DE2332999C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallschwamm - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallschwamm aus Metalloxid enthaltendem Erz durch Errichtung eine-Reduktionszone, in der das oxydische Mineral zum Metallschwamm reduziert wird, und einer Kühlzone, in zo der der Metall-Schwamm abgekühlt wird, wobei in einem Reformer bei erhöhter Temperatur ein reduzierendes Gas gebildet wird, das weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, und wobei dieses reduzierende Gas durch das oxidische Erz in der Reduktionszone geleitet wird, wobei ein Teil des ausströmenden Gases aus der Reduktionszone erhitzt und in die Reduktionszone zurückgeleitet wird und ein zweiter Teil des ausfließenden Gast- us der Reduktionszone in die Kühlzone zum Abki ..en des Metallschwammes geleitet wird.

Die Erfindung ist insbesondere in Verbirdung mit der direkten gasförmigen Reduktion von Eisenoxiderzen in Klumpen- oder Pelletform zu Schwammeisen anwendbar und wird in Verbindung mit dieser Anwendung veranschaulicht, wenngleich aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, daß die Erfindung genausogut in Verfahren zur Reduktion anderer Metalloxide als Eisenoxide zu elementaren Metallen angewendet werden kann.

'.iner der Aspekte der Erfindung betrifft eine Verbesserung bei einem bekannten Typus eines semi-kontinuierlichen Verfahrens zur Erzeugung von Schwammeisen, bei dem ein Mehreinheitreaktorsystem Anwendung findet, worin separate Eisenrnaterialkörper gleichzeitig behandelt werden. Ein Verfahren dieser Art ist in der US-PS 29 00 247 (C e 1 a d a) und in den US-PS 3136623; 3136624 und 3136625 (Mader et al.) beschrieben. Die in einem Reaktorsystem dieses Typus durchgeführten hauptsächlichen Verfahrunsschritte sind (1) Reduktion des Erzes zu Schwammeisen, (2) Kühlung des reduzierten Erzes und (3) Ausführung des Schwammeisens aus einem Reaktor und dessen Wiederbescliickung mit frischem, zu reduzierenden Eisenerz. Die Reduktion wird durch ein Reduktionsgas durchgeführt, welches üblicherweise ein weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammengesetztes Gemisch darstellt. Das Gas wird typischerweise durch katalytische Umwandlung eines Gemisches aus Dampf und Methan in Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem katalytischen Reformer bekannter Art gemäß der Gleichung

CH₄ +H₂O-H. CO+ 3 H₂

erzeugt. ⁽⁾5

Das aus dem Reformer ausströmende Gas wird abgekühlt und sukzessive durch einen Kühlreaktor und nini»n nrior mehrere Reduktionsreaktoren geführt.

Während den Kühlungs- und Reduktionsstufen wird ein weiterer Reaktor, der zuvor gekühltes, reduziertes Erz in Form von Schwammeisen enthält, von dem System isoliert, so daß das Schwammeisen aus dem Reaktor ausgeführt und der Reaktor mit frischem Erz beschickt werden kann. Das Reaktorsystem ist mit geeigneten Schaltventilen versehen, wodurch der Gasfluß am Ende jedes Zyklus derart verlagert werden kann, daß der Kühlreaktor zum Beschickungsreaktor, der Endstufenreduktionsreaktor zum Kühlreaktor und der Beschikkungsreaktor zum Vorreduktionsreaktor werden.

Es wurde in früheren Systemen dieses Typus, in denen das gekühlte Reduktionsgas anfänglich in den Kühlreaktor eingeführt wird, festgestellt, daß, insbesondere während des späteren Stadiums des Kühlvorgangs, eine Neigung zur Verschiebung des Reformierungsreaktionsgleichgewichts in umgekehrter Richtung, insbesondere zur Umsetzung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff unter Bildung von Methan und Wasserdampf besteht. Da die umgekehrte Reaktion exotherm ist, führt dies zu einer Verzögerung der Abkühlung des Schwammeisens im späteren Teil des Kühlungszyklus.

Darüber hinaus enthält das reduzierte Erz in dem Kühlreaktor, das weitgehend aus Schwammeisen besteht, immer noch eine gewisse unreduzierte Oxidmenge, weshalb ein gewisser Teil der Reduktion während des Durchtritts des Kühlgases durch den Kühlreaktor mit dem Ergebnis erfolgt, daß das zu dem R^duktionsreaktor weilerfließende Gas eine etwas geringere Reduktionsqualität als das aus dem Reformer ausströmende Gas aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren für die ansatzweise, halbkontinuierliche Gasreduktion von Metallerzen in einem Mehrreaktorsystem bereitzustellen, bei dem die vorstehend angeführten Nachteile bekannter Reduklionssysteme dieser Art überwunden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) die Reduktion des metallischen Erzes und das Kühlen des reduzierten Erzes schichtweise in getrennten Reaktionsreaktoren durchgeführt,

b) das reduzierende Gas in einem katalytischen Reformer gebildet,

c) das gesamte ausfließende Gas aus dem Reduktionsreaktor abgekühlt und teilweise in den Reduktionsreaktor rezirkuliert und teilweise in den Kühlreaktor geleitet wird, wobei das vorgeformte reduzierende Gas aus dem Reformer mit dem rezirkulierten Gas aus dem Reduktionsreaktor gemischt wird.

Die Erfindung wird durch die Zeichnungen veranschaulicht, die eine Vorrichtung zeigen, die zur Durchführung der Erfindung verwendet weiden kann.

Fig. 1 veranschaulicht ein zur Durchführung einer Ausführungsform der Erfindung verwendbares 3-Reaktorsystem;

Fig.2 veranschaulicht ein zur Durchführung einer Ausführungsform der Erfindung anwendbares 2-Reaktorsy stern;

F i g. 3 stellt eine Abänderung des Systems der F i g. 2 dar, worin das dem System zugeführte Methan in den 'Kühlgaszurückführungsleil des Systems eingeführt wird und die aus der Kühlgasrückfiihrung ausströmenden Gase als Methanbeschickung für den Reformer verwendet werden;

F i g. 4 stellt ein Verfahren zur Beschickung von Erz in und zur Entfernung von Schwammeisen aus einem

2-Reaktorsystem dar;

Fig.5 veranschaulicht einen typischen Zeitplan für den Betrieb eines 2-Reaktorsystems des in den Fig.2 und 3 dargestellten Typus.

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 umfaßt das gezeigte System die Reaktoren 10, 12 und 14, die jeweils mit Verbrennungskammern 10a, 12a und 14a versehen sind, die mit den oberen Teilen des Reaktors in Verbindung stehen. Das System wird anfänglich während des Teils des Zyklus beschrieben, in welchem der Reaktor 10 den Redukiionsreaktor, der Reaktor 12 den Kühlreaktor, und der Reaktor 14 den Beschickungsreaktor darstellt.

In dem linken Teil der F i g. 1 wird ein weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Gas in einem Reformer 16 bekannter Bauart erzeugt. Methan, Erdgas oder anderes Kohlenwasserstoffgas aus einer geeigneten Quelle wird durch die Leitung 18 geführt und in dem Schachtteil 20 des Reformers vorerhitzt. Es fließt sodann durch Leitung 22, in der es mit durch die Leitung 24 zugeführtem Wasserdampf vermischt wird, und das Methan-Wasserdampf-Gemisch tritt in den unteren Teil 26 des Reformers ein. In dem unteren Teil 26 des Reformers wird das Methan-Dampf-Gemisch katalytisch bei erhöhter Temperatur und in bekannter Weise in ein Reduktionsgas umgewandelt, das weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht.

Das resultierende Gasgemisch fließt durch die Leitung 28 zu einem Abschreckungskühler 30, in dem es gekühlt und entwässert wird, und sodann zu dem Reduktionsgassammelrohr 32, welches ein Strömungsmeßgerät 33 und ein Rückdruckkontrollgerät 34 enthält. Die Sammelleitung 32 ist durch eine Zweigleitung 36, die das Ventil 38 enthält, mit einem röhrenförmigen Schlangenheizgcrät 40, durch eine Zweigleitung 42, die das Ventil 44 enthält, mit einem Erhitzer 46 und durch die Zweigleitung 48, die ein Ventil 50 enthält, mit dem Erhitzer 52 verbunden. Während des hier beschriebenen Teils des Zyklus sind die Ventile 44 und 50 geschlossen und das Ventil 38 geöffnet.

Das Reduktionsgas fließt durch die Leitung 36 zu dem Erhitzer 40 in dem es auf eine Temperatur in der Größenordnung von 700 bis 850°C erhitzt wird. Da die erwünschte Reduktionsgastemperatur beim Eintritt in den Reduktionsreaktor 10 in der Größenordnung von 900 bis HOO⁰C. vorzugsweise etwa 1050°C, liegt, ist ein weiteres Erhitzen des den Schlangenerhitzer 40 verlassenden Gases erforderlich, wobei diese weitere Erhitzung in der Verbrennungskammer 10a durchgeführt wird. Insbesondere fließt das aus dem Erhitzer 40 ausströmende Gas durch eine Leitung 54 zu der Verbrennungskammer 10a, in der es mit einem sauerstoffenthaltenden Gas, das durch die Leitung 56, die das Ventil 58 enthält eingeführt ist, vermischt wird. Das sauerstoffenthaltende Gas kann Luft oder reiner Sauerstoff oder deren Gemische darstellen, wobei es jedoch vorzugsweise relativ reiner Sauerstoff zur Vermeidung der Einführung von Stickstoff in das System ist Innerhalb der Verbrennungskammer wird ein Teil des heißen Reduktionsgases unter Erzeugung eines Gemisches verbrannt -das die gewünschte relativ hohe Temperatur aufweist Die Verbrennungskammer 10akann von dem in dem US-PS 2900247 (Celada) beschriebenen Typus sein. Es wird vermerkt, daß die Verbrennungskammer 12a mit dem sauerstoff enthaltenden Gas durch eine Leitung 60, die das Ventil 62 enthsJt und die Verbrennungskanmier 14a mit dem sauerstoffenthaltenden Gas durch eine Leitung 64, die das Ventil 66 enthält, versorgt werden können. Jedoch sine während des hier beschriebenen Teils des Zyklus die angegebenen Ventile 62 und 66 geschlossen.

Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß dit Verbrennungskammern 10a, 12a und 14a, soferr erwünscht, durch Überhitzer ersetzt werden können, urr das Reduktionsgas von der Auslaßtemperatur dei Schlangenerhitzer 40, 46 und 52 auf die gewünschte Reduktionstemperatur von 900 bis 1100° C zu bringen.

Das Volumen des verwendeten sauerstoffenthalten den Gases sowie dessen Temperatur hängen von den· Sauerstoffgehalt des Gases ab. So wird es, wenn Luft al; sauerstoffenthaltendes Gas verwendet wird, wünschenswerterweise auf eine Temperatur in der Größen-Ordnung von 700°C oder höher vorerhitzt, während be Verwendung von Sauerstoff eine Vorerhitzung nichi erforderlich ist oder auf eine wesentlich tiefere Temperatur erfolgen kann. In ähnlicher Weise kann wenn Luft als sauerstoffenthaltendes Gas verwende!

wird, das Volumen verhältnis von Luft zu Reduktionsgas mit welchem es vermischt wird, einen derart hoher Wert von 0,4 :1 und typischerweise in dem Bereich vor 0,15 bis 0,3 erreichen. Wenn andererseits Sauerstoff als sauerstoffenthaltendes Gas verwendet wird, werder normalerweise bei einem Volumenverhältnis innerhalb, des Bereiches von 0,05 bis 0,15 annehmbare Ergebnisse erhalten.

Aus der Verbrennungskammer 10a tritt das heiße Reduktionsgas in den oberen Teil des Reaktors 10 ein und fließt durch das darin befindliche Erzbett unter Bewirkung einer Reduktion des Erzes zu Schwammetall nach unten. Wie nunmehr beschrieben werden wird wird ein wesentlicher Teil dieses Gases unter Erzeugung einer relativ hohen Massenflußgeschwindigkeit des Gases durch das Erzbett zurückgeführt.

Das aus dem Reaktor 10 ausfließende Gas verläßt den Reaktor in der Nähe von dessen Boden durch eine Leitung 68 und tritt durch einen Abschreckungskühler 70, in dem es gekühlt und entwässert wird, und sodann durch eine Leitung 72 in eine Sammelleitung bzw Kopfstück 74. Mit der Sammelleitung bzw. Kopfstück 74 sind eine Zweigleitung 76, die ein Ventil 78 enthält, und eine Zweigleitung 80, die ein Ventil 82 enthält verbunden. In gleicher Weise kann das aus dem Reaktor 12 ausfließende Gas zu der Sammelleitung bzw Kopfstück 84 fließen, das mit einer Zweigleitung 86, die ein Ventil 88, und einer Zweigleitung 90, die ein Ventil 92 enthält, verbunden ist. Auch kann das aus dem Reaktor 14 ausfließende Gas zu einer Sammelleitung 94 fließen die mit einer Zweigleitung 96, die ein Ventil 98 enthält und einer Zweigleitung 100, die ein Ventil 102 enthält verbunden ist Während des Teils des hier beschriebenen Zyklus sind die Ventile 78 und 92 geöffnet und die Ventile 82,88,98 und 102 geschlossen.

Ein Teil des aus dem Reduktionsreaktor 10 ausströmenden Gases wird wiedererhitzt und in den Reduk tionsreaktor zurückgeführt und der verbleibende Teil des ausströmenden Gases wird in das Kühlgassystem ir einer nachstehend beschriebenen Weise übergeführt

Insbesondere fließt das aus dem Reduktionsreaktor 10

ausströmende Gas durch die Leitung 76 zu dei

Reduktionsgaswiederzurückführungs-Sammelleitung

104, welche ein Prüfventil 105 enthält und an einem

Ende mit der Saugseite der Reduktionsgasrezirkula-

tionspumpe 106 und an ihrem anderen Ende mit einet Gastransferleitung 108 verbunden ist Von der Pumpe 106 fließt Reduktionsgas durch die Leitung 110, die der Strömungsregler 112 enthält zu der Sammelleitung 32

Λ>

und dann durch den Erhitzer 40 und die Verbrennungskammer 10a zu dem Reaktor 10. Der Teil des Reduktionsgases, der aus dem Reduktionsgaskreis durch die Leitung 108 entzogen wird, fließt zu der Kühlgassammellcitung 114. Wie in Fig. 1 gezeigt i«t, s enthält die Leitung 108 ein Prüfventil 116 und ein Strömungsmeßgerät 118.

Das Volumenverhältnis von durch die Pumpe 106 zurückgeführten Gases zu Auffüllreduktionsgas aus dem Reformer 26 kann von beispielsweise 0,5 : 1 bis zu einem so hohen Wert von 10:1 variieren, liegt jedoch typischerweise in der Größenordnung von 2:1 bis 3 : 1. Die Zuriickführung des Reduktionsgases zu dem Reaktor 10 erhöht die Massenströmungsgeschwindigkeit durch das Erzbett, wodurch das Bett auf einer mehr annähernd gleichförmigen und höheren Durchschnittstcniperatur gehalten wird. Auch erlaubt eine derartige Zurückführung eine größere Ausnutzung der Reduklionskomponenten des Gases.

Wie vorstehend angeführt, arbeitet der Reaktor 12. während des nun beschriebenen Teils des Zyklus als Kühlrcaktor, und es wird hierdurch Kühlgas in einer nun zu beschreibenden Weise zirkuliert. Wie bereits vorstehend angeführt, fließt ein Teil des gekühlten Reduktionsgases von dem Reduktionsgaskreis durch die Leitung 108 zu der Sammelleitung 114. Die Sammelleitung ist mit dem oberen Teil des Reaktors 12 durch eine Zweigleitung 120 verbunden, die das offene Ventil 122 enthalt. Sie ist auch mil dem oberen Teil des Reaktors 10 durch eine Zweigleitung 124, die das Ventil 126 enthält. und mit dem oberen Tt il des Reaktors 14 durch eine Zweigleitung 128, die das Ventil 130 enthält, verbunden, wobei jedoch während des hier beschriebenen Teils des Zyklus die angegebenen Ventile 126 und 130 geschlossen sind. Das Kühlgas fließt durch die Leitung 120 zu dem Reaktor 12 und nach unten durch das Bett des hierin befindlichen reduzierten Erzes zu dessen Kühlung. Das aus dem Reaktor 12 ausströmende Gas fließ! durch die Leitung 132 zu einem Abschreckungskühler 134, worin es gekühlt und entwässert wird, und sodann durch eine Leitung 136, die Sammelleitung 84 und die Leitung 90 zu der Kühlgaszurückführungssammelleitung 138. Die Zurückführung des Kühlgases wird durch einen Anschluß der Sammelleitung 138 an das Saugen der Kühlgaszurückführungspumpe 140 bewirkt. deren Auslaß mit der Sammelleitung 114 verbunden ist. Wie in der F i g. 1 gezeigt ist. enthält die Sammelleitung 114 einen Strömungsregler 142, der zwischen dem Auslaß der Pumpe 140 und dem Punkt befindlich ist, an dem die Transferleitung 108 mit der Sammelleitung verbunden ist.

Somit wird ein Kühlgaskreis zur Verfügung gestellt der den Reaktor 12, die Leitung 132, den Kühler 134, die Leitung 136, die Sammelleitung 84, die Leitung 90. die Sammelleitung 138. die Pumpe 140, die Sammelleitung 114 und die Leitung 120 umfaßt Nahe der Saugseite der Pumpe 140 wird Gas aus diesem Kreis kontinuierlich durch eine Treibstoffsammelleitung 144 entzogen, die ein Prüfventil 145 und einen Rückdruckregler 146 enthält um den Druck in dem Kühlgaskreis im wesentlichen konstant zu halten. Das durch die Treibstoffsammelleitung 144 entzogene Gas kann als ein Treibstoffgas zum Erhitzen des Reformers 16 und/oder der Erhitzer 40,46 und 52 verwendet werden. Es kann, sofern erwünscht, durch Zusatz von Methan oder Erdgas ergänzt und angereichert werden.

Das Volumenverhältnis des durch den Kühlgaskreis zirkulierenden Gases zu dem in den Kreis durch die Leitung 108 eintretenden Gas, liegt wünschenswerterweise innerhalb des gleichen Bereiches wie jenes des Reduktionsgaskreises, d.h., 0,5 bis 10. wobei das bevorzugte Verhältnis in der Größenordnung von 2 : 1 bis 3 : 1 liegt.

Während des Teils des nun beschriebenen Zyklus ist der Reaktor 14 wirksam von dem Rest des Systems durch die geschlossenen Ventile 50, 98, 102, 130 und 66 isoliert. Während dieses Zeitraums wird das gekühlte Schwammeisen hieraus ausgelassen und der Reaktor mit frischem Erz beschickt. Am Ende eines Zyklus werden die Reaktoren funktionell ausgetauscht, d. h. der Reaktor 10 wird zum Kühlreaktor, der Reaktor 12 wird der Ausführungs- und Beschickungsreaktor und der Reaktor 14 wird zum Reduktionsreaktor. Die Art und Weise, in der die verschiedenen vorstehend beschriebenen Ventile zur Durchführung dieses Austausche geöffnet oder geschlossen werden können, ist für den Fachmann offensichtlich.

In der Fig. 2 der Zeichnungen ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in der lediglich zwei Reaktoren und ein Schlangenhcizer verwendet werden. Das System der F i g. 2 umfaßt die Reaktoren 210 und 212, die den Reaktoren lOund 12der F i g. 1 ähnlich sind, und die die verbundenen Verbrennungskammern 210;? und 212cf jeweils aufweisen. Das System wird anfangs in einem Zustand erläutert, in dem der Reaktor 210 als Reduktionsreaktor und der Reaktor 212 als Kühlunpsreaktor arbeitet. Wie im Fall der F i g. 1 wird ein Gns, das weithin aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, in einem Reformer 216 erzeugt, und dieses fließt durch die Leitung 228 zu cinemAbschreekungskühlcr 230. worin es gekühlt und entwässert wird. Aus dem Kühler 230 fließt das Reduktionsgas durch die Leitung 232. die ein Strömungsmeßgerät 233 und ein Rückdruckregelgerät 234 enthält, zu einem einzigen Sehlangenerhitzer 350, der beiden Reaktoren dient. Innerhalb des Erhitzers 350 wird das Gas auf eine Temperatur von 700 bis 850⁰C erhitzt und fließt sodann zu einer Heißreduktionsgassammelleiiung 352. die durch die Zweigleitung 354, die das Ventil 356 enthält, mit der Verbrennungskammer 210a des Reaktors 210 und durch eine Zweigleitung 358. die das Ventil 360 enthält, mit der Verbrennungskammer 212.-7 des Reaktors 212 verbunden ist. Während des nun beschriebenen Teils des Zyklus ist das Ventil 360 geschlossen und das Ventil 356 geöffnet.

Wie im Fall des Systems der Fig. 1, umfaßt das System der Fig. 2 einen Reduktionsgaskreis zur Zurückführung des Reduktionsgases, welches den Reduktionsreaktor verläßt, einen Kühlgaskreis bzw. -kreislauf zur Zurückführung des den Kühlreaktor verlassenden Kühlgases, eine Gastransferleitung zur Oberführung eines Teils des Reduktionsgases von dem Reduktionsgaskreis zu dem Kühlgaskreis und eine Einrichtung zur Entfernung einer vorbestimmten Menge des Kühlgases von dem Kühlgaskreis. Insbesondere fließt das in den Reaktor 210 von der Verbrennungskammer 210a eintretende heiße Gas abwärts durch ein Erzbett in dem Reaktor, um dieses weitgehend zu Schwammeisen während des Reduk- t'onszyklus zu reduzieren. Das aus dem Reaktor 210 ausfließende Gas fließt durch die Leitung 268, den Kühler 270. die Leitung 272, welche einen Strömungs messer 273 aufweist die Sammelleitung 274, die Leitung 276. die Leitung 304, die einen Strömungsregler 305 enthält, die Pumpe 306 und eine Leitung 362 zu Leitung 232, sodann erneut durch den Erhitzer 350 und die Leitungen 352 und 354 zu der Verbrennungskammer

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21Oa und dem Reaktor 210. Von der Leitung 276 des Reduktionsgaskreises wird Gas durch eine Leitung 364, die ein Prüfventil 366 enthält, entzogen und fließt zu der Kühlgasrückführungssammelleitung 314 des Kühlgaskreises. Der Kühlgaskreis umfaßt den Kühlreaktor 212 von dem ausströmendes Gas durch die Leitung 332, den Kühler 334, die Leitung 336, die ein Strömungsmeßgerät 337 enthält, die Sammelleitung 284, die Leitung 290, die Leitung 338, die das Strömungsregelgerät 339 enthält, die Pumpe 340, die Leitung 314 und die Leitung 320 zurück zu dem oberen Teil bzw. der Spitze des Reaktors 212. Die Zurückfühmngsverhältnisse für die Reduktionsgas- und Kühlgaskreise können innerhalb des gleichen Bereiches liegen, der vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 angegeben wurde. Das Gas wird kontinuierlich aus dem Kühlgaskreis durch die Leitung 344, die das Prüfventil 345 enthält, entnommen und fließt zu einer Treibstoffsammelleitung 368, die ein Rückdruckregelgerät 369 enthält. Das derart entfernte Gas, ergänzt durch einen Methan- oder Erdgaszusat^. sofern erforderlich, kann als Brennstoffgas angewandt werden, um den Reformer 216 und/oder Erhitzer 350 mit Wärme zu versorgen. Das System der Fig 2 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, daß der Reaktor 212 sowohl als Kühlreaktor als auch als Auslaß- und Beschickungsrcaktor verwendet wird. Die Zurückführungsverhaltnisse in den Reduktions- und Kühlkreisen werden derart eingestellt, dai' der Kühlkreis in einem kürzeren Zeitraum als der Reduktionskreis beendet ist. Das Zeitintervall zwischen der Beendigung des Kühlzyklus und der Beendigung des Reduktions/yklus ist derart, daß der Reaktor 212 bis zur Beendigung des Reduktionszyklus in Reaktor 210 ausgelassen und mit frischem Erz beschickt werden kann. Nach Beendigung des Reduktionszyklus werden die Reaktoren in ;.'<.τ in Verbindung mit F ί g. 1 beschriebenen Weise funktionell ausgetauscht, d. h.. der Reaktor 210 wird ein Kühireaktor und der Reaktor 212 wird ein Reduktionsreaktor.

Ein typischer Zeitplan des Betriebes der Reaktoren über einen 24-Stunden-Zeitraum ist in F i g. 5 der Zeichnungen dargestellt. So zeigt F i g. 5. daß der Reaktor 210 während eines Zeitraums von 4 Stunden als Reduktionsreaktor und sodann 3 Stunden als Kühlreaktor betrieben wird, wonach er ausgelassen und erneut beschickt wird und sodann wird der Beiriebszykl'is wiederholt. In gleicher Weise arbeitet der Reaktor 212 3 Stunden als Kühlreaktor, wird sodann ausgelassen und mit frischem Erz in der folgenden Stunde beschickt, wonach er während 4 Stunden als Reduktionsreaktor betrieben wird. Hiernach wird der zyklische Betrieb des Reaktors 212 wiederholt

Somit werden mit dem System der Fig. 2 die Reduktions-, Kühl- und Auslaßvorgänge in zwei Reaktoren derart durchgeführt daß eine außergewöhnlich effiziente Ausnutzung der Anlagen erreicht wird. Da lediglich zwei Reaktoren verwendet werden, sind die Hauptanlagenkosten im Vergleich zu solchen Systemen verringert die mit drei oder mehr Reaktoren arbeiten.

Während des Auslaß- und Beschickungsvorgangs wird der Reaktor von dem System isoliert und es ist deshalb erforderlich. Maßnahmen für den Teil des aus dem Reduktionsreaktor ausströmenden Gases zu treffen, der aus dem Reduktionsgaskreis entzogen wird. In F i g. 2 ist die Kühlgassammelleitung 314 durch eine Leitung 370, die ein Ventil 372 enthält mit der Treibstoffsammeileitung 368 verbunden. Während des Zeitraums, in dem der eine oder der andere der Reaktoren ausgelassen und beschickt wird, wird das

Ventil 372 geöffnet um ein direktes Fließen des Transferases zu der Treibstoffsammelleitung 368 zu gestatten.

Wie vorstehend in Verbindung mit der Erörterung

der bekannten Verfahren, die in den Mader-und-Celada-Patenten beschrieben sind, angegeben wurde, besteht bei sukzessiver Einleitung des Reduktionsgases aus dem Reformer in einen Kühlreaktor und einen Reduktionsreaktor die Neigung, daß während des späteren Teils

ίο des Kühlzyklus der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid Methan und Wasserdampf erzeugen und, da diese Reaktion exotherm ist, daß die Abkühlung des Schwammeisens verzögert wird. Diese Reaktion kann bis zu einem bedeutenden Ausmaß durch Anwendung

des in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren inhibiert werden, worin das frisch gebildete Gas aus dem Reformer zuerst in den Reduktionsreaktor eingegeben, sodann abgekühlt und in den Kühlreaktor eingeleitet wird. Diese unerwünschte Reaktion kann noch weiter

durch Anwendung der Abänderung der Erfindung, die in der Fig. 3 der Zeichnungen veranschaulicht ist, unterdrückt werden.

Da die F i g. 3 der F i g. 2 sehr ähnlich ist, sind nur die Unterschiede zwischen den zwei Figuren beschrieben

und es werden die gleichen Bczugs/iffern zur Bezeichnung entsprechender Teile in den beiden Figuren angewandel. Die hauptsächlichen Unterschiede in dem System der F i g. 3 bestehen darin, daß das in das System eingeführte Methan in das System über den Kühlgas kreis eintritt und das den Kühlgaskreis verlassende Gas durch den Reformer zurückgeführt wird.

• ^U\_r ^dl^{r F}'^{g3 ist dar}fc'^este111· daß mit der Kühlgas/uruckfuhrungssammellcitung 314 eine Leitung 374. die ein Ventil 376 enthält, verbunden ist, wodurch das V.ethan in den Kühlgaskreis eingeführt wird. Ein Mcihanzusatz an diesem Punkt erzeugt ein an Methan relativ reiches Kühlgas, welchi-s die vorstehend angegebene Reaktion unterdrückt, nämlich

3 H j + CO-* H ,O + C H 4

Das aus dem Kühlgaskreis durch die Leitungen 344 und 370 entzogene Gas fließt _/u einer Sammelleitung i<H. Ein Teil des durch die Sammelleitung 378 !hebenden Gases wird durch die Leitung 382 abgelenkt.

die einen Rückdruckregler 384 enthält, u.ti als Ireibstoffgas für den Reformer 216 und dui.h die Zweigleitung 386 als Treibstoffgas für den Erhitzer 350 angewandt zu werden. Der Rest des durch die Sammelleitung 378 fließenden Gases wird durch die

Pumpe 388 durch die Leitung 390, die einen Strömungs-

o^Cg U- ,³⁸° ^Cnlhäl1· ^{m dem} Reformer 216 als Beschickungsgas für den Reformer gepumpt.

hiner der Vorteile des 2-Reaktor-Systems, wie es in

aen M g. 2 und 3 gezeigt ist besteht unter Bezugnahme

Maut Mg.4 darin, daß es die Anwendung einer

kompakten und effizienten Feststoffbeschickungs- und

Auslaßvorrichtung erlaubt Die Reaktoren 410 und 412 IK ρ*Λλ c^{Onnea wie jene der F} · g-' b<s 3 in der in der us-Kb 34 67 368 beschriebenen Weise aufgebaut sein. *> wobei ein Bett aus inertem, teilchenförmigen!, feuerfestem Material, ζ. B. Gangart zuerst auf dem Boden des Keaktors ausgebildet ist und ein nachfolgend aufge-Dracntes Bett des zu reduzierenden Eisenerzes trägt uie Keaktoren sind oberhalb eines einzigen Ausfühv^ng5t"^ChtC,^rS angebracht der einen regulierbaren

Fördeί Λ«,!¹¹'*'**· ^{der Über einem endlOSen} Förderband 418 befindlich ist Das Band 418 wird durch

eine Walze 419, auf der es angebracht ist betrieben. Die

Walze 419 kann auf jegliche geeignete Weise, wie /.. B. einen Motor (nicht gezeigt) betrieben werden. Die Reaktoren 410 und 412 haben jeweils an ihrem Boden entfernbare Verschlüsse 410;) und 412.7. Somit kann, wenn, beispielsweise, Reaktor 410 das linde des Kühlzykliis erreicht, der Verschluß 410;; unter Auslaß des gekühlten Schwammeisens in den Trichter 414 geöffnet und der Verschluß 416 zur Aufgabe von Schwammeisen auf das Band 418 zur Überführung in einen Stahlerzeugungsofen oder Lagerraum reguliert werden.

Die Reaktoren 410 und 412 weisen entfernbare Deckel 4106 und 412i>, durch die sie beschickt werden können, auf. Über den Reaktoren befindet sich ein zentral angeordneter Fisencrztriclucr 420. der die Trichter 422 und 424 auf jeder seiner Seilen enthalt, wobei die Ie zieren Trichter zur Aufnahme eines teilchenförmigen feuerfesten Materials wie Gangart, geeignet sind. Der Trichter 422 weist an seinem unteren Teil ein Auslaßrohr 42h auf, das hierin ein Ventil oder Führungssehliiz 428 enthalt. Das untere linde ties Rohrs 426 ist in Deckung in der oberen Teil des Reaktors 410 cinführbar, wenn der Decke! 4106 zur Beschickung des Reaktors mit feuerfestem Material aus dem Trichter 422 entfernt worden ist. Der 'liichier 420 wt'is! «.-in l'.iar Leitungen 430 und 432 an seinem unteren KmIe auf, die hierin jeweils die Ventile oder LingußMellcn 434 und 43h enthalten. Die unteren linden der Rohre 430 und 432 sind in die Spitzen der Reaktoren 410 und 412 jeweils einführbar um eine Beschickung der Reaktoren mil It/ aus dem Trichter 420 zu erlauben. Der Trichter 424 weist ein Auslaßrohr 438 auf. das ein Ventil otler eine Kingußstelle 440 aulweist, und dieses ist in Deckung in die Spilze ties Reaktors 412 zur Beschickung des Reaktors 412 mit feuerfestem Material aus Trichter 424 einführbar. Wenn es beispielsweise gewünscht wird, den Reaktor 410 zu beschicken, so wird der Deckel 410/; hiervon entlernt und das Ventil 428 während ein.es Zeitraums geöffnet, so dall die gewünschte Menge ties feuerfesten Materials in den Reaktor unter Bildung eines Bettes an dessen unterem linde in tier in tier US-PS 34 b7 3b8 beschriebenen Weise fallt. Sodann wird tlas lir/ventil 434 zur Vervollständigung tier Beschickung des Reaktors geöffnet und der Deckel 410Λ wieder angebracht. Der Reaktor 412 kann in entsprechender Weise beschickt werden. Die Reaktoren. Zulührungstrichter, Auslalltrichter und der Förderer, bilden eine kompakte und effiziente Feststoffhandhabungseinheit.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Metallschwamm aus Metalloxid enthaltendem Erz durch Errichtung einer Reduktionszone, in der das oxidische Mineral zum Metallschwamm reduziert wird, und einer Kühlzone, in der der Metallschwamm abgekühlt wird, wobei in einem Reformer bei erhöhter Temperatur ein reduzierendes Gas gebildet wird, das weitgehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, und wobei dieses reduzierende Gas durch das oxidische Erz in der Reduktionszone geleitet wird, wobei ein Teil des ausströmenden Gases aus der Reduktionszone erhitzt und in die Reduktionszone zurückgeleitet wird und ein zweiter Teil des ausfließenden Gases aus der Reduktionszo- m in die Kühlzone zum Abkühlen des Metallschwammes geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Reduktion des metallischen Erzes und das Kühlen des reduzierten Erzes schichtweise in getrennten Reaktionsreaktoren durchgeführt,

b) das reduzierende Gas in einem katalytischen Reformer gebildet,

c) das gesamte ausfließende Gas aus dem Reduktionsreaktor abgekühlt und teilweise in den Reduktionsreaktor rezirkuliert und teilweise in den Kühlreaktor geleitet wird, wobei <*■*$ vorgeformte reduzierende Gas aus dem Reformer mit dem rezirkulierten Gas aus dem Reduktionsreaktor gemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zumindest einen Teil des aus dem Kühlreaktor ausströmenden Gases kühlt und in den Kühlreaktor zurückführt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest des gekühlten ausgeströmten Gases aus dem System zur Verwendung als Treibstoffgas entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von durch den Kühlreaktor zurückgeführtem Gas zu aus dem Reduktionsreaktor ausgeströmten Gas, das zu dem Kühlreaktor geleitet wird, von 1:1 bis to: 1 beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von zu dem Reduktionsreaktor zurückgeführtem Gas zu der Gasbeschickung in den Reduktionsgaskreis von 1 :1 zu 10 :1 beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das System drei Reaktoren umfaßt, von denen der erste den Reduktionsreaktor darstellt, der zweite hiervon den Kühlreaktor darstellt und der dritte hiervon von den ersten und zweiten Reaktoren zum Auslaß des reduzierten Erzes aus dem dritten Reaktor und zu dessen Wiederbeschikkung mit frischem Erz abgeschaltet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das System zwei Reaktoren umfaßt, wovon der erste den Reduktionsreaktor und der zweite den Kühlreaktor darstellt und der Fluß des Gases durch den Kühlreaktor unterbrochen wird, während der Fluß des Reduktionsgases durch den Reduktionsreaktor während eines vorbestimmten Zeitabschnittes fortgeselzt wird, wobei dieser Zeitabschnitt zum Auslaß des reduzierten Erzes aus dem Kühlreaktor und zu dessen Wiederbeschickung mil frischem Erz ausreichend ist

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil des aus dem Kühlreaktor ausfließenden Gases gekühlt und zu dem Kühlreaktor zurückgeführt wird, dem zu dem Kühlreaktor zurückgeführten Gas Kohlenwasserstoffgas zugefügt und ein zweiter Teil des aus dem Kühlreaktor ausströmenden Gases als in den Reformer eingeleitetes Kohlenwasserstoffgas angewandt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Teil des Auslaßgases aus dem Kühlreaktor als Treibstoffgas verwendet wird, um den Reformer mit Wärme zu versorgen.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Teil des Auslaßgases aus dem Kühlreaktor als Treibstoffgas zum Erhitzen des Reduktionsgases, das dem Reduktionsreaktor zugeführt wird, verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßgas aus dem Kühlreaktor mit Ausnahme des zurückgeführten ersten Teils (a) als in den Reformer eingegebenes Kohlenwasserstoffgas, (b) als Treibstoffgas zur Versorgung des Reformers mit Wärme und (c) als Treibstoffgas zum Erhitzen des dem Reduktionsreaktor zugeführten Reduktiorsgases angewandt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß des Kühlgases durch den Kühlreaktor unterbrochen wird, während der Fluß des Reduktionsgases durch den Reduktionsreaktor während eines vorbestimmten Zeitabschnitts fortgesetzt wird, wobei der Zeitabschnitt /um Auslaß des reduzierten Erzes aus dem Kühlreaktor und zu dessen Wiederbeschickung mit frischem Erz ausreichend ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß während des Zeitabschnitts der Rest des gekühlten Auslaßgases aus dem Reduktionsreaktor mit dem zugesetzten Kohlenwasserstoffgas vermischt und zumindest ein Teil des resultierenden Gemisches als Kohlenwasserstoffbeschickung zu dem Reformer verwendet wird.

14. Vorrichtung zum Beschicken eines Paares austauschbarer Reaktoren (410,412) unter Einschluß eines ersten Reaktors zum Reduzieren von Eisenerz zu Eisenschwamm und eines zweiten Reaktors zum Kühlen des Eisenschwammes, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (Füll)-Trichter (420) sich über den Reaktoren (410, 412) befindet und der Eisenerz enthält, wobei der erste (Füll)-Trichter Installationsrohre (430, 432) hat, die zur Spitze des ersten und zweiten Reaktors führen, und ein zweiter und dritter (Füll)-Trichter (422,424) über den Reaktoren ist, der teilchenförmiges und schwer schmelzbares Material (Refraktor-Material) enthält, und von dem Rohre (426,438) vom zweiten und dritten (Füll)-Trichter zu den Spitzen des ersten und zweiten Reaktors führen, und wobei mittels eines Ventils (428,434,436,440) in jeder der Zuleitungen der Durchfluß des Materials kontrolliert und reguliert wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Trichter (414) unter den Reaktoren (410, 412) angebracht ist, der so konstruiert und angebracht ist, daß er die Feststoffe, die aus den Reaktoren entladen werden aufnimmt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch

gekennzeichnet, daß ein endloses Fördergerät (418) die entladenen Feststoffe aus dem vierten Trichter (414) aufnimmt und Walzen (419) zum Betreiben des endlosen Förderbandes, durch das die Feststoffe au» dem Bereich des Reaktors gebracht werden, angebracht sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und dritte Trichter (422,424) an gegenüberliegenden Seiten des ersten (Eü'.l)-Trichters (420) angebracht '° sind.