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Anlage zum Patertgesslch Aer Klöckner-Humboldt-Deutz Aktiengesellschaft
Verfahren zur Direktreduktion von magnetisierbaren Erzen mittels Wasserstoffgas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von magnetisierbaren Erzen
mittels Wasserstoffgas in einem Magnetfeld. Es ist bekannt, daß unter dem Einfluß
eines Magnetfeldes bei höheren Temperaturen ein Teil der MolekUle des Wasserstoffgases
magnetische Eigenschaften aufweist. Führt man beispielsweise ein magnetisierbares
Eisenerz unter Wasserstoffatmosphäre in ein Magnetfeld ein, so werden die Moleküle
des Orthowasserstoffs von den magnetiesierten Eisenerzteilchen angezogen, so daß
bei Temperaturen, die noch weit unter den Erweichungstemperaturen des Eisenerzes
liegen, bereits ein Reduktionsvorgang abläuft.
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Die Erfindung knüpft an diese Erscheinung an und hat sich zur Aufgabe
gestellt, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe diese Erscheinung eine wirtschaftliche
Direktreduktion von magnetisierbaren Erzen ermöglicht
Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß ein Erzstrom durch das Magnetfeld
hindurchgeführt wird, und daß hierbei gleichzeitig Wasserstoffgas, vorzugsweise
im Gegenstrom durch den Erzstrom
hindurchgeleitet wird. Dies hat
den Vorteil, daß die einzelnen magnetisierten Erzteilchen ständig von Wasserstoffgas
umspült werden, wobei aufgrund der magnetischen Erscheinungen zwischen dem Erz und
den Molekülen des Orthowasserstoffs die Orthowasserstoffmoleküle tief in die Poren
und Risse der einzelnen Erzteilchen eindringen, so daß selbst bei Korngrößen im
Millimeterbereich praktisch eine vollständige Reduktion des Erzes erfolgt. Durch
die bevorzugte Gegenstromführung wird zudem erreicht, daß der bei dem Reduktionsprozeß
entstehende Wasserdampf abtransportiert wird und so das reduzierte Erz bei seinem
Austritt aus dem Magnetfeld nur noch mit frischem Wasserstoffgas in Beruhrung kommt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Magnetfeld
eine Stärke von mindestens 2 kG, vorzugsweise aber 10 bis 80 kG aufweist. Der Vorteil
derart hoher Feldstärken, die vorzugsweise mit supraleitenden Magneten erzeugt werden,
liegt darin, daß die Reduktionszeiten so weit verkUrzt werden, daß praktisch mit
einem kontinuierlich durch das Magnetfeld geführten Erzstrom gearbeitet werden kann
oder aber die Korngröße des zu behandelnden Erzes bis in die Größenordnung von 15
mm gesteigert werden kann. Ein wesentlicher Vorteil des Einsatzes derartiger Korngrößen
ist vor allen Dingen darin zu sehen, daß die Durchtrittswiderstände für die
Hindurchleitung
des Wasserstoffgases durch den Erzstrom herabgesetzt werden und damit die Druckverluste
vermindert werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn man für das Aufgabegut einen
Korngrößenbereich von beispielsweise 3 bis 8 mm vorsieht, wobei Feicstaub unter
1 mm vorher auf Korngrößen von 8 bis 15 mm pelletiert wird. Je nach dem verwendeten
Kornspektrum kann dann die Hindurchleitung des Wasserstoffgases durch das Erz in
Form eines sogenannten Festbettes, eines Halbfließbettes oder eines Fließbettes
erfolgen. Die Gasgeschwindigkeiten liegen hierbei im Bereich von 1 m/sek für Korngrößen
unter 1 mm bis 10 m/sek bei Korngrößen im Bereich von 10 mm.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Reduktion
bei einer Temperatur von mindestens 3000 C vorzugsweise 350 bis 4000 C durchgeführt
wird. Dies hat den Vorteil, daß bei einer derartigen Temperatur der Anteil an diamagnetischen
Molekülen des Parawasserstoffs im Verhältnis zu den Molekülen des Orthowasserstoffs
erheblich geringer wird, zum anderen aber die Erweichungstemperatur der im Erz enthaltenen
Gangartminerale noch nicht erreicht wird, so daß also die Oberfläche der einzelnen
Erzteilchen nicht dichtsintern kann, sondern die Diffusion der Wasserstoffmoleküle
in die Erzteilchen hinein und der Austritt von Wasserdampf aus den
Erzteilchen
während der vollen Aufenthaltszeit des Erzteilchens im Magnetfeld gewährleistet
bleibt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen,
daß das Wasserstoffgas gleichzeitig als Heizmedium dient und vor der Einleitung
in das Erz auf eine Temperatur von mindestens 3000 C aufgeheizt wird. In einer anderen
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Erz in heißem Zustand dem Magnetfeld
und dem Wasserstoffgas ausgesetzt wird.
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Dies hat insbesondere den Vorteil, daß bei der Verwendung von Pellets
diese ohne Zwischenkühlung der Reduktion ausgesetzt werden können, und je nach ihrer
Menge bei einer Mischung mit einem körnigen Erz dieses auf die vorteilhafte Verfahrenstemperatur
von etwa 3500 C aufheizen können.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem vorgesehen, daß das Wasserstoffgas
während der Kontaktzeit mit dem Erz unter einem Druck von mindestens 1 atü, vorzugsweise
2 bis 5 atü steht. Dies hat den Vorteil, daß infolge des höheren Druckes der Reduktionsvorgang
beschleunigt wird und so die Verweilzeit des Erzes im Magnetfeld unter Wasserstoffatmosphäre
verkürzt werden kann.
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Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der
Erläuterungen eines Fließbildes beschrieben.
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Ein beispielsweise rohrförmiger Reaktor 1 ist von einer oder mehreren
Magnetspulen 2, beispielsweise supraleitenden Magneten umgeben. An seinem einen
Ende ist der Reaktorraum mit einer Zufuhreinrichtung 3 für das zu reduzierende Erz
versehen. An seinem anderen Ende befindet sich eine vorzugsweise steuerbare Austragsvorrichtung
4, die in eine Kühlvorrichtung 5 für das reduzierte Erz mündet. über die Austragsvorrichtung
kann mit Vorteil die Durchlaufzeit des Erzes durch den Reaktor und damit die Reaktionsdauer
gesteuert werden.
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Am Austragsende des Reaktors ist außerdem wenigstens eine Zufuhröffnung
6 für die Zufuhr von Wasserstoffgas angeordnet.
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Am Erzzufuhrende ist eine Abzugsleitung 7 für das durch den Reaktor
hindurchgeleitete Wasserstoffgas angeordnet, die über eine Entstaubungsvorrichtung
8 und eine Kondensatoreinrichtung 9 zum Abscheiden des im Wasserstoffgas enthalt
enen, aus der Reduktion stammenden Wasserdampfes in einen Vorratsbehälter 10 für
Wasserstoffgas mündet. Aus diesem Vorratsbehälter wird mittels eines Verdichters
11 Wasserstoff wieder in den Reaktor eingedrückt. Bei einer derartigen Verfahrensweise
ist es mit Vorteil möglich, das Wasserstoffgas zumindest zu einem Teil
im
Kreislauf durch den zu reduzierenden Erzstrom zu führen.
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Mit Hilfe dieser Verfahrensweise ist es weiterhin mit einfachen wirtschaftlichen
Mitteln möglich, für die Reduktion so große Wasserstoffmengen zur Verfügung zu stellen,
daß die pro Zeiteinheit mit der Erzmenge in Kontakt gebrachte Wasserstoffmenge mindestens
das 1, 5-fache vorzugsweise das 2 bis 3-fache der stöchiometrisch erforderlichen
Wasserstoffgasmenge beträgt.
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Das Gas wird mit Hilfe des Verdichters 11 auf einen Druck von beispielsweise
4 atü verdichtet und entweder durch einen Wärmetauscher 12 auf eine Temperatur von
etwa 500 bis 5500 C gebracht, so daß die für den Reduktionsvorgang vorteilhafte
Temperatur von etwa 350 bis 4000 C im Reaktor selbst aufrechterhalten werden kann.
Bei einer Aufheizung des Aufgabegutes, sei es, daß das Aufgabegut in Form von heißen
Pellets aufgegeben wird, sei es, daß das feinkörnige Erz im Anschluß an eine vorangegangene
Trocknung mit einer entsprechenden Temperatur zur Verfügung steht, kann auf den
Wärmetauscher zur Erhitzung des Wasserstoffgases verzichtet werden. Je nach den
Gegebenheiten des Einzelfalles können auch beide Möglichkeiten kombiniert werden,
d.h. sowohl das Erz wie auch das Wasserstoffgas aufgeheizt sein.
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Um den durch den Kondensator zur Entfernung des Wasserdampfes bedingten
Temperaturverlust bei der Kreislaufführung zu vermeiden, ist es in einer Ausgestaltung
der Erfindung vorteilhaft, wenn die Einrichtung ohne Kondensator betrieben wird
und eine Teilmenge des im Kreislauf geführten Wasserstoffgases nach Austritt aus
dem Reaktor ständig abgeleitet und eine entsprechende Menge frisches Wasserstoffgas
in den Kreislauf eingeführt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß der größere
Teil der im Kreislauf geführten Wasserstoffmenge praktisch das am Austritt des Reaktors
vorhandene Temperaturniveau hält und somit der Wärmeverbrauch vermindert wird. Die
abgezweigte Teilmenge kann entweder zu Feuerungszwecken verwendet werden oder aber
in einer gesonderten Einrichtung möglichst vollständig getrocknet und wieder in
den Versorgungsbehälter zurückgeführt werden. Eine derartige Kreislaufführung hat
ferner den Vorteil, daß beispielsweise über die Regelung der abzuzweigenden Teilmenge
die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Reaktors an die Korngrößen des Aufgabegutes
angepaßt werden kann.
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Will man beispielsweise ein staubförmiges Erz mit Korngrößen unter
1 mm noch im Gegenstrom im Reaktor behandeln, so sind Gasgeschwindigkeiten von höchstens
1 m/sek zulässig, da nur bei derartigen Geschwindigkeiten sich noch ein fließbettartiges
Verhalten des Erzes im Reaktor aufrechterhalten läßt.
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Im allgemeinen dürfte es zweckmäßig sein, den Feinstaub des Erzes
vor der Aufgabe abzutrennen, diese Fraktion zu pelletieren und in Form von Pellets
mit Korngrößen von beispielsweise 5 bis 10 mm zusammen mit der verbleibenden groben
Erzfraktion dem Reaktor zuzuführen.
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Im Ubrigen ist die Bauart des Reaktors im wesentlichen von dem zur
Verfugung stehenden bzw. herzustellenden Kornspektrum des Aufgabegutes abhängig.
Je nach Körnung und nach den Reduktionseigenschaften des verwendeten Erzes kann
hierbei im sogenannten festbett" gearbeitet werden, das sehr hohe Gasgeschwindigkeiten
zuläßt oder aber auch im Halbfließbett bzw.
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im Fließbett. Bei derartigen Verfahrensweisen ist es auch möglich,
statt des reinen Gegenstroms von Erz und Wasserstoffgas, das Wasserstoffgas quer
durch ein Gutbett zu leiten, also den Reaktor horizontal bzw. geneigt anzuordnen.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn in bezug auf die Durchlaufrichtung das Wasserstoffgas
an mehreren Stellen in das Gutbett eingeleitet wird.
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