TWI687520B - 高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法及其使用之多孔料餅 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法及其使用之多孔料餅。該高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法包括以下步驟：提供一多孔料餅，該多孔料餅之組成物包括金屬氧化物、含碳還原劑及成型黏結劑，且該多孔料餅具有複數個孔道；及將該多孔料餅置於一高溫爐內進行碳熱還原反應，以使該多孔料餅之金屬氧化物還原成金屬。
Description
本發明係關於一種生產金屬之方法，且更特定言之，係關於一種高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法及其使用之多孔料餅。
現今商轉主流煉鐵製程為高爐製程，其主要原料為燒結礦、球結礦、塊鐵礦及焦炭，產品為熱鐵水，供給下游製程來煉鋼。其對於原料品質要求高，且煤礦須先煉成焦炭，而細粒鐵礦須先燒結成燒結礦，始可添加入高爐為煉鐵原料，故此製程不能避免煉焦和燒結等原料前處理製程，除了流程長和能耗高外，污染防治投資和成本亦特別高，尤其是二氧化碳（CO2
）排放強度欲小不易。
旋轉床爐（Rotary Hearth Furnace, RHF）製程工藝是目前已商轉之煉鐵製程。該工藝是先將金屬氧化物製成球團，再將球團鋪置約1至2層厚度於環型轉動中的爐床上，並進行加熱使球團發生還原反應來產製還原鐵（Direct Reduced Iron, DRI）。但因受限於製程固有特性，有DRI產物之金屬化率和鐵產能偏低的問題，其原因在於：(1) 因RHF爐內屬於氧化性氣氛，已還原的金屬鐵容易被氧化性氣氛再氧化；(2) 因爐溫的限制，使輻射熱傳效率較差，無法再提高金屬鐵產率。
參閱圖1，其係顯示習知多層球團堆疊方式之輻射熱接收行為於(a)還原反應初期及(b)還原反應中期之示意圖。為了改善RHF製程的缺點，習知已有揭露以多層球團堆疊方式的還原反應方法，然而，上述方法雖可阻擋DRI再被氧化及能得到較高金屬轉化率DRI，但潛在的問題是底部球團無法接收到輻射熱，如圖1所示，第一層與第二層的球團可直接接收到輻射熱，但第n層的球團被上部的球團遮蔽，無法直接接收到輻射熱，導致還原反應進行緩慢。因此，如要使第n層球團接收到輻射熱，需要等待上層球團受熱升溫發生還原反應時，球團發生燒結收縮，局部性地打開輻射熱傳路徑，輻射熱才能由上層逐步地往下一層球團傳遞，並使下一層球團受熱升溫發生還原反應和燒結收縮。
然而，不同種類原料或不同操作爐溫下之各層球團的還原反應行為不一致，如圖1(b)所示之第n層，還原反應過程中球團可能發生膨脹或粉化，甚至可能發生軟化或熔融。一旦位於上層之球團發生上述現象，通往底部之輻射熱傳路徑則會被遮蔽，造成輻射熱無法傳遞至下一層球團，使得還原反應無法被誘導發生，進而無法獲得較高之金屬還原率。
因此，有必要提供一創新且具進步性之高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法及其使用之多孔料餅，以解決上述問題。
在一實施例中，一種高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法包括以下步驟：提供一多孔料餅，該多孔料餅之組成物包括金屬氧化物、含碳還原劑及成型黏結劑，且該多孔料餅具有複數個孔道；及將該多孔料餅置於一高溫爐內進行碳熱還原反應，以使該多孔料餅之金屬氧化物還原成金屬。
在一實施例中，一種多孔料餅，其組成物包括金屬氧化物、含碳還原劑及成型黏結劑，且該多孔料餅具有複數個孔道。
圖2顯示本發明高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法流程圖。圖3顯示本發明多孔料餅之結構示意圖。配合參閱圖2之步驟S21及圖3，提供一多孔料餅30，該多孔料餅30之組成物包括金屬氧化物、含碳還原劑及成型黏結劑。
該金屬氧化物之含量為70至90wt%，且較佳地，該金屬氧化物係為氧化鐵、氧化鎳、氧化銅、氧化鉛、氧化錳、氧化錫、氧化鉀、氧化鈉、氧化鋅或前述至少二種的組合。在本實施態樣中，該金屬氧化物係呈粉狀，以提高金屬轉化率。
在一或多個實施態樣中，該金屬氧化物係可採用含有金屬氧化物之礦物。
該含碳還原劑之含量為10至30wt%，且較佳地，該含碳還原劑係為碳黑、活性碳、煤、焦炭、石墨、木炭或前述至少二種的組合。在本實施態樣中，該含碳還原劑係呈粉狀，以提高還原劑利用率。
該成型黏結劑之添加量為該金屬氧化物與該含碳還原劑之總重量的0.1%至6%。
在本實施態樣中，提供該多孔料餅30之步驟包括先將該金屬氧化物、該含碳還原劑及該成型黏結劑均勻混合成一混合物，之後，將該混合物置於一成型模具中，以製成該多孔料餅30。較佳地，該多孔料餅30之厚度T為30至150 mm。
該多孔料餅30具有一第一表面30A、一第二表面30B及複數個孔道30H。該第二表面30B相對於該第一表面30A。該等孔道30H可連通該第一表面30A及該第二表面30B，且亦可不需連通。在本實施態樣中，該等孔道30H的橫截面係呈圓形狀。或者，在另一實施態樣中，該等孔道30H的橫截面係可呈多邊形狀。
在本實施態樣中，各該孔道30H具有一直徑d，且兩相鄰孔道30H之間具有一待還原料部30M，該待還原料部30M具有一厚度t。
此外，各該孔道30H具有一中心C，且兩相鄰孔道30H之中心C間具有一間距G。較佳地，該待還原料部30M之厚度t小於該間距G，以使該待還原料部30M能均勻受熱。
配合參閱圖2之步驟S22及圖3，將該多孔料餅30置於一高溫爐內進行碳熱還原反應，以使該多孔料餅30之金屬氧化物還原成金屬。在此步驟中，該多孔料餅30之該等孔道30H係對準該高溫爐之熱源（圖未繪出），以使輻射熱能均勻傳遞至該等孔道30H內。
在本實施態樣中，該碳熱還原反應之溫度為900℃至1600℃，且為提高金屬轉化率及金屬產率，較佳地，該碳熱還原反應之溫度為1000℃至1550℃，而該碳熱還原反應之時間為30至80分鐘，較佳反應時間為35至45分鐘。
本發明以具有複數個孔道30H之該多孔料餅30作為生料型態來進行碳熱還原反應，可有效解決習知球團型態堆疊料層之底部無法接收到輻射熱的問題，並可提升料層內部熱傳速率，進而提高料床底部之碳熱還原速率。
茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。
參閱表1，其係顯示比較例、發明例1及發明例2之金屬氧化物礦物的來源與化學組成。另參閱表2，其係顯示比較例、發明例1及發明例2之含碳還原劑的來源與化學組成。 表1. 比較例、發明例1及發明例2之金屬氧化物礦物的來源與化學組成 
表2. 比較例、發明例1及發明例2之含碳還原劑的來源與化學組成 
[
比較例
]
比較例是以多層球團堆疊方式來進行還原反應。表3顯示比較例之還原反應條件與產出之還原鐵的特性。 表3. 比較例之還原反應條件與產出之還原鐵的特性 
生料內之金屬氧化物與含碳還原劑之含量比例是依照碳氧比(C/O)值來混配。碳氧比(C/O)中的C是以還原劑中的全碳作為計算基準，碳氧比(C/O)中的O是金屬氧化物中所有可以被碳所還原的O原子總量。碳氧比(C/O)是配料中C與O所含的原子總量比。
金屬氧化物與含碳還原劑依照碳氧比(C/O)值混配後，再添加適量的成型黏結劑，比較例之黏結劑添加量為金屬氧化物與含碳還原劑之總重量的2%。
將上述之原料均勻混合後，製作成直徑14 mm至17 mm之球團。球團鋪設於高溫爐內之爐床上，料層約7至8層，如圖1之佈料方式。依據表3之還原反應條件，高溫爐內之最高還原反應溫度為1500℃，還原反應時間分別為60分鐘或65分鐘。
如表3所示，樣品編號P-1、P-2及P-3所得DRI之金屬鐵轉化率（DRI之金屬鐵含量除以總鐵含量即為金屬鐵轉化率）依序為91.4%、84.2%及89.8%，而所得之金屬鐵產率（DRI之金屬鐵重量除以爐床面積，再除以還原總時間，即為金屬鐵產率）依序為65.2、43.6及48.6 Kg-M.Fe/(h*m2
)。
[
發明例
1]
發明例1是以多孔料餅方式來進行還原反應。表4顯示發明例1之還原反應條件與產出之還原鐵的特性。 表4. 發明例1之還原反應條件與產出之還原鐵的特性 
發明例1所使用之3種金屬氧化物礦物與比較例相同，含碳還原劑煤#1與煤#2之混合比例亦與比較例相同。成型黏結劑之添加量亦同比較例為2%。
將上述之原料均勻混合後，製作成多孔料餅，如圖3所示。多孔料餅之各項參數為T約60 mm、d約16 mm、G約29 mm及t約25 mm。
將多孔料餅置於高溫爐內之爐床上，依據表4之還原反應條件，高溫爐內之最高還原反應溫度為1450℃，還原反應時間為35分鐘。
如表4所示，樣品編號C-1、C-2及C-3所得之金屬鐵轉化率依序為90.5%、83.2%及95.5%，而所得之金屬鐵產率依序為90.2、62.4及69.6 Kg-M.Fe/(h*m2
)。
將發明例1與比較例進行比較，可發現以多孔料餅型態方式進行還原反應時，能在較低的碳氧比(C/O)配比、較低的還原反應溫度及較短的還原反應時間下，得到金屬鐵轉化率相當的還原鐵，且金屬鐵產率皆有顯著地提升。
[
發明例
2]
發明例2是以多孔料餅方式來進行還原反應。表5顯示發明例2之還原反應條件與產出之還原鐵的特性。 表5. 發明例2之還原反應條件與產出之還原鐵的特性 
發明例2與發明例1相比，所使用之原料相同，還原反應條件不同之處在於將還原反應溫度從1450℃降至1350℃，而還原反應時間由35分鐘延長至45分鐘。
發明例2之金屬鐵轉化率與發明例1相比，樣品編號C-1較高，樣品編號C-5與C-6則略低，但仍屬於高金屬轉化率之還原鐵。
發明例2之金屬鐵產率與發明例1相比，均較低，其原因是還原反應時間延長，導致金屬鐵產率降低。然而，發明例2之金屬鐵產率雖較發明例1低，但依然顯著地高於比較例。
發明例1與發明例2以多孔料餅方式進行還原反應，不僅能達到高度金屬鐵轉化率，亦能達到高效能之金屬鐵產率。此外，含碳還原劑之使用量亦能相對地減低。更重要的是，還原反應溫度可以從1500℃降至1350℃，是金屬鐵冶煉技術的重要突破。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
30‧‧‧多孔料餅30A‧‧‧第一表面30B‧‧‧第二表面30H‧‧‧孔道30M‧‧‧待還原料部C‧‧‧中心d‧‧‧直徑G‧‧‧間距t‧‧‧厚度T‧‧‧多孔料餅之厚度S21~S22‧‧‧步驟
圖1顯示習知多層球團堆疊方式之輻射熱接收行為於(a)還原反應初期及(b)還原反應中期之示意圖。
圖2顯示本發明高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法流程圖。
圖3顯示本發明多孔料餅之結構示意圖。
S21~S22‧‧‧步驟
Claims (7)
- 一種高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法，包括以下步驟：提供一多孔料餅，該多孔料餅之組成物包括金屬氧化物、含碳還原劑及成型黏結劑，且該多孔料餅具有複數個孔道，該金屬氧化物係為氧化鐵、氧化鎳、氧化銅、氧化鉛、氧化錳、氧化錫、氧化鉀、氧化鈉、氧化鋅或前述至少二種的組合，且該金屬氧化物之含量為70至90wt%，該含碳還原劑係為碳黑、活性碳、煤、焦炭、石墨、木炭或前述至少二種的組合，且該含碳還原劑之含量為10至30wt%，該成型黏結劑之添加量為該金屬氧化物與該含碳還原劑之總重量的0.1%至6%；及將該多孔料餅置於一高溫爐內進行碳熱還原反應，以使該多孔料餅之金屬氧化物還原成金屬。
- 如請求項1之高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法，其中提供該多孔料餅之步驟包括：將該金屬氧化物、該含碳還原劑及該成型黏結劑均勻混合成一混合物；及將該混合物置於一成型模具中，以製成該多孔料餅。
- 如請求項1之高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法，其中各該孔道具有一中心，且兩相鄰孔道之中心間具有一間距。
- 如請求項3之高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法，其中兩相 鄰孔道之間具有一待還原料部，該待還原料部具有一厚度，該待還原料部之厚度小於該間距。
- 如請求項1之高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法，其中該碳熱還原反應之溫度為900℃至1600℃。
- 如請求項1之高效能金屬氧化物碳熱還原生產金屬之方法，其中該碳熱還原反應之時間為30至80分鐘。
- 一種多孔料餅，其組成物包括金屬氧化物、含碳還原劑及成型黏結劑，且該多孔料餅具有複數個孔道，該金屬氧化物係為氧化鐵、氧化鎳、氧化銅、氧化鉛、氧化錳、氧化錫、氧化鉀、氧化鈉、氧化鋅或前述至少二種的組合，且該金屬氧化物之含量為70至90wt%，該含碳還原劑係為碳黑、活性碳、煤、焦炭、石墨、木炭或前述至少二種的組合，且該含碳還原劑之含量為10至30wt%，該成型黏結劑之添加量為該金屬氧化物與該含碳還原劑之總重量的0.1%至6%。
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