WO2025211147A1 - Direct-reduced iron production device and direct-reduced iron production method - Google Patents
Direct-reduced iron production device and direct-reduced iron production methodInfo
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Definitions
- the present invention relates to an apparatus for producing direct reduced iron and a method for producing direct reduced iron.
- reduced iron is produced using shaft furnace operation with natural gas (NG) as the reducing gas, as in the HyL and Midrex processes.
- NG natural gas
- the reduced iron it is preferable for the reduced iron to contain around 4% carbon.
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Abstract
Description
本発明は、直接還元鉄の製造装置および直接還元鉄の製造方法に関する。
本願は、2024年4月2日に、日本に出願された特願2024-059691号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
The present invention relates to an apparatus for producing direct reduced iron and a method for producing direct reduced iron.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2024-059691, filed on April 2, 2024, the contents of which are incorporated herein by reference.
現在、HyL法やMidrex法として、天然ガス(NG)を還元ガスとして用いたシャフト炉操業で還元鉄が生産されている。還元鉄の融点を低下させて次工程の電気炉での溶解を容易にするために、還元鉄には、4%程度の炭素を含有させることが好ましい。 Currently, reduced iron is produced using shaft furnace operation with natural gas (NG) as the reducing gas, as in the HyL and Midrex processes. To lower the melting point of the reduced iron and make it easier to melt in the electric furnace in the subsequent process, it is preferable for the reduced iron to contain around 4% carbon.
例えば、成型がなく還元後に冷却した状態で製造される直接還元鉄(DRI)では、シャフト炉内の冷却工程でメタン等のガスで浸炭することで炭素濃度を向上させるのが一般的である(特許文献1、非特許文献1)。還元鉄をペレットのままで使用する場合、ペレットを冷却する必要があるため、メタンガスで冷却することは問題が無い。一方、還元鉄を海上輸送する場合、防災上、ホットブリケットアイアン(HBI)に加工することが義務付けられている。シャフト炉外の熱間塊成化によってホットブリケットアイアン(HBI)を製造する場合は、炉外に700℃程度の温度で還元された鉄を排出する必要があり、上述の冷却工程を用いることができない。そのため、HBIを製造する場合において、還元後に、還元鉄中の炭素濃度を高めることは難しい。 For example, in the case of direct reduced iron (DRI), which is produced without molding and is cooled after reduction, it is common to increase the carbon concentration by carburizing with gases such as methane during the cooling process in a shaft furnace (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). When reduced iron is used as pellets, the pellets need to be cooled, so cooling with methane gas is not a problem. On the other hand, when transporting reduced iron by sea, it is mandatory to process it into hot briquette iron (HBI) for disaster prevention reasons. When producing hot briquette iron (HBI) by hot agglomeration outside a shaft furnace, the reduced iron must be discharged outside the furnace at a temperature of around 700°C, making it impossible to use the cooling process described above. Therefore, when producing HBI, it is difficult to increase the carbon concentration in the reduced iron after reduction.
メタンガスで製造したHBIの炭素濃度は通常0.5%~1.5%であり、冷却工程で浸炭したDRIの炭素濃度の半分以下に留まる。CO2削減の観点から、H2を還元ガスとして用いることが好ましいが、H2を還元ガスとして用いると、還元ガス中に炭素が含まれないため、還元過程で炭素濃度が上がらず、HBIにはほとんど炭素が含まれなくなるという課題がある。 The carbon concentration of HBI produced using methane gas is typically 0.5% to 1.5%, less than half the carbon concentration of DRI carburized during the cooling process. From the perspective of CO2 reduction, it is preferable to use H2 as the reducing gas, but when H2 is used as the reducing gas, there is a problem that the carbon concentration does not increase during the reduction process because the reducing gas does not contain carbon, and the HBI contains almost no carbon.
冷却帯で効率的に加炭する技術としては、特許文献1に原料ガスである天然ガスを分解せず、冷却ガス中にメタンを残留させる技術が開示されている。 As a technology for efficiently adding carbon in the cooling zone, Patent Document 1 discloses a technique in which the natural gas feedstock gas is not decomposed, and methane remains in the cooling gas.
しかし、非特許文献1に開示の技術では、原料ガスとして天然ガスを使用しているので、CO2削減効果が低い。 However, the technology disclosed in Non-Patent Document 1 uses natural gas as the raw material gas, and therefore has a low effect of reducing CO 2 emissions.
本発明は上記事情を鑑みなされた発明であり、水素を原料ガスとして使用する直接還元炉において、高温排出でも還元鉄の浸炭が可能な直接還元鉄の製造装置および直接還元鉄の製造方法の提供を目的とする。 The present invention was developed in consideration of the above circumstances, and aims to provide a direct reduced iron manufacturing apparatus and method that are capable of carburizing reduced iron even when discharged at high temperatures in a direct reduction furnace that uses hydrogen as the raw material gas.
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
(1)本発明の態様1の直接還元鉄の製造装置は、
水素ガスを使用して直接還元鉄を製造するシャフト炉と、
前記シャフト炉の排ガスを除塵する除塵装置と、
前記除塵された前記排ガスを脱水し、循環ガスを得る脱水装置と、
前記循環ガスに前記水素ガスを導入し、前記循環ガス及び前記水素ガスを含む加熱前ガスとする、水素ガス導入装置と、
前記循環ガスおよび前記水素ガスを含む加熱前ガスを加熱して還元ガスとする加熱装置と、
前記循環ガス、前記加熱前ガス、および前記還元ガスのうち少なくとも1つへ炭化水素ガスを導入する炭化水素ガス導入装置と、
を備える。
(2)本発明の態様2は、態様1の直接還元鉄の製造装置において、
前記循環ガス中のトレーサーガスの濃度を測定するガス分析装置と、
前記トレーサーガスの濃度に応じて、前記炭化水素ガス導入装置の炭化水素ガス導入量を制御する制御装置と、
をさらに備える。
(3)本発明の態様3は、態様2の直接還元鉄の製造装置において、
前記トレーサーガスがCO2である。
(4)本発明の態様4は、態様1~3のいずれか1つの直接還元鉄の製造装置において、 前記直接還元鉄中の炭素濃度を測定する炭素分析装置をさらに備える。
(5)本発明の態様5の直接還元鉄の製造方法は、シャフト炉を用い、水素ガスを使用して直接還元鉄を製造する直接還元鉄の製造方法において、
前記シャフト炉の排ガスを除塵する除塵工程と、
前記除塵工程で除塵された前記排ガスを脱水し、循環ガスを得る脱水工程と、
前記循環ガスに前記水素ガスを導入し、前記循環ガス及び前記水素ガスを含む加熱前ガスを得る水素ガス導入工程と、
前記循環ガスおよび前記水素ガスを含む加熱前ガスを加熱して還元ガスとする加熱工程と、
前記循環ガス、前記加熱前ガス、および前記還元ガスのうち少なくとも1つへ炭化水素ガスを導入する炭化水素ガス導入工程と、
を含む。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
(1) The direct reduced iron manufacturing apparatus according to the first aspect of the present invention comprises:
a shaft furnace for producing direct reduced iron using hydrogen gas;
a dust removal device for removing dust from the exhaust gas of the shaft furnace;
a dehydration device that dehydrates the dust-removed exhaust gas to obtain a circulating gas;
a hydrogen gas introducing device that introduces the hydrogen gas into the circulation gas to produce a pre-heated gas containing the circulation gas and the hydrogen gas;
a heating device for heating the circulation gas and the pre-heated gas containing hydrogen gas to form a reducing gas;
a hydrocarbon gas introducing device that introduces a hydrocarbon gas into at least one of the circulation gas, the pre-heated gas, and the reducing gas;
Equipped with.
(2) Aspect 2 of the present invention is directed to the direct reduced iron manufacturing apparatus of Aspect 1, wherein:
a gas analyzer for measuring the concentration of the tracer gas in the circulating gas;
a control device that controls the amount of hydrocarbon gas introduced by the hydrocarbon gas introducing device in accordance with the concentration of the tracer gas;
Further provided are:
(3) Aspect 3 of the present invention is directed to the direct reduced iron manufacturing apparatus of Aspect 2, wherein:
The tracer gas is CO2 .
(4) A fourth aspect of the present invention is the direct reduced iron production apparatus according to any one of the first to third aspects, further comprising a carbon analyzer for measuring a carbon concentration in the direct reduced iron.
(5) A fifth aspect of the present invention provides a direct reduced iron production method that uses a shaft furnace and hydrogen gas to produce direct reduced iron, comprising the steps of:
a dust removal step of removing dust from the exhaust gas of the shaft furnace;
a dehydration step of dehydrating the exhaust gas from which dust has been removed in the dust removal step to obtain a circulating gas;
a hydrogen gas introducing step of introducing the hydrogen gas into the circulation gas to obtain a pre-heated gas containing the circulation gas and the hydrogen gas;
a heating step of heating the pre-heating gas containing the circulation gas and the hydrogen gas to form a reducing gas;
a hydrocarbon gas introducing step of introducing a hydrocarbon gas into at least one of the circulation gas, the pre-heated gas, and the reducing gas;
Includes:
本発明の上記各態様によれば、水素ガスを使用する直接還元炉において、高温排出でも還元鉄の浸炭が可能な直接還元鉄の製造装置および直接還元鉄の製造方法を提供することができる。 The above aspects of the present invention provide a direct reduced iron manufacturing apparatus and a direct reduced iron manufacturing method that are capable of carburizing reduced iron even when discharged at high temperatures in a direct reduction furnace that uses hydrogen gas.
(第1実施形態)
以下、図面を参照しつつ、第1実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100および直接還元鉄の製造方法について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る直接還元鉄の製造装置の一例を示すフロー図である。直接還元鉄の製造装置100は、水素ガスを使用して直接還元鉄を製造するシャフト炉20と、シャフト炉20の排ガスを除塵する除塵装置30と、除塵された排ガスを脱水し、循環ガスを得る脱水装置40と、循環ガスに水素ガスを導入し、循環ガス及び水素ガスを含む加熱前ガスを得る、水素ガス導入装置65と、加熱前ガスを加熱して還元ガスとする加熱装置50と、循環ガス、加熱前ガス、および還元ガスのうち少なくとも1つへ炭化水素ガスを導入する炭化水素ガス導入装置60と、を備える。なお、水素ガスには、還元反応を阻害しない範囲で、窒素ガスなど不純物が含まれていてもよい。水素ガスの濃度は例えば、90vol%以上である。
(First embodiment)
A direct-reduced iron manufacturing apparatus 100 and a method for manufacturing direct-reduced iron according to a first embodiment will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a flow diagram illustrating an example of the direct-reduced iron manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention. The direct-reduced iron manufacturing apparatus 100 includes a shaft furnace 20 that uses hydrogen gas to produce direct-reduced iron, a dust removal device 30 that removes dust from the exhaust gas of the shaft furnace 20, a dehydration device 40 that dehydrates the dust-removed exhaust gas to obtain a circulating gas, a hydrogen gas introduction device 65 that introduces hydrogen gas into the circulating gas to obtain a pre-heating gas containing the circulating gas and hydrogen gas, a heating device 50 that heats the pre-heating gas to produce a reducing gas, and a hydrocarbon gas introduction device 60 that introduces a hydrocarbon gas into at least one of the circulating gas, the pre-heating gas, and the reducing gas. The hydrogen gas may contain impurities such as nitrogen gas as long as they do not inhibit the reduction reaction. The hydrogen gas has a concentration of, for example, 90 vol% or more.
(シャフト炉20)
シャフト炉20は、原料である酸化鉄を装入する原料装入部24と、還元鉄を排出する還元鉄排出部25と、シャフト炉20下部に配置され、還元ガスを吹き込む還元ガス吹込口28と、シャフト炉20上部に配置され、排ガスを排出する排ガス排出口29と、を備える。シャフト炉20の頂部の原料装入部24から原料である酸化鉄が装入される。酸化鉄はシャフト炉20内を下降しながら水素ガスにより還元されて還元鉄となる。還元された還元鉄は、高温の状態で還元鉄排出部25から排出される。酸化鉄と水素ガスの反応は下記(1A)式のようになる。下記(1A)式のように、水素ガスは、酸化鉄との反応により、水(水蒸気)となる。また、後述する炭化水素ガスの反応などにより発生した一酸化炭素(CO)により酸化鉄は下記(1B)のように、還元される。この反応の場合、二酸化炭素(CO2)が発生する。
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O (1A)
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2 (1B)
(Shaft furnace 20)
The shaft furnace 20 includes a raw material charging section 24 for charging the raw material iron oxide, a reduced iron discharge section 25 for discharging the reduced iron, a reducing gas inlet 28 located at the bottom of the shaft furnace 20 for blowing in reducing gas, and an exhaust gas outlet 29 located at the top of the shaft furnace 20 for discharging exhaust gas. The raw material iron oxide is charged through the raw material charging section 24 at the top of the shaft furnace 20. As the iron oxide descends within the shaft furnace 20, it is reduced by hydrogen gas to form reduced iron. The reduced reduced iron is discharged from the reduced iron discharge section 25 at a high temperature. The reaction between the iron oxide and hydrogen gas is as shown in formula (1A) below. As shown in formula (1A), hydrogen gas reacts with the iron oxide to form water (water vapor). Furthermore, the iron oxide is reduced by carbon monoxide (CO) generated by a reaction with a hydrocarbon gas (described later) or the like, as shown in formula (1B) below. This reaction generates carbon dioxide (CO 2 ).
Fe 2 O 3 +3H 2 →2Fe+3H 2 O (1A)
Fe2O3 + 3CO →2Fe+ 3CO2 (1B)
還元ガス吹込口28から加熱装置50で加熱された還元ガスが吹き込まれる。還元ガスにより、酸化鉄は還元される。また、還元された還元鉄は、後述する炭化水素ガス導入装置60で導入された炭化水素ガスと反応し、直接還元鉄中の炭素濃度が増加する。ここでは、炭化水素ガスとしてメタンガスを例にして反応を説明する。還元鉄とメタンガスとの反応は、下記(2A)式のようになる。下記(2A)式のように、メタンガスと還元鉄との反応により水素ガスが発生する。発生した水素ガスは、排ガス排出口29より排出される。また、メタンガスは、シャフト炉20内の水や二酸化炭素との反応により、下記(2B)式および(2C)式のように、一酸化炭素と水素とを発生する。発生した一酸化炭素、水素は排ガス排出口29より排出される。
3Fe+CH4→Fe3C+2H2 (2A)
H2O+CH4→CO+3H2 (2B)
CO2+CH4→2CO+2H2 (2C)
Reducing gas heated by a heating device 50 is injected through the reducing gas inlet 28. Iron oxide is reduced by the reducing gas. The reduced reduced iron reacts with a hydrocarbon gas introduced by a hydrocarbon gas introducing device 60 (described later), increasing the carbon concentration in the directly reduced iron. Here, the reaction is explained using methane gas as an example of the hydrocarbon gas. The reaction between reduced iron and methane gas is as shown in Equation (2A) below. As shown in Equation (2A) below, hydrogen gas is generated by the reaction between methane gas and reduced iron. The generated hydrogen gas is discharged through the exhaust gas outlet 29. Furthermore, methane gas reacts with water and carbon dioxide in the shaft furnace 20 to generate carbon monoxide and hydrogen as shown in Equations (2B) and (2C) below. The generated carbon monoxide and hydrogen are discharged through the exhaust gas outlet 29.
3Fe+CH 4 →Fe 3 C+2H 2 (2A)
H2O + CH4 →CO+ 3H2 (2B)
CO2 + CH4 →2CO+ 2H2 (2C)
(除塵装置30)
除塵装置30は、排ガス排出口29より排出された排ガスを除塵する。除塵の方法は特に限定されず、サイクロン、スクラバーなどがあげられる。塵濃度が5~50mg/Nm3の範囲となるように除塵することが好ましい。除塵された排ガスは、脱水装置40に送られる。
(Dust removal device 30)
The dust remover 30 removes dust from the exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 29. There are no particular limitations on the dust removal method, and examples include a cyclone and a scrubber. It is preferable to remove dust so that the dust concentration is in the range of 5 to 50 mg/ Nm3 . The exhaust gas from which dust has been removed is sent to a dehydrator 40.
(脱水装置40)
脱水装置40は、除塵装置30で除塵された排ガスを脱水し、循環ガスを得る。排ガス排出口29から排出される排ガスには、未反応の水素ガス(排水素ガス)および炭化水素ガスと、酸化鉄の還元反応などで発生した水蒸気、一酸化炭素、および二酸化炭素と、が含まれる。水は、還元反応を阻害するため、排ガス中の水分濃度は可能な限り低い方が好ましい。例えば、排ガス中の水分濃度が25vol%である場合、脱水で水分濃度2vol%以下まで水分を除去することが好ましい。脱水装置40は、例えば、除塵後の排ガスを冷却することで脱水する。脱水後の循環ガスは図示しないコンプレッサーでシャフト炉20内の圧力以上に加圧された後に加熱装置50に導入される。
(Dehydration device 40)
The dehydration device 40 dehydrates the exhaust gas from which the dust has been removed by the dust removal device 30 to obtain a circulating gas. The exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 29 contains unreacted hydrogen gas (exhaust hydrogen gas), hydrocarbon gas, water vapor, carbon monoxide, and carbon dioxide generated by the reduction reaction of iron oxide, etc. Because water inhibits the reduction reaction, it is preferable that the moisture concentration in the exhaust gas be as low as possible. For example, if the moisture concentration in the exhaust gas is 25 vol%, it is preferable to remove the moisture to a moisture concentration of 2 vol% or less by dehydration. The dehydration device 40 dehydrates the exhaust gas, for example, by cooling it after dust removal. The dehydrated circulating gas is pressurized by a compressor (not shown) to a pressure higher than the pressure inside the shaft furnace 20 and then introduced into the heating device 50.
(水素ガス導入装置65)
水素ガス導入装置65は、加熱装置50に導入される前の循環ガスに原料ガスである水素ガスを導入し、循環ガス及び水素ガスを含む加熱前ガスを得る。循環ガスへの水素ガスの導入は、公知の方法で行うことができる。原料ガスとして供給される水素ガスは、例えば水の電気分解により製造される水素ガスである。
(Hydrogen gas introduction device 65)
The hydrogen gas introducing device 65 introduces hydrogen gas, which is a raw material gas, into the circulating gas before it is introduced into the heating device 50, thereby obtaining a pre-heated gas containing the circulating gas and hydrogen gas. The introduction of hydrogen gas into the circulating gas can be performed by a known method. The hydrogen gas supplied as the raw material gas is, for example, hydrogen gas produced by electrolysis of water.
(加熱装置50)
加熱装置50は、脱水装置40で脱水された循環ガスおよび水素ガスを含む加熱前ガスを700℃以上に加熱し、還元ガスとして還元ガス吹込口28に吹き込む。本実施形態では、加熱前ガスは、循環ガスおよび原料ガスである水素ガスからなる。吹き込まれる還元ガスの温度は概ね700~1000℃である。また、還元ガスの吹き込み量は概ね1000~2200Nm3/t-DRIである。
(Heating device 50)
The heating device 50 heats the pre-heating gas, which contains the circulating gas dehydrated in the dehydration device 40 and hydrogen gas, to 700°C or higher and injects the pre-heating gas into the reducing gas inlet 28 as reducing gas. In this embodiment, the pre-heating gas consists of the circulating gas and hydrogen gas, which is the raw material gas. The temperature of the injected reducing gas is approximately 700 to 1000°C. The amount of the reducing gas injected is approximately 1000 to 2200 Nm3 /t-DRI.
(炭化水素ガス導入装置60)
炭化水素ガス導入装置60は、還元ガス吹込口28からシャフト炉20内に吹き込まれる還元ガスに炭化水素ガスを導入する。炭化水素ガスを導入された還元ガスは、還元ガス吹込口28からシャフト炉20内に導入され、導入された炭化水素ガスは、上述の反応に用いられる。炭化水素ガスの導入量は、用いられる原料(酸化鉄)によって、適宜変更することができる。炭化水素ガスは、還元ガスの圧力以上に加圧されて還元ガスに導入される。炭化水素ガスは、炭化水素ガスを貯蔵する、図示しないタンクから導入してもよいし、直接還元鉄の製造装置100の外の工場などから配管を介して導入してもよい。
(Hydrocarbon gas introduction device 60)
The hydrocarbon gas introducing device 60 introduces a hydrocarbon gas into the reducing gas injected into the shaft furnace 20 from the reducing gas injection port 28. The reducing gas into which the hydrocarbon gas has been introduced is introduced into the shaft furnace 20 from the reducing gas injection port 28, and the introduced hydrocarbon gas is used in the above-mentioned reaction. The amount of hydrocarbon gas introduced can be changed appropriately depending on the raw material (iron oxide) used. The hydrocarbon gas is pressurized to a pressure equal to or higher than the pressure of the reducing gas and introduced into the reducing gas. The hydrocarbon gas may be introduced from a tank (not shown) that stores the hydrocarbon gas, or may be introduced via piping from a factory or the like outside the direct reduced iron manufacturing apparatus 100.
(直接還元鉄の製造方法)
本実施形態に係る直接還元鉄の製造方法は、シャフト炉を用い、水素ガスを使用して直接還元鉄を製造する直接還元鉄の製造方法において、
シャフト炉20の排ガスを除塵する除塵工程と、除塵工程で除塵された排ガスを脱水し、循環ガスを得る脱水工程と、循環ガスに水素ガスを導入し、循環ガスおよび水素ガスを含む加熱前ガスを得る水素ガス導入工程と、加熱前ガスを加熱して還元ガスとする加熱工程と、前記循環ガス、前記加熱前ガスおよび前記還元ガスのうち少なくとも1つへ炭化水素ガスを導入する炭化水素メタンガス導入工程とを含む。以下、第1実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100を用いた直接還元鉄の製造方法について説明する。シャフト炉20上部の原料装入部24から原料(酸化鉄)が投入される。原料は、シャフト炉20内で、還元ガス吹込口28から導入される還元ガスで還元されて還元鉄となりシャフト炉20の還元鉄排出部25から排出される。第1実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100に用いられる原料は成分のばらつきが小さいことが好ましい。
(Method for producing direct reduced iron)
The direct reduced iron manufacturing method according to the present embodiment is a direct reduced iron manufacturing method using a shaft furnace and hydrogen gas, in which:
The direct reduced iron production method using the direct reduced iron production apparatus 100 according to the first embodiment includes a dust removal process for removing dust from the exhaust gas of the shaft furnace 20, a dehydration process for dehydrating the exhaust gas removed in the dust removal process to obtain a circulating gas, a hydrogen gas introduction process for introducing hydrogen gas into the circulating gas to obtain a pre-heated gas containing the circulating gas and hydrogen gas, a heating process for heating the pre-heated gas to obtain a reducing gas, and a hydrocarbon methane gas introduction process for introducing a hydrocarbon gas into at least one of the circulating gas, the pre-heated gas, and the reducing gas. The direct reduced iron production method using the direct reduced iron production apparatus 100 according to the first embodiment is described below. Raw material (iron oxide) is introduced into the raw material charging section 24 at the top of the shaft furnace 20. The raw material is reduced in the shaft furnace 20 by a reducing gas introduced through a reducing gas inlet 28 to produce reduced iron, which is then discharged from a reduced iron discharge section 25 of the shaft furnace 20. It is preferable that the raw material used in the direct reduced iron production apparatus 100 according to the first embodiment have small compositional variations.
シャフト炉20の還元ガス吹込口28から導入された還元ガスは、シャフト炉20で酸化鉄を還元したのち、シャフト炉20の排ガス排出口29から排ガスとして排出される。排出される排ガスは、未反応の水素ガスおよび炭化水素ガスと、酸化鉄の還元反応などで発生した水蒸気、一酸化炭素、および二酸化炭素と、が含まれる。排ガス排出口29から排出された排ガスは、除塵装置30で除塵し(除塵工程)、脱水装置40で脱水して循環ガスとし(脱水工程)、水素ガス導入装置65で循環ガスに水素ガスを導入し、循環ガスおよび水素ガスを含む加熱前ガスを得る(水素ガス導入工程)。次に、循環ガス及び水素ガスを含む加熱前ガスを加熱装置50で加熱して還元ガスとして(加熱工程)、シャフト炉20下部から炉内に導入される。排ガスの一部を系外排出してもよい。 The reducing gas introduced through the reducing gas inlet 28 of the shaft furnace 20 reduces the iron oxide in the shaft furnace 20, and is then discharged as exhaust gas from the exhaust gas outlet 29 of the shaft furnace 20. The discharged exhaust gas contains unreacted hydrogen gas and hydrocarbon gas, as well as water vapor, carbon monoxide, and carbon dioxide generated during the reduction reaction of the iron oxide, etc. The exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 29 is removed from the dust collector 30 (dust removal process), dehydrated in the dehydrator 40 to produce circulating gas (dehydration process), and hydrogen gas is introduced into the circulating gas in the hydrogen gas introduction device 65 to obtain pre-heated gas containing circulating gas and hydrogen gas (hydrogen gas introduction process). Next, the pre-heated gas containing circulating gas and hydrogen gas is heated in the heater 50 to produce reducing gas (heating process), which is then introduced into the furnace from the bottom of the shaft furnace 20. A portion of the exhaust gas may be discharged outside the system.
加熱した後の還元ガスには、シャフト炉20に導入される前に、炭化水素ガス導入装置60により炭化水素ガスが導入される(炭化水素ガス導入工程)。炭化水素ガスは、メタンガスなどが挙げられる。炭化水素ガスの導入量は、あらかじめ成分を分析した原料に応じ、式(2A)の炭化反応に用いられる程度の量に制御される。従って、炭化水素ガス導入装置60から適切に導入される炭化水素ガスは、炭化反応に用いられない余剰の炭化水素ガスを少なくできるので、炭化水素ガスの反応により発生する二酸化炭素の量を低減することができる。 After heating, hydrocarbon gas is introduced into the reducing gas by the hydrocarbon gas introduction device 60 before it is introduced into the shaft furnace 20 (hydrocarbon gas introduction process). Examples of hydrocarbon gas include methane gas. The amount of hydrocarbon gas introduced is controlled to the amount required for the carbonization reaction of formula (2A) based on the raw material whose components have been analyzed in advance. Therefore, the hydrocarbon gas appropriately introduced from the hydrocarbon gas introduction device 60 can reduce excess hydrocarbon gas not used in the carbonization reaction, thereby reducing the amount of carbon dioxide generated by the hydrocarbon gas reaction.
以上、第1実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100および直接還元鉄の製造方法について説明した。原料ガスに天然ガスを使用する従来の直接還元設備では、循環ガス中の二酸化炭素を除去又は分解する設備が組み込まれるので、炭化水素ガスを注入するのは容易であるが、本発明が対象とする原料ガスが水素ガスの場合、二酸化炭素を除去又は分解する設備は必要が無い。二酸化炭素を除去又は分解する設備が無い場合、過剰に炭化水素を注入すると循環ガスに二酸化炭素が蓄積するという問題がある。直接還元鉄の製造装置100によれば、水素ガスを使用する直接還元炉において、高温排出でも還元鉄の浸炭をすることができる。また、あらかじめ分析した原料に基づき、適切な量の炭化水素ガスを導入することで、炭化水素ガスの反応で発生した二酸化炭素の量を低減することができる。循環ガスは、直接還元鉄の製造装置100外で使用してもよい。 The direct reduced iron manufacturing apparatus 100 and the method for manufacturing direct reduced iron according to the first embodiment have been described above. Conventional direct reduction equipment that uses natural gas as the raw material gas incorporates equipment for removing or decomposing carbon dioxide in the circulating gas, making it easy to inject hydrocarbon gas. However, when the raw material gas targeted by the present invention is hydrogen gas, equipment for removing or decomposing carbon dioxide is not necessary. Without equipment for removing or decomposing carbon dioxide, the injection of excessive hydrocarbons can result in the accumulation of carbon dioxide in the circulating gas. The direct reduced iron manufacturing apparatus 100 enables carburization of reduced iron even with high-temperature discharge in a direct reduction furnace that uses hydrogen gas. Furthermore, by introducing an appropriate amount of hydrocarbon gas based on pre-analyzed raw materials, the amount of carbon dioxide generated by the reaction of the hydrocarbon gas can be reduced. The circulating gas may be used outside the direct reduced iron manufacturing apparatus 100.
第1実施形態では、炭化水素ガスは、加熱装置50で加熱した後の還元ガスに導入されていたが、炭化水素ガスは、循環ガス、加熱前ガス、および還元ガスのうち少なくとも1つへ導入されてもよい。炭化水素ガスは、加熱装置50で加熱する前の循環ガスまたは加熱前ガスに導入されてもよい。炭化水素ガスは、循環ガスおよび加熱前ガスに導入されてもよいし、加熱前ガスおよび還元ガスに導入されてもよいし、循環ガスおよび還元ガスに導入されてもよいし、循環ガス、加熱前ガス、および還元ガスへ導入されてもよい。炭化水素ガスを導入する際には、導入される還元ガスまたは循環ガス以上の圧力まで昇圧した炭化水素ガスを用いる。 In the first embodiment, the hydrocarbon gas was introduced into the reducing gas after it was heated by the heating device 50, but the hydrocarbon gas may also be introduced into at least one of the circulating gas, the pre-heating gas, and the reducing gas. The hydrocarbon gas may also be introduced into the circulating gas or the pre-heating gas before it is heated by the heating device 50. The hydrocarbon gas may be introduced into the circulating gas and the pre-heating gas, or into the pre-heating gas and the reducing gas, or into the circulating gas and the reducing gas, or into the circulating gas, the pre-heating gas, and the reducing gas. When introducing the hydrocarbon gas, the hydrocarbon gas is pressurized to a pressure equal to or higher than that of the reducing gas or circulating gas being introduced.
第1実施形態に係る還元ガスは、循環ガスおよび水素ガスの混合物を加熱したものであったが、第1実施形態では、シャフト炉20に導入される前に還元ガスに、炭化水素ガスが導入されている。即ち、シャフト炉20に導入される還元ガスは、循環ガス、水素ガス、炭化水素ガスを含む。 In the first embodiment, the reducing gas was a heated mixture of circulating gas and hydrogen gas, but in the first embodiment, hydrocarbon gas is introduced into the reducing gas before it is introduced into the shaft furnace 20. In other words, the reducing gas introduced into the shaft furnace 20 contains circulating gas, hydrogen gas, and hydrocarbon gas.
(第2実施形態)
次に第2実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100Aについて説明する。図2は、本発明の第2実施形態に係る直接還元鉄の製造装置の一例を示すフロー図である。直接還元鉄の製造装置100Aは、水素ガスを使用して直接還元鉄を製造するシャフト炉20と、シャフト炉20の排ガスを除塵する除塵装置30と、除塵された排ガスを脱水する脱水装置40と、循環ガスに水素ガスを導入し、循環ガス及び水素ガスを含む加熱前ガスを得る、水素ガス導入装置65と、加熱前ガスを加熱して還元ガスとする加熱装置50と、循環ガス、加熱前ガス、および還元ガスのうち少なくとも1つへ炭化水素ガスを導入する炭化水素ガス導入装置60と、排ガスまたは循環ガス中のトレーサーガスの濃度を測定するガス分析装置80と、排ガスまたは循環ガス中のトレーサーガスの濃度に応じて、前記炭化水素ガス導入装置60の炭化水素ガス導入量を制御する制御装置70と、を備える。以下、同じ構成要素については、同じ符号を付し、説明を省略する場合がある。
Second Embodiment
Next, a direct-reduced iron manufacturing apparatus 100A according to a second embodiment will be described. FIG. 2 is a flow diagram illustrating an example of the direct-reduced iron manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The direct-reduced iron manufacturing apparatus 100A includes a shaft furnace 20 that uses hydrogen gas to produce direct-reduced iron, a dust removal device 30 that removes dust from the exhaust gas of the shaft furnace 20, a dehydration device 40 that dehydrates the dust-removed exhaust gas, a hydrogen gas introduction device 65 that introduces hydrogen gas into the circulating gas to obtain a pre-heated gas containing the circulating gas and hydrogen gas, a heating device 50 that heats the pre-heated gas to produce a reducing gas, a hydrocarbon gas introduction device 60 that introduces a hydrocarbon gas into at least one of the circulating gas, the pre-heated gas, and the reducing gas, a gas analyzer 80 that measures the concentration of a tracer gas in the exhaust gas or the circulating gas, and a control device 70 that controls the amount of hydrocarbon gas introduced by the hydrocarbon gas introduction device 60 depending on the concentration of the tracer gas in the exhaust gas or the circulating gas. Hereinafter, the same components will be designated by the same reference numerals, and their description may be omitted.
(ガス分析装置80)
ガス分析装置80は、循環ガス中のトレーサーガスの濃度を測定する。ガス分析装置80は排ガス中のトレーサーガスの種類濃度などに応じて、適宜選択できる。トレーサーガスの濃度測定は連続的に行うことが好ましい。例えば、ガス分析装置80として、非分散赤外線分析計、ガスクロマトグラフなどを用いることができる。ここに、トレーサーガスとは、炭化水素ガスが炉内で分解、反応した後のガスであって、H2、水蒸気以外のガスである。トレーサーガスとしては、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素からなる群のうち、少なくとも1種でもよい。ガス中の濃度があがると還元を阻害することがあるので、トレーサーガスとして、二酸化炭素(CO2)で管理するのが特に好ましい。測定して得られたトレーサーガスの濃度は、制御装置70に送られる。
(Gas analyzer 80)
The gas analyzer 80 measures the concentration of the tracer gas in the circulating gas. The gas analyzer 80 can be appropriately selected depending on the type and concentration of the tracer gas in the exhaust gas. It is preferable to measure the tracer gas concentration continuously. For example, a non-dispersive infrared analyzer, a gas chromatograph, or the like can be used as the gas analyzer 80. Here, the tracer gas is a gas remaining after hydrocarbon gas has decomposed and reacted in the furnace, and is a gas other than H 2 and water vapor. The tracer gas may be at least one selected from the group consisting of methane, carbon monoxide, and carbon dioxide. Since an increase in the concentration in the gas can inhibit reduction, it is particularly preferable to use carbon dioxide (CO 2 ) as the tracer gas. The measured tracer gas concentration is sent to the control device 70.
(制御装置70)
制御装置70は、ガス分析装置80で測定された排ガス中のトレーサーガスの濃度に応じて、炭化水素ガス導入装置の炭化水素ガス導入量を制御する。例えば、図5の限界点Gを超えた場合、制御装置70は、例えば、バルブ62を制御し、炭化水素ガス導入量を少なくする。また、制御装置70は、水素ガス導入装置を制御し、還元に消費された分に相当する水素ガスを導入する。
(Control device 70)
The control device 70 controls the amount of hydrocarbon gas introduced by the hydrocarbon gas introducing device in accordance with the concentration of the tracer gas in the exhaust gas measured by the gas analyzer 80. For example, when the limit point G in Fig. 5 is exceeded, the control device 70 controls, for example, the valve 62 to reduce the amount of hydrocarbon gas introduced. The control device 70 also controls the hydrogen gas introducing device to introduce hydrogen gas equivalent to the amount consumed in the reduction.
制御装置70は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサーとメモリーとを用いて構成されてもよい。制御装置70は、プロセッサーがプログラムを実行することによって、バルブ62を操作し、炭化水素ガス導入量を制御する。なお、制御装置70の機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されても良い。上記のプログラムは、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録されても良い。コンピューター読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM、半導体記憶装置(例えばSSD:Solid State Drive)等の可搬媒体、コンピューターシステムに内蔵されるハードディスクや半導体記憶装置等の記憶装置である。上記のプログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。 The control device 70 may be configured using, for example, a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and memory. The control device 70 operates the valve 62 and controls the amount of hydrocarbon gas introduced by the processor executing a program. Note that all or part of the functions of the control device 70 may be realized using hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), PLD (Programmable Logic Device), or FPGA (Field Programmable Gate Array). The above program may be recorded on a computer-readable recording medium. Examples of computer-readable recording media include portable media such as flexible disks, optical magnetic disks, ROMs, CD-ROMs, and semiconductor storage devices (e.g., SSDs: Solid State Drives), as well as storage devices such as hard disks and semiconductor storage devices built into computer systems. The above programs may also be transmitted via telecommunications lines.
(直接還元鉄の製造方法)
以下、第2実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100Aを用いた直接還元鉄の製造方法について説明する。シャフト炉20上部の原料装入部24から原料(酸化鉄)が投入される。原料は、シャフト炉20内で、還元ガス吹込口28から導入される還元ガスで還元されて還元鉄となりシャフト炉20の還元鉄排出部25から排出される。
(Method for producing direct reduced iron)
A method for manufacturing direct reduced iron using the direct reduced iron manufacturing apparatus 100A according to the second embodiment will be described below. Raw materials (iron oxide) are charged into the shaft furnace 20 through a raw material charging section 24 at the top of the shaft furnace 20. The raw materials are reduced in the shaft furnace 20 by a reducing gas introduced through a reducing gas inlet 28 to become reduced iron, which is then discharged from a reduced iron discharge section 25 of the shaft furnace 20.
シャフト炉20の還元ガス吹込口28から導入された還元ガスは、シャフト炉20で酸化鉄を還元したのち、シャフト炉20の排ガス排出口29から排ガスとして排出される。排出される排ガスは、水素ガス、上述の水蒸気ガス、二酸化炭素、一酸化炭素などを含有する。排ガス排出口29から排出された排ガスは、除塵装置30で除塵し(除塵工程)、脱水して循環ガスとし(脱水工程)、循環ガスに水素ガスを導入し、循環ガスおよび水素ガスを含む加熱前ガスを得る(水素ガス導入工程)。加熱前ガスを加熱装置50で加熱して還元ガスとして(加熱工程)、シャフト炉20下部から炉内に導入される。排ガスの一部を系外排出してもよい。ガス分析装置80は、循環ガス中のトレーサーガスの濃度を測定する。循環ガスに導入される水素ガス還元に消費された分に相当する量であることが好ましい。 The reducing gas introduced through the reducing gas inlet 28 of the shaft furnace 20 reduces iron oxide in the shaft furnace 20 and is then discharged as exhaust gas from the exhaust gas outlet 29 of the shaft furnace 20. The discharged exhaust gas contains hydrogen gas, the aforementioned water vapor gas, carbon dioxide, carbon monoxide, and other components. The exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 29 is dusted in the dust removal device 30 (dust removal process), dehydrated to form a circulating gas (dehydration process), and hydrogen gas is introduced into the circulating gas to obtain a pre-heated gas containing the circulating gas and hydrogen gas (hydrogen gas introduction process). The pre-heated gas is heated in the heating device 50 to form a reducing gas (heating process), which is then introduced into the furnace from the bottom of the shaft furnace 20. A portion of the exhaust gas may be discharged outside the system. The gas analyzer 80 measures the concentration of the tracer gas in the circulating gas. It is preferable that the amount measured corresponds to the amount consumed in the hydrogen gas reduction introduced into the circulating gas.
加熱した後の還元ガスには、シャフト炉20に導入される前に、炭化水素ガス導入装置60および制御装置70によりトレーサーガスの濃度に応じた炭化水素ガスが導入される(炭化水素ガス導入工程)。ここでは、炭化水素ガスとしてメタンガスを用いた場合を例に挙げて各反応について説明する。還元ガスに導入されたメタンガスは、上記(2A)式に基づき、還元鉄と反応する。この反応で消費される以上のメタンガスを導入すると、循環ガス中の二酸化炭素濃度が上昇し、酸化鉄の還元反応の障害となる。原料ガスとして天然ガスを使用する直接還元設備では、循環ガス中のCO2を除去又は分解する設備が組み込まれるので炭化水素ガスを注入するのは容易であるが、本発明が対象とする原料ガスが水素の場合にはCO2の除去又は分解する設備はない。そのため、直接還元鉄の製造装置100Aでは、循環ガスに二酸化炭素が蓄積しないように、適切な炭化水素ガス導入量に制御することが重要となる。
以下、トレーサーガスの濃度に基づく、炭化水素ガスの導入量の調整方法について説明する。
Before being introduced into the shaft furnace 20, the heated reducing gas is introduced with a hydrocarbon gas corresponding to the concentration of the tracer gas by the hydrocarbon gas introduction device 60 and the control device 70 (hydrocarbon gas introduction step). Here, each reaction will be described using an example in which methane gas is used as the hydrocarbon gas. The methane gas introduced into the reducing gas reacts with reduced iron according to the above formula (2A). If more methane gas is introduced than is consumed in this reaction, the carbon dioxide concentration in the circulating gas increases, hindering the reduction reaction of iron oxide. Direct reduction equipment using natural gas as the feed gas incorporates equipment for removing or decomposing CO2 in the circulating gas, making it easy to inject hydrocarbon gas. However, when the feed gas of the present invention is hydrogen, no equipment for removing or decomposing CO2 is available. Therefore, in the direct reduced iron manufacturing apparatus 100A, it is important to appropriately control the amount of hydrocarbon gas introduced to prevent carbon dioxide from accumulating in the circulating gas.
A method for adjusting the amount of hydrocarbon gas introduced based on the concentration of the tracer gas will be described below.
「炭化水素ガスの導入量と還元鉄中の炭素濃度と、二酸化炭素ガス量との関係」
まず、炭化水素ガスの導入量と還元鉄中の炭素濃度と、二酸化炭素ガス量との関係について説明する。
図3は、炭化水素ガスの導入量と還元鉄中の炭素濃度との関係を説明するための図である。図3の横軸は、炭化水素ガスの導入量を示し、縦軸は、還元鉄中の炭素濃度を示す。図4は、炭化水素ガスの導入量と還元鉄に含有されない炭素濃度との関係を説明するための図である。図4の横軸は、炭化水素ガスの導入量を示し、縦軸は、還元鉄に含まれない炭素濃度を示す。図5は、炭化水素ガスの導入量と循環ガス中のトレーサーガス(CO2)濃度との関係を説明するための図である。図5の横軸は、炭化水素ガスの導入量を示し、縦軸は、循環ガス中のトレーサーガスの濃度を示す。限界点Gまでは、炭化水素ガスの導入量とともに、還元鉄中の炭素濃度が上昇する(図3)。循環ガスの系外排出などがない場合には、炭化水素ガスの導入量と還元鉄中の炭素濃度とは、相関関係にある。限界点Gを超えると、還元鉄中の炭素濃度は、上昇が緩やかになる。還元鉄中の炭素濃度の上昇が緩やかになると、炭化水素ガスの導入量を増やしても還元鉄中に取り込まれないため、還元鉄中に含有されない炭素(メタンガス、メタンガスの分解物など)の濃度が上昇する(図4)。トレーサーガスを分析することで、還元鉄中に取り込まれなかった炭素の量を把握することができる。一方、余剰炭化水素ガスから二酸化炭素が生成され、シャフト炉20内でのトレーサーガス濃度(例えば、二酸化炭素濃度)が急激に上昇する(図5)。一定量の二酸化炭素は、上記(2C)の反応などで消費されるが、当該消費量を超えた分の二酸化炭素は、循環ガスに蓄積していく。
"Relationship between the amount of hydrocarbon gas introduced, the carbon concentration in reduced iron, and the amount of carbon dioxide gas"
First, the relationship between the amount of hydrocarbon gas introduced, the carbon concentration in reduced iron, and the amount of carbon dioxide gas will be described.
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the amount of hydrocarbon gas introduced and the carbon concentration in reduced iron. In FIG. 3, the horizontal axis represents the amount of hydrocarbon gas introduced, and the vertical axis represents the carbon concentration in reduced iron. FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the amount of hydrocarbon gas introduced and the carbon concentration not contained in reduced iron. In FIG. 4, the horizontal axis represents the amount of hydrocarbon gas introduced, and the vertical axis represents the carbon concentration not contained in reduced iron. FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the amount of hydrocarbon gas introduced and the tracer gas (CO 2 ) concentration in the circulating gas. In FIG. 5, the horizontal axis represents the amount of hydrocarbon gas introduced, and the vertical axis represents the tracer gas concentration in the circulating gas. Up to a limit G, the carbon concentration in reduced iron increases with the amount of hydrocarbon gas introduced ( FIG. 3 ). When the circulating gas is not discharged outside the system, there is a correlation between the amount of hydrocarbon gas introduced and the carbon concentration in reduced iron. Beyond the limit G, the increase in the carbon concentration in reduced iron becomes gradual. When the increase in the carbon concentration in the reduced iron becomes gradual, the hydrocarbon gas introduced is not incorporated into the reduced iron even if the amount of introduced hydrocarbon gas is increased, and the concentration of carbon not contained in the reduced iron (methane gas, decomposition products of methane gas, etc.) increases ( FIG. 4 ). The amount of carbon not incorporated into the reduced iron can be determined by analyzing the tracer gas. Meanwhile, carbon dioxide is produced from the excess hydrocarbon gas, and the tracer gas concentration (e.g., carbon dioxide concentration) in the shaft furnace 20 increases rapidly ( FIG. 5 ). A certain amount of carbon dioxide is consumed by the reaction (2C) described above, but any carbon dioxide exceeding this consumption amount accumulates in the circulating gas.
次に、横軸を時間軸にした図を用いて本プロセスを説明する。図6(a)は、炭化水素ガスの導入量と時間との関係を説明するための図であり、図6(b)は、還元鉄中の炭素濃度と時間との関係を説明するための図であり、図6(c)は、循環ガス中のトレーサーガス濃度と時間との関係を説明するための図である。ここでは経過時間に比例して導入される炭化水素ガスの量を増加させている(図6(a))。すると導入される炭化水素ガスの量が増えるにつれ、還元鉄中の炭素濃度は、比例して増加する。還元鉄中の炭素濃度の限界点に近づくと、時間が経過しても還元鉄中の炭素濃度の上昇が緩やかになる(図6(b))。還元鉄中の炭素濃度の上昇が緩やかになると、還元鉄に取り込まれない余剰炭化水素ガスから二酸化炭素が生成される。そのため、還元鉄中の炭素濃度の上昇が緩やかになると、時間経過とともにシャフト炉20内でのトレーサーガス濃度(例えば、二酸化炭素濃度)が急激に上昇する(図6(c))。 Next, this process will be explained using a diagram with time on the horizontal axis. Figure 6(a) is a diagram illustrating the relationship between the amount of hydrocarbon gas introduced and time, Figure 6(b) is a diagram illustrating the relationship between the carbon concentration in the reduced iron and time, and Figure 6(c) is a diagram illustrating the relationship between the tracer gas concentration in the circulating gas and time. Here, the amount of hydrocarbon gas introduced is increased in proportion to the elapsed time (Figure 6(a)). As the amount of hydrocarbon gas introduced increases, the carbon concentration in the reduced iron increases proportionally. As the carbon concentration in the reduced iron approaches its limit, the increase in the carbon concentration in the reduced iron becomes more gradual over time (Figure 6(b)). As the increase in carbon concentration in the reduced iron becomes more gradual, carbon dioxide is generated from the excess hydrocarbon gas that is not incorporated into the reduced iron. Therefore, as the increase in carbon concentration in the reduced iron becomes more gradual, the tracer gas concentration (e.g., carbon dioxide concentration) in the shaft furnace 20 increases rapidly over time (Figure 6(c)).
炭化水素ガス導入量の調整は、例えば、以下の方法で行うことができる。
予め炭化水素ガス導入量と還元鉄炭素濃度およびトレーサーガス濃度との対応関係を定めておき、還元鉄炭素濃度の目標値Aから例えば、炭化水素ガス導入量Bを決定する(図3)。次に、ガス分析装置80を用いて循環ガス中のトレーサーガスの濃度を連続して測定する。測定値が炭化水素ガス導入量Bから想定される図5の想定値Cの変動範囲内であれば、正常運転状態と判断して操業を継続する。測定値が、想定値Cの変動範囲を超えれば、異常運転状態と判断し、炭化水素ガス導入量を増減させる。循環ガスの系外排出でトレーサー濃度を低下させることも可能だが、エネルギーロスの点から循環ガスは排出しないことが好ましい。
The amount of hydrocarbon gas introduced can be adjusted, for example, by the following method.
The correspondence relationship between the hydrocarbon gas introduction rate and the reduced iron carbon concentration and tracer gas concentration is determined in advance, and the hydrocarbon gas introduction rate B, for example, is determined from the target reduced iron carbon concentration value A (FIG. 3). Next, the tracer gas concentration in the circulating gas is continuously measured using a gas analyzer 80. If the measured value is within the range of variation of the estimated value C in FIG. 5, which is estimated from the hydrocarbon gas introduction rate B, it is determined to be a normal operating state, and operation is continued. If the measured value exceeds the range of variation of the estimated value C, it is determined to be an abnormal operating state, and the hydrocarbon gas introduction rate is increased or decreased. Although it is possible to reduce the tracer concentration by discharging the circulating gas outside the system, it is preferable not to discharge the circulating gas in order to avoid energy loss.
炭化水素ガス導入量の調整は、以下の方法でも行うことができる。炭化水素ガス導入量、還元鉄の炭素濃度および循環ガスのトレーサー濃度からシャフト炉20内における炭素の蓄積状況を推定する。炭素のシャフト炉20内で蓄積が進行していると判断した場合(例えば、循環ガスのトレーサーガス濃度が急激に上昇した場合)に、炭化水素ガス導入量を減少させる。循環ガスの系外排出でトレーサー濃度を低下させることも可能だが、エネルギーロスの点では排出しないのが望ましい。以上のように、炭化水素ガス導入量を制御することで、循環ガス中の炭素濃度を一定の範囲にすることができる。 The amount of hydrocarbon gas introduced can also be adjusted in the following way. The carbon accumulation status within the shaft furnace 20 is estimated from the amount of hydrocarbon gas introduced, the carbon concentration of the reduced iron, and the tracer concentration of the circulating gas. If it is determined that carbon is accumulating within the shaft furnace 20 (for example, if the tracer gas concentration of the circulating gas rises suddenly), the amount of hydrocarbon gas introduced is reduced. It is possible to reduce the tracer concentration by discharging the circulating gas outside the system, but in terms of energy loss, it is preferable not to discharge it. As described above, by controlling the amount of hydrocarbon gas introduced, the carbon concentration in the circulating gas can be kept within a certain range.
以上、第2実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100Aおよび直接還元鉄の製造方法について説明した。直接還元鉄の製造装置100Aによれば、水素ガスを使用する直接還元炉において、高温排出でも還元鉄の浸炭をすることができる。トレーサーガスの濃度に応じて、炭化水素ガスの導入量を制御するので、成分のばらつきが大きい原料を用いた場合でも二酸化炭素の発生量を低減できる。 The direct reduced iron manufacturing apparatus 100A and the method for manufacturing direct reduced iron according to the second embodiment have been described above. The direct reduced iron manufacturing apparatus 100A allows carburization of reduced iron even at high temperatures in a direct reduction furnace that uses hydrogen gas. The amount of hydrocarbon gas introduced is controlled according to the concentration of the tracer gas, so the amount of carbon dioxide generated can be reduced even when raw materials with large variations in composition are used.
直接還元鉄の製造装置100Aでは、脱水装置40で脱水した後の循環ガスを用いてトレーサーガスの濃度を測定していたが、トレーサーの濃度は、加熱装置50で加熱する前であれば、測定するタイミングは特に限定されない。例えば、除塵装置30で除塵した後の排ガスを測定してもよい。 In the direct reduced iron manufacturing apparatus 100A, the tracer gas concentration was measured using the circulating gas after dehydration in the dehydration device 40, but the timing of measuring the tracer concentration is not particularly limited as long as it is measured before heating in the heating device 50. For example, the exhaust gas after dust removal in the dust removal device 30 may also be measured.
第2実施形態では、炭化水素ガスは、還元ガスに導入されていたが、炭化水素ガスは、循環ガス、加熱前ガスに導入されてもよい。炭化水素ガスを導入する際には、導入される還元ガスまたは循環ガス以上の圧力まで昇圧した炭化水素ガスを用いる。炭化水素ガスが循環ガスに導入される場合、ガス分析装置80は、炭化水素ガスが循環ガスに導入される前に、循環ガス中のトレーサーガスの濃度を測定する。また、ガス分析装置80は、水素ガス量を測定してもよい。 In the second embodiment, the hydrocarbon gas was introduced into the reducing gas, but the hydrocarbon gas may also be introduced into the circulating gas or the gas before heating. When introducing the hydrocarbon gas, the hydrocarbon gas is pressurized to a pressure equal to or higher than that of the reducing gas or circulating gas being introduced. When the hydrocarbon gas is introduced into the circulating gas, the gas analyzer 80 measures the concentration of the tracer gas in the circulating gas before the hydrocarbon gas is introduced into the circulating gas. The gas analyzer 80 may also measure the amount of hydrogen gas.
(第3実施形態)
次に第3実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100Bについて説明する。図7は、本発明の第3実施形態に係る直接還元鉄の製造装置の一例を示すフロー図である。直接還元鉄の製造装置100Bは、水素ガスを使用して直接還元鉄を製造するシャフト炉20と、シャフト炉20の排ガスを除塵する除塵装置30と、除塵された排ガスを脱水し、循環ガスを得る脱水装置40と、循環ガスに水素ガスを導入し、循環ガス及び水素ガスを含む加熱前ガスを得る、水素ガス導入装置65と、加熱前ガスを加熱して還元ガスとする加熱装置50と、循環ガス、加熱前ガス、および還元ガスのうち少なくとも1つへ炭化水素ガスを導入する炭化水素ガス導入装置60と、排ガスまたは循環ガス中のトレーサーガスの濃度を測定するガス分析装置80と、排ガスまたは循環ガス中のトレーサーガスの濃度に応じて、炭化水素ガス導入装置60の炭化水素ガス導入量を制御する制御装置70と、直接還元鉄中の炭素濃度を測定する炭素分析装置90を備える。以下、同じ構成要素については、同じ符号を付し、説明を省略する場合がある。
(Third embodiment)
Next, a direct-reduced iron manufacturing apparatus 100B according to a third embodiment will be described. Fig. 7 is a flow diagram showing an example of the direct-reduced iron manufacturing apparatus according to the third embodiment of the present invention. The direct-reduced iron manufacturing apparatus 100B includes a shaft furnace 20 that uses hydrogen gas to produce direct-reduced iron, a dust removal device 30 that removes dust from the exhaust gas of the shaft furnace 20, a dehydration device 40 that dehydrates the dust-removed exhaust gas to obtain a circulating gas, a hydrogen gas introduction device 65 that introduces hydrogen gas into the circulating gas to obtain a pre-heating gas containing the circulating gas and hydrogen gas, a heating device 50 that heats the pre-heating gas to obtain a reducing gas, a hydrocarbon gas introduction device 60 that introduces a hydrocarbon gas into at least one of the circulating gas, the pre-heating gas, and the reducing gas, a gas analyzer 80 that measures the concentration of a tracer gas in the exhaust gas or the circulating gas, a control device 70 that controls the amount of hydrocarbon gas introduced by the hydrocarbon gas introduction device 60 depending on the concentration of the tracer gas in the exhaust gas or the circulating gas, and a carbon analyzer 90 that measures the carbon concentration in the direct-reduced iron. Hereinafter, the same components will be given the same reference numerals and descriptions thereof may be omitted.
(炭素分析装置90)
炭素分析装置90は、還元鉄排出部25から排出された直接還元鉄中の炭素濃度を測定する。直接還元鉄中の炭素濃度は、例えば、直接還元鉄中の炭素濃度は、JIS G 1211-3、燃焼‐赤外線吸収法に準じて測定することができる。測定された炭素濃度は、制御装置70に送られる。
(Carbon analyzer 90)
The carbon analyzer 90 measures the carbon concentration in the directly reduced iron discharged from the reduced iron discharge unit 25. The carbon concentration in the directly reduced iron can be measured, for example, in accordance with JIS G 1211-3, the combustion-infrared absorption method. The measured carbon concentration is sent to the control device 70.
(制御装置70)
制御装置70は、ガス分析装置80で測定された循環ガスまたは排ガス中のトレーサーガスの濃度および直接還元鉄中の炭素濃度に応じて、炭化水素ガス導入装置60の炭化水素ガス導入量を制御する。制御装置70は、例えば、バルブ62を制御し、炭化水素ガス導入量を制御する。また、制御装置70は、水素ガス導入装置を制御し、還元に消費された分に相当する水素ガスを導入する。
(Control device 70)
Control device 70 controls the amount of hydrocarbon gas introduced by hydrocarbon gas introducing device 60 in accordance with the concentration of the tracer gas in the circulating gas or exhaust gas and the carbon concentration in the direct reduced iron measured by gas analyzer 80. Control device 70 controls the amount of hydrocarbon gas introduced, for example, by controlling valve 62. Control device 70 also controls the hydrogen gas introducing device to introduce hydrogen gas equivalent to the amount consumed in reduction.
(直接還元鉄の製造方法)
以下、第3実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100Bを用いた直接還元鉄の製造方法について説明する。シャフト炉20上部の原料装入部24から原料(酸化鉄)が投入される。原料は、シャフト炉20内で、還元ガス吹込口28から導入される還元ガスで還元されて還元鉄となりシャフト炉20の還元鉄排出部25から排出される。
(Method for producing direct reduced iron)
A method for manufacturing direct reduced iron using the direct reduced iron manufacturing apparatus 100B according to the third embodiment will be described below. Raw materials (iron oxide) are charged into the shaft furnace 20 through a raw material charging section 24 at the top of the shaft furnace 20. The raw materials are reduced in the shaft furnace 20 by a reducing gas introduced through a reducing gas inlet 28 to become reduced iron, which is then discharged from a reduced iron discharge section 25 of the shaft furnace 20.
シャフト炉20の還元ガス吹込口28から導入された還元ガスは、シャフト炉20で酸化鉄を還元したのち、シャフト炉20の排ガス排出口29から排ガスとして排出される。排出される排ガスは、水素ガス、上述の水蒸気ガス、二酸化炭素、一酸化炭素などを含有する。排ガス排出口29から排出された排ガスは、除塵装置30で除塵し(除塵工程)、脱水して循環ガスとし(脱水工程)、循環ガスに水素ガスを導入し、循環ガスおよび水素ガスを含む加熱前ガスを得る(水素ガス導入工程)。加熱装置50で加熱前ガスを加熱して還元ガスとする(加熱工程)。還元ガスは、シャフト炉下部から炉内に導入される。排ガスの一部を系外排出してもよい。循環ガスに導入される水素ガス還元に消費された分に相当する量であることが好ましい。 The reducing gas introduced through the reducing gas inlet 28 of the shaft furnace 20 reduces iron oxide in the shaft furnace 20, and is then discharged as exhaust gas from the exhaust gas outlet 29 of the shaft furnace 20. The discharged exhaust gas contains hydrogen gas, the above-mentioned water vapor gas, carbon dioxide, carbon monoxide, etc. The exhaust gas discharged from the exhaust gas outlet 29 is dusted in the dust removal device 30 (dust removal process), dehydrated to produce circulating gas (dehydration process), and hydrogen gas is introduced into the circulating gas to obtain pre-heating gas containing circulating gas and hydrogen gas (hydrogen gas introduction process). The pre-heating gas is heated in the heating device 50 to produce reducing gas (heating process). The reducing gas is introduced into the furnace from the bottom of the shaft furnace. A portion of the exhaust gas may be discharged outside the system. It is preferable that the amount of hydrogen gas introduced into the circulating gas corresponds to the amount consumed in the reduction.
加熱した後の還元ガスには、炭化水素ガス導入装置60および制御装置70によりトレーサーガスの濃度および直接還元鉄中の炭素濃度に応じた炭化水素ガスが導入される(炭化水素ガス導入工程)。還元ガスに導入された炭化水素ガスがメタンガスである場合、上記(2A)式に基づき、導入されたメタンガスは還元鉄と反応する。この反応で消費される以上のメタンガスを導入すると、循環ガス中の二酸化炭素濃度が上昇し、酸化鉄の還元反応の障害となる。そのため、直接還元鉄の製造装置100Bでは、循環ガス中の二酸化炭素の濃度が所定の範囲となるように制御する。また、原料の差異によって、目標炭素濃度とならない場合があるため、直接還元鉄の製造装置100Bでは、直接還元鉄の炭素濃度が所定の範囲となるように、炭化水素ガス導入量を制御する。 After heating, hydrocarbon gas is introduced into the reducing gas by hydrocarbon gas introduction device 60 and control device 70 in an amount corresponding to the concentration of the tracer gas and the carbon concentration in the direct reduced iron (hydrocarbon gas introduction process). If the hydrocarbon gas introduced into the reducing gas is methane gas, it reacts with the reduced iron based on equation (2A) above. If more methane gas is introduced than is consumed in this reaction, the carbon dioxide concentration in the circulating gas increases, hindering the reduction reaction of iron oxide. Therefore, direct reduced iron manufacturing apparatus 100B controls the carbon dioxide concentration in the circulating gas to fall within a specified range. Furthermore, because the target carbon concentration may not be achieved due to differences in the raw materials, direct reduced iron manufacturing apparatus 100B controls the amount of hydrocarbon gas introduced so that the carbon concentration of the direct reduced iron falls within a specified range.
炭化水素ガス導入量の調整は、例えば、以下の方法で行うことができる。
予め炭化水素ガス導入量と還元鉄炭素濃度およびトレーサーガス濃度との対応関係を定めておき、還元鉄炭素濃度の目標値Aから図3の炭化水素ガス導入量Bを決定する。次に、炭素分析装置90を用いて直接還元鉄の炭素濃度を測定する。測定値が目標とする炭素濃度の変動範囲内であれば、正常運転状態と判断して操業を継続する。測定値が、目標とする炭素濃度よりも高い場合は、炭化水素ガス導入量を減少させ、測定値が目標とする炭素濃度よりも低い場合は、炭化水素ガス導入量を増加させる。このように炭化水素ガス導入量を制御することで直接還元鉄の炭素濃度を適切な範囲に制御することができる。
The amount of hydrocarbon gas introduced can be adjusted, for example, by the following method.
The correspondence relationship between the hydrocarbon gas introduction rate and the carbon concentration of reduced iron and the tracer gas concentration is determined in advance, and the hydrocarbon gas introduction rate B in Figure 3 is determined from the target value A of the carbon concentration of reduced iron. Next, the carbon concentration of the directly reduced iron is measured using a carbon analyzer 90. If the measured value is within the fluctuation range of the target carbon concentration, it is determined that the operation is normal and operation is continued. If the measured value is higher than the target carbon concentration, the hydrocarbon gas introduction rate is reduced, and if the measured value is lower than the target carbon concentration, the hydrocarbon gas introduction rate is increased. By controlling the hydrocarbon gas introduction rate in this way, the carbon concentration of the directly reduced iron can be controlled within an appropriate range.
以上、第3実施形態にかかる直接還元鉄の製造装置100Bおよび直接還元鉄の製造方法について説明した。直接還元鉄の製造装置100Bによれば、水素ガスを使用する直接還元炉において、高温排出でも還元鉄の浸炭をすることができる。直接還元鉄中の炭素濃度に応じて、炭化水素ガスの導入量を制御するので、直接還元鉄中の炭素濃度を適切な範囲に制御することができる。 The above describes the direct reduced iron manufacturing apparatus 100B and the method for manufacturing direct reduced iron according to the third embodiment. The direct reduced iron manufacturing apparatus 100B makes it possible to carburize reduced iron even when high-temperature discharge is used in a direct reduction furnace that uses hydrogen gas. The amount of hydrocarbon gas introduced is controlled according to the carbon concentration in the direct reduced iron, so the carbon concentration in the direct reduced iron can be controlled within an appropriate range.
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。 The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Furthermore, the components in the above-described embodiments can be replaced with well-known components as appropriate, and the above-described modifications can be combined as appropriate, without departing from the spirit of the present invention.
直接還元鉄の製造装置は、水素ガスを使用する直接還元炉において、高温排出でも還元鉄の浸炭が可能であるので、産業上の利用可能性が高い。 The direct reduced iron manufacturing equipment has high industrial applicability because it is possible to carburize reduced iron even at high temperatures in a direct reduction furnace that uses hydrogen gas.
20 シャフト炉、30 除塵装置、40 脱水装置、50 加熱装置、60 炭化水素ガス導入装置、70 制御装置、 80 ガス分析装置、90 炭素分析装置、100 直接還元鉄の製造装置 20. Shaft furnace, 30. Dust removal device, 40. Dehydration device, 50. Heating device, 60. Hydrocarbon gas introduction device, 70. Control device, 80. Gas analyzer, 90. Carbon analyzer, 100. Direct reduced iron production device
Claims (5)
前記シャフト炉の排ガスを除塵する除塵装置と、
前記除塵された前記排ガスを脱水し、循環ガスを得る脱水装置と、
前記循環ガスに前記水素ガスを導入し、前記循環ガス及び前記水素ガスを含む加熱前ガスを得る、水素ガス導入装置と、
前記加熱前ガスを加熱して還元ガスとする、加熱装置と、
前記循環ガス、前記加熱前ガス、および前記還元ガスのうち少なくとも1つへ炭化水素ガスを導入する炭化水素ガス導入装置と、
を備える、直接還元鉄の製造装置。 a shaft furnace for producing direct reduced iron using hydrogen gas;
a dust removal device for removing dust from the exhaust gas of the shaft furnace;
a dehydration device that dehydrates the dust-removed exhaust gas to obtain a circulating gas;
a hydrogen gas introducing device that introduces the hydrogen gas into the circulation gas to obtain a pre-heated gas containing the circulation gas and the hydrogen gas;
a heating device that heats the unheated gas to form a reducing gas;
a hydrocarbon gas introducing device that introduces a hydrocarbon gas into at least one of the circulation gas, the pre-heated gas, and the reducing gas;
A direct reduced iron manufacturing apparatus comprising:
前記トレーサーガスの濃度に応じて、前記炭化水素ガス導入装置の炭化水素ガス導入量を制御する制御装置と、
をさらに備える、請求項1に記載の直接還元鉄の製造装置。 a gas analyzer for measuring the concentration of a tracer gas in the exhaust gas or the circulating gas;
a control device that controls the amount of hydrocarbon gas introduced by the hydrocarbon gas introducing device in accordance with the concentration of the tracer gas;
The apparatus for producing direct reduced iron according to claim 1 , further comprising:
前記シャフト炉の排ガスを除塵する除塵工程と、
前記除塵工程で除塵された前記排ガスを脱水し、循環ガスを得る脱水工程と、
前記循環ガスに前記水素ガスを導入し、前記循環ガスおよび前記水素ガスを含む加熱前ガスを得る水素ガス導入工程と、
前記加熱前ガスを加熱して還元ガスとする加熱工程と、
前記循環ガス、前記加熱前ガスおよび前記還元ガスのうち少なくとも1つへ炭化水素ガスを導入する炭化水素ガス導入工程と、
を含む、直接還元鉄の製造方法。 A method for producing direct reduced iron using a shaft furnace and hydrogen gas, comprising:
a dust removal step of removing dust from the exhaust gas of the shaft furnace;
a dehydration step of dehydrating the exhaust gas from which dust has been removed in the dust removal step to obtain a circulating gas;
a hydrogen gas introducing step of introducing the hydrogen gas into the circulation gas to obtain a pre-heated gas containing the circulation gas and the hydrogen gas;
a heating step of heating the pre-heated gas to form a reducing gas;
a hydrocarbon gas introducing step of introducing a hydrocarbon gas into at least one of the circulation gas, the pre-heated gas, and the reducing gas;
A method for producing direct reduced iron, comprising:
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