直接還原法及迴轉爐床爐的製作方法
2023-07-06 18:36:36
專利名稱：直接還原法及迴轉爐床爐的製作方法
技術領域：
本發明涉及直接還原法以及迴轉爐床爐，特別是，涉及一種通過有效地進行爐內的加熱氣氛的控制，在提高生產性的同時能謀求降低原單位原料的直接還原法以及為進行這種直接還原法的迴轉爐床爐的結構。
眾所周知，迄今回收金屬的過程是將含有球團或團塊等粒狀的金屬氧化物或金屬氧化物與煤等碳材料投入到迴轉爐床爐中，直接還原該原料中的金屬氧化物並回收金屬的過程。所述迴轉爐是在直接還原過程中相對原料能從多個噴燃器供給熱所構成的，這時加熱保持爐內溫度在1200-1500℃。
作為涉及用迴轉爐床爐的直接還原法的技術，例如在美國專利第4,622,905號公報中所報導的將內裝還原劑的金屬氧化物供給迴轉槽型焙燒爐進行加熱還原的方法。在該方法中，採用在側壁上設置了的多種噴燒器，為了提高火焰的幅射能與微煤粉混合燃燒，並按當量比1.0或者在當量比1.0附近進行操作。
另外，根據美國專利第4,401,214號公報，為了使隨著還原由原料中所生成的可燃性氣體燃燒，在側壁上所設置的噴燃器作為過剩空氣供給必要的空氣量並進行操作，如用氣體或液體燃料與預熱燃料空氣，則能實現上述的氣氛。
在這些以往技術中，在用迴轉爐床爐製造還原鐵等金屬中，對於伴隨噴燃器燃料及還原所發生的可燃性氣體是用在側壁所設置的噴燃器的爐內投入當量比1.0左右的空氣量。另外，在連續地加熱原料的移動床或加熱爐中，可採用在爐頂部設噴燃器的「端噴燃器」或「爐頂噴燃器」。
本發明者們也對迴轉爐床爐的結構進行反覆的研究，曾提出公開在特開平10-60514號(美國專利5,989,019)的技術。在該技術中，在設置在側壁上的噴燃器下方的爐床附近，設置供給使由所述被加熱物所發生的可燃性氣體燃燒的二次燃燒用氣體的氣體供給裝置。按這種結構，可有效地使隨還原所發生的可燃燒氣體燃燒，通過作為對原料的熱供給源所給與，使向迴轉爐床爐噴燃器的投入燃料降低，因此實現降低原單位燃料。
可是，在由金屬氧化物的直接還原過程中，通過將含金屬氧化物和碳材的原料投入到爐內，並加熱進行還原反應，能還原金屬氧化物。這時，當將原料加熱到1000℃以上時，還原反應激烈進行。也就是說，為了達到高產量，在將原料投入到爐內後就需要迅速地加熱原料。
另一方面，在將原料投入到爐內時，產生大量的CO、H2、CH4等可燃性氣體，隨著時間變長，其可燃性氣體產生量減少，向原料所投入熱量也變化。即，在還原後期，由於從原料中所產生的具有還原作用的可燃性氣體減少，一度曾被還原的金屬由於在燃燒氣體中含有的CO2或H2O可能再被氧化，因此，需要保持還原後期的原料周圍的還原性氣氛。
但是，通過將伴隨金屬氧化物還原所發生的可燃性氣體作加熱源加以利用，能提高過程的原單位燃料，因此，使由原料所產生的可燃性氣體在爐內燃燒也是重要的。
這樣，可以認為①、在將原料一投入到爐內後通過迅速加熱能促進金屬氧化物的還原反應；另外②、為了防止在還原後期使原料再氧化需要形成還原性氣氛；並且③、利用使由原料中所發出的可燃性氣體燃燒可使得原單位燃料利用提高。但是，目前的狀況是還不能具有為實現這些的迴轉爐床爐的結構或噴燃器的配置形式。
例如，按上述美國專利第4,622,905號公報及第4,701,214號公報，採用在迴轉爐床爐側壁上所設置的側面噴燃器，而在移動床式加熱爐採用在爐頂配置的端噴燃器。但是，向原料投入熱量隨時間共同變化，並且在由原料所發生的可燃性氣體量變化的過程中，沒有涉及迴轉爐床爐的形狀或噴燃器的設置的有效的方法。
本發明的目的是提供一種直接還原以及為實施該方法所用的迴轉爐床爐的結構。按本發明能在將原料一投入到爐內後通過迅速加熱提高金屬氧化物的還原過程的生產性，同時，在還原後期為了防止原料被再氧化邊形成還原氣氛、邊通過使由原料所產生的可燃性氣體燃燒可達到降低原單位燃料。
本發明的所謂直接還原法是指將含金屬氧化物和碳材的原料供給迴轉爐床爐後，將從所述原料所產生的全部可燃性氣體量的70-80％的可燃性氣體產生為止的期間作為還原初期，在該期間，對於所述原料附近的氣氛通過所示強攪拌作用所設置的第一加熱裝置加熱和還原所述原料後，在其後的還原後期中，對於所述原料附近的氣氛通過所示弱攪拌作用所設置的第二加熱裝置加熱和還原所述原料製造金屬的方法。
另外，本發明所謂的迴轉爐床爐是用於還原含金屬氧化物和碳材的原料製造金屬的迴轉爐床爐，將從所述原料所產生的全部可燃性氣體量的70-80％的可燃性氣體生成為止的期間作為還原初期，在該期間，在所述爐內位置上對於所述原料附近的氣氛配置所示強攪拌作用的第一加熱裝置，同時，在其後的還原後期，在所述爐內位置上對於所述原料附近的氣氛配置所示弱攪拌作用的第二加熱裝置的迴轉爐床爐。
這時，在還原金屬氧化物和煤等的混合物的直接還原過程中，在加熱初期迅速地加熱原料，謀求提高生產性，同時，在加熱後期，在原料附近邊實現為了防止再氧化的還原氣氛，邊通過使隨著還原所發生的可燃性氣體燃燒可提高原單位燃料的利用。
下面對附圖進行簡單的說明。
圖1為表示本發明迴轉爐的實施例構成的俯視圖。
圖2為圖1所示的迴轉爐床爐的展開圖。
圖3為表示原料投入後的可燃氣體產生量的推移的曲線圖。
圖4為表示在圖1、2的區域①內的形成溫渦流狀態的說明圖。
圖5為表示在圖1、2的區域③內的形成溫渦流狀態的說明圖(圖1中的A-A剖視圖)。
圖6為表示力1、2的區域①的其它實施例的說明。
圖7為表示圖1、2的區域①的另一實施例的說明圖。
圖8為表示對於還原初期的區域①、②比較設置爐頂噴燃器時的原料附近的氣體溫度的曲線圖。
圖9為表示對於還原後期的區域③比較設置爐頂噴燃器或側壁噴燃器時的原料附近CO濃度的曲線圖。
圖10為表示二次燃燒比例和必要的燃料氣體量的曲線圖。
圖11為表示在迴轉爐床爐的排出部附近所設置的煙道13分路的實施例的說明圖。
下面參照
本發明的構成及作用效果。
圖1為表示本發明的迴轉爐床爐的一例結構的俯視圖。圖2為表示展開在圖1所示的迴轉爐床爐的圖。另外，在圖1、2中，1迴轉爐床爐、2爐床、3爐頂、4側壁、5、5a噴燃器或燃燒用氧化性氣體供給管(以下也有簡稱噴燃器的情況)、6原料、10原料供給裝置、11、製品回收裝置、13煙道。
在圖1、2中所示的迴轉爐床爐1是通過原料供給裝置10將含金屬氧化物和碳材(煤等)的原料6邊供給迴轉的移動的爐床2，邊利用分別設置在迴轉爐床爐1內的爐頂3和側壁4的噴燃器5、5a的火焰加熱和還原原料6，由製品回收裝置11回收被還原後的製品(金屬)所構成的。另外，圖中所示的煙道13是為排出噴燃器，燃燒排放的氣體，隨還原所產生的氣體及其燃燒排出氣體而設置的。
在上述迴轉爐床爐1中，在原料6的加熱初期(還原初期)所述的爐內位置(區域①、②的爐內位置)，在爐頂3附近設置火焰向下傾斜的噴燃器5，同時在原料6的還原後期的所述的爐內位置上(區域③的爐內位置)在側壁4設置火焰方向成水平方向的噴燃器或燃燒用氧化性氣體供給管5a。然後，在爐頂3附近所設的噴燃器5對於原料6的附近的氣氛氣體成顯示強攪拌作用的噴燃器，而在側壁4所設置的噴燃器或燃燒用氧化性氣體供給管5a對於原料6附近的氣氛成顯示比較弱的攪拌作用的設備。其次，對於在噴燃器等5、5a中攪拌作用不同的理由以及設置這樣攪拌作用不同的噴燃器5、5a的作用效果進行說明。
首先，在將原料6投入到爐內後(圖1、2所示區域①、②的爐內位置)，如圖3所示，由於大量的可燃性氣體(CO、H2、CH4)等產生，因此，將噴燃器等5設置在爐頂3，通過這種噴燃器等5強攪拌作用，促進在區域①、②內的攪拌效果，能較有效地促進二次燃燒。也就是說，在將噴燃器等5設置在爐頂3附近時，在圖4所示的區域①內(在區域②內也相同)的氣體流動沿周向的垂直截面形成渦流7，激烈地攪拌由原料6所發生的可燃性氣體9，能促進二次燃燒。
當向爐內的原料6的供給量增加時，隨著增加供給量從原料所發生的可燃性氣體也增加。同時也使迴轉爐床爐大型化從原料周圍的爐壁等的熱損失減少。這時增加原料的供給量，則在還原初期時噴燃器5的一部分不噴出燃料，而只噴出燃燒用空氣，可代替燃燒用氧化性氣體的供給管。並且，隨著原料6的供給量的增加，在大量產生可燃性氣體時，可將所述噴燃器5都代替燃燒用氧化性氣體的供給管。並且也包括在所述噴燃器中的這種供給管不吹入燃料而只吹入氧化性氣體的形式。
另一方面，在成為原料的加熱後期(還原後期)的區域③中，由於具有還原作用的可燃性氣體的發生量少(參照所述圖3)，如促進區域③內氣體攪拌，則通過燃燒氣體中的CO2或H2O等使被還原的原料6再被氧化。所以，在本發明作為還原後期的區域③中，對原料6附近的氣氛設置表示比較弱攪拌作用的噴燃器或燃燒用氧化性氣體供給管5a。即，在側壁部4所設的噴燃器等5a中，如圖5(圖1的A-A剖視圖)所示，由於在區域③內的氣體流動面對側壁突出並放射狀擴大，因此在原料6附近的渦流8變小，與由噴燃器等5a的攪拌作用變得比較弱。其結果，在區域③內形成比較良好的還原性氣氛能防止原料被再氧化。同時，使由原料所發出的可燃性氣體燃燒，也能達到降低原單位燃燒。
另外，在還原後期的區域③(參照圖2)，從加熱區域的終端向煙道並含可燃性氣體的爐內氣體的情況下，也可將其可燃性氣體的一部分作原料加熱用的燃料使用。這時，也可將在多個噴燃器5a內的一些替代供給燃燒用氧化性氣體(例如，空氣)的供給管。作為其它的實施例，在已設的噴燃器中，也可列舉不噴出燃燒而只噴出燃燒用空氣的情況。這時，即使是已設的噴燃器，也可達到與燃燒用氧化性氣體的供給管同樣的功能。
還有，在還原初期，由原料所產生的可燃性氣體在還原後能有效地利用時，也可以將在還原後期所設置的噴燃器全部替代燃燒用氧化性氣體的供給管。當然，如上所述，在已設的噴燃器中，不噴出燃料只使燃燒用空氣噴出時，不用說也可代替燃燒用氧化性氣體的供給管使用。例如，如圖11所示，在排出初設置煙道13的分路，通過壓力控制，可將在還原初期由原料所產生的可燃性氣體拖到還原後期，另外，將排氣用管道設置在排出裝置的附近，即使在吸引時，也可將噴燃器或燃燒用氧化性氣體供給管5a全都代替所述供給管。主要在於，若為能將在還原初期從原料所產生的大量可燃性氣體的一部分在還原後期有效地利用的裝置，則對其結構無特別限制。
這裡，作為所說的噴燃器，可列舉通過同時吹入燃燒(氣體、液體、固體)和氧化性氣體(包括空氣、氧氣、富氧空氣)並使之燃燒的裝置，但是，根據爐內的反應為了使由原料所發生的可燃性氣體燃燒，可以只吹入所述氧化性氣體的形式，這時，起到所述氧化性氣體供給管的功能。
另外，所述噴燃器等5、5a的攪拌作用的強弱關係是相對的，對於其比例沒有進行規定，但使在區域①、②內攪拌作用儘可能大而在區域③內攪拌作用儘可能的弱達到本發明的效果是理想的。
然而，在本發明中，雖然如上述將爐內的加熱氣氛分為還原初期和還原後期，在還原初期對於原料附近的氣氛通過所示強攪拌作用的噴燃器5加熱和還原所述原料，在其後的還原後期，對於所述原料的附近的氣氛通過所示弱攪拌作用的噴燃器或燃燒用氧化性氣體供給管5a加熱和還原所述原料，製造金屬。但是，區域這樣的還原初期和還原後期，需要將直到生成由原料所產生的全部可燃性氣體量的70-80％的可燃性氣體的期間作為還原初期，而將其後作為還原後期。這樣區域的理由如下。即，若將還原初期定為由原料所產生的全部可燃性氣體量的不到70％的期間，則燃燒排出氣體中的CO2或H2O等變為支配的，由原料所產生的CO等能防止由此產生的再氧化，而當超過80％的期間時，則由於CO等的發生量減少，燃燒排氣中的由CO2或H2O等使原料再氧化的可能性變高造成的。因此，只少對於全部可燃性氣體量超過80％的期間通過採用攪拌作用比較弱的第二加熱裝置防止再氧化是必要的。但是，若從爐的製作上考慮採用第一種加熱裝置的情況，由於爐的形狀複雜等原因，爐體的成本可能高，因此從製作爐上看，減少所述第一種加熱裝置的區域是理想的。所以，在優選考慮所述爐的製作成本的情況下，也可以提前所述第二種加熱裝置的區域，即，還原後期的初始期。這時，所稱還原金屬氧化物的本來目的，例如，將由原料所產生的直到全部可燃性氣體量的40％時的可燃性氣體生成的期間作為還原初期，而在其後的區域中，也可以採用第二種加熱裝置。這是因為，由於從原料所產生的可燃性氣體量在加熱還原初期大量產生，所以加熱還原的初期效果尤為顯著，在上述40％的程度切換成第二種加熱裝置也是可能的。
另外，為了象這樣區分還原初期和還原後期並設計迴轉爐床爐，例如也可調整所述噴燃器5，噴燃器或燃燒用氧化性氣體供給管5a的火力，在所述區域①、②中所產生可燃性氣體的生成為從原料所產生的全部可燃性氣體量的70-80％。
還有，在還原初期，若從原料投入後就迅速加熱和還原，並從所稱提高生產性的觀點考慮，原料投入後就作為還原初期的開始是理想的。但是不限於這種構成，也可以將投入原料或經過一段期間開始加熱和還原設定為還原初期的開始。總之，在從原料所產生的全部可燃性氣體量的70-80％的可燃性氣體生成為止的期間可以在爐內適當位置設置對原料附近的氣氛顯示強攪拌作用的所述噴燃器5。
圖6為表示區域①的另一實施例的說明圖。這種結構與圖4所示結構相對，將二次燃燒用空氣等氧化性氣體的進入口12a、12b設置在迴轉爐床爐1的側壁4或內部。在圖4的結構中，在區域①(區域②中同樣)內的二次燃燒通過噴燃器5的剩餘空氣實現，但是設置如圖5所示的空氣進入口12a、12b，也可供給二次燃燒用的空氣。通過採用這種結構，能更加促進利用上述的渦流8作用的二次燃燒。
圖7為表示區域①的另外實施例的說明圖，這種結構是在爐頂3設置爐頂噴燃器式的噴燃器5的構成例。另外，在同圖中，在迴轉爐床爐的側壁4、爐頂3或內部設置了為二次燃燒的空氣進入口12a、12b、12c等。通過採用這種結構也能促進區域①內的二次燃燒。
下面通過實施例對本發明的作用和效果作更進一步具體的說明。但是本發明不限定在下述的實施例，根據需要適當變換條件等進行實施都包括在本發明之中。
另外，這裡所說的原料6不管任何形狀。即，可以為球團狀、團塊狀等的塊狀物，不將原料粉未成型，也可在爐床上鋪成層狀。並且，也可以輕壓密實化等簡單成型的狀態鋪在爐床上。
還有，被還原後的製品(金屬)沒有必要完全都使之金屬化，也可殘留未還原部分的海綿狀鐵。並且，也包括在爐內熔解或熔融得到金屬的情況。
實施例用圖1、2的迴轉爐床爐進行各種實驗。首先，圖8為表示對於還原初期的區域①、②設置在爐頂噴燃器(端部噴燃器)或側壁噴燃器(側部噴燃器)時的比較原料附近的氣體溫度(由數值計算的預測平均值)的曲線圖。從其結果可看出，為等量於噴燃器的投入燃燒量，但是，在原料附近的平均溫度中，在使用爐頂噴燃器時的區域①上約高300K，為了迅速加熱可使用爐頂噴燃器。
圖9為表示對於還原後期的區域③設置爐頂噴燃器(端部噴燃器)或側壁噴燃器(側部噴燃器)時的比較原料附近的CO濃度(由數值計算的預測平均值)的曲線圖。其結果，表示出還原後期的中央附近的經向分布。但是，具有還原作用的氣體CO在爐內外恆定，並且使用側壁噴燃器時的其濃度變高，可知形成了對防止再氧化的理想的還原氣氛。
圖10表示使從原料產生的可燃性氣體在爐內二次燃燒的比例與為投入到爐內的必要燃燒氣體量的削減率。這時的必要燃燒氣體量的削減率的計算是以作為金屬氧化物之一Fe2O3為例，在1400℃的氣氛下對於由碳還原Fe2O3生成Fe和CO反應中所需要的燃燒氣體量，通過使還原產生的CO燃燒(二次燃燒)，在爐內所需燃燒氣體量的削減。
由這些結果可知，與沒有二次燃燒的情況相比，通過使在還原所產生的CO 100％燃燒，投入到爐內的燃燒氣體可削減40％。
權利要求
1.一種直接還原法，包括下述步驟將含有金屬氧化物和碳材的原料供給迴轉爐床爐；在把從所述原料所產生的直到全部可燃性氣體量的70-80％的可燃性氣體生成的期間作為還原初期的期間，在此期間，通過對於所述原料附近的氣氛設置了表示強攪拌作用的第一加熱裝置加熱和還原所述原料；在其後的還原後期，通過對於所述原料的附近的氣氛設置了表示弱攪拌作用的第二加熱裝置加熱和還原所述原料。
2.根據權利要求1所述的直接還原法，所述第一加熱裝置是噴燃器和/或燃燒用氧化性氣體。
3.根據權利要求1所述的直接還原法，所述第二加熱裝置是噴燃器和/或燃燒用氧化性氣體。
4.一種迴轉爐床爐，是還原含有金屬氧化物和碳材的原料製造金屬的迴轉爐床爐，包括把從所述原料產生的直到全部可燃性氣體量的70-80％的可燃性氣體生成的期間作為還原初期，在該期間爐內所設置的，並且對於所述原料附近的氣氛顯示強攪拌作用的第一加熱裝置和在其後的還原後期於爐內位置所設置的，並且對於所述原料附近的氣氛顯示弱攪拌作用的第二加熱裝置。
5.根據權利要求4所述的迴轉爐床爐，所述第一加熱裝置為噴燃器和/或燃燒用氧化性氣體。
6.根據權利要求4所述的迴轉爐床爐，所述第二加熱裝置為噴燃器和/或燃燒用氧化性氣體的供給管。
全文摘要
一種直接還原法是將含金屬氧化物和碳材的原料供給迴轉爐床爐後,在把從所述原料產生的全部可燃性氣體量的70—80%的可燃性氣體產生為止期間作為還原初期,在該期間對於所述原料附近的氣氛通過設置顯示強攪拌作用的噴燃器加熱和還原所述原料後,在其後的還原後期,對於所述原料的附近的氣氛設置顯示弱攪拌作用的噴燃器加熱和還原所述原料製造金屬,按該還原法能提高生產性,同時也可實現降低原單位的燃燒的使用量。
文檔編號F27D99/00GK1273277SQ0010589
公開日2000年11月15日 申請日期2000年4月18日 優先權日1999年5月6日
發明者西村真, 田中英年 申請人:株式會社神戶制鋼所