume. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das zweite Reduktionsgas (23) mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff und/oder mindestens eine Verbindung oder Mischung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit einem Anteil von mindestens 70 Vol.-% aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the second reducing gas (23) has at least one compound or mixture of carbon and hydrogen and/or at least one compound or mixture of carbon and oxygen with a proportion of at least 70% by volume. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das zweite Reduktionsgas (23) durch die kohlenstoffhaltige Verbindung oder Mischung ein Aufkohlen des vorreduzierten Eisenerzes in der Fertigreduktionszone (13) bewirkt.procedure after claim 6 or 7 , wherein the second reducing gas (23) causes carburization of the pre-reduced iron ore in the final reduction zone (13) through the carbon-containing compound or mixture. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms nach dem Durchlaufen der Fertigreduktionszone (13) im Bereich 0,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% liegt.procedure after claim 8 , wherein the carbon content of the sponge iron after passing through the final reduction zone (13) is in the range from 0.5% by weight to 3.5% by weight. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das zweite Reduktionsgas (23) auf eine Temperatur zwischen 700 und 1300 °C erwärmt wirdMethod according to one of the preceding claims, in which the second reducing gas (23) is heated to a temperature between 700 and 1300°C Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Eisenschwamm eine der Reduktionszone (11) nachgelagerte Kühlzone (14) durchläuft, welche mit einem Kühlgas (24) gespeist wird.Method according to one of the preceding claims, in which the sponge iron passes through a cooling zone (14) which is downstream of the reduction zone (11) and which is fed with a cooling gas (24). Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Reduktionszone (11) oberhalb der Kühlzone (14) in einem Schachtofen (10) angeordnet ist und das Eisenerz den Schachtofen (10) in vertikaler Richtung durchläuft.procedure after claim 11 , wherein the reduction zone (11) is arranged above the cooling zone (14) in a shaft furnace (10) and the iron ore passes through the shaft furnace (10) in a vertical direction. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Reduktionszone aufweisend eine Vor- und eine Fertigreduktionzone jeweils mindestens einen oder mehrere Wirbelschichtreaktoren und/oder die Kühlzone einen oder mehrere Wirbelschichtreaktoren umfassen.procedure after claim 11 , wherein the reduction zone having a preliminary and a final reduction zone each comprise at least one or more fluidized bed reactors and/or the cooling zone comprises one or more fluidized bed reactors.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD153701A5 (en) 1979-10-22 1982-01-27 Midrex Corp METHOD AND APPARATUS FOR REDUCING IRON OXIDE TO METALIZED IRON
DE4426623A1 (en) 1994-01-14 1995-07-20 Iron Carbide Holdings Ltd Prodn. of iron carbide
DE4437549A1 (en) 1994-10-20 1996-04-25 Metallgesellschaft Ag Thermal treatment of iron ore to convert it into metallic iron@

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH619736A5 (en) * 1976-01-27 1980-10-15 Max Geisseler Process and equipment for producing metal sponge in a shaft furnace by means of hydrogen-rich reducing gases
IT1302811B1 (en) * 1998-12-11 2000-09-29 Danieli & C Ohg Sp PROCEDURE AND RELATED APPARATUS FOR DIRECT REDUCTION OF IRON OXIDES
EP3581663A1 (en) * 2018-06-12 2019-12-18 Primetals Technologies Austria GmbH Preparation of carburised sponge iron by hydrogen-based direct reduction
DE102019217631A1 (en) * 2019-11-15 2021-05-20 Thyssenkrupp Steel Europe Ag Process for the direct reduction of iron ore

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD153701A5 (en) 1979-10-22 1982-01-27 Midrex Corp METHOD AND APPARATUS FOR REDUCING IRON OXIDE TO METALIZED IRON
DE4426623A1 (en) 1994-01-14 1995-07-20 Iron Carbide Holdings Ltd Prodn. of iron carbide
DE4437549A1 (en) 1994-10-20 1996-04-25 Metallgesellschaft Ag Thermal treatment of iron ore to convert it into metallic iron@

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