CN117062919A

CN117062919A - 还原铁的制造方法和还原铁的制造装置

Info

Publication number: CN117062919A
Application number: CN202180096324.8A
Authority: CN
Inventors: 照井光辉; 樋口隆英; 山本哲也
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-11-14
Also published as: TW202239972A; BR112023019523A2; US20240175101A1; CA3212072A1; AU2021437529A1; WO2022209013A1; JP2022157631A; TWI830106B; EP4317463A1

Abstract

本发明提供一种不用预先预热原料就可以有效地制造还原铁的还原铁的制造方法。将作为还原铁的原料的团块物装入还原炉，并向还原炉中导入以氢为主要成分的还原气体，通过还原气体将团块物中所含的氧化铁还原而得到还原铁的还原铁的制造方法，其中，其特征在于，装入还原炉的团块物是保留其制造时得到的热的团块物，并将上述热利用于氧化铁的还原反应。

Description

还原铁的制造方法和还原铁的制造装置

技术领域

本发明涉及还原铁的制造方法和还原铁的制造装置。

背景技术

作为还原含有氧化铁的原料而生产铁的方式，已知有将焦炭用作还原剂制造铁水的高炉法，将还原气体用于还原剂吹入立式炉(以下称为“竖炉”)的方式，同样地通过还原气体在流动层中还原矿石粉的方，将原料的成块化和还原一体化的方式(回转窑方式)等。

其中，除了高炉法以外的还原铁的制造法中，使用以重整天然气或煤来制造的一氧化碳(CO)或氢(H₂)为主要成分的还原气体作为还原剂。进而，通过与还原气体的对流传热使装入炉内的原料升温并还原，然后排出到炉外。从炉内排出水(H₂O)、二氧化碳(CO₂)等氧化得到的气体以及未参与还原反应的H₂气体、CO气体。

装入炉内的原料(主要为Fe₂O₃)由作为还原气体的CO气体、H₂气体进行以下的式(1)和(2)所示的还原反应。

Fe₂O₃+3CO→2Fe+3CO₂ (1)

Fe₂O₃+3H₂→2Fe+3H₂O (2)

即，在式(1)所示的利用CO气体的还原中，排出CO₂气体作为还原后的排出气体。另一方面，在式(2)所示的利用H₂气体的还原中，排出H₂O气体作为还原后的排出气体。

然而，近年来，全球变暖成为问题，而为了抑制作为变暖的主要原因的温室效应气体之一的CO₂的排出量，只要减少式(1)所示的利用CO气体的还原反应量而增加式(2)所示的利用H₂气体的还原反应量即可。并且，为了增加利用H₂气体的还原反应量，只要提高使用的还原气体中的H₂的浓度即可。

但是，在利用CO气体和H₂气体的还原反应中，各自的伴随反应的热量不同。即，利用CO气体的还原反应热为+6710kcal/kmol(Fe₂O₃)，相对于此，利用H₂气体的还原反应热为－22800kcal/kmol(Fe₂O₃)。也就是说前者是伴有放热的反应，后者是伴有吸热的反应。因此，要想提高还原气体中的H₂浓度而增加式(2)的反应量时，发生显著的吸热反应而炉内的温度下降，出现导致还原反应停滞的问题。因此，需要通过某种方法来补偿不足的热。

在这样的背景下，在专利文献1中，为了补偿H₂气体和氧化铁的反应引起的吸热，提出了预先将从还原炉的上部装入的原料预热到100℃～627℃的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5630222号公报

发明内容

然而，在专利文献1提出的方法中，需要预先将原料预热的设备，存在增加制造成本的问题。

本发明是鉴于上述课题而进行的，其目的在于提供一种不用预先预热原料就能够有效地制造还原铁的还原铁的制造方法。

解决上述课题的本发明如下。

[1]一种还原铁的制造方法，其特征在于，

将作为还原铁的原料的团块物装入还原炉，并向上述还原炉导入以氢为主要成分的还原气体，通过上述还原气体将上述团块物中所含的氧化铁还原而得到还原铁，

其中，装入上述还原炉的上述团块物是保留有其制造时得到的热的团块物，将上述热利用于上述氧化铁的还原反应。

[2]根据上述[1]所述的还原铁的制造方法，其中，将上述团块物在其制造后直接装入上述还原炉。

[3]根据上述[1]或[2]所述的还原铁的制造方法，其中，上述还原气体为氢气。

[4]一种还原铁的制造装置，是使用上述[1]～[3]中的任一项中所述的还原铁的制造方法的还原铁的制造装置，具备：

团块物制造部，使上述团块物的原料成块化，制造上述团块物；

还原部，其具有：装入通过上述团块物制造部制造的上述团块物的团块物装入口、导入上述还原气体的还原气体导入口、将上述还原反应中未使用的上述还原气体和上述还原反应中生成的水排出的排出口，并且，通过上述还原气体将上述团块物中所含的氧化铁还原，得到还原铁。

[5]根据上述[4]所述的还原铁的制造装置，其中，上述还原部与上述团块物制造部直接连接。

[6]根据上述[4]或[5]所述的还原铁的制造装置，其中，上述团块物制造部和上述还原部为卧式。

[7]根据上述[4]或[5]所述的还原铁的制造装置，其中，上述还原部为立式。

根据本发明，能够提供一种不用预先预热原料就能有效地制造还原铁的还原铁的制造方法。

附图说明

图1是表示竖炉的概况的图。

图2是表示本发明的还原铁的制造装置的一个例子的图。

图3是表示关于发明例和比较例，竖炉的热容量的图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。应予说明，只要是在不脱离本发明的要旨范围，本发明的实施方式不限于下述的实施方式。本发明的还原铁的制造方法，是一种将作为还原铁的原料的团块物装入还原炉，并向还原炉中导入以氢为主要成分的还原气体，通过还原气体将团块物中所含的氧化铁还原而得到还原铁的还原铁的制造方法。其特征在于，装入还原炉的团块物是保留有其制造时得到的热的团块物，将上述热利用于氧化铁的还原反应。

本发明人等对不预先预热作为还原铁的原料的团块物就能有效地制造还原铁的方法进行了深入研究。以往，在还原炉中制造还原铁时，除矿石微粉以外，还使用通常被称为球团矿的将矿石粉烧成球状的原料。另外，虽然是利用高炉的还原铁的制造，但通常利用称为烧结机的装置将原料烧结成烧结矿后才装入高炉。在烧结球团矿时，通常升温至1300℃，在烧结烧结矿时，通常升温到1250℃附近。本说明书中，将上述球团矿和烧结矿合起来称为“团块物”。

需要将如上述制造的团块物运送至使用的设备(位置)，但团块物的刚刚制造后的温度为球团矿1260℃左右、烧结矿800～1200℃。因此，当采用传送带等运送团块物时，存在传送带被烧损的问题。因此，以往，将制造的球团矿或烧结矿等的团块物装入称为冷却器的装置中，回收这些团块物含有的显热。回收的显热例如可用于锅炉等。这样，虽然团块物具有的显热被回收再利用，但由于中间工序变多，产生了热损失。

本发明人等想到将以往通过冷却器回收的制造后的团块物所具有的显热用作利用H₂的还原反应热的热源，从而完成了本发明。

在本发明中，装入还原炉的团块物是保留有其制造时得到的热的团块物。这里，“保留有其制造时得到的热的团块物”是指在制造球团矿、烧结矿时，将供给于铁矿石粉等的原料的热的至少一部分保留到了制造后的团块物，具体而言，是指温度超过室温(例如，25℃)的团块物。因此，在制造后被运送到还原炉前自然冷却的团块物以及在制造后被运送到还原炉前有意地冷却到高于室温的规定的温度的团块物也包含在上述“保留有其制造时得到的热的团块物”中。

从供给氧化物的还原反应热这一点上考虑，装入还原炉中的团块矿的温度优选为高的温度。具体而言，装入还原炉的团块矿的温度优选为500℃以上，更优选为600℃以上，进一步优选为700℃以上，最优选为800℃以上。

在本发明中，使用以H₂为主要成分的气体作为还原气体。应予说明，在本说明书中，“以H₂为主要成分的气体”是指H₂浓度为50体积％以上的气体。由此，能够进行CO₂的减排。

上述还原气体的H₂浓度优选为65体积％以上。由此，能够进一步提高CO₂的减排效果。还原气体的H₂浓度更优选为70体积％以上，进一步优选80体积％以上，还进一步优选为90体积％以上，最优选100体积％，即以H₂气体作为还原气体。通过使用H₂气体作为还原气体，不用排出CO₂就能够制造还原铁。

另外，导入还原炉的还原气体的温度优选为800℃～1000℃。通过将还原气体的温度设为800℃以上，提高反应速度，而且温度越高反应速度越高。因此，如果还原气体的温度变为过度高温，则团块物彼此相互粘着，发生所谓的团聚现象，团块物在炉内成为大块，运送性下降。因此，还原气体的温度优选为1000℃以下。还原气体的温度更优选为860℃～950℃。

以下，以使用立式炉的竖炉作为还原炉的情况为例说明本发明的还原铁的制造方法。图1表示竖炉的概况。在图1所示的竖炉的上部设置了储存还原铁的原料的团块物的缓冲仓，由设置在炉上部的团块物装入口装入保留制造时得到的热的团块物。另一方面，在炉下部设置了还原气体导入口，例如，吹入重整天然气体而制造的CO气体和H₂气的混合气体、以H₂为主要成分的还原气体。

作为装入炉内的原料的团块物，通过与还原气体的热交换而升温，团块物所含的氧化铁以式(1)和(2)所示的反应还原。此时，团块物保留的热补偿式(2)的吸热，因此能够抑制还原反应的停滞而有效地获得还原铁。得到的还原铁从炉下部排出到炉外。

在本发明中，优选将作为还原铁的原料的团块物在其制造后直接装入上述还原炉。由此，能够将更多的显热供给到利用还原炉内的H₂气体的氧化铁的还原反应中。应予说明，“将团块物在其制造后直接装入还原炉”是指将制造的团块物不经过对团块物实施以冷却器冷却团块物的工序等专门的处理工序(其中，不包括团块物的运送工序)而直接装入还原炉。

例如，优选将通过球团矿烧结用的回转窑烧结的球团矿，不运送到上述的显热回收用的冷却器，而是直接运送到设置在竖炉上部的缓冲仓内。在运送时，为了防止高温的球团矿引起的传送带的烧损，也可以采用焦炭炉中使用的熄焦车那样的形态。另外，当向炉顶的缓冲仓运送球团矿时，可以使用料斗车等分批地运送。另外，当使用烧结矿作为团块物时，采用与上述球团矿相同的运送形态即可。

另外，在本发明的还原铁的制造方法中，为了减少烧结后的团块物的排热量，优选尽可能地缩短从团块物的制造工序到还原铁的制造工序之间的距离。

图2表示能够使用本发明的还原铁的制造方法的还原铁的制造装置的一个例子。图2所示的装置是具备使团块物的原料成块而制造团块物的团块物制造部以及利用还原气体还原团块物所含的氧化铁而得到还原铁的还原部的卧式还原铁的制造装置。上述还原部具有装入通过团块物制造部制造的团块物的团块物装入口、导入还原气体的还原气体导入口以及将还原反应中未使用的还原气体和还原反应中产生的气体排出的气体排出口。

在图2所示的装置中，还原部与团块物制造部直接连接且邻接配置(并排设置)。由此，从团块物的制造工序立即转移到团块物所含的氧化铁的还原工序，可以不将制造的团块物排出系统外而连续地进行还原处理。应予说明，“还原部与团块物制造部直接连接”是指在团块物制造部和还原部之间，没有配置进行团块物的冷却的冷却器结构等对团块物有意地实施处理的结构(其中，除了团块物的运送方法外)。

在团块物制造部中，铁矿石粉等团块矿的原料从料斗被供给到传送带上，通过点火炉等从由供给的原料构成的原料层的上部对原料层点火，同时利用排风机从原料层的下部抽吸空气，由此原料层上部的燃烧区域慢慢向下移动，使原料层整体从上向下烧结，得到团块物。

另外，在还原部中，利用传送带将通过团块物制造部制造的团块物从团块物装入口以一定速度装入还原部内。同时，由设置在还原部上部的还原气体导入口将H₂气体等还原气体导入炉内，利用还原气体使团块物所含的氧化物还原，得到还原铁。将得到的还原铁从还原炉排出并回收，另一方面，通过排风机将还原反应中未使用的还原气体和通过还原反应生成的水一起从设置在炉下部的排出口排出。排出的还原气体脱水后，被导入到还原部的上部，与新鲜的还原气体混合，再重新导入到还原部内。这样能够连续地制造还原铁。

应予说明，图2所示的装置为卧式装置，但还原部也可以由图1所示的作为立式炉的竖炉构成。

实施例

以下，对本发明的实施例进行说明，但本发明不限于实施例。

为了确认本发明的还原铁的制造方法的有效性，关于使用竖炉作为还原炉的情况，计算基于热平衡模型的产品(还原铁)的还原率。

(比较例1)

按照使用竖炉当前的方法制造还原铁。具体而言，使用CO浓度为38体积％、H₂浓度为62体积％的混合气体作为还原气体。另外，将从竖炉的上部装入的团块矿的温度设为25℃，从竖炉的下部导入的还原气体的温度设为950℃，还原气体的送风量设为2200Nm³/t。其结果，作为产品的还原铁的还原率为91.7％。将还原铁的制造条件、热流比和产品还原率示于表1。

表1

	比较例1	比较例2	发明例1	发明例2
					还原气体的CO浓度(体积％)	38	0	0	0
还原气体的H₂浓度(体积％)	62	100	100	100
					还原气体的温度(℃)	950	950	950	950
装入的团块矿的温度(℃)	25	25	500	800
					还原气体的送风量(Nm³/t)	2200	2200	1405	1252
热流比	0.63	0.97	0.63	0.63
					产品还原率(％)	91.7	30.5	90.1	90.7

(比较例2)

与比较例1同样地制造还原铁。但是，使用H₂气(氢浓度为100体积％的气体)作为还原气体。其他的条件与比较例1均相同。其结果，产品的还原率为30.5％。将还原铁的制造条件和产品还原率示于表1。

(发明例1)

与比较例1同样地制造还原铁。但是，使用H₂气(氢浓度为100体积％的气体)作为还原气体，将装入还原炉的团块矿的温度设为500℃。另外，还原气体的送风量如后述那样，设为使其与比较例1的热流比相同的送风量。其他的条件与比较例1均相同。其结果，产品的还原率为90.1％。将还原铁的制造条件和产品还原率示于表1。

(发明例2)

与发明例1同样地制造还原铁。但是，将装入还原炉的团块矿的温度设为800℃。另外，还原气体的送风量如后述那样，设为使其与比较例1的热流比相同的送风量。其他的条件与发明例1均相同。其结果，产品的还原率为90.7％。将还原铁的制造条件和产品还原率示于表1。

<产品还原率的评价>

如表1所示，关于在当前的条件下制造还原铁的比较例1，产品还原率为91.7％，而比较例2中，将还原气体的H₂浓度设为100质量％，使其显著增加，由此导致了产品还原率显著降低至30.5％。与此相对，在发明例1和发明例2中，即使将还原气体的氢浓度设为100质量％，也得到了与比较例1基本相同的还原率，确认了通过本发明能够有效地制造还原铁。

＜竖炉的热容量的评价＞

在高炉、竖炉等的竖式逆流移动层中，作为能否作为工序充分进行原料的升温的判断指标之一，可以举出热流比。热流比是用装入的原料的流量与比热的乘积(热容量)除以吹入炉内的气体的流量与比热的乘积而得到的值，是对炉内的装入物和气体的温度分布有明显影响的参数。

图3表示发明例和比较例的竖炉的热容量。首先，在按照当前的方法制造还原铁的比较例1的竖炉中，在还原气体的送风量2200Nm³/t、H₂浓度38体积％、CO浓度62体积％的条件下，根据还原气体和团块物的热容量计算的热流比为0.63。应予说明，单位Nm³/t表示制造1吨还原铁所需的还原气体的量。另外，还原气体的热容量是根据还原气体的显热算出的，团块物的热容量是根据显热和还原反应热的值算出的。

与此相对，在还原气体的H₂浓度为100体积％的比较例2的情况下，H₂的吸热反应增大，根据热容量计算的热流比为0.97。这种情况下，由于还原气体的热容量与作为原料的团块物的热容量拮抗，团块物的升温延迟，团块物所含的氧化铁的还原停滞，产品还原率可能会下降。与此相对，在发明例1和发明例2的情况下，通过使装入时的团块物的温度保持高温，即使在还原气体的H₂浓度为100体积％的情况下，也能够保持与当前的竖炉同等的热流比0.63。此外，在热流比0.63的情况下，吹入炉内的还原气体量也可以从比较例1的2200Nm³/t减少到1405Nm³/t(发明例1)和1252Nm³/t(发明例2)。

产业上的可利用性

根据本发明，能够提供一种不用预先预热原料，就可以有效地制造还原铁的还原铁的制造方法，因此在制铁行业中是有用的。

Claims

1.一种还原铁的制造方法，其特征在于，

将作为还原铁的原料的团块物装入还原炉，并向所述还原炉导入以氢为主要成分的还原气体，通过所述还原气体将所述团块物所含的氧化铁还原而得到还原铁，

其中，装入所述还原炉的所述团块物是保留有其制造时得到的热的团块物，将所述热利用于所述氧化铁的还原反应。

2.根据权利要求1所述的还原铁的制造方法，其中，将所述团块物在其制造后直接装入所述还原炉。

3.根据权利要求1或2所述的还原铁的制造方法，其中，所述还原气体为氢气。

4.一种还原铁的制造装置，使用权利要求1～3中的任一项所述的还原铁的制造方法，具备：

团块物制造部，使所述团块物的原料成块化，制造所述团块物；

还原部，其具有：装入通过所述团块物制造部制造的所述团块物的团块物装入口，导入所述还原气体的还原气体导入口，以及，将所述还原反应中未使用的所述还原气体和所述还原反应中生成的水排出的排出口；通过所述还原气体将所述团块物中所含的氧化铁还原，得到还原铁。

5.根据权利要求4所述的还原铁的制造装置，其中，所述还原部与所述团块物制造部直接连接。

6.根据权利要求4或5所述的还原铁的制造装置，其中，所述团块物制造部和所述还原部为卧式。

7.根据权利要求4或5所述的还原铁的制造装置，其中，所述还原部为立式。