DE2309292A1

DE2309292A1 - Verfahren zur direktreduktion von magnetisierbaren erzen mittels wasserstoffgas

Info

Publication number: DE2309292A1
Application number: DE19732309292
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl-Ing Dr Mathiak; Roland Dr Pfeiffer; Chatty Dr Rao
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1973-02-24
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1974-09-05
Also published as: JPS49117313A

Description

Anlage zum Patertgesslch Aer Klöckner-Humboldt-Deutz Aktiengesellschaft Verfahren zur Direktreduktion von magnetisierbaren Erzen mittels Wasserstoffgas Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von magnetisierbaren Erzen mittels Wasserstoffgas in einem Magnetfeld. Es ist bekannt, daß unter dem Einfluß eines Magnetfeldes bei höheren Temperaturen ein Teil der MolekUle des Wasserstoffgases magnetische Eigenschaften aufweist. Führt man beispielsweise ein magnetisierbares Eisenerz unter Wasserstoffatmosphäre in ein Magnetfeld ein, so werden die Moleküle des Orthowasserstoffs von den magnetiesierten Eisenerzteilchen angezogen, so daß bei Temperaturen, die noch weit unter den Erweichungstemperaturen des Eisenerzes liegen, bereits ein Reduktionsvorgang abläuft.
Die Erfindung knüpft an diese Erscheinung an und hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe diese Erscheinung eine wirtschaftliche Direktreduktion von magnetisierbaren Erzen ermöglicht Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß ein Erzstrom durch das Magnetfeld hindurchgeführt wird, und daß hierbei gleichzeitig Wasserstoffgas, vorzugsweise im Gegenstrom durch den Erzstrom hindurchgeleitet wird. Dies hat den Vorteil, daß die einzelnen magnetisierten Erzteilchen ständig von Wasserstoffgas umspült werden, wobei aufgrund der magnetischen Erscheinungen zwischen dem Erz und den Molekülen des Orthowasserstoffs die Orthowasserstoffmoleküle tief in die Poren und Risse der einzelnen Erzteilchen eindringen, so daß selbst bei Korngrößen im Millimeterbereich praktisch eine vollständige Reduktion des Erzes erfolgt. Durch die bevorzugte Gegenstromführung wird zudem erreicht, daß der bei dem Reduktionsprozeß entstehende Wasserdampf abtransportiert wird und so das reduzierte Erz bei seinem Austritt aus dem Magnetfeld nur noch mit frischem Wasserstoffgas in Beruhrung kommt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Magnetfeld eine Stärke von mindestens 2 kG, vorzugsweise aber 10 bis 80 kG aufweist. Der Vorteil derart hoher Feldstärken, die vorzugsweise mit supraleitenden Magneten erzeugt werden, liegt darin, daß die Reduktionszeiten so weit verkUrzt werden, daß praktisch mit einem kontinuierlich durch das Magnetfeld geführten Erzstrom gearbeitet werden kann oder aber die Korngröße des zu behandelnden Erzes bis in die Größenordnung von 15 mm gesteigert werden kann. Ein wesentlicher Vorteil des Einsatzes derartiger Korngrößen ist vor allen Dingen darin zu sehen, daß die Durchtrittswiderstände für die Hindurchleitung des Wasserstoffgases durch den Erzstrom herabgesetzt werden und damit die Druckverluste vermindert werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn man für das Aufgabegut einen Korngrößenbereich von beispielsweise 3 bis 8 mm vorsieht, wobei Feicstaub unter 1 mm vorher auf Korngrößen von 8 bis 15 mm pelletiert wird. Je nach dem verwendeten Kornspektrum kann dann die Hindurchleitung des Wasserstoffgases durch das Erz in Form eines sogenannten Festbettes, eines Halbfließbettes oder eines Fließbettes erfolgen. Die Gasgeschwindigkeiten liegen hierbei im Bereich von 1 m/sek für Korngrößen unter 1 mm bis 10 m/sek bei Korngrößen im Bereich von 10 mm.
In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Reduktion bei einer Temperatur von mindestens 3000 C vorzugsweise 350 bis 4000 C durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, daß bei einer derartigen Temperatur der Anteil an diamagnetischen Molekülen des Parawasserstoffs im Verhältnis zu den Molekülen des Orthowasserstoffs erheblich geringer wird, zum anderen aber die Erweichungstemperatur der im Erz enthaltenen Gangartminerale noch nicht erreicht wird, so daß also die Oberfläche der einzelnen Erzteilchen nicht dichtsintern kann, sondern die Diffusion der Wasserstoffmoleküle in die Erzteilchen hinein und der Austritt von Wasserdampf aus den Erzteilchen während der vollen Aufenthaltszeit des Erzteilchens im Magnetfeld gewährleistet bleibt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß das Wasserstoffgas gleichzeitig als Heizmedium dient und vor der Einleitung in das Erz auf eine Temperatur von mindestens 3000 C aufgeheizt wird. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Erz in heißem Zustand dem Magnetfeld und dem Wasserstoffgas ausgesetzt wird.
Dies hat insbesondere den Vorteil, daß bei der Verwendung von Pellets diese ohne Zwischenkühlung der Reduktion ausgesetzt werden können, und je nach ihrer Menge bei einer Mischung mit einem körnigen Erz dieses auf die vorteilhafte Verfahrenstemperatur von etwa 3500 C aufheizen können.
In Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem vorgesehen, daß das Wasserstoffgas während der Kontaktzeit mit dem Erz unter einem Druck von mindestens 1 atü, vorzugsweise 2 bis 5 atü steht. Dies hat den Vorteil, daß infolge des höheren Druckes der Reduktionsvorgang beschleunigt wird und so die Verweilzeit des Erzes im Magnetfeld unter Wasserstoffatmosphäre verkürzt werden kann.
Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Erläuterungen eines Fließbildes beschrieben.
Ein beispielsweise rohrförmiger Reaktor 1 ist von einer oder mehreren Magnetspulen 2, beispielsweise supraleitenden Magneten umgeben. An seinem einen Ende ist der Reaktorraum mit einer Zufuhreinrichtung 3 für das zu reduzierende Erz versehen. An seinem anderen Ende befindet sich eine vorzugsweise steuerbare Austragsvorrichtung 4, die in eine Kühlvorrichtung 5 für das reduzierte Erz mündet. über die Austragsvorrichtung kann mit Vorteil die Durchlaufzeit des Erzes durch den Reaktor und damit die Reaktionsdauer gesteuert werden.
Am Austragsende des Reaktors ist außerdem wenigstens eine Zufuhröffnung 6 für die Zufuhr von Wasserstoffgas angeordnet.
Am Erzzufuhrende ist eine Abzugsleitung 7 für das durch den Reaktor hindurchgeleitete Wasserstoffgas angeordnet, die über eine Entstaubungsvorrichtung 8 und eine Kondensatoreinrichtung 9 zum Abscheiden des im Wasserstoffgas enthalt enen, aus der Reduktion stammenden Wasserdampfes in einen Vorratsbehälter 10 für Wasserstoffgas mündet. Aus diesem Vorratsbehälter wird mittels eines Verdichters 11 Wasserstoff wieder in den Reaktor eingedrückt. Bei einer derartigen Verfahrensweise ist es mit Vorteil möglich, das Wasserstoffgas zumindest zu einem Teil im Kreislauf durch den zu reduzierenden Erzstrom zu führen.
Mit Hilfe dieser Verfahrensweise ist es weiterhin mit einfachen wirtschaftlichen Mitteln möglich, für die Reduktion so große Wasserstoffmengen zur Verfügung zu stellen, daß die pro Zeiteinheit mit der Erzmenge in Kontakt gebrachte Wasserstoffmenge mindestens das 1, 5-fache vorzugsweise das 2 bis 3-fache der stöchiometrisch erforderlichen Wasserstoffgasmenge beträgt.
Das Gas wird mit Hilfe des Verdichters 11 auf einen Druck von beispielsweise 4 atü verdichtet und entweder durch einen Wärmetauscher 12 auf eine Temperatur von etwa 500 bis 5500 C gebracht, so daß die für den Reduktionsvorgang vorteilhafte Temperatur von etwa 350 bis 4000 C im Reaktor selbst aufrechterhalten werden kann. Bei einer Aufheizung des Aufgabegutes, sei es, daß das Aufgabegut in Form von heißen Pellets aufgegeben wird, sei es, daß das feinkörnige Erz im Anschluß an eine vorangegangene Trocknung mit einer entsprechenden Temperatur zur Verfügung steht, kann auf den Wärmetauscher zur Erhitzung des Wasserstoffgases verzichtet werden. Je nach den Gegebenheiten des Einzelfalles können auch beide Möglichkeiten kombiniert werden, d.h. sowohl das Erz wie auch das Wasserstoffgas aufgeheizt sein.
Um den durch den Kondensator zur Entfernung des Wasserdampfes bedingten Temperaturverlust bei der Kreislaufführung zu vermeiden, ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn die Einrichtung ohne Kondensator betrieben wird und eine Teilmenge des im Kreislauf geführten Wasserstoffgases nach Austritt aus dem Reaktor ständig abgeleitet und eine entsprechende Menge frisches Wasserstoffgas in den Kreislauf eingeführt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß der größere Teil der im Kreislauf geführten Wasserstoffmenge praktisch das am Austritt des Reaktors vorhandene Temperaturniveau hält und somit der Wärmeverbrauch vermindert wird. Die abgezweigte Teilmenge kann entweder zu Feuerungszwecken verwendet werden oder aber in einer gesonderten Einrichtung möglichst vollständig getrocknet und wieder in den Versorgungsbehälter zurückgeführt werden. Eine derartige Kreislaufführung hat ferner den Vorteil, daß beispielsweise über die Regelung der abzuzweigenden Teilmenge die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Reaktors an die Korngrößen des Aufgabegutes angepaßt werden kann.
Will man beispielsweise ein staubförmiges Erz mit Korngrößen unter 1 mm noch im Gegenstrom im Reaktor behandeln, so sind Gasgeschwindigkeiten von höchstens 1 m/sek zulässig, da nur bei derartigen Geschwindigkeiten sich noch ein fließbettartiges Verhalten des Erzes im Reaktor aufrechterhalten läßt.
Im allgemeinen dürfte es zweckmäßig sein, den Feinstaub des Erzes vor der Aufgabe abzutrennen, diese Fraktion zu pelletieren und in Form von Pellets mit Korngrößen von beispielsweise 5 bis 10 mm zusammen mit der verbleibenden groben Erzfraktion dem Reaktor zuzuführen.
Im Ubrigen ist die Bauart des Reaktors im wesentlichen von dem zur Verfugung stehenden bzw. herzustellenden Kornspektrum des Aufgabegutes abhängig. Je nach Körnung und nach den Reduktionseigenschaften des verwendeten Erzes kann hierbei im sogenannten festbett" gearbeitet werden, das sehr hohe Gasgeschwindigkeiten zuläßt oder aber auch im Halbfließbett bzw.
im Fließbett. Bei derartigen Verfahrensweisen ist es auch möglich, statt des reinen Gegenstroms von Erz und Wasserstoffgas, das Wasserstoffgas quer durch ein Gutbett zu leiten, also den Reaktor horizontal bzw. geneigt anzuordnen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn in bezug auf die Durchlaufrichtung das Wasserstoffgas an mehreren Stellen in das Gutbett eingeleitet wird.
PatentansprLlche

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Direktreduktion von magnetisierbaren Erzen mittels Wasserstoffgas in einem Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erzstrom durch das Magnetfeld hindurchgeführt wird und daß hierbei gleichzeitig Wasserstoffgas, vorzugsweise im Gegenstrom, durch das Erz hindurchgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld eine Stärke von mindestens 2 kG, vorzugsweise 10 bis 80 kG aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion bei einer Temperatur von mindestens 3000 C, vorzugsweise 350 bis 4000 C durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffgas gleichzeitig als Heizmedium dient und vor der Einleitung in das Erz auf eine Temperatur von mindestens 3000 C aufgeheizt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erz in heißem Zustand der Einwirkung des Magnetfeldes und des Wasserstoffgases ausgesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffgas während der Kontaktzeit mit dem Erz unter einem Druck von mindestens 1 atü, vorzugsweise 2 bis 5 atü steht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit mit der Erzmenge in Kontakt gebrachte Wasserstoffgasmenge mindestens das 1,5-fache, vorzugsweise das 2 bis 3-fache der stöchiometrisch erforderlichen Gasmenge beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffgas zumindest zu einem Teil im Kreislauf durch den Erzstrom geführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge des im Kreislauf geführten Wasserstoffgases nach Austritt aus der Reduktionszone abgeleitet und eine entsprechende Menge frischen Wasserstoffgases in den Kreislauf eingeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Wasserstoffgas aus der Reduktionszone ausgetragene Wasserdampf vor der erneuten Einleitung des Wasserstoffgases in den Erzstrom mittels Kondensation aus dem Kreislaufgas wenigstens zum Teil ausgeschieden wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffgas an mehreren, in Durchlaufrichtung des Erzstromes durch das Magnetfeld gesehen, hintereinander liegenden Stellen in den Erzstrom eingeleitet wird. Leerseite