JP2012102371A

JP2012102371A - 予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法

Info

Publication number: JP2012102371A
Application number: JP2010252184A
Authority: JP
Inventors: Tsunehisa Nishimura; 恒久西村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: JP5630222B2

Abstract

【課題】水素を主体としたガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式の直接還元炉において、下部での過剰な昇温と融着を抑制し、高い製品還元率を確保する予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法を提供すること。
【解決手段】還元ガスを用いて還元鉄２を製造するシャフト炉方式による直接還元炉１０の操業方法において、事前に予熱した原料酸化鉄１を直接還元炉１０に装入することを特徴とする予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法に関する。

酸化鉄を含有する原料から鉄を還元する還元鉄の生産は、プラントが安価であると共に、運転が容易であり、更に小規模でも立地が可能であるという特徴を背景に拡大を続けてきた。特に、シャフト炉方式の直接還元炉は、炉内の還元ガスを有効に活用できることより、種々の改善が加えられてきた。

還元ガス源としては、天然ガスをＨ_２ＯまたはＣＯ_２で改質してＨ_２、ＣＯを主成分とする合成ガスを製造し、この合成ガスを用いて原料酸化鉄を還元する方法があるが、石炭をガス化して、還元ガスとする方法もある。

天然ガスを原料とする還元ガスは、天然ガス組成から一般にＨ_２分率がＣＯ分率を上回る。これに対し、石炭に由来する還元ガスは、ＣＯ分率がＨ_２分率を上回る。

ＣＯ分率の高い還元ガスは、排ガスとして二酸化炭素の排出が多くなるのに対し、Ｈ_２分率の高い還元ガスは、Ｈ_２がＨ_２Ｏになるので、還元後の排ガスは二酸化炭素の排出が少ない。よって、地球規模の二酸化炭素の排出削減の必要性から、近年、水素を主体とする還元ガスが注目されている。

シャフト炉方式の直接還元炉においては、炉頂より装入された原料酸化鉄は、シャフト炉内を降下するに従い、炉下部から上昇してくる還元ガスにより還元される。原料酸化鉄からの鉄の還元は、ヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）→マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）→ヴスタイト（ＦeＯ）→鉄（Ｆｅ）の順に進行するが、ＣＯガスによる還元とＨ_２ガスによる還元では、反応熱が大幅に相違する。

ＣＯガス、又はＨ_２ガスによる酸化鉄の還元反応式は、下記の式（１）〜（４）又は式（５）〜（８）で表わされる（非特許文献１）。

ＣＯガスによる還元の反応式を以下に示す。
３Ｆｅ_２Ｏ_３+ＣＯ＝２Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ_２ ΔＨ₂₉₈＝−52965kＪ / Kg mol CO…（１）
Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ＝３ＦｅＯ＋ＣＯ_２ ΔＨ₂₉₈＝＋26168kＪ / Kg mol CO…（２）
ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ _２ ΔＨ ₂₉₈ ＝−13943kＪ / Kg mol CO…（３）
Ｆｅ_２Ｏ_３+３ＣＯ＝２Ｆｅ＋３ＣＯ_２ ΔＨ₂₉₈＝−28096kＪ / Kg mol CO…（４）
反応熱ΔＨ₂₉₈は、２９８℃における反応熱であり、マイナス記号は発熱を表す。

Ｈ_２ガスによる還元の反応式を以下に示す。
３Ｆｅ_２Ｏ_３+Ｈ_２＝２Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｈ_２Ｏ ΔＨ₂₉₈＝−11724kＪ / Kg molＨ_２…（５）
Ｆｅ_３Ｏ_４＋Ｈ_２＝３ＦｅＯ＋Ｈ_２Ｏ ΔＨ₂₉₈＝＋67411kＪ / Kg molＨ_２…（６）
ＦｅＯ＋Ｈ _２＝Ｆｅ＋Ｈ _２Ｏ ΔＨ ₂₉₈ ＝＋27215kＪ / Kg molＨ _２ …（７）
Ｆｅ_２Ｏ_３+３Ｈ_２＝２Ｆｅ＋３Ｈ_２Ｏ ΔＨ₂₉₈＝＋95462kＪ / Kg molＨ_２…（８）
反応熱ΔＨ₂₉₈は、２９８℃における反応熱であり、プラス記号は吸熱を表す。

ＣＯガスによる酸化鉄の還元は発熱を伴うのに対し、Ｈ_２による酸化鉄の還元は大きな吸熱である。したがって、還元ガスにＨ_２を主体としたガス、即ち、還元ガスとして改質天然ガス等を用いたプロセスで、Ｈ_２の容量％が大きくなる条件では、Ｈ_２還元に伴なう吸熱量がＣＯ還元に伴なう発熱量を上回り温度低下で反応が停滞するため、シャフト炉に吸熱を補償するに十分な熱を供給することが重要な課題となる。

シャフト炉に熱を供給する手段としては、一般的には炉下部からの送風の温度を上昇させる方法がある。しかし、炉下部から熱を投入すると、炉下部から排出される成品（還元鉄）を過剰に加熱することとなり、還元鉄の粒子が相互に融着してクラスタリングが発生する。これに対しては、クラッシャーによる成品（還元鉄）の破砕が考えられるが、融着した成品（還元鉄）の発生箇所において、設備の閉塞が起こると、安定操業に重大な障害をもたらすこともある。

一方、高炉法においてではあるが、装入原料を事前に加熱して高炉の炉頂より装入する技術が提案されている（特許文献１）。しかし、当該技術は、高炉において、装入原料により持ち込まれる水分と粉鉱石を除去することを目的としており、シャフト炉方式の直接還元炉において、Ｈ_２による原料酸化鉄の還元による吸熱に対して熱を供給することを目的とするものではない。

特開昭５８−１４４４０４号公報

鉄と鉄鋼がわかる本（第12刷）、新日本製鐵（株）編著、日本実業出版社

本発明は、水素を主体としたガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式の直接還元炉において、下部での過剰な昇温と融着を抑制しつつ、炉上部の熱不足を解消し、高い製品還元率を確保する予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法を提供することを目的とする。

本願発明は、熱供給の手段として、還元ガスの入口温度（送風温度）と原料の入口温度（予熱温度）について、製品還元鉄の還元率と排出温度（製品温度）への影響を比較検討した結果、予熱温度の方が製品温度上昇を抑えつつ還元率を高められるという新たな知見に基づいている。
[１]水素を主体とした還元ガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式による直接還元炉の操業方法において、
事前に予熱した原料酸化鉄を直接還元炉に装入することを特徴とする予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法。
[２]前記[１]に記載の直接還元炉の操業方法において、
前記水素を主体とした還元ガスは、Ｈ_２が５０容量％以上であることを特徴とする予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法。
[３]前記[１]又は[２]に記載の直接還元炉の操業方法において、
前記事前に予熱した原料酸化鉄の温度が、１００℃以上、６２７℃以下であることを特徴とする予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法。

水素を主体としたガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式の直接還元炉において、下部での過剰な昇温と融着を抑制し、高い製品還元率を確保する予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法を提供することができる。

直接還元炉の操業を示す図。直接還元炉において、原料酸化鉄を事前に予熱する操業を示す図。送風中Ｈ_２と成品排出温度及び成品還元率の関係を示す図。直接還元炉のCase１（送風温度９００℃）の操業における炉内状況を示す図。直接還元炉のCase２（送風温度１０００℃）の操業における炉内状況を示す図。送風温度と成品排出温度及び成品還元率の関係を示す図。直接還元炉のCase４（送風温度９００℃、原料予熱４２７℃）の操業における炉内状況を示す図。装入温度と成品排出温度及び成品還元率の関係を示す図。

以下、本発明の実施形態を説明する。これは、シャフト炉方式の直接還元炉の還元について、「鉄鉱石還元用シャフト炉の数学的モデル（原行明他、鉄と鋼、６２（１９７６）、Ｐ．３１５）」により計算した結果に基づく。

前記鉄鉱石還元用シャフト炉の数学的モデルは、還元反応を多段逐次反応とし、１個粒子の還元に多界面未反応核モデルに基づく速度式を使い、原料酸化鉄、還元ガス及び送風等の条件に応じて、成品還元率及び成品排出温度等を計算するモデルである。

計算に使用する直接還元炉１０の操業を図１に示す。原料酸化鉄１は炉頂から直接還元炉１０に装入される。成品２は、炉下部から排出される。還元ガス３が炉下部から送風され、炉頂ガス４が炉頂から排出される。

直接還元炉１０において、原料酸化鉄１を事前に予熱する操業を図２に示す。原料酸化鉄１は原料予熱装置１１により、所定の温度に予熱された後、直接還元炉１０に装入される。

計算前提として、炉高４ｍ、炉径１００ｍｍの炉とし、送風ガス原単位を１６００Ｎｍ３／ｔ−ＤＲＩとした。ここで、ＤＲＩは成品（直接還元鉄）を示す。

原料の装入温度２７℃で、送風中のＣＯ_２を１０容量％一定とし、残りのＣＯとＨ_２を変化させた場合の成品還元率と成品排出温度の関係を図３に示す。横軸はＨ_２容量％で表示している。
ＣＯとＣＯ_２のみでは、反応が遅いため成品還元率が低い。Ｈ_２の増加に伴い、反応が促進され成品還元率が向上する。それに従い成品排出温度も上昇する。しかしＨ_２が過剰になると、吸熱反応による温度低下とそれに伴う反応の抑制により成品還元率の低下が生じる。その影響はＨ_２が５０％を越えるとともに急激に顕著となるため、Ｈ_２が５０％以上での吸熱反応による反応の停滞を防止するための手段が必要である。

Ｈ_２が５０％以上の水素を主体としたガスを使用した原料酸化鉄の還元の際に、吸熱反応による反応の停滞を防止するために、（１）送風温度を上昇させる手段と、（２）原料を予熱する手段を検討する。還元ガス組成をＣＯ：ＣＯ_２：Ｈ_２で２５：１０：６５とし、生産速度は、１０Ｋｇ−ＤＲＩ／ｈの一定条件とした。
装入温度が２７℃で、送風温度が９００、１０００，１１００℃のCase１、２、３及び送風温度９００℃で原料予熱４２７℃のCase４についての計算結果を表１に示す。

Case１（送風温度９００℃）では、成品還元率は６５．５％で、成品排出温度は、７３５℃であった。成品還元率は低い。
この場合の炉内状況を図４に示す。なお、図４及び後述する図５，７において、横軸の炉内位置は、０．０ｍが炉下部還元製品取出側を表し、４．０ｍが炉上部の原料投入側を表す。
炉上部では、主に、ヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）→マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）→ヴスタイト（ＦeＯ）の反応が進行するが、前記式（６）によるＨ_２による還元が、大幅な吸熱反応であるため、気体、固体の温度は共に低く、還元の進行は遅くなり、炉中間位置（炉高の高さ位置２ｍ）での固体温度は、４６０℃程度で、還元率は、１０％程度にとどまる。固体は、その後の炉内降下に伴い、還元が急速に進行するが、最終的な成品還元率は６５．５％にとどまっている。

Case２（送風温度１０００℃）では、Case１に対し送風温度を１００℃上昇させただけであり、その他の条件はCase１と同じである。成品還元率は８１．０％で、成品排出温度は７９９℃となり、成品還元率は向上するが、成品排出温度が高くなる。
この場合の炉内状況を図５に示す。炉下部からの熱増量であるため、炉上部の気体と固体の温度上昇は少なく、炉中間位置（炉高の高さ位置２ｍ）での固体温度は、４９０℃程度で、還元率は、１１％程度にとどまっている。炉下部からの熱増量により、炉下部での還元が急速に進行し、最終的な成品還元率は８１．０％に上昇するが、成品排出温度は７９９℃と高くなる。

Case３（送風温度１１００℃）では、Case１に対し送風温度を２００℃上昇させただけであり、その他の条件はCase１と同じである。成品還元率は９７．５％に向上するが、成品排出温度が８７５℃と高くなる。成品排出温度が８００℃以上では、成品（還元鉄）の融着が発生し、設備の閉塞が起こり、安定操業に重大な障害となる。
送風温度と成品排出温度及び成品還元率の関係を図６に示す。送風温度の上昇とともに還元率は改善するが成品排出温度も上昇している。成品還元率当りの成品排出温度の上昇は、４．３８℃／％であり、成品還元率に対する成品排出温度の上昇が大きく問題がある。

本発明のCase４（送風温度９００℃、原料予熱１００℃）では、Case１（送風温度９００℃）に対し、原料酸化鉄１は、原料予熱装置１１により、加熱された後、直接還元炉１０に装入される。その他は、Case１と同じである。原料温度を１００℃に上昇させることで、成品排出温度は７３８℃とほとんど上昇させることなく、成品還元率を６６．８％に高めることができた。

本発明のCase５（送風温度９００℃、原料予熱４２７℃）では、Case１（送風温度９００℃）に対し、原料酸化鉄１は、原料予熱装置１１により、加熱された後、直接還元炉１０に装入される。その他は、Case１と同じである。原料温度を４２７℃に上昇させることで、成品排出温度は、７６１℃であり融着することなく、成品還元率を８１．１％に高めることができた。
この場合の炉内状況を図７に示す。装入原料を予熱することによる炉上部への熱増量であるため、炉上部の固体温度が上昇する。炉中間位置（炉高の高さ位置２ｍ）での固体温度は、５６０℃程度に高まっており、還元率は、１６％程度に上昇している。その結果、最終的な成品還元率は８１．１％に上昇することができた。一方、炉上部からの熱増量であるため、成品排出温度への影響は少なく、７６１℃に止めることができる。

上述の検討の還元ガス組成はＣＯ：ＣＯ_２：Ｈ_２で２５：１０：６５であるが、装入温度上昇の還元率改善効果はＨ２／ＣＯの容量比率に限らず発現する。しかし、前述のようにＨ_２が５０容量％以上となると吸熱作用により還元ゾーンでの温度低下の影響が顕著となるため装入温度上昇の効果が顕著なものとなる。

装入温度と成品排出温度及び成品還元率の関係を図８に示す。装入温度の増大とともに還元率は改善する。還元率当りの成品排出温度は１．６４℃／%と昇温が抑制され、装入温度の上昇は、有効な手段である。装入温度上昇の還元率の改善効果は、図８に示すように常温を超えれば発現し、Case４に示したように１００℃で＋１．３％と明確になる。また、２００℃以上ではそれ未満と比較して改善効果が大きくなる。一方、装入温度が６２７℃を越えると、成品排出温度が８００℃以上になり、成品（還元鉄）の融着が発生する。よって、装入温度は、１００℃以上、６２７℃以下が好ましく、さらに、２００℃以上、６２７℃以下がより好ましい。

以上より、還元剤として、水素を主体としたガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式の直接還元炉においては、水素による原料酸化鉄の還元が吸熱反応であることから、炉上部が熱不足となり、高い成品還元率は得られない。これに対し、送風温度を上昇させると、炉下部への熱供給であることから、高い還元率の成品を得ることはできるが、成品排出温度が高く融着を引き起こすので、安定操業がえられない。一方、予熱原料の装入は、熱不足の炉上部に熱を供給することから、成品温度の上昇を抑制しつつ、成品還元率の向上を図ることができる。

水素を主体とした還元ガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式による直接還元炉の操業方法において、成品融着を抑制し、高い製品還元率を確保するために、予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法を利用することができる。

１…原料酸化鉄、２…成品、３…送風、４…炉頂ガス、１０…直接還元炉、１１…原料予熱装置。

Claims

水素を主体とした還元ガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式による直接還元炉の操業方法において、
事前に予熱した原料酸化鉄を直接還元炉に装入することを特徴とする予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法。
請求項1に記載の直接還元炉の操業方法において、
前記水素を主体とした還元ガスは、Ｈ_２が５０容量％以上であることを特徴とする予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法。
請求項１又は請求項２に記載の直接還元炉の操業方法において、
前記事前に予熱した原料酸化鉄の温度が、１００℃以上、６２７℃以下であることを特徴とする予熱原料を使用した直接還元炉の操業方法。