DE69105525T2

DE69105525T2 - Reduktion von metalloxyden.

Info

Publication number: DE69105525T2
Application number: DE69105525T
Authority: DE
Inventors: Karl Brotzmann
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 1990-12-29
Filing date: 1991-12-23
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2011-12-24
Also published as: CA2100270A1; DE69105525D1; ZA9110175B; US5472478A; CA2100270C; JPH06504323A; ATE114729T1; JP2726156B2; BR9107192A; EP0564493A1; FI97241B; FI97241C; RU2094471C1; DE4042176C2; WO1992012265A1; FI932983A0; AU9095791A; ES2065157T3; FI932983L; EP0564493B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dafür geeignete Vorrichtung und ein Verfahren für die Reduktion von Metalloxiden, insbesondere Eisenerz, und ein Gefäß zur Verwendung in diesem Verfahren.
Es gibt zwei Verfahren zur Reduktion von Eisenerz, die besondere Bedeutung erlangt haben.
Beim ersten Verfahren werden Eisenerz, vorzugsweise vorgewärmt und vorreduziert, und Kohle in oder auf das Eisenbad in einem Gefäß eingesprüht. Die Kohle wird im Eisenbad gelöst und das Eisenerz wird zu geschmolzenem Eisen reduziert. Dieses Verfahren umfaßt das Einsprühen eines sauerstoffhaltigen Gases in den Gasraum über dem Eisenbad, um CO und H&sub2; aus dem Eisenbad nachzuverbrennen, so daß ein beträchtlicher Teil der freigesetzten Energie auf das Eisenbad übertragen wird. Bei einer bevorzugten Form dieses Verfahrens werden Kohle und sauerstoffhaltiges Gas durch Bodenwinddüsen in das Eisenbad eingesprüht und verursachen, daß Tropfen/Ströme der Metallschmelze und Schlacke nach oben in den Gasraum geschleudert werden, wodurch ein Medium bereitgestellt wird, das die durch die Nachverbrennung von CO und H&sub2; freigesetzte Energie wirksam überträgt. Obwohl dieses Verfahren den Vorteil einer wirksamen Energieübertragung auf das Eisenbad aufweist, um den Wärmeverlust aufgrund der endothermen Reduktion des Eisenerzes aus dem Eisenbad auszugleichen, besteht jedoch ein Nachteil dieses Verfahrens darin, daß ein Teil der in den Gasraum geschleuderten Eisenschmelze oxidiert wird und erneut im Eisenbad reduziert werden muß.
Beim zweiten Verfahren wird die unerwünschte Oxidation der Eisenschmelze vermieden, indem die Eisenschmelze durch eine relativ tiefe Schlackeschicht vom Gasraum getrennt und die Geschwindigkeit des Bodenblasens verringert werden. Somit besteht ein minimaler Kontakt zwischen der Eisenschmelze und dem Gasraum. Der hauptsächliche Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es schwierig ist, die durch die Nachverbrennung im Gasraum freigesetzte Energie wirksam auf das Eisenbad zu übertragen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die schlechte Energieübertragung zu hohen Abgastemperaturen führt, die einen beschleunigten Verschleiß der feuerfesten Auskleidungen im Gefäß verursachen.
JP-A-2107709 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Reduktion von Erz, die jedoch nicht das Einspritzen von Metalloxiden in und/oder auf das Bad und/oder von kohlenstoffhaltigem Material auf/in das Metallbad beschreibt.
JP-A-1252709 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden, hier wird jedoch ein kohlenstoffhaltiges Material auf die Schlackephase und nicht auf das Metallbad geblasen, und das Trägergas für die Kohle ist selbst nicht ausreichend, damit ein wirksamer Rühreffekt der Schlacke erzeugt wird.
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Reduktion von Eisenerz, das die Nachteile der in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen bekannten Verfahren beseitigt.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden in einem Gefäß bereitgestellt, das ein Schmelzbad enthält, wobei dieses Bad eine Metallschicht und eine Schlackeschicht umfaßt, wobei dieses Verfahren umfaßt:
(a) Einspritzen von Metalloxiden in und/oder auf das Bad und von kohlenstoffhaltigem Material in und/oder auf das Bad, so daß die Metalloxid geschmolzen und das Metall in der Metallschicht reduziert werden;
(b) Einspritzen eines Gases direkt in die Schlackeschicht, wodurch das Herausspritzen oder Herauswerfen von geschmolzenen Schlacketeilen, Tropfen, Spritzern und/oder Strömen in den Gasraum über dem Bad verursacht wird, wobei das Mitreißen des Metalls aus der Metallschicht minimal ist; und
(c) Einspritzen eines sauerstoffhaltigen Gases direkt in den Gasraum, wodurch die Nachverbrennung von CO und allem H&sub2; verursacht wird, so daß die durch die Nachverbrennung erzeugte Wärme direkt auf Teile, Tropfen, Spritzer und/oder Ströme der geschmolzenen Schlacke übertragen wird.
Der hier verwendete Begriff "Metallschicht" soll eine Schicht bedeuten, die vorwiegend Metall umfaßt.
Der hier verwendete Begriff "Schlackeschicht" soll eine Schicht bedeuten, die vorwiegend Schlacke umfaßt.
Die Schlackeschicht trennt tatsächlich die Metallschicht und den Gasraum über dem Bad, so daß die Oxidation von CO und allem H&sub2; im Gasraum die Reduktion der Metalloxide in der Metallschicht nicht stört und umgekehrt, und das Einspritzen von Gas direkt in die Schlackeschicht ermöglicht eine wirksame Übertragung der Wärme, die durch die Nachverbrennung von CO und allem H&sub2; im Gasraum erzeugt wurde, auf die Schlackeschicht und anschließend auf die Metallschicht, wodurch der Wärmeverlust bei der Reduktion von Metalloxiden ausgeglichen wird.
Die Metalloxide und das kohlenstoffhaltige Material werden jeweils in und auf das Bad eingespritzt. Das kohlenstoffhaltige Material wird vorzugsweise aus einem oder mehreren der Gruppe ausgewählt, die Kohle, verbrauchte Gefäßauskleidungen aus Aluminiumschmelzöfen, und Klärschlamm umfaßt. Es ist besonders bevorzugt, wenn das kohlenstoffhaltige Material Kohle umfaßt.
Es ist bevorzugt, daß das in die Schlackeschicht eingespritzte Gas aus einem oder mehreren der Gruppe von Inertgas, wiederverwendetem Verfahrensgas, CO, CO&sub2;, Erdgas, Propan oder Butan ausgewählt ist. Das Inertgas ist besonders bevorzugt Stickstoff.
Butan ausgewählt ist. Das Inertgas ist besonders bevorzugt Stickstoff.
Nach der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung sind die Auslaßöffnungen der Einrichtung zum Einspritzen des Gases in die Schlackeschicht in einem Abstand von der Seitenwand des Gefäßes unter der Badoberfläche der Schlackeschicht angeordnet. Es ist vorteilhaft, wenn der Gasstrom nicht direkt an der Seitenwand des Gefäßes in den Schlackestrom eingeführt wird, wie es bei den Seitenwand-Winddüsen in einem konverterähnlichem Gefäß der Fall ist, sondern in einem Abstand von der Seitenwand eingeführt wird. Für die Bildung der Eruptionszone, die aus Schlacketeilen, -tropfen und/oder -strömen besteht, und zur dadurch erreichten Vergrößerung der Oberfläche der Schlackeschicht ist es vorteilhaft, die Einrichtung zum Einspritzen des Gases in die Schlackeschicht in einem Abstand von der Gefäßwand anzuordnen, der mindestens dem fünffachen des Durchmessers der Winddüsen zum Einspritzen des Gases entspricht. Die Gefäßwand kann in Form einer senkrechten Wand vorliegen, wie es z. B. in einem zylindrischen Schmelzreduktionsreaktor dargestellt wird. Wenn die Wand geneigt ist, d. h. in Form eines Konus, dann ist die Linie, die durch die unbewegte Oberfläche der Schlackeschicht auf der Gefäßwand gebildet wird, der Punkt, von dem der Abstand der einspritzenden Winddüsen berechnet wird. Die Durchmesser der Winddüsen, d. h. der in Betracht gezogene Außendurchmesser, liegt im Bereich von 10 bis 150 mm und vorzugsweise 25 bis 60 mm.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Gas in einer Richtung zur Oberfläche der Schlackeschicht in die Schlackeschicht eingesprüht. Das Einführen kann senkrecht zur Oberfläche der Schlackeschicht, was bevorzugt ist, oder in einer Neigung zur Oberfläche der Schlackeschicht erfolgen. Diese Form der Einführung des Gases steht zur Einführung des Gases in die Schlackeschicht mit einer von der Oberfläche der Schlackeschicht wegzeigenden Neigung oder parallel zur Oberfläche der Schlackeschicht im Gegensatz.
Diese bevorzugte Form der Einführung des Gases verbessert die Bildung einer Eruptionszone und minimiert Schäden der Gefäßauskleidung.
Es ist bevorzugt, daß das sauerstoffhaltige Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die Sauerstoff, Luft und Dampf umfaßt. Es ist besonders bevorzugt, daß die Luft vorgewärmt wird.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Gefäß für die Reduktion von Metalloxiden bereitgestellt, wobei dieses Gefäß zur Aufnahme eines Metallbades geeignet ist, das eine Metallschicht und darauf eine Schlackeschicht umfaßt, wobei dieses Gefäß umfaßt:
(a) Eine Einrichtung zum Einsprühen von Metalloxiden in und/oder auf das Bad und von kohlenstoffhaltigem Material in und/oder auf das Bad, so daß die Metalloxide in der Metallschicht geschmolzen und zu Metall reduziert werden;
(b) eine Einrichtung zum Einsprühen von Gas direkt in die Schlackeschicht, wodurch der Ausstoß von geschmolzenen Schlacketeilen, -tropfen und/oder -strömen in den Gasraum über dem Bad verursacht wird, wobei das Mitreißen von Metall aus der Metallschicht minimal ist; und
(c) eine Einrichtung zum Einsprühen von sauerstoffhaltigem Gas direkt in den Gasraum, wodurch die Nachverbrennung von CO und irgendwelchem H&sub2; verursacht wird, so daß die durch die Nachverbrennung erzeugte Wärme direkt auf die Tropfen und/oder Ströme der geschmolzenen Schlacke übertragen wird.
Die Unterseite des Gefäßes umfaßt eine untere Etage und eine obere Etage, wodurch sich die Metallschicht bei Verwendung über die untere Etage bis zum oder unter das Niveau der oberen Etage erstreckt, und sich die Schlackeschicht über der Metallschicht und über die obere Etage erstreckt.
Bei dieser Anordnung umfaßt die Einrichtung zum Einsprühen des Gases in die Schlackeschicht Winddüsen, die sich durch die obere Etage erstrecken und in einem Abstand von der Seite des Gefäßes angeordnet sind.
Die Einrichtung zum Einspritzen der Metalloxide und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials in die Metallschicht umfaßt Winddüsen, die sich durch die untere Etage erstrecken.
Das in der Figur gezeigte Gefäß wird aus einer äußeren Metallhülle und einer inneren Auskleidung aus feuerfestem Material gebildet, und dieses Gefäß enthält bei Verwendung ein Eisenschmelzebad, das eine Metallschicht 3 und eine Schlackeschicht 5 umfaßt. Das Gefäß wird zur Rotation um die schräge Achse 21 gehalten und ist mit einem im allgemeinen konischen oberen offenen Ende 23 versehen, durch das die Abgase aus dem Gefäß entweichen können.
Das Gefäß ist so geformt, daß die Unterseite eine untere Etage 7 und eine obere Etage 9 aufweist, und bei Verwendung wird das Eisenschmelzebad so geregelt, daß sich die Metallschicht 3 bis zum oder unter das Niveau der oberen Etage 9 erstreckt.
Das Gefäß 9 umfaßt außerdem Winddüsen 11, die sich durch die untere Etage 7 erstrecken, und Winddüsen 13, die sich durch die obere Wand 15 erstrecken, damit teilweise vorreduziertes Eisenerz und/oder Kohle oder ein anderes geeignetes kohlenstoffhaltiges Material in oder auf das Eisenbad eingespritzt werden.
Das Gefäß umfaßt außerdem Winddüsen 17, die sich durch die obere Etage 9 erstrecken, damit Stickstoff oder irgendein anderes geeignetes Gas in die Schlackeschicht 5 eingesprüht wird, damit die Schlackeschicht 5 gerührt wird, wodurch bewirkt wird, daß Tropfen und/oder Ströme der geschmolzenen Schlacke nach oben in den Gasraum über dem Eisenbad geschleudert werden.
Die Winddüsen 17 sind in einem Abstand 10 von der Seitenwand des Gefäßes im Boden der oberen Etage 9 angebracht. Der Abstand von der Seitenwand beträgt 300 mm, dies ist das Zehnfache des Außendurchmessers der Winddüsen, der 30 mm beträgt.
Das Gefäß umfaßt außerdem eine Düse 19, die so angeordnet ist, daß sie sich durch die obere Wand in den Gasraum erstreckt, so daß sie den Strom der vorgewärmten Luft oder eines anderen geeigneten sauerstoffhaltigen Gases zur Zone 27 leitet (hier nachfolgend als "Nachverbrennungszone" bezeichnet), in die die Tropfen und/oder Ströme der geschmolzenen Schlacke geschleudert werden.
Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Verwendung Eisenerz, das in und/oder auf das Eisenbad gespritzt wird, in der Metallschicht 3 reduziert, und die Reaktionsgase CO und H&sub2;, die in der Metallschicht 3 erzeugt werden, werden in der Nachverbrennungszone 27 nachverbrannt, wodurch Energie erzeugt wird, die auf die Metallschicht 3 übertragen wird, so daß das Wärmegleichgewicht in der Metallschicht 3 beibehalten wird. Es kann leicht eingeschätzt werden, daß die Metallschicht 3 eine relativ ruhige Zone ist, da Stickstoff durch die Winddüsen 17 in die Schlackeschicht 5 eingespritzt wird und nicht direkt auf die Metallschicht 3 auftrifft. Somit wird sehr wenig geschmolzenes Erz nach oben in die Nachverbrennungszone 27 geschleudert. Es ist festzustellen, daß dies erfolgt, ohne daß der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung der Energie beeinflußt wird, die in der Nachverbrennungszone erzeugt wird. Die Schlackeschicht 5 trennt somit die Metallschicht 3 und die Nachverbrennungszone 27 wirklich, so daß die Oxidation von CO und jeglichem H&sub2; in der Nachverbrennungszone die Reduktion der Metalloxide in der Metallschicht nicht stört und umgekehrt.
Wie es aus der Figur ersichtlich ist, wird bei der bevorzugten Ausführungsform die Trennung der Metallschicht 3 und der Nachverbrennungszone außerdem weiter verstärkt, indem die oberen Winddüsen 13 zum Einspritzen von Eisenerz und/oder Kohle auf die Oberfläche des Eisenbades und die Nachverbrennungszone 27 an entgegengesetzten Seiten des Gefäßes angeordnet sind.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das folgende Beispiel verdeutlicht. Um 1 t geschmolzenes Eisen herzustellen, wurden 1250 kg FeO mit einer Temperatur von 800ºC und 350 kg Kohle mit flüchtigen Komponenten mit etwa 30% durch die obere Winddüse 30 auf das Eisenbad gesprüht. Gleichzeitig wurden 200 kg Eisenerz-Feinstoffe, 50 kg feiner Staub aus der Abgasreinigung und 80 kg Kohle durch die Bodenwinddüse 11 in das Eisenbad eingesprüht, 1450 Nm³ Heißluft mit einer Temperatur von 1300ºC wurden durch die Düse 19 in die Nachverbrennungszone 27 geblasen, und zwischen 30 und 300 Nm³ Stickstoff wurden durch die Bodenwinddüse 17 in die Schlackeschicht 5 gesprüht. Die Temperatur des Eisenschmelzebades betrug etwa 1500ºC, die Temperatur des Abgases etwa 1650ºC. Der thermische Wirkungsgrad der Energieübertragung aus der Nachverbrennungszone 27 zur Metallschicht 3 betrug etwa 90%.
Obwohl das Gefäß zwei Etagen hat, ist in diesem Zusammenhang leicht erkennbar, daß das direkte Einspritzen von Stickstoff und irgendeinem anderen geeigneten Gas in die Schlackeschicht 5 durch andere Maßnahmen vorgenommen werden kann, z. B. Düsen, die so angeordnet sind, daß sie sich vom Boden einer einzelnen unteren Etage durch die Metallschicht erstrecken.
Nach der bevorzugten Ausführungsform, die einen schrägen Wandabschnitt des Gefäßes aufweist, sind die Düsen zur Einführung des Gases in die Schlackeschicht 5 in einem Abstand 10 von dem Punkt angeordnet, an dem die Oberfläche der Schlacke die Seitenwand des Gefäßes berührt.

Claims

1. Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden in einem Gefäß, das ein Schmelzbad enthält, wobei dieses Bad eine Metallschicht und eine Schlackeschicht umfaßt, wobei das Verfahren umf aßt:

(a) Einspritzen von Metalloxiden in und/oder auf das Bad und von kohlenstoffhaltigem Material in und/oder auf das Bad, so daß die Metalloxid geschmolzen und das Metall in der Metallschicht reduziert werden;

(b) Einspritzen eines Gases direkt in die Schlackeschicht, wodurch das Herausspritzen oder Herauswerf en von geschmolzenen Schlacketeilen, -tropfen, -spritzern und/oder -strömen in den Gasraum über dem Bad verursacht wird, wobei das Mitreißen des Metalls aus der Metallschicht minimal ist; und

(c) Einspritzen eines sauerstoffhaltigen Gases direkt in den Gasraum, wodurch die Nachverbrennung von CO und allem H&sub2; verursacht wird, so daß die durch die Nachverbrennung erzeugte Wärme direkt auf Teile, Tropfen, Spritzer und/oder Ströme der geschmolzenen Schlacke übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metalloxide und kohlenstoffhaltigen Materialien jeweils in und auf das Bad eingespritzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das kohlenstoffhaltige Material aus einem oder mehreren der Gruppe aus Kohle, verbrauchten Auskleidungen des Gefäßes aus Aluminiumschmelzöfen und Klärschlamm ausgewählt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das kohlenstoffhaltige Material Kohle umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gas in einem Abstand von der Seitenwand des Gefäßes in die Schlackeschicht eingesprüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Abstand der Winddüsen zum Einspritzen des Gases in die Schlackeschicht von der Seitenwand des Gefäßes mindestens dem Fünffachen des Durchmessers der Winddüse gleicht.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das in die Schlackeschicht eingesprühte Gas in Richtung der Oberfläche der Schlackeschicht eingesprüht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das in die Schlackeschicht eingesprühte Gas senkrecht zur Oberfläche der Schlackeschicht eingesprüht wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das in die Schlackeschicht eingesprühte Gas aus Inertgas, wiederverwendetem Verfahrensgas, CO, CO&sub2;, Erdgas, Propan oder Butan ausgewählt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Inertgas Stickstoff ist.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das sauerstoffhaltige Gas aus Sauerstoff, Luft und Dampf ausgewählt ist.

12. Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden, wobei das Gefäß so gestaltet ist, daß es ein Schmelzbad aufnimmt, das eine Metallschicht und darauf eine Schlackeschicht umfaßt, wobei dieses Gefäß umfaßt:

(a) Eine Einrichtung zum Einsprühen von Metalloxiden in und/oder auf das Bad und von kohlenstoffhaltigem Material in und/oder auf das Bad, so daß die Metalloxide in der Metallschicht geschmolzen und zu Metall reduziert werden;

(b) eine Einrichtung zum Einsprühen von Gas direkt in die Schlackeschicht, wodurch der Ausstoß von geschmolzenen Schlacketeilen, -tropfen und/oder -strömen in den Gasraum über dem Bad verursacht wird, wobei das Mitreißen von Metall aus der Metallschicht minimal ist; und

(c) eine Einrichtung zum Einsprühen von sauerstoffhaltigem Gas direkt in den Gasraum, wodurch die Nachverbrennung von CO und irgendwelchem H&sub2; verursacht wird, so daß die durch die Nachverbrennung erzeugte Wärme direkt auf die Tropfen und/oder Ströme der geschmolzenen Schlacke übertragen wird,

wobei die Unterseite des Gefäßes eine untere Etage und eine obere Etage umfaßt, wodurch sich die Metallschicht bei Verwendung über die untere Etage bis zum oder unter das Niveau der oberen Etage erstreckt, und sich die Schlackeschicht über der Metallschicht und über die obere Etage erstreckt,

wobei die Einrichtung zum Einspritzen des Gases in die Schlackeschicht Winddüsen umfaßt, die sich durch die obere Etage erstrecken,

wobei die Einrichtung zum Einspritzen von Metalloxiden und/oder kohlenstoffhaltigem Material in die Metallschicht Winddüsen umfaßt, die sich durch die untere Etage erstrecken, und

die Einrichtung zum Einsprühen des Gases in die Schlackeschicht in einem Abstand von der Seitenwand des Gefäßes angeordnet ist.

13. Gefäß nach Anspruch 12, wobei der Abstand der Winddüsen zum Einspritzen des Gases in die Schlackeschicht von der Seitenwand mindestens dem Fünffachen des Durchmessers der Winddüse gleicht.

14. Gefäß nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Einrichtung zum Einspritzen des Gases in die Schlackeschicht zur Oberfläche der Schlackeschicht gerichtet ist.

15. Gefäß nach Anspruch 14, wobei die Einrichtung zum Einspritzen des Gases in die Schlackeschicht senkrecht zur Oberfläche der Schlackeschicht angeordnet ist.