DE1458765C

DE1458765C - Verfahren zur Reduktion von Eisenoxyden und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1458765C
Authority: DE
Inventors: PERCIAL Cleveland Peapack; Hoffert Franklin David Mountainside; Stotler Harold Hollis Westfield; N.J. Keith (V.StA.)
Original assignee: Hydrocarbon Research Incorporation, New York, N.Y. (V.StA.)
Publication date: 1972-09-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Eisenoxyden in der Wirbelschicht mit Wasserstoff bei einem Druck von mehr als 14 atü unterhalb 760° C, wobei der Wasserstoff nach oben durch senkrecht übereinander angeordnete Reduktionszonen durch in den Böden der einzelnen Reduktionszonen befindliche Düsen geleitet und das Reduktionsgut periodisch von der obersten Zone in die darunterliegenden Reduktionszonen überführt und aus der untersten Reduktionszone ausgetragen wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist aus der USA.-Patentschrift 3 154 405 bekannt, bei dem genannten Verfahren den Wasserstoff in gleicher Höhe in die einzelnen Reduktionszonen einzuleiten, d. h., die in den Böden der einzelnen Reduktionszonen angeordneten Düsen münden in gleicher Höhe. Die Düsen sind in den Böden gleichmäßig verteilt, so daß sich über den Querschnitt der einzelnen Reduktionszonen eine gleichmäßige Wasserstoffzufuhr ergibt. Eine gleichmäßige Wasserstoffzufuhr ist zum Erhalt einer gleichmäßigen Wirbelschicht und damit eines guten Wasserstoff-Eisenoxyd-Kontaktes erforderlich.

Wenn nun periodisch das Reduktionsgut von der obersten Zone in die darunterliegenden Reduktionszonen überführt bzw. Reduktionsgut in die oberste Reduktionszone eingegeben und aus der untersten Reduktionszone ausgetragen wird, so ist vorübergehend der Wasserstofffluß zu vermindern. Dies hat zur Folge, daß sich Eisenoxydteilchen auf den einzelnen Böden absetzen können. Es zeigte sich nun häufig, daß nach Wiedereinsetzen des vollen Wasserstoffflusses ein erneutes Aufwirbeln dieser Eisenoxydteilchen nicht mehr möglich war. Es versteht sich, daß dies eine wirtschaftlich unerwünschte Verfah-S rensünterbrechung zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren derart weiterzubilden, daß auch nach zwischenzeitlicher Absetzung von Eisenoxydteilchen auf den Böden der einzelnen Reduktionszonen deren erneutes Aufwirbeln zu einer gleichmäßigen Wirbelschicht ohne weiteres möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wasserstoff in die in den einzelnen Reduktionszonen enthaltenen Wirbelschichten in unterschiedlichen Höhen eingeleitet wird.

Die Erfindung schafft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses verbesserten Verfahrens, indem bei der aus der USA.-Patentschrift 3 154 405 bekannten Vorrichtung, bestehend aus senkrecht übereinander angeordneten Reduktionszonen, die durch mit über den Querschnitt gleichmäßig verteilten Düsen versehenen Böden voneinander getrennt sind, 20 bis 30 % der Düsen höher in die in den einzelnen Reduktionszonen befindlichen Wirbelbetten hineinragen als die restlichen Düsen.

Eine Erklärung dafür, warum bei einer Einleitung des Wasserstoffs in unterschiedlichen Höhen ein Wiederaufwirbeln ohne weiteres möglich ist, während dies beim Einleiten des Wasserstoffs in gleichen Höhen nicht der Fall ist, kann derzeit nicht gegeben werden. Zahlreiche Versuche habe jedoch das genannte Ergebnis bestätigt. In diesen Versuchen wurde auch festgestellt, daß die besten Ergebnisse bei der Reduktion des Eisenoxyds zu erzielen waren, wenn zwischen den Wirbelschichten ein Druckabfall von 0,07 bis 0,35 kg/cm² aufrechterhalten wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einet Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die gesamte Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen mit Düseh versehenen Boden, in gegenüber F i g. 1 vergrößertem Maßstab,

Fi g. 3 eine Draufsicht eines Teils des Bodens von F i g. 2, und

F i g. 4 einen Ausschnitt aus F i g. 2 in vergrößertem Maßstab zur Darstellung der verschiedenen Düsentypen.

Die in Fig. 1 in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Reduktion von Eisenoxyden besteht aus einem zylindrischen Turm mit einem oberen und unteren halbkugeligen Ende 12 bzw. 13, wobei das untere Ende 13 auf einer zylindrischen Verlängerung 14 aufsitzt. Die Vorrichtung 10 ist in mehrere senkrecht übereinander angeordnete Reduktionszonen A,B, C und D unterteilt, die durch waagerechte Böden 15 voneinander getrennt sind. Gewöhnlich sind mindestens drei solcher Böden 15 vorgesehen, die als Auflage für die zu reduzierenden Eisenoxyde dienen.
Zum Beschicken der Vorrichtung 10 mit Eisenoxyd ist an deren oberem Ende 12 eine Einfülleitung 16 vorgesehen, während eine am unteren Ende 13 der Vorrichtung vorgesehene Leitung 18 zum Austragen des Reduktionsgutes nach beendigtem Reduk-

tionsvorgang aus der Reduktionszone D dient. Zur periodischen Überführung des Reduktionsgutes von einer Reduktionszone in die darunterliegende Reduktionszone sind Falleitungen 20, 23, 25 mit Ventilen 21 bzw. 24 bzw. 26 zwischen den einzelnen Reduktionszonen angeordnet.

Der zur Reduktion des Eisenoxyds benötigte Wasserstoff tritt durch einen Einlaß 38 in das untere Ende der Vorrichtung 10 ein. Der Wasserstoff wird dann durch in den Böden 15 der einzelnen Reduktionszonen befindliche Düsen 52, 54 nach oben geleitet und tritt schließlich über einen Zyklonabscheider 42 zum Gasauslaß 44 aus. Auf seinem Weg durch die einzelnen Reduktionszonen D, C, B und A kommt der Wasserstoff mit dem auf den Böden 15 abgelagerten Eisenoxyd in Berührung und verwirbelt dieses, so daß der für eine wirkungsvolle Reduktion benötigte große Oberflächenkontakt zwischen dem Eisenoxyd und dem Wasserstoff zustande kommt. Zur Stabilisierung der Wirbelschichten in den einzelnen Reduktionszonen sind in diesen Zonen noch senkrechte Leitflächen angeordnet. Diese Leitflächen sind vorzugsweise rohrförmige Wärmeaustauschelemente, wobei in der oberen Reduktionszone A diese Wärmeaustauschelemente U-Rohre 32 sind, die von Sammelleitungen 33 und 34 getragen werden. Als Wärmeaustauschmedium wird zweckmäßig das zur Reduktion benötigte Wasserstoffgas verwendet. In ähnlicher Weise können auch in den unteren Reduktionszonen B und C U-förmige Wärmeaustauschrohre 35 und 36 angeordnet sein, die mit entsprechenden Einlaß- und Auslaßsammelleitungen verbunden sind. Die Rohre 40 in der unteren Reduktionszone D können als blinde Rohre oder gegebenenfalls auch als Wärmeaustauschrohre ausgeführt sein.

Wie besonders aus F i g. 4 ersichtlich ist, sind die Düsen 52, 54 in Öffnungen 50 der Böden 15 eingesetzt. Die Düse 52 schließt bündig mit der oberen Oberfläche des Bodens 15 ab. Diese weist einen verhältnismäßig kurzen Abschnitt mit einer verhältnismäßig kleinen Auslaßöffnung 52 a auf, um einen Gasstrom von hoher Geschwindigkeit zu erzeugen. Zweckmäßig sind die Düsen 52 mit geeigneten schraubbaren Schäften 52 b versehen, so daß sie zum Auswechseln rasch aus- und eingebaut werden können.

Vorzugsweise etwa 20 bis 30 % sämtlicher Düsen sind von der in F i g. 4 bei 54 gezeigten Form. Diese Düsen 54 weisen ebenfalls einen schraubbaren Schaft 54 α auf, mit dem sie in die Öffnungen 50 der Böden 15 einschraubbar sind. Die Düsen 54 sind ferner mit einem überstehenden Teil 54 δ versehen, der sich beträchtlich über die obere Oberfläche des Bodens 15 hinaus erstreckt. Die Düse 54 ist ebenfalls mit einer verhältnismäßig kleinen Auslaßöffnung 54 c versehen, die im wesentlichen den gleichen Druckabfall wie bei der Düse 52 bewirkt. Dieser liegt vorzugsweise im Bereich von 0,07 bis 0,14 kg/cm².

Durch Versuche konnte wiederholt gezeigt werden, daß über lange Zeiträume ein gleichmäßigerer Druckabfall über den Querschnitt der Wirbelschicht erhalten wird, wenn die beiden Arten von Düsen 52, 54 verwendet werden, als wenn alle Düsen bündig sind oder alle Düsen überstehen. Worauf dies zurückzuführen ist, konnte bisher nicht eindeutig festgestellt werden. Die Düsen 54 stehen etwa 25 mm über den Boden 15 über.

Der Druckabfall zwischen den einzelnen Wirbelschichten ist für den Betrieb der Vorrichtung 10 kritisch. Der Fluß des Reduktionsgutes durch eine Fallleitung ist entgegengesetzt zu der nach oben gerichteten Strömung des Wasserstoffgases. Um einen freien Fluß zu gewährleisten, muß das Gewicht des Reduktionsgutes pro Flächeneinheit in der Falleitung größer als dieser Druckabfall sein. Zweckmäßig wird ein Druckabfall von 0,07 bis 0,35 kg/cm² aufrechterhalten.

Die Betriebstemperatur der Vorrichtung liegt im allgemeinen unter 760° C, da bei zu hohen Temperaturen die Gefahr besteht, daß die Eisenoxydteilchen zusammenbacken und dadurch keine ausreichende Verwirbelung mehr erhalten wird. Wirtschaftlich brauchbare Reduktionsgeschwindigkeiten werden bei der Reduktion mit Wasserstoff bei Drücken über 14 atü erhalten und bei einer Wasserstoffreinheit von über 80 %. Durch die Erfindung lassen sich im allgemeinen Reduktionen von Eisenoxyd bis zu etwa 97 % durchführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Reduktion von Eisenoxyden in der Wirbelschicht mit Wasserstoff bei einem Druck von mehr als 14 atü unterhalb 760° C, wobei der Wasserstoff nach oben durch senkrecht übereinander angeordnete Reduktionszonen durch in den Böden der einzelnen Reduktionszonen befindliche Düsen geleitet und das Reduktionsgut periodisch von der obersten Zone in die darunterliegenden Reduktionszonen überführt und aus der untersten Reduktionszone ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff in die in den einzelnen Reduktionszonen (A, B, C, D) enthaltenen Wirbelschichten in unterschiedlichen Höhen eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wirbelschichten ein Druckabfall von 0,07 bis 0,35 kg/cm- aufrechterhalten wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus senkrecht übereinander angeordneten Reduktionszonen, die durch mit über den Querschnitt gleichmäßig verteilten Düsen versehenen Böden voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß 20 bis 30 % der Düsen (54) höher in die in den einzelnen Reduktionszonen (A, B, C, D) befindlichen Wirbelbetten hineinragen als die restlichen Düsen (52).