DE3100767A1

DE3100767A1 - "verfahren und anlage zum reduzieren eines eisenoxidmaterials in einer wirbelschicht"

Info

Publication number: DE3100767A1
Application number: DE19813100767
Authority: DE
Inventors: Erik Axel 78132 Borlänge Bengtsson; Per Harald 18275 Stocksund Collin
Original assignee: Stora Kopparbergs Bergslags AB
Current assignee: Stora Enso Oyj
Priority date: 1980-01-16
Filing date: 1981-01-13
Publication date: 1982-01-28
Also published as: SE8000369L; IT1134983B; US4374663A; IT8119067A0; JPS56105409A; GB2068769B; JPH0120206B2; SE429898B; GB2068769A; FR2473553A1

Description

Verfahren und Anlage zum Reduzieren eines Eisenoxidmaterials in einer Wirbelschicht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage für die Zufuhr von Gas, das molekularen Sauerstoff enthält, zu einer Wirbelschicht zur Reduktion in dieser von feinverteiltem Material, das im wesentlichen aus Eisenoxid besteht, beispielsweise aus Eisenerzkonzentrat, unter Verwendung reduzierender Gase, die durch teilweise Verbrennung in der Wirbelschicht von feinverteiltem kohlenstoffhaltigem Material, das dieser zugeführt wird, gebildet werden. Die Erfindung verhindert die Ablagerung des Feststoffmaterials der Wirbelschicht, die sonst infolge der Klebrigkeit des Feststoffmaterials geschehen könnte, die sich durch die Zufuhr des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases ergibt.

Bekanntlich ist einer der Gründe, warum das Wirbelschichtverfahren eine sehr beschränkte Anwendung zum Reduzieren von feinkörnigem eisenoxidhaltigen Material gefunden hat, die Schwierigkeit, Klebrigkeit in der Schicht bei den hohen Reaktionstemperaturen zu vermeiden, die erforderlich sind, um eine zufriedenstellende Produktionsrate zu erzielen. Auf diesem Gebiet wurden jedoch in der letzten Zeit beträchtliche Fortschritte gemacht. Wenn sichergestellt wird, daß die Wirbelschicht einen Überschuß an feinkörnigem festem kohlenstoffhaltigen Material enthalten, welches verhindert, daß die reduzierten Metallkörper miteinander verkleben, indem umlaufende Wirbelschichten verwendet werden (wegen der Definition hierzu siehe L. Reh "Fluidized Bed Processing", Chemical Engineering Progress, Band 67,

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No. 2, Februar 1971, Seiten 58 - 63), welche eine rasche Vermischung des zugeführten Materials herbeiführen, und durch geeignet angeordnete und geformte Düsen für die Zufuhr von molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas war es möglich, feinverteiltes eisenoxidhaltiges Material unter Verwendung von reduzierenden Gasen zu reduzieren, die durch teilweise Verbrennung in der Schicht aus fein verteiltem kohlenstoffhaltigen Gas mit Hilfe von molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas, z.B. Luft, erzeugt werden. Die Düsen sind vorzugsweise in die Wirbelschicht um einen Betrag verlängert, der zumindest gleich dem zweifachen Durchmesser der Düsen ist. Auf diese Weise war es möglich, die ungünstige Wirkung der langsamen Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Wand der Wirbelschicht zu vermeiden. Bei Versuchen, eine solche Reduktion bei einem erhöhten Druck (über 2 Bar) durchzuführen, wurde jedoch festgestellt, daß an den Düsen gewisse Klebrigkeitsprobleme auftreten. Nach der schwedischen Patentschrift 326 158 ist es möglich, das Zusammenbacken von pulverförmigem Material in Wirbelschichten für Trocken- und Röstverfahren dadurch zu verhindern, daß kühlende Luft durch einen ringförmigen Kanal zugesetzt wird, der die Düse für die Zufuhr des heißen fluidisierenden Gases umgibt. Mit diesem Verfahren war man jedoch nicht in der Lage, das Ankleben von pulverförmigem Material an den Düsen und Wänden der Wirbelschichten für die Reduktions von Eisenoxid enthaltenden Materialien zu verhindern. Es wurde festgestellt, daß es hauptsächlich das Eisenoxid ist, das klebrig ist, wozu angenommen werden kann, daß dies dadurch verursacht wird, daß reduziertes Metall reoxidiert und dabei über die Klebrigkeitstemperatur aufgeheizt wird. Das reduzierte Eisen hat eine hohe Verbrennungswärme. Daher 1st Kühlen durch Luft nicht ausreichend zum Kühlen der Außenfläche der Düse, um zu verhindern, daß das Eisenoxid an der Düse kleben bleibt. Die klebrigen Massen wachsen und stören die Wirbelschichtfunktion. Sie zerbrechen in Teile

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und verursachen Schwierigkelten In anderen Teilen der Anlage. Schutzüberzüge an den Düsen oder an deren Isolierung konnten diese Klebrigkeit nicht verhindern.

Es wurde festgestellt, daß durch die Erfindung diese Schwierigkelten bewältigt werden können, sowohl bei umlaufenden Schichten als auch bei anderen Wirbelschichten/ wobei sich die Erfindung dadurch unterscheidet, daß die Mündung und die Außenseite der Düsen für die Zufuhr des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases auf eine Temperatur gekühlt wird, die um 200° C niedriger als der Schmelzpunkt des reduzierten Eisens ist. Die Düsen sollten über eine Länge gekühlt werden, die zumindest das Zweifache des Innendurchmessers der öffnung der Düsen beträgt. Die Düsen werden vorzugsweise mit Wasser gekühlt, das durch einen Kühlmantel fließt, welcher die Düse umgibt. Die Düsen sollen sich in die Wirbelschicht um einen Betrag erstrecken, der zumindest das Zweifache des Innendurchmessers der öffnung der Düse beträgt, was bedeutet, daß der Abstand von der feuerfesten Auskleidung des Wirbelschichtreaktors zum extremen Ende der Düse mindestens das Zweifache des Innendurchmessers der öffnung der Düse betragen soll.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in geeigneter Weise mit den bisher bekannten Naßnahmen zur Verringerung der Klebrigkeit kombiniert. Der Gehalt an festem feinverteiltem Kohlenstoff in der Schicht wird zweckmäßig auf zwischen 20 und 50 Gew.% gehalten, wobei der Kohlenstoff zweckmäßig durch Koks gebildet wird, der bei der teilweisen Verbrennung des zugeführten feinverteilten kohlenstoffhaltigen Materials entsteht, was sowohl fester Brennstoff sein kann, z.B. Anthrazit, Kohle oder Koks, oder ein flüssiger Brennstoff, z.B. Heizöl, Schweröl oder andere Mineralölprodukte.

Das feinverteilte kohlenstoffhaltige Material kann, wenn ge-

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wünscht, den Düsen für das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas zugeführt werden, und in einem solchen Falle zweckmäßig durch ein in der Düse mittig angeordnetes Rohr. Da das Gas, welches den molekularen Sauerstoff enthält, zweckmäßig vorgewärmt wird, kann dieses Rohr mit einem ringförmigen Kanal umgeben werden, dem ein kühlendes Gas zugeführt wird, wodurch eine zu frühe Zersetzung des kohlenstoffhaltigen Materials vermieden wird und dadurch Ablagerungen im Rohr vermieden werden. Die teilweise Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Materials findet langsamer statt und ergibt keine solche heißen Reaktionsprodukte wie die Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem reduzierten Metall. Die Gefahr der Verklebung um die Düsen herum wird auf diese Weise ebenfalls verringert.

Die Erfindung ist in erster Linie zur Verwendung in umlaufenden Wirbelschichten mit einem Druck oberhalb 2 Bar, vorzugsweise 2-15 Bar bestimmt, kann jedoch auch für niedrigere Drücke und sogar für herkömmliche Wirbelschichten angewendet werden.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Düse in der Wand eines Wirbelschichtreftktors befestigt;

Fig. 2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Düse, bei welcher feinkörniges kohlenstoffhaltiges Material gleichzeitig der Düse zugeführt wird;

Fig. 3 zeigt eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Düse, die in einer Wand 1 eines Wirbelschichtreaktors mit einer feuerfesten Auskleidung 2 befestigt ist. Aus einer Zufuhrleitung 3, die beispielsweise ein ringförmiger Kanal sein kann, welcher

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den Reaktor umgibt, strömt molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas, z.B. vorerhitzte Luft, durch ein Rohr 4 in den Reaktor. Ein Kühlmittel 5, z.B. Wasser, fließt durch ein Rohr 6 zu einem Mantel 7, welcher das Gaszufuhrrohr 4 umgibt. Im Mantel 7 sind Kühlkanäle 8 vorgesehen und so angeordnet, daß der ganze Mantel 7 und die Öffnung 9 gut gekühlt werden. Das Kühlmittel wird über ein Rohr 10 abgeleitet. Das Zufuhrrohr 3 sowie das Düsenrohr 4 sind zweckmäßig mit einer hitzebeständigen Auskleidung versehen, wodurch die Kühlung des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases herabgesetzt wird. Die Öffnung 9 der Düse befindet sich zweckmäßig in einem Abstand von der Auskleidungswand 4, 2 nach innen, der zumindest das zweifache des Durchmessers des Düsenrohres 4 beträgt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher feinverteiltes kohlenstoffhaltiges Material durch ein mittiges Rohr 11 in einer Düse für die Zufuhr molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt wird. Von dem feinverteilten kohlenstoffhaltigen Material wird hier angenommen, daß es pulverförmig ist und über eine Leitung 12 sowie einen sektorförmigen Zuführer 13 einem Strom eines nicht oxidierenden Gases zugeführt wird, das über ein Rohr 14 zugeführt wird, mit welchem es in die Reaktionskammer geblasen wird. Ein kühlendes Gas, beispielsweise kalte Luft, kanr> wenn gewünscht, von einem Zufuhrrohr 15 über einen ringförmigen Spalt 16 um das Rohr herum, welches das feinkörnige kohlenstoffhaltige Material zuführt, eingeblasen werden. Das kühlende Gas kann Sauerstoffgas sein, wenn aus irgendeinem Grund mehr Sauerstoff zugeführt werden soll als in dem Gas vorhanden ist, welches den molekularen Sauerstoff enthält, welches über das Zufuhrrohr 3 und das Gaszufuhrrohr 4 in der Düse zugeführt wird. Dieses Sauerstoffgas wird dann in erster Linie durch Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Materials verbraucht, und die Gefahr, daß reduziertes Eisen in der Wirbelschicht

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mit dem hochkonzentrierten Sauerstoffgas In Kontakt kommt, ist verringert. In der letztgenannten Figur ist eine andere AusfUhrungsform des Kühlmantels um die Düse herum dargestellt, der durch zwei konzentrische Kanäle gebildet wird, welche durch eine konzentrische Zwischenwand 17 getrennt sind.

Die erfindungsgemäßen Düsen können an geeigneten Stellen in den Wänden eines Wirbelschichtreaktors angeordnet werden. Beispielsweise können sie in einer schrägen Fläche vorgesehen werden, wie in Fig. 3 angegeben, oder in einer vertikalen Wand, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt.

Fig. 3 zeigt eine Anlage, die einen Wirbelschichtreaktor enthält, der mit einer umlaufenden Wirbelschicht arbeitet. Die Anlage besitzt einen feuerfest ausgekleideten Reaktor 41, der durch eine vertikal längliche obere Reaktionskammer 42, die vorzugsweise zylindrisch ist, und eine untere Reaktionskammer 43 gebildet wird, die ebenfalls vorzugsweise zylindrisch ist. Die Höhe der unteren Reaktionskammer beträgt 1/4 bis 1/6 der Gesamthöhe der oberen Reaktionskammer und hat eine Querschnittsfläche, die nur 1/3 bis 1/2 derjenigen der oberen Reaktionskammer beträgt. Zwischen der oberen und der unteren Reaktionskammer befindet sich eine konische Zone 44. Die Verbrennungsluft wird von einem Kompressor 45 über eine ringförmige Zufuhrleitung 56 und Düsen 46 zugeführt, die sich durch den konischen Wandteil 44 in den Reaktor erstrecken. Die Düsen 46 können von der in Fig. 1 oder in Fig. 2 dargestellten Art sein. Die Düsen erstrecken sich von der Innenseite der Wand des Reaktors aus nach innen und münden in einem Abstand von dieser, der zumindest gleich dem Zweifachen des Innendurchmessers der Düsen ist. Der Durchmesser der Düsen muß ausreichen, daß der eingeblasenen Verbrennungsluft ein Impuls oder eine Triebkraft zur raschen Vermischung der Luft mit dem Inhalt in der Reaktionskammer mitgeteilt wird. Die Rich-

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tung der Düsen kann, wenn gewünscht, von der horizontalen Ebene um höchstens 45° nach unten oder höchstens 80° nach oben abweichen. Oberhalb der Düsen befinden sich eine oder mehrere Zufuhröffnungen für kohlenstoffhaltiges Pulver, das über eine Leitung 47 zugeführt wird. Die obere Reaktionskammer 42 ist mit einem feuerfest ausgekleideten Hauptzyklonabscheider 48 zum Trennen des Feststoffmaterials in dem austretenden Gas verbunden. Eine Leitung 49 geht von dem Zyklonabscheider 48 aus zur Rückführung des Feststoff materials zum Boden der unteren Reaktionskammer 43. Für die Zufuhr von reduzierendem Fluidisiergas sind Düsen 50 vorgesehen, die in den unteren Teil der unteren Reaktionskammer 43 münden. Mit diesem unteren Teil ist ferner ein enger Abzapfschaft 51 verbunden, welcher nach unten über einen Fluidisierableiter 53 mit einer Kühleinrichtung 54 zur Kühlung des abgezapften Materials verbunden ist. Von der Hauptfluidisiergasleitung 32 erstreckt sich ein Abzweigrohr 55 zum unteren Teil des Abzapfschaftes 51. Das daher durch den Schaft 51 aufwärtsströmende Gas verhindert, daß das ausgetragene Material in dem Schaft zusammenbackt, und kann ferner eine Windsichtungswirkung in dem Schaft erzeugen, so daß leichtere Kohlenstoffteilchen aus dem ausgetragenen Material in dem Schaft 51 entfernt werden.

Das Abgas aus dem Zyklonabscheider 48 wird einem Venturi-Vorwärmer 57 zugeführt, in welchem es mit dem Erzkonzentrat zusammentrifft, welches über ein Zufuhrrohr 18 und einen Staubzyklonabscheider 19 in Reihenschaltung mit dem Venturi-Vorwärmer 57 eingespeist wird, welcher Zyklonabscheider 19 die Erzkonzentrate von dem austretenden Gas trennt und den Staub zur unteren Reaktionskammer 3 über ein Staubrohr 23 zurückführt, das mit einem Gasabieiter 21 versehen ist.

Die Erzkonzentrate, welche durch das Gas aus dem ersten Staubzyklonabscheider 19 vorgewärmt werden, gehen zu einem

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zweiten Venturi-Vorwärmer 25, dem das Erzkonzentrat durch das erwähnte Zufuhrrohr 18 zugeführt wird. Das Erzkonzentrat wird von dem Gas In einem zweiten Staubzyklonabschelder 26 getrennt und zu dem vorangehend erwähnten Venturi-Vorwärmer 57 über einen Gasabieiter 27 abgeleitet. Das Abgas wird in einem zusätzlichen Staubzyklonabscheider 28 gereinigt, aus welchem der Staub zu dem Reaktor über ein Staubrohr 24 gefördert wird, das einen Gasabieiter 22 enthält. Das Feststoffmaterial aus dem Hauptzyklonabscheider 48 wird über einen Gasabieiter 29 der Leitung 49 zugeführt. Die Gasabieiter 21, 22, 27, 29, welche Abzugschieber oder Pulverschleusen sein können, lassen Staub hindurch, verhindern jedoch, daß Gas aufwärts in die Zyklonabscheider strömt. Die Auslaßleitung 30 aus dem letzten Staubzyklonabscheider 28 erstreckt sich durch einen Wärmeaustauscher 35 zur Aufheizung des Rückflußgases. Das Gas wird über einen Kühler 36 und einen Staubabscheider 37, z.B. einen Elektrofilter, gefördert. Ein Teil des Gases wird über eine Leitung 31 als überschüssiges Gas abgezogen und kann zu einem elektrischen Dampfkraftwerk geleitet werden. Das übrige Gas wird durch ein Gasgebläse 34 zu einer Waschanlage 33 gepumpt, um H₂O und CO₂ aus dem Gas zu entfernen. Das gewaschene Gas wird über eine Leitung 32 durch einen Wärmeaustauscher 35 gefördert, in welchem es aufgewärmt wird und schließlich zu den Düsen 50 im unteren Abschnitt des Reaktorteils 43 gefördert wird.

Beispielsweise wurde die in Fig. 3 dargestellte Anlage mit Düsen 46 von der in Fig. 2 dargestellten Art ausgerüstet. Die Anlage wurde zum Reduzieren von Eisenerzkonzentraten unter Verwendung pulverförmiger Kohle als Heiz- und Reduzierungsmittel benutzt. Es wurde festgestellt, daß die gesamte Menge pulverförmiger Kohle durch die Düsen 46 zugesetzt werden könnte, nämlich über die Leitung 12, die Speise einrichtung 13 und das mittige Rohr 11. Es war daher nicht

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notwendig, irgendwelche Kohle durch das in Fig. 3 dargestellte Zufuhrrohr 47 zuzusetzen. Vorerhitzte Luft wurde über die Düsen 46 in einem Grade zugeführt, der zur Erzeugung der Reduktionswärme und zur Aufrechterhaltung, durch teilweise Verbrennung der Kohle, einer Temperatur von 970° C im Reaktor notwendig ist. Das reduzierte Eisen bestand aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Schmelzpunkt von etwa 1130° C. Die Düsen 46 wurden mit Wasser auf eine Temperatur abgekühlt, die gut unter 930° C lag.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DIETRICH LEWINSKY

H NZ-JOACHIMHUBER 13.Januar 1981

REINER PRiETSCH 13.410

MÖNCHEN 21

GOTTHARDSTR. 81

Stora Kopparbergs Bergslags AB, S 791 80 Falun/Schweden

Patentansprüche ;

1. Verfahren zum Reduzieren von feinverteiltem Eisenoxidraaterial in einem Wirbelschichtreaktor mit Hilfe von reduzierenden Gasen, die bei der teilweisen Verbrennung von feinverteiltem kohlenstoffhaltigen Material in der Wirbelschicht durch ein Gas, das molekularen Sauerstoff enthält, entstehen, welches Gas der Wirbelschicht durch Düsen zugeführt wird, die sich in die Wirbelschicht mit einem Betrag erstrecken, der mindestens das Zweifache des Durchmessers der Düse beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung und die Außenfläche der Düsen auf eine Temperatur von weniger als 200° C unter dem Schmelzpunkt des reduzierten Metalls gekühlt werden, welche Düsen daher längs einer Strecke von ihrer Öffnung gekühlt werden, die mindestens das Zweifache des Innendurchmessers der öffnung beträgt, mit Hilfe eines Kühlmittels, das durch einen Kühlmantel strömt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen mit Hilfe von Wasser gekühlt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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das Reduzieren unter einem erhöhten Druck stattfindet.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschicht feinverteiltes festes kohlenstoffhaltiges Material enthält, vorzugsweise mit einem Gehalt von 20 - 50 Gew.%.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß feinverteilter Feststoff- oder flüssiges kohlenstoffhaltiges Material der Schicht mit einem solchen Betrag zugeführt wird, daß der Kohlenstoffgehalt in dieser konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas aus vorgewärmter Luft besteht.

7. Verfahren nach einemoder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschicht eine umlaufende Wirbelschicht ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das feinverteilte kohlenstoffhaltige Material über ein Zufuhrrohr zugeführt wird, das mittig in einer oder mehreren der Düsen angeordnet ist.

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Düse zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, gekennzeichnet durch ein Innenrohr (4) für die Zufuhr vorerhitzter Verbrennungsluft, welches Innenrohr von einem Kühlmantel (7) umgeben ist, der Kanäle (8) für Kühlwasser enthält, wobei sich die Düse von der Innenseite der Auskleidung des Wirbelschichtreaktors mit einem Betrag nach innen erstreckt, der zumindest das Zweifache des Durchmessers des Innenrohres (4) beträgt.

10. Düse zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein mittiges Innenrohr (11) für die Zufuhr von feinverteiltem kohlenstoffhaltigem Material und ein Rohr (4), welches das erwähnte Rohr umgibt, für die Zufuhr von molekularen Sauerstoff enthaltendem Gas, welches Rohr (4) mit einem äußeren Kühlmantel (7) versehen ist.

11. Düse nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein weiteres Rohr (6), das konzentrisch um das innerste Rohr (11) herum für die Zufuhr von kühlendem Gas angeordnet ist.

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