DE3036920A1

DE3036920A1 - Verfahren fuer die verwendung eines methanhaltigen gases zur reduktion von eisenerz

Info

Publication number: DE3036920A1
Application number: DE19803036920
Authority: DE
Inventors: Enrique Ramon Monterrey Nuevo Leon Martinez-Vera; Juan Federico Garza Garcia Nuevo Leon Price-Falcon
Original assignee: Hylsa SA de CV
Current assignee: Hylsa SA de CV
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1980-09-30
Publication date: 1981-04-23
Also published as: GB2063303B; GB2063303A; PL124748B1; IT1150965B; JPS5662912A; DE3036920C2; MX155124A; DD154025A5; JPS5810965B2; YU217980A; YU42678B; US4253867A; SE448470B; AU6165480A; SE8006646L; BR8005797A; ES495933A0; IT8024244A0; CA1153558A; BE885707A

Description

EFTUS & PAIETNISR $036920

PATENTANWÄLTE -

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL.-ING. W.E1TLE · DR. RER. NAT. K. HO FFMAN N · DIPL.-ING. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FDCHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN ARAirELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MD NCHEN 81 · TELEFON (089) 9110 87 · TELEX 05-29619 (PATHE)

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Hysa S.A., Monterrey N.L. / Mexiko

Verfahren für die Verwendung eines methanhaltigen Gases zur Reduktion von Eisenerz

Die vorliegende Erfindung betrifft die Reduktion von Eisenerz mit Gas in einem Bewegtbettreaktor mit stehendem Schacht zur Bildung von Schwammeisen und insbesondere ein Verfahren für die Verwendung eines bis zu 30 Vol. % Methan enthaltenden Gases, namentlich Koksofengas, als Quelle von Reduktionseinheiten in einem derartigen Gasreduktionsverfahren.

Typische Gasreduktionssysteme, bei denen Eisenerzreduktions-Bewegtbettreaktoren mit stehendem Schacht eingesetzt werden, sind in den US-PS 3 765 872, 3 770 421, 3 779 741 und 3 816 102 beschrieben. In solchen Systemen ist die Reduktion des Erzes üblicherweise mittels eines größtenteils aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden und durch katalytisches Reformieren eines Gemisches aus Erdgas und Wasserdampf gewonnenen· Reduziergases bewirkt worden. Systeme dieser Art weisen in der Regel einen Reaktor mit stehendem Schacht mit einer Reduktionszone im oberen Teil und einer Kühlzone im unteren Teil auf. Das zu reduzierende Erz wird in den Oberteil des Reaktors gegeben und fließt abwärts, wobei es zunächst die Reduktionszone durchläuft, in der es mit erhitztem Reduziergas aus der Reformieranlage in Berührung kommt, und anschließend eine Kühlzone, in der es mittels eines gasförmigen Kühlmittels abgekühlt wird, ehe es am unteren Ende des Reaktors ausgetragen wird. Das Abgas aus der Reduktionszone wird zur Abscheidung des Wassers abgekühlt und in den meisten Fällen wird ein Großteil des ab-

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gekühlten Abgases wieder erwärmt und in die Reduktionszone zurückgeführt. Auf ähnliche Weise wird in der Regel mindestens ein Teil des aus der Kühlzone entnommenen Kühlgases abgekühlt und in die Kühlzone zurückgeführt. Am unteren Ende des Reaktors ist eine Vorrichtung zur Regelung des Austrages des gekühlten Schwammeisens aus dem Reaktor vorgesehen, z. B. ein Auslaßdrehventil, eine Schwingrinne, ein Förderband oder dergleichen.

Es hat sich neuerdings als vorteilhaft erwiesen, das in einem solchen Reaktor erzeugte Schwammeisen als Teil der Beschickung eines Hochofens zu verwenden. Die Verwendung von Schwammeisen als Teil der Beschickung gestattet es, die Produktivität des Hochofens bei gleichzeitiger Senkung dessen Koksbedarfs zu steigern. Dadurch lassen sich also bedeutende Einsparungen im Hochofenbetrieb erzielen.

Da Koks in Hochöfen nicht nur als Brennstoff, sondern auch als Reduktionsmittel Verwendung findet, und zwar in beträchtlichen Mengen, befinden sich die Hochöfen meist in Nähe einer Koksofenbatterie, die sowohl Koks als auch reduzierende Bestandteile enthaltendes Koksofengas als Nebenprodukt liefert. In Fällen, wo Schwammeisen als Teil der Hochofenbeschickung dienen soll, wäre es vom wirtschaftlichen Gesichtspunkte aus vorteilhaft, die Schwammeisenanlage mit dem Hochofen und der Kokerei zu integrieren, d« h. die Schwainmeisenproduktionseinheit in Nähe des Hoch-

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ofens zu errichten. Eine derartige örtliche Anordnung von Schwämmeisenanlage und Hochofen würde eine Reihe von Vorteilen ergeben. So würde beispielsweise die erforderliche Handhabung und Abkühlung des erzeugten Schwammeisens verringert. Schwammeisen zeigt bei höheren Temperaturen bekanntlich eine Neigung zur Wiederöxydierung, wenn es der i

ljuft ausgesetzt wird. Daher ist in den Fällen, in denen das Produkt Schwammeisen während längerer Zeit gelagert oder über größere Entfernungen befördert werden soll, eine weitgehende Abkühlung des Schwammeisens von Bedeutung. Soll das Schwammeisen jedoch unverzüglich in einem Ofen oder dergleichen zum Einsatz kommen, so entfällt die Notwendigkeit des gründlichen Abkühlens.

Ein weiterer eventueller Vorteil einer solchen integrierten Anlage besteht aus der Möglichkeit, das als Nebenprodukt anfallende Koksofengas als Quelle von reduzierenden Komponenten für den mit Gas arbeitenden Erzreduktionsreaktor zu verwenden. Ein dabei auftretendes Problem ist, daß rohes Koksofengas kein sehr wirksames Reduktionsmittel für Eisenerz darstellt. Zwar läßt sich das Reduktionsvermögen von Koksofengas durch eine Behandlung - beispielsweise mittels eines katalytischen Reformierverfahrens — verbessern, doch erfordern die zur Verfügung stehenden katalytischen Reformieranlagen eine bedeutende Kapitalinvestition, die eine wesentliche Steigerung der Kosten des behandelten Gases

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zur Folge hat. Darüber hinaus v/eist Koksofengas einen verhältnismäßig hohen Schwefelgehalt auf, der sich ungünstig auf die üblicherweise in bekannten katalytischen Reformieranlagon eingesetzten Katalysatoren auswirkt. Wenn das Koksofengas in einer katalytischen Reformieranlage bekannter Art reformiert werden soll, muß der Schwefelgehalt des Gases daher zunächst auf einen sehr geringen Wert herabgesetzt v/erden. Es besteht also ein Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren zur Steigerung des Reduktionsvermögens von -rohem Koksofengas.

Der Erfindung, liegt daher -die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Reformierung eines Koksofengases zu schaffen, um dessen Wirksamkeit als Reduktionsmittel für Eisenerz zu steigern. Aufgabe der Erfindung ist ferner, ein Verfahren zur Reduktion von Eisenerz bereitzustellen, das die Integration einer Schwammeisenproduktionsanlage mit einem oder mehreren Hochöfen und einer Koksofenbatterie erleichtert, um so eine Gesamtsteigerung der Produktivität der Hochöfen und eine Verbesserung der Brennstoffeinsparung zu erzielen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, dafür zu sorgen, daß sich der Einsatz einer besonderen katalytischen Gasreformieranlage zvir Verbesserung des Reduktionsvermögens von Koksofengas erübrigt. Im weiteren Sinne hat die Erfindung zur Aufgabe, ein verbessertes Verfahren für die Verwendung eines bis zu 30 Vol. % Methan enthaltenden

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Gases als Quelle von Reduktionseinheiten in einem Eisenerzreduktionsverfahren mit bewegtem Bett und stehendem Schacht zu schaffen. Weitere Aufgaben der Erfindung v/erden sich zum Teil von selbst ergeben und sind zum Teil veiter unten aufgezeigt.

Zur Lösung dieser Aufgaben wird erfindungsgemäß allgemein ein Bewegtbettreaktor eingesetzt, der zusätzlich zu der üblichen Reduktionszone und Kühlzone eine dazwischenliegende Gasreformierzone aufweist, durch die das reduzierte Erz vor seinem Eintritt in die Kühlzone hindurchfließt. Ein Gemisch aus dem methanhaltigen Gas, ζ. B. Koksofengas, und Wasserdampf wird vorerwärmt und in diese Reformierzone eingeführt, und die Überführung des Methangehaltes des Gases in Kohlenmonoxid und Wasserstoff wird dann durch das in dieser Zone befindliche reduzierte Erz, ζ. B.~Schwammeisen, wirksam katalysiert. Das reformierte Koksofengas strömt dann aufwärts in die Reduktionszone des Reaktors.

Es hat sich gezeigt, daß das als Einsatzgas verwendete Koksofengas im vorliegenden Verfahren nicht "vollständig entschwefelt zu sein braucht, da die Ablagerung von Schwefel auf dem Schwammeisen in der Kühlzone dessen Aktivität nicht beeinträchtigt und das Schwammeisen ohnehin eine fortwährend erneuerte Katalysatormasse bildet. Die auf dem Schwammeisen abgelagerte Schwefelmenge läßt sich während der anschließenden Stahlerzeugungsstufe ohne weiteres einstellen. Die Ent-

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schwefelungsko^rten werden also durch das vorliegende Verfahren gesenkt.

Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutern, die ein für die Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes System der direkten Reduktion in schematischer Darstellung zeigt.

In der Zeichnung wird mit der Bezugsziffer 10 allgemein ein Bewegtbettreaktor mit stehendem Schacht bezeichnet, der eine Reduktionszone 12, eine Reformierzone 14 und eine Kühlzone 16 aufweist. Das zu reduzierende Eisenerz tritt in den Oberteil des Reaktors über einen Einlauf 18 ein und Schwammeisen wird im Unterteil des Reaktors über den Auslaß 20 ausgetragen.

Das Koksofengas wird über eine ein Durchflußstrom-Stellglied 24 aufweisende Leitung 22 in das System eingeleitet und mit Wasserdampf vermischt, der über eine mit einem Durchflußstrora-Stellglied 28 versehene Leitung 26 zugeführt wird. Der Wasserdampf wird in ausreichender Menge zugesetzt, um mit dem Methangehalt des Koksofengases reagieren und ihn nach der folgenden Gleichung in Kohlenmonoxid und Wasserstoff überführen zu können:

CH₄ +H₂O 5- CO +

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Zweckmäßig wird dabei der Wasserdampf in stöchiometrischem Überschuß verwendet, um eine unerwünschte Kohlenstoffablagerung innerhalb des Reaktors zu unterdrücken. Das MoI-verhältnis von Wasserdampf zu Methan kann sich typisch zwischen 1:1 und 1,5:1 bewegen.

Das Gemisch aus Koksofengas und Wasserdampf strömt in eine Heizvorrichtung 30, in der es auf eine Temperature von ungefähr 700 bis 900° erwärmt wird, und daraus über die Leitung 32 in den Reaktor 10". Im einzelnen ist der Reaktor 10 mit einer inneren kegelstumpfförmigen Leitfläche 34 versehen, die mit der Reaktorwandund einen ringförmigen Raum 36 bildet, in den das Gasgemisch strömt» Aus dem Raum 36 strömt das Gas um den unteren Rand der -Leitfläche 34 herum und in die Reformierzone 14, in der es mit dem absinkenden Bett von eisenführendem Material, das auf dieser Höhe im Reaktor größtenteils zu Schwammeisen reduziert ist, in Berührung kommt. Wie bereits erwähnt, katalysiert das Schwammeisen die Wasserdampf/Methan-Reaktion, die Kohlenmonoxid und Wasserstoff ergibt, die beide wirksame Reduziermittel für Eisen darstellen, und das reformierte Gas strömt dann aufwärts in die Reduktionszone 12, in der es das einlaufende Eisenerz reduziert. ·

Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Verwendung des Reduziergases wird ein Teil desselben im Kreislauf geführt.

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Das aus. dem oberen Teil aes eisenführenden Bettes im Reaktor 10 austretende Gas wird daher über die Leitung 38 ab- und in einen Abschreckkühler 40 eingeführt, in dem es abgekühlt und entwässert wird. Das gekühlte Gas strömt dann über die Leitung 42, die Pumpe 44 und die Leitung 46 zur Heizvorrichtung 48, in der es auf eine Temperatur von ungefähr 750 bis 1000° C erwärmt wird. Aus der Heizvorrichtung 48 strömt das erwärmte Gas über die Leitung 50 in den von der inneren Leitfläche 54 und der angrenzenden Wandung des Reaktors gebildeten ringförmigen Raum 52 und dann um den unteren Rand der Leitfläche 54 herum zurück zur Reduktionszone 12. Das Reduziergas strömt also in einem geschlossenen Kreislauf, der den Kühler 40, die Pumpe 44, die Wiederaufheizvorrichtung 48 und die Reduktionszone 12 des Reaktors umfaßt, wobei dem Kreislauf frisches Reduziergas aus der Reformierzone 14 zugeführt wird.

Eine bestimmte Menge des im Kreislauf geführten Reduziergases wird dem Reduziergaskreislauf über die das Durchflußstrom-Stellglied 57 aufweisende Leitung 5 6 entnommen und einem Kühlkreislauf zugeführt, wie aus dem unteren Teil der Zeichnung ersichtlich ist. Das gekühlte Gas aus der Leitung 56 strömt also in die Leitung 5 8 und dann in den unteren Teil der Kühlzone 16 des Reaktors. Im einzelnen tritt das durch die Leitung 58 strömende Gas in einen durch eine kegelstumpfförmige Leitfläche 62 und die angrenzende Wan-

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dung des Raktors gebildeten ringförmigen Raum 60 ein. Das Kühlgas strömt dann um den unteren Rand der Leitfläche 62 herum und aufwärts durch das Schwammeisenbett innerhalb der Kühlzone hindurch. Nach Durchströmen der Kühlzone strömt das Gas in einen durch die kegelstumpfförmige Leitfläche 66 und die angrenzende Wandung des Reaktors gebildeten ringförmigen Raum 64 und dann über die Leitung 68 aus dem Reaktor hinaus und in einen Abschreckkühler 70, in dem es abgekühlt und entwässert wird.

Aus dem Kühler 70 strömt das gekühlte Gas über die Leitungen 72 und 74 einer Pumpe 76 zu, die es in die Leitung 58 fördert, durch die es dann in die Kühlzone 16 zurückgeführt wird. Ein Teil des zurückgeführten Kühlgases wird dem Kühlkreislauf über die mit einem Durchflußstrom-Stellglied 80 versehene Leitung 78 entnommen und an einen geeigneten Speicherplatz oder an eine Stelle, an der es als Brennstoff verwendet werden kann, geleitet. Koksofengas kann gegebenenfalls der Leitung 22 über eine ein Durchflußstrom-Stellglied 84 enthaltende Leitung 82 entnommen und in die Leitung 58 eingespeist werden, um so den Kühlkreislauf mit Frischgas zu versorgen.

Wie sich aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt, stellt die vorliegende Erfindung ein außerordentlich wirksames Verfahren für die Aufbereitung und Verwendung eines reformierten Koksofengases bei der direkten Reduktion von Eisenerz

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zu Schwammeisen bereit. Wie bereits erwähnt, läßt sich Schwammeisen bekanntlich vorteilhaft mit der Eisenerzbeschickung eines Hochofens vermischen, um dessen Produktivität zu verbessern. Hochöfen befinden sich zudem meist an Standorten, an denen Koksofengas als Nebenprodukt anfällt. Zwar läßt sich Koksofengas·als Brennstoff veri

wänden und findet zur Zeit auch als solcher Verwendung, doch wird im vorliegenden Verfahren seine Brauchbarkeit wesentlich gesteigert, indem es als einer der Ausgangsstoffe einer chemischen Reduktionsreaktion eingesetzt wird. Da die katalytisch^ Umsetzung des Wasserdampf/Methan-Gemisches innerhalb der Reformierzone 14 des Reaktors durchgeführt wird, erübrigt sich zudem der Einsatz einer separaten katalytischen Reformieranlage, so daß also eine außerordentlich wirtschaftliche Gasreformierstufe geboten wird. ■

Aus der vorhergehenden Beschreibung dürfte ersichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitstellt, die zur Lösung der eingangs aufgeführten Aufgaben geeignet ist. Damit steht also ein außerordentlich wirtschaftliches Verfahren für die Reformierung eines methanhaltigen Gases zwecks Steigerung seiner Wirksamkeit als Reduzierraittel für Eisenerz zur Verfügung. In den Fällen, in denen Koksofengas verwendet wird, ist die gesteigerte Wirksamkeit teilweise darauf zurückzuführen,

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daß das Nebenprodukt Koksofengas,, das sonst als Brennstoff dienen würde, als chemischer Rohstoff Verwendung findet und teilweise darauf, daß die Reformierreaktion innerhalb des Reduktionsreaktors statt in einer separaten katalytischen Reformieranlage durchgeführt wird. Darüber hinaus erleichtert das vorliegende Verfahren die Integration eines Schwammeisenproduktionsbetriebes mit vorhandenen Hochofen- und Koksofenanlagen, mit der sich eine Gesamtsteigerung der Hochofenproduktivität und eine Verbesserung der Wärmewirtschaft erzielen läßt.

Es versteht sich, daß die obige Beschreibung nur der Erläuterung dienen soll und daß an dem beschriebenen Ver·" fahren und an der beschriebenen Vorrichtung zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzugehen, wie er in den beigefügten Patentansprüchen zum Ausdruck kommt» So kann es sich beispielsweise in Fällen, in denen das die Kühlzone durchströmende Gas Reduzierwerte enthält, als zweckmäßig erweisen, die Kühlzone so zu betreiben, daß ein Teil dieses Gases aufwärts in die Reduzierzone strömt.

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Kurz zusammengefaßt umfaßt die Erfindung ein Verfahren für die Verwendung von Koksofengas und im weiteren Sinne von bis zu ungefähr 30 Vol. % Methan enthaltenden Gasgemischen für die direkte Reduktion von Eisenerz mit Gas in einem Bewegtbettreaktor mit stehendem Schacht. Neben der üblichen Reduktionszone und Kühlzone weist der Reaktor eine dazwischenliegende Reformierzone auf. Dieser Zwischenzone wird ein heißes Gemisch aus Koksofengas und Wasserdampf zugeführt und die Überführung des Methans im Koksofengas in Kohlenmonoxid und Wasserstoff wird durch das in der Zwischenzone befindliche reduzierte Erz katalysiert. Das reformierte Gas strömt aufwärts in die Reduktionszone des Reaktors.

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Claims

Ϊ-IOFFMÄNN · ETTIJS & PARTNER ;3 m fi Q ? D PAT K NIVLN WALT B * ^ DR. ING. E. HOPFMANN (1930-1976) · DlPL-I NG. W. EITLE . D R. RER. ΝΛΤ. K. HOFFMAN N · DIPL.-lNG. W. LEH N DIPL.-ING. K. FOCKSLE · DR. RER. NAl. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-BOOO MDMCHEN Bl ■ TELEFO N (089) 911007 ■ TELEX 05-29U19 (PATH E) Hylsa S.A., Monterrey N.L. / Mexiko 33 844 Verfahren für die Verwendung eines methanhaltigen Gases zur Reduktion von Eisenerz Patentansprüche :

1. Verfahren zur Reduktion von feinteiligem Eisenerz zu Schwammeisenteilchen in einem stehenden Bewegtbettreaktor mit einer Reduktionszone im oberen Teil desselben, in der ein heißes Reduziergas durch einen Teil des Bettes
hindurchgeleitet wird, um darin befindliches Eisenerz zu
Schwainmeisen zu reduzieren, einer Kühlzone im unteren Teil des Reaktors zur Abkühlung des Schwammeisens und einer
zwischen der Reduktionszone und der Kühlzone gelegenen
Zone, dadurch gekennzeichnet,.daß ein Gemisch aus Wasserdampf und einem bis zu ungefähr 30 Vol.· % Methan enthaltenden Gas aufbereitet, auf eine Temperatur von 700'bis 900° C erwärmt und in Berührung mit in der Zwischenzone befindlichem eisenhaltigen Material durch diese hindurchgeleitet wird, um dieses Gas zu reformieren, den Anteil der darin
enthaltenen Reduzierbestandteile zu erhöhen und das reformierte Gas der Reduktionszone zuzuführen

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlzone einen Teil eines Kreislaufes bildet, durch den ein Kühlgas gepumpt wird, Kühlgas aus dem Kreislauf in geregelter Menge je Zeiteinheit abgelassen und ein bis zu ungefähr 30 Vol. % Methan enthaltendes Gas dem
Kreisiaxif als Frischgas zugeführt wird.

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ORIGINAL INSPECTED . -'vi :

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionszone einen Teil eines Kreislaufes bildet, durch den das Reduziergas gepumpt wird, das aus der Reduktionszone austretende Gas zur Wasserabscheidung abgekühlt und vor dem Wiedereintritt in die Reduktionszone wieder erwärmt und ein Teil des gekühlten umlaufenden Reduziergases aus diesem Kreislauf als Frischgas in die Kühlzone überführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem methanhaltigen Gas um Koksofengas handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem methanhaltigen Gas um Koksofengas handelt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlzone einen Teil qines Kreislaufes bildet, durch den ein Kühlgas gepumpt wird, Kühlgas aus dem Kreislauf in geregelter Menje je Zeiteinheit abgelassen und dem Kühlkreislauf Frischgas zugeführt wird, v/obei das Frischgas sowohl aus Koksofengas als auch aus gekühltem Reduziergas aus der Reduktionszone besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlzone einen Teil eines Kreislaufes bildet, durch den das Reduziergas gepumpt wird, Kühlgas aus dem

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Kreislauf in geregelter Menge je Zeiteinheit abgelassen und der Kühlzone Frischgas in einer solchen Menge je Zeiteinheit zugeführt wird, daß eine Gasströmung aus der Kühlzone aufwärts in die Zwischenzone entsteht.

8· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Wasserdampf zu Methan im gasförmigen Gemisch zwischen 1:1 und 1,5:1 liegt.

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