JP2000212620A - 還元鉄製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 還元鉄製造設備の還元ガス発生装置に石炭ガ
ス化炉を使用して、石炭ガス化炉のガス冷却設備を簡略
化すると同時に、還元鉄製造に使用するガスの加熱装置
を省略して安価な還元鉄製造設備を得ると共に石炭から
燃料ガスを得る。 【解決手段】 石炭ガス化炉の冷却に、還元鉄を製造し
たガスの一部を冷却、脱炭酸した循環ガスで石炭ガス化
ガスを冷却して、石炭ガス化ガスの冷却と循環ガスの加
熱を同時に行う。また、酸化度の小さい還元ガスを得る
ために、石炭ガス炉に前記循環ガスの一部を温度調整に
使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石炭による気流層
石炭ガス化方法によって発生するガスを、還元鉄製造設
備で還元ガスとして使用する還元鉄の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】鉄鉱石から還元鉄を製造する方法として
は、石炭と鉄鉱石を混合してペレットを作り回転炉床で
還元する方法とシャフト炉、流動層等でＣＯ、Ｈ₂を主
成分とする還元ガスで、間接的に鉄鉱石を還元する方法
がある。還元ガスを用いて還元鉄を作る方法の一例を図
１に示す。還元ガス発生装置１は、天然ガスを水蒸気で
改質した合成ガス、あるいは石炭をガス化したガスから
Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂を除いて主としてＣＯ、Ｈ₂を主成分とす
る７００〜９００℃のガスを製造する設備である。還元
鉄製造装置２は、シャフト炉、流動層炉、循環流動層炉
等が使用され、鉄鉱石と還元ガスが直接接触して、Ｃ
Ｏ、Ｈ₂がＣＯ₂、Ｈ₂Ｏに変化して鉄鉱石中の酸素を除
去して還元する。鉄鉱石を還元したガスは、まだ温度が
高く、微粉の鉄鉱石からなるダストを含み、ガス中のＣ
Ｏ、Ｈ₂成分は減少するが、まだＣＯ、Ｈ₂を含有するこ
とから、ガス中のダスト、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏを除去すること
で還元ガスとして有効に利用できることからリサイクル
使用するのが一般的である。還元装置２を出たガスは、
熱回収装置３で熱回収して温度を低下させる。

【０００３】熱回収装置３は廃熱回収ボイラー、循環ガ
スと熱交換して、脱水、脱炭酸した循環ガスを加熱する
熱交換器が使用できる。温度の低下したガスは、集塵機
４でダストを除去し、ガス冷却器５でさらに温度を低下
させてガス中の水分を凝縮して除去する。

【０００４】集塵装置４は、バグフィルター等が使用さ
れ、ガス冷却装置５は、冷却水と間接あるいは直接接触
する装置が用いられる。熱回収装置３、集塵装置４、ガ
ス冷却装置５の代わりに、ガスの冷却とダストの除去を
同時に行うベンチュリースクラーバーを使用する方法も
可能である。冷却して水分を除いたガスは、圧縮機６で
ガス処理装置の圧力低下分を昇圧した後、脱炭酸装置７
で炭酸ガスを除去する。さらに、ガス加熱炉８で７００
〜９００℃に加熱したガスを天然ガス、石炭等から生成
する還元ガスと混合して還元鉄製造装置２に供給する。
脱炭酸装置７は、アミン水溶液等を用いる吸収塔で、本
図には示していないが、蒸気を使用する炭酸ガス脱離装
置で炭酸ガスを分離して再生して循環使用される。還元
ガス発生装置１を出たガスの一部は、ガス中に存在する
未分解のメタン、窒素ガスの濃縮を防止するため、冷却
後系外に抜いてガス加熱炉８の燃料等に使用している。

【０００５】次に気流層石炭ガス化炉の一例を図２に示
す。石炭を粉砕した微粉炭をガス化バーナー１１から酸
素ガス（必要に応じて蒸気を添加する）とともにガス化
炉９に吹き込んでガス化する。ガス化温度は、石炭中の
灰分を溶融して分離するため１５００〜１７００℃の高
温で行うのが一般的である。ガス化したガスは、ガス化
炉上部のスロート１４を通って冷却炉１０に入る。石炭
中の灰分の大部分は、溶融してガス化炉下部のスラグタ
ップ１２から落下して水槽１３で固化スラグになるが、
灰分の一部はガスと同伴して液状のまま冷却炉１０に入
る。高温のガス化ガスは、このままではガスに同伴した
液状のスラグが付着して、後工程で閉塞トラブルを発生
するので、スラグが固化する温度まで冷却炉１０で冷却
される。冷却炉１０は、内部に輻射ボイラー１５が配置
され、輻射伝熱でガスを冷却するのが一般的であるが、
輻射ボイラー１５では、冷却炉１０の炉壁に伝熱管を配
置する構造で、冷却に必要な伝熱面積を確保するために
は、大きな設備になるのが問題である。

【０００６】このため、冷却炉１０に生成したガスの一
部を熱回収、集塵、ガス冷却したガスの一部を冷却炉ガ
スノズル１６から吹き込んでガスを冷却する方法もあ
る。本図では、冷却炉ガスノズル１６は冷却炉１０の上
部に配置しているが、下部に配置する場合もある。冷却
炉１０を出たガスは、サイクロン１７でガス化しないチ
ャーとスラグを除去し、熱回収装置３で熱回収し、集塵
装置でダストを捕集し、ガス冷却器５でガスを冷却す
る。熱回収装置３、集塵装置４、ガス冷却装置５は、図
１の還元鉄製造設備と同じ機器で構成される。生成した
ガスは、本図では示していないが、石炭中のＳが転化し
た硫化水素ガスを除去する脱硫装置を通って清浄なガス
を得て、燃料ガス、化学原料ガス、発電用のガス等に使
用される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、還元鉄製造
設備、気流層石炭ガス化設備のプロセスを比較すると、
熱回収装置３、集塵装置４、ガス冷却装置５は両方に使
用していることが判る。還元鉄製造設備ては、還元に使
用したガスを脱水、脱炭酸後に加熱炉８を用いて加熱し
ているのに対し、気流層石炭ガス化設備では、冷却炉１
０でガス化ガスを冷却し、さらに冷却したガスをリサイ
クルして冷却している点に着目し、両者を組み合わせる
ことで、還元鉄製造設備のガス加熱炉８を省略し、気流
層石炭ガス化設備の冷却炉１０を簡単にできる設備構成
を考案した。さらに、両者に使用している熱回収装置
３、集塵装置４、ガス冷却装置５も１基で還元鉄の製造
と石炭のガス化ガスの製造が可能になる。

【０００８】しかし、石炭の気流層ガス化では、ガス化
炉で石炭と酸素ガスでガス化する場合、ガス化炉の炉温
が高くなり蒸気を添加するのが一般的である。添加した
蒸気は一部は酸化剤となるが、残りは水蒸気で残留す
る。残った水蒸気は、燃料ガス等を得る場合は、後段の
ガス冷却装置５で除去できるので問題ないが、還元ガス
として使用するには、水蒸気が多いガスでは、ガス中の
酸化成分であるＨ₂Ｏ、ＣＯ₂が増加して好ましくない。
これを防止するには、通常２秒間程度のガス化時間を１
０秒間以上にしてガス化時間を長くとるようにして、炉
体を大きくして炉体放散熱を増やすことで、冷却蒸気を
不要あるいは減らすことで、低酸化度のガスを得ること
は可能であるが、ガス化炉の容積が大きくなる欠点があ
る。

【０００９】従って、本発明の目的は、還元鉄製造に気
流層石炭ガス化炉を用いて、還元鉄製造に適したガス組
成と温度を満足する還元ガスを製造することで、効率の
よい還元鉄製造方法を提供することにある。

【００１０】

【発明を解決するための手段】上記課題を解決するため
の、本発明の手段は以下の通りである。

【００１１】（１） 気流層石炭ガス化炉の発生ガスを
還元鉄製造設備で還元に使用するに際し、該還元鉄製造
設備のオフガスの一部を脱水および／または脱炭酸処理
し、前記気流層石炭ガス化炉の冷却炉へ循環させること
を特徴とする還元鉄製造方法である。

【００１２】（２） 気流層石炭ガス化炉の発生ガスを
還元鉄製造設備で還元に使用するに際し、該還元鉄製造
設備のオフガスの一部を脱水および／または脱炭酸処理
し、前記気流層石炭ガス化炉の冷却炉へ循環させるとと
もに、前記脱水および／または脱炭酸した処理したガス
を前記気流層石炭ガス化炉のガス化炉へ添加することを
特徴とする還元鉄製造方法である。

【００１３】（３） 気流層石炭ガス化炉の発生ガスを
還元鉄製造設備で還元に使用するに際し、該還元鉄製造
設備のオフガスの一部を脱水および／または脱炭酸処理
し、前記気流層石炭ガス化炉の冷却炉へ循環させるとと
もに、該還元鉄製造設備のオフガスの一部を前記気流層
石炭ガス化炉のガス化炉へ添加することを特徴とする還
元鉄製造方法である。

【００１４】還元鉄製造に使用するガスは、酸化度（以
下次のように定義する（ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ）／（ＣＯ＋Ｈ₂
＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ））の低いガスが好ましいが、気流層石
炭ガス化炉では、ガス化炉の炉温が上昇するため、温度
調整用に蒸気を添加するのが一般的である。添加した蒸
気の一部は、石炭中のＣと反応するが残りは生成ガス中
に入るので、ガスの酸化度が高くなって好ましくない。
しかし、本発明方法では、蒸気の代わりに、還元に使用
したオフガスを処理した低温のガスをガス化炉に添加す
ることで、酸化度の低い石炭ガス化ガスを得ることが可
能になる。

【００１５】すなわち、前記で得られた石炭のガス化ガ
スに、還元鉄製造に使用したオフガスを精製、昇圧した
後に混合することで、還元鉄製造に適した温度とガス組
成のガスを得ることができる。さらに、前記石炭ガス化
炉に還元鉄製造に使用したオフガスの一部を添加するこ
とで、添加ガスが冷却剤になり、蒸気の添加が不要にな
り、同時にガス化炉の炉体を大きくして放散熱を増加さ
せることなく、低酸化度のガスを発生させることが可能
になる。さらに、オフガスのＣＯ₂、Ｈ₂Ｏが石炭と酸化
剤である酸素の役割をして両者を削減することが可能に
なる。また、還元に使用したガスの一部を系外に取り出
すことで燃料ガス等が石炭のガス化で同時に得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下添付図によって本発明の実施
の形態を説明する。

【００１７】図３は、本発明の還元鉄製造設備を示すも
ので、ガス化炉９、冷却炉１０、サイクロン１７、還元
鉄製造装置２、熱回収装置３、集塵装置４、ガス冷却装
置５、圧縮機６、脱炭酸装置７によって構成される。ガ
ス化炉９は、図２のガス化炉９とほとんど同じで、ガス
化炉ガスノズル１８が付いている点が異なるだけであ
る。

【００１８】冷却炉１０は、図２の冷却炉１０に対し、
輻射ボイラー１５がなく、冷却炉ガスノズル１６が冷却
炉１０の下部に位置し、１６００℃程度の高温のガス化
ガスを７００〜９００℃に急冷するようにしている。従
って冷却炉１０は、図２の冷却炉１０に対し、輻射ボイ
ラー１５が不要で、かつ容積も循環ガスとの混合するだ
けですむので小容量にできる。サイクロン１７は、未分
解のチャーと石炭中の灰分を除去するために設置する
が、省略することも可能であるが、ダストを還元装置に
入る前に除去する方が還元鉄の灰分増加を防止できる点
から設置する方が好ましい。７００〜９００℃のガス
は、還元鉄製造装置２で鉱石を還元し、図１の還元鉄製
造設備と同様に熱回収装置３、集塵装置４、ガス冷却装
置５、圧縮機６、脱炭酸装置７で処理されて、冷却炉の
ノズルに供給する。ガス冷却装置５、脱炭酸装置７を省
略することも可能であるが、還元ガスの酸化度を低下さ
せる点で設置することが好ましい。

【００１９】オフガスの一部は、図３では脱炭酸装置７
の入口から分岐してガス化炉９のガス化炉ガスノズル１
８に供給される。ガス化炉に供給するガスは、図３では
脱炭酸する前のガスを供給する。その理由は、ガス中に
含まれる炭酸ガスが下記の（１）の反応で石炭中のＣと
反応して、酸化剤として働き、吸熱反応でガス化炉に供
給するガスを減少できることによるが、脱炭酸後のガス
を供給することも可能である。また、図３の点線で示す
ように、集塵後のガスを添加すれば、水分が多い分下記
の（２）の反応も寄与して効果があるが、温度の高いガ
スを圧縮することは、圧縮電力が増加して好ましくな
い。ガス化炉への還元に使用したガスの添加は、ガス化
炉ガスノズルから供給しているが、ガス化バーナー１１
から石炭の搬送ガスに使用して添加することも可能で、
添加ガスの酸化度が高い場合には、下記の（１）、
（２）の反応が促進されて好ましい。

【００２０】 Ｃ＋ＣＯ₂＝２ＣＯ （１） Ｃ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ＋Ｈ₂ （２）

【００２１】また、石炭ガス化は、石炭から使用しやす
い燃料であるガスを得るのが目的であるが、本発明にお
いても還元鉄の製造と石炭のガス化ガスを得ることは可
能である。図３では、脱炭酸後のガスを系外に取り出す
ようにしているが、冷却前のガス、冷却後のガスを取り
出すことも可能である。この場合は、脱炭酸後のガスを
取り出すのに比べて、ガスの酸化度が高くカロリーの低
いガスが得られる。図３では系外に抜き出すガスの処理
設備は示していないが、ガス中の硫黄を除去する脱硫装
置等の環境設備は、必要に応じて設置することが好まし
い。

【００２２】

【実施例】次に、実施例と比較例を示して本発明の効果
を説明する。還元鉄製造装置は、循環流動層を用い、鉄
鉱石５０Ｔ／Ｈを処理した。表１に実施例、比較例の還
元ガス発生装置（ガス化炉）からの発生ガス（石炭ガス
化の場合はガス化炉発生ガス）（Ａ）、還元鉄製造装置
入口のガス（Ｂ）、発生ガスと混合する循環ガス
（Ｃ）、系外に抜き出すガス（Ｄ）、ガス化炉に吹き込
むガス（Ｅ）のガス量、酸化度、温度を示す。比較例
は、図１の従来の還元ガス発生装置を使用した例、実施
例１は、ガス化炉にガスを吹き込まないケース、実施例
２は、ガス化炉に脱炭酸したガスを吹き込むケース、実
施例３は、脱炭酸しないガスをガス化炉に吹き込むケー
スを示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】本実施例では、比較例、実施例の還元装置
入口の条件は同一とし、実施例ではガス化ガス、循環ガ
スの条件は同じにして、ガス化炉添加ガス量による変化
は、系外取り出しガス量で調整した。また、実施例１で
は、酸化度１５％のガス化ガスを得るため、ガス化時間
は１０秒間、実施例２、３は２秒間である。

【００２５】比較例では、９０００Ｎｍ²／Ｈの循環ガ
スを９００℃に加熱する必要があるのに対し、実施例で
は加熱しないガスを石炭ガス化ガスと混合するだけで、
還元鉄製造に必要なガスを得ることができる。系外に取
り出すガスは、比較例ではガス加熱装置の燃料に使用し
て、外部に供給することはほとんどできないが、実施例
ではガス加熱装置が不要で、燃料として取り出すことが
可能になり、例えば、還元鉄から製造する圧延設備の加
熱炉の燃料に使用でき、石油燃料の節約になる。

【００２６】実施例１と実施例２、３を比較すると実施
例１ではガス化炉添加ガスがない分系外に取り出すガス
量は増加するが、石炭の使用量も増加する。実施例２、
３を比較すると実施例３の方が反応式（１）の吸熱反応
でガス化炉添加ガス量が減少し、系外に散り出すガス量
も増加していることが分かる。これは、ガス化の余剰の
熱でＣＯ₂をＣＯに変換していることになり、ＣＯ₂削減
の点からも好ましい。

【００２７】次に、系外に取り出すガス量が増減する場
合の対応について説明する。系外に取り出すガス量が増
加する場合は、ガス化ガス量を増やす必要があるが、循
環ガス量も同じ比率で増加させないと冷却炉入口ガス温
度が高くなってスラグが固化しなくなって閉塞トラブル
の原因になることから、ガス化ガス、循環ガスとも増加
すれば可能である。この場合、還元装置に入るガス量は
増加するが、ガス処理量に問題がなければ、還元鉱石の
還元度が高くなる。ガス処理量が不足する場合は、ガス
の一部を還元装置をバイパスして、熱回収装置にいれる
ことも可能である。逆に系外に取り出すガスが減少する
場合は、ガス化ガス量は減少させ、循環ガス量を増加さ
せることになる。この場合は、還元装置に入るガス温度
が低下するが、脱炭酸した循環ガスを還元装置を出たガ
スと熱交換するか、ガスをガス加熱装置で不足する分だ
け加熱すれば同じ温度にすることは可能である。ガスを
加熱する場合でも、比較例より低温の加熱温度ですむの
で加熱装置及び加熱燃料は少なくてすむことは明らかで
ある。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、還元鉄製造に石炭ガス
化ガスを使用することで、還元鉄製造に必要な循環ガス
の加熱装置と加熱に必要な燃料が不要になり、石炭ガス
化炉の輻射ボイラーも省略することが可能で、設備が簡
略化できる。さらに、安価な石炭から燃料ガス等の製造
を同時に行うことも可能になり、単独で行うよりも熱回
収装置、集塵装置、ガス冷却装置を共用化できること
で、設置面積、設備費の削減が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の還元鉄製造設備の構成を示す図である。

【図２】石炭ガス化設備の構成を示す図である。

【図３】本発明の還元鉄製造設備の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 還元ガス発生装置 ２ 還元鉄製造装置 ３ 熱回収装置 ４ 集塵装置 ５ ガス冷却装置 ６ 圧縮機 ７ 脱炭酸装置 ８ ガス加熱炉 ９ ガス化炉 １０ 冷却炉 １１ ガス化バーナー １２ スラグタップ １３ 水槽 １４ スロート １５ 輻射ボイラー １６ 冷却炉ガスノズル １７ サイクロン １８ ガス化炉ガスノズル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気流層石炭ガス化炉の発生ガスを還元鉄
   製造設備で還元に使用するに際し、該還元鉄製造設備の
   オフガスの一部を脱水および／または脱炭酸処理し、前
   記気流層石炭ガス化炉の冷却炉へ循環させることを特徴
   とする還元鉄製造方法。
2. 【請求項２】 気流層石炭ガス化炉の発生ガスを還元鉄
   製造設備で還元に使用するに際し、該還元鉄製造設備の
   オフガスの一部を脱水および／または脱炭酸処理し、前
   記気流層石炭ガス化炉の冷却炉へ循環させるとともに、
   前記脱水および／または脱炭酸した処理したガスを前記
   気流層石炭ガス化炉のガス化炉へ添加することを特徴と
   する還元鉄製造方法。
3. 【請求項３】 気流層石炭ガス化炉の発生ガスを還元鉄
   製造設備で還元に使用するに際し、該還元鉄製造設備の
   オフガスの一部を脱水および／または脱炭酸処理し、前
   記気流層石炭ガス化炉の冷却炉へ循環させるとともに、
   該還元鉄製造設備のオフガスの一部を前記気流層石炭ガ
   ス化炉のガス化炉へ添加することを特徴とする還元鉄製
   造方法。