DE2546416B2 - Verfahren für die chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung - Google Patents
Verfahren für die chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden und Verfahren zum Betrieb der VorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden zu
Metallen bei der getrennte Mengen metallhaltigen Materials gleichzeitig in einer Vielzahl von Reaktoren
einschließlich eines Kühlreaktors und mindestens eines Reduktionsreaktors behandelt werden, die in umlaufendem
Wechseltakt arbeiten und Verfahrein zum Betrieb der Vorrichtung.
Es ist eine Reduktionsvorrichtung zur Gasreduktion von Eisenoxiderzen in Brocken- oder Pelletform zu
Schwammeisen bekannt (DE-OS 23 32 999), bei der ein aus mehreren Einheiten bestehendes Reaktorsystem
eingesetzt ist, in denen getrennte Mengen von eisenhaltigem Material gleichzeitig behandelt werden.
Ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung ist aus den US-PS 29 00 247; 34 23 201 sowie den US-PS
623, 3136 624 und 3136 625 bekannt. Die
prinzipiellen Verfahrensschritte zum Betrieb dieser Vorrichtung sind (1) die Reduktion des Erzes zu
Schwammeisen, (2) das Abkühlen des reduzierten Erzes und (3) das Entfernen des Schwamincisens aus dem
Reaktionsgefäß und erneutes Beschicken mit zu reduzierendem Eisenerz. Die Reduktion erfolgt mit
einem Reduktionsgas, das gemeinhin eine Mischung aus
im wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist Das Gas erhält man typischerweise durch katalytische
Umsetzung einer Mischung von Wasserdampf und Methan zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem
katalytischen Reformiergefäß bekannter Bau ,veise nach der Gleichung
CH4 + H2O + CO + 3H^.
Das Produktgas des Reformiergefäßes wird gekühlt und danach durch einen Kühlreaktor und einen oder
mehrere Red-iktionsreaktoren gegeben, während der
Kühl- und Reduktionsstufen wird ein zusätzlicher Reaktor, der zuweilen als Ladereaktor bezeichnet wird
und der bereits gekühltes reduziertes Erz in Form von Schwammerz enthält, vom System abgetrennt, so daß
das Schwammeisen aus dem Reaktor entfernt und dieser mit frischem Erz beschickt werden kann. Das
Reaktorsystem ist mit geeigneten Schalm -'ilen versehen,
so daß am Ende jedes Zyklus die Gasströmung so umgeschaltet werden kann, daß der Reaktor der
Kühlstufe zum Ladereaklor, der Reduktionsreaktor der
letzten Stufe zum Kühlreaktor und der Ladereaktor zum Reduktionsreaktor der ersien Stufe werden.
Da die Reduktionsreaktoren eines solchen Systems für die Gasströmung in Reihe geschaltet sind, läßt die
Menge des frischen Reduziergases, die zur Erzeugung eines vorgegebenen Gewichts von reduziertem Erz mit
vorgegebenem Reduktionsgrad erforderlich isi sich senken, indem man die Anzahl der Reduktionsreakioren
in der Reihe erhöht. Der jedoch beim Durchströmen des Reduziergases durch die metallhaltige Beschickung in
jedem Reaktor auftretende Druckabfall setzt der Anzahl der Reaktoren, die eingesetzt werden können,
eine praktische Grenze. Aus diesem Grund weisen die bekannten Vorrichtungen üblicherweise einen Kühireaktor
und zwei Reduktionsreaktoren auf. Wird in einer solchen Vorrichtung ein dritter Redukiioiisreaktor
aufgenommen, fällt die Strömung des Reduziergases auf einen nicht mehr annehmbar niedrigen Wert ab, sofern
die Vorrichtung bzw. die Betriebsbedingungen nicht abgeändert werden. Derartige Änderungen bewirken
aber andere unerwünschte Effekte.
Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß bei den bekannten Vorrichtungen, bei denen das gekühlte
Reduziergas anfänglich in den Kühlreaktor gegeben wird, insbesondere während der späteren Stufen des
Kühlbetriebs die Neigung besteht, daß der oben erwähnte Reformierreaktor in entgegengesetzter Richtung
arbeitet, d. h., daß sich dort Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Methan und Wasserdampf verbinden,
Da diese Umkehrreaktion exotherm verläuft, verzögert sie die Abkühlung des Schwammeisens im letzten Teil
des Kühlzyklus.
Da weiterhin das reduzierte Erz im Kühlreaktor, das zwar im wesentlichen aus Schwammeisen besteht,
immer noch eine bestimmte Menge von nicht reduziertem Oxid enthält und deshalb während des
Durchlaufs des Kühlgases durch den Kühlreaktor eine gewisse Reduktion stattfindet, hat zum Reduktionsreaktor
weiterströmendes Gas eine etwas niedrigere Reduktionsgüte als das aus dem Reformierreaktor
austretende Gas.
Gemäß der US-PS 34 23 201 ist erwünscht, daß das reduzierte Schwammeisen einen bestimmten Anteil
Kohlenstoff enthält, damit es für die Strahlherstellung wirksam eingesetzt werden kann. Beim Verfahren
gemäß der US-PS 34 23 201 erfolgt die gewünschte AufkoHung durch eine zweistufige Abkühlung des
Schwammeisens im Kühlreaktor. In der ersten Stufe wird das Reduziergas mit dem gleichen Durchsatz durch
den Kühlreaktor gegeben wie durch den ersten Kühlreaklor. Während dieser ersten Siufe bricht das
heiße Schwammeisen einen Teil des kohlenstoffhaltigen Reduziergases auf, so daß sich Kohlenstoff auf der
Oberfläche der Schwammeisenteilchen ablagert. Nachdem das Schwammeisen auf eine Temperatur unterhalb
des Gaszersetzungswertes abgekühlt worden ist, wird das aus dem Kühlreaktor abgehende Gas gekühlt und
erneut in den Kreislauf gegeben, um die Abkühlung des Schwammeisens auf etwa Raumtemperatur zu beschleunigen.
Während dieses Verfahren brauchbar ist, um eine Ablagerung von Kohlenstoff auf den
Schwammeisenteilchen zu erreichen, unterliegt es der Einschränkung, daß die Menge des auf dem Schwammeisen
abgelagerten Kohlenstoffs sich nicht in so weiten Grenzen variieren läßt, wie manchmal erwünscht
wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung gemäß der eingangs erwähnten Art und ein
Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, daß eine effektivere chargenweise
Gasreduktion von Metalloxiden zu Metallen und eine bessere Ausnutzung des erzeugten, frischen Reduziergases
möglich werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahme gemäß den Kennzeichen der Patentansprüche
1,2 und 3 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich die Umkehrreaktion im Kühlreaktor geeigneterweise hemmen
oder unterdrücken. Weiterhin beeinträchtigt die Güteabnahme des Reduziergases infolge der Reduktion
von restlichem unreduziertem Erz im Schwammeisen die Güte des den Reduktionsreaktorcn zugcführtcn
Reduziergases nicht. Auch läßt sich die Kohlenstoffablagerung auf dem reduzierten Metall im Kühlreaktor
innerhalb eines verhältnismäßig breiten Bereiches variieren. Schließlich lassen sich eine effektive chargenweise
Gasreduktion von Metalloxiden zu Metallen und damit eine verbesserte Ausnutzung des vom Reformierer
erzeugten frischen Reduziergases erzielen.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die in Diagrammform
eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit mehreren Reaktoren zeigt.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung weist allgemein einen Kühlreaktor 10. den ersten bzw.
Hauptreduktionsreaktor 12, den zweiten Reduktionsreaktor 14, den dritten Reduktionsreaktor 16 und den
Ladereaktor 18 auf. Diese drei Reduktionsreaktoren sind hinsichtlich der Strömung des Reduziergases durch
die Beschickung mit eisenhaltigem Material, die sie enthalten, in Reihe geschaltet. Wie oben ausgeführt,
arbeitet das Erzreduktionssystem zyklisch bzw. periodisch. Die Erzreduktion und Kühlung sowie das
Abnehmen des gekühlten Schwammeisens aus dem Ladereaktor und dessen erneute Bescnickung mit
frischem Erz erfolgen gleichzeitig innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne, die von Faktoren wie der
Güte des Reduziergases und dessen Durchsatz, der Größe der Reaktoren, der zeitlichen Gasrückführmenge
und dergleichen abhängt. Am Ende jedes Arbeitszyklus werden die Reaktoren funktionsrnäßig derart umgeschaltet,
daß der Ladereaktor zum zweiten Reduktionsreaktor, der Haupt- bzw. erste Reduktionsreaktor zum
Kühlreaktor und der Kühlreaktor zum Ladereaktor werden. Diese funktionsmäßige Umschaltung der
Reaktoren läßt sich durch eine Ventil- und Rohrleitungsanordnung zwischen den Reaktoren bewerkstelligen,
die aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist und aus der Zeichnung fortgelassen wurde, um die
Darstellung zu vereinfachen.
Die Strömung des Reduziergases durch die Reduktionsreaktoren findet allgemein im Gegenstrom statt,
d. h. das frische Reduziergas wird in den Hauptreduktionsreaktor eingespeist, der eisenhaltiges Material
enthält, das im zweiten Reduktionsreaktor und im dritten Reduktionsreaktor während vorhergehender
Arbeitszyklen bereits teilreduziert worden ist. Der dritte Reduktionsreaktor, der anfänglich das frische Erz
enthält, wird mit Gas gespeist, das bereits den ersten und den zweiten Reduktionsreaktor durchlaufen hat.
Wie nun auf der linken Seite der Zeichnung dargestellt, wird ein sich im wesentlichen aus Kohlenmonoxid
und Wasserstoff zusammensetzendes Reduziergas in einem Reformer 20 bekannter Bauweise mit
einem gasbeheizten katalylischen Konverter 22 und einem Kamin 24 erzeugt. Methan, Erdgas oder ein
anderes Kohlenwasserstoffgas wird aus einer geeigneten Quelle über ein Rohr 26 mit einem Ventil 28
zugeführt und erwärmt sich beim Durchströmen einer Schlange 30 nahe dem oberen Ende des Schachtes 24,
wo zwischen ihm und den durch den Schacht strömenden Gasen ein Wärmeaustausch stattfindet. Das
die Schlange 31 verlassende Gas- bspw. Methan — wird mit Wasserdampf in den für die katalytische Umsetzung
zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff geeigneten Anteilen vermischt — typischerweise mit einem Molverhältni
<; von 1 : 2. Insbesondere wird Wasserdampf aus einem Dampfsammler 32 durch das Rohr 34 mit dem Ventil 36
zugeführt, und die Mischung von Wasserdampf und Methan strömt durch das Rohr 38 zu einer Schlange 40
im unteren Teil des Schachts 24, wo sie weiter vorgewärmt wird. Aus der Schlange 40 strömt die
Wasserdampf-Methan-Mischung durch das Rohr 42 zum Konverter 22 des Reformers 20, in dem sie auf
bekannte Weise durch extern beheizte Katalysatorrohre strömt, damit die gewünschte Umsetzung zu
Kohlenmonoxid und Wasserstoff stattfindet.
Aus dem Reformer 20 strömt das heiße Reduziergas durch das Rohr 44 zu einem rohrförmigen Abwärmekessel
46, in dem seine fühlbare Wärme zur Dampferzeugung ausgenutzt wird. Insbesondere strömt heißes
Wasser aus dem Dampfsammler durch das Rohr 48 zum Boden des Kessels 46 und von dort durch dessen Rohre,
in denen ein Teil des Wassers durch die Wärme des heißen Reduziergases verdampft. Die resultierende
Mischung aus Wasserdampf und heißem Wasser strömt durch das Rohr 50 zum Dampfsammler zurück.
Um die Wärme der durch den Kamin 24 des Reformers 20 strömenden Gase weiter zu nutzen, wird
vom Boden des Sammlers 32 durch das Rohr 52 heißes Wasser abgezogen, strömt durch eine Schlange 54 im
Schacht 24 und von dort wieder durch das Rohr 56 zum Sammler 32 zurück. Die im Kessel 46 und den Schlangen
im Schacht 24 gewonnene Wärme reicht mehr als aus, um den Wasserdampf zu erzeugen, der zur Mischung
mit dem Methan als Speisegas für den Reformer benötigt wird. Es steht also überschüssiger Dampf zur
Verfugung, den man vom Sammler 32 durch das Rohr 58 für irgendeine andere Verwendung in der Anlage
abziehen kann. Ersatzspeisewasser für das Dampferzeugungssystem fließt durch das Rohr 60 zu. Die
Verwendung des Dampfsammlers 32, des Abwärmekessels 46 und der Schlangen 30, 40 und 54 im Schacht 24
verbessert den Gesamtwärmehaushalt des Systems erheblich.
ί Das Reduziergas, das beim Durchströmen des Kessels
46 gekühlt worden ist, strömt durch das Rohr 62 zu einem Abschreckkühler 64, wo es gekühlt und
entwässert wird und von dort zu der Kopfleitung 66. Ein kleiner Teil des Reduziergases kann aus der Kopfleitung
in 66 über das Rohr 68 mit dem Ventil 70 entnommen und
dem Kühlreaktorsystem zugeführt werden, wie es im folgenden beschrieben wird. Der Hauptteil des Reduziergases
strömt durch das Rohr 66 mit dem Ventil 72 zu einem Schlangenheizer 74, wo es auf eine Temperatur
der Größenordnung von 700 bis 850°C erwärmt wird. Da die gewünschte Temperatur des Reduziergases am
Eingang des ersten Reduzierreaktors 12 in der Größenordnung von 900 bis UOO0C beträgt und
vorzugsweise IO5O°C ist, muß das den Heizer 74
:o verlassende Gas weiter erwärmt werden. Dies erfolgt in
einer Brennkammer 12a, die in Strömungsverbindung mit dem oberen Ende des ersten Reduktionsreaktors 12
steht. Insbesondere strömt das Gas aus dem Heizer 74 über das Rohr 76 zur Brennkammer 12a, wo es mit
einem durch das Rohr 78, mit dem Ventil 80 zugeführten sauerstoffhaltigen Gas gemischt wird. Das sauerstoffringe
Gas kann Luft oder reiner Sauerstoff oder deren Mischungen sein. Vorzugsweise setzt man jedoch
verhältnismäßig reinen Sauerstoff ein, damit kein Stickstoff in das System eindringen kann. Innerhalb der
Brennkammer wird ein Teil des heißen Reduziergases verbrannt, um eine Mischung mit der erwünschten
verhältnismäßig hohen Temperatur herzustellen. Die Brennkammer i2a kann der aus der US-PS 29 00 247
J5 bekannten Ausführung entsprechen. Falls erwünscht
kann das aus dem Heizer 74 ausströmende Gas in einem Überhitzer 82 in der Rohrleitung 76 weiter aufgeheizt
werden. Die Verwendung eines Überhitzers ist besonders
vorteilhaft, wenn man dem Reduziergas zwischen dem Reformer und dem Hauptreduzierreaktor ein
Kohlenwass;rstoffgas wie Methan hinzugibt, wie unten
beschrieben, da sich durch Verwendung eines Überhitzers die Menge des der Brennkammer 12a zuzuführenden
sauerstoffhaltigen Gases reduzieren läßt.
Das Volumen des eingesetzten sauerstoffhaltigen Gases sowie seine Temperatur hängen von seinem
Sauerstoffanteil ab. Verwendet man Luft als sauerstoffhaltiges Gas, wärmt man es wünschenswerter Weise aul
eine Temperatur in der Größenordnung von 7000C oder mehr vor; bei Sauerstoff braucht es nicht oder nur aul
eine erheblich geringere Temperatur vorgewärmt zt werden. Setzt man Luft als sauerstoffhaltiges Gas ein
kann das Volumenverhältnis der Luft zu dem Reduziergas, mit dem sie vermischt wird, bis 0,4 :1 betragen unc
liegt typischerweise im Bereich von 0,15 :1 bis 03 :1
Wenn man andererseits als sauerstoffhaltiges Ga! Sauerstoff einsetzt, ergibt ein Volumenverhältnis irr
Bereich von 0,05 :1 bis 0,15 :1 gewöhnlich annehmbare
Resultate.
Aus der Brennkammer 12a strömt das heiß« Reduziergas oben in den ersten Reduktionsreaktor Ii
ein und strömt durch das darin befindliche Bett vor eisenhaltigem Material abwärts, wobei es dieses weitei
zu Schwammetall reduziert. Das aus dem Reaktor Ii
austretende Gas tritt an dessen Boden durch das Rohi 84 aus und strömt durch einen Abschreckkühler 86, dei
es kühlt und entwässert, und dann durch ein Rohr 88 mi
einem Ventil 90 zu einem Schlangenheizer 92, der derr
Heizer 74 entspricht. Innerhalb des Heizers 92 wird das Gas wieder auf eine Temperatur in der Größenordnung
von 700 bis 850°C aufgeheizt, strömt dann durch das Rohr 94 zur Brennkammer 14a des zweiten Reduktionsrcaktors 14, die der Brennkammer 12a entsprichl. Die ■>
Kammer 14 erhält weiterhin sauerstoffhaltiges Gas aus der Leitung % mit dem Ventil 98. In der Brennkammer
14a wird ein Teil des Reduziergases verbrannt, um die Temperatur auf 900 bis 11000C zu steigern und tritt
dann in den zweiten Reduktionsreaktor 14 ein, wo es durch das in diesem befindliche Bett aus eisenhaltigem
Material abwärts strömt und dieses teilweise reduziert. Wie im Fall des ersten Reaktors kann auch das System
des zweiten Reaktors mit einem Überhitzer 100 in der Rohrleitung 94 versehen werden. ι
Das aus dem zweiten Redukliunsreaklor 14 austretende
Gas strömt durch ein Rohr 102, den Abschreckkühler 104 und die Rohrleitung 106 mit einem Ventil 108
zu einem Schlangenheizer 110, der den Heizern 74 und 92 entspricht und auf entsprechende Weise das
durchströmende Gas erwärmt. Aus dem Heizer 110 strömt das Gas durch das Rohr 112, das mit einem
Überhitzer 114 versehen sein kann, zur Brennkammer 16a. die mit dem Oberteil des dritten Reaktors 16 in
Strömungsverbindung steht. Die Brennkammer 16a entspricht den Brennkammern 12a und 14a und arbeitet
auf analoge Weise. Der Kammer 16a wird auf der Rohrleitung 116 mit dem Ventil 118 ein sauerstoffhaltiges
Gas zugeführt, und das heiße Reduziergas aus der Kammer 16a strömt durch das Bett aus eisenhaltigem 3d
Material im dritten Reaktor 16 abwärts, wobei es dieses teilweise reduziert. Das aus dem dritten Reaktor
austretende Gas strömt durch das Rohr 120 zum Abschreckkühler 122. wo es gekühlt und entwässert
wird. Ji
Das aus dem Kühler 122 austretende Gas enthält zwar einen verhältnismäßig geringen Anteil reduzierender
Bestandteile, läßt sich aber immer noch als Brenngas verwenden. Weiterhin hat sich in einigen Fällen die
Maßnahme als vorteilhaft herausgestellt, dieses Abgas aus dem dritten Reaktor dem ersten bzw. Hauptreaktor
12 zurückzuführen. Insbesondere läßt man einen vorbestimmten und geregelten Teil des Abgases aus
dem Kühler 122 durch das Rohr 124 mit dem Ventil 126 zu einer Pumpe 128 und von dort durch das Rohr 130
mit dem Strömungsregler 132 zur Kopfleitung 66 für das Reduziergas strömen. In Fällen, wo ein Teil des Abgases
aus dem dritten Reaktor 16 auf diese Weise in den Kreislauf rickgeführt wird, verbessert man die Güte des
dem ersten Reduktionsreaktor 12 zugeführten Gases wünschenswerter Weise durch Zugabe von Methan, das
man durch ein Rohr 134 zuführt, das an die Methanspeiseleitung 26 und die Kopfleitung 66
angeschlossen ist. Das Rohr 134 enthält einen Strömungsregler, mit dem die Methanströmung zur
Kopfleitung auf einen vorbestimmten Wert eingestellt
werden kann.
Der Rest des aus dem dritten Reduktionsreaktor 16 austretenden Gases strömt zu und durch eine Kopfleitung
138. Wie in der Zeichnung dargestellt, läßt sich mindestens ein Teil dieses Abgases als Brenngas zum
Beheizen des unteren Teils 22 des Reformers 20 und der Heizer 74,92 und 110 verwenden. Insbesondere läßt sich
Gas aus der Kopfleitung 138 durch das Rohr 140 mit dem Ventil 142 abziehen und als Brennstoff zum
Beheizen des unteren Teils 22 des Reformers 20 verwenden, durch das Rohr 144 mit dem Ventil 146
abziehen und als Brennstoff für den Heizer 74 verwenden, durch das Rohr 148 mit dem Ventil 150
abziehen und als Brennstoff für den Heizer 92 verwenden und durch das Rohr 152 mit dem Ventil 154
abziehen und als Brennstoff für den Heizer 110 verwenden. Wenn die Abgasmenge aus dem dritten
Reaktor größer ist als für die Rückführung in den Kreislauf durch das Rohr und die Beheizung des
Reformers und der Heizer der Reaktoren erforderlich, kann man das überschüssige Gas durch das Rohr 156 zu
einem geeigneten Speicherpunkt führen oder an die Atmosphäre ablassen.
Wie auf der rechten Seite der Zeichnung dargestellt, ist ein Ladereaktor, der im Aufbau den Reduktionsreaktoren
12, 14 und 16 entspricht, ebenfalls mit einem Heizer 158 versehen, in dessen Einlaßleitung 160 sich ein
Ventil 152 befindet. Das Abgas des Heizers 158 strömt
durch ein Rohr 164, das einen Überhitzer 166 enthalten kann, zu einer Brennkammer 18a, der sauerstoffhaltiges
Gas durch ein Rohr 168 mit einem Ventil 170 zugeführt werden kann. Während des hier beschriebenen Teils des
Arbeitszyklus sind die Ventile 162 und 170 jedoch geschlossen und ist der Ladereaktor 18 vom System
abgetrennt, so daß sich gekühltes reduziertes Schwammeisen aus dem Reaktor herausnehmen und
eine neue Beschickung von frischem Erz einführen lassen.
Wie oben angegeben, ist das System nach der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet, durch die
Tatsache, daß ein außerhalb des Gasstroms befindlicher Kühlreaktor eingesetzt wird. Der Kühlreaktor 10, wie
auch die Reaktoren 12, 14 und 16, ist mit einem Heizer 172, einer Einlaßleitung 174 mit dem Ventil 176. einem
Überhitzer 178 und einer Brennkammer 10a versehen, die während des hier beschriebenen Teils des Arbeitszyklus
durch Schließen der Ventile 176 und 180 außer Betrieb sind. Wie oben beschrieben, enthält der Reaktor
10 zu Beginn des Reduktionszyklus heißes reduziertes Schwamm: "en aus einem vorgehenden Reduktionszyklus.
Dies»-; Bett heißer Schwammeisenteilchen wird durch ein durchströmendes Kühlgas gekühlt. Das
Kühlgasumlaufsystem enthält eine Pumpe 182. die Gas durch eine Leit'-^g 184 oben in den Kühlreaktor 10
einpumpt. Das Cas strömt durch die Reaktorbeschikkung aus reduziertem Metall abwärts und kühlt sie. Das
Abgas des 1 uihlreaktors 10 strömt auf einer Leitung 186
zu einem Abschreckkühler 188. der es entwässert und kühlt und von dort auf der Leitung 190 zur Saugpumpe
182. Wenn als Kühlmedium zur Kühlung des reduzierten Erzes Reduziergis eingesetzt werden soll, läßt sich Gas
aus der Kopflei'ung Hf über eine Leitung 68 mit einem
Absperrventil 70 und einem Strömungsregler 192 abziehen, die für eine vv'rbestimmte Reduziergasströmung
in das Umlaufsystem des Kühlreaktors sorgen.
Um einen unerwünschten Druckstau innerhalb des Kühlsystems zu vermeiden, wird Gas aus dem Rohr 184
durch ein Rohr 194 mit dem Rückdruckregler 196 abgezogen, um im Kühlsystem einen erwünschten
Druck aufrechtzuerhalten. Das auf der Leitung 194 abgezogene Kühlgas kann entweder durch das Rohr 198
mit dem Ventil 200 zur Kopfleitung 66 zurück oder durch das Rohr 202 mit dem Ventil 204 zur
Abgassammelleitung 138 geführt werden. Allgemein gesagt, verbessert die Verwendung eines separaten
Kühlreaktors die Arbeitsflexibilität des Systems, da sie eine unabhängige Steuerung sowohl der Gasströmungsrate
als auch der Zusammensetzung des Gases im KühlgaskreisFauf gestattet.
Wie oben ausgeführt, ist oft erwünscht, ais Kühlgas
für die Kühlung des heißen Erzes ein Gas mit Bestandteilen einzusetzen, aus denen sich Kohlenstoff in
vorbestimmter Menge auf der Oberfläche des reduzierten Schwammeisens absetzen soll. Es kann also
erwünscht sein, in dem Kühlkreislauf ein Gas mit einer etwas anderen Zusammensetzung als der des den
Reduktionsreaktoren zugeführten Gases einzusetzen, um eine optimale Ablagerung des Kohlenstoffs auf dem
Schwammeisen zu erreichen. Um eine Abänderung der Gaszusammensetzung innerhalb des Kühlreaktorkreislaufs
zu gestatten, ist eine Zweigleitung 206 mit einem Ventil 208 an die Kühlgasrückführleitung 190 angeschlossen.
Wie in der Zeichnung dargestellt, kann eines einer Anzahl unterschiedlicher Gase — bspw. Kohlenmonoxid,
Methan, Wasserstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid — auf der Leitung 206 entweder anstelle des oder
zusätzlich zu dem in die Leitung 68 gegebenen Produktgas aus dem Reformer eingegeben werden. Bei
dem dargestellten System läßt sich auf diese Weise die Zusammensetzung des Kühlgases mit Leichtigkeit
modifizieren, um eine gewünschte Kohlenstoffablagerung auf der Oberfläche der reduzierten Schwammeisenteilchen
zu erreichen. Weiterhin läßt der Kühlgasdurchsatz sich innerhalb eines breiten Bereiches
unabhängig vom Durchsatz des Reduziergases durch die Reduzierrekatoren der Anlage einstellen.
Ein weiterer Vorteil eines solchen abgetrennten Kühlreaktors ist, daß das Reduziergas aus dem
Reformer unmittelbar auf den ersten Reduktionsreaktor 12 gegeben werden kann, ohne daß es erst das Bett aus
reduziertem Metall im Kühlreaktor durchströmen muß. Da der Druckabfall über dem im Reaktor 10 gekühlten
Metallbett sich nicht den verschiedenen Druckabfällen in den Reduktionsreai'.toren des Systems hinzuaddiert,
ist es auf wirtschaftliche Weise möglich, drei oder mehr Reduktionsreaktoren in Reihe zu schalten, nicht nur die
zwei Reduktionsreaktoren nachdem Stand der Technik. Auf diese Weise lassen die Produktion von gekühltem
und reduziertem Schwammeisen mit vorgegebenem Reduktionsgrad pro Volumeneinheit sich erhöhen und
sich ein verbesserter Ausnutzungswirkungsgrad des Reduziergases erreichen.
Wie bereits erwähnt, zeigt beim Einsatz eines im Strömungsfluß befindlichen Kühlreaktors während der
späteren Stufen des Kühlvorgangs die Reformierreaktion die Neigung zur Umkehr, d. h. der Bildung von
Methan und Wasser aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die von dieser Umkehrreaktion erzeugte Wärme
verzögert den Kühlvorgang. Bei einer abgetrennten Kühlreaktion nach der vorliegenden Erfindung läßt sich
Methan durch das Rohr 206 in den Kühlgaskreis einführen, um diese unerwünschte Umkehrreaktion zu
unterdrücken. Weiterhin läßt sich dem Kühigaskreis Stickstoff hinzufügen, um die Menge des auf dem
Schwammeisen abgelagerten Kohlenstoffs zu reduzieren. Das dem Kühlgaskreis durch das Rohr 206
zugeführte Kohlenstoffmonoxid fördert die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Schwammeisen, während beim
Zufügen von Kohlendioxid diese Ablagerung geringer wird. Schließt man das Ventil 70 und führt durch das
Rohr 206 als Kühlmittel Wasserstoff zu, erreicht man einen hohen Metallisierungsgrad ohne Kohlenstoffabiagerung.
Auf diese Weise erlaubt die Abtrennung des Kühlreaktors eine erhebliche Flexibilität des Betriebs.
Es ist bereits festgestellt worden, daß der außerhalb
ίο des Strömungsflusses befindliche Kühlreaktor nach der
vorliegenden Erfindung besonders nützlich ist in Systemen mit drei oder mehr in Reihe geschalteten
Reduktionsreaktoren. Er läßt sich aber mit Vorteil auch in Systemen mit einem oder mehr Reduktionsreaktoren
einsetzen. Unabhängig von der Anzahl der eingesetzten Reduktionsreaktoren erlaubt also der Kühlreaktor
außerhalb des Strömungsflusses nach der vorliegenden Erfindung einen breiteren Bereich der Kohlenstoff-Ablagerungsmengen
im Kühlreaktor und erleichtert die Unterdrückung der Umkehrreaktion im Kühlreaktor.
Es ist natürlich einzusehen, daß die obige Beschreibung nur der Erläuterung dienen soll und sich an der
beschriebenen speziellen Ausführungsform zahlreiche Änderungen durchführen lassen, ohne vom Grundge-
T' danken der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
ausgeführt ist, abzugehen. Während bspw. die Erfindung in ihrer Anwendung auf die Reduktion von Eisenerz zu
Schwammeisen beschrieben worden ist, läßt sie sich auch bei der Reduktion von Erzen anderer Metalle wie
4» bspw. Kufper, Nickel und Zinn einsetzen. Weiterhin
kann man — anstatt durch das Rohr 134 dem Speisegas für den Reduktionsreaktor — das Methan auch durch
das Rohr 206 in Kreislauf für den Kühlreaktor geben und auf diese Weise ein umlaufendes Gas erzeugen, das
)r> mit Methan angereichert ist. Dieses mit Methan
angereicherte Gas kann man durch das Rohr 198 und das Rohr 66 dem Heizer 74 für den ersten Reduktionsreaktor
zuführen.
Falls erwünscht, kann man das gesamte Produktgas aus dem Reformer durch das Rohr 68 in den
Kühlreaktorkreis einspeisen und eine im wesentlichen gleichwertige Gasströmung durch die Rohre 194 und
198 abziehen und als Reduzierspeisegas in die Reduktionsreaktoren geben. Während diese Betriebs-
"4^ weise keine unabhängige Steuerung der Gaszusammensetzung
im Kühlreaktor und in den Reduktionsreaktoren gestattet, bietet sie dennoch gegenüber den
Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik den Vorteil, daß der Druck am Verbindungspunkt der Rohre
'"'" 198 und 66 sich im wesentlichen gleich dem Druck am
Verbindungspunkt des Rohres 66 mit dem Rohr 68 halten läßt. Auf diese Weise läßt der Druckabfall über
dem Kühlreaktor sich neutralisieren und trägt nicht zum Gesamtdruckabfall zwischen dem Reformerauslaß und
r>~' dem aus dem letzten Reduktionsreaktor austretenden
Abgas bei.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Vorrichtung für die chargenweise Gasreduktion von Metalloxiden zu Metallen, bei der getrennte
Mengen metallhaltigen Materials gleichzeitig in einer Vielzahl von Reaktoren einschließlich eines
Kühlreaktors und mindestens eines Reduktionsreaktors behandelt werden, die in umlaufendem Wechseltakt
arbeiten, gekennzeichnet durch eine
Gaszuführungsleitung (68), die eine Quelle eines kühlen Reduziergases mit einer Kühlgasschleife
verbindet, die eine Gasumlaufleitung (184, 190) aufweist, die die Enden des als Kühlreaktor
arbeitenden und eine Kühleinrichtung (188) zur Kühlung des hindurchfließenden Gases enthaltenden
Reaktors (10) verbindet, sowie eine Pumpeneinrichtung (182) für den Umlauf des Gases durch
die Schleife aufweist, durch eine Rückfüiirleitung (198) zur Verbindung der Schleife mit einem
Reduktionsreaktor (12), durch eine wirksam mit der Schleife verbundene Abgasleitung (202) zur Abführung
des Gases, und durch eine die Gaszufuhr- und -rückführleitungen (68, 198) direkt verbindende
Leitung (66) zur Beibehaltung des gleichen Gasdrukkes in beiden Leitungen.
2. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen
vorbestimmten Teil des gekühlten Reduziergases aus der Quelle durch das Bett metallhaltigen
Materials im Kühlreaktor zwecks Kühlung strömen läßt, den Rest des Reduziergases aus der Quelle auf
eine erhöhte Temperatur erwärmt, das erwärmte Reduziergas durch das metallhaltige Material in dem
bzw. den Reduktionsreaktoren strömen läßt, aus dem Kühlreaktor das Gas, das durchgeströmt ist,
entfernt und kühlt, das gekühlte Gas in den Kühlreaktor unter Bildung eines geschlossenen
Kühlgaskreislauf rückführt und G;is aus dem Kreislauf in einer Menge abzieht, die angenähert der
eingespeisten Menge entspricht.
3. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
mindestens einen Teil des Reduziergascs aus der Quelle zum Kühlgaskreislauf strömen läßt, dem
Kreislauf Gas an einem Punkt zwischen der Pumpeinrichtung und demjenigen Punkt, an dem das
umlaufende Gas in den Kühlreaktor eintritt, in einer zeitlichen Menge entzieht, die im wesentlichen
gleich der Menge ist, die pro Zeiteinheit dem Kreislauf zugeführt wird, und daß man mindestens
einen Teil des aus dem Kreislauf entfernten Gases in einem Reduktionsreaktor des Systems durch das
metallhaltige Material strömen laut.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das gesamte Reduziergas aus der
Quelle durch den Kreislauf schickt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das gesamte aus dem
Kühlgaskreislauf abgezogene Gas zum ersten Reduktionsreaktor strömen läßt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Reihe
von Reduktionsreaktoren aufweist und das ervviärmte
Redu/iergas nacheinander durch das eisenhaltige Material in den Reduktionsreaktoren der Reihe
strömt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen
Teil des aus der Kuhlgasschleife entfernten Kühlgases mit dem Rest des Reduziergases aus der Quelle
zusammen dem ersten Reduktionsreaktor zuführt
8. Verfahren nach Anspruch fa oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das aus dem Kühlgaskreislauf
abgezogene Gas mit dem Abgas des letzten Reduktionsreaktors der Reihe von Reduktionsreaktoren
zusammenführt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ίο dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil des
Abgases aus dem letzten Reduktionsreaktor in den Kreislauf zurückgibt und mit dem dem ersten
Reduktionsreaktor zugeführten Reduziergas mischt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, ι' dadurch gekennzeichnet, daß man dem dem ersten
Reduktionsreaktor zugeführten Reduziergas ein Kohlenwasserstoffgas beigibt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß man Methan in den Kühlgaskreislauf gibt, um die exotherme Reaktion
des Kohlenstoffmonoxids und Wasserstoffs im
Reduziergas in dem Kreislauf zu unterdrücken.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis II, dadurch gekennzeichnet, daß man Stickstoff in den
-') Kühlgaskreislauf eingibt, um die Ablagerung von
Kohlenstoff auf dem reduzierten Metall im Reduktionsreaktor zu verringern.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohlenstoffmon-
i» oxid in den Kühlgaskreislauf gibt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohlenstoffdioxid
in den Kühlgaskreislauf gibt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, Γι dadurch gekennzeichnet, daß man Wasserstoff in
den Kühlgaskreislauf eingibt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metalloxid um Eisenoxid, bei dem Metall um Eisen
■in und bei dem metallhaltigen Material um eisenhaltiges
Material handelt.
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