JP2013216929A - 還元鉄の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄鉱石を還元して得られる還元鉄を冷却するにあたって、還元ペレットの再酸化を抑制することが可能な冷却方法を提供する。
【解決手段】鉄鉱石を還元して得られる還元鉄をアンモニアを用いて冷却する、還元鉄の冷却方法であり、５００℃以上の前記還元鉄を、４５０℃未満に冷却する。還元ペレットＰ２の表面に窒化鉄の層を形成し、大気中の酸素による再酸化を抑制でき、ブリケット化を行うための成形機を要さないので、省設備化・省エネルギー化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、還元鉄の冷却方法に関する。

地球温暖化防止の観点から、製鉄業においても排出ＣＯ_２の抑制は重要なテーマである。ＣＯ_２排出量を大幅に削減するには、メタンが主成分である天然ガスを用いた還元鉄製造プロセス（直接還元法、いわゆる「ミドレックスプロセス」）が有用である（例えば、特許文献１、２を参照）。

従来の還元鉄製造プロセスを図５に基いて説明する。図５は、従来の還元鉄製造装置を概略的に示す模式図である。図５に示す還元鉄製造装置は、竪型炉１を有し、竪型炉１は還元帯１ａおよび冷却帯１ｂを、炉頂１ｃから炉低１ｄに向けて有する。炉頂１ｃには原料ペレットＰ１が投入される。原料ペレットＰ１は、数百ミクロンの粒子の集合体であり、１０ｍｍ程度の粒径を有する。炉頂１ｃに投入された原料ペレットＰ１は、還元帯１ａで還元された後、冷却帯１ｂで冷却され、炉底１ｄから還元ペレット（還元鉄）として排出される。

還元帯１ａには還元ガス改質器３が接続しており、還元ガス改質器３から一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）を含む還元ガスが導入される。還元帯１ａは、約１０００℃に加熱されており、導入された還元ガス（ＣＯ＋Ｈ_２）は還元帯１ａに充満し、炉頂１ｃに向けて上昇する。このような還元体１ａを通過する過程で、材料ペレットＰ１は還元され、高温の還元ペレットが得られる。なお、還元ガスによって還元される過程では、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）が生成する。

高温の還元ペレットは大気中で容易に酸化（再酸化）されてしまうため、冷却帯１ｂにおいて、再酸化が容易に起こらない温度まで低下させる必要がある。冷却帯１ｂには除塵散水設備４および冷却ガス圧縮機５が接続している。冷却帯１ｂにも上述した還元ガスが充満しているが、まず、除塵散水設備４によって還元ガス中のダスト４ａが除去されるとともに散水されて冷却されて冷却ガスとなり、冷却ガス圧縮機５によって冷却帯１ｂに吹き込まれる。還元帯１ａで還元された還元ペレットは、このような冷却帯１ｂを通過することにより、冷却される。

冷却帯１ｂで冷却された還元ペレットは、炉底１ｄから排出される。炉低１ｄの下流側には、圧縮ロールである成形機２が配置されている。炉底１ｄから排出された還元ペレットは、原料ペレットＰ１の粒径を維持しているが、成形機２によって圧縮されて、こぶし大程度の粒径を有する還元ブリケットＢに成形される。還元ブリケットＢにおいては、還元ペレットに比べて比表面積が小さいため、再酸化がさらに抑制される。

特公平２−４６６４４号公報 特公平２−４６６４５号公報

図５に基いて説明したように、従来の還元鉄製造装置においては、還元ペレットの再酸化を抑制するため、還元ペレットを冷却したうえで圧縮してブリケット化するが、熱せられた還元ガスを冷却して冷却ガスとするための設備が必要であるし、ブリケット化に用いる成形機の電力エネルギー消費も無視できるものではない。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、鉄鉱石を還元して得られる還元鉄を冷却するにあたって、省設備化・省エネルギー化を図ることを目的とする。

本発明者らが、上記目的を達成するために鋭意研究を行なった結果、還元鉄の冷却にアンモニア（ＮＨ_３）を用いることで、還元ガスの冷却や成形機の使用を抑えることができることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（３）を提供する。

（１）鉄鉱石を還元して得られる還元鉄をアンモニアを用いて冷却する、還元鉄の冷却方法。
（２）５００℃以上の上記還元鉄を冷却する、上記（１）に記載の還元鉄の冷却方法。
（３）上記還元鉄を４５０℃未満に冷却する、上記（１）または（２）に記載の還元鉄の冷却方法。

本発明によれば、鉄鉱石を還元して得られる還元鉄を冷却するにあたって、省設備化・省エネルギー化を図ることができる。

本実施の形態の還元鉄製造装置を概略的に示す模式図である。 冷却実験に用いた装置を概略的に示す模式図である。 Ｘ線回折装置による測定結果を示すグラフである。 冷却実験後の試料のＸ線回折装置による測定結果を示すグラフである。 従来の還元鉄製造装置を概略的に示す模式図である。

以下、本実施の形態について説明する。本実施の形態は、図１に示す還元鉄製造装置への適用例であり、直接還元法により得られる還元鉄を冷却する方法への適用例である。

図１は、本実施の形態の還元鉄製造装置を概略的に示す模式図である。なお、図５に基いて説明した還元鉄製造装置と同一の部分は同一の符号で示し、説明を省略する。
図１に示す還元鉄製造装置においては、冷却を行うための除塵散水設備４および冷却ガス圧縮機５、ならびに、ブリケット化を行うための成形機２が設けられていない（いずれも図５を参照）。

図１に示す還元鉄製造装置においては、還元ガスを冷却した冷却ガスを冷却帯１ｂに吹き込むのではなく、アンモニア（ＮＨ_３）を冷却帯１ｂに吹き込む。アンモニアは、通常、ハーバーボッシュ法と呼ばれる高温高圧環境下で行われる方法により合成生成され、液化状態で圧力容器によって輸送される。そのため、アンモニアを吹き込むにあたっては、昇圧設備を必要としない。

冷却帯１ｂに吹き込まれたアンモニア（ＮＨ_３）は、冷却帯１ｂを通過する高温の還元ペレットＰ２の熱によって、その大部分が分解され（２ＮＨ_３→Ｎ_２＋３Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）および水素（Ｈ_２）を与え、そのまま上流側の還元帯１ａへと上昇する。すなわち、還元ペレットＰ２の熱が、アンモニアの分解における吸熱反応に消費される。このように、還元ペレットＰ２の顕熱が化学エネルギーに変換される。
そのため、本実施の形態においては、従来（図５参照）のように還元ガスを竪型炉１の外に排出したうえで除塵および冷却して冷却ガスとして吹き込むことを要さず、また、従来と比較して、還元ペレットＰ２の顕熱を有効に利用することができる。

なお、本実施の形態においては、冷却帯１ｂでアンモニアによって冷却される還元ペレット２（鉄鉱石）の温度は、５００℃以上であるのが好ましく、７００℃以上であるのがより好ましい。

また、冷却帯１ｂにおいて、アンモニアが分解されるとともに、還元ペレットＰ２の表面に窒化鉄の層（窒化鉄層）を形成する。窒化鉄は、少なくともＦｅ_４Ｎを含む。
窒化鉄層が形成されるメカニズムは明らかではないが、アンモニア（ＮＨ_３）が分解されて窒素（Ｎ_２）を与える際に、一度、窒素原子（Ｎ）が生成され、これが還元ペレットＰ２の鉄原子（Ｆｅ）と結合するためと推測される。
窒化鉄層が表面に形成された還元ペレットＰ２は、大気中の酸素に触れても酸化されにくく、自然発火などの問題も起こりにくい。そのため、炉底１ｄから排出された後に、成形機２（図５参照）によるブリケット化を要さない。

本実施の形態においては、アンモニアによる冷却後の還元ペレット２（鉄鉱石）の温度は、４５０℃未満であるのが好ましく、４１０℃未満であるのがより好ましい。
冷却後の還元ペレット２の温度が高すぎると形成された窒化鉄（Ｆｅ_４Ｎ）が分解してしまう場合があるが、冷却後の温度が上記範囲であれば、窒化鉄が残存しやすく、より酸化されにくくなる。

次に、図１に示す還元鉄製造装置におけるガスの流れを説明する。まず、還元帯１ａにおける炉頂１ｃ寄りの位置から、ガスが排出され、除塵設備６にてダスト６ａが除去される。ここで、排出されるガス（以下、「炉頂ガス」ともいう）は、還元ガス改質器３から導入される還元ガスである「ＣＯ」および「Ｈ_２」を主成分とするが、さらに、この還元ガスと材料ペレットＰ１との反応により生成する「ＣＯ_２」および「Ｈ_２Ｏ」、ならびに、アンモニアが還元ペレットＰ２を冷却する際に生成する「Ｎ_２」および「Ｈ_２」を含む。

除塵設備６を経た炉頂ガスの一部は、天然ガス（ＣＨ_４）が添加されてカロリーアップされた後、還元ガス改質器３に至る。還元ガス改質器３は、天然ガス（ＣＨ_４）を水蒸気改質（ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２）するための触媒３ａを有している。還元ガス改質器３には、空気圧縮機８から空気が送り込まれており、この還元ガス改質器３に至った炉頂ガスは、燃焼されて触媒３ａを加熱する。燃焼した排ガスは、還元ガス予熱器９を通過して余熱で温めた後、煙突１０から排出される。

また、除塵設備６を経た炉頂ガスの別の一部は、まず、ガス圧縮機７によって圧縮された後、天然ガス（ＣＨ_４）および水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が添加され、温められている還元ガス予熱器９を経て予熱され、加熱された触媒３ａに至り、水蒸気改質が行われ、ＣＯおよびＨ_２を含む還元ガスとなって還元帯１ａに導入される。

以上説明したように本実施の形態によれば、鉄鉱石を還元して得られる還元鉄を冷却するにあたって、還元ガスを冷却して冷却ガスとして吹き込むための設備（図５に示した除塵散水設備４および冷却ガス圧縮機５を参照）や、ブリケット化を行うための設備（図５に示した成形機２を参照）が不要である。これにより、除塵散水設備４において、熱が大気中に無駄に放散されるという廃熱の問題も抑制されるし、何より、ブリケット化の際に必要なエネルギーを削減できる。すなわち、省設備化・省エネルギー化を図ることができる。

なお、本実施の形態の形態としては、ミドレックスプロセスの冷却への適用例を示したが、これに限定されることはなく、例えば、多段流動層を用いて粉鉱石を還元して生成した粉状還元鉄の冷却；ＦＩＮＭＥＴプロセスの冷却；等に適用してもよい。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
図２に示す装置を用いて、還元鉄の冷却実験を行った。図２は、冷却実験に用いた装置を概略的に示す模式図である。
まず、固定層型の反応管１１（アルバック理工社製）内に配置された石英ウール１２上に、層高が１ｃｍとなるように、試料として、赤鉄鉱であるヘマタイト試薬（純度９９％、粒径＜１μｍ）を約２７０ｍｇ充填した。

次に、反応管１１内の温度を測定するための熱電対１８が接続している温度調節器１９（アルバック理工社製；ＴＣＰ−１０００）を用いて赤外炉１７（アルバック理工社製；ＲＨＬ−Ｅ２１０）を制御し、反応管１１内を１０００℃に加熱し、質量流量調整器２０および停止弁１４を介して、一酸化炭素（ＣＯ）を２００ｍＬ／ｍｉｎで供給した。

還元に十分な時間（６０分間）を経過した後、加熱を停止し、流量調整器１３および停止弁１４を介して、雰囲気ガスを切り換え、アルゴン（Ａｒ）で１０体積％に希釈したアンモニア（ＮＨ_３）を２００ｍＬ／ｍｉｎで供給し、試料の冷却を行なった。このとき、コンピュータ１５に接続された質量分析計１６（ファイファーバキューム社製；Ｐｒｉｓｍａ ＱＭＳ２００）を用いて、反応管１１の内部がアンモニアに置換されたことを確認した。また、反応管１１の出口ガスは、吸収器２１でアンモニアをトラップしてから大気へ放出した。

反応管１１内を７００〜４５０℃の範囲で冷却した後、質量流量調整器２０および停止弁１４を介して、雰囲気ガスをアルゴンに切り換え、室温まで冷却した後、試料２１を取り出し粉砕して、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製；ＭｉｎｉＦｌｅｘ）による測定を行なった。結果を図３に示す。アンモニアを用いて冷却した試料２１においては、金属鉄（Ｆｅ）のピークのほか、５００℃以下まで冷却した場合に限り窒化鉄（Ｆｅ_４Ｎ）のピークも確認された。これは、アンモニアの冷却によって一度は窒化鉄が形成されても、６００℃以上の高温のもとでは分解されてしまったものと考えられる。

反応管１１内をさらに４００℃まで冷却させた後、質量流量調整器２０および停止弁１４を介して、雰囲気ガスをアルゴンに切り換え、室温まで冷却した後、試料２１を取り出し粉砕して、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製；ＭｉｎｉＦｌｅｘ）による測定を行なった。結果を図４（ａ）に示す。

図４（ａ）に示すように、アンモニアを用いて冷却した試料２１においては、金属鉄（Ｆｅ）のピークのほか、窒化鉄（Ｆｅ_４Ｎ）のピークも確認された。したがって、アンモニアにより冷却された試料２１は、還元鉄の表面が窒化鉄層で被覆されており、再酸化や水との反応が抑制され得る。

＜比較例１＞
実施例１では試料２１の冷却にアンモニアを使用したが、比較例１では、試料２１の冷却に窒素（Ｎ_２）を使用し、それ以外は、実施例１と同様にして冷却実験を行なった。室温まで冷却した試料２１を取り出し粉砕して、Ｘ線回折装置による測定を行なった結果を図４（ｂ）に示す。
図４（ｂ）に示すように、窒素を用いて冷却した試料２１においては、窒化鉄（Ｆｅ_４Ｎ）のピークは確認されず、金属鉄（Ｆｅ）のピークのみ確認された。したがって、窒素により冷却された試料２１は、大気中で酸化が進行したり、水に触れると発熱凝固したりするおそれが懸念され、製品としての取扱いが困難になる可能性がある。

１ 竪型炉
１ａ 還元帯
１ｂ 冷却帯
１ｃ 炉頂
１ｄ 炉底
２ 成形機
３ 還元ガス改質器
３ａ 触媒
４ 除塵散水設備
４ａ ダスト
５ 冷却ガス圧縮機
６ 除塵設備
６ａ ダスト
７ ガス圧縮機
８ 空気圧縮機
９ 還元ガス予熱器
１０ 煙突
１１ 反応管
１２ 石英ウール
１３ 流量調整器
１４ 停止弁
１５ コンピュータ
１６ 質量分析計
１７ 赤外炉
１８ 熱電対
１９ 温度調節器
２０ 質量流量調整器
２１ 試料
Ｐ１ 原料ペレット
Ｐ２ 還元ペレット
Ｂ 還元ブリケット

Claims (3)

1. 鉄鉱石を還元して得られる還元鉄をアンモニアを用いて冷却する、還元鉄の冷却方法。
2. ５００℃以上の前記還元鉄を冷却する、請求項１に記載の還元鉄の冷却方法。
3. 前記還元鉄を４５０℃未満に冷却する、請求項１または２に記載の還元鉄の冷却方法。

Images