DE2616468A1

DE2616468A1 - Erzeugung von vorreduzierten eisenhaltigen stoffen durch direktreduktion im schachtofen

Info

Publication number: DE2616468A1
Application number: DE19762616468
Authority: DE
Inventors: Stephen Waslo
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1975-04-15
Filing date: 1976-04-14
Publication date: 1976-11-04
Also published as: AU1228576A; NO761312L; NO143994B; NO143994C; AU504493B2; CA1088315A; GB1548240A; US4017305A; BR7602248A

Description

PATENTANWALTE A. GRÜNECKER

DlPU-ING.

H. KINKELDEY

W. STOCKMAlR

OfW-iGL AeE (CALTtCHl

K. SCHUMANN

DR. RER NAT DiPL-PHYS

P. H. JAKOB

CXPU-INS.

G. BEZOLD

OR REH NAT. · OPU-CHEVu

MÜNCHEN

MÜNCHEN 22

MAXlMlLiANSTRASSE «S3

160 14. April 1976

USS ENGINEERS MD CONSULTANTS, INC.
Grant Street, Pittsburgh,
Pennsylvania 152J0 / USA

Erzeugung von vorre chi zierten eisenhaltigen Stoffen
durch Direktreduktion im Schachtofen

Bei der Direktreduktion im Schachtofen werden Eisenoxidpellets, Stückerze oder andere eisenhaltige Agglomerate im festen Zustand zu Eisen reduziert. Die Reduktion wird durch Abbau von bis zu 95% oder mehr des enthaltenen
Sauerstoffs in einem vertikalen Schachtofen dadurch erreicht, daß ein warmes reduzierendes Gas mit einer Temperatur von 8?1⁰C oder höher nach oben durch den Schacht im Gegenstrom zu dem von oben nach unten transportierten Of eneinsats geführt wird. Das Reduktionsgas wird durch die

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Reformierung von Dampf und/oder CC^ oder auch durch, teilweise Oxidation von Erdgas, Propan, Kohle oder anderen kohlehaltigen Brennstoffen erzeugt. Das Reduktionsgas enthält "beachtliche Mengen an Wasserstoff und Kohlenmonoxid, wobei diese "beiden Gase thermodynamisch die Reduzierung des Eisenoxids "begünstigen. Dem Reduktionsgas kommt in dem Direktreduktionsverfahren eine doppelte Bedeutung zu« da es 1) das Eisenoxid zu Eisen reduziert und 2) die fühlbare Wärme zur Erhitzung des festen Ofeneinsatzes liefert und bestimmte endotherm ablaufende chemische Reaktionen aufrecht erhält.

Aus der US-PS 3 369 888 ist es bereits bekannt, verbrauchte oder teilweise verbrauchte Reduktionsgase im Kreislauf wieder dem Ausgangsbereich eines Reduktions-Schachtofens zuzuführen. Zum Stand der Technik sei ferner auf die folgenden US-Patentschriften verwiesen: 3 461 682, 3 591 364, 3 653 874, 3 76? 379, 3 770 421, 3 093 474, 3 276 859, 3 661 553, 3 136 623, 2 663 631, 3 754 890 und 3 684 486.

Das durch ein Ersreduktionsverfahren reduzierte Erze wird bekanntlich wieder oxidiert, wenn es der Atmosphäre ausgesetzt wird, was daran liegt, daß die Entzündungs- oder Oxidationstemperatür des Materials im Bereich der Umgebungstemperatur liegt oder auch durch Kondensation von Regen oder anderer Feuchtigkeit ausgelöst werden kann. Durch spontane Reoxidation verringert sich der Wert des reduzierten Erzes" und da es sich bei der Reoxidation um einen

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exotherm ablaufenden Yorgang handelt, "beinhaltet die Reoxidaticn die Gefahr eines F euerausbruch.es. Ferner sei unterstrichen, daß die Produkte "bekannter Erzreduktionsverfahren sich nachteiligerweise durch einen "beachtlich großen A"brie"b auszeichnen, der sich dem Problem der Reoxidation zugesellt und eine weitere Wertminderung des reduzierten Erzes darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Direktreduktion in einem Schachtofen zu schaffen, welches die Erzeugung von Produkten gestattet, die frei von den vorgenannten Nachteilen sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches enthaltenen Merkmale geldst.

Die Erfindung "beschäftigt sich mit der Verwendung eines reduzierenden Gases in einem Schachtofen, um 1) Eisenerzagglomerate zu Eisen zu reduzieren und gleichzeitig die erforderliche fühlbare Wärme zur Erhitzung des festen Ofeneinsatzes und zur Aufrechterhaltung der endothermen chemischen Umsetzungen zu liefern, und um 2) das reduzierte Erzeugnis am Ausgang des Schachtofens zu kühlen. Der Gesamtbedarf an Reduktionsgas zur Erzeugung einer Mengeneinheit eines 95%ig reduzierten Eisens beträgt unter Berücksichtigung des Energiebedarfes für die Umsetzungen, der Erhitzung des festen Ofeneinsatzes sowie unterAufrechterhaltung einer die Reduktion begünstigenden thermodynamisehen Situation und bei Aufrechterhaltung einer einen raschen Reaktionsablauf gewährleistenden hohen Temperatur, das Zwei- bis Dreifache der Gasmenge, die zur Erhitzung

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des reduzierten Erzeugnisses allein erforderlich ist. Im Gegensatz dasu wird, unter Toraussetzung vergleichbarer ■Temperaturunterschiede, das Zwei- bis Dreifache der Gasmenge zur Kühlung des Erzeugnisses benötigt. Demzufolge kann etwa ein Drittel bis eine Hälfte des Gesamtreduktionsgases kalt, d.h. mit einer Temperatur von 21 bis 49°C und vorzugsweise von etwa 27°C in das untere Ende des Schachtes, d.h. in die Kühlzone, des Ofens eingeleitet werden, um dort das Erzeugnis zu kühlen. Dabei spielt es eine besonders wichtige Rolle, daß beim Kühlen des Reduktionsgases zum Zwecke seiner Verwendung als Kühlmittel eine große Kenge Wasser aus dem Gas entfernt wird, wodurch das Gas stark reduzierend wirkt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhitzt sich dieses kalte Reduktionsgas ausreichend, um während der Gegenstromkühlung des im Schachtofen herniedersinkenden festen Einsatzes diesen zu reduzieren. Dieser hochsteigende Gasstrom mischt sich sodann mit dem Rest (50 bis 70%) des Reduktionsgases, welches mit einer Temperatur von 760 bis 95^-⁰CJ weiter oben in den Schachtofen eingeleitet wird. Das Einleiten von wenigstens einem Drittel des Reduktionsgases kühlt das Erzeugnis, ohne daß der Produktionsablauf unterbrochen wird. Das Reduktionsgas besteht im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, und wird in einer Menge von etwa 1613 bis 2264 ImVt Eisen verwendet. sofern das Eisenerz in Form von Pellets vorliegt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsfoim der Erfindung wird ein besonders stabiles und um so leichter kühlbares Erzeugnis dadurch hergestellt, daß zunächst etwa. 50 bis 70% des Reduktionsgases bei einer Temperatur von etwa 816 bis 954⁰C in die heiße Zone des Schachtofens eingeleitet werden, und daß dann der Rest des Reduktionsgases bei einer Tempera-

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tür von etwa 21 "bis 4-9°O in den unteren Abschnitt des Schachtofens eingeleitet wird, wobei der Rest des Reduktionsgases mengenmäßig ausreicht, um die Temperatur des reduzierten Erzes über einen längeren Zeitraum oberhalb von 816°C zu halten_β

Dadurch, daß ein Teil des Reduktionsgases mit etwa Umgebungstemperatur in einen Ofenbereich eingeleitet wird, der unterhalb desjenigen Qfenbereiches liegt, in welchen das heiße Reduktionsgas eingeleitet wird, sowie dadurch, daß das reduzierte Erz über einen längeren Zeitraum auf erhöhter Temperatur gehalten "wird, zeichnet sich das Erzeugnis durch eine vergleichsxfeise große Dichte aus. Ein derart erzeugtes relativ dichtes Erz führt zu einer vergrößerten Festigkeit des Erzeugnisses und zu einer höheren Entzündungstemperatur im X^rergieicli mit weniger dichtes Erzeugnissen» Das dichtere Erzeugnis ist durch Transport und Lagerung weit weniger, gefährdet und besitzt ferner eine relativ geringe Neigung zur Seoxidation, wodurch es sich leichter lagern und transportieren läßt=

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Reduzierung von Eisenerz, bei welchem das verbrauchte Reduktionsgas als Brennstoff in einem Reformer verwendet werden kann und bei welchem ein Anteil des Reformererzeugnisses als Kühlgas im unteren Bereich des Schaftofens verwendet wird ,j um so die Temperatur des reduzierten Erzeugnisses abzusenken. Uach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Temperaturänderungsgeschwindigkeit, mit welcher das reduzierte Erzeugnis abgekühlt wird, so gesteuert werden daß ein vergleichsweise stabileres und des-

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wegen besser kühlbares Erzeugnis erhalten wird.

Srfindungs gemäß wird ein T'eil des Eeduktionsgases in den -unteren Schachtofenabschnitt eingeleitet, -am das reduzierte Erzeugnis zu kühlen, bevor· das reduzierende Gas durch den Ofen nacii oben steigt und das Erz- reduziert. Dabei wird wenigstens ein Seil des verbrauchten Keduktionsgases im Ereislauf in eines Eeformer geleitet, um dort als Brennstoff zu dienen*

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung«, In dieser zeigen:

Fig, 1 ein Plußdiagranna des erfindimgsgemäßen Verfahrens,

Pig« 2 eine Abwandlung des Diagramms geiaäß Fig. 1, bei welchem Dampf und Gas strömungssäßig oberhalb des Seformers proportioniert werden.,

"5¹Xg, 3 ein mit Mengenangaben, Temperaturen und dergleichen vervollständigtes FlußdiagrasHu und

Fig. 4 ein schematisches JlußdiagrasiE einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Wie Fig. 1 zu entnehmen, wird in einer Leitung 1 geführtes Erdgas vorzugsweise in einem einzigen Schr-itt mit einem geringen Überschuß an Damp? oder Kohlendioxid reformiert« Dampf bzw. Kohlendioxid werden dem Eefonaer 3 über eine Leitung 2 zugeführt und der- genannte geringe Dampf- oder COo-überschuß beträgt bis zu 10% über die stöchiometr-ischen Hengen. Das insoweit auf herkömmliche "Weise erzielte Ee-

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formererzeugnis 4 enthält etwa 88 bis 92 und vorzugsweise etwa 92% H₂ und CO bei 760 bis 954⁰C, vorzugsweise bei etwa 954⁰C und einem Druck von 0,0105 bis 0,021 kg/mm². Der reformierte Gasstrom 4 wird sodann in zwei Ströme aufgeteilt. Ein heißer Gasstrom 5 wird warm in den Schacht 6 eingeleitet. Ein Strom 7 strömt durch einen Kühler 8 und wird mittels einer Leitung 10 an der Stelle 11 in den Schachtofen eingeleitet. Eine Maßnahme zum Aufteilen und Steuern der beiden Teilströme besteht darin, eine permanente aus feuerfestem Material bestehende Drossel 13 vorzusehen, um im Heißgässtrom 5 einen Druckabfall hervorzurufen. Das Steuern und Dosieren des Stroms 7 kann im Anschluß an das Abkühlen mit Hilfe herkömmlicher Vorrichtungen, wie mit Hilfe eines Durchflußsteuerventils 12 erfolgen, welches über Temperatur- und Druckkompensation verfügt. Wie der Zeichnung zu entnehmen, tritt aus einer Leitung 10 Kühlgas an einem unterhalb der Leitung 5 gelegenen Ort in den Schachtofen ein. Da ein optimaler Wirkungsgrad des Reformers 3 gelegentlich für den Strom 4 Temperaturen fordert, die oberhalb der optimalen Temperatur zur Reduktion im Schachtofen 6 im Hinblick auf die Agglomerierung des Ofeneinsatzes liegen, kann eine Menge an heißem Reduktionsgas aus dem Strom 4 mit dem Strom 7 zum Kühler 8 geleitet werden. Nach dem Kühlen wird dieses Gas über die Leitung 20 wieder zu Kühlzwecken in den Warmgasstrom 5 eingeleitet. Die Temperatur des Stromes 5 beträgt 760 bis 954°C und die Temperatursteuerung erfolgt durch Einstellung der durch die Leitung 20 strömenden Gasmenge mit Hilfe einer Temperatursteuereinrichtung 21.

Fig. 1 wird im Zusammenhang mit Pig. 2' im folgenden noch weiter erläutert.

Pig. 2 stimmt im wesentlichen mit Fig. 1 überein, mit der Ausnahme, daß wegen der üblichen Ausbildung eines einstufigen Reformers als Reihe von katalysatorhaltigen Rohren, ein Teil der Rohre dem Strom 5 "und ein anderer Teil dem Strom 7 zugewandt sein kann. Bei diesem Ausführnngsbeispiei wird die zu den Leitungen 5 ^d 7 strömende Gasmenge dadurch gesteuert, daß das Erdgas und der Dampf mit Hilfe des Ventils If? dosiert und gesteuert in die beiden verschiedenen Rohrsysteme des Reformers eingeführt werden.

Bei beiden Yerfahrensabläufen gelangt das Kühlgas aus der Leitung 10 durch den Schachtofen, wobei rekuperativ die fühlbare Wärme des festen Ofeneinsatzes aufgenommen wird. Das Gas mischt sich sodann mit dem aus der Leitung 5 stammenden Warmgas und die vereinigten Gasströme steigen durch den Schacht nach oben, wobei sie das Eisenoxid erwärmen und reduzieren. Nach seinem Austritt aus dem Schacht enthält das in einer Abgasleitung 1-5 geführte verbrauchte Gas beträchtliche Anteile an HpO und COp, die durch Umsetzung von H₂ und CO mit den Eisenoxiden gebildet.wurden. Each Reinigung und Konditionierung, d.h. nach einer Wasserabscheidung im Wäscher 16, wird in einer Leitung 17 ein Gas geführt,v;elches noch hinreichende Anteile an brennbarem Hp und CO enthält, um nach Zuleitung über eine Leitung als Brennstoff im Reformer 3 zu dienen. Wenngleich ein thermisch ausgewogenes System Vorteile besitzt, kann in bestimmten Fällen über eine Leitung 19 ein Teil des Gases abgeführt werden, um beispielsweise beim Pelletisieren verbraucht zu werden.

In einem Versuchsschachtofen mit einem Durchmesser von 25 cm wurde das hohe Reduktionsvermögen des erfindungsgemäßen Ver-

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fahrens unter Beweis gestellt. So wurden "beispielsweise unter Betreiben eines Schachtofens gemäß Pig. 1 mit 871⁰C in der heißesten Ofensone 75% des thermodynamisehen Grenzwertes (1955 Hormalkubikmeter Gas je Tonne Eisen) nach zweieinhalbstündiger Verweildauer der Eisenoxidpellets

2 reduziert, wobei die Blasleistung je 0,092 m 9*34 EOrmalkubikmeter Gas je Minute betrug. Die Ausbeute konnte auf mehr als 90% des thermodynamischenGrenzwertes gesteigert werden (1630 Uormalkubikmeter Gas je Tonne Eisen), wenn die Yerweildauer auf 8 Stunden gesteigert wurde, wodurch ein thermisch ausgewogenes System gemäß Pig. 3 erreicht wurde. S¹Ig. 3 stimmt mit Fig. 1 überein, zeigt jedoch außerdem typische Durchflußmengen und Temperaturen, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren auftreten.

Eine vergleichbare Verfahrensleistung wurde mit einem Reduktionsgas beobachtet, welches sowohl ein mit Dampf reformiertes Erdgas (Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff etwa 3) sowie ein wiederaufbereitetes Reduktionsschachtofenabgas aus einem Koksofengas (coal gasification shaft-reducer off-gas recycle) simulierte, wobei letzteres ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff von etwa 0,7 besaß. Diese Vergleichbarkeit erklärt sich dadurch, daß in dem nichtisothermen Schachtofen durch die exotherme Reduktion des Eisenoxides durch CO das Temperaturprofil im Vergleich zu der endotherm ablaufenden Eisenoxidreduktion angehoben wird, die bei Reduktion mit Wasserstoff vorliegt. Die höhere Temperatur steigert die Reduktionskinetik des CO, wodurch die sonst bei isothermen Vergleichsbetrachtungen beobachtete höhere Reaktionsfreude des Wasserstoffs kompensiert wird.

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Bsi der praktischen Überprüfung des Verfahrens mit Hilfe eines Versuchsschachtofens stellten sich Kohlenstoffabscheidungen am reduzierten Erzeugnis (sowohl Ruß als auch Zementit) heraus, die während der Abkühlung im Bereich der gesamten Porenstruktur der reduzierten Pellets auftraten und eine Folge der Zusammensetzung des verwendeten Kühlgases waren. Bei anschließend "vorgenommenen Yersuchs— schmelzen im Elektroofen mit 20 Tonnen-Chargen erwies sich der in den reduzierten Pellets zurückgebliebene Kohlenstoff als ausreichend, um sich mit dem restlichen Eisenoxid umzusetzen.

Gemäß der in Pig. 4 veranschaulichten anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Menge und Temperatur des dem unteren Abschnitt des Schachtofens zugeführten Reduktionsgases dahingehend gesteuert, daß die Temperatur des reduzierten Erzes über einen längeren Zeitraum von vorzugsweise wenigstens 45 Minuten auf einer erhöhten Temperatur von etwa 816 bis etwa 8?1°0 gehalten wird. Um dieses zu erzielen, wird der Durchflußregler 12 in der Leitung 10 se eingestellt, daß entsprechend dosierte Mengen an kaltem Reduktionsgas in den Ofen 6 geleitet werden. Bie durch einen Auslaß 22 aus dem Ofen austretenden reduzierten Teilchen besitzen eine beträchtlich über der Umgebungstemperatur liegende Temperatur von typischerweise etwa 2Q4°C und werden deshalb in einen Wärmetauscher 26 gebracht, wo sie der Eühlwirkung eines Kühlmittels aus Edelgasen ausgesetzt werden, um ihre Temperatur auf die Temperatur der Umgebung abzusenken. Das gasförmige Kühlmittel, bei wslGhem es sich um sauerstoffreie Verbrennungsprodukte handeln kann, wird dem Wärmetauscher über eine Leitung 24- zugeführt, welche einen Durchflußregler 25 besizt, um die Kühlmittelzufuhr

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zum Wärmetauscher zu steuern.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsb ei spiele "beschränkt, da diese lediglich zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen.

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Claims

Patentansprüche

-.1, Verfahren sur Reduzierung von Erzen in einem. Schachtofen mit Hilfe eines im Gegenstrom zu dem Erz strömenden Reduktionsgases, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein erster, etwa 50 bis 70% des Reduktionsgases ausmachender Anteil des Reduktionsgases, bei einer Temperatur von 760 bis 95^°C in die Reduktionszone des Ofens eingeleitet wird, und daß

b) der Rest des Reduktionsgases mit einer Temperatur von etwa 21 bis 49°C in eine Kühlzone des Schachtofens eingeleitet wird, die in Strömungsrichtung der Erzpartikel unterhalb der Reduktionszone liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Erz pelletisiertes Eisenerz verwendet wird, welches von oben nach unten durch die heiße Zone und die Kühlzonen des Ofens hindurchgeht, und daß das Reduktionsgas mit einer solchen Geschwindigkeit von unten nach oben durch den Ofen geführt wird, daß je Tonne Eisen etwa 1613 bis 226²I- Normalkubikmeter Reduktionsgas eingeleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reduktionsgas verwendet wird, dessen Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff etwa 0,7 J 1 "bis etwa 3 : 1 beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1" bis 3, dadurch g ekennzeichnet, daß ein Reduktionsgas mit etwa 88 bis 92% Wasserstoff und Kohlenmonoxid verwendet wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g ekennzeichnet, daß ein Reduktionsgas verwendet wird, welches durch Reformierung von Erdgas mit Dampf erzeugt worden ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 5? dadurch g ekennzeichnet, daß verbrauchtes Reduktionsgas aus dem Schachtofen einem Reformer als Brennstoff zugeführt wird.
7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g ekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des verbrauchten Schachtofen-Reduktionsgases vor der Verwendung als Reformerbrennstoff von Feuchtigkeit befreit wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7? dadurch g ekennzeichnet, daß der erste Anteil des Reduktionsgases mit einer Temperatur von etwa 816 bis 954⁰G in die Reduktionszone des Schachtofens eingeleitet wird und daß das restliche Reduktionsgas dem in Strömungsrichtung des Erzes unterhalb der Reduktionszone gelegenen Ofenberei ch in einer Menge zugeführt wird, welche ausreicht, um das Erz wenigstens 45 Minuten lang auf einer Temperatur von mehr als 816⁰C zu halten.
9- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g ekennzeichnet, daß das reduzierte Erz etwa 45 bis 100 Minuten auf der oberhalb von 816⁰C liegenden Temperatur gehalten wird.
10.Verfahren . nach einem der Ansprüche 1 bis 9? dadurch g ekennzeichnet, daß das reduzierte Erz nach dem Austragen aus dem Schachtofen auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

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11.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g ekennzeichnet, daß das reduzierte Erz nach seinem Austragen aus dem Schachtofen in einem Wärmetauscher mit Hilfe eines inerten gasförmigen Kühlmittels abgekühlt wird.
12.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g ekennzeichnet, daß das inerte gasförmige Kühlmittel aus sauerstoffreien Verbrennungsprodukten besteht.

i3«Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g e— kennzeichnet, daß etwa 40% des Seduktionsgases mit einer Temperatur von etwa 21 bis 4-9°C dazu verwendet . wird, die Erztemperatur im unteren Ofenabschnitt auf mehr als 816⁰C zu halten und daß das reduzierte Erz mit Hilfe des inerten gasförmigen Kühlmittels auf Kaumtemperatur abgekühlt wird.

14-. Verwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 13;zur Herstellung von reduziertem Erz mit höherer Dichte und Festigkeit. .

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