JP2009126748A - スラグの処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣａＯを含む高温のスラグを、アルカリ水を発生させることなく冷却すると同時に炭酸化することができ、しかも粉塵の飛散も抑制することができるスラグの処理方法を提供する。
【解決手段】炉や鍋から排出される高温スラグを一次冷却し、温度が８００℃以上の状態でロータリークーラーなどの冷却装置１０の入り側近くのスラグが高温の状態で散水して急速冷却する。その時に起こるＣ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２の水性ガス化反応およびＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２のシフト反応を同時に進行させて炭酸ガスを発生させる。発生した炭酸ガスをスラグ出側に排気して常温近くまで冷却されたスラグと長時間接触させることでスラグ中のＣａＯは炭酸化され、安定なＣａＣＯ_３となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、製鋼工程や溶銑予備処理工程から発生する未反応ＣａＯを含む高温のスラグを、冷却しつつ炭酸化処理するスラグの処理方法に関するものである。

製鋼工程や溶銑予備処理工程からは、未反応ＣａＯを含む１２００℃〜１６００℃の高温のスラグが大量に発生する。従来はこれらのスラグを面積の広いスラグヤードに排出し、大量の散水を行って冷却していた。しかし冷却効率が悪く冷却に長時間を要するうえに、凝固したスラグの表面から発生する粉塵の飛散を防止するために、集塵コストが嵩むという問題があった。また多量の散水を行っても水がスラグ内部に均一に到達しにくく、水と接触しないままスラグ中にＣａＯ成分が残存することが多い。このＣａＯ成分はスラグを路盤材として使用する場合に膨張などの障害を引き起こす。このため、スラグを路盤材として使用する場合には、スラグを長期間にわたり放置し、空中の炭酸ガスによってＣａＯをＣａＣＯ_３に炭酸化させるエージング処理を行わねばならなかった。

また大量の散水を行うと、スラグ中の微粉部分に分散している未反応ＣａＯ成分が水中にＣａ（ＯＨ）_２として分散し、更に、この水と接触したスラグ全体にＣａ（ＯＨ）_２が付着して強アルカリ性となってしまう。このためスラグを路盤材、或いは海洋用途に使用する場合には、中和処理が必要であった。また、この強アルカリ水により集中配管などの処理設備が腐食することがあるので、強アルカリ水を中和する必要があり、中和のための薬品コストが嵩むという問題があった。

なお特許文献１には、溶融状態の製鋼スラグを浅底広皿上に注入して散水による一次冷却を行い、次に排滓台車内で散水による二次冷却を行い、更に貯水冷却ピットに浸漬する製鋼スラグの安定化処理方法が開示されている。しかしこの方法はスラグを水中に浸漬するため、上記した強アルカリ水が発生するという問題があった。
特公平５−４２３８０号公報

従って本発明の目的は、ＣａＯを含む高温のスラグを、アルカリ水を発生させることなく冷却すると同時に炭酸化することができ、しかも粉塵の飛散も抑制することができるスラグの処理方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、温度が８００℃以上の高温スラグを、冷却装置の内部で移送しつつ冷却する工程において、冷却装置の入口側から高温スラグに散水を行い、水性ガス化反応及びシフト反応を同時進行させて炭酸ガスを発生させ、冷却装置の出口側から排気することで炭酸ガスと冷却されたスラグの接触時間を増やし反応効率を向上させることで効率的にスラグ中のCａＯを炭酸化することを特徴とするものである。

冷却装置としては、回転シェルの内部でスラグを撹拌しながら出口に向かって移送するロータリークーラーを使用することができる。また冷却装置として、シェルの内部に設けた振動板の下方より冷却風を吹き込んでスラグを流動させながら出口に向かって移送する流動式振動クーラーを使用することもできる。

水性ガス化反応およびシフト反応を進行させ炭酸ガスを得るためにはスラグ中に炭素が必要であるが、スラグ中の炭素量が少ない場合には、直接炭酸ガス源として炭酸ガスを含むガスを冷却装置に追加して吹き込むか、高温スラグに炭素源を添加したうえで冷却装置の内部に投入することが好ましい。この場合の炭酸ガス源としては、コークス炉の燃焼排ガスやCaO焼成炉の排気ガスなどがあり、炭素源としては、グラファイト、石炭灰のいずれかを使用することが好ましい。

本発明のスラグの処理方法によれば、温度が８００℃以上の高温スラグを冷却装置の入口側の高温域で散水を行いスラグを常温近くまで急冷却する。散水による蒸発潜熱を利用して冷却するため、スラグの温度低下に見合う散水量を確保する必要があり、冷却装置の入口側ではＣ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２の水性ガス化反応に続きCO＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２のシフト反応が同時に進行する。この急冷却の過程で、水性ガス化反応は吸熱反応であるため６００℃以上の高温域において進行し、シフト反応は発熱反応のため６００℃以下で進行し、その結果冷却装置入口側のスラグ急冷域で炭酸ガスが発生する。

冷却装置入口側で発生した炭酸ガスを冷却装置出口側から排気することで、入口側で発生した炭酸ガスと８００℃以上から常温近くまで冷却され少々水分を含んだスラグを、冷却装置出口側へ移送する間に接触させて反応させることにより、スラグ中の未反応ＣａＯを効率的にＣａＣＯ_３に炭酸化できる。このようにしてスラグは冷却されると同時に炭酸化処理され、それ以上のエージング処理を施すことなく路盤材などにそのまま有効利用することができる。

上記のように、本発明は冷却装置の内部で冷却と炭酸化を進行させるので、粉塵が飛散することがない。本方法は、例えば鉄鋼の溶銑予備処理スラグのように、飛散し易いキッシュグラファイトを含むスラグには極めて適したものである。即ち、これまでの冷却方法では、キッシュグラファイトの飛散自体が問題となるが、これを飛散させることなく、かつ、反応に有効利用するからである。また水性ガス化反応の反応が進行する６００℃以上の高温域で散水を行うために散水された水はその大部分が瞬時に気化し、残りはスラグに含まれた状態となり冷却装置出口側から流出するような水が発生しない。このために従来のように冷却工程において強アルカリ水が発生することはなく、処理設備の腐食のおそれがないうえに、スラグ全体が強アルカリ化することもない。従って中和に必要な薬品コストが不要となる。

なお、スラグ中の炭素はグラファイトとして析出しているものであり、反応の比表面積が大きく、水性ガス化反応を生じるのに適している。スラグに多くの炭素が含まれている場合は良いが残留しているＣaOに対して炭素含有量が少ない場合は、炭酸ガスを含むガスを直接追加して吹き込むか、グラファイト、石炭灰などの炭素源を高温スラグに添加すれば、水性ガス化反応を円滑に進行させることができる。石炭灰には１５％程度の炭素が含有されている。

以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。
製鋼工程や溶銑予備処理工程から排出される１２００℃〜１６００℃の高温のスラグを、図１に示すようにスラグパン１から冷却ピット２に流下させ、先ず一次冷却が行う。本発明で処理対象とする高温のスラグは、炉または鍋から排出された製鋼スラグや溶銑予備処理スラグなどであり、製鋼スラグには転炉吹錬スラグ、溶銑予備処理スラグには溶銑脱リンスラグ、溶銑脱硫スラグなどが含まれる。

これらの製鋼スラグまたは溶銑予備処理スラグ中には、溶銑中に吹き込まれたＣａＯの微粉末の一部が未反応のフリーＣａＯとして含有されている。なお、炉や鍋から排出されるスラグの温度はスラグの種類により異なるが、一般的には製鋼スラグでは１４００〜１６００℃であり、溶銑予備処理スラグでは１２００〜１４００℃である。一次冷却はこのような高温のスラグ温度を８００〜１２５０℃程度にまで降下させる目的で行われるものであり、高温のスラグは冷却ピット２上で均一な厚さに掻き均され、大きな塊や地金を取り除かれる。さらに溜り水や流出水を発生させない範囲で散水ノズル３から冷却水を噴霧する。このとき、噴霧した冷却水が瞬時に蒸発してスラグから気化熱を奪い、スラグを冷却する。

次に冷却ピット２からパワーショベル等の適宜の機器によりスラグを取り出し、冷却装置１０において二次冷却を行う。冷却装置１０の前段にはホッパー１１が設置されており、その表面にはグリズリーと呼ばれる篩分け用の格子１２が傾斜状態で設けられている。一次冷却を終えたスラグ中の地金大塊はこの篩分け格子１２によって分離され、グリズリーを通過した小径のスラグのみが振動フィーダー１３によって冷却装置１０に投入される。冷却装置１０に入るときのスラグ温度は８００℃以上とすることが必要である。これよりも低温では水性ガス化反応が進行しにくいからである。

二次冷却のための冷却装置１０としては様々な形式のものを用いることができるが、この実施形態では図２に示す筒型ロータリークーラーの冷却装置１０が用いられている。これはケーシング１４を水平面に対してわずかに傾斜させた軸線のまわりに回転させ、その内部に追加する炭酸ガスを含むガスを吹付ける冷却風吹付け手段１５を設けたものである。追加する炭酸ガスを含むガスを吹付ける冷却風吹付け手段１５はケーシング１４の中心を貫通するように設置されており、下方に延びたノズルからスラグに向かって炭酸ガスを含むガスを吹き付ける構造のクーラーである。スラグはケーシング１４の回転に連れて徐々に出口１６の方向に移動し、スラグ中のＣａＯをＣａＣＯ_３に炭酸化していく。

なお二次冷却のための冷却装置１０としては、このようなロータリー型の冷却装置のほか、図３に示すようにケーシング１４の内部に冷却風吹付け手段１５と振動板１７とを備えた振動冷却コンベヤを使用することもできる。振動板１７の下方から吹き上がる冷却風によってスラグは流動しながら出口１６の方向に移動して行く。いずれの場合にも冷却装置１０を使用するのは、スラグの保有熱を有効利用して以下に述べる水性ガス化反応およびシフト反応を進行させるためである。また密閉構造の冷却装置１０を使用することにより、水性ガス化反応によって生成されるＣＯが周囲の雰囲気中に放出される危険も防止することができる。

図２や図３に示すように、本発明では冷却装置１０の内部の散水ノズル１８を設置し、移送されるスラグに散水する。この散水ノズル１８はスラグ温度が６００℃以上の高温域に設置されるものであり、図示のように冷却装置１０の入口に近い部分に設置することが好ましい。水性化ガス反応およびシフト反応を同時に進行させるため、冷却装置の入口側で高温スラグに散水を行い、８００℃以上の高温スラグを常温近くまで急冷却する。散水による蒸発潜熱を利用して冷却するために、スラグの温度低下に応じた散水量が必要となる。例えば、処理量１０ｔ／ｈ、比熱１．０ｋＪ／ｋｇ℃、１０００℃のスラグを３０℃まで急冷却するためには、９．７ＭＪ／ｈｒの大量の抜熱が必要で、２２５６ｋＪ／ｋｇの蒸発潜熱を有する水４．３ｔ／ｈの散水が必要である。この急冷却により水性ガス化反応とシフト反応が同時に進行する。散水された水はスラグ中のＣと反応し、Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２の水性ガス化反応が進行するが、この反応は平衡温度が６６２℃の吸熱反応であるから、スラグ温度が６００℃以上の高温域において迅速に進行する。６００℃以下では発熱反応であるＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２のシフト反応がおこり炭酸ガスが生成される。

生成した炭酸ガスは排ガスブロア１９が設置された出口側に移動する。一方、スラグは冷却装置１０の入口側でほぼ常温まで冷却され少々水分を含んだ状態で内部を移動する間にスラグ中の未反応ＣａＯと反応してＣａＣＯ_３を生成し、スラグは炭酸化処理される。

このようにして冷却装置１０の内部で冷却されると同時に炭酸化処理されたスラグは、出口１６から排出される。このスラグは、それ以上のエージング処理を施すことなく路盤材などにそのまま有効利用することができる。なお、冷却装置１０の内部ガスは排ガスブロア１９により吸引され、サイクロン集塵機２０により集塵されたうえで外部に排出される。
次に本発明の実施例を示す。

溶銑予備処理工程から排出された温度が約１２００℃の高温スラグを、図１に示した冷却ピットで一次冷却したうえで、図２に示した筒型ロータリークーラーの冷却装置１０に投入し、冷却と炭酸化を行った。筒型ロータリークーラーの冷却装置１０の直径は１．９３ｍ、長さは７．４ｍであり、中心軸は水平面に対して１/１００の勾配で傾斜させてあり、回転速度は１.０ｒｐｍである。筒型ロータリークーラーの冷却装置１０の内部に設置された冷却風吹付け手段１５からスラグに向けて炭酸ガス濃度１６％のＣａＯ焼成キルン排ガスを追加して吹付ける場合と吹き付けない場合の条件の下で、筒型ロータリークーラーの冷却装置１０の入口付近に設けた散水ノズル１８から、スラグに向けて３．８〜４．７ｔ／ｈの冷却水を散水した。なお、設備保護のために３０ｔ/ｈの冷却水を用いて筒型ロータリークーラーの冷却装置１０本体冷却のための別途外部冷却を行っている。散水ノズル１８から散水された３．８〜４．７ｔ／ｈの冷却水の大部分は直ちに気化し、残りはスラグに含まれた状態で排出され、冷却装置出口側からは冷却水は流出しない。

スラグ処理量、散水量、炭酸ガス含有ガスの吹き込み有無、筒型ロータリークーラーの冷却装置１０の入側スラグ温度を表１に示すように様々に変化させ、筒型ロータリークーラーの冷却装置１０の出側スラグ温度を測定した。また筒型ロータリークーラーの冷却装置１０の入側スラグ中のフリーＣａＯ濃度と、出側スラグのフリーＣａＯ濃度とをそれぞれ測定し、表１にまとめた。

表１に示されるように、実施例によれば筒型ロータリークーラーの冷却装置１０内部でスラグ温度は大幅に低下するとともに炭酸化され、スラグ中のフリーＣａＯ濃度が低減した。また筒型ロータリークーラーの冷却装置１０出側から排出されるガス中のＣＯ濃度を測定したところ約１０ｐｐｍであったが、筒型ロータリークーラーの冷却装置１０の入り口近くからサンプリングした雰囲気ガス中のＣＯ濃度は約１０％（１０^５ｐｐｍ）であり、筒型ロータリークーラーの冷却装置１０の入り側近くで水性ガス化反応およびシフト反応が進行していることが確認できた。本発明の処理は筒型ロータリークーラーの冷却装置１０内部で進行するため、粉塵が周囲に飛散することはなかった。

本発明の実施形態の説明図である。 筒型ロータリークーラーの冷却装置を示す断面図である。 箱型シェルを有する振動冷却コンベヤの冷却装置を示す断面図である。

符号の説明

１ スラグパン
２ 冷却ピット
３ 散水ノズル
１０ 冷却装置
１１ ホッパー
１２ 篩分け用の格子
１３ 振動フィーダー
１４ ケーシング
１５ 冷却風吹付け手段
１６ 出口
１７ 振動板
１８ 散水ノズル
１９ 排ガスブロア
２０ サイクロン集塵機

Claims (6)

1. 温度が８００℃以上の高温スラグを、冷却装置の内部で移送しつつ冷却する工程において、冷却装置の入口側から高温スラグに散水を行い、水性ガス化反応及びシフト反応を同時進行させて炭酸ガスを発生させ、冷却装置の出口側から排気することで炭酸ガスと冷却されたスラグの接触時間を増やし反応効率を向上させることで効率的にスラグ中のＣａＯを炭酸化することを特徴とするスラグの処理方法。
2. 冷却装置として、回転シェルの内部でスラグを撹拌しながら出口に向かって移送するロータリークーラーを使用することを特徴とする請求項１記載のスラグの処理方法。
3. 冷却装置として、シェルの内部に設けた振動板の下方から冷却風を吹き込んでスラグを流動させながら出口に向かって移送する流動式振動クーラーを使用することを特徴とする請求項１記載のスラグの処理方法。
4. 炭酸ガス源として炭酸ガスを含むガスを追加して吹き込むことを特徴とする請求項１記載のスラグ処理方法。
5. 高温スラグに炭酸源を添加したうえで冷却装置の内部に投入することを特徴とする請求項１記載のスラグの処理方法。
6. 炭酸源がグラファイト、石炭灰のいずれかであることを特徴とする請求項５記載のスラグの処理方法。

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