Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktreduktion von eisenoxidhältigem Material, wobei Synthesegas, vorzugsweise reformiertes Erdgas, mit bei der Direktreduktion des eisenoxidhältigen Materials entstehendem Topgas vermischt und als Reduktionsgas zur Direktreduktion und zur Erhitzung des eisenoxidhältigen Materials auf Reduktionstemperatur verwendet wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der EP-A - 0 571 358 bekannt.

Metallische Anlagenteile, die mit einem CO-hältigen Reduktionsgas in Kontakt gelangen, sind einer hohen Korrosionsbelastung ausgesetzt: Es kommt zu einer Metallzersetzung, die in der Fachliteratur als "metal dusting" bezeichnet ist "Metal dusting" tritt verstärkt bei höheren Temperaturen auf, wodurch insbesondere Anlagenteile, die mit heißem Reduktionsgas in Kontakt gelangen, gefährdet sind. Dies sind bei einer Anlage zur Durchführung des eingangs erwähnten Verfahrens insbesondere die der Direktreduktion dienenden Reaktoren und der das Reduktionsgas auf Reduktionstemperatur erhitzende Gaserhitzer.

Zur Vermeidung bzw. zur Verminderung von "metal dusting" ist es intern bekannt, im Reduktionsgas für einen Schwefelgehalt zu sorgen, was man durch Eindüsen von __2S-Gas bewerkstelligt hat. Eine solche Zumischung von FbS-Gas ist nicht nur technisch aufwendig, sondern auch sehr teuer und zudem verfahrensmäßig kompliziert, d.h. es ist schwierig, hierbei den libS-Gehalt im Reduktionsgas gleichmäßig auf einen bestimmten Wert in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung des Reduktionsgases einzustellen.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche eine Einstellung eines H2S-Gehaltes auf einen vorbestimmten Wert mit hinreichender Genauigkeit und unter Vermeidung eines großen verfahrenstechnischen bzw. konstruktiven und kostenintensiven Aufwandes ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil eines im eisenoxidhältigen Material enthaltenen Schwefels in Form von bei der Erhitzung bzw. der Direktreduktion anfallendem H2S mit dem Topgas dem Reduktionsgas zugeführt wird.

Die Erfindung beruht auf der Idee, den im Erz üblicherweise enthaltenen Schwefel, der bisher bei der Weiterverarbeitung nicht genutzt wurde, zu verwerten und macht sich die Tatsache

zunutze, daß es bei der Erhitzung von schwefelhaltigem Erz zur Bildung von H2S kommt. Erfindungsgemäß wird dieses PbS mit dem die Erhitzung bewerkstelligenden Reduktionsgas, von dem es aufgenommen wird, als Topgas abgeleitet und dem Reduktionsgas zugeführt.

Zweckmäßig wird mit dem Topgas ein __2S-Gehalt im Reduktionsgas in der Größe von 20 bis 40 ppmV, vorzugsweise in der Größe von etwa 25 ppmV, eingestellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Topgas vor der Verwendung als Reduktionsgas einer Cθ2-Wäsche unterzogen und erfolgt das Einstellen des __2S-Gehaltes im Reduktionsgas dadurch, daß zumindest ein Teilvolumen des Topgases unter Umgehung der Cθ2-Wäsche dem Reduktionsgas direkt zugemischt wird. Diese Variante ist besonders einfach zu verwirklichen, da lediglich eine Bypass-Leitung, die den Cθ2-Wäscher überbrückt, anzuordnen ist. Hierdurch wird ein Auswaschen des in diesem Teil des Topgases vorhandenen FbS verhindert, wogegen der übrige Teil des Topgases einer Olb-Wäsche unterzogen wird, bei der auch H2S ausgewaschen wird. Durch Variieren der über die Bypass-Leitung geführten Topgasmenge läßt sich in einfacher Weise der gewünschte H2S-Gehalt des Reduktionsgases einstellen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß als Synthesegas reformiertes Erdgas eingesetzt wird und daß sowohl das reformierte Erdgas als auch das Topgas vor der Verwendung als Reduktionsgas einer Cθ2-Wäsche unterzogen werden, wobei ein Teilvolumen des reformierten Erdgases unter Umgehung der Cθ2-Wäsche dem Reduktionsgas direkt zugemischt wird. Hierdurch kann in einfacher Weise ein gewünschter CO -Gehalt eingestellt bzw. können durch das direkte Zumischen eines Teiles eines CO2- ungewaschenen Topgases verursachte Änderungen des Cθ2-Gehaltes und des CO/CO2- Verhältnisses des Reduktionsgases unter Berücksichtigung des gewünschten H2S-Gehaltes ausgeglichen werden.

Eine weitere bevorzugte Möglichkeit zur Einstellung des gewünschten H2S-Gehaltes im Reduktionsgas ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des H2S-Gehaltes im Reduktionsgas dadurch erfolgt, daß der Auswaschungsgrad der Cθ2-Wäsche variiert wird, u.zw. dahingehend, daß ein Teil des CO2 und damit ein Teil des H2S im gewaschenen Gas verbleiben. Diese Ausführungsform erfordert den geringstmöglichen konstruktiven Aufwand, also nicht einmal das Anordnen einer Bypass-Leitung, jedoch ist zu berücksichtigen, daß das gesamte Gas durch den CO2- Wäscher, der dementsprechend dimensioniert sein muß, zu führen ist

Vorzugsweise wird dem teilchenförmigen eisenoxidhältigen Material für den Fall, daß es nicht schwefelh ltig ist. ein schwefelh ltiges Material, wie Fe-Pyrit, zugesetzt, wodurch die Bildung von H2S und dessen Aufnahme in das die Erhitzung des eisenoxidhältigen Materials auf Reduktionstemperatur bewerkstelligende Reduktionsgas bewirkt wird.

Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit mindestens einem Direktreduktiongsreaktor zur Aufnahme des eisenoxidhältigen Materials, Erhitzung und Reduktion desselben, einer Reduktionsgaszuleitung zu diesem Direktreduktionsreaktor und einer das sich bei der Direktreduktion sowie Erhitzung auf Reduktionstemperatur bildende Topgas vom Direktreduktionsreaktor abführenden Topgas-Ableitung, wobei die Topgas-Ableitung in einen Cθ2-Wäscher mündet und das aus Synthesegas und Topgas gebildete Reduktionsgas über die Reduktionsgaszuleitung in den Direktreduktionsreaktor gelangt und die Reduktionsgaszuleitung vom Cθ2-Wäscher zum Direktreduktionsreaktor führt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Topgas-Ableitung unter Umgehung des Cθ2-Wäschers mittels einer Bypass-Leitung mit der Reduktionsgaszuleitung leitungsmäßig verbunden ist

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Herstellung des Synthesegases ein Reformer zur Reformierung von Erdgas und eine vom Reformer ausgehende Reformgasleitung, die mit der Topgas- Ableitung zusammenmündet, vorgesehen, wobei sowoh die Reformgasleitung als auch die Topgas-Ableitung in den b-Wäscher münden.

Vorzugsweise ist die Reformgasleitung unter Umgehung des Cθ2-Wäschers mittels einer Bypass-Leitung mit der Reduktionsgaszuleitung leitungsmäßig verbunden.

Die Bypass-Leitung(en) ist (sind) zweckmäßig mit einem Stellventil, vorzugsweise einem Regelventil, ausgestattet, das (die) über eine H2S-Meßeinrichtung aktivierbar ist (sind).

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung, die ein Verfahrensschema nach einer bevorzugten Ausführungsform zeigt, näher erläutert

Die erfindungsgemäße Anlage weist vier in Serie hintereinander geschaltete Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 auf, wobei eisenoxidhältiges Material, wie Feinerz, über eine Erzzuleitung 5 dem ersten Wirbelschichtreaktor 1, in dem die Auf heizung auf Reduktiongstemperatur (bzw. eine Vorreduktion) stattfindet, zugeleitet und anschließend von Wirbelschichtreaktor zu Wirbelschichtreaktor über Förderleitungen 6 geleitet wird. Das fertig reduzierte Material (Eisenschwamm) wird in einer Brikettieranlage 7 heißbrikettiert

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

Vor Einleitung des Feinerzes in den ersten Wirbelschichtreaktor 1 wird es einer Erzvorbereitung, wie einer Trocknung und einem Sieben, unterzogen, die nicht näher dargestellt ist.

Reduktionsgas wird im Gegenstrom zum Erzdurchfluß von Wirbelschichtreaktor 4 zu Wirbelschichtreaktor 3 bis 1 geführt und als Topgas über eine Topgas-Ableitung 8 aus dem in Gasströmungsrichtung letzten Wirbelschichtreaktor 1 abgeleitet und in einem Naßwäscher 9 gekühlt und gewaschen.

Die Herstellung des Reduktionsgases erfolgt durch Reformieren von über die Leitung 11 zugeführtem und in einer Entschwefelungsanlage 12 entschwefeltem Erdgas in einem Reformer 10. Das aus Erdgas und Dampf gebildete, den Reformer 10 verlassende Gas besteht im wesentlichen aus H2, CO, CH4, H2O und CO2. Dieses reformierte Erdgas wird über die Reformgasleitung 13 mehreren Wärmetauschern 14 zugeleitet, in denen es abgekühlt wird, wodurch Wasser aus dem Gas auskondensiert wird.

Die Reformgasleitung 13 mündet in die Topgas-Ableitung 8, nachdem das Topgas mittels eines Kompressors 15 verdichtet wurde. Das sich so bildende Mischgas wird durch einen CO2- Wäscher 16 hindurchgeschickt und von CO2 sowie dabei auch von H2S befreit. Es steht nunmehr als Reduktionsgas zur Verfügung. Dieses Reduktionsgas wird über eine Reduktionsgaszuleitung in einem dem Cθ2-Wäscher 16 nachgeordneten Gaserhitzer 18 auf eine Reduktionsgastemperatur von etwa 800°C erhitzt und dem in Gasdurchflußrichtung ersten Wirbelschichtreaktor 4 zugeführt, wo es mit den Feinerzen zur Erzeugung von direktreduziertem Eisen reagiert Die Wirbelschichtreaktoren 4 bis 1 sind in Serie geschaltet; das Reduktionsgas gelangt über die Verbindungsleitungen 19 von Wirbelschichtreaktor zu Wirbelschichtreaktor.

Ein Teil des Topgases wird aus dem Gas-Kreislauf 8, 17, 19 ausgeschleust, um eine Anreicherung von Inertgasen, wie N2, zu vermeiden. Das ausgeschleuste Topgas wird über eine Zweigleitung 20 dem Gaserhitzer 18 zur Erwärmung des Reduktionsgases zugeführt und dort verbrannt Eventuell fehlende Energie wird durch Erdgas, welches über die Zuleitung 21 zugeführt wird, ergänzt

Die fühlbare Wärme des aus dem Reformer 10 austretenden reformierten Erdgases sowie der Reformerrauchgase wird in einem Rekuperator 22 genutzt, um das Erdgas nach Durchlauf durch die Entschwefelungsanlage 12 vorzuwärmen, den für die Reformierung benötigten Dampf zu erzeugen sowie die dem Gaserhitzer 18 über die Leitung 23 zugeführte Verbrennungsluft sowie gegebenenfalls auch das Reduktionsgas vorzuwärmen. Die dem Reformer über die Leitung 24 zugeführte Verbrennungsluft wird ebenfalls vorgewärmt.

Das den Wirbelschichtreaktor 1 verlassende Topgas weist - in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt des Erzes - einen H2S-Gehalt von 40 bis 140 ppmV auf. Das H2S-Gas bildet sich während der Erhitzung des Feinerzes auf Reduktionstemperatur bzw. während der Vorreduktion des Feinerzes.

Erfindungsgemäß wird das H2S nicht mehr zur Gänze mittels des Cθ2-Wäschers aus dem Topgas ausgewaschen, sondern es wird dafür Sorge getragen, daß der für das Reduktionsgas gewünschte Prozentsatz von H2S des Topgases dem Reduktionsgas zugeführt wird. Dies kann einerseits mittels einer den Cθ2-Wäscher 16 umgehenden Bypass-Leitung 25 verwirklicht werden, die über ein Stell- bzw. Regelventil 26 von der Topgasableitung 8 ausgeht und in die Reduktionsgaszuleitung 17 mündet Das Stell- bzw. Regelventil 26 wird derart einstellbar, daß ein H2S-Gehalt im Reduktionsgas in der Größe von 20 bis 40 ppmV, vorzugsweise in der Größe von etwa 25 ppmV. vorhanden ist. Das Stell- bzw. Regelventil 26 wird vorzugsweise über eine nicht dargestellte H2S-Meßeinrichtung 27 aktiviert.

Der gewünschte H2S-Gehalt im Reduktionsgas kann auch dadurch eingestellt werden, daß zwar das gesamte Topgas durch den Cθ2-Wäscher 16 hindurchgeleitet wird, dieser jedoch auf einen Auswaschungsgrad eingestellt wird, bei dem ein Teil des CO2 und damit auch ein Teil des H2S im aus dem Cθ2-Wäscher 16 austretenden Gas verbleiben. Dies hat den Vorteil, daß keine Nebeneinrichtungen, wie eine Bypass-Leitung 25 mit Regelventil 26, vorgesehen werden müssen, bedingt allerdings, daß die gesamte Gasmenge, also das gesamte Topgas und das gesamte reformierte Erdgas, durch den Cθ2-Wäscher 16 hindurchgeleitet werden müssen, so daß dieser auf diese Menge bemessen sein muß.

Zur Einstellung eines gewünschten Cθ2-Gehaltes bzw. eines gewünschten CO/CO2- Verhältnisses, das durch eine Änderung des Auswaschungsgrades des Cθ2-Wäschers 16 bzw. durch eine direkte Zuleitung eines Teiles des Topgases über die Bypass-Leitung 25 beeinflußt wird, kann ein Teil des reformierten Erdgases über eine den CO2- Wäscher 16 überbrückenden, ebenfalls mit einem einstellbaren Ventil 28 ausgestattete Bypass-Leitung 29 der Reduktionsgaszuleitung 17 zugeführt werden; diese Bypass-Leitung 29 geht dann von der

Reformgasleitung 13 aus. Die oben beschriebenen Maßnahmen zur Einstellung eines gewünschten H2S-Gehaltes im Reduktionsgas können einzeln oder auch gemeinsam verwirklicht werden.

Eine H2S-Einstellung auf 25 ppmV ist anhand nachstehenden Beispieles erläutert:

In einer gemäß der Zeichnung ausgestalteten Anlage zur Direktreduktion von Feinerz, die auf eine Erzeugung von 70 t/h von Eisenschwamm ausgelegt ist, werden 100 t/h getrocknetes Feinerz eingebracht. Die Analyse des Feinerzes ist folgende:

Hämatit 94,2 9.

Gangart 2,2 9c

Schwefel 0,02 %

Von dem bei der Direktreduktion entstehenden Topgas werden 78.000 Nm ^? /h mit

48.000 Nm-'/h reformiertem Erdgas gemischt und über den Cθ2-Wäscher 16 geleitet in dem das gemischte Gas von CO2 und vom größten Anteil des Schwefels befreit wird.

Das reformierte Erdgas und das Topgas weist die in nachstehender Tabelle angegebene chemische Zusammensetzung auf:

Das aus dem Cθ2-Wäscher 16 austretende, aus dem gewaschenen reformierten Erdgas und dem gewaschenen Topgas gebildete Gasgemisch ist wie folgt zusammengesetzt:

Dieses Gasgemisch wird mit 78.000 NπvVh des Topgases, das nicht durch den Cθ2-Wäscher 16 hindurchgeleitet wurde, gemischt Dieses Gasgemisch bildet das dem Gaserhitzer 18 und nachfolgend den Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 zugeführte Reduktionsgas, das folgende chemische Zusammensetzung aufweist:

Der Metallisierungsgrad des Eisenschwammes beträgt 92 9c.

Gemäß dem nachfolgenden Beispiel wird ein H2S-Gehalt von 35 ppmV erzielt:

In einer gemäß der Zeichnung ausgestalteten Anlage zur Direktreduktion von Feinerz, die auf eine Erzeugung von 70 t/h von Eisenschwamm ausgelegt ist werden 100 t/h getrocknetes Feinerz eingebracht Die Analyse des Feinerzes ist folgende:

Hämatit 94,2 % Gangart 2,2 % Schwefel 0,02 %

Von dem bei der Direktreduktion entstehenden Topgas werden 63.000 NmVh mit

54.000 Nm'/h reformieπem Erdgas gemischt und über den Cθ2-Wäscher 16 geleitet in dem das gemischte Gas von CO2 und vom größten Anteil des Schwefels befreit wird.

Das reformierte Erdgas und das Topgas weist die in nachstehender Tabelle angegebene chemische Zusammensetzung auf:

Das aus dem Cθ2-Wäscher 16 austretende, aus dem gewaschenen reformierten Erdgas und dem Topgas gebildete Gasgemisch ist wie folgt zusammengesetzt:

Dieses Gasgemisch wird mit 94.000 Nm ³ /h des Topgases, das nicht durch den Cθ2-Wäscher 16 hindurchgeleitet wurde, gemischt Dieses Gasgemisch bildet das dem Gaserhitzer 18 und nachfolgend den Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 zugeführte Reduktionsgas und weist folgende chemische Zusammensetzung auf:

Der Metallisierungsgrad des Eisenschwammes beträgt 92 9c.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen Beispiele, sondern ist auch für andere Direktreduktions verfahren, z.B. solche, bei denen anstelle der Wirbelschichtreaktoren 1 bis 4 Schachtöfen für Stückerz eingesetzt werden, verwendbar. Anstelle des reformeirten Erdgases können auch andere in der Hauptsache CO und H2 enthaltende reduzierende Gase, wie

LD-Abgas

EAF-Abgas

Gichtgas aus Hochofenanlagen

Gichtgas aus Corexanlagen

Kohlegas

Corexgas aus dem Corexvergaser

Chemiegase zur Anwendung gelangen.