DE2719422C2 - Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxyde enthaltenden Materialien zu Schwammeisen im Drehrohrofen - Google Patents
Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxyde enthaltenden Materialien zu Schwammeisen im DrehrohrofenInfo
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Description
a) daß in den Bereich der Aufheizzone, der durch folgenden Temperaturbereich definiert ist:
untere Temperaturgrenze bei etwa 300°C des Reduktionsmitteis, obere Temperaturgrenze bei 800—95O0C des Rollbettes, 40-70% der Gesamt-Sauerstoffmenge, hiervon 10—60% durch mehrere in der Aufheizzone angeordnete Düsensteine in das Bett, der Rest-Sauerstoff über mehrere ebenfalls in diesem Bereich angeordnete Mantelrohre in den freien Ofenraum eingeblasen werden und
untere Temperaturgrenze bei etwa 300°C des Reduktionsmitteis, obere Temperaturgrenze bei 800—95O0C des Rollbettes, 40-70% der Gesamt-Sauerstoffmenge, hiervon 10—60% durch mehrere in der Aufheizzone angeordnete Düsensteine in das Bett, der Rest-Sauerstoff über mehrere ebenfalls in diesem Bereich angeordnete Mantelrohre in den freien Ofenraum eingeblasen werden und
b) der Rest der in den Bereich der Aufheizzone gemäß a) eingeführten Sauerstoffmenge über
die Mantelrohre eingeblasen wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxyde enthaltenden Materialien zu
Schwammeisen im Drehrohrofen mittels fester kohlenstoffhaltiger Reduktionsmittel mit einem hohen Gehalt
an flüchtigen, brennbaren Bestandteilen, wobei siauerstoffhaltige Gase mittels Mantelrohren in geregelter
Menge in den freien Ofenraum eingeführt werden und die Beschickung im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung
der Ofenatmosphäre durch den Drehrorofen geführt wird.
Bei der Reduktion von Eisenerzen im Drehrohrofen wird diesem eine Mischung von Erz und Reduktionsmittel
aufgegeben, die den Ofen entsprechend Neigung und Umdrehung im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung
der Ofenatmosphäre durchwandert. Als Reduktionsmittel können dabei praktisch alle festen kohlenstoffhaltigen
Energieträger, vom Anthrazit und Koksgrus' bis zu Lignit und Braunkohle verwandt werden.
Die in Frage kommenden festen kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel enthalten jedoch meist Anteile an
brennbaren, flüchtigen Bestandteilen, die z. B. bei Ligniten und Braunkohlen einen wesentlichen Anteil
des Energieinhaltes ausmachen. Bei der bisherigen Arbeitsweise geht der größte Teil dieser brennbaren
flüchtigen Bestandteile beim Aufheizen der Beschikkung unmittelbar von der die Wärme aufnehmenden
Beschickupjsoberfläche in den Gasraum des Drehrohrofens
über. Hier kann ein Teil dieser Bestandteile ausgebrannt werden, zu welchem Zweck Luft durch
über die Länge des Ofens verteilte Mantelrohre zugeführt wird. Hierbei besteht mit zunehmender
Ofengröße die Gefahr, daß unkontrollierte hohe Heizraumbelastungen im freien Ofenraum auftreten,
wodurch Überhitzungen an der Oberfläche der Beschickung und an der Ofenwandung bewirkt werden,
die zu störender Ansatzbildimg führen. Der Energieinhalt
der fluchtigen Bestandteile kann dabei nur auf dem Umweg über den freien Ofenraum der Beschickung
zugute kommen. Das erhöhte Wärmeangebot an die Beschickung führt aufgrund der begrenzten Wärmeaufnahmefähigkeit
der bewegten Beschickungsoberfläche zu einem Wärmestau der eine Vergasung von auf der
Beschickungsoberfläche befindlicher Kohle bewirkt.
ίο Dadurch wird das Angebot an festem Reduktionsmittel
für die nachfolgende Durchführung des Sauerstoffabbaus bei der Reduktion vermindert und der Gesamtenergieaufwand
erhöht, da der fehlende Kohlenstoff durch entsprechende Mehraufgabe an Frischkohle
ersetzt werden muß. Wie festgestellt wurde, können durch diese unerwünschte Vergasung bis zu 20% der
aufgegebenen Kohlenstoffmenge praktisch ungenutzt verlorengehen.
Anstelle der Verwendung von Mantelrohren zur Einführung von Luft in den freien Ofenraum über der
Beschickung ist es auch bekannt, Gase mittels Düsensteinen, deren Austrittsöffnungen in der Ebene
der inneren Oberfläche der feuerfesten Auskleidung oder kurz darüber liegen, in den Drehrohrofen
einzublasen.
Aus der US-PS 31 82 980 ist es bekannt, mittels Düsensteinen Kohlenwasserstoffe in der Reduktionszone
in die Beschickung und oxydierende Gase mittels Düsensteinen über die Länge des Drehrohrofens
verteilt in den freien Raum des Drehrohrofens einzublasen. Dasselbe Prinzip wird in der DE-OS
2146133 beschrieben, wobei die Temperatur des Beginns der Reduktionszone mit mindestens etwa
975CC angegeben wird. Aus der DE-AS 10 32 550 ist es bekannt, Luft oder reduzierende Gase in die Beschikkung
einzublasen, wenn diese bereits auf die Reduktionstemperatur von 600— 1000° C aufgeheizt ist.
Aus der DE-AS 22 39 605 ist es bekannt. Luft mittels
Düsensteinen in die Beschickung und den freien
,40 Ofenraum zu blasen, wobei dem Drehrohrofen vorerhitzte Pellets aufgegeben werden.
Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß keine Maßnahmen im Hinblick auf die Probleme der Aufheizung der
Beschickung in einen Drehrohrofen angegeben sind.
Aus der DE-OS 22 41 168 ist es bekannt, sauerstoffhaltige Gase vom Austragsende des Drehrohrofens mit
hoher Strömungsgeschwindigkeit etwa parallel zur Längsachse des Ofens einzublasen und auf diese Weise
die Verwendung von Mantelrohren zu ersetzen. Als eine
so zusätzliche Maßnahme kann ein Teil der erforderlichen sauerstoffhaltigen Gase im Anschluß an das Beschikkungsende
bis zu einer Länge von etwa einem Viertel des Drehrohrofens über Düsensteine in die Beschikkung,
in den freien Gasraum oder in beide eingeblasen werden, wodurch eine Verkürzung der Aufheizzone
"durch eine sehr gute Verteilung des Sauerstoffangebotes erzielt wird. Diese Arbeitsweise hat insbesondere
Vorteile für kleinere Drehrohrofen, da in solchen Drehrohrofen durch den Fortfall der Mantelrohre die
Strömungsverhältnisse verbessert werden. Bei großen Drehrohrofen ist der Einfluß der Mantelrohre auf die
Strömungsverhältnisse im Ofen wesentlicher geringer. Außerdem stößt bei solchen Öfen die Möglichkeit des
Einblasens der Luft vom Austragsende wegen des langen Einblasweges und wegen strömungstechnischer
Verhältnisse qn ihre Grenzen. Das Einblasen sauerstoffhaltiger Gase in der Aufheizzone durch Düsensteine nur
durch die Beschickung würde relativ viele Düsensteine
erforderlich machen, was zu einer Schwächung der Ofenkonstruktion und hohem Aufwand für die Verteilung
führt. Andernfalls besteht die Gefahr hoher Staubverluste infolge hoher Durchblasgcschwindigkeiten,
und die Gefahr von lokalem Kaliblasen und lokaler Überhitzung. Ein Einblasen von sauerstoffhaliigen
Gasen mittels Düsensteinen in den Gasraum ergibt eine schlechtere Vermischung der Gase, ständige Temperaturwechsel,
unkontrollierte Verbrennung und Überhitzung an der feuerfesten Auskleidung. 1»
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufheizung der Beschickung im Drehrohrofen bei der
Verwendung fester kohlenstoffhaltiger Reduktionsmittel zu beschleunigen, dabei die brennbaren flüchtigen
Bestandteile weitgehend im Ofen auszunutzen und optimale Ofenbedingungen zu erhalten.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des einzigen Patentanspruches gelöst.
Das erste Auftreten zündfähiger Teilchen des Reduktionsmittels erfolgt im unteren Teil der abrollenden
Oberfläche der Beschickung. Während des Herunterrollens der einzelnen Teilchen auf der Oberfläche des
Rollbettes werden die Teilchen von den heißen Ofengasen aufgeheizt und erreichen in einem bestimmten
Abstand vom Beschickungsende kurz vor dem Einziehen in das Rollbett erstmalig die Zündtemperatur.
An dieser Stelle werden dann erstmalig sauerstoffhaltige Gase mittels Düsensteinen in das Rollbett geblasen.
Dadurch wird erreicht, daß die zündfähigen und gezündeten Teilchen des Reduktionsmittels bei ihrem
Einziehen in das kältere Innere des Rollbettes nicht !wieder unter die Zündtemperatur abgekühlt werden,
sondern im Inneren des Rollbettes weiterbrennen. D>e nunmehr innerhalb der Beschickung ablaufende Verbrennung
bewirkt in der Art einer Kettenreaktion die Freisetzung weiterer flüchtiger brennbarer Bestandteile
und erfaßt in kurzer Zeit den gesamten Querschnitt des Rollbettes. Der Wärmeinhalt der flüchtigen brennbaren
Bestandteile wird nunmehr voll für die Beschickung ausgenutzt und die zur Wärmeübertragung verfügbare
Wärmeaustauschfläche erheblich vergrößert. In bestimmten Abständen von etwa 2,5 bis 3,5 m sind dann in
dem Bereich der Aufheizzone weitere Düsensteine angeordnet. Diese Abstände reichen im allgemeinen
aus, um genügend Sauerstoff in das RoIIbetl einblasen zu können, ohne die Konstruktion des Ofens zu schwächen.
Die Düsensteine sind an jeder Einblasstelle ringförmig in bestimmten Abständen in radialer Richtung über den
Umfang des Ofens verteilt angeordnet, wobei die Abstände auf dem Umfang im allgemeinen ebenfalls 2,5
bis 3,5 m betragen. Durch Steuermechanismen werden jeweils nur die Düsensteine eines jeden Ringes mit
sauerstoffhaltigen Gasen beaufschlagt, die sich unter dem Rollbett befinden. Als sauerstoffhaltige Gase wird
im allgemeinen Luft verwendet. Unter dem Ausdruck »Düsensteine« sind Gaszuführungsvorrichtungen zu
verstehen, welche die Ofenwand und die feuerfeste Auskleidung des Drehrohrofens durchdringen und
deren Austrittsöffnungen in der Ebene der inneren Oberfläche der feuerfesten Auskleidung oder kurz
darüber oder darunter liegen. Die Düsensteine können aus keramischen oder metallischen Werkstoffen bestehen.
Die Zufuhr sauerstoffhaltiger Gase in den freien Ofenraum in der Aufheizzone und auch in der
Reduktionszone erfolgt mittels Mantelrohren. Die Mantelrohre sind über die Länge des Drehrohrofens
verteilt in radialer Richtung angeordnet. Ihre Austrittsöffnungen liegen etwa in der Mitte des Querschnittes
des Ofens und sind parallel zu der Längsachse des Ofens angeordnet. Die Auslritlsöffnungen werden also nicht
von dem Rollbett bedeckt, so daß pro Einblasstelle jeweils nur ein Mantelrohr notwendig ist.
Es ist auch möglich, den mittels der Düsensteine eingeblasenen sauerstoffhaltigen Gasen brennbare
Stoffe, "/ie ζ. Β. Koksofengas, Raffineriegas, Erdgas oder Erdöl, zuzusetzen. Dadurch !-a/in der Zündvorgang
vorverlegt oder beschleunigt werden. Die zugesetzten brennbaren Stoffe können dabei auch zum Teil die Rolle
der brennbaren flüchtigen Bestandteile des festen Reduktionsmittels übernehmen, wenn dessen Gehalt an
diesen Stoffen geringer ist.
Weiterhin ist es möglich, ölhaltigen Walzenzunder in den Ofen zu chargieren und dessen Ölbestandteile als
brennbare flüchtige Bestandteile für die Aufheizung nutzbar zu machen.
Der Bereich der Aufheizzone beginnt bei einer Temperatur des Reduktionsmittels von etwa 300°C und
endet bei einer Temperatur der Beschickung von 800 bis 9500C. Die untere Temperatur des Reduktionsmittels
wird — wie vorhergehend beschrieben — im unteren Teil der Oberfläche des von der Beschickung gebildeten
Rollbettes gemessen, d. h. kurz vor dem Einziehen der Teilchen in das Rollbett. Die obere Temperatur ist die
durchschnittliche Temperatur des gesamten Rollbettes der Beschickung, da bei dieser Temperatur bereits ein
weitgehender Temperaturausgleich im Rollbett stattgefunden hat. Durch die Wahl dieses Temperaturbereichs
wird besonders sichergestellt, daß im unteren Bereich kein Kaltblasen der Beschickung erfolgt und im oberen
Bereich die Austreibung der flüchtigen Bestandteile weitgehend abgeschlossen ist.
Eine Ausgestaltung besteht darin, daß in dem ersten Teil des Bereiches der Aufheizzone durch die Düsenstei-
*,ne sauerstoffhaltige Gase mit einem Sauerstoffgehalt
eingeblasen werden, der im Hinblick auf die Verbrennung der dort entstehenden brennbaren flüchtigen
Bestandteile im stöchiometrischen Verhältnis steht, und
der Sauerstoffgehalt der sauerstoffhaltigen Gase über die Länge des Bereiches der Aufheizzone bis zu deren
Ende auf unterstöchiometrisches Verhältnis abgesenkt wird. Das Maß der Absenkung wird mit Hi;re der
{Temperaturmessung so kontrolliert, daß in Abhängigkeit von der Temperatur kein Kohlenstoff verbrannt
wird. Der Anfang des Bereiches der Aufheizzone ist ivom Beschickungsende gesehen. Der Teil des Bereiches
der Aufheizzone, in den die durch Düsensteine eingeblasene Sauerstoffmenge höchstens stöchiometrisch
wird, liegt bei einer durchschnittlichen Bettemperatur von 600—700°C. Dadurch ist eine weitgehende
Ausnutzung der flüchtigen Bestandteile zur Verbrennung unter weitgehender Vermeidung des unmittelbaren
Abbrandes von festem Kohlenstoff möglich.
Ausführungsbeispiel
In einem Drehrohrofen mit den Abmessungen 0,80 m iichter Ofendurchmesser und 12,00 m Länge wurde
Braunkohle mit 20% Feuchte zusammen mit Erzpellets mit 67% Fe aufgegeben. Das C-fix/Fe-Verhältnis betrug
0,42. Der Drehrohrofen wurde ohne Fremdbeheizung betrieben.
Die Analyse der Kohle im trockenen Zustand ergab: 44% C-fix, 50% flüchtige Bestandteile und 6% Asche.
Bei einer Betriebsweise mit ausschließlichem Luftzusatz über Luftrohre konnte bei einer Durchsatzleistung von
500 kg Pellets/h eine Metallisierung von 93% erreicht werden. Das den Drehrohrofen verlassende Abgas hatte
eine Temperatur von ca. 950"C und die folgende
Zusammensetzung:
CO2 = 19%. O2 = 0,5%, CO = 6%,
H2 = 5%, CH,, = 0,5%, Rest N2.
H2 = 5%, CH,, = 0,5%, Rest N2.
Die Aufheizzone betrug ca. 25% der Crehrohrlänge.
Bei Zusatz von 50% der Gesamiluftmenge in der Aufheizzone, von der wiederum 50% über Düsenslcine
und 50% über Luftröhre zugeführt wurden, ergaben sich
bei etwa gleicher Metallisierung folgende Betriebsergebnisse:
Pelletaufgabe:
C-Hx/Fe-Verhältnis:
Abgastemperatur:
Abgaszusammensetzung:
C-Hx/Fe-Verhältnis:
Abgastemperatur:
Abgaszusammensetzung:
650 kg/h
0,30
8000C
CO2 = 20%,
O2 = 0,5%,
CO + H2 = 5%,
CH4 = 0%,
ßest N>.
Die Längt· der Aufhei/znnc betrug in beiden Fallen
25% der Ofenlänge.
Die Vorteile der Erfindung bestehen dann, daß die
Aufheizzone des Drehrohrofens wesentlich verkürzt und damit entweder die DurchsauHsiung eines
gegebenen Ofens vergrößert oder bei gleichbleibender Durchsatzleistung der Ofen verkleinert wird, die
Differenz zwischen der Gastemperatur und Bettemperatur
auf ein Minimum herabgesetzt wirü nd die
la Abgastemperatur ebenfalls auf ein Minimum ^abgesetzt
wird. Die geringere Heizraumbdastung führt zu
einer Verminderung der Gefahr der Ansalzbildung und zu einer Erhöhung der Haltbarkeit der feuerfesten
Ausmauerung. Der Gesamtenergieverbrauch wird we· senilich vermindert, weil der Wärmeinhalt der flüchtigen
brennbaren Bestandteile des Reduktionsmittels weitgehend ausgenutzt wird, die Gastemperatur im
freien Ofenraum und damit in den Abgasen gesenkt wird, und die unmittelbare Kohlenstoffvergasung auf
der Oberfläche des Bettes durch Vermeidung des hier sonst möglichen Wärmestaues vermindert wird.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Direktreauktion von Eisenoxyde enthaltenden Mater.alien /u Schwammeisen im Drehrohrofen mittels fester kohlenstoffhaltiger Reduktionsmittel mit einem hohen Gehall an flüchtigen brennbaren Bestandteilen, wobei sauerstoffhaltige Gase in geregelter Menge in den freien Ofenraum und mittels Düsensteinen in der Aufheizzone in die Beschickung eingeführt werden und die Beschickung im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung der Ofenatmosphäre durch den Drehrohrofen geführt wird, dadurch gekennzeichnet,
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