NO820540L - Fremgangsmaate og apparatur for reduksjon av metallmalmer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører gassreduksjon av malmer i partikkelform til metaller i partikkelform i en vertikal reaktor med bevegelig sjikt og nærmere bestemt en forbedret fremgangsmåte for å kontrollere reduksjonen av malmen og avkjøling av de resulterende metallpartikler. Oppfinnelsen vedrører videre en optimalt konstruert vertikal reaktor som gir mulighet for en øket effektiv, uavhengig kontroll både av reduksjonen og av avkjølingen av metallpartiklene.

I den følgende beskrivelse er prosessen som eri illu-strasjon beskrevet når det gjelder reduksjon av jernmalm til svampjern. Etter hvert som beskrivelsen utvikler seg vil det være åpenbart for de som kjenner de foreliggende teknikker at oppfinnelsen også kan benyttes for behandling av andre malmer enn jernmalm.

Fremstilling av svampjern i en vertikal reaktor med bevegelig sjikt omfatter to hovedtrinn, nemlig reduksjon av malmen med en passende varm reduksjonsgass i en reduksjonssone i reaktoren etterfulgt av avkjøling av det resulterende svampjern med et gassformet kjølemiddel i kjølesonen i reaktoren. Reduksjonsgassen er vanligvis en gass som hovedsakelig består av karbonmonoksyd og hydrogen ved en temperatur på mellom 750 og 1100°C og fortrinnsvis mellom 800 og 1000°C. Den varme reduksjonsgass tilføres vanligvis på bunnen av reduksjonssonen og går oppover gjennom reaktoren for å redusere metallmalmen.

I et antall tidligere foreslåtte prosesser utføres avkjølingen av svampjernet ved å føre en del av reduksjonsgassen ved relativt lav temperatur oppover gjennom kjølesonen i reaktoren slik at temperaturen i reduksjonsgassen økes og temperaturen i svampjernet reduseres.

Ofte benyttes svampjernproduktet fra sjaktreaktoren med bevegelig sjikt fullt ut eller som en del av utgangsmateri-alet for en elektrisk stålovn. Det er påvist at for å få maksimal økonomi og effektivitet i ovnsdriften må svampjernet være kontrollerbart karbonisert. Slik karbonisering kan ut-føres ved å benytte som kjølegass en gass som inneholder karbon som spaltes når den føres over varmt svampjern og påfører dette karbon. For å få en spesielt ønsket karboniseringsgrad i svampjernet sammen med den ønskede kjøleeffekt, må sammensetningen og strømningshastigheten for kjølegassen kontrolleres uavhengig av betingelsene som finnes i reduksjonssonen på ovnen.

Det er også viktig at svampjernet er tilstrekkelig avkjølt før det føres fra reaktoren for å unngå reoksydering av svampproduktet når det utsettes for atmosfærens oksygen mens det har en høy temperatur.

Hvis gasstrømmer med forskjellig sammensetning og temperatur benyttes i de to soner i.reaktoren, nemlig i reduksjons- og kjølesonene, er der en tendens for gassene til å blande seg med hverandre mellom de to sonene og dermed frem-bringe ukontrollerte variasjoner i egenskapene i én eller begge gasstrømmer. Ukontrollerte variasjoner i sammenset-ningene, temperaturene og strømningshastighetene i reduksjons-og kjølegassene vil ha en ugunstig virkning på kvaliteten og effektiviteten i hele reduksjonsprosessen.

Tallrike problemer forbundet med blanding av gassene mellom reduksjons- og kjølesonene har vært gjengitt tidligere og man har gjort forsøk på å redusere denne uønskede gasstrøm-ningen. Spesielt foreslår U.S. patent nr. 3.775.872 og U.S. patent nr. 3.799.521 fordelene ved å bruke en uavhengig kon-, trollerbar kjølegassløyfe i reaktoren og likeldes en effektiv fremgangsmåte og apparat for å oppnå en slik uavhengig kontroll av gasstrømningen i reduksjons- og kjølesonene. Løsning-ene som foreslås i disse tidligere oppfinnelser er knyttet til en fremgangsmåte og et apparat for å redusere sammenblandingen av reduksjons- og kjølegasser ved bruk av differensialtrykk-kontroller for å opprettholde gasstrykket ved bunnen av reduksjonssonen stort sett på nivå med gasstrykket på toppen av kjølesonen på en slik måte at man får en isobar sone mellom reduksjons- og kjølesonene. Det er videre foreslått at ved å holde strømningene av innløpsgass og utløpsgass fra kjøle-sonen stort sett lik, får man et strømningsmønster for gassen hvor der stort sett er null strømning både av reduksjonsgass og kjølegass mellom reduksjons- og kjølesonene.

Selv om disse tidligere forslag kan benyttes til effektivt å redusere og kontrollere blandingen av gassene i reaktoren, er det nå på overraskende måte oppdaget i den foreliggende oppfinnelse at selv om man har null netto strømning mellom reduksjonssonen og kjølesonen i reaktoren, har en del av reduksjonsgassen i den lavere del av reduksjonssonen fremdeles en tendens til å strømme ned i kjølesonen mens en del av kjølegassen i den øvre del av kjølesonen har en tendens til å strømme oppover inn i reduksjonssonen.

Tallrike ulemper oppstår som et resultat av blanding av gassene mellom de to sonene i reaktoren selv i situa-sjoner hvor mengden gass som strømmer mellom sonene er relativt liten. F.eks. vil den generelle effektivitet og økonomi i den direkte reduksjonsprosss bli ugunstig påvirket som et resultat av den meget forskjellige gassammensetning i reduksjons- og kjølegassene. Sammensetningen på kjølegassen når den strømmer ut har typisk et relativt høyere vann og metaninn-hold sammenlignet med reduksjonsgassen som typisk har et mye høyere totalt innhold av karbon med et lavere innhold av vann og metan. Hvis kjølegass strømmer inri i reduksjonssonen, re-formeres metan likalt ved en mye høyere temperatur.ved katalytisk påvirkning av svampjern og gir karbonmonoksyd og hydrogen ved en endoterm reaksjon som fører til en reduksjon i temperaturen i reduksjonssonen. Som et resultat.vil reduksjonen av malm i reduksjonssonen bli ugunstig påvirket. På den annen side vil malmen blir ukontrollerbart karbonisert hvis reduserende gass med et høyt karboninnhold strømmer inn i kjølesonen.

En annen ulempe forbundet med blanding av gassene skriver seg fra virkningen på den generelle termiske effektivitet i prosessen. Direkte innføring av varm reduksjonsgass fra innløpet direkte til kjølesonens utløp og deretter gjennom kjølesonen resulterer i et tap av energi fra den på for-hånd oppvarmede reduksjonsgass.

Det er videre oppdaget at når reduksjons- og kjøle-gassene strømmer mellom reduksjons- og kjølesonene vil den jevne reduksjon av malmen bli vesentlig forhindret. Siden gasser vil strømme oppover gjennom midten av reaktoren og strømme nedover langs veggene i reaktoren, vil en ikke-jevn gassfordeling oppstå og. man får en ujevn reduksjon av malmen.

Det foreligger derfor et behov for en metode for gassreduksjon og et apparat for fremstilling av et høyt metallisert svampjernprodukt hvor man samtidig har effektiv kontroll av karboniseringen av svampjernet. Det finnes også et sterkt behov for en fremgangsmåte og et apparat for fremstilling av svampjern med en spesielt ønsket grad av metallisering og karbonisering hvor man samtidig har en optimalt konstruert reaktor for å redusere kapitalomkostningene samtidig som man får maksimal effektivitet av reduksjonsprosessen.

Det er følgelig et formål ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og et apparat for gassreduksjon av metallmalm i en vertikal malmreduksjonsreak-tor med et bevegelig sjikt hvor produktiviteten av svampjern med høy metallisering økes.

Det er et videre formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og et apparat for gassreduksjon av metallmalm med forbedret evne til kontrollere karboniseringen av svampjernet.

Det er videre et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte og et apparat for gassreduksjon av metallmalmer med en generelt forbedret termisk effektivitet i reduksjonen og avkjølingen av svampjernet.

Det er et annet formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte og apparat for jevn reduksjon av jernmalm hvor man benytter en optimalt konstruert reaktor som gir en maksimal prosesseffektivitet med minimaliserte kapitalkostnader.

Andre formål med oppfinnelsen vil fremgå av det etterfølgende.

Som beskrevet ovenfor finnes der et reelt behov for en fremgangsmåte og et apparat for effektivt å kontrollere lekkasjen av reduksjonsgass inn i kjølesonen og kjølegass inn i reduksjonssonen. Selv om noen av fordelene ved uavhengig kontroll både i reduksjons- og kjølegassløyfene tidligere har vært foreslått, var oppmerksomheten før den foreliggende oppfinnelse hovedsakelig fokusert om en fremgangsmåte for å opp nå og kontrollere jevn gasstrømnings gjennom reduksjons- og kjølesonene. Man antok at ved å etablere en isobar sone inne i reaktoren mellom reduksjons- og kjølesonene, ville netto strømning av gass gjennom denne sonen være null.

Man antok videre at hvis en materialbalanse kunne oppnås i sløyfene for reduksjons- og kjølegass, kunne man få en tilstand av null netto strømning mellom kjøle- og reduk-sjonssonene uavhengig av den effektive avstand mellom innløpet og utløpet både av reduksjons- og kjølegass. Kfr. "Gas Pene-tration Problems for Direct REduction in Shaft Furnaces", Ruldolf Jeschar et al., Stahl und Eisen nr. 17 (august 1979).

En åpenbar fremgangsmåte for å redusere blanding av gasser vil være å øke den generelle høyde av reaktoren slik at den faktiske avstand mellom reduksjons- og kjølesonene ble øket. Tilfeldig økning av høyden av reaktoren ville imidlertid føre til en uvanlig kostbar og sløsende reaktorkonstruksjon. En alternativ fremgangsmåte for å kontrollere og redusere blanding av reduksjons- og kjølegasser omfatter bruk av ilegg i reaktoren for å avbryte strømningsveien for gassene gjennom denne. En slik løsning ville føre til vesentlig økning i kapitalkostnadene og, noe som er viktigere, ville føre til en ugunstig virkning på strømning av malm gjennom reaktoren under påvirkning av tyngdekraften. En tredje fremgangsmåte for å redusere blandingen av gasser omfatter en reaktordesign med mindre diameter mellom reduksjons- og kjølesonene for å hemme strømmen av gassene fra én sone til en annen. Hvis man imidlertid har en ikke jevn reaktordiameter mellom reduksjons-og kjølesonene, vil det kreves en relativt bratt konisk skjerm mellom de to soner for å opprettholde jevn massestrøm-ning. På grunn av de relativt høye temperaturer hvorunder malmen reduseres, har malmpartiklene en tendens til å agglome-rere og en konisk skjerm vil ha en tendens til å bøye partiklene slik at de danner klumper av svampjern som vil avbryte den glatte og jevne massestrømning gjennom reaktoren. En slik reaktorkonstruksjon vil være kostbar og vanskelig å drive jevnt.

Det er nå overraskende oppdaget av oppfinneren at selv om man har en stort sett isobar sone mellom reduksjons-og kjølesonene, får man en uønsket konveksjonsblanding av gassene. Det er videre påvist at der finnes en korrelasjon mellom graden av blanding av gassene mellom reduksjons- og kjølesonene og forholdet mellom ekvivalent høyde og ekvivalent diameter i sonen mellom effektive gassinnløp og -utløp. Ved optimalisering av reaktorkonstruksjonen og nærmere bestemt av den ekvivalente høyde og ekvivalente diameter av den mellomliggende sone mellom reduksjons- og kjølesonene, kan gasstrømmen inn og ut av reaktoren kontrolleres isolert for å unngå de uønskede virkninger av gassblanding.

De mange formål og fortrinn ved den foreliggende oppfinnelse kan best forstår under henvisning til de ved-heftede tegninger som illustrerer systemer for fremstilling av svampjern som omfatter flere utførelser ifølge den foreliggende oppfinnelse og et apparat som er istand til å ut-føre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser skjematisk et produksjonssystem for jernsvamp som omfatter en vertikal reaktor med en midtsone plassert mellom reduksjons- og kjølesonene. Fig. 2 viser en reaktor tilsvarende den som er vist i fig. 1 hvor midtsonen har et stort sett konstant, regu-lært tverrsnitt som strekker seg fra toppen av kjølesonen til bunnen av reduksjonssonen.

Fig. 3 viser blanding av reduksjons- og kjølegass

i reaktoren.

Fig. 4 er en kurve som viser mengden gassblanding som en prosentandel av total gasstilførsel til enten reduksjonssonen eller kjølesonen som en funksjon av. forholdet mellom ekvivalent høyde og ekvivalent diameter i den mellomliggende sone.

I fig. 1 er 10 en vertikal reaktor med bevegelig sjikt med en reduksjonssone 12 i den øvre del, en kjølesone 16 i den lavere del og en mellomsone 14 plassert mellom reduksjons- og kjølesonene.

Reaktoren 10 er passende varmeisolert og kan fores innvendig med et varmefast materiale på i og for seg kjent

måte.

Den spesielle malmen som skal behandles tilføres reaktoren 10 gjennom tilførselsrøret 18. Malmen som tilføres reaktoren kan foreligge i form av klumper eller pellets eller blandinger av dette. Nær den lavere del av reduksjonssonen 12 har reaktoren et ringformet plenumkammer 22 som strekker seg rundt periferien av reaktoren og gir en innretning hvorigjennom reduserende gass kan tilføres reaktoren. En vertikal skjerm 23 finnes også sammen med veggen av reaktoren definerer denne det ringformede rom 22. Malmen beveger seg nedover gjennom reduksjonssonen 12 hvor den stort sett reduseres til jernsvamp ved reduksjonsgass som strømmer oppover.

Den reduserte jernmalm forlater reduksjonssonen 12 og går inn i mellomsonen 14 og består stort sett av elementært jern, treverdi jernkarbid og restmengder av treverdig jern-oksyd. De indre vegger som definerer den mellomliggende sone 14 må konstrueres slik at man får en jevn massestrømning av malmen som beveger seg nedover. Det er viktig å redusere graden av bevegelse mellom partiklene i malmen som beveger seg gjennom den øvre del av reaktoren som drives ved realtivt høy temperatur.

Den reduserte jernmalm som beveger seg nedover gjennom mellomsonen 14 går inn i kjølesonen 16 og er meget sterkt metallisert og har lavt karboninnhold. Nær bunnen av kjøle-sonen 16 er der et annet ringformet plenumkammer 38 som tilsvarer plenumkammeret 22 hvorigjennom kjølegass kan tilføres reaktoren.

En konisk skjerm 36 definerer sammen med veggen i reaktoren det ringformede rom 38. Jernsvampen strømmer nedover gjennom kjølesonen 16 hvor den avkjøles ved hjelp av kjølegassen som strømmer gjennom denne og forlater reaktoren gjennom utløpet 39.

Frisk reduksjonsgass som hovedsakelig består av karbonmonoksyd og hydrogen går inn i systemet (fra en passende kilde som ikke er vist) gjennom røret 45 i en mengde som kontrolleres av strømningskontrolleren 46. Reduksjonsgassen kan fremstilles f.eks. ved delvis forbrenning av brennstoffer, av kull eller ved katalytisk reformering av hydrokarboner og damp. Andre kjente typer reduksjonsgass såsom koksgass kan også benyttes i stedet for reformert naturgass eller noen av de andre nevnte kilder for reduksjonsgass.

Reduksjonsgassen går inn i reduksjonssystemet gjennom røret 45 og strømmer inn i røret 4 9 og deretter til en varmespiral 40 i en ovn 42 hvor den oppvarmes til en temperatur på mellom 750 og 1100°C, og fortrinnsvis 800 - 1000°C. Den varme gassen strømmer ut av ovnen 42 gjennom røret 44 og strømmer inn i plenumkammeret 22. Reduksjonsgassen strømmer gjennom plenumkammeret 22 og inn i reaktoren nær bunnen av reduksjonssonen 12. Når den går inn i reaktoren, strømmer reduksjonsgassen oppover gjennom reduksjonssonen 12 og reduserer metallmalmen og fjernes nær toppen av reaktoren gjennom utløpsforbindelsen 47 og røret 48.

Gassen som forlater reaktoren gjennom røret 48 går inn i en kjøler 50 hvortil vann tilføres gjennom røret 51

for å avkjøle og å fjerne vann fra utløpsgassen. Gassen kom-mer ut fra kjøleren 50 gjennom røret 52 og strømmer inn i røret 53 som forbinder det med sugesiden av pumpen 56. Gass-blandingen strømmer gjennom pumpen 56 og. føres gjennom røret 57 og løper sammen med frisk reduksjonsgass som strømmer gjennom røret 4 5 og resykleres deretter til reaktoren gjennom røret 49, ovnen 42, røret 4 4 og plenumkammeret 22. En del av gasstrømmen som strømmer gjennom røret 52 kan bringes til å. strømme gjennom røret 55 på et passende punkt som ikke er vist. Røret 55 er også utstyrt med en trykkregulator 54 med et justerbart innstillingspunkt for å opprettholde et ønsket positivt og konstant trykk i systemet for å forbedre den generelle effektivitet av reaktoren 10.

Ny kjølegass kan tilføres fra. en passende kilde (ikke vist) gjennom røret 64 i en mengde som kontrolleres av strømningskontrolleren 65. Den nye kjølegassen strømmer gjennom røret 68 til kjølesløyfen og strømmer fra røret 68 inn i røret 92 og deretter til sugesiden av pumpen 94. Kjølegassen føres fra pumpen 94 gjennom røret 96 og går inn i kjølesonen 16 i reaktoren gjennom plenumkammeret 38. Kjølegassen strøm- mer oppover gjennom kjølesonen 16 og avkjøler svampjernet som beveger seg nedover gjennom reaktoren.

Kjølegassen fjernes fra reaktoren gjennom plenumkammeret 34 som tilsvarer plenumkammeret 22 og 38 og går inn i røret 98. Kjølegassen går deretter til kjøleren 100 hvor vann tilføres gjennom røret 10 2 for å avkjøle strømmen av ut-løpsgass. Gasstrømmen går deretter ut fra kjøleren 10 0 gjennom røret 104. En del av gassen, vil etter at den er kombi-nert med ny kjølegass fra røret 68 bli resyklert gjennom rør-et 92, pumpen 94, røret 96 og plenumkammeret 38 til bunnen av kjølesonen 16 i reaktoren.

Konfigurasjonen av mellomsonen 14 vist i fig. 1 har en ekvivalent høyde LI som tilsvarer den korteste avstand langs den vertikale akse i reaktoren mellom det effektive punkt for innføring av reduksjonsgass gjennom plenumkammeret 22 til punktet for fjerning av kjølegass fra plenumkammeret 34. Den ekvivalente diameter L2 tilsvarer den korteste aksi-ale avstand mellom de effektive vegger i mellomsonen 14. Ved optimalisering av den mellomliggende sone 14 er mengden gassblanding mellom reduksjons- og.kjølegass neglisjerbar.

Reaktoren vist i fig. 2 er i de fleste henseender tilsvarende den som er vist i fig. 1 og beskrivelsen vil derfor bli begrenset til forskjellene mellom de to reaktorer. Fig. 2 viser en foretrukket utførelse av oppfinnelsen hvor mellomsonen 14 er konstruert slik at den har et stort sett konstant, sirkulært tverrsnitt som strekker seg fra toppen av kjølesonen 16 til bunnen av reduksjonssonen 12. Den ekvivalente høyde LI tilsvarer den vertikale avstand mellom det effektive punkt for innføring av reduksjonsgass til malm-sjiktet gjennom plenumkammeret 22 til det effektive punkt for fjerning av kjølegass fra malmen gjennom plenumkammeret 34 nær toppen av kjølesonen 16. Den ekvivalente diameter L2 tilsvarer diameteren i det sirkulære tverrsnitt i mellomsonen 14. Utførelsen i fig. 2 vedrører en foretrukket reaktorkonstruksjon hvor den totale reduksjonsprosess er optimalisert ved at der er etablert en tilstand av stort' sett null gassblanding samtidig som kapitalkostnadene for selve reaktoren holdes

på et minimum.

Fig. 3 er en skjematisk skisse av en foretrukket reaktorkonstruksjon som illustrerer oppfinnelsen.

Det vil være forstått av de som kjenner de foreliggende teknikker at den skissemessige representasjon av reaktoren i fig. 3 illustrerer mønsteret for gasstrøm for bare halvparten av reaktortverrsnittet og at gasstrømmen over tverrsnittet i den gjenværende halvdel av reaktoren er iden-tisk til den første. Det er videre underforstått at gassinn-løpet og -utløpet kan plasseres hvor man måtte ønske det langs periferien av reaktoren.

Reduksjonssonen 12, kjølesonen 16 og den mellomliggende sone 14 tilsvarer de som er vist i fig. 2 og har et stort sett konstant, sirkulært tverrsnitt hvor reduksjonsgassen tilføres nær bunnen av reduksjonssonen 12 og kjølegassen fjernes fra reaktoren nær toppen av kjølesonen 16. Strømnings-hastigheten for innløpende reduksjonsgass er vist som FR og utløpet av kjølegass er vist som F^. Strømningslinjene eller strømningsmønsteret for reduksjonsgassen som innføres i reaktoren i fig. 3 illustrerer hvorledes en del av reduksjonsgassen F^strømmer nedover gjennom mellomsonen 14 mens hoved-delen av FR strømmer inn i og oppover gjennom reduksjonssonen. På tilsvarende måte vil en del av kjølegassen strømme oppover og gjennom mellomsonen 14 og er vist som F u.

Som beskrevet foran kan man få istand en stort sett isobar sone hvor trykket stort sett er konstant ved å kontrollere strømningshastighetene og trykkene i sløyfene for kjøle-gass.og reduksjonsgass. Når der er null netto strømning gjennom mellomsonen 14, vil mengden reduksjonsgass som strømmer nedover gjennom mellomsonen 14,-F^, tilsvare mengden kjølegass som strømmer oppover gjennom mellomsonen 14, F . Under stabile betingelser med null netto strømning vil den totale strøm-ning av reduksjonsgass som strømmer gjennom reduksjonssonen 12, FTR/tilsvare mengden reduksjonsgass som strømmer inn, FR. Strømningsmønsteret for gassene gjennom reaktoren når netto strømning gjennom, mellomsonen 14 er null, kan illustreres ved følgende ligninger:

(<1>)<F>TR<=>FR + (<F>u-<F>d)

(2) Fu= Fd

(<3>)<F>TR<=>FR

Det er imidlertid klart vist i fig. 3 at selv under stabile betingelser når netto strømning gjennom mellomsonen 14 er null (dvs. Fu= Fd) er der fremdeles blanding av reduksjons- og kjølegasser. Som vist har reduksjonsgassen en tendens til å strømme nedover langs veggene av reaktoren til det punkt hvor kjølegassen fjernes mens kjølegassen har en tendens til å stige oppover gjennom midten av reaktoren og inn i reduksjonssonen 12.

Denne uventede tilstand av gassblanding har vist seg å ha vesentlig betydning siden blanding i en vesentlig grad gjør det svært vanskelig å opprettholde den uavhengige gass-sammensetning i hver gassløyfe. En slik betingelse har en ugunstig påvirkning på graden av reduksjon og karbonisering av svampjernet. Gjennom eksperimentell analyse og EDB-simulering har man fått en korrelasjon mellom det spesifikke geometriske forhold i mellomsonen 14 og mengden gassblanding. Følgelig vedrører foreliggende oppfinnelse optimalisering av den relative høyde og diameter av mellomsonen i reaktoren for å maksimalisere effektiviteten av reduksjonsprosessen uten at man ugunstig påvirker massestrømningen av malm gjennom reaktoren..

Fig. 4 er en kurve for gassblanding som prosentandel av total gasstilførsel til enten reduksjons- eller kjølesløy-fene som en funksjon av forholdet mellom ekvivalent høyde og ekvivalent diameter i mellomsonen. Kvantifiseringen av blandingen av reduksjons- og kjølegasser skilt av mellomsonen ble oppnådd ved å modulsere gasstrømningsmønsteret gjennom et simulert malmsjikt på tilsvarende, måte som beskrevet av V. Stanek og J. Szekely i AIChE. Journal, vol. 20, 5 (1974), sidene 974 - 980; J. Szekely og M.A. Propster i "Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan", vol. 19 (1977), sidene 21 - 30 og Fried et al i ICCAD, 2nd International Sympo- sium On Finite Element Methods, Italia, juni (1976), sidene 695 - 700. Ved å bruke de matematiske modeller som beskrevet i disse publikasjoner sammen med vanlige laboratorieteknikker, fikk man de data som er innsatt i fig. 4 og som lett kan la seg reprodusere av de som kjenner metodene i gasstrømning og numerisk analyse.

Dataene i fig. 4 illustrerer strømningsskjemaet vist i fig. 1 hvor Li er avstanden som skiller innløpet av reduksjonsgass og utløpet av kjølegass og L2 er den ekvivalente diameter som tilsvarer diameteren av tverrsnittet ved utøpet for kjølegassen. Mellomsonen er i en tilstand med null netto strømning.

Analysen av resultatene antyder at et Ll/L2-forhold større enn 0,5 fører til en neglisjerbar mengde blanding mellom de to gassløyfer, dvs. mindre enn 5% av den totale gasstilførsel til reaktoren. Det er empirisk påvist at når mindre enn 5% av gassen som tilføres reaktoren blander seg, er der ikke vesentlig tap i kontroll i reduksjonen eller karbonisering av jernsvampen. Kurven viser også at ved lave verdier for L1/L2, vil graden av blanding øke eksponensielt etter hvert som L1/L2 avtar. Men når L1/L2 økes, vil graden av blanding nærme seg null asymptotisk. Det er videre påvist at selv om mengden gassblanding er meget lav for verdier av L1/L2 større enn 2,0, vil kapitalomkostningene for reaktoren selv øke vesentlig til uakseptable nivåer når Ll/L2-forholdet øker over .2,0.

Den øvre akseptable grense for blanding av gassene bestemmes ved evnen til å kontrollere metalliseringen og karboniseringen av den fremstilte jernsvamp. Følgelig får man økonomisk, reaktordesign med tilstrekkelig uavhengig kontroll av metalliseringen og karboniseringen av svampjernet med Ll/L2-forhold på minst 0,5 opp til forhold på ca. 2,0. Et område på 0,6 - 1,6 har vist seg å være foretrukket og det mest gunstige driftsområdet er 0,7 - 1,2.

Det er selvsagt underforstått at forannevnte beskrivelse bare er illustrerende og at utførelsen som er beskrevet kan modifiseres på forskjellige måter innenfor opp finnelsens ramme. F.eks. kan utførelsene vist i fig. 1 og 2 hvor de indre vegger i mellomsonen 14 stort sett er glatte og konstante ha en annen konfigurasjon forutsatt at forholdet mellom ekvivalent høyde og ekvivalent diameter justerest på tilsvarende måte. På tilsvarende måte er oppfinnelsen også nyttig når man tilfører kjølegass til toppen av kjølesonen 16 mens reduksjonsgass fjernes nær bunnen av reduksjonssonen 12. Med andre ord kan strømmen av reduksjons- og kjølegass gjennom reaktoren effektivt reverseres sammenlignet med det som er vist i fig. 1, 2 og 3.

Som påpekt i begynnelsen av beskrivelsen kan den foreliggende fremgangsmåte og apparat benyttes for reduksjon av andre malmer enn jernmalm, f.eks. malmer av metaller så som nikkel, kopper og tinn.

Uttrykkene som er benyttet er benyttet som beskrivelse og er ikke begrensende og der er ingen intensjon ved bruken av slike uttrykk i å utelukke ekvivalenter av de forhold som er vist og beskrevet og det er underforstått at forskjellige modifikasjoner er mulige innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å redusere metallmalm til metall i en vertikal reaktor med bevegelig sjikt hvor man etablerer og opprettholder en reduksjonssone i den øvre del av reaktoren hvor en varm reduksjonsgass som hovedsakelig består av karbonmonoksyd og hydrogen bringes til å strømme i motstrøm gjennom reduksjonssonen for å redusere metallmalmen til metall, en kjølesone i den lavere del av reaktoren hvor en kjølegass bringes til å strømme motstrøms gjennom denne sonen for å avkjøle metallet her og en mellomliggende sone som strekker seg fra toppen av nevnte kjø lesone til bunnen av nevnte reduksjonssone ved at mån tilfører nevnte varme reduksjonsgass til den lavere del av nevnte reduksjonssone til et første innblåsingspunkt, fjerner nevnte reduksjonsgass på et første utløps-punkt i den øvre ende av nevnte reduksjonssone, tilfører nevnte kjølegass til den lavere del av nevnte kjølesone til et annet innblåsingspunkt, fjerner nevnte kjølegass ved et annet utløpspunkt i den øvre ende av nevnte kjølesone, karakterisert ved at man reduserer blanding av en eventuell reduksjonsgass som strømmer gjennom nevnte reduksjonssone med eventuell kjølegass som strømmer gjennom nevnte kjølesone ved å etablere en optimalisert mellomsone med en ekvivalent høyde som tilsvarer den vertikale avstand mellom nevnte første innblåsingspunkt og nevnte annet utløps-punkt og en ekvivalent diameter som tilsvarer den korteste avstand mellom de effektive vegger i nevnte mellomsone, hvor nevnte mellomsone har et forhold mellom ekvivalent høyde og ekvivalent diameter i området 0,5 - 2,0.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at metallmalmen i partikkelform er jernmalm og ved at nevnte mellomsone stort sett er isobar når det gjelder materialbalanse i gasstrømmene i reaktoren.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at forholdet mellom ekvivalent høyde og ekvi valent diameter i nevnte mellomsone ligger i området 0,7 - 1,6 og ved at den nedstigende strøm av nevnte bevegelig sjikt av partikler stort sett har jevnt tverrsnitt gjennom nevnte mellomsone.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at mellomsonen stort sett har et konstant sirkulært tverrsnitt og er uten indre hindringer som tillater fri jevn strømning av nevnte metallpartikler.

5. Fremgangsmåte ifølge kravene foran, karakterisert ved at man stort sett utjevner den ned-overrettede strøm av reduksjonsgass og den oppoverrettede strøm av kjølegass gjennom nevnte mellomsone på en verdi som ikke er større enn 5% av kjølegassen som tilføres reaktoren.

6. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 for å redusere metallmalm til metall i en vertikal reaktor som kan inneholde et sjikt av partikler av nevnte metallmalm som beveger seg nedover, hvor nevnte reaktor omfatter: en reduksjonssone i den øvre del og en kjølesone i den lavere del, en mellomsone som strekker seg fra toppen av kjøle-sonen til bunnen av reduksjonssonen, en første tilførselsledning forbundet til reaktoren nær én ende av reduksjonssonen for tilførsel av varm reduksjonsgass til nevnte sjikt ved det første innblåsningspunktet, første innretninger forbundet til reaktoren nær den andre ende av reduksjonssonen for å fjerne reduksjonsgass fra nevnte sjikt ved det første utløpspunkt, en annen tilførselsledning forbundet til reaktoren nær én ende av kjø lesonen for tilførsel av kjølegass til nevnte sjikt ved et annet punkt for innblåsing, andre innretninger forbundet til reaktoren nær den andre ende av kjølesonen for fjerning av kjølegass fra nevnte sjikt ved et annet utløpspunkt, karakterisert ved at nevnte mellomsone har en ekvivalent høyde som tilsvarer den korteste avstand langs den vertikale akse i reaktoren mellom det ene av nevnte første innblåsingspunkt og nevnte første punkt for utløp som er nærmest til bunnen av reduksjonssonen og det ene av nevnte andre punkt av innblåsing og nevnte andre utløpspunkt som er nærmest toppen av kjølesonen, og ved at det har en ekvivalent diameter som tilsvarer den korteste avstand mellom de effektive vegger i nevnte mellomsone.

7. Apparat ifølge krav 6 for reduksjon av jernmalm til jernsvamp, karakterisert ved at nevnte første innblåsingspunkt er nær bunnen av nevnte reduksjonssone og nevnte andre punkt for utløp er nær toppen av nevnte kjølesone slik at systemet er tilpasset til en gasstrøm gjennom reaktoren som er motstrøms til sjiktet som beveger seg nedover og ved at nevnte reaktor er uten indre forhindringer for fri og jevn strømning av nevnte metallpartikler.

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at reaktoren har et stort sett konstant sirkulært tverrsnitt langs lengden fra nevnte reduksjonssone til nevnte kjølesone og at det avsluttes i et konvergerende utløp og ved at forholdet mellom ekvivalent høyde og ekvivalent diameter er i området 0,6-1,6.

9. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at forholdet mellom ekvivalent høyde og ekvivalent diameter er i området 0,7 - 1,2 og ved at nevnte første til-førsel sledning og nevnte andre utløpsinnretninger hver omfatter tilgang til jevn ringformet gasstrøm gjennom reaktor-veggene.

10. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at det finnes innretninger for operativt å etablere en isobar mellomsone med et forhold mellom ekvivalent høyde og ekvivalent diameter som er tilstrekkelig til å begrense de like mengder av nedoverstrømmende reduksjonsgass og opp-overstrømmende kjølegass til ikke mer enn 5% av kjølegassen som tilføres reaktoren.