DE69318750T2

DE69318750T2 - Schmelzreduktionsverfahren mit hoher Produktivität

Info

Publication number: DE69318750T2
Application number: DE69318750T
Authority: DE
Inventors: Karl Prof Dr E H Brotzmann
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-02-19
Also published as: TW210356B; EP0563559B1; KR0159789B1; ATE166669T1; AU3394593A; ES2115688T3; AU658717B2; DE4206828A1; JPH0688143A; EP0563559A2; RU2096483C1; DE69318750D1; BR9300745A; KR930019835A; CN1078499A; CN1036471C; EP0563559A3; US5401295A; DE4206828C2; JP2698525B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schmelzreduktion von Metallerzen, das ein Kombinationsverfahren einschließt, bei dem die Metallerze in einer oder mehreren Stufen teilweise reduziert und dann in einem Schmelzreaktor vollständig zu Metall reduziert werden.
Es ist nicht neu, Metall-Sauerstoff-Verbindungen vorzugsweise Metallerze, ein einem Schmelzbad zu reduzieren und der Schmelze die erforderliche Energie durch kohlenstoffhaltige Brennstoffe und sauerstoffhaltige Gase zuzuführen, und es gibt eine Anzahl von Schutzrechten und Vorveröffentlichungen, die sich mit der Schmelzreduktion befassen.
Bei der Stahlherstellung durch verschiedene Verfahren zum Luftfrischen gab es bereits Versuche, Erze in einem Konverter mit Kohlenstoff zu reduzieren. Der Sauerstoffgehalt des Blasmediums dient unter anderem dazu, durch Oxidation eines Teils des Kohlenstoffs die erforderliche Wärme zu erzeugen. Das deutsche Patent Nr. 605 975 von 1932 beschreibt ein Verfahren, bei dem das Blasmedium und der Kohlenstoff voneinander getrennt sind und der Schmelze im Wechsel zugeführt werden, und interessanterweise wurde der Kohlenstoff in Form von kohlenstoffhaltigem Gas zugesetzt. Dies gibt auch der Anspruch mit den folgenden Worten an: "Verfahren zur Herstellung von Stahl in Konvertern oder in Luftöfen, die mit Düsen ausgestattet sind, wobei Erze in einem Eisensumpf reduziert werden, und Kohlenstoff getragen von einem sauerstoffhaltigen Blasmedium zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft oder reiner Sauerstoff und neutrale Gase oder Gase, die selbst Kohlenstoff freisetzten oder eine Reduktionswirkung haben, im Wechsel als Blasmedium und Kohlenstoffträger verwendet werden."
Ein wesentlicher Beitrag zur ökonomischen Durchführung der Reduktion von Metallerzen in einem Metallschmelzbad erfolgte durch Nachverbrennen der Reaktionsgase, hauptsächlich Co und H&sub2;, im Gasraum über dem Schmelzbad und Rezirkulieren bzw. Zurückführen der entstehenden Wärme zum Schmelzbad. Die Lehren für diese Nachverbrennung der Reaktionsgase und die erfolgreiche Rückübertragung der Wärme auf das Schmelzbad wurden zum ersten Mal durch das weltweit geschützte Verfahren zur Verbesserung des Wärmegleichgewichtes beim Frischen von Stahl, z.B. US-Patent Nr. 4 195 985, beschrieben. Diese Patentschrift nennt in Spalte 14, Zeile 39 auch die Verwendung von Eisenerz an Stelle von Schrott als Kühlmittel bei der Stahlherstellung. Eine besonders vorteilhafte Form dieses Verfahrens und deren Weiterentwicklung, um höhere Nachverbrennungsraten zu erzielen, und eine spezielle Vorrichtung sind diesem international geschütztem Verfahren und der international geschützten Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen, z.B. in US-Patent Nr. 5 052 918, angegeben.
Ein gut durchdachtes Verfahren zur Herstellung von Eisen/Rohstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 2 bis 3% wird im deutschen Patent Nr. 3 318 005 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden etwa 70 t Rohstahl pro Stunde in einem Einschmelzgefäß erzeugt, das eine Eisenschmelze mit etwa 120 t enthält. Das Verfahren ist ein Kombinationssystem, das einen Einschmelzreaktor, ein Gaskonditioniergefäß und einen Schachtofen für die Vorreduktion der Erze einschließt. Dieses Verfahren zur Herstellung von Eisen aus Erz ist dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Eisenschmelze entweichenden Reaktionsgase im Einschmelzgefäß teilweise nachverbrannt werden, wobei die entstehende Wärme weitestgehend auf die Schmelze übertragen wird und die Reaktionsgase auf dem Weg zum Erzreduktionsgefäß abgekühlt und mit Reduktionsmitteln reduziert werden. Das Verfahren ist nicht nur durch die angegebene Produktivität sondern auch durch eine vergleichsweise geringe Menge Umlaufgas von 80.000 Nm³/h gekennzeichnet, mit der 110 t Eisenerz bis zu einem Metallisierungsgrad von etwa 75% reduziert werden, und das Gas verläßt den Schachtofen dann mit einer Zusammensetzung von etwa CO 41%, CO&sub2; 30%, H&sub2; 23%, H&sub2;O 1%, N&sub2; 4%, so daß es anschließend als Betriebsgas, z.B. für Heizzwecke, verwendet wird.
Der bisher beschriebene Stand der Technik nennt sehr deutlich Schritte, die wesentlich zu einer ökonomischen Durchführung eines Schmelzreduktionsverfahrens beitragen. Während schon vor relativ langer Zeit grundsätzliche Betrachtungen zur Reduktion von Eisenerzen bei der Stahlerzeugung gemacht wurden, beschreibt zum Beispiel das letztgenannte Verfahren in den Beispielen die praktische Anwendung der Schmelzreduktion mit Produktionsdaten und Gaszusammensetzungen und -mengen. Demgegenüber enthalten viele kürzlich erteilte Schutzrechte zur Schmelzreduktion nur eine Reihe bekannter Schritte und keine quantitativen Daten über die Menge und das Materialgleichgewicht dieser Verfahren. Ein willkürliches Beispiel davon ist US-Patent Nr. 4 985 068, dessen Hauptanspruch wie folgt lautet: "Verfahren zur Schmelzreduktion von Eisenoxid, umfassend (a) Einleiten von vorreduziertem Eisenoxid in ein geschlossenes Schmelzgefäß, (b) Erwärmen, Schmelzen und Reduzieren des Eisenoxids zu geschmolzenem Metall durch Verbrennen eines Überschusses von Erdgas mit Sauerstoff, Carbonisieren der Metallschmelze durch Lösen von dissozuertem Kohlenstoff im Metall und Erzeugen eines reagierten Abgases, (c) Einführen von Heißluft in das geschlossene Schmelzgefäß oberhalb des Schmelzbades und Oxidieren eines Teils des Abgases, wodurch ein Verbrennungsabgas erzeugt wird, (d) Reinigen und Abkühlen des Verbrennungsabgases auf eine Temperatur von etwa 800 bis 950ºC, (e) Kontakt des Eisenoxids mit dem gereinigten Verbrennungsabgas, wodurch eine Vorreduktions funktion vorgenommen wird, und (f) Abstich des geschmolzenen Eisenproduktes."
Auf der europäischen Konferenz zur Eisenherstellung in Glasgow im September 1991 präsentierten die Autoren Cusack/Hardie/Burke in ihrem Beitrag "HIsmelt - Second Generation Direct Smelting" einen extensiven Bericht über die Entwicklung der Schmelzreduktion, und diese Veröffentlichung zeigt eine Anzahl wichtiger Verfahrensparameter und ihre wechselseitigen Zusammenhänge. Sie behandelt den Grad der Vorreduktion der Erze als Funktion des Nachverbrennungsgrades der Reaktionsgase und der resultierenden, für die Eisenherstellung erforderliche Kohlemenge und auch die Schritte der Entwicklung von Schmelzreduktionsverfahren, die aus der Industrie bekannt sind, und deren wesentliche Eigenschaften. Sie nennt ein vereinfachtes Material- und Wärmegleichgewicht für das HIsmelt-Verfahren und erwähnt zur Demonstration eine im Bau befindliche Anlage mit einer Produktionskapazität von 14 t Roheisen pro Stunde oder 100.000 t pro Jahr.
Viele Vorveröffentlichungen zur Schmelzreduktion von Metallerzen und die Kombination einer Stufe für die Vorreduktion von Erz mit einem Einschmelzgefäß und zu bekannten Details von Pilotanlagen und Produktionseinrichtungen auf dieser Basis zeigen ebenfalls einige gemeinsame Nachteile. Die bekannte Produktionskapazität, d.h. die Metallproduktion pro Zeiteinheit, ist relativ gering. Einschränkungen entstehen möglicher Weise durch hohe Energieumwandlungen im Einschmelzreaktor. Auffällig ist auch, daß aus dem Verfahren in jedem Fall beträchtliche Gasmengen mit relativ hohen Wärmewerten entfernt werden müssen, obwohl es bei den aus dem Verfahren entfernten Gasmengen und deren Restenergiegehalt Unterschiede gibt. Dies gilt sogar für Verfahren, bei denen die teilweise nachverbrannten Gase aus dem Einschmelzgefäß verwendet werden, um Erz bei einem relativ geringen Metallisierungsgrad vorzureduzieren. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bleibt von den Gewinnen abhängig, die durch den Verkauf der überschüssigen Gasmengen erzielt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, daß es auf ökonomische Weise ermöglicht, die Produktivität in einem Einschmelzgefäß einer Schmelzreduktionsanlage deutlich zu verbessern, d.h. im Vergleich zu bekannten Verfahren eine viel größere Menge an flüssigem Metall pro Zeiteinheit, bezogen auf das Gewicht des Schmelzbades im Einschmelzreaktor, zu erzeugen und die Ausnutzung des Gases im gesamten Verfahren zu verbessern. Die Aufgabe der Erfindung richtet sich somit auf die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Metallerzeugung durch ein Schmelzreduktionsverfahren.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, wenn das Kombinationsverfahren mindestens drei Verfahrenseinheiten umfaßt und der Einschmelzreaktor eine Verfahrenseinheit bildet, wobei die teilweise Reduktion der Metallerze in mindestens zwei weiteren Verfahrenseinheiten durchgeführt wird, in jeder dieser mindestens drei Verfahrenseinheiten ein unterschiedliches Abgas erzeugt wird, und das Abgas vom Einschmelzreaktor nur durch eine Verfahrenseinheit für die teilweise Reduktion geleitet wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Schmelzreduktion von Metallerzen, das ein Kombinationsverfahren beinhaltet, bei dem die Metallerze in verschiedenen Stufen teilweise reduziert und dann in einem Einschmelzreaktor vollständig zu Metall reduziert werden, wobei das Kombinationsverfahren mindestens drei Verfahrenseinheiten umfaßt und der Einschmelzreaktor eine Verfahrenseinheit bildet, wobei die teilweise Reduktion der Metallerze in mindestens zwei weiteren Verfahrenseinheiten erfolgt, und in jeder dieser mindestens drei Verfahrenseinheiten ein unterschiedliches Abgas erzeugt wird, wobei teilweise reduziertes Erz von der Anlage zur teilweisen Reduktion, Verfahrenseinheit C, in die Schmelze des Einschmelzreaktors, Verfahrenseinheit A, geleitet wird, und das nachverbrannte Abgas aus der Verfahrenseinheit A in die erste Reduktionseinrichtung der Verfahrenseinheit B geleitet wird, wobei es vollständig verbrannt und aus dem Kombinationsverfahren entfernt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es in unvorhersehbarer Weise möglich, die Produktion des Schmelzbades im Einschmelzreaktor einer Schmelzreduktionsanlage, die als Kombinationsverfahren aus verschiedenen Verfahrenseinheiten aufgebaut wird, auf etwa das Doppelte der von Schmelzreduktionsanlagen zu erhöhen. Außerdem wird es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, den Kohleverbrauch für die Herstellung von 1 t Schmelzbad im Vergleich mit bekannten Verfahren um mehr als 10% zu verringern. Diese Brennstoffeinsparung beruht möglicherweise auf dem überraschend hohen Nachverbrennungsgrad der Reaktionsgase im Einschmelzreaktor und der gleichzeitigen guten Wärmerückübertragung der bei der Nachverbrennung des Gases erzeugten Energie auf das Metallschmelzbad.
Bei allen bisher bekannten Schmelzreduktionsverfahren in Kombination mit der Vorreduzierung von Eisen dienen die Reaktionsgase aus dem Einschmelzgefäß dazu, die Metallerze vorzureduzieren. Man kann entweder mit einer relativ geringen Nachverbrennung der Reaktionsgase im Einschmelzgefäß oder ohne diese arbeiten, damit ein Reduktionsgas bereitgestellt wird, das bei der Vorreduktion der Metallerze eingesetzt werden kann. Bei einem höheren Nachverbrennungsgrad im Einschmelzgefäß müssen die Abgase geeignet konditioniert werden, damit ihr Reduktionspotential verbessert wird. Die für diesen Zweck verwendeten Einrichtungen zum Konditionieren des Gases sind kompliziert und erfordern das Abkühlen der Gase für die CO&sub2;-Wäsche. Das gereinigte Gas muß dann erneut auf eine günstige Reduktionstemperatur für die Metallerze erwärmt werden. Wie bei der ebenfalls bekannten direkten Reduktion von Abgasen aus einem Einschmelzreaktor auf dem Weg zum Erzreduktionsgefäß mit entsprechenden Reduktionsmitteln, wie Kohlenstoff und Erdgas, gab es bisher auch Schwierigkeiten bei der zuverlässigkeit der Durchführung und der Reproduzierbarkeit dieses Verfahrensschrittes.
Das erfindungsgemäße Verfahren erschließt hier einen vollkommen neuen Weg, der schließlich zu überraschend vorteilhaften Ergebnissen führt. Der Ausgangspunkt ist ein Kombinationsverfahren für die Schmelzreduktion von Metallerzen, das aus einer Anzahl, jedoch mindestens drei, Verfahrenseinheiten besteht. Der Begriff "Verfahrenseinheit" wird hier bewußt im Gegensatz zum üblichen Verfahrensschritt gewählt, um zu verdeutlichen, daß diese Einheiten im gesamten Kombinationsverfahren relativ unabhängige Einrichtungen darstellen, die unterschiedlich gestaltet sein können. Es sind nur die verfahrenstechnischen Daten der einzelnen Verfahrenseinheiten zu koordinieren, um für das erfindungsgemäße Kombinationsverfahren einen gleichmäßigen Materialfluß zu sichern. Jede dieser mindestens zwei Einheiten für die teilweise Reduktion kann zum Beispiel eine mehrstuf ige Gestaltung aufweisen. Man kann unter anderem für eine oder beide Verfahrenseinheiten für die teilweise Reduktion der Metallerze ein mehrstufiges zirkulierendes Wirbelbett verwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Reduktion von Eisenerz und eisenhaltigen Erzen besonders geeignet. Im allgemeinen ist es jedoch für Erze, Staub und ähnliche Materialien geeignet, die Oxide von einem oder mehreren Übergangsmetallen, besonders von Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfet, Zink und Blei, vorzugsweise hauptsächlich jene von Eisen, enthalten.
Eine vorteilhafte Gestaltung des erfindungsgemäßen Kombinationsverfahrens für die Schmelzreduktion von Metallerzen kann aus drei Verfahrenseinheiten bestehen, wobei die Verfahrenseinheit A ein Einschmelzreaktor ist. Die Abgase aus dem Einschmelzreaktor weisen einen hohen Nachverbrennungsgrad auf und erreichen direkt die Verfahrenseinheit B, eine Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion von Metallerzen. Die Abgase aus dieser Verfahrenseinheit B werden vollkommen verbrannt, und ihre physikalische Restwärme kann zum Beispiel direkt ober über Wärmeaustauscher zu Heizzwecken verwendet werden. Die in der Verfahrenseinheit B erwärmten und möglicherweise etwas reduzierten Metallerze werden der dritten Verfahrenseinheit C, der Einrichtung für die tatsächliche teilweise Reduktion, zugeführt und dort zu einem deutlich höheren Metallisierungsgrad vorreduziert und dann der Verfahrenseinheit A, dem Einschmelzreaktor, zugeleitet.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren entstehen in den drei unterschiedlichen Verfahrenseinheiten Abgasströme, die sich in ihrer Menge, ihrer Gaszusammensetzung und ihrem Wärmewert unterscheiden. Nachfolgend wird die Gaszusammensetzung durch den Nachverbrennungsgrad ausgedrückt, der ein wichtiges Merkmal für die Einschätzung des gesamten Verfahrens, des Kombinationsverfahrens, und der einzelnen Verfahrenseinheiten ist. Der Nachverbrennungsgrad in Prozent wird wie folgt definiert:
AB=
Gasbestandteile (Vol.
AB = Nachverbrennungsgrad (%)
Da im Einschmelzreaktor aus dem Metallschmelzbad praktisch nur CO und H&sub2; als Reaktionsgase entweichen und anschließend im darüberliegenden Gasraum mit Sauerstoff oder Luft nachverbrannt werden, besteht das Abgas jeder Verfahrenseinheit (abgesehen von geringfügigen Verunreinigungen) nur aus den Bestandteilen CO, H&sub2;, CO&sub2;, H&sub2;O und dem Bestandteil N&sub2; aus der Nachverbrennungsluft. Die Gaszusammensetzung 16,3% CO, 10,0% CO&sub2;, 3,59% H&sub2;, 9,89% H&sub2;O und 60,23% N&sub2; hat nach dieser Definition zum Beispiel einen Nachverbrennungsgrad von 50%. In der weiteren Beschreibung gilt diese Feststellung für den Nachverbrennungsgrad auch als implizite Menge für die Gaszusammensetzung.
Bei der genannten vorteilhaften Gestaltung des erfindungsgemäßen Kombinationsverfahrens für die Schmelzreduktion von Metallerzen entstehen in den einzelnen Verfahrenseinheiten für die Produktion von 1 t Eisenschmelze mit etwa 3,5% Kohlenstoff aus Eisenerz mit hoher Qualität etwa folgende Abgasströme. Aus dem Einschmelzreaktor, Verfahrenseinheit A, strömen etwa 2.000 Nm³ mit einer Temperatur von 1.680ºC und einem Nachverbrennungsgrad von 60% in die Einrichtung zum Vorwärmen und der ersten Reduktion, die Verfahrenseinheit B. Der Abgasstrom aus dieser Verfahrenseinheit beträgt etwa 2.600 Nm³ und hat eine Temperatur von etwa 900ºC und ist vollständig verbrannt, d.h. der Nachverbrennungsgrad beträgt 100%. In der Verfahrenseinheit C, d.h. der Einrichtung zur teilweisen Reduktion, wird aus Kohle und einem oxidierenden Gas, hauptsächlich Heißluft, selektiv ein reduzierendes Gas hergestellt, und diese Einrichtung verlassen etwa 825 Nm³ Verbrennungsgas mit einer hohen Qualität und einer Temperatur von 950ºC, einem Nachverbrennungsgrad von 30% und einem Wärmewert von 1,2 Mcal/Nm³. Dieses Gas kann auf jede Weise verwendet werden, z.B. für die Erzeugung von Heißluft.
Die einzelnen Einrichtungen oder Verfahrenseinheiten in dieser Kombination, in der das erfindungsgemäße Schmelzreduktionsverfahren stattfindet, können zum Beispiel wie folgt aufgebaut und gestaltet sein. Der Einschmelzreaktor, Verfahrenseinheit A, kann ein geneigtes Trommelgefäß sein, das Einleitungsdüsen unter der Badoberfläche, die mit einem Schutzmedium umgeben sind, eine Einleitungseinrichtung für die verschiedenen Feststoffe und eine oder mehrere Aufblasdüsen für Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase für die Nachverbrennung der Reaktiongase im oberen Reaktorraum aufweist. Übliche Konstruktionen sind erprobte Unterbaddüsen, die aus zwei konzentrischen Rohren bestehen, und kreisförmige Schlitzdüsen, wie sie zum Beispiel im deutschen Patent Nr. 2 438 142 beschrieben sind, und auch einfache Leitungen für die Einleitung eines weiteren zirkulierenden Gases, um zum Beispiel die Badbewegung in begrenzten Bereichen des Einschmelzreaktors zu verbessern. Es liegt ebenfalls im Umfang der Erfindung, der Schlackezone des Gefäßes Zirkulations- und Reaktionsgase zuzuführen. Die Düsen sind dann natürlich weiter oben in der Seitenwand oder im entsprechenden Beschickungsniveau des Gefäßes oder dessen Auskleidung installiert. Um den Sauerstoff für die Nachverbrennung im Gasraum des Einschmelzreaktors bereitzustellen, kann man erstens verschiedene einfache Leitungen oder zweitens sogenannte Blockdüsen, bei denen Gasstrahlen duschenartig aus einem Metallblock mit einigen Kanälen austreten, oder vorzugsweise Aufblasdüsen gemäß US-Patent Nr. 5 051 172 verwenden. Die für die Nachverbrennung verwendeten sauerstoffhaltigen Gase können reiner Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft und vorzugsweise Heißluft, d.h. vorgewärmte Luft, mit oder ohne zugesetztern Sauerstoff sein.
Alle Feststoffe können sowohl unterhalb der Badoberfläche als auch auf die Badoberfläche eingeführt werden. Es ist bevorzugt, die Feststoffe in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung, Korngröße und Temperatur unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze und durch Aufblasdüsen oder spezielle Zuführungsleitungen innerhalb der Aufblasdüsen zuzuführen. Es ist zum Beispiel häufig der Fall, daß abgetrennter Staub von verschiedenen Teilen der Anlage durch Bodendüsen in die Schmelze zurückgeführt wird. Kohle, gewöhnlich nur Teilmengen der erforderlichen Gesamtmenge, und Erz, in einigen Fällen auch vorgewärmte, teilweise reduzierte Erze, werden gleichzeitig durch Bodendüsen in den Einschmelzreaktor geblasen. Das vorreduzierte heiße Erz wird jedoch gewöhnlich direkt aus der Verfahrenseinheit C von oben in den Einschmelzreaktor geleitet.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren strömt das Abgas aus dem Einschmelzreaktor, Verfahrenseinheit A, in die Einrichtung zum Vorwärmen, Verfahrenseinheit B. Der Anlagentyp dieser Verfahrenseinheit ist nicht festgelegt. Er kann zum Beispiel ein Drehrohrofen, ein Schachtofen oder ein normales Wirbelbett sein. Ein zirkulierendes Wirbelbett hat sich als vorteilhaft erwiesen. In diesem zirkulierenden Wirbelbett werden die Abgase aus dem Einschmelzreaktor mit Sauerstoff oder Luft, jedoch vorzugsweise mit Heißluft, vollständig verbrannt. Vorher wird jedoch das Reduktionspotential der Abgase dazu verwendet, die Metallerze vorzureduzieren, und die letztgenannten werden außerdem durch die eingeführte Wärme getrocknet und erwärmt. In diesem zirkulierenden Wirbelbett kann außerdem Kalkstein entsäuert werden, damit der entstehende gebrannte Kalk zum Beispiel als schlackebildendes Mittel im Einschmelzvergaser verwendet werden kann. Hier können auch weitere Beschickungsmaterialien, insbesondere schlackebildende Mittel, erwärmt und möglicherweise gebrannt bzw. kalziniert werden. Der weitere Energieüberschuß aus der Nachverbrennung der Abgase dient der Dampferzeugung in bekannten Kühlelementen eines zirkulierenden Wirbelbettes. Das Abgas verläßt diese Verfahrenseinheit B vollständig verbrannt und mit einer Temperatur von etwa 900ºC. Die vorgewärmten Erze verlassen das zirkulierende Wirbelbett normalerweise mit einem Vorreduktionsgrad von 10 bis 30%, es liegt jedoch ebenfalls im Umfang der Erfindung, die Erze in der Verfahrenseinheit B nur zu trocknen und zu erwärmen, damit sie der Einrichtung für die tatsächliche teilweise Reduktion, der Verfahrenseinheit C, mit einem sehr geringen Vorreduktionsgrad oder sogar vollkommen ohne Vorreduktion zugeführt werden.
Nach der Erfindung ist die Einrichtung für die teilweise Reduktion, die Verfahrenseinheit C, vorzugsweise ein zirkulierendes Wirbelbett. Wie allgemein bekannt, umfaßt ein zirkulierendes Wirbelbett, stromabwärts gesehen, im wesentlichen eine Mischkammer, ein Steigrohr und einen Zyklon mit einer Feststoffrückführungsleitung zur Mischkammer. Bei diesem Wirbelbettreaktor, z.B. dem Fluxflow-Typ, wird die Beschickung der Mischkammer zugeführt, und das Steigrohr enthält Kühlsysteme, hauptsächlich Wärmeaustauscher, in denen auch Dampf erzeugt werden kann. Zusammen mit den leicht vorreduzierten Erzen mit einer Temperatur von 900ºC und den schlackebildenden Mitteln aus der Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion, wird die Verfahrenseinheit C auch mit Kohle und dem für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoff, vorzugsweise in Form von Heißluft, beschickt. Die Feststoffe, vorzugsweise in körniger oder gemahlener Form, werden der Einrichtung für die teilweise Reduktion zusammen mit einer üblichen Trägergasmenge pneumatisch zugeführt.
Nach der Erfindung ist die zugeführte Kohlemenge größer als die, die in der Verfahrenseinheit C durch die Menge des eingeführten oxidierenden Gases verbrannt werden kann, damit das gewünschte reduzierende Gas mit hoher Qualität erzeugt wird. Der Kohleüberschuß wird in der Einrichtung für die teilweise Reduktion von seinen flüchtigen Bestandteilen befreit, und der dadurch erzeugte Koks strömt zusammen mit dem vorreduzierten Erz, das gewöhnlich einen Metallisierungsgrad im Bereich von etwa 50% hat, und den schlackebildenden Mitteln aus der Verfahrenseinheit C in den Einschmelzreaktor, Verfahrenseinheit A, womit die Zirkulation des Materials in diesem Kombinationsverfahren beendet ist.
Das zirkulierende Wirbelbett und dessen Betrieb mit der selektiven teilweisen Reduktion der Metallerze und einer kontrollierten Erzeugung eines wertvollen Abgases mit einem hohen Energiegehalt stellt ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schmelzreduktion von Metallerzen dar. Diese Verfahrenseinheit bietet die Möglichkeit, sowohl das reduzierende Gas selbst als auch den Vorreduktionsgrad der Erze unabhängig vom Nachverbrennungsgrad der Reaktionsgase im Einschmelzreaktor und der weiteren Ausnutzung seiner Abgase optimal einzustellen. Es können nicht nur der quantitative Anteil der Kohle und des Verbrennungssauerstoffs, sondern auch die Verweilzeit der Erze in diesem zirkulierenden Wirbelbett und die Menge des pneumatischen Fördergases oder eines weiteren Inertgases verwendet werden, um den Metallisierungsgrad der Metallerze von 30 auf 70%, vorzugsweise von 35 auf 65% einzustellen.
Durch die weitere Kokserzeugung aufgrund der Befreiung der eingeführten Kohle von ihren flüchtigen Bestandteilen im zirkulierenden Wirbelbett bietet das erfindungsgemäße Verfahren auch eine besonders wirtschaftliche Beschickung des Einschmelzreaktors mit Kohlenstoff als Heizmittel. Etwa die Hälfte der zugesetzten Kohlemenge in der Einrichtung für die teilweise Reduktion wird zum Beispiel dem Einschmelzreaktor zusammen mit teilweise reduziertem Metallerz, das einen Metallisierungsgrad von etwa 55% und eine Temperatur von 950ºC hat, als Koks zugeführt. Bei diesen Bedingungen ist es überraschenderweise möglich, die Roheisenproduktion im gleichen Einschmelzreaktor gegenüber bekannten Verfahren etwa zu verdoppeln, d.h. bei dem gleichen Gewicht der Beschickung und den gleichen geometrischen Abmessungen. Dieser Produktivitätsanstieg in einem Einschmelzreaktor zeigt nicht nur die bereits genannten ökonomischen Vorteile, z.B. das Brennen der schlackebildenden Mittel und die Kokserzeugung, sondern auch andere ökonomische Vorteile, hauptsächlich weil die Kosten für die feuerfeste Gefäßauskleidung, die Wärmeverluste der Einrichtungen und die allgemeinen Betriebs- und Personalkosten im Verhältnis zur Roheisenproduktion nicht zunehmen.
Bei den bisher bekannten Verfahren für die Schmelzreduktion von Eisenerzen beträgt die Produktionsrate in Tonnen pro Stunde, bezogen auf das Durchschnittsgewicht der Beschickung im Einschmelzgefäß - nachstehend als Produktionsindex bezeichnet - nicht mehr als 0,6. Im Einschmelzgefäß mit einem Durchschnittsgewicht der Eisenschmelze von 120 t, wie es im deutschen Patent Nr. 3 318 005 beschrieben ist, werden zum Beispiel 70 t Roheisen pro Stunde erzeugt. Dies führt zu einem Produktionsindex von 0,58. Das "Durchschnittsgewicht der Eisenschmelze im Eischmelzreaktor" betrifft hier den arithmetischen Mittelwert des Gewichtes der Schmelze im Einschmelzgefäß vor und nach dem Abstich einer Charge oder Teilmenge. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man Produktionsindices von mehr als 0,8, vorzugsweise mehr als 1,0 erreichen.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren bei der beschriebenen Kombination mit drei Verfahrenseinheiten bereits eine überraschen hohe Produktivität und beträchtliche ökonomische Vorteile aufweist, liegt es im Umfang der Erfindung, dem Kombinationsverfahren weitere Verfahrenseinheiten, möglicherweise einschließlich vorhandener Einrichtungen und der externen Ausnutzung des Gases, hinzuzufügen. Somit kann die Verfahrenseinheit B als mehrstufiges Wirbelbett gestaltet sein oder zwei getrennte Einrichtungen des gleichen Typs oder von unterschiedlichen Typen umfassen. Es ist zum Beispiel möglich, einen Drehrohrofen mit einem zirkulierenden Wirbelbett zu kombinieren. Es kann vorteilhaft sein, die Verfahrenseinheit C nicht mit einem zirkulierenden Wirbelbett, sondern mit zwei zirkulierenden Wirbelbetteinrichtungen zu betreiben, die weitestgehend getrennt arbeiten. Dann ist es möglich, im ersten zirkulierenden Wirbelbett eine höhere Nachverbrennungsrate einzustellen, d.h. die chemische Energie der zugesetzten Kohle weiter auszunutzen. Der hohe Metallisierungsgrad des Erzes kann dann im zweiten zirkulierenden Wirbelbett erreicht werden. Bei dieser zusätzlichen Verfahrenseinheit, d.h. dem zweiten zirkulierenden Wirbelbett, die der tatsächlichen Verfahrenseinheit C folgt, entstehen Vorteile für das Energiegleichgewicht des Kombinationsverfahrens, da der Kohleverbrauch etwa 20% geringer ist.
Eine Form des erfindungsgemäßen Verfahrens, die empfohlen werden kann und der Erhöhung der Produktivität und falls möglich der Verringerung der erforderlichen Energie, d.h. des Kohleverbrauchs, dient, ergibt sich aus dem Temperaturanstieg der Heißluft für die Kohleverbrennung als auch für die Nachverbrennung der Reaktionsgase. Heißluft wird normalerweise mit einer Temperatur von höchstens 1.200ºC erzeugt. Bei den Abgasen aus bekannten Schmelzreduktionsverfahren, die gewöhnlich als Brennstoff zum Vorwärmen der Luft verwendet werden, ist es nicht möglich, die Temperatur der Heißluft weiter zu erhöhen, ohne energiereiches Gas zuzusetzen. Die Verwendung des energiereichen Abgases aus der Verfahrenseinheit C ermöglicht es leicht, Heißlufttemperaturen bis zu etwa 1.400ºC zu erhalten. Der Aufbau der Heizvorrichtung für die Luft kann zum Beispiel ein sogenannter Pebble-Heater sein, wie er im deutschen Patent Nr. 3 841 708 beschrieben ist.
Eine weitere vorteilhafte Form des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der gleichen oben genannten Aufgabe wird dadurch erreicht, daß die Heißluft mit Sauerstoff angereichert wird. Die Anreicherung der Heißluft mit Sauerstoff kann bis zu einem Sauerstoffgehalt von 50% erfolgen. Sehr viel geringere Anreicherungen mit Sauerstoff, z.B. bis zu einem Sauerstoffgehalt von 25%, haben sich jedoch überraschenderweise ebenfalls als vorteilhaft erwiesen.
Eine besonders vorteilhafte Form des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mit einer Kombination der beiden letztgenannten Verbesserungen erzielt werden, d.h. mit einer Temperaturerhöhung der Heißluft bei einer gleichzeitigen Erhöhung ihres Sauerstoffgehalts. Bei Heißlufttemperaturen von 1.350ºC und einer zusätzlichen Erhöhung des Sauerstoffgehalts bis auf etwa 25% wurden zum Beispiel etwa 50 kg Kohle eingespart, wenn 1 t flüssiges Roheisen erzeugt wurde, und die Produktivität im Einschmelzreaktor nahm unvorhergesehenerweise um etwa 40% zu.
Schließlich liegt es im Umfang der Erfindung, den Energiebedarf in den einzelnen Verfahrenseinheiten teilweise dadurch zu erfüllen, daß physikalische Wärme zugeführt wird, indem zum Beispiel stark erwärmte, sich inert verhaltende Gase eingeführt werden. Man kann unterschiedliche Gase mit Temperaturen von 900 bis 1.600ºC, vorzugsweise von 1.200 bis 1.400ºC, verwenden. Das rezirkulierte, vollständig verbrannte Abgas aus der Verfahrenseinheit B, Kohlendioxid und Stickstoff, hat sich zum Beispiel als nützlich erwiesen. Die Anwendung dieser Heißgase für die Wärmezufuhr ist natürlich nicht auf die genannten Gasarten begrenzt, man kann vergleichbare Gase und jede Mischung davon verwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei der Auswahl der Brennstoffe äußerst flexibel. Feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe können einzeln oder in Mischungen behandelt werden. Jede Kohlequalität, von Gasflammkohle bis Anthrazitkohle, kann genauso wie problematisch verbrennbare Rückstände aus der Graphit- und Aluminiumproduktion, verwendet werden. Man kann auch Raffinerierückstände, alle Schwerölqualitäten, alle Ölarten, einschließlich Dieselöl und Heizöl, verwenden. Von gasförmigen Brennstoffen haben sich Erdgas, Methan, Ethan, Propan, Butan und Mischungen davon als geeignet erwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Zeichnung und verschiedener Anwendungsbeispiele detaillierter erläutert.
Die einzige Figur ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kombinationsverfahrens für die Schmelzreduktion von Metallerz mit mindestens drei Verfahrenseinheiten.
Die Verfahrenseinheit A umfaßt den Einschmelzreaktor, der eine feuerfeste Auskleidung (nicht gezeigt) aufweist und ein Schmelzbad 2 enthält. Die Reaktionspartner werden durch Bodendüsen 3, die Zuführungseinrichtung 4 oberhalb der Badoberfläche und Aufblasdüsen 5 für sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Heißluft, in den Gasraum 6 des Einschmelzreaktors 1 geblasen. Die aus der Schmelze 2 entweichenden Reaktionsgase reagieren im Gasraum 6 mit dem Sauerstoff der Heißluft aus der Düse 5, und die dadurch freigesetzte Wärme wird mit einem Wirkungsgrad von mehr als 80% auf die Schmelze 2 übertragen. Das entstehende Abgas verläßt den Einschmelzreaktor 1 durch die Abgasöffung, die mit dem Pfeil 7 symbolisch dargestellt ist. Das erzeugte Schmelzbad und die Schlacke verlassen den Einschmelzreaktor 1 durch den Auslaß 8.
Die Verfahrenseinheit B oder die Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion umfaßt ein zirkulierendes Wirbelbett mit einer Mischkammer 10, einem Steigrohr 11, das einen Wärmeaustauscher 12 für die Dampferzeugung enthält, und einem Zyklon 13 mit einer Festtoffrückführungsleitung 14 und einem Auslaß 15. Durch den Einlaß 17 strömt das Abgas von der Verfahrenseinheit A in die Mischkammer 10 der Verfahrenseinheit B. Die Heißluft für die Nachverbrennung der eingeführten Gase und für die Erze und die zu brennenden schlackebildenden Mittel wird durch die Öffnung 18 in die Mischkammer 10 eingeführt. Das Abgas verläßt diese Verfahrenseinheit durch die Öffnung 16. Der Auslaß 19 dient den vorgewärmten Feststoffen, die von dort pneumatisch zur Verfahrenseinheit C befördert werden.
Durch die Einsprühöffnung 20 strömen alle Feststoffe in die Mischkammer 21 der Verfahrenseinheit C. Diese Feststoffe sind die erwärmten und zuerst reduzierten Metallerze, die gebrannten und erwärmten schlackebildenden Mittel, die Kohle und das für den pneumatischen Transport notwendige Fördergas. Durch die Einsprühöffnung 22 in der Mischkammer 21 werden sauerstoffhaltige Gase, gewöhnlich Heißluft, für die Verbrennung, vorzugsweise eine teilweise Verbrennung, der in die Mischkammer 21 eingeführten Kohle zugeführt.
Durch den Auslaß 23 strömen die Feststoffe aus der Verfahrenseinheit C, d.h. hauptsächlich Metallerze, die selektiv auf einen hohen Metallisierungsgrad reduziert worden sind, als auch schlackebildende Mittel und Koks, in den Einschmelzreaktor, d.h. die Verfahrenseinheit A. Das relativ energiereiche Abgas aus der Verfahrenseinheit C wird durch die Abgasöffnung 24 den Verbrauchern, z.B. Brennern des Pebble-Heaters für die Heißlufterzeugung, zugeführt.
Das Betreiben der Verfahrenseinheit C und analog der Verfahrenseinheit B, da dies in diesem Beispiel ebenfalls ein zirkulierendes Wirbelbett ist, ist grundsätzlich wie folgt. Die Feststoffe werden der Mischkammer 21 durch die Öffnung 20 und die Feststoffrückführungsleitung 29 zugeführt und dort durch sauerstoffhaltige Gase teilweise verbrannt, die durch die Einsprühöffnung 22 einströmen. Aus dem Gas und den Feststoffen wird ein Wirbelbett erzeugt, das in das Steigrohr 30 aufsteigt, das den Kühler 25 enthält. Der Kühler 25 wird durch den Einlaß 26 mit Wasser beschickt, und der entstehende Dampf entweicht durch den Auslaß 27. Das Wirbelbett gelangt dann tangential in den Zyklon 28, und das hier im Zyklon 28 weitestgehend von den Feststoffen befreite Abgas verläßt letzteren durch die Abgasöffnung 24. Ein Teil der Feststoffe geht durch die Feststoffleitung 31 und den Auslaß 23 zum Einschmelzreaktor und ein anderer Teil strömt durch die Feststoffrückführungsleitung 29 in die Mischkammer 21 zurück. Der Feststoffstrom wird durch Regelventile (nicht gezeigt), z.B. Rutschen oder Abgabeeinrichtungen, wie Zellenradschleusen, aufgeteilt. Aus der Mischkammer wird der Feststoffstrom wie beschrieben durch die Einrichtung rezirkuliert.
Hier gibt es verschiedene Beispiele, um das erfindungsgemäße Verfahren detaillierter zu erläutern. Alle in den Beispielen aufgeführten Zahlenwerte betreffen die Herstellung einer metrischen Tonne flüssiges Roheisen aus hochqualitativern Eisenerz, z.B. einem typischen Australischen Erz. Der Einschmelzreaktor und somit auch die Roheisenproduktion sind in diesen Beispielen relativ gering gewählt und entsprechen etwa einer Pilotanlage, bei der das Gewicht der Schinelze im Einschmelzreaktor durchschnittlich etwa 15 t beträgt. Die Vorreduktion des Erzes, d.h. die Verfahrenseinheiten B und C, sind als Einrichtungen mit zirkulieren dem Wirbelbett, z.B. vom Fluxflow-Typ, gestaltet.
Das erste Beispiel dient als Vergleich und beschreibt das bekannte Verfahren, das ein Schmelzreduktionsgefäß mit einer Stufe für die Vorreduktion des Erzes umfaßt, wie es zum Beispiel für das HIsmelt-Verfahren beschrieben ist.
Dem Schmelzreduktionsgefäß werden etwa 700 kg Kohle und etwa 150 kg rezirkulierter Staub durch Bodendüsen und 1.700 kg Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 20% und einer Temperatur von 900ºC über der Badoberfläche zugeführt. Für die Nachverbrennung werden etwa 2.800 Nm³ Heißluft mit einer Temperatur von 1.200ºC in den Gasraum über der Schmelze geblasen. Aus dem Schmelzreduktionsgefäß strömen 3.700 Nm³ Abgas mit einer Temperatur von 1.700ºC und einem Nachverbrennungsgrad von 50% in die Stufe für die Vorreduktion des Erzes, ein zirkulierendes Wirbelbett, das mit 350 kg schlackebildenden Mitteln und 1.600 kg Erz beschickt ist. Die Abgasmenge aus dieser Einrichtung beträgt 2.300 Nm³ mit einer Temperatur von 900ºC und einem Nachverbrennungsgrad von 70%. Der Wärmewert beträgt etwa 0,35 Mcal. Mit diesem bekannten Verfahren kann man eine maximale Produktionsmenge von 7 t pro Stunde erreichen, dies entspricht einem Produktionsindex von 0,47, wobei die entstehende Schlackemenge etwa 400 kg/t Roheisen beträgt.
Demgegenüber kann man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im gleichen Einschmelzreaktor eine Produktion von etwa 13 t pro Stunde und somit einen Produktionsindex von 0,87 erreichen. Durch Bodendüsen 3, die mit einem Schutzmedium umgeben sind, führt man etwa 100 kg Kohle und den rezirkulierten Staub aus der gesamten Anlage mit etwa 250 kg zusammen mit dem erforderlichen Trägergas in den Einschmelzreaktor 1 ein. Durch die Zuführungseinrichtung 4 gelangen 250 kg Koks, etwa 1.300 kg vorreduziertes Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 65% und einer Temperatur von 950ºC in die Schmelze 2 des Einschmelzreaktors 1. Für die Nachverbrennung der Reaktionsgase aus der Schmelze 2 werden etwa 1.550 Nm³ Heißluft mit einer Temperatur von 1.200ºC durch die Nachverbrennungsdüse 5 in den Gasraum 6 geblasen. Durch die Abgasöffnung 7 strömen etwa 2.000 Nm³ Abgas mit einer Temperatur von etwa 1.700ºC und einem Nachverbrennungsgrad von etwa 60% durch den Einlaß 17 in die Mischkammer 10 der Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion. Diese Verfahrenseinheit B wird außerdem durch die Einlaßöffnung mit 350 kg schlackebildendern Mittel, 1.500 kg Erz und etwa 450 Nm³ Heißluft beschickt. Die Menge des Abgases aus dieser Verfahrenseinheit B beträgt 2.500 Nm³ bei einer Temperatur von 900ºC, und es ist vollständig verbrannt, d.h. es hat einen Nachverbrennungsgrad von 100%. Das Abgas strömt aus der Öffnung 16 zu den Endverbrauchern, die die physikalische Wärme des Gases ausnutzen.
Aus dieser Verfahrenseinheit B gelangen 1.600 kg leicht vorreduziertes Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 11% und einer Temperatur von 900ºC durch den Auslaß 19 in das zirkulierende Wirbelbett der Verfahrenseinheit C. Außerdem beschickt man die Einrichtung C mit 500 kg Kohle und 300 Nm³ Heißluft. Die Menge des Abgases aus dieser Einrichtung beträgt 800 Nm³ bei einer Temperatur von 950ºC, einem Nachverbrennungsgrad von 30% und einem Wärmewert von 1,2 Mcal/Nm³. Aus dieser Einrichtung für die teilweise Reduktion werden dem Einschmelzreaktor die zu Beginn des Beispiels genannten Mengen an Erz und schlackebildendem Mittel zugeführt.
Bei einem typischen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Produktion etwa 15 t/h, dies entspricht einem Produktionsindex von 1,0. Aus der Einrichtung für die teilweise Reduktion (Verfahrenseinheit C) gelangen in den Einschmelzreaktor 250 kg Koks, 1.300 kg vorreduziertes Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 65%, einer Temperatur von 950ºC und einem Anteil Trägergas von 60 Nm³. Außerdem strömen 90 kg Kohle und etwa 250 kg rezirkulierter Staub durch die Bodendüsen. Für die Nachverbrennung des Reaktionsgases verwendet man im Einschmelzreaktor 1.500 Nm³ Heißluft mit einer Temperatur von 1.200ºC. Die Abgasmenge mit etwa 1.800 Nm³ und einem Nachverbrennungsgrad von 70% und einer Temperatur von 1.700ºC strömt in das Wirbelbett der Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion (Verfahrenseinheit B). Diese Einrichtung wird auch mit 340 kg schlackebildenden Mitteln, 1.540 kg Erz und 270 Nm³ Heißluft beschickt. Aus der Verfahrenseinheit B entweichen 2.300 Nm³ vollständig verbranntes Abgas (Nachverbrennungsgrad 100%) mit einer Temperatur von 900ºC. Wie bereits erklärt, wird dieses Abgas jedem gewünschten Endverbraucher zugeführt, damit die physikalische Wärme ausgenutzt wird.
In der Einrichtung für die teilweise Reduktion (Verfahrenseinheit C) wird aus 540 kg Kohle und 660 Nm³ Heißluft ein hochqualitatives reduzierendes Gas erzeugt, wodurch 1.600 kg Erz mit einer Temperatur von 900ºC und einem Vorreduktionsgrad von 11%, das aus der Verfahrenseinheit B in die Verfahrenseinheit C überführt wurde, bis zum oben genannten Vorreduktionsgrad (65%) reduziert werden. Aus der Verfahrenseinheit C treten 1.200 Nm³ energiereiches Abgas mit einer Temperatur von 950ºC, einem Nachverbrennungsgrad von 38% und einem Wärmewert von 0,9 Mcal/ Nm³ aus. Dieses Gas kann zum Beispiel verwendet werden, um die Heißluftmenge für das erfindungsgemäße Kombinationsverfahren in einem Pebble-Heater zu erwärmen.
Schließlich zeigt ein drittes Beispiel, das eine besonders vorteilhafte Form des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. Heißluft mit erhöhter Temperatur bei gleichzeitiger Anreicherung der Heißluft mit Sauerstoff, anwendet, folgendes Wärme- und Mengengleichgewicht. Die Schmelze im Einschmelzreaktor wird unter der Badoberfläche mit etwa 50 kg Kohle und etwa 100 kg rezirkuliertem Staub mit üblichen Trägergasmengen beschickt. Über der Badoberfläche strömen 1.400 kg teilweise reduziertes Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 65% und 900ºC in die Schmelze. Für die Nachverbrennung verwendet man etwa 1.000 Nm³ Heißluft mit einer Temperatur von 1.350ºC und einem Sauerstoffgehalt von 24,5%. Die Abgasmenge aus der Verfahrenseinheit A, die der Verfahrenseinheit B zugeführt wird, beträgt 1.260 Nm³ bei einer Temperatur von 1.720ºC und einem Nachverbrennungsgrad von 66%. Die Verfahrenseinheit B wird mit etwa 1.540 kg Erz, 330 kg schlackebildendem Mittel und etwa 190 Nm³ Heißluft, in ähnlicher Weise mit 1.350ºC und 24,5% Sauerstoff, beschickt. Aus der Verfahrenseinheit B treten 1.680 Nm³ vollständig verbranntes Abgas mit einer Temperatur von 900ºC aus. Aus dieser Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion gelangen 1.640 kg Erz mit einem Vorreduktionsgrad von 11% und einer Temperatur von 900ºC zusammen mit 530 kg Kohle und 530 Nm³ Heißluft in das zirkulierende Wirbelbett der Verfahrenseinheit C. Die Abgasmenge aus dieser Einrichtung für die teilweise Reduktion beträgt 1.100 Nm³, und das Abgas hat eine Temperatur von 950ºC, einen Nachverbrennungsgrad von 40% und einen Wärmewert von 0,9 Mcal/ Nm³.
In diesem Beispiel gab es eine extrem hohe Produktionsrate von etwa 20 t pro Stunde Betriebszeit, dies entspricht einem Produktionsindex von 1,33.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das es ermöglicht, Metallerze selektiv bis zu einem bestimmten Metallisierungsgrad in einem Kombinationsverfahren teilweise zu reduzieren, das mindestens drei Verfahrenseinheiten umfaßt, und diese in einem Einschmelzreaktor mit noch nie da gewesener Produktivität vollständig zu Metall zu reduzieren, ist durch eine hohe Flexibilität gekennzeichnet. Es kann vorteilhaft in vorhandene metallurgische Betriebe, d.h. ein Stahlwerk, integriert und in vorteilhafter Weise verschiedenen Produktionsbedingungen angepaßt werden. Wie bereits oben erläutert, können sowohl die Einrichtung zum Vorwärmen und für die erste Reduktion als auch die Einrichtung für die tatsächliche teilweise Reduktion ein- oder mehrstufig konstruiert sein. Eine vierte Verfahrenseinheit, z.B. zum gleichzeitigen Beschicken eines entsprechend gestalteten Einschmelzreaktors, kann dem Kombinationsverfahren gleichzeitig mit den drei hauptsächlich beschriebenen Verfahrenseinheiten hinzugefügt werden.
Aufgrund der getrennten Abgasströme aus den erfindungsgemäßen Verfahrenseinheiten B und C kann es sich bei bestimmten Anwendungen auch als nützlich erweisen, den Materialstrom zwischen den beiden Verfahrenseinheiten vollständig oder teilweise zu unterbrechen. Es ist denkbar, einen Teil oder die Gesamtmenge der erzeugten getrockneten und anfänglich reduzierten Metallerze eine bestimmte Zeit in ein Zwischenlager zu geben. Dieses Verfahren ist in bezug auf das Energiegleichgewicht unvorteilhaft, kann jedoch vorteilhaft sein, um das Kombinationsverfahren vorhandenen Produktionsweisen anzupassen, und liegt deshalb im Umfang der Erfindung.
Es liegt auch im üblichen Rahmen einer vorteilhaften Umorganisation des Kombinationsverfahrens, den Materialstrom in den einzelnen Verfahrenseinheiten entsprechend den Betriebserfahrungen zu modifizieren und zu verändern. Diese praktischen Anpassungen und vorteilhaften Entwicklungen liegen in ähnlicher Weise im Umfang des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Claims

1. Verfahren zur Schmelzreduktion von Metallerzen, das ein Kombinationsverfahren einschließt, bei dem Metallerze in verschiedenen Stufen teilweise reduziert und dann in einem Einschmelzreaktor vollständig zu Metall reduziert werden, wobei das Kombinationsverfahren mindestens Verfahrenseinheiten umfaßt und der Einschmelzreaktor eine Verfahrenseinheit darstellt, während die teilweise Reduktion der Metallerze in mindestens zwei weiteren Verfahrenseinheiten erfolgt, und in jeder dieser mindestens drei Verfahrenseinheiten ein anderes Abgas erzeugt wird, wobei das teilweise reduzierte Erz von der Einrichtung für die teilweise Reduktion, Verfahrenseinheit C, in die Schmelze des Einschmelzreaktors, Verfahrenseinheit A, geleitet wird, und das nachverbrannte Abgas aus der Verfahrenseinheit A in die Einrichtung für die erste Reduktion, Verfahrenseinheit B, geleitet wird, worin es vollständig verbrannt und aus dem Kombinationsverfahren entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrenseinheiten B und C mehrstufig konstruiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase im Einschmelzreaktor bei einem hohen Nachverbrennungsgrad von 50 bis 80% mit sauerstoffhaltigen Gasen nachverbrannt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallerze in der Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion erwärmt und bei einem Vorreduktionsgrad von 0 bis 30% vorreduziert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß schlackebildende Mittel für das Erzreduktionsgefäß, insbesondere Kalkstein und Flußmittel, in der Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion erwärmt und entsäuert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmten und leicht vorreduzierten Metallerze aus der Einrichtung zum Vorwärmen und zur ersten Reduktion der Einrichtung für die teilweise Reduktion zugeführt und dort mit einem Kohleüberschuß weiter reduziert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einrichtung für die teilweise Reduktion ein Teil der zugesetzten Kohle verbrannt und ein anderer Teil von flüchtigen Bestandteilen befreit wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallerze in der Einrichtung für die teilweise Reduktion bis zu einem Metallisierungsgrad von 30 bis 70%, vorzugsweise 35 bis 65%, selektiv vorreduziert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einschmelzreaktor aus der Einrichtung für die teilweise Reduktion teilweise reduzierte Erze, Koks und schlackebildende Mittel im erwärmten Zustand zugeführt werden.

10. Verfahren nach einem der Aneprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff, Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft als Oxidationsgase für die Verbrennung der zugesetzten Brennstoffe in allen Verfahrenseinheiten und für die Nachverbrennung der Reaktionsgase im Einschmelzreaktor verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Sauerstoff angereicherten Gase, hauptsächlich Luft und mit Sauerstoff angereicherte Luft, auf Temperaturen von 1.000 bis 1.600ºC, vorzugsweise 1.200 bis 1.400ºC, vorgewärmt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktionsindex, als Produktionsrate des Schmelzbades in Tonnen pro Stunde definiert, bezogen auf das Durchschnittsgewicht der Schmelze im Einschmelzgefäß in Tonnen mit mehr als 0,8, vorzugsweise mehr als 1,0 festgelegt wird.