DD154025A5

DD154025A5 - Verfahren zum reduzieren von eisenerz unter verwendung eines methan enthaltenden gases

Info

Publication number: DD154025A5
Application number: DD80224581A
Authority: DD
Inventors: Juan F Price-Falcon; Enrique R Martinez-Vera
Original assignee: Hylsa Sa
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1980-10-15
Publication date: 1982-02-17
Also published as: SE8006646L; ES495933A0; SE448470B; YU42678B; IT1150965B; SU1128842A3; YU217980A; FR2467241A1; MX155124A; PL227208A1; GB2063303B; BR8005797A; DE3036920A1; GB2063303A; ES8106939A1; US4253867A; CA1153558A; DE3036920C2; IT8024244A0; JPS5810965B2

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Verwendung von Koksofengas und ganz allgemein von Gasgemischen, die bis zu etwa 30 Vol.-% Methan enthalten, fuer die direkte Gasreduktion von Eisenerz in einem vertikalen Schachtreaktor mit Wanderbett. Zusaetzlich zu der ueblichen Reduktionszone und Kuehlzone wird in dem Reaktor eine dazwischen liegende Reformierungszone vorgesehen. Dieser Zwischenzone wird ein heisses Gemisch aus Koksofengas und Wasserdampf zugefuehrt. Das reduzierte Erz darin katalysiert die Umwandlung des Methans des Koksofengases zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das reformierte Gas stroemt nach oben in die Reduktionszone des Reaktors.

Description

Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz unter Verwendung eines Methan enthaltenden Gases

Die Erfindung betrifft die gasförmige Reduktion von Eisenerz in einem vertikalen Schachtreaktor mit sich bewegendem Bett zur Bildung von Schwammeisen und insbesondere ein Verfahren, bei welchem als Quelle der reduzierenden Einheiten bei einem solchen gasförmigen Reduktionsprozeß ein Gas verwendet wird, "welches bis zu etwa 30 Völ.-%. Methan, insbesondere Koksofengas, enthält.

Typische Gasreduktionssysteme sind Eisenerzreduktionsreaktoren mit einem vertikalen Schacht und einem sieh bewegenden Bett, wie sie in den US-PSn 3 765 872, 3 770 421, 3 "779 741 und 3 816 102 beschrieben sind. Bei solchen Syste-

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Hien wird die Reduktion des Erzes gewöhnlich durch ein reduzierendes Gas bewirkt, das weitgehend aus Kohlenmonoxid •und Wasserstoff zusammengesetzt ist und das durch katalytische. Umformung einer Mischung aus natürlichem Gas und Wasserdampf erhalten wird. Solche Systeme haben gewöhnlich einen Vertikalschachtreaktor mit einer reduzierenden Zone im oberen Abschnitt und einer Kühlzone im unteren Abschnitt. Das zu reduzierende 'Erz wird der Oberseite des Reaktors zugeführt und fließt auf dem Weg nach unten zuerst durch die reduzierende Zone, in der es in Kontakt mit erhitztem reduzierenden Gas aus der Reformiereinrichtung gebracht wird, und dann durch eine Kühlzone, in der es von einem gasförmigen Kühlmittel gekühlt wird, ehe es am Boden des Reaktors entfernt wird. Das abströmende Gas aus der Reduzierzone wird gekühlt, um daraus Wasser zu entfernen. In den meisten Fällen wird ein Hauptteil des gekühlten Abstromgases wieder erhitzt und zur Reduzierzone umgewälzt. In gleicher Weise wird wenigstens ein Teil des Kühlmittelgases, das von der Kühlzone abgezogen wird, gewöhnlich gekühlt und zur Kühlzone umgewälzt. Am unteren Ende ist der Reaktor mit Einrichtungen zum Steuern der Abgäbe des gekühlten Schwammeisens aus dem Reaktor versehen, beispielsweise mit einem Abgabedrehschieber, einer Schwingrinne, einem Förderband oder dergleichen. Neuerdings hat sich als vorteilhaft erwiesen, das in einem solchen Reaktor erzeugte Schwammeisen als Teil der Beschickung eines Hochofens zu verwenden. Durch Verwendung von Schwammeisen als Teil der Hochofenbeschickung kann die Produktivität des Ofens gestei- gert und die für den Ofen erforderliche Koksmenge verringert werden. Auf diese Weise können bedeutende Einsparungen beim Hochofenbetrieb erzielt werden.

Da Hochöfen Koks sowohl als Brennstoff als auch als Reduktionsmittel und zwar in wesentlichen Mengen verwenden, sind sie gewöhnlich neben einer Batterie von Koksöfen positioniert, die sowohl Koks und als Nebenprodukt Koksofen-

gas erzeugen,, das. reduzierende Bestandteile enthält. In den Fällen, in denen Schwammeisen als Teil der Hochofenbeschickung verwendet werden soll, wäre es ökonomisch vorteilhaft, die Schwammeisenanlage in die Hochofen- und Koksanlage zu integrieren, die Schwammeiseherzeugungsanlage in der Nähe der Hochöfen zu positionieren. Ein solches räumliches Nebeneinarideranordnen einer Schwammeisen erzeugenden Anlage und von Hochöfen würde eine Anzahl von Vorteilen bieten. So ließe sich die zu handhabende zeugten Schwämmeisens verringern. Man weiß; daß bei erhöhten Temperaturen Schwammeisen die Neigung hat, wieder zu oxidieren, wenn es der Atmosphäre ausgesetzt wird. Somit ist in den Fällen, in denen das erzeugte Schwammeisen für.ausgedehnte Zeiträume gespeichert oder über beträchtliche Entfernungen transportiert' wird, ein relative vollständiges Abkühlen des Schwammeisens ein wesentlicher Faktor i Wenn andererseits das erzeugte Schwammeisen sofort in einem Ofen oder dergleichen verwendet werden kann, entfällt die Notwendigkeit für die starke Abkühlung.

Ein weiterer potentieller. Vorteil einer solchen integrierten Anlage besteht in der Möglichkeit, das als Nebenprodukt anfallende Koksofengas als Quelle für reduzierende Bestandteile für den Reaktor für die Erzreduktion mit Gas zu verwenden. Ein Problem ergibt sich dabei dadurch, daß das rohe Koksofengas als Reduktionsmittel für Eisenerz nicht sehr wirksam ist, Obwohl es möglich ist_f das Koksofengas so zu behandeln, daß seine Reduktionswirkung verbessert wird, beispielsweise durch eine katalytischen 'Reformierungsprozeß, erfordern die vorhandenen katalytischen Reformer eine sehr hohe Investition, wodurch die Kosten des behandelter. Gases wesentlich erhöht werden. Außerdem hat Koksofengas einen relativ hohen Schwefelgehalt, der die Katalysatoren, wie sie gewöhnlich in katalytischen Reformern verwendet werden, nachteilig beeinflußt« Wenn das Koksöfengas in einem katalytischen

*) erzeugte Eisenschwar.nienge und das erforderliche Abkühlen des er-

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Reformer bekannter Bauweise reformiert wird, muß zuerst der Schwefelgehalt des Gases auf einen sehr, niedrigen Wert verringert werden. Somit besteht ein Bedürfnis für ein verbessertes Verfahren zur Verbesserung der Reduktionswirksamkeit eines rohen Koksofengases. Ziel der Erfindung; -

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Reformieren eines Koksofengases zu schaffen, um seine Wirksamkeit als Reduktionsmittel für Eisenerz zu steigern. ·

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Eisenerzreduktion zu schaffen, welches die Integration einer Schwammeisen erzeugenden Anlage mit einem oder mehreren Hochöfen und einer Batterie von Koksöfen erleichtert, um eine insgesamte Steigerung der Produktivität der Hochöfen und eine Verbesserung der Brennstoff Ökonomie zu erzielen. Schließlich soll erfindungsgemäß ausgeschlossen werden, daß ein gesonderter katalytischer Gasreformer benötigt wird, um den Reduzierungswirkungsgrad des Koksofengases zu steigern. Insgesamt gesehen soll deshalb erfindungsgemäß ein verbessertes Verfahren für die Verwendung eines Gases, welches bis zu 30 Vol.-% Methan enthält, als Quelle der reduzierenden Einheiten in einem Eisenerzreduktionsprozeß in einem.vertikalen Schacht mit sich bewegendem Bett geschaffen· werden. Daülefiung des Wesens der Erfindung Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird insgesamt dadurch gelöst, daß ein Reaktor mit einem sich bewegenden Bett verwendet wird, der zusätzlich zu der üblichen Reduktionszone und Kühlzone eine dazwischen liegende Gasreformierungszone aufweist, durch welche das reduzierte Erz hindurchfließt, ehe es in die Kühlzone eintritt.· Eine Mischung des Methan enthaltenden Gases, beispielsweise aus Koksofengas und Wasserdampf, wird vorerhitzt und der Refor-

mierungszone zugeführt, während das reduzierte Erz, d.h. ..Schwammeisen, in dieser Zone die Umwandlung des Meth.ang.ehalts des Koksofengases in Kohlenmonoxid und Wasserstoff wirksam katalysiert. Das reformierte Koksofengas strömt dann nach oben in die Reduktionszone des Reaktors.

Es hat sich gezeigt," daß das zugeführte Koksofengas bei dem vorliegenden Prozeß nicht vollständig entschwefelt werden muß, da die Abscheidung von Schwefel auf dem Eisenschwamm in der Kühlzone seine Aktivität nicht nachteilig beeinflußt und das Schwammeisen auf jeden Fall eine kontinuierlich erneuerte Katalysatormasse bildet. Die Menge des auf dem Eisenschwamm abgeschiedenen Schwefels kann während des darauffolgenden Stahlherstellungsschrittes leicht eingestellt werden. Somit werden die Desulfurisierungskosten bei dem vorliegenden Verfahren verringert.

Anhand der Zeichnung, die schematisch ein System mit direkter Reduktion zeigt, wie es für eine bevorzugte Durchführung des Verfahrens verwendet wird, wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Ein Vertikalschachtreaktor 10 mit sich bewegendem Bett hat eine Reduktionszone 12, eine Reformierungszone 14 und eine Kühlzone 16. Das zu reduzierende Eisenerz wird oben im Reaktor 10 durch den Einlaß 18 zugeführt, während Eisenschwamm -auf der Unterseite des Reaktors durch den Auslaß 20 entfernt wird.

Koksofengas tritt in das System durch ein Rohr 22 mit einem Mengenregulierventil 24 ein und .wird' mit Wasserdampf vermischt, der durch ein Rohr 26 mit einem Mengenregulierventil 28 zuströmt. Der Wasserdampf wird in einer Menge zugegeben, die für die Reaktion mit dem Methangehalt des Koksofengases ausreicht, um dieses in Kohlenmonoxid und

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Wasserstoff nach folgender Gleichung umzuwandeln: CH₄ + H₂O -> CO + 3H₂

Um eine unerwünschte Kohlenstoffabscheidung im Reaktor zu unterbinden, wird gewöhnlich ein stöchiometrischer Überschuß an Wasserdampf verwendet. Günstig sind ein Molverhältnis von Wasserdampf zu Methan im Bereich von 1:1 bis 1,5:1.

Die Mischung aus Koksofengas und Wasserdampf strömt zu einer Heizeinrichtung 30, wo sie auf eine Temperatur von etwa 700 bis 900⁰C erhitzt wird, und dann durch ein Rohr 32 zum Reaktor 10. Der Reaktor 10 ist insbesondere mit einer inneren kegelstumpf fprmigen·Leitplatte 34 versehen, die zusammen mit der Seitenwand des Reaktors einen Ringraum 36 bildet, in den das Gasgemisch strömt. Aus dem Raum 36 strömt das Gas um den Boden der Leitplatte 34 in die Reformierungszone 14, wo es in Kontakt mit dem nach unten gehenden Bett des eisentragenden Materials kommt, das auf diese Höhe des Reaktors in weitem Ausmaß zu Eisen- . schwamm reduziert ist. Wie oben erwähnt, katalysiert der. Eisenschwamm die Dampf-Methan-Reaktion zur Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, welche wirksame Reduktionsmittel für Eisenerz sind. Das reformierte Gas strömt dann nach oben in die Reduktionszone 12, in der es das eintreten-Eisenerz reduziert.

Um den Wirkungsgrad der Ausnutzung des Reduktionsgases zu steigern, wird ein Teil des Gases rezyklisiert. Dabei wird das ;die Oberseite des eisentragenden Betts im Reaktor 10 verlassende Gas durch ein Rohr 38 abgezogen und strömt zu einer und durch eine Abschreckkühleinrichtung 40, in, der es zur Entfernung von Wasser abgekühlt wird. Das abgekühlte Gas strömt dann durch ein Rohr 42, eine Pumpe

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4 4 und ein Rohr 4 6 zu einem Erhitzer 48, wo es erneut auf eine Temperatur von 750 bis 1000⁰C erhitzt wird. Vom Erhitzer 48 strömt das erhitzte Gas durch ein Rohr 50 zu einem Ringraum 52, der von einer inneren Leitplatte 54 und der angrenzenden Seitenwand des Reaktors gebil- . det wird, um dann um den Boden der Leitplatte 54 zurück zur Reduktionszone 1.2." Somit strömt das Reduktionsgas in einem geschlossenen Kreis, bestehend aus dem Kühler 40, der Pumpe "44, dem Wiedererhitzer 48 und der Reduktionszone 12 des Reaktors, wobei dem Kreislauf frisches Reduktionsgas aus der Reformierungszone 14 zugeführt wird.

Eine bestirnte Menge des umgewälzten Reduktionsgases wird aus dem reduzierenden Gaskreis durch ein Rohr 56 abgezogen, das ein Mengenregelventil 57 aufweist. Diese Menge strömt zu einem Kühlkreislauf, wie er im unteren Abschnitt der Zeichnung gezeigt ist. Das abgekühlte Gas aus dem Rohr 56 strömt in ein Rohr 58 und von dort zum Boden der Kühlzone 16 des Reaktors. Insbesondere tritt das durch das Rohr 58 strömende Gas in einen Ringraum 60 ein, der von einer kegelstumpfförmigen Leitplatte 62 und dem angren-' zenden Abschnitt der Seitenwände des Reaktors gebildet wird. Das kühlende Gas strömt dann in der.Kühlzone unter dem Boden der Leitplatte.62 hindurch und nach oben durch das Bett aus Eisenschwamm. Nach dem Durchgang durch die Kühlzone strömt das Gas in einen Ringraum 64, der von einer kegelstumpfförmigen. Leitplatte 66 und der angrenzenden Seitenwand des Reaktors gebildet wird, von dort durch ein Rohr 68 aus dem Reaktor heraus und zu einem Abschreckkühler 70, wo es gekühlt und entwässert wird.

Aus dem Kühler 70 strömt das abgekühlte Gas durch Rohre und 74 zu einer Pumpe 76,. von der es in das Rohr 58 abgegeben und zur Kühlzone 16 zurückgeführt'wird. Ein Teil des umgewälzten Kühlgases wird aus dem Kühlkreislauf durch

ein Rohr 78 abgezogen, welches einen Mengenstromregler 80 enthält. Es fließt zu einer geeigneten Speicherstelle oder zu einer Stelle, an welcher es als Brennstoff verwendet werden kann.. Gewünschtenfalls kann Koksofengas aus dem Rohr 22 durch ein Rohr 82 abgezogen werden, welches einen Mengenstromregler 84 enthält,, und dem Rohr 58 als Frischgasversorgung für den Kühlkreislauf zugeführt werden.

Erfindungsgemäß wird somit eine überaus wirksame Art und Weise zur Herstellung und Verwendung eines reformierten Koksofengases bei der direkten Reduktion von Eisenerz zur Erzeugung von Eisenschwamm geschaffen. Wie erwähnt, ist es bekannt, daß Schwammeisen in vorteilhafter Weise mit dem Eisenerzbett eines Hochofens vermischt werden kann, um dessen Produktivität zu verbessern. Hochöfen sind gewöhnlich an Gebieten positioniert, in denen als Nebenprodukt Koksofengas verfügbar ist. Obwohl Koksofengas ein Brennstoff sein kann und gegenwärtig als solcher verwendet wird, wird sein Wert bei dem vorliegenden Verfahren wesentlich dadurch gesteigert, daß es als eines der Rohmaterialien einer chemischen Reduktionsreaktion eingesetzt werden kann. Durch Ausführung der katalytischen Umwandlung des Dampf-Methan-Gemisches in der Reformierungszone 14 des Reaktors 10 entfällt zusätzlich die Notwendigkeit für einen gesonderten katalytischen Reformer, so daß sich eine äußerst wirtschaftliche Gasreformierung ergibt. " ;

Erfindungsgemäß werden somit ein Verfahren und eine Vorrichtung erhalten, die in der Lage sind, die eingangs genannten Ziele zu erreichen. Somit wird ein sehr wirtschaftliches Verfahren zur Reformierung eines Methan enthaltenden Gases geschaffen, um seinen Wirkungsgrad als Eisenschwammreduktionsmitt-el zu steigern. In den Fällen, in denen Koksofengas verwendet wird, ergibt sich dieser ge-

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steigerte Wirkungsgrad teilweise aufgrund der Tatsache, daß das Nebenprodukt Koksofengas, das sonst als Brennstoff .verwendet werden könnte, als chemischer Rohstoff verwendet wird, und andererseits aufgrund der Tatsache, daß die Reformierungsreaktion innerhalb des Reduktionsreaktors und nicht in einem gesonderten katalytischen Reformer bewirkt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erleichtert außerdem die Integration einer Schwammeisenerzeugungsanlage mit vorhandenen Hochofen- und Koksofenanlagen, wodurch sich eine Gesamtsteigerung der Hochofenproduktivität und eine Verbesserung der Wärmewirtschaft ergibt.

In den Fällen, in denen das durch die Kühlzone umgewälzte Gas reduzierende Werte aufweist, wird man die Kühlzone so betreiben, daß ein Teil des umlaufenden Gases dazu gebracht wird, nach oben in die reduzierende Zone zu strömen.

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Claims

Patentansprüche ;

1. Verfahren zum Reduzieren teilchenförmigen Eisenerzes zu Eisenschwammteilchen in einem vertikalen Wanderbettreaktor, der eine Reduktionszone im oberen Teil, in der ein heißes reduzierendes Gas durch einen Abschnitt des Bettes strömen gelassen wird, um Eisenerz zu Eisenschwamm zu reduzieren, eine Kühlzone im unteren Teil des Reaktors zum Kühlen des Eisenschwamms und eine Zwischenzone zwischen der Reduktionszone und der Kühlzone aufweist, dadurch gekennzeichn e t, daß ein Gemisch aus Dampf und aus einem Gas hergestellt wird, das bis zu etwa 30 VoI.-% · Methan enthält, daß das gasförmige Gemisch auf eine Temperatur von 700 bis 900⁰C erhitzt wird, daß das erhitzte gasförmige Gemisch durch die Zwischenzone in Kontakt mit dem Eisen enthaltenden Material geführt wird, um das Gas zu reformieren und um den Anteil der reduzierenden Bestandteile darin zu steigern, und daß das reformierte Gas in die Reduktionszone strömen gelassen wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch g e k e η η zeichne t, daß die Kühlzone einen Teil eines Kreislaufs bildet, durch den ein' Kühlgas gepumpt wird, wobei. Kühlgas aus dem Kreislauf in einer regulierten Menge abgeführt wird und daß ein Gas, welches bis zu etwa 30 Vol.-% Methan enthält, dem Kreislauf als Ausgleichsgas zugeführt wird.

3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionszone einen Teil eines Kreislaufs bildet, durch den das reduzierende Gas gepumpt wird, daß das die Reduktionszone, verlassen-

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de reduzierende Gas gekühlt wird, um Wasser daraus zu entfernen, und dann erneut erhitzt wird, ehe es in die Reduktionszone eintritt, und daß ein Teil des gekühlten umlaufenden reduzierenden Gases aus dem Kreislauf des reduzierenden Gases als Ausgleichsgas zur Kühlzone übertragen wird.

4. Verfahren nach Punkt 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Methan enthaltende Gas Koksofengas ist.

5. Verfahren nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Methan enthaltende Gas Koksofengas ist.

6. Verfahren nach Punkt -\ _r dadurch g e k e η η ζ e i-c h η e t, daß die Kühlzone einen Teil eines Kreislaufs bildet, durch welchen ein kühlendes Gas gepumpt wird, daß das kühlende Gas aus dem .Kreislauf in einer regulierten Menge abgeführt und Ausgleichsgasdem Kühlkreislauf zugeführt wird, wobei das Ausgleichsgas sowohl Koksofengas als auch gekühltes reduzierendes Gas aus der Reduktionszone aufweist.

7. Verfahren nach Punkt . 1, dadurch g e k e η η zeichne t, daß die Kühlzone einen Teil eines Kreislaufs bildet, durch den das reduzierende Gas gepumpt wird, daß Kühlgas aus dem Kreislauf in einer gesteuerten Menge abgezogen wird und daß Ausgleichsgas der Kühlzpne in einer Menge zugeführt wird, die dafür sorgt, daß Gas aus der Kühlzone nach oben in die Zwi-'schenzcne strömt.

8«. Verfahren nach Punkt -j_; dadurch, gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Dampf zu Methan im gasförmigen Gemisch 1:1 bis 1,5:1 beträgt.