DE19707047A1 - Schichtofen zum direkten Reduzieren von Oxiden und Verfahren dazu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schachtofen zum direkten Re­ duzieren von Oxiden, insbesondere von Eisenoxiden. Zudem er­ faßt die Erfindung ein Verfahren zum Direktreduzieren sol­ cher Oxide.

Herkömmlicherweise werden Schachtöfen zur Behandlung von Metalloxiden - etwa von Eisenoxiden - bei hohen Tempera­ turen mit einem Reduktionsmaterial, wie beispielsweise an Wasserstoff und Kohlenmonoxid reichem Reduktionsgas, so eingesetzt, daß die Oxide reduziert werden und somit ein metallisiertes Produkt, wie beispielsweise reduziertes Eisen, an einer Entnahmestelle des Schachtofens gewonnen wird.

Typischerweise wird das in den Schachtofen einzubringende Reduktionsgas in einem als Reformer bekannten externen Re­ aktor gebildet, in welchem Methan und andere Erdgase - zur Verwendung bei der Behandlung von Oxiden im Schachtofen - in Reduktionsgase reformiert werden, die reich an Wasser­ stoff und Kohlenmonoxid sind. Bei anderen herkömmlichen Schachtöfen wird das Reduktionsgas in der eigentlichen Re­ aktions- oder Reduktionszone des Ofens gebildet.

Es besteht Bedarf an einem Schachtofen zum Direktreduzieren von Oxiden, der keine zusätzlichen Reformierungsanlagen oder Reaktoren benötigt und der den bei der Verwendung von ineffektiven Reformern bzw. Reformierungsreaktionen erforderlichen Energieverbrauch reduziert.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten ist Hauptziel der vorlie­ genden Erfindung, einen verbesserten Schachtofen zum Direktreduzieren von Oxiden zu schaffen, der eine Reformie­ rungszone zur Reformierung von Methan und/oder Erdgasen in Reduktionsgase enthält, welche in die Oxidreduktionszone einzubringen sind. Zudem soll bei diesem Schachtofen die Gasreformierungszone in enger Verbindung mit der Reduk­ tionszone stehen, wodurch ein Teil der zur Reformierungsre­ aktion benötigten Wärme dem Schachtofen entzogen und re­ formiertes Gas der Reduktionszone in wirksamer Weise direkt zugeführt werden kann. Auch sollte dieser Schachtofen ver­ stärkt die Fähigkeit besitzen, reduzierte Oxide in einer Übergangszone abzukühlen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängi­ gen Patentansprüche; die Unteransprüche erfassen günstige Weiterbildungen. Mit der vorliegenden Erfindung werden die vorgenannten Ziele und Vorteile in bestechender Weise er­ reicht.

Erfindungsgemäß wird ein Schachtofen zum direkten Reduzie­ ren von Oxiden zur Verfügung gestellt, der einen Schacht mit einem Oxideinlaß und eine dem Oxideinlaß nachgeordnete Vorwärm- und Vorreduktionszone enthält, zudem eine der Vor­ wärm- und Vorreduktionszone nachgeordnete Reduktionszone, eine der Reduktionszone nachgeordnete Durchgangs- oder Übergangszone und eine dieser nachgeordnete Entnahmezone; mit dem Schacht steht zudem ein Reformierungsmittel zur Re­ formierung eines methanhaltigen Gases in ein reformiertes Gas und zur Einbringung des reformierten Gases in die Re­ duktionszone in Verbindung, wodurch die in der Reduktions­ zone enthaltenen Oxide durch das reformierte Gas reduziert zu werden vermögen.

Weiterhin enthält der Schachtofen im Rahmen der Erfindung vorzugsweise eine mit der Reduktionszone in Verbindung ste­ hende Gasreformierungszone oder -einrichtung sowie Mittel zum Einbringen eines methanhaltigen Gases in die Reformie­ rungszone; in dieser wird das methanhaltige Gas in ein Re­ duktionsgas reformiert und letzteres in die Reduktionszone eingebracht.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung weist der Schach­ tofen eine zumindest um einen Abschnitt des Schachtes herum angeordnete Wand zur Begrenzung der Reformierungszone auf sowie einen Einsatz, welcher durch diese Wand getragen und zum Induzieren der Gasreformierung in der Reformierungszone mit einem Katalysatormaterial imprägniert wird. Vorteilhaf­ terweise soll jener Einsatz auf der Wand abnehmbar ange­ bracht sein, um ein Ersetzen des verbrauchten Katalysator­ materials zu erleichtern.

Als günstig hat sich ein Nickelkatalysator als Katalysator­ material erwiesen.

Erfindungsgemäß umfaßt die Wand ein im wesentlichen ring­ förmiges Glied, welches in solcher Weise um den Schacht herum angeordnet ist, daß dazwischen eine im wesentlichen ringförmige Reformierungszone entsteht. Auch soll die Gas­ reformierungseinrichtung einen Einlaß zur Einbringung eines methanhaltigen Gases in die ringförmige Reformierungszone anbieten, so daß ein reformiertes Gas gebildet werden kann, zudem einen Auslaß zur Beförderung des reformierten Gases von der Reformierungszone zur Reduktionszone.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, der Gasrefor­ mierungseinrichtung darüber hinaus einen Katalysator zum Auslösen der Reformierungsreaktion des methanhaltigen Gases zuzuordnen, um jenes reformierte Gas zu erhalten.

Im Rahmen der Erfindung weist der ringförmige Bereich eine Innenwand auf, die mit einem Außenwandabschnitt jenes Schachtes zusammen die ringförmige Reformierungszone be­ grenzt; diese Innenwand und diese Außenwand tragen jenen Katalysator. Die dem methanhaltigen Gas ausgesetzte Ober­ fläche des Katalysators kann - beispielsweise durch Aufrauhung - vergrößert werden.

Vorteilhafterweise umfaßt die Auslaßeinrichtung zumindest einen mit der Reformierungszone und der Reduktionszone in Verbindung stehenden Durchgang, wobei bevorzugt zumindest ein Durchgang in einem Winkel von wenigstens etwa 120° - bevorzugt zwischen etwa 120° und etwa 150° - zur Strö­ mungsrichtung der Oxide in der Reduktionszone angeordnet ist.

Der Schacht enthält also ein im wesentlichen zylindrisches Glied, welches die Reduktionszone bestimmt und zur Beförde­ rung von Oxiden zur Übergangszone über ein Auslaßende aus der Reduktionszone verfügt, wobei das Auslaßende einen In­ nendurchmesser aufweist. Der Schacht bietet darüber hinaus einen im wesentlichen konisch geformten Bereich an, welcher die Übergangszone begrenzt und einen Innendurchmesser be­ sitzt, der sich in Strömungsrichtung der Oxide in der Über­ gangszone von einen Einlaßdurchmesser an einem zur Aufnahme von Oxiden aus der Reduktionszone dienenden Einlaßende - dessen Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser des Auslaßendes der Reduktionszone - bis zu einem Auslaßdurch­ messer an einem Auslaßende der Übergangszone verjüngt. Das Auslaßende dient zur Beförderung von Oxiden zur Entnahme­ zone, wobei der Auslaßdurchmesser kleiner ist als der In­ nendurchmesser des Auslaßendes der Reduktionszone. Das Ein­ laßende der Übergangszone und das Auslaßende der Reduk­ tionszone begrenzen einen Sammelbereich zur Ansammlung von Kühlgas, darüber hinaus ist eine Einrichtung zum Einführen von Kühlgas in die Übergangszone vorhanden sowie ein mit dem Sammelbereich in Verbindung stehenden Kühlgasauslaß. Die innere Wandfläche des konischen Bereichs soll im übri­ gen zu einer Zentralachse - zum Auslaßende hin - in einem Winkel zwischen etwa 8° bis etwa 12° nach innen geneigt sein.

Im Rahmen der Erfindung liegt eine Einrichtung zum Einbrin­ gen des Kühlgases mit zumindest einem in der Übergangszone angeordneten Hohlschaft oder -stab, zumindest einem Einlaß für das Kühlgas in den Hohlschaft sowie zumindest einer Kühlgasdüse zur Beförderung des Kühlgases aus dem Hohl­ schaft zur Übergangszone. Die Kühlgasdüsen sollen bevorzugt auf einem stromabwärts gerichteten Abschnitt des Hohlschaf­ tes angeordnet sein.

Bevorzugt ist eine Mehrzahl von Hohlschäften vorgesehen, die radial innerhalb der Übergangszone positioniert und an einem zentralen Nabenglied zusammengefügt sind, an dem diese Hohlschäfte in einem Winkel in Strömungsrichtung der Oxide geneigt ausgerichtet sind.

Erfindungsgemäß wird in der Vorwärm- und Vorreduktionszone des Schachtofens die Temperatur zwischen etwa Umgebungstem­ peratur und etwa 760°C eingestellt, in der Reduktionszone auf eine Temperatur zwischen etwa 760°C bis etwa 960°C. Die Übergangszone soll zur Kühlung auf einer Temperatur von kleiner oder gleich etwa 760°C gehalten werden, bevorzugt auf kleiner oder gleich etwa 650°C, insbesondere etwa 55°C.

Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zum Direktredu­ zieren von Oxiden zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte umfaßt. Es wird ein Schachtofen mit einem Oxidein­ laß, einer diesem Oxideinlaß nachgeordneten Vorwärm- und Vorreduktionszone, einer der Vorwärm- und Vorreduktionszone nachgeordneten Reduktionszone, einer der Reduktionszone nachgeordneten Durchgangs- oder Übergangszone, einer dieser nachgeordneten Entnahmezone und einer mit der Reduktions­ zone in Verbindung stehenden Gasreformierungszone einge­ setzt, die Oxide werden über den Oxideinlaß eingetragen und stromabwärts durch den Schachtofen zur Entnahmezone ge­ führt; es wird ein methanhaltiges Gas in die Gasreformie­ rungszone eingeleitet, so daß das methanhaltige Gas in ein in die Reduktionszone strömendes Reduktionsgas reformiert wird; in der Vorwärm- und Vorreduktionszone wird eine Tem­ peratur zwischen etwa Umgebungstemperatur und etwa 760°C sowie in der Reduktionszone zwischen etwa 760°C und etwa 960°C eingestellt, wodurch die Oxide in der Reduktionszone in solcher Weise reduziert werden, daß an der Entnahmezone ein reduziertes, metallisiertes Produkt abgezogen werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ beispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schachtofen;

Fig. 2 einen horizontalen Querschnitt durch den Schachtofen gemäß Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine Unteransicht einer Injektionsein­ richtung für Kühlgas.

Der nachfolgend beschriebene Schachtofen zur direkten Re­ duktion von Oxiden, insbesondere von Eisenoxiden, weist eine Gasreformierungskammer bzw. eine Zone zur Reformierung von Gas in reformiertes Gas bzw. Reduktionsgas auf. Bei ihm sind vorteilhafterweise zusätzliche, separate Reformer und dergleichen nicht erforderlich, und er erlaubt außerdem eine effiziente und effektive Herstellung von Re­ duktionsgas, wodurch das gesamte Direktreduktionsverfahren erheblich verbessert wird.

Ein erfindungsgemäßer Schachtofen 10 enthält vorzugsweise einen im wesentlichen zylindrischen Schacht 12 mit einem Einlaß 14 für Oxide und einer Gasaustrittsöffnung 16, einen im wesentlichen konisch geformten Abschnitt als Sockelteil 42 und eine Bodenkonstruktion 25. Diese Teile werden nachfolgend jeweils näher beschrieben. Der Schacht 12 sowie - bis zu einem gewissen Grade - das Sockelteil 42 und die Bodenkonstruktion 25 bestimmen mehrere Innenzonen, in welchen verschiedene Stufen der Behandlung von Oxiden während des Direktreduktionsverfahrens ablaufen.

Im oberen Abschnitt des in Fig. 1 dargestellten Schachtes 12 ist allgemein mit Bezugsziffer 18 eine Vorwärm- und Vor­ reduktionszone gezeigt, unterhalb der Vorwärm- und Vorre­ duktionszone 18 mit Bezugsziffer 20 allgemein eine Reduk­ tionszone. Unterhalb der Reduktionszone 20 befindet sich eine Durchgangs- oder Übergangszone 22 sowie unterhalb die­ ser eine Entnahmezone 24. Ein Abschnitt der Übergangszone 22 und der Entnahmezone 24 wird durch das konische Sockel­ teil 42 gebildet, und die Bodenkonstruktion 25 umfaßt einen restlichen Abschnitt der Entnahmezone 24.

Oxid strömt während seiner Behandlung innerhalb des Schach­ tes 12 im allgemeinen abwärts, wie in Fig. 1 durch Pfeil A dargestellt. Hierzu ist die Vorwärm- und Vorreduktionszone 18 dem Oxideinlaß 14 nachgeordnet, um die zu behandelnden Oxide aufzunehmen. Der Reduktionszone 20 folgt die Vorwärm- und Vorreduktionszone 18, während die Durchgangs- oder Übergangszone 22 der Reduktionszone 20 und die Entnahmezone 24 der Übergangszone 22 nachgeordnet sind.

Weiterhin ist erfindungsgemäß ein im wesentlichen ringför­ mig ausgebildeter Bereich 26 derart um zumindest einen Ab­ schnitt des Schachtes 12 angeordnet, daß durch die Innen­ seite des Ringbereiches 26 und die Außenseite des eigentli­ chen Schachtes 12 eine Reformierungszone 28 entsteht. Ein Gaseinlaß 30 ist so angeordnet, daß er mit der Reformie­ rungszone 28 in Verbindung steht und sich durch einen Teil der Wand des Ringbereiches 26 hindurch erstreckt. Der Ring­ bereich 26 kann in geeigneter Weise als ein gesondertes, an der Außenseite des Schachtes 12 befestigtes Element vorge­ sehen werden oder alternativ einen integralen Bestandteil des Schachtes 12 bilden. Wie abgebildet, verfügt der Ring­ bereich 26 - querschnittlich gesehen - vorzugsweise über Schenkelabschnitte 27, welche sich bis zum Schacht 12 er­ strecken sowie obere und untere Grenzen der Reformierungs­ zone 28 bilden.

Wie in der Zeichnung dargestellt, sind erfindungsgemäß in der Wand des Schachtes 12 Durchbrüche oder Durchgänge 32 in solcher Weise angeordnet, daß zwischen der Reformierungs­ zone 28 und der Reduktionszone 20 eine Verbindung besteht. Dank der Durchgänge 32 kann reformiertes Gas aus der Re­ formierungszone 28 in die Reduktionszone 20 strömen, in welcher - nach Wunsch - Material behandelt wird.

Erfindungsgemäß und vorteilhafterweise wird das bei der Be­ handlung von Oxiden in der Reduktionszone 20 zu verwendende Reduktionsgas - direkt vor dessen Einbringen durch die Durchgänge 32 in die Reduktionszone 20 - in der Reformie­ rungszone 28 gebildet. Hierzu wird ein bei 34 angedeutetes Katalysatormaterial vorzugsweise entlang den die Refor­ mierungszone 28 begrenzenden Wänden des Ringbereiches 26 und des Schachtes 12 angebracht, um die gewünschte Refor­ mierung von durch den Gaseinlaß 30 eingebrachten Gasen aus­ zulösen. Das Katalysatormaterial 34 kann auch in zumindest einem Teil des Gaseinlasses 30 und der dargestellten Durch­ gänge 32 in solcher Weise vorgesehen werden, daß der Kon­ takt des Gases mit dem Katalysatormaterial 34 verstärkt wird.

Erfindungsgemäß bestehen zu reformierende Gase typischer­ weise aus einer Mischung von Gasen mit einem hohen Gehalt an Methan und/oder Erdgas, welches in dieser Beschreibung als methanhaltiges Gas bezeichnet wird, sowie aus einer Sauerstoffquelle. Werden solche Zuführmaterialien mit Kata­ lysatormaterial 34 bei gewünschten Temperaturen in Kontakt gebracht, ergeben sich an Wasserstoff und Kohlenmonoxid reiche reformierte Reduktionsgase, die erfindungsgemäß durch die Durchgänge 32 in die Reduktionszone 20 einge­ bracht werden.

Weiterhin sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Vorzugsweise be­ steht zumindest ein Abschnitt 36 des Schachtes 12, welcher die Innenwand der Reformierungszone 28 bildet und die Re­ formierungszone 28 von der Reduktionszone 20 abgrenzt, aus einem feuerfesten Material, welches bei den gewünschten, zur Direktreduktion erforderlichen Temperaturen zur Ver­ stärkung der vorgesehenen Wirkungsweise des Schachtofens 10 beiträgt.

Desweiteren gehört es zur Erfindung, daß das Katalysatorma­ terial 34 vorzugsweise aus einem beliebigen Katalysator be­ steht, insbesondere aus einem Metall-Katalysator, welcher die gewünschte Gasreformierungsreaktion verstärkt bzw. aus­ löst. Ein Nickelkatalysator hat sich zur Verstärkung der gewünschten Gasreformierungsreaktion erfindungsgemäß als besonders effektiv erwiesen.

Das Katalysatormaterial 34 kann in geeigneter Weise entlang den Wandoberflächen der Reformierungszone 28 auf viele ver­ schiedene Arten vorgesehen werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden Keramikeinsätze an den Wandober­ flächen der Reformierungszone 28 vorgesehen bzw. an diesen angebracht, und das Katalysatormaterial 34 kann in geeig­ neter Weise auf die Keramikeinsätze aufgebracht, imprä­ gniert oder anderweitig aufgetragen werden. Bevorzugt wird, daß die mit Katalysatormaterial 34 versehenen Keramikein­ sätze hinsichtlich der Reformierungszone 28 abnehmbar und austauschbar sind, so daß verbrauchtes Katalysatormaterial ohne wesentliche Unterbrechung des Direktreduktionsverfah­ rens leicht ersetzt werden kann. Selbstverständlich könnte das Katalysatormaterial 34 direkt auf die Wände die Refor­ mierungszone 28 bestimmenden Wände aufgetragen bzw. auf viele andere Arten aufgebracht werden, falls dies erwünscht ist.

Erfindungsgemäß werden vorzugsweise auch Durchgänge 32, welche die Reformierungszone 28 mit der Reduktionszone 20 in Verbindung bringen, in solcher Weise vorgesehen, daß die Durchgänge 32 in einem Winkel ψ zur Strömungsrichtung der Oxide innerhalb des Schachtes 12 von zumindest etwa 120°, vorzugsweise zwischen etwa 120° und etwa 150° - und in einem bevorzugtesten Ausführungsbeispiel in einem Winkel von etwa 135° - geneigt angebracht sind. In Fig. 1 ist dieser Neigungswinkel ψ zwischen einer Mittellinie M des Durchganges 32 und der inneren Wandfläche 38 des Schacht es 12 zu erkennen. Diese Ausrichtung des Durchganges 32 ist vorteilhaft für die Vermeidung von übermäßigem Druck von Oxiden und/oder reduzierten Metallprodukten, welche im Schacht 12 auf die den Durchgang 32 begrenzenden Oberflä­ chen strömen, und dient hierdurch - wie gewünscht - dem effizienten Einbringen von heißen, reformierten Gasen in die Reduktionszone 20. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, führen die Durchgänge 32 durch Öffnungen oder Mündungen 40 in die Reduktionszone 20; in der Zeichnung sind mehrere dieser um den Umkreis des Schachtes 12 angeordneten Öffnungen oder Mündungen 40 dargestellt.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist eine relativ große, innere wirksame Oberfläche der Re­ formierungszone 28 wünschenswert und vorgesehen, da dies eine effiziente und im wesentlichen vollständige Reformie­ rung von Methan und/oder Erdgas in der Reformierungszone 28 ergibt. Dies dient vorteilhafterweise dazu, einen guten Kontakt zwischen den zu reformierenden Methangasen und dem Reformierungskatalysator zu gewährleisten, und führt zu Reformierungswerten (reformation rates) von 80% von Aus­ gangsmethan am Ausgang der Reformierungszone 28. Das Vorse­ hen einer Vielzahl von Durchgängen 32 sowie die Ausdehnung der Reformierungszone 28 nach oben in einer im wesentlichen ringförmigen Ausbildung um den Schacht 12 herum dient vor­ teilhafterweise der Verbesserung und Vergrößerung der Ober­ fläche der Reformierungszone 28, wie dies erfindungsgemäß gewünscht wird. Zudem kann die Oberfläche des Katalysator­ materials 34 zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche der Reformierungszone 28 vorzugsweise aufgerauht werden.

Es sollte nunmehr deutlich erkennbar sein, daß die Refor­ mierungszone 28 vorteilhafterweise einer Vermeidung sepa­ rater Reformierungsreaktoren dient und außerdem ein effizi­ entes Mittel zur Reformierung von Erdgas liefert, um die Reduktionszone 20 unmittelbar mit heißen Reduktionsgasen auszustatten.

Wie gesagt, wird die Durchgangs- oder Übergangszone 22 vor­ zugsweise durch das im wesentlichen konisch geformte Sockelteil 42 begrenzt, das über einen Innendurchmesser verfügt, der sich von einem oberen Einlaßbereich 44 - der reduzierte Oxide aus der Reduktionszone 20 aufnimmt - zu einem Austragsende 46, aus welchem reduzierte Oxide zur Entnahmezone 24 gelangen, hin verjüngt, wobei die Entnahme­ zone 24 durch die Bodenkonstruktion 25 begrenzt sein kann, wie sie schematisch in der Zeichnung als eine im wesentli­ chen zylindrische Kappe mit im allgemeinen horizontalem Auslaß dargestellt ist.

Erfindungsgemäß ist das konische Sockelteil 42 vorzugsweise vom Einlaßbereich 44 zum Austragsende 46 hin in einem Win­ kel β von zwischen etwa 8° und etwa 12° zur Zentralachse Z des Sockelteils 42 nach innen abgeschrägt. Dies ist wün­ schenswert, um die ideale Strömung von Feststoffen im Schacht 12 in Richtung auf die Entnahmezone 24 der Boden­ konstruktion 25 aufrechtzuerhalten. Von der Übergangszone 22 werden reduzierte Oxide zur Entnahmezone 24 gefördert, wo vorzugsweise ein Magnetventil 48 zur Steuerung der Ent­ nahme des reduzierten bzw. metallisierten Produkts aus der Entnahmezone 24 angeordnet ist.

Erfindungsgemäß werden vorzugsweise bestimmte Temperaturen im Schachtofen 10 zur Auslösung und Verstärkung der ge­ wünschten Reaktionen in den verschiedenen Zonen aufrechter­ halten. In dieser Hinsicht wird die Temperatur in der Vor­ wärm- und Vorreduktionszone 18 vorzugsweise zwischen etwa Raumtemperatur und etwa 760°C gehalten sowie die Temperatur in der Reduktionszone 20 zwischen etwa 760°C und etwa 960°C, um in der Reduktionszone 20 die spezielle Reduk­ tionsreaktion zu gewährleisten. Die Übergangszone 22 ist zur zumindest teilweisen Abkühlung des aus der Reduktions­ zone 20 kommenden reduzierten, metallisierten Produkts vor­ gesehen, wobei vorzugsweise Kühlgas, wie nachfolgend erläu­ tert, verwendet wird, um die Temperatur des reduzierten, metallisierten Produkts auf ein gewünschtes Niveau zu sen­ ken, das für den nächsten Behandlungsschritt geeignet ist, dem das reduzierte Produkt unterzogen wird.

Hierzu kann das reduzierte Endprodukt auf einer relativ ho­ hen Temperatur gehalten und zu Briketts oder, falls ge­ wünscht, zu anderen Formen gestaltet werden, oder es kann zur Entnahme aus dem Schachtofen 10 in kaltem Zustand größ­ tenteils abgekühlt werden. Das erfindungsgemäße Kühlen des reduzierten Endproduktes trägt mit dazu bei, eine Rückoxi­ dation des reduzierten Endprodukts zu vermeiden. Erfin­ dungsgemäß wird deshalb Kühlgas vorzugsweise in die Über­ gangszone 22 injiziert oder eingepreßt, so daß das aus der Reduktionszone 20 kommende heiße, reduzierte, metallisierte Produkt auf eine Temperatur von kleiner oder gleich etwa 760°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von kleiner als etwa 650°C, zum Brikettieren abgekühlt wird sowie zur Ent­ nahme in kaltem Zustand auf eine Temperatur von vorzugs­ weise kleiner oder gleich etwa 55°C.

Wie insbesondere Fig. 1 und 3 erkennen lassen, enthält der Schachtofen 10 vorzugsweise eine Injektionseinrichtung 50 für Kühlgas, die vorzugsweise innerhalb der Übergangszone 22 vorgesehen ist und zum Einpressen von Kühlgas in direk­ ten Kontakt mit dem heißen, reduzierten Produkt in der Übergangszone 22 dient. Fig. 1 zeigt eine schematische Sei­ tenansicht der Kühlgasinjektionseinrichtung 50, die eine Mehrzahl von Hohlschäften oder -stäben 52 aufweist, von de­ nen jeder über ein Einlaßende 54 verfügt und an eine Art von (hub) Nabe 56 angefügt ist; diese ist im wesentlichen zentral innerhalb der Übergangszone 22 angeordnet. Wie in der Zeichnung dargestellt, enthält vorzugsweise jeder der Hohlschäfte 52 mehrere Düsen 58, die vorzugsweise auf der stromabwärts gerichteten Unterseite 60 der Hohlschäfte 52 angeordnet sind, so daß Kühlgas von der stromabwärts ge­ richteten Seite der Hohlschäfte 52 in die Übergangszone 22 eingepreßt wird.

In Fig. 3 wird eine Unteransicht der Kühlgasinjektionsein­ richtung 50 dargestellt und mit vier an eine einzige Nabe 56 angeschlossenen Hohlschäften oder -stäben 52, wobei je­ der Hohlschaft 52 drei auf der Unterseite 60 bzw. auf sei­ nem stromabwärts gerichteten Wandabschnitt angeordnete Dü­ sen 58 aufweist.

Fig. 1 zeigt außerdem, daß jeder der Hohlschäfte 52 inner­ halb des Schachtes 12 - von der Nabe 56 weg - in Strö­ mungsrichtung der Feststoffe geneigt ist. Dies dient vor­ teilhafterweise weiterhin zur strukturellen Verstärkung der Kühlgasinjektionseinrichtung 50 gegen Druck und den Auf­ prall der im Schacht 12 in Pfeilrichtung A nach unten strömenden Feststoffe.

Weiterhin weist in Übereinstimmung mit diesem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung der Einlaßbereich 44 des konischen Sockelteils 42 einen größeren Querschnitt bzw. Durchmesser auf als das Auslaßende 62 des Schachts 12. Dar­ überhinaus kann die Innenseite 64 dieses Auslaßendes 62 vorzugsweise - wie in Fig. 1 dargestellt - nach außen so abgeschrägt sein, daß eine in einem Winkela zur Vertikalen bzw. zur Innenseite 64 geneigte Pultfläche 66 entsteht; de­ ren Winkel α kann zum Beispiel erfindungsgemäß zwischen etwa 10° und etwa 60° betragen. Diese Maßgabe dient vor­ teilhafterweise dazu, einen - allgemein unter der Bezugs­ ziffer 68 gezeigten - offenen Sammelbereich einzugrenzen, in welchem sich Kühlgas nach Durchströmen des sich in der Übergangszone 22 befindlichen festen Materials ansammeln kann. Erfindungsgemäß können Auslaßöffnungen 70 vorgesehen werden, die vorzugsweise mit dem offenen Sammelbereich 68 in Verbindung stehen und erfindungsgemäß dem Abführen von Kühlgas aus der Übergangszone 22 dienen.

Mit erneutem Bezug auf Fig. 1 wird nachfolgend die Funktion des erfindungsgemäßen Schachtofens 10 näher beschrieben. Es werden Oxide - beispielsweise Eisenoxide od. dgl. - durch den Oxideinlaß 14 dem Schachtofen 10 zugeführt. In der Zwi­ schenzeit werden eine Mischung aus Gasen, die vorzugsweise Erdgas und/oder methanhaltige Gase enthält, sowie Oxida­ tionsmittel - wie beispielsweise Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Dampf oder Mischungen daraus - bei einer bevorzugten Temperatur zwischen etwa 1000°C und etwa 1150°C in den Gaseinlaß 30 eingebracht. Durch den Kontakt mit dem Katalysatormaterial 34 in der Reformierungszone 28 wird ein heißes Reduktionsgas gebildet, das vorzugsweise die fol­ gende Zusammensetzung aufweist: 12,7-40,9% CO; 31-51,1% H₂; 1,5-29,85% CO₂ und 6,42-29,1% CH₄.

In der Reformierungszone 28 gebildete Reduktionsgase strö­ men durch die Durchgänge 32 in die Reduktionszone 20, in welcher der Kontakt mit Oxiden bei gewünschten Temperaturen die Direktreduktion der Eisenoxide zur Folge hat. Das Re­ duktionsgas strömt aufwärts durch die Reduktionszone 20 und die Vorwärm- und Vorreduktionszone 18, um durch die Gas­ austrittsöffnung 16 auszuströmen; an dieser Stelle kann Gas, falls gewünscht, rückgeführt und rezykliert werden.

Ein heißes, reduziertes Produkt wird in der Reduktionszone 20 gebildet und gelangt von der Reduktionszone 20 in die Übergangszone 22, um sich in der Entnahmezone 24 anzusam­ meln, wo es - vorzugsweise unter Verwendung eines Magnet­ ventils 48 - schließlich abgegeben wird. Je nach dem der Entnahmezone 24 folgenden Verfahrensschritt kann reduzier­ tes Produkt in der Übergangszone 22 - wie oben beschrieben - durch Zuführung eines Kühlgases durch die Kühlgasinjek­ tionseinrichtung 50 abgekühlt werden. Kühlgas tritt durch die Düsen 58 in die Übergangszone 22 ein und strömt anfangs abwärts und danach aufwärts durch das in der Übergangszone 22 befindliche Material zu den Auslaßöffnungen 70 im oberen Abschnitt der Übergangszone 22. Selbstverständlich strömt ein Teil des Kühlgases auch aufwärts durch die Reduktions­ zone 20 und die Vorwärm- und Vorreduktionszone 18, um zu­ sammen mit verbrauchtem Reduktionsgas durch die Gasaus­ trittsöffnung 16 auszuströmen.

Wie ebenfalls oben erläutert, wird Kühlgas verwendet, um das heiße reduzierte Produkt auf eine Temperatur abzuküh­ len, die ausreichend niedrig ist, um eine Rückoxidation dieses Produktes zu vermeiden. Die Temperatur und Menge des einzupressenden Kühlgases können in geeigneter Weise so gewählt werden, daß das reduzierte Endprodukt die ge­ wünschte Entnahmetemperatur aufweist.

Die Erfindung soll selbstverständlich nicht auf die hier beschriebenen und dargestellten Abbildungen begrenzt sein, welche lediglich eine Darstellung der besten Ausführungs­ formen der Erfindung sein sollen und welche in Form, Größe, Anordnung von Teilen und Einzelheiten der Funktion Änderun­ gen unterzogen werden können. Die Erfindung soll vielmehr all jene Änderungsmöglichkeiten mit einschließen, welche innerhalb des durch die Patentansprüche aufgezeigten Grund­ gedankens und Umfangs der Erfindung liegen.

Claims (29)

1. Schachtofen zum direkten Reduzieren von Oxiden, insbe­ sondere von Eisenoxiden, mit einem Schacht (12), wel­ cher einen Oxideinlaß (14) enthält und eine dem Oxideinlaß nachgeordnete Vorwärm- und Vorreduktionszone (18), eine der Vorwärm- und Vorreduktionszone nachgeordnete Reduktionszone (20), eine der Reduktions­ zone nachgeordnete Durchgangs- oder Übergangszone (22) und eine letzterer nachgeordnete Entnahmezone (24), wo­ bei eine mit dem Schacht in Verbindung stehende Gasre­ formierungseinrichtung zum Reformieren eines methan­ haltigen Gases in ein reformiertes Gas und zum Einbrin­ gen des reformierten Gases in jene Reduktionszone (20) vorgesehen ist sowie die in der Reduktionszone enthal­ tenen Oxide durch das reformierte Gas reduzierbar sind.

2. Schachtofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasreformierungseinrichtung eine mit der Reduk­ tionszone (20) in Verbindung stehende Reformierungszone (28) für Gas sowie ein Mittel zum Einbringen eines methanhaltigen Gases in die Reformierungszone umfaßt, wobei das methanhaltige Gas in ein Reduktionsgas refor­ miert und das Reduktionsgas in die Reduktionszone ein­ zubringen ist.

3. Schachtofen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zumindest um einen Abschnitt (36) des Schachtes (12) herum angeordnete Wand (26) zur Begren­ zung der Reformierungszone (28), die zum Induzieren der Gasreformierung in der Reformierungszone mit einem Ka­ talysatormaterial (34) versehen ist.

4. Schachtofen nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Einsatz, welcher durch die die Reformierungszone (28) begrenzende Wand (26, 36) getragen und mit dem Ka­ talysatormaterial (34) versehen, bevorzugt imprägniert, ist.

5. Schachtofen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einsatz an der Wand (26, 36) lösbar angebracht ist.

6. Schachtofen nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einsatz aus keramischem Werkstoff ist.

7. Schachtofen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Katalysatormaterial (34) ein Nickel­ katalysator ist.

8. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand von einem im wesentlichen ringförmigen Teil (26) angeboten ist, welches um den Schacht herum angeordnet ist, sowie eine im wesentli­ chen ringförmige Reformierungszone (28) begrenzt.

9. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Reformierungszone (28) zumindest einen Einlaß (30) zum Einbringen eines methanhaltigen Gases in die Reformierungszone zur Bil­ dung eines reformierten Gases aufweist, und einen Aus­ laß (32, 40) zur Beförderung des reformierten Gases von der Reformierungszone zur Reduktionszone (20).

10. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasreformierungseinrichtung einen Katalysator (34) zum Auslösen der Reformierungs­ reaktion des methanhaltigen Gases sowie zum Erzeugen des reformierten Gases aufweist.

11. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Bereich (26) eine Innenwand aufweist und der Schacht (12) eine Außenwand (28), welche zusammen die ringförmige Reformierungszone (28) begrenzen, wobei die Innenwand und die Außenwand den Katalysator (34) tragen.

12. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dem methanhaltigen Gas ausge­ setzte Oberfläche des Katalysators (34) vergrößert ist.

13. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtung zumindest einen mit der Reformierungszone (28) und der Reduk­ tionszone (20) in Verbindung stehenden Durchgang (32) aufweist und zumindest ein Durchgang in einem Winkel (ψ) von wenigstens etwa 1200 zur Strömungsrichtung (A) der Oxide in der Reduktionszone angeordnet ist.

14. Schachtofen nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Winkel (ψ) zwischen etwa 120° und etwa 150°, ins­ besondere etwa 135°.

15. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schacht (12) einen im wesentli­ chen zylindrischen Bereich (26) enthält, welcher die Reduktionszone (28) bestimmt und zur Beförderung von Oxiden zur Übergangszone (22) über ein Auslaßende (62) aus der Reduktionszone dient, daß der Schacht einen die Übergangszone bestimmenden im wesentlichen sich vom Schacht weg in Strömungsrichtung (A) der Oxide in der Übergangszone verjüngenden Bereich (42) umfaßt, und daß der Durchmesser des Schachtes an dessen Auslaßende ge­ ringer ist als der Einlaßdurchmesser am Einlaßende (44) des konischen Bereiches, der zur Aufnahme von Oxiden aus der Reduktionszone dient.

16. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Durchmesser dem konischen Bereiches (42) bis zu einem Auslaßdurchmesser an einem Auslaßende (46) der Übergangszone (22) vermindert, wo­ bei das Auslaßende zur Beförderung von Oxiden zur Ent­ nahmezone (24) dient.

17. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßdurchmesser der Über­ gangszone (22) kleiner ist als der Innendurchmesser des Auslaßendes (62) der Reduktionszone (20), bei welchem der Einlaßbereich (44) der Übergangszone (22) und das Auslaßende (62) der Reduktionszone (20) einen Sammelbe­ reich (68) zur Ansammlung von Kühlgas begrenzen, wobei die Übergangszone (22) ein Mittel (50) zum Einführen von Kühlgas umfaßt sowie einen mit dem Sammelbereich in Verbindung stehenden Kühlgasauslaß (70).

18. Schachtofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Bereich (42) eine innere Wandfläche und eine Zentralachse (Z) aufweist und die innere Wandfläche zum Auslaßende hin in einem Winkel (β) von zwischen etwa 8° bis etwa 12° zur Zentralachse nach innen geneigt ist.

19. Schachtofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Schachtes (12) an dessen Auslaßende (62) als Übergang zum koni­ schen Bereich oder Sockelteil (42) eine ringartige Pultfläche (66) aufweist, die in einem Winkel (α) zur Zentralachse (Z) des konischen Bereiches geneigt ist.

20. Schachtofen nach Anspruch 17 oder 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mittel (50) zur Einbringung des Kühlgases zumindest einen in der Übergangszone (22) an­ geordneten Hohlschaft oder Hohlstab (52) enthält und wenigstens einen Einlaß (54) zum Einbringen des Kühlga­ ses in den Hohlschaft, der zur Beförderung des Kühlga­ ses zur Übergangszone hin mit zumindest einer Düse (58) für das Kühlgas versehen ist.

21. Schachtofen nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgasdüse/n (58) auf einem stromabwärts in Strömungsrichtung (A) weisenden Abschnitt des Hohl­ schaftes (52) angeordnet ist/sind.

22. Schachtofen nach Anspruch 17 oder 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Hohlschäfte (52) innerhalb der Übergangszone (22) radial positioniert und an einem zentralen Nabenglied (56) zusammengefügt sind, wobei diese Hohlschäfte jeweils in einem Winkel von dem zen­ tralen Nabenglied in Strömungsrichtung (A) der Oxide geneigt ausgerichtet sind.

23. Schachtofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erwärmen der Vorwärm- und Vorreduktionszone (18) auf eine Tem­ peratur zwischen etwa Umgebungstemperatur und etwa 760°C, und/oder zum Erwärmen der Reduktionszone (20) auf eine Temperatur zwischen etwa 760°C bis etwa 960°C.

24. Schachtofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Kühlen der Übergangszone (22) auf eine Temperatur von unter etwa 761°C.

25. Schachtofen nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Kühlen der Übergangszone (22) auf eine Temperatur von kleiner oder gleich 650°C, insbesondere von kleiner oder gleich etwa 55°C.

26. Schachtofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärm- und Vorre­ duktionszone (18) eine Gasaustrittsöffnung (16) zur Ab­ gabe von verbrauchtem Gas aus dem Schacht (12) auf­ weist.

27. Schachtofen nach nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Entnahmezone (24) wenigstens ein Magnetventil (48) zur Steuerung der Abgabe des reduzierten Produkts aus der Entnahmezone zugeordnet ist.

28. Verfahren zum Direktreduzieren von Oxiden und einem Schachtofen nach wenigstens einem der voraufgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfah­ rensschritte:

• (a) Einbringen von Oxiden in den Oxideinlaß, die stromabwärts durch den Schachtofen zur Entnahme­ zone geführt werden;
• (b) Einbringen eines methanhaltigen Gases in die Gas­ reformierungszone sowie Reformieren des methan­ haltigen Gases in ein in die Reduktionszone strö­ mendes Reduktionsgas;
• (c) Einhaltung einer Temperatur in der Vorwärm- und Vorreduktionszone zwischen etwa Umgebungstempera­ tur und etwa 760°C sowie in der Reduktionszone zwischen etwa 760°C und etwa 960°C, wobei die Oxide in der Reduktionszone in solcher Weise redu­ ziert werden, daß an der Entnahmezone ein redu­ ziertes, metallisiertes Produkt abgezogen wird.

29. Verfahren zum Direktreduzieren von Oxiden mit einem Schachtofen, der einen Oxideinlaß, eine diesem Oxidein­ laß nachgeordnete Vorwärm- und Vorreduktionszone, eine der Vorwärm- und Vorreduktionszone nachgeordnete Reduk­ tionszone, eine der Reduktionszone nachgeordnete Über­ gangszone, eine der Übergangszone nachgeordnete Entnah­ mezone und eine mit der Reduktionszone in Verbindung stehende Gasreformierungszone aufweist und bei dem

• (a) Oxide in den Oxideinlaß eingebracht und stromab­ wärts durch den Schachtofen zur Entnahmezone ge­ führt werden;
• (b) ein methanhaltiges Gas in die Gasreformierungszone eingeleitet und dieses methanhaltige Gas in ein in die Reduktionszone strömendes Reduktionsgas refor­ miert wird;
• (c) eine Temperatur in der Vorwärm- und Vorreduktions­ zone zwischen etwa Umgebungstemperatur und etwa 760°C und in der Reduktionszone von zwischen etwa 760°C und etwa 960°C eingestellt wird, wobei die Oxide in der Reduktionszone reduziert werden und an der Entnahmezone ein reduziertes, metallisier­ tes Produkt erhalten wird.