CN115552041A - 还原铁的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种还原铁的制造方法，通过将装入到竖炉中的氧化铁还原来制造还原铁，在该制造方法中，将包含还原气体和氮气、且为规定温度的混合气体吹入所述竖炉中，所述还原气体含有90体积％以上的氢气。

Description

还原铁的制造方法
技术领域
本发明涉及还原铁的制造方法。
本申请基于在2020年5月14日向日本申请的专利申请2020-85078号主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术
使用了竖炉的还原铁的制造方法(竖炉操作)是由氧化铁原料制造还原铁的直接还原工艺的代表，主要在能够廉价地获得天然气的地区(产油国)普及。在此，基于图14对现有的竖炉操作的概要进行说明。在图14的例子中，从竖炉100的上方装入氧化铁原料(例如氧化铁球团(氧化铁粒料：iron oxide pellet))200，从竖炉100的下方吹入还原气体300。在此，还原气体被加热至规定温度(例如900～950℃程度)后，被吹入竖炉100中。然后，被吹入到竖炉100中的还原气体300将竖炉内的氧化铁原料200还原。通过这样的直接还原工艺来制造还原铁210。还原铁210从竖炉100的下方排出并被冷却。从竖炉100的炉顶排出包含氢气、CO气体、水蒸气和CO2气体的炉顶气体400。
在竖炉100中使用的还原气体300，通过使用水蒸气、氧气等将含有碳成分(carboncomponent)的原料气体(例如天然气、焦炉煤气等)310进行重整(改性)而得到，主成分为氢气(H2)300a和CO气体(CO)300b。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：“DIRECT FROM MIDREX 3RD QUARTER 2017”(https://www.midrex.com/dfm-newsletter/3q-2017-direct-from-midrex/)
发明内容
在现有的竖炉操作中，作为还原气体的H2/CO体积比大致为1.5～4.0的范围。因此，竖炉操作即使是现有的竖炉操作，从削减CO2排出量的观点出发，也是比高炉-转炉法优异的钢铁制造工艺。但是，为了以今后可能迫近的CO2零排放的钢铁制造为目标，要求进一步提高还原气体中所含的氢气的体积比例。
迄今为止，曾提出了与竖炉操作相关的各种技术，但在大部分的技术中，作为成为还原气体的原料的原料气体，使用了含有碳成分的天然气、焦炉煤气等。但是，最近出现了下述还原铁制造商，所述还原铁制造商主张CO2零排放，提出了将作为还原气体的主要原料气体的天然气置换为氢气的工艺(也就是说，使用以接近于100体积％的高浓度含有氢气的还原气体的操作)(参照非专利文献1)。
使用以高浓度含有氢气的还原气体的操作，即使从基于热·物质收支的化学计量学的角度考虑是可以的，也未必在实用上没有问题。因此，本发明人研究了使用以高浓度含有氢气的还原气体的操作作为现有的竖炉操作的延伸能否在实用上没有问题地实现。其结果，发现存在应解决的技术课题。详细内容后述，但发现产生下述问题：当在现有的竖炉操作中仅使用以高浓度含有氢气的还原气体时，大量的氢气未被用于还原就从炉顶排出，还原气体单耗(制造1吨还原铁所需要的氢气的炉内吹入量)过度地上升。这样的问题在非专利文献1中没有丝毫考虑。
本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的目的在于提供新型且改良了的还原铁的制造方法，该制造方法即使是在使用以高浓度含有氢气的还原气体的情况下也能够使还原气体单耗减少。
本发明人研究了使用以高浓度含有氢气的还原气体的操作作为现有的竖炉操作的延伸能否在实用上没有问题地实现。研究方法为使用竖炉的数学模型的模拟(simulation)。该模型是基于非专利文献(例如，原等：铁和钢，62卷(1976)，3号，p.315；山冈等：铁和钢，74卷(1988)，12号，p.2254)中记载的化学工程学方法构建的，能够在理论上解析、推定以采用还原气体进行的氧化铁的还原反应为首的化学反应、传热现象等的在竖炉内的热和物质转移。使用本数学模型，模拟使用以高浓度含有氢气的还原气体的竖炉操作，评价了宏观的热和物质转移。
表1表示为了事例研究而设置的前提条件(计算条件)。依照评价宏观的热和物质转移的目的，为了不损害结果的一般性，本计算条件根据代表性的操作条件进行了设定。另外，数学模型的计算对象设为相当于竖炉的还原反应带的空间。
表1
Figure BDA0003935623010000031
图10是按还原气体的H2/CO体积比示出使用900℃的还原气体制造1吨还原铁(还原率100％)所需要的最低限度的热量(以下也称为“热量单耗”)(MJ/t-Fe)的图。再者，在本说明书中，“/t-Fe”表示“每1吨还原铁(还原率100％)的值”。在图10中，“成品DRI带出显热”是由作为成品的还原铁带出到炉外的显热，“炉顶气体带出显热”是由炉顶气体带出到炉外的显热，“还原反应热”是氧化铁的还原反应所需要的热。由图10明确可知，随着还原气体的H2/CO体积比变高，热量单耗增加。在此，H2/CO体积比80/20～66/33与现有的竖炉操作的代表性的还原气体组成对应。另外，图11是按还原气体的H2/CO体积比示出使用900℃的还原气体制造1吨还原铁(还原率100％)所需要的最低限度的还原气体量(即，还原气体单耗)(Nm3/t-Fe)的图。由图11明确可知，随着还原气体的H2/CO体积比变高，还原气体单耗增加。
获得图10和图11那样的结果的原因在于：如以下的(1)式和(2)式所示，基于CO气体的还原反应为放热反应，与此相对，基于氢气的还原反应为吸热反应。
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O-854MJ/t-Fe......(1)
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2+246MJ/t-Fe......(2)
即，氢气在还原气体中所占的体积比例越增加，用于供应基于氢气的还原反应热的热量投入量(还原反应热)越增加。而且，在不改变还原气体的送风温度的情况下，如图11所示，不得不增加还原气体消耗率。
在此应该注意的是，伴随着还原气体消耗率的增加而产生的还原气体的利用率的恶化。将根据炉顶气体组成计算出的还原气体的利用率示于图12。在此，图12是按还原气体的H2/CO体积比示出还原气体的利用率(％)的图。还原气体的利用率通过将炉顶气体中所含的水蒸气和CO2气体的总体积除以炉顶气体中所含的氢气、水蒸气、CO气体和CO2气体的总体积而得到。由于制造1吨还原铁(还原率100％)所需要的还原反应量(换言之，脱氧量)相同，因此，如果增加还原气体单耗，则未参与还原反应的还原气体当然会增加，导致为热供给而浪费了还原气体、即氢气。即，氢气在还原气体中所占的体积比例越增加，为了供应基于氢气的还原反应热，需要越大量地向竖炉内供给作为热供给源的氢气。而且，将大量的氢气吹入竖炉内的结果是，许多的氢气在竖炉内未反应而作为炉顶气体被排出。因此，还原气体的利用率下降。这样一来，产生下述技术课题：当在现有的竖炉操作中仅使用以高浓度含有氢气的还原气体时，大量的氢气未被用于还原就被消耗，氢气单耗过度地上升。
另一方面，在理论上也能够提高还原气体的送风温度来供应基于氢气的还原反应热。图13是按还原气体的H2/CO体积比示出还原气体单耗(Nm3/t-Fe)与还原气体的送风温度(℃)的关系的图。如图13所示，在使用以90体积％以上的高浓度含有氢气的还原气体的情况下，为了以与现有的竖炉操作相同的程度的还原气体单耗进行操作，需要相比于现有的竖炉操作将送风温度大幅提高至少100℃以上(在H2/CO体积比为100/0时，200℃以上)。但是，在大幅提高以高浓度含有氢气的还原气体的送风温度的情况下，担心发生炉内的还原铁粒子相互粘着的所谓粘着(sticking)现象。而且，由于操作高温的氢气，因此为了确保操作的安全性及应对氢脆化，也会产生设备成本上升的问题。
总之，进行使用以高浓度含有氢气的还原气体的竖炉操作的情况下的根源性问题归结于如何供应基于氢气的还原反应热这一点。作为解决这样的根源性问题的方法，本发明人想到了：将不对竖炉内的还原反应造成影响的氮气与还原气体一起吹入竖炉内。而且，本发明人使氮气供应(提供)基于氢气的还原反应所需要的热的至少一部分。其结果是，能够削减还原气体单耗，并且，也能够降低还原气体的送风温度。本发明是基于这样的见解而完成的。
即，根据本发明的一个观点，提供一种还原铁的制造方法，该制造方法通过将装入到竖炉中的氧化铁还原来制造还原铁，其特征在于，将包含还原气体和氮气且被加热了的混合气体吹入竖炉中，所述还原气体含有90体积％以上的氢气。
根据本发明的另一观点，提供一种还原铁的制造方法，该制造方法通过将装入到竖炉中的氧化铁还原来制造还原铁，其特征在于，包含：
加热混合气体的工序，所述混合气体包含还原气体和氮气，所述还原气体含有90体积％以上的氢气；和
将被加热了的混合气体吹入竖炉中的工序。
在此，也可以包含：
从竖炉的炉顶气体中至少分离回收未反应的氢气和氮气的工序；和
将被分离回收了的氢气和氮气作为混合气体的一部分再使用的工序。
另外，也可以将被分离回收了的氢气和氮气的一部分作为加热混合气体时的燃料用气体使用。
根据本发明的另一观点，提供一种还原铁的制造方法，其通过将装入到竖炉中的氧化铁还原来制造还原铁，该制造方法的特征在于，包含：
将还原气体和氮气分开地进行加热的工序，所述还原气体含有90体积％以上的氢气；
通过将被加热了的还原气体和氮气混合来制作混合气体的工序；和
将混合气体吹入竖炉中的工序。
在此，也可以使氮气的加热温度高于还原气体的加热温度。
另外，也可以包含：
从竖炉的炉顶气体中至少将未反应的氢气和氮气分开地分离回收的工序；和
将被分离回收了的氢气和氮气作为加热对象的还原气体和氮气再使用的工序。
另外，混合气体也可以以氢气的90体积％以下的比例含有氮气。
另外，向竖炉吹入时的混合气体的温度可以为900℃以下。
根据本发明的上述观点，即使在使用以高浓度含有氢气的还原气体的情况下也能够使还原气体单耗减少。
附图说明
图1是表示第1实施方式涉及的还原铁的制造方法的工艺流程的说明图。
图2是按氮气的添加量示出混合气体的送风温度与氢气单耗的关系的图。
图3是按混合气体的送风温度示出氮气的添加量与氢气单耗的关系的图。
图4是按混合气体的送风温度示出氮气的添加量与氢气单耗的关系的图。
图5是表示第1实施方式的第1变形例涉及的还原铁的制造方法的工艺流程的说明图。
图6是表示第1实施方式的第2变形例涉及的还原铁的制造方法的工艺流程的说明图。
图7是表示第2实施方式涉及的还原铁的制造方法的工艺流程的说明图。
图8是表示氢气的加热温度(℃)与氮气的加热温度(℃)的关系的图。
图9是表示第2实施方式的变形例涉及的还原铁的制造方法的工艺流程的说明图。
图10是表示按还原气体的H2/CO体积比试算使用900℃的还原气体来制造1吨还原铁时的热量单耗(MJ/t-Fe)的结果的图。
图11是表示按还原气体的H2/CO体积比试算使用900℃的还原气体来制造1吨还原铁时的还原气体单耗(Nm3/t-Fe)的结果的图。
图12是按还原气体的H2/CO体积比示出还原气体的利用率(％)的图。
图13是按还原气体的H2/CO体积比示出还原气体单耗(Nm3/t-Fe)与还原气体的送风温度(℃)的关系的图。
图14是表示现有的竖炉操作的工艺流程的说明图。
具体实施方式
以下一边参照附图一边对本发明的适宜的实施方式进行详细说明。再者，使用“～”表示的数值限定范围意指包含在“～”的前后记载的数值作为下限值及上限值的范围。表示为“超过”或“小于”的数值，该值不包含在数值范围内。
＜1.第1实施方式＞
首先，基于图1来说明第1实施方式涉及的还原铁的制造方法(竖炉操作)的工艺流程。第1实施方式，概略地讲，是将包含含有90体积％以上的氢气的还原气体31、和氮气32、且被加热了的混合气体30吹入竖炉10的实施方式。
更详细地说明，第1实施方式涉及的还原铁的制造方法，包含：将包含还原气体31和氮气32的混合气体30加热的工序；和将被加热了的混合气体30吹入竖炉10中的工序。除此以外的工序与现有的竖炉操作同样即可。
例如，如图1所示，将还原气体31和氮气32导入加热炉50中，在加热炉50内将还原气体31和氮气32一起加热。由此，还原气体31和氮气32在加热炉50内混合而成为混合气体30，混合气体30被加热至规定温度。
在此，如上所述，还原气体31含有90体积％以上(相对于还原气体31的总体积的体积％)的氢气。也就是说，还原气体31的氢气浓度成为90体积％以上。从CO2零排放的观点出发，还原气体31的氢气浓度优选在90体积％以上的范围内尽可能高，优选为100体积％。此外，加热还原气体的方法也优选使用电加热器，在通过燃烧加热来进行的情况下，优选使燃料气体以氢为主体。
在还原气体31的氢气浓度为90体积％以上且小于100体积％的情况下，在还原气体31中也可以包含氢气以外的还原气体。作为这样的还原气体，例如除了CO气体以外，也包括烃气体等。烃气体在竖炉内生成CO气体。
氮气32是不直接参与竖炉内的还原反应的非活性气体，仅作为向竖炉10内运送显热的载体发挥作用。因此，根据第1实施方式，不需要仅对氢气施加加热负荷，因此能够以适当的送风温度(规定温度)进行竖炉操作。
关于氮气32相对于还原气体31的添加量的详细内容在后面叙述，但即使仅向还原气体31中稍微添加氮气32，也能够得到本实施方式的效果(氢气单耗的降低以及氢气的送风温度的降低)。另一方面，若过量地添加氮气32，则由混合气体30中的氢浓度降低引起的氧化铁的还原反应速度的减速超过由来自氮气32的热供给引起的还原反应热的填补效果。在该情况下，本实施方式的效果饱和。从这样的观点出发，氮气32的添加量优选为还原气体31的90体积％以下。
混合气体30优选仅由上述还原气体31和氮气32构成，但也可以在不对本实施方式的效果造成影响的范围内包含还原气体31和氮气32以外的气体。
在加热炉50内，混合气体30被加热至规定温度(向竖炉吹入时的混合气体的温度、即送风温度)。规定温度根据竖炉操作的状况等来适当调整即可，但如后所述，与未添加氮气32的情况相比，能够降低规定温度。这是因为氮气32作为显热的载体发挥作用。规定温度优选为900℃以下。规定温度的下限值，如果在能够进行第1实施方式的竖炉操作的范围内就没有特别限制，例如可以为750℃左右。
混合气体30被加热至规定温度后，被吹入竖炉10中。另一方面，将氧化铁原料20从竖炉10的上方装入。氧化铁原料20的种类没有特别限制，只要与现有的竖炉操作中的氧化铁原料同样即可。作为氧化铁原料20，例如可列举氧化铁球团。吹入到竖炉10中的混合气体30在竖炉10内上升。混合气体30中的还原气体31将竖炉10内的氧化铁原料20还原，来制作还原铁21。基于氢气的还原反应是吸热反应，但是，还原反应热，除了由还原气体31具有的显热供应以外，还由氮气32具有的显热供应。还原铁21从竖炉10的下方排出并被冷却。另一方面，从竖炉10的炉顶排出炉顶气体40。在炉顶气体40中，除了未反应的氢气以外，还包含水蒸气、氮气32。
接着，对第1实施方式的效果进行说明。本发明人使用上述的数学模型来模拟了第1实施方式的竖炉操作。另外，为了比较，也模拟了未添加氮气32的竖炉操作。再者，本模拟是相当于第1实施方式的实施例以及比较例的。将结果示于图2和图3。再者，计算条件与表1同样。另外，还原气体31的氢气浓度设为100体积％。
图2按氮气32的添加量示出混合气体30的送风温度(℃)与氢气单耗(Nm3/t-Fe)的关系。曲线L1表示未添加氮气时的上述关系，曲线L2表示向还原气体31中添加了250Nm3/t-Fe的氮气时的上述关系，曲线L3表示向还原气体31中添加了500Nm3/t-Fe的氮气时的上述关系。因此，曲线L2、L3对应于第1实施方式涉及的竖炉操作。再者，在此，由于还原气体31的氢气浓度为100体积％，因此氢气单耗可被替换地称为还原气体单耗。根据图2的曲线L2、L3，送风温度为900℃时的还原气体单耗大约为1500～1700Nm3/t-Fe的程度。另一方面，观察图11，在现有的竖炉操作(还原气体的H2/CO体积比＝80/20～66/33)中，送风温度为900℃时的还原气体单耗大约为1200～1400Nm3/t-Fe的程度。因此，通过向还原气体31中添加氮气32，即使还原气体31的氢气浓度为高浓度(在此为100体积％)，也能够以与现有的竖炉操作相同的程度的送风温度水平(例如900℃)且还原气体单耗水平(例如1500～1700Nm3/t-Fe程度)来制造还原铁。
因此，即使是使用以高浓度含有氢气的还原气体的情况，也能够使还原气体单耗减少，并且，能够降低混合气体30的送风温度(即，还原气体31的送风温度)。而且，也可知：氮气32的添加量越多，还原气体单耗越减少，还原气体31的送风温度也越降低。通过降低还原气体31的送风温度，例如能够抑制粘着等。
图3是将图2的关系重新整理成氮气32的添加量(Nm3/t-Fe)与氢气单耗(Nm3/t-Fe)的关系的图。也就是说，图3按混合气体30的送风温度(℃)示出氮气32的添加量(Nm3/t-Fe)与氢气单耗(Nm3/t-Fe)的关系。曲线L4表示送风温度为800℃时的上述关系，曲线L5表示送风温度为900℃时的上述关系，曲线L6表示送风温度为1000℃时的上述关系。根据曲线L4～L6可知，不论在哪个送风温度下，仅通过稍微添加氮气32，氢气单耗就减少了。
进而，着眼于曲线L5、L6，如果向还原气体31中添加330Nm3/t的氮气，则能够维持氢气单耗、并且将混合气体30的送风温度从1000℃降低到900℃。因此，通过向还原气体31中添加氮气32，能够降低送风温度，进而实现粘着的抑制。
进而，着眼于曲线L5(送风温度900℃)，通过向还原气体31中添加330Nm3/t-Fe的氮气32，能够将氢气单耗削减300Nm3/t-Fe左右。这意味着330Nm3/t-Fe的氮气32与300Nm3/t-Fe的氢气从热及反应操作的观点来看大致等价。进而改变视角来看，通过在送风温度恒定的条件下调整氮气32的添加量，也能够控制还原铁的生产量。例如，如果不改变送风温度及氢气的每单位时间的吹入量而增加氮气32的添加量(Nm3/t-Fe)，则原铁的每单位时间的生产量增加。
这样，看似不可理解的等价关系成立、或者看似不可思议的操作作业能够进行是因为：在进行使用以高浓度含有氢气的还原气体的竖炉操作的情况下，在竖炉10内产生热律速的还原反应(即，通过带入到竖炉10中的热量来适当地保持炉内温度从而还原反应顺利地进行)。
如以上说明的那样，根据第1实施方式，由于将还原气体31与氮气32的混合气体30吹入竖炉10，因此能够将氮气32作为显热的载体使用。由此，例如如图2和图3所示，即使是使用以高浓度含有氢气的还原气体31进行竖炉操作的情况，也能够使还原气体单耗减少，能够降低混合气体30的送风温度。
在此，基于图4，对由氮气32的过量投入引起的效果的饱和进行说明。图4的纵轴、横轴的定义与图3同样。但是，图4的横轴示出比图3多的氮气添加量。即，图4的横轴是将图3的横轴延长而得到的。图4中所描绘的曲线是与图3的曲线L4～L6同样的。这些曲线的送风温度，从上方开始依次为800℃、840℃、860℃、880℃、900℃、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃、1020℃、1050℃、1100℃。
如图4及前面所记载的那样，若向还原气体31中过量地添加氮气32，则本实施方式的效果饱和。达到饱和的条件根据送风温度的条件而变化，但可以说如果大致满足使氮气32的体积流量(添加量)为还原气体31的体积流量的90体积％以下这一条件(即，混合气体30以还原气体31的90体积％以下的比例含有氮气32这一条件)，就能够享有本实施方式的效果。
＜1-1.第1变形例＞
接着，基于图5来说明第1实施方式的第1变形例。在实际的竖炉操作中，有效利用还原气体31和氮气32也很重要。因此，在第1变形例中，从炉顶气体40中分离回收未反应的氢气31a和氮气32，并作为混合气体30的一部分进行再利用。
具体而言，将炉顶气体40导入分离回收装置60，在分离回收装置60中冷却炉顶气体40。优选进而将炉顶气体40进行除尘。由此，从炉顶气体40中将水蒸气作为水65除去，将未反应的氢气31a和氮气32作为循环气体70分离回收。再者，在还原气体31包含氢气以外的还原气体(CO等)的情况下，在循环气体70中，除了未反应的该还原气体以外，也有时还包含该还原气体的氧化物(CO2等)，但即使在循环气体70中包含这些气体，也在操作上没有问题。作为分离回收装置60，例如能够利用从高炉的炉顶气体中分离回收未反应的还原气体的装置等。然后，将循环气体70作为混合气体30的一部分进行再利用。即，将循环气体70再次导入加热炉50中，进行加热。
再者，如上所述，氮气32作为向竖炉10内运送显热的载体发挥作用，因此在竖炉10内未被消耗。因此，氮气32在将加热炉50、竖炉10和分离回收装置60连结的循环系统内循环。因此，如果一旦向该循环系统中导入生产期望量的还原铁所需要的量的氮气32，则其后可以理想地不从外部导入氮气32。当然，也可以从外部进一步供给氮气32。
另一方面，由于还原气体31在竖炉10内被消耗，因此仅靠被循环的氢气31a的话，还原气体31不足。因此，关于还原气体31，只要从外部供给不足的量即可。由此，能够理想地使用在化学计量上为最小量的还原气体31来制造还原铁21。当然，也可以超过化学计量的量并从外部供给还原气体31。
如以上说明的那样，根据第1变形例，能够有效利用还原气体31和氮气32。
＜1-2.第2变形例＞
接着，基于图6来说明第1实施方式的第2变形例。第2变形例也与第1变形例同样地从炉顶气体40中分离回收未反应的氢气31a和氮气32，并作为混合气体30的一部分进行再利用。在第2变形例中，除了进行与第1变形例同样的处理以外，还能够调整在循环系统内循环的氮气32的量。
更具体地进行说明，在第2变形例中，将由分离回收装置60分离回收了的循环气体70导入分支管80。在分支管80中，将循环气体70的一部分作为加热炉50的燃料用气体85向加热炉50供给。加热炉50通过使燃料用气体85燃烧来产生热，利用该热来将加热炉50内的气体加热。燃烧后的废气85a(包含水蒸气、氮气32)向外部放散。剩余的循环气体70与第1变形例同样地作为混合气体30的一部分进行再利用。即，将循环气体70再次导入加热炉50中。其他的处理与第1变形例同样。再者，在不从外部导入氮气32的情况下，在循环系统(循环气体70进行循环的循环系统)中循环的氮气32逐渐减少。相反地，通过从外部导入氮气32，能够维持或增加在循环系统中循环的氮气32的量。
如以上说明的那样，根据第2变形例，除了能够有效利用还原气体31和氮气32以外，还能够调整在循环系统中循环的氮气32的量。
＜2.第2实施方式＞
接着，基于图7来说明第2实施方式涉及的还原铁的制造方法(竖炉操作)的工艺流程。第2实施方式也与第1实施方式同样地，将包含含有90体积％以上的氢气的还原气体31和氮气32且为规定温度的混合气体30吹入竖炉100中。但是，第2实施方式涉及的还原铁的制造方法，将还原气体31和氮气32分开地进行加热之后进行混合，在这一点上与第1实施方式不同。
更具体地说明，第2实施方式涉及的还原铁的制造方法，包含：将还原气体31和氮气32分开地进行加热的工序；通过将被加热了的还原气体31和氮气32混合，来制作规定温度的混合气体30的工序；以及将规定温度的混合气体30吹入竖炉10中的工序。除此以外的工序与现有的竖炉操作同样即可。
例如，如图7所示，将还原气体31导入还原气体用加热炉51中进行加热，将氮气32导入氮气用加热炉52中进行加热。由此，将还原气体31和氮气32分开地进行加热。再者，还原气体31和氮气32的特性与在第1实施方式中的特性同样。例如，还原气体31含有90体积％以上(相对于还原气体31的总体积的体积％)的氢气。也就是说，还原气体31的氢气浓度为90体积％以上。还原气体31的氢气浓度优选在90体积％以上的范围内尽可能高，优选为100体积％。在还原气体31的氢气浓度为90体积％以上且小于100体积％的情况下，在还原气体31中也可以包含氢气以外的还原气体。作为这样的还原气体，例如除了CO气体以外，也包括烃气体等。混合气体30优选仅由上述的还原气体31和氮气32构成，但也可以在不对本实施方式的效果造成影响的范围内包含还原气体31和氮气32以外的气体。
接着，将被加热了的还原气体31和氮气32在混合部55(例如还原气体31的配管与氮气32的配管的合流部分)混合。即，向被加热了的还原气体31中添加被加热了的氮气32。由此制作规定温度的混合气体30。接着，将混合气体30吹入竖炉10中。其后的工序与第1实施方式同样。因此，还原气体31和氮气32的加热温度被调整以使得混合后的混合气体30的温度成为规定温度。在此，规定温度如上所述，优选为900℃以下。规定温度的下限值，如果在能够进行第2实施方式的竖炉操作的范围内就没有特别限制，例如可以为750℃左右。
还原气体31的加热温度及氮气32的加热温度，如果在使得混合气体30的温度成为规定温度的范围内就没有特别限制，但优选使氮气32的加热温度高于还原气体31的加热温度。由此能够降低还原气体31的加热温度，因此能够更加降低针对还原气体31的加热负荷。在此，如在第1实施方式中说明的那样，氮气32的添加量越多，能够越降低混合气体30的送风温度(即规定温度)。因此，氮气32的添加量越多，能够越进一步降低针对还原气体31的加热负荷。而且，详情后述，氮气32的添加量越多，还原气体31的加热温度的减少量相对于氮气32的加热温度的上升量之比越增加。即，氮气32的添加量越多，则仅通过使氮气32的加热温度稍微上升就能够使还原气体31的加热温度大幅降低。因此，氮气32的添加量越多，分离加热的效果就越大。当然，如在第1实施方式中说明的那样，氮气32的添加量优选相对于还原气体31的总体积为90体积％以下。
接着，对第2实施方式的效果进行详细说明。本发明人使用上述的数学模型模拟了第2实施方式涉及的竖炉操作。另外，为了比较，也模拟了与第1实施方式同样的竖炉操作、以及未添加氮气32的竖炉操作。再者，本模拟是相当于第2实施方式的实施例以及比较例的。将结果示于图8。再者，计算条件与表1同样。另外，还原气体31的氢气浓度设为100体积％。
图8是表示氢气的加热温度(即还原气体31的加热温度)(℃)与氮气的加热温度(℃)的关系的图。再者，在图8中，氢气单耗(还原气体单耗)为1620Nm3/t-Fe且恒定。曲线L10表示将还原气体31和氮气32混合来加热(也就是说，进行了与第1实施方式同样的加热处理)的情况下的上述关系。再者，由于氢气单耗恒定，因此在曲线L10上的各点，氮气32的添加量不同(参照图2及图3)。在曲线L10上的点P1，氮气的添加量为零。曲线L11、L12均表示将还原气体31和氮气32分开地进行加热的情况下的氢气的加热温度(即还原气体31的加热温度)(℃)与氮气的加热温度(℃)的关系。但是，在曲线L11中，氮气32的添加量为330Nm3/t-Fe，在曲线L12中，氮气32的添加量为500Nm3/t-Fe。
在氢气单耗为1620Nm3/t-Fe、且氮气32的添加量为330Nm3/t-Fe的情况下，如图3所示，混合气体30的送风温度成为900℃左右。因此，在将还原气体31和氮气32混合来加热的情况下，还原气体31和氮气32的加热温度成为与混合气体30的送风温度相同的900℃(点P2)。
在氢气单耗为1620Nm3/t-Fe、且氮气32的添加量为500Nm3/t-Fe的情况下，如图3所示，混合气体30的送风温度成为900℃以下(基于数学模型的计算值为872℃)。因此，在将还原气体31和氮气32混合来加热的情况下，还原气体31和氮气32的加热温度成为与混合气体30的送风温度相同的872℃(点P4)。
因此，若以将送风温度1000℃的100体积％氢气吹入竖炉10中的情况(点P1)为起点来考虑，则通过将氮气32的添加量设为330Nm3/t-Fe，能够不使氢气单耗增加而将混合气体30的送风温度降低至900℃(点P2)。而且，如曲线L11所示，通过将还原气体31和氮气32分开地进行加热，并且将氮气32的加热温度提高至1350℃左右，能够将还原气体31的加热温度降低至800℃左右(点P3)。
进而，通过将氮气32的添加量设为500Nm3/t-Fe，能够不使氢气单耗增加而将混合气体30的送风温度降低至900℃以下的872℃(点P4)。而且，如曲线L12所示，通过将还原气体31和氮气32分开地进行加热，并且将氮气32的加热温度提高至1080℃左右，能够将还原气体31的加热温度降低至800℃左右(点P5)。
进而，将曲线L11和曲线L12进行对比，曲线L12的斜率小于曲线L11的斜率。这意味着：氮气32的添加量越多，还原气体31的加热温度的减少量相对于氮气32的加热温度的上升量之比越增加。
如以上说明的那样，根据第2实施方式，由于将还原气体31和氮气32分开地进行加热，因此能够进一步降低还原气体31的加热负荷。这样的分离加热的效果，通过使氮气32的加热温度高于还原气体31的加热温度而变大。而且，氮气32的添加量越多，分离加热的效果就越大。
＜2-1.变形例＞
接着，基于图9来说明第2实施方式的变形例。概略地讲，本变形例是将第1实施方式的第1变形例应用于第2实施方式而得到的。也就是说，在本变形例中，从炉顶气体40中将未反应的氢气31a和氮气32分开地分离回收，作为加热对象的还原气体31和氮气32进行再利用。
具体而言，将炉顶气体40导入分离回收装置60中，在分离回收装置60中冷却炉顶气体40。优选进而将炉顶气体40进行除尘。由此，从炉顶气体40中将水蒸气作为水65除去，并分离回收未反应的氢气31a和氮气32。被分离回收了的气体成为未反应的氢气31a和氮气32的混合气体，因此对该混合气体进行氢气分离处理或氮气分离处理。由此，将未反应的氢气31a和氮气32分开地分离回收。在此，作为氢气分离处理及氮气分离处理，可列举例如压力变动吸附法(PSA法)(https://www.jstage.jst.go.jp/article/jvsj1958/43/12/43_12_1088/_pdf)。被分离回收了的未反应的氢气31a被导入还原气体用加热炉51，被分离回收的氮气32被导入氮气用加热炉52。由此，未反应的氢气31a和氮气32被再利用。
再者，与第1实施方式的第1变形例同样地，氮气32在循环系统(在此为将氮气用加热炉52、竖炉10和分离回收装置60连结的循环系统)中未被消耗。因此，如果一旦向该循环系统中导入生产期望量的还原铁所需要的量的氮气32，则其后在理想上也可以不从外部导入氮气32。另一方面，由于还原气体31在竖炉内被消耗，因此仅靠被循环的氢气31a的话，还原气体31不足。因此，关于还原气体31，只要从外部供给不足的量即可。
如以上说明的那样，根据本变形例，能够有效利用还原气体31和氮气32。
以上，一边参照附图一边对本发明的适宜的实施方式进行了详细说明，但本发明并不限定于这样的例子。很显然，具有本发明所属技术领域的普通知识的人员能够在权利要求书所记载的技术思想的范畴内想到各种的变更例或修改例，这些例子当然地也属于本发明的技术范围。
附图标记说明
10 竖炉
20 氧化铁原料
30 混合气体
31 还原气体
32 氮气
40 炉顶气体
50 加热炉
60 分离回收装置
70 循环气体
80 分支管
85 燃料用气体

Claims (9)

1.一种还原铁的制造方法，通过将装入到竖炉中的氧化铁还原来制造还原铁，该制造方法的特征在于，
将包含还原气体和氮气、且被加热了的混合气体吹入所述竖炉中，所述还原气体含有90体积％以上的氢气。
2.一种还原铁的制造方法，通过将装入到竖炉中的氧化铁还原来制造还原铁，该制造方法的特征在于，包含：
加热混合气体的工序，所述混合气体包含还原气体和氮气，所述还原气体含有90体积％以上的氢气；和
将所述被加热了的混合气体吹入竖炉中的工序。
3.根据权利要求2所述的还原铁的制造方法，其特征在于，包含：
从所述竖炉的炉顶气体中至少分离回收未反应的所述氢气和所述氮气的工序；和
将被分离回收了的所述氢气和所述氮气作为所述混合气体的一部分再使用的工序。
4.根据权利要求3所述的还原铁的制造方法，其特征在于，将被分离回收了的所述氢气和所述氮气的一部分作为加热所述混合气体时的燃料用气体使用。
5.一种还原铁的制造方法，通过将装入到竖炉中的氧化铁还原来制造还原铁，该制造方法的特征在于，包含：
将还原气体和氮气分开地进行加热的工序，所述还原气体含有90体积％以上的氢气；
通过将被加热了的所述还原气体和所述氮气混合来制作混合气体的工序；和
将所述混合气体吹入竖炉中的工序。
6.根据权利要求5所述的还原铁的制造方法，其特征在于，使所述氮气的加热温度高于所述还原气体的加热温度。
7.根据权利要求5或6所述的还原铁的制造方法，其特征在于，包含：
从所述竖炉的炉顶气体中至少将未反应的所述氢气和所述氮气分开地分离回收的工序；和
将被分离回收了的所述氢气和所述氮气作为加热对象的所述还原气体和所述氮气再使用的工序。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的还原铁的制造方法，其特征在于，所述混合气体以所述还原气体的90体积％以下的比例含有所述氮气。
9.根据权利要求1～8的任一项所述的还原铁的制造方法，其特征在于，向所述竖炉吹入时的所述混合气体的温度为900℃以下。
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