DE3317062A1

DE3317062A1 - Verfahren zur direktreduktion von eisenerz

Info

Publication number: DE3317062A1
Application number: DE19833317062
Authority: DE
Inventors: Alberto Monterrey Bustani-Adem; Enrique Ramon Martinez-Vera
Original assignee: Hylsa SA de CV
Current assignee: Hylsa SA de CV
Priority date: 1982-05-12
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1983-11-17
Also published as: GB2123038A; MX156697A; GB8312825D0; BR8302466A; GB2123038B; JPS59166610A; JPH0366365B2; DE3317062C2; DD209850A5

Description

HYLSA, S.A., MONTERREY, N.L./MEXIKO

Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischem Eisen durch Direktreduktion von Eisenerz und insbesondere ein optimalisiertes Verfahren, mittels dem man bei höheren Reduktionstemperaturen arbeiten kann und die Probleme hinsichtlich des Sinterns und des Agglomerierens von Eisenerzteilen minimalisieren kann. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Verfugung zu stellen, bei dem die erforderliche Grosse der Reduktionsgaserzeugungseinheit vermindert wird.

Reduktionsverfahren mit Bewegtbettreaktoren sind bekannt. Im allgemeinen liegen dabei zwei Zonen vor und zwar eine erste im oberen Teil des Reaktors, welche die sogenannte Reduktionszone ist, in welcher Eisenerz mittels der Schwerkraft nach unten strömt, und ein Strom eines nach oben strömenden Reduktionsgases hoher Temperatur das Eisenerz im Gegenstrom kontaktiert und wobei das Reduktionsgas ein Gasgemisch ist, das sich hauptsächlich aus H~ und CO zusammensetzt. In dieser Zone findet eine Vorheizung und die Reduktion des Eisenerzes statt.

In der zweiten Zone, im unteren Teil des Reaktors, ist die sogenannte Kühlzone, in welcher das heisse absteigende Gas und reduzierte Eisenerzteilchen im Gegenstrom mit einem aufsteigenden Strom aus kaltem Gas in Berührung kommen um die reduzierten Eisenerzteilchen abzukühlen, bevor sie an die Atmosphäre abgegeben werden. Diese Abkühlung ist erforderlich, um eine Rückoxidation der reduzierten Teilchen mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff zu verbeiden.

Die Produktivität der Reduktionszone wird durch die Zeit bestimmt, die erforderlich ist, um die Eisenerzteilchen zu reduzieren und je kleiner die Verweilzeit ist, umso grosser ist die Produktion, die man in der gleichen Reduktionszone erzielen kann.

Es ist bekannt, dass je höher die Temperatur des

Reduktionsgases am Einlass der Reduktionszone ist, umso geringer die Verweilzeit der Feststoffe in dieser Zone ist. Dieser Umstand liegt vor, weil die Kinetik der Eisenerzreduktionsreaktion mit H₀ und CO in starkem Masse temperaturabhängig ist. Je höher die Temperatur, umso schneller ist die Reaktionsrate und umso höher ist die Produktivität des Verfahrens.

Im allgemeinen arbeiten Direktreduktionsverfahren bei einer Temperatur zwischen 750 und 900⁰C am Einlass der Reduktionszone.

Die Hauptbegrenzung für eine weitere Erhöhung dieser Temperatur besteht in der Tendenz, dass eine Sinterung und Agglomeration bei den meisten der stark reduzierten Eisenerze eintritt, wenn sie eine Temperatur von mehr als 900⁰C erreichen.

Diese Begrenzung ist besonders stark, wenn man mit eisenreichen Eisenerzteilchen umgeht, insbesondere in Form von-Pellets, weil die Pellets einen hohen Eisengehalt und einen niedrigen Gehalt an taubem Gestein haben.

Derzeit zieht man es vor, Pellets mit einem hohen Eisengehalt als Ausgangsmaterial für Direktreduktionsverfahren zu verwenden. Der Hauptgrund hierfür ist, dass die Pellets im allgemeinen leichter reduziert werden als Erzbrocken. Diese Qualität erleichtert es, ein hochmetallisiertes Produkt zu erhalten. Darüber hinaus sind Pellets auch äusserst beständig gegenüber

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einem mechanischen Abbau während des Reduktionsverfahrens und aus diesem Grund bilden sie auch weniger Feinstoffe als bei Erzbrocken. Ausserdem isrt es auch möglich, innerhalb gewisser Grenzen die chemische Zusammensetzung des tauben Gesteins zu verändern, um die Verwendung des reduzierten Materials als Zufuhr für elektrische Bogenöfen zu optimalisieren.

Derzeit besteht in der Eisen- und Stahlindustrie eine Tendenz, Pellets mit einem Eisengehalt von mehr als 67 % zu verwenden. Dadurch erhöht sich das Agglomerationsproblem, weil es bekannt ist, dass bei einem höheren Eisengehalt ein Sintern und Agglomerieren der Pellets in stärkerem Masse stattfindet. 15

Wenn eine Feststoffagglomeration in einem Bewegtbettreaktor vorkommt, treten ernste Probleme hinsichtlich des Feststoffflusses und der Gasstromverteilung auf. Dadurch geht die Kontrolle über das Verfahren verloren und die Produktqualität leidet darunter.

Es sind bereits eine Reihe von Lösungen zum Lösen der Agglomerationsprobleme in Bewegtbettreaktoren bei der Direktreduktion von Eisenerzen vorgeschlagen worden.

Die offensichtlichste Lösung ist die, dass man mechanisch die Agglomerate zerstört. Dies ist jedoch eine nichtoptimale Lösung, weil solche Mechanismen im allgemeinen in dem Fliesspfad für die Feststoffe angeordnet sind und dadurch eine Störung des Stroms verursachen und die Probleme noch erhöhen. Darüber hinaus unterliegen sie einem starken Abrieb und sind hohen

Temperaturen ausgesetzt. Solche mechanischen Vorrichtungen sind daher komplex und teuer.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Lösung des Problems der Pelletagglomerierung beim Arbeiten bei hohen Temperaturen besteht darin, dass man den Reaktor mit einer Mischung der Pellets und Brocken oder von Pellets und einem inerten Material unregelmässiger Form füllt. In beiden Fällen wird durch die Form das Problem der Agglomerierung minimalisiert.

Im Falle der Verwendung von Erzbrocken besteht der Nachteil, dass die Brocken im allgemeinen schlechter reduzierbar sind als Pellets und dass sie eine grössere Menge an Feinstoffen bilden. Darüber hinaus gibt es auf der Welt nur wenige brockenartige Erze, die man in einem Direktreduktionsverfahren anwenden kann. Deshalb ist es nicht immer richtig, eine Direktreduktionsanlage so zu entwerfen, dass man Mischungen von Pellets und Brocken verarbeiten kann.

Der Nachteil bei der Verwendung von Mischungen aus einem inerten Material und Pellets besteht darin, dass man das inerte Material von dem Produkt abtrennen muss und dass dadurch die Reaktorproduktivität absinkt.

Wegen der Vorteile bei der Anwendung von Pellets, z.B. der sehr guten Reduzierbarkeit und des geringen Anfalls an taubem Gestein und wegen der niedrigeren Bildung von Feinstoffen besteht ein Bedürfnis für ein

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Direktreduktionsverfahren, das einen Betrieb mit 100 % Pellets mit einem hohen Eisengehalt von mehr als 67 % und bei Reduktionstemperaturen oberhalb 900⁰C ermöglicht, ohne dass Probleme hinsichtlich des Sinterns und Agglomerierens vorliegen.

Aus US-PS 4 268 303 ist ein Direktreduktionsverfahren bekannt, bei dem man bei hohen Temperaturen und ohne Agglomerationsprobleme arbeiten kann. . Das in dieser Patentschrift beschriebene Verfahren beruht auf einem Bewegtbettreaktor mit zwei Reduktion sζonen und ohne Kühlζone.

In der ersten Zone findet die Reduktion bei Temperatüren in der Grössenordnung von 950 bis 1.200⁰C mit Gasen mit einem hohen Methangehalt (15 bis 40 %) statt.

Gemäss der Lehre dieser Patentschrift ist es möglich, die erste Reduktionsstufe (30 bis 80 %) bei hohen Temperatüren durchzuführen und bei einem hohen Methangehalt, weil die Reuktionsreaktion von Methan stark endotherm verläuft.

In der zweiten Zone wird die Reduktion bei Temperaturen im Bereich von 750 bis 950⁰C mit Gasen mit einem niedrigeren Methangehalt (2 bis 7 %) durchgeführt.

Die Hauptbeschränkung bei diesem Verfahren ist das extreme Niveau, auf welches die Temperatur der Gase mit hohem Methangehalt erhöht werden muss, um die Reduktion durchzuführen. Einerseits sind die Materialien,

die man für den Betrieb von Heizvorrichtungen bei Temperaturen in der Grössenordnung von 1.200⁰C benötigt, äusserst spezialisiert und teuer und andererseits wird bei diesen Temperaturen die Pyrolyse von Methan begünstigt (wodurch Probleme einer hohen Kohlenstoffabscheidung auftreten, die wiederum Probleme hinsichtlich des Reaktorbetriebs bedingen).

In dieser Patentschrift wird die grosse Agglomeratisierungstendenz der Pellets mit hohem Eisengehalt nicht erwähnt, noch wird in irgendeiner Weise vorgeschlagen, wie man dieses Problem lösen kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das mit einem Bewegtbettreaktor mit 3 Zonen arbeitet und zwar einer Reduktionszöne im oberen Teil des Reaktors, einer Kühlzone im unteren Teil des Reaktors und einer Zwischenzone, welche die beiden vorerwähnten Zonen trennt.
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In der Reduktionszone wird die Reduktion bei Temperaturen in der Grössenordnung von 950⁰C mit einem Gas mit einem Methangehalt zwischen 4 und 10 %, einem Wasserstoffgehalt zwischen 60 und 70 % und einem Kohlenmonoxidgehalt zwischen 2 und 15 % durchgeführt.

Im unteren Teil des Reaktors befindet sich die Abkühlungszone für das Produkt. Diese Abkühlung wird in einem geschlossenen Kreislauf bewirkt, der aus dem unteren Teil des Reaktors, einem Abschreckkühler und einem Kompressor besteht. Ein Naturgasstrom, der

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hauptsächlich aus Methan besteht, wird dieser Schleife als Ergänzung zugeführt. Da kein Gasauslass nach aussen aus dem Reaktor in dieser Kühlschleife vorgesehen ist, verursacht das in diese Schleife eingespritzte Methan, dass das Methan von dort durch die Zwischenzone in die Reduktionszone strömt.

In der Zwischenzone wird das aus der Kühlzone kommende Methan mit einem Teil des heissen Reduktionsgases, das in die Reduktionszone eingespritzt wird, vermischt.

Das aus der Kühlzone strömende Kühlgas hat eine Temperatur zwischen 400 und 600°C. Wenn das Kühlgas in der Zwischenzone mit den oxidierenden Elementen, die in dem heissen Reduktionsgas vorhanden sind, in Berührung kommt, wird die stark endotherme Reformierungsreaktion des Methans beschleunigt. Aufgrund dieser Reaktionen nimmt die Temperatur der Feststoffe sehr schnell ab, weil die Reaktionswärme von den absteigenden Feststoffmassen zur Verfügung gestellt wird. Dieses plötzliche Abkühlen der Feststoffe verhindert eine Agglomerierung der hochmetallhaltigen Pellets und Teilchen, weil die Zeit, während welcher sie bei derartig hohen Temperaturen gehalten werden, sehr kurz ist.

Auf diese Weise kann man die Agglomerisierung von Teilchen von hochmetallhaltigen Pellets vermeiden, ohne dass man einen hohen Methangehalt in dem Reduktionsgas, verbunden mit extrem hohen Temperaturen (1.200⁰C) in der Reduktionszone haben muss.

Bei der vorliegenden Erfindung findet die Reduktion in einer einzigen Stufe mit einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid statt, wobei diese Mischung eine grössere Reduktionsgeschwindigkeit hat als die von Methan.

Die Reformierung, die in der Zwischenstufe stattfindet, . vermeidet die Bildung von Agglomeraten und ermöglicht es, die Kapazität der Naturgasreformierungseinheit zu vermindern. In den US-PSen 4 046 557 und 4 049 440 wird das Einspritzen von Naturgas in die Kühlschleife eines Reduktionsverfahrens in einem Bewegtbettreaktor offenbart. Dennoch wird die Naturgaseinspritzung immer mit einer weiteren Einspritzung von im Kreislauf gefahrenem gekühlten Reduktionsgas begleitet. Das Hauptziel in dem vorerwähnten Patent besteht darin, das im Kreislauf gefahrene Gas aus der Reduktionsschleife als Kühlgas zu verwenden, ohne dass man die Reduktionsschleife beeinflusst. Das Naturgas wird eingespritzt, um das Reduktionspotential in dem Kreislaufgas zu regenerieren, indem man das Naturgas in der Kühlschleife reformiert und dann einen Teil dieses Gases nach oben in die Reduktionsschleife strömen lässt. In den US-PSen 4 046 557 und 4 049 440 trägt die Menge des in die Kühlzone eingespritzten und dann im Reaktor reformierten Gases nicht dazu bei, die Kapazität der Reformierungseinheit zu vermindern, weil die Menge des heissen reformierten Gases, welches aus der Reformiereinheit strömt, durch die Temperaturerfordernisse an dem Reduktionszoneneinlass bestimmt und fixiert ist. Diese Temperatur ist fixiert durch die Mischung des

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heissen Reduktionsgases mit dem kühlen im Kreislauf gefahrenen Gas. Es ist nicht möglich, einen zu grossen Teil des heissen Gasstroms, der aus der Refromiereinheit kommt, zu vermindern, ohne dass man die Temperatür am Einlass der Reduktionszone erniedrigt. Das Einspritzen von Naturgas in die Kühlschleife ermöglicht es deshalb nicht, in der Praxis die Kapazität der Re-. formiereinheit zu verkleinern. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird das reformierte Gas kühl als Ergänzungsgas in die Reduktionsschleife eingespritzt und die Ergänzungsmischung mit dem im Kreislauf gefahrenen Gas wird erwärmt, bevor sie in die Reduktionszone des Reaktors eingespritzt wird. In diesem Fall bewirkt das Einspritzen des Naturgases die Verminderung der Grosse der Reformiereinheit.

Wie schon vorher erwähnt, ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu steller mittels dem man Pellets mit einem hohen Eisengehalt von oberhalb 67 % bei Temperaturen zwischen 900 und 96O⁰C ohne Agglomerierung verarbeiten kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dem man die äquivalente Grosse der Reformiereinheit, die einem Reduktionsreaktor zugeordnet ist, verkleinern kann. Dies ist sehr bedeutsam, weil die Reformiereinheit bei einer Direktreduktionsanlage die teuerste Vorrichtung darstellt.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Bewegtbettreaktor verwendet, der aus drei Zonen besteht. In der oberen Zone findet die Reduktion des Eisens mit einem Reduktionsgas mit einem niedrigen Methangasgehalt, der zwischen 4 und 10 % liegt, und einem hohen Gehalt an reduzierenden Komponenten, nämlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid zwischen 75 und 90 % bei einer Reduktionstemperatur zwischen 900 und 960⁰C, statt. Dieser Reduktionsgasstrom fliesst in einen geschlossenen Kreislauf, dem Ergänzungsreduktionsgas aus einem getrennten Reformer zugeführt wird. Die untere Zone des Reaktors, die Kühlzone, in welcher ein Abschreckkühler und ein Kompressor vorhanden sind, ist mit einer geschlossenen Kühlzone kombiniert. Die Gaszusammensetzung des Ergänzungsgases für die Kühlschleife besteht vorzugsweise aus einem Kühlgas mit einem Gehalt von wenigstens 75 % Methan. Normalerweise wird das Ergänzungsgas für diese Schleife von einem Naturgasstrom gebildet. Die Menge dieses Natur-Ergänzungsgases liegt zwischen 1 und 2 % des Reduktionsgasstromes (am Einlass der Reduktionszone).

Zwischen der Reduktions- und der Kühlzone befindet sich die Zwischenzone, in welcher unter kontrollierten Bedingungen das Mischen zwischen einm Teil des heissen Reduktionsgases, das aus der Reduktionszone kommt und dem Methangas, das aus der Kühlzone kommt, beschleunigt wird. In dieser Zwischenzone findet eine Methanrefor-

mierung statt, durch welche eine erhebliche Menge der 30

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Wärme absorbiert wird und dadurch kühlen sich die Feststoffe schnell ab und vermeiden eine Agglomerierung der Pellets mit einem hohen metallischen Eisengehalt.

Durch das Reformieren des in die Kühlzone eingespritzten Methans innerhalb des Reaktors kann man die Grosse des Reformers, den man für die Reduktionsgaseinheit benötigt, verkleinern.

Fig. 1 zeigt die Relation der Produktivität einer Direktreduktionsanlage in bezug auf die Be

triebstemperatur ,

Fig. 2 ist ein Diagramm und zeigt die Wirkung des Eisengehaltes in den Pellets auf den Agglomerierungsindex,

Fig. 3 zeigt die Wirkung der Betriebstemperatur auf die erforderliche Grosse der Reduktionsgas erζeugungseinheit für zwei verschiedene Fälle und zwar einmal für das Einspritzen

von Naturgas in die Kühlschleife und einmal ohne eine solche Einspritzung,

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäs-

sen Verfahrens.

FIg. 1 zeigt die Temperaturwirkung auf die Produktivität in einer Direktreduktionsanlage der Art, bei welcher man das erfindungsgemässe Verfahren anwenden kann. In dieser grafischen Darstellung wird gezeigt, dass die Produktivität der Anlage um 17 % erhöht wird und dass die Menge des verwendeten reformierten Gases vermindert wird, wenn die Reduktionstemperatur auf 850 bis 96 0⁰C ansteigt. Es ist deshalb erstrebenswert, bei hohen Reduktionstemperaturen zu arbeiten. Das Haupt-0 problem beim Arbeiten bei hohen Temperaturen mit Pellets mit einem hohen Eisengehalt von mehr als 67 % ist die Agglomerisierung der Pellets, wenn sie metallisieren. Durch die Gegenwart von Agglomeraten entstehen Störungen in dem Feststoffstrom und im Gasstrom in den Bewegtbettreaktoren, wie sie für die Direktreduktion von Eisenerzpellets verwendet werden. Diese Störungen verursachen Betriebsprobleme und vermindern die 'Gebrauchsfähigkeit der Anlage (d.h. dass sie die Produktivität verringern) und erschweren die Kontrolle der Produktgualität (aufgrund eines ungleichen Stroms der Massen, wodurch diese eine ungleiche Behandlung erfahren und ungleiche Produkte ergeben).

Fig. 2 zeigt die Wirkung des Eisengehaltes in der zugegebenen Charge auf die Bildung von Agglomeraten, bezogen auf den sogenannten Agglomerationsindex Ia, der wie folgt definiert ist:

_T In Wa

Ia =

tn Wb
worin bedeuten:

Ia = Agglomerationsindex

Wa = Agglomeratgewicht während des Betriebs Wb = Agglomeratgewicht während des Betriebs, durch

welche Probleme in der Verfügbarkeit der Anlage und der Produktqualitätskontrolle eintreten. 10

In Übereinstimmung mit dieser Definition ist es wünschenswert, dass Ia immer niedriger als 1,0 ist, wobei dies den maximalen Wert darstellt, der für einen stabilen Betrieb der Anlage akzeptierbar ist, ohne dass Probleme hinsichtlich des Feststoff- und Gasstromes eintreten.

In Fig. 2 werden drei Kurven gezeigt und zwar zwei kontinuierliche Kurven für das Verfahren, das bei 900⁰C bzw. 960⁰C ohne Naturgasexnspritzung betrieben wird und eine gepunktete Kurve für ein Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung, das bei 960⁰C mit Naturgasexnspritzung arbeitet.

Gemäss dieser Information ist es erforderlich, um die Anlage bei 960⁰C ohne Naturgasexnspritzung und ohne Betriebsprobleme zu betreiben, dass der Eisengehalt in den Pellets niedriger als 66,6 % liegt oder alternativ, dass man die Temperatur auf 900⁰C erniedrigt, wenn man mit Pellets mit einem Eisengehalt von höher als 67 % arbeitet, um eine Ia von weniger als 1 % zu erzielen.

Wenn man dagegen vom erfindungsgemässen Verfahren Gebrauch macht, ist es möglich, bei 960⁰C mit Pellets mit einem hohen Eisengehalt in der Grössenordnung von 67,5 % zu arbeiten, ohne dass besondere Agglomerationsprobleme eintreten. Dieses Verfahren ermöglicht eine hohe Anlagenproduktivität sowie eine verbesserte Produktgualität mit einer hohen Metallisierung und einer niedrigen Feinstofferzeugung und ermöglicht es, Pellets mit hohem Eisengehalt einzusetzen, im Gegensatz zu der Verwendung von nicht-pelletisierten Erzklumpen.

Gemäss Fig. 2 ist es erforderlich, um das Verfahren mit Pellets mit einem Eisengehalt von 67,4 % und ohne Naturgaseinspritzung zu betreiben, niedrigere Temperatüren als 900⁰C anzuwenden, wobei man 10 % der Produktivität verliert.

Beim Einspritzen von Naturgas in die Kühlzone ist es möglich, die Kurven Ia gegen T bei 960⁰C nach rechts zu verschieben, aufgrund der plötzlichen Abkühlung des heissen reduzierten Materials und auch aufgrund der minimalisierten Zeit, während welcher die reduzierten Teilchen diesen hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Dieses plötzliche Abkühlen wird hauptsächlich durch den aufsteigenden Strom des Methans, das in die geschlossene Kühlschleife injiziert wird, bewirkt und zum Teil durch die Methanreformierung mit den oxidierenden Elementen des Gases, welches aus der Reduktionsschleife eintritt, wobei ein Teil des Gases in der Zwischenzone des Reaktors vermischt wird und dadurch die endotherme Reformierungsreaktion beschleunigt wird:

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CH₄ + H₂O ^ CO + 3H₂ (1)

CH₄ + CO₂ ^ 2CO + 2H₂ (2)

Das heisse Reduktionsgas, welches in die Reduktionsschleife eintritt, hat einen Kohlendioxidgehalt zwischen 2 und 15 % und einen Feuchtigkeitsgehalt zwischen 1 und 4 %. Diese oxidierten Elemente werden für die Reformierung verwendet, die in der Zwischenzone des Reaktors abläuft.

Fig. 3 zeigt die Wirkung der Temperatur und der Naturgaseinspritzung auf die Kapazität des Reformers der Reduktionsanlage. Für eine Betriebstemperatur von 96O⁰C benötigt das Naturgaseinspritzverfahren einen Reformer, der annähernd 15 % kleiner ist als bei dem Verfahren ohne Naturgaseinspritzung.

Bei dem Direktreduktionsverfahren mit Hilfe von Naturgas wird das Naturgas im allgemeinen zweifach angewendet. Ein Teil des Naturgases wird in einen J-^talytischen Reformer eingeführt, um die Kohlenwasserstoffe in Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu überführen, die dann als reduzierende Elemente bei der Direktreduktion von Eisenerz verwendet werden. Ein anderer Teil des Naturgases wird verwendet als Brennstoff zur Erzielung der nötigen Wärme, um die endotherme Reaktion der Reformierung zu bewirken und auch um die Reduktionsgase, bevor sie in den Reduktionsreaktor eingespritzt werden, zu erwärmen.

Im allgemeinen wird das als Brennstoff verwendete Naturgas mit dem Gasstrom, der aus dem Verfahren abgelüftet wird und der nur eine niedrige Reduktionskraft aufweist, aber der noch als Brennstoff geeignet ist, vermischt. Dieser zweite Naturgasstrom wird verwendet, um das abgelüftete Verfahrensgas zu verbessern und dann als Brennstoff für den Heizer und für den Reformer in dem Verfahren auszunutzen.

Beim erfindungsgemässen Verfahren wird ein Teil des Naturgases in die Kühlschleife eingespritzt. In dieser Schleife beschleunigt das Naturgas die Abkühlung des Produktes aufgrund seiner hohenkalorischen Kapazität und infolge dessen findet die Abkühlung schneller und effizienter statt.

Da die Kühlschleife eine geschlossene Schleife ist, fliesst das eingespritzte Naturgas nach oben durch den Reaktor in die Zwischenzone, wo es mit einem' Teil des heissen Reduktionsgases in Berührung kommt und die Reformierung eines Teils dieses Naturgases, wie vorher erwähnt, beschleunigt.

Beim Reformieren des Methans innerhalb des Reaktors werden reduzierende Elemente gebildet, die in der Reduktionszone verwendet werden, um die Reduktion wirksamer zu gestalten (wodurch die Erfordernis an die Reformerkapazität weiter vermindert wird).

Das nicht-reformierte Methan in der Zwischenzone fliesst in die Reduktionszone und wirkt als Wärmeträgerelement und trägt dazu bei, das Eisenoxid, das in

die Reduktionszone ausgetragen wird, zu erwärmen.

Schliesslich verlässt dieses Methan (vermischt mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Feuchtigkeit) den Reaktor und ein Teil dieser Mischung verlässt das Verfahren als Abgas, das dann als Brennstoff verwendet wird.

Kurz gesagt ergibt sich durch das in die Kühlschleife eingespritzte Methan eine Reihe von Verfahrensvorteilen: In der Kühlzone wird die Abkühlung des Produktes verbessert, die Agglomerierung der Pellets wird aufgrund der plötzlichen endothermen Abkühlung in der Zwischenzone vermieden, die.Erfordernis an die Reformerkapazität wird aufgrund der Reformierung, die in der Zwischenzone stattfindet, verringert und es dient auch in der Reduktionszone als Wärmeträger. Schliesslich reichert es die Mischung des entlüfteten Gases, das als Brennstoff in dem Reformer und für den Heizer verwendet wird, an.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass alle diese Vorteile nur bei dem erfindungsgemässen Verfahren erzielt werden, weil es einen Reformer ausserhalb der Reduktionsschleife und eine Heizvorrichtung für die Reduktion des Einlassgases, welches in die Reduktionszone führt, aufweist.

Bei Verfahren mit stöchiometrischen Reformern und ohne Heizvorrichtung für den im Kreislauf gefahrenen Gasstrom, wie wie in den vorerwähnten Patentschriften

<t ρ α α β

's ο ο ft

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beschrieben werden, ist es nicht möglich, den erfindungsgemässen Vorteil zu erzielen, nämlich die Verkleinerung der Reformergrösse, den man zum Einspritzen des Naturgases in die Kühlschleife benötigt, weil der Fluss des heissen Gases aus dem Reformer nicht vermindert

werden kann, ohne dass man die Temperatur am Einlass /■ der Reduktionszone vermindert und damit auch die
Produktivität der Anlage.

Befindet sich der Reformer innerhalb der Reduktionsschleife, dann erreicht das in die Kühlschleife injizierte Methan allmählich den Reformer und infolgedessen kann in diesem Fall der Vorteil, dass man die Reformerkapazität verkleinern kann, nicht erzielt werden.

Es liegt auf der Hand, dass die Vorteile der Verminderung der Reformerkapazität, wie sie erfindungsgemäss erzielt werden, unabhängig von dem Material ist, das dem Reaktor zugeführt wird, so dass dieses in Form

von Pellets, Erzklumpen oder einer Mischung aus diesen beiden bestehen kann.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens mittels dem die Vorteile der Erfindung erzielt werden.

Die Reduktion von Eisenerz findet in einem mit 1 bezeichneten Bewegtbettreaktor statt, der aus drei Zonen besteht, nämlich einer Reduktionszone 2, einer Zwischenzone 3 und einer Kühlzone 4. Der Reaktor wird vorzugsweise etwas oberhalb Atmosphärendruck, typischerweise

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bei 5 kg/cm² (5 bar) betrieben. Eisenerz wird kontinuierlich in den Reaktor 1 durch die Zuführleitung 5 eingegeben und das Erz fliesst durch die Schwerkraft durch die drei Zonen des Reaktors. Die Geschwindigkeit des FeststoffStroms wird durch ein Drehventil 6, das sich am Boden des Reaktors befindet, überwacht. Durch Kontrollieren des FeststoffStroms wird mittels dieses Ventils auch die Verweilzeit des Feststoffes und die Produktion des Reaktors eingestellt.

Im unteren Teil der Reduktionszone 2 wird ein Strom von Reduktionsgas 7 bei einer Temperatur zwischen 900 und 96O⁰C eingespritzt. Dieser Strom fliesst nach oben durch die Reduktionszone 2, wo er mit den absteigenden Feststoffen in Berührung kommt. Wenn das heisse Gas das Eisenerz berührt, findet die Reduktion des vorerwähnten Materials statt.

Das Reduktionsgas verlässt den Reaktor an dessen'oberem Teil durch die Leitung 8. Es wird in einem Abschreckkühler 9 abgekühlt und das durch die Reduktionsreaktion mit Wasserstoff gebildete Wasser wird kondensiert und entfernt. Auf diese Weise wird die Reduktionskraft des Gasabflusses aus dem Reaktor erhöht. 25

Der Gasabfluss aus dem Abschreckkühler 9 wird in zwei Ströme 10 und 13 aufgeteilt. Der erste Strom 10 wird mittels eines Kompressors 11 und durch einen Heizer an den Einspritzpunkt des heissen Reduktionsgases in dem unteren Teil der Reduktionszone 2 im Kreislauf gefahren.

Der zweite Strom 13 wird in ein Brennstoffsammelrohr eingeführt, das für den Brennstoff in den Brennern des Heizers 12 und im Reformer 14, wie nachfolgend beschrieben wird, verwendet wird. Der im Kreislauf gefahrene Gasstrom 10 wird, bevor er durch den Heizer 12 geleitet wird, mit dem kalten Reformiergasstrom, der aus dem Reformer 14 kommt, vermischt. In dem Reformer 14 findet die katalytische Umwandlung von Naturgas und Wasserdampf statt und bildet eine Gasmischung, die sich hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt. Ein Strom des Naturgases 15 und ein S.trom des Wasserdampfs 16 wird in den Reformer eingeführt, um die vorerwähnte katalytische Umwandlung durchzuführen. Im Reformer 14 wird normalerweise ein Nickelkatalysator verwendet, um die Reformierung des Methans in dem Naturgas zu beschleunigen. Um den in dem Reformer 14 enthaltenen Katalysator vor einer zu starken Kohlenstoffabscheidung zu schützen, wird diese Vorrichtung im allgemeinen mit einem überschuss von Wasserdampf betrieben, in bezug auf die stöchiometrisch notwendige Menge, die zur Reformierreaktion erforderlich ist. Da dieser Wasserdampf ein unerwünschtes Element in dem Ergänzungsreduktionsgas für das Reduktionssystem ist, ist es erforderlich, den nicht-umgesetzen Wasserdampf aus dem Gasabstrom des Reformers 14 zu entfernen und zu diesem Zweck wendet man einen Abschreckkühler 17 an und man erhält einen Strom 18, der im wesentlichen wasserfrei ist und einen hohen Gehalt an Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Der Strom 18 wird mit dem im Kreislauf gefahrenen Gas 10 vermischt und in die Heizvorrichtung 12 eingeführt,

wo dessen Temperatur, bevor er in die Reduktionszone 2 eingeführt wird, erhöht wird.

Im unteren Teil der Kühlzone 4 wird ein Kühlgasstrom, der im Gegenstrom zu den absteigenden Feststoffen fliesst, eingespritzt. Dieses Kühlgas verlässt den Reaktor durch eine Leitung 20, die am oberen Teil der Kühlzone 4 angebracht ist. Es wird dann in einem Abschreckkühler 21 gekühlt. Das Kühlgas wird dann in einem geschlossenen Kreis am unteren Teil der Kühlzone mittels eines Kompressors 22 rezirkuliert.

Ein kühler Naturgasstrom 23 wird als Ergänzung in die Kühlschleife eingespritzt und bildet mit dem im Kreislauf gefahrenen Kühlgasstrom einen Strom 19, der in die Kühlzone 4 eingespritzt wird.

Da die Kühlschleife eine geschlossene Schleife ist, fliesst ein Teil des Stroms 19 im Inneren aus der Kühlzone 4 in die Zwischenzone 3, wie durch die Pfeile 24 angezeigt wird. In der Zwischenzone 3 kommt das Methan, das aus der Kühlzone 4 fliesst, in Berührung mit den oxidierenden Elementen in dem heissen Reduktionsgasstrom 7 und beschleunigt die Reformierung eines Teils des eingespritzten Methans.

Es muss darauf hingewiesen werden, dass der Strom im Vergleich zum Strom 7 klein sein muss, um das Reduktionsgas nicht zu stark abzukühlen und dadurch die Reduktionsreaktion in der Reduktionszone 2 nachteilig zu beeinflussen. Beim erfindungsgemässen

Verfahren hat die Fliessrate des Stroms 23 einen Wert zwischen 1 und 2 % des Stroms 7. Zusätzlich zu den Naturgasströmen 15 und 23 (beide werden in dem Verfahren benötigt und zwar der erste wird in den Reformer 14 eingespritzt und der zweite wird in die Kühlschleife des Reaktors eingegeben) wird ein dritter Naturgasstrom 25, der als Brennstoff verwendet wird, eingesetzt. Der vorerwähnte Strom 25 wird mit dem abgelüfteten Gasstrom 13 vermischt. Diese Mischung wird verwendet,. um die erforderliche Wärme in den Brennern

26 und den Heizvorrichtungen 12 und in den Brennern

27 des Reformers 14 zu erzeugen. Dabei ist es offensichtlich für den Fachmann, dass man die bevorzugte Ausführungsform modifizieren kann, ohne ausserhalb der Erfindung zu sein. Modifizierungen, wie die Anwendung einer C0₂-Absorptionseinheit, um CO₂ aus dem Strom 10 zu entfernen und auch um einen Teil des Stroms 18 als einen kleineren Teil des Ergänzungsstroms in der Kühlschleife zu verwenden, können angewendet werden, ohne dass man den Geist und den Umfang der Erfindung verlässt. Ebenso liegt es noch im erfindungsgemässen Verfahren, dass man nur den Strom 10 heizt und ihn heiss mit dem heissen Reduktionsgasstrom aus dem Reformer vermischt.

Claims

HOFFMANN-'EITEE & PARTNER PAT E N TAN WALT E DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-ING. W. EITLE · DR. R E R. NAT. K. H O FFMANN · Dl PL.-1 NG. W. LEHN DIPL.-ING. K.FOCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 ■ D-8000 M 0 NCH EN Bl · TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE) 38 671 o/wa HYLSA, S.A. , MONTERREY, N.L-, / MEXIKO Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz PATENTANSPRÜCHE

1. Direktreduktionsverfahren mit Gas' für die Herstellung von Schwammeisen aus Eisenerz in Form von Pellets, Erzklumpen oder Mischung aus beidem in einem Bewegtbettreaktor mit drei Zonen, nämlich einer Reduktionszone am oberen Teil des Reaktors, einer Kühlzone am unteren Teil des Reaktors und einer Zwischenzone zwischen der Reduktionszone und der Kühlzone, dadurch gekennzeichnet , dass man Eisenerz in den Reaktor in den oberen Teil einführt,

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dass man einen ersten heissen Reduktionsgasstrom, der sich hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt und der auch eine untergeordnete Menge an oxidierenden Elementen in Form von Wasser und Kohlendioxid enthält, in eine Reduktionsschleife, die aus der Reduktionszone, einem Abschreckkühler, einem Kompressor und einem Erhitzer für das Reduktionsgas besteht, im Kreislauf führt,

dass man einen zweiten Kühlgasstrom, der sich hauptsächlich aus Methan zusammensetzt in einer Kühlschleife, die aus der Kühlzone., einem Abschreckkühler und einem Kompressor besteht, im Kreislauf führt,

und dass man einen dritten Gasstrom, der sich hauptsächlich aus Methan zusammensetzt, in die Kühlschleife eingibt,
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wobei ein Teil des zweiten Stroms nach oben in den Reaktor in die Zwischenzone strömt und einen vierten Gasstrom bildet,

dass man einen Teil des ersten Gasstroms mit dem vierten Gasstrom mischt, wodurch das in dem vierten Gasstrom enthaltene Methan mit den oxidierenden Elementen, die in dem ersten Gasstrom enthalten sind, reformiert wird und endotherm das reduzierte Erz, welches in die Zwischenzone eintritt, kühlt und

dass man das reduzierte Eisenerz am unteren Teil des Reaktors abführt.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass der erste Gasstrom in die Reduktionszone bei einer Temperatur zwischen 900 und 96O⁰C eingespritzt wird.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, dass der Methangehalt des dritten Gasstroms wenigstens 75 % beträgt.

4. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass der Methangehalt des ersten Gasstroms zwischen 4 und 10 Vol.% beträgt.

5. Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt in dem ersten Gasstrom zwischen 1 und 4 % und der Kohlendioxidgehalt zwischen 2 und 15 % liegt.

6. Verfahren gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fliessrate des dritten Gasstroms in bezug auf dessen Methangehalt zwisehen 1 und 2 Vol.% der Gesamtfliessrate des ersten Gasstroms ausmacht.

7„ Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reaktor zugeführte Erz in Form von Pellets mit einem Eisengehalt von mehr als 67 Gew.% vorliegt.

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8. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet , dass der erste Strom eine Mischung aus rezirkuliertem Gas aus der Reduktionszone und Ergänzungsgas aus einem katalytischen Re- former ist.

9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet, dass das rezirkulierte Reduktionsgas erwärmt wird und dann mit dem heissen Reduktionsgasstrom, der aus dem Reformer kommt, vermischt wird.

10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet , dass das Kohlendioxid aus dem
rezirkulierten Gasstrom abgeführt wird.