Verfahren zur Herstellung von Eisen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Herstellung von Eisen durch Re duzieren von Eisenerz mittels Kohlenoxyd und Wasserstoff bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Eisen und Eisenerz.
Fast die gesamte Menge des schmiedbaren Eisens wird heute auf dem indirekten Wege, das heisst auf dem Umwege über den Blas- hoehofen gewonnen. Im Hochofen wird primär ein Roheisen erzeugt, welches beträchtliche Mengen von andern Bestandteilen enthält. Dieses primäre Roheisen muss zur Überfüh rung in schmiedbares Eisen einer Reinigung, dem sogenannten Frisehen, unterworfen werden.
Ausser der indirekten Erzeugung von schmiedbarem Eisen auf dem Wege über den Hochofen hat man auch versucht, schmied bares Eisen direkt aus Erz zu erzeugen. Ein wesentlicher Vorteil dieser direkten Eisen erzeugung ist die besondere Qualität des bei Temperaturen unterhalb seines Sehmelzpunk- tes gewonnenen Eisens, das deshalb einen aus gezeichneten Ausgangsstoff zur Herstellung von Edelstählen bildet.
Bis heute sind jedoch die Bestrebungen zur direkten Erzeugung von schmiedbarem Eisen wirtschaftlich nicht erfolgreich gewesen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine solche Verbesserung des Verfahrens zur direkten Erzeugung von schmiedbarem Eisen aus Eisenerz zu entwiekeln, welche diese Art Eisenerzeugung unter Verwendung von bil ligen und fast. überall verfügbaren festen Brennstoffen unter Erzielung einer hohen Wirtschaftlichkeit ermöglicht.
Gleichzeitig wird dabei die Erzeugung eines wertvollen, insbesondere für die Syn these von Kohlenwasserstoffen aus Kohlen oxyd und Wasserstoff geeigneten Gichtgases angestrebt.
Erwünscht wäre ferner, die Reduktion des Eisenerzes mit einem reduzierenden, nament- lieh Kohlenoxyd enthaltenden Gas ohne andere Zuführung von Wärme zu dem zu reduzieren den Erz als der fühlbaren Wärme des Reduktionsgases auszuführen.
Es ist bekannt, Eisen durch Reduktion von Eisenerz dadurch zu gewinnen, dass man das zu verarbeitende Erz in einem senkrechten Schacht, durch den das Erz von oben nach unten in langsamer Bewegung geht, mit. kohlenoxydreichen Gasen behandelt, die im Kreislauf durch den Schacht und einen da mit verbundenen Raum strömen, in welchem das durch die Reduktion des Erzes mit Kohlensäure angereicherte Kreislaufgas mit einem festen Brennstoff bei erhöhter Tem peratur zwecks Umwandlung der Kohlensäure in Kohlenoxyd in Berührung gebracht wird.
Gleichzeitig damit wird das Umlaufgas auf eine hohe Temperatur, vorzugsweise etwa <B>10000</B> C erhitzt, die jedoch noch unter der Schmelztemperatur des Eisens und der Gang art liegt, so dass das Gas bei seinem Wege von unten nach oben durch den Reduktionsschacht die für die Reduktion und die Vorbereitung des Erzes erforderliche Wärme an die Schachtfüllung abgeben kann.
Es ist weiter vorgeschlagen worden, schmiedbares Eisen durch Reduktion von Eisenerz bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Eisens unter Verwendung von Luft von erhöhtem Sauerstoffgehalt und Kohle zu gewinnen. Obwohl man beim Blas- hochofen, das heisst bei der indirekten Er zeugung von schmiedbarem Eisen, gewisse Fortschritte durch die Anwendung von Luft mit erhöhtem Sauerstoffgehalt erzielt hatte, ist die Verwendung von sauerstoffangereicher ter Luft bei der direkten Erzeugung von schmiedbarem Eisen in theoretischen Erwä gungen stecken geblieben.
Offenbar hat man in diesem Vorschlag, nämlich das Reduktions gas mit Hilfe sauerstoffangereicherter Luft aus Kohle herzustellen, keinen Vorteil gesehen gegenüber den üblichen Gaserzeugern, bei denen ohne Verwendung von sauerstoffange reicherter Luft ein Kohlenoxyd und ge gebenenfalls Wasserstoff enthaltendes Gas hergestellt wird. Man war der Ansicht, dass, da bei dem direkten Verfahren, das heisst ohne Schmelzen des Eisens, wesentlich niedri gere Temperaturen notwendig sind, als beim gewöhnlichen Blashochofen, das von einem mit gewöhnlicher Luft betriebenen Gas erzeuger gelieferte Gas eine genügend hohe Temperatur und einen genügend grossen Wärmeinhalt hätte, dass dadurch der Wärme bedarf des Reduktionsschachtes gedeckt werden könnte.
In der Tat bringt die Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft bei der direkten Reduktion ohne Schmelzen des Eisens nur dann Vorteile, wenn das zur Reduktion verwendete Gas bestimmten Bedingungen bezüglich seiner Zusammensetzung genügt.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Her stellung von Eisen durch Reduzieren von Eisenerz mittels Kohlenoxyd und Wasserstoff bei Temperaturen unterhalb des Schmelz punktes von Eisen und Eisenerz ist dadurch gekennzeichnet, dass unter Anwendung eines mindestens 85 Vol. % Sauerstoff enthaltenden Gases ein fester Brennstoff derart vergast wird, dass ein reduzierendes Gas mit einem Gesamtgehalt an Kohlenoxyd und Wasserstoff von mehr als 70% erhalten wird, und dieses Gas mit der für die Reduktion des Erzes not wendigen Temperatur mit dem zu behandeln den Erz in Berührung gebracht wird.
Es ist zweckmässig, den Gehalt des redu zierenden Gases an Kohlenoxyd und Wasser stoff auf mehr als 85 % zu steigern. Das redu zierende Gas hat dabei vorteilhafterweise eine Temperatur von etwa<B>10000.</B>
Um die Erzeugung von schmiedbarem Eisen durch Reduzieren von Eisenerz bei Temperaturen unter 1000 unterVerwendunfg von festen Brennstoffen beliebiger Art zu er möglichen, wird zur Durchführung des Ver fahrens vorzugsweise ein Gaserzeugungsver- fahren angewandt, welches darin besteht, dass man aus einem fein verteilten festen Brenn stoff und Sauerstoff in einem solchen Mengen verhältnis, dass der Kohlenstoff des Brenn stoffes mindestens in Kohlenoxyd umgewan delt wird, ein möglichst homogenes Gemisch herstellt, und da.ss nun dieses Gemisch in Form eines Strahles in einen auf hoher Tem peratur befindlichen Reaktionsraum einge leitet wird,
in dem es sich entzündet unter Bildung von im wesentlichen Kohlenoxyd und Wasserstoff mit einer geringen Beimengung von Kohlensäure.
Bei diesem Vergasungsverfahren treten in der Reaktions- oder Vergasungskammer sehr hohe Temperaturen auf. Um die Wände der Reaktionskammer gegen Beschädigung dureh die hohe Reaktionstemperatur zu schützeli, wurde vorgesehen, in den Reaktionsraum ein endotherm mit Kohlenstoff reagierendes Medium, zum Beispiel Wasserdampf oder Kohlensäure, derart einzuleiten, dass zwi- sehen der Zone höchster Temperatur und den Wänden des Reaktionsraumes ein kontinuier licher, zusammenhängender Strom des einge leiteten endotherm reagierenden Medium;
fliesst, der die Zone höchster Reaktion umhüllt..
Es ist vorteilhaft, an Stelle eines endo- therm reagierenden Mediums als Schutzgas in den Reaktionsraum Kohlenoxydgas, ge gebenenfalls auch ein Gemisch von Kohlen- oxyd und endotherm reagierenden Medien (Wasserdampf und/oder Kohlensäure) einzu leiten. Die lMenge, die hierbei an endotherm reagierenden Medien im Schutzgas zugelassen wird, hängt im wesentlichen von der Re aktionsfähigkeit des verarbeiteten festen staubförmigen Brennstoffes ab. Ist die Re aktionsfähigkeit des Brennstoffes hoch, so kann man eine relativ grosse Menge Wasser dampf zusetzen, weil das endotherm reagie rende Medium sich schnell mit dem Brenn stoff umsetzt unter Bildung von Kohlenoxyd und Wasserstoff.
Statt Wasserdampf kann man auch ein Gemisch von Wasserdampf und Kohlensäure oder auch Kohlensäure allein nehmen. Ist hingegen die Reaktionsfähigkeit des festen staubförmigen Brennstoffes gering, so muss unter Umständen ganz auf den Zu satz von endotherm reagierenden Medien zum Schutzgas verzichtet werden.
Man kann das zum Reduzieren des Eisen erzes erforderliche, Kohlenoxyd und Wasser stoff enthaltende Gas auch aus einem stüeki- gen Brennstoff, zum Beispiel Steinkohlenkoks oder nicht backende gas- und teerarme Kohle (Anthracit), in einem mit ruhendem Brenn stoffbett arbeitenden Gaserzeuger herstellen, aus dem die Asche in geschmolzenem Zustand abgezogen wird und aus dessen Schacht das zur Reduktion benötigte Gas mit einer Tem peratur von etwa 1000 C abgeleitet wird, wo bei der zur Vergasung benötigte Sauerstoff durch im Unterteil des Gaserzeugers vorge sehene Düsen eingeleitet wird.
Diese Düsen sind mit je einer Zuleitung für Kohlenoxyd gas ausgestattet, die so angeordnet ist, dass Sauerstoff und Kohlenoxydgas an der Mün dung der Düse miteinander reagieren; hierbei ist die Anordnung der Düsen und ihr Abstand voneinander vorteilhafterweise so zu wählen, dass im Gaserzeuger eine zusammenhängende Schmelzzone gebildet wird. Die Zuleitungen zu den Düsen können auch für die Zuführung eines endotherm mit Kohlenstoff reagierenden gasförmigen Mittels dienen. Solche Mittel sind bekanntlich Wasserdampf, Kohlensäure und ein Gemisch von Wasserdampf und Kohlen säure. In einem derartigen Gaserzeuger kann ein Gas hergestellt werden, das bei einer Tempe ratur von 1000 C einen Gehalt von Kohlen oxyd und Wasserstoff bis zu 95% aufweist.
Mit einem auf die beschriebene Weise her gestellten reduzierenden Gas kann man die Reduktion des Eisenerzes in kurzer Zeit und in vergleichsweise kleinen Behandlungsräu men leicht. so weit durchführen, dass ein Er zeugnis anfällt, in welchem etwa 851/o des Eisens in elementarer Form enthalten sind. Ein derartiges Erzeugnis kann dann ohne wei teres in üblichen Elelztroöfen in Stahl unter Reduzierung des Restes der Eisenoxyde umge wandelt werden.
Ein weiterer Fortschritt. bei der Reduktion von Eisenerz bei Temperaturen von etwa <B><I>10000</I></B> C wird dadurch erzielt, dass die Er zeugung des Kohlenoxyds und Wasserstoff enthaltenden Reaktionsgases und die Redu zierung des Eisenerzes bei erhöhtem Druck vorgenommen wird. Vorteilhaft wird ein Über druck von 10-15 Atmosphären angewendet.
Die Erhöhung des Druckes macht es mög lich, sowohl die Vergasung als auch die Redu zierung des Eisenerzes auf vergleichsweise kleinem Raum mit hoher Intensität durchzu führen. Namentlich geht. die Reduzierung des Eisenerzes mit sehr grosser Geschwindigkeit vor sieh, wenn der Druck gesteigert wird. Es ist. dann auch möglich, die Strömungsge schwindigkeit des Reduktionsgases innerhalb des mit Eisenerz gefüllten Behandlungs raumes wesentlich herabzusetzen. Man ist da durch in der Lage, auch feinkörnige Eisen erze und solche Eisenerze zu behandeln, welche bei der Reduktion zum Zerfallen neigen.
Der höhere Widerstand, den das Reduk tionsgas in dem feinkörnigen Eisenerz findet, wird von den unter erhöhtem Druck stehenden Casen leicht überwunden. Übrigens kann man die Durchlässigkeit der Füllung des Reduk tionsraumes für das Reduktionsgas dadurch erhöhen, da.ss man dem Eisenerz ein stüekiges an der Reaktion nicht teilnehmendes Gut, etwa Stückkoks, beimischt, der nach der Reduzie rung von dem Erz durch Absieben oder in sonst geeigneter Weise getrennt und dann im Kreislauf wieder zur Auflockerung des Eisen erzes benutzt wird.
Wendet man ein kohlenstoffhaltiges Material, zum Beispiel Koks oder Schwelkoks, an genügender Reaktionsfähigkeit zur Auf lockerung des Eisenerzes im Reaktionsraum an, so tritt unter Umständen aucb die Bildung von Methan aus Kohlenoxyd und Wasserstoff nach der Gleichung 2C0+2H2 = CH4+C02 ein. Man erhält dann ein heizkräftiges Abgas, welches in vorteilhafter Weise, zum Beispiel zum Niederschmelzen des erzeugten Eisen schwammes in Herdöfen oder dergleichen aus genutzt werden kann.
Das bei dem erfindungsgemässen Verfahren aus der Reduktionsstufe austretende Gas kann neben Kohlensäure noch beträchtliche Mengen Kohlenoxyd und Wasserstoff enthalten. Wenn man beispielsweise ein Gas anwendet, welches 82,5% CO und 13% H2 neben 2% C02 ent hält, so ergibt sich nach der Reduzierung des Eisenerzes ein Abgas mit einem Gehalt von 34% C0, 7,5% H2 und 50,5% C02. Der Rest ist Wasserdampf und eine geringe Menge Stielstoff (etwa 2%), je nach der Reinheit des verwendeten Sauerstoffes.
Ein solches Gas kann nach Entfernung der Kohlensäure, etwa durch eine Wäsche des Gases mit Wasser unter erhöhtem Druck, mit Vorteil zur Erzeugung von Kohlenwasser stoffen oder andern wertvollen Körpern be nutzt werden.
Einen Teil der aus dem Gas entfernten Kohlensäure kann man unter Umständen im Kreislauf in die Vergasungsstufe des Ver fahrens zurückführen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist an zwei Ausführungsformen, die auf der Zeich nung dargestellt sind, näher erläutert. Es stellt dar Fig.1 eine zur Durchführung des Ver fahrens gemäss der Erfindung ausgebildete Reduktionsanlage für Eisenerz mit Vergasung eines fein verteilten festen Brennstoffes.
Fig.2 schematisch eine Reduktionsein richtung, welche mit einem stückigen Brenn stoff, zum Beispiel Steinkohlenkoks, in der Vergasungsstufe arbeitet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 dient zur Vergasung ein senkrechter von oben nach unten sich etwas erweiternder Schacht 1, der von feuerfestem Mauerwerk 2 begrenzt wird, welches in einer gasdichten Hülle 3 aus Stahlblech oder dergleichen angeordnet ist.
Tn der feuerfesten Auskleidung 2 sind Kühl rohre 4 vorgesehen, denen Kühlwasser aus einem Hochbehälter 5 durch die Rohrleitung 6 zufliesst, und aus welchen das erwärmte Was ser durch die Rohrleitung 7 zum Behälter 5 zurückgeht.
Am obern engern Ende des Schachtes 1 mündet gleichachsig zu diesem eine mit Was serkühlung versehene Düse 8, durch welche ein homogenes Gemisch von fein verteiltem staubförmigem Brennstoff und Sauerstoff in Form eines Strahles in den Vergasungs schacht eingeleitet wird.
Der züz vergasende fein verteilte Brenn stoff kommt aus den Vorratsbehältern 9 mit tels einer Transportschnecke 10 in eine Misch einrichtung 11, der durch die Rohrleitung 12 Sauerstoff unter erhöhtem Druck zugeführt wird. Die Bildung des homogenen Gemisches zwischen Sauerstoff und staubförmigem Brennstoff findet in der Einrichtung 11 bei vergleichsweise niedriger Temperatur statt, so dass sich das Gemisch erst innerhalb des Vergasungsschachtes 1 beim Austritt aus der Düse 8 entzündet.
Die Vorratsbunker 9 sind so ausgebildet, dass der in die Mischeinrichtung eintretende Sauerstoff nicht in die Behälter 9 gelangen kann.
Das durch die Düse 8 eintretende Gemiseb, welches Sauerstoff und Kohlenstoff in einem solchen Verhältnis enthält, dass bei der Reak tion in dem auf hoher Temperatur arbeiten den Vergasungsschacht vorzugsweise Kohlen oxyd entsteht, setzt sich im Vergasungs schacht bei einer sehr hohen Temperatur in exotliermer Reaktion um. Die Reaktion geht bei geeigneter Feinheit des festen Brenn stoffes und guter Mischung mit. sehr grosser Geschwindigkeit vor sich, so dass fast der gesamte brennbare Anteil des Brennstoffes vergast wird. Vorzugsweise wendet man den Brennstoff in solcher Feinheit an, dass auf einem Sieb mit 4900 Maschen pro em2 nur etwa 10% als Rüekstancl liegen bleiben.
Um die Wände 2 des Vergasungsschachtes im Bereich der Zone exothermer Reaktion gegen die dort herrschenden sehr hohen Tem peraturen zu schützen, wendet man ein relativ kaltes Schutzgas an, das aus den Rohr leitungen 13 in den die Düse 8 umgebenden Ringraum 14 strömt, welcher sich durch eine ringförmige Düse 15, die gleiehaehsig zur Düsenmündung 8 angeordnet ist, in den Ver gasungsschacht 1 öffnet. Die Ringdüse 15 ist. so ausgebildet, dass der Strom des kalten Schutzgases die in der Mitte des Schachtes liegende Zone exothermer Reaktion einhüllt und längs der Wände des Vergasungsschachtes in einem zusammenhängenden kontinuier lichen Strom fliesst. Als Schutzgas wendet man vorteilhaft ein kaltes oder mässig vor gewärmtes kohlenoxydreiches Gas an.
Man kann dem Schutzgas aber auch eine gewisse Menge Wasserdampf und/oder Kohlensäure zusetzen, je nach der Eigenart und Reaktions fähigkeit des zu verarbeitenden festen Brenn stoffes, wie im Vorstehenden bereits erwähnt.
Im untern Teil des Vergasungsschachtes 1 sind noch Öffnungen 16 vorgesehen, um wei tere Mengen eines kalten kohlenoxy dreichen Gases einleiten zu können, welches hierbei dazu dient, um die Temperatur der aus dem Vergasungsschacht 1 abziehenden Gase schnell auf etwa 1000 C zu senken. Die plötzliche Erniedrigung der Temperatur wird unter stützt dadurch, dass der Vergasungsschacht in einen Kühlmantel 17 übergeht, der mit dem Kühlwasserbehälter 5 in Verbindung steht.
Der bei der Vergasung des Brennstoffes anfallende feste Rückstand setzt sieh am Boden des Kühlbehälters 17 bei 18 ab und kann dann durch die Austragevorrichtung 19 in den Aschebehälter 20 abgezogen werden.
Das erzeugte kohlenoxydreiche Gas, das auch Wasserstoff enthält, zieht durch die Rohrleitung 21 ab und gelangt unmittelbar in den mit dem zu verarbeitenden Eisenerz ge- fiülten Reduktionsschacht 22. Der Reduktionsschacht 22 ist ebenso wie der Vergasungsschacht 1 mit einem gasdich ten Mantel umgeben. Das zu verarbeitende Erz kommt aus dem Bunker 23 und wird über eine Schleuse 24 am obern Ende in den Reduktionsschacht 22 eingetragen. Erz und Reduktionsgas gehen also durch den Schacht 22 im Gegenstrom zueinander.
Bei der Ausführungsform, die in Fig.1 der Zeichnung dargestellt ist, wird das ge samte heisse Reduktionsgas am untern Ende in den Reduktionsschacht 22 eingeleitet. Unter Umständen kann es auch vorteilhaft sein, einen Teil des heissen Reduktionsgases direkt in höhere Zonen des Reduktionsschachtes ein zuleiten. Der Reduktionsschacht wird vorzugs weise so betrieben, dass auf einem möglichst grossen Bereich seiner Höhe eine Temperatur von etwa<B>10000</B> C gehalten wird. Das mit dem Reduktionsgas behandelte Gut kann aus dem Schacht 22 durch die Austragevorriehtung 25 in den Behälter 26 zur weiteren Verwendung abgezogen werden.
Es enthält unter günstigen Umständen etwa 85 % elementares Eisen, so dass es unter Reduzierung des Restes von Eisenerz ohne weiteres in einem elektrischen Ofen oder einem Herdofen in flüssigen Stahl umgewandelt werden kann. Unter Umständen kann man das Eisen auch durch eine Behand lung mit Magneten oder in sonst geeigneter Weise konzentrieren.
Das Gichtgas zieht durch die Rohrleitung <B>'27</B> ab, welche zu einem Staubabscheider 28 führt, in welchem :sich der mitgerissene Erz staub absetzt. Der abgesetzte Staub kann in die Behälter 29 abgezogen werden. Das von Staub befreite Gas geht durch die Rohrlei tung 30 in einen Wäscher 31, der im wesent liehen unter dem gleichen Druck arbeitet wie der Vergasungssehaeht 22 und der Staubab- seheider 28. In dem Wäscher 31 wird das Gas mit Wasser in Berührung gebracht, das etwa durch die Düse 32 eingespritzt wird und unten bei 33 abläuft.. Der Wäscher 31 wirkt im wesentlichen wie ein Kühler. Daneben werden auch noch beträchtliche Mengen von.
Verunreinigungen ausgeschieden. Das gewaschene Gas wird dann nach Passieren der Leitung 34 in einem Abscheider 35 vollständig von mitgerissenem Staub und sonstigen Verunreinigungen befreit und ge langt dann in einen weiteren Wäscher 36, aus dem es bei 37 zur weiteren Verwendung ab gezogen wird.
Wird der Wäscher 36 unter erhöhtem Druck betrieben, so findet dort eine Absorp tion von Kohlensäure statt, so dass das bei 37 abziehende Gas praktisch nur aus Kohlenoxyd und Wasserstoff mit vergleichsweise geringen Beimischungen von Kohlensäure und Stick stoff besteht.
Aus der Leitung 37 kannmandurch die Rohr leitung 38, die Pumpe 39 und die Rohrleitung 140 einen Teil des erzeugten Gases abziehen und den Schachtöffnungen 16 im Vergaser schacht 1 zuführen.
Ferner kann man kaltes Gas aus der Rohr leitung 140 auch noch aus der Zweigleitung 141 in den als Kühlmantel ausgebildeten Unterteil 142 des Reduktionsschachtes 22 ein leiten, um das dort ankommende reduzierte Erz vor seiner Austragung zu kühlen.
Der Rohrleitung 37 kann im übrigen auch noch das Kohlenoxydgas entnommen werden, welches aus den Rohrleitungen 13 als Schutz gas in den Vergaserschacht 1 eingeleitet wird. In dem Vergaser verarbeitet man vorteilhaft Brennstoff, welcher arm an flüchtigen Be standteilen und Wasser ist, so dass sich das Wassergasgleichgewicht auf der Basis von geringen Mengen Wasserdampf einstellt.
Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung ver wendet zur Erzeugung des Reduktionsgases einen stückigen Brennstoff, vorzugsweise Steinkohlenkoks. Der Koks kommt aus dem. Vorratsbehälter 40 zunächst in die Kammer 41, in welcher er mit heissen Gasen, die beispiels weise durch die Rohrleitung 42 aus Brennern 58 zugeführt und durch die Rohrleitung 49 abgezogen werden, so behandelt wird, dass das Wasser ausgetrieben und der Brennstoff auf etwa 300 C vorgewärmt wird. Der so vor gewärmte Brennstoff kommt dann über den verengten Teil 43 in den Gaserzeuger 44, welcher mit Verflüssigung der Brennstoff asche arbeitet.
In den untern verengten Teil 45 des Gas erzeugers 44 mündet eine Reihe von Düsen 46, durch welche Sauerstoff aus der Leitung 47 in den Vergasungsschacht eingeleitet wird. Gleichzeitig mit -Sauerstoff tritt durch die Düsen Wasserdampf aus der Leitung 48 in den Gaserzeuger ein, und zwar in solcher Menge, dass praktisch der gesamte zugeführte Wasserdampf unter Bildung von Kohlenox@-c1 und Wasserstoff zersetzt wird.
An Stelle von oder zusätzlich zu Wasser dampf kann man unter Umständen durch die Düse 46 auch Kohlensäure in den Gaserzeuger einleiten. Die Kohlensäure setzt sich im Gas erzeuger infolge der herrschenden hohen Tem peratur mit Kohlenstoff in Kohlenoxyd um.
Schliesslich ist es auch möglich, durch die Düsen 46 Kohlenoxydgas einzuleiten. Das Kohlenoxyd darf sich aber erst- am Ende der Düse mit dem Sauerstoff mischen und um setzen.
Der Gaserzeuger 44 wird so betrieben, dass sich an seinem Boden eine zusammenhängende Zone bildet, in welcher die Brennstoffasche schmilzt. Die geschmolzene Schlacke wird bei 149 abgezogen.
Das im Gaserzeuger 44 erzeugte Gas wird durch die Rohrleitung 50 mit einer Tempera tur von etwa 1000 C abgezogen und unten in den Reduktionsschacht 51 eingeleitet, in wel chem es mit. dem zu reduzierenden Erz in Be rührung kommt. Der Sehacht, 51 ist im wesentlichen wie der Reduktionsschacht _ _ der Fig.1 ausgebildet und wird in gleicher Weise betrieben.
Das reduzierende Gut wird bei 52 abgezogen. Das Gas gelangt ähnlich wie bei Fig. 1 nach Verlassen des Schachtes 51 in einen Staub- abscheider 53 und kann dann, wie in Fig.1 dargestellt, in einen Wäscher und Kühler 31 und von dort über den Abscheider 35 in einen zweiten Wäscher 36 geführt werden, der zur Beseitigung der Verunreinigungen, unter Umständen auch zum Auswaschen der Kohlen säure dient, wie bei Fig.1 beschrieben.
Process for the production of iron. The invention relates to a process for the production of iron by reducing iron ore by means of carbon oxide and hydrogen at temperatures below the melting point of iron and iron ore.
Almost the entire amount of malleable iron is extracted indirectly today, that is, via the blown furnace. In the blast furnace, a pig iron is primarily produced, which contains considerable amounts of other components. This primary pig iron must be subjected to a cleaning process, known as frying, to convert it into malleable iron.
In addition to the indirect production of forgeable iron via the blast furnace, attempts have also been made to produce forged iron directly from ore. A major advantage of this direct iron production is the special quality of the iron obtained at temperatures below its simmering point, which is therefore an excellent starting material for the production of stainless steels.
To date, however, efforts to produce malleable iron directly have not been economically successful.
An object of the present invention is to develop such an improvement in the process for the direct production of malleable iron from iron ore which allows this type of ironmaking using bil and almost. Solid fuels that are available everywhere, while achieving a high level of economy.
At the same time, the aim is to generate a valuable top gas, particularly suitable for the synthesis of hydrocarbons from carbon and hydrogen.
It would also be desirable to carry out the reduction of the iron ore with a reducing gas containing, by name, carbon oxide, without any other supply of heat to the ore to be reduced than the sensible heat of the reducing gas.
It is known that iron can be obtained by reducing iron ore by placing the ore to be processed in a vertical shaft through which the ore moves slowly from top to bottom. Treated carbon oxide-rich gases that flow in circulation through the shaft and a space connected there with, in which the circulation gas enriched with carbonic acid by the reduction of the ore is brought into contact with a solid fuel at elevated temperature for the purpose of converting the carbonic acid into carbon dioxide.
Simultaneously with this, the circulating gas is heated to a high temperature, preferably about 10000 C, which, however, is still below the melting temperature of the iron and the gangue, so that the gas on its way from bottom to top through the Reduction shaft can transfer the heat required for the reduction and preparation of the ore to the shaft filling.
It has also been proposed to obtain malleable iron by reducing iron ore at temperatures below the melting point of the iron using air of increased oxygen content and coal. Although certain advances had been made in the blast furnace, that is, in the indirect production of malleable iron, through the use of air with an increased oxygen content, the use of oxygen-enriched air in the direct production of malleable iron is part of theoretical considerations remained.
Apparently one has in this proposal, namely to produce the reducing gas with the help of oxygen-enriched air from coal, seen no advantage over the usual gas generators in which a carbon oxide and possibly hydrogen-containing gas is produced without using oxygen-rich air. It was of the opinion that, since the direct process, i.e. without melting the iron, requires significantly lower temperatures than the conventional blast furnace, the gas supplied by a gas generator operated with conventional air has a sufficiently high temperature and a sufficient temperature would have a large heat content so that the heat demand of the reduction shaft could be covered.
In fact, the use of oxygen-enriched air in direct reduction without melting the iron is only advantageous if the gas used for the reduction satisfies certain conditions with regard to its composition.
The inventive method for the manufacture of iron by reducing iron ore by means of carbon oxide and hydrogen at temperatures below the melting point of iron and iron ore is characterized in that a solid fuel is gasified using a gas containing at least 85% by volume of oxygen that a reducing gas with a total content of carbon oxide and hydrogen of more than 70% is obtained, and this gas is brought into contact with the ore to be treated at the temperature necessary for the reduction of the ore.
It is advisable to increase the content of the reducing gas of carbon oxide and hydrogen to more than 85%. The reducing gas advantageously has a temperature of about 10,000
In order to enable the production of malleable iron by reducing iron ore at temperatures below 1000 using solid fuels of any kind, a gas generation process is preferably used to carry out the process, which consists in that one consists of a finely divided solid fuel and oxygen in such a proportion that the carbon of the fuel is at least converted into carbon oxide, producing a mixture that is as homogeneous as possible, and that this mixture is then introduced in the form of a jet into a reaction chamber at a high temperature,
in which it ignites with the formation of essentially carbon monoxide and hydrogen with a slight admixture of carbonic acid.
In this gasification process, very high temperatures occur in the reaction or gasification chamber. In order to protect the walls of the reaction chamber against damage by the high reaction temperature, an endothermic carbon-reactive medium, for example water vapor or carbonic acid, was introduced into the reaction chamber in such a way that between the zone of highest temperature and the walls of the reaction chamber continuous, coherent stream of the introduced endothermic reacting medium;
flows that envelops the zone of highest reaction ..
Instead of an endothermic reacting medium as a protective gas, it is advantageous to introduce carbon oxide gas into the reaction space, if necessary also a mixture of carbon oxide and endothermic reacting media (water vapor and / or carbonic acid). The amount of endothermically reacting media in the protective gas that is permitted depends essentially on the reactivity of the solid, pulverulent fuel processed. If the reactivity of the fuel is high, a relatively large amount of water vapor can be added because the endothermic reacting medium quickly reacts with the fuel to form carbon oxide and hydrogen.
Instead of steam you can also use a mixture of steam and carbonic acid or carbonic acid alone. If, on the other hand, the reactivity of the solid, powdery fuel is low, it may be necessary to dispense entirely with the addition of endothermic media to the protective gas.
The gas containing carbon oxide and hydrogen, which is required to reduce the iron ore, can also be produced from a lump fuel, for example hard coal coke or non-baking low-gas and tar coal (anthracite), in a gas generator working with a stationary fuel bed which the ash is removed in the molten state and from its shaft the gas required for reduction is derived with a tem perature of about 1000 C, where the oxygen required for gasification is introduced through nozzles provided in the lower part of the gas generator.
These nozzles are each equipped with a feed line for carbon oxide gas, which is arranged so that oxygen and carbon oxide gas react with one another at the mouth of the nozzle; In this case, the arrangement of the nozzles and their spacing from one another should advantageously be selected such that a coherent melting zone is formed in the gas generator. The feed lines to the nozzles can also be used to supply a gaseous agent that reacts endothermically with carbon. Such agents are known to be water vapor, carbonic acid and a mixture of water vapor and carbonic acid. In such a gas generator, a gas can be produced which at a temperature of 1000 C has a content of carbon and hydrogen of up to 95%.
With a reducing gas produced in the manner described, the reduction of the iron ore can easily be achieved in a short time and in comparatively small treatment rooms. Carry out so far that a product is obtained in which about 851 / o of the iron is contained in elemental form. Such a product can then easily be converted into steel in conventional Elelztroöfen while reducing the remainder of the iron oxides.
Another advance. In the reduction of iron ore at temperatures of about <B><I>10000</I> </B> C is achieved in that he generation of the carbon oxide and hydrogen-containing reaction gas and the reduction of the iron ore is carried out at increased pressure . An overpressure of 10-15 atmospheres is advantageously used.
The increase in pressure makes it possible, please include both the gasification and the reduction of the iron ore in a comparatively small space with high intensity. Namely goes. foresee the reduction of iron ore at a very great rate when the pressure is increased. It is. then also possible to significantly reduce the flow rate of the reducing gas within the treatment room filled with iron ore. As a result, one is also able to treat fine-grained iron ores and iron ores that tend to disintegrate during reduction.
The higher resistance that the reducing gas finds in the fine-grain iron ore is easily overcome by the Casen, which is under increased pressure. Incidentally, the permeability of the filling of the reduction space for the reducing gas can be increased by adding a piece of material that does not take part in the reaction, such as lump coke, to the iron ore, which after the reduction is removed from the ore by sieving or otherwise Way is separated and then used again in the cycle to loosen the iron ore.
If a carbon-containing material, for example coke or low-temperature coke, is sufficiently reactive to loosen the iron ore in the reaction space, methane may also be formed from carbon oxide and hydrogen according to the equation 2C0 + 2H2 = CH4 + C02. A heated exhaust gas is then obtained, which can be used in an advantageous manner, for example for melting down the iron sponge produced in hearth furnaces or the like.
The gas emerging from the reduction stage in the process according to the invention can contain not only carbonic acid but also considerable amounts of carbon dioxide and hydrogen. If, for example, a gas is used that contains 82.5% CO and 13% H2 in addition to 2% C02, then after reducing the iron ore, an exhaust gas with a content of 34% C0, 7.5% H2 and 50 results, 5% CO2. The rest is water vapor and a small amount of stem material (about 2%), depending on the purity of the oxygen used.
Such a gas can, after removal of the carbonic acid, for example by scrubbing the gas with water under increased pressure, advantageously be used to generate hydrocarbons or other valuable bodies.
Some of the carbon dioxide removed from the gas can be recycled to the gasification stage of the process.
The inventive method is explained in more detail using two embodiments that are shown in the drawing. It shows Fig.1 a designed to carry out the method according to the invention reduction plant for iron ore with gasification of a finely divided solid fuel.
2 schematically shows a Reduktionsein direction, which works with a lumpy fuel, for example hard coal coke, in the gasification stage. In the embodiment according to FIG. 1, a vertical shaft 1 which widens slightly from top to bottom and which is delimited by refractory masonry 2 which is arranged in a gas-tight envelope 3 made of sheet steel or the like is used for gasification.
Tn the refractory lining 2 cooling pipes 4 are provided, which cooling water flows from an elevated tank 5 through the pipe 6, and from which the heated What water goes back through the pipe 7 to the container 5.
At the upper narrower end of the shaft 1 opens equiaxed to this one with what serkühlung provided nozzle 8, through which a homogeneous mixture of finely divided pulverulent fuel and oxygen is introduced in the form of a jet in the gasification shaft.
The züz gasifying finely divided fuel comes from the reservoirs 9 with means of a screw conveyor 10 in a mixing device 11, which is fed through the pipe 12 oxygen under increased pressure. The formation of the homogeneous mixture between oxygen and pulverulent fuel takes place in the device 11 at a comparatively low temperature, so that the mixture only ignites inside the gasification shaft 1 when it emerges from the nozzle 8.
The storage bunkers 9 are designed in such a way that the oxygen entering the mixing device cannot get into the containers 9.
The Gemiseb entering through the nozzle 8, which contains oxygen and carbon in such a ratio that in the reaction in which the gasification shaft works at high temperature, preferably carbon is formed, is converted into an exotic reaction in the gasification shaft at a very high temperature . The reaction goes with a suitable fineness of the solid fuel and a good mixture. very high speed in front of you, so that almost the entire combustible part of the fuel is gasified. The fuel is preferably used in such a fineness that only about 10% remains as residue on a sieve with 4900 meshes per em2.
In order to protect the walls 2 of the gasification shaft in the area of the exothermic reaction zone against the very high temperatures prevailing there, a relatively cold protective gas is used, which flows from the pipes 13 into the annular space 14 surrounding the nozzle 8, which flows through an annular nozzle 15, which is arranged gleiehaehsig to the nozzle orifice 8, in the Ver gasification shaft 1 opens. The ring nozzle 15 is. designed so that the stream of cold protective gas envelops the exothermic reaction zone in the middle of the shaft and flows along the walls of the gasification shaft in a coherent continuous stream. A cold or moderately warmed carbon-oxide-rich gas is advantageously used as the protective gas.
You can add a certain amount of steam and / or carbonic acid to the protective gas, depending on the nature and responsiveness of the solid fuel to be processed, as already mentioned above.
In the lower part of the gasification shaft 1 openings 16 are provided in order to be able to introduce white direct amounts of a cold kohlenoxy-rich gas, which is used here to quickly lower the temperature of the gases drawn off from the gasification shaft 1 to about 1000 C. The sudden decrease in temperature is supported by the fact that the gasification shaft merges into a cooling jacket 17 which is connected to the cooling water tank 5.
The solid residue that arises during the gasification of the fuel settles on the bottom of the cooling container 17 at 18 and can then be drawn off into the ash container 20 by the discharge device 19.
The carbon oxide-rich gas produced, which also contains hydrogen, is withdrawn through the pipeline 21 and enters the reduction shaft 22 filled with the iron ore to be processed. The reduction shaft 22, like the gasification shaft 1, is surrounded by a gas-tight jacket. The ore to be processed comes from the bunker 23 and is introduced into the reduction shaft 22 via a lock 24 at the upper end. Ore and reducing gas therefore go through the shaft 22 in countercurrent to one another.
In the embodiment that is shown in Figure 1 of the drawing, the entire ge hot reducing gas is introduced into the reduction shaft 22 at the lower end. Under certain circumstances it can also be advantageous to feed part of the hot reducing gas directly into higher zones of the reduction shaft. The reduction shaft is preferably operated in such a way that a temperature of about 10000 C is maintained over the largest possible area of its height. The material treated with the reducing gas can be withdrawn from the shaft 22 through the discharge device 25 into the container 26 for further use.
It contains about 85% elemental iron under favorable circumstances, so that it can easily be converted to liquid steel in an electric furnace or a hearth furnace while reducing the remainder of the iron ore. Under certain circumstances, the iron can also be concentrated by treatment with magnets or in some other suitable way.
The furnace gas withdraws through the pipeline <B> '27 </B>, which leads to a dust separator 28 in which: the entrained ore dust settles. The deposited dust can be drawn off into the container 29. The gas freed from dust goes through the pipeline 30 into a scrubber 31, which works under the same pressure as the gasification screen 22 and the dust separator 28. In the scrubber 31, the gas is brought into contact with water, which is injected approximately through the nozzle 32 and expires at the bottom at 33 .. The scrubber 31 acts essentially like a cooler. In addition, there are also considerable amounts of.
Impurities excreted. The washed gas is then completely freed of entrained dust and other impurities in a separator 35 after passing through the line 34 and then reaches another scrubber 36, from which it is withdrawn at 37 for further use.
If the washer 36 is operated under increased pressure, carbonic acid is absorbed there so that the gas withdrawn at 37 consists practically only of carbon dioxide and hydrogen with comparatively small admixtures of carbonic acid and nitrogen.
From the line 37, through the pipe 38, the pump 39 and the pipe 140, part of the gas generated can be drawn off and fed to the duct openings 16 in the carburetor duct 1.
Furthermore, cold gas from the pipe 140 can also be passed from the branch line 141 into the lower part 142 of the reduction shaft 22, which is designed as a cooling jacket, in order to cool the reduced ore arriving there before it is discharged.
The pipe 37 can also be taken from the carbon dioxide gas, which is introduced from the pipes 13 as a protective gas into the gasifier shaft 1. In the gasifier, it is advantageous to process fuel which is low in volatile components and water, so that the water-gas equilibrium is established on the basis of small amounts of water vapor.
The device shown in Fig. 2 ver uses a lump fuel, preferably coal coke, to generate the reducing gas. The coke comes from the. Storage container 40 first into the chamber 41, in which it is treated with hot gases, for example, supplied through the pipe 42 from burners 58 and drawn off through the pipe 49, so that the water is expelled and the fuel is preheated to about 300 C. becomes. The fuel heated in this way then comes through the narrowed part 43 into the gas generator 44, which works with liquefaction of the fuel ash.
In the lower narrowed part 45 of the gas generator 44 opens a series of nozzles 46 through which oxygen is introduced from the line 47 into the gasification shaft. Simultaneously with oxygen, water vapor from line 48 enters the gas generator through the nozzles in such an amount that practically all of the supplied water vapor is decomposed with the formation of carbon oxy-c1 and hydrogen.
Instead of or in addition to water vapor, carbon dioxide can also be introduced into the gas generator through the nozzle 46. The carbon dioxide is converted into carbon dioxide in the gas generator due to the prevailing high temperature with carbon.
Finally, it is also possible to introduce carbon oxide gas through the nozzles 46. The carbon oxide is only allowed to mix and react with the oxygen at the end of the nozzle.
The gas generator 44 is operated in such a way that a continuous zone is formed at its bottom in which the fuel ash melts. The molten slag is withdrawn at 149.
The gas generated in the gas generator 44 is withdrawn through the pipeline 50 with a tempera ture of about 1000 C and introduced below into the reduction shaft 51, in wel chem it with. the ore to be reduced comes into contact. The viewing shaft 51 is essentially designed like the reduction shaft of FIG. 1 and is operated in the same way.
The reducing material is withdrawn at 52. Similar to FIG. 1, after leaving the shaft 51, the gas passes into a dust separator 53 and can then, as shown in FIG. 1, passed into a washer and cooler 31 and from there via the separator 35 into a second washer 36 which is used to remove the impurities, possibly also to wash out the carbon acid, as described in Fig.1.