JP2000129327A - 溶鉱炉と極低温精留法を用いる直接還元反応器とを統合する方法 - Google Patents

溶鉱炉と極低温精留法を用いる直接還元反応器とを統合する方法

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ミニシュ・マヘンドラ・シャー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製鉄と極低温精留を、製鉄操業を費用効果的
に有利に拡張するような態様で統合する方法を提供する
こと。 【解決手段】 溶鉱炉を、極低温精留を用いる直接鉄還
元反応器と費用効率的に統合する方法。極低温精留は、
溶鉱炉の作動を改善するとともに、溶鉱炉からの排ガス
を直接鉄反応器に利用することを可能にし、それによっ
て、溶鉱炉自体からの鉄生産と、溶鉱炉の作動と直接還
元反応器との統合からの鉄生産の両方を増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、製鉄及び
極低温精留に関し、特に、これらの２つの技術（製鉄と
極低温精留）を、製鉄操業を費用効果的に有利に拡張す
るような態様で統合即ち組み合わせる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】溶鉱炉の作動においては、石炭と空気を
燃焼させ、得られた還元ガスを用いて鉄鉱石を還元して
鉄を生成する。溶鉱炉からの排ガス（「溶鉱炉排ガス」
又は「溶鉱炉ガス」とも称する）は、若干の熱量を包含
しており、一般に、発電及びスチーム生成のための燃料
として用いられる。それは排ガスとしては有効な用途で
あるが、特に、送電網を通して利用される電力のコスト
削減が期待できるという観点からみてこの排ガスのより
よい利用を図ることが望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、製鉄所において製鉄能力を高めるために溶鉱炉から
の排ガスを有効に利用することを可能にする方法を提供
することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】発明の概要 上記課題を解決するために、本発明は、溶鉱炉を、極低
温精留を用いる直接鉄還元反応器と費用効率的に統合す
る方法を提供する。極低温精留は、溶鉱炉の作動を改善
するとともに、溶鉱炉からの排ガスを直接鉄反応器に利
用することを可能にし、それによって、溶鉱炉自体から
の鉄生産と、溶鉱炉の作動と直接還元反応器との統合か
らの鉄生産の両方を向上させる。
【０００５】従って、本発明は、溶鉱炉と、極低温精留
法を用いる直接還元反応器とを統合する方法であって、
（Ａ）空気を極低温空気分離プラントにおいて極低温精
留によって分離して酸素を生成する工程と、（Ｂ）前記
極低温空気分離プラントからの酸素を空気と混合して、
約２２〜５０モル％の酸素と、主として窒素から成る残
部とから成る溶鉱炉用空気を生成する工程と、（Ｃ）前
記溶鉱炉用空気を溶鉱炉内へ通して該溶鉱炉内で該溶鉱
炉用空気の酸素を炭化水素燃料と共に燃焼させ、窒素と
一酸化炭素と水素から成る溶鉱炉ガスを発生させる工程
と、（Ｄ）前記一酸化炭素をスチームと反応させて二酸
化炭素と追加の水素を生成し、溶鉱炉ガスから該二酸化
炭素を除去して窒素と水素から成る強化溶鉱炉ガスを生
成する工程と、（Ｅ）前記強化溶鉱炉ガスを極低温精留
プラント内へ導入し、該強化溶鉱炉ガスを極低温精留プ
ラント内で分離して水素と残留窒素を生成する工程と、
（Ｆ）前記極低温精留プラントからの水素を直接還元反
応器内で鉄鉱石と反応させて鉄を生成する工程と、から
成る方法を提供する。
【０００６】ここで、「鉄鉱石」とは、酸化第二鉄や酸
化第一鉄等の一種類以上の鉄の酸化物をいう。「コラ
ム」とは、蒸留又は分留塔又は帯域、即ち、空気等の流
体混合物の分離を行うために液相とスチーム相とを向流
関係で接触させる接触コラム（分離コラム又は精留コラ
ムともいう）又は帯域のことである。流体混合物の分離
は、例えば、コラム内に設置された一連の上下に離隔し
たトレー又はプレート及び、又は配向パッキング（互い
に、かつ、コラムの軸線に対して特定の向きに配向され
たパッキング部材）及び、又は不規則なパッキング部材
（不規則に配置されたパッキング部材）等の気液接触部
材上でスチーム相と液相を接触させることによって行わ
れる。「極低温精留プラント」とは、プラントの作動の
少くとも一部分が１５０°Ｋ以下の温度で行われる分離
プラントのことをいう。「極低温空気分離プラント」と
は、空気を分離して生成物酸素と生成物窒素のうちの少
くとも１つを生成する少くとも１つのコラムを含む極低
温精留プラントのことをいう。
【０００７】本発明のその他の目的、特徴及び利点は、
以下の好ましい実施形態の説明及び添付図から当業者に
は明らかになろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下に、添付図を参照して本発明
の実施形態を詳しく説明する。図１を参照して説明する
と、主として窒素と酸素から成る供給空気１は、極低温
空気分離プラント１０１へ導入され、そこで極低温精留
によって分離され酸素を生成する。極低温空気分離プラ
ント１０１は、任意の適当な極低温空気分離プラントで
あってよいが、互いに熱交換関係をなすように配置され
た高圧コラムと低圧コラムから成る複コラムプラントで
あることが好ましい。その場合、供給空気１は、高圧コ
ラム内で極低温精留による一次分離を受けて酸素富化流
体と窒素富化流体に分離されて低圧コラムへ通され、そ
こで極低温精留による最終分離を受けて生成物酸素と生
成物窒素に分離される。この極低温空気分離プラント
は、生成物アルゴンを生成することができるアルゴン補
助コラムのような他のコラムを用いることもできる。
【０００９】窒素は、極低温空気分離プラント１０１か
ら流れ４として抽出され、流れ４は、全体を又は一部分
を回収してもよく、あるいは、大気へ放出してもよい。
生成物酸素は、酸素富化空気の酸素濃度からより高い酸
素純度の範囲の酸素濃度、即ちほぼ４０〜９９．９モル
％の範囲内の酸素濃度を有しており、極低温空気分離プ
ラント１０１からの酸素６は、流れ７からの空気と混合
されて酸素富化空気即ち溶鉱炉用空気８を生成する。溶
鉱炉用空気は、ほぼ２２〜５０モル％の範囲内の酸素濃
度を有し、残部は主として窒素から成る。
【００１０】溶鉱炉用空気８は、ストーブ１０３におい
て加熱されほぼ１５００〜２２００°Ｆの範囲内の温度
にまでストーブ１０３において加熱され、得られた高温
の溶鉱炉用空気１０は、石炭、油、又は天然ガス等の炭
化水素燃料と共に溶鉱炉１０４内へ導入される。又、溶
鉱炉１０４内へは、鉄鉱石、石炭及び溶剤から成る炉装
入物（原料）１４が導入される。溶鉱炉用空気１０の酸
素は、溶鉱炉内で炭化水素燃料と反応して熱と還元ガス
を発生し、還元ガスは、炉内を上昇する間に鉄鉱石を鉄
に変換する。溶融鉄とスラッグは、炉１０４の底部から
導管１３を通して排出され、窒素と一酸化炭素と二酸化
炭素と水素から成る、一般に溶鉱炉ガス又は溶鉱炉排ガ
スと称されるガスは、炉１０４から流れ１５として抽出
される。
【００１１】本発明の重要な特徴は、溶鉱炉用空気が、
空気の酸素濃度より高い酸素濃度を有しており、しか
も、有意のレベルの、好ましくは約６０モル％以上の窒
素を含有していることである。このことは、２つの利点
をもたらす。第１に、それは、溶鉱炉を空気を唯一の酸
素源とする慣用の作動態様からほとんど変更する必要な
しに作動させることを可能にし、かつ、溶鉱炉の作動と
直接鉄還元反応器とを下流側において統合させる作動態
様において有利に用いることができる窒素源としても有
用である。
【００１２】再び図１を参照して説明すると、溶鉱炉排
ガス１５の一部分１７は、ストーブ１０３へ通されてそ
こで燃焼せしめられ、溶鉱炉用空気を加熱するための熱
を提供する。溶鉱炉用空気溶鉱炉排ガス１５の残部１６
は、洗浄塔１０７の下方部分へ送られる。洗浄塔１０７
の上方部分へは流れ１８として洗浄水が供給され、洗浄
塔１０７内を上昇してくる溶鉱炉排ガスと向流関係をな
して流下する。その過程で、溶鉱炉排ガス中の粒状不純
物は、流下する水内へ洗い落とされ、４０〜１５０°Ｆ
の範囲内の温度にまで冷却される。洗浄水は、洗浄塔１
０７から流れ２０として排出される。
【００１３】冷却された溶鉱炉ガスは、洗浄塔１０７の
上方部分から流れ２２として抽出され、圧縮機１１０へ
送られてそこでほぼ１００〜５００ｐｓｉａ（ｌｂ／ｉ
ｎ2絶対圧）（７．０３〜３５．１５Ｋｇ／ｃｍ2絶対
圧）の範囲に圧縮される。かくして加圧された溶鉱炉ガ
スは、それと実質的に同じ圧力のスチームと混合されて
水／ガスシフト反応流れ即ち水／ガスシフト反応混合物
２８を形成する。スチームの流れ２６は、水／ガスシフ
ト反応流れ２８中の一酸化炭素に対する水の比率が２〜
５の範囲内に入るような流量で圧縮溶鉱炉ガス流れ２４
に添加される。流れ２４及び２５は、混合されて流れ２
８を形成する前にそれぞれ約６００°Ｆにまで加熱して
おくことが好ましい。
【００１４】水／ガスシフト反応流れ２８は、シフト反
応セクション１１４へ送られる。シフト反応セクション
１１４は、高温シフト反応器と低温シフト反応器とから
成り、それらの反応器をそれぞれ熱交換器を介して直列
に連結した構成とすることが好ましい。水／ガスシフト
反応混合物が各シフト反応器（高温シフト反応器と低温
シフト反応器）を通る間に、混合物中の一酸化炭素がス
チームと発熱反応で反応して二酸化炭素と水素を発生す
る。それによって得られた、窒素と二酸化炭素と水素か
ら成る溶鉱炉ガスは、水／ガスシフト反応セクション１
１４から流れ３０として圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装
置１１８へ送られる。圧力スイング吸着装置１１８は、
二酸化炭素を優先的に吸着する吸着材粒子の１つ以上の
床から成る。そのような吸着材としては、例えば、活性
炭やゼオライトがある。
【００１５】溶鉱炉ガスが圧力スイング吸着装置１１８
を通過する間に、二酸化炭素が優先的に吸着材に吸着さ
れることによって溶鉱炉ガスから除去される。得られ
た、窒素と水素から成る強化溶鉱炉ガスは、圧力スイン
グ吸着装置１１８から流れ３２として抽出される。
【００１６】流れ３２は、例えば、最高３００ｐｐｍま
での二酸化炭素を含有しており、若干の水も含有してい
る。流れ３２は、水及び二酸化炭素を除去するための予
備清浄器１２４に通される。得られた強化溶鉱炉ガス
は、予備清浄器１２４から流れ４０として抽出され、再
循還流れ５２と合流されて流れ４２を形成し、極低温精
留プラント１２６内へ供給される。極低温精留プラント
１２６は、熱交換器を含むものであることが好ましく、
供給物４２は、熱交換器内で部分的に凝縮されて相分離
され、所期の分離を行う。ただし、この極低温精留プラ
ントは、この熱交換及び相分離を更に別のコラムでの分
離と組み合わせてもよい。供給物４２は、極低温精留プ
ラント１２６内において供給物４２は、極低温精留によ
ってほぼ７０〜９５モル％の範囲内の水素濃度を有する
水素富化流体と、約９８モル％の窒素濃度を有する残留
窒素と、大部分が水素と一酸化炭素である残部とに分離
される。
【００１７】水素富化流体は、極低温精留プラント１２
６から流れ４６として水素濃縮器（図１の実施形態では
膜式分離器１２９）へ送られる。膜式分離器１２９にお
いて、水素富化流体の水素は、ほぼ９５モル％を越える
純度にまで濃縮される。８５モル％の水素を含有した約
２００ｐｓｉａ（ｌｂ／ｉｎ2絶対圧）（１４．０６Ｋ
ｇ／ｃｍ2絶対圧）の圧力の再循還流れは、膜式分離器
１２９から流れ５０としてブロア１３４へ送られ、そこ
から上述した再循還流れ５２として極低温精留プラント
１２６内へ送られる。濃縮された水素流は、流れ４８と
して鉄鉱石５４と共に直接還元反応器１３２内へ送られ
る。直接還元反応器１３２内において水素が鉄鉱石と反
応して鉄鉱石を金属鉄に直接還元する。生成物鉄は、流
れ５６として直接還元反応器１３２から取り出され、反
応器１３２からのパージガスは、予備加熱器で燃焼さ
れ、その排ガスは流れ５８として排出される。
【００１８】残留窒素は、極低温精留プラント１２６か
ら流れ４３として抽出される。流れ４３の多部分４４
は、圧力スイング吸着装置１１８に通され、二酸化炭素
を吸着している吸着装置１１８内の吸着材から二酸化炭
素を残留窒素流内へ脱着させることによって吸着材を再
生する。流れ４３の少部分４５は、予備清浄器１２４に
通され、水と二酸化炭素を吸着している予備清浄器１２
４内の吸着材から水を残留窒素流内へ脱着させることに
よって吸着材を再生する。圧力スイング吸着装置１１８
及び予備清浄器１２４からそれぞれ流出した廃窒素流れ
３１，３９は、大気中へ放出しもよく、あるいは、図１
に示されるように、好ましくは酸化反応器１３６内へ通
し、酸化反応器１３６内で、流れ３３として供給される
酸素と残留一酸化炭素とを反応させ二酸化炭素を生成
し、残留した窒素流を流れ３５として大気中へ放出する
ようにしてもよい。
【００１９】二酸化炭素除去システムを再生するのに使
用される窒素を空気分離プラントからではなく極低温窒
素−水素分離から得ることは、本発明の重要な側面でで
ある。空気分離プラントからの窒素は、二酸化炭素除去
システムに酸素を導入するおそれがあり、従って最終的
には、直接鉄還元反応のための水素を採取すべき強化溶
鉱炉ガス内へ酸素を導入するおそれがある。強化溶鉱炉
ガス内に酸素が存在することは、危険であるが、２つの
極低温精留プラントを用いる本発明は、そのような基金
の可能性を排除する。
【００２０】図２は、二酸化炭素除去システムを圧力ス
イング吸着システムではなく高温炭酸カリウムシステム
とした本発明の別の実施形態を示す。図２の参照番号
は、図１に示された構成機器と共通の機器については同
じであり、それらの共通の機器については説明を繰り返
さない。
【００２１】図２を参照して説明すると、溶鉱炉ガス流
３０は、水／ガスシフト反応セクション１１４から酸性
ガス除去システム１１７へ送られる。酸性ガス除去シス
テム１１７は、溶媒として高温炭酸カリウム溶液を用い
る吸着器とストリッパーから成る。
【００２２】溶媒は、吸着塔内でガス混合物３０から二
酸化炭素を除去し、ストリッパー塔内でスチームと流れ
４４からの残留窒素を用いることによって再生され、得
られた二酸化炭素と残留窒素の混合物は、流れ３４とし
て大気へ排出すされる。例えば約５００ｐｐｍの二酸化
炭素を含有した強化溶鉱炉ガスは、流れ３２としてタン
生成セクション１２０へ送られ、そこで予備加熱されて
メタン生成器へ装入される。メタン生成器内で、すべて
の残留一酸化炭素及び二酸化炭素が水素と反応してメタ
ンを発生する。
【００２３】メタン生成セクション１２０からのガス混
合物は、流れ３６として乾燥機１２３へ送られ、そこで
水を除去される。得られた強化溶鉱炉ガスは、乾燥機１
２３から流れ４０として抽出される。乾燥機１２３は、
残留窒素流れ４５によって再生され、窒素と水の混合物
は、乾燥機１２３から流れ３８として大気へ排出され
る。この実施形態における残留窒素は、不純物として水
素とメタンを含有している。
【００２４】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、いろいろな実施形態が可
能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができ
ることを理解されたい。例えば、この極低温空気分離プ
ラントは、必ずしも溶鉱炉のための酸素の生成に限定す
る必要はなく、パイプラインへ送るための酸素を生成す
るのに用いることもでき、パイプラインからの酸素は、
溶鉱炉だけではなく、他の使用部署へも供給することが
できる。この極低温空気分離プラントへの供給空気は、
溶鉱炉へ空気を供給するように設計された溶鉱炉用空気
ブロアから得ることもできる。又、極低温精留プラント
の下流での水素濃縮は、膜式濃縮ユニット（分離器）で
はなく、圧力スイング吸着ユニットによって行うことも
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置を用
いて二酸化炭素の除去を行う本発明の方法の好ましい実
施形態の概略ブロック図である。
【図２】図２は、高温炭酸カリウム法を用いて二酸化炭
素の除去を行う本発明の方法の別の好ましい実施形態の
概略ブロック図である。
【符号の説明】
１：供給空気 ６：酸素 ８：溶鉱炉用空気 １０：溶鉱炉用空気 １５：溶鉱炉排ガス ２８：ガスシフト反応混合物 ３０：溶鉱炉ガス流、ガス混合物 ４２：供給物 ５４：鉄鉱石 １０１：極低温空気分離プラント １０３：ストーブ １０４：溶鉱炉 １０７：洗浄塔 １１０：圧縮機 １１４：シフト反応セクション １１７：酸性ガス除去システム １１８：圧力スイング吸着装置 １２０：メタン生成セクション １２３：乾燥機 １２４：予備清浄器 １２６：極低温精留プラント １２９：膜式分離器 １３２：直接還元反応器 １３４：ブロア １３６：酸化反応器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レイモンド・フラーンシス・ドルネビッチ アメリカ合衆国ニューヨーク州クラレン ス・センター、クリークビュー・ドライブ 5850

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 溶鉱炉と、極低温精留法を用いる直接還
    元反応器とを統合する方法であって、 （Ａ）空気を極低温空気分離プラントにおいて極低温精
    留によって分離して酸素を生成する工程と、 （Ｂ）前記極低温空気分離プラントからの酸素を空気と
    混合して、約２２〜５０モル％の酸素と、主として窒素
    から成る残部とから成る溶鉱炉用空気を生成する工程
    と、 （Ｃ）前記溶鉱炉用空気を溶鉱炉内へ通して該溶鉱炉内
    で該溶鉱炉用空気の酸素を炭化水素燃料と共に燃焼さ
    せ、窒素と一酸化炭素と水素から成る溶鉱炉ガスを発生
    させる工程と、 （Ｄ）前記一酸化炭素をスチームと反応させて二酸化炭
    素と追加の水素を生成し、溶鉱炉ガスから該二酸化炭素
    を除去して窒素と水素から成る強化溶鉱炉ガスを生成す
    る工程と、 （Ｅ）前記強化溶鉱炉ガスを極低温精留プラント内へ導
    入し、該強化溶鉱炉ガスを該極低温精留プラント内で分
    離して水素と残留窒素を生成する工程と、 （Ｆ）前記極低温精留プラントからの水素を直接還元反
    応器内で鉄鉱石と反応させて鉄を生成する工程と、から
    成る方法。
  2. 【請求項２】 前記溶鉱炉用空気を前記溶鉱炉へ通す前
    に、該溶鉱炉用空気を該溶鉱炉からの溶鉱炉ガスの一部
    を用いて加熱する工程を含むことを特徴とする請求項１
    に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記一酸化炭素をスチームと反応させる
    前に、前記溶鉱炉ガスを流下する水と向流関係をなして
    上昇流として通す工程を含むことを特徴とする請求項１
    に記載の方法。
  4. 【請求項４】 溶鉱炉ガスから二酸化炭素を除去する前
    記操作は、該溶鉱炉ガスから吸着材に二酸化炭素を吸着
    させることによって行われることを特徴とする請求項１
    に記載の方法。
  5. 【請求項５】 溶鉱炉ガスから二酸化炭素を除去する前
    記操作は、該溶鉱炉ガスから炭酸カリウム溶液内へ二酸
    化炭素を吸収させることによって行われることを特徴と
    する請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 溶鉱炉ガスから二酸化炭素を除去する前
    記操作は、二酸化炭素を特定の物質上へ通し、残留窒素
    を該物質に接触させて通し、該物質から該残留窒素内へ
    二酸化炭素を通すことによって行われることを特徴とす
    る請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記極低温精留プラントからの水素を前
    記直接還元反応器内へ通す前に、極低温精留プラントか
    らの水素流を水素濃縮器に通して該水素流の水素濃度を
    高める工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 前記水素濃縮器から前記極低温精留プラ
    ントへ再循還流れを通す工程を含むことを特徴とする請
    求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記水素濃縮器は、膜式濃縮ユニットで
    あることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記水素濃縮器は、圧力スイング吸着
    ユニットであることを特徴とする請求項７に記載の方
    法。
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