TWI708852B - 含鐵碳複合球團產製直接還原鐵之方法 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種高金屬化率直接還原鐵之高產率生產方法和技術。造粒配料係先被提供，並進行造粒製程，以形成造粒球團。然後，利用煉鐵反應器對造粒球團進行碳熱還原反應，即可製得本發明之直接還原鐵。所製得之直接還原鐵具有完整的球團外型、高收縮率、高金屬化率與高金屬鐵產率。再者，於本發明之製作方法的採行高料層球團之碳熱還原反應，位於表層之球團不軟癱，可有效還原底層之球團。

Description

含鐵碳複合球團產製直接還原鐵之方法

本發明係有關一種產製直接還原鐵(Direct Reduced Iron；DRI)的含鐵碳複合球團，特別是提供一種能產製具有高金屬化率與高金屬鐵產率特性之直接還原鐵及其製作方法。

高爐煉鐵(blast furnace ironmaking)技術係目前熱效率最好的商轉煉鐵技術，其中高爐煉鐵技術係添加含鐵礦料(包括燒結礦、塊鐵礦和球團礦)與焦炭(對冶金用煤進行煉焦製程所製得)至高爐中，以進行還原與高溫熔融，而獲得鐵水，進而製成可滿足各種需求之鐵材料。雖然高爐煉鐵技術之二氧化碳排放量已趨近於理論值，惟環保法規係日趨嚴格，且燒結製程與煉焦製程均須龐大之汙染防制費用。

為滿足綠色生產與節約能源之要求，不須進行煉焦製程與燒結製程的碳熱還原(carbothermic reduction)煉鐵技術係被致力研究發展。另外，碳熱還原煉 鐵技術可直接採用煤(包含非冶金煤或生質煤等)與鐵礦原料(可包含低品位之粉鐵礦或鋼鐵廠固雜料等)作為起始原料，而提供較大之製程彈性。其中，由於碳熱還原煉鐵技術係使用煤作為還原劑，直接還原含鐵礦原料，故碳熱還原煉鐵技術之設備與技術較為單純精簡，且具有較低之排碳量、能耗與汙染量等優點。

然而，習知之碳熱還原煉鐵技術的熱傳效率不佳，且所選用鐵礦原料多為鐵含量高與渣成分少之精礦，故當此些碳熱還原煉鐵技術應用於高溫、選用含碳量高之起始原料，經常存在有造渣而液化之情形，料床表面之球團易軟癱，而阻隔爐室內燃燒器火焰之熱輻射，進而使得下層之球團無法被加熱與還原。另外，為了避免已還原之還原鐵再度被氧化，一般係增加球團之碳含量，以於碳熱還原反應時產生更多之還原性保護氣體，惟碳含量過高易導致球團更易軟癱。因此，習知已商轉碳熱還原煉鐵製程均無法進行高料層厚度之生產，其直接還原鐵(即反應後之含鐵碳複合球團)產率偏低。

有鑑於此，亟須提供一種以含鐵碳複合球團為原料產製直接還原鐵之製作方法，以改進習知以含鐵碳複合球團為原料產製直接還原鐵之碳熱還原煉鐵製程產率偏低的缺陷。

因此，本發明之一態樣是在提供一種以含鐵碳複合球團為原料產製直接還原鐵的製作方法，其係選用具特定碳氧比的造粒配料來進行碳熱還原反應，並藉由調整反應器之溫度與反應器之燃燒器的空氣與燃料流量(即空燃比)，而可避免表面料團軟癱與還原鐵再氧化，進而可提升直接還原鐵製程生產效率。

本發明之另一態樣是在提供一種直接還原鐵，其係藉由前述之製作方法所製得。

根據本發明之一態樣，提出一種含鐵碳複合球團產製直接還原鐵之方法。造粒配料係先被提供，並進行造粒製程，以獲得造粒球團。其中，造粒配料包含鐵源與碳源，且所製得之造粒球團的碳與氧之莫耳比值不大於1.0。然後，利用煉鐵反應器對造粒球團進行碳熱還原反應，即可製得高金屬化程度之直接還原鐵(即反應後之含鐵碳複合球團)。於碳熱還原反應中，預熱步驟係先進行，再加入造粒球團至煉鐵反應器中，以進行初始反應步驟，其中初始反應步驟之溫度為1100℃至1250℃。於進行初始反應步驟後，進行中期反應步驟，中期反應步驟之溫度為1400℃至1450℃。接著，進行後期反應步驟，其中後期反應步驟之溫度係大於或等於1400℃且小於1450℃。依照此一程序，即可以高產率來生產直接還原鐵。

依據本發明之一實施例，前述造粒球團之碳與氧的莫耳比值為0.85至0.95。

依據本發明之另一實施例，前述之造粒配料可選擇性地包含黏結劑。

依據本發明之又一實施例，前述之造粒球團於煉鐵反應器中之堆疊高度不小於40公釐。

依據本發明之再一實施例，前述預熱步驟之溫度為1100℃至1300℃。

依據本發明之又另一實施例，前述初始反應步驟之空燃比為9.5至10.5。

依據本發明之再另一實施例，於進行前述之中期反應步驟時，降低煉鐵反應器之上游燃燒器的空燃比至7。

依據本發明之更另一實施例，於進行前述之後期反應步驟時，降低煉鐵反應器之反應物料(即造粒球團)上方之燃燒器的空燃比至7.5至9.0。

根據本發明之另一態樣，提出一種直接還原鐵，其係藉由前述之製作方法所製得。此直接還原鐵(即反應後之含鐵碳複合球團)之金屬化率不小於60%。

依據本發明之一實施例，前述直接還原鐵之金屬鐵產率不小於30kg-Fe/(m²hr)。

應用本發明之直接還原鐵及其製作方法，其選用特定之造粒配料來進行碳熱還原反應，而可避免料床表面球團於高溫下軟癱，進而可具有良好之熱傳效能，故碳熱環原煉鐵製程可突破球團料層高度之瓶頸，以高料層佈料來達成高產率生產。其次，本發明之製作方法的操作流程係藉由 分段式地調整反應器之溫度與燃燒器之空燃比，而可有效避免表面以還原之還原鐵再氧化，進而得以高產率製得具有高金屬化率的直接還原鐵。

100‧‧‧方法

110/120/131/133/135/137/140‧‧‧操作

130‧‧‧碳熱還原反應

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下：

〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施例之直接還原鐵的製作方法之流程圖。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

本發明所稱之「碳熱還原反應」包含反應初期、反應中期與反應後期。其中，「反應初期」係指碳熱還原反應開始之前30分鐘，「反應中期」係指反應開始35至40分鐘期間，且「反應中期」係介於前述「反應初期」和「反應後期」之間。於反應初期，料床之上層球團進行還原反應，且中層球團進行預熱；於反應中期，料床之上層球團進行金屬化，中層球團進行還原反應，且下層球團進行預熱；於反 應末期，料床之中層球團進行金屬化，且下層球團進行還原反應。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施例之直接還原鐵的製作方法之流程圖。於方法100中，造粒配料係先被提供，並進行造粒製程，以形成造粒球團，如操作110與操作120所示。造粒配料可包含鐵源與碳源。本發明之鐵源沒有特別之限制，其可為高爐煉鐵製程常用之鐵礦。在一些具體例中，鐵源可包含但不限於赤鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦、其他適當之鐵源，或上述材料之任意混合。舉例而言，鐵源可為加拿大鐵礦公司(Iron Ore Company of Canada；IOC)之磁鐵礦、淡水河谷公司(Companhia Vale do Rio Doce；CVRD)之赤鐵礦或羅布河(Robe River)區域採集之褐鐵礦。本發明之碳源沒有特別之限制，其可為高揮發性煤料、高反應性煤料、生質物煤料及其他適當之碳源，或上述材料之任意混合。舉例而言，本發明所使用之碳源可為力拓集團(Rio Tinto)之高揮發煤，或者可為屬於低揮發之煤，或者是無煙煤。在一些具體例中，碳源較佳係具有高反應性的高揮發煤，以降低球團內部鐵相之滲碳程度，進而可更有效地避免球團軟癱。在一些實施例中，造粒配料之碳與氧的莫耳比值係不大於1.0，較佳為0.85至1，且更佳為0.85至0.95。據此，當進行後續之碳熱還原反應130時，造粒球團較易軟癱，而影響熱傳效果，進而降低中層與下層之球團的還原效果。在一些實施例中，若造粒配料之碳與氧的莫耳比值低於0.85時，造粒球團之還原速率會變差，而易限制其 應用範圍。在一些實施例中，造粒配料可選擇性地包含黏結劑，以提升造粒配料間之黏結性質，而提升造粒製程之效能。在一些實施例中，黏結劑可包含但不限於膨土(bentonite)、早強水泥、其他適當之黏結材料，或上述材料之任意混合。在此些實施例中，為提升造粒配料之各組成的混合性質與黏結劑之結合性質，造粒配料可包含適量之水。其次，依據所選用之黏結劑，所製得之造粒球團可進一步進行養生步驟或烘乾步驟等後處理，以提升造粒球團之壓碎強度，並維持球團之外型。

於進行操作120後，利用煉鐵反應器對造粒球團進行碳熱還原反應130，即可製得本發明之直接還原鐵(亦即反應後之含鐵碳複合球團)，如操作140所示。本發明所使用之煉鐵反應器可為但不限於燃氣式還原爐、隧道式窯爐(Tunnel Furance；TF)、轉底爐(Rotary Hearth Furnace；RHF)、其他適當之反應器種類，或上述反應器中之各組件的任意組合。

當進行前述之碳熱還原反應130時，煉鐵反應器可先進行預熱步驟，再將所製得之造粒球團添加至煉鐵反應器中，以進行初始反應步驟，如操作131與操作133所示。其中，預熱步驟之溫度沒有特別限定，但較佳溫度約為後續碳熱還原之反應溫度，舉例而言，預熱步驟之溫度可為1100℃至1300℃。當造粒球團添加至煉鐵反應器時，由於煉鐵反應器已預熱，且預熱溫度已碳熱還原反應可進行溫度，故位於頂層與底層之造粒球團可具有較均一且效果較佳之還 原速率。在一些實施例中，為提升碳熱還原反應之產能，本發明之造粒球團的堆疊高度(即造粒球團之多層堆疊的高度)係不小於40公釐。換言之，本發明係對高料層球團(即堆疊高度不小於40公釐之造粒球團)進行碳熱還原反應。惟須說明的是，本發明並不限適用於高料層球團，其亦可應用於堆疊高度小於40公釐之造粒球團。

初始反應步驟之溫度可為1100℃至1250℃。若初始反應步驟之溫度大於1250℃時，由於此階段之造粒球團仍具有較多之碳含量，故表面之球團(即上層之球團)易被加熱至高於其軟熔溫度而軟癱，會阻礙輻射熱能之傳導，反而降低中層與下層球團之還原效果。

於初始反應步驟時，煉鐵反應器之燃燒器的空燃比沒有特別之限制。其原因在於，此階段之造粒球團仍具有較多之碳含量，故其可產生較多之還原性保護氣體(例如：一氧化碳)。其中，由於料層表面之球團可被充足之保護性氣體包圍，而不易被再氧化，故於初始反應步驟時，反應器之燃燒器的空燃比可設定為接近完全燃燒，以提高燃燒和熱傳效率。在一些實施例中，初始反應步驟之空燃比可為9.5至10.5，以避免初始反應步驟之溫度上升過快。

於初始反應進行30分鐘後，反應器中之球團進行中期反應步驟，如操作135所示。中期反應之溫度可為1400℃至1450℃。可理解的是，隨著碳熱還原反應之進行，球團中之碳含量會逐漸減少，故初始反應至中期反應的溫度梯度可為緩慢升溫的。換言之，初始反應溫度由起始之1100 ℃至1250℃緩慢升溫至中期反應的起始溫度(即1400℃至1450℃)。

舉例而言，隧道窯爐或轉底爐之連續式煉鐵反應器可分為數區，以便進行各階段不同條件之還原反應。一般實施案例，整體反應器(由原料進口端至產品出口端)可區分為五個區段，且各區段之溫度可分別設定為1200℃、1250℃、1300℃、1350℃與1400℃。其中，為著球團行進過程，其碳含量逐漸降低，故溫度遞升不會導致球團軟癱。

於進行中期反應步驟時，球團於還原時所產生之保護氣體量已減少，故為避免燃燒器於燃燒時所產生之氧化性氣體導致表面球團再氧化，反應器之上游燃燒器的空燃比係逐漸降低至7左右。

在一些實施例中，當操作隧道窯爐或轉底爐時，若氧化性氣體成份之濃度過高，部分氧化性氣體可由反應器之旁通管道排出，以減少氧化性氣體之濃度與數量，而可降低氧化性氣體對後述之後期反應的影響。

於進行操作135後，對球團進行後期反應步驟，如操作137所示。後期反應步驟之溫度係大於或等於1400℃且小於1450℃。其中，由於此階段之球團中的碳含量已大幅減少，而具有較少之保護性氣體，故為避免燃燒器所產生之氧化性氣體衝擊表面球團，而使其金屬鐵再氧化，並兼顧後期反應之溫度要求，反應器之頂部燃燒器的空燃比可降低至7.5至9.0。其中，頂部燃燒器係設置於球團之上方。

在一些實施例中，於隧道窯爐或轉底爐進行後期反應時，反應器之溫度須維持為大於或等於1400℃且小於1450℃，但在降低燃燒器之空燃比條件下，若要提高燃燒器之火焰溫度與出口之氣體流速，燃燒器可採用富氧操作。

在一應用例中，當後期反應步驟結束後，即可製得本發明之直接還原鐵，其金屬化率(metallization rate)不小於60%，且金屬鐵產率(iron productivity)不小於30kg-Fe/(m²hr)。其次，本發明之製作方法可利用高料層球團來高效率產製直接還原鐵。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

製備直接還原鐵 實施例1

實施例1係先混合作為鐵源之磁鐵礦(品牌為IOC，且其組成如第1表所示)與作為碳源之高揮發煤(品牌為Rio Tinto，且其組成如第1表所示)，以形成實施例1之造粒配料。其中，實施例1之造粒配料的碳氧比為0.9。另外，基於鐵源與碳源之混合物的含量為100重量百分比，實施例1之造粒配料包含2重量百分比的膨土、2重量百分比的早強水泥與適量的水。

然後，將前述之造粒配料添加至盤式造粒機中，以進行造粒製程。經養生與烘乾等養護製程後，即可製得實施例1之造粒球團。

接著，預先加熱煉鐵反應器至1100℃至1300℃，再將造粒球團放置於煉鐵反應器中，以進行初始反應步驟，其中造粒球團之鋪設高度不小於40公釐。初始反應步驟之溫度為1200℃，反應器之燃燒器的空燃比為9.5至10.5。

於進行反應30分鐘後，將反應器之溫度升高至1450℃，並將反應器之上游燃燒器的空燃比調降至7，以避免所產生之氧化性氣體衝擊球團表面，而使得表面之球團再氧化。

於球團入料開始反應後40分鐘，將反應物料上方之燃燒器(即前述之頂部燃燒器)的空燃比調降至7.5至9.0，但反應器內溫度係維持於1400℃。

於反應結束後，即可製得實施例1之直接還原鐵(即反應後之含鐵碳複合球團)。所製得之直接還原鐵具有73.2%之直接還原鐵整體金屬化率與45.7kg-Fe/(m²hr)之金屬鐵產率。

實施例2

實施例2與3係使用與實施例1之含鐵碳複合球團的相同製作方法，不同之處在於實施例2與3係改變造粒配料中鐵源之種類(實施例2係使用CVRD之赤鐵礦，且實施例3係使用羅布河區域之褐鐵礦)，且其鐵源之組成與所製得直 接還原鐵之金屬化率和金屬鐵產率如第1表所示，在此不另贅述。

如第1表所示，本發明之直接還原鐵製作方法可有效避免表面還原鐵被再氧化，而製得具有高金屬化率與高金屬鐵產率之直接還原鐵產物。其中，藉由本發明之製作方法的操作流程，高料層床體內所鋪設之球團在還原過程不會軟癱，而具有完整之外型與較高之收縮率。另外，本發明之製作方法可適用於高料層之球團，而提升含鐵碳複合球團之碳熱還原煉鐵方法商轉化的可行性。

依據前述之說明可知，本發明之含鐵碳複合球團碳熱還原煉鐵方法可使用高爐煉鐵常用之鐵礦料或其他低品位(grade)之鐵礦作為鐵源，並採用非冶金用煤作為碳源，以進行碳熱還原反應。其中，藉由調整反應器之溫度和燃燒器之空燃比，料層表面還原鐵不易再氧化，而可製得具有高金屬化率與高金屬鐵產率的直接還原鐵產物。其次，於進行碳熱還 原反應時，本發明之製作方法不會使球團軟癱，而具有良好之熱傳效能，故可採用高料層之方式鋪設球團，且本發明之製作方法的操作流程可直接應用於商業運轉中，而提升碳熱還原煉鐵法商轉化的可能性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中，任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧方法

110/120/131/133/135/137/140‧‧‧操作

130‧‧‧碳熱還原反應

Claims (6)

1. 一種含鐵碳複合球團產製直接還原鐵之方法，包含：對一造粒配料進行一造粒製程，以獲得一造粒球團，其中該造粒配料包含鐵源與碳源，且該造粒球團之碳與氧的莫耳比值為0.85至0.95；以及利用一煉鐵反應器對該造粒球團進行一碳熱還原反應，以製得該直接還原鐵。其中該碳熱還原反應包含：進行一預熱步驟；加入該造粒球團至該煉鐵反應器中，以進行一初始反應步驟，其中該初始反應步驟之溫度為1100℃至1250℃，且該初始反應步驟之一空燃比為9.5至10.5；於進行該初始反應步驟後，進行一中期反應步驟，該中期反應步驟之溫度為1400℃至1450℃，且於進行該中期反應步驟時，降低該煉鐵反應器之一上游燃燒器的一空燃比至7；以及於進行該中期反應步驟後，進行一後期反應步驟，其中該後期反應步驟之溫度係大於或等於1400℃且小於1450℃，且於進行該後期反應步驟時，降低該煉鐵反應器內之該造粒球團的上方之一燃燒器的一空燃比至7.5至9.0。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該造粒配料更包含一黏結劑。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該造粒球團於該煉鐵反應器中之一堆疊高度不小於40公釐。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該預熱步驟之溫度為1100℃至1300℃。
5. 一種直接還原鐵，藉由如申請專利範圍第1至4項中之任一項所述之方法所製得，其中該直接還原鐵之金屬化率不小於60%。
6. 如申請專利範圍第5項所述之直接還原鐵，其中該直接還原鐵之金屬鐵產率不小於30kg-Fe/(m²hr)。

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