DE2256266C3

DE2256266C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen

Info

Publication number: DE2256266C3
Application number: DE19722256266
Authority: DE
Inventors: Juan; Martinez Enrique R.; Mackay William; Monterrey N.L. Celada (Mexiko)
Original assignee: Fierro Esponja S.A., Monterrey, N.L. (Mexico)
Priority date: 1971-11-26
Filing date: 1972-11-16
Publication date: 1977-04-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen in einem vertikalen Schachtfließbettreaktor mit erhöhter Leistung bei der Reduktion des Erzes. In der folgenden Beschreibung werden das Verfahren und die Vorrichtung anhand der Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen erläutert, die Erfindung kann jedoch auch für die Behandlung von anderen Erzen außer Eisenerz verwendet werden.

Die Herstellung von Schwammeisen in einem vertikalen Schachtfließbettreaktor umfaßt zwei hauptsächliche Schritte, nämlich Reduktion des Erzes in einer Reduktionszone des Reaktors mit einem geeigneten heißen Reduktionsgas und anschliebendes Abkühlen des resultierenden Schwammeisens mit einem gasförmigen Kühlmittel ir. einer Kühlzone des Reaktors. Das Reduktionsgas besteht weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff und kann beispielsweise durch katalytische Umformung eines Gemisches aus Erdgas und Dampf oder durch eine Wasser-Gas-Reaktion oder in anderer bekannter Weise erzeugt werden. Das Reduktionsgas wird mit dem Eisenerz in der Reduk-

tionszone des Reaktors bei einer Temperatur in der Größenordnung von 850 bis 1100⁰C, vorzugsweise 900 bis 100ö°C, in Berührung gebracht. Das Reduktionsgas kann in den Reaktor am unteren Ende der Reduktionszone eingeführt und im Gegenstrom zu dem sich abwärts bewegenden Erzbett geführt oder in alternativer Weise kann das Reduktionsgas am oberen Ende der Reduktionszone eingeführt und im Gleichstrom mit dem sich abwärts bewegenden Erzbeti geführt werden.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung kann angeführt werden, daß die in einem derartigen Reaktor erreichte Gesamtreduktionsgeschwindigkeit primär von 2 Faktoren abhängt, insbesondere (a) der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den reduzierenden Bestandteilen des Gases und dem Sauerstoff des Erzes und (b) der Geschwindigkeit, mit der das Reduktionsgas in das Innere der Erzpartikeln eindiffundiert Die chemische Reaktionsgeschwindigkeit ist stark temperaturabhängig, während die Gasdiffusionsgeschwindigkeit in die Erzpartikeln im wesentlichen temperaturunabhängig ist und stark von der Wasserstoffkonzentration in dem Reduktionsgas abhängt. In den frühen Stufen des Reduktionsverfahrens, d. h. wenn das Reduktionsausmaß des Erzes zwischen beispielsweise 0 und etwa 60% liegt, stellt die chemische Reaktionsgeschwindigkeit den dominierenden Faktor bei der Bestimmung des Gesamtreduktionsgeschwindigkeit dar, während im späteren Verlauf ues Reduktionsverfahrens, d.h. zwischen beispielsweise 60%iger und 95%iger Reduktion, die Gasdiffusionsgeschwindigkeit den dominierenden faktor bei der Bestimmung der Gesamtreduktionsgeschwindigkeit darstellt.

Bei den Fällen, wo der Gegenstromfluß des Reduktionsgases und des Erzes verwendet wird, kommt das frische, einen hohen Prozentsatz an Wasserstoff enthaltende Gas anfänglich mit weithin reduziertem Erz in Berührung. Somit ist die Diffusionsgeschwindigkeit des Gases in die Erzteilchen relativ hoch. In anderen Worten begünstigen die Bedingungen in dem unteren Teil der Reduktionszone eine relativ hohe Gesamtreduktionsgeschwindigkeit. Mit der Aufwärtsbewegung des Gases in den oberen Teil der Reduktionszone nehmen sowohl dessen Temperatur als auch dor Gehalt an reduzierenden Bestandteilen ab. Wie im vorstehenden angeführt wuide, wird, wenn der Reduktionsprozentsatz weniger als 60% beträgt, die chemische Reaktionsgeschwindigkeit ein dominanter Faktor, wobei diese Reaktionsgeschwindigkeit wiederum durch sowohl die relativ niedrige Temperatur des Gases als auch dessen niedrige Konzentration an reduzierenden Bestandteilen beeinflußt wird. Demnach sind die Bedingungen in dem oberen Teil der Reduktionszone vom Standpunkt des Erreichens einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit unvorteilhaft

In den Fällen, wo ein Gleichstrom des Reduktionsgases und des Erzes angewendet wird, führen die hohe Temperatur und Konzentration an reduzierenden Bestandteilen des in den oberen Teil der Reduktionszone eintretenden Gases zur Maximierung der chemisehen Reaktionsgeschwindigkeit. Somit sind die Bedingungen im oberen Teil der Reduktionszone vom Standpunkt des Erreichens einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit vorteilhaft. Jedoch ist im unteren Teil der Reduktionszone das Gas im wesentlichen von seinem Wasserstoffgehalt befreit und diffundiert somit relativ langsam in das Innere der weithin reduzierten Schwammeisenteilchen. Da diese Diffusionsgeschwindigkeit den dominanten Faktor in der Gesamtreduktionsgeschwindigkeit im Fall weithin reduzierter Teilchen darstellt, sind die Bedingungen im unteren Teil der Reduktionszone vom Standpunkt des Erreichens einer hohen Gesamtreduktionsgeschwindigkeit unvorteilhaft.

In einigen Fällen ist es wünschenswert, den Kohlenstoffgehalt des reduzierten Schwammeisens zu erhöhen. Diese Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes kann bequem, wie es beispielsweise in der US-P¹S 31 36 624 beschrieben ist, durch Verwendung eines Kohlenstoff enthaltenden Reduktionsgases als Kühlmittel unter derartigen Bedingungen bewirkt werden, daß zumindest ein Teil des Kühlmittelgases zur Abscheidung von Kohlenstoff auf den Oberflächen der Schwammeisenteilchen gecrackt wird. Durch geeignete Regelung der Zusammensetzung und der Fließgeschwindigkeit des Kühlgases kann eine gewünschte Menge an Kohlenstoff, beispielsweise 1,5 bis 2 Gewichtsprozent des Schwammeisens auf den Schwammeisenteilchen abgeschieden werden.

In der US-PS 2048 112 wird ein Verfahren zur Reduktion von Eisenerz in einem vertikalen Reaktor, der in seinem oberen Teil eine Reduktionszone, in die heißes Reduktionsgas eing,-blasen wird, aufweist, beschrieben. Bei diesem bekannten Reaktor ist die Reduktionswirksamkeit jedoch nicht zufriedenstellend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Reduktion von Meiallerzen. z. B. Eisenerzen, zu Schwammetall, z. B. Schwammeisen, zur Verfügung zu stellen und das reduzierte Metall unter derartigen Bedingungen zu kühlen, daß eine gewünschte Menge von Kohlenstoff hierauf abgeschieden wird. Außerdem soll eine für das Verfahren geeignete Vorrichtung geschaffen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll mit verbesserter Reduktionswirksamkeit ablaufen, und es sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Gasreduktion von Metallerzen in einem Fließbettreaktor geschaffen werden, die die Vorteile des Gegenstroms und des Gleichstroms von Gas und Erz in der Reduktionszone des Reaktors kombiniert, wobei die Nachteile so gering wie möglich gehalten werden sollen. Es soll ein Verfahren geschaffen werden, bei dem nur wenige Hilfsvorrichtungen, wie Pumpen, Erhitzer, Kühlgeräte, erforderlich sind, und die Verweilzeit in dem Reaktor soll so gering wie möglich sein. Dadurch kann die Produktion des Reaktors erhöht werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen in einem vertikalen Schachtfließbettreaktor mit einer Reduktionszone und anschließender Kühlzone, bei dem ein erster Strom eines heißen Reduktionsgases in den Reaktor in der Nähe des Zentrums der Recluktionszone eingespeist und derart aufgeteilt wird, daß getrennte Teilströme aufwärts und abwärts durch die Beschickung fließen, und bei dem im wesentlichen der gesamte nach aufwärts fließende Teüstrom aus dem Reaktor in der Nähe des oberen Endts der Reduktionszone als zweiter Gasstrom entfernt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein dritter Strom kalten Reduktionsgases in den Reaktor in der Nähe des Bodens der Kühlzone eingespeist wird und aufwärts durch die Beschickung in der Kühlzone strömt, daß das aufwärts fließende Gas in der Kühlzone und das abwärts fließende Gas in der Reduktionszone zu einem vierten Gasstrom zusammengefaßt werden, der aus dem Reaktor entfernt und mit dem zweiten Gasstrom außerhalb des Reaktors zu einem fünften

Gasstrom vermischt wird, von dem ein Teilstrom zu dem Reaktor als erster Reduktionsgasstrom und ein weiterer Teilstrom zu dem Reaktor als dritter Kühlgasstrom zurückgeführt wird.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren, die gekennzeichnet ist durch einen Fließbettreaktor mit einer Reduktionszone und einer KUhlzone, einer ersten Leitung, die mit dem Reaktor in der Nähe der Mitte der Reduktionzone zur Einspeisung von erhitztem Reduktionsgas in die Zone verbunden ist, einer zweiten Leitung, die mit dem Reaktor in der Nähe des oberen Endes der Reduktionszone verbunden ist, einer dritten Leitung, die mit dem Reaktor in der Nähe des unteren Endes der Kühlzone zur Einspeisung von Gas in die Kühlzone verbunden ist, eine vierte Leitung, die mit einem Ende mit dem Reaktor in der Nähe des unteren Teils der Reduktionszone und mit ihrem anderen Ende mit dem Ende der zweiten Leitung entfernt von dem Reaktor verbunden ist, eine fünfte Leitung, die mit einem Ende mit der Verbindung der zweiten und vierten Leitung und an ihrem anderen Ende mit der ersten und dritten Leitung verbunden ist, und die erste, zweite und fünfte Leitung und der obere Teil der Reduktionszone eine erste Gassiromschleife, die erste, vierte und fünfte Leitung und der untere Teil der Reduktionszone eine zweite Gasschleife, und die dritte, vierte und fünfte Leitung und die Kühlzone eine dritte Gasschleife bilden, Ventileinrichtungen in den Schleifen zur Regelung des Gasflusses hierdurch, eine Quelle für Frischgas, Leitungen zur Verbindung von der Frischgasquelle mit der ersten und dritten Leitung und Abzugsvorrichtungen, die mit der fünften Leitung zum Abzug eines Teils des durch die Schleifer» fließenden Gases verbunden sind.

Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden am besten unter Bezugnahme auf die Zeichnung verstanden und gewürdigt, die schematisch eine Auslührungsform der beanspruchten Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Das in der Zeichnung gezeigte Erzreduktionssystem umfaßt im allgemeinen einen vertikalen Schachtreaktor mit einem darin nach unten bewegten Erzteilchenbett und miteinander verbundenen Reduktionsgas- und Kühlgasschleifen für die Zufuhr von Reduktionsgas und Kühlgas in den Reaktor zur Reduktion des darin befindlichen Eisenerzes und Kühlung des reduzierten Metalls. In der Zeichnung ist der vertikale Schachtreaktor allgemein durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet und weist in seinem oberen Teil eine Reduktionszone 12 und in seinem unteren Teil eine Kühlzone 14 auf. Der Reaktor 10 wird in geeigneter Weise wärmeisoliert und innen mit einem feuerfesten Material in bekannter Weise ausgekleidet Zu behandelnde Erzteilchen werden in den Reaktor 10 durch eine Zufuhrleitung 16 eingeführt Das einzubringende Erz kann in Form von Klumpen oder von vorgebildeten Pellets vorliegen. Es fließt durch die Reduktionszone 12 abwärts, in der es weitgehend zu Schwammeisen in der nachstehend beschriebenen Weise reduziert wird, anschließend durch die Kühlzone 14, in der es durch hindurchfließendes Kühlgas gekühlt wird und verläßt den Reaktor durch die Auslaßleitung 18.

In der Nähe der Reduktionszone 12 ist der Reaktor mit einer ringförmigen Luftkammer 20 versehen, die sich um die Peripherie des Reaktors ausdehnt und eine Vorrichtung darstellt, durch die Reduktionsgas in den Reaktor eingeführt werden kann. Am unteren Teil der Reduktionszone 12 befindet sich eine zweite Luftkammer 22, die der Luftkammer 20 ähnlich ist, durch die Reduktionsgas aus dem Reaktor entfernt werden kann. In der Nähe des unleren Teils des Reaktors befindet sich ein abgestumpft konisches Ablenkblech 24, welches zusammen mit der Reaktorwand einen ringförmigen Raum 26 festlegt, durr^ - Jenen das Kühlgas in den Reaktor eingeführt werden kann, um durch den Körper der reduzierten Teilchen in der Kühlzone 14 zu fließen. Sofern gewünscht, kann der Reaktor IO bei erhöhtem Druck betrieben werden, wobei in diesem Fall das Erz von dem oberen Ende des Reaktors eingespeist und das Schwammeisen von dem unteren Teil des Reaktors unter Verwendung geeigneter und bekannter Zufuhr- und Auslaßvorrichtungen entfernt, die zur Aufrechterhaltung des gewünschten Druckes angepaßt sind.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird der Gasfluß durch die verschiedenen Teile des veranschaulichten Systems durch eine Zahl von Instrumenten geregelt und kontrolliert Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird das allgemeine Gasfließmuster in dem System zuerst und anschließend die Instrumente zur Regulierung und Kontrolle des Flusses in den verschiedenen Teilen des Systems hiernach anschließend beschrieben.

Im linken Teil der Zeichnung tritt frisches Reduktionsgas, das weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammengesetzt ist, in das System durch eine Leitung 28 von einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) ein. Das Reduktionsgas kann beispielsweise in einem bekannten Typus eines katalytischen Reformers erzeugt werden, indem ein Gemisch von vorerhitztem Erdgas und Dampf durch ein erhitztes Katalysatorbett des Reformers durchgeführt werden. Beim Durchfluß durch das Katalysatorbett wird das Erdgas-Dampf-Gemisch in ein Gasgemisch übergeführt das weitgehend aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasserdampf besteht. Das aus dem Reformer ausströmende Gas wird durch einen Abschreckungskühler hindurchgeführt, in dem es zur Entfernung des größten Teils des Wasserdampfes hieraus abgekühlt wird, wonach das gekühlte Gas in die Leitung 28 eingeführt werden kann.

Das in das System durch die Leitung 28 eintretende Gas wird geteilt wobei ein Teil hiervon durch die Leitung 30 zu einer Reduktionsgasschleife des Systems fließt während der Rückstand des eintretenden Gases durch eine Leitung 31 in eine Kühlgasschleife des Systems fließt Insbesondere fließt eintretendes Reduktionsgas von der Leitung 30 in die Leitung 32 und von dort zu einer Heizschlange 34 eines Heizgerätes 36. in der es auf eine Temperatur in der Größenordnung von 700 bis 850°C erhitzt wird.

Da die Temperatur des Reduktionsgases bei Eintritt in den Reaktor vorzugsweise in der Größenordnung von 900 bis 1100° C, d. h. oberhalb der Temperatur des Gases, das das Schlangenheizgerät 36 verläßt, lieger sollte, wird das Gas weiter vor Eintritt in den Reaktor ir einer Verbrennungskammer 38 erhitzt mit der dei Auslaß der Schlange 34 durch eine Leitung 4C verbunden ist Innerhalb der Verbrennungskammer 3i wird das Reduktionsgas mit einer kleineren Menge Luf! oder Sauerstoff, die durch Leitung 42 eingeführt werden vermischt Ein Teil des Reduktionsgases wird innerhalt der Verbrennungskammer verbrannt um die Tempera tür des resultierenden Gemisches auf den gewünschter Wert anzuheben. Insbesondere in Fällen, wo Luft ah Oxidationsmittel verwendet wird, wird das Oxidations gas vorzugsweise auf ungefähr die Temperatur de! Reduktionsgases mit dem es gemischt wird, vorerhitzi

Ein derartiges Vorerhitzen kann beispielsweise in einem Schlangenheizgerät wie dem Schlangenheizgerät 36 durchgeführt werden. Die Zugabe von Luft oder Sauerstoff zu dem Reduktionsgas kann beispielsweise, wie es in der US-PS 29 00 247 beschrieben ist. durchgeführt werden.

Das heiße Gas der Verbrennungskammer 38 fließt durch die Luftkammer 20 in die Reduktionszone 12 des Reaktors in der Nähe des Zentrums der Reduktionszone und wird anschließend geteilt. Insbesondere fließt ein Teil des eintretenden Gases durch die Reduktionszone nach oben, d. h. im Gegenstrom zu dem Fluß des Erzes in dem Reaktor, während der Rückstand des eintreten den Gases durch den Teil des Erzbettes nach unten in den unteren Teil der Reduktionszone, d.h. im Gleichstrom mit dem Fluß der Erzteilchen in dem Reaktor, fließt. Der nach oben fließende heiße Reduktionsgassirom bewirkt eine teilweise Reduktion des Erzes im oberen Teil der Reduktionszone und wird in der Nähe des oberen Endes des Reaktors durch eine Leitung 44 entfernt, die zu einem Abschreckungskühler 46 führt, in den Wasser durch eine Leitung 48 zur Kühlung und Entwässerung des ausfließenden Gases eingeführt wird.

Der Teil des heißen Reduktionsgases, der in den Reaktor aus der Verbrennungskammer 38 eintritt und nach unten durch die Reduktionszone fließt, vervollständigt im wesentlichen die Reduktion des Erzes im unteren Teil der Reduktionszone und wird anschließend mit dem Gas. das durch die Kühl/one 14 aufwärts fließt, in einer im nachstehenden weiter beschriebenen Weise vereinigt. Die kombinierten Gasströme werden von dem Reaktor durch die Luftkammer 22 und eine Leitung 54 abgezogen. Gas von der Spitze des Reaktors, das den Kühler 46 durch die Leitung 50 verläßt, wird mit dem durch Leitung 54 fließenden Gas vermischt, und das resultierende Gemisch flicßi durch Leitung 56 zu einem Abschreckungskühler 58. in dem es zur Verringerung seiner Temperatur und zur Entfernung von Wasserdampf hieraus gekühlt wird.

Da das durch Leitung 56 in den Kühler 58 fließende Gasgemisch von den reduzierenden Bestandteilen relativ befreit ist, wird das aus dem Kühler 58 ausfließende Gas geteilt und ein Teil hiervon aus dem System entfernt. Insbesondere fließt das aus dem Kühler 58 ausfließende Gas durch die Leitung 60 zu einem Abzugsrohr 62. durch welches ein Teil des Gases das System mit dem Rückstand des Gases, das durch die Leitung 64 zu der Ansaugseite einer Pumpe 66 fließt verläßt Das aus dem System durch das Abzugsrohr 62 entfernte Gas kann als Brenngas für das Heizgerät 36 oder für andere Zwecke nach Wunsch verwendet werden.

Der Teil des durch Leitung 64 zur Pumpe 66 fließenden Gasgemisches wird durch die Leitung 68 ausgelassen und erneut in zwei Teile aufgeteilt, wovon einer durch die Leitung 32, das Heizgerät 36. die Leitung 40 und die Verbrennungskammer 38 in der Luftkammer 20 zurückgeführt wird, und der andere Teil hiervon fließt durch die Leitung 70 zu dem unteren Teil der Kühlzone 14 des Reaktors. Insbesondere tritt das relativ kalte, durch die Leitung 70 fließende Gas in den Reaktor durch die Kammer 26 ein und fließt durch das reduzierte Metall in der Kühlzone 14 zu dessen Kühlung aufwärts. Beim Durchfluß durch die Kühlzone wird das Kühlgas erhitzt und ein Teil hiervon zur Abscheidung von <>5 Kohlenstoff auf der Oberfläche des Schwamneisens gecrackt. Wie vorstehend angeführt, wird das nacii oben durch die Kühlzone 14 fließende Kühlgas mit dem nach unten fließenden Reduktionsgasstrom in dem -interen Teil der Reduktionszone kombiniert und der kombinierte Gasstrom durch die Luftkammer 22 abgezogen.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß das Gas in dem vorliegenden System in drei miteinander verbundenen Schleifen fließt, die den oberen Teil der Reduktionszone, den unteren Teil der Reduktionszonc und die Kühlzone jeweils einschließen. Somit schließt die erste Gasschleife den oberen Teil der Reduktionszone, die Leitung 44, den Kühler 46, die Leitung 50, die Leitung 56, den Kühler 58, die Leitung 60, die Leitung 64, die Pumpe 66, die Leitung 68, die Leitung 32, das Heizgerät 36, die Leitung 40, die Verbrennungskammer 38 und die Luftkammer 20 ein. Die zweite Schleife umfaßt den unteren Teil der Reduktionszonc die Luftkammer 22, die Leitung 54, die Leitung 56. den Kühler 58. die Leitung 60, die Leitung 64, die Pumpe 66. die Leitung 68, die Leitung 32, das Heizgerät 36, die Leitung 40, die Verbrennungskammer 38 und die Luftkammer 20. Die dritte Schleife umfaßt die Kühlzone 14, die Luftkammer 22. die Leitung 54. die Leitung 56, den Kühler 58, die Leitung 60, die Leitung 64. die Pumpe 66, die Leitung 68, die Leitung 70 und den ringförmigen Raum 26. Es wird festgestellt, daß die Leitung 32. das Heizgerät 36 und die Verbrennungskammer 38 sowohl der ersten wie auch der zweiten Schleife angehören, wodurch der Gebrauch lediglich eines Hcizsystemes für beide Gasströme. die durch die Reduktionszone fließen, erforderlich ist. Auch der Küh'er 58, die Leitung 60. die Leitung 64. die Pumpe 66 und die Leitung 68 gehören allen drei Schleifen an, und somit kann der erwünschte Gasfluß mit einer einzigen Pumpe erzielt werden.

Wendet man sich nun der Ausrüstung dos Systems mit Instrumenten zu, wie vorstehend angeführt, so tritt frisches Reduktionsgas in das System durch die Leitung 28 ein. welche mit einem Flußaufzeichnungsgerä! FR-I des Düsentypus zur Anzeige des Einlaßgasflusses versehen ist. Das Abzugsrohr 62 zur Entfernung von abgereichertem bzw. erschöpftem Reduktionsgas aus dem System ist mit einem Gegendruckregulator 72 versehen, der einen manuell einstellbaren Fixpunki bzw. Sollwert aufweist, so daß dieser zur Aufrechterhaltung eines gewünschten positiven und konstanten Druckes in dem System zur Verbesserung der Wirksamkeit der Pumpe 66 und auch zur Verhinderung eines Luftlcckschadens innerhalb des Systems eingeregelt werden kann.

Die Leitung 32 in der Nähe des Einlasses des Heizgerätes 36 ist mit einem Flußkontrollschreiber FRC-X mit einem manuell einstellbaren Fixpunkt bzw. Sollwert versehen, wodurch ein vorbestimmter, erwünschter Durchfluß durch die Leitung 32 festgelegt werden kann. Wenn der durch FRC-X abgerufene Gasfluß größer als der durch die Leitung 32 wieder zurückgeführte Fluß ist, fließt durch die Leitung 30 Frischgas in Leitung 32, um die Differenz auszugleichen.

In gleicher Weise enthält die Leitung 50 ein Regelgerät FRC-2 mit einem manuell einstellbaren Regelwert Die Einstellung des Kontrollgerätes FRC-2 bestimmt die relativen Mengenverhältnisse des in den Reaktor durch die Luftkammer 20 eintretenden Gases, die auf- und abwärts durch die Reduktionszone fließen.

Die Leitung 70 der Kühlschleife ist mit einem Kontrollgerät FRC-3 ausgerüstet, welches manuell zur Erzeugung eines gewünschten Kühlgasflusses in die Kühlzone 14 eingestellt werden kann. Diese Einstellung hängt teilweise von der gewünschten Kohlenstoffabscheidung in der Kühlzone ab. Sofern der durch FRC-3

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abgerufene Gasfluß größer als der durch die Leitung 70 wieder zurückgeführte Fluß ist, wird Frischgas in die Külilschleife durch die Leitung 31 eingezogen.

Der Fluß durch die Leitungen 60 und 64 wird automatisch zur Aufrechterhaltung eines konstanter, Verhältnisses zwischen dem nach unten gerichteten und dem nach oben gerichteten Stromfluß des Abzugsrohrs 62 reguliert. Somit enthält die Leitung 60 einen Strömungsmesser, der allgemein mit FR-5 bezeichnet ist und auf den Differentialdruck (hi) über Düse 74 in der Leitung 60 anspricht. Das Meßgerät FR-5 ist zur Erzeugung eines entsprechenden Signals eingestellt, welches einem Verhältniscomputer 76 übermittelt wird. Die Leitung 64 enthält einen weiteren Strömungsmesser, der allgemein mit FR-6 bezeichnet ist und eine öffnung bzw. Düse 78, einen auf den Differentialdruck (h_b) über die Düse 78 ansprechenden Sensor 80, einen auf den Druck (P_b) in Leitung 64 ansprechenden Sensor 82 und einen auf die Temperatur (Tt) des Gases in Leitung 64 ansprechenden Sensor 84 umfaßt. Die Sensoren erzeugen Signale, die einem Verhältniscomputer 85 übermittelt werden, der ein dem Quadrat des Flusses proportionales Signal erzeugt, d.h. (h_b)(P_b)/T_b, welches gleich (FbI K_b)² ist, wobei K die öffnungs- bzw. Düsenkonstante darstellt.

Das durch den Sensor 80 erzeugte Signal, d. h. (hb), wird dem Verhältniscomputer 76 übermittelt, der ein dem Verhältnis h_b/h$ entsprechendes Signal erzeugt. Da das durch die öffnungen 74 und 78 fließende Gas den gleichen Druck und Temperatur aufweist, ist es nicht erforderlich, daß das Meßgerät FR-5 mit separaten Druck- und Temperatursensoren versehen wird. Da auch die Zusammensetzung des durch die öffnungen 74 und 78 fließender. Gases die gleiche ist. beeinflußt das spezifische Gewicht des Gases das Verhältnis hb/hs nicht. Das Ausgabesignal des Computers 76 wird dem Kontrollschreiber FRC-8 übermittelt, welcher es in einen pneumatischen Druck zur Regulation des Ventils 86 in der Leitung 68 umwandelt und somit das Ventil zur Konstanthaltung des Verhältnisses hjh^ reguliert.

Wie vorstehend beschrieben, wird an dem Auslaßende der Leitung 68 der Gasfluß in einen Teil des durch die Leitung 32 zu dem Heizgerät 36 fließenden Gases und einen zeiten Teil des durch Leitung 70 zu der Kammer 26 am unteren Ende der Kühlsection des Reaktors fließenden Gases aufgeteilt. Der Teil dieses aufgeteilten Gasflusses, d*;r durch den Teil der Leitung 32 zwischen den Leitungen 68 und 30 fließt, wird derart geregelt, daß dieser Gasfluß einen im wesentlichen konstanten Teil des Gasflusses durch die Leitung 68 darstellt Um diese Aufgabe zu erreichen ist ein allgemein mit FR-A bezeichneter Strömungsmesser, der dem Meßgerät FR-6 ähnlich ist vorgesehen. Das Meßgerät FR-4 umfaßt eine öffnung 88, einen auf den Differentialdruck (Ti₄) über die öffnung 88 ansprechenden Sensor 90, einen auf den Druck (Pa) in Leitung 32 ansprechenden Sensor 92 und einen auf die Temperatur (T*) des Gases in Leitung 32 ansprechender. Sensor 94. Die Sensoren 90, 92 und 94 erzeugen Signale, die einem Verhältniscomputer 96 des Strömungsmesser FRA übermittelt werden. Der Verhältniscomputer 96 erzeugt ein, dem Quadrat des Flusses in Leitung 32 proportionales Signal, d h. (h_A)(P_A)/T*, welches gleich (FJK₄Y ist, wobei K die öffnungskonstante darstellt Dieses Signal wird einem Verhältniscomputer 98 übermittelt

Wie vorstehend beschrieben, erzeugt der Verhältniscomputer 85 des Strömungsmessers FR-6 ein Signal, das dem Quadrat des Flusses durch die Leitung 64 (FfJ Kttf gleich ist. Dieses Signal wird, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, auch dem Verliültniscomputer 98 übermittelt. Wie in der Zeichnung angegeben ist, erzeugt der Computer 98 ein Signal, das eine Funktion des Verhältnisses der zwei Ei.igabesignale (FJKa)² und (FJKb)² darstellt. Das Ausgabesignal des Computers 98 wird einem Strömungsregler FRC-9 übermittelt, indem es in einen entsprechenden pneumatischen Druck zur Regelung des Ventils 100 umgewandelt wird. Somit wird

ίο das Ventil 100 automatisch reguliert, um das Verhältnis des Flusses durch die Leitung 32 (vor dem Zusatz von Frischgas) zu dem Fluß durch die Leitung 64 im wesentlichen konstant zu halten. Dem Fachmann ist offenbar, daß die verschiedenen Signale, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, sowohl aul entweder pneumatischem oder elektrischem Wege übermittelt werden können.

Die bestimmten, in den verschiedenen Teilen des vorstehend beschriebenen Systems verwendeten Gasströme variieren in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie der Art und Teilchengröße des Erzes, der Verweilzeit des Erzes in dem Reaktor, dem Ausmaß der gewünschten Reduktion und der zur Abscheidung aul dem reduzierten Erz gewünschten Kohlenstoffmenge Veranschaulichende Näherungswerte der Flüsse bzw Ströme in den unterschiedlichen Teilen des Systems sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben:

Gasstromeinheiten

In den Reaktor beider

Luftkammer 20 eintretendes Gas 200

Aufwärtsstrom in der

Reduktionszone 12 150

Abwärtsstrom in der

Reduk'.ionszone 12 50

In den Reaktor bei Kammer 26

eintretendes Gas 100

Gasfluß in Leitung 54 150

Gasfluß in Leitung 60 300

Gasfluß in Leitung 62 150

Gasfluß in Leitung 64 150

Gasfluß in Leitung 32

vor Zusatz lOO

Gasfluß in Leitung 70

vor Zusatz 50

Gasfluß in Leitung 30 100

Gasfluß in Leitung 31 50

Gasfluß in Leitung 28 150

Die in vorstehender Tabelle enthaltenen Ströme sind lediglich annähernd wiedergegeben, da beispielsweise Veränderungen infolge von Luft- oder Sauerstoffinjek-

tionen in die Verbrennungskammer 38., Veränderungen durch die Gas-Feststoffreaktion in dem Reaktor und Veränderungen infolge der Wasserveränderung in dem Kühlturm 58 nicht in Rechnung gestellt sind. Die Flußbzw. Strömungswerte sollen lediglich eine grobe

Vorstellung der typischen Ströme in den unterschiedlichen Teilen des Systems wiedergeben.

Aus der vorstehenden Beschreibung solite hervorgehen, daß die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Reduktion und Kühlung von Metallerzen, das zur

Erfüllung der eingangs erwähnten Aufgaben geeignet ist, zur Verfügung stellt Durch die Verwendung eines geteilten Stromes des Reduktionsgases in der Reduktionszone des Reaktors werden die vorteilhaften

Merkmale des Gegenstroms und des Gleichstroms des Gases und Erzes erhalten, während die nachteiligen Merkmale dieser beiden Strömungstypen minimiert werden. Sowohl die geteilten Reduktionsgasströme als auch die Kühlgasströme werden wieder zurückgeführt, s und die Zurückführung von allen dreien dieser Ströme A-ird mit einer einzigen Pumpe, Kühlgerät und Verbrennungskammer bewirkt. Somit stellt die vorliegende Erfindung ein außergewöhnlich wirksames Verfahren zur Erzeugung von Schwamrneisen mit u> einem gewünschten Kohlenstoffgehalt in einem vertikalen Schachtreaktor mit bewegtem Bett zur Verfügung.

Ein weiterer Vorteil des Systems liegt in der Tatsache, daß die Luftkammer 20 in der Nähe des Zentrums der Reduktionszone eine Einlaßluftkammer darstellt. Beim

Entwurf und dem [Jetrieb von Industrieanlagen, insbesondere wo das behandelte Erz einen wesentlichen Anteil an kleinen Teilchen enthält, kann der Transport der Teilchen aus dem Reaktor, der durch hohe Gasge.schwindigkeilen bei einer AusUßkammer bewirkt wird, ein Problem darstellen. In dem hier beschriebenen System stellt die Luftkammer 20, welche einen relativ hohen Gasstrom führt, eine Einlaßkammer dar. wodurch das Transportproblem der Teilchen ims diesem Teil de Reaktors elcminiert wird. Während es zutrifft, daß eir relativ großes Gasvolumen den Reaktor durch die Luftkammer 22 verläßt, weist dieses Gas eine relativ niedrige Temperatur auf, was das Transportprobleir weniger akut gestaltet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Reduktion eines teilchenförmigen Metallerzes zu Metallteilchen in einem vertikalen Schachtfließbettreaktor mit einer Reduktionszone und anschließender Kühlzone, bei dem ein erster Strom eines heißen Reduktionsgases in den Reaktor in der Nähe des Zentrums der Reduktionszone eingespeist und derart aufgeteilt wird, daß getrennte Teilströme aufwärts und abwärts durch die Beschickung fließen, und bei dem im wesentlichen der gesamte nach aufwärts fließende Teilstrom aus dem Reaktor in der Nähe des oberen Endes der Reduktionszone als zweiter Gasstrom entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Strom kalten Reduktionsgases in den Reaktor in der Nähe des Bodens der Kühlzone eingespeist wird und aufwärts durch die Beschickung in der Kühlzone strömt, daß das aufwärts fließende Gas in der Kühlzone und das abwärts fließende Gas in der Reduktionszone zu einem vierten Gasstrom zusammengefaßt werden, der aus dem Reaktor entfernt und mit dem zweiten Gasstrom außerhalb des Reaktors zu einem fünften Gasstrom vermischt wird, von dem ein Teilstrom zu dem Reaktor als erster Reduktionsgasstrom und ein weiterer Teilstrom zu dem Reaktor als dritter Kühlgasstrom zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Strom, bevor er erhitzt wird, ein vorgeformtes Frisch-Reduktionsgas, das zum großen Teil aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem dritten Strom F-risch-Reduktionsgas zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß verarmtes Reduktionsgas von dem fünften Gasstrom abgezogen wird und daß die Strömung des fünften Gasstroms gemesser wird und daß die Recycüsierungsströmung des fünften Stroms in Abhängigkeit von dem Verhältnis der beiden Messungen reguliert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fünfte Strom gekühlt und komprimiert wird, bevor er in den Reaktor zurückgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß des fünften Stroms gemessen wird, der Fluß des fünften Teilstroms, der als erster Strom zurückgeführt wird, gemessen wird, das Verhältnis der zwei Flußmessungen bestimmt wird und der fünfte Teilstrom, der als erster Strom zurückgeführt wird, reguliert wird, um das Verhältnis im wesentlichen konstant zu halten.

7. Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Fließbettreaktor (10) mit einer Reduktionszone (12) und einer Kühlzone (14), einer ersten Leitung (40), die mit dem Reaktor in der Nähe der Mitte der Reduktionszone zur Einspeisung von erhitztem Reduktionsgas in die Zone verbunden ist, einer zweiten Leitung (44), die mit dem Reaktor in der Nähe des oberen Endes der Reduktionszone verbunden ist. einer dritten Leitung (70), die mit dem Reaktor in der Nähe des unteren Endes der Kühlzone zur Einspeisung von Gas in die Kühlzone verbunden ist, eine vierte Leitung (50), die mit einem Ende mit dem Reaktor in der Nähe des unteren Teils der Reduktionszone und mit ihrem anderen Ende mit dem Ende der zweiten Leitung entfernt von dem Reaktor verbunden ist, eine fünfte Leitung (56), die mit einem Ende mit der Verbindung der zweiten und vierten Leitung und an ihrem anderen Ende mit den ersten und dritten Leitungen verbunden ist, und die erste, zweite und fünfte Leitung und der obere Teil der Reduktionszone eine erste Gasstromschleife, die erste, vierte und fünfte Leitung und der untere Teil der Reduktionszone eine zweite Gasschleife, und die dritte, vierte und fünfte Leitung und die Kühlzone eine dritte Gasschleife bilden, Ventileinrichtungen in den Schleifen zur Regelung des Gasflusses hierdurch, eine Quelle für Frischgas (28), Leitungen (30/31) zur Verbindung von der Frischgasquelle mit der ersten und dritten Leitung und Abzugsvorrichtungen, die mit der fünften Leitung zum Abzug eines Teils des durch die Schleifen fließenden Gases verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Leitung erste Meßgeräte zur Messung des hindurchfließenden Gasflusses vor den Abzuggeräten und zweite Meßgeräte zur Messung des Gasflusses durch die fünfte Leitung nach den Abzugsgeräten, und Regelvorrichtungen in der fünften Leitung zur Regelung des Gasflusses durch Ansprechen auf das Verhältnis der Flußwerte, die durch die ersten und zweiten Meßgeräte gemessen werden, umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie erste Meßgeräte zur Messung des Gasflusses in der fünften Leitung, zweite Meßgeräte zur Messung des Gasflusses in der ersten Leitung und Regelgeräte in der ersten Leitung zur Regelung des Gasflusses hierin durch Ansprechen auf das Verhältnis des Gasflusses, der durch die ersten und zweiten Flußmeßgeräte gemessen wurde, umfaßt.