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EP1275739A2 - Verfahren und Anlage zur Metallerzeugung, vorzugsweise zur Stahlerzeugung, aus feink-rnigem Metalloxid - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Metallerzeugung, vorzugsweise zur Stahlerzeugung, aus feink-rnigem Metalloxid Download PDF

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Publication number
EP1275739A2
EP1275739A2 EP02013291A EP02013291A EP1275739A2 EP 1275739 A2 EP1275739 A2 EP 1275739A2 EP 02013291 A EP02013291 A EP 02013291A EP 02013291 A EP02013291 A EP 02013291A EP 1275739 A2 EP1275739 A2 EP 1275739A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reduction reactor
reactor
gas
metal oxide
transport
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02013291A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1275739A3 (de
Inventor
Alfred Dipl.-Ing. Dr. Kropf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Voest Alpine Industrienlagenbau GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voest Alpine Industrienlagenbau GmbH filed Critical Voest Alpine Industrienlagenbau GmbH
Publication of EP1275739A2 publication Critical patent/EP1275739A2/de
Publication of EP1275739A3 publication Critical patent/EP1275739A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
    • C21B13/143—Injection of partially reduced ore into a molten bath
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/004—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in a continuous way by reduction from ores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/64—Controlling the physical properties of the gas, e.g. pressure or temperature

Definitions

  • the invention relates to a plant and a method for metal production, preferably for direct steelmaking, of fine-grained metal oxide, in particular iron-containing ore, wherein the metal oxide introduced into a reduction reactor and in this reduction reactor by a predominantly formed from H 2 , preferably at least 90% by volume H. 2 -containing, reducing gas is at least partially reduced, and subsequently in a melt reactor, preferably to steel, is melted.
  • a transport reduction reactor is distinguished from the Operation of a conventional shaft furnace, as taught in EP00106747A1, especially characterized in that, for example, by the more uniform distribution of the starting materials in the reducing gas, an energetically and / or kinetically more favorable course of the Reduction can be achieved. In this way, you will have significant energy costs saved.
  • Embodiments especially characterized in that the fine-grained Feedstock in the directed transport gas stream of the transport reduction reactor is brought in and transported by this.
  • a transport reduction reactor provides a particular embodiment Reactor for the reduction of metal oxide with a transporting carrier gas.
  • a carrier gas can according to a preferred embodiment of the invention Process any suitable gas, in particular an at least partially inert gas be used. According to a preferred embodiment of the invention is as Carrier gas used an at least partially reducing gas.
  • Carrier gas used an at least partially reducing gas for example the composition of the carrier gas not for at least partial reduction of the metal ore in the transport reduction reactor is sufficient for a supply of sufficient amount of reducing gas in the transport reduction reactor to to care.
  • the CO 2 emission is reduced or, ideally, completely prevented.
  • the partially consumed reducing gas contains H 2 O in addition to H 2 , which significantly simplifies the treatment of exhaust gas compared to systems in which, for example, a CO and H 2 -containing reducing gas is used.
  • the inventive method is characterized by its particularly economical Operating mode, as feedstocks fine ore and as reducing agent hydrogen be used. Hydrogen is currently cheap from natural gas or coal too produce. In the future, an economic production of hydrogen by means of Electrolysis or succeed in bioreactors.
  • Metal oxide particles at least partially by the carrier gas against gravity transported. This form of transport leads to a particularly advantageous Distribution of the metal oxide particles, as well as a particularly efficient reduction the same.
  • a fine Distribution of the metal oxide in the carrier gas stream, in particular the Reduction gas stream is provided, one over the prior art significantly faster and more complete reduction of the fine metal oxides can be achieved.
  • embodiments are with, on or in the Transport reduction reactor arranged, injectors and / or feeding devices possible, in each case the metal oxide in or against the flow direction of the Carrier gas stream, in particular the reducing gas stream, bring in this.
  • the role of the metal oxide in the carrier gas flow may be at different angles take place, for example, under 135 ° (225 °) or 120 ° (210 °) against the Flow direction (0 ° corresponds to flow direction).
  • the reduction in the transport reduction reactor is below a temperature of 1000 ° C, preferably at a temperature of 500 to 900 ° C, more preferably from 700 to 900 ° C, carried out.
  • the fine-grained metal oxide is introduced with a further carrier gas into the transport reduction reactor, in particular injected under pressure, wherein the further carrier gas preferably at least 50 vol% H 2 , more preferably at least 75 vol% H 2 , in particular at least 90 Vol% H 2 , contains.
  • the at least partially reduced metal oxide for example, introduced into a melt reactor and processed into liquid steel become.
  • direct steelmaking is particularly efficient Form, in particular in only one process stage, feasible.
  • the reduction gas which in turn is at least partially purified of solid particles in the gas-solid separation apparatus, is subjected to gas treatment, whereby impurities, in particular H 2 O, are at least partially separated, and possibly used H 2 is at least partially replaced ,
  • a complete replacement of the spent H 2 is provided. This prevents harmful accumulation of the reducing gas in H 2 O in the system.
  • the separated in the gas-solid separation device is the separated in the gas-solid separation device, at least partially reduced, metal oxide from the gas-solid separation device, in particular by a hydrogen flow pump, sucked off.
  • a hydrogen flow pump is by definition one Pump for introducing reducing gas and fine solid into a reaction vessel, in a preferred embodiment analogous to a water jet pump is working.
  • a hydrogen flow pump for example by a, flowed through by hydrogen, venturi realized in the by Exploitation of the pressure difference due to the different Flow cross sections creates a pumping effect and in a simple way the fine Solids, for example, the finely particulate metal oxide, sucked and in the appropriate vessel and / or introduced into the corresponding reactor can.
  • the at least partially reduced metal oxide is introduced into a melt reactor, and under the action of a plasma torch and / or an electric arc melted.
  • an H 2 -containing gas is fed to the melt reactor, which is optionally at least partially ionized in the melt reactor and optionally subsequently introduced as reducing gas into the transport reduction reactor.
  • a hot plasma is generated for melting the fine-grained metal oxides.
  • energy and costs are saved by using the, preferably hot, H 2 -containing exhaust gas of the melt reactor as transport gas and carrier gas of the transport reduction reactor.
  • the method according to the invention is in the melt reactor less than 50% by volume, in particular less than 10% by volume, the, used in the reduction chamber, carrier and / or reducing gas introduced, and for example from the melt reactor in the Transport reduction reactor, preferably as a carrier gas and / or reducing gas converted.
  • the amount of metal oxide which enters the transport reduction reactor is introduced, and / or the flow and / or amount of the carrier and / or Reduction gas in the transport reduction reactor itself by a Hydrogen flow pump, and / or a corresponding one of the prior art known device, regulated.
  • the liquid steel is continuously, for example, via an inductive pump and a Siphon, discharged from the smelting reactor.
  • the slag is discharged in batches from the melt reactor.
  • the invention is further characterized by a device according to claim 9.
  • the device according to the invention is Carrier gas supply and / or the transport reduction reactor designed such that in the Reduction chamber in the area of the feed of the metal oxide a directed Carrier gas flow is adjustable, and is further the solids supply of the reduction chamber carried out such that the metal oxide is at least partially initiated by introducing In particular blowing, in the at least partially directed carrier gas stream of the Transport reduction reactor is finely distributed. In one embodiment, this takes place with, in particular by, the coincidence of the metal oxide with the im Transport reduction reactor prevailing carrier gas flow a fine distribution of Metal oxides in the carrier gas.
  • the transport reduction reactor has an opening through which the reducing gas together with the at least partially reduced, substantially solids-shaped, Metal oxide from the transport reduction reactor is derivable.
  • the solid feed is carried out in a manner which makes it possible to adjust the substantially solid-shaped metal oxide, preferably controllably, by a further carrier gas which is at least 50% by volume, preferably at least 90% by volume. from, optionally hot, H 2 consists, to introduce into the transport reduction reactor.
  • the device according to the invention is the reducing gas together with the at least partially reduced, im essential solid-shaped, metal oxide from the transport reduction reactor in a Gas-solid separation device, which has a lining, the compared to a hot reducing gas, the more than 50% by volume, in particular to more than 90% by volume, composed of hydrogen gas, is stable.
  • the gas-solid separation device is arranged and / or formed such that the fine-grained metal oxide at least partially by the, in the Transport reduction reactor prevailing, directed carrier gas flow, in particular Reduction gas stream can be introduced into the gas-solid separation device.
  • the device according to the invention closes the gas-solid separation device as a communicating vessel, in particular directly, to the transport reduction reactor.
  • the gas-solid separation device preferably without locks or similar devices, directly on the Transport reduction reactor, or at least partially in the transport reduction reactor arranged.
  • the device according to the invention is after the gas-solid separation device a melt reactor for Melting and optionally Fertigredupressive, of, at least partially pre-reduced, metal oxides, arranged.
  • the device according to the invention is for introducing the deposited in the gas-solid separation device Metal oxides in the melt reactor, a hydrogen flow pump, and / or a similar device, arranged.
  • the device according to the invention is the melt reactor, a plasma torch and / or an electrode for generating a arranged electric arc.
  • the transport reduction reactor directly, for example as with the Melting reactor communicating vessel, arranged after the melt reactor.
  • the Transport reduction reactor in a manner at the melt reactor, in particular immediately thereafter arranged, which makes it possible, at least partial thermal, flow of the gas occurring in the melt reactor at least partially as a directed flow, preferably as a carrier gas flow, in the Continue transport reduction reactor.
  • the transport reduction reactor is without Locks or similar devices are arranged directly on the melt reactor.
  • the device according to the invention is on Melting reactor and / or at the transport reduction reactor a Hydrogen flow pump and / or a corresponding device arranged, the it makes it possible to control the gas flow rate in the transport reduction reactor.
  • the process is divided into individual process steps disassembled. These run simultaneously in a single reaction vessel consisting of a meltdown part, a transport reduction reactor, and optionally integrated gas-solid separators, starting from.
  • the reaction vessel is like this procure that in individual parts of the same defined process steps run continuously.
  • Input materials to the plant for the production of steel are fine ore 1 and hydrogen.
  • Starting materials are liquid steel, liquid slag and a gas mixture of H 2 and H 2 O).
  • a number of heat exchangers 12, which are advantageous for Configuration of the heat balance of the described method are useful, and Compressor 13 attached.
  • a strip casting plant 14 is preferred continuous processing of the liquid steel, a surge tank for draining the steel and / or slag from the meltdown 4, as well as a Fine ore jar 2 outlined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Metallerzeugung, vorzugsweise zur direkten Stahlerzeugung, aus feinkörnigem Metalloxid (1), insbesondere eisenhaltigem Feinerz, wobei das Metalloxid in einen Reduktionsreaktor (3) eingebracht und in diesem Reduktionsreaktor durch ein überwiegend aus H2 gebildetes, vorzugsweise zumindest zu 90Vol% H2-haltiges, Reduktionsgas zumindest teilweise reduziert wird, und nachfolgend in einem Schmelzreaktor (4), vorzugsweise zu Stahl, geschmolzen wird. Dabei wird ein Transportreduktionsreaktor als Reduktionsreaktor verwendet, wobei der Transportreduktionsreaktor durch ein Trägergas durchströmt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Metallerzeugung, vorzugsweise zur direkten Stahlerzeugung, aus feinkörnigem Metalloxid, insbesondere eisenhaltigem Feinerz, wobei das Metalloxid in einen Reduktionsreaktor eingebracht und in diesem Reduktionsreaktor durch ein überwiegend aus H2 gebildetes, vorzugsweise zumindest zu 90 Vol% H2-haltiges, Reduktionsgas zumindest teilweise reduziert wird, und nachfolgend in einem Schmelzreaktor, vorzugsweise zu Stahl, geschmolzen wird.
Die Fachwelt versucht seit langem die Möglichkeiten und Vorteile der Wasserstoffmetallurgie zu nützen. Weiters ist im Stand der Technik bekannt, das am Rohstoffmarkt ausreichend vorhandene Feinerz als Ersatz von Stückerz in der Roheisen- bzw. Stahlerzeugung einzusetzen. Dem Fachmann sind im speziellen verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Roheisen und/oder Stahl aus Feinerz bekannt.
In der Patentveröffentlichung EP00106747A1 wird in diesem Zusammenhang ein Verfahren gelehrt, durch welches vorgewärmter Eisenerzstaub in einem im Gleichstrom geführten Gasgemisch, das überwiegend H2 enthält, reduziert wird. In der Praxis erweist sich das gelehrte Verfahren aufgrund des hohen Energieeinsatzes als unwirtschaftlich.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 weiter zu entwickeln, durch welche eine kostengünstige und ressourcenschonende Erzeugung von Stahl aus Feinerz verwirklicht werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, sowie durch eine Anlage nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9 gelöst.
Die Verwendung eines Transportreduktionsreaktors zeichnet sich gegenüber dem Betrieb eines herkömmlichen Schachtofens, wie in EP00106747A1 gelehrt, vor allem dadurch aus, dass, beispielsweise durch die gleichmäßigere Verteilung der Einsatzstoffe in dem Reduktionsgas, eine energetisch und/oder kinetisch günstigerer Ablauf der Reduktion erreicht werden kann. Auf diese Weise werden wesentliche Energiekosten eingespart.
Der Betrieb eines Transportreduktionsreaktors ist nach verschiedenen Ausführungsformen vor allem dadurch gekennzeichnet, dass das feinkörnige Einsatzmaterial in den gerichteten Transportgasstrom des Transportreduktionsreaktors einbracht und durch diesen transportiert wird.
Ein Transportreduktionsreaktor stellt nach einer besonderen Ausführungsform einen Reaktor zur Reduktion von Metalloxid mit einem transportierenden Trägergas dar.
Als Trägergas kann nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren jedes geeignete Gas, insbesondere ein zumindest teilweise inertes Gas verwendet werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Trägergas ein zumindest teilweise reduzierenden Gas verwendet. Sollte beispielsweise die Zusammensetzung des Trägergases nicht für eine zumindest teilweise Reduktion des Metallerzes im Transportreduktionsreaktor ausreichen, ist für eine Zufuhr der ausreichenden Menge an reduzierendem Gas in den Transportreduktionsreaktor zu sorgen.
Durch die Verwendung von Wasserstoff als, bevorzugt alleinigem, Reduktionsmittel wird der CO2-Ausstoß verringert bzw. im Idealfall gänzlich verhindert. Nach der Reduktion enthält das teilweise verbrauchte Reduktionsgas neben H2 ausschließlich H2O, wodurch sich die Abgasbehandlung gegenüber Anlagen, bei denen beispielsweise ein CO- und H2-haltiges Reduktionsgas zum Einsatz gelangt, wesentlich vereinfacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch seine besonders wirtschaftliche Betriebsweise aus, da als Einsatzstoffe Feinerz und als Reduktionsmittel Wasserstoff eingesetzt werden. Wasserstoff ist derzeit kostengünstig aus Erdgas oder Kohle zu erzeugen. In Zukunft wird eine wirtschaftliche Erzeugung des Wasserstoffes mittels Elektrolyse oder in Bioreaktoren gelingen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Teil des Trägergases des Transportreduktionsreaktors, insbesondere des Reduktionsgases, im Bereich der Zufuhr des Metalloxides in den Transportreduktionsreaktor in einer, insbesondere zumindest teilweise aufwärts, gerichteten Strömung geführt, wobei mit dem, insbesondere durch das, Zusammentreffen des gerichteten Trägergasstromes mit dem zugeführten Metalloxid in dem Transportreduktionsreaktor, das Metalloxid in dem Transportreduktionsreaktor, vorzugsweise in den Trägergasstrom, fein verteilt wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Metalloxidteilchen zumindest teilweise durch das Trägergas entgegen der Schwerkraft transportiert. Diese Form des Transportes führt zu einer besonders vorteilhaften Verteilung der Metalloxidteilchen, sowie zu einer besonders effizienten Reduktion derselben.
Nachdem erfindungsgemäß nach einer bevorzugten Ausführungsform eine feine Verteilung des Metalloxids in dem Trägergasstrom, insbesondere dem Reduktionsgasstrom, vorgesehen ist, kann eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich schnellere und vollständigere Reduktion der feinen Metalloxide erreicht werden.
Die Einbringung des Metalloxides in den Transportreduktionsreaktor selbst kann auf verschiedene Arten erfolgen. Diesbezüglich sind Ausführungsformen mit, an oder in dem Transportreduktionsreaktor angeordneten, Injektoren und/oder Aufgabevorrichtungen möglich, die jeweils das Metalloxid in oder gegen die Strömungsrichtung des Trägergasstromes, insbesondere des Reduktionsgasstromes, in diesen einbringen.
Die Aufgabe des Metalloxides in den Trägergasstrom kann unter verschiedenen Winkeln erfolgen, beispielsweise unter 135° (225°) oder 120° (210°) entgegen der Strömungsrichtung (0° entspricht Strömungsrichtung).
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reduktion in dem Transportreduktionsreaktor unterhalb einer Temperatur von 1000 °C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 500 bis 900 °C, besonders bevorzugt von 700 bis 900 °C, durchgeführt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das feinkörnige Metalloxid mit einem weiteren Trägergas in den Transportreduktionsreaktor eingeleitet, insbesondere unter Druck eingeblasen, wobei das weitere Trägergas vorzugsweise zumindest 50 Vol % H2, besonders bevorzugt zumindest 75 Vol% H2, insbesondere zumindest 90 Vol% H2, enthält.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das, im wesentlichen feststoffförmige. Metalloxid durch den Transportreduktionsreaktor zu einer Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung, insbesondere einem Zyklon, transportiert, bevor das zumindest teilweise reduzierte Metalloxid in einem Schmelzreaktor, insbesondere zu flüssigem Stahl, geschmolzen wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist durch die feine Verteilung des Metalloxids im Trägergas, insbesondere im Reduktionsgas, des Transportreduktionsreaktors nachfolgend eine Abtrennung des Feststoffes in einer Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung vorgesehen. Nach der Abtrennung kann das zumindest teilweise reduzierte Metalloxid beispielsweise in einen Schmelzreaktor eingebracht und zu flüssigem Stahl verarbeitet werden.
Durch ein Verfahren dieser Art ist eine direkte Stahlerzeugung in besonders effizienter Form, insbesondere in nur einer Prozessstufe, verwirklichbar.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das in der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung wiederum von Feststoffpartikeln zumindest teilweise gereinigte Reduktionsgas einer Gasaufbereitung unterzogen, wobei Verunreinigungen, insbesondere H2O, zumindest teilweise abgetrennt werden, und gegebenenfalls verbrauchtes H2 zumindest teilweise ersetzt wird.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein vollständiger Ersatz des verbrauchten H2 vorgesehen. Damit wird eine schädliche Anreicherung des Reduktionsgases an H2O in der Anlage vermieden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das in der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung abgetrennte, zumindest teilweise reduzierte, Metalloxid aus der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung, insbesondere durch eine Wasserstoffströmungspumpe, abgesaugt.
Bei einer Wasserstoffströmungspumpe handelt es sich definitionsgemäß um eine Pumpe zur Einbringung von Reduktionsgas und feinem Feststoff in ein Reaktionsgefäß, die nach einer bevorzugten Ausführungsform analog wie eine Wasserstrahlpumpe arbeitet. Im einfachsten Fall ist eine solche Wasserstoffströmungspumpe beispielsweise durch eine, von Wasserstoff durchströmte, Venturidüse realisierbar, bei der durch Ausnutzung des Druckunterschiedes infolge der unterschiedlichen Strömungsquerschnitte ein Pumpeffekt erzeugt und in einfacher Weise der feine Feststoff, beispielsweise das feinteilchenförmige Metalloxid, angesaugt und in das entsprechende Gefäß und/oder in den entsprechenden Reaktor eingebracht werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zumindest teilweise reduzierte Metalloxid in einen Schmelzreaktor eingeleitet, und unter Einwirkung eines Plasmabrenners und/oder eines elektrischen Lichtbogens aufgeschmolzen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem Schmelzreaktor ein H2-haltiges Gas zugeführt, das im Schmelzreaktor gegebenenfalls zumindest teilweise ionisiert und gegebenenfalls nachfolgend als Reduktionsgas in den Transportreduktionsreaktor eingeleitet wird.
Dabei wird beispielsweise durch Ionisation des H2-Gases ein heißes Plasma zum Aufschmelzen der feinkörnigen Metalloxide erzeugt.
Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, durch eine Verwendung des, vorzugsweise heißen, H2-haltigen Abgases des Schmelzreaktors als Transportgas und Trägergas des Transportreduktionsreaktor, Energie und Kosten gespart.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in den Schmelzreaktor weniger als 50 Vol%, insbesondere weniger als 10 Vol%, des, in der Reduktionskammer eingesetzten, Träger- und/oder Reduktionsgases eingebracht, und beispielsweise aus dem Schmelzreaktor in den Transportreduktionsreaktor, vorzugsweise als Trägergas und/oder Reduktionsgas übergeführt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Menge des Metalloxides, welches in den Transportreduktionsreaktor eingebracht wird, und/oder die Strömung und/oder Menge des Träger- und/oder Reduktionsgases in dem Transportreduktionsreaktor selbst durch eine Wasserstoffströmungspumpe, und/oder eine entsprechende aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung, geregelt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der flüssige Stahl kontinuierlich, beispielsweise über eine induktive Pumpe und ein Siphon, aus dem Schmelzreaktor ausgebracht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schlacke chargenweise aus dem Schmelzreaktor ausgebracht.
Die Erfindung ist weiters durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gekennzeichnet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Trägergaszufuhr und/oder der Transportreduktionsreaktor derart ausgeführt, dass in der Reduktionskammer im Bereich der Zufuhr des Metalloxides ein gerichteter Trägergasstrom einstellbar ist, und ist weiters die Feststoffzufuhr der Reduktionskammer derart ausgeführt, dass das Metalloxid zumindest teilweise durch Einleiten, insbesondere Einblasen, in den zumindest teilweise gerichteten Trägergasstrom des Transportreduktionsreaktors fein verteilbar ist. Nach einer Ausführungsform erfolgt dabei mit dem, insbesondere durch das, Zusammentreffen des Metalloxides mit der im Transportreduktionsreaktor herrschenden Trägergasströmung eine feine Verteilung des Metalloxides in dem Trägergas.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Transportreduktionsreaktor eine Öffnung auf, über die das Reduktionsgas gemeinsam mit dem zumindest teilweise reduzierten, im wesentlichen feststoffförmigen, Metalloxid aus dem Transportreduktionsreaktor ableitbar ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Feststoffzuführung in einer Weise ausgeführt, die es ermöglicht, das, im wesentlichen feststoffförmigen, Metalloxid, vorzugsweise regelbar, durch ein weiteres Trägergas, das zumindest zu 50 Vol %, vorzugsweise zumindest zu 90 Vol %, aus, gegebenenfalls heißem, H2 besteht, in den Transportreduktionsreaktor einzubringen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Reduktionsgas gemeinsam mit dem zumindest teilweise reduzierten, im wesentlichen feststoffförmigen, Metalloxid aus dem Transportreduktionsreaktor in eine Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung einleitbar, die eine Auskleidung aufweist, die gegenüber einem heißen Reduktionsgas, das zu mehr als 50 Vol%, insbesondere zu mehr als 90 Vol %, aus Wasserstoffgas besteht, beständig ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass das feinkörnige Metalloxid zumindest teilweise durch den, in dem Transportreduktionsreaktor herrschenden, gerichteten Trägergasstrom, insbesondere Reduktionsgasstrom, in die Gas-Feststoff-Trennvorrichtung eingebracht werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schließt die Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung als kommunizierendes Gefäß, insbesondere unmittelbar, an den Transportreduktionsreaktor an.
Nach einer besonderen Ausführungsform ist die Gas-Feststoff-Trennvorrichtung, vorzugsweise ohne Schleusen oder ähnliche Vorrichtungen, unmittelbar an dem Transportreduktionsreaktor, oder zumindest teilweise in dem Transportreduktionsreaktor angeordnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nach der Gas-Feststoff-Abtrennungvorrichtung ein Schmelzreaktor zum Aufschmelzen und gegebenenfalls Fertigreduzieren, des, zumindest teilweise vorreduzierten, Metalloxides, angeordnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur Einbringung des in der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung abgeschiedenen Metalloxides in den Schmelzreaktor eine Wasserstoffströmungspumpe, und/oder eine ähnliche Einrichtung, angeordnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist am Schmelzreaktor ein Plasmabrenner und/oder eine Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens angeordnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Transportreduktionsreaktor unmittelbar, beispielsweise als mit dem Schmelzreaktor kommunizierendes Gefäß, nach dem Schmelzreaktor angeordnet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Transportreduktionsreaktor in einer Weise an dem Schmelzreaktor, insbesondere unmittelbar anschließend, angeordnet, die es ermöglicht, die, vorzugsweise zumindest teilweise thermische, Strömung des im Schmelzreaktor auftretenden Gases zumindest teilweise als gerichtete Strömung, vorzugsweise als Trägergasströmung, in dem Transportreduktionsreaktor fortzuführen.
Nach einer besonderen Ausführungsform ist der Transportreduktionsreaktor ohne Schleusen oder ähnliche Vorrichtungen unmittelbar an dem Schmelzreaktor angeordnet.
Nach einer zusätzlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist am Schmelzreaktor und/oder an dem Transportreduktionsreaktor eine Wasserstoffströmungspumpe und/oder eine entsprechende Einrichtung angeordnet, die es ermöglicht, die Gasströmungsmenge in dem Transportreduktionsreaktor zu regeln.
Nach einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung herrscht im Bereich der Gas-Feststoff-Trennvorrichtung ein niedrigerer Druck als im Bereich des Schmelzreaktors. Somit ist der Gasfluß durch den Transportreduktionsreaktor gewährleistet.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren, sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch anhand einer nicht einschränkender Zeichnung näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur direkten Erzeugung von flüssigem Stahl aus Feinerz
    • Nachstehend wird ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren beschrieben, mit dem Feinerz, mit einer für Pelletanlagen üblichen Korngrößenverteilung (< 50 µm) in einer Verfahrensstufe und mit Wasserstoff als Reduktionsmittel in flüssigen Stahl umgewandelt werden kann.
    Zur Vereinfachung der Beschreibung wird das Verfahren in einzelne Verfahrensschritte zerlegt. Diese laufen gleichzeitig in einem einzigen Reaktionsgefäß, bestehend aus einem Einschmelzteil, einem Transportreduktionsreaktor, und gegebenenfalls integrierten Gas-Feststoff-Trennvorrichtungen, ab. Das Reaktionsgefäß ist so beschaffen, dass in einzelnen Teilen desselben definierte Verfahrensschritte kontinuierlich ablaufen.
    Eingangsstoffe in die Anlage zur Erzeugung von Stahl sind Feinerz 1 und Wasserstoff. Ausgangsstoffe sind flüssiger Stahl, flüssige Schlacke sowie ein Gasgemisch von H2 und H2O).
    Verfahrensschritte:
  • 1. In ein senkrechtes Rohr 3, welches an seinem unteren Ende mit dem Einschmelzteil 4 des Reaktionsgefäßes verbunden ist und durch welches heißes Reduktionsgas 5, das aus dem Einschmelzteil 4 kommt, strömt, wird seitlich Feinerz 1 mit heißem Wasserstoff 6 eingeblasen und durch den Gasstrom nach oben transportiert. Das heiße Reduktionsgas 5 aus dem Einschmelzteil 3 und der heiße Wasserstoff 6, der zum Einblasen des Feinerzes 1 verwendet wird, vermischen sich und werden so dosiert, dass im Rohr 3 eine Gastemperatur von 800 bis 900 C herrscht. Die Geschwindigkeit des im Rohr 3 nach oben strömenden Gases wird so bemessen, dass das eingeblasene Feinerz 1 vollständig nach oben transportiert wird. Die Länge des Rohres 3 ist so bemessen, dass auf dem Weg der Feinerzteilchen von der Einblasestelle bis zum Rohrende die Reduktion der Feinerzteilchen zu direkt reduzierten Eisenteilchen erfolgt (Prinzip des Transportreduktionsreaktors).
  • 2. Am oberen Ende des senkrechten Rohres 3 befinden sich eine Anzahl von Abscheidezyklonen 7, in dem die direkt reduzierten Eisenteilchen abgeschieden werden. Das vom Feststoffanteil getrennte Gasgemisch (H2,H2O mit Verunreinigungen) 15 wird einer Gasaufbereitung 8 zugeführt. In der Gasaufbereitung wird H2 9 von H2O 10 gereinigt und getrennt, sowie der im Prozess verbrauchte H2 ergänzt. Der Wasserstoff wird dem Prozess wiederum zugeführt.
  • 3. Das in dem Abscheidezyklon 7 abgeschiedene direkt reduzierte Eisen wird mittels Wasserstoffströmungspumpen abgesaugt und durch einen Plasmabrenner 11 oder eine Lichtbogenelektrode in den Schmelzreaktor 4 eingeblasen. Die direkt reduzierten Eisenteilchen werden im Plasma des Plasmabrenners 11 bzw. durch den Lichtbogen geschmolzen und sammeln sich mit der Schlacke am Boden des Einschmelzteiles 4. Das heiße Reduktionsgas (ca. 1600 C) 5 entweicht dem Einschmelzteil 4 über das Rohr 3 des Transportreduktionsreaktors. Die Gasströmungsmenge, die aus dem Schmelzreaktor austritt wird mittels Wasserstoffströmungspumpen eingestellt.
  • 4. Der flüssige Stahl im Einschmelzteil kann kontinuierlich abgestochen (Kombination aus induktiver Pumpe und Siphon) werden. Die Schlacke wird chargenweise aus dem Einschmelzteil 4 über konventionelle Abstichmethoden ausgetragen.
    • Weiters sind eine Anzahl von Wärmetauschern 12, die für eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmehaushaltes des beschriebenen Verfahrens nützlich sind, und Verdichter 13 angebracht. Weiters ist eine Bandgießanlage 14 zur vorzugsweise kontinuierlichen Verarbeitung des flüssigen Stahles, ein Ausgleichsgefäß zum Ableiten des Stahles und/oder der Schlacke aus dem Einschmelzteil 4, sowie ein Feinerzaufgabegefäß 2 skizziert.
    Vorteile des Verfahrens:
    • Direkte Stahlerzeugung in nur einer Prozessstufe und damit geringe Investitions- und Umwandlungskosten.
    • Billige Einsatzstoffe: Feinerz (Pelletfeed) und als Reduktionsmittel Wasserstoff, der derzeit kostengünstig aus Erdgas oder Kohle und künftig eventuell mittels Elektrolyse oder Bioreaktoren erzeugt werden kann.
    • Umweltfreundlich durch Verringerung des CO2 Ausstoßes - Nebenprodukte sind lediglich Schlacke und Wasser
    • Prozessgasrezyklierung und optimale Energienutzung - Kürzeste Produktionszeit

    Claims (15)

    1. Verfahren zur Metallerzeugung, vorzugsweise zur direkten Stahlerzeugung, aus feinkörnigem Metalloxid, insbesondere eisenhaltigem Feinerz, wobei das Metalloxid in einen Reduktionsreaktor eingebracht und in diesem Reduktionsreaktor durch ein überwiegend aus H2 gebildetes, vorzugsweise zumindest zu 90 Vol% H2-haltiges, Reduktionsgas zumindest teilweise reduziert wird, und das zumindest teilweise reduzierte Metalloxid nachfolgend in einem Schmelzreaktor, vorzugsweise zu Stahl, geschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transportreduktionsreaktor als Reduktionsreaktor verwendet wird, wobei der Transportreduktionsreaktor mit einem Trägergas durchströmt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Trägergases, im Bereich der, vorzugsweise seitlichen, Einbringung des Metalloxides in den Transportreduktionsreaktor in einer, insbesondere aufwärts, gerichteten Strömung geführt wird, wobei, mit dem Zusammentreffen des gerichteten Trägergasstromes mit dem Metalloxid in dem Transportreduktionsreaktor, das Metalloxid in dem Transportreduktionsreaktor, vorzugsweise in dem Trägergas, fein verteilt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion in dem Transportreduktionsreaktor bei einer Temperatur von 500 bis 900 °C durchgeführt wird.
    4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das feinkörnige Metalloxid mit einem weiteren Trägergas in den Transportreduktionsreaktor eingeleitet, insbesondere unter Druck eingeblasen, wird, wobei das weitere Trägergas zumindest 50 Vol% H2, vorzugsweise zumindest 90 Vol % H2, enthält.
    5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das, im wesentlichen feststoffförmige, Metalloxid durch den Transportreduktionsreaktor zu einer Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung, insbesondere einem Zyklon, transportiert wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung wiederum von Feststoffpartikeln abgetrennte Reduktionsgas einer Gasaufbereitung unterzogen wird, wobei Verunreinigungen, insbesondere H2O, abgetrennt werden, und gegebenenfalls verbrauchtes H2 zumindest teilweise ersetzt wird.
    7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise reduzierte Metalloxid in einen Schmelzreaktor eingeleitet, und, vorzugsweise unter Einwirkung eines Plasmabrenners und/oder eines elektrischen Lichtbogens, aufgeschmolzen wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schmelzreaktor ein H2-haltiges Gas zugeführt wird, das im Schmelzreaktor zumindest teilweise ionisiert und/oder nachfolgend als Träger- und/oder Reduktionsgas in den Transportreduktionsreaktor eingeleitet wird.
    9. Anlage zur Metallerzeugung, vorzugsweise zur direkten Stahlerzeugung, aus feinkörnigem Metalloxid, insbesondere eisenhaltigem Feinerz, vorzugsweise zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Reduktionsreaktor mit mindestens einer Reduktionsgaszuleitung und einer Reduktionsgasableitung, sowie mit einer Feststoffzuleitung, zur Zufuhr des Metalloxides, vorgesehen ist, und der Reduktionsreaktor eine Auskleidung aufweist, die gegenüber einem heißen Reduktionsgas, das zu mehr als 50 Vol%, insbesondere zu mehr als 90 Vol %, aus Wasserstoffgas besteht, beständig ist, und weiters ein Schmelzreaktor zur Erzeugung des flüssigen Metalls vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transportreduktionsreaktor als Reduktionsreaktor vorgesehen ist, und der Transportreduktionsreaktor mindestens eine Trägergaszuleitung aufweist.
    10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägergaszufuhr derart ausgeführt ist, dass in dem Transportreduktionsreaktor im Bereich der, vorzugsweise seitlichen, Zufuhr des Metalloxides ein gerichteter Trägergasstrom einstellbar ist, und die Feststoffzufuhr des Transportreduktionsreaktors derart ausgeführt ist, dass das Metalloxid zumindest teilweise durch Einleiten, insbesondere Einblasen, in den gerichteten Trägergasstrom des Transportreduktionsreaktors, vorzugsweise in dem Trägergas, fein verteilbar ist.
    11. Anlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffzufuhr in einer Weise ausgeführt ist, die es ermöglicht, das Metalloxid, vorzugsweise regelbar, durch ein weiteres Trägergas, das überwiegend, vorzugsweise zumindest zu 90 Vol %, aus, gegebenenfalls heißem, H2 besteht, in den Transportreduktionsreaktor einzubringen.
    12. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Transportreduktionsreaktor eine Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung vorgesehen ist, die eine Auskleidung aufweist, die gegenüber einem heißen Reduktionsgas, das zu mehr als 50 Vol%, insbesondere zu mehr als 90 Vol %, aus Wasserstoffgas besteht, beständig ist.
    13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung als kommunizierendes Gefäß unmittelbar an den Transportreduktionsreaktor anschließt.
    14. Anlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzreaktor nach der Gas-Feststoff-Abtrennvorrichtung angeordnet ist, und zur zumindest teilweisen Einschmelzung und gegebenenfalls Fertigreduktion der abgetrennten zumindest teilweise reduzierten Metalloxide dient, wobei gegebenenfalls an dem Schmelzreaktor ein Plasmabrenner und/oder eine Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens angeordnet ist.
    15. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Transportreduktionsreaktor unmittelbar, vorzugsweise als mit dem Schmelzreaktor kommunizierendes Gefäß, an den Schmelzreaktor anschließt.
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