NO124696B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til kontinuerlig reduksjon av jernoksyd.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til kontinuerlig reduksjon av jernoksyd for fremstilling av metallisk jern i fast tilstand, ofte betegnet svampjern. Det har i tidens løp vært utført en rekke undersøkelser og nedlagt nieget arbeid for å få utviklet en direkte reduksjonsprosess hvor man kunne anvende faste karbonholdige materialer, brenseloljer eller gassformede brennstoffer som reduksjonskilde. Disse undersøkelser har innbefattet batchprosesser, semikontinuerlige proses-

ser med cykliske bearbeidingsbetingelser samt kontinuerlige prosesser hvor jernoksyd i form av klumper, pulver eller pellets er blitt behand-

let. Skjønt det er gjort meget store anstrengelser i mange forskjellige land har man hittil ikke maktet å utvikle en kommersielt akseptabel prosess, enten av tekniske eller økonomiske årsaker eller begge deler.

Ettersom kvalitetskravene til det ferdige jern og stål stadig

er blitt høynet, har man fra jern og stålindustrien fått et stadig øk-

ende behov for et høyverdig utgangsmateriale for jern- og stålfremstill-

ing. Et nærvær av forurensninger som kobber og tinn i jern og stål-skrap er blitt et stadig økende problem i disse industrier. Metalliserte pellets eller fine partikler fremstilt ved direkte reduksjon av jernoksydpellets eller fine partikler fra jernmalmkonsentrater, er et ideelt utgangsmateriale for elektriske eller oksygentilførte jern- og stålovner, fordi disse konsentrater vanligvis ikke inneholder nevnte forurensninger. Årsaken til at slike metalliserte pellets eller fine partikler ikke i større skala har vært anvendt av disse typer industrier, har prinsipielt vært at det økonomisk ikke har vært mulig å fremstille metalliserte pellets eller fine partikler med den høye grad av metallisering som er nødvendig for en økonomisk direkte nedsmeltning.

Foreliggende oppfinnelse angår reduksjon av jernoksyd til metallisk jern hvor fersk reduserende gass fremstilles ved en kontinuerlig katalytisk.reforming av et gassformet hydrokarbon som f.eks. naturgass, propan eller et annet lettfordampbart hydrokarbon for fremstilling av CO og Hg, og hvor oksydasjonsmidlet for hydrokarbonreformingen er COg og den vanndamp som dannes ved reduksjonsprosessen. Anvendelsen av COg og vanndamp som dannes under reduksjonsprosessen og som er tilstede i avgassene fra denne prosess, som det omformende oksydasjonsmiddel uten en tilsetning av ytterligere luft, oksygen eller damp fra en ytre kilde slik det er vanlig, vil sammen med den kontinuerlige og katalytiske omdanning for fremstilling av en reduserende gass med høyt innhold av Hg og CO, gi en betydelig fordel ved den direkte reduksjon som igjen resulterer i en optimal varmeeffekt.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en fremgangsmåte til kontinuerlig reduksjon av jernoksyd til metallisk jern i en ovn hvori jernoksydet ved forhøyet temperatur i en reduksjonssone i ovnen bringes i kontakt med en varm reduserende gass og hvorved en avgass dannes ved reduksjonsreaksjonen, idet den reduserende gass, som omfatter en blanding av CO og Hg, dannes ved en omdannelsesprosess utført ved en temperatur på minst 8l5°C og omfattende føring av et hydrokarbon blandet med ett av en blanding av COg og HgO bestående ok-sydasj onsmiddel gjennom et katalysatorsjikt, kjennetegnet ved at minst 85 volumprosent og fortrinnsvis alt oksydasjonsmiddel som anvendes i omdannelsesreaksjonen skriver seg direkte fra avgassen fra malmreduksjonsprosessen, at den ved omdannelsesreaksjonen dannede reduserende gass føres direkte uten vesentlig temperaturfall til malmreduksjonssonen, og ved at en avkjølende gass eventuelt føres gjennom det reduserte jernoksyd i et lavere område av ovnen, fjernes ved et midlere område av ovnen og avkjøles og føres tilbake til det lavere område av ovnen.

Det er tidligere kjent ved reduksjon av jern å benytte reduserende gass fremstilt ved omdannelse av et hydrokarbonmateriale, f.eks. i en reaktor med fluidiserte faste stoffer. Fra norsk patent nr. 111 983 er det kjent en fremgangsmåte til reduksjon av jern hvorved det anvendes en reduserende gass som kan være fremstilt ved en katalytisk hydrokarbon-omdannelsesprosess i en reaktor inneholdende et katalysatorsjikt. Ved denne prosess benyttes en betydelig mengde vanndamp fra en ekstern kilde som hovedoksydasjonsmiddel for omdannelsen. En mindre mengde ok-sydasj onsmiddel tilføres dessuten fra avgassen oppnådd ved malmreduk-sj onen. Ved foreliggende fremgangsmåte anvendes derimot ingen betydelig mengde oksydasjonsmiddel fra en utenforliggende kilde. I det vesentlige alt oksydasjonsmiddel som skal til for omdannelsesprosessen opp-nåes imidlertid fra den reagerte gass fra selve malmreduksjonen. Foreliggende fremgangsmåte er således enklere og mer rasjonell enn de kjente metoder i og med at den også kan drives kontinuerlig, og representerer en gunstig kommersiell prosess sett fra et økonomisk synspunkt.

Ved foreliggende fremgangsmåte anvendes hensiktsmessig et appa-rat som innbefatter: (a) en reduksjonsovn for fast jernoksyd hvor reduksjonen kan skje ved

en kontakt mellom oksydet og en reduserende gass,

(b) anordninger for å ta den reagerte gass ut fra reduksjonsovnen,

(c) en omdanner eller reformerovn innbefattende et katalysatorsjikt,

(d) anordninger for å blande et hydrokarbon med i det minste en del av

den uttatte reagerte gass,

(e) anordninger for å tilføre blandingen til nevnte reformerovn, slik at

blandingen passerer gjennom katalysatorsjiktet, og

(f) anordninger for å tilføre den omdannede gass fra katalysatorsjiktet til reduksjonsovnen.

Oppfinnelsen vil fremgå mer detaljert fra den etterfølgende beskrivelse og de vedlagte tegninger hvor: Fig. 1 er en skjematisk skisse av utstyret og som viser et flow sheet for fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et tverrsnitt gjennom en reformerovn anvendt i foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 er et diagram som viser prosessens totale energikrav under varierende driftsbetingelser. Fig. 4 er et diagram som viser den mengde reduserende gass som er nødvendig i den totale prosess under varierende driftsbetingelser.

Foreliggende fremgangsmåte angår fremstillingen av metalliserte pellets som råstoff for høykvalitetsjern og -stål. Ved hjelp av foreliggende fremgangsmåte er det også mulig å fremstille metalliserte pellets med et regulert karboninnhold, noe som gjør nevnte pellets ytterligere verdifulle som utgangsmateriale for stål- og jernfremstilling. Fremgangsmåten innbefatter en katalytisk reforming eller omdanning av

et gassformet hydrokarbon til en varm reduserende gass med et regulert innhold av sterkt reduserende forbindelser (Hg og CO) i forhold til innholdet av oksyderende forbindelser (HgO og COg), noe som ikke bare er viktig med hensyn til prosessens totale effekt, men også fordi det er mulig å oppnå en meget høy grad av metallisering i nevnte pellets innenfor et rimelig tidsrom.

Fig. 1 viser en vertikal masovn 10 med en fødetrakt 12 på toppen gjennom hvilken ovnen tilføres jernoksydpellets 14 eller andre faste klumper inneholdende jernoksyd. Nevnte pellets 14 synker på grunn av tyngdekraften inn i ovnen 10 via fødetrakten 12 gjennom et rør 16.

I bunnen av masovnen 10 er det et uttaksrør 18 for nevnte pellets. En uttaksanordning 20 av vanlig type, såsom en elektrisk vibrerende føder er plasert under røret 18 og mottar metalliserte pellets fra dette rør, hvorved man får en langsom nedsynkning av de overliggende pellets i masovnen 10,

I den øvre delen av ovnen 10 er det et system 22 gjennom hvilket varm reduserende gass kan tilføres slik at den strømmer oppover i ovnea i motstrøm til de nedadsynkende pellets 14, hvoretter gassen tas ut av ovnen via rør 24 slik det er angitt ved pilene. Uttaket på tilførsels-røret 16 ligger under inntaket for rør 24, slik at det skapes et rom 26 på toppen av ovnen som gjør at gassen kan strømme fritt ut fra pel- . letshaugen og strømme fritt bort til uttaksrøret.

Et lukket system 27 i den nedre del av ovn 10 er tilveiebragt for å kjøle nevnte pellets før de tas ut og innbefatter en indirekte kjøler 28, en sirkulerende gassvifte 30, et gassinntak 32 og et gass-uttak 34. Viften 30 er plasert i inntaksrøret 31 som leder fra kjøl-eren 24 til gassinntaksrøret 32 som er en gassfordelingsanordning plasert inne i ovnen 10. Gassuttaksanordningen 34 er plasert over gass-tilførselsanordningen 32 og tilknyttet kjøler 28 via rør 33.

For å få fremstilt varm reduserende gass anvender man en reformerovn 38 med brennere 40, en pipe 42 samt en rekke varmevekslende katalysatorrør 44 (bare ett er vist), og disse rør oppvarmes fra ytter-siden. Den reduserende gass strømmer fra katalysatorrørene 44 til system 22 gjennom rør 46, som inneholder en gassanalysatoranordning 47.

Den reagerte gass forlater ovnen 10 via rør 24 og går derfra til en kjøler-vasker 60 hvor gassen blir avkjølt og vasket ren for støv. Skjønt denne kjøler og vasker 60 kan være av enhver vanlig type, så er den foretrukne type en direkte kontaktvannav-kjoler, såsom et pakket tårn hvor gassen strommer oppover mens det avkjblende vann strommer nedover» Når den reagerte gass forlater ror 24 vil dens duggpunkt være betydelig hoyere enn for den her-skende kjblevannstemperatur,og det er onskelig for den termale effekt å kondensere så mye vanndamp fra gassen som mulig. Et pakket motstrbmstårn er meget effektivt for å oppnå dette resultat, ettersom gassen meget lett kan avkjbles til nesten henimot avkjblings-vannets temperatur.

Storstedelen av den avkjolte reagerte gass fe kjoler/ vasker 60 fores til en gasskompressor 62 via ror 64. Naturlig gass, propan eller andre hydrokarbonholdige brennstoffer i gass-form tilveiebragt via en kilde 66 blandes i en blander 68 med den avkjolte reagerte gass som kommer fra kompressor 62. Den mengde hydrokarboner som tilsettes reguleres via ventil 65 som igjen reguleres av gassanalyseanordning 47, og virker slik at den reguler-er COg-innholdet (eller en annen bestanddel) i den gass som forlater katalysatorrorene 44. En inert rensegass er tilveiebragt for oppstarting og avslutning. En fremgangsmåte for å oppnå denne rensende, gass som baré er nodvendig med visse jevne mellomrom og da i relativt små mengder, er å ta ut og avkjole en del av forbrenningsproduktene som utvikles i ovn 38 av brennerne 40. Dette kan oppnås via ledning 69 hvori det er plasert en kjoler 71 og en ventil 70.

Ror 72 gir kommunikasjon mellom ror 64 og brennerne 40, og gjennom dette ror strommer resten av den avkjolte og vaskede gass til brennerne for der å bli anvendt som brennstoff sammen med det tilforte brennstoff. I ror 72 er det plasert en utluftnings-ventil 73, en kontrollventil 74 samt et trykkfolsomt element 76. Brennverdien for den avkjolte og reagerte gass som tilfores brennerne 40 er ikke tilstrekkelig til å oppfylle varmebehovet i ovn 38. Supplerende brennstoff som kan være ethvert egnet tilgjengelig brennstoff såsom olje eller naturlig gass, tilfores fra en supplerende kilde 78, som er forbundet med ledning 72 via ledning 79 som er utstyrt med en reguleringsventil 81.

Porbrenningsluft for brennerne 40 i ovn 38 tilfores ved en egnet vifte 80. Ovnen 38 opereres vanligvis ved temperaturer varierende fra 980 - 1030°C. Ved disse ovnstemperaturer kan det være bkonomisk å tilveiebringe en regeneratorovn 82 for å forvarme forbrenningsluften til brennerne 40, f.eks. til en temperatur av størrelsesorden 425 - 760°C, f.eks. ved en varmeveksling med de varme forbrenningsgasser som forlater ovn 38 via ror 42. Denne forvarmede luft fores til brennerne 40 via ror 84 og vil nedsette den mengde supplerende brennstoff som er nodvendig å tilfore fra en kilde 78. Regeneratorovn 82 er utstyrt med et ror 86 hvori-gjennom forbrenningsgassene kan slippes ut i atmosfæren.

Mengden supplerende brennstoff fra kilde 78 blir automatisk regulert av reguleringsventil 81 plasert i linjen 79 som igjen står under kontroll av et reguleringselement 90 plasert i ovn 38. Vanlig utstyr for regulering av forholdet mellom luft og brennstoff er ikke vist, men anvendes for- å regulere strommen av forbrenningsluft til brennerne 40 i forhold til strommen og kalori-innholdet i den reagerte gass og det supplerende brennstoff som tilfores nevnte brennere.

Hvis den reagerte gass i ror 24 ikke har for hoyt innhold av stov, så kan den gassdel som fores til brennerne 40 i nevnte ovn gå utenfor kjoler/vasker 60 slik det er angitt ved led^ ning 72', vist stiplet.' Brennerne 40 kan tolerere visse mengder stov, mens den reagerte gass som tilfores rorene 44 bor være så stovfri som praktisk mulig, for derved å unngå en tiltetning av katalysatorsj iktet.

Fig. 2 viser en-detalj av en foretrukken utforelse av omdannings- eller reformerovnen 38, hvor en blandeanordning 92 er festet ved egnede anordninger til den nedre enden av katalysatorror 44. Nevnte ror er fremstilt av en varmeresistent legering, fortrinnsvis av en kvalitet som kan anvendes i temperaturområdet fra 926 - 1030°C. For å forvarme blandingen til reformingstempe-raturen kan gassinntaksenden i ror 44 som på tegningen er vist i bunnen, men som kan plaseres på toppen av roret hvis dette er onskelig, pakket med et ikke-katalytisk ildfast materiale 94 på et egnet underlag 96. Ovenfor det ildfaste materialet 94 er det et sjikt av en katalysator 98, vanligvis en nikkelbærende katalysator. Ved uttaksenden av katalysatorroret 44 er det innsatt en varmeresistent legering 100 som er foret med en isolasjon 102 som tjener til å redusere varmetapet ved enden av roret. Ror 46 er festet til legering 100 og transporterer varm reduserende gass til ovn 10. Ror 46 er også fortrinnsvis foret med et isolerende materiale 104 for å redusere varmetapene.

Temperaturen på den varme reduserende gass idet denne forlater katalysatorrorene 44 vil vanligvis være fra 110 til 165°C hoyere enn det som er foretrukket for drift i ovn 10. Por å av-kjble den reduserende gass til en regulert temperatur for denne tilfores ovn 10, blir en del av den avkjolte reagerte gass fra ror 64 blandet med den varme reduserende gass fra 46 ved hjelp av et kontrollsystem 48 bestående av et ror 50, en vifte 52, en gass-stromreguleringsventil 54 som reagerer på signaler fra et tempera-turfblsomt element 56» Skjbnt man også kan anvende andre anordninger for å regulere temperaturen på den reduserende gass som kommer inn i reduksjonsovnen uavhengig av temperaturen på den gass som forlater katalysatorrorene, så er ovennevnte arrangement foretrukket. Resirkuleringen i ovn 10 av en del av den avkjolte reagerte gass tjener til å bedre prosessens totale varmeeffekt. Den avkjolte reagerte gass har brukbare reduserende egenskaper ettersom den er opparbeidet med hensyn til CO og Hg-innhold ved utkondensa-sjonen av noe vanndamp i kjoler/vasker 60.

For oppstarting blir ovn 38 oppvarmet til driftstempera-turen med luft fra vifte 80 og brensel fra kilde 78, og ovn 10

blir fylt med kalde oksydpellets. Forbrenningsproduktene fra ovn 38 taes ut via ledning 69, avkjbles i varmeveksler 71 og fores inn i 'blander 68. Kompressor 62 startes deretter, og hele systemet renses ved luft ved å åpne ventil 73 i ror 72. Etter rensing blir gassformet hydrokarbon gradvis tilfort blanderen 68 og reformingen blir startet idet man anvender COg og residual vanndamp fra forbrenningsproduktene som oksydasjonsmidler. Etterat nevnte pellets i reduksjonsovnen er blitt oppvarmet og begynt å bli redusert, vil COg og vanndamp bli dannet i reduksjonsovnen, hvoretter strommen av forbrenningsprodukter til blander 68 gjennom ledning 69 blir slått av. Når den reagerte gass fra reduksjonsovnen har oppnådd et tilfredsstillende kaloriinnhold til at den kan brennes i reformerovnen, blir ventil 73 i ror 72 lukket mens ventil 74 blir åpnet.

Hydrokarbonet som tilfores blander 68 fra kilde 66 blir omdannet i katalysatorrpr 44 til CO og Hg ved en reaksjon med COg og residual vanndamp i den avkjblte reagerte gass som tilfores blander 68 fra kompressor 62. Den mengde hydrokarboner som tilfores bor fortrinnsvis være nær, men ikke overstige den mengde som er nodvendig for en stbkiometrisk reaksjon med COg og vanndamp i den avkjolte reagerte gass. Mengden avkjolt reagert gass som tilfores fra kompressor 62 blir regulert i et fordnsket forhold. Like-ledes blir hydrokarbonstrommen regulert slik at man opprettholder det foronskede forhold med hensyn til strommen av avkjolt, reagert gass;

Hovedmengden av de oksydasjonsmidler som er nodvendige for omdanningen blir således tilfort ved hjelp av jernoksydpellets. Under oppstartingen virker vifte 80 som opprinnelig kilde for oksy-dasj onsmiddel, men etterat reduksjonen av pellets har startet og ventil 70 er lukket, kommer de nodvendige oksydasjonsmidler fra nevnte pellets.

Den varme reduserende gass som består av CO og Hg fremstilt i ovn 38 fores via ror 46 til system 22 og derfra inn i ovn 10 hvor den tjener til å oppvarme og redusere nevnte pellets. Temperaturen på den reduserende gass holdes fortrinnsvis mellom

705 og 790°C ved hjelp av reguleringssystem 48 for derved å unngå en sammenklebning av de metalliserte pellets. Den reduserende gass reagerer med de tilstedeværende jernoksydpellets, hvorved disse metalliseres samtidig som det fremstilles COg og HgO. Den reagerte gass som stadig inneholder betydelige mengder Hg og CO, forlater ovnen via ror 24 og fores til vasker/kjoler 60. Vasker 60 fjerner den vesentlige del av vannet og stovet fra den reagerte gass. Hovedmengden av den vaskede gass fores via vifte 62 til blander 68 hvor den blandes med hydrokarbon fra kilde 66. Blandingen fores deretter gjennom de oppvarmede katalysatorror 44 hvor COg og HgO reagerer med hydrokarbonet for fremstilling av ny reduserende gass for ovnen. Man får således tilveiebragt et lukket system hvor det oksydasjonsmiddel som er nodvendig for å reagere med hydrokarbonet til ny reduserende gass, blir tilfort fra jernoksydet som blir redusert, uten at det er nodvendig med en ytterligere kilde for oksydasjonsmidler.

Forholdet reduksjonsmidler (CO pluss Hg) til oksydasjonsmidlet (COg pluss HgO) blir fortrinnsvis holdt på 9 : 1 eller storre ved hjelp av gassanalyseanordning 67 som tjener til å regulere strommen av hydrokarboner til blander 68.

Under hydrokarbonreformingen danner hver liter COg som reagerer med karbon i hydrokarbonet to liter CO, og hver liter vanndamp som reagerer med karbonet i hydrokarbonet frembringer en liter CO og en liter Hg. I tillegg til denne volumutvidelse blir

1

hydrogenradikalet i hydrokarbonet omdannet til Hg som gir en ytterligere volumutvidelse.

Det er således betydel-ig storre gassvolum som forlater katalysatorrorene via ror 46 enn det som tilfores katalysatorrorene fra blander 68.

Under reduksjonsreaksjonene som finner sted i ovn 10 underkastes de reduserende gasser ingen volumforandring for de går ut ror 24. Således vil hver liter COg som reagerer med jernoksyd frembringe en liter vanndamp. Ettersom ovn 10 i alt vesentlig er lukket ved ror 16 og ror 12, vil de gassvolum som forlater ovnen' via ror 24 i alt vesentlig være de samme som kommer inn i ovnen via rorsystem 46.

I kjoler/vasker 60 vil den reagerte gass få en betydelig volumminskning pga. at mesteparten av vanndampen blir kondensert. Denne volumminskning er imidlertid betydelig mindre enn den volumutvidelse som skjer under reformingen i katalysatorror 44. Det

er således et overskudd av avkjolt reagert gass i ror 64 i forhold til det som behandles av kompressoren 62. Dette overskudd av gass anvendes som brennstoff i brennerne 40 for tilveiebringelse av varme til reformovnen 38, dg som tjener til å tilveiebringe en vesentlig del av den varme som er nodvendig for katalysatorrorene 44. Det

er således foretrukket å anvende hele overskuddet av den avkjolte reagerte gass. For å oppnå dette blir det gasstrykkfblsomme element 76 anvendt for å utlose gassreguleringsventil 74 i overskuddsrbret

72, som leder vekk fra ror 64, slik at det automatisk blir et mot-trykk i ror 64. Dette mottrykksreguleringssystem påvirker minst

tre driftsbetingelser: For det fbrste vil kompressor 62 drives med et positivt gasstrykk på inntaksenden noe som bedrer dens pumpe-effekt, for det annet vil ovn 10 opereres med et positivt gasstrykk i kammer 26, noe som hindrer at luft lekker inn i systemet via pelletstilfbringsrbr 16. For det tredje vil ethvert overskudd av avkjolt reagert gass strbmme til brennerne 40 via ror 72 pga. det regulerte positive trykk i dette ror.

Fig. 3 viser det totale brennstoffbehov for den totale prossess som en funksjon av forholdet mellom reduksjonsmidlet (CO , pluss Hg) til oksydasjonsmidlet (COg + HgO) i den reduserende gass. Det totale brennstoffbehov er uttrykt i Btu pr.pund metallisk jern fremstilt i reaksjonsovnen, basert på. en omdanning av høykvalitets hematittjernoksydpellets til hbymetalliserte pellets. Diagrammet viser den fordel man oppnår ved å anvende en reduserende gass med et forhold-som er hbyt mellom reduksjonsmidler og oksydasjonsmidler. Det kan bemerkes at ved et forhold mellom reduksjonsmidler og oksydasjonsmidler .på ca. 9 : 1, stiger kurven brått oppover.

På fig. 4 er den mengde reduserende gass som må tilfores prosessen pr. pund metallisk jern fremstilt vist som en funksjon av forholdet reduksjonsmidler til oksydasjonsmidler i den reduserende gass. Den mengde reduserende gass som må tilfores for prosessen påvirker i betydelig grad storrelsen på ovn 38, storrelsen

på ovn 10 og den mengde energi som må tilfores kompressor 62 som i virkeligheten driver prosessen.

•En direkte reduksjon av hematitt (FegO-^) til metallisk jern (Pe) med karbonmonoksyd og hydrogen finner sted i trinn ved de folgende reaksjoner, som alle er basert på et mol jern:, og i enhver praktisk direkte reduksjonsprosess kan reduk- sj onsmidlene CO og/eller Hg i den reduserende gass ikke reageres fullstendig i reduksjonsovnen, fordi oks<yd>asjonsmidlene COg og HgO ■dannes etterhvert som reduksjonen skjer. Sluttpunktet for anvendelsen av det tilgjengelige CO og/eller Hg i reduksjonen er definert ved et likevektsforhold mellom CO til COg .og Hg til HgO. Dette forhold kau bestemmes-eksperimentelt eller ved beregning ut. fra .kjente termodynamiske data.' Som et eksempel kan nevnes at likevektsfor-holdene for'ligningene (1) til og med (6) ovenfor er folgende ved 760°C: og

I en reduksjonsovn av motstrømstypen og hvor ovnen er ut-formet for en. oppholdstid varierende fra tre til fire timer.for de faste stoffer i reduksjonssonen såvel som utmerket kontakt mellom gasser og faste stoffer, kan ovennevnte reaksjoner i alt vesentlig skje.til likevekt. Diagrammene på fig. 3 og 4 er basert på at reak-sjonene skjer til likevekt i reduksjonsovnen, og ved at man anvender typisk naturgass med høyt innhold av metan som kilde for det gassformede hydrokarbon til reformerovnen. Diagrammene er videre basert på en sunn innsikt med hensyn til størrelsen og utformingen på de store komponenter som er vist på fig. 1, såsom ovnen 10, reformerovnen 38 og varmeveksleren 82.

I forbindelse med vanlig gassformet hydrokarbonreforming er damp meget anvendt som oksydasjonsmiddel, I foreliggende fremgangsmåte blir COg brukt som det prinsipielle oksydasjonsmiddel. Reforming med damp (HgO) er meget endotermisk. En reforming med COg er enda mer endotermisk, mens en reforming med luft er langt mindre endotermisk. De følgende reaksjonsligninger er velkjente og basert på det gassformede hydrokarbon metan (CH^) som er det prinsipielle hydrokarbon i naturgass:

Endotermisk varme er 3.106 kcal/m^ omdannet CH^x Endotermisk varme er 3.533 kcal/nr 3 omdannet CH^

x Endotermisk varme er 917 kcal/nr ^omdannet CH^.

Den endotermiske varme er basert på en 25°C blanding og en omdannet gass ved 870°C.

Ved en katalytisk omdanning eller reforming av gassformede hydrokarboner med damp er det meget vanlig å anvende et damp/ hydrokarbonforhold som ligger betydelig over de stokbmetriske forhold for derved å unngå en karbonavsetning og en etterfølgende fysisk nedbrytning av katalysatoren. En omdanning eller reforming med et betydelig overskudd av oksydasjonsmidler frembringer en omdannet gass med et relativt lavt forhold mellom reduksjonsmidler og oksydasjonsmidler. En slik gass kan ikke anvendes for direkte reduksjon av jernoksyd til metallisk jern med særlig hoy varmeeffekt. For å kunne omdanne et gassformet hydrokarbon med damp samtidig som man vil ha fremstilt en gass med et hoyt forhold mellom reduksjonsmidler og oksydasjonsmidler, har det vært vanlig praksis å tilsette luft eller oksygen til den blanding som skulle omdannes, noe som ble gjort for å senke kravet til den endotermiske varme.

I tillegg til at man har utviklet cen fremgangsmåte som er vist på fig. 1, har man funnet og utviklet prosessanordninger og apparater for å kunne utfore en kontinuerlig katalytisk omdanning eller reforming av et gassformet hydrokarbon for fremstilling av en omdannet gass med et hoyt forhold mellom reduksjonsmidler og oksydasjonsmidler ved at man anvender den COg og vanndamp som er tilstede i den reagerte avgass fra reduksjonsprosessen, som oksy-das j onsmiddel for omdanningen eller reformingen.

Den forste prosessparameter som er viktig med hensyn til omdanningen av den reagerte gass fra recLksjonsprosessen er at den blanding som skal omdannes, bor forvarmes til en.temperatur på minst ca. 8l5°C for den kontaktes katalysatoren for derved å be-skytte den sistnevnte mot karbonavsetning. Den blanding som skal 'forvarmes og deretter omdannes vil inneholde storre mengder CO, COg, Hg samt mindre mengder HgO samt det gassformede'hydrokarbon.

Når man forvarmer en slik blanding vil det tilstedeværende CO lett kunne brytes ned og avsette karbon i temperaturområdet fra ca. 315 - 650°C ved den velkjente ligning: 2 CO = COg + C. I tillegg til dette kan hydrokarbonet underkas.tes termal cracking for avsetning av karbon og ,frigjoring av Hg ved temperaturer over ca. 650°C. For at forvarmingen skal skje uten særlig brysom karbonavsetning, har man funnet at den varmeveksler som anvendes for forvarmingen, bbr være fremstilt av et ildfast materiale som er ikke-katalytisk både overfor CO-nedbrytning og den.termale cracking av hydrokarboner. Nedsmeltet aluminiumoksyd som ildfast? materiale har vist seg meget godt egnet» Man antar at de fleste metallok-syder som ikke lar. seg redusere til metallisk tilstand av CO. eller Hg under de anvendte driftsbetingelser vil være godt egnet i så henseende, og som eksempler kan nevnes magnesiumoksyd, silisium-oksyd og kromoksyd.

En annen prosessparameter som er viktig med henvisning til omdannelsen av den reagerte gass, er at katalysatoren bor holdes på en temperatur på minst ca. 8l5°C for å unngå en fysisk nedbrytning pga. karbonsetning i katalysatorporene. Ettersom et kata-lysators jikt ikke er en særlig god varmeleder, og omdannelsesreaksjonen med COg som det prinsipielle oksydasjonsmiddel er sterkt endotermisk, vil det indre av katalysatorsjiktet i roret ha en langt lavere temperatur enn veggen. Med henvisning til fig. 2 har man funnet at med et ror 44 med en indre diameter på 20 cm og med en katalysatorklump 98 varierende fra 2,5 til 3,7 cm, bor ovn 38 opereres med en temperatur på ca. 983 - 1090°C for å holde en rorvegg-temperatur varierende fra 926 - 1037°C for å unngå en katalysator-nedbrytning i rorets kjerne. Med et noe mindre rdr kan disse temperaturer reduseres noe.

Den foretrukne katalysatorklump 98 er en som har både god varmeledningsevne og god porositet. Hoyren aluminiumoksyd impreg-nert med fra 5 - 10 $ nikkel er den foretrukne type katalysator.

For den totale prosess på fig. 1 er i nedenforstående avsnitt gitt en representativ gassanalyse på våtvolumbasis for den varme reduserende gass, den reagerte avgass fra reduksjonsovnen, den avkjolte og vaskede reagerte gass samt den blanding som tilfores katalysatorrorene. Disse analyser er basert på data oppnådd ved å anvende en hoymetanrik naturgass som det gassformede hydrokarbon. For dette formål er hydrokarbonet for det ble omdannet uttrykt som metan. I tabellen er det tilsvarende sted på fig. 1 angitt.

Med 46.2 % CO, 48.8 % Hg, 1.8 % COg og 1.2 % HgO i ovennevnte reduserende gass vil forholdet på reduksjonsmidler til oksy-dasj onsmidler være ca. 32 : 1. Varme-verdien for den reagerte gass er ca. 1.896 kcal/m^, Varme-verdien for den opparbeidede avkjølte reagerte gass er ca. 2.189 kcal/m^. Disse data ble oppnådd under en vinterdrift ved en kjølevannstemperatur på ca. 4.4°C i kjøler/vaskeren, noe som gir et meget lavt residualt HgO-innhold i den avkjølte reagerte gass. Med varmere vann i kjøleren/vaskeren vil HgO-innholdet i den avkjølte reagerte gass selvfølgelig være tilsvarende større.

Ut fra hensyn både til prosessens totale energieffekt og

på grunn av reformingen, er det ønskelig å unngå en betydelig for-tynning av CO og Hg-innholdet i den reagerte gass, noe som vil skje hvis et oksydasjonsmiddel som luft fra en ytre kilde tilsettes i betydelige mengder til den blanding, som skal omdannes. Med hensyn til varmeeffekten kan det sies at jo større prosentvis innhold av CO og Hg i den blanding som skal omdannes, jo mindre mengde hydrokarboner må tilsettes til blandingen for å frembringe en gitt meng-

de varm omdannet gass med et gitt CO og Hg-innhold. Med hensyn til selve omdanningen eller reformingen vil det være slik at jo større forholdet Hg til hydrokarbon er i den blanding som skal omdannes,

jo mindre risiko vil det være for en karbonavsetning på katalysatoren. Hydrogen i den blanding som skal omdannes motvirker en ev-entuell varmekrakking av hydrokarboner til karbon og hydrogen når blandingen oppvarmes.

Skjønt det er uønsket å tilsette oksydasjonsmidler fra

ytre kilder til en blanding som skal omdannes, så er fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse vært drevet meget godt med en luft-tilsetning i mengder på opptil 15 volumprosent. En mindre mengde damp kan også tilsettes hvis det er ønskelig å øke Hg til CO forholdet i den omformede gass.

Den kontinuerlige omdannings- eller reformingsprosess som

er beskrevet her sikrer stabile betingelser, noe som er viktig ikke bare for et langt katalysatorliv, men også muliggjør en meget nøy-aktig regulering av den omdannede gass' kvalitet, spesielt med henvisning til forholdet mellom reduksjonsmidler og oksydasjonsmidler.

Med hensyn til jernoksydreduksjonsfasen i foreliggende fremgangsmåte ble en rekke laboratorieforsøk utført i en reduksjonsovn av den typen som er vist på fig, 1. Hematittoksydpellets frem-

■stilt fra høykvalitets jernmalm og med en diameter varierende fra 9 .."til 15 mm ble anvendt i disse forsok. Man fant at en reduk-sj onstemperatur på ca, 780°C var foretrukket, ettersom man ved en temperatur på 8l5°C fant en viss tendens til at nevnte pellets klebet seg sammen og dannet klumper som motvirket den frittflyt-ende nedsenkning av pelletsmengden i ovnen. Ved en reduksjonstem-peratur på 780°C og méd kalde oksydpellets tilsatt ovnen fant man en oppholdstid for nevnte pellets i ovnen på fire timer å være godt egnet, for fremstilling av pellets med et metallinnhold fra 95 - 97 i° (dvs. at fra 95 - 97 i° av det totale jern var tilstede som

metallisk jern). Roymetalliserte pellets ble fremstilt med varierende mengder karbon ved å variere forholdet mellom reduksjonsmiddel og oksydasjonsmiddel i den varme reduserende gass. Dette forhold kan reguleres ved å regulere forholdet mellom hydrokarboner til oksydasjonsmidler i den blanding som skal omdannes. Med et forhold mellom reduksjonsmiddel;og oksydasjonsmiddel på ca. 50 : 1, fikk man pellets med et innhold på ca. 2,0 $ karbon. Med et forhold på ca. 20 : 1 fikk man pellets inneholdende ca. 0,5 i» karbon. Med et"forhold på 9 1 var karboninnholdet i alt vesentlig null.

I tillegg til.å regulere forholdet mellom reduksjonsmiddel og ok-sydasj onsmiddel i den varme reduserende gass, kan en regulert mengde gassformet hydrokarbon tilsettes den varme reduserende gass for denne fores inn i ovnen, for derved å få det foronskede karboninnhold i de metailisérte pellets.r-

Man antar det er onskelig å ha'tilstrekkelig karbon i de metalliserte pellets til at det' residuale jernoksyd i nevnte pellets blir redusert til' metallisk jern når nevnte pellets blir nedsmeltet. Karbon i nevnte pellets synes å reagere, meget effektivt med det residuale jernoksyd under nedsmeltingen. Under nedsmeltning av ca.

.20 tonn'96 $ metalliserte pellets inneholdende ca. 1,5 $ karbon i en elektrisk" lysbueovn fant man at ca. 99 $ av det totale jern i

nevnte pellets var tilstede i det fremstilte stål. "Karbonet i disse pellets var tilstede dels som fritt karbon i porene og delvis som' jernkarbid.

Den totale reduksjonsprosess slik den er vist på fig. 1 er blitt beskrevet med henvisning til reduksjons av jernoksydpellets en reduksjonsovn av masovntypeh, mén den totale prosess er imidlertid også anvendbar overfor andre typer jernoksyd såsom klumper eller fint materiale, og i forbindelse med andre typer reduksjons-utstyr såsom transportørovner og celler med fluidiserte sjikt, hvor den reagerte gass kan oppsamles og resirkuleres uten særlig stor luftfortynning.

Fordelene ved den foreliggende oppfinnelse er at man får

tilveiebragt en økonomisk fremgangsmåte for å redusere jernoksydet til metallisk jern, man får tilveiebragt en forbedret fremgangsmåte for å omdanne jernoksydpellets til metalliserte pellets ved å anvende en katalytisk omdanning av et gassformet hydrokarbon hvorved man opp-

når en total varmeeffekt som hittil ikke tidligere er oppnådd. Opp-

finnelsen tilveiebringer videre en fremgangsmåte for en katalytisk omdanning av et gassformet hydrokarbon til en varm gass med et høyt reduserende potensial og med et regulert forhold mellom reduksjons-

midler og oksydasjonsmidler hvorved man oppnår optimal termal effekt.

Videre tilveiebringer oppfinnelsen en forbedret reduksjonsprosess for

reduksjon av jernoksyd til metallisk jern hvor et gassformet hydro-

karbon blir omdannet til CO og H2 ved å anvende det oksygen som

fjernes fra jernoksydet i form av C02 og HgO som oksydasjonsmiddel under omdanningen av hydrokarbonet. Videre tilveiebringer oppfinnel-

sen en forbedret reduksjonsprosess for omdannelse av jernoksydpellets til høymetalliserte pellets hvor karboninnholdet i nevnte metalliserte pellets reguleres til et ønsket nivå ved å regulere forholdet mellom reduksjonsmidler og oksydasjonsmidler i den reduserte gass.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte til kontinuerlig reduksjon av jernoksyd til metallisk jern i en ovn hvori jernoksydet ved forhøyet temperatur i en reduksjonssone i ovnen bringes i kontakt med en varm reduserende gass og hvorved en avgass dannes ved reduksjonsreaksjonen, idet den reduserende gass, som omfatter en blanding av CO og H2, dannes ved en omdannelsesprosess utført ved en temperatur på minst 8l5°C og omfatt-

ende føring av et hydrokarbon blandet med ett av en blanding av C02 og H20 bestående oksydasjonsmiddel gjennom et katalysatorsjikt,karakterisert ved at minst 85 volumprosent og fortrinnsvis alt oksydasjonsmiddel som anvendes i omdannelsesreaksjonen, skriver seg direkte fra avgassen fra malmreduksjonsprosessen, at den ved omdannelsesreaksjonen dannede reduserende gass føres direkte uten vesentlig temperaturfall til malmreduksjonssonen, og ved at en avkjøl-ende gass eventuelt føres gjennom det reduserte jernoksyd i et lavere område av ovnen, fjernes ved et midlere område av ovnen og avkjøles og føres tilbake til det lavere område av ovnen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at katalysatorsjiktet oppvarmes indirekte.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at forholdet mellom blandingen av reduksjonsmidler (CO + Hg) og blandingen av oksydasjonsmidler (COg + HgO) i den reduserende gass er minst 9:1.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at et gassformig hydrokarbon tilsettes til den reduserende gass før den tilføres til jernoksydet.

5. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at blandingen av hydrokarbon og et oksydasjonsmiddel oppvarmes ved å føres gjennom ikke-katalytiske omgivelser før den føres til katalysatorsjiktet.

6. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at avgassen avkjøles til en temperatur under dens duggpunkt før den blandes med hydrokarbonet.