DE4326562A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Direktreduktion von Feinerzen bzw. Feinerzkonzentraten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Direktreduktion von Feinerzen bzw. Feinerzkonzentraten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduk­ tion von Feinerzen bzw. Feinerzkonzentraten, insbeson­ dere von Eisenerzen in einem liegenden Reaktor mit einem Reduktionsgas und einem Wärmeträgergas in einer Wirbelschicht. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es sind in letzter Zeit eine Reihe von Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerzen entwickelt worden, die es gestatten, die in der Welt vorhandenen großen Mengen an Feinerzen und Feinerzkonzentraten direkt, ohne vorherige Agglomeration, beispielsweise durch Sintern, Pelletisieren u. a. zu verarbeiten. Feinerz ist daher ein kostengünstiger Einsatzstoff für die Stahlerzeugung. Die Verwendung von Feinerzen hat außerdem Vorteile gegenüber den Verfahren und Einrich­ tungen, die nur Stückerze verarbeiten. Dies sind der konventionelle Hochofen zur Roheisenerzeugung, ein Schachtofen oder eine senkrechte Retorte zur Direktreduktion für die Erzeugung von Eisenschwamm.
Bekannt ist die Direktreduktion von Feinerzen in der Wirbelschicht in stehenden Reaktoren, wobei einer oder mehrere hintereinandergeschaltet sind, die mit festen oder gasförmigen kohlenstoffhaltigen Reduktionsmitteln arbeiten, wobei die Reduktionsgeschwindigkeit im Kornbereich unter 0,1 mm sehr hohe Werte annimmt. Wirbelschichtreaktoren sind in der Lage, Reaktionen zwischen Gasen und festen Stoffen bei diesen Korngrößen in größerem Umfang durchzuführen.
Bei der Aufbereitung armer Eisenerze fallen Eisenerz- Konzentrate im Größenbereich von 0,1 bis 1,0 mm in großen Mengen an, für die eine Reduktion im Wirbel­ schichtreaktor mit CO- oder H₂-reichen Gasen technisch und wirtschaftlich interessant ist. Der Reduktion im Wirbelschichtreaktor, besonders im stehenden Reaktor, sind jedoch Grenzen gesetzt. So sind Wirbelschichten in einem Bereich von hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten nach oben durch die Austragungsgeschwindigkeit (Stokessche Grenzgeschwindigkeit) und nach unten durch den Wirbelpunkt des Reaktorgefäßes Grenzen gesetzt. Bei hohen Umsatzgeschwindigkeiten setzt sich das Reduktionsgas schon nach kurzer Berührung ins Gleichgewicht und kann nicht weiter reduzieren. Von wesentlichem Einfluß ist daher, welche Gasmenge pro Zeiteinheit durch die Wirbelschicht geführt wird.
Es sind eine Reihe von Verfahren zur Reduktion von Feineisenerzen mit Wasserstoff bekannt, die jedoch nicht zur Betriebsreife geführt haben (s. "Die Reduk­ tion der Eisenerze", von Bogdandy/Engell, Springer-Verlag Berlin 1967, S. 225-236). Genannt seien hier das H-Iron und das Nu-Iron-Verfahren, wobei beim H-Iron-Verfahren mit tiefen Temperaturen, reinem Wasserstoff und hohem Druck, beim Nu-Iron Verfahren mit einer mittleren Temperatur, reinem Wasserstoff und mittlerem Druck gearbeitet wurde.
Beim H-Iron-Verfahren arbeitet der Reaktor mit drei übereinanderliegenden Wirbelschichten, zwei für die Reduktion, eine für die Vorwärmung, so daß eine Gegen­ stromwirkung zwischen Gas und Erz angenähert erreicht wird. Trotzdem verläuft infolge der niedrigen Tempera­ tur die Reduktion langsam und die chemische Ausnutzung des Wasserstoffes ist wegen der ungünstigen Lage des Gleichgewichts und schlechter Gleichgewichtsannäherung recht gering. Das gereinigte Abgas des Reaktors (etwa 94% der Gesamtmenge) wird daher im Kreislauf geführt, um das gebildete Reduktionswasser bei jedem Umlauf in der Druckwasserwäsche zu entfernen.
Das Nu-Iron-Verfahren unterscheidet sich von dem H-Iron-Verfahren im wesentlichen durch höhere Reaktionstemperaturen (600 bis 760°C) und niedrigere Überdrucke. Die Gasausnutzung ist verbessert, aller­ dings auf Kosten der Sicherheit in der Beherrschung der Wirbelschicht; man geht näher an den Sinterpunkt des Erzes heran. Die Gasausnutzung liegt schon bei geringen Schütthöhen nahe dem Gleichgewicht. Es bestand eine halbtechnische Anlage mit 2 t Tagesdurchsatz. Der nicht verbrauchte Wasserstoff wurde nach Auswaschung des Wassers im Kreislauf geführt.
Bekannt sind ferner das HIB-Verfahren und das FIOR-Ver­ fahren, die als betriebstechnische Anlagen in Venezuela betrieben wurden bzw. werden. Bei beiden Verfahren wird Wasserstoff als Reduktionsmittel verwendet, wobei das HIB-Verfahren aus dem Nu-Iron-Verfahren weiterent­ wickelt wurde.
Beim HIB (High Iron Briquette) Verfahren wird feinkör­ niges Eisenerz in einem zweistufigen, stehenden Wirbel­ schichtreaktor reduziert und der erzeugte Eisenschwamm briquettiert, wobei Dampf-Methan-Gas-Reformer zur Erzeugung des Reduktionsgases verwendet werden. Das aufbereitete Feinerz wird in 2 Stufen getrocknet und vorgewärmt, bevor es den übereinander angeordneten Reaktoren zugeführt wird. Das vorgewärmte Feinerz wird zunächst in dem oben angeordneten, danach in dem unten angeordneten Reaktor jeweils bei ca. 700°C reduziert.
Eine Anlage mit 400 000 jato, die nach dem Fior-Verfah­ ren arbeitet, wurde 1976 in Venezuela in Betrieb genommen. Diese Anlage arbeitet mit insgesamt vier Reaktoren, mit einem Vorheiz-Reaktor für das Feinerz und mit drei in Stufen geschalteten Reaktoren für die Direktreduktion. Das vorgewärmte Erz wird pneumatisch den in Reihe angeordneten, stehenden Wirbelbettreakto­ ren zugeleitet, wobei das Erz stufenweise im Gegenstrom mit dem Reduktionsgas H₂ und CO, reduziert wird.
Das Reduktionsgas durchläuft zunächst den unteren, letzten Reaktor, durchläuft dann den mittleren Reaktor und verläßt über den ersten bzw. oberen Reaktor die Reduktionskolonne, bevor es einem Quensch und Reini­ gungsstufen zugeführt wird. Das gekühlte und gereinigte Gas wird anschließend komprimiert, mit frischem Wasser­ stoff angereichert und in den Reduktionsprozeß zurück­ geführt.
Die Gründe für das Versagen dieser Verfahren sind u. a. durch das sog. Sticking, Zusammenbacken der Einsatz­ stoffe, schlechte Gasausnutzung und eine unvoll­ ständige Reduktion der Einsatzstoffe begründet. Die damit verbundene geringe Produktivität und unzureichen­ de Wirtschaftlichkeit haben dazu beigetragen, daß sich sowohl das HIB- und FIOR-Verfahren nicht weiter verbrei­ tet haben.
Die Reduktion in einer Wirbelschicht hat trotz reak­ tionskinetischer Vorteile bisher keinen Durchbruch gefunden, weil bei sehr kleiner Korngröße (0,1-1,0 mm) des Einsatzstoffes die Wirbelschicht nur bei geringer Gasgeschwindigkeit (Anströmgeschwindigkeit) stabil ist. Ferner führen zu hohe Temperaturen des anströmenden Reduktionsgases, wie bereits erwähnt, zu einem Sticking der Einsatzstoffe während des Reduktionsprozesses. Beide Begrenzungsparameter, nämlich hohe Gasgeschwindigkeit und niedrige Temperatur, führen dazu, daß trotz guter reaktionskinetischer Voraussetzungen ähnlich hohe Durchsatzdichten (tFe/m²) wie beim Hochofen oder der Direktreduktion im Schachtofen nicht erreicht werden.
Die grundsätzlichen Überlegungen, die zu dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren zur Direktreduktion von Feiner­ zen mit Wasserstoff in einem liegenden Wirbelschichtre­ aktor beigetragen haben, wurden von einem Verfahren und einer Vorrichtung abgeleitet, wie sie in der EP-0 329 673 beschrieben wird. Allerdings handelt es sich dort um die Vergasung von Feinkohle in einem Wirbelbett-Reaktor. Einige wesentliche Erkenntnisse aus der Entwicklung des in der genannten Druckschrift behandelten Verfahrens, insbesondere die Übernahme des dort in Fig. 2 dargestellten liegenden Reaktors als Vorrichtung zur Durchführung der Direktreduktion konnten bei der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwertet werden.
Ferner sind Wirbelbettgasgeneratoren zur Gaserzeugung aus Kohle und Wasserdampf unter erhöhtem Druck mit Wärmezufuhr durch Heizrohre in einer stationären, zylindrischen Retorte auch aus der DE 24 23 951 und der DE 29 10 437 bekannt.
Die zwängungsfreie Aufhängung von Wärmetauscherbündeln mit hoher Temperaturbeaufschlagung in einem liegenden Behälter mit einem Wärmetauscher für die Durchströmung extrem heißer gas- oder dampfförmiger Medien, bestehend aus mehreren Einheiten, ist aus der EP 0 424 625 bekannt.
Die EP 0 440 886 beschreibt schließlich einen liegenden Wirbelbettreaktor mit einem Anströmboden, der an der zentralen Fluidisiermedium-Zuführung gelagert ist und wobei an diese Leitung ein Sammler angeschlossen ist, von dem sich beidseitig Anströmrohre erstrecken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Direktreduktion von Feinerzen bzw. Feinerz-Konzentraten zu schaffen, bei denen die nach dem aufgezeigten Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden und darüber hinaus eine bessere Wirtschaftlichkeit hinsichtlich Anlage- und Betriebskosten erzielt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine bessere Ausnutzung des Reduktionsgases durch eine stufenweise Reduktion der Einsatzstoffe erreicht und die spezifische Leistung in tFe/m² und Stunde wird gegenüber den bekannten Verfahren erhöht.
Diese Aufgabe wird durch die im ersten Verfahrens- und ersten Vorrichtungsanspruch angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen geht es um eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Durchführung der Direktreduktion von Feineisenerzen mit Wasserstoff als Reduktionsgas in der Wirbelschicht in einem liegenden Reaktor basiert auf folgenden Voraussetzungen:
Die für die Reduktion mit Wasserstoff benötigte Wärme­ menge beträgt 141 kcal/kg Fe, wobei die endotherme Reaktion nach folgender Gesetzmäßigkeit abläuft:
Fe₂ O₃ + 3 H₂ = 2 Fe + 3 H₂O.
Neben der Reaktionswärme wird eine zusätzliche Wärme­ menge für die Aufheizung der Einsatzstoffe benötigt. Diese Wärmemenge liegt bei 0,20 kcal/kg °C und wird durch Zuführung eines erhitzten Wärmeträgergases erreicht, das durch Verbrennung eines Brenngases, beispielsweise Erdgas, mit komprimierter Luft erzeugt wird.
Als Anströmmedium zum Aufbau einer Wirbelschicht und als Reduktionsmittel wird Wasserstoff mit einer Tempe­ ratur von ca. 700°C verwendet. Daraus ergibt sich eine rechnerisch mögliche Gasausnutzung von 30%, entspre­ chend einer Reduktionsgasmenge von ca. 2000 Nm³/tFe bei einem angestrebten Reduktionsgrad des Erzes von 100%. Der Temperaturabfall des Reduktionsgases beim Durchlaufen der Wirbelschicht in den einzelnen Reaktor­ zonen liegt bei ca. 380°C.
Aufgrund diese Temperaturabfalles liegt die tatsächli­ che Gasausnutzung jedoch niedriger und erreicht Werte von ca. 20%, was zu einer erforderlichen Reduktions­ gasmenge von über 3000 Nm³/tFe führt.
Bei einem mittleren Korndurchmesser des Feinerzes von 0,1 bis 1,0 mm ist beim Anströmen mit Wasserstoff die Wirbelschicht stabil, wenn die Gasströmungsgeschwindig­ keit ca. 100 cm/s beträgt. Bei einer Temperatur des Reduktionsmittels von ca. 700°C und Atmosphärendruck entspricht dies einer strömenden Gasmenge von 1010 Nm³/h · m².
Unter dieser Voraussetzung ergibt sich bei einem Wirkungsgrad von 20% eine spezifische Leistung von 0,335 tFe/m². Dies ist ein Wert, wie er größenordnungs­ mäßig in Pilotanlagen zur Direktreduktion von Eisen­ erzen erreicht wurde.
Um die spezifische Leistung bei der Direktreduktion mit Wasserstoff zu steigern, bieten sich zwei Möglichkeiten an:
  • - Anheben des Druckes
  • - Anheben der mittleren Wirbelschichttemperatur im Reaktor.
Ein Anheben des Druckes in der Wirbelschicht ist relativ leicht durchzuführen. Der Einfluß des Druckes auf die spezifische Leistung ist dabei proportional, d. h. bei 10 bar verzehnfacht sich die spezifische Leistung und bei 20 bar wird sie 20 mal so hoch, wenn die entsprechenden Gasmengen angeboten werden.
Bezogen auf die angegebene spezifische Leistung von 0,335 tFe/m² · h werden bei 10 bar 3,35 tFe/m² · h und bei 20 bar 6,70 tFe/m² · h erreicht. Mit diesen Werten wird bereits der Bereich von konventionellen Direktreduktionsanlagen und Hochöfen erreicht.
Ein Anheben der Temperatur des anströmenden Reduktions­ gases empfiehlt sich nicht, da nach hier die Gefahr des Stickings der Einsatzstoffe auftritt, wenn die Temperatur über der Sticking-Temperatur des verwendeten Erzes liegt, auch wenn die mittlere Wirbelschichttempe­ ratur niedriger liegt.
Die indirekte Wärmeübertragung auf die Wirbelschicht führt zu einer Anhebung der mittleren Temperatur im Reaktor. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei von außen über einen in die Wirbelschicht, nach Art eines Tauchsieders, eintauchenden Wärmetauschers.
Damit wird die Gasausnutzung von unter 20% auf ca. 40% bei einer Temperatur von ca. 750°C gesteigert. Die spezifische Reduktionsgasmenge liegt dann bei 1,584 Nm³/tFe. Eine weitere Leistungssteigerung ist möglich, wenn das Wärmeangebot an die Wirbelschicht erhöht wird.
Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Prozeßführung mit einer gesteuerten Temperatur in den einzelnen Reaktorzonen wird erreicht, daß ein Verkleben des Feinerzes verhindert wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner erreicht, daß das eine Wirbelschicht bildende Feinerz bzw. Feinerzkonzentrat während des endothermen Reaktionsablaufes die einzelnen Reaktorzonen ohne Rückvermi­ schung der vor- bzw. reduzierten Erzpartikel durchwandert.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung desselben zeichnen sich durch eine Reihe von Maßnahmen aus, die eine vollständige und wirtschaftliche Reduktion von Feinerzen in der Wirbelschicht gewährleisten.
Zu diesen Maßnahmen zählen,
  • - daß ein an sich bekannter liegender Wirbel­ schichtreaktor verwendet wird, der in drei Sekti­ onen unterteilt ist,
  • - daß jeder Sektion separat zusätzliche Wärme zugeführt wird,
  • - daß die über die Wärmetauscher eingebrachte Wärme temperaturmäßig steuerbar ist,
  • - daß die für die endotherme Reaktion erforderli­ che Zusatzwärme nicht über das Reduktionsmittel eingebracht wird,
  • - daß in jede Sektion frisches Reduktionsmittel mit angepaßter Temperartur einfließt,
  • - daß die Aufwärmung und Vorreduktion der Fein­ erze bei hohen Temperaturen isothermisch stattfin­ den kann,
  • - daß die Reduktion bis zu einem Reduktionsgrad von 80% isotherm bei niedrigeren Temperaturen als bei der Aufwärmung/Vorreduktion stattfinden kann,
  • - daß die Endreduktion bis 100% bei niedrigen Temperaturen entsprechend dem Sticking-Verhalten der zu reduzierenden Erze erfolgt,
  • - daß die Reduktion in allen drei Sektionen bei hohen Drücken durchgeführt wird,
  • - daß das Gichtgas nach Grob- und Feinreinigung und Entzug des Reaktionswassers als trockenes Kreislaufgas zur Reduktion in den Prozeß zurückge­ führt, und daß die abgeschiedenen Feinerzanteile ebenfalls in den Materialkreislauf eingegeben werden,
  • - daß durch Verwendung von hohen Drücken kleine Baugrößen und geringere Gewichte der peripheren Anlagenteile, wie Wasserversorgung, Gasreinigung, Verdichter, Kühler, Wärmetauscher, Rohrleitungen, elektrische Antriebe etc. erforderlich werden.
Ein Reaktor der Größe und Anordnung wie er nachstehend beispielhaft anhand der Patentfiguren beschrieben wird, ist theoretisch in der Lage, bei einer spezifischen Leistung von 6 tFe/m² · h eine Leistung von 480 tFe/h zu erbringen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt des liegenden Reaktors mit außenliegenden Brennkammern und Wärmetauschern,
Fig. 2 ein Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Direktreduktionsver­ fahren mit Wasserstoff und
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den in drei Zonen aufgeteilten Reaktor.
Der apparative Aufbau einer erfindungsgemäßen Direkt­ reduktionsanlage ist in Fig. 1 dargestellt. Das eigent­ liche Reduktionsgefäß besteht aus einem liegenden Wirbelschichtreaktor (1), in den Feinerze oder Feinerz- Konzentrate (F) pneumatisch von unten eingegeben werden. Als Reduktionsmittel werden Wasserstoff (A) oder ein gemischtes Reduktionsgas (A′) verwendet. Das erwärmte Reduktionsgas (A′) wird unter Druck über Anströmböden (2) in die Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) eingegeben. Die für die Reaktion notwendige Wärme wird über Wärmetauscher (3), die in die Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) des Reaktors (1) eintauchen, mit unterschiedlichen Temperaturen an das Wirbelbett übertragen. Die Wärmeführung erfolgt im Gegenstrom zum Reduktionsmedium.
Brenngas (B) wird in Brennkammern (4.1, 4.2) unter Luftzufuhr (C) zu Wärmeträgergas (D) verbrannt. In den den Brennkammern nachgeschalteten Wärmetauschern (5.1-5.3) wird das Reduktionsgas (A′) vorgewärmt, bevor es über die Anströmböden (2) in die einzelnen Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) des Reaktors (1) gelangt.
Das Wärmeträgergas (D) strömt zunächst in die Wärme­ tauscher (3) in den Reaktorzonen (1c und 1b) und wird bei dieser Ausführungsform anschließend, nach einer weiteren Zwischenerhitzung in der Brennkammer (4.3) mit nachgeschalteten Wärmetauscher (5.3), in den in der Reaktorzone (1a) befindlichen Wärmetauscher (3) gelei­ tet. Das Wärmeträgergas (D) verläßt den Reaktor über eine Leitung (D) in Richtung Brennkammern (4.1, 4.2) bzw. wird zur weiteren Verwendung als Rauchgas (D′) innerhalb des Prozesses übel die Leitung (3e) abge­ führt.
Das Pneumatisch eingegebene Feinerz durchwandert im kontinuierlichen Strom die einzelnen Sektionen (1a, 1b, 1c) des Reaktors (1). Auf diesem Wege wird der Sauer­ stoff aus dem Erz durch das Reduktionsmittel Wasser­ stoff abgebaut. Das entstehende H₂/H₂O - CO/CO₂- Gemisch verläßt den Reaktor (1) als sogenanntes Gicht­ gas (E) über die Gichtgasleitung. Das Gichtgas (E) wird Heißgaszyklonen zugeführt, in welchen die Staubanteile abgeschieden werden.
Nach Durchlaufen der Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) wird das vollständig reduzierte Feinerz (F) als Eisenschwamm (G) ausgetragen.
Das in Fig. 2 dargestellte Verfahrensschema zeigt, wie der Reaktor (1) betrieben werden soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus zwei Gas­ kreisläufen, dem Wärmeträgergas-Kreislauf (B, C, D) und dem Reduktionsmittel-Kreislauf (A, A′, E, E′), sowie dem Material-Kreislauf (F, G) und einer Reihe von Hilfs-Kreisläufen.
Wärmeträgergas-Kreislauf:
Brenngas (B) wird mit komprimierter Luft (C) in den Brennkammern (4.1, 4.2) zu einem Wärmeträgergas (D) verbrannt. In diesen Brennkammern verbrennt das Brenn­ gas (B), beispielsweise Erdgas, mit verdichteter Brennluft (C), so daß das Wärmeträgergas (D) mit einer Temperatur von 550 bis 800°C in die Wärmetauscher (3) des Reaktors eintritt. Dieses Gas (D), welches sich im wesentlichen aus N₂ und CO₂ zusammensetzt, tritt, nachdem es durch die nachgeschalteten Wärmetauscher (5.1, 5.2) geleitet wurde, in die Wärmetauscher (3) der Reaktorzone (1c, 1b) ein. Das Wärmeträgergas verläßt den Reaktor (1) in der Reaktorzone (1a) mit ca. 500°C aber eine Sammelleitung (D) und wird über einen Booster (10) wieder den Brennkammern (4.1, 4.2) zugeführt.
Überschüssiges Wärmeträgergas (D) wird als Rauchgas (D′) dem Wärmeträgergaskreislauf über einen Expander (11) entnommen. Dieser Expander (11) treibt einen Verdichter (12) an, der die für das Brenngas (B) erforderliche Verbrennungsluft (C) verdichtet.
Reduktionsmittel-Kreislauf:
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Reduktion mit Wasserstoff betrieben. Dies hat u. a. den Vorteil, daß in den Umlauf des Kreislaufgases (E′) keine CO₂-Wäsche geschaltet werden muß. Der Wasserstoff (A) wird in einem nicht dargestellten Reformer (Erd­ gas/Dampf) erzeugt.
Der Wasserstoff (A) wird, nachdem er an einem Mischpunkt (14) mit dem Kreislaufgas (E′) vermischt wurde, als Reduktionsgas (A′) über einen Gichtgasrekuperator (15) geführt und auf ca. 500°C vorgewärmt. Dieses vorgewärmte Reduktionsgas (A′) wird in den Wärmetauschern (5.1, 5.2), die hinter den Brennkammern (4.1, 4.2) des Wärmeträgergas-Kreislaufes D(D) gelegen sind, auf eine Temperatur bis max. 750°C aufgewärmt. Danach tritt das Reduktionsgas (A′) über die Anströmböden (2) in die Reaktorzonen im Reaktor (1) ein. Das Reduktionsgas verläßt den Reaktor (1) am Ende als Gichtgas (E) und wird zur Grobreinigung den Rauchgas-Zyklonen (17, 18) zugeführt. Im ersten Zyklon (17) werden 85-90% des anfallenden Staubes (F′), im zweiten Zyklon (18) werden weitere 5-8% des Staubens ausgeschieden.
Der Rest wird von einem Venturiwäscher mit Quench (19, 20) ausgewaschen. In dem Quench (20) wird der Wasserdampf aus dem H₂/H₂O-Gemisch auskondensiert. Der in dem Gas (E′) verbleibende Wasserstoff wird in einen Kompressor (16) auf Betriebsdruck verdichtet und dem Mischpunkt (14) zugeführt. Dort kann bei Bedarf zusätzlicher Wasserstoff (A) zugeführt werden.
Material-Kreislauf:
Die angelieferten Feineisenerze (F) werden in Tagesbun­ kern (23) gelagert, von dort dem Dosiergefäß (24) zugeführt und über ein Druckgefäß (25) pneumatisch von unten in die Reaktorzone (1a) eingeblasen. Der Druck­ aufbau über ein Inertgas (M) erfolgt gleichermaßen in den Gefäßen (24, 25).
Dem Materialkreislauf werden, wie bereits erwähnt, die Stäube (F′) des Gichtgases (E) aus dem Zyklon (17) beigemischt, wobei diese vorher eine Kühlzone (17a) durchlaufen.
Dieses Feinerz-Rücklaufmaterial (F′) wird zur weiteren Verwendung einem Dosierbehälter (24) im Materialkreislauf zugeführt.
Es kann davon ausgegangen werden, daß über das Gichtgas (E) bis zu 10% der eingesetzten Feinerzmenge (F) ausgetragen werden, d. h. maximal 140 kg/tFe. Davon werden 120 bis 130 kg wieder dem Reaktor (1) zugeführt. 10 bis 20 kg, die nur teilreduziert sind, werden in einem Behälter (18a) gesammelt und gehen zur Brikettie­ rung (31).
Die Feineisenerze (F) und das Rücklaufmaterial (F′) durchwandern in der Wirbelschicht die Reaktorzonen des Reaktors (1) und werden am Ende des Reaktors als Eisenschwamm (G) in Zwischenbehälter (28) abgezogen und anschließend einer Brikettierung (31) zugeführt.
Die mitgeführten Gichtgase (E) werden von dem Zwischen­ behälter (28) dem Inertgas-System (M) zugeleitet.
Unterhalb des Austrages von Eisenschwamm (G) ist eine Zugabevorrichtung (30) für Kohlungsträger vorgesehen, die aus einem Vorratsbehälter (32) über die Leitung (H) zugeführt werden.
Hilfs-Kreisläufe:
Rauch- und Inertgas-Kreislauf:
Das erzeugte Rauchgas (D′), das für den Prozeß nicht erforderlich ist, wird über einen Expander (11) abge­ saugt und einer anderen Verwendung zugeführt.
Da Inertgas (M) für die pneumatische Förderung des Feinerzes (F) benötigt wird, wird dieses dem Rauchgas (D′) vor dem Expander (11) entnommen, in einem Gasküh­ ler (29) heruntergekühlt, dem Inertgas-Verdichter (27) zugeführt und in komprimiertem Zustand in den Inertgas­ behälter (26) geleitet.
Wasser-Kreisläufe:
Dem Venturiwäscher/Quench (19, 20) wird ständig Zusatz­ wasser (I) zugeführt. Das staubbeladene Abwasser (L) wird durch eine Filteranlage (21) geleitet und über eine Pumpe (22) als Kreislaufwasser (K) dem Venturiwä­ scher (19) zugeführt.
Das Kreislauf-Wasser (K) wird in einem Wasserkühler (33) mit Kühlwasser (N) auf die erforderliche Be­ triebstemperatur gekühlt. Falls der Anteil an Feststof­ fen im Kreislaufwasser (K) zu hoch ist, wird dieses als Abwasser (L) aus dem Kreislauf entfernt.
Fig. 3 zeigt in einem Längsschnitt die prozeßbestimmen­ den Einrichtungen des liegenden Reaktors (1). Der Reaktor (1) wird durch Zwischenwände (7), die jeweils in den Boden des Reaktors (1) eingelassen sind, in Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) und einen sich daran an­ schließenden Abschnitt (1d) zur Aufnahme des Eisen­ schwammes (G) unterteilt.
Das vorgewärmte und unter Betriebsdruck stehende Reduktionsgas (A) wird jeder Reaktorzone (1a, 1b, 1c) über Anströmböden (2) von unten zum Aufbau einer Wirbelschicht bei gleichzeitiger Zugabe von Feinerz zugeführt. Das Wärmeträgergas (D) gelangt über Ein­ trittsstutzen (3a) mit unterschiedlichen Temperaturen in die drei Wärmetauscher (3), von denen sich jeweils einer in einer jeden Reaktorzone (1a, 1b, 1c) befindet.
Das Wärmeträgergas (D) durchströmt zunächst die Wärme­ tauscher (3) in Reaktorzone (1c) und (1b), bevor es über die Leitung (3c) dem Wärmetauscher (3) in der Reaktorzone (1a) zugeführt wird und diesen über den Stutzen (3b) und die Leitung (3e) verläßt.
Die Feinerze (F) werden pneumatisch mit Betriebsdruck über Stutzen (6) in die Reaktorzone (1a) eingeführt und das reduzierte Eisenerz (F) wird als Eisenschwamm (G) in der Reaktorzone (1d) über einen Austrittsstutzen (8) abgezogen. Das Gichtgas (E) verläßt den Reaktor (1) über einen Stutzen (9).
Bezugszeichenliste
1 Reaktor
1a erste Reaktorzone
1b zweite Reaktorzone
1c dritte Reaktorzone
2 Anströmböden
2a Eintritt von A′
3 Wärmetauscher
3a Eintritt von D
3b Austritt von D
3c Verbindungsrohrleitung
3d Einlaufsammelrohr
3e Leitung für D
4.1 Brennkammer
4.2 Brennkammer
4.3 Brennkammer
5.1 Wärmetauscher
5.2 Wärmetauscher
5.3 Wärmetauscher
6 Eintrittsstutzen für F
7 Zwischenwände in 1
8 Abzug für G
9 Austritt von E
10 Booster
11 Expander
12 Verdichter
13 Abgaskamin
14 Mischpunkt
15 Gichtgas-Rekuperator
16 Kompressor für E′
17 erster Rauchgas-Zyklon
17a Kühlzone für F′
18 zweiter Rauchgas-Zyklon
18a Zwischenbehälter
19 Venturi-Wäscher
20 Wasser-Quench
21 Filter
22 Pumpe
23 Feinerzbunker
24 Druckgefäß
25 Einblasgefäß
26 Inertgas-Behälter
27 Inertgas-Verdichter
28 Zwischenbehälter für G
29 Gaskühler
30 Zugabeeinrichtung für H
31 Brikettierung
A Reduktionsgas, H₂
A′ gemischtes Reduktionsgas
B Brenngas
C komprimierte Luft
D Wärmeträgergas
D′ Rauchgas
E Gichtgas
E′ Kreislaufgas
F Feinerz/Feinerz-Konzentrat
F′ Feinerz-Rücklaufmaterial
G Eisenschwamm
H Kohlungsmittel
I Zusatzwasser
K Kreislaufwasser
N Kühlwasser
L Abwasser
M Inertgas

Claims (40)

1. Verfahren zur Direktreduktion von Feinerzen bzw. Feinerzkonzentraten, insbesondere von Eisenerzen, in einem liegenden Reaktor mit einem Reduktionsgas und einem Wärmeträgergas in einer Wirbelschicht, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß Feinerze bzw. Feinerzkonzentrate (F) pneumatisch in die Reaktorzone (1a) eines Reaktors (1) eingetragen werden,
  • - daß in der Reaktorzone (1a) ein Aufheizen mit Vorreduktion, in der Reaktorzone (1b) eine weitge­ hende Teilreduktion und in der Reaktorzone (1c) eine Endreduktion des Feinerzes (F) erfolgt,
  • - daß vorgewärmte, gasförmige Reduktionsmittel (A, A′) mit einer Temperatur von 450-800°C als Anströmmedium unter Druck von unten zum Aufbau einer Wirbelschicht und zur Reduktion des Feiner­ zes (F) in den Reaktor (1) eingeblasen werden,
  • - daß durch aufgeheiztes Wärmeträgergas (D) mit einer Temperatur von 500-850°C zusätzliche Wärme indirekt über Wärmetauscher (3) an die Wirbelschicht im Reaktor (1) übertragen wird,
  • - daß das unter Druck stehende Gichtgas (E) nach Durchlaufen von Reinigungs- und Verdichtungsstufen als Kreislaufgas (E′) mit dem Reduktionsgas (A) gemischt und nach Erwärmung dem Reaktor (1) wieder zugeführt wird,
  • - daß die im Gichtgas (E) mitgeführten Staubanteile (F′) in Rauchgaszyklonen (17, 18) abgeschieden, den Feinerzen bzw. Feinerzkon­ zentraten (F) beigemischt und dem Reduktionskreislauf wieder zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Reduktionsablaufes und Führung der Wirbelschicht im Reaktor (1) vorge­ wärmte, gasförmige und unter Druck stehende Reduktionsmittel (A, A′) mit unterschiedlichem Temperaturprofil über die Anströmböden (2) jeweils den Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) zugeführt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung des endothermen Reaktionsab­ laufes vorgeheiztes Wärmeträgergas (D) mit unter­ schiedlichem Temperaturprofil in die Wärmetauscher (3) in den Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgergas (D) durch Verbrennung von Brenngas (B) in Brennkammern (4.1, 4.2) erzeugt wird, daß dieses nach der Verbrennung im wesentli­ chen aus N₂ und CO₂ besteht und den Wärmetauschern (3) zugeleitet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verbrennung des Brenngases (B) zu einem Wärmeträgergas (D) komprimierte Luft (C) zugeführt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur des Wärmeträgergases (D) steuerbar ist und
in der Reaktorzone (1a) 700-800°C,
in der Reaktorzone (1b) 600-700°C und
in der Reaktorzone (1c) 550-650°C beträgt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgergas (D) den Wärmetauscher (3) in der Reaktorzone (1a) mit einer Temperatur von 400-600°C verläßt und über einen Booster (10) der Brennkammer (4.1, 4.2) wieder zugeführt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das überschüssige Wärmeträgergas (D′) dem Wärmeträgergaskreislauf (D) entnommen und einem Expander (11) zugeführt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Brennkammer (4.1) erzeugte Wärme­ trägergas (D) in den Wärmetauscher (3) der Reak­ torzone (1c) geleitet und daß das in der Brennkam­ mer (4.2) erzeugte Wärmeträgergas (D) in den Wärmetauscher (3) der Reaktorzone (1b) geleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgergas (D) nach Durchströmen der Wärmetauscher (3) in den Reaktorzonen (1b, 1c) über Sammelleitungen (3c) dem Wärmetauscher (3) in der Reaktorzone (1a) zugeführt wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgergas (D) von den Wärmetauschern (5.1, 5.2) oder von einem dritten Wärmetauscher (5.3) direkt dem Wärmetauscher (3) in der Reaktor­ zone (1a) zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsgas (A) Wasserstoff (H₂) verwen­ det wird, das an einem Mischpunkt (14) mit dem Wasserstoff des Kreislaufgases (E′) vermischt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das gemischte Reduktionsgas (A′) über einen Gichtgasrekuperator (15) geleitet und auf eine Temperatur von 450-550°C aufgewärmt wird.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgewärmte Reduktionsgas (A′) in einem Wärmetauscher (5.1, 5.2) auf eine Endtemperatur von 550-800°C aufgewärmt wird.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas (A bzw. A′) auf einen Betriebsdruck von 10-40 bar verdichtet und in den Reaktor (1) geleitet wird.
16. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas (A bzw. A′) auf einen Betriebsdruck von 20 bar verdichtet und in den Reaktor (1) geleitet wird.
17. verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß das im Wärmetauscher (5.1) vorgewärmte Reduk­ tionsgas (A′) dem Anströmboden (2) der Reaktorzone (1c) mit einer Temperatur von 500-650°C zugeführt,
daß das im Wärmetauscher (5.2) vorgewärmte Reduk­ tionsgas (A′) dem Anströmboden der Reaktorzone (1b) mit einer Temperatur von 550-700°C zugeführt und
daß das im Wärmetauscher (5.3) vorgewärmte Reduk­ tionsgas (A′) dem Anströmboden der Reaktorzone (1a) mit einer Temperatur von 650-800°C zugeführt wird.
18. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgewärmte Reduktionsgas (A′) nach Reaktion mit dem Sauerstoff aus dem Feinerz (F) den Reaktor (1) als Gichtgas (E) über eine Gichtgasleitung verläßt und Gichtgaszyklonen (17, 18) zugeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1 sowie 12-18 dadurch gekennzeichnet, daß das vorgereinigte Gichtgas (E) einem Venturi­ wäscher (19) mit Wasserquench (20) zugeführt wird und der Wasserdampf aus dem H₂-H₂O-Gemisch konden­ siert.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das gereinigte und getrocknete Kreislaufgas (E′) in einem Kompressor (16) auf Betriebsdruck verdichtet und einem Mischpunkt (14) zugeführt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Gichtgaszyklon (17) abgeschiedenen Staubanteile (F′) aus dem Gichtgas (E) in den Reduktionsprozeß zurückgeführt und daß die in dem Gichtgaszyklon (18) abgeschiedenen Staubanteile (FI) einer Brikettierung (31) zugeführt werden.
22. Verfahren nach Ansprüchen 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem Venturiwäscher (19) mit Wasserquench (20) gekühltes Kreislaufwasser (K) und Zusatzwasser (I) zugeführt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 1 sowie 15 und 16 dadurch gekennzeichnet, daß die aufbereiteten Feinerze bzw. Feinerzkonzen­ trate (F) aus Vorratsbunkern (23) über Förder- und Dosieranlagen einem Druckgefäß (24) zugeführt und von dort pneumatisch unter Betriebsdruck von einem Einblasgefäß (25) in die Reaktorzone (1a) des Reaktors (1) eingeblasen werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß für die pneumatische Förderung von Feinerzen (F) unter Betriebsdruck stehende Inertgase (M) verwendet werden, die aus dem überschüssigen Wärmeträgergas (D′) entnommen, in einem Kühler (29) gekühlt und in einem Inertgasverdichter (27) auf den erforderlichen Betriebsdruck gebracht werden.
25. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eisenschwamm (G) nach Verlassen der Reaktorzone (1d) ein Aufkohlungsmittel (H) zuge­ setzt wird.
26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 25 mit einem liegenden Reaktor mit innenliegenden Anströmböden, mit außerhalb des Reaktorgefäßes angeordneten Brenn­ kammern und Wärmetauschern mit Vorrichtungen zum Erzeugen des erforderlichen Betriebsdruckes mit Einrichtungen zum Einbringen von Einsatzstoffen in den Reaktor, mit Mitteln zum Abführen der Rauchgase und einer Einrichtung zum Austragen des Fertigproduktes aus dem Reaktorgefäß sowie dessen Weiterbehandlung dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Reaktorgefäß ein an sich bekannter liegender Wirbelschicht-Reaktor (1) mit in den Reaktor eintauchenden Wärmetauschern (3) ist,
  • - daß der Reaktor (1) in drei Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) aufgeteilt ist, die durch höhenbegrenzte Zwischenwände (7) unterteilt sind,
  • - daß im unteren Teil jeder Reaktorzone (1a, 1b, 1c) mindestens ein Anströmboden (2) und im oberen Teil mindestens ein Wärmetauscher (3) vorgesehen ist,
  • - daß an den Ein- und Austrittsstutzen (3a, 3b) der Wärmetauscher (3) außerhalb des Reaktors (1) Verbindungsrohrleitungen (3c) für die Weiterlei­ tung des Wärmeträgergases (D) vorgesehen sind,
  • - daß an der Reaktorzone (1a) ein Eintrittsstut­ zen (6) für die Zugabe von Feinerz (F) vorgesehen ist,
  • - daß an der Reaktorzone (1c) ein Austrittsstut­ zen (8) für den Abzug des Eisenschwammes (G) und ferner ein Austrittsstutzen (9) für das Gichtgas (E) vorgesehen ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (7) am Boden des Reaktors (1) befestigt sind und bis zu den Einlaufsammel­ rohren (3d) des Wärmetauschers (3) reichen.
28. Vorrichtung nach den Ansprüchen 26 und 27, dadurch gekennzeichnet daß die Wärmetauscher (3) in den Reaktorzonen (1a, 1b, 1c) als im Reaktorraum angeordnete Rohrschlan­ gen ausgebildet sind.
29. Vorrichtung nach den Ansprüchen 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmböden (2) in der unten liegenden Wand des Reaktors (1) an Zuführleitungen (2a) befestigt sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Brennkammer (4.1, 4.2) und jeweils ein Wärmetauscher (5.1, 5.2) hintereinan­ der und außerhalb des Reaktors (1) angeordnet sind.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Brennkammer (4.3) und ein dritter Wärmetauscher (5.3) installiert sind.
32. Vorrichtung nach den Ansprüchen 30 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (3) durch eine außenliegende Verbindungsrohrleitung (3c) über Ein- und Aus­ trittsstutzen (3a, 3b) miteinander verbunden sind.
33. Vorrichtung nach den Ansprüchen 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (3) in der Reaktorzone (1a) durch eine Verbindungsrohrleitung (3e) unter Zwischenschaltung eines Boosters (10) mit den Brennkammern (4.1, 4.2) verbunden ist.
34. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gichtgaskreislauf (E) Gichtgaszyklone (17, 18), ein Gichtgasrekuperator (15), ein Venturiwäscher (19) mit Wasserquench (20), und ein Kompressor (16) für das Kreislaufgas (E′) angeord­ net sind.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kreislaufwasser (K) nach dem Venturiwäscher (19) und Wasserquench (20) eine Filteranlage (21), ein Zwischenkühler (32) und eine Umwälzpumpe (22) angeordnet sind.
36. Vorrichtung nach den Ansprüchen 26 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung für Kreislaufgas (E′) an einem Mischpunkt (14) mit der Leitung für Reduktionsgas (A) verbunden wird.
37. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß für den Antrieb des Luftverdichters (12) für überschüssiges Wärmeträgergas (Rauchgas D′) ein Expander (11) angeordnet ist.
38. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einblasgefäß (25) einerseits ein Druckge­ fäß (24) und andererseits ein druckbeaufschlagter Inertgasbehälter (26) vorgeschaltet ist und daß die Einblasleitung für Feinerz (F) in den unteren Bereich der Reaktorzone (1a) einmündet.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß eine Inertgasleitung (M′) von der Leitung für überschüssiges Wärmeträgergas (D′) vor dem Expan­ der (11) abzweigt und daß zwischen Rauchgasleitung (D′) und Inertgasverdichter (27) ein Gaskühler (29) angeordnet ist.
40. Vorrichtung nach den Ansprüchen 38 und 39, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Austritt (8) für Eisenschwamm (6) eine Kohlungsträger-Zugabevorrichtung (30) angeordnet ist, daß Zwischenbehälter (28) für die Lagerung des Eisenschwammes (6) vorgesehen sind, daß nach dem Zyklon (17) eine Kühlzone (17a) und eine Leitung zum Transport des Feinerz-Rücklaufmaterials (F′) zu den Feinerz­ bunkern (23) vorgesehen ist.
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