Aus der US-A-5,082,251 ist ein Verfahren zur Direktreduktion von Feinerz bekannt, bei dem das eisenreiche Feinerz in einem System von in Serie angeordneten Wirbelschichtreaktoren mit Hilfe von Reduktionsgas unter erhöhtem Druck reduziert und anschließend einer Heiß-oder Kaltbrikettierung unterworfen wird, wobei das Topgas nach Reinigung wieder als Reduktionsgas eingesetzt wird. Vor dem Einbringen in den ersten Wirbelschichtreaktor wird das Feinerz getrocknet, gesiebt und in einem Vorwärmreaktor durch Verbrennen von Erdgas erhitzt.

Sofern das Feinerz nicht bereits einen magnetitischen Anteil aufweist, kommt es aufgrund der Kinetik bei der Direktreduktion gemäß der US-A-5,082,251 zur Magnetitbildung, und zwar in einer stetig von außen nach innen wachsenden Schicht, die sich auf jedem Partikel bzw. Korn des eisenoxidhältigen Materials bildet. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Magnetitbildung bzw. das Vorhandensein von Magnetit im Feinerz für eine Direktreduktion mit Reduktionsgas hemmend ist und sich bei magnetitischen Erzen nur ungenügende Reduktionsgrade erzielen lassen. Es gelingt nur mit erhöhtem Aufwand, d. h. durch Erhöhung des Reduktionsgasverbrauches, eine mehr oder weniger vollständige Reduktion des eingesetzten eisenoxidhältigen Materials zu erreichen, da es notwendig wäre, auch in den erstangeordneten Wirbelschichtzonen Reduktionsgas mit hohem Reduktionspotential zur Verfügung zu stellen.

Gemäß AT-B-406 271 wird die Magnetitbildung, die bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 580°C stattfindet, dadurch vermieden bzw. vermindert, daß der Übergang der Temperatur des eisenoxidhältigen Materials beim Erhitzen von 400 auf 580°C in möglichst kurzer Zeit bewerkstelligt sowie ein Halten in diesem kritischen Temperaturbereich vermieden wird. Eine Möglichkeit zur Durchfiihrung besteht darin, die Temperatur oder die Reduktionsgeschwindigkeit im ersten Wirbelschichtreaktor durch zusätzliche Zufuhr von frischem Reduktionsgas oder durch Aufheizen bzw. Teilverbrennung des Reduktionsgases aus der nachfolgenden Wirbelschichtzone zu erhöhen. Gemäß einer weiteren Möglichkeit wird das eisenoxidhältige Material in der ersten Wirbelschichtzone nur auf eine Temperatur unterhalb des für die Magnetitbildung kritischen Temperaturbereichs erwärmt, worauf die Reduktion und weitere Erwärmung in der zweiten Wirbelschichtzone aufgrund des höheren Reduktionspotentials und der höheren Temperatur des Reduktionsgases schneller erfolgt und damit der Bereich der Magnetitbildung sehr rasch durchschritten wird.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß ein bereits im Feinerz vorhandener Magnetitanteil durch diese Maßnahmen nicht beseitigt werden kann und zur mehr oder weniger vollständigen Reduktion dieses Anteils ein erhöhter Bedarf an Reduktionsgas besteht.

Je nach Ursprungsort des Feinerzes kann das Ausgangsmaterial für die Direktreduktion nicht nur Hämatit und/oder Magnetit, sondern auch hydratische, carbonatische oder sulfidische Erzkomponenten in verschiedenen prozentuellen Anteilen, entweder allein oder als Gemisch, enthalten.

Werden solche Feinerze oder Mischungen verschiedenster Feinerze ohne Vorbehandlung zur Direktreduktion eingesetzt, kann es in Abhängigkeit von Menge und Gehalt der oben genannten Erzkomponenten zu starken Beeinträchtigungen des Reduktionsprozesses bzw. des Reduktionsverfahrens kommen. Wird die Reduktion beispielsweise von einem hauptsächlich H2-und CO-enthaltenden Reduktionsgas bewirkt, können in der reduzierenden Atmosphäre der Reduktionszonen neben der Hauptreduktionsreaktion Fez03 + 3 H2/CO# 2 Fe + 3 H20/CO2 folgende Reaktionen ablaufen : Fe304 + CO/H2# 3 FeO + C02/H20 (1) Fie304 + 4 CO/H2 3 Fe + 4 CO2/H20 (2) FeOOH + CO/H2 FeO + C02IH20 + 1/2 H2 (3) <BR> <BR> FeCO3#FeO+CO2 (4)<BR> <BR> FeS2+2H2#Fe+2H2S (5) Gemäß Reaktion (1) findet eine Reduktion des Magnetit zu Wüstit FeO statt, die jedoch, wie bereits erwähnt, kinetisch gehemmt abläuft. Reaktion (2) läuft bei Temperaturen unter 570°C, Reaktion (1) bei Temperaturen darüber ab. Bei der Reduktion von hydratischen Erzkomponenten, z. B. Limonit, (3) entsteht durch Abspaltung der Hydratgruppe (n) eine große Menge an Wasserdampf, die die Reduktion des Eisenoxids mittels Wasserstoff insofern beeinflußt, als das chemische Gleichgewicht der Reduktionsreaktion auf die Seite des Wasserstoffs hin verschoben wird, d. h., daß durch das Vorhandensein von Wasser im Reduktionsgas die Bildung von Wasserdampf aus Wasserstoff und dem als Oxid vorliegenden Sauerstoff im Feinerz und damit die Reduktionsrate der Eisenoxide verringert wird. Gemäß Reaktion (4) spaltet carbonatisches Erz Kohlendioxid ab, welches das Reduktionspotential des Reduktionsgases verringert bzw. dessen Oxidationsgrad erhöht, woraus ein höherer Gasverbrauch für das Erreichen eines bestimmten Reduktionsgrades resultiert. Sulfidische Erzkomponenten wiederum bilden Schwefelwasserstoff (5), der im Fall eines erhöhten Anteils an Sulfiden im Feinerz aus dem Reduktionsgas vor dessen Wiederverwendung aufwendig entfernt werden muß.

Aus der WO-A-97/45564 ist ein Verfahren zur Behandlung von EAF-Staub bekannt, wobei der Staub vorgewärmt und unter Bedingungen dekontaminiert wird, bei denen der Magnetitanteil des Staubes zu Hämatit oxidiert wird. Anschließend wird der Hämatit im Staub mittels eines Redulctionsgases, welches danach seine Verbrennungswärme zur Erwärmung des Staubes abgibt, in einem Wirbelschichtreaktor reduziert und das so gewonnene eisenreiche Material in den Elektrolichtbogenofen zurückgeführt Dieses Verfahren ist jedoch nicht für die Direktreduktion einer großen Menge Feinerz im Wirbelschichtverfahren geeignet, das neben Magnetit und gegebenenfalls Hämatit auch noch andere Erzkomponenten enthält. Zudem wird das Reduktionsgas gemäß diesem Verfahren zur Erwärmung des Staubes verbrannt und nicht weiter hinsichtlich seines Reduktionspotentiales genutzt, wodurch erhebliche Mengen an Reduktionsgas zur vollständigen Reduktion des eisenhaltigen Materials nötig sind.

In der WO-A-92/02646 ist ein Verfahren zur Herstellung von Eisencarbid beschrieben, bei dem das eingesetzte Erz in einem Ofen unter oxidierender Atmosphäre vorgewärmt wird, wobei zumindest ein Teil von im Erz vorhandenem Magnetit zu Hämatit oxidiert wird, und danach in einem Wirbelschichtreaktor mittels eines H2-, CO-, CO2-, H20-, N2-sowie hauptsächlich CH4-hältigen Gases in Eisencarbid umgewandelt wird.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß für die Umwandlung der Eisenoxide zu Eisencarbid bedeutende Mengen an gasförmigen Kohlenwasserstoffen benötigt werden und daß der Umwandlungsprozeß äußerst empfindlich auf Änderungen hinsichtlich des Einsatzmaterials und der Prozeßparameter reagiert, wodurch die Einsatzmöglichkeiten dieses Verfahrens beschränkt sind. Für eine Reihe von nachfolgenden Verarbeitungsprozessen bei der Roheisen-und Stahlerzeugung ist zudem ein vollständiger Ersatz von Eisenschwamm durch Eisencarbid nur in Verbindung mit aufwendigen Adaptionen möglich.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der oben genannten Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren für die Direktreduktion von Feinerz bereitzustellen, welches hinsichtlich der Zusammensetzung des Einsatzmaterials nicht eingeschränkt, sondern ohne Störung des Reduktionsprozesses auf alle Feinerze und Feinerzmischungen anwendbar ist. Weiters soll der für die Direktreduktion der Feinerze benötigte Gesamtenergiebedarf möglichst reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Aufheiz-Wirbelschichtzone neben einer gezielten Erwärmung des Feinerzes durch Verbrennung des Heizmediums unter zusätzlicher Zufuhr von Sauerstoff oder eines sauerstoffhältigen Gases zwecks Einstellung oxidierender Bedingungen eine Abtrennung der Hydrat-, Carbonat-und/oder Sulfidgruppen und/oder eine Umwandlung in Hämatit durchgeführt wird und daß zumindest ein Teil des Topgases als Recycle-Reduktionsgas zur Direktreduktion in der Redulctions- Wirbelschichtzone eingesetzt wird.

Es ist allgemein bekannt, daß Feinerze neben Gangart nicht nur aus magnetitischen, hydratischen, carbonatischen, sulfidischen und/oder hämatitischen Eisenerzen aufgebaut sind, sondern auch andere Erze, wie Manganerze, sowie Spuren anderer Elemente und Metalle enthalten können.

Magnetit wird gemäß 2 Fe304 + % Qa' 3 Fe203 in Hämatit umgewandelt. Würde das magnetitische Feinerz ohne eine solche Oxidation reduziert werden, wäre die Reaktionskinetik gehemmt, weil das Reduktionsgas an der Diffusion durch die dichte Magnetitschicht des Erzkornes gehindert wird und somit der Stoffaustausch des Reduktionsgases nicht wie bei porösen Hämatitkömem erfolgen kann.

Hydratische, carbonatische und sulfidische Erzkomponenten reagieren nach folgenden Gleichungen : 2 FeOOH o Fe203 + H20 2 FeCO3 + % Oi- Fe203 + 2 CO2 2 Fe + 3 ½ O2 # Fe2O3 + 2 SO2 In der Auflleiz-Wirbelschichtzone erfolgt eine Abspaltung der Hydrat-, Carbonat-und Sulfidgnlppen als Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefeldioxid sowie eine gleichzeitige Oxidation des meist zweiwertigen Eisens zu Hämatit, welches die nachfolgende Direktreduktion des Feinerzes im Wirbelschichtverfahren erheblich vereinfacht. Zusätzlich ergibt sich durch die höheren Temperaturen zu Beginn der Reduktion ein schnellerer Reduktionsfortschritt, der kürzere Verweilzeiten ermöglicht und dadurch zu einem geringeren spezifischen Energiebedarf führt.

Das Heizmedium wird vorzugsweise mit hohem Luftüberschuß vollständig verbrannt, wobei die Temperatur der Aufheiz-Wirbelschichtzone und der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des eingesetzten Feinerzes zu wählen sind. Der für die Umwandlung in Hämatit benötigte Mindestluftüberschuß ergibt sich aus dem stöchiometrischen Sauerstoffbedarf der jeweils vorhandenen Erze, wobei im Gas ein beliebig hoher CO ?- und H20-Gehalt sowie auch freier Sauerstoff erlaubt sind. Praktisch ergibt sich der Bedarf aus der gewünschten Wirbelschicht-Temperatur, die mittels des Verhältnisses von Heizmedium und Luft entsprechend der exothermen Verbrennungsrealction gezielt einstellbar ist.

Der Temperaturbereich ftir die gezielte Erwärmung des Feinerzes wird einerseits von der Zersetzung des Fe-Hydrats und-Carbonats, für welche Mindestemperaturen von 200°C- 400°C nötig sind, und andererseits von der Oxidationsreaktion von Fe2S (vorzugsweise 600- 800°C), FeO bzw. Fe304 zu Hämatit bestimmt. Aus kinetischen Erfordernissen ist für die Oxidation eine Mindesttemperatur von 400°C notwendig.

Der technisch sinnvolle Temperaturbereich jedoch, in dem Oxidation zu Hämatit durchgeführt wird, liegt im allgemeinen oberhalb einer Temperatur von 600°C und reicht bis zur Erweichungstemperatur des Erzes bzw. der Erzkomponenten, also etwa 900 bis 1200°C.

Vorteilhaft wird das zumindest zum Teil von zumindest teilweise verbrauchtem Reduktionsgas aus den nachfolgenden Reduktionsreaktoren gebildete Heizmedium, welches unter O2-Überschuß verbrannt wird, im ungereinigten Zustand eingesetzt. Von Vorteil ist hierbei, daß die Restwärme des Reduktionsgases für die Aufheiz-Wirbelschichtzone genutzt werden kann.

Gemäß einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante wird verbrauchtes Reduktionsgas, welches unter O2-Überschuß verbrannt wird, im gereinigten und gegebenenfalls verdichteten Zustand als Heizmedium eingesetzt. Die Gefahr des Verstopfens von Leitungselementen, wie Ventilen, durch staubbeladenes Reduktionsgas wird durch diese Maßnahme beseitigt.

Vorzugsweise wird zusätzlich in der Aufheiz-Wirbelschichtzone eine Trocknung des Feinerzes durchgeführt, wobei auch die Trocknung unter Zufuhr von Sauerstoff oder eines sauerstoffhaltigen Gases zwecks Einstellung oxidierender Bedingungen bei Atmosphärendruck erfolgt. Die zum Betrieb unter Überdruck notwendigen Schleusensysteme der Chargiereinrichtung sind bei Einsatz von feuchtem Erz in Gefahr zu verstopfen, so daß die Trocknung und die oxidierende Vorwärmung bei Atmosphärendruck zweckmäßig ist. Diese Maßnahme bietet zudem den Vorteil, daß der Trocken-und Vorwärrnrealctor auf niedrigerem Niveau stehen kann, da er nicht über Standpipes mit den nachfolgenden Reduktionsreaktoren verbunden sein muß, sondern der Materialtransport vom Trocken-und Vorwärmreaktor zum Befüllsystem der Reduktionsreaktoren auf mechanischem Weg, beispielsweise mittels eines Becherwerks, erfolgen kann. Daraus resultieren eine reduzierte Gesamtbauhöhe und somit wesentlich günstigere Standkosten für die Anlage.

Sind bereits genug Reduktionsreaktoren vorhanden, ist es bevorzugt, daß das Feinerz in einer Trocknungs-Wirbelschichtzone getrocknet und nach Verbringen in eine Aufheiz- Wirbelschichtzone im trockenen Zustand mit dem Heizmedium beaufschlagt wird, wobei die Aufheiz-Wirbelschichtzone im für in Reduktionsgasförderrichtung letztangeordneten Reduktionsreaktor vorgesehen sein kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Aufheiz-Wirbelschichtzone drei weitere in Serie angeordnete Reduktions-Wirbelschichtzonen nachgeordnet, wobei das erhitzte Feinerz diese drei nachgeordneten Reduktions-Wirbelschichtzonen hintereinander im Gegenstrom zu einem Redulctionsgas durchläuft. Da neben einer Vorwärmung in der Aufheiz-Wirbelschichtzone auch eine Oxidation des Feinerzes zu Hämatit erfolgt, genügen in den meisten Fällen drei nachfolgende Reduktionsstufen zum Erreichen des geforderten Metallisierungsgrades.

. Zweckmäßig wird das aus der Aufheiz-Wirbelschichtzone abgezogene Abgas zur Vorwärmung der für die Verbrennung des Heizmediums dienenden Luft herangezogen.

Es ist vorteilhaft, das aus der Reduktions-Wirbelschichtzone austretende Topgas zur Vorwärmung der für die Verbrennung des Heizmediums dienenden Luft heranzuziehen.

Nach einer anderen Ausfihrungsform der Erfindung wird das in der Aufheiz- Wirbelschichtzone erhitzte Feinerz in eine Kühlzone eingebracht und in dieser mittels Luft unter Vorwärmung derselben gekühlt, wobei die so vorgewärmte Luft in die Aufheiz- Wirbelschichtzone zwecks Verbrennung des Heizmediums eingeleitet wird.

Diese Verfahrensvariante ist vorteilhaft, wenn ein Vorwärmreaktor für die Direktreduktion vorgesehen ist, der für die gezielte Erwärmung und Oxidation des Feinerzes beispielsweise eine zu geringe Kapazität besitzt. In diesem Fall kann die Umwandlung der nicht hämatitischen Feinerzkomponenten gemeinsam mit der Trocknung anstelle der Vorwärmung des Feinerzes in einer Wirbelschicht erfolgen, wobei es keine Rolle spielt, daß das Feinerz nach der gezielten Erwärmung unter oxidierenden Bedingungen bei gleichzeitiger Trocknung wieder abgekühlt wird, ehe es in die Reduktionsstufen verbracht wird, da eine Einrichtung zum Vorwärmen des Feinerzes zur Verfügung steht.

Diese Ausführungsform hat weiters den Vorteil, daß die Kalzinierung, die Oxidation und die gleichzeitige Trocknung in einem separaten System neben der Wirbelschicht- Reduktionsanlage durchgeführt werden kann. Die Kühlung des Erzes ist außerdem vorteilhaft, da damit die Chargierung des Erzes in den nachfolgenden Wirbelschichtreaktor mit einfachem Equipment fur niedrige Temperaturen durchgeführt werden kann.

Bevorzugt wird die vorgewärmte Luft aus der Kühlzone durch Wärmetausch mit dem Abgas aus der Aufheiz-Wirbelschichtzone weiter erhitzt.

Vorzugsweise wird das aus einer der Aufheiz-Wirbelschichtzone in Förderrichtung des Feinerzes nachgeordneten Reduktions-Wirbelschichtzone austretende Reduktionsgas zum einen Teil als Heizmedium der Aufheiz-Wirbelschichtzone verwendet und zum anderen Teil direkt einer Reinigung, Kühlung und Verdichtung sowie einer Aufheizung gemeinsam mit frisch zugeführtem Reduktionsgas unterworfen, worauf es als Recycle-Reduktionsgas wiederum f die Direktreduktion eingesetzt wird.

Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Aufheiz- Wirbelschichtreaktor und mit mindestens einem Reduktions-Wirbelschichtreaktor zur Direktreduktion von Feinerzen mittels eines Reduktionsgases, mit einer Reduktionsgas- zuleitung zum Reduktions-Wirbelschichtreaktor und einer Topgas-Ableitung für verbrauchtes Reduktionsgas aus dem Reduktions-Wirbelschichtreaktor, einer in den Aufheiz-Wirbelschichtreaktor mündenden Erzzuleitung und einem den Aufheiz- Wirbelschichtreaktor mit dem Reduktions-Wirbelschichtreaktor verbindenden Fördersystem für Feinerz, wobei der Aufheiz-Wirbelschichtreaktor mit einer ein Heizmedium führenden Leitung und einer Sauerstoff und/oder ein sauerstoffhältiges Gas führenden Leitung verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstelleinrichtung zur Sicherung einer in Abhängigkeit der Menge des Heizmediums einstellbaren Sauerstoffmenge, welche größer als die zur Verbrennung des Heizmediums erforderliche Menge ist, vorgesehen ist und die Topgas-Ableitung in die Reduktionsgas-Zuleitung mündet.

. Gemäß einer Ausführungsform ist die Topgas-Ableitung über eine Zweigleitung mit der das Heizmedium führenden Leitung verbunden.

Die Topgas-Ableitung ist vorzugsweise mit Einrichtungen zum Kühlen und Waschen sowie mit einem Kompressor zur Verdichtung des Topgases ausgestattet und im Anschluß an diese Einrichtungen oder an den Kompressor über eine Zweigleitung mit der das Heizmedium führenden Leitung verbunden, wodurch ein Verstopfen von Leitungselementen durch staubbeladenes Topgas vermieden wird.

Zweckmäßig ist dem Aufheiz-Wirbelschichtreaktor eine Trocknungseinrichtung, wie ein Trocknungs-Wirbelschichtreaktor, für das Feinerz vorgeordnet.

. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufheiz- Wirbelschichtreaktor drei Reduktions-Wirbelschichtreaktoren, welche das Feinerz hintereinander durchläuft, in Serie nachgeordnet sind, wobei die Reduktionsgas-Zuführung mit dem in Fließrichtung des Feinerzes letztangeordneten Reduktions-Wirbelschichtreaktor und die Topgas-Ableitung mit dem ersten Reduktions-Wirbelschichtreaktor verbunden ist.

In. der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Gas führenden Leitung ist vorteilhaft ein Rekuperator für Abgas vom Aumeiz-Wirbelschichtreaktor vorgesehen, wodurch der spezifische Verbrauch an Heizmedium für die Erzielung einer bestimmten Temperatur im Aufheiz-Wirbelschichtrealctor verringert werden kann.

Weiters ist es vorteilhaft, wenn in der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Gas führenden Leitung ein Rekuperator für ungekühltes Topgas vorgesehen ist.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist nach dem Aufheiz- Wirbelschichtreaktor ein mit Luft als Kühlmedium arbeitender Kühler für das Feinerz vorgesehen, der hinsichtlich des Kühlmediums leitungsmäßig über eine Gasleitung mit der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhältige Gas führenden Leitung verbunden ist.

Zweckmäßig ist dabei in der Gasleitung ein Rekuperator für Abgas vom Aufheiz- Wirbelschichtreaktor vorgesehen.

Vorzugsweise ist eine erfindungsgemäße Anlage dadurch gekennzeichnet, daß die Topgas- Ableitung tiber Einrichtungen zum Kühlen und Waschen, einen Kompressor und einen Redulctionsgasofen in die Reduktionsgas-Zuleitung mündet und daß eine frisches Redulctionsgas fiihrende Reduktionsgasleitung vorgesehen ist, die vor dem Reduktionsgasofen in die Topgas-Ableitung einmündet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Fig. 1 bis 3 und 6 jeweils eine Anlage zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Fig. 4 und 5 jeweils einen Ausschnitt aus einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung veranschaulichen.

Die Anlage gemäß Fig. 1 weist einen Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 sowie drei in Serie hintereinander geschaltete Reduktions-Wirbelschichtreaktoren 2 bis 4 auf, wobei Feinerz über eine Erzzuleitung 5 einer Dosier-bzw. Chargiereinrichtung 6 zugeleitet wird, von welcher das Feinerz in den Aufheiz-Wirbelschichtreaktor I chargiert wird, der gleichzeitig als Wirbelschichttrockner für das üblicherweise mit einem gewissen Feuchtegehalt vorliegende Feinerz fungiert. Im Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 findet ein Trocknungsprozeß sowie neben einer gezielten Erwärmung unter zusätzlicher Zufuhr von Sauerstoff oder eines sauerstoffhältigen Gases zwecks Einstellung oxidierender Bedingungen eine Abtrennung der Hydrat-, Carbonat-und/oder Sulfidgruppen und/oder eine Umwandlung in Hämatit statt, wobei Temperatur und Sauerstoffgehalt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Feinerzes gewählt werden. Zu diesem Zweck münden eine ein Sauerstoff enthaltendes Gas führende Leitung 7 und eine ein Heizmedium führende Leitung 8 in den Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1, in denen eine Einstelleinrichtung E zur Sicherstellung der gewählten Sauerstoffmenge, welche größer als die zur Verbrennung des Heizmediums erforderliche Menge ist, vorgesehen ist. Das sauerstoffhältige Gas, üblicherweise Luft, dient neben den entstehenden Verbrennungsgasen gleichzeitig als Fluidisierungsgas für die Feinerzwirbelschicht.

Die aus dem Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 austretenden heißen Abgase gelangen über die Ableitung 9 in einen Zyklon 10, in welchem eine Abtrennung der vom Abgas mitgerissenen Feinerzpartikel vom Gas erfolgt. Die Feinerzpartikel werden in die Chargiereinrichtung 6 rückgeführt und das gereinigte Abgas über eine Leitung 11 abgeleitet. Die fühlbare Wärme des Abgases kann beispielsweise mittels eines Wärmetauschers zur Erwärmung der durch die Leitung 7 dem Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 zugeführten Verbrennungsluft genutzt werden.

Die Verweilzeit des Feinerzes im Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1, die Zusammensetzung des Einsatzmaterials, der Sauerstoffgehalt des Verbrennungsgases und die Temperatur bestimmen den Umsatz der magnetitischen, hydratischen, carbonatischen und/oder sulfidischen Erzkomponenten zu Hämatit. Bei Vorwärmung der Verbrennungsluft kann die spezifische Verbrennungsluftmenge bei gleichbleibender Menge an Heizmedium erhöht werden, wodurch die Oxidation mit höheren Os-Anteilen im Rauchgas durchgeführt und damit die Oxidationsrate gesteigert werden kann.

Abgesehen von einer Oxidation wird das Feinerz, das vorzugsweise zu über 90 % zu Hämatit umgesetzt wird, im Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 auf eine Temperatur von mindestens etwa 700°C erwärmt. Vom Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 wird das vorgewärmte Feinerz zu dem in Förderrichtung des Feinerzes ersten Reduktions- Wirbelschichtreaktor 2 mit Hilfe eines Fördersystems 12, z. B. eines Becherwerks, transportiert. Da die Trocknung, Vorwärmung und Oxidation des Feinerzes im Aufheiz- Wirbelschichtreaktor 1 bei Atmosphärendruck durchgeführt wird, ist es möglich den Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 auf einem niedrigeren Niveau und nicht oberhalb des ersten Reduktions-Wirbelschichtreaktors 2 anzuordnen, wodurch die Gesamthöhe der Anlage verringert wird.

Das vorgewärmte Feinerz wird mittels eines nicht näher dargestellten Schleusensystems 13 in die unter Druck stehende Reduktionsreaktorkaskade eingebracht. Vom Reduktions- Wirbelschichtreaktor 2 wird das Feinerz über Förderleitungen 14 zu den Reduktions- Wirbelschichtreaktoren 3 und 4 geleitet, wobei sich innerhalb der Wirbelschichtreaktoren 2 bis 4 jeweils Wirbelschichtzonen ausbilden. Das fertig reduzierte Feinerz (Eisenschwamm) wird über eine Leitung 15 einer Brikettieranlage 16 zugeführt, heißbrikettiert, in einer Kühleinrichtung 17 gekühlt und anschließend für eine weitere Verwendung gelagert.

Erforderlichenfalls wird das reduzierte Eisen während der Brikettierung durch ein nicht dargestelltes Inertgas-System vor einer Reoxidation geschützt.

Reduktionsgas wird im Gegenstrom zum Feinerzfluß von Reduktions-Wirbelschichtreaktor 4 zu Reduktions-Wirbelschichtreaktor 3 und 2 über Leitungen 18 geführt, als Topgas über eine Topgas-Ableitung 19 aus dem in Gasrichtung letzten Reduktions-Wirbelschichtreaktor 2 abgeleitet und in den Einrichtungen 20 bis 22 gekühlt und gewaschen.

In die Topgas-Ableitung 19 mündet eine frisches Reduktionsgas führende Reduktionsgasleitung 23, nachdem das Topgas mittels eines Kompressors 24 verdichtet wurde. Das sich so bildende Mischgas wird durch einen Reduktionsgasofen 25 hindurchgeschickt, auf eine Reduktionsgastemperatur von etwa 800°C erhitzt und dem in Gasdurchflußrichtung ersten Reduktions-Wirbelschichtreaktor 4 iiber eine Reduktionsgas- Zuleitung 26 zugeführt, wo es mit den Feinerzen unter Bildung von Eisenschwamm reagiert.

Ein Teil des Topgases wird aus dem Gas-Kreislauf 18,19,26 über eine Ableitung 27 ausgeschleust, um eine Anreicherung von Inertgasen, wie N2, zu vermeiden. Ein Teil des aus Topgas und frischem Reduktionsgas gebildeten Mischgases kann auch über eine Bypassleitung 28 am Reduktionsgasofen 25 vorbeigeführt und unerhitzt in die Leitung 26 eingeleitet werden.

Ein weiterer Teil des gereinigten Topgases wird vor dem Kompressor 24 von der Topgas- Ableitung 19 abgezweigt und als Heizmedium über die Leitung 8 in den Aufheiz- Wirbelschichtreaktor 1 eingebracht, wo es vorteilhaft unter hohem Luftüberschuß vollständig verbrannt wird.

Im Unterschied zur Anlage gemäß Fig. 1 weist die in Fig. 2 dargestellte Anlage vier in Serie hintereinander geschaltete Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 und einen nur für die Trocknung des Feinerzes bestimmten Wirbelschichtreaktor 29 auf, der zu diesem Zweck kleiner ausgelegt sein kann als ein sowohl für eine Trocknung als auch fiir eine Erwärmung und Oxidation des Feinerzes dienender Aufheiz-Wirbelschichtreaktor gemäß Fig. 1.

Das Feinerz wird über die Erzzuleitung 5 und die Chargiervorrichtung 6 in den Trocknungs- Wirbelschichtreaktor 29 eingebracht, in dem das Feinerz durch Zufuhr eines heißen Gases über Leitung 30 entfeuchtet wird. Das mit Wasser und Staub beladene Gas wird in einem Zyklon 31 gereinigt und über Leitung 32 abgeleitet.

Vom Trocknungs-Wirbelschichtreaktor 29 gelangt das getrocknete Feinerz über ein Fördersystem 12 und ein Schleusensystem 13 in den Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1, der in Förderrichtung des Feinerzes als erster der in Serie hintereinander geschalteten Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 vorgesehen ist, d. h. einen Teil der Reaktorkaskade bildet.

Als Heizmedium für die im Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 stattfindende gezielte Erwärmung unter oxidierenden Bedingungen wird ein Teil des Topgases aus dem ersten Reduktions-Wirbelschichtreaktor 2 von der Topgas-Ableitung 19 noch vor den Reinigungs- und Kühleinrichtungen 20 bis 22 über Zweigleitung 33 abgezweigt und in einer unterhalb des Aufheiz-Wirbelschichtreaktors 1 angeordneten Brennkammer 34 dem über Leitung 7 zugeführten O2-hältigen Gas beigemengt und unter Luftüberschuß verbrannt. Die der Aufheiz-Wirbelschichtzone 1 zugeführte Menge an ungereinigtem Reduktionsgas wird über das in der Topgas-Ableitung 19 vorgesehene Ventil 35 geregelt. Dadurch, daß das Topgas im ungekühlten Zustand der Topgas-Ableitung 19 entnommen wird, kann dessen Restwärme für den Oxidations-und Erwärmungsprozeß genutzt werden. Die Einstelleinrichtung E ist hierbei zweiteilig ausgeführt und sowohl in Leitung 33 als auch in Leitung 7 vorgesehen.

Im obersten Reaktor, also dem Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1, findet somit eine effektive Erwärmung unter oxidierenden Bedingungen und in den drei Reduktions- Wirbelschichtreaktoren 2 bis 4 ein intensiverer Gaskreislauf statt. Außerdem ergibt sich durch den Einsatz von Reduktionsgas anstelle eines anderen Heizmediums im Aufheiz- Wirbelschichtreaktor 1 eine höhere Wirtschaftlichkeit, da das Reduktionsgas bereits in den drei Reduktions-Wirbelschichtreaktoren 2 bis 4 seine Reduktionsarbeit verrichtet.

Das Abgas aus der Aufheiz-Wirbelschichtzone verläßt den Prozeß über eine in der Ableitung 9 nicht dargestellte Entstaubungseinrichtung.

Anstelle eines Wirbelschichtreaktors könnte die Aufheiz-Wirbelschichtzone alternativ auch in einem Zyklon oder einer Zyklonkaskade ausgebildet sein.

Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird das in der Verfahrensvariante gemäß Fig. 2 gegebenenfalls auftretende Problem des Ventils im aus dem Reduktions- Wirbelschichtreaktor 2 austretenden staubbeladenen Topgas vermieden, indem das Reduktionsgas im gereinigten und verdichteten Zustand nach dem Kompressor 24 von der Topgas-Ableitung 19 über Leitung 36 abgezweigt und der Brennkammer 34 des Aufheiz- Wirbelschichtreaktors 1 zugeführt wird. Diese Variante ist technisch leichter durchführbar als jene, bei der das Reduktionsgas vor der Reinigungsstufe als Heizmedium abgezweigt wird.

Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der . neben einer Umwandlung des eingesetzten Erzes in Hämatit unter oxidierenden Bedingungen eine Trocknung des Feinerzes stattfindet.

In die Aufheiz-Wirbelschichtzone 37 des Aufheiz-Wirbelschichtreaktors 1 wird feuchtes Feinerz 39 chargiert, wo sich eine homogene Wirbelschicht ausbildet. Zur Fluidisierung des Feinerzes 39 sowie zu dessen Erwärmung unter oxidierenden Bedingungen werden ein Heizmedium 40, vorzugsweise verbrauchtes Reduktionsgas, und ein 02-hältiges Gas 41, z. B.

Luft, in den Bodenbereich des Wirbelschichtreaktors 1 eingebracht, in dem eine vollständige Verbrennung des Heizmediums bewirkt wird.

Das heiße oxidierte Feinerz 42 wird einem Fließbettkühler 43 zugeführt, der das auf etwa 900°C erwärmte Feinerz 42 mittels Luft 44 auf ca. 100°C abkühlt. Dabei werden Luft 44 und Feinerz 42 im Kreuzstrom geführt, wodurch eine geringe spezifische Kühlluftmenge erreicht wird. Die vorgewärmte Abluft 45 des Fließbettkühlers 43 wird als 02-hältiges Gas 41 zur Verbrennung des Heizmediums 40 sowie zur Trocknung und Oxidation des Feinerzes 39 verwendet. Zur Abscheidung der von der Abluft 45 ausgetragenen Feinerzteilchen 46 dient ein Gas/Feststoff-Abscheider 47, vorzugsweise ein Zyklon, von dem die Luft 41 zum Wirbelschichtreaktor 1 transportiert und die abgeschiedenen Feinerzteilchen 46 in den Fl. ießbettkühler 43 rückgefuhrt werden.

Das Abgas 48 des Wirbelschichtreaktors 1 wird ebenfalls in einem Gas/Feststoff-Abscheider 49 von mitgeführten Feinerzteilchen 50 gereinigt und abgeleitet. Die abgeschiedenen Feinerzteilchen 50 werden ebenfalls in den Fließbettkühler 43 eingebracht. Wenn es verfahrenstechnisch erforderlich ist, kann auch eine Rückführung der Feinerzteilchen 50 wieder in die Aufheiz-Wirbelschichtzone 37 erfolgen, wie es durch den strichlierten Pfeil angedeutet ist. Das abgekühlte, hauptsächlich hämatitische Feinerz 51 kann entweder zwischengelagert oder gleich anschließend in eine Reduktions-Wirbelschichtzone chargiert werden.

Gemäß Fig. 5 wird die vorgewärmte Abluft 45 aus dem Fließbettkühler 43 nach Abscheidung der Feinerzteilchen 46 im Zyklon 47 nicht sofort dem Wirbelschichtreaktor 1 als Verbrennungsluft zugeführt, sondern in einem Wärmetauscher 52 rekuperativ durch das heiße Abgas 48 des Wirbelschichtreaktors 1 weiter erhitzt.

Anstelle des Fließbettkühlers 43 ist auch jedes andere Kühlaggregat verwendbar, mit dem feinkörnige Güter gekühlt werden können.

Fig. 6 zeigt die Verfahrensvariante gemäß Fig. 3. Im Unterschied zu Fig. 3 wird die dem Aufheiz-Wirbelschichtreaktor 1 zugeführte Verbrennungsluft in einem in der Topgas- Ableitung 19 vor den Kühl-und Wascheinrichtungen 20 bis 22 angeordneten Wärmetauscher 53 mittels der noch im Topgas vorhandenen fuhlbaren Wärme vorgewärmt.

Als Synthesegas für die Reduktion des Feinerzes kann eines oder können mehrere der folgenden Gase eingesetzt werden : reformiertes Erdgas, LD-Abgas, EAF-Abgas, Gichtgas aus Hochofenanlagen und Reduktionsanlagen, Kohlegas, Chemiegase.

Beispiel fir die gleichzeitige Vorwärmung, Trocknung und Oxidation eines feuchten, magnetitischen Feinerzes : Das Erz (5% Feuchte, 0,28% gebundenes Wasser im hydratischen Erzanteil [Limonit]) soll von 25°C auf 700OC vorgewärmt werden, wobei Erdgas als Heizmedium und Energieträger eingesetzt wird. Zur Verbrennung des Erdgases und zur Oxidation des Magnetit zu Hämatit wird der Sauerstoffanteil der Luft verwendet. Die entstehenden Abgase haben ebenfalls eine Temperatur von 700°C.

Für die Erzeugung einer Tonne getrockneten Hämatits sind 23 Nm3 Sauerstoff bzw. 109 Nm3 Luft notwendig. Der Energiebedarf von 399 MJ/t wird durch die Verbrennung von 16 Nm3 Erdgas gedeckt, die zur stöchiometrischen Verbrennung 151 Nm3 Luft benötigen.

Berücksichtigt man noch den Luftüberschuß von 260 Nm3-doppelte Luftzahl vorausgesetzt -, so sind zu deren Erwärmung weitere 242 MJ/t notwendig. Die dafür benötigte Energie wird durch die stöchiometrische Verbrennung von 9,5 Nm3 Erdgas mit 91 Nm3 Luft eingebracht.

Die Gesamtbilanz ergibt damit einen Erdgasbedarf von 25,5 Nm3 und einen Luftbedarf von 611 Nm3 pro Tonne erzeugten Hämatit.

Im Fall eines geringeren Luftüberschusses oder bei Vorwärmung der benötigten Luft reduziert sich der Erdgasverbrauch entsprechend.

Bei Verwendung von Topgas anstelle des Erdgases wird aufgrund des niedrigeren Heizwerts des Topgases eine etwa doppelt so große Menge Topgas benötigt.