EP4379069A1 - Hydrogen-based fluidized bed reduction - Google Patents
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Definitions
- the application relates to a method for producing a metallized product from metal oxide-containing material, comprising fluidized bed reduction of the metal oxide-containing material, in which at least a first reducing gas comprising hydrogen and nitrogen is used. It also relates to a device for producing a metallized product from metal oxide-containing material using a first reducing gas with a hydrogen content of at least 70 vol% and a nitrogen content of 5 vol% to 30 vol%.
- Reduction of iron oxide-containing material with hydrogen H2 is endothermic.
- Energy can be supplied via the reducing gas and can be controlled or regulated, for example, via the amount and temperature of the reducing gas supplied. If reducing components of the reducing gas - such as hydrogen H2 - are used as heat carriers in order to introduce the energy required to maintain a desired temperature for endothermic reaction processes into the reduction unit, these components must be provided in quantities that are significantly overstoichiometric with respect to the reduction reactions.
- Reducing components of the reducing gas provided overstoichiometrically are not consumed during the reduction and can be recirculated after leaving the reduction unit.
- Provision of reducing components, especially of hydrogen H2 is usually associated with expenditure in terms of costs, energy, and necessary equipment. In order to keep this expenditure to a minimum, efforts are made to avoid providing superstoichiometric amounts of reducing components wherever possible.
- the presence of carbon in direct reduced iron (DRI) is desirable because its presence contributes to lowering the melting temperature when melting the DRI, it can have a reducing effect and it can serve as an energy supplier.
- Carbon is available in reduction processes using carbon- and/or hydrocarbon-containing reducing agents in the reducing gas.
- the reducing agent hydrogen H2 does not provide any carbon, which can be contained in the resulting metallized reduction product. This brings with it disadvantages with regard to the processability of the iron directly reduced with this reducing agent.
- the aim is to present methods and devices that make it possible to reduce or avoid at least some of the disadvantages mentioned above.
- the material containing metal oxide is preferably iron oxide-containing material.
- the metal oxide-containing material is reduced by the first reducing gas - and optionally one or more further reducing gases, such as a second reducing gas.
- a fluidized bed reduction the metal oxide-containing material is fluidized by a stream of reducing gas, i.e. kept in a fluidized bed. It is known that good heat exchange takes place between the reducing gas and the metal oxide-containing material, and a large surface is available for reactions to take place between the reducing gas and the metal oxide-containing material.
- the metallized product has a degree of metallization which is higher than the degree of metallization of the metal oxide-containing material.
- the metallized product can be the reduction product of the fluidized bed reduction - if the process only comprises fluidized bed reduction - or it can be obtained by a further treatment of the reduction product of the fluidized bed reduction which may be additionally carried out in the process for producing a metallized product.
- the first reducing gas comprises or contains at least hydrogen H2 and nitrogen N2; if these are the only components of the first reducing gas, it consists of hydrogen H2 and nitrogen N2.
- the hydrogen H2 content is at least 70 vol%.
- Hydrogen H2 serves as the reducing component of the first reducing gas.
- Hydrogen H2 can be the only reducing component of the first reducing gas, or other reducing components can be present in the first reducing gas in addition to hydrogen H2; for example, supplied from reforming of natural gas such as steam reforming or CO2 reforming.
- the nitrogen N2 content is at least 5 vol% and up to 30 vol%, preferably up to 20 vol%.
- One function of nitrogen is to transport heat into the fluidized bed; heat transported by it into the fluidized bed does not have to be introduced into the fluidized bed by reducing components of the first reducing gas. The more nitrogen there is, the fewer reducing components of the first reducing gas have to be provided in excess of stoichiometric amounts for heat transport. With a nitrogen content of more than 30 vol%, however, the reducing power of the first reducing gas would be too limited by the high proportion of nitrogen, which is inert with regard to the reduction of the metal oxide-containing material.
- the nitrogen content in the first reducing gas should be at least 5 vol% so that the effect as a heat carrier or the reduction of the need to provide reducing components of the first reducing gas in superstoichiometric quantities is sufficiently pronounced.
- the first reducing gas may also be present in the first reducing gas, such as water H2O, carbon monoxide CO, carbon dioxide CO2, and higher hydrocarbons.
- the quality of the reduction gas can be changed by the nitrogen N2 content in the first reduction gas.
- the quality of the reduction gas and the temperature in different fluidized beds and thus the reduction rate can be changed by the nitrogen content, and the location of the reduction in the reduction unit comprising several fluidized bed reactors containing the fluidized beds can be changed.
- the reducing gas quality is expressed, for example, as GOD (Gas Oxidation Degree) which is defined as follows: (H2O+CO2)/(H2O+CO2+H2+CO), i.e. as the ratio of the corresponding sums of concentrations of the individual components in vol% for the components water H2O, carbon dioxide CO2, hydrogen H2, carbon monoxide CO.
- GOD Gas Oxidation Degree
- the sum of the concentrations of carbon monoxide CO and hydrogen H2 in vol% is an indication of the reducing gas quality of the reducing gas, since these components are required for the reduction.
- the reduction rate describes the removal of oxygen per unit of time, for example in kilograms (kg oxygen per second s). If the mass flow rate of iron is variable, the specific reduction rate can also be used as kg oxygen per kg iron and per s (kg O / (kg Fe * s)).
- the increasing proportion of nitrogen N2 in the first reducing gas also enables simpler nozzle design when using gas distribution plates with nozzles to create a fluidized bed due to its higher molecular weight, higher density and higher viscosity.
- the fluidization properties of the fluidized bed can also be changed - for example, smaller bubble size and higher expansion of the fluidized bed with an increasing proportion of nitrogen N2 compared to hydrogen due to its higher density and viscosity compared to hydrogen.
- the first reducing gas must be under pressure and must therefore be compressed; an increasing proportion of nitrogen N2 in the first reducing gas compared to hydrogen H2 can have advantages during compression due to its higher molecular weight, for example when using radial compressors for compression.
- the metallized product of the process according to the invention for example the reduction product of the fluidized bed reduction - has a metallization of at least 80%, preferably at least 85%. It can serve as a basis for the production of steel in subsequent processing steps.
- a mixture of gases containing components of the first reducing gas is subjected to heating.
- the heating can take place in several steps, whereby the type of heating used in the various steps can differ from one another.
- the heated mixture can be fed to the fluidized bed of the fluidized bed reduction, whereby further components can optionally be added in order to set the desired composition for the first reducing gas.
- a gas mixture entering the fluidized bed has a certain temperature, a certain pressure and a certain composition; it has a reducing effect in the fluidized bed and is the first reducing gas. Before this temperature, pressure and composition are present, the gas mixture is referred to in this application as the reducing gas precursor of the first reducing gas.
- heating of a reducing gas precursor of the first reducing gas takes place before entering the fluidized bed, this is preferably done at least partially by means of electrical heating.
- Electrical heating can be, for example, resistance heating or heating by means of a plasma produced using electrical energy. Compared to heating using a reducing gas furnace with a burner, electrical heating has the advantage that no exhaust gases are produced and less energy is lost. In a reducing gas furnace with a burner, indirect heat exchange takes place between the flue gas from the combustion carried out with the burner and the reducing gas precursor.
- heating with an indirect heat exchanger - preferably from waste heat from the top gas of the fluidized bed reduction -
- heating using a reducing gas furnace with burner heating by partial oxidation with oxygen or combinations of two or more of these.
- One burner or several burners can be used in a reducing gas furnace.
- Gas with calorific value generated during fluidized bed reduction can be used for energy purposes, which improves the energy efficiency of the process.
- Heating of a reducing gas precursor of the first reducing gas can also be carried out without electrical heating by another type of heating; for example, heating with an indirect heat exchanger from waste heat of the top gas of the fluidized bed reduction, heating by means of a reducing gas furnace with burner, heating by partial oxidation with oxygen or combinations of two or more thereof.
- a gas stream of reducing gas is introduced into the fluidized bed(s) and flows through the fluidized bed(s), where it is partially consumed as a result of the performance of reduction work.
- Used reducing gas is discharged; it is also called top gas.
- Reducing gas used during fluidized bed reduction - i.e. top gas - is used up in the sense of a reduction in the reduction potential.
- Used reducing gas has a lower reduction potential than fresh reducing gas because at least some of the originally present reducing components have been used up, but it can still have a reduction potential if it still contains reducing components.
- the top gas still contains reducing components - for example when using the first reducing gas, hydrogen H2 - so recirculation of top gas or use of top gas to prepare the first reducing gas is sensible.
- top gas also contains nitrogen N2.
- N2 nitrogen
- the top gas also contains reducing components, it also has a calorific value.
- top gas discharged from the recirculation circuit As fuel.
- the calorific value of the discharged top gas can be used energetically in the process, which improves the energy efficiency of the process. Burners can also be operated with other fuels, or with mixtures of other fuels and discharged top gas.
- the electrical heating can, for example, take place before heating by means of a reducing gas furnace with burner and/or afterwards. It is preferable to carry out electrical heating after heating by means of a reducing gas furnace with burner. This allows the use of less temperature-resistant materials for the reducing gas furnace and leads to less energy loss in the exhaust gas of the reducing gas furnace.
- a reducing gas precursor of the first reducing gas is heated at least partially by means of heat exchange with top gas.
- the heat content of the discharged top gas can be used energetically in the process, which improves the energy efficiency of the process.
- other types of heating can also be used, for example the types of electrical heating mentioned above and heating by means of a reducing gas furnace with burner, heating by partial oxidation.
- heating can begin with an indirect heat exchanger from waste heat of the top gas of the fluidized bed reduction, followed by electrical heating, followed by heating using a reducing gas furnace with burner, followed by direct heating of the fuel gas using partial oxidation.
- electrical heating it may be useful to swap the order of electrical heating and reducing gas furnace.
- heating of a reducing gas precursor of the first reducing gas is carried out by indirect heat exchange with top gas before electrical heating or heating by means of a reducing gas furnace with burner is carried out.
- the first reducing gas comprises at least one hydrocarbon-containing gas.
- hydrocarbon-containing gas - for example methane, natural gas, higher hydrocarbons - is then mixed with hydrogen H2 and nitrogen N2.
- One hydrocarbon-containing gas or several hydrocarbon-containing gases can be used.
- the proportion of hydrocarbon-containing gas in the first reducing gas can be up to 25 vol%, preferably up to 15 vol%.
- the addition of hydrocarbon-containing gas can be carried out, for example, before heating a reducing gas precursor of the first reducing gas. It can also be carried out after heating a reducing gas precursor of the first reducing gas.
- the hydrocarbon-containing gas enables the introduction of carbon into the reduction product - metallized by the fluidized bed reduction.
- it can be used to transport heat into the fluidized bed; thus, it can help to reduce the amount of nitrogen required for a certain amount of heat to be introduced by a gas other than hydrogen. It therefore makes it easier to set a certain nitrogen content and helps to counteract an enrichment of nitrogen during recirculation.
- the fluidized bed reduction of the process according to the invention is carried out in at least one fluidized bed and produces a reduction product that is metallized.
- hydrocarbon-containing gas is added to at least one fluidized bed of the fluidized bed reduction, preferably to the fluidized bed from which the reduction product of the fluidized bed reduction is taken as a metallized product.
- the hydrocarbon-containing gas is preferably added in an amount of substance that corresponds to up to 25 mol%, preferably at least up to 15 mol% of the first reduction gas.
- the process according to the invention for producing a metallized product from metal oxide-containing material it is carried out in at least two fluidized beds.
- the metal oxide-containing material or, if applicable, the reduction product passes through these one after the other.
- the method according to the invention for producing a metallized product from material containing metal oxide also includes adding at least one treatment gas to a fluidized bed.
- a fluidized bed in which fluidized bed reduction takes place and/or to a fluidized bed in which no fluidized bed reduction takes place - because, for example, all of the particulate material introduced into the fluidized bed has already been reduced, i.e. is a reduction product.
- the fluidized bed into which treatment gas is added is therefore a fluidized bed made of fluidized particles of material containing metal oxide and/or of fluidized particles of reduction product.
- the treatment gas has no oxidizing capacity; it has a reducing effect on material containing metal oxide - preferably material containing iron oxide - and contributes to setting a reducing atmosphere in the fluidized bed. If the particulate material introduced into a fluidized bed supplied with treatment gas is still partially is oxidized, it can be reduced by the treatment gas, then fluidized bed reduction takes place in this fluidized bed, and the treatment gas is also another reducing gas, for example a second reducing gas. Preferably only the treatment gas is used to produce the fluidized bed by fluidizing particles, but other gases can also be used to contribute to the fluidization.
- the first reducing gas is not to be classified as a treatment gas; the first reducing gas and the treatment gas are different gases.
- a treatment gas entering a fluidized bed has a certain temperature, a certain pressure and a certain composition. Before this temperature, pressure and composition are present, a gas or a gas mixture that is a basis for producing the treatment gas is a precursor of the treatment gas.
- At least one fluidized bed into which treatment gas is added is arranged after the fluidized bed or beds into which first reducing gas is added, as seen in the flow direction of the metal oxide-containing material as it passes through the fluidized beds in the course of the process.
- the treatment gas comprises at least one hydrocarbon-containing gas with a proportion of at least 50 vol%.
- the hydrocarbon-containing gas can be, for example, methane CH4 or a higher hydrocarbon or several higher hydrocarbons, or mixtures thereof; it can also be natural gas.
- the metallized product of the process according to the invention is preferably taken from a fluidized bed into which treatment gas has been added. Such a metallized product contains carbon, preferably as cementite Fe3C in addition to dissolved carbon.
- the treatment gas contributes to carburization; the fluidized bed into which it is introduced is also referred to as the carburizing fluidized bed in the context of this application.
- the top gas emerging from the carburizing fluidized bed is referred to as the carburizing top gas in the context of this application.
- carburizing top gas is taken from at least one carburizing fluidized bed and at least partially recirculated via a recirculation circuit into this carburizing fluidized bed and/or into another carburizing fluidized bed, wherein Combination with fresh gas containing hydrocarbons - i.e. gas that has not yet been used in a carburizing fluidized bed - such as methane CH4, higher hydrocarbons, natural gas - takes place.
- fresh gas containing hydrocarbons - i.e. gas that has not yet been used in a carburizing fluidized bed - such as methane CH4, higher hydrocarbons, natural gas - takes place.
- Treatment steps can also take place in the recirculation circuit, such as dedusting the carburizing top gas - wet or dry -, compression, heat exchange to heat another medium - for example the treatment gas, the first reducing gas, water or steam to generate steam or superheated steam -, heating of the recirculated gas stream.
- a two-stage heating process For heating, it is preferable to carry out a two-stage heating process, with a first stage of convective heating up to a maximum temperature of 450°C and a second stage of heating to a temperature above 700°C using resistance heating or plasma burners or self-combustion after oxygen injection.
- the critical temperature window of 450 - 700°C with regard to carbon deposition from carbon-rich gases and metal dusting is passed through more quickly than if convective heating were used to heat above 450°C.
- water H2O can also be introduced into the gas circuit. This can be done before or after heating, or between the two stages; it is preferably done before heating.
- a partial flow of the carburizing top gas - if necessary after one or more treatment steps - is used to prepare the first reducing gas.
- a portion of the carburizing top gas - if necessary after one or more treatment steps - is used as fuel to heat a reducing gas precursor of the first reducing gas using a reducing gas furnace with a burner.
- the calorific value of the carburizing top gas can be used energetically in the process, which improves the energy efficiency of the process.
- the metallized product of the process according to the invention can be added to an EAF or a melting unit for further processing, for example to produce steel based on the metallized product. For this purpose, it is either fed in fine form directly or via an intermediate compaction unit.
- the compaction step is completely isolated from the environment and air supply.
- the compaction step has a gas circuit that consists only of inert gas components such as nitrogen N2.
- oxygen is injected into the last fluidized bed reactor as seen in the gas flow direction and/or into the reducing gas supplied to the last fluidized bed reactor as seen in the gas flow direction in order to reduce or prevent magnetite formation in this fluidized bed reactor.
- water can also be injected.
- the reducing gas quality of the first reducing gas and/or the treatment gas is adjusted by adding water or water vapor to a reducing gas precursor of the first reducing gas and/or a precursor of the treatment gas. It is preferred to add water vapor to heated reducing gas precursors.
- Steam for addition can be generated, for example, by indirect heat exchange with a hot gas stream present in the process. This can be, for example, carburizing top gas.
- Heat content of carburizing top gas can also be used for other purposes in the process, for example to heat a precursor of the treatment gas.
- the top gas of the fluidized bed reduction and/or the carburizing top gas is dedusted. This is preferably done by dry dedusting. However, it can also be done by wet dedusting.
- the device also comprises a material feed device for feeding metal oxide-containing material into the fluidized bed unit, as well as a material removal device for removing metallized product from the fluidized bed unit.
- the device also comprises a top gas discharge line for discharging top gas from the fluidized bed unit.
- a top gas recirculation line is also present, which serves to feed top gas to the reducing gas addition line and optionally has treatment devices such as for example compressors, dust removal devices - for example for dry dust removal or wet dust removal -, heat exchangers.
- the top gas recirculation line has an outlet branch through which a portion of the top gas can be discharged from the recirculation circuit if required.
- the reducing gas addition line is used to guide reducing gas precursors of the first reducing gas or to guide the first reducing gas, and opens into the fluidized bed unit.
- Addition lines for adding hydrogen and/or adding lines for adding nitrogen can open into the reducing gas addition line;
- addition lines for adding other components of the first reducing gas can also open into the reducing gas addition line, such as top gas recirculation line, carburizing top gas line.
- the at least two fluidized bed reactors are connected in series with respect to the flow of the metal oxide-containing material. According to one embodiment, they are also connected in series with respect to the gas flow, wherein the gas flow of the first reducing gas occurs in the opposite direction to the material flow.
- Such a device is suitable for carrying out a method according to the invention.
- the reducing gas supply line has a heating device. This serves to heat a
- the heating device is preferably a device for electrical heating. Electrical heating can be, for example, a resistance heater or heating by a plasma produced using electrical energy.
- the heating device is particularly preferably a device for electrical heating using plasma.
- the heating device has, in addition to a device for electrical heating, one or more devices for heating.
- a reducing gas furnace with burner is arranged in front of a device for electrical heating, as seen along the reducing gas addition line in the direction of the fluidized bed unit.
- a heat exchanger is arranged upstream - as seen along the reducing gas addition line in the direction of the fluidized bed unit - of a device for electrical heating and/or upstream of another type of heating device.
- the discharge branch opens into a fuel supply line for the reducing gas furnace.
- a hydrocarbon addition line is present; this opens into the reducing gas addition line. It serves to add hydrocarbon-containing gas into the reducing gas addition line in order to prepare a hydrocarbon-containing reducing gas precursor of the first reducing gas. Preferably, it opens into the reducing gas addition line upstream of the heating device, as viewed in the direction of the fluidized bed unit.
- a hydrocarbon feed line is present; this opens into a fluidized bed reactor of the fluidized bed unit. It serves to feed hydrocarbon-containing gas into the fluidized bed reactor. Preferably, it opens into the fluidized bed reactor for fluidized bed reduction, from which the reduction product of the fluidized bed reduction is taken as a metallized product.
- hydrocarbon feed lines There may also be several hydrocarbon feed lines.
- a treatment gas addition line is present; this opens into a fluidized bed reactor of the fluidized bed unit. It serves to add treatment gas to the fluidized bed reactor.
- At least one carburizing stop gas line is present; such a line starts from a fluidized bed reactor with a treatment gas addition line. It preferably opens into the treatment gas addition line.
- the carburizing stop gas line also opens into the reducing gas addition line.
- the carburizing stop gas line also opens into a fuel supply line of a reducing gas furnace with burner.
- a further subject of the present application is a signal processing device with a machine-readable program code, characterized in that it has control and/or regulating commands for carrying out a method according to the invention.
- a further subject is a signal processing device for carrying out a method according to one of claims 1 to 8.
- the signal processing device is part of a control and/or regulating system of a device for producing a metallized product from metal oxide-containing material.
- a further subject matter of the present application is a machine-readable program code for a signal processing device - which is part of a control and/or regulation of a device for producing a metallized product from material containing metal oxide -, characterized in that the program code has control and/or regulation commands which cause the signal processing device to carry out a method according to the invention.
- a further subject matter is a computer program product comprising commands for a signal processing device - which is part of a control and/or regulation of a device for producing a metallized product from material containing metal oxide - which, when the program for the signal processing device is executed, cause it to carry out the method according to one of claims 1 to 8.
- a further subject matter of the present application is a storage medium with a machine-readable program code according to the invention stored thereon.
- a further subject matter is a storage medium with a computer program stored thereon for carrying out a method according to one of claims 1 to 8.
- a further subject matter of the present application is a control and/or regulation of a device for producing a metallized product from metal oxide-containing material with a computer containing a computer program product comprising instructions which, when the computer program is executed by the computer, cause the computer to carry out the steps of a method according to one of claims 1 to 8.
- a further subject matter of the present application is a computer program product comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of a method according to one of claims 1 to 8.
- a further subject matter of the present application is a computer-readable data carrier on which such a computer program product is stored.
- Figure 1 shows a device 10 for producing a metallized product 20 from metal oxide-containing material 30 using a first reducing gas. It comprises a fluidized bed unit 40 with four fluidized bed reactors 41, 42, 43, 44 and a reducing gas addition line 50 for adding the first reducing gas to the fluidized bed unit 40.
- the four fluidized bed reactors 41, 42, 43, 44 are connected in series as a cascade of fluidized bed reactors with respect to the flow of the metal oxide-containing material 30. They are also connected in series with respect to the gas flow, with the gas flow of the first reducing gas occurring in the opposite direction to the material flow.
- the device 10 also comprises a material feed device 60 for feeding metal oxide-containing material 30 into the fluidized bed unit 40, as well as a material removal device 70 for removing metallized product 20 from the Fluidized bed unit 40.
- the device also includes a top gas outlet 80 for discharging top gas from the fluidized bed unit 40.
- an optional top gas recirculation line 90 for supplying top gas to the reducing gas addition line 50. In the variant shown, this has treatment devices such as compressor 100 and dedusting device 110 - for example for wet dedusting.
- the top gas recirculation line 90 has a discharge branch 120 through which a portion of the top gas can be discharged from the recirculation circuit if required.
- the reducing gas addition line 50 opens into the fluidized bed unit 40.
- a branch of the top gas recirculation line 90 also opens into the reducing gas addition line, so that top gas can be recirculated into the reducing gas circuit.
- the device 10 is used to carry out a method for producing a metallized product 20 from metal oxide-containing material 30.
- fluidized bed reduction of the metal oxide-containing material 30 takes place in the fluidized bed reactors 41, 42, 43, 44 using the first reducing gas.
- the first reducing gas comprises hydrogen and nitrogen, the hydrogen content being at least 70 vol% and the nitrogen content being in a range from 5 vol% to 30 vol%.
- the heating device is a reducing gas furnace with burner 150, which can be supplied with top gas as fuel from the top gas recirculation line 90 via the discharge branch 160 that opens into a fuel supply line for the reducing gas furnace.
- Other fuels can also be used, these are supplied via corresponding addition lines; only one such addition line 170 is shown as an example.
- the oxidizing agent - for example oxygen or oxygen-containing gas such as air - can be supplied via an optionally available oxidizing agent line 171.
- the heating device could also be a device for electrical heating, which is not separately shown; this could operate without the supply of oxidizing agent or fuel.
- Figure 2 shows largely analogous to Figure 1 , such as heating a reducing gas precursor of the first reducing gas before entering the fluidized bed partly by means of electrical Heating takes place in a device for electrical heating 180.
- the electrical heating takes place in the gas flow direction after the reducing gas furnace 150 of the heating device.
- Figure 3 shows largely analogous to Figure 2 , such as heating of a reducing gas precursor of the first reducing gas, which is carried out at least partially by means of heat exchange with top gas. Heating of a reducing gas precursor of the first reducing gas is carried out by indirect heat exchange with top gas before electrical heating or heating by means of a reducing gas furnace 150 with burner is carried out.
- a heat exchanger 190a is installed in front of the device for electrical heating 180 and the reducing gas furnace 150 with burner, as seen along the reducing gas addition line 50 in the direction of the fluidized bed unit.
- Figure 4 shows in to Figure 3 In a largely analogous representation, two variants of how hydrocarbon-containing gas can be introduced into the fluidized bed reduction. Both variants can be implemented individually or together.
- a hydrocarbon addition line 200 - for example for the addition of natural gas - flows into the reduction gas addition line 50, in the example shown before heating steps.
- a hydrocarbon feed line 210 - for example for feeding in natural gas - flows into a fluidized bed reactor of the fluidized bed unit; the opening into the fluidized bed reactor 44 for fluidized bed reduction is shown, from which the reduction product of the fluidized bed reduction is taken as a metallized product 20.
- Figure 5 shows a variant of a device 220 for producing a metallized product 20 from metal oxide-containing material 30 using a first reducing gas. It comprises a fluidized bed unit 230 with four fluidized bed reactors 231, 232, 233, 240 and a reducing gas addition line 250 for adding the first reducing gas to the fluidized bed reactor 233 of the fluidized bed unit 230.
- the four fluidized bed reactors 231, 232, 233, 240 are connected in series as a cascade of fluidized bed reactors with respect to the flow of the metal oxide-containing material 30. They are also connected in series with respect to the gas flow, with the gas flow of the first reducing gas from fluidized bed reactor 233 to fluidized bed reactor 231 taking place in the opposite direction to the material flow. The material flow takes place from fluidized bed reactor 231 in the direction of fluidized bed reactor 240.
- the device 220 is used to carry out a method for producing a metallized product 20 from metal oxide-containing material 30. For this purpose, using the first Reducing gas fluidized bed reduction of the metal oxide-containing material 30 in the fluidized bed reactors 231,232,233.
- a treatment gas addition line 260 opens into the fluidized bed reactor 240 of the fluidized bed unit 230. It serves to add treatment gas to the fluidized bed reactor 240.
- the fluidized bed reactor 240 contains a fluidized bed of fluidized particles of reduction product of the fluidized bed reduction that took place by means of the first reduction gas in the fluidized bed reactors 231, 232, 233.
- the treatment gas comprises at least one hydrocarbon-containing gas with a proportion of at least 50 vol%.
- the metallized product of the process according to the invention is taken from the fluidized bed of the fluidized bed reactor 240.
- This fluidized bed is a carburizing fluidized bed.
- a carburizing top gas line 270 extends from the fluidized bed reactor 240 and opens into the treatment gas addition line 260.
- Carburizing top gas is taken from the carburizing fluidized bed in the fluidized bed reactor 240 via this line and is at least partially recirculated into this carburizing fluidized bed via a recirculation circuit via its recirculation gas inlet section 280, combining with fresh hydrocarbon-containing gas - in the case shown, natural gas - which is provided via the natural gas supply line 290.
- the recirculation circuit also shows the optional treatment steps of dedusting the carburizing top gas in the deduster 300 and compression in the compressor 310, heating the recirculated gas flow in the gas heater 320.
- the deduster 300 can be a device for wet dedusting or a device for dry dedusting. If it is a device for dry dedusting, a heat exchanger can optionally be present in front of it for the purpose of cooling the carburizing top gas before dry dedusting.
- a branch of the carburizing top gas line 270 also opens into the reducing gas addition line 250, which enables use of a partial flow of the carburizing top gas to prepare the first reducing gas.
- Figure 6 shows largely analogous to the Figures 1 and 5 , such as carburizing top gas in addition to the Figure 5 shown use can also be used as fuel for a reduction gas furnace 330 with burner.
- a branch of the carburizing gas line 270 - shown is a branch of this branch from its section recirculation line 280 - flows into a fuel supply line for the reduction gas furnace 330 with burner.
- FIG. 6 Shown are optionally available water addition lines 340,341,342 for adding water and/or water vapor into reducing gas precursors of the first reducing gas or into precursors of the treatment gas.
- Figure 7 shows an example of the origin of a reducing gas precursor of the first reducing gas using an excerpt from Figures 1 to 4 .
- a reducing gas precursor is provided via a precursor feed line 350 and mixed with gas from the recirculation circuit via the top gas recirculation line 90.
- hydrogen and nitrogen are subsequently added via the addition lines 130 and 140.
- a steam reformer 360 a gas mixture is produced from natural gas 370 with steam 380, the carbon dioxide CO2 content of which is reduced in a CO2 separation device 390.
- the gas mixture obtained in this way is provided as a reducing gas precursor of the first reducing gas via the precursor feed line 350.
- a reducing gas precursor of the first reducing gas supplied analogously via a precursor feed line 350, can also come from other sources
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Produktes (20) aus metalloxidhaltigem Material (30), umfassend Wirbelschichtreduktion des metalloxidhaltigen Materials (30), bei der zumindest ein erstes Reduktionsgas umfassend Wasserstoff und Stickstoff eingesetzt wird. Im ersten Reduktionsgas beträgt der Gehalt an Wasserstoff zumindest 70 Vol% und der Gehalt an Stickstoff liegt in einem Bereich von 5 Vol% bis 30 Vol%, bevorzugt 5 - 20 Vol %.Vorrichtung (10) zur Herstellung eines metallisierten Produktes (20) aus metalloxidhaltigem Material (30) unter Einsatz eines ersten Reduktionsgases mit einem Gehalt an Wasserstoff von zumindest 70 Vol% und einem Gehalt an Stickstoff von 5 Vol% bis 30 Vol%, umfassend ein Wirbelschichtaggregat (40) mit zumindest zwei Wirbelschichtreaktoren (41,42,43,44), und eine Reduktionsgaszugabeleitung (50) zur Zugabe des ersten Reduktionsgases in das Wirbelschichtaggregat (40).Method for producing a metallized product (20) from metal oxide-containing material (30), comprising fluidized bed reduction of the metal oxide-containing material (30), in which at least a first reducing gas comprising hydrogen and nitrogen is used. In the first reducing gas, the hydrogen content is at least 70 vol.% and the nitrogen content is in a range from 5 vol.% to 30 vol.%, preferably 5 - 20 vol.%.Device (10) for producing a metallized product (20) from metal oxide-containing material (30) using a first reducing gas with a hydrogen content of at least 70 vol.% and a nitrogen content of 5 vol.% to 30 vol.%, comprising a fluidized bed unit (40) with at least two fluidized bed reactors (41,42,43,44), and a reducing gas addition line (50) for adding the first reducing gas to the fluidized bed unit (40).
Description
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material umfassend Wirbelschichtreduktion des metalloxidhaltigen Materials, bei der zumindest ein erstes Reduktionsgas umfassend Wasserstoff und Stickstoff eingesetzt wird. Sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material unter Einsatz eines ersten Reduktionsgases mit einem Gehalt an Wasserstoff von zumindest 70 Vol% und einem Gehalt an Stickstoff von 5 Vol% bis 30 Vol%.The application relates to a method for producing a metallized product from metal oxide-containing material, comprising fluidized bed reduction of the metal oxide-containing material, in which at least a first reducing gas comprising hydrogen and nitrogen is used. It also relates to a device for producing a metallized product from metal oxide-containing material using a first reducing gas with a hydrogen content of at least 70 vol% and a nitrogen content of 5 vol% to 30 vol%.
Es ist bekannt, metalloxidhaltiges, beispielsweise eisenoxidhaltiges, Material - wie beispielsweise Erze - mittels reduzierenden Gases zu reduzieren. So etwa mittels Direktreduktion mit Reduktionsgas in einem Reduktionsaggregat, das beispielsweise eine Kaskade von Wirbelschichtreaktoren zur Direktreduktion von feinteilchenförmigem Material umfasst. Zur Verminderung des CO2-Ausstoßes bei der Reduktion von metalloxidhaltigem Material ist es bekannt, Wasserstoff H2 als reduzierendes Gas zu verwenden. Dabei kann Wasserstoff als einziges Reduktionsgas verwendet werden, oder in Kombination mit anderen Gasen, beispielsweise erdgasbasierten Reduktionsgasen. Je größer der Anteil von CO2 neutralem Wasserstoff H2 im Reduktionsgas ist, desto weniger CO2 wird emittiert.It is known to reduce material containing metal oxides, for example iron oxides - such as ores - using reducing gas. For example, by means of direct reduction with reducing gas in a reduction unit, which for example comprises a cascade of fluidized bed reactors for the direct reduction of fine-particle material. To reduce CO2 emissions during the reduction of material containing metal oxides, it is known to use hydrogen H2 as a reducing gas. Hydrogen can be used as the only reducing gas, or in combination with other gases, for example natural gas-based reducing gases. The greater the proportion of CO2-neutral hydrogen H2 in the reducing gas, the less CO2 is emitted.
Reduktion eisenoxidhaltigen Materials mit Wasserstoff H2 verläuft endotherm. Zur Aufrechterhaltung der zur ökonomisch sinnvollen Durchführung der Reduktionsreaktionen notwendigen kinetischen und thermodynamischen Bedingungen ist daher laufend Energiezufuhr in das Reduktionsaggregat notwendig. Energie kann über das Reduktionsgas zugeführt werden, und dabei beispielsweise über zugeführte Menge und Temperatur des Reduktionsgases gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Wenn reduzierend wirkende Komponenten des Reduktionsgases - wie beispielsweise Wasserstoff H2 - als Wärmeträger genutzt werden, um die zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Temperatur für endotherme Reaktionsabläufe notwendige Energie in das Reduktionsaggregat einzubringen, müssen diese Komponenten in bezüglich der Reduktionsreaktionen deutlich überstöchiometrischen Mengen bereitgestellt werden. Überstöchiometrisch bereitgestellte reduzierende Komponenten des Reduktionsgases werden bei der Reduktion nicht verbraucht und können nach Verlassen des Reduktionsaggregats rezirkuliert werden. Bereitstellung von reduzierenden Komponenten, speziell von Wasserstoff H2, ist jedoch in der Regel mit Aufwand bezüglich beispielsweise Kosten, Energie, notwendigen Apparaten verbunden. Um diesen Aufwand gering zu halten, ist man bestrebt, auf Bereitstellung überstöchiometrischer Mengen reduzierender Komponenten möglichst zu verzichten.Reduction of iron oxide-containing material with hydrogen H2 is endothermic. In order to maintain the kinetic and thermodynamic conditions necessary for the economically viable implementation of the reduction reactions, a continuous supply of energy to the reduction unit is therefore necessary. Energy can be supplied via the reducing gas and can be controlled or regulated, for example, via the amount and temperature of the reducing gas supplied. If reducing components of the reducing gas - such as hydrogen H2 - are used as heat carriers in order to introduce the energy required to maintain a desired temperature for endothermic reaction processes into the reduction unit, these components must be provided in quantities that are significantly overstoichiometric with respect to the reduction reactions. Reducing components of the reducing gas provided overstoichiometrically are not consumed during the reduction and can be recirculated after leaving the reduction unit. Provision of reducing components, especially of hydrogen H2, is usually associated with expenditure in terms of costs, energy, and necessary equipment. In order to keep this expenditure to a minimum, efforts are made to avoid providing superstoichiometric amounts of reducing components wherever possible.
Anwesenheit von Kohlenstoff in direktreduziertem Eisen direct reduced iron DRI ist erwünscht, da seine Anwesenheit beim Aufschmelzen des DRI zur Erniedrigung der Schmelztemperatur beiträgt, er reduzierend wirken kann, und er als Energielieferant dienen kann. Bei Reduktionsverfahren unter Nutzung kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltiger Reduktionsmittel im Reduktionsgas steht Kohlenstoff zur Verfügung. Anders als kohlenstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltige Reduktionsmittel im Reduktionsgas liefert das Reduktionsmittel Wasserstoff H2 keinen Kohlenstoff, der im entstehenden metallisierten Reduktionsprodukt enthalten sein kann. Das bringt Nachteile bezüglich der Verarbeitbarkeit des mit diesem Reduktionsmittel direktreduzierten Eisens mit sich.The presence of carbon in direct reduced iron (DRI) is desirable because its presence contributes to lowering the melting temperature when melting the DRI, it can have a reducing effect and it can serve as an energy supplier. Carbon is available in reduction processes using carbon- and/or hydrocarbon-containing reducing agents in the reducing gas. Unlike carbon- and/or hydrocarbon-containing reducing agents in the reducing gas, the reducing agent hydrogen H2 does not provide any carbon, which can be contained in the resulting metallized reduction product. This brings with it disadvantages with regard to the processability of the iron directly reduced with this reducing agent.
Es sollen Verfahren und Vorrichtungen vorgestellt werden, die es erlauben, zumindest einige der voranstehend genannten Nachteile zu vermindern oder zu vermeiden.The aim is to present methods and devices that make it possible to reduce or avoid at least some of the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material,
- umfassend Wirbelschichtreduktion des metalloxidhaltigen Materials, bei der zumindest ein erstes Reduktionsgas umfassend Wasserstoff und Stickstoff eingesetzt wird,
- dadurch gekennzeichnet, dass
- im ersten Reduktionsgas
- der Gehalt an Wasserstoff zumindest 70 Vol% beträgt
- und der Gehalt an Stickstoff in einem Bereich von 5 Vol% bis 30 Vol%, bevorzugt 5 - 20 Vol %, liegt.
- comprising fluidized bed reduction of the metal oxide-containing material, in which at least a first reducing gas comprising hydrogen and nitrogen is used,
- characterized in that
- in the first reducing gas
- the hydrogen content is at least 70 vol%
- and the nitrogen content is in a range of 5 vol% to 30 vol%, preferably 5 - 20 vol%.
Bei dem metalloxidhaltigen Material handelt es sich bevorzugt um eisenoxidhaltiges Material.The material containing metal oxide is preferably iron oxide-containing material.
Das metalloxidhaltige Material wird durch das erste Reduktionsgas - und gegebenenfalls ein oder mehrere weitere Reduktionsgase, wie beispielsweise ein zweites Reduktionsgas - reduziert. Bei einer Wirbelschichtreduktion wird das metalloxidhaltige Material durch einen Strom von Reduktionsgas fluidisiert, also in einer Wirbelschicht gehalten. Es ist bekannt, dass dabei guter Wärmeaustausch zwischen Reduktionsgas und metalloxidhaltigem Material stattfindet, und eine große Oberfläche zum Ablauf von Reaktionen zwischen Reduktionsgas und metalloxidhaltigem Material zur Verfügung steht. Es kann eine Wirbelschicht vorhanden sein, die gegebenenfalls mehrere Zonen hat, oder es können mehrere, parallel oder sequenziell geschaltete, Wirbelschichten vorhanden sein - beispielsweise in einer Kaskade von Wirbelschichtreaktoren.The metal oxide-containing material is reduced by the first reducing gas - and optionally one or more further reducing gases, such as a second reducing gas. In a fluidized bed reduction, the metal oxide-containing material is fluidized by a stream of reducing gas, i.e. kept in a fluidized bed. It is known that good heat exchange takes place between the reducing gas and the metal oxide-containing material, and a large surface is available for reactions to take place between the reducing gas and the metal oxide-containing material. There can be a fluidized bed, which may have several zones, or there can be several fluidized beds connected in parallel or sequentially - for example in a cascade of fluidized bed reactors.
Das metallisierte Produkt hat einen Metallisierungsgrad, der über dem Metallisierungsgrad des metalloxidhaltigen Materials liegt. Das metallisierte Produkt kann das Reduktionsprodukt der Wirbelschichtreduktion sein - wenn das Verfahren nur Wirbelschichtreduktion umfasst -, oder es kann durch eine im Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Produktes gegebenenfalls zusätzlich erfolgende weitere Behandlung des Reduktionsproduktes der Wirbelschichtreduktion erhalten werden.The metallized product has a degree of metallization which is higher than the degree of metallization of the metal oxide-containing material. The metallized product can be the reduction product of the fluidized bed reduction - if the process only comprises fluidized bed reduction - or it can be obtained by a further treatment of the reduction product of the fluidized bed reduction which may be additionally carried out in the process for producing a metallized product.
Das erste Reduktionsgas umfasst beziehungsweise enthält zumindest Wasserstoff H2 und Stickstoff N2; wenn das die einzigen Komponenten des ersten Reduktionsgases sind, besteht es aus Wasserstoff H2 und Stickstoff N2. Der Gehalt an Wasserstoff H2 beträgt zumindest 70 Vol%. Wasserstoff H2 dient als reduzierend wirkende Komponente des ersten Reduktionsgases. Wasserstoff H2 kann die einzige reduzierend wirkende Komponente des ersten Reduktionsgases sein, oder es können neben Wasserstoff H2 auch noch andere reduzierend wirkende Komponenten im ersten Reduktionsgas vorhanden sein; beispielsweise geliefert aus Reformierung von Erdgas wie beispielsweise Dampfreformierung oder CO2-Reformierung.The first reducing gas comprises or contains at least hydrogen H2 and nitrogen N2; if these are the only components of the first reducing gas, it consists of hydrogen H2 and nitrogen N2. The hydrogen H2 content is at least 70 vol%. Hydrogen H2 serves as the reducing component of the first reducing gas. Hydrogen H2 can be the only reducing component of the first reducing gas, or other reducing components can be present in the first reducing gas in addition to hydrogen H2; for example, supplied from reforming of natural gas such as steam reforming or CO2 reforming.
Der Gehalt an Stickstoff N2 beträgt zumindest 5 Vol%; und bis zu 30 Vol%, bevorzugt bis zu 20 Vol%. Eine Funktion des Stickstoffs ist, Wärme in die Wirbelschicht zu transportieren; von ihm in die Wirbelschicht transportierte Wärme muss nicht von reduzierend wirkenden Komponenten des ersten Reduktionsgases in die Wirbelschicht eingebracht werden. Je mehr Stickstoff vorhanden ist, desto weniger reduzierend wirkende Komponenten des ersten Reduktionsgases müssen zum Wärmetransport überstöchiometrisch bereitgestellt werden. Bei einem Stickstoffgehalt über 30 Vol% würde die Reduktionskraft des ersten Reduktionsgases durch den hohen Anteil an - bezüglich Reduktion des metalloxidhaltigen Materials inertem - Stickstoff jedoch zu sehr eingeschränkt sein.The nitrogen N2 content is at least 5 vol% and up to 30 vol%, preferably up to 20 vol%. One function of nitrogen is to transport heat into the fluidized bed; heat transported by it into the fluidized bed does not have to be introduced into the fluidized bed by reducing components of the first reducing gas. The more nitrogen there is, the fewer reducing components of the first reducing gas have to be provided in excess of stoichiometric amounts for heat transport. With a nitrogen content of more than 30 vol%, however, the reducing power of the first reducing gas would be too limited by the high proportion of nitrogen, which is inert with regard to the reduction of the metal oxide-containing material.
Der Stickstoffgehalt im ersten Reduktionsgas soll zumindest 5 Vol% betragen, damit der Effekt als Wärmeträger beziehungsweise der Verminderung der Notwendigkeit, reduzierend wirkende Komponenten des ersten Reduktionsgases in überstöchiometrischen Mengen bereitzustellen, genügend ausgeprägt ist.The nitrogen content in the first reducing gas should be at least 5 vol% so that the effect as a heat carrier or the reduction of the need to provide reducing components of the first reducing gas in superstoichiometric quantities is sufficiently pronounced.
Neben Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 können gegebenenfalls auch noch andere Komponenten im ersten Reduktionsgas vorhanden sein, beispielsweise Wasser H2O, Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid CO2, höhere Kohlenwasserstoffe.In addition to hydrogen H2 and nitrogen N2, other components may also be present in the first reducing gas, such as water H2O, carbon monoxide CO, carbon dioxide CO2, and higher hydrocarbons.
Über den Gehalt an Stickstoff N2 im ersten Reduktionsgas kann die Reduktionsgasqualität verändert werden. Bei Verwendung einer Kaskade mehrerer Wirbelschichten bei der Wirbelschichtreduktion kann über den Gehalt an Stickstoff die Reduktionsgasqualität und die Temperatur in verschiedenen Wirbelschichten und damit die Reduktionsrate verändert werden, und der Ort der Reduktion im die mehrere, die Wirbelschichten enthaltenden, Wirbelschichtreaktoren umfassenden Reduktionsaggregat verändert werden.The quality of the reduction gas can be changed by the nitrogen N2 content in the first reduction gas. When using a cascade of several fluidized beds in fluidized bed reduction, the quality of the reduction gas and the temperature in different fluidized beds and thus the reduction rate can be changed by the nitrogen content, and the location of the reduction in the reduction unit comprising several fluidized bed reactors containing the fluidized beds can be changed.
Die Reduktionsgasqualität wird beispielsweise ausgedrückt als GOD (Gas Oxidation Degree) welcher wie folgt definiert ist:
(H2O+CO2)/(H2O+CO2+H2+CO), also als Verhältnis der entsprechenden Summen von Konzentrationen der einzelnen Komponenten in Vol% für die Komponenten Wasser H2O, Kohlendioxid CO2, Wasserstoff H2, Kohlenmonoxid CO. Zusätzlich ist die Summe der Konzentrationen von Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2 in Vol% ein Hinweis auf die Reduktionsgasqualität des Reduktionsgases, da diese Komponenten für die Reduktion benötigt werden.The reducing gas quality is expressed, for example, as GOD (Gas Oxidation Degree) which is defined as follows:
(H2O+CO2)/(H2O+CO2+H2+CO), i.e. as the ratio of the corresponding sums of concentrations of the individual components in vol% for the components water H2O, carbon dioxide CO2, hydrogen H2, carbon monoxide CO. In addition, the sum of the concentrations of carbon monoxide CO and hydrogen H2 in vol% is an indication of the reducing gas quality of the reducing gas, since these components are required for the reduction.
Die Reduktionsrate beschreibt im Falle von Eisenoxid den Abbau des Sauerstoffs pro Zeiteinheit, beispielsweise in Kilogramm kg Sauerstoff pro Sekunde s. Falls der Massendurchsatz vom Eisen variierbar ist, kann man auch die spezifische Reduktionsrate heranziehen als kg Sauerstoff pro kg Eisen und pro s (kg O / (kg Fe * s)).In the case of iron oxide, the reduction rate describes the removal of oxygen per unit of time, for example in kilograms (kg oxygen per second s). If the mass flow rate of iron is variable, the specific reduction rate can also be used as kg oxygen per kg iron and per s (kg O / (kg Fe * s)).
Im Vergleich zu Wasserstoff H2 zunehmender Anteil an Stickstoff N2 im ersten Reduktionsgas ermöglicht aufgrund seines höheren Molekulargewichtes, höherer Dichte und höherer Viskosität auch einfacheres Düsendesign bei Verwendung von Gasverteilböden mit Düsen zur Erzeugung einer Wirbelschicht.Compared to hydrogen H2, the increasing proportion of nitrogen N2 in the first reducing gas also enables simpler nozzle design when using gas distribution plates with nozzles to create a fluidized bed due to its higher molecular weight, higher density and higher viscosity.
Durch Einstellung des Anteils von Stickstoff N2 im ersten Reduktionsgas können auch die Fluidisierungseigenschaften der Wirbelschicht - beispielsweise geringere Blasengröße und höhere Ausdehnung der Wirbelschicht bei im Vergleich zu Wasserstoff zunehmendem Anteil von Stickstoff N2 aufgrund seiner im Vergleich zu Wasserstoff höheren Dichte und Viskosität - verändert werden.By adjusting the proportion of nitrogen N2 in the first reducing gas, the fluidization properties of the fluidized bed can also be changed - for example, smaller bubble size and higher expansion of the fluidized bed with an increasing proportion of nitrogen N2 compared to hydrogen due to its higher density and viscosity compared to hydrogen.
Zur Erzeugung einer Wirbelschicht muss das erste Reduktionsgas unter Druck stehen und ist daher zu komprimieren; im Vergleich zu Wasserstoff H2 zunehmender Anteil an Stickstoff N2 im ersten Reduktionsgas kann bei der Verdichtung aufgrund seines höheren Molekulargewichtes Vorteile haben, beispielsweise bei Verwendung von Radialverdichtern zur Kompression.To create a fluidized bed, the first reducing gas must be under pressure and must therefore be compressed; an increasing proportion of nitrogen N2 in the first reducing gas compared to hydrogen H2 can have advantages during compression due to its higher molecular weight, for example when using radial compressors for compression.
Das metallisierte Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens - beispielsweise das Reduktionsprodukt der Wirbelschichtreduktion - weist eine Metallisierung von zumindest 80 %, bevorzugt mindestens 85 %, auf. Es kann in nachfolgenden Verarbeitungsschritten als Grundlage zur Herstellung von Stahl dienen.The metallized product of the process according to the invention - for example the reduction product of the fluidized bed reduction - has a metallization of at least 80%, preferably at least 85%. It can serve as a basis for the production of steel in subsequent processing steps.
Die Metallisierung - auch Metallisierungsgrad MG genannt -, die in % angegeben wird, ergibt sich aus dem Verhältnis von metallischem Eisen Fe met zu
insgesamt vorhandenem Eisen Fe tot in einer Probe nach
- Fe met: metallisches Eisen in einer Probe (Massenprozent m%)
- Fe tot: insgesamt in der Probe enthaltenes Eisen (Massenprozent m%)
total iron Fe tot present in a sample after
- Fe met: metallic iron in a sample (mass percent m%)
- Fe tot: total iron contained in the sample (mass percent m%)
Bei der Zubereitung von erstem Reduktionsgas wird ein Komponenten des ersten Reduktionsgases enthaltendes Gemisch von Gasen einer Aufheizung unterzogen. Die Aufheizung kann in mehreren Schritten erfolgen, wobei die in verschiedenen Schritten angewendete Art der Aufheizung voneinander differieren kann. Das aufgeheizte Gemisch kann der Wirbelschicht der Wirbelschichtreduktion zugeführt werden, wobei optional weitere Komponenten zugeführt werden können, um die für das erste Reduktionsgas gewünschte Zusammensetzung einzustellen. Ein in die Wirbelschicht eintretendes Gasgemisch hat eine bestimmte Temperatur, einen bestimmten Druck, und eine bestimmte Zusammensetzung, es wirkt in der Wirbelschicht reduzierend und ist das erste Reduktionsgas. Bevor diese Temperatur, Druck und Zusammensetzung vorliegen, wird das Gasgemisch im Rahmen dieser Anmeldung Reduktionsgasvorläufer des ersten Reduktionsgases genannt.When preparing the first reducing gas, a mixture of gases containing components of the first reducing gas is subjected to heating. The heating can take place in several steps, whereby the type of heating used in the various steps can differ from one another. The heated mixture can be fed to the fluidized bed of the fluidized bed reduction, whereby further components can optionally be added in order to set the desired composition for the first reducing gas. A gas mixture entering the fluidized bed has a certain temperature, a certain pressure and a certain composition; it has a reducing effect in the fluidized bed and is the first reducing gas. Before this temperature, pressure and composition are present, the gas mixture is referred to in this application as the reducing gas precursor of the first reducing gas.
Wenn vor Eintritt in die Wirbelschicht Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases erfolgt, erfolgt sie bevorzugt zumindest teilweise mittels elektrischer Beheizung. Bei elektrischer Beheizung kann es sich beispielsweise um eine Widerstandsheizung handeln, oder um eine Beheizung durch ein mittels elektrischer Energie hergestelltes Plasma. Elektrische Beheizung hat im Vergleich zu einer Aufheizung mittels Reduktionsgasofen mit Brenner die Vorteile, dass keine Abgase entstehen und weniger Energieverlust auftritt. In einem Reduktionsgasofen mit Brenner erfolgt indirekter Wärmetausch von Rauchgas der mit dem Brenner durchgeführten Verbrennung mit dem Reduktionsgasvorläufer.If heating of a reducing gas precursor of the first reducing gas takes place before entering the fluidized bed, this is preferably done at least partially by means of electrical heating. Electrical heating can be, for example, resistance heating or heating by means of a plasma produced using electrical energy. Compared to heating using a reducing gas furnace with a burner, electrical heating has the advantage that no exhaust gases are produced and less energy is lost. In a reducing gas furnace with a burner, indirect heat exchange takes place between the flue gas from the combustion carried out with the burner and the reducing gas precursor.
Optional können zusätzlich zur elektrischen Beheizung auch eine andere Art der Aufheizung oder mehrere andere Arten der Aufheizung eingesetzt werden; beispielsweise Aufheizung mit indirektem Wärmetauscher - bevorzugt aus Abwärme des Topgases der Wirbelschichtreduktion -, Aufheizung mittels Reduktionsgasofen mit Brenner, Aufheizung durch partielle Oxidation mit Sauerstoff oder Kombinationen zweier oder mehrerer davon. Bei einem Reduktionsgasofen können ein Brenner oder mehrere Brenner verwendet werden.Optionally, in addition to electrical heating, another type of heating or several other types of heating can be used; for example, heating with an indirect heat exchanger - preferably from waste heat from the top gas of the fluidized bed reduction -, heating using a reducing gas furnace with burner, heating by partial oxidation with oxygen or combinations of two or more of these. One burner or several burners can be used in a reducing gas furnace.
Dabei kann im Rahmen der Wirbelschichtreduktion anfallendes Gas mit Brennwert energetisch genutzt werden, was die Energieeffizienz des Verfahrens verbessert.Gas with calorific value generated during fluidized bed reduction can be used for energy purposes, which improves the energy efficiency of the process.
Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases kann auch ohne elektrische Beheizung durch eine andere Art der Aufheizung erfolgen; beispielsweise Aufheizung mit indirektem Wärmetauscher aus Abwärme des Topgases der Wirbelschichtreduktion, Aufheizung mittels Reduktionsgasofen mit Brenner, Aufheizung durch partielle Oxidation mit Sauerstoff oder Kombinationen zweier oder mehrerer davon.Heating of a reducing gas precursor of the first reducing gas can also be carried out without electrical heating by another type of heating; for example, heating with an indirect heat exchanger from waste heat of the top gas of the fluidized bed reduction, heating by means of a reducing gas furnace with burner, heating by partial oxidation with oxygen or combinations of two or more thereof.
Ein Gasstrom von Reduktionsgas wird in die Wirbelschicht(en) eingeleitet und durchströmt die Wirbelschicht(en), wobei es infolge Verrichtung von Reduktionsarbeit teilweise verbraucht wird. Verbrauchtes Reduktionsgas wird ausgeleitet; es wird auch Topgas genannt. Bei der Wirbelschichtreduktion verbrauchtes Reduktionsgas - also Topgas - ist verbraucht im Sinne einer Verminderung des Reduktionspotentials. Verbrauchtes Reduktionsgas hat ein geringeres Reduktionspotential als frisches Reduktionsgas, weil zumindest einige ursprünglich vorhandene reduzierende Komponenten verbraucht wurden, es kann jedoch immer noch ein Reduktionspotential haben, wenn es noch immer reduzierend wirkende Komponenten enthält. Im Topgas sind noch reduzierend wirkende Komponenten - beispielsweise bei Nutzung von erstem Reduktionsgas Wasserstoff H2 - vorhanden, so dass Rezirkulierung von Topgas beziehungsweise Nutzung von Topgas zur Zubereitung von erstem Reduktionsgas sinnvoll ist. Bei der Rezirkulierung können Behandlungsschritte erfolgen, wie beispielsweise Entstaubung des Topgases - nass oder trocken -, Komprimierung, Wärmetausch. Das Topgas enthält auch Stickstoff N2. Um eine infolge Rezirkulierung auftretende Anreicherung von Stickstoff im ersten Reduktionsgas zu vermeiden, wird eine Teilmenge des Topgases aus dem Rezirkulierungskreislauf ausgeschleust. Da das Topgas auch reduzierende Komponenten enthält, besitzt es auch einen Brennwert.A gas stream of reducing gas is introduced into the fluidized bed(s) and flows through the fluidized bed(s), where it is partially consumed as a result of the performance of reduction work. Used reducing gas is discharged; it is also called top gas. Reducing gas used during fluidized bed reduction - i.e. top gas - is used up in the sense of a reduction in the reduction potential. Used reducing gas has a lower reduction potential than fresh reducing gas because at least some of the originally present reducing components have been used up, but it can still have a reduction potential if it still contains reducing components. The top gas still contains reducing components - for example when using the first reducing gas, hydrogen H2 - so recirculation of top gas or use of top gas to prepare the first reducing gas is sensible. During recirculation, treatment steps can take place, such as dedusting the top gas - wet or dry -, compression, heat exchange. The top gas also contains nitrogen N2. In order to avoid an enrichment of nitrogen in the first reducing gas as a result of recirculation, a portion of the top gas is discharged from the recirculation circuit. Since the top gas also contains reducing components, it also has a calorific value.
Wenn Aufheizung mittels Reduktionsgasofen mit Brenner erfolgt, ist es bevorzugt, aus dem Rezirkulierungskreislauf ausgeschleustes Topgas als Brennstoff zu nutzen. Dabei kann der Brennwert des ausgeschleusten Topgases im Verfahren energetisch genutzt werden, was die Energieeffizienz des Verfahrens verbessert. Brenner können aber auch mit anderen Brennstoffen betrieben werden, oder mit Gemischen aus anderen Brennstoffen und ausgeschleustem Topgas.If heating is carried out using a reducing gas furnace with a burner, it is preferable to use top gas discharged from the recirculation circuit as fuel. The calorific value of the discharged top gas can be used energetically in the process, which improves the energy efficiency of the process. Burners can also be operated with other fuels, or with mixtures of other fuels and discharged top gas.
Wenn die Beheizung sowohl mittels elektrischer Beheizung als auch mittels Reduktionsgasofen mit Brenner erfolgt, kann die elektrische Beheizung beispielsweise vor Aufheizung mittels Reduktionsgasofen mit Brenner erfolgen und/oder danach. Bevorzugt ist es, elektrische Beheizung nach Aufheizung mittels Reduktionsgasofen mit Brenner durchzuführen. Das erlaubt für den Reduktionsgasofen die Verwendung weniger temperaturbeständiger Werkstoffe, und führt zu weniger Energieverlust im Abgas des Reduktionsgasofens.If heating is carried out both by means of electrical heating and by means of a reducing gas furnace with burner, the electrical heating can, for example, take place before heating by means of a reducing gas furnace with burner and/or afterwards. It is preferable to carry out electrical heating after heating by means of a reducing gas furnace with burner. This allows the use of less temperature-resistant materials for the reducing gas furnace and leads to less energy loss in the exhaust gas of the reducing gas furnace.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases zumindest teilweise mittels Wärmeaustausch mit Topgas. Dabei kann der Wärmeinhalt des ausgeschleusten Topgases im Verfahren energetisch genutzt werden, was die Energieeffizienz des Verfahrens verbessert. Neben der Aufheizung mittels Wärmeaustausch mit Topgas können auch andere Arten von Aufheizung eingesetzt werden, beispielsweise die voranstehend erwähnten Arten elektrische Beheizung sowie Aufheizung mittels Reduktionsgasofen mit Brenner, Aufheizung durch partielle Oxidation.According to one embodiment of the method according to the invention, a reducing gas precursor of the first reducing gas is heated at least partially by means of heat exchange with top gas. The heat content of the discharged top gas can be used energetically in the process, which improves the energy efficiency of the process. In addition to heating by means of heat exchange with top gas, other types of heating can also be used, for example the types of electrical heating mentioned above and heating by means of a reducing gas furnace with burner, heating by partial oxidation.
Aus der Gruppe bestehend aus den voranstehend genannten Arten der Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers und elektrischer Beheizung können zur Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers einzelne Gruppenmitglieder verwendet werden, oder Kombinationen zweier oder mehrerer Gruppenmitglieder. Wenn Kombinationen zweier oder mehrerer Gruppenmitglieder zum Einsatz kommen, können diese in beliebiger Abfolge angeordnet sein. Es ist bevorzugt, sie gemäß dem wirtschaftlich und technologisch sinnvollsten Temperaturbereich anzuordnen. Bevorzugt kann man mit Aufheizung mit indirektem Wärmetauscher aus Abwärme des Topgases der Wirbelschichtreduktion anfangen, gefolgt von elektrischer Beheizung, gefolgt von Aufheizung mittels Reduktionsgasofens mit Brenner, gefolgt von direkter Aufheizung des Brenngases mittels partieller Oxidation. Je nach dem Konzept der elektrischen Beheizung kann es sinnvoll sein, die Reihenfolge von elektrischer Beheizung und Reduktionsgasofen zu vertauschen.From the group consisting of the above-mentioned types of heating of a reducing gas precursor and electrical heating, individual group members or combinations of two or more group members can be used to heat a reducing gas precursor. If combinations of two or more group members are used, these can be arranged in any sequence. It is preferable to arrange them according to the most economically and technologically sensible temperature range. Preferably, heating can begin with an indirect heat exchanger from waste heat of the top gas of the fluidized bed reduction, followed by electrical heating, followed by heating using a reducing gas furnace with burner, followed by direct heating of the fuel gas using partial oxidation. Depending on the concept of electrical heating, it may be useful to swap the order of electrical heating and reducing gas furnace.
Bevorzugt ist es, dass Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases mit indirektem Wärmeaustausch mit Topgas erfolgt, bevor elektrische Beheizung oder Aufheizung mittels Reduktionsgasofen mit Brenner durchgeführt wird.It is preferred that heating of a reducing gas precursor of the first reducing gas is carried out by indirect heat exchange with top gas before electrical heating or heating by means of a reducing gas furnace with burner is carried out.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das erste Reduktionsgas zumindest ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas. Bei der Zubereitung von erstem Reduktionsgas wird dann auch kohlenwasserstoffhaltiges Gas - beispielsweise Methan, Erdgas, höhere Kohlenwasserstoffe - mit Wasserstoff H2 und Stickstoff N2 vermischt. Es kann ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas verwendet werden oder mehrere kohlenwasserstoffhaltige Gase. Der Anteil von kohlenwasserstoffhaltigem Gas im ersten Reduktionsgas kann dabei bis zu 25 Vol%, bevorzugt bis zu 15 Vol%, betragen.According to one embodiment of the method according to the invention, the first reducing gas comprises at least one hydrocarbon-containing gas. When preparing the first reducing gas, hydrocarbon-containing gas - for example methane, natural gas, higher hydrocarbons - is then mixed with hydrogen H2 and nitrogen N2. One hydrocarbon-containing gas or several hydrocarbon-containing gases can be used. The proportion of hydrocarbon-containing gas in the first reducing gas can be up to 25 vol%, preferably up to 15 vol%.
Bei der Zubereitung des ersten Reduktionsgases kann Zugabe von kohlenwasserstoffhaltigem Gas beispielsweise vor der Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases erfolgen. Sie kann auch nach Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases erfolgen.When preparing the first reducing gas, the addition of hydrocarbon-containing gas can be carried out, for example, before heating a reducing gas precursor of the first reducing gas. It can also be carried out after heating a reducing gas precursor of the first reducing gas.
Das kohlenwasserstoffhaltige Gas ermöglicht einerseits Einbringung von Kohlenstoff in das - durch die Wirbelschichtreduktion metallisierte - Reduktionsprodukt. Andererseits kann es dazu dienen, Wärme in die Wirbelschicht zu transportieren; somit kann es dazu beitragen, die für eine bestimmte durch von Wasserstoff verschiedenem Gas einzutragende Wärmemenge notwendige Menge Stickstoff zu vermindern. Damit erleichtert es die Einstellung eines bestimmten Gehaltes an Stickstoff, und hilft, einer Anreicherung von Stickstoff bei Rezirkulierung entgegenzuwirken.On the one hand, the hydrocarbon-containing gas enables the introduction of carbon into the reduction product - metallized by the fluidized bed reduction. On the other hand, it can be used to transport heat into the fluidized bed; thus, it can help to reduce the amount of nitrogen required for a certain amount of heat to be introduced by a gas other than hydrogen. It therefore makes it easier to set a certain nitrogen content and helps to counteract an enrichment of nitrogen during recirculation.
Die Wirbelschichtreduktion des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in zumindest einer Wirbelschicht durchgeführt, und liefert ein Reduktionsprodukt, das metallisiert ist. Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt Zugabe von kohlenwasserstoffhaltigem Gas in zumindest eine Wirbelschicht der Wirbelschichtreduktion, bevorzugt in die Wirbelschicht, aus der das Reduktionsprodukt der Wirbelschichtreduktion als metallisiertes Produkt entnommen wird. Bevorzugt erfolgt die Zugabe von kohlenwasserstoffhaltigem Gas in einer Stoffmenge, die bis zu 25 Mol%, bevorzugt zumindest bis zu 15 Mol% des ersten Reduktionsgases entspricht.The fluidized bed reduction of the process according to the invention is carried out in at least one fluidized bed and produces a reduction product that is metallized. According to one embodiment of the process according to the invention, hydrocarbon-containing gas is added to at least one fluidized bed of the fluidized bed reduction, preferably to the fluidized bed from which the reduction product of the fluidized bed reduction is taken as a metallized product. The hydrocarbon-containing gas is preferably added in an amount of substance that corresponds to up to 25 mol%, preferably at least up to 15 mol% of the first reduction gas.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material wird es in zumindest zwei Wirbelschichten durchgeführt. Diese werden im Verlauf des Verfahrens vom metalloxidhaltigen Material beziehungsweise gegebenenfalls dem Reduktionsprodukt nacheinander durchlaufen.According to one embodiment of the process according to the invention for producing a metallized product from metal oxide-containing material, it is carried out in at least two fluidized beds. In the course of the process, the metal oxide-containing material or, if applicable, the reduction product passes through these one after the other.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material umfasst es auch Zugabe zumindest eines Behandlungsgases in eine Wirbelschicht. Dabei kann es sich um eine Wirbelschicht handeln, in der Wirbelschichtreduktion stattfindet, und/oder in eine Wirbelschicht, in der keine Wirbelschichtreduktion stattfindet - weil beispielsweise das gesamte in die Wirbelschicht eingegebene partikuläre Material bereits ausreduziert ist, also Reduktionsprodukt ist. Die Wirbelschicht, in die Behandlungsgas zugegeben wird, ist also eine Wirbelschicht aus fluidisierten Partikeln metalloxidhaltigen Materials und/oder aus fluidisierten Partikeln von Reduktionsprodukt. Das Behandlungsgas hat kein Oxidationsvermögen; es wirkt bezüglich metalloxidhaltigen Materials - bevorzugt eisenoxidhaltigen Materials - reduzierend und trägt zur Einstellung einer reduzierenden Atmosphäre in der Wirbelschicht bei. Wenn das in eine mit Behandlungsgas versorgte Wirbelschicht eingegebene partikuläre Material noch teilweise oxidiert ist, kann es durch das Behandlungsgas reduziert werden, dann findet in dieser Wirbelschicht Wirbelschichtreduktion statt, und das Behandlungsgas ist auch ein weiteres Reduktionsgas, beispielsweise ein zweites Reduktionsgas. Bevorzugt dient nur das Behandlungsgas zur Herstellung der Wirbelschicht durch Fluidisierung von Partikeln, es können aber auch andere Gase zur Fluidisierung beitragend eingesetzt werden.According to one embodiment of the method according to the invention for producing a metallized product from material containing metal oxide, it also includes adding at least one treatment gas to a fluidized bed. This can be a fluidized bed in which fluidized bed reduction takes place and/or to a fluidized bed in which no fluidized bed reduction takes place - because, for example, all of the particulate material introduced into the fluidized bed has already been reduced, i.e. is a reduction product. The fluidized bed into which treatment gas is added is therefore a fluidized bed made of fluidized particles of material containing metal oxide and/or of fluidized particles of reduction product. The treatment gas has no oxidizing capacity; it has a reducing effect on material containing metal oxide - preferably material containing iron oxide - and contributes to setting a reducing atmosphere in the fluidized bed. If the particulate material introduced into a fluidized bed supplied with treatment gas is still partially is oxidized, it can be reduced by the treatment gas, then fluidized bed reduction takes place in this fluidized bed, and the treatment gas is also another reducing gas, for example a second reducing gas. Preferably only the treatment gas is used to produce the fluidized bed by fluidizing particles, but other gases can also be used to contribute to the fluidization.
Erstes Reduktionsgas ist im Rahmen dieser Anmeldung nicht als Behandlungsgas zu klassifizieren; erstes Reduktionsgas und Behandlungsgas sind verschiedene Gase.For the purposes of this application, the first reducing gas is not to be classified as a treatment gas; the first reducing gas and the treatment gas are different gases.
Ein in eine Wirbelschicht eintretendes Behandlungsgas hat eine bestimmte Temperatur, einen bestimmten Druck, und eine bestimmte Zusammensetzung. Bevor diese Temperatur, Druck und Zusammensetzung vorliegen, handelt es sich bei einem Gas oder einem Gasgemisch, die eine Basis zur Herstellung des Behandlungsgases sind, um einen Vorläufer des Behandlungsgases.A treatment gas entering a fluidized bed has a certain temperature, a certain pressure and a certain composition. Before this temperature, pressure and composition are present, a gas or a gas mixture that is a basis for producing the treatment gas is a precursor of the treatment gas.
In zumindest eine Wirbelschicht erfolgt Zugabe des ersten Reduktionsgases, und in zumindest eine Wirbelschicht erfolgt Zugabe von Behandlungsgas. Bevorzugt ist es, wenn in eine Wirbelschicht nur Zugabe eines Gases aus der Gruppe bestehend aus
- erstes Reduktionsgas,
- Behandlungsgas,
- first reducing gas,
- Treatment gas,
Bevorzugt ist zumindest eine Wirbelschicht, in die Zugabe von Behandlungsgas erfolgt, in Flussrichtung des metalloxidhaltigen Materials beim Durchlaufen der Wirbelschichten im Verlauf des Verfahrens gesehen nach der Wirbelschicht oder den Wirbelschichten angeordnet, in die Zugabe von erstem Reduktionsgas erfolgt.Preferably, at least one fluidized bed into which treatment gas is added is arranged after the fluidized bed or beds into which first reducing gas is added, as seen in the flow direction of the metal oxide-containing material as it passes through the fluidized beds in the course of the process.
Das Behandlungsgas umfasst zumindest ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas mit einem Anteil von zumindest 50 Vol%. Bei dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas kann es sich beispielsweise um Methan CH4 oder einen höheren Kohlenwasserstoff oder mehrere höhere Kohlenwasserstoffe, oder um Gemische davon handeln; es kann sich auch um Erdgas handeln. Bevorzugt wird das metallisierte Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Wirbelschicht entnommen, in die Zugabe von Behandlungsgas erfolgt ist. So ein metallisiertes Produkt enthält Kohlenstoff, bevorzugt als Zementit Fe3C neben gelöstem Kohlenstoff. Das Behandlungsgas trägt zur Aufkohlung bei, die Wirbelschicht, in die es eingeleitet wird, wird im Rahmen dieser Anmeldung auch Aufkohlungs-Wirbelschicht genannt. Das aus der Aufkohlungs-Wirbelschicht austretende Topgas wird im Rahmen dieser Anmeldung Aufkohlungs-Topgas genannt.The treatment gas comprises at least one hydrocarbon-containing gas with a proportion of at least 50 vol%. The hydrocarbon-containing gas can be, for example, methane CH4 or a higher hydrocarbon or several higher hydrocarbons, or mixtures thereof; it can also be natural gas. The metallized product of the process according to the invention is preferably taken from a fluidized bed into which treatment gas has been added. Such a metallized product contains carbon, preferably as cementite Fe3C in addition to dissolved carbon. The treatment gas contributes to carburization; the fluidized bed into which it is introduced is also referred to as the carburizing fluidized bed in the context of this application. The top gas emerging from the carburizing fluidized bed is referred to as the carburizing top gas in the context of this application.
Vorteilhafterweise wird aus zumindest einer Aufkohlungs-Wirbelschicht Aufkohlungs-Topgas entnommen und über einen Rezirkulierungskreislauf zumindest teilweise in diese Aufkohlungs-Wirbelschicht und/oder in eine andere Aufkohlungs-Wirbelschicht rezirkuliert, wobei Vereinigung mit frischem - also noch nicht in einer Aufkohlungs-Wirbelschicht genutztem - kohlenwasserstoffhaltigen Gas - wie beispielsweise Methan CH4, höhere Kohlenwasserstoffe, Erdgas - erfolgt. In dem Rezirkulierungskreislauf können auch Behandlungsschritte erfolgen, wie beispielsweise Entstaubung des Aufkohlungs-Topgases - nass oder trocken -, Komprimierung, Wärmetausch zur Erwärmung eines anderen Mediums - beispielsweise des Behandlungsgases, des ersten Reduktionsgases, Wasser oder Dampf zwecks Erzeugung von Dampf oder überhitztem Dampf -, Erhitzung des rezirkulierten Gasstroms.Advantageously, carburizing top gas is taken from at least one carburizing fluidized bed and at least partially recirculated via a recirculation circuit into this carburizing fluidized bed and/or into another carburizing fluidized bed, wherein Combination with fresh gas containing hydrocarbons - i.e. gas that has not yet been used in a carburizing fluidized bed - such as methane CH4, higher hydrocarbons, natural gas - takes place. Treatment steps can also take place in the recirculation circuit, such as dedusting the carburizing top gas - wet or dry -, compression, heat exchange to heat another medium - for example the treatment gas, the first reducing gas, water or steam to generate steam or superheated steam -, heating of the recirculated gas stream.
Für die Erhitzung ist es bevorzugt, eine zweistufige Erhitzung durchzuführen, wobei in einer ersten Stufe konvektiv bis zu einer Temperatur von maximal 450°C erhitzt wird, und in einer zweiten Stufe auf eine Temperatur über 700°C erhitzt wird mittels Widerstandsheizung oder Plasmabrennern oder Selbstverbrennung nach Sauerstoffeindüsung. Auf diese Weise wird das bezüglich Kohlenstoffabscheidung aus kohlenstoffreichen Gasen und Metal Dusting kritische Temperaturfenster 450 - 700 °C schneller durchlaufen, als wenn für die Erhitzung über 450°C konvektiv geheizt werden würde. Zur Vermeidung von Kohlenstoffabscheidung und Metal Dusting kann auch Wasser H2O in den Gaskreislauf eingegeben werden. Das kann vor oder nach der Erhitzung, oder zwischen den beiden Stufen erfolgen; bevorzugt erfolgt es vor der Erhitzung.For heating, it is preferable to carry out a two-stage heating process, with a first stage of convective heating up to a maximum temperature of 450°C and a second stage of heating to a temperature above 700°C using resistance heating or plasma burners or self-combustion after oxygen injection. In this way, the critical temperature window of 450 - 700°C with regard to carbon deposition from carbon-rich gases and metal dusting is passed through more quickly than if convective heating were used to heat above 450°C. To avoid carbon deposition and metal dusting, water H2O can also be introduced into the gas circuit. This can be done before or after heating, or between the two stages; it is preferably done before heating.
Nach einer Variante wird ein Teilstrom des Aufkohlungs-Topgases - gegebenenfalls nach einem oder mehreren Behandlungsschritten - zur Zubereitung des ersten Reduktionsgases genutzt.According to one variant, a partial flow of the carburizing top gas - if necessary after one or more treatment steps - is used to prepare the first reducing gas.
Nach einer Variante wird eine Teilmenge des Aufkohlungs-Topgases - gegebenenfalls nach einem oder mehreren Behandlungsschritten - als Brennstoff zur Aufheizung eines Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases mittels Reduktionsgasofen mit Brenner genutzt. Dabei kann der Brennwert des Aufkohlungs-Topgases im Verfahren energetisch genutzt werden, was die Energieeffizienz des Verfahrens verbessert.According to one variant, a portion of the carburizing top gas - if necessary after one or more treatment steps - is used as fuel to heat a reducing gas precursor of the first reducing gas using a reducing gas furnace with a burner. The calorific value of the carburizing top gas can be used energetically in the process, which improves the energy efficiency of the process.
Das metallisierte Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise zur Herstellung von Stahl auf Basis des metallisierten Produktes, beispielsweise einem EAF oder einem Schmelzaggregat zugegeben werden. Dazu wird es entweder in feiner Form direkt oder über eine dazwischen geschaltete Kompaktierung zugeführt.The metallized product of the process according to the invention can be added to an EAF or a melting unit for further processing, for example to produce steel based on the metallized product. For this purpose, it is either fed in fine form directly or via an intermediate compaction unit.
Nach einer Variante ist der Kompaktierungsschritt vollständig von der Umgebung und Luftzufuhr abgekapselt. Nach einer anderen Variante hat der Kompaktierungsschritt einen Gaskreislauf, der nur aus inerten Gasbestandteilen wie beispielsweise Stickstoff N2 besteht.According to one variant, the compaction step is completely isolated from the environment and air supply. According to another variant, the compaction step has a gas circuit that consists only of inert gas components such as nitrogen N2.
Nach einer Ausführungsform wird eine Sauerstoffeindüsung in den in Gasflussrichtung gesehen letzten Wirbelschichtreaktor und/oder in das dem in den in Gasflussrichtung gesehen letzten Wirbelschichtreaktor zugeführte Reduktionsgas vorgenommen, um Magnetitbildung in diesem Wirbelschichtreaktor zu vermindern oder zu vermeiden. Alternativ kann auch eine Wassereindüsung vorgenommen werden.According to one embodiment, oxygen is injected into the last fluidized bed reactor as seen in the gas flow direction and/or into the reducing gas supplied to the last fluidized bed reactor as seen in the gas flow direction in order to reduce or prevent magnetite formation in this fluidized bed reactor. Alternatively, water can also be injected.
Nach einer Ausführungsform wird die Reduktionsgasqualität des ersten Reduktionsgases und/oder des Behandlungsgases durch Zugabe von Wasser oder Wasserdampf in einen Reduktionsgasvorläufer des ersten Reduktionsgases und/oder einen Vorläufer des Behandlungsgases eingestellt. Bevorzugt ist es, Wasserdampf in erhitzten Reduktionsgasvorläufer zugegeben.According to one embodiment, the reducing gas quality of the first reducing gas and/or the treatment gas is adjusted by adding water or water vapor to a reducing gas precursor of the first reducing gas and/or a precursor of the treatment gas. It is preferred to add water vapor to heated reducing gas precursors.
Wasserdampf für die Zugabe kann beispielsweise durch indirekten Wärmetausch mit einem in dem Verfahren vorhandenen heißen Gasstrom erzeugt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Aufkohlungs-Topgas handeln.Steam for addition can be generated, for example, by indirect heat exchange with a hot gas stream present in the process. This can be, for example, carburizing top gas.
Wärmeinhalt von Aufkohlungs-Topgas kann im Verfahren auch für andere Zwecke genutzt werden, beispielsweise zur Erhitzung eines Vorläufers des Behandlungsgases.Heat content of carburizing top gas can also be used for other purposes in the process, for example to heat a precursor of the treatment gas.
Das Topgas der Wirbelschichtreduktion und/oder das Aufkohlungs-Topgas wird entstaubt. Bevorzugt erfolgt das mittels Trockenentstaubung. Es kann aber auch mittels Nassentstaubung erfolgen.The top gas of the fluidized bed reduction and/or the carburizing top gas is dedusted. This is preferably done by dry dedusting. However, it can also be done by wet dedusting.
Nach einer Ausführungsform werden für das erste Reduktionsgas und/oder das Behandlungsgas die Gaszusammensetzung und/oder der Druck entsprechend einer Sollwertvorgabe für zumindest ein Mitglied der Gruppe bestehend aus
- Differenzdruck über einen Düsenboden einer Wirbelschicht,
- Differenzdruck über eine Wirbelschicht,
- Eindringtiefe der Strahlen von Reduktionsgas in eine Wirbelschicht,
- Gasblasengröße in der Wirbelschicht,
- Differential pressure across a nozzle bottom of a fluidized bed,
- Differential pressure across a fluidized bed,
- Penetration depth of the jets of reducing gas into a fluidized bed,
- Gas bubble size in the fluidized bed,
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material unter Einsatz eines ersten Reduktionsgases mit einem Gehalt an Wasserstoff von zumindest 70 Vol% und einem Gehalt an Stickstoff von 5 Vol% bis 30 Vol%,
- umfassend
- ein Wirbelschichtaggregat mit zumindest zwei Wirbelschichtreaktoren,
- eine Reduktionsgaszugabeleitung zur Zugabe des ersten Reduktionsgases in das Wirbelschichtaggregat.
- full
- a fluidized bed unit with at least two fluidized bed reactors,
- a reducing gas addition line for adding the first reducing gas into the fluidized bed unit.
Die Vorrichtung umfasst auch eine Materialzufuhrvorrichtung zur Zufuhr von metalloxidhaltigem Material in das Wirbelschichtaggregat, sowie eine Materialentnahmevorrichtung zur Entnahme von metallisiertem Produkt aus dem Wirbelschichtaggregat. Die Vorrichtung umfasst auch eine Topgasausleitung zur Ausleitung von Topgas aus dem Wirbelschichtaggregat. Gegebenenfalls ist auch eine Topgasrezirkulierungsleitung vorhanden, diese dient zur Zuführung von Topgas zur Reduktionsgaszugabeleitung und weist gegebenenfalls Behandlungsvorrichtungen wie beispielsweise Kompressoren, Entstaubungsvorrichtungen - beispielsweise für Trockenentstaubung oder Nassentstaubung -, Wärmetauscher auf. Die Topgasrezirkulierungsleitung weist einen Ausschleusezweig auf, durch den bei Bedarf eine Teilmenge des Topgases aus dem Rezirkulierungskreislauf ausgeschleust werden kann.The device also comprises a material feed device for feeding metal oxide-containing material into the fluidized bed unit, as well as a material removal device for removing metallized product from the fluidized bed unit. The device also comprises a top gas discharge line for discharging top gas from the fluidized bed unit. If necessary, a top gas recirculation line is also present, which serves to feed top gas to the reducing gas addition line and optionally has treatment devices such as for example compressors, dust removal devices - for example for dry dust removal or wet dust removal -, heat exchangers. The top gas recirculation line has an outlet branch through which a portion of the top gas can be discharged from the recirculation circuit if required.
Die Reduktionsgaszugabeleitung dient zur Führung von Reduktionsgasvorläufern des ersten Reduktionsgases beziehungsweise zur Führung des ersten Reduktionsgases, und mündet in das Wirbelschichtaggregat. In die Reduktionsgaszugabeleitung können Zugabeleitungen zur Zugabe von Wasserstoff münden, und/oder Zugabeleitungen zur Zugabe von Stickstoff münden; es können auch Zugabeleitungen zur Zugabe anderer Komponenten des ersten Reduktionsgases in die Reduktionsgaszugabeleitung münden, wie beispielsweise Topgasrezirkulierungsleitung, Aufkohlungstopgasleitung.The reducing gas addition line is used to guide reducing gas precursors of the first reducing gas or to guide the first reducing gas, and opens into the fluidized bed unit. Addition lines for adding hydrogen and/or adding lines for adding nitrogen can open into the reducing gas addition line; addition lines for adding other components of the first reducing gas can also open into the reducing gas addition line, such as top gas recirculation line, carburizing top gas line.
Die zumindest zwei Wirbelschichtreaktoren sind bezüglich des Flusses des metalloxidhaltigen Materials in Serie geschaltet. Nach einer Ausführungsform sind sie bezüglich Gasfluss ebenfalls in Serie geschaltet, wobei der Gasfluss des ersten Reduktionsgases in dem Materialfluss entgegengesetzter Richtung erfolgt.The at least two fluidized bed reactors are connected in series with respect to the flow of the metal oxide-containing material. According to one embodiment, they are also connected in series with respect to the gas flow, wherein the gas flow of the first reducing gas occurs in the opposite direction to the material flow.
So eine Vorrichtung eignet sich zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.Such a device is suitable for carrying out a method according to the invention.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Reduktionsgaszugabeleitung eine Beheizungs-Vorrichtung auf. Diese dient zur Beheizung eines in derAccording to a preferred embodiment, the reducing gas supply line has a heating device. This serves to heat a
Reduktionsgaszugabeleitung strömenden Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases. Die Beheizungs-Vorrichtung umfasst beispielsweise eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung und/oder eine Vorrichtung zur Aufheizung. Vorrichtungen zur Aufheizung führen ohne elektrische Beheizung Energie zu; es sich beispielsweise um ein Mitglied aus der Gruppe:
- Reduktionsgasofen mit Brenner,
- Wärmetauscher;
- Vorrichtung zur Zufuhr von Oxidationsmittel in die Reduktionsgaszugabeleitung. Zufuhr von Oxidationsmittel - beispielsweise Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas wie Luft - in die Reduktionsgaszugabeleitung ermöglicht Energiezufuhr durch partielle Oxidation.
- Reducing gas furnace with burner,
- heat exchanger;
- Device for supplying oxidizing agent into the reducing gas supply line. Supplying oxidizing agent - for example oxygen or oxygen-containing gas such as air - into the reducing gas supply line enables energy supply through partial oxidation.
Bevorzugt ist die Beheizungs-Vorrichtung eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung. Bei elektrischer Beheizung kann es sich beispielsweise um eine Widerstandsheizung handeln, oder um eine Beheizung durch ein mittels elektrischer Energie hergestelltes Plasma. Besonders bevorzugt ist die Beheizungs-Vorrichtung eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung mittels Plasmas.The heating device is preferably a device for electrical heating. Electrical heating can be, for example, a resistance heater or heating by a plasma produced using electrical energy. The heating device is particularly preferably a device for electrical heating using plasma.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Beheizungs-Vorrichtung zusätzlich zu einer Vorrichtung zur elektrischen Beheizung auch eine oder mehrere Vorrichtungen zur Aufheizung auf.According to an advantageous embodiment, the heating device has, in addition to a device for electrical heating, one or more devices for heating.
Vorzugsweise ist ein Reduktionsgasofen mit Brenner vor - die Reduktionsgaszugabeleitung in Richtung Wirbelschichtaggregat entlang gesehen - einer Vorrichtung zur elektrischen Beheizung angeordnet.Preferably, a reducing gas furnace with burner is arranged in front of a device for electrical heating, as seen along the reducing gas addition line in the direction of the fluidized bed unit.
Vorzugsweise ist ein Wärmetauscher vor - die Reduktionsgaszugabeleitung in Richtung Wirbelschichtaggregat entlang gesehen - einer Vorrichtung zur elektrischen Beheizung und/oder vor einer andersartigen Vorrichtung zur Aufheizung angeordnet.Preferably, a heat exchanger is arranged upstream - as seen along the reducing gas addition line in the direction of the fluidized bed unit - of a device for electrical heating and/or upstream of another type of heating device.
Wenn ein Reduktionsgasofen mit Brenner vorhanden ist, ist es bevorzugt, wenn der Ausschleusezweig in eine Brennstoffzufuhrleitung für den Reduktionsgasofen mündet.If a reducing gas furnace with burner is present, it is preferred if the discharge branch opens into a fuel supply line for the reducing gas furnace.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kohlenwasserstoffzugabeleitung vorhanden; diese mündet in die Reduktionsgaszugabeleitung. Sie dient zur Zugabe von kohlenwasserstoffhaltigem Gas in die Reduktionsgaszugabeleitung, um einen kohlenwasserstoffhaltigen Reduktionsgasvorläufer des ersten Reduktionsgases zuzubereiten. Vorzugsweise mündet sie in Richtung Wirbelschichtaggregat gesehen vor der Beheizungs-Vorrichtung in die Reduktionsgaszugabeleitung.According to a preferred embodiment, a hydrocarbon addition line is present; this opens into the reducing gas addition line. It serves to add hydrocarbon-containing gas into the reducing gas addition line in order to prepare a hydrocarbon-containing reducing gas precursor of the first reducing gas. Preferably, it opens into the reducing gas addition line upstream of the heating device, as viewed in the direction of the fluidized bed unit.
Es können auch mehrere Kohlenwasserstoffzugabeleitungen vorhanden sein.There may also be several hydrocarbon addition lines.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kohlenwasserstoffzuspeisleitung vorhanden; diese mündet in einen Wirbelschichtreaktor des Wirbelschichtaggregats. Sie dient zur Zuspeisung von kohlenwasserstoffhaltigem Gas in den Wirbelschichtreaktor. Vorzugsweise mündet sie in den Wirbelschichtreaktor zur Wirbelschichtreduktion, aus dem das Reduktionsprodukt der Wirbelschichtreduktion als metallisiertes Produkt entnommen wird.According to a preferred embodiment, a hydrocarbon feed line is present; this opens into a fluidized bed reactor of the fluidized bed unit. It serves to feed hydrocarbon-containing gas into the fluidized bed reactor. Preferably, it opens into the fluidized bed reactor for fluidized bed reduction, from which the reduction product of the fluidized bed reduction is taken as a metallized product.
Es können auch mehrere Kohlenwasserstoffzuspeisleitungen vorhanden sein.There may also be several hydrocarbon feed lines.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Behandlungsgaszugabeleitung vorhanden; diese mündet in einen Wirbelschichtreaktor des Wirbelschichtaggregats. Sie dient zur Zugabe von Behandlungsgas in den Wirbelschichtreaktor.According to a preferred embodiment, a treatment gas addition line is present; this opens into a fluidized bed reactor of the fluidized bed unit. It serves to add treatment gas to the fluidized bed reactor.
Es können auch mehrere Behandlungsgaszugabeleitungen vorhanden sein.There may also be several treatment gas addition lines.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Aufkohlungstopgasleitung vorhanden; eine solche geht von einem Wirbelschichtreaktor mit Behandlungsgaszugabeleitung aus. Sie mündet bevorzugt in die Behandlungsgaszugabeleitung.According to a preferred embodiment, at least one carburizing stop gas line is present; such a line starts from a fluidized bed reactor with a treatment gas addition line. It preferably opens into the treatment gas addition line.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform mündet die Aufkohlungstopgasleitung auch in die Reduktionsgaszugabeleitung.According to a preferred embodiment, the carburizing stop gas line also opens into the reducing gas addition line.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform mündet die Aufkohlungstopgasleitung auch in eine Brennstoffzufuhrleitung eines Reduktionsgasofens mit Brenner.According to a preferred embodiment, the carburizing stop gas line also opens into a fuel supply line of a reducing gas furnace with burner.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anlage auch eine Vorrichtung zur Einstellung des Drucks und/oder der Gaszusammensetzung entsprechend einer Sollwertvorgabe für zumindest ein Mitglied der Gruppe bestehend aus
- Differenzdruck über einen Düsenboden einer Wirbelschicht,
- Differenzdruck über eine Wirbelschicht,
- Eindringtiefe der Strahlen von Reduktionsgas in eine Wirbelschicht,
- Gasblasengröße in der Wirbelschicht,
- Differential pressure across a nozzle bottom of a fluidized bed,
- Differential pressure across a fluidized bed,
- Penetration depth of the jets of reducing gas into a fluidized bed,
- Gas bubble size in the fluidized bed,
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Signalverarbeitungseinrichtung mit einem maschinenlesbaren Programmcode, dadurch gekennzeichnet, dass er Steuer und/oder Regelbefehle zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Bei einem weiteren Gegenstand handelt es sich um eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist Teil einer Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material.A further subject of the present application is a signal processing device with a machine-readable program code, characterized in that it has control and/or regulating commands for carrying out a method according to the invention. A further subject is a signal processing device for carrying out a method according to one of claims 1 to 8. The signal processing device is part of a control and/or regulating system of a device for producing a metallized product from metal oxide-containing material.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein maschinenlesbarer Programmcode für eine Signalverarbeitungseinrichtung - die Teil einer Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material ist - , dadurch gekennzeichnet, dass der Programmcode Steuer und/oder Regelbefehle aufweist, welche die Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen. Bei einem weiteren Gegenstand handelt es sich um ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle für eine Signalverarbeitungseinrichtung - die Teil einer Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material ist -, die bei der Ausführung des Programms für die Signalverarbeitungsvorrichtung diese veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.A further subject matter of the present application is a machine-readable program code for a signal processing device - which is part of a control and/or regulation of a device for producing a metallized product from material containing metal oxide -, characterized in that the program code has control and/or regulation commands which cause the signal processing device to carry out a method according to the invention. A further subject matter is a computer program product comprising commands for a signal processing device - which is part of a control and/or regulation of a device for producing a metallized product from material containing metal oxide - which, when the program for the signal processing device is executed, cause it to carry out the method according to one of claims 1 to 8.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten erfindungsgemäßen maschinenlesbaren Programmcode. Bei einem weiteren Gegenstand handelt es sich um ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.A further subject matter of the present application is a storage medium with a machine-readable program code according to the invention stored thereon. A further subject matter is a storage medium with a computer program stored thereon for carrying out a method according to one of claims 1 to 8.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Steuerung und/oder Regelung einer Vorrichtung zur Herstellung eines metallisierten Produktes aus metalloxidhaltigem Material mit einem Computer enthaltend ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle die bei Ausführung des Computerprogramms durch den Computer diesen veranlassen,- die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.A further subject matter of the present application is a control and/or regulation of a device for producing a metallized product from metal oxide-containing material with a computer containing a computer program product comprising instructions which, when the computer program is executed by the computer, cause the computer to carry out the steps of a method according to one of claims 1 to 8.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle die bei Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein computerlesbarer Datenträger, auf dem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist.A further subject matter of the present application is a computer program product comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to carry out the steps of a method according to one of claims 1 to 8. A further subject matter of the present application is a computer-readable data carrier on which such a computer program product is stored.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den schematischen und beispielhaften Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
-
Fig 1 bis 6 Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden. -
Fig 7 ein Beispiel für die Herkunft des Reduktionsgasvorläufers des ersten Reduktionsgases.
-
Figs 1 to 6 Embodiments of a device according to the invention in which variants of the method according to the invention are carried out. -
Fig. 7 an example of the origin of the reducing gas precursor of the first reducing gas.
Die vier Wirbelschichtreaktoren 41,42,43,44 sind bezüglich des Flusses des metalloxidhaltigen Materials 30 als Kaskade von Wirbelschichtreaktoren in Serie geschaltet. Auch bezüglich Gasfluss sind sie in Serie geschaltet, wobei der Gasfluss des ersten Reduktionsgases in dem Materialfluss entgegengesetzter Richtung erfolgt.The four
Die Vorrichtung 10 umfasst auch eine Materialzufuhrvorrichtung 60 zur Zufuhr von metalloxidhaltigem Material 30 in das Wirbelschichtaggregat 40, sowie eine Materialentnahmevorrichtung 70 zur Entnahme von metallisiertem Produkt 20 aus dem Wirbelschichtaggregat 40. Die Vorrichtung umfasst auch eine Topgasausleitung 80 zur Ausleitung von Topgas aus dem Wirbelschichtaggregat 40. Ebenfalls dargestellt ist eine optional vorhandene Topgasrezirkulierungsleitung 90 zur Zuführung von Topgas zur Reduktionsgaszugabeleitung 50. In der dargestellten Variante weist diese Behandlungsvorrichtungen wie Kompressor 100 und Entstaubungsvorrichtung 110 - beispielsweise für Nassentstaubung - auf. Die Topgasrezirkulierungsleitung 90 weist einen Ausschleusezweig 120 auf, durch den bei Bedarf eine Teilmenge des Topgases aus dem Rezirkulierungskreislauf ausgeschleust werden kann.The
Die Reduktionsgaszugabeleitung 50 mündet in das Wirbelschichtaggregat 40. In die Reduktionsgaszugabeleitung 50 mündet eine Zugabeleitung 130 zur Zugabe von Wasserstoff und eine Zugabeleitung 140 zur Zugabe von Stickstoff. Auch ein Ast der Topgasrezirkulierungsleitung 90 mündet in die Reduktionsgaszugabeleitung, dadurch kann Topgas in den Reduktionsgaskreislauf rezirkuliert werden.The reducing
Mit der Vorrichtung 10 wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Produktes 20 aus metalloxidhaltigem Material 30 durchgeführt. Dazu erfolgt unter Einsatz des ersten Reduktionsgases Wirbelschichtreduktion des metalloxidhaltigen Materials 30 in den Wirbelschichtreaktoren 41,42,43,44. Das erste Reduktionsgas umfasst Wasserstoff und Stickstoff, wobei der Gehalt an Wasserstoff zumindest 70 Vol% beträgt und der Gehalt an Stickstoff in einem Bereich von 5 Vol% bis 30 Vol% liegt.The
Dargestellt ist eine bei der Zubereitung von erstem Reduktionsgas optional erfolgende Aufheizung eines Komponenten des ersten Reduktionsgases enthaltenden Gemisches von Gasen in der optional vorhandenen Beheizungs-Vorrichtung.Shown is an optional heating of a mixture of gases containing components of the first reducing gas in the optionally present heating device during the preparation of the first reducing gas.
In der dargestellten Variante handelt es sich bei der Beheizungs-Vorrichtung um einen Reduktionsgasofen mit Brenner 150, der über den in eine Brennstoffzufuhrleitung für den Reduktionsgasofen mündenden Ausschleusezweig 160 von der Topgasrezirkulierungsleitung 90 mit Topgas als Brennstoff versorgt werden kann. Auch andere Brennstoffe können genutzt werden, diese werden durch entsprechende Zugabeleitungen zugeführt; beispielhaft ist nur eine solche Zugabeleitung 170 gezeigt. Über eine optional vorhandene Oxidationsmittelleitung 171 kann Zufuhr von Oxidationsmittel - beispielsweise Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas wie Luft - erfolgen.In the variant shown, the heating device is a reducing gas furnace with
Statt dem Reduktionsgasofen 150 mit Brenner könnte es sich bei der Beheizungs-Vorrichtung auch um eine Vorrichtung zur elektrischen Beheizung handeln, was nicht extra dargestellt ist; diese könnte ohne Zufuhr von Oxidationsmittel oder Brennstoff arbeiten.Instead of the reducing
In dargestellten Beispiel überträgt er über den Wärmetauscher 190b Wärme aus dem Topgas auf den Reduktionsgasvorläufer des ersten Reduktionsgases.In the example shown, it transfers heat from the top gas to the reducing gas precursor of the first reducing gas via the
Nach einer anderen Variante mündet eine Kohlenwasserstoffzuspeisleitung 210 - beispielsweise zur Zuspeisung von Erdgas - in einen Wirbelschichtreaktor des Wirbelschichtaggregats; dargestellt ist Mündung in den Wirbelschichtreaktor 44 zur Wirbelschichtreduktion, aus dem das Reduktionsprodukt der Wirbelschichtreduktion als metallisiertes Produkt 20 entnommen wird.According to another variant, a hydrocarbon feed line 210 - for example for feeding in natural gas - flows into a fluidized bed reactor of the fluidized bed unit; the opening into the
Die vier Wirbelschichtreaktoren 231,232,233,240 sind bezüglich des Flusses des metalloxidhaltigen Materials 30 als Kaskade von Wirbelschichtreaktoren in Serie geschaltet. Auch bezüglich Gasfluss sind sie in Serie geschaltet, wobei der Gasfluss des ersten Reduktionsgases von Wirbelschichtreaktor 233 zu Wirbelschichtreaktor 231 in dem Materialfluss entgegengesetzter Richtung erfolgt. Der Materialfluss erfolgt von Wirbelschichtreaktor 231 in Richtung Wirbelschichtreaktor 240.The four
Mit der Vorrichtung 220 wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Produktes 20 aus metalloxidhaltigem Material 30 durchgeführt. Dazu erfolgt unter Einsatz des ersten Reduktionsgases Wirbelschichtreduktion des metalloxidhaltigen Materials 30 in den Wirbelschichtreaktoren 231,232,233.The
Eine Behandlungsgaszugabeleitung 260 mündet in den Wirbelschichtreaktor 240 des Wirbelschichtaggregats 230. Sie dient zur Zugabe von Behandlungsgas in den Wirbelschichtreaktor 240. In der dargestellten Variante enthält der Wirbelschichtreaktor 240 eine Wirbelschicht aus fluidisierten Partikeln von Reduktionsprodukt der Wirbelschichtreduktion, die mittels ersten Reduktionsgases in den Wirbelschichtreaktoren 231,232,233 stattgefunden hat. Das Behandlungsgas umfasst zumindest ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas mit einem Anteil von zumindest 50 Vol%.A treatment
In der dargestellten Variante wird das metallisierte Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors 240 entnommen. Diese Wirbelschicht ist eine Aufkohlungs-Wirbelschicht.In the variant shown, the metallized product of the process according to the invention is taken from the fluidized bed of the
In der dargestellten Variante geht von dem Wirbelschichtreaktor 240 eine Aufkohlungstopgasleitung 270 aus, die in die Behandlungsgaszugabeleitung 260 mündet. Über sie wird aus der Aufkohlungs-Wirbelschicht im Wirbelschichtreaktor 240 Aufkohlungs-Topgas entnommen und über einen Rezirkulierungskreislauf zumindest teilweise über ihr Teilstück Rezirkulierungsgaseinleitung 280 in diese Aufkohlungs-Wirbelschicht rezirkuliert, wobei Vereinigung mit frischem kohlenwasserstoffhaltigen Gas - im dargestellten Fall Erdgas -, welches über die Erdgaszuleitung 290 bereitgestellt wird, erfolgt.In the variant shown, a carburizing
In dem Rezirkulierungskreislauf dargestellt sind auch die optional vorhandenen Behandlungsschritte Entstaubung des Aufkohlungs-Topgases im Entstauber 300 und Komprimierung im Kompressor 310, Erhitzung des rezirkulierten Gasstroms im Gaserhitzer 320. Bei dem Entstauber 300 kann es sich um eine Vorrichtung zur Nassentstaubung handeln oder um eine Vorrichtung zur Trockenentstaubung. Wenn es sich um eine Vorrichtung zur Trockenentstaubung handelt, kann optional vor ihr ein Wärmetauscher vorhanden sein zwecks Kühlung des Aufkohlungs-Topgases vor der Trockenentstaubung.The recirculation circuit also shows the optional treatment steps of dedusting the carburizing top gas in the
In der dargestellten Ausführungsform mündet ein Ast der Aufkohlungstopgasleitung 270 auch in die Reduktionsgaszugabeleitung 250, was Nutzung eines Teilstroms des Aufkohlungs-Topgases zur Zubereitung des ersten Reduktionsgases ermöglicht.In the illustrated embodiment, a branch of the carburizing
Ebenfalls in
Grundsätzlich kann ein analog über eine Vorläuferzuleitung 350 gelieferter Reduktionsgasvorläufer des ersten Reduktionsgases aber auch aus anderen Quellen stammenIn principle, a reducing gas precursor of the first reducing gas, supplied analogously via a
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited to the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
- 1010
- Vorrichtung zur Herstellung eines metallisierten ProduktesDevice for producing a metallized product
- 2020
- Metallisiertes ProduktMetallized product
- 3030
- Metalloxidhaltiges MaterialMaterial containing metal oxide
- 4040
- WirbelschichtaggregatFluidized bed unit
- 4141
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 4242
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 4343
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 4444
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 5050
- ReduktionsgaszugabeleitungReducing gas addition line
- 6060
- MaterialzufuhrvorrichtungMaterial feed device
- 7070
- MaterialentnahmevorrichtungMaterial removal device
- 8080
- TopgasausleitungTop gas discharge
- 9090
- TopgasrezirkulierungsleitungTop gas recirculation line
- 100100
- Kompressorcompressor
- 110110
- EntstaubungsvorrichtungDust extraction device
- 120120
- AusschleusezweigDischarge branch
- 130130
- Zugabeleitung zur Zugabe von WasserstoffAddition line for adding hydrogen
- 140140
- Zugabeleitung zur Zugabe von StickstoffAddition line for adding nitrogen
- 150150
- Reduktionsgasofen mit BrennerReducing gas furnace with burner
- 160160
- AusschleusezweigDischarge branch
- 170170
- ZugableitungTrain derivation
- 171171
- OxidationsmittelleitungOxidant line
- 180180
- Vorrichtung zur elektrischen BeheizungDevice for electrical heating
- 190a190a
- WärmetauscherHeat exchanger
- 190b190b
- WärmetauscherHeat exchanger
- 200200
- KohlenwasserstoffzugabeleitungHydrocarbon addition line
- 210210
- KohlenwasserstoffzuspeisleitungHydrocarbon feed line
- 220220
- Vorrichtung zur Herstellung eines metallisierten ProduktesDevice for producing a metallized product
- 230230
- WirbelschichtaggregatFluidized bed unit
- 231231
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 232232
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 233233
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 240240
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 250250
- ReduktionsgaszugabeleitungReducing gas addition line
- 260260
- BehandlungsgaszugabeleitungTreatment gas addition line
- 270270
- AufkohlungstopgasleitungCarburizing stop gas line
- 280280
- RezirkulierungsgaseinleitungRecirculation gas introduction
- 290290
- ErdgaszuleitungNatural gas supply
- 300300
- EntstauberDust collector
- 310310
- Kompressorcompressor
- 320320
- GaserhitzerGas heater
- 330330
- Reduktionsgasofen mit BrennerReducing gas furnace with burner
- 340340
- WasserzugabeleitungWater addition line
- 341341
- WasserzugabeleitungWater addition line
- 342342
- WasserzugabeleitungWater addition line
- 350350
- VorläuferzuleitungPrecursor supply line
- 360360
- DampfreformerSteam reformer
- 370370
- Erdgasnatural gas
- 380380
- Dampfsteam
- 390390
- CO2-AbscheideeinrichtungCO2 separation device
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