JP2010506046A - 溶融物質を生産する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

溶融金属の製造のための方法において、酸素、還元剤、及び還元炉（１）中で還元された鉄が熔融ガス化炉（３）の中に導入される。還元剤は酸素によってガス化され、還元された鉄はこの場合に生じる熱によって溶融される。熔融ガス化炉（３）からのキューポラガスは、還元ガスの少なくとも一部分として使用され、反応した炉頂ガスは還元炉（１）から引き抜かれる。エネルギー及び原材料に関する効率をも増加させつつ、また同時に製品の金属学的により良好な特性を得つつ、生産性を増加させるために、反応炉（１）からの炉頂ガスを引き抜くためのライン（９）から分岐された炉頂ガスの少なくとも一部分が、熔融ガス化炉（３）中に延びる少なくとも１つの戻りライン（１３、１８）を介して再循環され、熔融ガス化炉（３）の中に導入される。

Description

本発明は、酸素、還元剤、及び還元炉において還元される鉄が熔融ガス化炉中に導入され、還元剤が酸素によってガス化され、還元された鉄がこの場合に生じる熱によって溶融され、熔融ガス化炉からのキューポラガスが還元ガスの少なくとも一部分として使用され、反応した炉頂ガスが還元炉から引き抜かれる、溶融金属の生産のための方法に関し、また、この方法を実行するための、還元炉と、酸素供給手段及び還元剤のための供給システムと、熔融ガス化炉から還元炉の中にキューポラガスを供給するための少なくとも１つのラインと、還元炉から炉頂ガスを引き抜くための少なくとも１つのラインと、を有するプラントに関する。

ブラスト炉において、天然ガス、コークス炉ガス、などのような様々な炭素含有ガスが、例えば特許文献１にすでに記載されているように、コークスを節約し収益性を増加させる目的で、羽口を介して、又は朝顔部において注入される。ブラスト炉ガスの注入は、高いＣＯ_２及びＮ_２の含有量、及び低いＨ_２含有量の故に経済的ではない。

溶融還元プラントにおいては、例えば特許文献２に記載されているように、２５℃の温度で≧９５体積％の純度を有する酸素が熔融ガス化炉中にノズルを介して注入されて、還元剤（主に石炭及び石炭ブリケット）をガス化し、還元鉄を溶融するために必要とされる熱を入手可能にする。熔融ガス化炉（ＥＳＶ）のキューポラガスは、固定床還元シャフト（ＦＢＲＳ）又は流動床反応炉（ＷＳＲ）における間接還元に使用される。

ＦＢＲＳ又はＷＳＲにおけるガスの使用の不足によって、特定の石炭又は石炭ブリケットの高い消費及び送出ガス中の高いエネルギー超過が得られる。

溶融ガス化炉の操業を還元炉と連結することは、７０〜９０％の鉄スラリーの変動する金属化を与える。

例えば、熔融ガス化炉中のチャーベッド温度及びキューポラ温度の上昇によって、必要とされる酸素量は減少し、よって還元ガスを減少させる。この減少の結果、固定床還元シャフト炉又は流動床炉は降下し、この結果、熔融ガス化炉中のチャーベッド温度及びキューポラ温度の低下が生じる。しかし、これは高い酸素要求量をもたらし、よって還元ガスの量は増加し、金属化は再度増加する。したがって、長い制御システムによって、（特に、石炭の消耗によって）溶融ガス化炉の安定した操業を行うことは不可能であり、よって、特定の還元剤の高い消費がもたらされる。

さらに、酸素による石炭のガス化中に生じる断熱火炎温度（ＲＡＦＴ）は、（理論的に）３０００℃以上にあり、ＳｉＯ_２のＳｉへの還元が促進され、よって銑鉄は高いシリコン濃度を有する場合がある。したがって、追加的な処理が、０．４〜０．５重量％の望ましいＳｉ値を達成するために必要となることが多い。

直接還元装置からのブラスト炉ガスと熔融ガス化炉からのキューポラガスとからなる浄化された送出ガスは、１．５ｂａｒＧにおける通常の分析に従い、４５体積％のＣＯ、３０体積％のＣＯ_２、１９体積％のＨ_２、３体積％のＨ_２Ｏ、及び３体積％のＮ_２を有している。ガス過多の故に、送出ガスは、使用と全体的なエネルギーの最適化とのために供給されなければならない。

英国特許出願第８８３９９８号明細書 オーストリー特許出願第３６２８１０２号明細書

したがって、本発明の目的は当初記載したように、方法とプラントとを特定することであり、この方法及びプラントにおいては、エネルギーと原材料の効率が増すにつれて、生産性もまた増加し、同時に製品の金属学的に良い特性が得られる。

この目的を達成するために、本発明によればこの方法は、引き抜かれた炉頂ガスの少なくとも一部分が熔融ガス化炉中に導入されることを特徴としている。この注入の結果として、熔融ガス化炉中の還元剤としての石炭及び石炭ブリケットの大幅な節約が可能となり、これら石炭及び石炭ブリケットは再循環ガスからの還元剤（ＣＯ、Ｈ_２）の供給によって置き換えられている。さらに、チャーベッド及び管路の冷却が、ガス成分を有する石炭、石炭ブリケット、又はコークスの吸熱反応と、メタンのクラッキングとによって得られる、火炎温度の直接的な低下によって達成される。

有利には、この場合、再循環されたガスは圧縮されている。

本方法のさらなる有利な変形体によれば、再循環されたガスが、圧縮と熔融ガス化炉中への導入との間に好ましくは３０〜５０℃に冷却され、二酸化炭素濃度が好ましくは２〜３体積％に減少される。このことの利点は、間接的なガス還元のためのチャーベッドにおける、より多いガス量であり、すなわち、熔融ガス化炉において行われる、より高い還元作用である。

さらなる変形体によれば、再循環されたガスの少なくとも一部が圧縮だけされ、再循環されたガスのさらなる部分の少なくとも一部が冷却だけされてその二酸化炭素濃度が減少し、圧縮されたガスと二酸化炭素が減少したガスとが熔融ガス化炉への導入の前に混合される場合に、溶融ガス化炉中の特性の影響は、さらにより正確に測定することが出来る。

この目的のために、再循環され、多くとも冷却されて二酸化炭素を削減されたガスは、好ましくは燃料ガスとしての再循環されたガスの流れの一部分を使用して、溶融ガス化炉内への導入の前に加熱することができる。再循環ガスが予備加熱されることによって、断熱火炎温度（ＲＡＦＴ）を冶金に対する欠点を有する望ましくない下限より低下させることなく、再循環ガスの量を最大化することが出来る。このことによって、有利かつ追加的な原材料の使用の減少と、プロセスをモニターすることが可能となる。

本発明による変形体の方法によれば、再循環ガスの流れの少なくとも一部が、再循環ガスの流れの更なる部分を燃料ガスとして使用して、より高分子の炭化水素でリフォーム出来る。

この場合、好都合なことに、リフォームされた再循環ガスは、熔融ガス化炉中に導入される前に、有利に圧縮のみされたガス、及び／又は冷却のみされて二酸化炭素を減少されたガスに混合することができる。

好都合な方法の変形体によれば、さらに、キューポラガス中の共輸送される粒子が分離されて熔融ガス化炉の中に再循環され、前記圧縮のみされたガス、及び／又は冷却されて二酸化炭素を低減されたガスの部分流が再循環された粒子の搬送のために混合される。

本発明による方法の変形体によれば、管路中の理論的断熱火炎温度は、前記再循環ガスの量及び／又は温度及び／又はＣＯ_２分率によって制御され、冶金学的プロセスの直接的な制御が可能となる。

上述の作用の個々の可能性それぞれの結果として、しかし、これら作用の組み合わせによってもまた、管路中の理論的断熱火炎温度の効果的な制御が可能である。

本発明によれば、当初に記載されたプラントは、目的を達成するために、炉頂ガスのためのラインから分岐され、熔融ガス化炉の中に延びる少なくとも１つの戻りラインによって特徴付けられている。

この場合に発火又は爆発を最小化するために、ガスのための戻りラインは、酸素供給管との合流点まで酸素供給管に平行に延びている。

好都合なことに、圧縮機は戻りラインの中に挿入されている。

本発明によれば、このプラントの好都合な実施形態は、冷却装置及び二酸化炭素削減ステージが、圧縮機と酸素供給管との間に挿入され、酸素供給管は蒸気成分を削減するか、又は完全に除去することができることを特徴としている。

この場合、圧縮機の出口、及び二酸化炭素削減ステージの出口は、熔融ガス化炉へ向かう酸素供給管への共通の供給ラインの中に延びることができる。

再循環ガスの量を、再循環ガスの予備加熱によって、断熱火炎温度（ＲＡＦＴ）の過剰な低下による冶金に対する欠点無しに最大化することが出来るように、加熱装置が、圧縮機の出口及び二酸化炭素削減ステージの出口の集中点の下流に設けられている。このことにより、原材料の使用における追加的で好都合な還元及びプロセスのモニターに対する追加的な可能性が生じる。

加熱装置が燃料ガスで作動する本発明の好都合なさらなる特徴によって、分岐管は圧縮機の上流で戻りラインから発して加熱装置の燃料ガス接続部まで延び、原材料の使用を減少させることができ、したがってプラントの効率をさらにあげることができる。

好都合に、リフォーマは圧縮機と酸素供給管との間に挿入することが出来る。

この場合、原材料の消費も減少することが出来、好都合な実施形態によれば、分岐管は戻りラインから発してリフォーマの燃料ガス接続部まで延びる。

本発明によるプラントのさらなる実施形態は、冷却装置と二酸化炭素削減ステージと、また、リフォーマとが戻りラインの平行な分岐管に設けられ、この平行な分岐管は熔融ガス化炉へ向かう酸素供給管への共通供給ラインの中に延びている。

好ましくは、キューポラガスのための少なくとも１つのライン中に粒子分離装置が設けられ、この粒子分離装置の粒子排出部から、粒子の再循環管が熔融ガス化炉に延び、戻りラインからの分岐管が粒子再循環管の中に発している。

本発明は、好ましい最適な実施形態によって、添付の図面を参照しつつ、より詳細に以下に説明される。

本発明によるプラントの好ましい実施形態の図である。

粒状の、又はペレット形状の鉄鉱石が、必要に応じて燃焼していない集合体とともに還元シャフト１に供給される。還元シャフト１中で生成された鉄スラリーが、溶融ガス化炉３の頂部中に、排出装置２を介して導入される。熔融ガス化炉３の底部に液体銑鉄が集積し、この液体銑鉄の上において液体のスラグが集積し、好ましくは不連続的に特定のタップを介してそれぞれ抜き取られる。熔融ガス化炉３は、貯蔵シャフト４からガス化剤、好ましくは石炭及び／又は石炭ブリケットを供給され、いずれにしてもそのままでは還元プロセスに対して使用することができなかった篩い落とされた小型の鉄鉱石と混合される。酸素含有ガスは、ガスライン５を介して熔融ガス化炉３の底部領域に供給される。

生成された還元ガスは、ライン６を介して熔融ガス化炉３の頂部から導出され、固体成分、特にダスト状石炭及び微小粒状の脱ガスされた石炭をガスサイクロン７において除去され、次いでライン８を介して還元シャフト１の中へ通過する。還元シャフト１において、還元ガスは鉄鉱石及び集合体のカラムを通じて逆流方向に流れ、同時に鉄鉱石を鉄スラリーへと還元する。

ホットガスサイクロン７中において分離された脱ガスされた石炭ダストと、他の粒状の含有物とは熔融ガス化炉３へ再循環され、好ましくは熔融ガス化炉への進入の際に、熔融ガス化炉３の壁部に配置されたダストバーナを通じてガス化され、この熔融ガス化炉へは酸素含有ガスもまた供給される。

少なくとも部分的に消費された還元ガスは、炉頂ガスライン９を介して還元シャフト１の上端部において引き抜かれ、ウェットスクラバ１０におけるスクラブの後に、ガス過多のための、使用及び全体的なエネルギーの最適化のために送出ガスとして供給される。プラントの圧力を調整するために使用される還元ガスは、ウェットスクラバ１１におけるスクラブの後に、送出ガスに混合されるか、又はライン１２を介してホットガスサイクロン７の上流のライン６の中に冷却ガスとして再循環される。

引き抜かれた炉頂ガスの少なくとも一部、又はスクラブ後に送出ガスの少なくとも一部を、プロセス自体の中に再循環すること、正確には熔融ガス化炉３の中への再循環及び導入によって使用することは特に有利である。この目的のために、再循環される炉頂ガスは、ウェットスクラバ１０の下流でライン１３を介して分岐され、可能な限り高い吸入圧力を有する圧縮機１４により圧縮される。また、有利には、必要とされない還元ガスはウェットスクラバ１１の下流でライン１５を介して送出ガスとの混合のさらに前に分岐され再循環される。

第１の変形体によれば、冷却機１６における３０〜５０℃への中間冷却とプラント１７における２〜３％体積％へのＣＯ_２の削減との後に、再循環された炉頂ガスは、酸素ノズルの中に導入されるランス１８を介したＣＯ_２の除去のために熔融ガス化炉３の中に注入することができ、炉頂ガスのための戻りラインは、酸素供給管との合流点まで、酸素ノズルに平行に延びる。このように処理されるこのガスの一部分は、分岐し、搬送のためにホットガスサイクロン７から再循環された粒子に混合される。例えばＣＯ又はＨ_２のような再循環された炉頂ガスからの還元剤の供給による熔融ガス化炉中の還元剤としての石炭及び石炭ブリケットの節約に加えて、管路の冷却及びチャーベッドの冷却もまた、ガス成分による石炭、石炭ブリケット、又はコークスの吸熱反応、及びメタンのクラッキングによる火炎温度の直接的な低下によって達成され、以下の反応が重要である。
Ｃ＋ＣＯ_２ → ２ＣＯ ΔＨ２９８＝＋１７３ｋＪ／モル
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋Ｈ_２ ΔＨ２９８＝＋１３２ｋＪ／モル
ＣＨ_４ → ２Ｈ_２＋Ｃ ΔＨ２９８＝＋７４ｋＪ／モル

また、圧縮機１４及び、必要に応じて、後続の熱交換器１６を有するＣＯ_２除去プラント１７又はリフォーマ／還元ガス炉２１の設置は、高い溶解性能と、それによる生産性の増加が可能であるという利点、還元剤の削減された使用によって、銑鉄１トンあたりの特定のＣＯ_２排出における削減もまた達成されるという利点、及び、石炭、石炭ブリケット、及びコークスに対する還元剤のコストにより、操業コストの低下とそれによる追加的な投資の迅速な回収が可能であるという利点を付与する。ダストバーナにおける窒素の置換としての使用さえをも予想することができる。

また、いずれにしても、炉頂ガスを直接導入し、実用的な圧縮熱を使用することも可能である。例えばチャーベッド又はキューポラの温度の関数として、ＣＯ_２含有量を調整するために、２つのガス流れを混合することも出来る。

また、再循環された炉頂ガスは、ＣＯ_２除去の後に、還元ガス炉１９（対流型、再生型）、電気式加熱、プラズマバーナ、又は熱交換器（プロセスガス、例えばスクラバの上流の炉頂ガスの実用的熱の使用）によって、任意的に加熱することが出来る。この場合、還元ガス加熱炉１９が使用される場合には、分岐された炉頂ガスの一部が燃料ガスとしてライン２０を介して使用される。

熔融ガス化炉３の中への導入の前の、熱交換器による再循環された炉頂ガスの加熱においては、ウェットスクラバ１０の上流の炉頂ガスの熱エネルギーが好ましく使用される。これは、炉頂ガスの冷却のために必要とされるプロセス水の量が少ないために、プロセスのエネルギー効率を増加させるという利点を付与し、また、プロセス水用ポンプのエネルギーの要求における削減をも意味している。さらに、炉頂ガスからプロセス水に排熱される熱、及び常に補償されなければならないシステム中の水の損失を生じる、冷却塔を介して、又は蒸発によって失われる熱における削減がある。

また代替的に、再循環された炉頂ガスは、リフォーマ２１において（例えば、天然ガスのような）高分子炭化水素にリフォームすることが出来、燃料ガスとしてライン２２を介して供給される炉頂ガスの一部は、吸熱反応の熱として使用される。

ガスの再循環のために増加した、熔融ガス化炉３からの還元ガスの量は、還元段階１（シャフト又は流動床）における増加された生産、及び／又は一定の金属化のために使用される。一定の金属化は、熔融ガス化炉３と還元シャフト１との解離によって達成される。常に十分である還元ガスの量は、還元シャフト１における一定の金属化を可能にする。したがって、熔融ガス化炉３に供給されるべき酸素量における、熱経済性に適合させるためのいかなる主な変化も必要とならず、よって一定のチャーベッド温度、石炭の消費の低下、及びそれによる特定の還元剤の消費の低下とともに熔融ガス化炉３の安定した操業が可能になる。熔融ガス化炉の操業の最適化は、プラントの固定床式（ＦＢＲＳ）又は流動床式（ＷＳＲ）の還元シャフト１のための還元剤の必要量を少なくし、この必要量は、炉頂ガスの再循環によって全体的に補償される。

さらにこれは、迅速な調整の可能性、断熱火炎温度の低下による銑鉄中のシリコン含有量の低下、及び溶融ガス化炉のより安定した操業を可能とし、以下の式による高温において行われるシリコンの還元を最小化する。
ＳｉＯ_２＋２Ｃ → Ｓｉ＋２ＣＯ ΔＨ２９８＝＋６９０ ｋＪ／モル

１〜１００ｐｐｍのＨ２Ｓを有する炉頂ガスの再循環により、硫黄含有量が、石炭、石炭ブリケット、又はコークスのみの使用におけるより実質的に低下するので、シリコン含有量に加えて、銑鉄中の硫黄含有量における削減もまた達成される。

最後に、ガスの再循環によって、必要なノズル速度及び管路の十分な貫入の設定が、低い溶融速度とともに容易化される。

１・・・還元炉
３・・・熔融ガス化炉
４・・・還元剤のための供給システム
６、８、９・・・ライン
１３、１８・・・戻りライン
１４・・・圧縮機
１７・・・二酸化炭素削減ステージ
５・・・酸素供給管
２１・・・リフォーマ
１９・・・加熱装置
２０、２２・・・分岐管
１６・・・冷却装置
７・・・粒子分離器

Claims (16)

1. 溶融金属の製造のための方法であって、
   酸素、還元剤、及び還元炉（１）中の還元された鉄が熔融ガス化炉（３）の中に導入され、前記還元剤が前記酸素によってガス化され、前記還元された鉄がこの場合に生じる熱によって溶融され、前記熔融ガス化炉（３）からのキューポラガスが、前記還元ガスの少なくとも一部分として使用され、反応した炉頂ガスが前記還元炉（１）から引き抜かれ、該引き抜かれた炉頂ガスの少なくとも一部分が前記熔融ガス化炉（３）の中に導入され、前記再循環ガスが圧縮される方法において、
   前記再循環ガスが、圧縮と前記熔融ガス化炉（３）の中への導入との間に冷却され、二酸化炭素濃度が減少されること、及び／又は前記再循環ガスの少なくとも部分流が、前記再循環ガスのさらなる部分流を燃料ガスとして使用することによって高分子炭化水素でリフォームされることを特徴とする方法。
2. 前記再循環ガスの少なくとも一部分は圧縮のみされ、再循環ガスの少なくとも更なる部分は冷却のみされてその二酸化炭素濃度が低減され、前記圧縮されたガスと前記二酸化炭素を低減されたガスとが、前記熔融ガス化炉（３）中への導入の前に混合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記再循環ガスと、多くとも冷却され二酸化炭素を低減されたガスとが、好ましくは前記再循環ガスの部分流を燃料ガスとして使用することによって、前記熔融ガス化炉（３）中への導入の前に、加熱されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記リフォームされた再循環ガスは、圧縮のみされた、及び／又は、冷却され二酸化炭素を低減されたガスと、前記熔融ガス化炉中への導入の前に混合されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記キューポラガス中にて共輸送される粒子が分離されて前記熔融ガス化炉（３）の中に再循環され、前記圧縮のみされたガス、及び／又は冷却されて二酸化炭素を低減されたガスの部分流が、前記再循環された粒子の搬送のために混合されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 管路中の理論的断熱火炎温度は、前記再循環ガスの量及び／又は温度及び／又はＣＯ_２分率によって制御されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記再循環ガスは、圧縮と前記熔融ガス化炉（３）への導入との間に、３０〜５０℃まで冷却されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記二酸化炭素濃度は２〜３体積％まで低減されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 還元炉（１）と、酸素供給管（５）を有する熔融ガス化炉（３）と、還元剤のための供給システム（４）と、キューポラガスを前記熔融ガス化炉（３）から前記還元炉（１）の中へ供給するための少なくとも１つのライン（６、８）及び前記還元炉（１）から炉頂ガスを引き抜くための少なくとも１つのライン（９）と、前記炉頂ガスのためのラインから分岐して前記熔融ガス化炉（３）の中に延びる少なくとも１つの戻りライン（１３、１８）と、該戻りライン（１３、１８）の中に挿入されている圧縮機（１４）と、を有する溶融金属の製造のためのプラントであって、
   冷却装置（１４）と二酸化炭素削減ステージ（１７）とが、前記圧縮機と前記酸素供給管（５）との間に挿入され、及び／又はリフォーマ（２１）が前記圧縮機と前記酸素供給管（５）との間に挿入されていることを特徴とするプラント。
10. 前記ガスのための前記戻りライン（１３、１８）は、前記酸素供給管（５）との合流点前記酸素供給管に平行に延びていることを特徴とする請求項９に記載のプラント。
11. 前記圧縮機（１４）の出口と前記二酸化炭素削減ステージ（１７）の出口とは、前記熔融ガス化炉への酸素供給管（５）への共通の供給ライン（１８）の中に延びていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のプラント。
12. 加熱装置（１９）が、前記圧縮機（１４）の出口及び前記二酸化炭素削減ステージ（１７）の出口の集合点の下流に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のプラント。
13. 前記加熱装置（１９）は燃料ガスで作動され、分岐管（２０）が前記戻りライン（１３）から、前記圧縮機（１４）の上流又は下流において発して前記加熱装置（１９）の燃料ガス接続部へ延びることを特徴とする請求項１２に記載のプラント。
14. 分岐管（２２）が前記戻りライン（１３）から発し、前記リフォーマ（２１）の燃料ガス接続部まで延びることを特徴とする請求項９に記載のプラント。
15. 冷却装置（１６）及び二酸化炭素削減ステージ（１７）及びさらにリフォーマ（２１）が前記戻りライン（１３、１８）の複数の平行な分岐管に設けられ、前記複数の平行な分岐管は、前記熔融ガス化炉（３）への酸素供給管（５）への共通の供給ライン（１８）の中に延びていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のプラント。
16. 前記キューポラガスのための少なくとも１つのライン（６）中に粒子分離器（７）が設けられ、該粒子分離器の粒子排出部から粒子再循環管が前記熔融ガス化炉（３）まで延び、前記戻りライン（１８）からの分岐管は前記粒子再循環管中に発することを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載のプラント。

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