DE1458765C

DE1458765C - Process for reducing iron oxides and apparatus for carrying out the process

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.The invention relates to a method for reducing iron oxides in the fluidized bed with hydrogen at a pressure of more than 14 atü below 760 ° C, the hydrogen through upwards Reduction zones arranged vertically one above the other are passed through nozzles in the bottoms of the individual reduction zones and the material to be reduced periodically transferred from the uppermost zone to the reduction zones below and is discharged from the lowest reduction zone. The invention also relates to a device for Implementation of this procedure.

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.It is known from US Pat. No. 3,154,405 to use hydrogen in the process mentioned to introduce the same amount into the individual reduction zones, d. i.e., those in the soils of each Nozzles arranged in reduction zones open at the same height. The nozzles are even in the floors distributed, so that there is a uniform supply of hydrogen over the cross-section of the individual reduction zones results. A uniform supply of hydrogen is essential to obtain a uniform fluidized bed and thus a good hydrogen-iron oxide contact is required.

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.If the material to be reduced is now periodically transferred from the top zone to the reduction zones below or material to be reduced to the top one If the reduction zone is entered and discharged from the lowest reduction zone, it is temporary to decrease the hydrogen flow. This has the consequence that iron oxide particles on the individual Can settle floors. It was now often found that after the full hydrogen flow had resumed a renewed whirling up of these iron oxide particles was no longer possible. It goes without saying that this results in an economically undesirable process interruption.

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.The invention is based on the object of developing the method mentioned at the beginning in such a way that that even after the interim deposition of iron oxide particles on the soils of the individual reduction zones their renewed whirling to form a uniform fluidized bed is easily possible is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wasserstoff in die in den einzelnen Reduktionszonen enthaltenen Wirbelschichten in unterschiedlichen Höhen eingeleitet wird.This object is achieved in that the hydrogen in the in the individual Fluidized beds contained in reduction zones are introduced at different heights.

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.The invention also provides an apparatus for performing this improved method by in the device known from US Pat. No. 3,154,405, consisting of perpendicular Reduction zones arranged one above the other, which are evenly distributed over the cross-section through with Nozzles-provided floors are separated from each other, 20 to 30% of the nozzles higher in those in the The fluidized beds located in the individual reduction zones protrude than the remaining nozzles.

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.An explanation for why, when the hydrogen is introduced at different heights, a re-whirling is easily possible, while this is not the case when the hydrogen is introduced at the same heights, cannot be given at present. However, numerous attempts have confirmed the result mentioned. In these experiments it was also found that the best results in the reduction of the iron oxide were achieved when a pressure drop of 0.07 to 0.35 kg / cm ^{2 is} maintained between the fluidized beds.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einet Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtThe following is an embodiment of a device for carrying out the invention Method described in more detail with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die gesamte Vorrichtung in schematischer Darstellung,Fig. 1 is a vertical section through the entire Device in a schematic representation,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen mit Düseh versehenen Boden, in gegenüber F i g. 1 vergrößertem Maßstab,Fig. 2 is a vertical section through one with a nozzle provided floor, in opposite F i g. 1 enlarged scale,

Fi g. 3 eine Draufsicht eines Teils des Bodens von F i g. 2, undFi g. Figure 3 is a plan view of part of the floor of Figure 3. 2, and

F i g. 4 einen Ausschnitt aus F i g. 2 in vergrößertem Maßstab zur Darstellung der verschiedenen Düsentypen.F i g. 4 shows an excerpt from FIG. 2 on an enlarged scale to show the various Nozzle types.

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-The device for the reduction of iron oxides, designated in its entirety by 10 in FIG. 1, consists of a cylindrical tower with an upper and lower hemispherical end 12 and 13, the lower end 13 being seated on a cylindrical extension 14. The device 10 is divided into several reduction zones A, B, C and D which are arranged vertically one above the other and which are separated from one another by horizontal floors 15. Usually at least three such floors 15 are provided, which serve as a support for the iron oxides to be reduced.
For charging the device 10 with iron oxide, a filling line 16 is provided at its upper end 12, while a line 18 provided at the lower end 13 of the device for discharging the material to be reduced after the reduction has ended.

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.tion process from the reduction zone D is used. For the periodic transfer of the material to be reduced from one reduction zone to the reduction zone below, downpipes 20, 23, 25 with valves 21 and 24 and 26 are arranged between the individual reduction zones.

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.The hydrogen required to reduce the iron oxide enters the lower end of the device 10 through an inlet 38. The hydrogen is then passed upwards through nozzles 52, 54 located in the bottoms 15 of the individual reduction zones and finally exits via a cyclone separator 42 to the gas outlet 44. On its way through the individual reduction zones D, C, B and A , the hydrogen comes into contact with the iron oxide deposited on the bottoms 15 and swirls it, so that the large surface contact between the iron oxide and the hydrogen that is necessary for an effective reduction occurs. To stabilize the fluidized beds in the individual reduction zones, vertical guide surfaces are also arranged in these zones. These guide surfaces are preferably tubular heat exchange elements, these heat exchange elements being U-tubes 32 in the upper reduction zone A , which are carried by collecting lines 33 and 34. The hydrogen gas required for the reduction is expediently used as the heat exchange medium. Similarly, in the lower reduction zones B and C, U-shaped heat exchange tubes 35 and 36 can be arranged which are connected to respective inlet and outlet manifolds. The tubes 40 in the lower reduction zone D can be designed as blind tubes or, if appropriate, also as heat exchange tubes.

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.As is particularly evident from FIG. 4 as can be seen, the nozzles 52, 54 are inserted into openings 50 of the bottoms 15. The nozzle 52 is flush with the upper surface of the base 15. This has a relatively short section with a relatively small outlet opening 52 a in order to generate a gas flow of high speed. The nozzles 52 are expediently provided with suitable screwable shafts 52 b so that they can be quickly removed and installed for replacement.

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.Preferably about 20 to 30% of all nozzles are of the type shown in FIG. 4 shape shown at 54. These nozzles 54 also have a screwable shaft 54 α , with which they can be screwed into the openings 50 of the bottoms 15. The nozzles 54 are further provided with a protruding part 54 δ which extends considerably beyond the upper surface of the bottom 15. The nozzle 54 is also provided with a relatively small outlet opening 54 c , which causes the same pressure drop as in the nozzle 52 essentially. This is preferably in the range from 0.07 to 0.14 kg / cm ² .

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.Experiments have repeatedly shown that there is a more even pressure drop over long periods of time is obtained over the cross section of the fluidized bed when the two types of nozzles 52, 54 used as if all nozzles are flush or all nozzles are protruding. What this can be attributed to has not yet been clearly established. The nozzles 54 are about 25 mm above the Floor 15 across.

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. The pressure drop between the individual fluidized beds is critical for the operation of the device 10. The flow of the material to be reduced through a downpipe is opposite to the upward flow of the hydrogen gas. To ensure a free flow, the weight of the material to be reduced per unit area in the downpipe must be greater than this pressure drop. A pressure drop of 0.07 to 0.35 kg / cm ² is expediently maintained.

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.The operating temperature of the device is generally below 760 ° C. because the temperatures are too high there is a risk that the iron oxide particles will stick together and thereby insufficient Vortex is obtained more. Economically viable reduction rates are at obtained the reduction with hydrogen at pressures above 14 atmospheres and with a hydrogen purity of over 80%. The invention allows reductions of iron oxide up to about 97% perform.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for the reduction of iron oxides in the fluidized bed with hydrogen at a pressure of more than 14 atmospheres below 760 ° C, the hydrogen being passed upwards through reduction zones arranged vertically above one another through nozzles located in the bottoms of the individual reduction zones and the material to be reduced periodically from the uppermost zone is transferred to the reduction zones below and is discharged from the lowest reduction zone, characterized in that the hydrogen is introduced at different heights into the fluidized beds contained in the individual reduction zones (A, B, C, D).

2. The method according to claim 1, characterized in that between the fluidized beds a pressure drop of 0.07 to 0.35 kg / cm- is maintained.

3. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 and 2, consisting of reduction zones arranged vertically one above the other, which are separated from one another by floors provided with nozzles evenly distributed over the cross section, characterized in that 20 to 30% of the nozzles (54) are higher in the fluidized beds located in the individual reduction zones (A, B, C, D) protrude than the remaining nozzles (52).