JP2010111917A - 炭材内装塊成化物の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ確実な手段により、粉状炭材を迅速かつ十分に軟化させて粉状鉄含有原料との均一な混合を実現し、設備コストを上昇させることなく、強度を確保しつつ生産性をさらに向上しうる炭材内装塊成化物の製造装置を提供する。
【解決手段】軟化溶融性を有する粉状炭材Ａを、加熱することなく、または、３５０℃以下に加熱して供給する炭材供給手段１と、粉状鉄含有原料Ｂを３００℃以上に加熱する原料加熱手段２と、酸素含有ガスＧを流通しつつ、粉状炭材Ａと加熱後の粉状鉄含有原料Ｂとを混合して加熱混合物Ｃとする混合手段３と、この加熱混合物Ｃを熱間成形して炭材内装塊成化物Ｄとなす熱間成形手段４とを備え、混合手段３において、酸素含有ガスＧを、粉状鉄含有原料Ｂの温度が３００℃以上で、かつ、粉状炭材Ａの最高流動度温度以下の範囲に吹き込むことを特徴とする炭材内装塊成化物の製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料として用いることができる、熱間成形による炭材内装塊成化物の製造装置に関し、詳しくは加熱原料の混合機における生産性の改善技術に関する。

本出願人は、高炉、キューポラなどの竪型炉用装入原料として用いることを目的として、粉鉱石と軟化溶融性を有する炭材の混合物を熱間成形することにより、従来の炭材内装コールドペレット等のようにセメントなどのバインダを添加せずとも高強度が得られる炭材内装塊成化物を開発した。

このような炭材内装塊成化物（以下、単に「塊成化物」ともいう。）は、例えば図８に示すような工程で製造できる。すなわち、粉状鉄鉱石Ｂをロータリキルン（原料加熱手段）２で４００〜８００℃に加熱するとともに、軟化溶融性を有する粉状石炭Ａを別途ロータリドライヤ（炭材加熱手段）１で軟化溶融が起らない２５０℃未満の温度で乾燥したのち、これらの加熱された粉状石炭Ａ（以下、単に「石炭」ともいう。）と粉状鉄鉱石Ｂ（以下、単に「鉄鉱石」ともいう。）とからなる加熱原料を混合機３で混合して粉状石炭Ａが軟化溶融する温度である２５０〜５５０℃の加熱混合物Ｃとする。そして、この加熱混合物Ｃを双ロール型成形機（成形手段）４で熱間成形してブリケット化し、必要により脱ガス槽（熱処理手段）５にて残留タール分を除去することにより塊成化物Ｅが得られる（特許文献１，２参照）。

ここで、混合機３において、粉状石炭Ａを軟化溶融させるためには、石炭を軟化溶融する温度まで昇温させるために必要な顕熱Ｑ_１と、石炭を熱分解するために必要な乾留熱Ｑ_２を合計した熱量Ｑを必要とする。

例えば、石炭と鉄鉱石との質量比を２０：８０、鉄鉱石の比熱０．２５ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃）、石炭の初期温度を２０℃、石炭の比熱０．２５ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃）、石炭の乾留熱（２９０〜７００℃）３００ｋｃａｌ／ｋｇ、加熱混合物温度（＝石炭の軟化溶融温度）４５０℃としたとき、石炭１ｋｇ当りの必要熱量Ｑ（ｋｃａｌ／ｋｇ）は、以下のようになる。

Ｑ＝Ｑ_１＋Ｑ_２
＝０．２５ｋｃａｌ／（ｋｇ・℃）×（４５０℃−２０℃）＋３００ｋｃａｌ／ｋｇ×（４５０℃−２９０℃）／（７００℃−２９０℃）
＝１０７．５ｋｃａｌ／ｋｇ＋１１７ｋｃａｌ／ｋｇ
＝２２４．５ｋｃａｌ／ｋｇ

この必要熱量Ｑを鉄鉱石の顕熱のみで供給する場合は、理論的には鉄鉱石を６７５℃に加熱（予熱）する必要がある（以下、この温度を「理論予熱温度」と呼ぶ。）。実際には、混合機３からの放熱ロスが存在するのでこの放熱ロスを補填するため、さらに高い温度に鉄鉱石を加熱する必要がある。

このように、鉄鉱石を高温に加熱するためには、ロータリキルン（原料加熱手段）の耐熱仕様が上昇し設備コストが増大するとともに、ロータリキルン（原料加熱手段）にて大量のエネルギを必要とする問題がある。

また、石炭の軟化溶融特性は、その昇温速度に応じて変化することが知られている。すなわち、石炭の昇温速度が上昇するにしたがって、軟化開始温度は低温化し、再度固化（コークス化）するまでの温度範囲は拡大するものの、軟化開始までの時間はもとよりコークス化までの時間も短くなる傾向があることが知られている。

そして、鉄鉱石の顕熱のみで石炭を軟化させる場合には、上述したように、鉄鉱石温度を高く設定する必要があるが、そうすると、混合機３への加熱原料の装入直後における、混合が不十分でかつ鉄鉱石温度が高い状態において、高温の鉄鉱石の近傍に局部的に存在する石炭が急速加熱されて急速に軟化溶融し、軟化溶融状態に留まらずさらにコークス化状態にまで至ってしまう。この結果、バインダとしての効果が減少し、塊成化物の強度が十分に確保できない問題が生じる。

そこで、本発明者らは、混合機３内に酸素含有ガスとして例えば空気を流通させ、このような酸素含有ガス雰囲気中で混合処理を行うことにより、石炭から発生してくる揮発分の一部を、空気中の酸素ガス成分と反応させて燃焼し雰囲気温度を上昇させることで、加熱混合物Ｃの温度すなわち熱間成形温度をより確実に確保できるという方法を提案した（特許文献３参照）。

しかしながら、石炭から発生してくる揮発分は、メタンや水素を主成分とし、これらのガス成分の発火温度はそれぞれ５４０℃、５７０℃である。したがって、低酸素濃度下での燃焼状態となる上記特許文献３で提案した方法では、混合機３内の雰囲気温度（すなわち加熱混合物Ｃの温度）が上記発火温度より低い場合は常識的には燃焼反応が起らないと考えられるので、十分に熱効率が改善されないことが懸念されていた。
特許３５０２０１１号公報 特開２００１−２９４９４４号公報 特開２００８−９５１２４号公報

そこで、本発明は、簡易かつ確実な手段により、粉状炭材を迅速かつ十分に軟化させて粉状鉄含有原料との均一な混合を実現し、設備コストを上昇させることなく、強度を確保しつつ生産性をさらに向上しうる炭材内装塊成化物の製造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、上記特許文献３で提案した、混合機に酸素含有ガスを吹き込むことにより熱効率を改善する技術のさらなる改良を行うこととし、ラボ試験等により種々検討を行った。

その結果、石炭から発生する揮発分の低酸素濃度下における燃焼反応は、鉄鉱石の存在下においては、鉄鉱石の触媒作用によって、主要ガス成分の発火温度よりも低い温度で燃焼が開始することを見出し、該知見に基づき、さらに検討を加え、以下の発明を完成するに至った。

請求項１に記載の発明は、軟化溶融性を有する粉状炭材を、加熱することなく、または、３５０℃以下に加熱して供給する炭材供給手段と、粉状鉄含有原料を３００℃以上に加熱する原料加熱手段と、酸素含有ガスを流通しつつ、前記粉状炭材と前記加熱後の粉状鉄含有原料とからなる加熱原料を混合して加熱混合物とする混合手段と、前記加熱混合物を熱間成形して炭材内装塊成化物となす熱間成形手段とを備え、前記混合手段において、前記酸素含有ガスを、前記粉状鉄含有原料の温度が３００℃以上で、かつ、前記粉状炭材の最高流動度温度以下の範囲に吹き込むことを特徴とする炭材内装塊成化物の製造装置である。

請求項２に記載の発明は、前記混合手段が、内面円筒状の混合容器内に、該混合容器の中心軸と一致する軸回りに回転する攪拌翼が備えられてなる混合機である請求項１に記載の炭材内装塊成化物の製造装置である。

請求項３に記載の発明は、前記攪拌翼の先端の周速度を１．５〜６ｍ／ｓとする請求項２に記載の炭材内装塊成化物の製造装置である。

請求項４に記載の発明は、前記混合機が、前記混合容器を横型し、該混合容器内に前記加熱原料を連続的に装入する原料装入部と前記加熱混合物を連続的に排出する混合物排出部とを備えてなる連続式混合機であって、さらに、前記原料装入部に前記酸素含有ガスの吹込み口を備えた請求項２または３に記載の炭材内装塊成化物の製造装置である。

請求項５に記載の発明は、さらに、前記混合物排出部に排ガス排出口を備えた請求項４に記載の炭材内装塊成化物の製造装置である。

請求項６に記載の発明は、前記混合容器の外周面に外部加熱手段を備え、該外部加熱手段は、前記原料装入部側にバーナを、前記混合物排出部側にバーナ燃焼排ガスの排出口を、それぞれ設けた請求項４または５に記載の炭材内装塊成化物の製造装置である。

請求項７に記載の発明は、前記混合容器の外周面に外部加熱手段を備え、該外部加熱手段は、前記原料装入部側から前記混合物排出部側に向かう方向に沿って複数個の部分に分割され、該複数個の部分ごとに独立して加熱量を調整できるようにした請求項４または５に記載の炭材内装塊成化物の製造装置である。

請求項８に記載の発明は、前記混合容器の前記原料装入部にさらに不活性ガスの吹込み口を設けた請求項４〜７のいずれか１項に記載の炭材内装塊成化物の製造装置である。

本発明によれば、粉状炭材と加熱後の粉状鉄含有原料とからなる加熱原料を混合して加熱混合物とする混合手段において、酸素含有ガスを、粉状鉄含有原料の温度が３００℃以上で、かつ、粉状炭材の最高流動度温度以下の範囲に吹き込むことで、粉状炭材から発生する揮発分の一部を、その主要ガス成分の発火温度よりも低い温度から燃焼させることにより、加熱原料中の粉状炭材は、その昇温速度が上昇し、混合手段内での混合時間を短縮しても十分に軟化し、粉状鉄含有原料との均一な混合が実現できる。

この結果、設備コストを上昇させることなく、強度を確保しつつ生産性をさらに向上しうる炭材内装塊成化物の製造装置を提供できるようになった。

（実施形態）
図１に本発明の一実施形態に係る炭材内装塊成化物の製造装置の概略構成を示す。なお、上記従来技術で説明した図８と共通する装置（手段）および物質には同じ符号を用いた。以下、粉状鉄含有原料として粉状鉄鉱石を代表例に挙げて説明する。鉄鉱石と、炭材のうち軟化溶融性を実質的に有しない炭材（例えば、コークス粉、一般炭、無煙炭、オイルコークス等）は、必要な場合には粉砕して、７４μｍ以下の粒子が７０％程度の粉状にする。炭材のうち軟化溶融性を有する炭材（例えば、粘結炭、非微粘結炭、ＳＲＣ等）も、上記の軟化溶融性を実質的に有しない炭材ほどは細かくする必要はないが、粉状鉄鉱石および軟化溶融性を実質的に有しない炭材との混合状態を良好に保つために１ｍｍ以下程度に粉砕するのが望ましい。

〔炭材供給手段〕
このようにして粒度調整された粉状炭材Ａは、炭材供給手段１で後段の混合手段３へ供給する。なお、粉状炭材Ａは、加熱することなく供給してもよいし、実質的に軟化溶融しない３５０℃以下に加熱して供給してもよい。粉状炭材Ａを加熱する場合は、炭材供給手段１の前段に別途加熱手段を設けてもよいし、炭材供給手段１が加熱機能を備えたもの（例えばロータリドライヤ）とし、粉状炭材Ａを加熱しつつ供給するようにしてもよい。

〔原料加熱手段〕
一方、粉状鉄鉱石Ｂは、混合手段３に装入されたときの温度が３００℃以上で、粉状炭材Ａの最高流動度温度以下となるように、原料加熱手段（例えば、ロータリキルン）２で３００℃以上に予熱する。粉状鉄鉱石Ｂの予熱温度は、その上限は特に制限されるものではないが、理論予熱温度（該粉状鉄鉱石Ｂを粉状石炭Ａと混合した際に、該粉状鉄鉱石Ｂの顕熱のみで、該粉状石炭Ａにその乾留熱を与えた上で、混合して得られた加熱混合物Ｃの温度を該粉状石炭Ａの軟化溶融温度に等しくする温度；上記段落［０００７］参照）より低い温度とすることが好ましい。粉状鉄鉱石Ａの予熱温度を上記理論予熱温度以上の温度とすると、粉状炭材Ａから発生した揮発分を燃焼させることなく、粉状鉄鉱石Ｂの顕熱のみで粉状炭材Ａを軟化溶融させることが可能となるので、本発明を適用するまでもないためである。なお、上記理論予熱温度は、粉状石炭Ａと粉状鉄鉱石Ｂとの質量比や粉状石炭Ａの初期温度等によって変動するものであるが、上記段落［０００４］〜［０００６］に示した例によれば６７５℃となる。粉状鉄鉱石Ｂの予熱温度は、５００℃未満とすることがより好ましく、４００℃未満とすることが特に好ましい（後記実施例２、３参照）。なお、ロータリキルン２のバーナから吹き込む燃料としては固体燃料である微粉炭、液体燃料である重油、気体燃料である天然ガス、ＣＯＧ等いずれも使用できる。

〔混合手段〕
粉状炭材Ａと加熱後の粉状鉄鉱石Ｂとからなる加熱原料（Ａ＋Ｂ）は、混合手段３に装入され、酸素含有ガスＧとして例えば空気を流通しつつ、混合して加熱混合物Ｃとなるが、本発明は、この混合手段３において、酸素含有ガスＧを、粉状鉄鉱石Ｂの温度が３００℃以上で、かつ、粉状炭材Ａの最高流動度温度以下の範囲に吹き込むことを特徴とするものである。

ここで、酸素含有ガスＧを吹き込む粉状鉄鉱石Ｂの温度を３００℃以上としたのは、粉状鉄鉱石Ｂの存在下においては、その触媒作用により、粉状鉄鉱石Ｂの温度が３００℃以上であれば、粉状鉄鉱石Ｂの近傍に存在する粉状炭材Ａから発生する揮発分の主要ガス成分であるメタン（ＣＨ_４）と水素（Ｈ_２）の発火温度である５４０℃と５７０℃よりも低い温度でも燃焼反応が進行するためである（後記実施例１参照）。

一方、酸素含有ガスＧを吹き込む粉状鉄鉱石Ｂの温度を粉状炭材Ａの最高流動度温度以下としたのは、最高流動度温度を超えると炭材の固化が始まり、バインダとしての効果が減じるためである。より好ましくは、軟化開始温度以下である。

なお、酸素含有ガスＧの吹込み量を増減することにより、加熱混合物Ｃの温度を調節できるが、酸素含有ガスＧの吹込み量は、多くしすぎると粉状炭材Ａから発生してくる揮発分を完全燃焼したうえ、過剰の酸素ガス成分が燃焼後の雰囲気ガス中に残存するため、粉状炭材Ａ中の固定炭素分が酸化されて消費されることとなる。したがって、混合機３に供給する酸素含有ガスＧ中の酸素量は、粉状炭材Ａから発生してくる揮発分が完全燃焼するのに必要な化学当量より少なくする。

混合手段３としては、その装置の形式は特に限定されるものではないが、例えば図２に例示するように、内面円筒状の混合容器３１内に、該混合容器３１の中心軸と一致する軸３２回りに回転する攪拌翼３３が備えられてなる混合機（例えばパドル型ミキサ）を用いるとよい。

これにより、短時間で粉状炭材Ａと粉状鉄鉱石Ｂとを均一に混合することができるので、粉状炭材Ａの無機化および／または炭材軟化による不要な造粒を抑制することができ、バインダとしての軟化炭材が均一に分散した加熱混合物Ｃが得られる。

また、加熱原料（Ａ＋Ｂ）を攪拌翼３３の回転により攪拌することで、ガス相と直接接触する粉状鉄鉱石Ｂの表面積が増大するので、揮発分の燃焼反応に対する触媒作用がより促進される。ここで、攪拌エネルギは、攪拌翼３３の先端の周速度により支配されることが知られているが、この周速度を１．５〜６ｍ／ｓ、さらには２〜５ｍ／ｓ、特に２．５〜４ｍ／ｓとするのが好ましい（後記実施例２参照）。

この混合機３は、混合容器３１を横型とするものであって、混合容器３１内に加熱原料（Ａ＋Ｂ）を連続的に装入する原料装入部３４と加熱混合物Ｃを連続的に排出する混合物排出部３５とを備え、さらに、原料装入部３４に酸素含有ガスＧの吹込み口３６を備えたものとするのが好ましい。ここに、原料装入部３４とは、混合容器３１の加熱原料（Ａ＋Ｂ）装入側の端面から加熱混合物Ｃ排出側に向かって原料混合容器３１全長の１／４の領域を指すものとする。これにより、混合容器３１内に加熱原料（Ａ＋Ｂ）を装入した直後の、まだ粉状鉄鉱石Ｂの温度が３００℃未満に低下しないときに酸素含有ガスＧを吹き込むことになるので、粉状鉄鉱石Ｂの近傍に存在する粉状炭材Ａから発生する揮発分と直ちに燃焼反応が開始し、加熱原料（Ａ＋Ｂ）の昇温速度が加速されることとなる。

さらに、混合物排出部３５に排ガスＨを排出する排ガス排出口３７を備えたものとするのが好ましい。ここに、混合物排出部３５とは、混合容器３１の加熱混合物Ｃ排出側の端面から加熱原料（Ａ＋Ｂ）装入側に向かって混合容器３１全長の１／４の領域を指すものとする。これにより、混合容器３５内において、揮発分の一部を燃焼した後の排ガスＨを加熱原料（Ａ＋Ｂ）と併流させることとなるので、排ガスＨを加熱原料（Ａ＋Ｂ）と向流させた場合に比べて、粉状炭材Ａの軟化溶融温度に到達するまでの昇温時間をより短縮できる。

なお、以下に説明する外部加熱手段を用いた場合など、混合容器３１の保温が十分なこと等により、加熱混合物Ｃ排出側において、加熱混合物Ｃの温度が高くなりすぎて炭材固化が生じるような場合には、排ガス排出口３７は、混合物排出部３５より加熱原料（Ａ＋Ｂ）入口側に寄せて設けてもよい。

混合容器３１は、放熱ロスを補填するため、その外周面に外部加熱手段を設けてもよい。外部加熱手段としては、図示しないが、例えば、原料装入部３４側にバーナを、混合物排出部３５側にバーナ燃焼排ガスの排出口を、それぞれ設けたものが推奨される。これにより、混合容器３１へ装入直後の粉状鉄鉱石Ｂの温度が３００℃に満たない場合でも、このような温度の低い領域をバーナで加熱することができるので、粉状鉄鉱石Ｂによる触媒作用が発揮される３００℃以上に早く到達させることができる。

あるいは、外部加熱手段としては、同じく図示しないが、原料装入部３４側から混合物排出部３５側に向かう方向に沿って複数個の部分に分割され、該複数個の部分ごとに独立して加熱量を調整できるようにしたものが推奨される。これにより、例えば、混合容器３１の原料入口部３４側では加熱量を多くして粉状鉄鉱石Ｂの昇温速度を高める一方、混合物排出部３５側では加熱量を少なくして炭材固化をより確実に防止することができる。上記複数個の部分ごとの加熱手段としては例えば電気ヒータを用いることで、該複数個の部分ごとの加熱量を容易に調整することができる。

加熱原料（Ａ＋Ｂ）または加熱混合物Ｃは、攪拌翼３３の回転により攪拌作用を受けつつ原料装入部３４側から混合物排出部３５側に向かって移送されるが、上記攪拌作用と移送速度を促進するため、混合容器３１の原料装入部３４に、酸素含有ガスＧの吹込み口３６とは別に、さらに不活性ガスＪの吹込み口３８を設けてもよい。不活性ガスＪとしては例えば窒素ガスやロータリキルン２等の燃焼排ガス等を用い、その吹込み流量を変化させることで、上記攪拌作用と移送速度を調節することができる。

排ガス排出口３７から排出された排ガスＨは、粉状炭材Ａから発生したタール分を含有する場合があり、排ガス系統において凝縮・固着し、配管等を閉塞させるおそれがある。これを防止するため、図示しないが、例えば、排ガス排出口３７に燃焼器を設置してタール分を燃焼分解してガス化させてしまう方法や、排ガス排出口３７にバーナを設置して排ガス中の揮発分（炭化水素ガス）を部分燃焼してタール分が凝縮しない温度に保持して排ガス処理装置まで搬送する方法などを採用すればよい。

〔熱間成形手段〕
図１に戻り同図に示すように、粉状炭材Ａと粉状鉄鉱石Ｂからなる加熱混合物Ｃは、熱間成形手段（例えば熱間成形用の双ロール型成形機）４を用いて加圧成形し、塊成化物Ｄとなす。上記混合手段により、加熱混合物Ｃ中に十分に軟化した炭材が均一に分散されているので、高強度の塊成化物Ｄが得られる。

〔熱処理手段〕
塊成化物Ｄを上記熱間成形温度以上の温度に調整した熱処理手段（例えば、シャフト炉）５内に装入し、塊成化物Ｄ中に残存する揮発分およびタール分を除去し、炭材を固化させる。これにより、熱処理（脱ガス）後の篩上塊状物である炭材内装塊成化物Ｅ（後述）が竪型炉に装入されて加熱された際に、もはや炭材が軟化することがなく塊成化物Ｅの強度が維持されるとともに、タール分が多量に発生することがなく竪型炉の排ガス系統にタールが固着する等のトラブルの発生を防止できる。

シャフト炉５で熱処理された塊成化物Ｄは、熱いまま大気中に排出すると発火や燃焼のおそれがあるため、シャフト炉５の下部で窒素ガスなどの不活性ガスにより４００℃以下まで冷却してから排出するのが望ましい。

脱ガス後の塊成化物Ｄは、スクリーン６で篩って、篩下粉Ｆはロータリキルン２や混合機３等へ戻して再利用しつつ、篩上塊状物Ｅは目的とする高強度の炭材内装塊成化物として回収する。

（変形例）

上記実施形態では、酸素含有ガスＧとして空気を例示したが、空気の代わりに、酸素ガスまたは酸素富化空気を用いてもよい。これにより、空気と同じ酸素量でも燃焼後の雰囲気ガス温度が上昇するので、酸素含有ガスＧの混合機３への添加量を減少させることができ、混合機３からの排ガスの量も減少し、排ガス処理設備のコストが低減される。さらに、混合機３からの排ガス中には炭化水素を主成分とする熱分解ガス（揮発分）が含まれることから、これを燃料として利用する場合は、酸素ガスまたは酸素富化空気を用いる方が、単に空気を用いるよりも酸素含有ガスＧ添加による排ガスカロリの低下が抑制されるので、燃料としての価値が高まる。

また、上記実施形態では、熱処理手段（熱処理工程）を設けた例を示したが、竪型炉における炭材内装塊成化物の使用量が少ない場合等は、竪型炉内でのタール発生総量も少なくなるので、熱処理工程を省略してもよい。なお、本発明方法で製造された炭材内装塊成化物は、竪型炉に装入された際、炉内で徐々に昇温されるので、たとえ内部に揮発分が残存していても、揮発分は徐々に除去されるため塊成化物が爆裂するおそれはない。熱処理工程を省略した場合、炭材供給工程、混合工程および熱間成形工程のすべての工程において酸素含有ガス雰囲気中で処理を行ってもよいし、いずれか１つまたは２つの工程において酸素含有ガス雰囲気中で処理を行ってもよい。

また、上記実施形態では、加熱機能を備えた炭材供給手段としてロータリドライヤを用いる例を示したが、流動層式ドライヤや外部加熱式キルンを用いてもよい。

また、上記実施形態では、原料加熱手段としてロータリキルンを用いる例を示したが、流動層式加熱炉や外部加熱式キルンを用いてもよい。

また、上記実施形態では、混合手段として横型混合機を用いる例を示したが、竪型混合機を用いてもよい。また、横型混合機としてパドル型ミキサを例示したが、スクリュー型ミキサを用いてもよい。また、連続式の混合機を例示したが、バッチ式の混合機を用いてもよい。

また、上記実施形態では、熱間成形手段として双ロール型成形機を用いる例を示したが、押出し成形機を用いてもよい。

［実施例１］（燃焼反応に対する粉状鉄鉱石の触媒作用の確認試験）
石炭由来の揮発分の低酸素濃度下における燃焼反応に及ぼす粉状鉄鉱石の触媒作用を確認するため、以下のラボ試験を実施した。

〔試験１〕（揮発分模擬ガスを用いた確認試験）
（１）本試験
図３に示すように、内容積約１Ｌ、内径５０ｍｍの横型反応管内中央部に２００ｇの粉状鉄鉱石（銘柄：リオドセ鉱、粒度：−５ｍｍ）をステンレス製金網で両側から挟んで充填し、その上流側に予熱部を設け、空気と、石炭由来の揮発分を模擬したＣＯＧとをそれぞれ０．５ＮＬ／ｍｉｎの流量で流通させつつ、反応管ごと外部からヒータで常温から４００℃まで加熱した。そして、反応管外表面に設置した熱電対による反応管温度、粉状鉄鉱石充填層の中心部に挿入した熱電対による試料層中心部温度、および、反応管の排ガス排出口に設置した酸素計による排ガス酸素濃度を連続的に測定した。

測定結果を図４に示す。同図に示すように、試験開始直後は約１０容量％であった排ガス酸素濃度が、試験開始後１０ｍｉｎを経過するあたりから急激に低下し、試験開始後２０ｍｉｎで約２容量％まで低下している。また、試料層中心部温度は、試験開始後１０ｍｉｎを経過するあたりからほぼ直線的に上昇し始め、反応管温度を超えてさらに高い温度まで上昇している。これらのことから、試験開始後約１０ｍｉｎの時点で、ＣＯＧと空気との燃焼反応が開始したことがわかる。そして、この時点で、試料層中心部温度は約１００℃であるものの、反応管温度は約３３０℃に達していることから、試料層温度は、反応管内表面近くの部分では３００℃以上に到達していたものといえる。

（２）比較試験（ブランクテスト）
上記（１）本試験と異なり、反応管内に粉状鉄鉱石を充填することなく、ＣＯＧと空気を流通させた。なお、ＣＯＧの流量は０．５４ＮＬ／ｍｉｎ、空気の流量は０．２６ＮＬ／ｍｉｎとした。測定結果を図５に示す。同図から明らかなように、排ガス酸素濃度に変化は全くなく、また、試料層中心部温度も反応管温度にまでしか到達していないことから、ＣＯＧと空気との燃焼反応は全く起らなかったことがわかる。

上記（１）本試験と（２）比較試験の結果より、ＣＯＧの空気による燃焼反応に対して粉状鉄鉱石が触媒作用を有し、その触媒作用は３００℃以上で活発化することが確認できた。

〔試験２〕（粉状石炭を用いた確認試験）
上記のように、模擬ガスによる粉状鉄鉱石の燃焼触媒作用の確認ができたので、次に模擬ガスでなく、実際に粉状石炭を用いて粉状鉄鉱石の燃焼触媒作用の確認を行うこととした。

上記試験１と同じ試験装置を用い、粉状鉄鉱石（銘柄：リオドセ鉱、粒度：−５ｍｍ）２００ｇと、粉状石炭（銘柄：グレゴリー炭、揮発分：３４．７質量％，最高流動度［ｌｏｇ（ＤＤＰＭ）］：３．４１，軟化開始温度：４１０℃、最高流動度温度４５０℃、粒度：−７５μｍ，９０質量％）５０ｇとを混合した試料を充填し、空気のみを１ＮＬ／ｍｉｎの流量で流通させつつ、常温から３５０℃まで昇温を行った。なお、この試験では、試料層の入口部にも熱電対を挿入し、試料層入口部温度も連続的に測定した。

測定結果を図６に示す。同図に示すように、試験開始直後は約２１容量％であった排ガス酸素濃度が、試験開始後８ｍｉｎを経過するあたりから急激に低下し、試験開始後３０ｍｉｎで０容量％近くまで低下している。また、試料層中心部温度は、試験開始後８ｍｉｎを経過するあたりからほぼ直線的に上昇し始め、反応管温度を超えてさらに高い温度まで上昇している。一方、試料層入口部温度は、試料層中心部温度より早く上昇し、試料層中心部温度と同様に反応管温度を超えて高い温度まで上昇しているものの、試料層中心部温度よりは低い温度までしか到達していない。これは、試料入口部では、予熱帯を通過した予熱空気と直接接触するため、試験開始直後の試料層温度が予熱空気の温度よりも低いときには試料層が予熱空気で加熱され昇温速度が上昇するが、試料層温度が予熱空気の温度よりも高くなったときには逆に試料層が予熱空気で冷却され、温度が上がらないためと考えられる。

以上のことから、試験開始後約８ｍｉｎの時点で燃焼反応が開始したことがわかる。そして、この時点で、試料層中心部温度は約５０℃、試料層入口部温度は約１２０℃であるものの、反応管温度は約３００℃に達していることから、試料層温度は、反応管内表面近くの部分では３００℃に到達していたものといえる。

そして、一般に石炭中の揮発分は３００℃前後よりガス化し始めることから、揮発分のガス化とともに粉状鉄鉱石による触媒燃焼が進行したものといえる。

［実施例２］（触媒燃焼反応に対する攪拌の効果の確認試験−１）
次に、上記触媒燃焼反応に及ぼす攪拌の効果を確認するため、竪型高速攪拌ミキサ（内容積７５Ｌ、容器内径４５０ｍｍ、攪拌翼直径：４３６ｍｍ）内に、粉状石炭（銘柄：ハンターバレー炭、揮発分：３２．３質量％，最高流動度［ｌｏｇ（ＤＤＰＭ）］：１．９１，軟化開始温度：４１０℃、最高流動度温度：４５５℃、粒度：−７５μｍ，９０質量％）７ｋｇを投入し、電気ヒータで１５０℃に外部加熱した状態で、別の加熱炉で３００〜３５０℃に加熱した粉状鉄鉱石（銘柄：リオドセ鉱、粒度：−５ｍｍ）２８ｋｇを投入し、攪拌翼の回転速度を順次変化させて、試料内に挿入した熱電対による測定温度がほぼ一定になるまで測定を行い、その温度を試料到達温度とした。なお、ミキサは、試料上方の空間部を空気で満たした状態とし、粉状石炭から揮発分が発生した際における雰囲気圧力の上昇を防止するため、一部を開口した蓋を設置した。

測定結果を、攪拌翼の回転速度（ｒｐｍ）を翼先端の周速度（ｍ／ｓ）に換算し、この翼先端の周速度と試料到達温度との関係として図７に示した。同図に示すように、翼先端の周速度が少なくとも１．５ｍ／ｓ以上の範囲で、揮発分の燃焼による試料温度の上昇が確認できた。ただし、翼先端の周速度が６ｍ／ｓを超えると攪拌のための動力が過大になるため、これ以上は設備的に過剰となる。

［実施例３］（触媒燃焼反応に対する攪拌の効果の確認試験−２）
上記実施例２では、竪型混合機を用いた場合について、上記触媒燃焼反応に及ぼす攪拌の効果の確認を行ったが、本実施例では、横型混合機を用いた場合について、上記触媒燃焼反応に及ぼす攪拌の効果の確認を行った。

横型パドル式混合機（容器内径４５０ｍｍ、容器有効長さ１０００ｍｍ、パドルの構造：１列当たり軸回りに９０°ごとに４枚の羽根を配置した攪拌翼［直径４３６ｍｍ］を、羽根の配置を４５°ずつ位相をずらしながら軸方向に５列配置）内に、上記実施例２と同じ粉状石炭（ハンターバレー炭）を３．６ｋｇ投入し、電気ヒータで２７０〜２８５℃に外部加熱した状態で、上記実施例２と同じ粉状鉄鉱石（リオドセ鉱）を別の加熱炉で３１０〜３２０℃に加熱したものを１４．４ｋｇ投入し、パドルの回転速度を１００〜１５０ｒｐｍ（翼先端の周速度：２．３〜３．４ｍ／ｓ）として、試料内に挿入した熱電対による測定温度がほぼ一定になるまで測定を行い、その温度を試料到達温度とした。なお、原料投入口を、試料上方の空間部を空気で満たした状態とするための空気流入口、および、粉状石炭から揮発分が発生した際における雰囲気圧力の上昇を防止するための開口部として併用した。

測定の結果、翼先端の周速度：２．３〜３．４ｍ／ｓにて試料到達温度：４５０〜４６０℃が得られ、横型混合機においても、触媒燃焼反応に対する攪拌の効果が確認できた。

本発明の一実施形態に係る、炭材内装塊成化物の製造装置の概略構成を示すフロー図である。 本発明に係る混合手段の一例を示す概略の縦断面図である。 燃焼反応に対する粉状鉄鉱石の触媒作用の確認試験装置を示す概略フロー図である。 実施例１の試験１の本試験における、各部の温度および排ガスの酸素濃度の経時変化を示す推移グラフ図である。 実施例１の試験１の比較試験における、各部の温度および排ガスの酸素濃度の経時変化を示す推移グラフ図である。 実施例１の試験２における、各部の温度および排ガスの酸素濃度の経時変化を示す推移グラフ図である。 実施例２における、攪拌翼先端の周速度と試料到達温度との関係を示すグラフ図である。 従来技術における、炭材内装塊成化物の製造装置の概略構成を示すフロー図である。

符号の説明

１：炭材供給手段（ロータリドライヤ）
２：原料加熱手段（ロータリキルン）
３：混合手段（混合機）
３１：混合容器
３２：軸
３３：攪拌翼
３４：原料装入部
３５：混合物排出部
３６：酸素含有ガスの吹込み口
３７：排ガス排出口
３８：不活性ガスの吹込み口
４：熱間成形手段（双ロール型成形機）
５：熱処理手段（脱ガス槽、シャフト炉）
６：スクリーン
Ａ：粉状炭材（粉状石炭）
Ｂ：粉状鉄含有原料（粉状鉄鉱石）
Ｃ：加熱混合物
Ｄ：炭材内装塊成化物（ブリケット）
Ｅ：炭材内装塊成化物（篩上塊状物）
Ｆ：篩下粉
Ｇ：酸素含有ガス（空気）
Ｈ：排ガス
Ｊ：不活性ガス

Claims (8)

1. 軟化溶融性を有する粉状炭材を、加熱することなく、または、３５０℃以下に加熱して供給する炭材供給手段と、
   粉状鉄含有原料を３００℃以上に加熱する原料加熱手段と、
   酸素含有ガスを流通しつつ、前記粉状炭材と前記加熱後の粉状鉄含有原料とからなる加熱原料を混合して加熱混合物とする混合手段と、
   前記加熱混合物を熱間成形して炭材内装塊成化物となす熱間成形手段とを備え、
   前記混合手段において、前記酸素含有ガスを、前記粉状鉄含有原料の温度が３００℃以上で、かつ、前記粉状炭材の最高流動度温度以下の範囲に吹き込むことを特徴とする炭材内装塊成化物の製造装置。
2. 前記混合手段が、内面円筒状の混合容器内に、該混合容器の中心軸と一致する軸回りに回転する攪拌翼が備えられてなる混合機である請求項１に記載の炭材内装塊成化物の製造装置。
3. 前記攪拌翼の先端の周速度を１．５〜６ｍ／ｓとする請求項２に記載の炭材内装塊成化物の製造装置。
4. 前記混合機が、前記混合容器を横型とし、該混合容器内に前記加熱原料を連続的に装入する原料装入部と前記加熱混合物を連続的に排出する混合物排出部とを備えてなる連続式混合機であって、さらに、前記原料装入部に前記酸素含有ガスの吹込み口を備えた請求項２または３に記載の炭材内装塊成化物の製造装置。
5. さらに、前記混合物排出部に排ガス排出口を備えた請求項４に記載の炭材内装塊成化物の製造装置。
6. 前記混合容器の外周面に外部加熱手段を備え、該外部加熱手段は、前記原料装入部側にバーナを、前記混合物排出部側にバーナ燃焼排ガスの排出口を、それぞれ設けた請求項４または５に記載の炭材内装塊成化物の製造装置。
7. 前記混合容器の外周面に外部加熱手段を備え、該外部加熱手段は、前記原料装入部側から前記混合物排出部側に向かう方向に沿って複数個の部分に分割され、該複数個の部分ごとに独立して加熱量を調整できるようにした請求項４または５に記載の炭材内装塊成化物の製造装置。
8. 前記混合容器の前記原料装入部にさらに不活性ガスの吹込み口を設けた請求項４〜７のいずれか１項に記載の炭材内装塊成化物の製造装置。

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