TWI788843B - 還原鐵之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之還原鐵之製造方法係藉由將裝入豎爐中之氧化鐵還原來製造還原鐵；該製造方法係將包含還原氣體與氮氣且為預定溫度之混合氣體吹入豎爐中，而該還原氣體含有90體積%以上之氫氣。

Description

還原鐵之製造方法
本發明涉及一種還原鐵之製造方法。 本案係依據已於2020年5月14日於日本提申之特願2020-85078號主張優先權，並於此援引其內容。
使用豎爐之還原鐵之製造方法(豎爐作業)為從氧化鐵原料製造還原鐵之直接還原製程的代表性做法，主要在能以低廉價格取得天然氣的地區(產油國)普及。在此，根據圖14來說明現有的豎爐作業概要。在圖14之例中，係從豎爐100的上方裝入氧化鐵原料(例如氧化鐵丸粒)200，且從豎爐100的下方吹入還原氣體300。在此，還原氣體係在加熱至預定溫度(例如900~950℃左右)後被吹入豎爐100中。然後，被吹入豎爐100中之還原氣體300會將豎爐內的氧化鐵原料200還原。透過所述之直接還原製程，可製造還原鐵210。還原鐵210會從豎爐100的下方排出且被冷卻。從豎爐100的爐頂會排出爐頂氣體400，該爐頂氣體400包含氫氣、CO氣體、水蒸氣及CO2 氣體。
在豎爐100中使用之還原氣體300可藉由利用水蒸氣或氧等將含碳之原料氣體(例如天然氣、焦碳爐氣等)310改質來獲得，其主成分為氫氣(H2 )300a與CO氣體(CO)300b。 先前技術文獻 非專利文獻
非專利文獻1：「DIRECT FROM MIDREX 3RD QUARTER 2017」(https://www.midrex.com/dfm-newsletter/3q-2017-direct-from-midrex/)
發明欲解決之課題 在現有的豎爐作業中，還原氣體之H2 /CO體積比大致係在1.5~4.0的範圍。因此，從削減CO2 排放量的觀點來看，豎爐作業就算為現有者仍被認為係較高爐-轉爐法更優異之製鋼製程。然而，為了以日後勢必會緊逼而來的CO2 零排放之製鋼為目標，要求進一步提高還原氣體所含之氫氣的體積比率。
截至目前，已持續提案出與豎爐作業相關之各種技術，但在幾乎所有的技術中都使用含碳之天然氣或焦碳爐氣等來當作成為還原氣體原料的原料氣體。然而，近來提倡CO2 零排放，而漸漸出現提案以下製程之還原鐵製造者：將還原氣體之主要原料氣體、即天然氣取代為氫氣之製程(亦即，使用以接近100體積%之高濃度包含氫氣之還原氣體的作業)(參照非專利文獻1)。
使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的作業，即便在根據熱-質量平衡之化學計量的討論上為可行，但在實用上不一定沒有問題。於是，本案發明人研討了在現有的豎爐作業之延伸上，能否在實用上順利達成使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的作業。其結果得知，有應解決之技術課題存在。詳細內容將於後說明，已知在現有的豎爐作業中僅使用以高濃度包含氫氣之還原氣體時，會發生以下問題：大量氫氣未被用於還原便從爐頂排出，而還原氣體基本單位(製造1噸還原鐵所需之氫氣的爐內吹入量)過度上升。所述問題在非專利文獻1中並無任何考慮。
本發明係有鑑於上述問題而做成者，本發明目的在於提供一種新穎且經改良之還原鐵之製造方法，該製造方法即便在使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的情況下，仍能使還原氣體基本單位減少。
用以解決課題之手段 本案發明人研討了在現有的豎爐作業之延伸上，能否在實用上順利達成使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的作業。研討方法設為運用豎爐之數學模型的模擬。該模型係根據非專利文獻(例如，原等人：鐵與鋼，62卷(1976)，3號，p.315；山岡等人：鐵與鋼，74卷(1988)，12號，p.2254)所記載之化學工學手法構築而成者，其可理論性地解析及推斷以利用還原氣體進行氧化鐵之還原反應為首的化學反應或導熱現象等豎爐內之熱-質量傳遞。運用本數學模型來模擬使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的豎爐作業，並評估巨觀之熱-質量傳遞。
表1顯示為了個案研究所設之前提條件(計算條件)。本計算條件係按照評估巨觀之熱-質量傳遞之目的，且為了不損及結果之一般性而以代表性的作業條件為基礎來設定。另，數學模型之計算對象定為相當於豎爐之還原反應帶的空間。
[表1]
Figure 02_image001
圖10為圖表，其依各個還原氣體之H2 /CO體積比，顯示使用900℃之還原氣體來製造1噸還原鐵(還原率100%)所需之最小熱量(以下亦稱為「熱量基本單位」)(MJ/t-Fe)。又，在本說明書中，「/t-Fe」表示「1噸還原鐵(還原率100%)之值」。在圖10中，「成品DRI帶出之顯熱」為經由成品、即還原鐵帶出爐外之顯熱，「爐頂氣體帶出之顯熱」為經由爐頂氣體帶出爐外之顯熱，「還原反應熱」為氧化鐵之還原反應所需的熱。從圖10可知隨著還原氣體之H2 /CO體積比提高，熱量基本單位會增加。在此，該比80/20~66/33係對應現有的豎爐作業之代表性的還原氣體組成。另外，圖11為圖表，其依各個還原氣體之H2 /CO體積比，顯示使用900℃之還原氣體來製造1噸還原鐵(還原率100%)所需之最小還原氣體量(亦即，還原氣體基本單位)(Nm3 /t-Fe)。從圖11可知隨著還原氣體之H2 /CO體積比提高，還原氣體基本單位會增加。
會呈如圖10及圖11之結果的理由在於以下這點：如以下(1)式與(2)式所示，由CO氣體所行之還原反應為放熱反應，相對於此，由氫氣所行之還原反應為吸熱反應。 Fe2 O3 +3H2 →2Fe+3H2 O　-854MJ/t-Fe　・・・・・(1) Fe2 O3 +3CO→2Fe+3CO2 +246MJ/t-Fe　・・・・(2)
亦即，氫氣在還原氣體中所佔的體積比率越增加，為了提供由氫氣所致之還原反應熱所需之熱量投入量(還原反應熱)越增加。而且，在不改變還原氣體之送風溫度的情況下，不得不如圖11所示地增加還原氣體基本單位。
在此應注意的係隨著還原氣體基本單位增加所產生的還原氣體利用率的惡化。於圖12顯示從爐頂氣體組成計算之還原氣體利用率。在此，圖12為依各個還原氣體之H2 /CO體積比來顯示還原氣體利用率(%)的圖表。還原氣體利用率係藉由將爐頂氣體所含之水蒸氣及CO2 氣體的總體積除以爐頂氣體所含之氫氣、水蒸氣、CO氣體及CO2 氣體的總體積而獲得。由於製造1噸還原鐵(還原率100%)所需之還原反應量(換言之，脫氧量)相同，故若使還原氣體基本單位增加，不參與還原反應之還原氣體當然會增加，而呈為了供給熱而浪費了還原氣體、亦即氫氣的情況。亦即，氫氣在還原氣體中所佔的體積比率越增加，為了提供由氫氣所致之還原反應熱，必須將作為熱供給源之氫氣大量供給至豎爐內。並且，將大量氫氣吹入豎爐內之結果，大多的氫氣未在豎爐內反應而作為爐頂氣體排出。故而，還原氣體利用率下降。如所述這般，在現有的豎爐作業中僅使用以高濃度包含氫氣之還原氣體時，會產生以下技術課題：大量氫氣未被用於還原就被消耗，從而氫氣基本單位過度上升。
另一方面，提高還原氣體之送風溫度來提供由氫氣所致之還原反應熱之作法在理論上亦可行。圖13為圖表，係依各個還原氣體之H2 /CO體積比來顯示還原氣體基本單位(Nm3 /t-Fe)與還原氣體之送風溫度(℃)的關係。如圖13所示，使用以90體積%以上之高濃度包含氫氣之還原氣體時，為了以與現有的豎爐作業相同程度之還原氣體基本單位進行作業，粗估來說，必須將送風溫度大幅提高為較現有的豎爐作業至少高100℃以上(H2 /CO體積比為100/0時為200℃以上)。然而，在大幅提高以高濃度包含氫氣之還原氣體之送風溫度的情況下，會有爐內的還原鐵粒子互相黏固、即發生所謂的黏附(sticking)現象的疑慮。而且，由於要處理高溫氫氣，亦可能會產生為了確保作業安全性及因應氫脆化而設備成本上升的問題。
簡言之，在進行使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的豎爐作業時，根本問題係回歸到如何提供由氫氣所致之還原反應熱這點。作為解決所述根本問題的方法，本案發明人思及將不會影響豎爐內之還原反應的氮氣與還原氣體一同吹入豎爐內之作法。於是，本案發明人決定以氮氣來提供至少一部分由氫氣行還原反應所需之熱。其結果，可削減還原氣體基本單位，而且還可減低還原氣體之送風溫度。本發明係根據所述知識見解而做成者。
亦即，根據本發明之一觀點，可提供一種還原鐵之製造方法，其係藉由將裝入豎爐中之氧化鐵還原來製造還原鐵；該製造方法之特徵在於：將包含還原氣體與氮氣且經加熱之混合氣體吹入豎爐中，而該還原氣體含有90體積%以上之氫氣。
根據本發明之其他觀點，可提供一種還原鐵之製造方法，其係藉由將裝入豎爐中之氧化鐵還原來製造還原鐵；該製造方法之特徵在於包含以下步驟：加熱混合氣體的步驟，該混合氣體為包含含有90體積%以上之氫氣的還原氣體與氮氣者；及，將經加熱之混合氣體吹入豎爐中的步驟。
在此，亦可包含以下步驟：從豎爐之爐頂氣體至少分離回收未反應之氫氣及氮氣的步驟；及，將分離回收後之氫氣及氮氣作為混合氣體的一部分再次使用的步驟。
另外，亦可將分離回收後之氫氣及氮氣的一部分作為加熱混合氣體時之燃料用氣體來使用。
根據本發明之其他觀點，可提供一種還原鐵之製造方法，其藉由將裝入豎爐中之氧化鐵還原來製造還原鐵；該製造方法之特徵在於包含以下步驟：個別加熱含有90體積%以上之氫氣的還原氣體與氮氣的步驟；藉由混合經加熱之還原氣體與氮氣來製作混合氣體的步驟；及，將混合氣體吹入豎爐中的步驟。
在此，亦可將氮氣之加熱溫度設為較還原氣體之加熱溫度更高。
另外，亦可包含以下步驟：從豎爐之爐頂氣體至少個別分離回收未反應之氫氣及氮氣的步驟；及，將分離回收後之氫氣及氮氣作為加熱對象之還原氣體及氮氣再次使用的步驟。
另外，混合氣體亦可以氫氣之90體積%以下的比率含有氮氣。
另外，混合氣體吹入豎爐時之溫度亦可為900℃以下。
發明效果 根據本發明之上述觀點，即便在使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的情況下，仍能使還原氣體基本單位減少。
用以實施發明之形態 以下，一邊參照所附圖式一邊詳細說明本發明之較佳實施形態。又，使用「~」表示之數值限定範圍意指包含「~」前後所記載之數值作為下限值及上限值之範圍。顯示為「大於」或「小於」的數值，該值不包含在數值範圍內。
＜1.第1實施形態＞ 首先，根據圖1來說明第1實施形態之還原鐵之製造方法(豎爐作業)的流程。第1實施形態概略上係將包含還原氣體31與氮氣32且經加熱之混合氣體30吹入豎爐10中，而該還原氣體31含有90體積%以上之氫氣。
若更詳細地說明，第1實施形態之還原鐵之製造方法包含以下步驟：加熱包含還原氣體31與氮氣32之混合氣體30的步驟、及將經加熱之混合氣體30吹入豎爐10的步驟。除該等以外的步驟則與現有的豎爐作業相同即可。
例如，如圖1所示，將還原氣體31與氮氣32導入加熱爐50中，在加熱爐50內統一加熱還原氣體31及氮氣32。藉此，還原氣體31及氮氣32會在加熱爐50內混合成為混合氣體30，且混合氣體30會被加熱至預定溫度。
在此，如上述，還原氣體31包含90體積%以上(相對於還原氣體31之總體積的質量%)之氫氣。亦即，還原氣體31之氫氣濃度達90體積%以上。從CO2 零排放的觀點來看，還原氣體31之氫氣濃度在90體積%以上的範圍內以盡量高為佳，且宜為100體積%。除此之外，加熱還原氣體的方法也宜為由電加熱器所行者，在利用燃燒加熱的情況下則宜將燃料氣體做成以氫為主體。
還原氣體31之氫氣濃度達90體積%以上且小於100體積%時，還原氣體31中亦可包含氫氣以外的還原氣體。所述還原氣體譬如包含CO氣體，其他還包含烴氣等。烴氣會在豎爐內生成CO氣體。
氮氣32為不直接涉及豎爐內之還原反應的非活性氣體，其僅作為將顯熱運送到豎爐10內的載體發揮功用。因此，若根據第1實施形態，則不需要僅對氫氣施加加熱負荷，而能在適當的送風溫度(預定溫度)下進行豎爐作業。
氮氣32相對於還原氣體31之添加量的細節將於後說明，就算僅在還原氣體31中微量添加氮氣32也能獲得本實施形態之效果(減低氫氣基本單位及減低氫氣之送風溫度)。另一方面，若添加過多氮氣32，因混合氣體30中的氫濃度降低所致之氧化鐵還原反應速度的減緩會大於從氮氣32供給熱所帶來的填補還原反應熱的效果。此時，本實施形態之效果達飽和。從所述觀點來看，氮氣32的添加量宜為還原氣體31之90體積%以下。
混合氣體30宜僅以上述還原氣體31及氮氣32構成，但亦可在不影響本實施形態之效果的範圍內包含除了還原氣體31及氮氣32以外的氣體。
在加熱爐50內，混合氣體30會被加熱至預定溫度(混合氣體吹入豎爐時之溫度、亦即送風溫度)。預定溫度視豎爐作業之狀況等來適宜調整即可，但如後所述可較不添加氮氣32的情況更減低預定溫度。其原因在於氮氣32會作為顯熱之載體發揮功用。預定溫度宜為900℃以下。預定溫度之下限值若在可進行第1實施形態之豎爐作業的範圍內則無特別限制，例如亦可為750℃左右。
混合氣體30係在加熱至預定溫度後吹入豎爐10中。另一方面，從豎爐10的上方裝入氧化鐵原料20。氧化鐵原料20之種類不拘，與現有的豎爐作業相同即可。氧化鐵原料20可舉例如氧化鐵丸粒。吹入豎爐10後的混合氣體30會在豎爐10內上升。混合氣體30中之還原氣體31會還原豎爐10內之氧化鐵原料20，而製作出還原鐵21。由氫氣所行之還原反應為吸熱反應，而還原反應熱除了由還原氣體31所具有之顯熱來提供之外，還會由氮氣32所具有之顯熱來提供。還原鐵21係從豎爐10的下方排出且被冷卻。另一方面，從豎爐10的爐頂會排出爐頂氣體40。爐頂氣體40中除包含未反應之氫氣之外，還包含水蒸氣與氮氣32。
接著，說明第1實施形態所帶來的效果。本案發明人運用上述數學模型來模擬了第1實施形態之豎爐作業。另外，為了比較，亦模擬了不添加氮氣32之豎爐作業。又，本模擬相當於第1實施形態之實施例及比較例。將結果顯示於圖2及圖3。又，計算條件設為與表1相同。另，還原氣體31之氫氣濃度設為100體積%。
圖2係依各個氮氣32的添加量來顯示混合氣體30之送風溫度(℃)與氫氣基本單位(Nm3 /t-Fe)的關係。曲線L1表示未添加氮氣時之上述關係，曲線L2表示在還原氣體31中添加氮氣到250Nm3 /t-Fe時之上述關係，曲線L3表示在還原氣體31中添加氮氣到500Nm3 /t-Fe時之上述關係。因此，曲線L2、L3係對應第1實施形態之豎爐作業。又，由於此處還原氣體31之氫氣濃度為100體積%，故氫氣基本單位可替換適用為還原氣體基本單位。根據圖2之曲線L2、L3，送風溫度達900℃時之還原氣體基本單位大致為1500~1700Nm3 /t-Fe左右。另一方面，若觀察圖11，在現有的豎爐作業(還原氣體之H2 /CO體積比=80/20~66/33)中，送風溫度達900℃時之還原氣體基本單位大致為1200~1400Nm3 /t-Fe左右。由此，藉由在還原氣體31中添加氮氣32，即便還原氣體31之氫氣濃度為高濃度(在此為100體積%)，仍可在與現有的豎爐作業為相同程度的送風溫度等級(例如900℃)及還原氣體基本單位等級(例如1500~1700Nm3 /t-Fe左右)下製造還原鐵。
故而，即便在使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的情況下，仍能使還原氣體基本單位減少，並且能降低混合氣體30之送風溫度(亦即，還原氣體31之送風溫度)。而且亦可知氮氣32的添加量越多，還原氣體基本單位越減少，還原氣體31之送風溫度亦越降低。藉由還原氣體31之送風溫度降低，例如黏附等就會被抑制。
圖3為將圖2的關係重新整理成氮氣32的添加量(Nm3 /t-Fe)與氫氣基本單位(Nm3 /t-Fe)的關係的圖。亦即，圖3係依各個混合氣體30之送風溫度(℃)來顯示氮氣32的添加量(Nm3 /t-Fe)與氫氣基本單位(Nm3 /t-Fe)的關係。曲線L4表示送風溫度達800℃時之上述關係，曲線L5表示送風溫度達900℃時之上述關係，曲線L6表示送風溫度達1000℃時之上述關係。若根據曲線L4~L6，可知不論在哪一個送風溫度下，只要微量添加氮氣32，氫氣基本單位便減少。
並且，著眼於曲線L5與L6，若在還原氣體31中添加330Nm3 /t之氮氣，便能維持氫氣基本單位，同時將混合氣體30之送風溫度從1000℃降到900℃。因此，藉由在還原氣體31中添加氮氣32，可降低送風溫度，進而還可謀求抑制黏附。
而且，著眼於曲線L5(送風溫度900℃)，藉由在還原氣體31中附加330Nm3 /t-Fe之氮氣32，可將氫氣基本單位削減300Nm3 /t-Fe左右。這意味著330Nm3 /t-Fe之氮氣32與300Nm3 /t-Fe之氫氣在熱及反應操作的觀點上大致等價。若進一步改變看法，則藉由在送風溫度固定之條件下調整氮氣32的添加量，亦能控制還原鐵的生產量。例如，若不改變送風溫度及氫氣之單位時間吹入量而使氮氣32的添加量(Nm3 /t-Fe)增加，則還原鐵之單位時間生產量增加。
如所述這般乍看之下看起來無法理解之等價關係會成立、或者是可進行乍看之下很不可思議的作業操作之原因在於：在進行使用以高濃度包含氫氣之還原氣體的豎爐作業時，在豎爐10內會產生熱為速率決定因子之還原反應(亦即，透過被帶入豎爐10中之熱量，爐內溫度維持適當而還原反應順利進行)。
如以上所說明這般，根據第1實施形態係將還原氣體31與氮氣32之混合氣體30吹入豎爐10中，故可將氮氣32作為顯熱之載體來使用。藉此，例如圖2及圖3所示這般，即便在使用以高濃度包含氫氣之還原氣體31來進行豎爐作業的情況下，仍能使還原氣體基本單位減少，並且能降低混合氣體30之送風溫度。
在此，根據圖4來說明投入過量氮氣32導致效果飽和的情況。圖4之縱軸、橫軸之定義與圖3相同。惟，圖4之橫軸較圖3顯示更多的氮氣添加量。亦即，圖4之橫軸為將圖3之橫軸延長者。圖4中描繪之曲線為與圖3之曲線L4~L6相同者。該等曲線之送風溫度從上方起為800℃、840℃、860℃、880℃、900℃、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃、1020℃、1050℃及1100℃。
如圖4及[0036]所記載這般，若在還原氣體31中過量添加氮氣32，本實施形態之效果會飽和。雖依送風溫度之條件不同而達到飽和之條件會改變，但大致上可說若滿足將氮氣32之體積流量(添加量)設為還原氣體31之體積流量的90體積%以下之條件(亦即，混合氣體30係以還原氣體31之90體積%以下的比率含有氮氣32之條件)，即能享受本實施形態之效果。
＜1-1.第1變形例＞ 接著，根據圖5來說明第1實施形態之第1變形例。在實際的豎爐作業中，有效利用還原氣體31及氮氣32亦很重要。因此，在第1變形例中係從爐頂氣體40分離回收未反應之氫氣31a及氮氣32，且作為混合氣體30的一部分再次利用。
具體而言，係將爐頂氣體40導入分離回收裝置60中，在分離回收裝置60中將爐頂氣體40冷卻。且宜進一步將爐頂氣體40除塵。藉此，從爐頂氣體40將水蒸氣作為水65去除，並將未反應之氫氣31a及氮氣32作為循環氣體70分離回收。又，還原氣體31包含氫氣以外的還原氣體(CO等)時，有時會有循環氣體70包含未反應之該還原氣體之外，還包含該還原氣體的氧化物(CO2 等)的情況，即便循環氣體70中包含該等氣體，在作業上也不會有問題。分離回收裝置60例如可利用從高爐之爐頂氣體分離回收未反應之還原氣體的裝置等。然後，將循環氣體70作為混合氣體30的一部分再次利用。亦即，將循環氣體70再次導入加熱爐50中進行加熱。
又，如上述，氮氣32係作為將顯熱運送到豎爐10內的載體發揮功用，故不會在豎爐10內被消耗掉。因此，氮氣32會在連結加熱爐50、豎爐10及分離回收裝置60之循環系統內循環。由此，若將為了生產所欲量之還原鐵所需份量之氮氣32導入此循環系統一次，則之後理想上亦可不從外部導入氮氣32。當然亦可從外部進一步供給氮氣32。
另一方面，還原氣體31會在豎爐10內被消耗掉，故僅有循環後之氫氣31a時，還原氣體31會不足。因而，針對還原氣體31，只要從外部供給不足的份量即可。藉此，理想上可利用化學計量上最小量的還原氣體31來製造還原鐵21。當然亦可從外部供給大於化學計量之量的還原氣體31。
如以上所說明這般，根據第1變形例，可有效利用還原氣體31及氮氣32。
＜1-2.第2變形例＞ 接著，根據圖6來說明第1實施形態之第2變形例。第2變形例亦與第1變形例同樣地從爐頂氣體40分離回收未反應之氫氣31a及氮氣32，且作為混合氣體30的一部分再次利用。在第2變形例中，除了進行與第1變形例同樣的處理之外，還可調整在循環系統內循環之氮氣32的量。
若更具體說明，在第2變形例中係將以分離回收裝置60分離回收後之循環氣體70導入分支管80中。在分支管80中，係將循環氣體70的一部分作為加熱爐50之燃料用氣體85供給到加熱爐50中。加熱爐50係透過使燃料用氣體85燃燒來產生熱，並藉由該熱來加熱加熱爐50內的氣體。燃燒後之排氣85a(包含水蒸氣與氮氣32)會發散到外部。剩餘的循環氣體70係與第1變形例同樣地作為混合氣體30的一部分再次利用。亦即，將循環氣體70再次導入加熱爐50中。其他處理則與第1變形例相同。又，不從外部導入氮氣32時，在循環系統(循環氣體70循環之循環系統)中循環之氮氣32會逐漸減少。反之，透過從外部導入氮氣32，可維持或增加在循環系統中循環之氮氣32的量。
如以上所說明這般，根據第2變形例，除了可有效利用還原氣體31及氮氣32之外，還可調整在循環系統中循環之氮氣32的量。
＜2.第2實施形態＞ 接著，根據圖7來說明第2實施形態之還原鐵之製造方法(豎爐作業)的流程。第2實施形態亦與第1實施形態同樣係將包含還原氣體31與氮氣32且為預定溫度之混合氣體30吹入豎爐100中，而該還原氣體31含有90體積%以上之氫氣。惟，第2實施形態之還原鐵之製造方法係在個別加熱還原氣體31與氮氣32後進行混合，此為不同於第1實施形態之處。
若更具體說明，第2實施形態之還原鐵之製造方法包含以下步驟：個別加熱還原氣體31與氮氣32的步驟、藉由混合經加熱之還原氣體31與氮氣32來製作預定溫度之混合氣體30的步驟、及將預定溫度之混合氣體30吹入豎爐10中的步驟。除該等以外的步驟則與現有的豎爐作業相同即可。
例如，如圖7所示，係將還原氣體31導入還原氣體用加熱爐51中進行加熱，且將氮氣32導入氮氣用加熱爐52中進行加熱。藉此來個別加熱還原氣體31與氮氣32。又，還原氣體31及氮氣32之特性與第1實施形態相同。例如，還原氣體31包含90體積%以上(相對於還原氣體31之總體積的質量%)之氫氣。亦即，還原氣體31之氫氣濃度達90體積%以上。還原氣體31之氫氣濃度在90體積%以上的範圍內以盡量高為佳，且宜為100體積%。還原氣體31之氫氣濃度達90體積%以上且小於100體積%時，還原氣體31中亦可包含氫氣以外的還原氣體。所述還原氣體譬如包含CO氣體，其他還包含烴氣等。混合氣體30宜僅以上述還原氣體31及氮氣32構成，但亦可在不影響本實施形態之效果的範圍內包含除了還原氣體31及氮氣32以外的氣體。
接著，將經加熱之還原氣體31與氮氣32在混合部55(例如還原氣體31之管線與氮氣32之管線的合流部分)混合。亦即，在經加熱之還原氣體31中添加經加熱之氮氣32。藉此來製作預定溫度之混合氣體30。接著，將混合氣體30吹入豎爐10中。後續之步驟則與第1實施形態相同。由此，還原氣體31及氮氣32之加熱溫度可調整成使混合後之混合氣體30的溫度為預定溫度。在此，如上述，預定溫度宜為900℃以下。預定溫度之下限值若在可進行第2實施形態之豎爐作業的範圍內則無特別限制，例如亦可為750℃左右。
還原氣體31之加熱溫度及氮氣32之加熱溫度若在會使混合氣體30的溫度成為預定溫度之範圍內則無特別限制，但宜將氮氣32之加熱溫度設成較還原氣體31之加熱溫度更高。藉此可降低還原氣體31之加熱溫度，因而可更減低對還原氣體31之加熱負荷。在此，如同在第1實施形態中所說明，氮氣32的添加量越多，越能降低混合氣體30之送風溫度(亦即預定溫度)。故而，氮氣32的添加量越多，越能減低對還原氣體31之加熱負荷。而且，氮氣32的添加量越多，相對於氮氣32之加熱溫度上升量，還原氣體31之加熱溫度降低量越增加，詳細內容容後說明。亦即，氮氣32的添加量越多，僅藉由使氮氣32之加熱溫度微幅上升，即能使還原氣體31之加熱溫度大幅降低。因此，氮氣32的添加量越多，分離加熱的效果越增大。當然，如第1實施形態中所說明，氮氣32的添加量宜相對於還原氣體31之總體積為90體積%以下。
接著，詳細說明第2實施形態所帶來的效果。本案發明人運用上述數學模型來模擬了第2實施形態之豎爐作業。另外，為了比較，亦模擬了與第1實施形態同樣之豎爐作業及不添加氮氣32之豎爐作業。又，本模擬相當於第2實施形態之實施例及比較例。將結果顯示於圖8。又，計算條件設為與表1相同。另，還原氣體31之氫氣濃度設為100體積%。
圖8為圖表，顯示氫氣之加熱溫度(亦即還原氣體31之加熱溫度)(℃)與氮氣之加熱溫度(℃)的關係。又，在圖8中，氫氣基本單位(還原氣體基本單位)係設成固定為1620Nm3 /t-Fe。曲線L10表示在經混合還原氣體31與氮氣32且加熱(亦即進行了與第1實施形態同樣的加熱處理)之情況下的上述關係。又，由於氫氣基本單位固定，故在曲線L10上之各點上，氮氣32的添加量不同(參照圖2及圖3)。在曲線L10上之點P1上，氮氣添加量為零。曲線L11與L12皆表示在個別加熱了還原氣體31與氮氣32之情況下，氫氣之加熱溫度(亦即還原氣體31之加熱溫度)(℃)與氮氣之加熱溫度(℃)的關係。惟，以曲線L11而言，氮氣32的添加量為330Nm3 /t-Fe，以曲線L12而言，氮氣32的添加量為500Nm3 /t-Fe。
氫氣基本單位為1620Nm3 /t-Fe且氮氣32的添加量為330Nm3 /t-Fe時，如圖3中所示，混合氣體30之送風溫度為900℃左右。因此，在混合還原氣體31與氮氣32且加熱的情況下，還原氣體31及氮氣32之加熱溫度係與混合氣體30之送風溫度同樣為900℃(點P2)。
氫氣基本單位為1620Nm3 /t-Fe且氮氣32的添加量為500Nm3 /t-Fe時，如圖3中所示，混合氣體30之送風溫度為900℃以下(藉由數學模型所得之計算值為872℃)。因此，在混合還原氣體31與氮氣32且加熱的情況下，還原氣體31及氮氣32之加熱溫度係與混合氣體30之送風溫度同樣為872℃(點P4)。
由此，若以將送風溫度1000℃之100體積%氫氣吹入豎爐10中之情況(點P1)為起點來思考，則藉由使氮氣32的添加量為330Nm3 /t-Fe，即可不使氫氣基本單位增加而將混合氣體30之送風溫度降低至900℃(點P2)。而且，如曲線L11所示這般，藉由個別加熱還原氣體31與氮氣32，同時將氮氣32之加熱溫度提高至1350℃左右，可將還原氣體31之加熱溫度降低至800℃左右(點P3)。
更甚者，藉由使氮氣32的添加量為500Nm3 /t-Fe，即可不使氫氣基本單位增加而將混合氣體30之送風溫度降低至900℃以下之872℃(點P4)。再進一步，如曲線L12所示這般，藉由個別加熱還原氣體31與氮氣32，同時將氮氣32之加熱溫度提高至1080℃左右，可將還原氣體31之加熱溫度降低至800℃左右(點P5)。
此外，若對比曲線L11與曲線L12，曲線L12之傾角較曲線L11之傾角更小。這意味著氮氣32的添加量越多，相對於氮氣32之加熱溫度上升量，還原氣體31之加熱溫度降低量越增加。
如同以上所說明，根據第2實施形態係個別加熱還原氣體31與氮氣32，故可更減低還原氣體31之加熱負荷。所述分離加熱的效果會藉由將氮氣32之加熱溫度提高為較還原氣體31之加熱溫度更高而增大。而且，氮氣32的添加量越多，分離加熱的效果就越增大。
＜2-1.變形例＞ 接著，根據圖9來說明第2實施形態之變形例。本變形例概略上係將第1實施形態之第1變形例應用於第2實施形態者。亦即，在本變形例中係從爐頂氣體40個別分離回收未反應之氫氣31a及氮氣32，且作為加熱對象之還原氣體31及氮氣32再次利用。
具體而言，係將爐頂氣體40導入分離回收裝置60中，在分離回收裝置60中將爐頂氣體40冷卻。且宜進一步將爐頂氣體40除塵。藉此，從爐頂氣體40將水蒸氣作為水65去除，並將未反應之氫氣31a及氮氣32分離回收。由於分離回收後之氣體為未反應之氫氣31a及氮氣32的混合氣體，故針對該混合氣體會進行氫氣分離處理或氮氣分離處理。藉此來個別分離回收未反應之氫氣31a及氮氣32。在此，氫氣分離處理及氮氣分離處理可舉例如變壓吸附法(PSA法)(https://www.jstage.jst.go.jp/article/jvsj1958/43/12/43＿12＿1088/＿pdf)。分離回收後之未反應之氫氣31a係被導入還原氣體用加熱爐51中，分離回收後之氮氣32係被導入氮氣用加熱爐52中。由此，未反應之氫氣31a及氮氣32會被再次利用。
又，與第1實施形態之第1變形例同樣，氮氣32不會在循環系統(在此為連結氮氣用加熱爐52、豎爐10及分離回收裝置60之循環系統)中被消耗。由此，若將為了生產所欲量之還原鐵所需份量之氮氣32導入此循環系統一次，則之後理想上亦可不從外部導入氮氣32。另一方面，還原氣體31會在高爐內被消耗掉，故僅有循環後之氫氣31a時還原氣體31會不足。因而，針對還原氣體31，只要從外部供給不足的份量即可。
如以上所說明這般，根據本變形例，可有效利用還原氣體31及氮氣32。
以上，已參照所附圖式詳細說明本發明較佳實施形態，惟本發明不受該等示例限定。且顯而易見地，只要是具有本發明所屬技術領域之通識的人士，皆可在申請專利範圍中記載之技術思想範疇內思及各種變更例或修正例，並知悉該等亦理當歸屬本發明之技術範圍。
10,100:豎爐 20,200:氧化鐵原料 21,210:還原鐵 30:混合氣體 31,300:還原氣體 300b:CO氣體 31a,300a:氫氣 310:原料氣體 32:氮氣 40,400:爐頂氣體 50:加熱爐 51:還原氣體用加熱爐 52:氮氣用加熱爐 55:混合部 60:分離回收裝置 65:水 70:循環氣體 80:分支管 85:燃料用氣體 85a:排氣 L1~L6,L10~L12:曲線 P1~P5:點
圖1為說明圖，顯示第1實施形態之還原鐵之製造方法的流程。 圖2為圖表，係依各個氮氣添加量來顯示混合氣體之送風溫度與氫氣基本單位的關係。 圖3為圖表，係依各個混合氣體之送風溫度來顯示氮氣添加量與氫氣基本單位的關係。 圖4為圖表，係依各個混合氣體之送風溫度來顯示氮氣添加量與氫氣基本單位的關係。 圖5為說明圖，顯示第1實施形態之第1變形例之還原鐵之製造方法的流程。 圖6為說明圖，顯示第1實施形態之第2變形例之還原鐵之製造方法的流程。 圖7為說明圖，顯示第2實施形態之還原鐵之製造方法的流程。 圖8為圖表，顯示氫氣之加熱溫度(℃)與氮氣之加熱溫度(℃)的關係。 圖9為說明圖，顯示第2實施形態之變形例之還原鐵之製造方法的流程。 圖10為圖表，顯示依各個還原氣體之H2 /CO體積比試算使用900℃之還原氣體來製造1噸還原鐵時之熱量基本單位(MJ/t-Fe)的結果。 圖11為圖表，顯示依各個還原氣體之H2 /CO體積比試算使用900℃之還原氣體來製造1噸還原鐵時之還原氣體基本單位(Nm3 /t-Fe)的結果。 圖12為圖表，係依各個還原氣體之H2 /CO體積比來顯示還原氣體利用率(%)。 圖13為圖表，係依各個還原氣體之H2 /CO體積比來顯示還原氣體基本單位(Nm3 /t-Fe)與還原氣體之送風溫度(℃)的關係。 圖14為說明圖，顯示現有的豎爐作業的流程。
10:豎爐
20:氧化鐵原料
21:還原鐵
30:混合氣體
31:還原氣體
32:氮氣
40:爐頂氣體
50:加熱爐

Claims (11)

  1. 一種還原鐵之製造方法，係藉由將裝入豎爐中之氧化鐵還原來製造還原鐵；該製造方法之特徵在於：將包含還原氣體與氮氣且經加熱之混合氣體吹入前述豎爐中，而該還原氣體含有90體積%以上之氫氣。
  2. 一種還原鐵之製造方法，係藉由將裝入豎爐中之氧化鐵還原來製造還原鐵；該製造方法之特徵在於包含以下步驟：加熱混合氣體的步驟，該混合氣體為包含含有90體積%以上之氫氣的還原氣體與氮氣者；及，將前述經加熱之混合氣體吹入豎爐中的步驟。
  3. 如請求項2之還原鐵之製造方法，其包含以下步驟：從前述豎爐之爐頂氣體至少分離回收未反應之前述氫氣及前述氮氣的步驟；及，將分離回收後之前述氫氣及前述氮氣作為前述混合氣體的一部分再次使用的步驟。
  4. 如請求項3之還原鐵之製造方法，其中將分離回收後之前述氫氣及前述氮氣的一部分作為加熱前述混合氣體時之燃料用氣體來使用。
  5. 一種還原鐵之製造方法，係藉由將裝入豎爐中之氧化鐵還原來製造還原鐵；該製造方法之特徵在於包含以下步驟：個別加熱含有90體積%以上之氫氣的還原氣體與氮氣的步驟；藉由混合經加熱之前述還原氣體與前述氮氣來製作混合氣體的步驟；及， 將前述混合氣體吹入豎爐中的步驟。
  6. 如請求項5之還原鐵之製造方法，其中將前述氮氣之加熱溫度設為較前述還原氣體之加熱溫度更高。
  7. 如請求項5之還原鐵之製造方法，其包含以下步驟：從前述豎爐之爐頂氣體至少個別分離回收未反應之前述氫氣及前述氮氣的步驟；及，將分離回收後之前述氫氣及前述氮氣作為加熱對象之前述還原氣體及前述氮氣再次使用的步驟。
  8. 如請求項6之還原鐵之製造方法，其包含以下步驟：從前述豎爐之爐頂氣體至少個別分離回收未反應之前述氫氣及前述氮氣的步驟；及，將分離回收後之前述氫氣及前述氮氣作為加熱對象之前述還原氣體及前述氮氣再次使用的步驟。
  9. 如請求項1至8中任一項之還原鐵之製造方法，其中前述混合氣體係以前述還原氣體之90體積%以下的比率含有前述氮氣。
  10. 如請求項1至8中任一項之還原鐵之製造方法，其中前述混合氣體吹入前述豎爐時之溫度為900℃以下。
  11. 如請求項9之還原鐵之製造方法，其中前述混合氣體吹入前述豎爐時之溫度為900℃以下。
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