直接还原铁的制造装置及直接还原铁的制造方法 |
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| 申请号 | CN201380063455.1 | 申请日 | 2013-12-05 | 公开(公告)号 | CN104838019A | 公开(公告)日 | 2015-08-12 |
| 申请人 | 新日铁住金工程技术株式会社; | 发明人 | 市川宏; 中山俊孝; 大泽靖之; | ||||
| 摘要 | 直接还原 铁 的制造装置(100)包括：变换反应器(25)，其利用 水 煤 气 变换反应而由直接还原炉(30)的排出气体获得氢浓度比排出气体的氢浓度高的反应气体；脱CO2设备(28)，其用于减少反应气体所包含的二 氧 化 碳 而获得含有氢的循环气体；加热器(29)，其用于加热向直接还原炉(30)供给的循环气体；连结部(51)，其用于使循环气体与煤气在位于加热器(29)与直接还原炉(30)之间的气体流路(21)中汇合；以及减压部(19)，其位于煤 气化 炉(10)与连结部(51)之间的煤气的气体流路中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种直接还原铁的制造装置，其使用在煤气化炉中使煤气化而获得的煤气，在直接还原炉中直接还原氧化铁原料，其中， |
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| 说明书全文 | 直接还原铁的制造装置及直接还原铁的制造方法技术领域[0001] 本发明涉及直接还原铁的制造装置及直接还原铁的制造方法。 背景技术[0002] 公知有如下方法：在直接还原炉中，使铁矿石所包含的氧化铁与一氧化碳或氢等还原性气体接触来进行还原，从而制造直接还原铁。在这样的方法中所使用的还原性气体能够通过使煤在煤气化炉中气化来生成。作为直接还原炉采用例如竖式直接还原炉。在自直接还原炉排出的排出气体中，除了含有由于氧化铁的还原反应而产生的二氧化碳及水分以外，还含有未反应的成分，即一氧化碳及氢。因此，自直接还原炉排出的排出气体在利用湿式集尘设备等冷却及清洗而去除了二氧化碳、水分之后，在直接还原炉中被再利用。 [0003] 例如，在专利文献1中，将自直接还原炉排出的排出气体以如下方式进行循环利用。自直接还原炉排出的排出气体在换热器中被冷却之后，在洗涤器中与水接触而被冷却及清洗。冷却及清洗后的气体在气体压缩机中被升压之后，与由碳化氢的气化装置所供给的合成气体汇合。在此，由碳化氢的气化装置所供给的合成气体在与循环气体汇合之前，利用冷却器、洗涤器及变换反应器而进行气体的冷却、清洗及组成的调整。 [0004] 汇合后的气体在二氧化碳的去除装置中被去除了二氧化碳之后，在加热器中被加热至800℃以上之后，被供给至直接还原炉。如此，循环使用来自直接还原炉的排出气体，来实现还原气体成分的有效活用。 [0005] 现有技术文献 [0006] 专利文献 发明内容[0008] 发明要解决的问题 [0009] 可是，氢的分子的大小小于一氧化碳的分子的大小，因此，能够容易地浸透到铁矿石的内部。因而，认为提高还原性气体中的氢的比率是提高直接还原炉中的还原反应的反应速度的有效手段。 [0010] 在煤气化炉中生成的还原性气体的一氧化碳与氢的体积比大概是2：1。作为提高这样的还原性气体中的氢的比率的手段，利用进行下述式(1)所示的用于进行水煤气变换反应的变换反应器来提高还原性气体中的氢的比率是有效的。 [0011] CO+H2O→CO2+H2 (1) [0012] 另一方面，由于在变换反应器中，使用催化剂进行水煤气变换反应，因此，需要将向变换反应器供给的气体的温度调节至适合于反应的温度。若从防止水煤气变换反应用的催化剂的损伤的观点出发，则供给气体的温度需要调整至例如200℃～350℃。因此，在专利文献1的方法中，将合成气体冷却至适合于变换反应的温度。并且，需要在位于变换反应器的后段的CO2去除装置中对合成气体进一步进行冷却。像这样温度降低了的合成气体需要在导入直接还原炉之前进行加热。因而，需要对合成气体进行冷却和加热的工序，结果产生能量损耗。 [0013] 本发明是鉴于上述情况做成的，目的在于提供一种如下直接还原铁的制造装置：在作为还原性气体的供给源而使用了煤气化炉的情况下，通过使氧化铁的还原反应的速度充分变快且有效利用煤气所具有的能量，从而能够以优异的能量效率来制造直接还原铁。 此外，本发明的目的在于提供一种通过使氧化铁的还原反应的速度充分变快且有效利用煤气所具有的能量从而能量效率优异的直接还原铁的制造方法。 [0014] 用于解决问题的方案 [0015] 本发明提供一种直接还原铁的制造装置，其使用在煤气化炉中使煤气化而获得的煤气，在直接还原炉中直接还原氧化铁原料，其中， [0016] 该直接还原铁的制造装置包括： [0017] 变换反应器，其利用水煤气变换反应而由直接还原炉的排出气体获得氢浓度比排出气体的氢浓度高的反应气体； [0018] 脱CO2设备，其用于减少反应气体所包含的二氧化碳而获得含有氢的循环气体； [0019] 加热器，其用于加热向直接还原炉供给的循环气体； [0020] 连结部，其用于使循环气体与煤气在位于加热器与直接还原炉之间的气体流路中汇合；以及 [0021] 减压部，其位于煤气化炉与连结部之间的煤气的气体流路中。 [0022] 在上述本发明的直接还原铁的制造装置中，除了减少来自直接还原炉的排出气体所包含的二氧化碳以外，还在变换反应器中生成氢。因此，能够充分提高循环气体所包含的氢浓度。由此，即使煤气的氢浓度较低，也能够提高煤气与循环气体在连结部处汇合之后的还原性气体的氢浓度，能够使还原反应的反应速度充分变快。 [0023] 此外，在本发明的直接还原铁的制造装置中，能够将来自煤气化炉的煤气的温度维持为高温。因此，能够使来自煤气化炉的煤气不经由加热器而向直接还原炉供给。由此，能够有效利用在煤气化炉中获得的煤气的显热，能够以优异的能量效率来制造直接还原铁。即，本发明的直接还原铁的制造装置设为能够充分提高循环气体的氢浓度、并且能够有效利用煤气的显热那样的装置构成，从而能够以极高的能量效率来制造直接还原铁。 [0024] 减压部也可以是减压涡轮。在该情况下，也可以包括换热器，其用于对上述气体流路的位于减压涡轮的入口侧的部分与上述气体流路的位于减压涡轮的出口侧的部分进行热交换。通过包括减压涡轮，从而能够将煤气的压力能量有效地活用作电能。即，通过设为能够充分提高循环气体的氢浓度且有效利用煤气的压力能量那样的装置构成，从而能够以极高的能量效率来制造直接还原铁。此外，通过设置换热器，从而能够提高在连结部处与循环气体汇合时的煤气的温度。其结果，能够有效利用在煤气化炉中获得的煤气的显热，能够以更优异的能量效率制造直接还原铁。减压部也可以是减压阀。 [0025] 本发明的直接还原铁的制造装置也可以在煤气化炉与减压部之间的煤气的气体流路中设置有用于进行煤气的除尘的除尘器。通过设置除尘器，能够充分去除在煤气化炉中生成的煤气所夹带的粉尘部分。在煤气化炉与连结部之间的煤气的流路上，也可以自煤气化炉侧起依次设置除尘器和换热器，该除尘器用于进行煤气的除尘；该换热器用于对煤气的气体流路中的位于减压涡轮的入口侧的部分与煤气的气体流路中的位于减压涡轮的出口侧的部分进行热交换。 [0026] 也可以在煤气化炉与减压部之间设置有用于自煤气以干式去除煤气所包含的固体成分的第1集尘器。由此，能够抑制固体成分被带入减压部，能够长期地继续进行稳定运行。此外，由于是干式的，能够更有效利用煤气的显热。 [0027] 也可以在煤气化炉与减压部之间设置有用于自煤气以湿式去除煤气所包含的固体成分的第2集尘器。由此，能够使作为煤气所包含的固体成分的一种的氯化铵(NH4Cl)溶解，能够自煤气去除氯化铵。 [0028] 优选的是，在直接还原炉与变换反应器之间设置有用于自排出气体去除排出气体所包含的固体成分的第3集尘器。由此，能够抑制固体成分流入变换反应器，能够实现操作的进一步稳定化。 [0029] 本发明的直接还原铁的制造装置优选的是，在煤气化炉或煤气化炉与连结部之间的煤气的流路中具有用于将与循环气体汇合时的煤气的温度调整至500℃～900℃的温度调整部。在能够有效利用煤气的显热的范围内，通过用温度调整部调整煤气的温度，从而能够抑制煤气所包含的煤渣及灰分等附着于流路、除尘器、换热器及集尘器等各种设备的内壁。 [0030] 本发明的直接还原铁的制造装置优选的是，在用于向煤气化炉供给煤的供给部设置有用于供循环气体自脱CO2设备或脱CO2设备的下游侧进行流通的气体流路。以往，为了向煤气化炉供给煤，使用了二氧化碳或氮等非活性气体。上述非活性气体不仅降低煤气中的还原性气体(一氧化碳、氢)的浓度，而且还需要去除煤气中的这些非活性气体的装置。相对于此，使用含有被脱CO2设备减少了二氧化碳的氢的循环气体，向煤气化炉供给煤，从而能够充分降低煤气中的二氧化碳浓度且提高氢浓度。因而，能够进一步提高直接还原炉中的氧化铁的还原反应的反应速度，而能够进一步提高能量效率。 [0031] 本发明的另一技术方案提供一种直接还原铁的制造方法，在该直接还原铁的制造方法中，使用在煤气化炉中使煤气化而获得的煤气，在直接还原炉中直接还原氧化铁原料，其中， [0032] 该直接还原铁的制造方法包括如下工序： [0033] 反应工序，在该反应工序中，利用水煤气变换反应自直接还原炉的排出气体获得氢浓度比排出气体的氢浓度高的反应气体； [0034] 脱CO2工序，在该脱CO2工序中，减少反应气体所包含的二氧化碳而获得含有氢的循环气体； [0035] 加热工序，在该加热工序中，加热向直接还原炉供给的循环气体； [0036] 减压工序，在该减压工序中，用减压部对煤气进行减压；以及 [0037] 供给工序，其在加热工序及减压工序之后，在该供给工序中，使循环气体与煤气汇合，向直接还原炉供给含有循环气体和煤气的还原性气体。 [0038] 在上述本发明的直接还原铁的制造方法中，除了减少来自直接还原炉的排出气体所包含的二氧化碳以外，还在反应工序中生成氢。因此，能够充分提高循环气体的氢浓度。由此，即使煤气的氢浓度较低，也能够提高煤气与循环气体汇合之后的还原性气体的氢浓度，而能够使还原反应的反应速度充分迅速。 [0039] 在本发明的直接还原铁的制造方法中，能够将在煤气化炉中产生的煤气的温度维持为高温。因此，能够使来自煤气化炉的煤气不经由加热器而向直接还原炉供给。由此，能够有效利用在煤气化炉中获得的煤气的显热，能够以优异的能量效率来制造直接还原铁。即，采用本发明的直接还原铁的制造方法，能够充分提高循环气体的氢浓度，并且，能够有效利用煤气的显热，从而能够以优异的能量效率来制造直接还原铁。 [0040] 在本发明的直接还原铁的制造方法中，优选的是，还原性气体中的氢相对于一氧化碳的体积比为1以上。由此，能够进一步提高氧化铁的还原反应的反应速度。此外，氢的密度比一氧化碳的密度小，因此，通过提高氢的体积比率，能够减少直接还原炉的压力损失。此外，从反应工序中的水煤气变换反应的反应效率的观点出发，还原性气体的氢相对于一氧化碳的体积比率优选小于2。 [0041] 在减压工序中，使用减压涡轮对煤气进行减压并进行发电，也可以在减压工序与供给工序之间具有使向减压部供给的煤气与自减压部排出的煤气进行热交换的热交换工序。 [0042] 使用减压涡轮进行发电，从而能够有效利用在煤气化炉中获得的煤气的压力能量，能够以优异的能量效率来制造直接还原铁。在热交换工序中，通过热交换，而能够提高在连结部处汇合时的煤气的温度。由此，能够使来自煤气化炉的煤气不经由加热器而向直接还原炉供给。其结果，能够有效利用在煤气化炉中获得的煤气的显热，能够以更优异的能量效率来制造直接还原铁。 [0043] 在本发明的直接还原铁的制造方法中，优选的是，在减压工序之前包括对煤气进行除尘的除尘工序。 [0044] 在除尘工序中充分去除煤气所夹带的粉尘部分，从而能够抑制煤气所包含的煤渣及灰分等附着于配管、各种设备的内壁。并且，充分去除煤气所包含的灰分、粉尘部分，从而能够长期继续更稳定的制造。 [0045] 也可以在减压工序之前包括自煤气以干式去除煤气所包含的固体成分的第1集尘工序。由此，能够抑制固体成分被带入减压部，能够长期继续稳定运行。此外，由于是干式的，能够更有效利用煤气的显热。 [0046] 也可以在减压工序之前包括自煤气以湿式去除煤气所包含的固体成分的第2集尘工序。由此，能够使作为煤气所包含的固体成分的一种的氯化铵(NH4Cl)溶解，能够自煤气排除氯化铵。 [0047] 优选的是，在反应工序之前包括自排出气体去除排出气体所包含的固体成分的第3集尘工序。由此，能够抑制固体成分流入反应工序，能够实现操作的进一步的稳定化。 [0048] 在本发明的直接还原铁的制造方法中，优选的是，供给工序中的、与循环气体汇合时的煤气的温度为500℃～900℃。通过成为这样的温度范围，能够有效利用煤气的显热，且能够抑制煤气所包含的煤渣及灰分等附着于流路、除尘器等各种设备的内壁。 [0049] 本发明的直接还原铁的制造方法也可以包括使用循环气体而向煤气化炉供给煤的煤供给工序。以往，为了向煤气化炉供给煤，使用了二氧化碳或氮等非活性气体。上述非活性气体不仅降低煤气中的还原性气体(一氧化碳、氢)的浓度，而且还需要去除煤气中的非活性气体的装置。相对于此，使用被脱CO2设备减少了二氧化碳的循环气体，向煤气化炉供给煤，从而能够充分降低煤气中的二氧化碳的浓度且提高氢浓度。因而，能够进一步提高直接还原炉中的氧化铁的还原反应的反应速度，而能够进一步提高能量效率。 [0050] 发明的效果 [0051] 采用本发明，能够提供一种如下直接还原铁的制造装置：在作为还原性气体的供给源而使用煤气化炉的情况下，通过使氧化铁的还原反应的速度充分变快且有效利用煤气的能量，从而能够以优异的能量效率来制造直接还原铁。此外，本发明能够提供一种通过使氧化铁的还原反应的速度充分变快且有效利用煤气的能量从而能量效率优异的直接还原铁的制造方法。附图说明 [0052] 图1是表示本发明的直接还原铁的制造装置的一实施方式的构成的概况的图。 [0053] 图2是表示本发明的直接还原铁的制造装置的另一实施方式的构成的概况的图。 [0054] 图3是表示本发明的直接还原铁的制造装置的又一实施方式的构成的概况的图。 [0055] 图4是表示本发明的直接还原铁的制造装置再一实施方式的构成的概况的图。 [0056] 图5是表示本发明的直接还原铁的制造装置的一实施方式的构成的概况的图。 [0057] 图6是表示反应气体的H2/CO的值与在变换反应器中所需要的催化剂量及水煤气变换反应的平衡温度之间的关系的图表。 [0058] 图7是表示反应气体的H2/CO的值与在变换反应器中所需要的催化剂量及水煤气变换反应的平衡温度之间的关系的图表。 [0059] 图8是表示比较例1的装置构成的概况的图。 具体实施方式[0060] 以下根据情况一边参照附图一边说明本发明的优选的实施方式。此外，在各附图中，对于相同或同等的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。 [0061] 图1是表示本实施方式中的直接还原铁的制造装置100的构成的概况的图。本实施方式的直接还原铁的制造装置100包括：煤气化炉10，其用于使煤气化而产生含有一氧化碳及氢的煤气；直接还原炉30，其利用含有煤气及循环气体的还原性气体来还原氧化铁原料32而生成直接还原铁34，并且，排出含有二氧化碳、一氧化碳及水的排出气体；变换反应器25，其通过水煤气变换反应，自排出气体生成氢浓度比排出气体的氢浓度高的反应气体；脱CO2设备28，其用于吸收反应气体所含有的二氧化碳，而生成二氧化碳浓度比反应气体的二氧化碳浓度降低了的循环气体；加热器29，其用于加热循环气体。 [0062] 在煤气化炉10中连结有作为煤的供给部而供给煤的流路12与用于供给空气等含氧气体的气体流路13。使用输送气体经由流路12向煤气化炉10供给煤。自流路12供给至煤气化炉10的煤被气化而生成以一氧化碳及氢为主成分的煤气。该煤气除上述主成分以外，还可以含有二氧化碳及水等。此外，在将氮等非活性气体用于输送气体的情况下，在煤气中，含有该非活性气体。作为本说明书中的流路及气体流路，使用通常的管或衬管。 [0063] 在煤气化炉10中生成了的煤气在煤气化炉10的出口处具有例如950℃～1200℃的温度及2MPa～6MPa的压力。为了有效利用煤气的显热，在煤气化炉10的下游侧设有煤气的温度调整部14。作为温度调整部14可列举出锅炉。温度调整部14并不限定于锅炉。煤气的温度调整也可以通过将来自脱CO2设备的循环气体导入煤气化炉10来进行。 [0064] 温度调整部14设于煤气的气体流路的位于煤气化炉10与除尘器15之间的部分。煤气在温度调整部14中被冷却至煤气所夹带的煤渣不会附着于后段的除尘器15及换热器 16的内壁的程度的温度。作为这样的温度，优选为1000℃以下。另一方面，从有效利用煤气的显热的观点出发，煤气的温度优选为600℃以上。 [0065] 在煤气化炉10中生成了的煤气通常含有煤渣及灰分等夹带物。能够在设于温度调整部14的下游侧的除尘器15中去除这样的夹带物。在温度调整部14中煤气被冷却，所以，能抑制煤渣向除尘器15的内壁附着。由此，能够在除尘器15中高效地去除煤气的夹带物。通过在除尘器15去除煤气中的夹带物，从而能够充分抑制被设于除尘器15的下游侧的换热器16、集尘器18及减压部19的闭塞。作为除尘器15，能够使用例如旋流分离器、陶瓷过滤器、或金属烧结过滤器等。换热器16优选为自换热型换热器。减压部19是减压涡轮19A。 [0066] 在除尘器15中被除尘后的煤气在换热器16中与自减压涡轮19A出来的煤气进行热交换，而被冷却至例如300℃以下。优选的是，考虑到减压涡轮19A的效率及煤气所包含的氯化铵的浓度等而适当进行选择煤气的冷却温度。在换热器16中进行了热交换的煤气在集尘器18中进一步被除尘。如此，在减压涡轮19A的上游侧设置集尘器18，从而能够充分抑制因粉尘等的混入而引起的减压涡轮19A的状况不佳。集尘器18用于去除煤气中的除尘器15无法捕捉的较小的尺寸的固体成分。作为集尘器18，能够使用电集尘器及陶瓷过滤器等。 [0067] 被集尘器18除尘后的煤气导入至减压涡轮19A，例如自3MPa减压至1MPa。在减压涡轮19A中，煤气的压力能量被转换成电力。被减压涡轮19A减压后的煤气在换热器16中与在减压涡轮19A的上游侧流动的煤气进行热交换。如此，进行煤气的自热回收。通过该自热回收，换热器16的出口侧的煤气被加热至例如500℃～900℃。 [0068] 如此被加热后的煤气经由气体流路17与被加热器29加热后的循环气体在连结部51处汇合。在连结部51处，被换热器16加热后的煤气的气体流路17与在加热器29和直接还原炉30之间的气体流路21以能够供气体流通的方式相连结。汇合之后，煤气与循环气体一起作为还原性气体被供给到直接还原炉30。煤气与循环气体汇合的方法并不特别限定，只要使气体自加热器29向直接还原炉30流通的气体流路21与供煤气流通的气体流路 17以连通的方式相连接即可。作为气体流路17、21，能够使用通常的管或衬管。 [0069] 在煤气与循环气体在连结部51处汇合时的、煤气相对于循环气体的体积比例如为0.5～1.5。此外，本说明书中的气体的体积及体积比全部是标准状态(0℃、1气压)基准的值。煤气与循环气体汇合时的煤气的温度优选为500℃～900℃，进一步优选为600℃～800℃。通过设为这样的温度范围，能够有效利用煤气的显热，且能够充分抑制煤渣附着于分别用于连结除尘器15及温度调整部14、减压阀19B及连结部51的气体流路的内壁。 [0070] 在向直接还原炉30供给由煤气与循环气体汇合而获得的还原性气体时，煤气与循环气体汇合而获得的还原性气体的温度优选为800℃～1100℃，进一步优选为850℃～1050℃。通过设为这样的温度范围，从而能够使直接还原炉30中的还原反应更顺畅地进行。 [0071] 在供还原性气体流通的气体流路21中，也可以在连结部51的下游侧设置用于连续地测量还原性气体的温度及成分的分析器，并且，设置用于向气体流路21导入氧的氧导入管。通过一边监视还原性气体的成分及温度一边向还原性气体导入氧，从而能够使还原性气体的一部分燃烧而调整还原性气体的温度及组成。 [0072] 自料斗运出的铁矿石等氧化铁原料32经由被连结于直接还原炉30的装入管向直接还原炉30供给。在直接还原炉30中，氧化铁原料32被加热至750℃～1050℃且与自气体流路21导入的还原性气体接触。由此，氧化铁被还原而获得直接还原铁。如此获得的直接还原铁34自直接还原炉30的底部被排出。 [0073] 由于构成还原性气体的循环气体的氢浓度充分高，因此，向直接还原炉30导入的还原性气体能够使氧化铁原料32的还原反应充分迅速地进行。从使还原反应充分迅速地进行的观点出发，还原性气体的氢浓度优选为40体积％以上，更优选为45体积％以上。从同样的观点出发，还原性气体中的氢相对于一氧化碳的体积比优选1以上。 [0074] 自直接还原炉30排出的排出气体经由气体流路22导入换热器23。该排出气体含有由于氧化铁的还原而产生的二氧化碳、一氧化碳及水、和来源于还原性气体的未反应的一氧化碳及氢。直接还原炉30的出口处的排出气体的温度例如为300℃～500℃。该排出气体被换热器23冷却至例如200℃～350℃。在换热器23的下游侧设有集尘器24。由此，能够使位于下游侧的变换反应器25长期稳定地运行。作为集尘器24能够使用电集尘器及陶瓷过滤器等。利用该集尘器24去除排出气体所包含的固体成分。 [0075] 在集尘器24的下游侧设有变换反应器25。变换反应器25入口处的气体的含尘浓3 度优选为5mg/m以下。在变换反应器25中，利用催化剂进行下述式(1)所示的水煤气变换反应。由此，由排出气体所包含的一氧化碳及水生成二氧化碳及氢。利用该反应，能够提高气体中的氢浓度及氢相对于一氧化碳的体积比。具体而言，相对于被导入变换反应器25之前的排出气体的氢相对于一氧化碳的体积比为1～2，能够利用水煤气变换反应而获得的、变换反应器25的出口处的反应气体的氢相对于一氧化碳的体积比为3～6。 [0076] CO+H2O→CO2+H2 (1) [0077] 在变换反应器25的上游侧，也可以设置用于将水蒸气导入循环气体的水蒸气导入部60。通过向循环气体导入水蒸气，而能够提高式(1)的水煤气变换反应的平衡温度，因此，能够提高向变换反应器25导入的排出气体的温度。由此，式(1)的水煤气变换反应的反应速度变快，因此，能够减少变换反应器25的催化剂量。 [0078] 在变换反应器25中获得的反应气体含有由于直接还原炉30内的还原反应及水煤气变换反应而产生的二氧化碳。因此，反应气体的二氧化碳浓度比排出气体的二氧化碳浓度高。反应气体所包含的二氧化碳的至少一部分被设于变换反应器25的下游侧的脱CO2设备28去除。如此，在变换反应器25的下游侧设有用于去除二氧化碳的脱CO2设备28，因此，能够有效地去除二氧化碳。 [0079] 在变换反应器25与脱CO2设备28之间的气体流路上，自变换反应器25侧依次设有冷却清洗器26及气体压缩机27。在冷却清洗器26中冷却反应气体并去除反应气体所包含的水分和粉尘。作为这样的冷却清洗器26，能够使用例如文丘里洗涤器等。利用冷却清洗器26及气体压缩机27，将反应气体的压力及温度调整至适合在脱CO2设备28中进行处理的范围。 [0080] 作为脱CO2设备28，能够使用通过气液接触而去除二氧化碳的通常的二氧化碳去除用的设备。作为这样的设备所使用的吸收液，能够使用例如MEA(单乙醇胺)等有机系碱性吸收液。在该情况下，脱CO2设备28的入口处的反应气体的温度例如为40℃左右。 [0081] 被脱CO2设备28去除了二氧化碳的气体(循环气体)在加热器29中被加热至例如800℃～1100℃。作为加热器29，能够使用将燃烧器与高温换热器组合而成的加热装置。循环气体在经由气体流路20而被加热器29加热之后，在用于使气体在加热器29和直接还原炉30之间流通的气体流路21与煤气的气体流路17相连结的连结部51处与煤气汇合。 如此获得的含有循环气体和煤气的还原性气体穿过气体流路21而导入直接还原炉30。 [0082] 在供循环气体在脱CO2设备28与加热器29之间流通的气体流路20中以与煤供给用的流路12连通的方式连结有气体流路42。由脱CO2设备28获得的循环气体的至少一部分经由该气体流路42向流路12供给，从而作为用于输送煤的输送气体发挥作用。在气体流路42设有气体压缩机40。由此，能够使循环气体的压力升压至适合于煤的输送的压力。 [0083] 在冷却清洗器26、变换反应器25及脱CO2设备28中，将二氧化碳及水的浓度降低了且氢的浓度升高了的循环气体用作输送煤的输送气体，从而煤气所包含的、无助于还原反应的气体成分的流通量减少，并且，能够促进氧化铁的还原反应，而进一步提高直接还原铁的制造装置100整体的运行的能量效率。此外，能够使用于纯化循环气体的各设备小型化。 [0084] 采用本实施方式的直接还原铁的制造装置100，除了利用脱CO2设备28减少在直接还原炉30中产生的气体所包含的二氧化碳以外，还能够在变换反应器25中由一氧化碳和水生成氢。因此，能够充分提高循环气体所包含的氢气的比率。由此，即使煤气的氢浓度较低，也能够提高煤气与循环气体在连结部51处汇合之后的还原性气体的氢浓度，而能够使还原反应在直接还原炉30中充分迅速地进行。 [0085] 在本实施方式的直接还原铁的制造装置100中，使在直接还原炉30中产生的气体流通至变换反应器25，从而提高循环气体中的氢浓度。另一方面，作为用于还原氧化铁的气体的供给源，使用煤气化炉10。能够使在该煤气化炉10中所生成的煤气不流通至变换反应器及脱CO2设备，而是与循环气体汇合并导入直接还原炉30。能够将由煤气化炉10所产生的煤气维持为高温，因此，能够使煤气不经由加热器29而向直接还原炉30供给。由此，能够实现加热器29的小型化，并能够有效利用煤气的显热，能够以优异的能量效率来制造直接还原铁。 [0086] 在脱CO2设备28中，为了降低气体中的二氧化碳的浓度，而将气体的温度冷却至某程度的温度。在直接还原铁的制造装置100中，在该脱CO2设备28的上游侧设有变换反应器25。因此，作为直接还原铁的制造装置整体，能够减少气体的加热及冷却的重复次数，并且，能够有效活用煤气的压力能量，并以优异的能量效率来制造直接还原铁。 [0087] 在煤气化炉10中所生成的煤气含有例如几百ppm的浓度的NH4Cl。NH4Cl有时在340℃以上分解为气体(NH3及HCl)，但是在小于340℃的温度下作为固体析出。NH4Cl的析出温度依赖于NH4Cl的浓度。例如，在NH4Cl的浓度为500ppm的情况下，NH4Cl在大约205℃析出，在NH4Cl的浓度为100ppm的情况下，NH4Cl在大约165℃析出。 [0088] 从减少NH4Cl的析出量的观点出发，优选的是，换热器16、集尘器18及减压涡轮19A中的煤气的温度维持在170℃以上，更优选的是维持在210℃以上。 [0089] 集尘器18也可以是电集尘器及陶瓷过滤器等、以干式去除固体成分的干式集尘器。由此，能够较高地维持煤气的温度，能够抑制伴随温度的下降而NH4Cl析出。 [0090] 图2是表示另一实施方式的直接还原铁的制造装置200的构成的概况的图。直接还原铁的制造装置200包括作为设于除尘器15的下游侧的集尘器的湿式集尘器18A。除湿式集尘器18A以外的构成与直接还原铁的制造装置100相同。通过了除尘器15的煤气在换热器16A中与被导入减压涡轮19A的煤气、及自减压涡轮19A出来的煤气进行了热交换之后，被导入湿式集尘器18A。 [0091] 在湿式集尘器18A连接有用于向湿式集尘器18A供给水的水供给部62和用于自湿式集尘器18A排出水的水排出部64。在湿式集尘器18A中，煤气的温度下降至例如100℃～150℃，并且NH4Cl析出。在此，在湿式集尘器18A中，能够用自水供给部62供给过来的水来溶解已析出的NH4Cl并去除NH4Cl。NH4Cl水溶液自水排出部64向外部排出。 [0092] 图3是表示又一实施方式的直接还原铁的制造装置300的构成的概况的图。直接还原铁的制造装置300为了冷却自直接还原炉30排出的排出气体而包括换热器23B。在此，排出气体与自气体压缩机27出来的排出气体进行热交换，并被冷却至例如200℃～300℃。换热器23B优选为自换热型换热器。 [0093] 直接还原铁的制造装置300包括湿式集尘器24B。在换热器23B中被冷却后的排出气体导入湿式集尘器24B。在湿式集尘器24B连接有用于向湿式集尘器24B供给水的水供给部62和用于自湿式集尘器24B排出水的水排出部64。在湿式集尘器24B中，排出气体的温度下降至例如100℃～150℃，并且NH4Cl析出。在此，在湿式集尘器24B中，能够用自水供给部62供给过来的水来溶解已析出的NH4Cl并去除NH4Cl。NH4Cl水溶液自水排出部64向外部排出。通过这样地具有湿式集尘器24B，从而能够将被煤气带入直接还原铁的制造装置300内的NH4Cl排出到制造装置300的外部。 [0094] 在湿式集尘器24B中被去除了NH4Cl的排出气体导入气体压缩机27。排出气体在气体压缩机27中被例如自0.6MPa升压至1MPa之后，导入至换热器23B，并与自直接还原炉30排出的排出气体进行热交换。通过热交换，被气体压缩机27升压后的排出气体升温至例如220℃～350℃。即，排出气体利用换热器23B及气体压缩机27而调整为适合于变换反应器25的处理的温度范围及压力范围。直接还原铁的制造装置300的除上述以外的构成与直接还原铁的制造装置100是同样的。 [0095] 图4是表示再一实施方式的直接还原铁的制造装置400的构成的概况的图。本实施方式的直接还原铁的制造装置400的使煤气自煤气化炉10向连结部51之间的构成与直接还原铁的制造装置100不同。直接还原铁的制造装置400与直接还原铁的制造装置100同样地，在煤气化炉10与除尘器15之间的煤气的气体流路上设有温度调整部14。在温度调整部14中，煤气被冷却至煤气所夹带的煤渣不会附着于后段的除尘器15的内壁的程度的温度。 [0096] 直接还原铁的制造装置400具有作为减压部19的减压阀19B。利用除尘器15去除煤气中的夹带物，从而能够充分抑制被设于除尘器15的下游侧的减压阀19B的闭塞。煤气利用减压阀19B而例如自3MPa被减压至1MPa。被减压阀19B减压后的煤气与被加热器29加热后的循环气体在连结部51处汇合。通过设为这样的构成，能够充分有效地活用煤气所具有的显热。其它的构成与直接还原铁的制造装置100是同样的。 [0097] 本发明的直接还原铁的制造方法的一实施方式能够采用上述的直接还原铁的制造装置100、200、300、400来进行。本实施方式的直接还原铁的制造方法包括如下工序： [0098] 煤气化工序，其中，在煤气化炉10中，加热煤和含氧气体而使煤气化，获得作为主成分的含有一氧化碳及氢的煤气； [0099] 还原工序，其中，在直接还原炉30中，利用含有循环气体及煤气的还原性气体还原氧化铁原料32，而生成直接还原铁34，并且，获得含有二氧化碳、一氧化碳及水的排出气体； [0100] 反应工序，其中，利用水煤气变换反应，由上述排出气体所包含的一氧化碳和水来生成氢和二氧化碳而获得反应气体； [0101] 脱CO2工序，其中，减少反应气体所包含的二氧化碳，而生成二氧化碳的浓度比反应气体的二氧化碳的浓度低的循环气体； [0102] 加热工序，其中，用加热器29加热循环气体； [0103] 减压工序，其中，用减压部19对煤气进行减压； [0104] 供给工序，其中，使在加热工序中被加热后的循环气体与煤气在连结部51处汇合而成为还原性气体，并向直接还原炉30供给含有循环气体和煤气的还原性气体。 [0105] 从充分迅速地进行氧化铁的还原反应的观点出发，在供给工序中向直接还原炉30供给的还原性气体的氢相对于一氧化碳的体积比优选为1以上。若考虑直接还原铁的制造装置100整体的能量效率，则还原性气体中的、氢相对于一氧化碳的体积比优选小于2。减压工序也可以是使用减压涡轮19A来作为减压部19而对煤气进行减压并进行发电的发电工序。 [0106] 也可以在煤气化工序与供给工序之间设置利用除尘器15对煤气进行除尘的除尘工序和使向减压涡轮19A供给的煤气与自减压涡轮排出的煤气进行热交换的热交换工序。由此，能够充分去除在煤气化炉10中生成的煤气所夹带的灰分、粉尘，且通过进行煤气的自热回收而有效利用煤气的显热。因而，能够以更高的能量效率来制造直接还原铁。 [0107] 优选的是，在减压工序(发电工序)中，在向减压涡轮19A导入煤气之前，进行去除煤气中的固体成分的除尘工序和使用集尘器18或湿式集尘器18A进行去除煤气的固体成分的集尘工序A。由此，能够抑制减压涡轮19A中的闭塞等状况不佳的产生，能够长期稳定地继续运行。在集尘工序A中，能够去除煤气中的在除尘工序中无法捕捉那样的较小的尺寸的固体成分。只要像直接还原铁的制造装置200那样利用湿式集尘器18A进行集尘工序A，就能够将来源于煤气的NH4Cl自制造装置200排除到外部。 [0108] 优选的是，在还原工序与反应工序之间，具有使用集尘器24或湿式集尘器24B来去除排出气体所包含的固体成分的集尘工序B。由此，能够抑制变换反应器25中的闭塞等状况不佳的产生，能够长期稳定地继续运行。采用湿式集尘器24B，能够排除来源于煤气的NH4Cl。 [0109] 优选的是，具有利用在脱CO2工序中获得的循环气体向煤气化炉10输送煤的煤供给工序。如此，将减少了二氧化碳及水的浓度且提高了氢的浓度的循环气体用作输送煤的输送气体，从而能够减少无助于还原反应的气体成分的流通量，并且，能够促进氧化铁的还原反应，使直接还原铁的制造装置100、200、300、400整体的运行效率化。此外，能够使用于纯化循环气体的各设备小型化。 [0110] 在表1及表2中，表示本实施方式的直接还原铁的制造方法中的运行状态的一例。表1及表2所示的位置编号与图5的附图标记一致。表1及表2所示的气体流量是在用直接还原炉30制造1吨直接还原铁34的情况下的标准状态的值。 [0111] 表1 [0112] [0113] 如表1所示，在该例子中，在减压涡轮19A的前后，煤气的压力自3MPa变化至1MPa，能够有效利用煤气的压力能量(位置10-3和位置10-4)。此外，自减压涡轮排出的煤气在换热器16中进行热回收，而温度上升至700℃。(位置10-5)。如此，在连结部51处与循环气体汇合的煤气具有较高的温度。因此，能够不利用加热工序对煤气进行加热，而在供给工序中，将煤气与循环气体一起作为还原性气体向直接还原炉30供给。 [0114] 表2 [0115] [0116] 在变换反应器25的出口侧(位置20-3)，反应气体的氢浓度变得充分高。通过这样地充分提高氢浓度，从而能够充分迅速地进行氧化铁的还原反应。 [0117] 如表2所示，利用脱CO2设备28，充分减少循环气体中的二氧化碳的浓度(位置20-4、20-5、40-1)。如此，将二氧化碳充分减少并且氢浓度变高了的循环气体用于氧化铁的还原，从而能够使还原反应的速度充分变快。此外，将该循环气体的一部分用作煤输送用的气体，从而能够使直接还原铁的制造装置100整体的运行效率化。 [0118] 在煤气化炉10中产生的还原性气体的H2/CO的体积比为0.71(参照表1的位置10-1等)。在此，从提高反应效率的观点出发，优选的是，向直接还原炉30导入的还原性气体的H2/CO的值(体积基准)较高。为了提高H2/CO的值，需要提高在变换反应器25的出口(位置20-3)处获得的反应气体的H2/CO的值。可是，随着反应气体的H2/CO的值变大，存在式(1)所示的水煤气变换反应的平衡温度下降而反应速度变慢的趋势。 [0119] 图6是表示如下内容的图：在以250吨/小时制造直接还原铁的情况下，横轴表示在变换反应器25的出口(位置20-3)处获得的反应气体的H2/CO的值，左纵轴表示在变换反应器25中所需要的催化剂量，右纵轴表示式(1)所示的水煤气变换反应的平衡温度。图6中，曲线1表示反应气体的H2/CO的值与式(1)的反应的平衡温度之间的关系。图6中，曲线2表示在表1、2所示的运行条件下反应气体的H2/CO的值与在变换反应器25中所需要的催化剂量之间的关系。 [0120] 如图6所示，当提高变换反应器25的出口(位置20-3)处的反应气体的H2/CO的值时，所需要的催化剂量存在增加的趋势。从减少催化剂量的观点出发，将变换反应器25的出口(位置20-3)处的反应气体的H2/CO的值设为例如3.5以下，从而能够减少催化剂量。 [0121] 优选的是，在变换反应器25的跟前或入口侧向排出气体添加水蒸气。由此，水煤气变换反应的平衡温度上升，因此，能够提高向变换反应器25导入的排出气体的温度。通过提高排出气体的温度，从而加快水煤气变换反应的反应速度，因此，能够减少变换反应器25的催化剂量。 [0122] 图7是表示如下内容的图：在以250吨/小时制造直接还原铁的情况下，横轴表示在变换反应器25的出口(位置20-3)处获得的反应气体的H2/CO的值，左纵轴表示在变换反应器25中所需要的催化剂量，右纵轴表示式(1)所示的水煤气变换反应的平衡温度。图7中，曲线1除了表示自配置于变换反应器25的上游侧的水蒸气导入部60以10ton/小时的流量添加水蒸气以外、还表示与图6相同的运行条件的、反应气体的H2/CO的值与式(1)的反应的平衡温度之间的关系。图7中，曲线2除了表示自配置于变换反应器25的上游侧的水蒸气导入部60以10ton/小时的流量添加水蒸气以外、还表示与图6相同的运行条件的、反应气体的H2/CO的值与在变换反应器25中所需要的催化剂量之间的关系。 [0123] 根据图6、7所示的结果可以明确，在变换反应器25的出口(位置20-3)处，在获得H2/CO的值为3.5的反应气体的情况下，向排出气体添加水蒸气，从而能够将变换反应器3 3 25的催化剂量自630m减少至410m 。 [0124] 以上，说明了本发明的优选的实施方式，但是，本发明并不被上述的实施方式有任何限定。例如，在直接还原铁的制造装置100中，将在煤气化炉10中生成的煤气作为设于煤气化炉10与除尘器15之间的温度调整部14的热源而进行冷却。煤气的温度调整并不限定于温度调整部14，例如，也可以向煤气化炉10吹送冷却用的气体来进行煤气的温度调整。作为冷却用的气体，能够使用脱CO2之后的循环气体。 [0125] 实施例 [0126] 参照实施例及比较例而进一步详细说明本发明的内容，但是，本发明并不限定于以下的实施例。 [0127] (实施例1) [0128] 在使用图5所示的直接还原铁的制造装置来制造直接还原铁时，通过模拟求出所需要的煤的量。作为含氧化铁原料而使用的铁矿石及煤的性状如表3所示。通过模拟求得的各气体的温度、性状及煤单位消耗量如表3概括所示。 [0129] (实施例2、3) [0130] 除图5中的位置10-5处的煤气的温度以成为表3的值的方式进行了模拟以外，与实施例1同样地进行了制造直接还原铁的模拟。通过模拟求得的气体的温度、性状及煤单位消耗量如表3概括所示。 [0131] (比较例1) [0132] 在使用图8所示的以往的直接还原铁的制造装置来制造直接还原铁时，通过模拟求出所需要的煤的量。作为含氧化铁原料而使用的铁矿石及煤的性状如表3所示。通过模拟求得的各气体的温度、性状及煤单位消耗量如表3概括所示。由该直接还原铁的制造装置进行的直接还原铁的制造方法的步骤如以下所示。 [0133] 在图8的直接还原铁的制造装置中，分别自气体流路112及气体流路113向煤气化炉110供给了煤及空气。在煤气化炉110中生成的含有一氧化碳及氢的煤气在洗涤器150中被冷却清洗之后，导入至变换反应器125。在变换反应器125中，进行水煤气变换反应，由一氧化碳和水而生成了氢和二氧化碳。自变换反应器出来的煤气在洗涤器152中又被冷却清洗了之后，经由气体流路54导入至脱CO2设备80。在脱CO2设备80中，去除了二氧化碳的一部分。其后，自脱CO2设备80出来的还原性气体在气体压缩机146中被升压之后，经由气体流路148及换热器123，导入至加热器158。在加热器158中被加热至预定的温度的还原性气体经由气体流路160导入至直接还原炉130。 [0134] 在直接还原炉130中，自上方导入了铁矿石132。在直接还原炉130中，铁矿石一边被加热一边与还原性气体接触。由此，铁矿石所包含的氧化铁被还原，而获得直接还原铁134。自直接还原炉130产生的二氧化碳及水、含有未反应的一氧化碳及氢的排出气体经由气体流路122而在换热器123中与还原性气体进行了热交换之后，在洗涤器124中被冷却及清洗。冷却及清洗后的排出气体经由气体流路136而在气体压缩机138及气体压缩机 142中被升压之后，在气体流路144中与来自变换反应器125的煤气汇合。汇合之后的气体导入至脱CO2设备80。 [0135] 表3 [0136] [0137] 表3中的“煤单位消耗量”是用直接还原炉制造1吨直接还原铁(DRI)所需要的煤的量(kg)，“发电量”是减压涡轮19A的发电量。表3中的“煤气的压力1”及“煤气的压力2”分别是图5中的“位置10-3”及“位置10-4”处的压力。此外，“煤气的温度”是图5中的位置10-5及图3中的位置60-1处的温度。图5中的位置10-5的温度等于煤气汇合于循环气体时的煤气的温度。表3中的“煤气的H2/CO”是上述位置中的煤气的氢相对于一氧化碳的体积比。 [0138] 表3中的“循环气体的温度”是图5中的位置20-5及图8中的位置60-3处的温度。表3中的“还原性气体的温度”是图5中的位置30-1及图8中的位置60-4处的温度。表3中的“还原性气体的H2/CO”是上述位置中的还原性气体的氢相对于一氧化碳的体积比。 [0139] 根据表3所示的结果确认到了：采用实施例1～3所示的直接还原铁的制造方法，与比较例1相比，能够将煤单位消耗量削减大约7％～16％。此外，确认到了：采用实施例1～3所示的直接还原铁的制造方法，使用减压涡轮，从而能够有效利用煤气的压力能量。 [0140] 产业上的可利用性 [0141] 采用本发明，能够提供一种使氧化铁的还原反应的反应速度充分迅速、且有效利用煤气的能量、从而能够以优异的能量效率来制造直接还原铁的直接还原铁的制造装置。此外，采用本发明，能够提供一种使氧化铁的还原反应的反应速度充分迅速、且有效利用煤气的能量而能量效率优异的直接还原铁的制造方法。 [0142] 附图标记说明 [0143] 10、110…煤气化炉，16…换热器，18、24…集尘器，19…减压部，19A…减压涡轮，19B…减压阀，20、21、42…气体流路，14…温度调整部，15…除尘器，23、23B…换热器，25…变换反应器，26…冷却清洗器，27、40…气体压缩机，28、80…脱CO2设备，29、158…加热器， 30、130…直接还原炉，32、132…氧化铁原料，34、134…直接还原铁，51…连结部，60…水蒸气导入部，62…水供给部，64…水排出部，100、200、300、400…直接还原铁的制造装置。 |
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