TWI789760B - 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經加熱之混合氣體從設於豎爐之還原區域下部的風口吹入豎爐中，而該還原氣體含有90體積%以上之氫氣，另一方面，將至少一部分還原氣體以常溫吹入設於豎爐下部之還原鐵之冷卻區域中，並且，將在冷卻區域中上升之還原氣體使用於氧化鐵的還原。

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28日於日本提申之特願2020-93139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18來說明現有的豎爐作業概要。在圖18之例中，豎爐100之上側為還原區域100a，下側為冷卻區域100b。還原區域100a為氧化鐵被還原而製造出還原鐵的區域，冷卻區域100b為所製出之還原鐵被冷卻的區域。於還原區域100a的下部設有用以將還原氣體吹入豎爐100內之風口100c。
在使用所述豎爐100之豎爐作業中，係從豎爐100的上方裝入氧化鐵原料(譬如氧化鐵丸粒)200，且從設於還原區域100a的下部之風口100c將還原氣體300吹入豎爐100內。在此，還原氣體300係在加熱至預定溫度(送風溫度；例如900~1000℃左右)後被吹入豎爐100中。氧化鐵原料200在還原區域100a內下降的過程中會被從風口100c上升而來的還原氣體300還原，在到達風口位準(與風口100c之設置位置同樣的高度)的時間點上，還原率大致為100%，且其溫度升溫到送風溫度的等級。透過所述之直接還原製程，可製造出還原鐵210。還原鐵210在豎爐100下側的冷卻區域100b中冷卻後，會從豎爐100的下方排出。又，非專利文獻1中揭示了一種技術，係透過將羥系氣體(譬如天然氣)500吹入冷卻區域100b中，來一併進行還原鐵210之冷卻與滲碳處理之技術。視最後製品之形態，有時亦會進行還原鐵之熱聚結處理。另一方面，從豎爐100之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 )與CO氣體(CO)。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2010-046055號公報 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/) 非專利文獻2：S.Hosokai, Y.Kashiwaya, K.Matsui, N.Okinaka ＆ T.Akiyama: Environ. Sci. Technol.(2011), 45, p.821-826
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，會產生以下問題：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。
此外，為了更有效地達成CO2 零排放之製鋼，不僅要提高還原氣體所含氫氣的體積比率(亦即，推進還原材之脫碳化)，還必須謀求提升製程之熱效率(亦即節能)。
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，並且能提升熱效率。 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。
[表1]
Figure 02_image001
圖14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噸還原鐵之值」。還原鐵之還原率係以以下數學式來定義。 (還原率)=(1-(還原鐵中之未還原氧量)/(氧化鐵原料中之被還原氧量))×100(%)
在圖14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14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15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15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14及圖15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15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16顯示從爐頂氣體組成計算之還原氣體利用率。在此，圖16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17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17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，而且還可降低還原氣體之送風溫度。
此外，本案發明人基於提升熱效率之觀點而著眼於還原鐵的顯熱。亦即，到達風口位準之氧化鐵原料幾乎100%被還原，而成為還原鐵。該還原鐵之溫度呈非常高的溫度，大致與送風溫度相同程度。本案發明人認為若能將所述還原鐵的顯熱使用於加熱還原氣體，則可謀求更進一步提升熱效率。於是，本案發明人設為將至少一部分從外部供給之還原氣體吹入冷卻區域中，利用該還原氣體來冷卻還原鐵。經吹入冷卻區域中之還原氣體會在冷卻區域上升的同時冷卻還原鐵。隨此，還原氣體會被還原鐵的顯熱加熱。藉由適當調整被吹入冷卻區域中的還原氣體量(調整方法將於後說明)，還原氣體可在到達風口位準時大致加熱至送風溫度等級。並且，將被還原鐵的顯熱加熱後之還原氣體使用於氧化鐵的還原。藉此，可利用還原鐵的顯熱來加熱至少一部分使用於氧化鐵的還原之還原氣體，故還原氣體之加熱負荷會減低且熱效率提升。
又，預料氫氣之社會需求會爆炸性地擴大，另一方面，(別說數量面上，就連在價格面上)能否穩定取得足以供應該需求之氫氣則尚不明確。而且，由於氫氣非常不穩定，必須極為謹慎地運送。因此，為了將氫還原製程商業化，必須謀求氫氣供給源之多樣化，且宜確保可移性高之氫氣供給源。於是，作為氫氣供給源，本案發明人著眼於氨氣，研討了將氨氣吹入冷卻區域中之作法。氨已作為化學肥料的原料而進行工業化大量生產，除了這點以外，其還可輕易液化，故稱得上是可移性優異之氫載體。
並且，經吹入冷卻區域中之氨氣會在冷卻區域上升同時冷卻還原鐵。隨此，氨氣會被還原鐵的顯熱加熱。然後，氨氣會以還原鐵作為催化劑分解為氮氣與氫氣。亦即，氨氣之分解反應為吸熱反應，而分解反應所需之熱係由還原鐵所給予。另外，還原鐵本身還會成為催化劑，促進氨氣分解。藉由氨氣分解而產生的氮氣及氫氣會一邊被還原鐵的顯熱進一步加熱，一邊上升到達風口。藉由適當調整被吹入冷卻區域中的氨氣量(調整方法將於後說明)，氮氣及氫氣可在到達風口位準時大致加熱至送風溫度等級。然後，將藉由氨氣分解而生成之氫氣及氮氣作為後述混合氣體的一部分來使用。由此，藉由將氨氣吹入冷卻區域中，可將氨氣作為氫氣供給源，並且亦可謀求提升熱效率。本發明係根據該等知識見解而做成者。
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從設於豎爐之還原區域下部的風口吹入豎爐中，而該還原氣體含有90體積%以上之氫氣，另一方面，將至少一部分還原氣體以常溫吹入設於豎爐下部之還原鐵之冷卻區域中；並且，將在冷卻區域中上升之還原氣體使用於前述氧化鐵的還原。
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。
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：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，另一方面，將氨氣以常溫吹入設於豎爐下部之還原鐵之冷卻區域中；並且，將氨氣一邊在冷卻區域中上升一邊分解所生成之氫氣及氮氣作為混合氣體的一部分來使用。
在此，亦可做成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；並且，設為將分離回收後之氫氣及氮氣的一部分作為混合氣體的一部分再次使用，且將剩餘部分作為加熱混合氣體時之燃料用氣體來使用。
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。並且可使熱效率提升。
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為包含還原氣體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。並且，在第1實施形態中，係將至少一部分還原氣體31以常溫吹入設於豎爐10下部之還原鐵之冷卻區域中。
若更詳細地說明，豎爐10之上側(大致為上半部分)為還原區域10a，且下側(大致為下半部分)為冷卻區域10b。當然，還原區域10a與冷卻區域10b之劃分並不限於此例，譬如亦可將還原區域10a設定成較長。於還原區域10a的下部(還原區域10a與冷卻區域10b之境界)設有用以將混合氣體30吹入豎爐10中之風口10c。另外，雖省略圖示，於豎爐10之下端設有還原鐵之排出口，其他還設有用以將還原氣體吹入冷卻區域中之風口。
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、將加熱後之混合氣體30吹入豎爐10中的步驟及將至少一部分還原氣體31以常溫吹入設於豎爐10的下部之還原鐵之冷卻區域10b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，將從外部供給之還原氣體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%(亦即，僅以氫氣來構成還原氣體31)。除此之外，加熱混合氣體30的方法也宜為由電加熱器進行，在利用燃燒加熱的情況下則宜令燃料氣體以氫為主體。
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。在以下說明中，只要無特別指明，則係設為還原氣體31之氫氣濃度為100體積%、亦即設為僅以氫氣構成者來進行說明。
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，故可在適當的送風溫度(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降低氫氣之送風溫度)。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30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的情況更降低預定溫度。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。裝入豎爐10中之氧化鐵原料20會在還原區域10a內落下。圖中的箭頭X表示氧化鐵原料20或還原鐵21在豎爐10內的移動方向。
吹入豎爐10後的混合氣體30會在豎爐10之還原區域10a內上升。混合氣體30中之還原氣體31會將在還原區域10a內落下之氧化鐵原料20還原，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之還原率在還原鐵21到達風口位準(與風口10c同樣高度)的時間點上大致達到100%，且還原鐵21之溫度升溫到送風溫度的等級。從豎爐10的爐頂會排出爐頂氣體40。爐頂氣體40中除了包含未反應之氫氣之外，還包含水蒸氣與氮氣32。
然後，還原鐵21會在冷卻區域10b內落下。另一方面，將至少一部分從外部供給之還原氣體31以常溫吹入冷卻區域10b(的下部)中。亦即，在第1實施形態中，係將至少一部分從外部供給之還原氣體31(圖1中，以供給線(a)供給之還原氣體31)以常溫吹入冷卻區域10b中，且將剩餘部分(圖1中，以供給線(b)供給之還原氣體31)與氮氣32一同加熱後，從風口10c吹入豎爐10之還原區域10a中。經吹入冷卻區域10b中之還原氣體31會在冷卻區域10b中上升同時冷卻還原鐵21。隨此，還原氣體31會被還原鐵21的顯熱加熱。並且，將在冷卻區域中上升而被加熱後之還原氣體31使用於氧化鐵原料20的還原。在此，還原鐵21的顯熱亦為由加熱爐50給予混合氣體30的顯熱，因此，係呈經吹入冷卻區域10b中之還原氣體31會回收一部分經加熱爐50給予混合氣體30的顯熱的情況。故而，還原氣體之加熱負荷減低，熱效率提升。
在此，「常溫」之範圍若為在本發明所屬技術領域中被認知為常溫的溫度範圍，則無特別限制，譬如亦可在25±10℃左右的範圍內。此外，吹入冷卻區域10b中之還原氣體31的基本單位(吹入量)(Nm3 /t-Fe)，例如宜設定成使從豎爐10排出之還原鐵21之還原率達100%(或者是接近該值之值，譬如95%以上)，且使還原鐵21之溫度冷卻至常溫左右(譬如常溫~常溫+30℃左右)。關於具體之吹入量範圍，例如在送風溫度為1000℃且氮氣32的添加量達330Nm3 /t-Fe的情況下，大致為450~550Nm3 /t-Fe左右(參照圖4~圖5)。
接著，說明第1實施形態的效果中之由混合氣體30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。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%。另，還原鐵21之還原率設定為在風口位準達100%。另，在本模擬中係將還原氣體31全數投入加熱爐50中。
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15，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21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21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19來說明投入過量氮氣32導致效果飽和的情況。圖19之縱軸、橫軸之定義與圖3相同。惟，圖19之橫軸較圖3顯示更多的氮氣添加量。亦即，圖19之橫軸為將圖3之橫軸延長者。圖19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19及[0039]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。
接著，說明由熱效率之觀點所帶來的效果。圖4係與圖3同樣的圖表，但顯示更多樣的相對於送風溫度之氮氣32的添加量(Nm3 /t-Fe)與氫氣基本單位(Nm3 /t-Fe)的關係。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℃。獲得圖4時之模擬條件設為與圖2及圖3同樣。根據圖4，譬如在送風溫度為900℃且氮氣32的添加量達330Nm3 /t-Fe的情況下，可藉由將還原氣體31(在此為氫氣)之從風口10c的吹入量設為1620Nm3 /t-Fe來製造還原率100%之還原鐵21。
本案發明人模擬了以下作業：將1620Nm3 /t-Fe之還原氣體31中的一部分以常溫(在此為30℃)吹入冷卻區域10b中，且將在冷卻區域10b中上升之還原氣體31使用於氧化鐵原料20的還原。模擬係運用上述數學模型來進行，計算條件設為與表1相同。氮氣32的添加量設為330Nm3 /t-Fe，送風溫度設為1000℃，還原氣體31之氫氣濃度設為100體積%。將結果顯示於圖5。圖5之橫軸表示還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量(Nm3 /t-Fe)，縱軸表示從豎爐10的下部排出之還原鐵21之溫度(℃)或還原率(%)。曲線L20顯示還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量(Nm3 /t-Fe)與還原鐵21之還原率(%)的相關關係，曲線L21顯示還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量(Nm3 /t-Fe)與還原鐵21之溫度(℃)的相關關係。
如圖5所示，藉由使還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量增加，還原鐵21會確實被冷卻至常溫。然而，若吹入量過度增多，在冷卻區域10b內還原氣體31無法充分升溫，還原區域10a內之還原氣體31的溫度就會降低，而可能造成還原鐵21之還原率小於100%。
若考慮到實際的豎爐作業，則宜為從豎爐10排出之還原鐵21之還原率達100%(或者是接近該值之值，譬如95%以上)，且還原鐵21之溫度冷卻至常溫左右(譬如常溫~常溫+30℃左右)。由此，在圖5之例中，還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量大致以450~550Nm3 /t-Fe左右(適宜範圍)為宜。在此情況下，可使還原鐵21之還原率為95%以上，且可使還原鐵21之溫度為常溫(30℃)+30℃以下。較佳之吹入量為500Nm3 /t-Fe。在此情況下，可使還原鐵21之還原率為100%，且可使還原鐵21之溫度為常溫(30℃)。亦即，可在不影響還原區域10a中之還原效率下，省去還原氣體31之總吹入量1620Nm3 /t-Fe中相當於約30%之500Nm3 /t-Fe之還原氣體31的加熱處理。
圖6顯示進行上述模擬時之爐內狀態。圖6之縱軸表示從豎爐10之上端起算的深度(m)，橫軸表示各成分之溫度(℃)、還原鐵21之還原率(%)或EH2 (%)。在此，EH2 係稱為「氫氣利用率」者，其係指氣體中之H2 O/(H2 +H2 O)體積比，但在本模擬中係將100體積%之氫氣吹入豎爐10中，故其僅表示H2 O濃度。曲線L30顯示豎爐10內之各深度位置中之還原氣體31的溫度。曲線L31顯示豎爐10內之各深度位置中之還原鐵21(或氧化鐵原料20)的溫度。曲線L32顯示豎爐10內之各深度位置中之還原鐵21之還原率。曲線L33顯示豎爐10內之各深度位置中之EH2 。「風口(Tuyere)」表示風口10c之設置位置。若根據曲線L30，可知經吹入冷卻區域10b中之還原氣體31係在冷卻區域10b中上升的同時被還原鐵21加熱，且在到達風口位準時，已被加熱至與從風口10c吹入之還原氣體31的溫度(=混合氣體30的溫度)相同程度。因此，可說是能在不影響還原區域10a中之還原效率下還原氧化鐵原料20。又，若根據曲線L31，可知還原鐵21(或氧化鐵原料20)的溫度係與還原氣體31的溫度幾乎相同程度。另外，可知還原鐵21之還原率係在風口位準幾乎達100%。
又，吹入冷卻區域10b中之還原氣體31的較佳吹入量會視作業條件(譬如送風溫度、氮氣32的添加量等)之不同而變動。因此，針對各作業條件做成與圖5同樣的圖表，來特定出較佳吹入量即可。
故而，藉由將常溫之還原氣體31吹入冷卻區域10b中，可回收還原鐵21的顯熱，熱效率提升。並且，透過將還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量調整成使還原鐵21之還原率達95%以上且還原鐵21之溫度為常溫(30℃)+30℃以下，可在不影響還原區域10a中之還原效率(及所排出之還原鐵21之溫度)下，使熱效率提升。
＜1-1.第1變形例＞ 接著，根據圖7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。較佳係冷卻至室溫。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。
在此，還原氣體31之氫氣濃度達100體積%時，若根據上述(1)式，則化學計量上最小量的還原氣體31為600Nm3 /t-Fe。由此，例如以獲得圖5時之作業條件進行作業的情況下，譬如宜將500Nm3 /t-Fe之還原氣體31(在此為氫氣)從外部吹入冷卻區域10b中，且將剩餘的100Nm3 /t-Fe之還原氣體31從外部供給至加熱爐50中。在此情況下，可以化學計量上最少的還原氣體31使還原鐵21之還原率為100%，且可使還原鐵21之溫度為常溫(30℃)。
又，在此情況下，必須將合計1620Nm3 /t-Fe之還原氣體31吹入豎爐10中(參照圖4)，故從風口10c會吹入1020Nm3 /t-Fe之還原氣體31。並且，由於係從外部供給100Nm3 /t-Fe之還原氣體31，故會以循環之還原氣體31來提供剩餘的920Nm3 /t-Fe。
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8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。惟，在第2變形例中，係將從外部供給之還原氣體31全數吹入冷卻區域10b中。亦即，省略了供給線(b)。吹入到冷卻區域10b之還原氣體31的吹入量譬如為上述化學計量下限值600Nm3 /t-Fe。經吹入冷卻區域10b中之還原氣體31會在冷卻區域10b上升同時冷卻還原鐵21(還原氣體31本身會被加熱)。然後，加熱後之還原氣體31會在還原區域10a中還原氧化鐵原料20。
如上所述，在如第1變形例這般使爐頂氣體40循環的系統中，理想上係從外部供給化學計量上最小量的還原氣體31即可。例如，在將獲得圖5時之作業條件直接應用於第1變形例(圖7)的情況下，將500Nm3 /t-Fe之還原氣體31(在此為氫氣)從外部吹入冷卻區域10b中，且將剩餘的100Nm3 /t-Fe之還原氣體31從外部供給至加熱爐50中。
在此，若能將從外部供給之還原氣體31全數以常溫吹入冷卻區域10b中，則熱效率會更提升，並且還能省略供給線(b)，故在作業上非常有利。
惟，如圖5所示，只是將從外部供給之還原氣體31全數以常溫吹入冷卻區域10b中的話，會有還原鐵21之還原率降低的疑慮。為了在將還原鐵21之還原率維持在95%以上的同時，又要將從外部供給之還原氣體31全數以常溫吹入冷卻區域10b中，譬如若能以使如圖5所示之吹入量的適宜範圍(吹入到冷卻區域10b之還原氣體31的吹入量的適宜範圍；在圖5之例中為450~550Nm3 /t-Fe)包含化學計量下限值600Nm3 /t-Fe之方式，將適宜範圍移動至右側即可。
然而，訂定上述適宜範圍之理由在於：若在冷卻區域10b中吹入過量還原氣體31，則還原區域10a的溫度會降低，還原鐵21之還原率降低。因此，若能以另外的手段來補償所述溫度降低的情況，則可增大吹入到冷卻區域10b之還原氣體31的吹入量，進而可將化學計量值包含在吹入量之適宜範圍中。作為所述手段，本案發明人著眼於增加氮氣32的添加量(換言之，在包含豎爐10之循環系統中之循環量)。
例如，在圖5之作業條件下增大氮氣32的添加量的情況下，可獲得圖9所示之曲線。曲線L40顯示氮氣添加量達500Nm3 /t-Fe時，還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量(Nm3 /t-Fe)與還原鐵21之還原率(%)的相關關係。曲線L41顯示氮氣添加量達800Nm3 /t-Fe時，還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量(Nm3 /t-Fe)與還原鐵21之還原率(%)的相關關係。曲線L42顯示氮氣吹入量達800Nm3 /t-Fe時，還原氣體31之吹入到冷卻區域10b的吹入量(Nm3 /t-Fe)與還原鐵21之溫度(℃)的相關關係。
根據圖9，藉由將氮氣32之吹入量依330→500→800Nm3 /t-Fe來變化，可提高相對於吹入到冷卻區域10b之還原氣體31吹入量的還原鐵21之還原率。亦即，藉由將氮氣32之吹入量設為500Nm3 /t-Fe，可在將600Nm3 /t-Fe之還原氣體31吹入冷卻區域10b後，使還原鐵21之還原率為95%。更甚者，藉由將氮氣32之吹入量設為800Nm3 /t-Fe，可在將600Nm3 /t-Fe之還原氣體31吹入冷卻區域10b後，使還原鐵21之還原率為100%。如所述這般，藉由增加氮氣32的添加量，可將化學計量值包含在吹入量之適宜範圍中。亦即，藉由將氮氣32的添加量設為500Nm3 /t-Fe以上，即便將化學計量值之還原氣體31全數吹入冷卻區域10b中，仍可使還原鐵21之還原率為95%以上。若將氮氣32的添加量設為800Nm3 /t-Fe，則可使還原鐵21之還原率為100%。又，亦可將化學計量值以上之還原氣體31吹入冷卻區域10b中，在此情況下，宜更增加氮氣32的添加量來將還原鐵21之還原率維持在95%以上，較佳係維持在100%。
當然，氮氣32之較佳添加量會依作業條件之不同而變動。因此，依各作業條件做成如圖9所示之曲線，來特定出氮氣32之較佳添加量即可。亦即，調整氮氣32的添加量即可，該氮氣32的添加量為即便將化學計量值(或其以上)之還原氣體31吹入冷卻區域10b中，仍可將還原鐵21之還原率維持在95%以上之量。
如所述這般，根據第2變形例，透過調整氮氣32的添加量，可將來自外部之還原氣體31全數吹入冷卻區域10b中，並且可使還原鐵21之還原率為95%以上，且以100%為佳。
＜2.第2實施形態＞ 接著，說明本發明之第2實施形態。圖10為說明圖，顯示第2實施形態之還原鐵之製造方法的流程。如圖10所示，第2實施形態概略上係將還原氣體31改以將氨氣33吹入冷卻區域10b中。氨氣33係以常溫吹入冷卻區域10b中。亦即，在第2實施形態中係將氨氣33作為氫氣供給源來使用。
若更詳細地說明，氨氣已作為化學肥料的原料而進行工業化大量生產，除了這點以外，其還可輕易液化，故稱得上是可移性優異之氫載體。氨可利用於氧化鐵的還原這點已在專利文獻1及非專利文獻2揭示。然而，在該等文獻中，僅利用實驗室來驗證基本現象，關於具體的製程影像一概未揭示。在此，本案發明人並非著眼於氨可直接還原氧化鐵這點，而是著眼於還原鐵成為催化劑而分解氨這點((a)式)。
[化學式1]
Figure 02_image003
在豎爐10內會形成對流移動層(亦即，還原氣體31及氮氣32會在豎爐10內上升，氧化鐵原料20及還原鐵21會在豎爐10內下降)。因此，若將氨氣33從冷卻區域10b吹入，則氨氣33在豎爐10內上升的同時，還原鐵21可成為催化劑將其分解。若更詳細地說明，經吹入冷卻區域10b中之氨氣33在冷卻區域10b中上升的同時會冷卻還原鐵21。隨此，氨氣33會被還原鐵21的顯熱加熱。然後，氨氣33會以還原鐵21作為催化劑而分解為氮氣與氫氣。亦即，氨氣33之分解反應為吸熱反應，而分解反應所需之熱係由還原鐵21所給予。另外，還原鐵21本身還會成為催化劑，促進氨氣分解。藉由氨氣33分解而產生的氮氣32及氫氣、亦即混合氣體30會一邊被還原鐵21的顯熱加熱，一邊上升到達風口位準。混合氣體30到達風口位準時，已被加熱至譬如送風溫度等級。該混合氣體30係與從風口10c吹入之混合氣體30同樣地在還原區域10a內上升，且將還原區域10a內之氧化鐵原料20還原。亦即，氨氣33在冷卻區域10b一邊上升一邊分解而生成氫氣及氮氣32，將該氫氣及氮氣32作為混合氣體30的一部分來使用。由此，藉由將氨氣33吹入冷卻區域10b中，可將氨氣33作為氫氣供給源，並且亦可謀求提升熱效率。並且，可以氨氣33來代替一部分從外部供給之還原氣體31(主要為氫氣)，故可削減還原氣體31之來自外部之供給量。
接著，針對第2實施形態之效果詳加研討。(a)式之平衡常數Kp係利用以下(b)式來定義。又，在此，還原氣體31之氫氣濃度設為100體積%。
[數學式1]
Figure 02_image005
在此，pNH3 、pH2 、pN2 各自表示氨氣、氫氣及氮氣之分壓，T為反應溫度，R為氣體常數；另外，△G0 (T)為氨氣33之分解反應的標準自由能，可依據氨氣、氫氣及氮氣之物性值來計算。
於是，按反應溫度整理平衡狀態下之氨氣分解率與氫生成率後，結果為圖11。圖11之橫軸表示反應溫度，縱軸表示各氣體之體積比(各氣體之體積/所有氣體之總體積)(%)或平衡常數Kp。曲線L50顯示在各反應溫度下之氨氣體積比，曲線L51顯示在各反應溫度下之氫氣體積比，曲線L52顯示在各反應溫度下之氮氣體積比。曲線L53顯示在各反應溫度下之平衡常數Kp。
根據圖11，在600℃以上之反應溫度下，幾乎所有氨氣都會被分解成氫氣與氮氣。而且，在豎爐10內，譬如圖6所示這般，於冷卻區域10b內會存在滿足該溫度條件之還原鐵催化劑。因此，在將氨氣33吹入冷卻區域10b後，氨氣33會在冷卻區域10b內被分解成氫氣與氮氣32。
從而，考慮到該分解反應為吸熱反應(△H=46110J/mol/K)，在以下述作為前提條件下，根據冷卻區域10b之熱-質量平衡來模擬了可吹入冷卻區域10b中之氨氣量：(1)氨氣33會在冷卻區域10b完全分解；(2)在冷卻區域10b中之還原鐵21與氨氣33的熱交換會理想地進行；(3)不影響還原區域10a之爐內狀態(亦即，由分解反應所生成之混合氣體30在冷卻區域10b出側(風口位準)的溫度係與送風溫度大致一致，且還原鐵21之還原率在風口位準上係達100%)。又，模擬係運用上述數學模型來進行，計算條件設為與表1相同。氮氣32的添加量設為330Nm3 /t-Fe，從外部供給之還原氣體31之氫氣濃度設為100體積%。將其結果顯示於圖12。
圖12之橫軸表示從風口10c吹入豎爐10內之混合氣體30的送風溫度，縱軸表示可吹入冷卻區域10b中之(亦即可在冷卻區域10b分解之)氨氣33的基本單位(Nm3 /t-Fe)、藉由氨氣33分解而生成之氫氣的基本單位(Nm3 /t-Fe)或從外部供給之還原氣體31(在此為氫氣)的基本單位(Nm3 /t-Fe)。曲線L60顯示可吹入冷卻區域10b中之氨氣33的基本單位(Nm3 /t-Fe)與送風溫度的相關關係，曲線L61顯示藉由氨氣33分解而生成之氫氣的基本單位(Nm3 /t-Fe)與送風溫度的相關關係。曲線L62顯示從外部供給之還原氣體31(在此為氫氣)的基本單位(Nm3 /t-Fe)與送風溫度的相關關係。
如圖12所示，可在冷卻區域10b分解之氨氣量係與還原鐵21帶入之顯熱成比例，因此送風溫度越高，可分解之氨氣量越增加(亦即，可吹入冷卻區域10b中之氨氣量增加)，且藉由氨氣33分解而生成之氫氣越增加。隨此，從外部供給之氫氣量便減少。藉由氨氣33分解，會生成200Nm3 /t-Fe上下之氫氣，故若無爐體熱損失，則可透過氨氣33分解來提供還原所需之最小氫氣量(600Nm3 /t-Fe)的30%左右。
又，可吹入冷卻區域10b中之氨氣量會依各作業條件而不同，宜以使還原鐵21之還原率達95%以上，較佳係使其達100%之方式來決定氨氣量。
根據第2實施形態，藉由將氨氣33吹入冷卻區域10b中，可將氨氣33作為氫氣供給源，並且亦可謀求提升熱效率。而且，可以氨氣33來代替一部分從外部供給之還原氣體31(主要為氫氣)，故可削減還原氣體31之來自外部之供給量。
＜2-1.變形例＞ 接著，根據圖13來說明第2實施形態之變形例。本變形例概略上係組合第1實施形態之第1變形例與第2實施形態而成者。亦即，本變形例係在第2實施形態中從爐頂氣體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。
惟，在本變形例中，源自氨氣之氮氣32會流入系統內，因此必須恆定排出相當於該流入量的氮氣，將在系統內循環之氮氣量保持固定。
故而，在本變形例中，係將被分離回收裝置60分離回收之循環氣體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(在包含有氫氣的狀態下)作為加熱爐50之燃料用氣體85供給到加熱爐50中。燃料用氣體85所含之氮氣32的量設為與藉由氨氣33分解而流入系統內之氮氣32的量(亦即，經吹入冷卻區域10b中之氨氣之體積的1/2)為相同程度。在此，燃料用氣體85中之氮氣32的量譬如可透過燃料用氣體之流量測定(一般為體積式)與氮氣分析來掌握。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。並且，剩餘的循環氣體70係作為混合氣體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實施形態之第1變形例及第2實施形態相同。藉此，可將在系統內循環之氮氣量保持固定，同時可獲得與上述第1實施形態之第1變形例及第2實施形態同樣的效果。
若要進一步補充，則從避免在[0054]~[0055]中指出之由過量投入氮氣32所致之阻礙還原的觀點來看，理所當然地宜將在系統內循環之氮氣量相對於還原氣體31之比率維持在圖19所示之適當範圍中。
又，在以上說明之例中係將還原氣體31及氮氣32統一加熱，然而本發明並不限於所述之例。例如，亦可個別加熱還原氣體31及氮氣32後，將該等混合，再從風口10c吹入豎爐10內。在此情況下，宜將氮氣32之加熱溫度設為較還原氣體31之加熱溫度更高。藉此，可減低還原氣體31之加熱負荷。
以上，已參照所附圖式詳細說明本發明之較佳實施形態，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所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 10a,100a:還原區域 10b,100b:冷卻區域 10c,100c:風口 20,200:氧化鐵原料 21,210:還原鐵 30:混合氣體 31,300:還原氣體 31a:氫氣 32:氮氣 33:氨氣 40,400:爐頂氣體 50:加熱爐 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 310:原料氣體 500:羥系氣體 (a),(b):供給線 L1~L6,L20~21,L30~L33,L40~42,L50~L53,L60~L62:曲線 X:箭頭
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為圖表，顯示被吹入冷卻區域中之氫氣的基本單位與還原鐵的溫度及還原率之相關關係。 圖6為顯示豎爐之爐內狀態的圖表。 圖7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8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9為圖表，係依各個氮氣添加量來顯示被吹入冷卻區域中之氫氣的基本單位與還原鐵的溫度及還原率之相關關係。 圖10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11為圖表，顯示在氨氣分解為氮氣與氫氣時之反應溫度與各氣體之體積比及平衡常數之相關關係。 圖12為圖表，顯示混合氣體之送風溫度與被吹入冷卻區域中之氨氣的基本單位、藉由氨氣分解而產生之氫氣的基本單位及從外部吹入之氫氣的基本單位之相關關係。 圖13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14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)後的結果。 圖15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)後的結果。 圖16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17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18為說明圖，顯示現有的豎爐作業的流程。 圖19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。
10:豎爐
10a:還原區域
10b:冷卻區域
10c:風口
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
(a),(b):供給線
X:箭頭

Claims (4)

  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從設於前述豎爐之還原區域下部的風口吹入前述豎爐中，而該還原氣體含有90體積%以上之氫氣，另一方面，將至少一部分前述還原氣體以常溫吹入設於前述豎爐下部之還原鐵之冷卻區域中；並且， 將在前述冷卻區域中上升之前述還原氣體使用於前述氧化鐵的還原。
  2. 如請求項1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。
  3. 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，另一方面，將氨氣以常溫吹入設於前述豎爐下部之還原鐵之冷卻區域中；並且， 將前述氨氣一邊在前述冷卻區域中上升一邊分解所生成之氫氣及氮氣作為前述混合氣體的一部分來使用。
  4. 如請求項3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的一部分作為前述混合氣體的一部分再次使用，且將剩餘部分作為加熱前述混合氣體時之燃料用氣體來使用的步驟。
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