TWI379911B

TWI379911B - A direct reduction process

Info

Publication number: TWI379911B
Application number: TW094117638A
Authority: TW
Inventors: Orth Andreas; Eichberger Heinz; Keith Philp Donald; Dry Rod
Original assignee: Outotec Oyj
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2012-12-21
Also published as: DE602005018349D1; JP2008501072A; CN100564555C; NZ551518A; PL1756324T3; EP1756324A1; JP4785840B2; BRPI0511709B1; TW200611980A; CA2566322A1; EP1756324B1; US20080196549A1; ATE452213T1; BRPI0511709A; ZA200609570B; EA200601979A1; US8038766B2; EA009672B1; CN1961087A; CA2566322C

Description

1379911 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係關於含金屬進料之直接還原方法，特定言之 (但不限於），係關於含鐵進料（諸如鐵礦）之直接還原方法。本發明亦關於一種還原含金屬進料之方法，其包括於固態中部分還原含金屬進料之直接還原方法及將經部分還原之含金屬進料熔融及進一步還原成熔融金屬之熔煉方法。本發明係於本申請人為發展用於鐵礦之直接還原之所 Φ 謂「C I R C 0 F E R技術」所進行之持續進行中之研究計畫的過程中進行。【先前技術】 _ C I R C 0 F E R技術係一種直接還原方法，其可將固態中之鐵 _ 礦還原至5 0 %或更高之金屬化。

C I R C 0 F E R技術係以使用流體化床為基礎。至流體化床的主要進料為流體化氣體、金屬氧化物（典型上為鐵礦細粉）、固態含碳材料（典型上為煤）及含氧氣體（典型上為氧氣）。於流體化床中產生的主要產物為經金屬化之金屬氧化物，即經至少部分還原的金屬氧化物。【發明内容】本申請人於研究計畫中的一磺發現為可於單一流體化床内建立個別的反應區及將此等區中之反應最佳化。一反應區為富含碳之區，於其中固態含碳材料（諸如煤）及其他可氧化反應物經氧化及產生熱。另一反應區係富含金屬之區，於其中含金屬進料（諸如鐵礦）於固態中還原。兩反應 6 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 1379911 區於流體化床内分隔開，其中富含金屬之區典型上係位於下段，且富含碳之區在富含金屬之區上方與其隔開。此等區可為相連。流體化床包括固體之向上及向下流動，且此材料之移動促進於富含碳之區中所產生之熱傳送至富含金屬之區，及將富含金屬之區維持在還原含金屬進料所需之溫度下。根據本發明，提供一種含金屬材料的直接還原方法，其包括將含金屬材料、固態含碳材料、含氧氣體、及流體化 Φ 氣體供給至容器中之流體化床中及於容器中維持流體化床，將容器中之含金屬材料至少部分還原，及將包含該至少經部分還原之含金屬材料之產物流自容器排出，此方法 . 之特徵在於：（a)於容器中之富含金屬之區中還原呈固態之含金屬材料；（b)將含氧氣體以對垂直在正負4 0度範圍内之向下流動注入至容器中之富含碳之區中，及藉由在氧與

含金屬材料（包括金屬化材料）、固態含碳材料及流體化床中之其他可氧化固體及氣體之間之反應產生熱，及（c)藉由固體於容器内之移動，將熱自富含碳之區傳送至富含金屬之區。此方法包括以對垂直在正負1 5度範圍内之向下流動注入含氧氣體較佳。應明瞭術語「富含碳」之區在此係指相對於在流體化床之其他區域中之含金屬材料量有相對大量之含碳材料之流體化床中的區域。應明瞭術語「富含金屬」之區在此係指相對於在流體化 7 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 1379911 床之其他區域中之含碳材料量有相對大量之含金屬材料之流體化床中的區域。此方法包括在容器之下段中形成富含金屬之區，及在容器之中間段形成富含碳之區較佳。中間段係在該下段與容器之上段的中間較佳。此方法包括將含氧氣體注入至容器之中心區域，即位在容器側壁内側的區域較佳。此方法包括將在流體化床中之整體溫度與容器側壁之 β内側表面之平均溫度之間的溫度差控制為不多於1 〇〇 °c較佳。應明瞭術語「整體溫度」在此係指在整個流體化床之平 . 均溫度。 _ 溫度差以不多於5 0 °C更佳。在還原呈鐵礦細粉形態之含金屬材料的情況中，流體化床中之整體溫度係在8 5 (TC至1 0 0 0 °C之範圍内較佳。

流體化床中之整體溫度係至少9 0 0 °C較佳，而至少9 5 0 °C更佳。此外，此方法包括控制溫度變化使其於流體化床内低於 5 0 °C較佳。藉由控制許多因素，包括，例如，供給至容器之固體及氣體量，而可控制溫度差。此外，在還原呈鐵礦細粉形態之含金屬材料的情況中，此方法包括將容器中之壓力控制為在1 - 1 0巴（b a r )絕對壓力之範圍内較佳，以4-8巴絕對壓力為更佳。 8 312XP/發明說明書(補件)/94-09/9411763 8 1379911 此方法包括注入含氧氣體，以致於容器中有氣體之向下流動較佳。此方法包括經由至少一具有引入管尖端之引入管注入含氧氣體，其中該引入管尖端具有在容器之中心區域中設置於容器側壁内側之容器中的出口較佳。引入管尖端係方向向下較佳。引入管尖端係方向垂直向下更佳。引入管之位置，及更特定言之，引入管尖端之出口高 Φ 度，係參照諸如含氧氣體注入速度、容器壓力、供給至容器之其他進料的選擇和量、及流體化床密度的因素而決定。此方法包括以水冷卻至少該引入管尖端，以使會阻礙含 _ 氧氣體注入之形成於引入管尖端上之黏著物的可能性減至最小較佳。此方法包括以水冷卻引入管之外表面較佳。此方法包括經由引入管的中心管注入含氧氣體較佳。此方法包括以足夠的速度注入含氧氣體，而於引入管尖

端之區域中形成實質上無固體的區，以使會阻礙含氧氣體注入之黏著物的形成於引入管尖端上減至最小較佳。此方法包括注入氮及/或蒸汽及/或其他適當的遮蔽氣體及遮蔽引入管尖端出口之區域，以使會導致於引入管尖端上形成會阻礙含氧氣體注入之黏著物之金屬的氧化減至最小較佳。此方法包括將遮蔽氣體以含氧氣體速度之至少60%之速度注入至容器中較佳。 3】2XP/發明說明書(補件)/94-09/94 ]】7638 1379911 此方法包括將含金屬進料、含碳材料、含氧氣體、及流體化氣體供給至流體化床，及利用（a)含氧氣體之向下流動，（b )與含氧氣體之向下流動逆流之固體及流體化氣體之向上流動，及（c )在固體及流體化氣體之向上流動外側之固體的向下流動而維持流體化床較佳。

在說明於先前段落中的流體化床中，在向上及向下流動固體中之固體經由在富含碳之區中之含氧氣體、固態含碳材料及其他可氧化材料（諸如C 0、揮發物、及Η 2)之間之反應所產生之熱加熱。在向下流動固體中之固體將熱傳送至富含金屬之區。此外，向上及向下流動之固體遮蔽容器之側壁，防止受到由在含氧氣體與固態含碳材料及流體化床中之其他可氧化固體及氣體之間之反應所產生之輻射熱。在還原呈鐵礦細粉形態之含金屬材料的情況中，細粉之尺寸小於6毫米較佳。細粉具在0, 1至0 . 8毫米範圍内之平均粒度較佳。此方法的優點之一為其可接受實質量之粒度小於1 0 0微米之含金屬進料，而不會有顯著量的此材料於出氣中被夾帶離開製程。咸信此係由於在流體化床内運作之凝聚機構促進在進料顆粒（尤其係小於1 〇〇微米之顆粒）間之期望的凝聚程度，而未出現會促進中斷流體化床操作之不.受控制之凝聚作用。同樣地，可處理有在加工過程中分解，因而提高流體化床内尺寸小於1 0 0微米之顆粒比例之傾向的易碎礦石，而不會使進料顯著耗損於製程出氣中。 10 1379911 含碳材料為煤較佳。在此一情況中，此方法將煤去揮發成炭，且至少部分的炭與氧反應及於流體化床中生成co。流體化氣體包含還原氣體，諸如C0及H2較佳。此方法包括將流體化氣體中之h2之量選擇為氣體中之 C 0及Η 2之總體積的至少1 5體積％較佳。此方法包括將包含至少經部分還原之含金屬材料之產物流自容器之下段排出較佳。產物流亦包含其他固體（例如炭）較佳。

此方法包括自產物流分離出至少一部分的其他固體較佳0 此方法包括將經分離之固體送回至容器較佳。此方法包括將來自容器上段之包含夾帶固體之出氣流 (off-gas stream)才非出較佳。此方法包括自出氣流分離出固體較佳。此方法包括經由將夾帶固體自出氣流分離，及將自出氣分離出之固體送回至容器而維持循環流體化床較佳。此方法包括將自出氣分離出之固體送回至容器之下部較佳。此方法包括利用來自容器之出氣預熱含金屬進料較佳。此方法包括於預熱步驟之後處理出氣，及將至少一部分之經處理出氣送回至容器作為流體化氣體較佳。出氣處理包括下列之一或多者較佳：（a )移除固體’（b ) 冷卻，（c)移除H2O，（d)移除C〇2’（e)壓縮，及（f)再加熱。出氣處理包括將固體送回至容器較佳。 11 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94 ]】7638 1379911 可操作此方法，以視至少經部分還原之含金屬材料之下游需求而製造自低至高金屬化（metallisation)之產物流。金屬化可自3 0 %至超過8 0 %。在需要大於5 0 %之金屬化的情況中，此方法包括利用流體化氣體中之還原氣體操作較佳。在此情況中之流體化氣體的一選擇為來自容器之經處理出氣。在需要小於5 0 %之金屬化的情況中，可設想將不需要利用流體化氣體中之還原氣體操作，且可藉由供給至製程之固態含碳材料而得到足夠的還原物。

含氧氣體可為任何適當的氣體。含氧氣體包含至少90體積％之氧較佳。根據本發明，亦提供一種還原含金屬材料之方法，其包括：（a )如文中所說明之部分還原呈固態之含金屬材料的直接還原方法，及（b )將經部分還原之含金屬材料熔融及進一步還原成熔融金屬之熔煉方法。【實施方式】以下說明係關於直接還原呈固態之鐵礦顆粒形態之含金屬材料。本發明並不因此受限，而係可擴展至直接還原其他含鐵材料（諸如鈦鐵礦），及更普遍地擴展至其他含金屬材料。以下說明亦係關於利用煤作為固態含碳材料，氧作為含氧氣體，及至少C0及H2之混合物作為流體化氣體而直接還原鐵礦。本發明並不因此受限，而係可擴展至使用任何其他適當的固態含碳材料、含氧氣體、及流體化氣體。參照圖式，將固態進料（即鐵礦細粉和煤）、氧及流體化 12 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94 ]丨7638 1379911 氣體供給至圖中所示之容器3，並於容器中建立一流體化床。固態進料係經由延伸通過容器側壁7之固體傳送裝置諸如螺桿進料或固體注入引入管5而供給至容器。氧係經由具有位於向下延伸之引入管尖端1 1内之出口的引入管9而注入至容器中，該引入管尖端11將氧於容器之中心區域31(圖2)中向下傳送。中心區域係自容器之中心軸朝容器壁徑向延伸。氧係經注入成具有方向在垂直與 Φ 對垂直4 0度之間之範圍内的向下流動，但在垂直至對垂直 15度之範圍内較佳。在引入管出口區域内之固體會被夾帶於氧流中。據信在實質上向下流動之氧與實質上向上流動 _ 之流體化氣體之間的交互作用使夾帶於氧流中之顆粒接觸到容器側壁及生成黏著物的傾向顯著地降低。流體化氣體係經由在容器底部1 3中之一系列的風口或噴嘴（未示於圖中）注入。上述固體及氣體之供給係於容器之中心區域中產生流

體化氣體及夾帶固體的向上流動。逐漸地，隨固體之向上移動，固體自流體化氣體之向上流中脫離及於中心區域與容器側壁之間的環形區域中向下流動。此等經再循環之固體再次被夾帶於流體化氣體之向上流中或自容器排出。此材料於容器中之移動說明於圖2。上述固體及氣體之供給亦於容器中產生以下反應。煤去揮發成炭及煤揮發物分解成氣態產物（諸如Η 2及 C0)，及至少部分的炭與氧反應生成C0。 13 3 ] 2ΧΡ/發明說明書(補件)/94-09/941Π638 1379911 鐵礦經氣態產物CO及h2直接還原成至少經部分還原之鐵礦。此等反應依序產生（：〇2及h2〇。部分的CO2與碳反應生成CO(Boudouard反應）。固體及氣體（諸如炭及經部分還原之含金屬進料之顆粒、煤揮發物、C0、及Hz)經氧之氧化，其產生熱且促進較小經部分還原礦石顆粒與流體化床内之其他顆粒的控制凝聚作用。固體之相對密度及前述固體及氣體之注入，包括固體/ Φ 氣體注入之位置，導致於容器中形成反應區。此等區可為相連。一反應區為在引入管9之引入管尖端11之區域中之富含碳之區1 7。在此區中，主要的反應係涉及炭、煤揮發物、 C0、及H2與氧之燃燒的氧化反應，其產生熱。另一反應區係富含金屬之區19，於其中（a)煤經去揮發及生成炭和煤揮發物，及（b)鐵礦細粉經C 0及Η 2至少部分

還原。上述固體在中心區域與側壁之間之環形區域中的向下流動促進熱自富含碳之區傳送至富含金屬之區。此外，固體之向下流動部分遮蔽側壁而防止其直接暴露至來自容器中心區域的輻射熱。上述方法亦產生出氣及夾帶固體之流，其經由在容器上段中之出口 27自容器排出。出氣流經由將固體自出氣分離及經由固體回流管29將分離固體送回至容器而進行處理。其後藉由包括（a )移除固體、（b )冷卻出氣、（c )移除 14 3 ] 2XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 1379911 H2〇、（d)移除C〇2、（e)壓縮、及（〇再加熱之一系列步驟處理出氣。其後將經處理出氣送回至容器成為部分的流體化氣體。上述方法產生包括經至少部分還原之鐵礦及炭的固體流，其經由容器底部中之出口 2 5自容器排出。固體流可經由將經至少部分還原之鐵礦及一部分的其他固體分離而進行處理。亦可將自產物流分離出之其他固體（主要為炭）送回至容器作為製程中之一部分的固體進料。經至少部分還 ® 原之鐵礦視需要經進一步處理。舉例來說，可將經至少部分還原之鐵礦供給至以熔融浴為基質之熔煉容器及熔煉成熔融鐵，例如利用諸如所謂「Η 1 s in e 1 t製程」的方法。一如前所指，本發明係於申請人為發展C I R C 0 F E R技術以直接還原鐵礦而進行之持續研究計畫的過程令進行。研究計畫包括在申請人之3 5 0毫米直徑及7 0 0毫米直徑領試工廠（p i 1 〇 t p 1 a n t)設置上進行的一系列領試工廢試驗。

以下論述係集中於在7 0 0毫米直徑容器領試工廠上的研究工作。領試工廠包括圖1及2所示類型之裝置。領試工廠係以循環流體化床在大氣壓力下操作。容器之高度為1 0 . 7米。容器上段之高度大約為8. 9米及内徑為700毫米。容器下段之高度大約為1 . 8米及内徑為5 0 0毫米。此1 . 8米之高度包括流體化欄柵及在5 0 0毫米直徑與7 0 0毫米直徑段之間之過渡段的高度。容器係經耐火材料襯裡。經由使出氣連續通過3個串聯連接的旋風機，處理來自 15 312XP/發明說明書(補件)/94-09/9411763 8 1379911 容器之出氣，以移除夾帶固體。第一個旋風機（旋風機π 接受直接來自容器之出氣。經由設置供壓力密封用之密封罐將於旋風機中分離之固體送回至容器。第二個旋風機（旋風機2 )接受來自旋風機1之出氣。經由固體之直接回流（即沒有密封罐）將於此旋風機中分離之固體送回至容器。第三個旋風機（旋風機3 )接受來自第二個旋風機（旋風機2 )之出氣。經旋風機3分離之固體將不送回至容器。

於利用三個旋風機分離固體後，進一步利用徑向流動滌氣器處理出氣，其進一步自出氣移除固體。利用增稠器濃縮此等固體，然後使其通過桶式濾機以產生較稠的污泥。然後利用管冷卻器處理離開徑向流動滌氣器之出氣，該管冷卻器係經由使其冷卻至在1 0 - 3 0 °C之範圍内而操作，以使出氣脫水。於利用管冷卻器處理後，將出氣燃燒。在測試之起始階段中利用空氣使流體化床流體化，且稍後利用氮及氫氣之混合物使其流體化。由於未提供製程出氣之處理及再循環（例如，C 0 2移除及壓縮），因而無法將其送回至容器中作為流體化氣體。在此方面，使用氫氣以模擬使用經處理出氣作為流體化氣體的效果。概言之，研究工作展示以下結果：利用氧注入之煤基流體化床還原方法之概念產生具至多78%之金屬化程度的經還原產物。將氧注入至於床中具至多4 2 %金屬鐵之流體化床中及/ 或其附近呈現可行，而不會生成黏著物。在於產物中至多48 %之金屬鐵載入量下，同時還原鐵礦 16 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94 ] 17638

1379911 及部分燃燒煤作為單一床容器中之能量由於希望將氧化熱傳回至床中，同時至最小，因而容器中之氧引入管的位置試的條件，4米的位置恰當。高填B r 〇 c k m a η鐵礦被成功地流體化Z 過量的塵粉。（Brockman礦石係可購自Η Ltd, Perth, Western Australia 之易名實驗計畫之目的：主要目的係要以高填Brockman礦石（ A t ho 1煤達成穩定操作顯著量的時間。計畫係要使氧引入管位於容器之低位 (未示於圖中）上方1 · 9米）而以低鐵礦連至多2 0 % )操作兩天。目標接著係要使氧置（在分佈器板上方3 · 8米）而以高礦石多70%)操作三天。開機：於2003年12月9日上午6時，逐漸為床材料之7 0 0毫米容器（以下亦稱為驗。一旦達到標的溫度，則將煤及氧於· 至容器中。將氧速率提高至105 Nm3/· 係在3 0 0 - 4 5 0公斤/小時之範園内。以煤及氧操作，10/12/03-11/12/03 在日期10/12/03，以煤、空氣及氧進平順，系統相當快速地穩定，且容器維 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 的概念呈現可行。使鐵再氧化程度減相當重要。對於測 I還原，而未產生 amersley Iron Pty 卒西澳鐵礦。） -3毫米）及Blair 置（在分佈器板 L料（於產物出料中引入管位於上方位進料（於產物中至加熱使用氧化鋁作 ’ C F B」）而開始試 •午3時50分引入、時，同時煤速率行操作。操作相當持其900-930t之 J7 1379911 溫度，而未發生任何問題。此期間内的標準操作條件如下。

C F B溫度：底部9 3 0 °C及頂部9 0 0 °C 流體化氣體流率：1 4 0 N m1 /小時（N 〇及3 0 0 N m1 /小時 (空氣）

CFB 壓降：80-140 毫巴（mbar) 氧流率：至多1 0 0 N m1 /小時 N2遮蔽氣體流率：30 Nm1/小時煤進給速率：340-450公斤/小時結果之概要如下：床出料速率：100-160公斤/小時旋風機3出料：1 0 - 1 4公斤/小時出氣分析 C0/C02 12.8/8. 7=1.47 %h2 7. 6 %ch4 0. 7 排出產物乾淨，其僅有一些看來像是殘留耐火材料之+ 2 Φ 毫米的小塊。產生塵粉合理地低，對最終旋風機出料記述，其為出料之< 1 0 %。以鐵礦（1 0 - 1 4 0公斤/小時）、煤及氧（引入管高度2米）操作，1 0 / 1 2 / 0 3 - 1 2 / 1 2 / 0 3 10/12/03 22:00-11/12/03 06:00:鐵礦為 10 公斤 / 小時於2003年12月10日下午10時將鐵礦（<3毫米）以10 公斤/小時之速率引入至進給系統中。亦將氫以20 Nm1/ 18 1 i 2XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 1379911 小時之速率引入至流體化氣體中，以模擬使用經處理出氣作為流體化氣體。操作平順，床的Δ P維持於約1 0 0 - 1 2 0 毫巴，且溫度分佈於床的底部和頂部之間僅具有1 0 °C之範圍。

產物出現細粉，而無任何黏著物或凝聚物的跡象。然而，當篩選產物（於2毫米下）時，發現一些較大的鱗片型材料，但其僅佔總產物的極小比例。鱗月似乎係由灰/炭所組成，且其可能會形成於容器壁或容器中之分佈器板上。此期間内的標準操作條件及結果如下。

C F B溫度：底部9 3 0 °C及頂部9 0 0 °C 流體化氣體流率：3 5 0 N m3 /小時（N z)及2 0 N m3 /小時 (H〇 CFB壓降：100-130毫巴氧流率：1 0 0 - 1 1 5 N m3 /小時 N 2遮蔽氣體流率：3 0 N m3 /小時煤進給速率：280-360公斤/小時鐵礦進給速率：1 0公斤/小時結果之概要如下：床出料速率：125公斤/小時旋風機出料：1 5公斤/小時出氣分析 CO/COz 10.3/9.7=1.06 %h2 9. 2 %ch4 2.0 11/12/03 06:00-11/12/03 12:00:鐵礦為 20 公斤 / 小 19 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 1379911 生於2003年12月11日上午6時將鐵礦進給速率提高至 •20公斤/小時直至2003年12月11日上午12時為止，且亦將氫氣速率提高至4 0 N m3 /小時》操作持續平順而無任何不順。容器床壓力係維持於約8 0 - 1 0 0毫巴，且溫度分佈於床的底部和頂部之間僅具有1 0 °C之範圍。產物之外觀持續良好，而無任何黏著物或凝聚物的跡象。如前，唯一的例外為鱗片型材料的零散物件，其看來 _係由灰/炭所組成.。此期間内的標準操作條件及結果如下。

C F B溫度：底部9 5 2 °C及頂部9 4 0 °C 流體化氣體流率·· 3 5 0 N m3 /小時（N 2 )及4 0 N m3 /小時 (H2)

CFB壓降：80-100毫巴氧流率：1 1 2 N m3 /小時 N 2遮蔽氣體流率：3 0 N m3 /小時煤進給速率：4 3 0公斤/小時鐵礦進給速率：20公斤/小時結果之概要如下：床出料速率：1 2 5公斤/小時旋風機3出料：1 5公斤/小時出氣分析 C0/C02 11. 5/9. 6=1. 2 %h2 14.1 %ch4 2. 6 20 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 1379911 產物分析：（1 1 / 1 2 / Ο 3 Ο 9 : Ο Ο ) 質量％ Fe(T) rt 2 τ F e Fe° %金屬化磁性 9 58.2 15.5 42.35 72. 8 非磁性 9 1 1 . 74 11/12/03 12:00-12/12/03 06:00:鐵礦為 40 公斤 / 小時

於2003年12月11日上午12時將鐵礦進給速率提高至 4 0公斤/小時並以此速率操作直至2 0 0 3年1 2月1 2日上午6時為止，同時將氫氣速率維持於40 Nm3 /小時及煤速率大約為3 6 0 - 4 2 0公斤/小時。操作持續平順而無任何不順，且鐵產物出料經高度金屬化。產生塵粉亦低，其為來自最終旋風機（即旋風機3 )之總出料的低於1 0 %。容器床 △ P係維持於約9 0 - 1 3 5毫巴，且溫度分佈於床的底部和頂部之間具有低於1 0 °C之範圍。結果產物之外觀持續良好，而無任何黏著物或凝聚物的跡暴象。此期間内的標準操作條件及結果如下。

C F B溫度：底部9 5 3 °C及頂部9 4 1°C 流體化氣體流率：3 7 0 N m3 /小時（N 〇及4 0 N m3 /小時 (H〇 CFB壓降：98-130毫巴氧流率：1 1 3 N m3 /小時 N 2遮蔽氣體流率：3 0 N m3 /小時 21 312XP/發明說明書(補件)/94-09/941Π638 1379911 煤進給速率：4 2 6公斤/小時鐵礦進給速率：40公斤/小時結果之概要如下：床出料速率：1 9 0 - 2 1 0公斤/小時旋風機3出料：1 5 - 2 0公斤/小時出氣分析 CO/COa 9.9/11.4=0.87 % Η 2 12.9 %ch4 2. 9 產物分析：（1 1 / 1 2 / 0 3 ) 質量％ Fe(T) Fe2i Fe° %金屬化產物中i%Fe° 11/12/03 15:00 磁性 30 74. 38 14. 59 57. 44 77. 2 25.8 非磁性 70 4. 95 11/12/03 19:00 磁性 34.8 71. 56 19. 33 50. 75 70. 9 26.8 非磁性 65. 2 2. 98 11/12/03 23:00 磁性 27.4 66.4 20. 22 45. 66 68.8 21. 1 非磁性 72. 6 4. 03 12/12/03 02:00 磁性 24. 6 67. 1 22. 1 42. 53 63.4 19. 7 非磁性 75. 4 4.3 12/12/03 06:00 磁性 19. 6 68. 86 22. 55 43. 48 61.8 15. 7 非磁性 80.4 2. 73

所達成之高金屬化（7 〇 - 7 7 % )顯示氧引入管（即使係於其之1.9米位置處）未穿透太遠至床之底部，且於床内有良好的隔離。床的下部富含鐵。床的較高部分富含碳，且其與氧引入管交互作用產生熱，且此熱接著經由將固體再循環至床之下部而傳送回到床中。出氣中之低的CO / C〇2比顯示達成高後燃燒，且能量值傳回至床中，同時於產物出料中維持高金屬化程度。產物中之鐵含量及金屬化程度顯示7 0 0毫米容器可以氣化模式以至多2 0 - 2 5 %之金屬鐵含量操作，而不會有任何關於黏著物的問題。此係一項顯著的成就。 22 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94丨17638 1379911 氣引入管檢查（12/12/03) 將引入管自700毫米容器取出並於日期12/12/03進行檢查。總言之，引入管乾淨。水冷卻管以及噴嘴尖端沒有任何材料累積的跡象。將引入管重新設置於容器中之較高位置處（即在分佈器板上方3 . 8米）。以煤及氧重新開始容器，然後一旦穩定後再引入鐵礦及氫。

以鐵礦（1 1 0 - 2 0 0公斤/小時）、煤及氧（引入管4米高度）操作：1 3 / 1 2 / 0 3 - 1 6 / 1 2 / 0 3 13/12/03 06:00-13/12/03 12:00:鐵礦為 110 公斤 / 小時概述：於2003年12月13日上午6時25分將鐵礦進給速率逐步提高至1 1 0公斤/小時並以此速率操作直至2 0 0 3年1 2 月1 3日上午1 2時為止，同時亦將氫氣速率於2小時期間内逐步提高至110 Nm3/小時。煤速率大約為360-400公斤/小時。操作持續平順而無任何不順，且來自容器之鐵產物出料至多7 8 %經金屬化。產生塵粉亦低，其為來自最終旋風機（即旋風機3 )之總出料的< 1 0 %。容器床△ P係維持於約9 0 - 1 3 5毫巴，且溫度分佈於床的底部和.頂部之間具有低於5 °C之範圍。將引入管高度自1 . 9米提高至3. 8米似乎並不會影響床溫度分佈。事實上，溫度分佈自頂部至底部低於5 °C 。 23 312XP/發明說明書(補件)/94-09/941 ] 7638 1379911 結果：產物之外觀持續良好，而無任何黏著物或凝聚物的跡象。此期間内的標準操作條件及結果如下。

C F Β溫度：底部9 5 3 °C及頂部9 5 l°C C F B流體化氣體流率：於8 6 0 °C下1 0 N m3 /小時（N 2)，於 7 4 0 °C 下 1 1 0 N m3 / 小時（N 2)，於 6 8 0 °C 下 1 8 0 N m3 / 小時（N2)，及於 860 °C 下 110 Nm3 / 小時（H〇

CFB壓降：80-100毫巴氧流率：1 1 0 N m3 /小時 N 2遮蔽氣體流率：3 0 - 4 0 N m3 /小時煤進給速率：360-400公斤/小時鐵礦進給速率：1 1 0公斤/小時結果之概要如下：床出料速率：162公斤/小時旋風機3出料：1 6公斤/小時

出氣分析

溫度分佈。此顯示即使係使氧引入管在3 .· 8米位置，固體再循環分佈係使得可將足夠的熱傳送回到床底部中。 24 312XP/發明說明書(補件)/9冬09/9411兀38 1379911 容器及旋風機中之溫度分佈顯示對於鐵礦進給速率增加直至1 1 0公斤/小時可能沒有產生塵粉的增加。來自最终旋風機之出料相對於容器亦未顯著地改變。此顯示鐵礦的分解程度不如預期，或所產生之任何細粉於氧引入管之向溫區域中再凝聚。 1 3 / 1 2 / 0 3 1 2 : 0 0 - 1 6 / 1 2 / 0 3 0 5 : 0 0 :鐵礦為 1 2 0 - 2 3 0 公斤/小時概述：.

對於自13/12/03 17:00至15/12/03 12:00之此操作的第一期間，操作速率大約為1 2 0公斤/小時之鐵礦進料。此包括沒有進料的干擾期間。最終期間係以大約2 3 0公斤 /小時之鐵礦進料操作。利用2 3 0公斤/小時鐵礦進給速率之操作平順沒有任何不順，且來自C F B之鐵產物出料係自4 8 %至7 8 %經金屬化。產生塵粉亦低，其為來自旋風機3之總出料的< 1 0 %。容器床Δ P係維持於約8 0 - 1 0 0毫巴，且溫度分佈範圍現於床的底部和頂部之間增加至約20 °C 。在2 0 0公斤/小時之較高鐵礦進給速率下操作容器使 C F B溫度分佈之範圍增加，其中床之底部現較床中間冷至至多2 0 °C。在較高鐵礦進給速率下金屬化程度亦較低，但其仍在60-80°/。之金屬化範圍内。結果：產物之外觀持續良好，而無任何黏著物或凝聚物的跡象0 25 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 1379911 此期間内的標準操作條件及結果如下。 CFB溫度：底部9 4 7 °C及頂部9 6 0 °C FB氣體加熱器溫度：740 °C及615°C主加熱器 C F B流體化氣體流率：於8 4 0 °C下2 0 N m3 /小時（N 2)，於 7 4 0 °C 下 1 0 0 N m3 / 小時（N 2)，於 6 1 5 °C 下 1 8 5 N m3 / 小時（N2)，及於 840 °C 下 140 Nm3/ 小時（H2) CFB壓降：83-96毫巴

氧流率：11 3 N m3 /小時 N 2遮蔽氣體流率：3 0 - 4 0 N m3 /小時煤進給速率：3 8 0公斤/小時鐵礦進給速率：2 0 0公斤/小時結果之概要如下：床出料速率：227-286公斤/小時旋風機3出料：1 8 - 2 4公斤/小時出氣分析（15/12/03 04:00) C0/C02 11/10.4=1.06 %h2 16.5 %ch4 1 . 4 26 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94〗1 %38 1379911

產物分析：（1 3 - 1 5 / 1 2 / Ο 3 ) 質量％ C(T) Fe(T) Fe2i Fe° %金屬化 13/12/03 17:00 磁性 40. 2 - 75. 55 22. 1 51. 37 68. 0 非磁性 59. 8 - 8. 11 13/12/03 20:00 磁性 54. 2 1.8 78. 35 15. 33 61. 18 78. 1 非磁性 45. 8 80. 3 5. 03 13/12/03 17:00 旋風機3出料 12. 89 2. 73 2. 47 19. 2 13/12/03 20:00 旋風機3出料 15. 74 3. 12 6. 67 42. 4 15/12/03 02:00 磁性 51. 3 - 78. 85 19. 6 58. 87 74. 7 非磁性 48. 7 - 7. 29 15/12/03 05:00 磁性 57. 2 - 77. 44 17. 27 57. 65 74.4 非磁性 42. 8 - 4. 55 15/12/03 07:00 磁性 62.8 0. 9 76. 93 17. 38 58. 43 75. 9 非磁性 37. 2 72. 5 11. 25 15/12/03 02:00 旋風機3出料 20. 29 7. 77 5. 38 26. 5 15/12/03 05:00 旋風機3出料 21. 73 7. 69 6. 28 28. 9 15/12/03 12:00 磁性 59. 2 - 76. 9 18. 1 56. 6 73. 6 非磁性 40. 8 — 31. 0 4. 7 22. 0 70. 9 15/12/03 16:00 磁性 62. 7 1.9 73. 6 32. 5 36. 0 48. 9 非磁性 37. 3 53. 6 27. 6 8.4 13. 2 48. 0 15/12/03 22:00 域性 59. 6 - 71. 5 28. 0 39. 0 54. 5 非磁性 40. 4 - 20. 4 3. 9 11.0 54. 0 16/12/03 02:00 磁性 53. 3 - 74. 1 26. 8 43. 5 58. 7 非磁性 46. 7 - 13. 7 3. 7 2. 8 20. 1 16/12/03 04:00 磁性 62. 7 1.6 74. 4 29. 5 40. 0 53. 8 非磁性 37. 3 63. 8 16. 8 5. 7 5. 4 32. 2 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94】17638 27

1379911 在高鐵礦進給速率（2 Ο 0公斤/小時）下，來自容料顯著地增加，而來自最終旋風機之出料僅輕微地然而，來自最终旋風機之出料相對於容器似乎並未進一步觀察到出料中之<0.1毫米之細粉量較進料ΐ < 0 . 1毫米之細粉量低。此顯示鐵礦的分解程度不如或所產生之任何細粉於氧引入管之高溫區域中再凝於在較高的鐵礦進給速率下在整個旋風機系統中沒的溫度增加，因而在整個旋風機中的溫度分佈亦支 ® 果。在高鐵礦進給速率期間產物金屬化程度維持於之範圍内，同時產物出料具有至多4 8 %之金屬鐵。氣引入管及容器檢查（16/12/03及19/12/03) 將引入管自700毫米容器取出，並於16/12/03 檢查。總言之，引入管相當乾淨。水冷卻管具有一料塗層，而噴嘴尖端則相當乾淨。累積的性質（薄片ί 顯示其將不會導致任何操作問題。鐵分佈及凝聚使用作為流體化床進料之Brockman礦石樣品的示大約1 0 . 6 %低於4 5微米之細粉含量。預期此等單來自旋風機3之輸出或以增稠器污泥出現。由於Βι 礦石的易碎特性，因而預期在加工過程中將會產生細粉。因此，預期經由旋風機3離開系統之鐵單元比將超過1 0 . 6 %。經觀察到輸入至流體化床之鐵單元的大約7 %以ί 風機3之直接輸出（大約4 %)或以來自徑向流動滌氣 3】2ΧΡ/發明說明書(補件)/94-09/94117638 器之出增力口。改變。 '之 >預期，聚。由有顯著持此結 68-78% 曰進行薄的材丨大且薄）分析顯元係以〇 c k m a η 額外的的百分艮自旋器之輸 28 1379911 出（大約3 % )經由旋風機3排出。分析來自流體化床之主產物輸出顯示在製程内存在凝聚機構。此機構看來主要係較小顆粒（典型上係小於1 0 0微米之顆粒）彼此凝聚及與較大顆粒凝聚。可對圖1及2所示之本發明之具體例進行許多修改，而不脫離本發明之精神及範圍。【圖式簡單說明】本發明參照附圖作進一步說明，其中：

圖1係利用根據本發明方法之一具體例直接還原含金屬材料之裝置的圖式，其說明利用本方法於圖示容器内形成之反應區；及圖2係與圖1所示相同的基本圖式，其說明由本方法所產生之固體及氣體於容器中之移動。【主要元件符號說明】

3 容器 5 固體注入引入管 7 容器側壁 9 引入管 11 引入管尖端 13 容器底部 17 富含碳之區 19 富含金屬之區 25 出口 27 出 D 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117638 29 1379911 2 9 3 1 固體回流管中心區域

312XP/發明說明書(補件)/94-09/94丨1 "7638 30

Claims

1379911 {公告本] lv： m. 十、申請專利範圍 r>· 31 AUG 3 1 2012 替換本 1. 一種含金屬材料的直接還原方法，其包括將含金屬材料、固態含碳材料、含氧氣體、及流體化氣體供給至容器中之流體化床中及於容器中維持流體化床，將容器中之含金屬材料至少部分還原，及將包含該至少經部分還原之含金屬材料之產物流自容器排出，此方法之特徵在於：

(a)於容器中之富含金屬之區中還原呈固態之含金屬材料；（b )將含氡氣體以對垂直在正負4 0度範圍内之向下流動注入至容器中之富含碳之區中，及藉由在氧與含金屬材料、固態含碳材料及流體化床中之其他可氧化固體及氣體之間之反應產生熱，及 (c)藉由固體於容器内之移動，將熱自富含碳之區傳送至富含金屬之區。

2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，以對垂直在正負1 5度範圍内之向下流動注入該含氧氣體。 3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在容器之下段中形成富含金屬之區及在容器之中間段形成富含碳之區。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該中間段係在該下段與容器之上段的中間。 5. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，將該含氧氣體注入至容器之中心區域中。 6. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，將在流體 31 94117638 1379911 化床中之整體溫度與容器側壁之内側表面之平均溫度之間的溫度差控制為不多於1 0 0 °c 。 7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，將在流體化床中之整體溫度與容器側壁之内側表面之平均溫度之間的溫度差控制為不多於50 °C 。 8. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該含金屬材料係為鐵礦細粉之形態，其中，該流體化床中之整體溫度係在8 5 0 °C至1 0 0 0 °C之範圍内。

9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中，該流體化床中之整體溫度係至少9 0 0 °C。 1 0 .如申請專利範圍第9項之方法，其中，該流體化床中之整體溫度係至少9 5 0 °C 。 1 1 .如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，控制溫度變化使其於流體化床内低於5 0 °C。 1 2.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該含金屬材料係為鐵礦細粉之形態，其中，將該容器中之壓力控制為在1 - 1 0巴（b a r ·)絕對壓力之範圍内。 1 3.如申請專利範圍第1 2項之方法，其中，該含金屬材料係為鐵礦細粉之形態，其中，將該容器中之壓力控制為在4-8巴（bar)絕對壓力之範圍内。 1 4.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中注入該含氧氣體，以致於容器中有氣體之向下流動。 1 5 .如申請專利範圍第1或2項之方法，其中經由至少一具有引入管尖端之引入管注入該含氧氣體，其中該引入 32 94117638 1379911 管尖端具有在容器之中心區域中設置於容器側壁内側之容器中的出口》 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之方法，其中該引入管尖端係方向垂直向下。 1 7 .如申請專利範圍第1 5項之方法，其中，該引入管之位置，亦即該引入管尖端之出口高度，係參照選自含氧氣體注入速度、容器壓力、供給至容器之其他進料的選擇和量及流體化床密度的因素而決定。

1 8 .如申請專利範圍第1 5項之.方法，其中，以水冷卻至少該引入管尖端。 1 9 .如申請專利範圍第1 5項之方法，其中，以水冷卻該引入管之外表面。 2 0 .如申請專利範圍第1 5項之方法，其中，經由引入管的中心管注入該含氧氣體。 2 1 .如申請專利範圍第1 5項之方法，其中，以足夠的速度注入該含氧氣體，而於引入管尖端之區域中形成實質上無固體的區。 2 2 .如申請專利範圍第1 5項之方法，其中，注入氮及/ 或蒸汽及/或其他適當的遮蔽氣體，並遮蔽引入管尖端出口之區域。 2 3.如申請專利範圍第2 2項之方法，其中，將該遮蔽氣體以含氧氣體速度之至少60 %之速度注入至容器中。 2 4.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，將含金屬進料、含碳材料、含氧氣體及流體化氣體供給至流體化 33 94117638 1379911 床，及利用（a)含氧氣體之向下流動，（b)與含氧氣體之向下流動逆流之固體及流體化氣體之向上流動，及（c )在固體及流體化氣體之向上流動外側之固體的向下流動，而維持流體化床。 25.如申請專利範圍第24項之方法，其中，在向上及向下流動固體中之固體係藉由在富含碳之區中之含氧氣體、固態含碳材料及其他可氧化材料之間之反應所產生之熱而力σ熱。

26.如申請專利範圍第24項之方法，其中，該向上及向下流動之固體遮蔽容器之側壁，而防止受到由在含氧氣體與固態含碳材料及流體化床中之其他可氧化固體及氣體之間之反應所產生之韓射熱。 2 7.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該含金屬材料係為鐵礦細粉之形態，其中，該細粉之尺寸小於6 毫米。 2 8.如申請專利範圍第2 7項之方法，其中，該細粉具有平均粒度在0. 1至0 . 8毫米之範圍内。 2 9.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該含碳材料為煤。 3 〇.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該流體化氣體包含選自（：0及112之還原氣體。 3 1 .如申請專利範圍第3 0項之方法，其中，將該流體化氣體中之Η2之量選擇為氣體中之C0及。之總體積的至少 1 5體積％。 34 94117638 1379911 3 2.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，將包含至少經部分還原之含金屬材料之產物流自容器之下段排出。 3 3.如申請專利範圍第3 2項之方法，其中，該產物流亦包含其他固體，其中，自該產物流分離出至少一部分的其他固體。 3 4.如申請專利範圍第3 3項之方法，其中，將該經分離之固體送回至容器。

3 5.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，將來自容器上段之包含夾帶固體之出氣流（off-gas stream)排出。

3 6 .如申請專利範圍第3 5 分離出固體。 3 7 .如申請專利範圍第3 6 固體自出氣流分離，及將自器，而維持循環流體化床。 3 8 .如申請專利範圍第3 7 離出之固體送回至容器之下 3 9 .如申請專利範圍第3 5 器之出氣預熱含金屬進料。 4 0 .如申請專利範圍第3 9 驟之後，處理出氣，並將至容器作為流體化氣體。 4 1 .如申請專利範圍第4 0 項之方法，其中，自該出氣流項之方法，其中，藉由將夾帶出氣分離出之固體送回至容項之方法，其中，將自出氣分部。項之方法，其中，利用來自容項之方法，其中，在該預熱步少一部分之經處理出氣送回至項之方法，其中，該出氣處理 35 94117638 1379911 包括 h2〇 > 42 氣處 43 金屬中之 44 _氣體 45 外的一步下列之一或多者：（a)移除固體，（b)冷卻，（c)移除 (d)移除C〇2，（e)壓縮，及（f)再加熱。 .如申請專利範圍第40或41項之方法，其中，該出理包括將固體送回至容器中。 .如申請專利範圍第3 0項之方法，其中，該產物流之化（m e t a 1 1 i s a t i ο η )為大於5 0 %，其係利用流體化氣體還原氣體來操作。 .如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該含氧包含至少90體積％之氧。 .如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，利用額熔煉方法而將該經部分還原之含金屬材料熔融，並進還原成熔融金屬。

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