DE1914400A1

DE1914400A1 - Reduktionsverfahren zur Gewinnung von Eisen aus Eisenoxyden und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1914400A1
Application number: DE19691914400
Authority: DE
Inventors: Donald Beggs; Scarlett John C
Original assignee: Midland Ross Corp
Current assignee: Midrex International BV Rotterdam Zurich Branch
Priority date: 1968-06-24
Filing date: 1969-03-21
Publication date: 1970-02-19
Also published as: CA922519A; NO124696B; NL165786B; ES368673A1; NL6909686A; NL165786C; DE1914400B2; GB1269841A; BE732416A; SE380829B; FR2011537A1

Description

Pafentanwälle

Dr. O. Loesenback

Dipl.-bg. Str.,,'a 19H400

Dipl.-Ing. Losj ..■.c^-ck.
48 BiolüftlJ, liariorter jtiaije 17

MIDLAND-ROSS CORPORATION, 55, Public Square, Cleveland, OHIO 44113, USA

Reduktionsverfahren zur Gewinnung von Eisen aus Eisenoxyden und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft die direkte Reduktion von Eisenoxyden zur Herstellung von metallischen Eisen in festem Zustand, auch Schwammeisen genannt. Auf dem Gebiet der direkten Reduktionsverfahren sind bereits zahlreiche Versuche unternommen worden, die als Reduktionsquelle feste kohlenstoffhaltige Materialien, Brennöle oder Brenngase benutzen. Es gibt hier Brennprozesse, halbkontinuierliche Prozesse mit zyklisch wiederkehrenden Verfahrensschritten und auch kontinuierliche Verfahren, mit denen die Behandlung der Eisenoxyde erfolgt, wobei diese Eisenoxyde in Form von Erzbrocken, in Pulverform oder in kleinstückiger Form eingesetzt werden. Es ist bislang jedoch noch nicht möglich gewesen, ein für die Praxis brauchbares Verfahren zu schaffen, was entweder auf technischen Gründen oder auf wirtschaftlichen Gründen oder auf beiden beruhte. Da in den letzten Jahren die Vorschriften der Qualitätskontrollen für Eisen und Stahl erheblich genauer geworden sind, ist für die Eisen- und Stahlindustrie eine wirtschaftliche Quelle für hochwertiges Schmelzgut immer wichtiger geworden. Das Vorhandensein von Begleitstoffen wie beispielsweise Kupfer und Zinn in Eisen- und Stahlschrott wird für diese Industrie mehr und mehr zu einem Problem. Metallisierte Stücke oder Feimaaterial» mittels direkter Reduktion aus Eisenoxydstücken oder Eisenoxyd-Feinmaterial aus Eisenerzkonzentraten hergestellt sind ein ideales Schmelzgut für elektrische oder Sauerstoff-Blasöfen zur Erzeugung von Eisen vmä. Stall l_t da derartige

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Konzentrate im allgemeinen frei von unerwünschten Begleitstoffen sind. Die Schranke bei der Verwendung derartiger metallisierter Stücke oder Feinmaterialien in einem größerem wirtschaftlichen Umfang durch diese Industrien ist im wesentlichen das Fehlen einer wirtschaftlichen Herstellungsmöglichkeit dieser metallisierten Stücke oder Feinmaterialien mit den hohen Metallisierungsgrad, wie er für ein wirtschaftliches direktes Schmelzen erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zwecks Schließung dieser Lücke ein wirtschaftliches Reduktionsverfahren zur Gewinnung von Eisen aus Eisenoxyden zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen in einem Reduktionsverfahren, bei dem das Eisenoxyd bei erhöhter Temperatur mit einem Reduktionsgas in Berührung gebracht wird und in der Reduktionsreaktion ein Abgas gebildet wird und die Anforderungen an das Reduktionsgas teilweise oder ganz dadurch erfüllt werden, daß zumindest ein Teil des Abgases mit einem gasförmigen Kohlenwasserstoff gemischt wird und das Gemisch umgewandelt wird, indem es durch ein auf hoher Temperatur gehaltenes Kstalytbett geleitet wird.

Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren frisches Reduktionsgas durch eine kontinuierliche katalytisch© Umwandlung eines gasförmigen Kohlenwasserstoffes wie beispielsweise Erdgas, Propan oder ein anderer leicht zu verdampfender Kohlenwasserstoff zwecks Erzeugung von CO und Ep gewonnen, wobei als Oxydationsmittel zur Umwandlung des Kohlenwasserstoffes GOp und Wasserdampf benutzt werden, die bei dem Reduktionsvorgang anfallen« Die Verwendung von COp und Wasserdampf, die beim Reduktionsvorgang gebildet werden und die in dem vom Reduktionsvorgang kommenden Abgas enthalten mind als Oxydationsmittel für die Umwanilur.g, ohne daß also die Hinzufügung von Oxydationsmitteln wis Luft, Sauerstoff oder Dampf von einer äußeren Fremdquel^e, wie bislangerforderlich wäre, in Verbindung mit der katalytischen Umwandlung zur Erzeugung eines mit hohem H^ uad CO Gehalt ist ein bedsiiteaaer lo^teebrifct bei der direkten Reduktion, äez- einen optimale W&j?aesusnv. " zungsgrad ergibt. 009808/1075

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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die erfindungsgemäße Lösung besteht in einer Vorrichtung, die aus einem Reduktionsofen, in dem die festen Eisenoxyde durch Kontakt mit dem Reduktionsgas reduziert werden, Einrichtungen zum Abzug des Abgases nach der Reaktion aus dem Reduktionsofen, einem ein Katalytbett beinhaltenden Umwandlungsofen, Einrichtungen zum Mischen eines Kohlenwasserstoffes mit zumindest einem Teil des Abgases, Einrichtungen zum Zuführen des Gemisches zu dem Umwandlungsofen derart, daß das Gemisch durch das Katalytbett strömt, und Einrichtungen zum Zuführen des umgewandelten Gases vom Katalytbett zu dem Reduktionsofen besteht.

Eine Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zugleich als Schaubild für die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Umwandlungsofens der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. $ ein Diagramm des Wärmebedarfes- des Gesamtprozesses bei variierenden Arbeitsbedingungen,

Fig. 4· ein Diagramm für die benötigte Reduktionsgasmenge beim Gesamtprozeß unter verschiedenen Arbeitsbedingungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein direktes Reduktionsverfahren zur Herstellung von für die Eisen- und Stahlherstellung hochwertigen metallisierten Eisenstücken bei einem sehr hohen Wärmeausnutzungsgrad. Bei diesem Verfahren wird die kontinuierliche katalytische Umwandlung eines gasförmigen Kohlenwasserstoffes wie beispielsweise Erdgas, Propan oder einem anderen leicht zu verdampfendem Kohlenwasserstoff benutzt, um Co und Hg für den Reduktionsvorgang zu gewinnen. Dabei wird für die Umwandlung als Oxydationsmittel Cop und Wasserdampf benutzt, die bei der Reaktion des CO und H2 mit dem Eisenoxyd im Reduktionsvorgang entstehen.Zu der kontinuierlichen katalytischen

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Umwandlung wird ein indirekt beheiztes Katalytbett benutzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner möglich, metallisierte Eisenstücke zu bilden, die einen kontrollierten Kohlenstoffgehalt haben, was wiederum die so gewonnenen metallisierten Stücke als Schmelzgut besonders wertvoll macht. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt ferner Verbesserungen in der Technologie der katalytischen Umformung von gasförmigem Kohlenwasserstoff zur Gewinnung eines heißen Reduktionsgases mit einem kontrollierten hohen Eeduktionsmitteigehalt (H₂ und CO) im Verhältnis zum Oxydationsmittelgehalt (H₂O und CO₂), was nicht nur im Hinblick auf den Gesamtwärmeausnutzungsgrad wichtig ist, sondern was auch im Hinblick auf die Erzielung eines hohen Metallisationsgrades der Eisenstücke unter Zugrundelegung einer wirtschaftlich interessanten Verfahrensdauer wichtig ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zunächst einen vertikalen, etwa zylindrischen Reduktionsofen 10 auf, an dessen oberem Ende ein Einzel trichter 12 vorgesehen ist, in den die Eisenoxydstückchen 14 oder sonstiges eisenoxydhaltiges Material eingegeben wird. Die Eisenoxydstückchen 14 gelangen mittels Schwerkraft durch ein Einlaufrohr 16 in den Reduktionsofen 10. Am Boden des Reduktionsofens 10 ist ein Auslaßrohr 18 für die metallisierten Eisenstückchen vorgesehen. Ein Abförderer 20 üblicher Bauart, wie beispielsweise ein elktrischer Vibrationsförderer ist unter dem Auslaßrohr 18 vorgesehen, so daß die Beschickung in dem Ofen 10 durch die Schwerkraft den Ofen nach unten durchläuft.

Im oberen Bereich des Reduktionsofens 10 ist ein Ringleitungs-Blasrohr-System 22 vorgesehen, mit dem heißes Reduktionsgas derart in den Ofen eingeleitet wird, daß es nach oben im Gegenstrom zu den Stückchen 14 strömt und aus dem Ofen durch ein Abgasrohr 24 am oberen Ende des Ofens austritt, wie mit den Zeilen angedeutet. Das Einlauf rohr 16 erstreckt sich dabei bis unterhalb der Mündungsöffnung des Abgasrohres 24. Durch diese geometrische Ausbildung wird ein Sammelraum 26 für das die Reaktion vollzogen habende Gas gebildet, so daß

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dieses Gas im wesentlichen symmetrisch aus der Stückchenmasse austreten und frei zu dem Abgasrohr 24 strömen kann.

Im unteren Bereich des Schmelzofens 10 ist ein geschlossenes Zirkulationssystem 27 vorgesehen, um die Materialstückchen vor ihrem Austritt aus dem Ofen kühlen zu können. Sas Zirkulationssyßtem 27 beinhaltet einen indirekten Kühler 28, ein Gasgebläse 30, einen Gaseinlaß 32 und einen Gasauslaß 34. Das Gebläse 30 ist in das Einlaßrohr 31, das von dem Kühler 28 zu dem Gaseinlaß 32 verläuft, eingeschaltet. Der Gaseinlaß 32 ist ein in dem Reduktionsofen 10 gelegener Gasverteiler. Der Gasauslaß 34 liegt über dem Gaseinlaß 32 und ist mit dem Kühler 28 durch ein Bohr 33 verbunden.

Zur Gewinnung eines heißen Reduktionsgases ist ein Umwandlungsofen 38 vorgesehen, der Brennstoffbetriebene Brenner 40 hat, ein Abzugrohr 42 aufweist, und mit einer Mehrzahl von indirekt Wärme austauschenden Katalytröhren 44 versehen ist, die von außen beheizt werden. In den Zeichnungen ist jeweils nur eine dieser Röhren 44 dargestellt. Das Reduktionsgas strömt von den Katalytröhren 44 zu dem Ringleitungs-Blasrohr-System 22 durch ein Gasrohr 46, in das ein das Gas kontrollierendes Gasanalysegerät 47 eingeschaltet ist.

Das die Reaktion vollzogen habende Gas, das aus dem Reduktionsofen 10 durch das Abgasrohr 24 abströmt, strömt zu einem Gaskühl- und Reinigungsgerät 60, in dem das Abgas gekühlt und vom Staub befreit wird. An sich kann dieses Gerät von handelsüblicher Bauart sein, vorzugsweise wird jedoch ein Kühler mit direktem Wasserkontakt verwendet wie beispielsweise ein Gerät mit einem dichtgepackten Gegenstromturm, in dem das Gas aufwärts strömt und das Kühlwasser durch Schwerkraft nach unten durch das Fackmaterial strömt. Die Kondensationspunkttemperatur des* aus dem Abgasrohr 24 kommenden Abgases wird beträchtlich höher liegen als die üblicherweise vorherrschende Kühlwassertemperatur und es ist im Hinblick auf die thermische Ausnutzung wünschenswert, so viel Wasserdampf aus dom Gas auszukondensieren, wie es jeweils

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zwekcmäßig ist. Ein gepackter Gegenstromturm ist zur Erzielung dieses Ergebnisses sehr wirksam, da das Gas ohne weiteres auf im wesentlichen die Kühlwassertemperatur heruntergekühlt werden kann.

Ein großer Teil des gekühlten Abgases, das aus dem Külil-Beinigungsgerät 60 gelangt, wird mittels eines Rohres 64 zu einem Gaskompressor 62 geleitet. Erdgas, Propan, oder anderer kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff in gasförmiger Form, der aus einer Quelle 66 stammt, wird in einem Mischer 68 mit dem gekühlten Abgas, das den Kompressor 62 verläßt, gemischt. Der Betrag an zugemischtem Kohlenwasserstoff wird von einem Ventil 65 gesteuert, das auf das Gasanalyse-Kontrollgerät 47 anspricht, das seinerseits den CO^-Gehalt (oder einen anderen Bestandteil) in dem umgewandelten Gas, das die Katalytröhren 44 verläßt, kontrolliert. Zu Beginn und am Ende des Verfahrensverlaufes wird ein inertes Eeinigungsgas eingesetzt. Eine Art und Weise, dieses Beinigungsgas zu gewinnen, das nur zwischenzeitlich und in relativ gerxngen Mengen benötigt wird, besteht darin, einen Teil der Verbrennungsgase, die von den Brennern 40 in dem Umwandlungsofen 38 geschaffen werden, abzuziehen und zu kühlen. Dies kann durch ein Leitungsrohr 49 geschehen, das von dem Umwandlungsofen 38 zu dem Mischer 68 führt und in das ein Ventil 70 und ein Kühler 71 eingeschaltet sind. Das Bohr 64 und die Brenner 40 sind durch ein weiteres Leitungsrohr 72 verbunden, durch das der Bestteil an gekühltem und gereinigtem Gas zu den Brennern strömt, um die in diesem überschüssigen Gas vorhandenen Brennstoffe auszunutzen. Xn das Leitungsrohr 72 sind ein Lüfter 73, ein Ventil 74 und ein druckresponsives Steuerelement 76 eingeschaltet. Der Heizwert des überschüssigen gekühlten Abgases, das in den Brennern 40 verbrannt wird, ist nicht ausreichend, um den Wärmebedarf für den Umwandlungsofen 38 zu decken. Daher wird zusätzlicher Brennstoff wie beispielsweise Heizöl oder Ergas den Brennern 40 von einer zusätzlichen Brennstoff quelle 73 zugeführt, die mit den Leitungsrohr 72 durch ein ein Eontrollventil 81 aufweisendes Leitungsrohr 79 verbunden ist.

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Die Verbrennungsluft für die Brenner 40 des Umwandlungsofens · 58 wird von einem Luftgebläse 80 zugeführt. Der Umwandlungsofen arbeitet normalerweise "bei Temperaturen von 982 bis 1.057°C. Bei dieser OEenbetriebstemperatur ist es wirtschaftlich sinnvoll, einen Vorwärmer 82 vorzusehen, um die Verbrennungsluft für die Brenner 40 auf Temperaturen von etwa 426 bis 76O°C vorzuwärmen. Dies geschieht durch Wärmeaustausch mit dem heißen Abgas, das den Umwandlungsofen 38 über den Abzug 42 verläßt. Die vorgewärmte Luft gelangt von dem Wärmeaustauscher 82 durch ein Leitungsrohr 84 zu den Brennern 40 und setzt die für den Verfahrensablauf erforderliche zusätzliche Brennstoffmenge aus der Brennstoffquelle 78 auf ein Minimum herab. Der Vorwärmer bzw. Wärmeaustauscher 82 ist mit einem Lüftungsrohr 86 versehen, durch das die Abgase entweichen können.

Der Zufluß an zusätzlichem Brennstoff von der Brennstoffquelle 78 wird automatisch von einem Steuerventil 81 kontrolliert, das in der Rohrleitung 79 liegt und das in Abhängigkeit von einem Temperaturkontroll el ement 90 arbeitet, das in dem Umwandlungsofen 58 angeordnet ist. Die üblichen Kontrolleinrichtungen für das Verhältnis von Luft zu Brennstoff (nickt dargestellt) sind vorgesehen, um den Zustrom von Verbrennungsluft zu den Brennern 40 in Abhängigkeit von dem Zustrom und den Heizwerten der die Reduktionsreaktion vollzogen habenden Gase und des zusätzlichen Brennstoffes zu bemessen.

Für den Fall, daß das aus dem Reduktionsofen 10 kommende Abgas in dem Leitungsrohr 24 nicht übermäßig mit Staub beladen ist, kann der Teil dieses Gases, der zu den Brennern 40 des Umwandlungsofens geleitet wird, das Kühl- und Reinigungsgerät 60 umgehen, wie in gestrichelten Linien für ein Leitungsrohr 72' angedeutet ist. Die Brenner 40 können einen gewissen Staubanteil vertragen, während das aus der Reduktionsreaktion stammende Gas, das zu den Umwandlungsröhren 44 geleitet wird, so staubfrei wie nur praktisch zu erzielen ist sein sollte, um ein Zusetzen des Katalytbettes zu verhindern.

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Wie aus Fig. 2 ersichtlich., ist eine Einlaßverbindung 92 für das zugeführte Gemisch am unteren Ende der Katalytröhre 44 befestigt. Die Katalytröhre 44 ist aus einer hitzebeständigen Legierung hergestellt, wobei vorzugsweise die Hitzebeständigkeit auf Temperaturen von etwa 926 bis 1.093°C ausgelegt wird. Um das ankommende Gemisch auf die Umwandlungstemperatur vorzuerhitzen, ist das Gaseinlaßende der Röhre 44, das in der Zeichnung am Boden dargestellt ist, das aber auch am oberen Ende liegen kann, mit einem nichtkatalytisch wirkenden, feuerfesten Stückmaterial 94 vollgepackt, das auf einem entsprechend ausgebildeten Gitter 96 ruht. In Strömungsrichtung hinter diesem feuerbeständigen Stückmaterial 94 befindet sich das Katalytbett 98, das im wesentlichen aus einem Nickel aufweisenden Katalyten besteht. Am Ausgangsende der Katalytröhre 44 ist ein Einsatz 100 aus hitzebeständigem Material vorgesehen, der von einer Isolierung 102 umgeben ist, die dazu dient, Wärmeabstrahlverluste am Ausgangsende der Röhre zu verringern. Die Rohrleitung 46 ist an dem Einsatz 100 befestigt und führt das heiße Reduktionsgas zu dem Reduktionsofen 10. Das Leitungsrohr 46 ist vorzugsweise mit einer isolierenden Einlage 104 ausgekleidet, um Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten.

Die Temperatur des die Katalytröhren 44 verlassenden heißen Reduktionsgases wird im allgemeinen um 93 bis 149°C höher sein als die Temperatur, die für den Betrieb des Reduktionsofens 10 bevorzugt wird. Um das Reduktionsgas auf eine kontrollierte Temperatur zwecks Einführung in den Reduktionsofen 10 herunter zu kühlen, wird ein Teil des gekühlten, die Reduktionsreaktion vollzogen habenden Gases aus dem Leitungsrohr 94 mit dem heißen Reduktionsgas aus dem Leitungsrohr 46 vermischt. Hierzu dient ein Kontrollsystem 48, das aus einem Leitungsrohr 50, einem Gebläse 52 und einem Gasströmungskontrollventil 54 besteht, das auf ein thermoresponsives Element 56 anspricht. Neben dieser bevorzugten Ausführungsform können auch andere Einrichtungen zur Kontrolle der Temperatur des Reduktionsgases eingesetzt werden. Das

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Wiederzurückführen eines Teiles des gekühlten, die Reduktionsreaktion vollzogen habenden Gases in den Reduktionsofen 10 dient dazu, den Warmeausnutztxngsgard des Gesamtprozesses zu verbessern. Dieses gekühlte, die Reduktionsreaktion vollzogen habende Gas hat nützliche reduzierende Eigenschaften dank seines hochgradigen CO- und H₂ »Gehaltes infolge des Auskondensierens von Wasserdampf in dem Kühl-Reinigungsgerät 60.

Im Anfahrbetrieb wird der Umwandlungsofen 38 durch Luft aus dem Gebläse 80 und Brennstoff aus der Brennstoffquelle 78 auf Betriebstemperatur gebracht und der Reduktionsofen 10 wird mit kalten Eisenoxydstückchen gefüllt. Verbrennungsprodukte des Umwandlungsofen 38 werden durch das Leitungsrohr 69 angesaugt, in dem Wärmeaustauscher 71 gekühlt und in den Mischer 18 eingeführt. Daraufhin wird der Kompressor 62 angelassen und das ganze System wird durch öffnen des Lüfters 73 in dem Leitungsrohr 72 entlüftet. Nach dieser Reinigung wird gasförmiger Kohlenwasserstoff schrittweise dem Mischer 68 zugeführt und die Umwandlung beginnt, wobei das CGJ₂ und der verbleibende Wasserdampf von den Verbrennungsprodukten als Oxydationsmittel für die Umwandlung benutzt werden. Nachdem das Stückgut in dem Reduktionsofen erhitzt ist und zu reduzieren beginnt und somit CO₂ und Wasserdampf in dem Reduktionsofen gebildet werden, wird der Zustrom von Verbrennungsprodukten zu dem Mischer 68 durch das Leitungsrohr 69 abgeschaltet. Wenn das die Reduktionsreaktion vollzogen habende Gas aus dem Reduktionsofen einen entsprechenden Heizwert erreicht hat, der seine Verbrennung in dem Umwandlungsofen ermöglicht, wird der Lüfter 73 in dem Leitungsrohr 72 geschlossen und das Ventil 74 wird geöffnet.

Das dem Mischer 68 von der Quelle 66 zugeführte Kohlenwasserstoff wird in den Katalytröhren 44- umgewandelt, um CO und H₂ zu gewinnen. Hierzu läßt man es mit dem CO₂ und dem verbliebeneii Wasserdampf in dem gekühlten Abgas reagieren, das dem Mischer 68 von dem Kompressor 62 zugeführt wird. Der Betrag an zugefügtem Kohlenwasserstoff liegt vorzugsweise nahe bei - nicht aber über - dem, der für die stöchiometrieche Reaktion ait CO₂ und Wasserdampf in dem gekühlten Abgas erforderlich ist.

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Die Menge an gekühltem, aus dem Reduktionsofen stammenden Gas, die der Kompressor 62 zuführt, wird auf die gewünschte Größe eingesteuert. Ebenso wird der Zustrom an Kohlenwasserstoff zur Aufrechterhaltung des gewünschten Verhältnisses in Abhängigkeit von dem Zustrom an gekühltem, aus dem Reduktionsofen stammenden Abgas gesteuert.

Somit stammt der überwiegende Teil des für die Umwandlung erforderlichen Oxydationgsmittels von den Eisenoxydstückchen. Im Anfahrbetrieb wirkt das Gebläse 80 als Oxydationsmittelquelle, aber nach der Reduktion des Stückgutes und nach Schließen des Ventiles 70 kommt das erforderliche Oxydationsmittel vom Stückgut.

Das heiße Reduktionsgas, das in dem Umwandlungsofen $8 entstandenes CO und H2 beinhaltet, wird durch das Leitungsrohr 46 zu dem Ringleitungs-Blasrohr-System 22 geleitet und von dort in den Reduktionsofen 10, in-dem es dazu dient, das Stückgut zu erhitzen und zu reduzieren. Die Temperatur des Reduktionsgases wird vorzugsweise zwischen etwa 704 und 788⁰C gehalten, um ein Aneinanderkleben der metallisierten Eisenstückchen zu verhindern. Hierzu dient das Kontrollsystem Das Reduktionsgas reagiert mit den Eisenoxydstücken, metallisiert diese hierbei und es entsteht dabei COp und HoO. Das die Reduktionsreaktion vollzogen habende Gas, das noch eine ansehnliche Menge an Hp und CO enthält, verläßt den Reduktionsofen durch das Rohr 24 und strömt durch das Kühi-Reinigungsgerät 60. In diesem wird ein beträchtlicher Teil des Wassers und des Dampfes von diesem Gas entfernt» Der überwiegende Teil des gereinigten Gases wird mittels des Gebläses 62 dem Mischer 68 zugeführt, wo es mit EicfoleBwasserstof f aus der Quelle 66 gemischt wird. Dieses Gemisch durchströmt dann die erhitzten Katalytröiiren 44, wo das CO^. imd= das HpO mit de» Kohlenwasserstoff reagieren^ um: das Reduktiosgas für den Reduktionsofen zu gewinnen, Somit ist ein gesehlos®sues System geschaffen, in dem das erforderliche OxydatiofifeasL-ttsl für die Reaktion mit dem Kohlenwasserstoff zwecke Gewinnung des Reduktionsgäses von den Eisenoxyd stammt, ums reduziert wird. Eine äußere £ufülirungsQuelle für ein OxyöationeiEittel ist nicht erforderlich.

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Das Verhältnis von Reduktionsmitteln(CO und H₀^ zu Oxydationsmitteln (COp und H2O) ist vorzugsweise auf einem Wert von 9 : 1 oder größer gehalten. Dies geschieht durch das Gasanalyse-Steuergerät 67» das den Zustrom an Kohlenwasserstoff zu dem Mischer 68 steuert.

Bei der Umwandlung von Kohlenwasserstoff ergibt oede Volumeneinheit von COp» die mit dem Kohlenstoff in dem Kohlenwasserstoff reagiert, zwei Volumeneinheiten CO und jede Volumeneinheit Wasserdampf, die mit dem Kohlenstoff in dem Kohlenwasserstoff reagiert, ergibt eine Volumeneinheit CO und eine Volumeneinheit Ho. Zusätzlich zu dieser Volumenvergrößerung wird der Wasserstoffrest aus dem Kohlenwasserstoff in E^ umgewandelt, was eine weitere Volumenvergrößerung bedeutet.

Somit verläßt ein beträchtlich größeres Gasvolumen die Katalytröhren als das Volumen, welches von dem Mixer 68 in die Katalytröhren eintritt.

Während der Reduktionsreaktionen in dem Reduktionsofen 10 unterliegt das dem Ofen zugeführte Reduktionsgas keiner Volumenänderung, bevor es aus dem Abgasrohr 24 austritt. Somit ergibt jede Volumeneinheit CO, die mit den Eisenoxyden reagiert, eine Volumeneinheit Wasserdampf. Da der Reduktionsofen 10 im wesentlichen an dem Einlejafrohr 16 und dem Auslaßrohr 18 dicht ist, ist das den Reduktionsofen durch das Abgasrohr 24 verlassende Gasvolumen im wesentlichen gleich dem in den Ofen eintretenden Volumen.

In dem Kühl-Reinigungsgerät 60 unterliegt das von dem Reduktionsofen kommende Abgas einer Volumenverringerung infolge der Kondensierung von einem Teil oder dem meisten Wasserdampf, der in dem Reduktionsofen 10 gebildet wurde, Diese Volumenverringerung ist jedoch beträchtlich geringer als die Volumenvergrößerung während der Umwandlung in den Katalytröhren 44. Es ist somit ein Überschuß an gekühltem, aus dem Reduktionsofen kommenden Abgas in dem Rohr 64 über der Gasmenge, die von dem Kompressor 62 verarbeitet wird, vorhanden. Dieses überschüssige Gas wird als Brennstoff für die Brenner 40 benutzt, um so Wärme für den Umwandlungsofen 38 zu erzeu-

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gen und es dient dazu, einen sehr erheblichen Anteil der erforderlichen Wärme für die Katalytröhren 44 zu schaffen. Es ist damit vorteilhaft, alles überschüssige Gas hierzu zu verwenden. Zu diesem Zweck wird das druckresponsive Element 76 benutzt, das das Gasströmungssteuerventil 74- in der das überschüssige Gas führenden Rohrleitung 72 derart betätigt, daß automatisch ein Rückdruck in dem Leitungsrohr 64 entsteht. Dieser gesteuerte Rückdruck schafft zumindest drei Arbeitsbedingungen: Zunächst arbeitet der Kompressor 62 mit positivem Gasdruck auf der Einlaßseite, was seinen Pumpenwirkungsgrad verbessert; zweitens arbeitet der Reduktionsofen 10 mit einem positiven Druck in seinem Sammlungsraum 26 was verhindert, daß Luft in dieses System durch das Einlaufrohr 16 für die Eisenoxyde einsickert; drittens strömt dank des gesteuerten positiven Gasdruckes in dem Leitungsrohr 72 Jeder vorhandene Menge an überschüssigem, gekühltem Abgas durch dieses Leitungsrohr 72 zu den Brennern 40.

In dem Diagramm gemäß Fig. 3 ist der gesamte Brennstoffbedarf des Gesamtprozesses in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Reduktionsmitteln (CO und Hp) zu Oxydationsmitteln (C0~ und (HpO) in dem Reduktionsgas dargestellt. Der gesamate Brennstoffbedarf ist in Kilokalorien pro Kilogramm im Reduktionsofen erzeugtem metallischem Eisen dargestellt, basierend auf der Umwandlung von hochwertigen Hämatit-Eisenoxydstücken in hochmetallisierte Eisenstücke. Das Diagramm zeigt deutlich den wärmetechnischen Vorteil der Gewinnung eines Reduktionsgases mit einem großen Verhältnis von Reduktionsmittel zu Oxydationsmittel. Es ist hervorzuheben, daß bei einem Verhältnis von Reduktionsmittel zu Oxydationsmittel in der Größenordnung von 9:1 die Kurve scharf nach oben ansteigt.

In dem Diagramm gemäß Fig. 4 ist die Menge des dem Prozeß zuzuführenden Reduktionsgases pro Pfund hergestellten metallischen EisÄ ebenfalls in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Reduktionsmittel zu Oxydationsmittel im Reduktionsgas dargestellt. Die Menge des erforderlichen Reduktionsgases hat einen merklichen Einfluß auf die Größe des Umwandlungsofens 38, die Größe des Reduktionsofen« 10 und

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die Höhe der Leistung, die für den Kompressor 62 erforderlich ist, der letztlich den Verfahrensablauf antreibt. Im Hinblick auf das grundlegende Verfahren der direkten Reduktion findet die Reduktion von Hämatit (Fe₂O₅) in metallisches Eisen (Fe) mit Kohlenmonoxyd oder Wasserstoff in Stufen entsprechend den nachfolgend angegebenen Reaktionen statt, die jede auf einem Mol Eisen basieren:

1. 1/2 Fe₂O₅ + 1/6 GO » 1/3 Fe₅O₄ + 1/6 CO₂

2. 1/3 Fe₅O₄ + 1/3 CO = FeO + 1/3 CO₂

3. FeO + CO » Fe + CO₂

und,

4. 1/2 Fe₂O₅ + 1/6 H₂ = 1/3 Fe₅O₄ + 1/6 H₃O

5. 1/3 Fe₅0₄ + 1/3 H₂ = FeO + 1/3 H₃O

6. FeO + H₂ = Fe + H₂O

Bei jedem direkten Reduktionsvorgang können die Reduktionsmittel CO und/oder H₂ in dem Reduktionsgas nicht bis zum völligen Verbrauch reagieren, weil bei fortschreitender Reduktion die Oxydationsmittel CO₂ und H₂O entstehen. Die Endgrenze für den Einsatz von CO und/oder H₂ bei der Reduktion ist definiert durch ein Gleichgewichtsverhältnis zwischen CO und CO₂ und H₂ und H₂O. Dieses Verhältnis kann experimentell bestimmt oder aus thermodynamischen Tabellen berechnet werden. Beispielsweise sind diese Verhältnisse für die oben angegebenen Gleichungen 1 bis 6 bei 760⁰C folgende:

1. eo/co₂ = 1.1 ίο"⁵

2. C0/C0₂ = 62

3. 00/CO₂ = 1.65

4. H₂/H₂O - 1.4 Σ 10

5. H₂/H₂0 - .70

6. H₂ZH₂Z =2.0

In einem zylinderförmigen Reduktionsofen, der im Gegeüstrom arbeitet, können die oben genannten Reaktionen im wesentlichen bis zu dem genannten Gleichgewicht durchgeführt werden. Diese Art von öfen ist besonders geeignet für eine Bahandlungszeit

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von 3 bis 4- Stunden für die Peststoffe in der Reduktionszone und es ist ferner eine ausgezeichnete Berührung zwischen dem Gas und den Feststoffen gegeben. Die Diagramme der Fig. 3 und 4- basieren auf den bis zum Gleichgewicht im Reduktionsofen verlaufenden Reaktionen unter Verwendung von Erdgas mit hohem Metananteil als gasförmiges Kohlenwasserstoff für die Umwandlung.

Allgemein wird bei der Umwandlung gasförmiger Kohlenwasserstoffe in großem Umfang Dampf als umwandelndes Oxydationsmittel eingesetzt. Im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird für die Umwandlung als Hauptoxydationsmittel CO₂ benutzt. Die Umwandlung mit Dampf (H₂O) ist ein stark endothermer Vorgang. Die Umwandlung mit CO₂ ist in noch viel stärkerem Maße ein endothermer Vorgang. Die Umwandlung mit Hilfe von Luft ist dagegen in sehr viel geringerem Maße ein endothermer Vorgang. Nachfolgend sind die bekannten Umwandlungsreaktionen angegeben, die auf eine* gasförmigen Kohlenwasserstoff Methan (CH₄) basieren,, welches der Hauptkohlenwasserstoff im Erdgas ist:

1. CH₄ + H₂O » CO + 5 H₂

Der endotherme Wärmewert beträgt 3-106 Kcal/nr an umgewandeltem CH₄

2. CH₄ + CO₂ » 2 CO + 2 H₂

Der endotherme Wärmewert beträgt 3.533 Kcal/nr an umgewandeltem CH₄

3. CH₄ + Λ/2 O₂ .+ 2 N₂ = CO + 2 H₂ + 2N₂

Der endotherme Wärmewert beträgt 917 Kcal/mr an !»gewandeltem CH₄

Der angegebene endotherme Wärmebedarf basiert auf eißea? Gemischtemperatur von 25°C und einer iEeaperatar von Q?t°G für das umgewandelte Gas.

Bei der katalytischen Umwandlang gasförmiger stoffe mit Dampf ist es bislang üblich, ein Verhältnis von Dampf zu Kohlenwasserstoff zu. benutzec, das ganz fceträelrfc™· lieh über den stöcMometrischen Verhältnissen liegt \m

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verhindern, daß Kohlenstoffablagerungen und damit verbundene physikalische Zerstörungen an dem umwandelnden Katalyten auftreten. Die Umwandlung mit einem erheblichen Überschuß an Oxydationsmitteln schafft ein umgewandeltes Gas mit einem relativ niedrigen Verhältnis von Reduktionsmitteln zu Oxydationsmitteln. Ein solches Gas kann nicht für die direkte Reduktion von Eisenoxyden zu metallischem Eisen mit einem hohen thermischen Ausnutzungsgrad benutzt werden. Um gasförmige Kohlenwasserstoffe mit Dampf umzuwandeln und ein umgewandeltes Gas mit einem hohen Verhältnis von Reduktionsmitteln zu Oxydationsmitteln zu gewinnen, hat man bislang versucht, Luft oder Sauerstoff dem umzuwandelndem Gemisch zuzuführen, wahrscheinlich, um hierdurch den endothermen Wärmebedarf zu verringern.

Neben dem erfindungsgemäßen, in Fig. 1 dargestellten Gesamtverfahren beinhaltet der Anmeldungsgegenstand auch die erfinderische Ausgestaltung des Verfahrens und des zugehörigen Gerätes zur kontinuierlichen katalytischen Umwandlung eines gasförmigen Kohlenwasserstoffes zwecks Bildung eines umgewandelten Gases mit einem hohen Verhältnis von Reduktionsmitteln zu Oxydationsmitteln unter Verwendung des COp und des Wasserdampfes, wie sie in dem vom Reduktionsprozeß stammenden Abgas vorhanden sind als umwandelndes Oxydationsmittel. Als ein erstes wichtiges Verf ahrens er f ο rdex'nis, das sich für die Umwandlung des die Reduktionsreaktion vollzogen habenden Gases als wichtig herausgestellt hat ist, daß das umzuwandelnde Gemisch auf eine Temperatur von mindestens 816⁰C vorerhitzt werden soll, bevor es mit dem Katalyten in Berührung kommt, da sich hierdurch der Katalyt vor Kohlenstoff ablagerungen schützen läßt. Das vorzuerhitzende und nachfolgend umzuwandelnde Gemisch enthält größere Mengen an CO, CO2 und E^, eine geringere Menge ILjO und den gasförmigen Kohlenwasserstoff. Beim Vorerhitzen eines solchen Gemisches unterliegt das CO einem Zerfall und der Abgabe von Kohlenstoff im Temperaturbereich von 316 bis 649⁰C nach der bekannten Reaktionsformel 2 CO = COp +C. Darüber hinaus unterliegt der Kohlenwasserstoff einer thermischen Spaltung mit Abgabe

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von Kohlenstoff und Freisetzung iron Hp bei Temperaturen oberhalb etwa 649⁰C. Um das Vorerhitzen der Mischung zu erreichen, ohne daß die Kohlenstoffablagerung störend wird, wurde gefunden, daß der für das Vorerhitzen benutzte Wärmeaustauscher aus einem feuergesten Material sein soll, das nicht katalytisch sowohl für den CO-Zerfall wie auch für die thermische Spaltung des Kohlenwasserstoffes ist. Geschmolzene Aluminiumoxydbrocken haben sich als feuerfestes Material in dieser Hinsicht als sehr erfolgreich herausgestellt. Es wird angenommen, daß die meisten Metalloxyde, die nicht durch 00 oder Hp zur Metallform reduziert werden können unter den Arbeitsbedingungen, wie sie in dem Vorerhitzer vorherrschen als nichtk katalytisches Material geeignet· sind. Es wird beispielsweise an Magnesiumoxyd, Siliciumoxyd und Ohromoxyd gedacht.

Ein zweites Verfahrenserfordernis, das sich im Hinblick auf die Umwandlung des die Reduktionsreaktion vollzogen habenden Gases als wichtig herausgestellt hat, besteht darin, daß der umwandelnde Katalyt auf einer Temperatur von mindestens etwa 816⁰C gehalten werden soll, um physikalische Zerstörungen durch Kohlenstoffablagerungen in den Katalytporen zu vermeiden. In dem Maße, in dem ein Bett von Katalytbrocken ein nicht sehr guter Wärmeleiter ist und da die Umwandlungsreaktion mit COg als Hauptoxydationsmittel für die Umwandlung ein in starkem Maße endothermer Vorgang ist, wird der Kern des Katalytbettes in der Umwandlungsröhre sehr viel kalter arbeiten als den Temperaturen an der Röhrenwand entspricht. Es wurde nunmehr gefunden, daß mit einem Durchmesser von 205,2 mm für die Röhre 44 und mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 25,4 bis 38,1 mm für die Katalytbrocken 98 der Umwandlungsofen 38 vorteilhaft bei einer Temperatur von etwa 982 bis 1.093⁰C arbeitet,so daß eine Röhrenwandtemperatur von etwa 927 bis 1.038°C aufrechterhalten bleibt. Hierdurch lassen sich Zerstörungen an den Katalyten in der Kernregion der Röhre vermeiden. Bei kleinerem Röhrendurchmeseer könnten diese Temperaturen etwas herabgesetzt werden.

Ein bevorzugter Katalytbrocken ist im vorliegenden Fall ein solcher mit einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer guten

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Porösität. Ein Katalyt aus tafelförmigem Aluminiumoxyd hotten Eeinh.eitsgrad.es, mit etwa 5 ois 10% Nickel imprägniert, hat sich als besonders geeignet erwiesen.

Die nachfolgende Tabelle zeigt repräsentative Gasanalysen bezogen auf ein Naßvolumen des heißen Reduktionsgases; des die Reduktionsreaktion vollzogen habenden, aus dem Reduktionsofen kommenden Abgases; dieses Abgases in gekühltem und gereinigtem Zustand und des zu den Umwandlungsröhren geleiteten Gemisches. Die Analysen basieren auf der Verwendung eines Erdgases mit hohem Methananteil als gasförmigem Kohlenwasserstoff. Für diese Tabelle wird der Kohlenwasserstoff vor der Umwandlung als Methan bezeichnet.

CO H₂ CH₄ CO₂ H₂O O₂ *N₂

Gemisch im 26,6 36,6 15,3 19,0 0,8 0,0 1,7 Mischer 68

Reduktionsgas 46,2 48,8 0,2 1,8 1,2 0,0 1,8 im Rohr 46

Abgas der Reduk- 27,1 37,4 0,4 19,4 14,0 0,0 1,7 tion, in Rohr 24

gekühltes Abgas 31,2 43,1 0,5 22,3 0,9 0,0 2,0 m Rohr 64

* nicht gemessen, sondern errechnet

Mit 46,2% CO, 48,8 H₂, 1,8 CO₂ und 1,2% H₂O in dem oben angegebenen Reduktionsgas ist das Verhältnis von Reduktionsmittein zu Oxydationsmitteln annähernd 32 : 1. Der Heizwert des die Reduktionsreaktion vollzogen habenden Gases beträgt etwa 1.896 Kcal/m^. Der Heizwert des aufbereiteten, gekühlten Abgases beträgt etwa 2.189 Kcal/m*. Diese Daten wurden während des Winterbetriebes mit einer Eühlwassertemperatur von etwa 4,4⁰C im Kühl-Reinigungsge.rät 60 errechnet, was für den sehr niedrigen Restbestsndteil an H₂O in dem gekühlten Abgas verantwortlich ist. Mit wärjBiexem Wasser im KJJil-Re^ijiigungsgerät 60 würde der HgO-Gehalt in dem gekühlten Abgas naturgemäß entsprechend gröSer sein.

Es ist sowohl vom Standpunkt des thermischen A^ysnuteitungsgradeB bei dem Verfahren wie auch voj» Standpunkt der Umwandlung er-

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wünscht, eine merkliche Verdünnung des CO und Hp-Gehaltes in dem die Beduktionsraktien vollzogen habenden Gas zu vermeiden. Eine solche Verdünnung würde geschehen, wenn als Oxydationsmittel für die Umwandlung beispielsweise Luft von einer äußeren Luftquelle in größerem Umfang dem umzuwandelnden Gemisch zugefügt würde. Im Hinblick auf den thermischen Wirkungsgrad gilt, daß je größer der Prozentsatz von CO und H2 in dem umzuwandelnden Gemisch ist, desto geringer der Betrag an Kohlenwasserstoff sein kann, der dem Gemisch, zugefügt werden muß, um eine vorgegebene Henge an heißem umgewandelten Gas mit einem vorgegebenen GO und H₂-GeImIt zu. gewinnen. Im Hinblick auf die Umwandlung selbst gilt, daß, je groß er das Verhältnis von H₂ zu Kohlenwasserstoff in dem umzuwandelnden Gemisch ist, desto geringer die vorhandene Tendenz zuKphlenstoffablagerungen an dem umwandelnden Katalyten ist. Die Anwesenheit von Wasserstoff in dem umzuwandelnden Gemisch wirkt dahin, die thermische Aufspaltung von Kphlenwasaerstpff zu. Kohlenstoff und Wasserstoff zu unterdrücken, wenn das Gemisch erhitzt wird.

Obwohl es unerwünscht ist, ein O^^datipnsmittel von.einer äußeren Quelle zu dem umzuformenden Gemisch hinzuzueffigen, ist das Verfahren gemäß der verliegenden Erfiiidung erfolgreich mit einer Hinzufügung von Luft zu dem £*emiach in einer Größenordnung von etwa 15 % prp Vpl^^eneiBheit^ djurc^geführt werden. Auch ein geringer Betrag an Bamjpf konnte hinzugefügt werden, wenn beabsichtigt wiire^ das V,erjmltnis ,von H₂ zu GO im umgewandelten Gas zu steigern.

Der eben beschriebene kpnt^nuierliche Ujp«a^d<tuBgs|)3?o?zeß ermöglicht -die AufrechteJE^ltung sfeabijej? UmnandJiHigsbedingungen, was nicht nur für -eine Jbß^^J^i^ßä^iB^iäms ^a^Ljpten wichtig ist, sondern wjas eheoßp eine jstp^eßge ^ß^en^JLß _:jiea?

"fiinblsiefc auf d^s Ver^ältnis-^^ji^e^^l^p^gffi^

Jfeias die

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hen in einem zylinderförmigen Reduktionsofen ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten Reduktionsofen durchgeführt worden. Aus hochwertigen Eisenerzkonzentraten hergestellte Hämatit-Eisenoxyd-Stücke mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 9 »5 bis 15» 8 mm Durchmesser lagen diesen Versuchen zugrunde. Es stellte sich eine Reductionstemperatur von 788⁰C als vorteilhaft heraus, da bei einer Reduktionstemperatur von 816⁰C eine Tendenz zum Zusammenbacken und Klumpenbilden des Stückgutes vorhanden war, was sich auf den frei fließenden, nach unten gerichteten Durchgang des Stückgutes in dem Reduktionsofen störend auswirkte. Bei einer Reduktionstemperatur von 788°C und bei Einbringung kalter Eisenoxydstücke in den Reduktionsofen stellte sich eine Aufenthaltsdauer des Stückgutes vom Einfüllbereicb. bis zur Einführungszone des 788⁰C warmen ..Reduktionsgases von etwa vier Stunden als geeignet heraus, um Eisenstücke mit 95 bis 97 % Metallisierung (das bedeutet, daß 95 bis 97 % des insgesamt vorhandenen Eisens metallisches Eisen war) zu gewinnen. Es wurden hochmetallisierte Stücke erzeugt, denen durch Variation des Verhältnisses von Reduktionsmitteln zu Oxydationsmitteln in dem heißen Reduktionsgas verschiedene Eohlenstoffgehalte gegeben wurden. Dieses Verhältnis kann durch Steuerung des Verhältnisses von Kohlenwasserstoff zu Oxydationsmittel ia dem umzuwandelnden Gemisch gesteuert werden. Bei einem Verhältnis von Reduktionsmitteln zu Oxydationsmitteln von etwa 50 : 1 enthielten die Eisenstücke etwa 2,0 % Kohlenstoff. Bei einem Verhältnis von etwa, 20 : Λ enthielten die Eisenstücke etwa 0,5% Kohlenstoff .Bei einem Verhältnis von 9": 1 beträgt der Kohlenstoffgehalt etwa 0. Zusätzlich zu der Steuerung des Verhältnisses von Reduktionsmittel zu Oxydationsmittel in dem"^v heißen Reduktionsgas kann ein kontrollierter Betrag von gasförmigem Kohlenwasserstoff dem heißen Reduktionsgas vor dessen Einführung in den Reduktionsofen zugefügt werden, um dem gewünschten Kohlenstoffgehalt in den metallisierten Stücken zu erreichen.

Es erscheint wünschenswert, in den metallisierten Stücken Kohlenstoff in einer Menge zur Verfügung zu haben, die zumindest

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auereicht, das restliche Eisenoxyd in diesen Stücken zu metafclischem Eisen zu reduzieren, wenn dieses Stückgut geschmolzen wird. Der Kohlenstoff in diesen Stücken ist außerordentlich wirkungsvoll für das Reduzieren des restlichen Eisenoxydes während der Schmelzung. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, daß beim Schmelzen in einem elektrischen Lichtbogenofen von etwa 20 t zu 96% metallisierten Stückgutes mit einem durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt von etwa 1,5 % 99% des insgesamt in dem Stückgut vorhandenen Eisens in dem produzierten Stahl hervortrat. Der Kohlenstoff in diesem Stückgut war teilweise als freier Kohlenstoff in den Foren des Stückgutes, teilweise als Eisencarbid vorhanden.

Das in Fig. 1 illustrierte Reduktionsverfahren gemäß der Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf die Reduktion von Eisenoxydetückchen in einem zylinderförmigen Reduktionsofen beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch auf andere Formen von eisenoxydhaltigen Körpern wie beispielsweise größeren Brocken oder Feinmaterial anwendbar und ebenso können andere Arten von Reductionseinrichtungen wie beispielsweise öfen mit einer Förderanlage und Verflüssigungszellen eingesetzt werden, in denen das die Reduktionsreaktion vollzogen habende Gas gesammelt und dem Kreislauf ohne übermäßige Verdünnung mit Luft wieder zugeführt werden kann.

Der Erfindungsgegenstand hat folgende wesentliche Vorteile: Es ist ein besonders wirtschaftliches Verfahren zum Reduzieren von Eisenoxyden in metallisches Eisen geschaffen; es ist ein vorteilhaftes Verfahren für die Umwandlung von Eisenoxydstückchen in metallisierte Stückchen unter Verwendung eines katalytischen Umformers von gasförmigem Kohlenwasserstoff geschaffen, das insgesamt einen bislang nicht erreichten thermischen Wirkungsgrad aufweist; es ist ein vorteilhaftes Verfahren zur katalytischen Umformung von gasförmigem Kohlenwasserstoff zwecks Gewinnung eines heißen Gases mit einem hohen Reduktionspotential und mit einem gesteuerten Verhältnis von Reduktionsmitteln geschaffen, was insgesamt einen optimalen Wärmeausnutzungsgrad ergibt; es ist ein vorteilhaftes Reduktionsverfahren zum Reduzieren von Eisenoxyden in

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metallisches Eisen geschaffen, bei dem gasförmiger Kohlenwasserstoff zur Gewinnung von CO und Hg umgewandelt wird, und zwar unter Verwendung des in der Form von COo und EUQ von dem Eisenoxyd stammenden Sauerstoffes als Oxydationsmittel für die Umwandlung des Kohlenwasserstoffes; es ist ferner ein vorteilhaftes Reduktionsverfahren sowie die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Umwandlung von Eisenoxystücken in hochmetallisierte Eisenstücke geschaffen, bei dem der Kohlenstoffgehalt in den metallisierten Eisenstücken auf die gewünschten Größenwerte gesteuert wird, indem man das Verhältnis von Reduktionsmitteln zu Oxydationsmitteln im Reduktionsgas steuert; ferner ist eine vorteilhafte Vorrichtung zum Reduzieren von Eisenoxyden in dem Abgas der Reduktionsreaktion unter Verwendung von Kohlenwasserstoff zur Gewinnung des Reduktionsgases für die Reduktion geschaffen; ferner erfolgt in vorteilhafter Weise eine kontinuierliche katalytisch^ Umwandlung von gasförmigem Kohlenwasserstoff unter Verwendung von CO₂ als Hauptoxydationsmittel für die Umwandlung in einer solchen Weise, daß das umwandelnde Katalytmaterial vor Zerstörungen durch von dem Kohlenwasserstoff stammenden Kohlenstoffablagerungen geschützt ist.

Wenn vorhergehend nur eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, so ist hervorzuheben, daß Änderungen und Abwandlungen von der beschriebenen Aueführungsform im Rahmen des Erfindungsgedankens möglich sind.

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Claims

191U00 Patentanspruch e SS SS ZZ XS SS » SS S SS » — ν — SSi SJS SS S IS— SZ SS S SS S S ™ SSSISS

1. Reduktionsverfahren zur Gewinnung von Eisen aus Eisenoxyden, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenöxyd bei erhöhter Temperatur mit einem Reduktionsgas in Berührung gebracht wird und durch die Reduktionsreaktion ein Abgas gebildet wird und der Reduktionsgasbedarf teilweise oder ganz dadurch gedeckt wird, daß zumindest ein Teil des genannten Abgases mit gasförmigem Kohlenwasserstoff gemischt wird und das Gemisch durch Hindurchleitung durch ein auf hoher Temperatur gehaltenes Katalytbett umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalytbett indirekt beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalytbett auf einer Temperatur von mindestens etwa 816⁰C gehalten wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reduktionsgas ein Gemisch von CO und H₂ als Reduktionsmittel gebildet wird und daß in dem Abgas ein Gemisch von COp und HoO als Oxydationsmittel gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Reduktionsmitteln zu Oxydationsmitteln in dem Reduktionsgas auf mindestens einer Größe von 9 : 1 gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Reduktionsmitteln und Oxydationsmitteln gesteuert wird und damit der Kohlenstoffgehalt; des gewonnenen metallischen Eisens gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reduktionsgas vor seiner Zuführung zu dem Elssnoxyd ein gasförmiger Kohlenwasserstoff zugefügt wird,

8. Verfahren nach eines oder mehreren der ^erkerg*hendea Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, lag das Geaiich durch Hin-

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durchführung durch eine nichtkatalytische Umgebung erwärmt wird, bevor es durch das Katalytbett geleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in der nichtkatalytischen Umgebung auf mindestens etwa 816°C erwärmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 und 9_} dadurch gekennzeichnet, daß das die Reduktionsreaktion vollzogen habende Gas mit einer solchen Menge von gasförmigem Kohlenwasserstoff vermischt wird, wie sie ausreichend ist, dieses Abgas als Hauptoxydationsmittelquelle für die Reaktion mit dem Kohlenwasserstoff in der Umwandlungsreaktion geeignet zu machen.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Reduktionsreaktion vollzogen habende Gas auf eine Temperatur unter dem Kondensationspunkt gekühlt wird, bevor es mit dem Kohlenwasserstoff vermischt wird.

12. Vorrichtung für die Reduktion von Eisenoxyden zu metallischem Eisen, beinhaltend einen Reduktionsofen mit einem Einlaß für das Reduktionsgas und einem Auslaß für das entstehende Abgas, gekennzeichnet durch einen Umwandlungsofen (38) mit einem Katalytbett (44), sowie gekennzeichnet durch Einrichtungen (24,64,68) zum Mischen des die Reduktionsreaktion vollzogen habenden Gases mit gasförmigem Kohlenwasserstoff und zum Zuführen dieses Gemisches zu dem Umwandlungsofen (38).

13- Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Umwandlungsofen. (38) in Strömungsrichtung des Gasgemisches gesehen vor dem äfcalytbett (98) ein nichtkatalytisches Bett vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Reduktionsofen (10) zylinderförmig ausgebildet ist und eine Einlaßsinrichtung (12) zum Beschicken mit festen EieenöVden an seinem oberen Ende und eine Auslaßeinrichtung (20) für die metallischen Eisenfeststücke an seinem unteren Ende aufweist.

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15· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Abzug des Abgases ein Abgassammeiraum (26) am oberen Ende des zylindrischen Ofens vorgesehen ist, der über dem
normalen oberen Niveau des im Ofen befindlichen Festmateriales liegt.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß der Umwandlungsofen (58) eine Einrichtung (92) zum Erwärmen des Gasgemisches auf mindestens etwa 816⁰C vor dessen Eintritt in das Katalytbett aufweist.

17· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalytbett in einer Katalytröhre (44) angeordnet ist, die derart in dem Umwandlungsofen angeordnet ist, daß sie von Brennern (40) beheizbar ist.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis

17, gekennzeichnet durch Einrichtung (72,74,76) zur Zuführung eines Teiles des die Reduktionsreaktion vollzogen habenden Abgases zu den Brennern (40) des Umwandlungsofens (58).

19· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis

18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Analysengerät (47) zur Überwachung der Zusammensetzung des Reduktionsgases vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis

19, dadurch gekennzeichet, daß ein Kühl-Reinigungs-Gerät (60) zur Behandlung des aus der Reduktionsreaktion stamm enden Abgases vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis

20, gekennzeichnet durch ein Steuersystem (48) zur Vermischung des gekühlten, vom Kühl-Reinigungs-Gerät (Sj)kommenden Abgases mit dem heißen, zum Reduktionsofen (10) geführten Reduktionsgas, um dessen Temperatur einzustellen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Kühl-Reinigungs-Gerät (60) umgehende Gasleitung (72¹) vorgesehen ist, durch die das aus der Reduktionsreaktion stammende Abgas zu den Brennern (40) des
Umwandlungsofens (58) strömt.

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