JP2012007213A - 直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置 - Google Patents

直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 天然ガスの改質器で発生する廃熱の多くを、その改質プロセスで回収、利用することができ、優れたエネルギー効率を達成することができる直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置を提供する。
【解決手段】 改質器５０に天然ガス１、水蒸気２および酸素６を加えて、部分的に燃焼することで改質を行う。これにより得られる水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを、ライン５６からシャフト炉３０に供給し、シャフト炉３０内で鉄鉱石７を還元して直接還元鉄８を製造する。シャフト炉３０で発生する排ガスを二酸化炭素除去装置４０に導入し、二酸化炭素を除去した後、排ガス再利用ライン４９を介してシャフト炉３０にて還元ガスとして再利用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置に関する。
鉄鉱石を還元して金属鉄を製造する方法としては、主に、高炉製銑法の他に、直接還元法と呼ばれる方法がある。直接還元法は、代表的には、天然ガスを改質した水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを用いて、鉄鉱石を固相のまま還元して金属鉄を製造するものである（特許文献１および非特許文献１を参照）。
天然ガスの主成分であるメタンは、外部加熱式の改質器によって水蒸気改質され、水素と一酸化炭素に転換される。この外部加熱式の改質器で発生する廃熱は、原料である天然ガスの予熱や、水蒸気の発生、改質器の燃焼用空気の予熱に利用されている。
特公平７−５９５１号公報
稲田裕,「ＭＩＤＲＥＸ（Ｒ） ＤＲプロセスの技術確立／改良」，Ｒ＆Ｄ 神戸製鋼技報，２０００年１０月，第５０巻，第３号，ｐ．８６−８９
外部加熱式の改質器で発生する廃熱は、上述したように、天然ガスの改質プロセスにおいて利用されているものの、しかしながら、利用できる熱は一部であり、多くの熱が利用されずに捨てられているという問題がある。また、直接還元製鉄プロセスでも熱が余っており、直接還元製鉄プロセスで改質器の廃熱を利用するということもできない。
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、天然ガスの改質器で発生する廃熱の多くを、その改質プロセスで回収、利用することができ、優れたエネルギー効率を達成することができる直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、直接還元製鉄用の還元ガス製造装置であって、供給される天然ガスのうちの一部を水蒸気改質して、天然ガス、水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する外部加熱式の改質器と、前記改質ガスに少なくとも酸素を加えて、部分的に燃焼することでさらに改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを生成する内部加熱式の改質器とを備えるものである。
本発明に係る還元ガス製造装置は、直接還元製鉄で発生する排ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置と、この二酸化炭素を除去した排ガスを還元ガスとして再利用する排ガス再利用ラインとをさらに備えることができる。
本発明は、別の態様として、酸化鉄を含有する原料から直接還元鉄を製造する方法であって、天然ガスを部分的に水蒸気改質して、天然ガス、水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを得る工程と、前記改質ガスに少なくとも酸素を加えて、部分的に燃焼することでさらに改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを得る工程と、前記還元ガスを用いて、前記酸化鉄を含有する原料を還元し、直接還元鉄を得る工程とを含むものである。
本発明に係る直接還元製鉄法は、前記原料還元工程において発生する排ガス中から、二酸化炭素を除去する工程と、この二酸化炭素を除去した排ガスを、前記還元ガスとして再利用する工程とをさらに含むことができる。
本発明に係る直接還元製鉄用の還元ガス製造装置は、別の形態として、天然ガスに水蒸気および酸素を加えて、部分的に燃焼することで改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを生成する内部加熱式の改質器と、直接還元製鉄で発生する排ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置と、この二酸化炭素を除去した排ガスを還元ガスとして再利用する排ガス再利用ラインとを備えるものである。
本発明に係る直接還元製鉄法は、別の形態として、天然ガスに水蒸気および酸素を加えて、部分的に燃焼することで改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを得る工程と、前記還元ガスを用いて、前記酸化鉄を含有する原料を還元し、直接還元鉄を得る工程と、前記原料還元工程において発生する排ガス中から、二酸化炭素を除去する工程と、この二酸化炭素を除去した排ガスを、前記還元ガスとして再利用する工程とを含むものである。
このように本発明によれば、天然ガスに少なくとも酸素を加え、天然ガスを部分的に燃焼し、この熱を利用して天然ガスの改質を行うことができることから、改質器で発生する廃熱自体を少なく抑えることができる。よって、改質器で発生する廃熱を、改質プロセス内で十分に回収、利用できることから、直接還元製鉄法における還元ガス製造に要するエネルギー効率を大幅に改善することができる。
本発明に係る直接還元製鉄法の一実施の形態を示す模式図である。 本発明に係る直接還元製鉄法の別の実施の形態を示す模式図である。 比較例の直接還元製鉄法を示す模式図である。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置の一実施の形態について説明する。
図１に、本発明に係る直接還元製鉄法を実施するための直接還元製鉄システムの一実施の形態を示す。本システムは、基本的に、還元ガスを製造する装置と、酸化鉄を含有する原料の還元炉とを備える。前者の還元ガス製造装置は、図１に示すように、還元ガスの原料である天然ガス１を部分的に水蒸気改質する第１の改質器１０と、第１の改質器１０で得られる改質ガスを部分的に燃焼してさらに改質して還元ガスを生成する第２の改質器２０とを主に備える。後者の還元炉は、酸化鉄を含有する原料を還元ガスによって還元するシャフト炉３０を主に備える。
第１の改質器１０は外部加熱式である。第１の改質器１０は、天然ガス１と水蒸気２が流通する円筒状の触媒層１２と、この触媒層１２を周囲から加熱するバーナ（図示省略）を備える。触媒層１２には、水蒸気改質（steam reforming）反応（ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2）を行うため、水蒸気改質触媒を充填する。水蒸気改質触媒としては、公知の触媒を広く用いることができ、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などの８族から１０族の金属を活性金属とする触媒を用いることができる。これら触媒は、活性金属をアルミナ等の担体に担持したものが好ましい。
第１の改質器１０は、触媒層１２の入口に天然ガス１を供給するための原料供給ライン１６と、水蒸気改質に必要な水蒸気を供給する水蒸気供給ライン１８と、バーナの燃料として天然ガス３を供給する燃料供給ライン１９を備える。また、第１の改質器１０は、バーナ排ガスの熱を回収するための熱交換器１４を備える。この熱交換器１４は、その構成の一例として、バーナ排ガスの流れに対して、詳しくは後述する排ガス再利用ライン４８、原料供給ライン１６、水蒸気供給ライン１８の順に熱交換するように構成する。なお、原料供給ライン１６は、熱交換器１４と複数回の熱交換を行うことができ、その場合、最初の熱交換をバーナ排ガスの最下流で、２回目の熱交換を上述の位置で行うように構成する。第１の改質器１０には、熱交換器１４で熱交換した後のバーナ排ガスを大気に放出するための煙突１５を付設する。
第２の改質器２０は内部加熱式である。第２の改質器２０は、第１の改質器１０で部分的に水蒸気改質された改質ガスが流通する触媒層２２を備える。第２の改質器２０の触媒層２２には、改質ガス中に残る天然ガス成分や水素に対して燃焼を起こし、その熱を用いて改質を行う反応（ＣＨ4＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2）を行うため、改質触媒を充填する。改質触媒としては、公知の触媒を広く用いることができ、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などの８族から１０族の金属を活性金属とする触媒を用いることができる。金属触媒は、活性金属をアルミナ等の担体に担持したものが好ましい。
第２の改質器２０は、第１の改質器１０の触媒層１２の出口から改質ガスを第２の改質器２０に供給するための改質ガス供給ライン２４と、第２の改質器２０に水蒸気５および酸素６をそれぞれ供給する供給ラインを備える。なお、酸素の供給源は、製鉄所の既存の酸素供給源（図示省略）を使用する。また、第２の改質器２０は、この触媒層２２でさらに改質して得られる還元ガスを、シャフト炉３０に供給するための還元ガス供給ライン２６を備える。
シャフト炉３０は、直接還元製鉄用の還元炉として広く使用されている。シャフト炉３０は、その炉頂に、直接還元製鉄用の原料を供給するホッパ（図示省略）を備え、炉内の中段に、還元ガスの吹き込み手段（図示省略）を備え、炉内の下部に、還元ガスによって還元された鉄を冷却する冷却部（図示省略）を備える。シャフト炉３０は、この冷却部から抜き出した冷却ガスを再利用する手段を備える。具体的には、シャフト炉３０は、図１に示すように、冷却部の上段から抜き出した冷却ガスを、冷却部の下段へと導入するための冷却ガス循環ライン３６を備える。この冷却ガス循環ライン３６には、冷却ガスを洗浄するための冷却ガス洗浄器３２と、洗浄した冷却ガスを圧縮するための冷却ガス圧縮機３４とを設ける。
本実施の形態では、還元ガス製造装置は、シャフト炉３０炉内で発生した排ガスを還元ガスとして再利用する設備を備える。この排ガス再利用設備は、図１に示すように、排ガス中から二酸化炭素を除去して再利用するために、ＣＯ2除去装置４０を備える。ＣＯ2除去装置４０としては、アミン系吸収液を用いた化学吸収法のＣＯ2除去装置などを採用することができる。
排ガス再利用設備は、また、シャフト炉３０の炉頂から抜き出した排ガスをＣＯ2除去装置４０に供給するための排ガス回収ライン３８と、二酸化炭素を除去した排ガス（再利用ガスともいう）を還元ガスとしてシャフト炉３０に供給するための排ガス再利用ライン４８とを備える。排ガス回収ライン３８には、排ガスの流れに対し、排ガス再利用ライン４８との熱交換器４２と、排ガス中のダスト分と水分を除去する排ガス洗浄機４４とを順に設ける。排ガス再利用ライン４８には、再利用ガスの流れに対し、再利用ガスを圧縮する再利用ガス圧縮機４６と、排ガス回収ライン３８との熱交換器４２と、第１の改質器１０のバーナ排ガスとの熱交換器１４とを順に設ける。
以上の構成によれば、先ず、燃料供給ライン１９から、第１の改質器１０のバーナ燃料として天然ガス３を第１の改質器１０に供給し、第１の改質器１０を起動する。一方、原料供給ライン１６から、還元ガスの原料として天然ガス１を、熱交換器１４においてバーナ排ガスで予熱した後、第１の改質器１０の触媒層１２に供給する。また、熱交換器１４で発生させた水蒸気２を、水蒸気供給ライン１８を経て、天然ガス１とともに触媒層１２に供給する。
第１の改質器１０の触媒層１２は、その出口が６００℃〜８００℃の温度範囲になるように制御する。より好ましい温度は、６５０℃〜７５０℃である。これにより、触媒層１２では、天然ガス１の主成分であるメタンの一部が水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素に転換する。よって、第１の改質器１０の触媒層１２からは、水素、一酸化炭素およびメタンを含有する改質ガスを得ることができる。
この改質ガスを改質ガス供給ライン２４によって第２の改質器２０に供給する。また、水蒸気５および酸素６も第２の改質器２０に供給する。第２の改質器２０の中では、先ず、改質ガス中のメタンや水素と酸素との一部の燃焼反応（主に、ＣＨ4＋２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ）が起こり、次に、生成した水蒸気および二酸化炭素によって水蒸気改質反応（ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2）と二酸化炭素改質反応（ＣＨ4＋ＣＯ2→２ＣＯ＋２Ｈ2）が触媒層２２の中で起こる。このような２段階の進行をまとめると、部分酸化及び改質反応（ＣＨ4＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2）となる。すなわち、改質ガス中に残るメタンも、これによって水素と一酸化炭素に転換する。
よって、第２の改質器２０の触媒層２２からは、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを得ることができる。部分酸化反応は発熱反応であり、改質反応は吸熱反応であり、第２の改質器２０に特に燃料を供給することなく、メタンの改質を行うことができる。また、還元ガスの温度は９００℃〜１１００℃にまで、好ましくは９５０℃〜１０５０℃にまで昇温する。また、還元ガスの圧力は、４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇとなるように制御する。なお、プロセス操作条件によっては、還元ガスの圧力が非常に高くなる場合もあるので、その場合は、第２の改質器２０の出口に膨張機を設置し、還元ガスの圧力を４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇにまで下げるとともに、動力を回収してもよい。
この還元ガスを還元ガス供給ライン２６によってシャフト炉３０の中段に供給する。また、シャフト炉３０の炉頂に、直接還元製鉄の原料として鉄鉱石７を供給する。シャフト炉３０内の圧力は約３ｋｇ／ｃｍ2Ｇに制御する。シャフト炉３０内の上部では、鉄鉱石７中の酸化鉄を、還元ガスによって固相のまま鉄にまで還元する。この直接還元鉄８は、シャフト炉３０内の下部で冷却ガスによって冷却した後、炉底から取り出す。
シャフト炉３０で発生する排ガスは、酸化鉄の直接還元により発生する二酸化炭素および水蒸気と、シャフト炉３０で未反応の還元ガス成分、すなわち、水素および一酸化炭素と、第１及び第２の改質器で未改質の天然ガス成分、主にメタンとを含む。この排ガスを、排ガス回収ライン３８によって、炉頂から排出し、熱交換器４２で冷却して、凝縮した水分を排ガス洗浄機４４で除去した後、ＣＯ2除去装置４０に供給する。なお、排ガスの圧力は、排ガス洗浄機４４の出口において約２．５ｋｇ／ｃｍ2Ｇにまで下がる。
ＣＯ2除去装置４０では、排ガス中に含まれる二酸化炭素を除去する。二酸化炭素９は、大気に放出するか、有効利用を図る。これによりＣＯ2除去装置４０からは、水素と一酸化炭素を高濃度で含み、還元ガスとして再利用可能な再利用ガスを得ることができる。この再利用ガスは、排ガス再利用ライン４８を介し、再利用ガス圧縮機４６で圧力を４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇにまで上げた後、シャフト炉排ガスとの熱交換器４２および第１の改質器１０のバーナ排ガスとの熱交換器１４で、温度を４００℃〜８００℃にまで上げてから、還元ガスとして再びシャフト炉３０に供給する。
また、第１の改質器１０のバーナ排ガスは、当初、９００℃〜１１００℃の温度を有しているが、熱交換器１４によって、シャフト炉の排ガス、還元ガスの原料の天然ガス、水蒸気を加熱することで十分に熱回収し、温度を約２００℃までに下げた後、煙突１５から放出することができる。
このように、第１の改質器１０で天然ガスを全て改質するのではなく、一部を改質することで、第１の改質器１０の燃料を削減することができる。また、これにより第１の改質器１０で発生する廃熱量が少なくなることから、第１の改質器１０に供給する天然ガス１の予熱や水蒸気２の発生に利用することで、十分に回収することができる。したがって、直接還元製鉄用の還元ガス製造に要するエネルギー効率を顕著に改善することができる。
シャフト炉排ガスは、還元ガスとして再利用する場合、通常、改質器で改質する必要があるが、ＣＯ2除去装置４０でガス中の二酸化炭素を除去することで、単に加熱するだけで還元ガスとして再利用することができる。また、第１の改質器１０の規模が従来に比べて縮小することから、第１の改質器１０、特に熱交換器１４に要する設備および敷地をコンパクト化することができる。なお、第２の改質器２０で酸素を使用するが、通常、製鉄所では酸素が使用されており、酸素の供給源が問題となることはない。
本発明は、上述した実施の形態に限定されず、例えば、図２に示すような実施の形態を採用することもできる。図２に示す実施の形態は、主に、図１に示す実施の形態における第１及び第２の改質器を、一つの改質器としたものである。以下、この別の実施の形態について詳しく説明する。なお、図１の実施の形態と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図２に示すように、この実施の形態の直接還元製鉄システムは、一つの改質器５０を備える。この改質器５０は内部加熱式であり、還元ガスの原料である天然ガス１が流通する触媒層５２を備える。この触媒層５２には、自己熱改質（autothermal reforming）反応を行うため、自己熱改質触媒を充填する。なお、自己熱改質とは、水蒸気改質による吸熱反応と部分酸化による発熱反応を共に反応容器内で進行させ、熱をバランスさせながら天然ガスを改質する方式である。自己熱改質触媒としては、公知の触媒を広く用いることができ、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などの８族から１０族の金属を活性金属とする触媒を用いることができる。これら触媒は、活性金属をアルミナ等の担体に担持したものが好ましい。
改質器５０は、原料となる天然ガスを改質器５０に供給するための原料供給ライン５４と、改質器５０に水蒸気５および酸素６をそれぞれ供給する供給ラインを備える。また、改質器５０は、天然ガスを自己熱改質して得られる還元ガスを、シャフト炉３０に供給するための還元ガス供給ライン５６を備える。
また、本実施の形態では、ＣＯ2除去装置４０で排ガスから二酸化炭素を除去した再利用ガスを、還元ガスとしてシャフト炉３０に供給する排ガス再利用ライン４９には、再利用ガスの流れに対し、再利用ガスを圧縮する再利用ガス圧縮機４６と、排ガス回収ライン３８との熱交換器４２を順に設けるだけである。
以上の構成によれば、原料供給ライン５４から天然ガス１を、また各供給ラインから水蒸気５および酸素６を、改質器５０の触媒層５２に供給する。改質器５０では、先ず、天然ガスの一部について部分酸化反応を行う。部分酸化反応は発熱反応であり、これにより得た熱を利用して、次に吸熱反応である水蒸気改質反応を利用して触媒層５２で改質反応を行う。このようにして部分酸化と水蒸気改質を、熱をバランスさせながら一つの改質器５０で進行させる。これにより、天然ガスの主成分であるメタンは、水素と一酸化炭素に転換する。
よって、改質器５０の触媒層５２からは、特に燃料を供給することなく、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを得ることができる。還元ガスの温度は９００℃〜１１００℃、好ましくは９５０℃〜１０５０℃である。また、還元ガスの圧力は、４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇとなるように制御する。なお、プロセス操作圧力によっては、還元ガスの圧力が非常に高くなる場合もあるので、その場合は、改質器５０の出口に膨張機を設置し、還元ガスの圧力を４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇにまで下げるとともに、動力を回収してもよい。
この還元ガスを還元ガス供給ライン５６によってシャフト炉３０の中段に供給し、鉄鉱石７を還元ガスによって固相のまま鉄にまで還元する。シャフト炉３０で発生する排ガスは、排ガス回収ライン３８によって、熱交換器４２および排ガス洗浄機４４を経た後、ＣＯ2除去装置４０で、二酸化炭素を除去する。二酸化炭素が除去された再利用ガスは、排ガス再利用ライン４９を介し、再利用ガス圧縮機４６で圧力を４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇにまで上げた後、熱交換器４２で、温度を４００℃〜７００℃にまで上げてから、還元ガスとして再びシャフト炉３０に供給する。
このように、一つの改質器５０で、自己熱改質反応、すなわち、発熱反応の部分酸化反応と吸熱反応である水蒸気改質反応とを熱バランスを取りながら改質反応を進めることから、改質器に供給する燃料を大幅に削減することができる。また、これにより改質器５０で発生する廃熱量も大幅に少なくすることができる。したがって、直接還元製鉄用の還元ガス製造に要するエネルギー効率を大幅に改善することができる。また、シャフト炉排ガスを還元ガスとして再利用するためには、再び改質する必要がある。しかしながら、ＣＯ2除去装置４０で排ガス中の二酸化炭素を除去することで、単に加熱するだけで還元ガスとして再利用することができる。
図１および図２に示す直接還元製鉄システムを用いて、１年に１百万トンの直接還元鉄を製造する場合において還元ガスの製造に要するエネルギーをシミュレーションした。
図１に示すシステム（実施例１）では、原料として天然ガスを１時間当たり２５５．７×１０6ｋｃａｌ使用し、第１の改質器の燃料として天然ガスを１時間当たり６３．１×１０6ｋｃａｌ使用し、第２の改質器に酸素を１時間当たり１１，８１２Ｎｍ3使用することで、圧力４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、温度１０００℃を有するＣＯ及びＨ2を含有する還元ガスを１時間当たり８３，７００Ｎｍ3得ることができ、これにより直接還元鉄の１百万トン／１年の製造を達成することができる。
図２に示すシステム（実施例２）では、原料として天然ガスを１時間当たり２７８．０×１０6ｋｃａｌ使用し、改質器に酸素を１時間当たり１６，６３０Ｎｍ3使用することで、圧力４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、温度１０００℃を有するＣＯ及びＨ2を含有する還元ガスを１時間当たり８３，７００Ｎｍ3得ることができ、これにより直接還元鉄の１百万トン／１年の製造を達成することができる。
なお、比較例として、図３に示す直接還元製鉄システムについて同様にシミュレーションを行った。図３に示すように、この比較例のシステムは、外部加熱式の改質器６０を一つ設けたものである。改質器６０の触媒層６２には、水蒸気改質触媒が充填されている。触媒層６２には、供給ライン６６を介して、改質器６０のバーナ排ガスの熱交換器６４で予熱された天然ガス１および水蒸気２を供給する。改質器６０には、バーナ燃料として天然ガス３を供給する。また、改質器６０には、供給ライン６８を介して、熱交換器６４で予熱されたバーナ燃焼用の空気４を供給する。改質器６０で改質された還元ガスは、還元ガス供給ライン６９を介してシャフト炉３０へ供給する。シャフト炉３０で発生する排ガスは、ＣＯ2除去装置４０で二酸化炭素を除去した後、シャフト炉排ガスとの熱交換器４２および改質炉６０のバーナ排ガスとの熱交換器６４で昇温させてから、還元ガスとしてシャフト炉３０へ再び供給する。
図３に示す比較例のシステムでは、原料として天然ガスを１時間当たり２２４．９×１０6ｋｃａｌ使用し、改質器の燃料として天然ガスを１時間当たり１１４．８×１０6ｋｃａｌ使用することで、圧力４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、温度１０００℃を有するＣＯ及びＨ2を含有する還元ガスを１時間当たり８３，７００Ｎｍ3得ることができ、これにより直接還元鉄の１百万トン／１年の製造を達成することができる。
実施例１及び実施例２について、比較例を基準にしてエネルギー効率を評価する。実施例１では、原料および燃料の合計で天然ガスを１時間当たり３１８．８×１０6ｋｃａｌ必要とする。一方、比較例では、原料および燃料の合計で天然ガスを１時間当たり３３９．７×１０6ｋｃａｌ必要とする。よって、実施例１は、比較例に比べて、エネルギーを６．１５％削減することができる。また、実施例２は、比較例に比べて、エネルギーを１８．１６％削減することができる。
１、３ 天然ガス
２、５ 水蒸気
４ 空気
６ 酸素
７ 鉄鉱石
８ 直接還元鉄
９ 二酸化炭素
１０ 第１の改質器
１２ 触媒層
１４ 熱交換器
１５ 煙突
１６ 原料供給ライン
１８ 水蒸気供給ライン
１９ 燃料供給ライン
２０ 第２の改質器
２２ 触媒層
２４ 改質ガス供給ライン
２６ 還元ガス供給ライン
３０ シャフト炉
３２ 冷却ガス洗浄機
３４ 冷却ガス圧縮機
３６ 冷却ガス循環ライン
３８ 排ガス回収ライン
４０ ＣＯ2除去装置
４２ 熱交換器
４４ 排ガス洗浄機
４６ 再利用ガス圧縮機
４８、４９ 排ガス再利用ライン
５０ 改質器
５２ 触媒層
５４ 原料供給ライン
５６ 還元ガス供給ライン
６０ 改質器
６２ 触媒層
６４ 熱交換器
６５ 煙突
６６ 原料供給ライン
６８ 空気供給ライン
６９ 還元ガス供給ライン
本発明は、直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置に関する。
鉄鉱石を還元して金属鉄を製造する方法としては、主に、高炉製銑法の他に、直接還元法と呼ばれる方法がある。直接還元法は、代表的には、天然ガスを改質した水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを用いて、鉄鉱石を固相のまま還元して金属鉄を製造するものである（特許文献１および非特許文献１を参照）。
天然ガスの主成分であるメタンは、外部加熱式の改質器によって水蒸気改質され、水素と一酸化炭素に転換される。この外部加熱式の改質器で発生する廃熱は、原料である天然ガスの予熱や、水蒸気の発生、改質器の燃焼用空気の予熱に利用されている。
特公平７−５９５１号公報
稲田裕,「ＭＩＤＲＥＸ（Ｒ） ＤＲプロセスの技術確立／改良」，Ｒ＆Ｄ 神戸製鋼技報，２０００年１０月，第５０巻，第３号，ｐ．８６−８９
外部加熱式の改質器で発生する廃熱は、上述したように、天然ガスの改質プロセスにおいて利用されているものの、しかしながら、利用できる熱は一部であり、多くの熱が利用されずに捨てられているという問題がある。また、直接還元製鉄プロセスでも熱が余っており、直接還元製鉄プロセスで改質器の廃熱を利用するということもできない。
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、天然ガスの改質器で発生する廃熱の多くを、その改質プロセスで回収、利用することができ、優れたエネルギー効率を達成することができる直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、直接還元製鉄用の還元ガス製造装置であって、天然ガスに水蒸気および酸素を加えて、部分的に燃焼することで改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを生成する内部加熱式の改質器と、直接還元製鉄で発生する排ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置と、この二酸化炭素を除去した排ガスを還元ガスとして再利用する排ガス再利用ラインとを備えるものである。
また、本発明は、別の態様として、直接還元製鉄法であって、天然ガスに水蒸気および酸素を加えて、部分的に燃焼することで改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを得る工程と、前記還元ガスを用いて、前記酸化鉄を含有する原料を還元し、直接還元鉄を得る工程と、前記原料還元工程において発生する排ガス中から、二酸化炭素を除去する工程と、この二酸化炭素を除去した排ガスを、前記還元ガスとして再利用する工程とを含むものである。
このように本発明によれば、天然ガスに少なくとも酸素を加え、天然ガスを部分的に燃焼し、この熱を利用して天然ガスの改質を行うことができることから、改質器で発生する廃熱自体を少なく抑えることができる。よって、改質器で発生する廃熱を、改質プロセス内で十分に回収、利用できることから、直接還元製鉄法における還元ガス製造に要するエネルギー効率を大幅に改善することができる。
本発明に係る直接還元製鉄法の別の実施の形態を示す模式図である。 比較例の直接還元製鉄法を示す模式図である。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置の一実施の形態について説明する。
図１に、本発明に係る直接還元製鉄法を実施するための直接還元製鉄システムの一実施の形態を示す。本システムは、基本的に、還元ガスを製造する装置と、酸化鉄を含有する原料の還元炉とを備える。前者の還元ガス製造装置は、図１に示すように、一つの改質器５０を主に備える。後者の還元炉は、酸化鉄を含有する原料を還元ガスによって還元するシャフト炉３０を主に備える。
この改質器５０は内部加熱式であり、還元ガスの原料である天然ガス１が流通する触媒層５２を備える。この触媒層５２には、自己熱改質（autothermalreforming）反応を行うため、自己熱改質触媒を充填する。なお、自己熱改質とは、水蒸気改質による吸熱反応と部分酸化による発熱反応を共に反応容器内で進行させ、熱をバランスさせながら天然ガスを改質する方式である。自己熱改質触媒としては、公知の触媒を広く用いることができ、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などの８族から１０族の金属を活性金属とする触媒を用いることができる。これら触媒は、活性金属をアルミナ等の担体に担持したものが好ましい。
改質器５０は、原料となる天然ガスを改質器５０に供給するための原料供給ライン５４と、改質器５０に水蒸気５および酸素６をそれぞれ供給する供給ラインを備える。また、改質器５０は、天然ガスを自己熱改質して得られる還元ガスを、シャフト炉３０に供給するための還元ガス供給ライン５６を備える。
シャフト炉３０は、直接還元製鉄用の還元炉として広く使用されている。シャフト炉３０は、その炉頂に、直接還元製鉄用の原料を供給するホッパ（図示省略）を備え、炉内の中段に、還元ガスの吹き込み手段（図示省略）を備え、炉内の下部に、還元ガスによって還元された鉄を冷却する冷却部（図示省略）を備える。シャフト炉３０は、この冷却部から抜き出した冷却ガスを再利用する手段を備える。具体的には、シャフト炉３０は、図１に示すように、冷却部の上段から抜き出した冷却ガスを、冷却部の下段へと導入するための冷却ガス循環ライン３６を備える。この冷却ガス循環ライン３６には、冷却ガスを洗浄するための冷却ガス洗浄器３２と、洗浄した冷却ガスを圧縮するための冷却ガス圧縮機３４とを設ける。
本実施の形態では、還元ガス製造装置は、シャフト炉３０炉内で発生した排ガスを還元ガスとして再利用する設備を備える。この排ガス再利用設備は、図１に示すように、排ガス中から二酸化炭素を除去して再利用するために、ＣＯ2除去装置４０を備える。ＣＯ2除去装置４０としては、アミン系吸収液を用いた化学吸収法のＣＯ2除去装置などを採用することができる。
排ガス再利用設備は、また、シャフト炉３０の炉頂から抜き出した排ガスをＣＯ2除去装置４０に供給するための排ガス回収ライン３８と、二酸化炭素を除去した排ガス（再利用ガスともいう）を還元ガスとしてシャフト炉３０に供給するための排ガス再利用ライン４９とを備える。排ガス回収ライン３８には、排ガスの流れに対し、排ガス再利用ライン４８との熱交換器４２と、排ガス中のダスト分と水分を除去する排ガス洗浄機４４とを順に設ける。排ガス再利用ライン４９には、再利用ガスの流れに対し、再利用ガスを圧縮する再利用ガス圧縮機４６と、排ガス回収ライン３８との熱交換器４２とを順に設ける。
以上の構成によれば、原料供給ライン５４から天然ガス１を、また各供給ラインから水蒸気５および酸素６を、改質器５０の触媒層５２に供給する。改質器５０では、先ず、天然ガスの一部について部分酸化反応を行う。部分酸化反応は発熱反応であり、これにより得た熱を利用して、次に吸熱反応である水蒸気改質反応を利用して触媒層５２で改質反応を行う。このようにして部分酸化と水蒸気改質を、熱をバランスさせながら一つの改質器５０で進行させる。これにより、天然ガスの主成分であるメタンは、水素と一酸化炭素に転換する。
よって、改質器５０の触媒層５２からは、特に燃料を供給することなく、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを得ることができる。還元ガスの温度は９００℃〜１１００℃、好ましくは９５０℃〜１０５０℃である。また、還元ガスの圧力は、４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇとなるように制御する。なお、プロセス操作圧力によっては、還元ガスの圧力が非常に高くなる場合もあるので、その場合は、改質器５０の出口に膨張機を設置し、還元ガスの圧力を４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇにまで下げるとともに、動力を回収してもよい。
この還元ガスを還元ガス供給ライン５６によってシャフト炉３０の中段に供給し、鉄鉱石７を還元ガスによって固相のまま鉄にまで還元する。シャフト炉３０内の圧力は約３ｋｇ／ｃｍ2Ｇに制御する。シャフト炉３０で発生する排ガスは、酸化鉄の直接還元により発生する二酸化炭素および水蒸気と、シャフト炉３０で未反応の還元ガス成分、すなわち、水素および一酸化炭素と、改質器５０で未改質の天然ガス成分、主にメタンとを含む。この排ガスを、排ガス回収ライン３８によって、炉頂から排出し、熱交換器４２で冷却して、凝縮した水分を排ガス洗浄機４４で除去した後、ＣＯ2除去装置４０に供給する。なお、排ガスの圧力は、排ガス洗浄機４４の出口において約２．５ｋｇ／ｃｍ2Ｇにまで下がる。
ＣＯ2除去装置４０では、排ガス中に含まれる二酸化炭素を除去する。二酸化炭素９は、大気に放出するか、有効利用を図る。これによりＣＯ2除去装置４０からは、水素と一酸化炭素を高濃度で含み、還元ガスとして再利用可能な再利用ガスを得ることができる。二酸化炭素が除去された再利用ガスは、排ガス再利用ライン４９を介し、再利用ガス圧縮機４６で圧力を４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇにまで上げた後、シャフト炉排ガスとの熱交換器４２で、温度を４００℃〜７００℃にまで上げてから、還元ガスとして再びシャフト炉３０に供給する。
このように、一つの改質器５０で、自己熱改質反応、すなわち、発熱反応の部分酸化反応と吸熱反応である水蒸気改質反応とを熱バランスを取りながら改質反応を進めることから、改質器に供給する燃料を大幅に削減することができる。また、これにより改質器５０で発生する廃熱量も大幅に少なくすることができる。したがって、直接還元製鉄用の還元ガス製造に要するエネルギー効率を大幅に改善することができる。また、シャフト炉排ガスを還元ガスとして再利用するためには、再び改質する必要がある。しかしながら、ＣＯ2除去装置４０で排ガス中の二酸化炭素を除去することで、単に加熱するだけで還元ガスとして再利用することができる。
図１に示す直接還元製鉄システムを用いて、１年に１百万トンの直接還元鉄を製造する場合において還元ガスの製造に要するエネルギーをシミュレーションした。
図１に示すシステム（実施例）では、原料として天然ガスを１時間当たり２７８．０×１０6ｋｃａｌ使用し、改質器に酸素を１時間当たり１６，６３０Ｎｍ3使用することで、圧力４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、温度１０００℃を有するＣＯ及びＨ2を含有する還元ガスを１時間当たり８３，７００Ｎｍ3得ることができ、これにより直接還元鉄の１百万トン／１年の製造を達成することができる。
なお、比較例として、図２に示す直接還元製鉄システムについて同様にシミュレーションを行った。図２に示すように、この比較例のシステムは、外部加熱式の改質器６０を一つ設けたものである。改質器６０の触媒層６２には、水蒸気改質触媒が充填されている。触媒層６２には、供給ライン６６を介して、改質器６０のバーナ排ガスの熱交換器６４で予熱された天然ガス１および水蒸気２を供給する。改質器６０には、バーナ燃料として天然ガス３を供給する。また、改質器６０には、供給ライン６８を介して、熱交換器６４で予熱されたバーナ燃焼用の空気４を供給する。改質器６０で改質された還元ガスは、還元ガス供給ライン６９を介してシャフト炉３０へ供給する。シャフト炉３０で発生する排ガスは、ＣＯ2除去装置４０で二酸化炭素を除去した後、シャフト炉排ガスとの熱交換器４２および改質炉６０のバーナ排ガスとの熱交換器６４で昇温させてから、還元ガスとしてシャフト炉３０へ再び供給する。
図２に示す比較例のシステムでは、原料として天然ガスを１時間当たり２２４．９×１０6ｋｃａｌ使用し、改質器の燃料として天然ガスを１時間当たり１１４．８×１０6ｋｃａｌ使用することで、圧力４〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇ、温度１０００℃を有するＣＯ及びＨ2を含有する還元ガスを１時間当たり８３，７００Ｎｍ3得ることができ、これにより直接還元鉄の１百万トン／１年の製造を達成することができる。
実施例について、比較例を基準にしてエネルギー効率を評価する。実施例では、原料および燃料の合計で天然ガスを１時間当たり２７８．０×１０6ｋｃａｌ必要とする。一方、比較例では、原料および燃料の合計で天然ガスを１時間当たり３３９．７×１０6ｋｃａｌ必要とする。よって、実施例１は、比較例に比べて、エネルギーを１８．１６％削減することができる。
１、３ 天然ガス
２、５ 水蒸気
４ 空気
６ 酸素
７ 鉄鉱石
８ 直接還元鉄
９ 二酸化炭素
３０ シャフト炉
３２ 冷却ガス洗浄機
３４ 冷却ガス圧縮機
３６ 冷却ガス循環ライン
３８ 排ガス回収ライン
４０ ＣＯ2除去装置
４２ 熱交換器
４４ 排ガス洗浄機
４６ 再利用ガス圧縮機
４８、４９ 排ガス再利用ライン
５０ 改質器
５２ 触媒層
５４ 原料供給ライン
５６ 還元ガス供給ライン
６０ 改質器
６２ 触媒層
６４ 熱交換器
６５ 煙突
６６ 原料供給ライン
６８ 空気供給ライン
６９ 還元ガス供給ライン

Claims (6)

  1. 直接還元製鉄用に還元ガスを製造する装置であって、
    供給される天然ガスのうちの一部を水蒸気改質して、天然ガス、水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する外部加熱式の改質器と、
    前記改質ガスに少なくとも酸素を加えて、部分的に燃焼することでさらに改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを生成する内部加熱式の改質器と
    を備える直接還元製鉄用の還元ガス製造装置。
  2. 直接還元製鉄で発生する排ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置と、この二酸化炭素を除去した排ガスを還元ガスとして再利用する排ガス再利用ラインとをさらに備える請求項１に記載の還元ガス製造装置。
  3. 酸化鉄を含有する原料から直接還元鉄を製造する方法であって、
    天然ガスを部分的に水蒸気改質して、天然ガス、水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを得る工程と、
    前記改質ガスに少なくとも酸素を加えて、部分的に燃焼することでさらに改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを得る工程と、
    前記還元ガスを用いて、前記酸化鉄を含有する原料を還元し、直接還元鉄を得る工程と
    を含む直接還元製鉄法。
  4. 前記原料還元工程において発生する排ガス中から、二酸化炭素を除去する工程と、
    この二酸化炭素を除去した排ガスを、前記還元ガスとして再利用する工程と
    をさらに含む請求項３に記載の直接還元製鉄法。
  5. 直接還元製鉄用に還元ガスを製造する装置であって、
    天然ガスに水蒸気および酸素を加えて、部分的に燃焼することで改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを生成する内部加熱式の改質器と、
    直接還元製鉄で発生する排ガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置と、
    この二酸化炭素を除去した排ガスを還元ガスとして再利用する排ガス再利用ラインと
    を備える直接還元製鉄用の還元ガス製造装置。
  6. 酸化鉄を含有する原料から直接還元鉄を製造する方法であって、
    天然ガスに水蒸気および酸素を加えて、部分的に燃焼することで改質を行い、水素および一酸化炭素を含有する還元ガスを得る工程と、
    前記還元ガスを用いて、前記酸化鉄を含有する原料を還元し、直接還元鉄を得る工程と、
    前記原料還元工程において発生する排ガス中から、二酸化炭素を除去する工程と、
    この二酸化炭素を除去した排ガスを、前記還元ガスとして再利用する工程と
    を含む直接還元製鉄法。
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