DE3317062C2

DE3317062C2 -

Info

Publication number: DE3317062C2
Application number: DE3317062A
Authority: DE
Inventors: Enrique Ramon Martinez-Vera; Alberto Monterrey N.L. Mx Bustani-Adem
Original assignee: Hylsa Sa Monterrey Nl Mx
Current assignee: Hylsa Sa Monterrey Nl Mx
Priority date: 1982-05-12
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1988-06-30
Also published as: GB2123038A; GB8312825D0; GB2123038B; DD209850A5; JPS59166610A; MX156697A; BR8302466A; DE3317062A1; JPH0366365B2

Description

Reduktionsverfahren mit Bewegtbettreaktoren sind bekannt. Im allgemeinen liegen dabei zwei Zonen vor und zwar eine erste im oberen Teil des Reaktors, welche die sogenannte Reduktionszone ist, in welcher Eisenerz mittels der Schwerkraft nach unten strömt, und ein Strom eines nach oben strömenden Reduktionsgases hoher Temperatur das Eisenerz im Gegenstrom kontaktiert und wobei das Reaktionsgas ein Gasgemisch ist, das sich hauptsächlich aus H₂ und CO zusammensetzt. In dieser Zone findet eine Vorheizung und die Reaktion des Eisenerzes statt.

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

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

Es ist bekannt, daß je höher die Temperatur des Reduktionsgases am Einlaß der Reduktionszone ist, umso geringer die Verweilzeit der Feststoffe in dieser Zone ist. Dieser Umstand liegt vor, weil die Kinetik der Eisenerzreduktionsreaktion mit H₂ und CO in starkem Maße temperaturabhängig ist. Je höher die Temperatur, umso schneller ist die Reaktionsrate und umso höher ist die Produktivität des Verfahrens.

Im allgemeinen arbeiten Direktreduktionsverfahren bei einer Temperatur zwischen 750 und 900°C am Einlaß der Reduktionszone.

Die Hauptbegrenzung für eine weitere Erhöhung dieser Temperatur besteht in der Tendenz, daß eine Sinterung und Agglomeration bei den meisten der stark reduzierten Eisenerze eintritt, wenn sie eine Temperatur von mehr als 900°C erreichen.

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

Derzeit zieht man es vor, Pellets mit einem hohen Eisengehalt als Ausgangsmaterial für Direktreduktionsverfahren zu verwenden. Der Hauptgrund hierfür ist, daß die Pellets im allgemeinen leichter reduziert werden als Erzbrocken. Diese Qualität erleichtert es, ein hochmetallisiertes Produkt zu erhalten. Darüber hinaus sind Pellets auch äußerst beständig gegenüber einem mechanischen Abrieb während des Reduktionsverfahrens und aus diesem Grund bilden sie auch weniger Feinanteile als bei Erzbrocken. Außerdem ist es auch möglich, innerhalb gewisser Grenzen die chemische Zusammensetzung der Gangart zu verändern, um die Verwendung des reduzierten Materials als Zufuhr für elektrische Lichtbogenöfen zu optimieren.

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

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

Es sind bereits eine Reihe von Lösungen für die Agglomerationsprobleme in Bewegtbettreaktoren bei der Direktreduktion von Eisenerzen vorgeschlagen worden. Die offensichtlichste Lösung ist die, daß man mechanisch die Agglomerate zerstört. Dies ist jedoch eine nichtoptimale Lösung, weil solche Mechanismen im allgemeinen in dem Fließpfad für die Feststoffe angeordnet sind und dadurch eine Störung des Stroms verursachen und die Probleme noch erhöhen. Darüber hinaus unterliegen sie einem starken Abrieb und sind hohen Temperaturen ausgesetzt. Solche mechanischen Vorrichtungen sind daher komplex und teuer.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Lösung des Problems der Pelletagglomerierung beim Arbeiten bei hohen Temperaturen besteht darin, daß man den Reaktor mit einer Mischung der Pellets und Stückerze oder von Pellets und einem inerten Material unregelmäßiger Form füllt.

Im Falle der Verwendung von Stückerzen besteht der Nachteil, daß die Brocken im allgemeinen schlechter reduzierbar sind als Pellets und daß sie eine größere Menge an Feinstoffen bilden. Darüber hinaus gibt es auf der Welt nur wenige Stückerze, die man in einem Direktreduktionsverfahren anwenden kann.

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

Wegen der Vorteile bei der Anwendung von Pellets, z. B. der sehr guten Reduzierbarkeit und des geringen Anteils an Gangart und wegen des geringen Anteils an gebildeten Feinstoffen besteht ein Bedürfnis für ein Direktreduktionsverfahren, das einen Betrieb mit 100% Pellets mit einem hohen Eisengehalt von mehr als 67% und bei Reduktionstemperaturen oberhalb 900°C ermöglicht, ohne daß Probleme hinsichtlich des Sinterns und Agglomerierens vorliegen.

Aus US-PS 42 68 303 ist ein Direktreduktionsverfahren bekannt, bei dem man bei hohen Temperaturen und ohne Agglomerationsprobleme arbeiten kann. Das in dieser Patentschrift beschriebene Verfahren beruht auf einem Bewegtbettreaktor mit zwei Reduktionszonen und ohne Kühlzone.

In der ersten Zone findet die Reduktion bei Temperaturen in der Größenordnung von 950 bis 1200°C mit Gasen mit einem hohen Methangehalt (15 bis 40%) statt.

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

In der zweiten Zone wird die Reduktion bei Temperaturen im Bereich von 750 bis 950°C mit Gasen mit einem niedrigeren Methangehalt (2 bis 7%) durchgeführt.

Die Hauptbeschränkung bei diesem Verfahren ist das extreme Niveau, auf welches die Temperatur der Gase mit hohem Methangehalt erhöht werden muß, um die Reduktion durchzuführen. Einerseits sind die Materialien, die man für den Betrieb von Heizvorrichtungen bei Temperaturen in der Größenordnung von 1200°C benötigt, äußerst spezialisiert und teuer und andererseits wird bei diesen Temperaturen die Pyrolyse von Methan begünstigt (wodurch Probleme einer hohen Kohlenstoffabscheidung auftreten, die wiederum Probleme hinsichtlich des Reaktorbetriebs bedingen).

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

Aus der DE-AS 26 22 349 ist ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerzen mit Gas für die Herstellung von Schwammeisen in einem Bewegtbettreaktor bekannt mit

(a) einer Reduktionszone im oberen Teil des Reaktors, die einen Teil einer Reduktionsschleife, durch welche Reduktionsgas zirkulieren kann, bildet,
(b) einer Kühlzone im unteren Teil des Reaktors, die einen Teil einer getrennten Kühlgasschleife bildet, durch welche ein Kühlgas zirkulieren kann, und
(c) einer Zwischenzone zwischen der Reduktionszone und der Kühlzone,

bei dem man Eisenerz in den oberen Teil der Reduktionszone einführt,
einen ersten Reduktionsgasstrom, der sich hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt, und der auch eine untergeordnete Menge an oxidierenden Elementen in Form von Wasser und Kohlendioxid enthält, in einer Reduktionsgasschleife im Kreislauf führt, den ersten Reduktionsgasstrom vor dem Eintreten in die Reduktionszone erhitzt und aus dem ersten Reduktionsgasstrom nach Verlassen der Reduktionszone Wasser abtrennt,
einen zweiten Gasstrom durch die Kühlgasschleife im Kreislauf führt und gekühltes reduziertes Eisenerz aus der Kühlzone abführt,
ein vierter Gasstrom dadurch gebildet wird, daß ein Teil des zweiten Gasstromes in der Zwischenzone nach oben strömt und das in ihm enthaltene Methan nach Mischung mit dem erhitzten ersten Gasstrom durch das in letzterem enthaltene Oxidationsmittel reformiert wird.

Das Hauptziel bei dem bekannten Verfahren besteht darin, das im Kreislauf gefahrene Gas aus der Reduktionsschleife als Kühlgas zu verwenden, ohne daß man die Reduktionsschleife beeinflußt. Das Naturgas wird eingespritzt, um das Reduktionpotential in dem Kreislaufgas zu regenerieren, indem man das Naturgas in der Kühlschleife reformiert und dann einen Teil dieses Gases nach oben in die Reduktionsschleife strömen läßt. Die Menge des in die Kühlzone eingespritzten und dann im Reaktor reformierten Gases trägt nicht dazu bei, die Kapazität der Reformierungseinheit zu vermindern, weil die Menge des heißen reformierten Gases, welches aus der Reformiereinheit strömt, durch die Temperaturerfordernisse an dem Reduktionszoneneinlaß bestimmt und fixiert ist. Die Temperatur ist fixiert durch die Mischung des heißen Reduktionsgases mit dem kühlen, im Kreislauf gefahrenen Gas. Es ist nicht möglich, einen zu großen Teil des heißen Gasstroms, der aus der Reformiereinheit kommt, zu vermindern, ohne daß man die Temperatur am Einlaß zur Reduktionszone erniedrigt. Deshalb wird durch das Einspritzen von Naturgas in die Kühlschleife es nicht ermöglicht, die Kapazität der Reformiereinheit zu verkleinern.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren der vorgenannten Art bei der Verwendung von Pellets mit einem hohen Eisengehalt von oberhalb 47% und Reduktionstemperaturen zwischen 900 und 960°C die Agglomeration des Eisenschwammes zu verhindern und gleichzeitig die Größe der Reformiereinheit zu verringern. Dies ist deshalb bedeutsam, weil die Reformiereinheit bei einer Direktreduktionsanlage die teuerste Vorrichtung darstellt.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet man somit mit einem Bewegtbettreaktor mit drei Zonen, und zwar einer Reduktionszone im oberen Teil des Reaktors, einer Kühlzone im unteren Teil des Reaktors und einer Zwischenzone, welche sich zwischen der Reduktionszone und der Kühlzone befindet.

In der Reduktionszone wird die Reduktion bei Temperaturen in der Größenordnung von 950°C mit einem Gas mit einem Methangehalt zwischen 4 und 10%, einem Wasserstoffgehalt zwischen 60 und 70% und einem Kohlenmonoxidgehalt zwischen 2 und 15% durchgeführt.

Im unteren Teil des Reaktors befindet sich die Abkühlungszone für das Produkt. Diese Abkühlung wird in einem geschlossenen Kreislauf bewirkt, der aus dem unteren Teil des Reaktors, einem Abschreckkühler und einem Kompressor besteht. Ein Naturgasstrom, der hauptsächlich aus Methan besteht, wird dieser Schleife als Ergänzung zugeführt. Da kein Gasauslaß nach außen aus dem Reaktor in dieser Kühlschleife vorgesehen ist, verursacht das in diese Schleife eingespritzte Methan, daß das Methan von dort durch die Zwischenzone in die Reduktionszone strömt.

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

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

Auf diese Weise kann man die Agglomerisierung von Teilchen von hochmetallhaltigen Pellets vermeiden, ohne daß man einen hohen Methangehalt in dem Reduktionsgas, verbunden mit extrem hohen Temperaturen (1200°C) in der Reduktionszone haben muß.

In der oberen Zone findet die Reduktion des Eisens mit einem Reduktionsgas mit einem niedrigen Methangehalt, der zwischen 4 und 10% liegt, und einem hohen Gehalt an reduzierenden Komponenten, nämlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid zwischen 75 und 90% bei einer Reduktionstemperatur zwischen 900 und 960°C, statt. Dieser Reduktionsgasstrom fließt in einen geschlossenen Kreislauf, dem Ergänzungsreduktionsgas aus einem getrennten Reformer zugeführt wird. Die untere Zone des Reaktors, die Kühlzone, in welcher ein Abschreckkühler und ein Kompressor vorhanden sind, ist mit einer geschlossenen Kühlzone kombiniert. Die Gaszusammensetzung des Ergänzungsgases für die Kühlschleife besteht vorzugsweise aus einem Kühlgas mit einem Gehalt von wenigstens 75% Methan. Normalerweise wird das Ergänzungsgas für diese Schleife von einem Naturgasstrom gebildet. Die Menge dieses Natur-Ergänzungsgases liegt zwischen 1 und 2% des Reduktionsgasstromes (am Einlaß der Reduktionszone).

Zwischen der Reduktions- und der Kühlzone befindet sich die Zwischenzone, in welcher unter kontrollierten Bedingungen das Mischen zwischen einem Teil des heißen Reduktionsgases, das aus der Reduktionszone kommt und dem Methangas, das aus der Kühlzone kommt, beschleunigt wird. In dieser Zwischenzone findet eine Methanreformierung statt, durch welche eine erhebliche Menge der Wärme absorbiert wird und dadurch kühlen sich die Feststoffe schnell ab und vermeiden eine Agglomerierung der Pellets mit einem hohen metallischen Eisengehalt.

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

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

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

Fig. 3 zeigt die Wirkung der Betriebstemperatur auf die erforderliche Größe der Reduktionsgaserzeugungseinheit für zwei verschiedene Fälle und zwar einmal für das Einspritzen von Naturgas in die Kühlschleife und einmal ohne eine solche Einspritzung,

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt die Temperaturwirkung auf die Produktivität in einer Direktreduktionsanlage der Art, bei welcher man das erfindungsgemäße Verfahren anwenden kann. In dieser grafischen Darstellung wird gezeigt, daß die Produktivität der Anlage um 17% erhöht wird und daß die Menge des verwendeten reformierten Gases vermindert wird, wenn die Reduktionstemperatur auf 850 bis 960°C ansteigt. Es ist deshalb erstrebenswert, bei hohen Reduktionstemperaturen zu arbeiten. Das Hauptproblem beim Arbeiten bei hohen Temperaturen mit Pellets mit einem hohen Eisengehalt von mehr als 67% ist die Agglomerisierung der Pellets, wenn sie metallisieren. Durch die Gegenwart von Agglomeraten entstehen Störungen in dem Feststoffstrom und im Gasstrom in den Bewegtbettreaktoren, wie sie für die Direktreduktion von Eisenerzpellets verwendet werden. Diese Störungen verursachen Betriebsprobleme und vermindern die Gebrauchsfähigkeit der Anlage (d. h., daß sie die Produktivität verringern) und erschweren die Kontrolle der Produktqualität (aufgrund eines ungleichen Stroms der Massen, wodurch diese eine ungleiche Behandlung erfahren und ungleiche Produkte ergeben).

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

worin bedeuten:

Ia = Agglomerationsindex Wa = Agglomeratgewicht während des Betriebs Wb = Agglomeratgewicht während des Betriebs, durch welche Probleme in der Verfügbarkeit der Anlage und der Produktqualitätskontrolle eintreten.

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

In Fig. 2 werden drei Kurven gezeigt und zwar zwei kontinuierliche Kurven für das Verfahren, das bei 900°C bzw. 960°C ohne Naturgaseinspritzung betrieben wird und eine gepunktete Kurve für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das bei 960°C mit Naturgaseinspritzung arbeitet.

Gemäß dieser Information ist es erforderlich, um die Anlage bei 960°C ohne Naturgaseinspritzung und ohne Betriebsprobleme zu betreiben, daß der Eisengehalt in den Pellets niedriger als 66,6% liegt oder alternativ, daß man die Temperatur auf 900°C erniedrigt, wenn man mit Pellets mit einem Eisengehalt von höher als 67% arbeitet, um eine Ia von weniger als 1% zu erzielen.

Wenn man dagegen vom erfindungsgemäßen Verfahren Gebrauch macht, ist es möglich, bei 960°C mit Pellets mit einem hohen Eisengehalt in der Größenordnung von 67,5% zu arbeiten, ohne daß besondere Agglomerationsprobleme eintreten. Dieses Verfahren ermöglicht eine hohe Anlagenproduktivität sowie eine verbesserte Produktqualität mit einer hohen Metallisierung und einer niedrigen Feinstofferzeugung und ermöglicht es, Pellets mit hohem Eisengehalt einzusetzen, im Gegensatz zu der Verwendung von nicht-pelletisiertem Stückerz.

Gemäß Fig. 2 ist es erforderlich, um das Verfahren mit Pellets mit einem Eisengehalt von 67,4% und ohne Naturgaseinspritzung zu betreiben, niedrigere Temperaturen als 900°C anzuwenden, wobei man 10% der Produktivität verliert.

Beim Einspritzen von Naturgas in die Kühlzone ist es möglich, die Kurven Ia gegen T bei 960°C nach rechts zu verschieben, aufgrund der plötzlichen Abkühlung des heißen reduzierten Materials und auch aufgrund der minimalisierten Zeit, während welcher die reduzierten Teilchen diesen hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Dieses plötzliche Abkühlen wird hauptsächlich durch den aufsteigenden Strom des Methans, das in die geschlossene Kühlschleife injiziert wird, bewirkt und zum Teil durch die Methanreformierung mit den oxidierenden Elementen des Gases, welches aus der Reduktionsschleife eintritt, wobei ein Teil des Gases in der Zwischenzone des Reaktors vermischt wird und dadurch die endotherme Reformierungsreaktion beschleunigt wird:

CH₄+H₂O→CO+3H₂ (1)

CH₄+CO₂→2CO+2H₂ (2)

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

Fig. 3 zeigt die Wirkung der Temperatur und der Naturgaseinspritzung auf die Kapazität des Reformers der Reduktionsanlage. Für eine Betriebstemperatur von 960°C benötigt das Naturgaseinspritzverfahren einen Reformer, der annähernd 15% kleiner ist als bei dem Verfahren ohne Naturgaseinspritzung. Beispielsweise benötigt man für eine Produktion von 830 000 kg Schwammeisen pro Tag bei einem Verfahren ohne Naturgaseinspritzung eine Reformerkapazität von 31 250 Normalkubikmeter/h, während man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Reformer einer Kapazität von 26 500 Normalkubikmeter/h auskommt.

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

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

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

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

Das nicht-reformierte Methan in der Zwischenzone fließt in die Reduktionszone und wirkt als Wärmerträgerelement und trägt dazu bei, das Eisenoxid, das in die Reduktionszone ausgetragen wird, zu erwärmen.

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

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

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Reduktion von Eisenerz findet in einem mit 1 bezeichneten Bewegtbettreaktor statt, der aus drei Zonen besteht, nämlich einer Reduktionszone 2, einer Zwischenzone 3 und einer Kühlzone 4. Der Reaktor wird vorzugsweise etwas oberhalb Atmosphärendruck, typischerweise bei 5 bar betrieben. Eisenerz wird kontinuierlich in den Reaktor 1 durch die Zuführungsleitung 5 eingegeben und das Erz fließt durch die Schwerkraft durch die drei Zonen des Reaktors. Die Geschwindigkeit des Feststoffstroms wird durch ein Drehventil 6, das sich am Boden des Reaktors befindet, überwacht. Durch Kontrollieren des Feststoffstroms wird mittels dieses Ventils auch die Verweilzeit des Feststoffes und die Produktion des Reaktors eingestellt.

Im unteren Teil der Reduktionszone 2 wird ein erster Strom von Reduktionsgas 7 bei einer Temperatur zwischen 900 und 960°C eingespritzt. Dieser Strom fließt nach oben durch die Reduktionszone 2, wo er mit den absteigenden Feststoffen in Berührung kommt. Wenn das heiße Gas das Eisenerz berührt, findet die Reduktion des vorerwähnten Materials statt.

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

Der Gasabfluß aus dem Abschreckkühler 9 wird in zwei Ströme 10 und 13 aufgeteilt. Der erste Strom 10 wird mittels eines Kompressors 11 und durch einen Heizer 12 an den Einspritzpunkt des heißen Reduktionsgases in dem unteren Teil der Reduktionszone 2 im Kreislauf gefahren.

Der zweite Strom 13 wird in ein Brennstoffsammelrohr eingeführt, das für den Brennstoff in den Brennern des Heizers 12 und im Reformer 14, wie nachfolgend beschrieben wird, verwendet wird. Der im Kreislauf gefahrene Gasstrom 10 wird, bevor er durch den Heizer 12 geleitet wird, mit dem kalten Reformiergasstrom, der aus dem Reformer 14 kommt, vermischt. In dem Reformer 14 findet die katalytische Umwandlung von Naturgas und Wasserdampf statt und bildet eine Gasmischung, die sich hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt. Ein Strom des Naturgases 15 und ein Strom des Wasserdampfs 16 wird in den Reformer eingeführt, um die vorerwähnte katalytische Umwandlung durchzuführen. Im Reformer 14 wird normalerweise ein Nickelkatalysator verwendet, um die Reformierung des Methans in dem Naturgas zu beschleunigen. Um den in dem Reformer 14 enthaltenen Katalysator vor einer zu starken Kohlenstoffabscheidung zu schützen, wird diese Vorrichtung im allgemeinen mit einem Überschuß von Wasserdampf betrieben, in bezug auf die stöchiometrisch notwendige Menge, die zur Reformierreaktion erforderlich ist. Da dieser Wasserdampf ein unerwünschtes Element in dem Ergänzungsreduktionsgas für das Reduktionssystem ist, ist es erforderlich, den nicht-umgesetzten Wasserdampf aus dem Gasabstrom des Reformers 14 zu entfernen und zu diesem Zweck wendet man einen Abschreckkühler 17 an und man erhält einen Strom 18, der im wesentlichen wasserfrei ist und einen hohen Gehalt an Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Der Strom 18 wird mit dem im Kreislauf gefahrenen Gas 10 vermischt und in die Heizvorrichtung 12 eingeführt, wo dessen Temperatur, bevor er in die Reduktionszone 2 eingeführt wird, erhöht wird.

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

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

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

Es muß darauf hingewiesen werden, daß der Strom 23 im Vergleich zum Strom 7 klein sein muß, um das Reduktionsgas nicht zu stark abzukühlen und dadurch die Reduktionsreaktion in der Reduktionszone 2 nachteilig zu beeinflussen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren hat die Fließrate des Stroms 23 einen Wert zwischen 1 und 2% des Stroms 7. Zusätzlich zu den Naturgasströmen 15 und 23 (beide werden in dem Verfahren benötigt und zwar der erste wird in den Reformer 14 eingespritzt und der zweite wird in die Kühlschleife des Reaktors eingegeben) wird ein dritter Naturgasstrom 25, der als Brennstoff verwendet wird, eingesetzt. Der vorerwähnte Strom 25 wird mit dem abgelüfteten Gasstrom 13 vermischt. Diese Mischung wird verwendet, um die erforderliche Wärme in den Brennern 26 und den Heizvorrichtungen 12 und in den Brennern 27 des Reformers 14 zu erzeugen. Dabei ist es offensichtlich für den Fachmann, daß man die bevorzugte Ausführungsform modifizieren kann, ohne außerhalb der Erfindung zu sein.

Claims

1. Direktreduktionsverfahren mit Gas für die Herstellung von Schwammeisen aus Eisenerz in einem Bewegtbettreaktor mit

bei dem man Eisenerz in den oberen Teil der Reduktionszone einführt,
einen ersten Reduktionsgasstrom, der sich hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt, und der auch eine untergeordnete Menge an oxidierenden Elementen in Form von Wasser und Kohlendioxid enthält, in einer Reduktionsgasschleife im Kreislauf führt, den ersten Reduktionsgasstrom vor dem Eintreten in die Reduktionszone erhitzt und aus dem ersten Reduktionsgasstrom nach Verlassen der Reduktionszone Wasser abtrennt,
einen zweiten Gasstrom durch die Kühlgasschleife im Kreislauf führt und gekühltes reduziertes Eisenerz aus der Kühlzone abführt,
ein vierter Gasstrom dadurch gebildet wird, daß ein Teil des zweiten Gasstromes in der Zwischenzone nach oben strömt und das in ihm enthaltene Methan nach Mischung mit dem erhitzten ersten Gasstrom durch das in letzterem enthaltene Oxidationsmittel reformiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß als Ergänzungsgas zum zweiten Gasstrom nur ein Strom aus im wesentlichen oxidationsmittelfreiem Methan als dritter Gasstrom zugeführt wird, und daß das von einem außerhalb der Reduktionsschleife befindlichen Gasreformer zugeführte reformierte Gas als Ergänzungsgas in die Reduktionsschleife eingeführt wird und die erhaltene Gasmischung unabhängig von dem Reformer erwärmt wird, bevor sie in die Reduktionszone eingeführt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gasstrom in die Reduktionszone bei einer Temperatur zwischen 900 und 960°C eingespritzt wird.

3. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Methangehalt des dritten Gasstroms auf wenigstens 75% eingestellt wird.

4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als dritter Gasstrom im wesentlichen Naturgas benutzt wird.

5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Methangehalt des ersten Gasstroms auf einen Wert zwischen 4 und 10 Vol.-% eingestellt wird.

6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt in dem ersten Gasstrom auf einen Wert zwischen 1 und 4% und der Kohlendioxidgehalt auf einen Wert zwischen 2 und 15% eingestellt wird.

7. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließrate des dritten Gasstroms in bezug auf dessen Methangehalt auf einen Wert zwischen 1 und 2 Vol.-% der Gesamtfließrate des ersten Gasstroms eingestellt wird.

8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als dem Reaktor zugeführtes Erz Pellets mit einem Eisengehalt von mehr als 67 Gew.-% benutzt werden.