CN1219891C

CN1219891C - 直接还原法及回转炉床炉

Info

Publication number: CN1219891C
Application number: CNB001058932A
Authority: CN
Inventors: 西村真; 田中英年
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: NZ504325A; CZ20001469A3; CN1273277A; EP1050589A1; US6296479B1; AU3025200A; CA2307422A1; TW581816B; KR20010049329A

Abstract

一种直接还原法是将含金属氧化物和碳材的原料供给回转炉床炉后，在把从所述原料产生的全部可燃性气体量的70-80%的可燃性气体产生为止期间作为还原初期，在该期间对于所述原料附近的气氛通过设置显示强搅拌作用的喷燃器加热和还原所述原料后，在其后的还原后期，对于所述原料的附近的气氛设置显示弱搅拌作用的喷燃器加热和还原所述原料制造金属，按该还原法能提高生产性，同时也可实现降低原单位的燃烧的使用量。

Description

直接还原法及回转炉床炉

本发明涉及直接还原法以及回转炉床炉，特别是，涉及一种通过有效地进行炉内的加热气氛的控制，在提高生产性的同时能谋求降低原单位原料的直接还原法以及为进行这种直接还原法的回转炉床炉的结构。

众所周知，迄今回收金属的过程是将含有球团或团块等粒状的金属氧化物或金属氧化物与煤等碳材料投入到回转炉床炉中，直接还原该原料中的金属氧化物并回收金属的过程。所述回转炉是在直接还原过程中相对原料能从多个喷燃器供给热所构成的，这时加热保持炉内温度在1200-1500℃。

作为涉及用回转炉床炉的直接还原法的技术，例如在美国专利第4,622,905号公报中所报导的将内装还原剂的金属氧化物供给回转槽型焙烧炉进行加热还原的方法。在该方法中，采用在侧壁上设置了的多种喷烧器，为了提高火焰的幅射能与微煤粉混合燃烧，并按当量比1.0或者在当量比1.0附近进行操作。

另外，根据美国专利第4,401,214号公报，为了使随着还原由原料中所生成的可燃性气体燃烧，在侧壁上所设置的喷燃器作为过剩空气供给必要的空气量并进行操作，如用气体或液体燃料与预热燃料空气，则能实现上述的气氛。

在这些以往技术中，在用回转炉床炉制造还原铁等金属中，对于伴随喷燃器燃料及还原所发生的可燃性气体是用在侧壁所设置的喷燃器的炉内投入当量比1.0左右的空气量。另外，在连续地加热原料的移动床或加热炉中，可采用在炉顶部设喷燃器的“端喷燃器”或“炉顶喷燃器”。

本发明者们也对回转炉床炉的结构进行反复的研究，曾提出公开在特开平10-60514号(美国专利5,989,019)的技术。在该技术中，在设置在侧壁上的喷燃器下方的炉床附近，设置供给使由所述被加热物所发生的可燃性气体燃烧的二次燃烧用气体的气体供给装置。按这种结构，可有效地使随还原所发生的可燃烧气体燃烧，通过作为对原料的热供给源所给与，使向回转炉床炉喷燃器的投入燃料降低，因此实现降低原单位燃料。

可是，在由金属氧化物的直接还原过程中，通过将含金属氧化物和碳材的原料投入到炉内，并加热进行还原反应，能还原金属氧化物。这时，当将原料加热到1000℃以上时，还原反应激烈进行。也就是说，为了达到高产量，在将原料投入到炉内后就需要迅速地加热原料。

另一方面，在将原料投入到炉内时，产生大量的CO、H₂、CH₄等可燃性气体，随着时间变长，其可燃性气体产生量减少，向原料所投入热量也变化。即，在还原后期，由于从原料中所产生的具有还原作用的可燃性气体减少，一度曾被还原的金属由于在燃烧气体中含有的CO₂或H₂O可能再被氧化，因此，需要保持还原后期的原料周围的还原性气氛。

但是，通过将伴随金属氧化物还原所发生的可燃性气体作加热源加以利用，能提高过程的原单位燃料，因此，使由原料所产生的可燃性气体在炉内燃烧也是重要的。

这样，可以认为①、在将原料一投入到炉内后通过迅速加热能促进金属氧化物的还原反应；另外②、为了防止在还原后期使原料再氧化需要形成还原性气氛；并且③、利用使由原料中所发出的可燃性气体燃烧可使得原单位燃料利用提高。但是，目前的状况是还不能具有为实现这些的回转炉床炉的结构或喷燃器的配置形式。

例如，按上述美国专利第4,622,905号公报及第4,701,214号公报，采用在回转炉床炉侧壁上所设置的侧面喷燃器，而在移动床式加热炉采用在炉顶配置的端喷燃器。但是，向原料投入热量随时间共同变化，并且在由原料所发生的可燃性气体量变化的过程中，没有涉及回转炉床炉的形状或喷燃器的设置的有效的方法。

本发明的目的是提供一种直接还原以及为实施该方法所用的回转炉床炉的结构。按本发明能在将原料一投入到炉内后通过迅速加热提高金属氧化物的还原过程的生产性，同时，在还原后期为了防止原料被再氧化边形成还原气氛、边通过使由原料所产生的可燃性气体燃烧可达到降低原单位燃料。

本发明的所谓直接还原法是指将含金属氧化物和碳材的原料供给回转炉床炉后，将从所述原料所产生的全部可燃性气体量的70-80％的可燃性气体产生为止的期间作为还原初期，在该期间，对于所述原料附近的气氛通过所示强搅拌作用所设置的第一加热装置加热和还原所述原料后，在其后的还原后期中，对于所述原料附近的气氛通过所示弱搅拌作用所设置的第二加热装置加热和还原所述原料制造金属的方法。

另外，本发明所谓的回转炉床炉是用于还原含金属氧化物和碳材的原料制造金属的回转炉床炉，将从所述原料所产生的全部可燃性气体量的70-80％的可燃性气体生成为止的期间作为还原初期，在该期间，在所述炉内位置上对于所述原料附近的气氛配置所示强搅拌作用的第一加热装置，同时，在其后的还原后期，在所述炉内位置上对于所述原料附近的气氛配置所示弱搅拌作用的第二加热装置的回转炉床炉。

这时，在还原金属氧化物和煤等的混合物的直接还原过程中，在加热初期迅速地加热原料，谋求提高生产性，同时，在加热后期，在原料附近边实现为了防止再氧化的还原气氛，边通过使随着还原所发生的可燃性气体燃烧可提高原单位燃料的利用。

下面对附图进行简单的说明。

图1为表示本发明回转炉的实施例构成的俯视图。

图2为图1所示的回转炉床炉的展开图。

图3为表示原料投入后的可燃气体产生量的推移的曲线图。

图4为表示在图1、2的区域①内的形成温涡流状态的说明图。

图5为表示在图1、2的区域③内的形成温涡流状态的说明图(图1中的A-A剖视图)。

图6为表示力1、2的区域①的其它实施例的说明。

图7为表示图1、2的区域①的另一实施例的说明图。

图8为表示对于还原初期的区域①、②比较设置炉顶喷燃器时的原料附近的气体温度的曲线图。

图9为表示对于还原后期的区域③比较设置炉顶喷燃器或侧壁喷燃器时的原料附近CO浓度的曲线图。

图10为表示二次燃烧比例和必要的燃料气体量的曲线图。

图11为表示在回转炉床炉的排出部附近所设置的烟道13分路的实施例的说明图。

下面参照附图说明本发明的构成及作用效果。

图1为表示本发明的回转炉床炉的一例结构的俯视图。图2为表示展开在图1所示的回转炉床炉的图。另外，在图1、2中，1：回转炉床炉、2：炉床、3：炉顶、4：侧壁、5、5a：喷燃器或燃烧用氧化性气体供给管(以下也有简称喷燃器的情况)、6：原料、10：原料供给装置、11、制品回收装置、13：烟道。

在图1、2中所示的回转炉床炉1是通过原料供给装置10将含金属氧化物和碳材(煤等)的原料6边供给回转的移动的炉床2，边利用分别设置在回转炉床炉1内的炉顶3和侧壁4的喷燃器5、5a的火焰加热和还原原料6，由制品回收装置11回收被还原后的制品(金属)所构成的。另外，图中所示的烟道13是为排出喷燃器，燃烧排放的气体，随还原所产生的气体及其燃烧排出气体而设置的。

在上述回转炉床炉1中，在原料6的加热初期(还原初期)所述的炉内位置(区域①、②的炉内位置)，在炉顶3附近设置火焰向下倾斜的喷燃器5，同时在原料6的还原后期的所述的炉内位置上(区域③的炉内位置)在侧壁4设置火焰方向成水平方向的喷燃器或燃烧用氧化性气体供给管5a。然后，在炉顶3附近所设的喷燃器5对于原料6的附近的气氛气体成显示强搅拌作用的喷燃器，而在侧壁4所设置的喷燃器或燃烧用氧化性气体供给管5a对于原料6附近的气氛成显示比较弱的搅拌作用的设备。其次，对于在喷燃器等5、5a中搅拌作用不同的理由以及设置这样搅拌作用不同的喷燃器5、5a的作用效果进行说明。

首先，在将原料6投入到炉内后(图1、2所示区域①、②的炉内位置)，如图3所示，由于大量的可燃性气体(CO、H₂、CH₄)等产生，因此，将喷燃器等5设置在炉顶3，通过这种喷燃器等5强搅拌作用，促进在区域①、②内的搅拌效果，能较有效地促进二次燃烧。也就是说，在将喷燃器等5设置在炉顶3附近时，在图4所示的区域①内(在区域②内也相同)的气体流动沿周向的垂直截面形成涡流7，激烈地搅拌由原料6所发生的可燃性气体9，能促进二次燃烧。

当向炉内的原料6的供给量增加时，随着增加供给量从原料所发生的可燃性气体也增加。同时也使回转炉床炉大型化从原料周围的炉壁等的热损失减少。这时增加原料的供给量，则在还原初期时喷燃器5的一部分不喷出燃料，而只喷出燃烧用空气，可代替燃烧用氧化性气体的供给管。并且，随着原料6的供给量的增加，在大量产生可燃性气体时，可将所述喷燃器5都代替燃烧用氧化性气体的供给管。并且也包括在所述喷燃器中的这种供给管不吹入燃料而只吹入氧化性气体的形式。

另一方面，在成为原料的加热后期(还原后期)的区域③中，由于具有还原作用的可燃性气体的发生量少(参照所述图3)，如促进区域③内气体搅拌，则通过燃烧气体中的CO₂或H₂O等使被还原的原料6再被氧化。所以，在本发明作为还原后期的区域③中，对原料6附近的气氛设置表示比较弱搅拌作用的喷燃器或燃烧用氧化性气体供给管5a。即，在侧壁部4所设的喷燃器等5a中，如图5(图1的A-A剖视图)所示，由于在区域③内的气体流动面对侧壁突出并放射状扩大，因此在原料6附近的涡流8变小，与由喷燃器等5a的搅拌作用变得比较弱。其结果，在区域③内形成比较良好的还原性气氛能防止原料被再氧化。同时，使由原料所发出的可燃性气体燃烧，也能达到降低原单位燃烧。

另外，在还原后期的区域③(参照图2)，从加热区域的终端向烟道并含可燃性气体的炉内气体的情况下，也可将其可燃性气体的一部分作原料加热用的燃料使用。这时，也可将在多个喷燃器5a内的一些替代供给燃烧用氧化性气体(例如，空气)的供给管。作为其它的实施例，在已设的喷燃器中，也可列举不喷出燃烧而只喷出燃烧用空气的情况。这时，即使是已设的喷燃器，也可达到与燃烧用氧化性气体的供给管同样的功能。

还有，在还原初期，由原料所产生的可燃性气体在还原后能有效地利用时，也可以将在还原后期所设置的喷燃器全部替代燃烧用氧化性气体的供给管。当然，如上所述，在已设的喷燃器中，不喷出燃料只使燃烧用空气喷出时，不用说也可代替燃烧用氧化性气体的供给管使用。例如，如图11所示，在排出初设置烟道13的分路，通过压力控制，可将在还原初期由原料所产生的可燃性气体拖到还原后期，另外，将排气用管道设置在排出装置的附近，即使在吸引时，也可将喷燃器或燃烧用氧化性气体供给管5a全都代替所述供给管。主要在于，若为能将在还原初期从原料所产生的大量可燃性气体的一部分在还原后期有效地利用的装置，则对其结构无特别限制。

这里，作为所说的喷燃器，可列举通过同时吹入燃烧(气体、液体、固体)和氧化性气体(包括空气、氧气、富氧空气)并使之燃烧的装置，但是，根据炉内的反应为了使由原料所发生的可燃性气体燃烧，可以只吹入所述氧化性气体的形式，这时，起到所述氧化性气体供给管的功能。

另外，所述喷燃器等5、5a的搅拌作用的强弱关系是相对的，对于其比例没有进行规定，但使在区域①、②内搅拌作用尽可能大而在区域③内搅拌作用尽可能的弱达到本发明的效果是理想的。

然而，在本发明中，虽然如上述将炉内的加热气氛分为还原初期和还原后期，在还原初期对于原料附近的气氛通过所示强搅拌作用的喷燃器5加热和还原所述原料，在其后的还原后期，对于所述原料的附近的气氛通过所示弱搅拌作用的喷燃器或燃烧用氧化性气体供给管5a加热和还原所述原料，制造金属。但是，区域这样的还原初期和还原后期，需要将直到生成由原料所产生的全部可燃性气体量的70-80％的可燃性气体的期间作为还原初期，而将其后作为还原后期。这样区域的理由如下。即，若将还原初期定为由原料所产生的全部可燃性气体量的不到70％的期间，则燃烧排出气体中的CO₂或H₂O等变为支配的，由原料所产生的CO等能防止由此产生的再氧化，而当超过80％的期间时，则由于CO等的发生量减少，燃烧排气中的由CO₂或H₂O等使原料再氧化的可能性变高造成的。因此，只少对于全部可燃性气体量超过80％的期间通过采用搅拌作用比较弱的第二加热装置防止再氧化是必要的。但是，若从炉的制作上考虑采用第一种加热装置的情况，由于炉的形状复杂等原因，炉体的成本可能高，因此从制作炉上看，减少所述第一种加热装置的区域是理想的。所以，在优选考虑所述炉的制作成本的情况下，也可以提前所述第二种加热装置的区域，即，还原后期的初始期。这时，所称还原金属氧化物的本来目的，例如，将由原料所产生的直到全部可燃性气体量的40％时的可燃性气体生成的期间作为还原初期，而在其后的区域中，也可以采用第二种加热装置。这是因为，由于从原料所产生的可燃性气体量在加热还原初期大量产生，所以加热还原的初期效果尤为显著，在上述40％的程度切换成第二种加热装置也是可能的。

另外，为了象这样区分还原初期和还原后期并设计回转炉床炉，例如也可调整所述喷燃器5，喷燃器或燃烧用氧化性气体供给管5a的火力，在所述区域①、②中所产生可燃性气体的生成为从原料所产生的全部可燃性气体量的70-80％。

还有，在还原初期，若从原料投入后就迅速加热和还原，并从所称提高生产性的观点考虑，原料投入后就作为还原初期的开始是理想的。但是不限于这种构成，也可以将投入原料或经过一段期间开始加热和还原设定为还原初期的开始。总之，在从原料所产生的全部可燃性气体量的70-80％的可燃性气体生成为止的期间可以在炉内适当位置设置对原料附近的气氛显示强搅拌作用的所述喷燃器5。

图6为表示区域①的另一实施例的说明图。这种结构与图4所示结构相对，将二次燃烧用空气等氧化性气体的进入口12a、12b设置在回转炉床炉1的侧壁4或内部。在图4的结构中，在区域①(区域②中同样)内的二次燃烧通过喷燃器5的剩余空气实现，但是设置如图5所示的空气进入口12a、12b，也可供给二次燃烧用的空气。通过采用这种结构，能更加促进利用上述的涡流8作用的二次燃烧。

图7为表示区域①的另外实施例的说明图，这种结构是在炉顶3设置炉顶喷燃器式的喷燃器5的构成例。另外，在同图中，在回转炉床炉的侧壁4、炉顶3或内部设置了为二次燃烧的空气进入口12a、12b、12c等。通过采用这种结构也能促进区域①内的二次燃烧。

下面通过实施例对本发明的作用和效果作更进一步具体的说明。但是本发明不限定在下述的实施例，根据需要适当变换条件等进行实施都包括在本发明之中。

另外，这里所说的原料6不管任何形状。即，可以为球团状、团块状等的块状物，不将原料粉未成型，也可在炉床上铺成层状。并且，也可以轻压密实化等简单成型的状态铺在炉床上。

还有，被还原后的制品(金属)没有必要完全都使之金属化，也可残留未还原部分的海绵状铁。并且，也包括在炉内熔解或熔融得到金属的情况。

实施例

用图1、2的回转炉床炉进行各种实验。首先，图8为表示对于还原初期的区域①、②设置在炉顶喷燃器(端部喷燃器)或侧壁喷燃器(侧部喷燃器)时的比较原料附近的气体温度(由数值计算的预测平均值)的曲线图。从其结果可看出，为等量于喷燃器的投入燃烧量，但是，在原料附近的平均温度中，在使用炉顶喷燃器时的区域①上约高300K，为了迅速加热可使用炉顶喷燃器。

图9为表示对于还原后期的区域③设置炉顶喷燃器(端部喷燃器)或侧壁喷燃器(侧部喷燃器)时的比较原料附近的CO浓度(由数值计算的预测平均值)的曲线图。其结果，表示出还原后期的中央附近的经向分布。但是，具有还原作用的气体CO在炉内外恒定，并且使用侧壁喷燃器时的其浓度变高，可知形成了对防止再氧化的理想的还原气氛。

图10表示使从原料产生的可燃性气体在炉内二次燃烧的比例与为投入到炉内的必要燃烧气体量的削减率。这时的必要燃烧气体量的削减率的计算是以作为金属氧化物之一Fe₂O₃为例，在1400℃的气氛下对于由碳还原Fe₂O₃生成Fe和CO反应中所需要的燃烧气体量，通过使还原产生的CO燃烧(二次燃烧)，在炉内所需燃烧气体量的削减。

由这些结果可知，与没有二次燃烧的情况相比，通过使在还原所产生的CO 100％燃烧，投入到炉内的燃烧气体可削减40％。

Claims

1.一种直接还原法，包括下述步骤：

将含有金属氧化物和碳材的原料供给回转炉床炉；

在把从所述原料所产生的直到全部可燃性气体量的70-80％的可燃性气体生成的期间作为还原初期的期间，在此期间，通过在炉内顶部设置对于所述原料附近的气氛表示强搅拌作用的、使气体沿炉的周向的垂直截面形成涡流的第一加热装置加热和还原所述原料；

在其后的还原后期，通过在炉内的侧壁设置对于所述原料的附近的气氛表示弱搅拌作用的、使气体在炉内与相面对的炉壁碰撞并以涡流放射状扩大的第二加热装置加热和还原所述原料。

2.根据权利要求1所述的直接还原法，所述第一加热装置是喷燃器和/或燃烧用氧化性气体供给管。

3.根据权利要求1所述的直接还原法，所述第二加热装置是喷燃器和/或燃烧用氧化性气体供给管。

4.一种回转炉床炉，是还原含有金属氧化物和碳材的原料制造金属的回转炉床炉，包括：把从所述原料产生的直到全部可燃性气体量的70-80％的可燃性气体生成的期间作为还原初期，在与该期间相应的炉内位置，在炉内的顶部设置的火焰方向向下方倾斜或向下方的、对于所述原料附近的气氛表示强搅拌作用的第一加热装置；和在与其后的还原后期相应的炉内位置，在炉内的侧壁设置的火焰方向成水平方向的、对于所述原料附近的气氛显示弱搅拌作用的第二加热装置。

5.根据权利要求4所述的回转炉床炉，所述第一加热装置为喷燃器和/或燃烧用氧化性气体供给管。

6.根据权利要求4所述的回转炉床炉，所述第二加热装置为喷燃器和/或燃烧用氧化性气体的供给管。