DE2510116C2

DE2510116C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren von Eisenoxiden

Info

Publication number: DE2510116C2
Application number: DE2510116A
Authority: DE
Inventors: Per Harald Falun Collin; Sune Natanael Flink; Martin Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Hirsch; Lothar 3134 Bergen Reh; Björn Västerås Widell
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1974-03-08
Filing date: 1975-03-07
Publication date: 1987-02-26
Also published as: BE826501A; SE384225B; FR2263305B1; SE7403145L; CA1050766A; NL7502826A; DE2510116A1; JPS5844722B2; JPS5110115A; NL181670B; NL181670C; LU72012A1; FR2263305A1; GB1506170A; AU7891975A; IT1032263B

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren zum Reduzieren von Eisenoxiden, bei dem man ein pulverisiertes, Eisenoxide enthaltendes Material im Gemisch mit einem pulverisierten, festen, kohlenstoffhaltigen Material sowie gegebenenfalls einem flüssigen, kohlenstoffhaltigen Material mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas in einem Fließbett in einer sich in vertikaler Richtung erstreckenden Reaktionszone bei erhöhter Temperatur reduziert, aus dem die Reaktionszone verlassenden Gas-Feststoff-Gemisch das feste Material abtrennt und in die Reaktionszone zurückführt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer sich in vertikaler Richtung erstreckenden Reaktionszone, Einlaßöffnungen für das Fluidisierungsgas, um in der Reaktionszone ein zirkulierendes Fließbett aufrechtzuerhalten, einem Zyklonabscheider zum Abtrennen des festen Materials aus dem die Reaktionszone verlassenden Gas-Feststoff-Gemisch und Rückführen des abgetrennten festen Materials in die Reaktionszone.
Es ist bereits bekannt, ein pulverisiertes, Eisenoxide enthaltendes Material im Gemisch mit einem pulverisierten, festen, kohlenstoffhaltigen Material in Drehöfen oder Fließbetten herkömmlicher Bauart zu reduzieren. Am häufigsten wird dabei das Fließbettverfahren zur Reduktion des Eisenoxide enthaltenden Materials angewendet. Bei diesem Verfahren kommt das für die Reduktion verwendete reduzierende Gas jedoch nur kurzzeitig mit dem zu reduzierenden Material in Kontakt, wodurch die Ausbeute an dem gewünschten Endprodukt begrenzt bleibt. Versuche, die Ausbeute bzw. den Wirkungsgrad bei derartigen Verfahren durch Erhöhung der Reaktionstemperatur zu verbessern, haben dazu geführt, daß die Materialteilchen des Ausgangsgemisches innerhalb des Fließbettes zu einer unerwünschten Agglomeration führen, wodurch eine Fluidisierung des Ausgangsgemisches und damit die Durchführung des Fließbettverfahrens erschwert und zum Teil sogar unmöglich gemacht werden.
Durch Verwendung eines zirkulierenden Fließbettes, wie es in "Chemical Engineering Progress", 67 (1971), N° 2, Seiten 58 bis 63, beschrieben ist, kann zwar die Kontaktzeit verlängert werden, wodurch auch die Neigung zur Bildung von Agglomerationen aufgrund der starken inneren Zirkulation bzw. Umwälzung des Ausgangsmaterials geringer wird, unerwünschte Aggregationen, die zu erheblichen technischen Schwierigkeiten bei der Durchführung des Verfahrens führen, lassen sich damit jedoch nicht völlig vermeiden. Versuche haben nämlich gezeigt, daß ein pulverisiertes, Eisenoxide enthaltendes Material, das im Gemisch mit einem pulverisierten, festen, kohlenstoffhaltigen Material unter Verwendung eines molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases in einem zirkulierenden Fließbett reduziert wird, dennoch zu einer Agglomeration neigt, wenn das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas zur Fluidisierung über Verteilereinrichtungen am Boden des Reaktionsgefäßes eingeblasen wird, was wahrscheinlich auf örtliche Überhitzungen zurückzuführen ist, die zu einer erhöhten Neigung zur Agglomeration an den Verteilereinrichtungen führen.
Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion von Eisenoxiden zu schaffen, das nicht nur einen hohen Wirkungsgrad aufweist, sondern auch technisch einfach und wirtschaftlich durchgeführt werden kann, ohne daß die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten auftreten.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Reduzieren von Eisenoxiden, bei dem man ein pulverisiertes, Eisenoxide enthaltendes Material im Gemisch mit einem pulverisierten, festen, kohlenstoffhaltigen Material sowie gegebenenfalls einem flüssigen kohlenstoffhaltigen Material mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas in einem Fließbett in einer sich in vertikaler Richtung erstreckenden Reaktionszone bei erhöhter Temperatur reduziert, aus dem die Reaktionszone verlassenden Gas-Feststoff-Gemisch das feste Material abtrennt und in die Reaktionszone zurückführt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
in der Reaktionszone ein zirkulierendes Fließbett aufrechterhält, die festen Ausgangsmaterialien und das Reaktionsgas einem mittleren Abschnitt der Reaktionszone zuführt, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen dem festen, kohlenstoffhaltigen Material und dem die Eisenoxide enthaltenden Material mindestens 0,5 : 1 beträgt,
das Reaktionsgas nach dem Abtrennen des festen Materials von dem größtem Anteil an CO₂ und H₂O befreit und als Fluidisierungs- und Reduktionsgas in den unteren Abschnitt der Reaktionszone einführt, und
das in der Reaktionszone entstandene, teilweise oder vollständig reduzierte feste Material aus dem unteren Abschnitt der Reaktionszone abzieht.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist einen wesentlich höheren Wirkungsgrad auf als die bekannten vergleichbaren Verfahren, weil der Kontakt zwischen dem zu reduzierenden Ausgangsmaterial und dem reduzierenden Gas wesentlich intensiver ist, und darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren technisch einfach und wirtschaftlich durchführbar, weil durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Arbeitsweise die Neigung zur Agglomeration während der Durchführung des Verfahrens wirksam unterdrückt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das molekularen Sauerstoff enthaltende Reaktionsgas, das gegebenenfalls im Gemisch mit CO₂ und/oder H₂O vorliegt, in einer solchen Menge in die Reaktionszone eingeführt, daß es die Wärme liefert, die für die Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur in der Reaktionszone erforderlich ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das aus dem unteren Abschnitt der Reaktionszone abgezogene feste Material unter den Curiepunkt des Eisens abgekühlt und magnetisch in einen koksfreien Eisenanteil und einen eisenfreien Koksanteil getrennt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Durchführung der magnetischen Trennung ein Teil des in den unteren Abschnitt der Reaktionszone wieder eingeführten, von CO₂ und H₂O praktisch freien Reaktionsgases verwendet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das feste, kohlenstoffhaltige Material zuerst in eine weitere Reaktionszone eingeführt, in der es in einem Fließbett mit einem Teilstrom des molekularen Sauerstoff enthaltenden Reduktionsgases teilweise verbrannt wird, bevor es zusammen mit dem Gas in den mittleren Abschnitt der Reaktionszone eingeführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das kohlenstoffhaltige Material, gegebenenfalls aufgeteilt in Teilströme, unter Verwendung eines nicht-oxidierenden Gases in den mittleren Abschnitt der Reaktionszone eingeblasen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das molekularen Sauerstoff enthaltende Reduktionsgas in eine Anzahl von Teilströmen aufgeteilt, bevor es in den mittleren Abschnitt der Reaktionszone eingeführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das feste, aus dem unteren Abschnitt der Reaktionszone abgezogene Material dadurch gekühlt, daß es durch ein Fließbett mit eingebauten Kühlflächen geführt wird, das durch Aufwirbelung mittels eines Teilstroms des im Kreislauf zurückgeführten Reaktionsgases gebildet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das molekularen Sauerstoff enthaltende Reduktionsgas als Kühlmittel verwendet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Teil des Reaktionsgases in direkten Kontakt mit dem die Eisenoxide enthaltenden Ausgangsmaterial gebracht, um dieses vorzuerwärmen, bevor es vom größten Teil des CO₂ und H₂O befreit und in den unteren Abschnitt der Reaktionszone zurückgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei einem Druck oberhalb Atmosphärendruck durchgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der physikalische und chemische Wärmeinhalt des aus der Reaktionszone abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukts zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgenutzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Teil des bei der magnetischen Abtrennung erhaltenen Koksanteils wieder in die Reaktionszone zurückgeführt, gegebenenfalls nach dem Mischen mit dem die Eisenoxide enthaltenden Ausgangsmaterial, und der Rest des Koksanteils wird als Reduktionsmittel in einer Schmelzreduktionsstufe für den bei der magnetischen Abtrennung erhaltenen Eisenanteil und/oder als Brennstoff in einem Wärmekraftwerk verwendet.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zum Reduzieren von Eisenoxiden nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren mit einer sich in vertikaler Richtung erstreckenden Reaktionszone, Einlaßöffnungen für das Fluidisierungsgas, um in der Reaktionszone ein zirkulierendes Fließbett aufrechtzuerhalten, einem Zyklonabscheider zum Abtrennen des festen Materials aus dem die Reaktionszone verlassenden Gas-Feststoff- Gemisch und Rückführen des abgetrennten festen Materials in die Reaktionszone, die in Lösung der gestellten Aufgabe gekennzeichnet ist durch
im mittleren Abschnitt der Reaktionszone des Reaktionsgefäßes vorgesehene Einlässe für die pulverisierten Eisenoxide, für das pulverisierte kohlenstoffhaltige Material und für das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas,
eine Gaswascheinrichtung zur Entfernung von CO₂ und H₂O aus dem den Zyklonabscheider verlassenden Gas,
eine Leitung zum Rückführen des gereinigten Gases aus der Gaswascheinrichtung durch Einlaßöffnungen in den unteren Abschnitt der Reaktionszone des Reaktionsgefäßes als Fluidisierungs- und Reduktionsgas und
einen Auslaß zum Abziehen des festen Materials aus dem unteren Abschnitt der Reaktionszone des Reaktionsgefäßes.
Unter dem hier verwendeten Ausdruck "festes, kohlenstoffhaltiges Material" ist ein kohlenstoffhaltiger, fester Brennstoff wie Kohle, Koks oder Anthrazit zu verstehen.
Unter dem hier verwendeten Ausdruck "pulverisiertes, Eisenoxide enthaltendes Material" sind konzentrierte Eisenerze, gebrannte Pyrrite oder andere Eisenoxide enthaltende Materialien zu verstehen, die eine Teilchengröße von bis zu 1 mm haben.
Das dem Fließbett zugeführte, Eisenoxide enthaltende, pulverisierte Material weist eine Teilchengröße auf, die kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm ist. Das zugeführte, feinverteilte, feste, kohlenstoffhaltige Material sollte eine Teilchengröße von weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, haben.
Die Reaktionszone des Reaktionsgefäßes ist hierbei in einen oberen, unteren und einen mittleren Abschnitt unterteilt. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird das pulverisierte, Eisenoxide enthaltende Material, das kohlenstoffhaltige Material sowie das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas in den mittleren Abschnitt eingebracht. Durch eine teilweise Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Materials in diesem Abschnitt wird die für das Verfahren bzw. den Prozeß notwendige Wärme erzeugt. Im oberen Teil der Reaktionszone findet dann eine Verkokung und eine Entgasung des kohlenstoffhaltigen Materials sowie eine Reduktion mit dem Kohlenstoff des Kohlendioxids und des während der Verbrennung gebildeten Wassers statt, wodurch Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid gebildet werden. Hierbei findet auch eine gewisse Reduktion des Eisenoxids enthaltenden Materials statt.
Diese Reaktion findet bei einer Temperatur von 850 bis 1000°C statt. Die Durchflußmenge an festem, kohlenstoffhaltigem Material muß so gesteuert werden, daß sie in dem Fließbett immer ausreicht, um eine Beeinträchtigung und Störung der Fluidisierung bzw. des Fließbettverfahrens als Folge einer Agglomeration zu verhindern. Von dem oberen Abschnitt aus wird hierbei erzeugtes Gas ausgetragen bzw. abgelassen, das mit festem Material aus dem Fließbett vermischt ist. Letzteres wird dann von dem Gas getrennt und wieder in den mittleren Abschnitt zurückgeführt.
Auch ist festgestellt worden, daß bei dem festen, kohlenstoffhaltigen Material ein Verkleben bzw. Aneinanderhaften in Abhängigkeit von der Temperatur und den Eigenschaften des Eisenoxide enthaltenden Materials verhindert werden kann. Bei einer Temperatur von 900°C und bei Verwendung von normalem Eisenerzkonzentrat hat sich ferner herausgestellt, daß das Gewichtsverhältnis zwischen dem festen, kohlenstoffhaltigen Material (Koks) und dem Konzentrat in der festen Reaktionszone mindestens 0,5 : 1 sein sollte.
Ein Teil des abgelassenen Gases wird einer zusätzlichen Staubabtrennung unterzogen, wodurch der größte Teil von CO₂ und H₂O entfernt wird, dann entnommen und dem unteren Teil der Reaktionszone als Fluidisierungs- und Reduktionsgas wieder zugeführt. Auf diesen Weise wird eine stark reduzierende Atmosphäre in dem unteren Abschnitt erhalten und es findet fortlaufend eine Reduktion des Eisenoxide enthaltenden Materials statt.
Festes Material wird erforderlichenfalls aus dem unteren Abschnitt der Reaktionszone ausgetragen, so daß die Menge an festem Material in der Reaktionszone konstant bleibt. Die reine Zufuhr von festem Material wird dann im Gegenstrom zu dem in den unteren Abschnitt eingebrachten Gas aufrechterhalten. Die Wärmeübertragung von dem mittleren Abschnitt der Reaktionszone zu deren unterem Abschnitt erfolgt jedoch hauptsächlich durch die innere Materialzirkulation bzw. den inneren Materialumlauf in der Reaktionszone. Diese innere Zirkulation bzw. Umlauf ist verhältnismäßig groß, so daß auf diese Weise der Temperaturausgleich gefördert wird. Das ausgetragene, feste Material besteht aus Koks und vollständig oder teilweise reduzierten Eisenoxiden, ist vorzugsweise unter den Curiepunkt des Eisens abgekühlt und wird magnetisch in einen im wesentlichen koksfreien Eisenanteil und einen im wesentlichen eisenfreien Koksanteil getrennt. Die Kühlung erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß das Material ein herkömmliches, durch das Material selbst gebildetes Fließbett durchläuft, und erfolgt ferner mit Hilfe von eingebauten Kühlflächen. Das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas wird dementsprechend als Kühlmittel verwendet und wird dadurch vorerwärmt.
Auch ist es zweckmäßig und vorteilhaft, den Strom des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases, beispielsweise Luft, das möglicherweise mit CO₂ und/oder H₂O gemischt ist, so zu steuern, daß der Wärmebedarf, um die geforderte Temperatur in dem zirkulierenden bzw. umlaufenden Fließbett aufrechtzuerhalten, gedeckt ist. Die Wärme wird durch eine Teilverbrennung des kohlenstoffhaltigen Materials erzeugt. Auch ist es möglich, Wärme entweder allein bzw. ausschließlich oder zum Teil indirekt von einer äußeren Wärmequelle, z. B. einem Kernreaktor, zuzuführen. In diesem Fall kann die Wärme mit Hilfe von heißem Gas auf in der Reaktionszone vorgesehene Heizflächen übertragen werden.
Um eine übermäßige Wärmeentwicklung pro Volumeneinheit in der Reaktionszone zu verhindern, was eine örtliche Übererhitzung und die Gefahr einer gewissen Agglomeration des Fließbettmaterials zur Folge haben würde, wird der Strom des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases vorzugsweise in mehrere Teilströme unterteilt, die dann an getrennten Stellen in verschiedenen Höhen dem mittleren Abschnitt der Reaktionszone zugeführt werden.
Das feste, kohlenstoffhaltige Material wird dementsprechend dem mittleren Abschnitt der Reaktionszone in Form mehrerer Teilströme, vorzugsweise mit Hilfe von über Düsen eingeblasenem, reduzierendem und/oder neutralem Gas, zugeführt. Bei kohlenstoffhaltigem Material mit einem geringen Gehalt an leicht flüchtigen Bestandteilen, wie Anthrazit, ist es möglich, molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas, wie beispielsweise Luft, zu verwenden, das in diesem Fall vorzugsweise nicht vorerwärmt wird, um die Gefahr einer örtlichen Überhitzung zu vermeiden. In Abhängigkeit von der Form der Blasdüsen ist hierzu insgesamt ein Gasstrom erforderlich, der 10 bis 30% des Gesamtstromes bzw. der gesamten Durchflußmenge des kohlenstoffhaltigen Materials darstellt.
Es ist auch möglich, das kohlenstoffhaltige Material über eine kleinere zusätzliche Behelfsreaktionszone einzuführen, die von der eigentlichen Reaktionszone getrennt ist, in der ein Fließbett mit Hilfe eines Teilstromes des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases unterhalten wird. In diesem Fall werden dann das Gas und das Material von der zusätzlichen Befehlsreaktionszone über ein gemeinsames Rohr in den mittleren Abschnitt der Reaktionszone eingeführt. In der zusätzlichen Behelfszone findet eine gewisse Teilverbrennung des kohlenstoffhaltigen Materials statt, und eine Agglomeration um die Verteileröffnungen herum kann infolgedessen aufgrund der kurzen Zeit vermieden werden, während der das kohlenstoffhaltige Material dort verteilt ist; dies bedeutet, daß nur wenige Teilchen Zeit haben, zu Asche verbrannt zu werden. Bei zu hohen Konzentrationen und im Fall einer örtlichen Überhitzung kann es jedoch leicht zu einer Zusammenballung und Verkrustung kommen.
Ein gewisser Teil des festen, kohlenstoffhaltigen Materials kann durch flüssiges, kohlenstoffhaltiges Material, wie beispielsweise Öl, ersetzt werden. In diesem Fall wird das Material vorzugsweise in den mittleren Abschnitt der Reaktionszone durch eine Anzahl Strahlen versprüht. Eine sogenannte Zerstäubung des Öls, wie sie in Verbindung mit einer vollständigen Verbrennung durchgeführt wird, ist nicht notwendig. Eine verhältnismäßig große Dispersion des Öls, die erhalten wird, wenn es in Teilströmen über Rohrleitungen zusammen mit einem nicht- oxidierenden Gas zugeführt wird, reicht aus. Ein Volumenverhältnis von 100 : 1 für das Gas und das verwendete Öl ist angemessen und zweckmäßig. Wenn eine zusätzliche Behelfsreaktionszone verwendet wird, wird das Öl vorzugsweise dieser Zone zugeführt, und die Höhe bzw. das Niveau, auf welcher bzw. auf welchem das Öl zugeführt wird, sollte etwa 0,5 m über dem Verteilerboden für das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas liegen.
Das von der Reaktionszone ausgetragene Gas kann zumindest zum Teil zum Vorerwärmen des Eisenoxide enthaltenden Zufuhrmaterials verwendet werden, indem es in unmittelbaren Kontakt damit gebracht wird. Danach wird dieser Teil des ausgetragenen Gases wieder in den unteren Abschnitt der Reaktionszone zurückgeleitet, nachdem der größte Teil an CO₂ und H₂O in an sich bekannter Weise entfernt worden ist, und dann als Fluidisierungs- und Reaktionsgas in dem unteren Abschnitt der Reaktionszone verwendet.
Ein Teilstrom des ausgetragenen bzw. ausgestoßenen Gases, das im wesentlichen frei von CO₂ und H₂O ist, wird dementsprechend als Fluidisierungsgas bei der Kühlung und magnetischen Trennung des von dem unteren Abschnitt der Reaktionszone ausgetragenen Materials verwendet. Da das gesamte Verfahren bei Überdruck, beispielsweise bei 1 bis 10 bar, durchgeführt wird, können die für die Vorrichtung erforderlichen Abmessungen erheblich verkleinert werden. Der Wärmegehalt (der physikalische und der chemische) des abgelassenen bzw. ausgestoßenen Gases wird dementsprechend dazu verwendet, um elektrische Energie zu erzeugen, mit welcher beispielsweise das reduzierte Eisenmaterial geschmolzen und möglicherweise endgültig reduziert werden kann.
Nachfolgend werden das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Die Vorrichtung weist ein in vertikaler Richtung langgestrecktes Reaktionsgefäß 1 auf, dessen oberer Abschnitt 2 den oberen Abschnitt der Reaktionszone, dessen mittlerer Abschnitt 3 den mittleren Abschnitt der Reaktionszone und dessen unterer Abschnitt 4 den unteren Abschnitt der Reaktionszone umschließt. Ein Zyklon 5 ist mit dem oberen Abschnitt 2 des Reaktionsgefäßes 1 verbunden und weist eine Rückführleitung 6 auf, die zu dem mittleren Abschnitt 3 des Reaktionsgefäßes führt. In dieser Zone sind auch ein oder mehr Einlässe für kohlenstoffhaltiges Material 7 vorgesehen. Das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas wird dem mittleren Abschnitt 3 des Reaktionsgefäßes in Form einer Anzahl Teilströme über Düsen 8 zugeführt, während der in den Kreislauf zurückgeführte Teilstrom des Gases dem unteren Abschnitt des Reaktionsgefäßes über einen entsprechenden Verteiler 9 zugeführt wird. Entsprechend behandeltes, festes Material wird über einen Auslaß 10 in dem unteren Abschnitt des Reaktionsgefäßes ausgetragen, in einer Kühleinrichtung 11 gekühlt und durchläuft eine magnetische Trenneinrichtung 12, in welcher es in einen im wesentlichen koksfreien Eisenanteil 13 und einen im wesentlichen eisenfreien Koksanteil 14 getrennt wird.
Das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas 15, vorzugsweise Luft, wird an der Stelle 16 über die Kühleinrichtung 11, wo es vorerwärmt wird, und dann über eine Rohrleitung 17 zu Düsen 8 geblasen. Die Kühleinrichtung weist vorzugsweise die Form eines herkömmlichen Fließbettes, mit im umgebenden Reaktor eingebauten Kühlflächen auf, über welche das molekulare Sauerstoff enthaltende Gas zur Vorerwärmung geleitet wird.
Ein Teil des abgelassenen Gases (beispielsweise 50%) wird über das Auslaßrohr 18 von dem Zyklon 5 aus zu einer Venturieinrichtung 19 geleitet, in der es das pulverisierte Material, das Eisenoxide, beispielsweise ein Erzkonzentrat 20, enthält, vorerwärmt, das möglicherweise mit dem von der magnetischen Trenneinrichtung rückgeförderten Koks gemischt wird. Der Gas- und Materialstrom wird dann zu einem Zyklon 21 und dann zu einem Feinreinigungssystem 22 transportiert, in dem das feste Material abgetrennt wird, und wieder dem mittleren Abschnitt des Reaktionsgefäßes, vorzugsweise über die Rückleitung 6, zugeführt. Das von festem Material gereinigte Gas wird dann entlang einer Leitung 23, wo es möglicherweise indirekt an der Stelle 24 durch kochendes Wasser gekühlt wird, und über einen Wärmeaustauscher 25 Gaswascheinrichtungen 27 zugeführt, wo es im wesentlichen von CO₂ und H₂O befreit wird. Eine Kühlung mittels siedendem Wasser kann erforderlich sein, um zu verhindern, daß die Temperatur in dem Wärmeaustauscher zu hoch für die verwendeten Materialien wird. H₂O kann durch direkte oder indirekte Kühlung entfernt werden. CO₂ wird ausgewaschen, beispielsweise mit Hilfe von alkalischen Lösungen, wobei dann in diesem Fall der Strom 28 aus dem Gefäß oder Boiler 24 dazu verwendet werden kann, diese Lösungen wieder zu regenerieren. Wenn der Druck in dem System ausreichend hoch ist, kann CO₂ mit Wasser ausgewaschen werden. Ein Großteil des Gases von den Gaswascheinrichtungen, das mittels eines Verdichters bewegt wird, erfährt an der Stelle 25 einen Wärmeaustausch mit in die Gaswascheinrichtungen einströmendem Gas und wird dann als Fluidisierungs- und reduzierendes Gas in den unteren Abschnitt 4 des Reaktionsgefäßes eingeleitet. Hierdurch wird eine stark reduzierende Zone geschaffen, durch welche das feste Material, bevor es ausgetragen wird, hindurchgeleitet wird. Im Hinblick auf den kleineren Gasstrom weist dieser Abschnitt des Reaktionsgefäßes dementsprechend einen kleineren Durchmesser auf als der obere Abschnitt. Ein Teilstrom 31 des von CO₂ und H₂O befreiten Gases wird, ohne daß ein Wärmeaustausch stattfindet, als Fluidisierungsgas in der Kühleinrichtung 11 für das ausgetragene feste Material und in der magnetischen Trenneinrichtung 12 verwendet und wird dann über Leitungen bzw. über entsprechende Einrichtungen 32 und 33 zu dem unteren Abschnitt des Reaktionsgefäßes gefördert. Der Rest des von dem Zyklon 5 ausgetragenen Gases 34 wird, möglicherweise zusammen mit einem Teilstrom des Koksanteils von der magnetischen Trenneinrichtung, vorzugsweise als Brennstoff in einem Wärmekraftwerk verwendet, während der Rest des Koksstroms wieder dem Reaktionsgefäß zugeführt wird, wobei es möglicherweise mit dem Eisenoxide enthaltenden Material gemischt wird, und/oder er wird als Reduktionsmittel in einer Schmelzreduktionsstufe für den Eisenanteil von der magnetischen Trenneinrichtung aus verwendet.

Claims

1. Verfahren zum Reduzieren von Eisenoxiden, bei dem man ein pulverisiertes, Eisenoxide enthaltendes Material im Gemisch mit einem pulverisierten, festen, kohlenstoffhaltigen Material mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas in einem Fließbett in einer sich in vertikaler Richtung erstreckenden Reaktionszone bei erhöhter Temperatur reduziert, aus dem die Reaktionszone verlassenden Gas-Feststoff-Gemisch das feste Material abtrennt und in die Reaktionszone zurückführt, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Reaktionszone ein zirkulierendes Fließbett aufrechterhält, die festen Ausgangsmaterialien und das Reduktionsgas einem mittleren Abschnitt der Reaktionszone zuführt, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen dem festen, kohlenstoffhaltigen Material und dem die Eisenoxide enthaltenden Material mindestens 0,5 : 1 beträgt,
das Reaktionsgas nach dem Abtrennen des festen Materials von dem größten Anteil an CO₂ und H₂O befreit und als Fluidisierungs- und Reduktionsgas in den unteren Abschnitt der Reaktionszone einführt und
das in der Reaktionszone entstandene, teilweise oder vollständig reduzierte feste Material aus dem unteren Abschnitt der Reaktionszone abzieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man ein pulverisiertes, Eisenoxide enthaltendes Material im Gemisch mit einem pulverisierten, festen, kohlenstoffhaltigen Material sowie gegebenenfalls einem flüssigen kohlenstoffhaltigen Material, reduziert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das molekularen Sauerstoff enthaltende Reduktionsgas, das gegebenenfalls im Gemisch mit CO₂ und/oder H₂O vorliegt, in einer solchen Menge in die Reaktionszone eingeführt wird, daß es die Wärme liefert, die für die Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur in der Reaktionszone erforderlich ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem unteren Abschnitt der Reaktionszone abgezogene feste Material unter den Curiepunkt des Eisens abgekühlt und magnetisch in einen koksfreien Eisenanteil und einen eisenfreien Koksanteil getrennt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der magnetischen Trennung ein Teil des in den unteren Abschnitt der Reaktionszone wieder eingeführten, von CO₂ und H₂O praktisch freien Reaktionsgases verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das feste kohlenstoffhaltige Material zuerst in eine weitere Reaktionszone eingeführt wird, in der es in einem Fließbett mit einem Teilstrom des molekularen Sauerstoff enthaltenden Reduktionsgases teilweise verbrannt wird, bevor es zusammen mit dem Gas in den mittleren Abschnitt der Reaktionszone eingeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Material, gegebenenfalls aufgeteilt in Teilströme, unter Verwendung eines nichtoxidierenden Gases in den mittleren Abschnitt der Reaktionszone eingeblasen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das molekularen Sauerstoff enthaltende Reduktionsgas in eine Anzahl von Teilströmen aufgeteilt wird, bevor es in den mittleren Abschnitt der Reaktionszone eingeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das feste, aus dem unteren Abschnitt der Reaktionszone abgezogene Material dadurch gekühlt wird, daß es durch ein Fließbett mit diesem umgebenden im Reaktor eingebauten Kühlflächen geführt wird, das durch Aufwirbelung mittels eines Teilstroms des im Kreislauf zurückgeführten Reaktionsgases gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das molekularen Sauerstoff enthaltende Reduktionsgas als Kühlmittel verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Reaktionsgases in direkten Kontakt mit dem die Eisenoxide enthaltenden Ausgangsmaterial gebracht wird, um dieses vorzuerwärmen, bevor es vom größten Teil des CO₂ und H₂O befreit und in den unteren Abschnitt der Reaktionszone zurückgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einem Druck oberhalb Atmosphärendruck durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der (physikalische und chemische) Wärmeinhalt des aus der Reaktionszone abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukts zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgenutzt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des bei der magnetischen Abtrennung erhaltenen Koksanteils wieder in die Reaktionszone zurückgeführt wird, gegebenenfalls nach dem Mischen mit dem die Eisenoxide enthaltenden Ausgangsmaterial, und daß der Rest des Koksanteils als Reduktionsmittel in einer Schmelzreduktionsstufe für den bei der magnetischen Abtrennung erhaltenen Eisenanteil und/oder als Brennstoff in einem Wärmekraftwerk verwendet wird.

15. Vorrichtung zum Reduzieren von Eisenoxiden nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer sich in vertikaler Richtung erstreckenden Reaktionszone, Einlaßöffnungen für das Fluidisierungsgas, um in der Reaktionszone ein zirkulierendes Fließbett aufrechtzuerhalten, einem Zyklonabscheider zum Abtrennen des festen Materials aus dem die Reaktionszone verlassenden Gas-Feststoff-Gemisch und Rückführen des abgetrennten, festen Materials in die Reaktionszone, gekennzeichnet durch
im mittleren Abschnitt (3) der Reaktionszone des Reaktionsgefäßes (1) vorgesehene Einlässe (6, 7, 8) für die pulverisierten Eisenoxide, für das pulverisierte kohlenstoffhaltige Material und für das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas,
eine Gaswascheinrichtung (27) zur Entfernung von CO₂ und H₂O aus dem den Zyklonabscheider (5) verlassenden Gas,
eine Leitung (30) zum Rückführen des gereinigten Gases aus der Gaswascheinrichtung (27) durch Einlaßöffnungen (9) in den unteren Abschnitt (4) der Reaktionszone des Reaktionsgefäßes (1) als Fluidisierungs- und Reduktionsgas und
einen Auslaß (10) zum Abziehen des festen Materials aus dem unteren Abschnitt (4) der Reaktionszone des Reaktionsgefäßes (1).