DE2250056B2 - Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion von teilchenförmigen) Metallerz zu Metallteilchen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion von teilchenförmigen) Metallerz zu MetallteilchenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die gasförmige Reduktion von teilchenförmigen Erzen zu Metallen in
teilchenförmiger Form in einem vertikalen Schaftreaktor mit einem bewegtem Bett. Die Erfindung betrifft
insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Wirksamkeit der Reduktion des Erzes
in einem solchen Reaktor. In der nachfolgenden Beschreibung sind das Verfahren und die Vorrichtung
bespielhaft bei der Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen beschrieben. Naturgemäß ist die Erfindung
aber auch auf andere Erze anwendbar als Eisenerz.
Bei der Herstellung von Schwammeisen in einem vertikalen Schaftreaktor mit bewegtem Bett sind
gewöhnlich zwei Hauptstufen vorgesehen, nämlich die Reduktion des Erzes in einer Reduktionszone des
Reaktors mit einem geeigneten heißen Reduktionsgas und die nachfolgende Abkühlung des resultierenden
Schwammeisens mit einem gasförmigen Kühlmittel in einer Kühlzone des Reaktors.
Die gesamte Reduktionsgeschwindigkeit, die in einem Reaktor erzielt wird, hängt hauptsächlich von zwei
Faktoren ab, nämlich (a)\on der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit
zwischen den reduzierenden Bestandteilen des Gases und dem Sauerstoff des Erzes und (b)
der Geschwindigkeit, mit welcher das reduzierende Gas in das Innere der Erzteilchen hineindiffundiert. Die
chemische Reaktionsgeschwindigkeit ist stark temperaturabhängig, während die Gasdiffusionsgeschwindigkeit
in die Erzteilchen im wesentlichen von der Temperatur unabhängig ist und wesentlich von der Konzentration
des Wasserstoffs in dem reduzierenden Gas abhängt. In den frühen Stufen des Reduktionsprozesses, d. h. wenn
das Ausmaß der Reduktion des Erzes beispielsweise zwischen 0 und etwa 60% liegt, ist die chemische
Reaktionsgeschwindigkeit der dominierende Faktor bei der Bestimmung der Gesamireduktionsgeschwindigkeit,
während in den späteren Stufen des Reduktionsprozesses, z. B. zwischen einer 60- und 95°/oigen
Reduktion die Gasdiffusionsgeschwindigkeit bei der Festlegung der Gesamtreduktionsgeschwindigekit der
dominierende Faktor ist
Aus der US-PS 20 48 112 isi eine Vorrichtung zur Reduktion von Metallerzen zu Metallteilchen in einem
vertikalen Schaftreaktor mit bewegtem Bett und einer
ig Reduktionszone beschrieben, bei welcher ein erster Kanal, der mit dem Reaktor in der Mitte der Mitte der
Reduktionszone verbunden ist, und ein zweiter Kanal am oberen Ende der Reduktionszone sowie ein dritter
Kanal in der Nähe des unteren Endes der Reduktionszo-
ir. ne vorhanden sind. Der erste und der zweite Kanal
bilden eine erste Gasströmungsschleife in der oberen Reduktionszone und der erste und der dritte Kanal
bilden eine Gasströmungsschleife im unteren Teil der Reduktionszone.
::(> In den Fällen, wo man mit einem Gleichstrom des
reduzierenden Gases und des Erzes arbeitet, neigen die hohe Temperatur und die Konzentration der reduzierenden
Bestandteile in dem Gas, welches in den oberen Teil der Reduktionszone eintritt, dazu, die chemische
2i Reaktionsgeschwindigkeit zu maximalisieren. Somit
sind die Bedingungen in dem oberen Teil der Reduktionszone vom Standpunkt der Erzielung einer
hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit begünstigend. Jedoch im unteren Teil der Reduktionszene ist das Gas
κι an Wasserstoff im wesentlichen verarmt und dieser
diffundiert relativ langsam in das Innere der zum großen Teil reduzierten Schwammeisenteilchen. Da diese
Diffusionsgeschwindigkeit der dominierende Faktor für die Gesamtreduktionsgeschwindigkeit im Falle von
S3 stark reduzierten Teilchen ist, sind die Bedingungen in
dem unteren Teil der Reduktionszone vom Standpunkt der Erzielung einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit
ungünstig.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine
ίο Vorrichtung für die gasförmige Reduktion von Metallerzen
in einem vertikalen Schaftreaktor mit bewegtem Bett gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1
aufzuzeigen, welches die Vorteile des Gegenstrom- und Gleichstrom-Flusses des Gases und des Erzes kombi-5
niert, wobei aber die Nachteile minimalisiert werden sollen. Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die Verweilzeit im Reaktor vermindern,
um zu einem gegebenen Reduktionsgrad zu kommen,
ίο wodurch die Produktion des Reaktors gesteigert wird.
Die Erfindung wird in den Patentansprüchen beschrieben. Die Zeichnungen beschreiben eine bevorzugte
Ausführungsform und eine Modifizierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die F i g. 1 zeigt diagrammartig ein Schwammeisen-Reduktionssystem,
bei welchem ein heißes reduzierendes Gas in zwei getrennten Strömen in die Oberseite
und den Boden der Reduktionszone des Reaktors eingeführt wird unter Bildung von konvergierenden
hi> Gasströmien, die nach unten bzw. nach oben durch den
zu reduzierenden Erzkörper strömen und die an einem Punkt in der Nähe der Mitte der Reduktionszone
entfernt v/erden.
Die p i g. 2 zeigt ein ähnliches System, bei welchem
tu ein reduzierender Gasstrom an einem Punkt in der
Nähe der Mitte der Reduktionszone eingeführt wird, wobei sich ein divergierender Fluß des reduzierenden
Gases in dem oberen und unteren Teil der Reduktions-
zone ergibt.
In der F i g. 1 bedeutet 10 einen vertikalen Schaftreaktor mit einer Reduktionszone 12 im oberen Teil und
einer Kühlzone 14 im unteren Teil. Der Reaktor 10 ist geeigneterweise wärmeisoliert und innen mit einem
feuerbeständigen Material in bekannter Weise ausgekleidet. Das zu behandelnde, teilchenförmige Erz wird in
den Reaktor 10 durch ein Beschickungsrohr 16 zugeführt. Das einzuführende Erz kann in der Form von
Klumpen oder vorgebildeten Pellets vorliegen. Es strömt abwärts durch die Reduktionszone, wo es zum
großen Teil in der unten beschriebenen Weise zu Schwammeisen reduziert wird. Sodann strömt es durch
die Abkühlungszone 14, in welcher es durch ein hier durchströmendes Abkühlungsgas abgekühlt wird, und es
verläßt den Reaktor durch das Auslaßrohr 18.
An der Verbindung der Reduktions- und Abkühlungszone ist ein inneres kegelstumpfartiges Leitblech 20
vorgesehen, welches die abwärts strömenden Erzteilchen zu einem Kanal 22 führt, der in die Abkühlungszone
14 einleitet Das Leitblech 20 erstreckt sich durch die Wand des Reaktors und bildet einen Teil einer
ringförmigen Anfüllungskammer 24, die sich um die Peripherie des Reaktors herum erstreckt und die eine
Einrichtung darstellt, durch welche das reduzierende Gas in den Reaktor eingeführt werden oder daraus
entnommen werden kann. In der Nähe der Mitte der Reduktionszone 12 ist eine zweite, der Kammer 24
ähnliche Anfüiiungskammer 25 vorgesehen.
In der Nähe des Bodens des Reaktors 10 ist ein kegelstumpfartiges Leitblech 26 vorgesehen, das zusammen
mit der Reaktorwand einen Ringraum 28 definiert, durch welchen das Abkühlungsgas in den Reaktor
eingeführt werden kann, um in der Abkühlungszone 14 durch den Körper der reduzierten Erzteilchen zu
strömen. Gewünschtenfalls kann der Reaktor 10 bei erhöhtem Druck betrieben werden, in welchem Fall das
Erz an der Oberseite des Reaktors zugeführt wird und das Schwammeisen vom Boden des Reaktors entfernt
wird, indem eine geeignete Beschickungs- und Entnahmevorrichtung verwendet wird, welche so ausgebildet
ist, daß der gewünschte Druck in dem Reaktor aufrechterhalten wird.
Unter Bezugnahme auf den linken Teil der F i g. 1 ist festzustellen, daß das reduzierende Gas typischerweise
in einem Reformer 30 der bekannten Art gebildet wird. Bei der Ausführungsform des in F i g. 1 gezeigten
Reformers werden Naturgas und Wasserdampf vorerhitzt, indem sie durch die Windungen in dem
Schornsteinteil 32 des Reformers geleitet werden. Ein Gemisch des vorerhitzten Naturgases und von Wasserdampf
wird durch ein erhitztes Katalysatorbett in dem unteren Teil 34 des Reformers geleitet, worin es in ein
Gasgemisch umgewandelt wird, das zum großen Teil aus Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Wasserdampf
besteht. Das Gasgemisch strömt sodann durch ein Rohr 36 in einen Abschreckungskühler 38, worin das Gas
abgeschreckt wird, um den größten Teil des Wasserdampfes daraus zu entfernen. Nach dem Verlassen des
Abkühlers 38 fließt das Gas durch ein Rohr 40, das eine Fließkontrolleinrichtung 42 enthält, welche in der Weise
wirkt, daß sie den vorgewählten Fluß des reduzierenden Gases in das reduzierende Gassystem aufrechterhält.
Das frische reduzierende Gas, das durch das Rohr 40 strömt, wird in der unten beschriebenen Weise mit dem
zurückgeführten Gas vereinigt und in zwei Ströme aufgeteilt, von denen der eine durch ein Verzweigungsrohr 44, das eine Flicßkontrollcinrichtung 46 enthält,
und der andere durch ein Verzweigungsrohr 48, das eine Fließkontrolleinrichtung 50 enthält, strömt. Die zwei
Gasströme werden in einem Rohrschlangenerhitzer 52 auf eine Temperatur in der Gegend von 700 bis 850° C
erhitzt. Insbesondere strömt das reduzierende Gas, das durch das Verzweigungsrohr 44 fließt, durch die
Heizschleife 54 des Erhitzers 52. Das Gas, das durch das Verzweigungsrohr 48 fließt, strömt durch die Heizschleife
56 des Erhitzers 52. Vom Auslaß der Schleife 54
in strömt das erhitzte Gas durch das Rohr 58 in eine
Verbrennungskammer 60 und sodann in eine Anfüllungskammer 24 am Boden der Reduktionszone 12 des
Reaktors.
Die Funktion der Verbrennungskammer 60 geht
Die Funktion der Verbrennungskammer 60 geht
ir> dahin, die Temperatur des reduzierenden Gases weiter
zu erhöhen, bevor dieses in den Reaktor eintritt. Da die Temperatur des reduzierenden Gases, wenn das Gas in
den Reaktor eintritt, gewünschterweise in der Gegend von 900 bis 1000°C, d.h. erheblich oberhalb der
2(i Temperatur des Gases, das den Rohrschlangenerhitzer
52 verläßt, liegt, wird die Gastemperatur an einem Punkt in der Nähe des Reaktors weiter erhöht, indem
das Gas durch eine Kammer 60 geleitet wird, in welcher durch das Rohr 61 eine relativ geringe Menge Luft oder
■?ΐ Sauerstoff zugesetzt wird. Die zugegebene Luft oder
der zugegebene Sauerstoff bewirkt, daß eine geringe Menge des reduzierenden Gases verbrennt, wodurch
die Temperatur des Gemisches auf den gewünschten Wert erhöht wird. Insbesondere in den Fällen, wo Luft
i» als Oxydationsmittel verwendet wird, wird das oxydierende
Gas gewünschterweise auf ungefähr die Temperatur des reduzierenden Gases, mit dem es vermischt
wird, vorerhitzt. Eine solche Vorerhitzung kann beispielsweise in einem Rohrschlangenerhitzer wie dem
y> Rohrschlangenerhitzer 52 erfolgen. Die Verbrennungskammer
60 kann z. B. von der in der US-Patentschrift 29 00 247 beschriebenen Art sein.
Das erhitzte reduzierende Gas, das die Spule 56 des Erhitzers 52 verläßt, strömt durch ein Rohr 62 in eine
Verbrennungskammer 63, welche ähnlich der Verbrennungskammer 60 ist, und tritt in den Reaktor an einem
Punkt in der Nähe der Oberseite der Reduktionszone 12
ein. Wie in dem Fall des Gases, das durch das Rohr 58 zugegeben wird, wird das Gas, das durch das Rohr 62
'"' strömt, in der Verbrennungskammer 63 mit einer geringen Menge von Luft oder Sauerstoff, zugeführt
durch das Rohr 64, vermengt, wobei die zugemischte Luft oder der zugemischte Sauerstoff eine geringe
Menge des reduzierenden Gases verbrennt, wodurch
V) die Temperatur des dem Reaktor zugeführten Gases auf
den gewünschten Wert, d. h. eine Temperatur in der Gegend von 900 bis 1000° C, erhöht wird.
Der Gasstrom, der in den Reaktor durch die Anfüllungskammer 24 eintritt, fließt in Aufwärtsrich-
r>r> tung durch den Erzkörper im unteren Teil der
Reduktionszone 12. Das Gas, das den Reaktor durch das Rohr 62 zugeführt wird, strömt in Abwärtsrichtung
durch den oberen Teil des Erzkörpers in der Reduktionszone 12. In der Nähe der Mitte der
W) Reduktionszone 12 werden die zwei Gasströme
vereinigt und sie fließen aus dem Reaktor durch die Anfüllungskammer 25 hinaus. Sie werden durch ein
Rohr 66 in einen Abschreckungskühler 68 geleitet, in welchem das gemischte Gas abgekühlt wird, um
h'· Wasserdampf daraus zu entfernen. Von der Oberseite
des Kühlers 68 strömt das Gas durch das Rohr 70 zu der Saugseite einer Pumpe 72, die das Gas durch ein Rohr 74
zu Verzweigungsrohren 44 und 48 zur Zurückführung
durch den Erhitzer 52 pumpt.
Es wird ersichtlich, daß in dem in F i g. 1 aufgezeigten
System das reduzierende Gas in zwei miteinander verbundenen Schleifen strömt. Die obere Schleife,
worin das Gas im allgemeinen in Uhrzeigerrichtung strömt, schließt die obere Zone der Reduktionszone 12,
die Anfüllungskammer 25, das Rohr 66, den Kühler 68, das Rohr 70, die Pumpe 72, die Rohre 74 und 48, die
Spule 56 des Erhitzers 52, das Rohr 62 und die Verbrennungskammer 63 ein. Die untere Schleife, worin
das reduzierende Gas im allgemeinen entgegen dem Uhrzeigersinn strömt, schließt die untere Zone der
Reduktionszone 12, die Anfüllungskammer 25, das Rohr 66, den Kühler 68, das Rohr 70, die Pumpe 72, die Rohre
74 und 44, die Spule 54 des Erhitzers 52, das Rohr 58, die Verbrennungskammer 60 und die Anfüllungskammer 24
ein. Die Verteilung des Gases zwischen den beiden Schleifen wird durch die Einstellungen der Fließkontrolleinrichtungen
46 und 50 bestimmt, die gewöhnlich so eingestellt sind, daß sie gleiche Gasströme durch die
beiden Schleifen schicken.
Das reduzierende Gas, das in die Oberseite des Reaktors durch das Rohr 62 eintritt, ist an reduzierenden
Bestandteilen relativ reich, und es weist eine hohe Temperatur auf. Beides sind Faktoren, die die chemische
Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem Gas und dem Erz günstig beeinflussen, so daß im oberen Teil der
Reduktionszone eine ausnehmend hohe Geschwindigkeit der Reduktion erzielt wird. Das durch das Rohr 58
und die Anfüllungskammer 24 dem Boden der Reduktionszone 12 zugeführte Gas kommt in Kontakt
mit dem Erz, das zum großen Teil zu Schwammeisen reduziert worden ist. Wie bereits zum Ausdruck
gebracht, ist im Falle eines stark reduzierten Erzes die Diffusionsgeschwindigkeit des Gases in die eisenhaltigen
Teilchen der dominierende Faktor für die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit. Da das Gas, das in
den Reaktor durch die Anfüllungskammer 24 eintritt, relativ wasserstoffreich ist, begünstigen auch die
Bedingungen im unteren Teil der Reduktionszone eine relativ hohe Gesamtreduktionsgeschwindigkeit. Somit
wird durch Verwendung eines Spaltstromsystems dieses Typs die mittlere Gesamtreduktionsgeschwindigkeit in
der Reduktionszone erheblich erhöht. Als Ergebnis kann ein gegebener Reduktionsgrad bei einer kürzeren
Verweilzeit der eisenhaltigen Materialien in dem Reaktor erzielt werden, so daß die Produktivität des
Reaktors gesteigert wird.
Frisches reduzierendes Gas wird in den Gaszurückführungsteil des Systems durch das Rohr 40 mit einer
durch die Fließkontrolleinrichtung 42 kontrollierten Geschwindigkeit eingeführt. Um den reduzierenden
Gasgehalt des Gaszurückführungsteils des Systems im wesentlichen konstant zu halten, wird verbrauchtes
reduzierendes Gas von der Saugseite der Pumpe 72 durch ein Rohr 82 entfernt, das ein Absperrventil 84
enthält. Das Abgas kann entweder durch ein Rohr 68, das ein Ventil 88 enthält, zu einem Lagerungstank für
verbrennbaren Treibstoff strömen oder durch ein Rohr 90 zu einem Abgasschornstein 92. Das Rohr 90 enthält
eine Druckkontrolleinrichtung 94, die einen geeigneten Rückdruck in dem Rohr 82 und damit in dem
Gaszurückführungsteil des Systems aufrechterhält.
Das reduzierte Erz wird durch ein Abkühlungsgas in der Abkühlungszone 14 des Reaktors abgekühlt. Das
Abkühlungsgas tritt in das System durch ein Rohr 96 ein, welches mit einer automalischen Fließkontrolleinrichtung
98 versehen ist. Es kann eine Vielzahl von Abkühlungsgasen verwendet werden, einschließlich
Wasserstoff, Kohlenmonoxyd, deren Gemischen, Methan oder andere Kohlenwasserstoffgase, Kohlendioxid
und Stickstoff. Die Auswahl des Abkühlungsgases hängt z. B. davon ab, ob es gewünscht wird, zu carburieren
oder das Schwammeisen abzukühlen oder ob das verbrauchte Abkühlungsgas später als Brenngas oder in
einem anderen Teil des reduzierenden Gassystems verwendet werden soll.
to Das Abkühlungsgas, das in das Abkühlungsgassystem
eintritt, strömt durch das Rohr % zu einer Pumpe 100 und sodann durch ein Rohr 102, das eine Fließkontrolleinrichtung
104 enthält, in einen Ringraum 28 in dem Reaktor 10. Das Abkühlungsgas strömt in Aufwärtsrichtung
durch die Abkühlungszone 14 in einen Ringraum 106, der durch ein Leitblech 106, einen Kanal 22 und die
Wand des Reaktors definiert wird. Wie oben ausgeführt, kann die Carburisierung des Schwammeisens in der
Abkühlungszone 14 vorgenommen werden, indem ein Kohlenstoff enthaltendes Abkühlungsgas verwendet
wird, das bei Kontakt mit dem heißen Schwammeisen unter Abscheidung von Kohlenstoff darauf gecrackt
wird.
An der Oberseite bzw. der Spitze der Abkühlungszone verläßt das Abkühlungsgas den Reaktor und
insbesondere die Kammer 106 durch ein Rohr 108 und strömt durch einen herkömmlichen Staubsammler 110
und ein Rohr 112 in einen Abschreckungskühler 114. Aus dem Kühler 114 wird das Gas durch das Rohr 116
und ein Rohr 118, das ein Ventil 119 enthält, zu dem Rohr 96 und der Saugseite der Pumpe 100 zurückgeführt.
Um das Volumen des Abkühlungsgases im wesentlichen konstant zu halten, wird ein Teil des Abkühlungsgases,
das durch die Abkühlungsgasschleife strömt, durch ein Rohr 120 abgelassen, das mit dem Rohr 116 in
der Nähe des Auslasses des Kühlers 114 verbunden ist. Das durch das Rohr 120 abgelassene Gas fließt zu dem
verbrauchten Reduktionsgasteil des Systems, das in der Nähe der Oberseite der F i g. 1 gezeigt ist, und
insbesondere zu einem Rohr 82, durch welches es entweder in den Schornstein 92 oder wie vorstehend
beschrieben zur Lagerung von verbrennbarem Treibstoff strömt. Der untere rechte Teil der F i g. 1 zeigt, daß
eine Druckkontrolleinrichtung 122 in dem Rohr 120 vorgesehen ist, um in dem Abkühlungsgassystem einen
geeigneten gewünschten Rückdruck aufrechtzuerhalten.
Da es gewöhnlich notwendig ist, Gase mit verschiedenen Zusammensetzungen in der Reduktionszone 12 und der Abkühlungszone 14 des Reaktors zu verwenden, ist es zweckmäßig, Einrichtungen vorzusehen, um eine Vermengung der Gase zwischen diesen beiden Zonen zu verhindern. Nunmehr soll eine solche Vorrichtung beschrieben werden, welche dazu bestimmt ist, um mindestens eine solche Vermengung der reduzierenden und der Abkühlungsgase zu minimalisieren. Der rechte Teil der F i g. 1 zeigt, daß ein Differentialdruckkontrolleinrichtung 124 vorgesehen ist, welche durch ein Rohr 126 gegenüber dem Druck in der Anfüllungskammer 24 (als P — 1 bezeichnet) und durch ein Rohr 129 gegenüber dem Druck in dem Ringraum 106 (als P — 2 bezeichnet) antwortend gemacht worden ist. Die Diffcrentialdruckkontrolleinrichtung 124 baut ein Signal
Da es gewöhnlich notwendig ist, Gase mit verschiedenen Zusammensetzungen in der Reduktionszone 12 und der Abkühlungszone 14 des Reaktors zu verwenden, ist es zweckmäßig, Einrichtungen vorzusehen, um eine Vermengung der Gase zwischen diesen beiden Zonen zu verhindern. Nunmehr soll eine solche Vorrichtung beschrieben werden, welche dazu bestimmt ist, um mindestens eine solche Vermengung der reduzierenden und der Abkühlungsgase zu minimalisieren. Der rechte Teil der F i g. 1 zeigt, daß ein Differentialdruckkontrolleinrichtung 124 vorgesehen ist, welche durch ein Rohr 126 gegenüber dem Druck in der Anfüllungskammer 24 (als P — 1 bezeichnet) und durch ein Rohr 129 gegenüber dem Druck in dem Ringraum 106 (als P — 2 bezeichnet) antwortend gemacht worden ist. Die Diffcrentialdruckkontrolleinrichtung 124 baut ein Signal
fe5 auf, z. B. einen pneumatischen Druck, der eine Funktion
des Unterschieds zwischen dem Druck P — 1 und P — 2 ist. Dieses Signal wird dazu verwendet, um die
Einstellung der Druckkontrolleinrichtung 122 in dem
809 &36/1Θ2
Rohr 120 einzustellen und hierdurch den Rückdruck in dem Abkühlungsgassystem in einer solchen Weise zu
regeln, daß der Druck P — 2 im wesentlichen dem Druck P — 1 gleichgemacht wird. Somit wird das Innere
des Kanals 22 zu einer im wesentlichen isobaren Zone und eine Vermengung des Abkühlungsgases und des
reduzierenden Gases wird minimalisiert.
Es ist weiterhin zweckmäßig, obgleich nicht wesentlich, daß der Druck P — 1 konstant gehalten wird und
daß der Strom durch das Rohr 120 so eingestellt wird, daß der Druck P — 2 auf einen Wert gebracht ist, der
P—\ gleich ist. Hierzu wird eine automatische Druckkontrolleinrichtung 130 gegenüber dem Druck
P — 1 durch ein Rohr 132 beantwortend gemacht und die Abgabe der Kontrolleinrichtung 130 wird durch das
Rohr 134 zu einer Druckkontrolleinrichtung 94 geleitet, um den Einsatzpunkt der letzteren Kontrolleinrichtung
so einzustellen, daß das verbrauchte reduzierende Gas in einer solchen Geschwindigkeit abgelassen wird, daß
der Druck P— 1 im wesentlichen konstant gehalten wird. Es hat sich gezeigt, daß, wenn man den Druck
P — 1 auf diese Weise konstant hält, dann der Druck in
dem Kanal 22 näher isobar gehalten werden kann.
Die Fig.2 zeigt ein System, das demjenigen der
F i g. 1 im wesentlichen ähnlich ist, in dem sie ein System zeigt, worin ein Spaltfuß des reduzierenden Gases in der
Reduktionszone des Reaktors verwendet wird. Bei dem System der F i g. 2 wird jedoch das gesamte reduzierende
Gas zu einem Punkt in der Nähe der Mitte der Reduktionszone geleitet und sodann in der Reduktionszone sowohl aufwärts- als abwärtsströmen gelassen,
wodurch darin ein divergierender Fluß des reduzierenden Gases gebildet wird. Aufgrund der Ähnlichkeiten
zwischen den F i g. 1 und 2 sollen nunmehr in Verbindung mit F i g. 2 lediglich die Unterschiedlichkeiten
der beiden Systeme beschrieben werden.
Wie im System der F i g. 1 strömt das reduzierende Gas, das in dem Gasreformer 30 gebildet wird, durch
einen Abschreckkühler 38 und sodann durch das Rohr 40 zu dem Gaszurückführungsteil des Reduktionssystems.
Insbesondere isi das Rohr 40 mit einem Rohr 200 verbunden, worin das frische reduzierende Gas mit
zurückgeführtem Gas, wie unten beschrieben, vermischt wird. Das gemischte Gas wird in einem Spulenerhitzer
202 auf eine Temperatur in der Gegend von 700 bis 850° C erhitzt und strömt sodann durch eine Verbrennungskammer
204 in die Anfüllungskammer 25 und sodann in den Mittelteil der Reduktionszone 12. Wie in
Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben, ist die Temperatur des reduzierenden Gases, das dem Erzkörper in
der Reduktionszone zugeführt wird, zweckmäßigerweise in der Gegend von 900 bis 1000° C. Demgemäß ist die
Verbrennungskammer 204 zwischen dem Erhitzer 202 und dem Reaktor angeordnet. Eine geringe Menge Luft
oder Sauerstoff wird dem reduzierenden Gas in der Kammer 204 durch das Rohr 206 zugeführt, um einen
Teil zur Erzielung der gewünschten, relativ hohen Temperatur für die Reduktion des Erzes zu verbrennen.
Das reduzierende Gas, das in die Reduktionszone durch die Anfüllungskammer 25 eintritt, strömt durch
den Körper des Erzes in der Reduktionszone sowohl in Aufwärts- als auch in Abwärtsrichtung. Der aufwärtsströmende
Strom des reduzierenden Gases wird von dem Reaktor durch ein Rohr 208 entnommen, das eine
Fließkontrollcinrichtung 210 enthält, welche den Gasstrom durch diesen Teil des Systems bei einem
gewünschten vorgewählten Wert hält. Stromaufwärts der Fließkontrolleinrichtung 210 wird Wasser durch ein
Abzweigrohr 212 zugeführt, welches ein Regulierungsventil 214 enthält, um die Gastemperatur zu vermindern
und hierdurch Beschädigungen der Teile der Kontrolleinrichtung 210, durch welche das Gas strömt, zu
vermeiden.
Der Teil des reduzierenden Gases, der nach unten durch die unteren Teile der Reduktionszone 12 strömt,
wird von dem Reaktor durch die Anfüllungskammer 24 und ein Rohr 216 entfernt, welches eine Fließkontrolleinrichtung
218 enthält, die den Gasstrom durch diesen Teil des Systems bei einem vorgewählten gewünschten
Wert hält. Stromaufwärts der Fließkontrolleinrichtung 218 wird Wasser durch ein Rohr 220, das ein
Regulierventil 222 enthält, einem Rohr 216 zugeführt, um die Gastemperatur zu vermindern und hierdurch
Beschädigungen der Teile der Kontrolleinrichtung 218 zu vermeiden, durch welche das heiße reduzierende Gas
strömt.
Die regulierten Gasströme, die durch die Rohr 208 und 216 fließen, werden in einem Rohr 224 kombiniert
und hierdurch zu einem Abschreckungskühler 226 geleitet, worin Wasserdampf aus dem Gasgemisch
entfernt wird. Von dem Kühler 226 strömt das gemischte Gas durch das Rohr 228 zur Saugseite einer
Pumpe 230, deren Abgabeseite durch ein Rohr 200 mit dem Erhitzer 202 verbunden ist. Wie oben zum
Ausdruck gebracht, wird das eintretende frische reduzierende Gas von dem Rohr 40 mit dem
zurückgeführten Gas in dem Rohr 200 vermischt.
Es wird ersichtlich, daß das in F i g. 2 dargestellte System, ähnlich wie das System gemäß Fig. 1, zwei
miteinander verbundene reduzierende Gasschleifen enthält. Die obere Schleife, in welcher das Gas im
allgemeinen entgegen dem Uhrzeigersinn strömt,
ja schließt die obere Zone der Reduktionszone 12, die
Rohre 208 und 224, den Kühler 226, das Rohr 228, die Pumpe 230, das Rohr 200, den Erhitzer 202, die
Verbrennungskammer 204 und die Anfüllungskammer 25 ein. Die untere Schleife, in welcher das reduzierende
Gas im allgemeinen im Uhrzeigersinn strömt, schließt die untere Zone der Reduktionszone 12, die Anfüllungskammer
24, die Pvohrc 216 und 224, den Kühler 226, das Rohr 228, die Pumpe 230, das Rohr 200, den Erhitzer
202, die Verbrennungskammer 204 und die Anfüllungskammer 25 ein.
Frisches reduzierendes Gas wird in den Gaszurückführungsteil des Systems der F i g. 2 durch ein Rohr 40
mit einer Geschwindigkeit zugeführt, welche durch die Fließkontrolleinrichtung 42 kontrolliert wird. Um die
Menge des reduzierenden Gases ungefähr in dem Gaszurückführungsteil des Systems konstant zu halten,
wird Abgas von der Saugseite der Pumpe 230 durch ein Rohr 82 entfernt, das ein Absperrventil 84 enthält. Im
Falle des Systems der F i g. 1 kann das verbrauchte reduzierende Gas entweder als verbrennbares Treibgas
gelagert werden oder es kann durch einen Schornstein abgelassen werden.
Das Fließsystem der Fig. 1 wird im allgemeinen gegenüber dem System der Fig.2 bevorzugt, da es
Gastemperaturen und Gasmengen in verschiedenen Teilen der Reduktionszone bildet, die dazu neigen, die
Gesamtreduktionsgeschwindigkeit sowohl im oberen als auch im unteren Teil der Reduktionszone zu
maximalisieren. Andererseits sind bei dem System der Fig.2, obgleich die Gastemperatur und die Qualität
nicht so günstig sind wie beim System der F i g. 1, diese Werte immer noch ausreichend günstig, so daß eine
größere Gesamtreduktionsgcschwindigkeit im Durch-
schnitt und damit eine größere Produktivität erhalten werden können als es der Fall wäre, wenn man in der
Reduktionszone eines Reaktors entweder einen Gegenstrom oder einen Gleichstrom anwenden würde.
Darüber hinaus bringt das System der F i g. 2 bestimmte Vorteile gegenüber dem System der F i g. 1 in anderer
Hinsicht als der Reduktionsgeschwindigkeit mit sich.
Es ist zu beachten, daß bei dem System der F i g. I das gesamte Volumen des umlaufenden Gases den Reaktor
durch die Anfüllungskammer 25 verläßt. Bei der Ausgestaltung und bei dem Betrieb von technischen
Anlagen, insbesondere wenn das zu behandelnde Erz einen erheblichen Teil von kleinen Teilchen enthält,
kann der Transport der Teilchen aus dem Reaktor, der durch hohe Gasgeschwindigkeiten am Auslaß bewirkt
wird, zu einem Problem werden. Bei dem System der F i g. 2 wird dieses Problem vermieden, da die Anfüllung
mit der höheren Gasgeschwindigkeit die Einlaßanfüllung ist. Auch erfordert das System der F i g. 2 nur eine
Verbrennungskammer (204) im Vergleich zu den zwei Verbrennungskammern (60,63) des Systems der F i g. 1.
Die Systeme der F i g. 1 und 2 sollen naturgemäß nur als Beispiele dienen, wobei zahlreiche Veränderungen
gemacht werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So kann man 7. B. bei der
Anlage der F i g. 1, wenn eine unabhängige Temperaturkontrolle
der zwei Gaströme gewünscht wird, daß Oas,
das durch die Rohre 44 und 48 strömt, in getrennten Schleifen erhitzt werden anstelle in getrennten Schleifen
des gleichen Erhitzers 52 erhitzen. Auch kann das Gas, das von der Pumpe 72 abgegeben wird, in einen
Schleifenerhitzer 52 mit einer einzigen Erhitzungsschleife geleitet werden, und das erhitzte Gas aus
diesem Erhitzer kann sodann in zwei Ströme aufgeteilt werden, die getrennt regulierte Fließgeschwindigkeiten
besitzen und die der Oberseite und dem Boden der Reduktionszone des Reaktors zugeführt werden. Jedoch
ist letztere Modifikation mit dem Nachteil behaftet, daß Fließregulierungseinrichtungen, die zur Regulierung der
Gasströme verwendet werden, den relativ hohen Temperaturen des Gases, das den Erhitzer verläßt,
ausgesetzt sind, wodurch sie beschädigt werden könnten. Somit ist gewöhnlich das System der F i g. 1 zu
bevorzugen, bei welchem die Fließgeschwindigkeiten der getrennten Gasströme reguliert werden, während
sich das Gas bei relativ niedriger Temperatur befindet.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Verrichtung zur Reduktion von teilchenförmigen
Metallerzen zu Metallteilchen in einem vertikalen Schaftreaktor (10) mit bewegtem Bett, welcher
eine Reduktionszone (12) aufweist, die enthält: einen ersten Kanal (66, 200), der mit dem Reaktor in der
Nähe der Mitte der Redukticnszone verbunden ist, einen zweiten Kanal (62,208), der mit dem Reaktor
in der Nähe der Oberseite bzw. der Spitze der Reduktionszone und mit dem ersten Kanal an einem
Punkt im Abstand von dem Reaktor verbunden ist, und einen dritten Kanal (58, 216), der mit dem
Reaktor in der Nähe des Bodens der Reduktionszone und mit dem ersten Kanal an einem Punkt im is
Abstand von dem Reaktor entfernt verbunden ist, wobei der erste und der zweite Kanal und der obere
Teil der Reduktionszone eine erste Gasströmungsschleife und der erste und der dritte Kanal und der
untere Teil der Reduktionszone eine zweite Gasströmungsschleife bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß vorhanden sind: Kühleinrichtungen (68,226) in dem ersten Kanal (66,200) zur
Kühlung des da durchströmenden Gases zur Wasserentfernung, Pumpeneinrichtungen (72, 230)
in den Schleifen, um das Gas da durchzupumpen, Erhitzungseinrichtungen (52, 102) in den Schleifen
zur Erwärmung des da durchströmenden Gases, nachdem es gekühlt und entwässert wurde, Ventileinrichtungen
(46,50, 210,218) in den Schleifen, um den Gasstrom hierdurch zu regulieren, ein Gasgenerator
(30), der außerhalb der Schleifen angebracht ist, zur Bildung eines reduzierenden Gases, das
hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, eine Gaszuleitungsleitung (40), um den
Gasgenerator mit dem ersten Kanal zu verbinden, Ventileinrichtungen in der Gaszufuhrleitung zur
Regulierung der Strömung des zugeführten Gases, und Ablaßeinrichtungen, die mit dem ersten Kanal
zwischen dem Reaktor und den Verbindungsstellen des zweiten und dritten Kanals mit dem ersten Kanal
verbunden sind, um einen Teil des Gases, der durch die Schleifen strömt, abzulassen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Heizeinrichtungen (54,56) in
dem zweiten und dritten Kanal (62,58) vorgesehen sind, um das Gas zu erhitzen, das hierdurch strömt,
bevor es in die Reduktionszone eintritt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Heizeinrichtungen (202) in dem ersten Kanal (200) vorgesehen sind, um das Gas, das
hierdurch strömt, zu erhitzen, bevor es in die Reduktionszone (12) einströmt.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Pumpeinrichtungen
(72, 230) in dem ersten Kanal (66, 200) vorgesehen sind, um das Gas durchzupumpen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtungen (230) so
angeordnet sind, daß das Gas in Richtung zum Reaktor gepumpt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtungen (72) so
angeordnet sind, daß das Gas von dem Reaktor weggepumpt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ablaßeinrichtungen (82) mit dem
ersten Kanal (66) zwischen den Pumpeinrichtungen
(72) und dem Reaktor (10) verbunden sind, um Gas von dem ersten Kanal abzulassen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ablaßeinrichtungen
(82) mit dem ersten Kanal (200) auf der Saugseite der Pumpeinrichtungen (230) vorgesehen sind, und daß
der Frischgaskanal (40) mit dem ersten Kanal auf der Abgasseite der Pumpeinrichtungen verbunden ist
9. Verfahren zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen unter Verwendung
der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3,4,5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen
ersten Strom eines heißen reduzierenden Gases in den Reaktor in der Nähe der Mitte der reduzierenden
Zone einführt und Teile desselben durch das Erzbett der Reduktionszone in Aufwärtsrichtung
und Abwärtsrichtung strömen läßt, das gesamte aufwärtsströmende reduzierende Gas in der Nähe
der Oberseite bzw. der Spitze der Reduktionszone als zweiten Strom entfernt, das im wesentlichen
gesamte abwärtsströmende reduzierende Gas in der Nähe des Bodens der Reduktionszone als dritten
Strom entfernt, den zweiten und dritten Strom unter Bildung eines vierten Stromes vereinigt, den vierten
Strom zur Entfernung von Wasser hieraus kühlt und hiernach den vierten Strom zur Bildung des ersten
Stromes erhitzt, wodurch der Teil des ersten Stroms, der aufwärts durch die Reduktionszone fließt, der
zweite Strom, der vierte Strom und der erste Strom eine erste geschlossene Schleife ausbilden und der
Teil des ersten Stroms, der abwärts durch die Reduktionszone fließt, der dritte Strom, der vierte
Strom und der erste Strom eine zweite geschlossene Schleife bilden, dem vierten Strom von einer
außerdem der Schleifen befindlichen Quelle eine kontrollierte Menge eines vorgebildeten Reduktionsgases
zuführt, das weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, und das verbrauchte
Reduktionsgas von dem vierten Strom abzieht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fließgeschwindigkeit des
zweiten und dritten Gasstromes getrennt reguliert, bevor man die Gasströme zur Bildung des vierten
Stromes vereinigt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß man das reduzierende Gas, das durch jeden der zweiten und dritten Ströme strömt,
durch Zugabe von Wasser zwischen dem Punkt, an welchem es den Reaktor verläßt, und dem Punkt, an
welchem die Fließgeschwindigkeit reguliert wird, abkühlt.
12. Verfahren zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen unter Verwendung
der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß man
einen ersten Strom des heißen Gases dem Reaktor in der Nähe der Oberseite bzw. Spitze der
reduzierenden Zone zuführt und bewirkt, daß das gesamte Gas des ersten Stroms in Abwärtsrichtung
durch das Bett strömt, dem Reaktor einen zweiten Strom heißen reduzierenden Gases in der Nähe des
Bodens der Reduktionszone zuführt und bewirkt, daß im wesentlichen das gesamte Gas des zweiten
Stromes aufwärts durch das Bett strömt, die ersten und zweiten Gasströme unter Bildung eines dritten
Stroms vereinigt, der von dem Reaktor in der Nähe der Mitte der Reduktionszone entnommen wird, den
dritten Strom zur Entfernung von Wasser hieraus
kühlt einen vorgewählten Teil des dritten Stromes als ersten Strom zu der Oberseite bzw. Spitze der
Reduktionszone zurückführt, den ersten Strom, bevor er in den Reaktor eintritt, erhitzt, den Rest des
dritten Stromes als zweiten Strom zu dem Boden der Reduktionszone zurückführt, den zweiten Strom,
bevor er in den Reaktor eintritt, erhitzt, wodurch der erste Strom, das abwärts durch die Reduktionszone
fließende Gas und der dritte Strom eine erste geschlossene Schleife ausbilden und der zweite
Strom, das aufwärts durch die Reduktionszone fließende Gas und der dritte Strom eine zweite
geschlossene Schleife ausbilden, dem dritten Strom von einer außerhalb der Schleife befindlichen Quelle
eine kontrollierte Menge eines vorgebildeten Reduktionsgases zuführt, das weitgehend aus Kohlenmonoxid
und Wasserstoff besteht und das verbrauchte Reduktionsgas aus dem dritten Strom an
einem Punkt zwischen der Reduktionszone und dem Punkt an dem das vorgebildete Reduktionsgas dem
dritten Strom zugeführt wird, abzieht
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, da3 man die Gasströmgeschwindigkeit
des ersten und des zweiten Stroms im wesentlichen gleich hält.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man als Metallerz
Eisenerz verwendet und daß die Metallteilchen Schwammeisenteilchen sind.
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