NO841928L - Fremgangsmaate for reduksjon av jernmalm - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt en fremgangsmåte

for reduksjon av partikkelformig jern til svampjern i en vertikal sjaktovn med bevegelig sjikt ved bruk av en varm reduksjonsgassblanding oppnådd fra naturgass, mere spesielt en fremgangsmåte av den type som eliminerer nødvendigheten av å benytte eksterne reformere for å omdanne hydrokarbon-innholdet i naturgassen osv. (primært metan) til karbonmonoksyd og hydrogen før innføring av den reduserende gass i reaktoren.

Det har lenge vært kjent at reduskjon av jernmalm for å

oppnå jern i en form som er egnet for stålfremstilling kan gjennomføres ved en temperatur under smeltepunktet for jern ved å føre en varm reduserende gass gjennom et sjikt av partikkelformig jernmalm ved en temperatur i størrelsesorden 700-1000°C for å oppnå svampjern. På grunn av den vide til-gjengelighet har naturgass (karakteristisk angitt å inneholde 75%, 85% eller mere metan) vært benyttet i utstrakt grad som en kilde for den reduserende gass for slike svampjernprosesser. Det er velkjent at naturgass også inneholder mindre mengder andre enkle hydrokarbonhomologer slik som metan (i størrelses-orden 10%), propan, butan og sågar pentan osv. Disse be-standdelsprosentandeler varierer betydelig, avhengig av den spesielle kilde. Fordi imidlertid metan per se og de andre lavere molekylvektparafinhydrokarboner som er tilstede i naturgass, enten alene eller i kombinasjon, er relativt injek-tive reduksjonsmidler for jernmalm, har det vært vanlig å omdanne metan og eller de andre lavere hydrokarboner til en blanding av karbonmonoksyd og hydrogen for bruk som jernred-uksjonsmidler. Mere spesielt blir en blanding av naturgass og damp katalytisk omdannet til karbonmonoksyd og en hydrogen-blanding i en reformer og den resulterende kvalitetsforbedrede reduksjonsgassblanding oppvarmes hvis nødvendig og føres gjennom et sjikt av partikkelformig jernmalm for å omdanne dette til svampjern.

Typiske gassformige reduksjonssystemer er beskrevet f.eks.

i US-PS 3.765,872; . 4.099.962; 4.150.972; 4.748.120; 4.046.557 og 3.905.806. Slike systemer omfatter vanligvis vertikale reaktorer med en reduserende sone i den øvre del der den varmereduserende gass strømmer oppover motstrøms et synkende sjikt av jernmalm, og en avkjølingssone hvori den reduserte malm i form av svampjern avkjøles med en kjølegass. Den brukte reduserende gass fjernes fra toppen av den reduserende sone avvannes, blandes med frisk reduserende gass fra reformeren, oppvarmes igjen og tilbakeføres til reaktorens reduserende sone.

Mens reduskjonssystemet som benytter reformert naturgass som reduksjonsmiddel har fått utstrakt kommersiell bruk, er de åpne for alvorlige innvendinger idet de katalytiske reformere de benytter er kostbare og utgjør en vesentlig del av inve-steringene for et svampjernanlégg. Således vil en fremgangsmåte som er i stand til å gi kvalitetssvampjern uten å benytte ekstern reformer i vesentlig grad redusere kapitalomkostningene.

Som imidlertid antydet ovenfor er naturgass per se et util-fredsstillende reduksjonsmiddel for bruk i en jernmalmreduk-sjonsreaktor av et antall grunner. Således er reduksjons-reaksjonshastigheten ved bruk av en gass inneholdende hovedsakelig metan og eller homologer derav som reduksjonsmiddel vesentlig lavere ved en gitt temperatur enn reaksjonshastig-heten for blandinger av karbonmonoksyd og hydrogen. Mens det er- riktig at reduksjonshastigheten for metan og homologer derav kan økes ved å heve temperaturen fører de høyere temperaturer som er nødvendige for å oppnå aksepterbar reaksjons-hastighet til andre problemer. Ved temperaturer over ca. 1000°C dekomponerer således metan, spesielt i nærvær av jern, og danner fast karbon i form av sot som dekker det jern-holdige materiale og begrenser tilgang av gassen til det indre av partiklene eller de pellets som skal reduseres..

Videre er det ved slike forhøyede temperaturer en tendens til at den reduserte malm sintrer og agglomererer til store aggregater. For å oppnå aksepterbar drift av en vertikal sjaktovn med en bevegelig sjiktreaktor er en fri strøm av partikler eller pellets gjénnom reaktoren og spesielt, gjennom ethvert redusert tverrsnittsareal i reaktoren vesentlig. Dannelsen av store irregulære aggregater kan i enkelte tilfelle totalt blokkere strømmen av faststoffer i reaktoren og også forårsake uønsket kanaldannelse i gass-strømmen.

Videre er reduksjonsreaksjoner som inntrer i reaktoren generelt endoterme og således må mategassen oppvarmes utenfor reaktoren for å bringe med den nødvendige reaksjonsvarme. Bruken av høye reaksjonstemperaturer øker omkostningene for den reduserende gass.

Et forsøk på å løse disse problemer er beskrevet i US-PS 4.268.303. I henhold til beskrivelsen i dette patent gjennom-føres reduksjonen av malmen i to trinn. I et første trinn blir reduserende metangass benyttet som oppfriskningsgass og reduksjonen gjennomføres til et punkt der det er oppnådd en metallisering på 30-80%. Det siste reduksjonstrinn opp til 95-98% oppnås i et andre trinn der en reformert gass hovedsakelig bestående.av karbonmonoksyd og hydrogen benyttes. Fordi det ikke er nødvendig med noen reform for å fremstille reduksjonsgassen i første trinn kan reformeren være relativt liten. Imidlertid er det fremdeles nødvendig med en reformer for å fremstille reduksjonsgassen til det andre trinn hvis det skal oppnås en akseptabel høy metalliseringsgrad. En mangel ved prosessen ifølge dette patent er de ekstremt høye kapitalomkostninger på grunn av de høyere driftstemperaturer i gassvarmeren. En annen mangel er de store varmetap som følger med arbeidet ved slike temperaturer.

Det er generelt erkjent i denne teknikk at.metan og homologer derav av praktiske grunner ikke direkte kan brukes som sådanne uten tidligere omdanning til H2og CO i direkte reduksjon av jernmalm. F.eks. er det angitt i en artikkel "the reductionof iron oxides in a methane gas oniflow" av A. Domsa og Z. Sparchez fra det Polytekniske Institutt Cluj

i Bulgaria (Cereetari Metalurgice, Vol. 9, 1967, p. 133-141)

at metan kan redusere jernmalm effektivt kun ved forhøyede temperaturer over 1000°C. Slik teoretisk bruk av temperaturer over 1000° er ikke praktiske på grunn av agglomererings problemene•som er diskutert ovenfor. Motsatt denne lære er det nå oppdaget at en stabil tilstands direkte tilsetning av metan (alene eller i naturgass, eller andre tilsvarende gasser, slik som forgasserprosessgass, koksovngass osv), kan oppnås i temperaturområdet 800-1000°C og mere spesielt fra 900-960°C.

I henhold til dette er det en gjenstand for oppfinnelsen å tilveiebringe en svampjernfremstillingsprosess av den innledningsvis nevnte type der det ikke er nødvendig med noen katalytisk reformer. En ytterligere gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe en slik prosess der naturgass per se benyttes som oppfriskningsgass. Andre gjenstander for oppfinnelsen vil fremgå av det følgende.

Oppfinnelsen kan med hell innarbeides i et kontinuerlig reaksjonssystem av den generelle type som er nevnt innledningsvis der en varm reduksjonsgass strømmer oppover mot et synkende sjikt av partikkelformig malm i reduksjonssonen i en reaktor, der brukt gass fjernes nær toppen av reduksjonssonen og avvannes og avvannet gass oppvarmes.og tilbakeføres til bunnen av reduks jonssonen for å danne en reduks jonsgass>løyfe. Gjenstandene og fordelene ved oppfinnelsen oppnås generelt ved å mate til reduksjonsgassløyfen som oppfriskningsgass damp og metan og/ellér homologer derav i et molforhold.på l,4x:l til 2,2x:l, og ved å fjerne karbondioksyd fra den gassformige blanding som strømmer gjennom sløyfen (der x er det vektmidlere molare karbonatominnhold i hydrokarbonbe-standdelene i oppfriskningsgassen; f.eks. x=2 for etan alene eller.1,5 for en 50/50-blanding av metan og etan).

Det er funnet at ved å tilsette naturgass og damp i egnede forhold til tilbakeført reduksjonsgass kan man oppnå metalliseringsgrader på 90% eller derover ved temperaturer

på 900-1000°C uten noen ekstern reformer i det hele tatt og uten dannelse av store agglomerater. Som det videre påpekes nedenfor kan karboninnholdet i svampgassen som fremstilles selektivt varieres over et vidt bruksområde ved å justere forholdet mellom damp og karbon i oppfriskningsgassen..

Gjenstandene og fordelene ved oppfinnelsen kan best forstås under henvisning til den ledsagende tegning som skjematisk viser en apparatur i stand til å gjennomføre en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen. Under henvisning til tegningene angir henvisningstallet 10 en konvensjonell vertikal sjaktovn med bevegelig sjikt for gassformig reduksjon av jernmalm med en reduksjonssone 10 i den øvre del og en kjøle-sone 14 i den nedre del. Malmen mates til toppen av sonen 12 og avkjølt svampjern fjernes fra bunnen 14. Reduksjonssonen 12 i reaktoren 10 utgjør den del av en reduksjonsgass-sløyfe. Varm reduksjonsgass i.det vesentlige bestående av hydrokarbon og karbonmonoksyd strømmer gjennom en rørledning 16 til bunnen av sonen 12 og så oppover gjennom den partikkel-formige malm for å redusere denne til svampjern. Brukt gass forlater reaktoren gjennom en rørledning 12 og avkjøles og avvannes i en kjøler 20 med et gassutløpsrør 22. Gasstrømmen gjennom rørledningen 22 deles; en andel fjernes fra systemet gjennom rørledningen 24 inneholdende tilbaketrykksregulatoren 26 og resten tilbakeføres til reduksjonssonen 12. Mere spesielt blir den tilbakeførte andel av avkjølt og avvannet gass pumpet ved hjelp av pumpen 28 gjennom rørledningen 30 til en karbondioksydabsorpsjonsenhet 32 hvori CC^ fjernes fra tilbakeført gass for å redusere karboninnholdet i denne. Fra absorpsjonsenheten 32 strømmer tilbakeføringsgass gjennom rørledningen 34 og 36 til en varmer 38 hvori den oppvarmes til en egnet temperatur, f.eks.950°C, og så strømmer gjennom rørledningen 16 til reduksjonssonen.

Kjølesonen 14 i raktoren 10 utgjør også en del av gasstil-bakeføringssløyfen. Kjølegassen pumpes ved hjelp av en pumpe 40 gjennom en rørledning 42 til bunnen av kjølesonen 14 og strømmer oppover gjennom det synkende legemet av partikkelformig svampjern for å avkjøle dette.. Tilbakeført gass, trukket av fra toppen av kjølesonen 14 gjennom en rørledning 44, avkjøles i en kjøler 46 og tilbakeføres gjennom rørledningen 48 til sugesiden av pumpen 40.

Det har vært, vanlig ved gassreduksjonssystemer av den foregående type som oppfriskningsgass som mates til reduksjons-gassløyfen å benytte en på forhånd dannet blanding av karbonmonoksyd og hydrogen oppnådd ved katalytisk omdanning av en blanding av naturgass og damp i en reformer. Som antydet ovenfor øker bruken av en slik ekstern katalytisk reformer i vesentlig grad kapitalomkostningene som er nødven-dige for et slik reduksjonsanlegg. Foreliggende oppfinnelse er basert på den oppdagelse at den eksterne reformer helt kan utelates mens tilfredsstillende reduksjon kan oppnås uten noen økning i reduksjonsgassmateteraperaturen ved til-førsel av oppfriskningsnaturgass og damp til reduksjonsgass-tilbakeføringssløyfen i egnede forhold og å fjerne karbondioksyd fra tilbakeføringssløyfen for å forhindre for stor karbonavsetning på jernholdig materiale i reduksjonssonen.

Tilbake til tegningene blir naturgass fra en egnet kilde

ført inn i systemet gjennom en rørledning 50 som inneholder en strømningsregulator 52. Innføringen av naturgass er delt: en andel strømmer gjennom rørledningen 54 inneholdende en strømningsregulator 56 til kjølesløyfen mens resten strømmer gjennom 58.til reduksjonsgassløyfen. Damp mates til gjennom rørledningen 60 inneholdende strømningsregulatoren 62 og trer inn i reduksjonsgassløyfen nær innføringspunktet for naturgassen. Således blandes oppfriskningsnaturgassen og dampen seg med hverandre og med tilbakeføringsgassen før de oppvarmes og mates til reaktoren.

Fra den foregående beskrivelse skulle det være klart at jernmalmreduksjonssystemer som benytter foreliggende oppfinnelse er i stand til å oppnå de diverse fordeler som er nevnt innledningsvis. Effektiv reduksjon av malmen til svampjern oppnås uten anvendelse av separate katalytiske reformere og uten å benytte de uønskede høye temperaturer som benyttes i den kjente teknikk der man anvender ikke-reformert metan som oppfriskningsgass. Det synes at når naturgass og damp tilsettes til tilbakeføringsgassen i de egnede andeler katalyseres den ønskede reformering av metan for å gi hydrogen for malmreduksjon av produktet-svampjern i reaktoren. Ved å fjerne karbondioksyd fra tilbakeført gass holdes karboninnholdet relativt lavt, fra ca. 1,3%

til ca. 2,5%, slik at justeringer av molforholdet av tilsatt damp og metanholdig naturgass til innen området l,4x:l til 2,2x:l kan benyttes for å oppnå på forhånd bestembare relativt lave karboninnhold i svampjern. Med foreliggende oppfinnelse er den nødvendige mengde metan eller naturgass pr. tonn svampjern som fremstilles betraktelig lavere enn i de kjente prosesser.

Det skal selvfølgelig være klart at denne beskrivelse er illustrerende og ikke på noen måte bestemmende for rammen av oppfinnelsen slik den fremgår av ledsagende krav.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for reduksjon av partikkelformig jernmalm i en vertikal sjaktovn med bevegelig sjikt med en reduksjonssone der malmen reduseres til svampjern, omfattende og til-måtet en varm reduserende gass, hovedsakelig bestående av hydrogen, karbonmonoksyd, minst et gassformig hydrokarbon og damp, til reduksjonssonen for å bringe gassen til strøm-ning gjennom minst en andel av sjiktet for å redusere malmen, avtrekking av brukt, reduserende gass fra reduksjonssonen og awanning av denne, fjerning av karbondioksyd fra den awannede gass, gjenoppvarming av den resulterende gass og tilbakeføring av denne til reduksjonssonen for å danne en resirkulasjonssløyfe av reduksjonsgass,- karakterisert ved tilmatning av oppfriskningsgass i det vesentlige bestående damp og minst et gassformig hydrokarbon til sløyfen i fravær av katalytisk reformering av gassformige hydrokarboner til hydrogen og karbonmonoksyd utenfor reaktoren under opprettholdelse av et område for molforholdet mellom damp og gassformig hydrokarbon på opptil 2,2x;l der x er molkarboninnholdet av hydrokarbon i oppfriskningsgassen, slik at i det vesentlige all hydrogen og karbonmonoksyd i den reduserende gass som oppstår fra det gassformige hydrokarboninnhold i'oppfriskningsgassen dannes i reaktoren under stabile driftsbetingelser.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at oppfriskningsgassen har i det vesentlige kun et innhold av damp og gassformig hydrokarbon og at molforhold-området er fral,4x:l til 2,2x:l.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2 der reaktoren har en kjølesone i den nedre del for avkjøling av svampjern ved hjelp av kjølegassløyfe, karakterisert ved at oppfriskningsgassen tilføres til reduksjonsgassløyfen utenfor reaktoren mellom punktet for fjerning av karbondioksyd og punktet der sirkuleringsgassen gjenoppvarmes.

4. Fremgangsmåte ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det gassformige hydrokarboninnhold i oppfriskningsgassen består av hovedsakelig metan.

5. Fremgangsmåte ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved åt innholdet av damp og gassformig hydrokarbon i oppfriskningsgassen blandes før tilsetning til reduksjonsgassløyfen.

6. Fremgangsmåte ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at innholdet av damp og gassformig hydrokarbon i oppfriskningsgassen tilsettes separat til reduksjonsgassløyfen.

7. Fremgangsmåte ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at innholdet av gassformig hydrokarbon i oppfriskningsgassen er naturgass.

8. Fremgangsmåte ifølge ett hvilket som helst av kravene 3-7, karakterisert ved at metan tilsettes som i det minste en vesentlig del av oppfriskningsgassen til kjølegassløyfen.

9. Fremgangsmåte ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at temperaturen i reduksjonssonen holdes mellom 850 og 1000°C.