JP2015227496A - 直接還元鉄の製造設備、及び直接還元鉄の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コークス炉ガスよりも窒素濃度が高い燃料ガスを有効に利用することによって、直接還元鉄の製造に用いるコークス炉ガスの使用量を低減することが可能な直接還元鉄の製造設備を提供すること。【解決手段】直接還元炉３０で酸化鉄を含む原料３２と一酸化炭素及び水素を含む還元性ガスとを接触させて酸化鉄を直接還元する直接還元鉄の製造設備１００であって、直接還元炉３０からの排出ガスを処理して得られる循環ガスを含む還元性ガスを、直接還元炉３０に導入する循環部２０と、一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを精製して得られる、燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度を有する供給ガスを、循環部２０に供給するガス供給部１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、直接還元鉄の製造設備、及び直接還元鉄の製造方法に関する。

鉄鉱石に含まれる酸化鉄を、直接還元炉中で、一酸化炭素又は水素などの還元性ガスと接触させて還元し、直接還元鉄を製造する方法が知られている。このような方法に用いられる還元性ガスの原料としては、製鉄所で発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）が用いられる。

ところで、製鉄所で得られる燃料ガスのうち、コークス炉ガスは、高い熱量を有することから、直接還元鉄の製造以外に、製鉄所内で鋼片の加熱などの熱源として有効利用されており、余剰量が少ないのが通常である。一方、製鉄所で得られる燃料ガスとしては、コークス炉ガスの他に転炉ガス（ＢＯＦＧ）がある。この転炉ガスは、コークス炉ガスに比べて二酸化炭素及び窒素の濃度が高く熱量が低いため、コークス炉ガスよりも用途が限定される。特許文献１に示されているとおり、コークス炉ガスの二酸化炭素濃度及び窒素濃度は、それぞれ、１〜２％及び３〜７％であるのに対し、転炉ガスの二酸化炭素濃度及び窒素濃度は、それぞれ、１３〜１８％及び１１〜２０％である。

このような事情の下、特許文献１では、転炉ガスを直接還元炉に供給される還元性ガスの原料として用いることが提案されている。この特許文献１では、転炉ガスに対するコークス炉ガスの混合比を０．９５〜１．２５にして、燃料ガス成分を設備の外部に放出することなく、直接還元鉄を製造することが提案されている。

米国特許第８４９６７３０号明細書

上述のとおり、コークス炉ガス（ＣＯＧ）は、製鉄所で得られる他の燃料ガスよりも高い熱量を有する。このため、直接還元鉄の製造において、供給ガスとして用いられているコーク炉ガスをコークス炉ガスよりも低い熱量を有する他の燃料ガスに代替することができれば、コークス炉ガスを他の用途に有効利用することができる。他の燃料ガスとしては、転炉ガス（ＢＯＦＧ）及び高炉ガス（ＢＦＧ）が挙げられる。しかしながら、これらは窒素濃度が高いことから、供給量を増やした場合に、直接還元炉の循環部の窒素濃度が上昇し、直接還元炉の排出ガスを循環して使用することが困難となって、排出ガスを外部に放出することが必要となる。

例えば、供給ガスの窒素濃度が１０体積％を超えると、排出ガス中の窒素濃度が２０体積％を超え、その結果、循環部を流通するガス中の窒素濃度が上昇して酸化鉄を十分に還元することが困難になる。一方、供給ガスの窒素濃度が例えば６体積％を下回ると、排出ガス中の窒素濃度を１２体積％未満にすることもできる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、コークス炉ガスよりも窒素濃度が高い燃料ガスを有効に利用することによって、直接還元鉄の製造に用いるコークス炉ガスの使用量を低減することが可能な直接還元鉄の製造設備を提供することを目的とする。また、コークス炉ガスよりも窒素濃度が高い燃料ガスを有効に利用することによって、直接還元鉄の製造に用いるコークス炉ガスの使用量を低減することが可能な直接還元鉄の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、直接還元炉で酸化鉄を含む原料と一酸化炭素及び水素を含む還元性ガスとを接触させて前記酸化鉄を直接還元する直接還元鉄の製造設備であって、直接還元炉からの排出ガスを処理して得られる循環ガスを含む還元性ガスを、直接還元炉に導入する循環部と、一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを精製して得られる、燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度を有する供給ガスを、循環部に供給するガス供給部と、を備える直接還元鉄の製造設備を提供する。

上記本発明によれば、ガス供給部において、高い窒素濃度を有する燃料ガスを精製して、燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度を有する供給ガスを調製し、該供給ガスを循環部に供給している。このため、燃料ガスとして、コークス炉ガスよりも高い窒素濃度を有する燃料ガスを用いても、排出ガス及び循環ガス中の窒素濃度の増加を抑制することができる。したがって、直接還元鉄の製造設備の外部への排出ガスの放出量を十分に低減することが可能となる。このように、本発明の直接還元鉄の製造設備によれば、窒素濃度が高い燃料ガスを有効に利用して、コークス炉ガスの使用量を低減することができる。

幾つかの実施形態において、上記供給ガスの窒素濃度は１０体積％以下であってもよく、好ましくは６体積％以下であってもよい。このような窒素濃度であれば、排出ガス及び還元性ガス中の窒素濃度を一層低減することができる。したがって、直接還元炉からの排出ガスの放出を停止して、燃料ガスのより一層の有効利用を図ることができる。

幾つかの実施形態において、上記循環部は、還元性ガスを加熱する加熱装置を備えており、ガス供給部から排出される、窒素と、水素及び／又は一酸化炭素とを含むガスを加熱装置で燃焼させてもよい。これによって、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを、効率的に使用することができる。

幾つかの実施形態において、ガス供給部は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を吸着及び脱着するガス精製装置を有し、主成分として一酸化炭素及び二酸化炭素を含有する供給ガスを循環部に供給するように構成されていてもよい。このように、燃料ガスに含まれる一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を吸着及び脱着する精製部を有することによって、設備をコンパクトにすることができる。循環部は、脱ＣＯ_２装置を備え、脱ＣＯ_２装置の上流側で供給ガスと排出ガスとを合流させて脱ＣＯ_２装置に供給することによって、還元性ガス中のＣＯ_２濃度を低減してもよい。

幾つかの実施形態において、ガス供給部は、燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸着又は吸収する第１ガス精製装置と、第１ガス精製装置からのガスに含まれる一酸化炭素を吸着及び脱着する第２ガス精製装置とを有し、主成分として一酸化炭素を含有する供給ガスを循環部に供給するように構成されていてもよい。このようなガス精製装置を有することによって、供給ガスにおける一酸化炭素と二酸化炭素の濃度を柔軟に調整することができる。

幾つかの実施形態において、循環部は、シフト反応器を備え、シフト反応器の上流側で供給ガスと排出ガスとを合流させてシフト反応器に供給し、水性ガスシフト反応によって供給ガス及び排出ガスよりも高い水素濃度を有する循環ガスを調製してもよい。このようにシフト反応器を備えることによって、還元性ガス中の水素濃度を高くすることができる。水素は一酸化炭素よりも、分子のサイズが小さいため、容易に鉄鉱石の内部まで浸透することができる。したがって、還元性ガスにおける水素濃度を高くすることは、直接還元炉における還元反応の反応速度を向上させるうえで有効である。また、シフト反応器よりも上流側で供給ガスと排出ガスとを合流させて、排出ガスと供給ガスの両方をシフト反応器に供給して還元性ガスを調製することによって、還元性ガスの水素濃度を一層高くすることができる。

幾つかの実施形態において、循環部は、直接還元炉とシフト反応器の間に、排出ガス及び供給ガスの少なくとも一方の温度及び湿度を調整する調整部を備えていてもよい。これによって、シフト反応器におけるシフト反応を高い反応効率で進行させることができる。

幾つかの実施形態において、上記調整部は、湿式集塵機と、湿式集塵機の入口側のガスと出口側のガスとを熱交換する自己熱交換型熱交換器と、を備えていてもよい。これによって、排出ガス及び供給ガスの集塵を行いつつ、これらのガスの温度及び湿度を、シフト反応に適した条件に調整することができる。したがって、シフト反応器の運転を、高効率で安定的に行うことができる。

幾つかの実施形態において、上記調整部は、上流側から、排出ガスを冷却して加湿する散水冷却塔と乾式集塵機とを備えていてもよい。これによって、排出ガス温度及び湿度を、シフト反応に適した条件に調整することができる。また、簡便な設備で排出ガスの集塵を行うことができる。したがって、シフト反応器の運転を、高効率で安定的に行うことができる。

本発明はまた、直接還元炉で酸化鉄を含む原料と一酸化炭素及び水素を含む還元性ガスとを接触させて酸化鉄を直接還元する直接還元鉄の製造方法であって、直接還元炉からの排出ガスを処理して得られる循環ガスを含む還元性ガスを、直接還元炉に導入する循環工程と、一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを精製して、燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度とを有する供給ガスを、循環ガスに合流させる供給工程と、を有する、直接還元鉄の製造方法を提供する。

上記本発明によれば、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを精製して、燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度を有する供給ガスを調製し、該供給ガスを循環ガスに合流させている。このため、燃料ガスとして、コークス炉ガスよりも高い窒素濃度を有する燃料ガスを用いても、排出ガス及び還元性ガス中の窒素濃度の増加を抑制することができる。したがって、直接還元鉄の製造設備の外部への放出される排出ガスの量を十分に低減することが可能となる。このように、本発明の直接還元鉄の製造方法によれば、窒素濃度が高い燃料ガスを有効に利用して、コークス炉ガスの使用量を低減することができる。

幾つかの実施形態において、供給ガスの窒素濃度は６体積％以下であってもよい。これによって、排出ガス及び還元性ガス中の窒素濃度の増加を十分に抑制することができる。したがって、直接還元炉からの排出ガスの放出を停止して、燃料ガスのより一層の有効利用を図ることができる。

幾つかの実施形態では、供給工程の燃料ガスの精製によって得られる、燃料ガスよりも高い窒素濃度を有し、水素及び／又は一酸化炭素を含むガスを、還元性ガスを加熱する加熱装置で燃焼させてもよい。これによって、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを効率的に使用することができる。

幾つかの実施形態において、供給工程では、燃料ガスに含まれる一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を吸着及び脱着して、主成分として一酸化炭素及び二酸化炭素を含有する供給ガスを得てもよい。このように、燃料ガスに含まれる一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を吸着及び脱着する精製部を有することによって、設備をコンパクトにすることができる。

幾つかの実施形態において、供給工程では、燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸着又は吸収して除去した後、二酸化炭素を除去したガスに含まれる一酸化炭素を吸着及び脱着して、主成分として一酸化炭素を含有する供給ガスを得てもよい。このような方法によって、一酸化炭素と二酸化炭素の濃度を柔軟に調整することができる。

幾つかの実施形態において、供給工程では、供給ガスを循環ガスに合流させた後、水性ガスシフト反応によって供給ガス及び排出ガスよりも高い水素濃度を有する還元性ガスを得てもよい。これによって、還元性ガスの水素濃度を一層高くすることができる。幾つかの実施形態において、水性ガスシフト反応の前に、排出ガス及び供給ガスの少なくとも一方の温度及び湿度を調整してもよい。これによって、シフト反応器におけるシフト反応を高い反応効率で進行させることができる。

本発明によれば、コークス炉ガスよりも窒素濃度が高い燃料ガスを有効に利用することによって、直接還元鉄の製造に用いるコークス炉ガスの使用量を低減することが可能な直接還元鉄の製造設備を提供することができる。また、コークス炉ガスよりも窒素濃度が高い燃料ガスを有効に利用することによって、直接還元鉄の製造に用いるコークス炉ガスの使用量を低減することが可能な直接還元鉄の製造方法を提供することができる。

本発明の直接還元鉄の製造設備の一実施形態を示す概略図である。 本発明の直接還元鉄の製造設備の別の実施形態を示す概略図である。 本発明の直接還元鉄の製造設備のさらに別の実施形態を示す概略図である。 本発明の直接還元鉄の製造設備のさらに別の実施形態を示す概略図である。 本発明の直接還元鉄の製造設備に備えられるガス精製装置の一例を示す概略図である。 本発明の直接還元鉄の製造設備に備えられるガス精製装置の別の例を示す概略図である。 本発明の直接還元鉄の製造設備に備えられるガス精製装置のさらに別の例を示す概略図である。

本発明の好適な実施形態を、場合により図面を参照しながら、以下に説明する。なお、各図面において、同一または同等の要素には同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態における直接還元鉄の製造設備１００の概略図である。本実施形態の直接還元鉄の製造設備１００は、コークス炉ガスとは異なる燃料ガス、及びコークス炉ガスを供給するガス供給部１０と、酸化鉄を含む原料と還元性ガスとを接触させて酸化鉄を直接還元する直接還元炉３０と、直接還元炉３０から排出される排出ガスを処理して得られる還元性ガスを循環して直接還元炉３０に導入する循環部２０とを具備する。

ガス供給部１０は、一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び窒素を含み、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスと、コークス炉ガスとを別々に循環部２０に供給可能なように構成されている。燃料ガスにおける窒素濃度は、例えば１０〜６０体積％であってもよい。このような燃料ガスとしては、例えば、転炉ガス（ＢＯＦＧ）、高炉ガス（ＢＦＧ）及びこれらの混合ガスが挙げられる。燃料ガスは、上述の成分以外に、例えば、水素、メタンなどの炭化水素、及び水を含んでいてもよい。燃料ガスの組成は、例えば、窒素を１０〜６０体積％、一酸化炭素を２０〜８０体積％、二酸化炭素を５〜３０体積％、水素を０〜１０体積％、メタンを０〜５体積％、水を０〜５体積％含む。なお、本明細書におけるガスの体積％、及び体積比は、全て標準状態（０℃、１気圧）基準の値である。

ガス供給部１０の燃料ガスは、配管などで構成されるガス流路１１を流通してガス精製装置１２に導入される。ガス精製装置１２としては、例えば、一酸化炭素及び／又は二酸化炭素を、吸着剤を用いて吸着する圧力スイング吸着装置、及び、吸収液としてアミンなどのアルカリ性水溶液を用いて、二酸化炭素を選択的に吸収する吸収塔などが挙げられる。ガス精製装置１２は、一つ以上の圧力スイング吸着装置、及び／又は、一つ以上の吸収塔を備えていてもよい。例えば、複数の圧力スイング吸着装置を直列に配置して、燃料ガスを順次精製してもよい。この場合、複数の圧力スイング吸着装置は、互いに異なる吸着剤を備えていてもよい。

吸着剤及び吸収液は、公知のものを使用することが可能である。例えば、吸着剤としては、活性炭、ゼオライト、シリカゲル、及びセリウム酸化物などの多孔質吸着体が挙げられる。吸収液としては、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）及びＭＤＥＡ（メチルジエタノールアミン）などの有機系アルカリ性吸収液が挙げられる。ただし、吸着剤及び吸収液は上述のものに限定されず、他の吸着剤及び吸収液を用いてもよいことはいうまでもない。

燃料ガスは、ガス精製装置１２において、高い窒素濃度を有する第１のガスと、第１のガスよりも低い窒素濃度を有し、且つ高い一酸化炭素濃度を有する第２のガスとに分離される。第１のガスは、窒素を主成分とするものであることから、ガス流路１４から外部に放出してもよい。一方、第２のガスは、ガス圧縮機１５で約０．４ＭＰａに昇圧された後、ガス流路１６を流通して、供給ガスとして循環部２０に導入される。ガス流路１６は、循環部２０の脱ＣＯ_２装置２８の上流側に接続されている。したがって、第２のガス（供給ガス）は、接続部で循環部２０を循環する循環ガスと合流した後、脱ＣＯ_２装置２８に導入される。脱ＣＯ_２装置２８では、循環ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部が除去される。このように、供給ガスを、脱ＣＯ_２装置２８の上流側に導入する構成としていることから、供給ガスは、相当量の二酸化炭素を含んでいてもよい。例えば、供給ガスの二酸化炭素濃度は１０体積％を超えていてもよく、例えば１１〜２５体積％であってもよい。

ガス流路１１には、燃料ガスの一部を加熱装置２９で燃焼できるように、ガス流路１７が接続されている。燃料ガスの一部は、ガス流路１７を流通させて、加熱装置２９で熱源として燃焼させてもよい。

コークス炉ガスは、燃料ガスとは別系統で、ガス供給部１０から循環部２０に導入される。コークス炉ガスは、ガス供給部１０のガス流路４０を流通してガス圧縮機４２に導入される。コークス炉ガスは、ガス圧縮機４２で約０．７ＭＰａに昇圧された後、ガス流路４４を流通して、循環部２０に導入される。コークス炉ガスの二酸化炭素濃度は、通常１〜２体積％であり、燃料ガスよりも低い。このため、ガス流路４４は循環部２０の脱ＣＯ_２装置の下流側に連結されている。したがって、コークス炉ガスは、二酸化炭素が十分に低減された循環ガス（還元性ガス）と合流する。

本実施形態では、ガス供給部１０にガス精製装置１２を有していることから、燃料ガスの供給比率を十分に高くすることができる。コークス炉ガスと燃料ガスの合計に対する燃料ガスの比率は、低位発熱量基準で、例えば、４０％以上にすることが可能であり、６０％以上又は８０％以上にすることも可能である。

循環部２０は、直接還元炉３０の炉頂から排出される排出ガスを処理して循環ガスとし、該循環ガスに供給ガスを合流させて得られる還元性ガスを直接還元炉３０に導入する。排出ガスは、二酸化炭素、一酸化炭素、水素及び水を含んでおり、還元性を有する一酸化炭素及び水素が含まれている。したがって、循環部２０は、排出ガスを処理して、還元に寄与しない二酸化炭素及び水などの成分を低減又は除去し、還元に寄与する成分を還元性ガスとして再利用することを可能にしている。

直接還元炉３０から排出される排出ガスは、ガス流路２２を経由して熱交換器２３に導入される。この排出ガスは、酸化鉄の還元によって生じた二酸化炭素及び水、並びに、還元性ガスに由来する未反応の一酸化炭素及び水素を含有する。直接還元炉３０の出口における排出ガスの温度は、例えば３００〜５００℃である。この排出ガスは、熱交換器２３によって、例えば２００〜３５０℃に冷却される。熱交換器２３の下流側には、乾式集塵機２４が設けられる。乾式集塵機２４としては、電気集塵機やセラミックフィルターなどを用いることができる。この乾式集塵機２４によって、排出ガスに含まれる固形分が除塵される。なお、乾式集塵機２４の代わりに湿式集塵機（ベンチュリスクラバー）を設けてもよい。

乾式集塵機２４の下流側にはガス冷却装置２６、ガス圧縮機２７及び脱ＣＯ_２装置２８がこの順で設けられている。ガス冷却装置２６では、排出ガスを冷却して排出ガスに含まれる水分を除去する。ガス冷却装置２６及びガス圧縮機２７によって、排出ガスの圧力及び温度を、脱ＣＯ_２装置２８での処理に適した範囲に調整する。

ガス冷却装置２６とガス圧縮機２７との間のガス流路には、供給ガス（第２のガス）を供給するガス流路１６が接続されている。これによって、供給ガスは循環ガスと合流して、循環部２０を流通する。なお、供給ガスと排出ガスとの合流位置よりも上流側には、ガス流路１８が接続されていてもよい。このガス流路１８は、加熱装置２９の燃料用のガス流路１７に接続されている。このガス流路１８を用いて、排出ガスの一部を加熱装置２９で燃焼させてもよい。窒素を含む排出ガスの一部を循環部２０の外部に排出して加熱装置２９の燃料として消費することによって、循環部２０を流通する循環ガスの窒素濃度の上昇を抑制することができる。

脱ＣＯ_２装置２８としては、気液接触によって二酸化炭素を除去する通常の二酸化炭素除去用の設備を用いることができる。このような設備で用いる吸収液としては、例えばＭＥＡ（モノエタノールアミン）及びＭＤＥＡ（メチルジエタノールアミン）などの有機系アルカリ性吸収液を用いることができる。この場合、脱ＣＯ_２装置２８の入口におけるガスの温度は、例えば４０℃前後である。

脱ＣＯ_２装置２８の下流側には、ガス流路４４が接続されている。コークス炉ガスは、このガス流路４４を流通して循環部２０に供給され、脱ＣＯ_２装置２８によって二酸化炭素が除去されたガス（循環ガス）と合流する。コークス炉ガスは、通常、低い二酸化濃度を有する。このため、本実施形態のように、脱ＣＯ_２装置２８の下流側に合流させることができる。

循環ガスは、コークス炉ガスと合流した後、加熱装置２９で、例えば８００〜１１００℃に加熱される。加熱装置２９としては、燃焼器と高温熱交換器とを組み合わせた加熱装置を用いることができる。循環ガスに、供給ガス及びコークス炉ガスを合流させて得られる還元性ガスは、加熱装置２９で加熱された後、直接還元炉３０に導入される。

直接還元炉３０に導入される還元性ガスの温度は、直接還元炉３０への供給時において、好ましくは８００〜１１００℃であり、より好ましくは８５０〜１０５０℃である。このような温度範囲とすることによって、直接還元炉３０での還元反応を一層円滑に進行させることができる。

直接還元炉３０には、ホッパから切り出された鉄鉱石などの原料３２（鉄の含有率：６０〜７０質量％）が、直接還元炉３０に連結された装入管を経由して供給される。原料３２は、直接還元炉３０において、７５０〜１０５０℃に加熱されつつ還元性ガスと接触する。これによって、酸化鉄は還元されて直接還元鉄が得られる。このようにして得られた直接還元鉄３４は、直接還元炉３０の底部から排出される。直接還元鉄３４の鉄の含有率は、例えば、８０〜９５質量％である。

直接還元鉄の製造設備１００は、燃料ガスを精製して得られる、燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度を有する供給ガスを、直接還元炉３０に導入される還元性ガス又はその原料として用いている。このように、直接還元鉄の製造設備１００は、燃料ガスを有効に利用することによって、コークス炉ガスの使用量を低減することができる。

図２は、別の実施形態である直接還元鉄の製造設備１０１の概略図である。直接還元鉄の製造設備１０１は、ガス精製装置１２で燃料ガスを精製して得られる供給ガス（第２のガス）のガス流路１６の接続位置が、直接還元鉄の製造設備１００と相違する。すなわち、直接還元鉄の製造設備１０１では、ガス流路１６が、循環部２０の脱ＣＯ_２装置２８と加熱装置２９との間のガス流路２１に接続されている。このように、脱ＣＯ_２装置２８の下流側において、供給ガスを循環ガスに合流させることによって、脱ＣＯ_２装置２８の処理量を小さくすることができる。

直接還元鉄の製造設備１０１では、供給ガスが、脱ＣＯ_２装置２８で処理されることなく循環部２０から直接還元炉３０に導入される。このため、ガス精製装置１２において燃料ガスの二酸化炭素濃度を低減して、供給ガスの二酸化炭素濃度を低くすることが好ましい。ガス精製装置１２として、例えば、一酸化炭素及び二酸化炭素を、吸着剤を用いて吸着する圧力スイング吸着装置、又は、吸収液として、例えばＭＥＡ（モノエタノールアミン）及びＭＤＥＡ（メチルジエタノールアミン）などの有機系アルカリ性吸収液を用いて、二酸化炭素を選択的に吸収する吸収塔などを有することが好ましい。吸着剤及び吸収液は、公知のものを使用することが可能である。

直接還元鉄の製造設備１０１は、ガス精製装置１２で得られる、第２のガスよりも高い窒素濃度を有する第１のガスの供給先も、直接還元鉄の製造設備１００と相違する。すなわち、直接還元鉄の製造設備１０１では、第１のガスを搬送するガス流路１４が、加熱装置２９に燃料を供給するガス流路１７に接続されている。ガス精製装置１２で、第２のガスに含まれる二酸化炭素濃度を低減すると、第１のガスに含まれる一酸化炭素濃度が高くなる傾向にある。このため、第１のガスを加熱装置２９の燃料として利用可能な構成とすることによって、一酸化炭素を含有する第１のガスを有効に利することができる。直接還元鉄の製造設備１０１の上記以外の構成は、直接還元鉄の製造設備１００と同様である。

直接還元鉄の製造設備１０１では、第２のガスのガス流路１６を、コークス炉ガスのガス流路４４よりも循環部２０の上流側に接続しているが、このような構成に限定されない。別の幾つかの実施形態では、第２のガスとコークス炉ガスと合流させた後に、循環部２０を流通する循環ガスに合流するように構成されていてもよく、コークス炉ガスの方が第２のガスよりも上流側で循環ガスに合流してもよい。

図３は、さらに別の実施形態である直接還元鉄の製造設備１０２の概略図である。直接還元鉄の製造設備１０２は、直接還元炉３０から排出された排出ガスを冷却する熱交換器２３Ｂを備える。ここで、排出ガスは、ガス圧縮機２７から出てきた排出ガスと熱交換して、例えば２００〜３５０℃に冷却される。熱交換器２３Ｂは、シフト反応器２５におけるシフト反応に適した温度に調整する観点から、図３に示すように自己熱交換型熱交換器であることが好ましい。

直接還元鉄の製造設備１０２では、ガス精製装置１２で燃料ガスを精製して得られる供給ガス（第２のガス）のガス流路１６の接続位置が、直接還元鉄の製造設備１００及び１０１と相違する。すなわち、直接還元鉄の製造設備１０２では、ガス流路１６は、循環部２０のガス圧縮機２７と熱交換器２３Ｂの間のガス流路に接続されている。

直接還元鉄の製造設備１０２は、湿式集塵機２４Ｂを備える。熱交換器２３Ｂで冷却された排出ガスは、湿式集塵機２４Ｂに導入される。湿式集塵機２４Ｂには、湿式集塵機２４Ｂに水を供給する水供給部６２と、湿式集塵機２４Ｂからダストを含む水を排出する水排出部６４が接続されている。

湿式集塵機２４Ｂでダストが除去された排出ガスは、ガス圧縮機２７に導入される。この排出ガスは、湿式集塵機２４Ｂでダストが除去されるとともに加湿される。ガス流路２２における排出ガスの水分（体積％）は、２０％弱であるのに対し、湿式集塵機２４Ｂの出口における水分（体積％）は、２０〜３０％である。このように、排出ガスは、シフト反応器２５に導入される際に相当量の水分を含んでいることから、後述するシフト反応を十分に進行させることができる。

排出ガスは、ガス圧縮機２７で、例えば約０．６から約０．９ＭＰａに昇圧された後、熱交換器２３Ｂに導入されて、直接還元炉３０から排出された排出ガスと熱交換する。熱交換によって、ガス圧縮機２７で昇圧された排出ガスは、例えば２００〜３５０℃に昇温される。すなわち、排出ガスは、熱交換器２３Ｂ、及び湿式集塵機２４Ｂによって、シフト反応器２５での処理に適した温度及び湿度に調整される。すなわち、熱交換器２３Ｂ、及び湿式集塵機２４Ｂは、排出ガスの調整部５０を構成する。このような調整部５０を備えるため、外部から水蒸気を注入したり、熱源を供給したりしなくても、水性ガスシフト反応を十分に進行させることができる。なお、排出ガスはガス圧縮機２７で昇圧されていることから、直接還元鉄の製造設備１０１のように、ガス冷却装置２６と脱ＣＯ_２装置２８との間にガス圧縮機を設ける必要はない。

熱交換器２３Ｂの下流側には、シフト反応器２５が設けられる。シフト反応器２５入口におけるガスの含塵濃度は、好ましくは５ｍｇ／ｍ^３以下である。シフト反応器２５では、触媒により、下記式（１）で示す水性ガスシフト反応が進行する。これによって、排出ガスに含まれる一酸化炭素及び水から、二酸化炭素及び水素が生成する。この反応によって、ガス中の一酸化炭素に対する水素の体積比を高めることができる。具体的には、シフト反応器２５に導入される前の排出ガスの一酸化炭素に対する水素の体積比は約１であるのに対し、水性ガスシフト反応によって得られる、シフト反応器２５の出口における反応ガスの一酸化炭素に対する水素の体積比は、１以上とすることが可能であり、例えば３〜６とすることも可能である。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ （１）

シフト反応器２５で得られる反応ガスは、直接還元炉３０内の還元反応及び水性ガスシフト反応によって生じる二酸化炭素を含有する。このため、反応ガスの二酸化炭素濃度は、排出ガスの二酸化炭素濃度よりも高くなる。反応ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部は、シフト反応器２５の下流側に設けられる脱ＣＯ_２装置２８で除去される。このようにシフト反応器２５の下流側に二酸化炭素を除去する脱ＣＯ_２装置２８を設けていることから、効率的に二酸化炭素を除去することができる。

直接還元鉄の製造設備１０２は、ガス供給部１０にガス精製装置１２を備えるとともに、循環部２０にシフト反応器２５を備えることから、通常、高い水素濃度を有するコークス炉ガスを一層低減して、転炉ガス又は高炉ガスのような窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスの使用比率を十分に高くすることができる。コークス炉ガスを全く使用せず、転炉ガス又は高炉ガスのような燃料ガスのみで操業することも可能である。

コークス炉ガスとは異なる燃料ガスのみで操業しても、原料３２の還元反応を十分に速く進行させることができる。還元性ガスの水素濃度は、還元反応を十分に速く進行させる観点から、好ましくは４０体積％以上であり、より好ましくは４５体積％以上である。同様の観点から、還元性ガスにおける一酸化炭素に対する水素の体積比は、好ましくは１以上である。

湿式集塵機２４Ｂ及びガス圧縮機２７の間と、加熱装置２９の燃料ガス用のガス流路１７とを接続するガス流路１９を設けてもよい。これによって、排出ガスの一部を抜き出して、加熱装置２９で燃料ガスとして燃焼させることができる。直接還元鉄の製造設備１０２の上記以外の構成は、直接還元鉄の製造設備１００と同様である。なお、第２のガス（供給ガス）のガス流路１６は、直接還元鉄の製造設備１０１と同様に、循環部２０の脱ＣＯ_２装置２８と加熱装置２９との間のガス流路２１に接続してもよい。

図４は、さらに別の実施形態である直接還元鉄の製造設備１０３の概略図である。直接還元鉄の製造設備１０３は、直接還元炉３０から排出された排出ガスを冷却する散水冷却塔２３Ａを備える。ここで、排出ガスは、散水冷却塔２３Ａにおいて、例えば温度２００〜３５０℃に冷却されるとともに、２０〜３０％の水分濃度（体積％）に加湿される。このように、散水冷却塔２３Ａは、下流側にあるシフト反応器２５での処理に適した温度及び湿度に調整される。すなわち、散水冷却塔２３Ａは、排出ガスの調整部５１を構成する。

散水冷却塔２３Ａの下流側には、乾式集塵機２４が設けられる。これによって、下流側にあるシフト反応器２５を長期間安定して運転することが可能となる。

乾式集塵機２４の下流側には、シフト反応器２５が設けられる。シフト反応器２５では、直接還元鉄の製造設備１０２において説明したとおり、上記式（１）で示す水性ガスシフト反応が進行する。直接還元鉄の製造設備１０３では、シフト反応器２５の上流側において、ガス精製装置１２で得られる供給ガス（第２のガス）のガス流路１６が接続されている。このように、供給ガスを、シフト反応器２５の上流側で排出ガスと合流させることによって、供給ガス中に含まれる一酸化炭素及び水もシフト反応によって二酸化炭素と水素にすることができる。これによって、直接還元炉３０に供給される還元性ガスにおける水素濃度を十分に高くすることができる。

供給ガスと排出ガスの合流位置よりも上流側に、排出ガスを加熱装置２９の燃料として利用することが可能なようにガス流路１８Ａが設けられている。これによって、排出ガスの組成に応じて、排出ガスの一部を加熱装置２９の燃料として用いることができる。直接還元鉄の製造設備１０３の上記以外の構成は、直接還元鉄の製造設備１００と同様である。

次に、上述の各直接還元鉄の製造設備に備えられるガス精製装置の例を以下に説明する。図５は、ガス精製装置１２の一例を示す概略図である。ガス精製装置１２は、一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を、吸着剤を用いて吸着する圧力スイング吸着装置１２Ａである。一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスは、ガス流路１１からブロア１３Ａによって、圧力スイング吸着装置１２Ａに供給される。圧力スイング吸着装置１２Ａは、一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を一つの装置で吸着すること、すなわち１段階で吸着することができるように構成されている。このため、一酸化炭素及び二酸化炭素を個別に吸着する装置、すなわち２段階で吸着する装置に比べて、コンパクトにすることができる。

圧力スイング吸着装置１２Ａで得られる一酸化炭素及び二酸化炭素を主成分とする低Ｎ_２ガスは、真空ポンプ１３Ｃによって例えば図１のガス圧縮機１５に搬送される。このガスは、供給ガスとして、ガス圧縮機１５で昇圧された後、循環部２０に供給される。この供給ガスは二酸化炭素を含有することから、直接還元鉄の製造設備１００，１０２のように、脱ＣＯ_２装置２８の上流側で、排出ガス（循環ガス）と合流させることが好ましい。これによって、供給ガスに含まれる二酸化炭素が脱ＣＯ_２装置２８で除去され、二酸化炭素濃度が低減された還元性ガスを直接還元炉３０に供給することができる。すなわち、循環部２０が脱ＣＯ_２装置２８を備えるとともに、その上流側において供給ガスを循環ガスと合流させる構成としていることから、ガス精製装置１２を、圧力スイング吸着装置１２Ａのみの一段階で構成することができる。圧力スイング吸着装置１２Ａで得られる窒素を主成分とするガスは、一酸化炭素及び／又は水素を含む場合、ガス流路１４を流通させて加熱装置２９で燃焼させてもよい。また、当該ガスの熱量が低い場合には、廃棄してもよい。

図６は、ガス精製装置１２の別の例を示す概略図である。ガス精製装置１２は、ガス吸着を二段階で行う装置であり、二酸化炭素を、吸着剤を用いて吸着する第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂと、一酸化炭素を、吸着剤を用いて吸着する第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃとを有する。一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスは、ガス流路１１からブロア１３Ａによって、第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂに導入される。第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂでは、吸着剤による二酸化炭素の吸着及び脱着によって、二酸化炭素濃度が高い高ＣＯ_２ガスと、二酸化炭素濃度が低い低ＣＯ_２ガスとに分離される。

低ＣＯ_２ガスは、ブロア１３Ｂによって第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃに導入される。第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃでは、吸着剤による一酸化炭素の吸着及び脱着によって、一酸化炭素濃度が高く窒素濃度が低い低Ｎ_２ガスと、一酸化炭素濃度が低く窒素濃度が高い高Ｎ_２ガスとに分離される。低Ｎ_２ガスは、主成分として一酸化炭素を含有するとともに、二酸化炭素及び窒素濃度が十分に低減されている。この低Ｎ_２ガスは、真空ポンプ１３Ｃによって、例えば図２のガス圧縮機１５に搬送される。

第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂで用いられる吸着剤と、第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃで用いられる吸着剤は異なるものであってもよい。例えば、第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂ及び第２の圧力スイング吸着装置では、活性炭及びゼオライトをそれぞれ用いてもよい。これによって、低いコストで、主成分として一酸化炭素を含有するとともに、二酸化炭素及び窒素濃度が十分に低減された供給ガスを得ることができる。なお、ゼオライトは多量のＣＯ_２と接触すると性能が低下する場合があるので、第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃに供給される低ＣＯ_２ガスのＣＯ_２濃度は低い方が好ましく、例えば１体積％未満であることが好ましい。

第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃに供給される低ＣＯ_２ガスのＣＯ_２濃度を低減する観点から、第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂの入口におけるガスの圧力は高い方が好ましい。第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂの入口におけるガスの圧力の下限は、例えば、０．３ＭＰａであってもよく、０．４ＭＰａであってもよい。当該圧力の上限は、特に制限はなく、実用上の観点から、例えば０．８ＭＰａであってもよく、０．６ＭＰａであってもよい。第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃの入口におけるガスの圧力は、第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂの入口におけるガスの圧力と同等にすることができる。

低Ｎ_２ガスは、供給ガスとして、ガス圧縮機１５で昇圧された後、循環部２０に供給される。この供給ガスは二酸化炭素濃度が低減されていることから、直接還元鉄の製造設備１０１のように、脱ＣＯ_２装置２８の下流側で、排出ガス（循環ガス）と合流させることが好ましい。または、直接還元鉄の製造設備１０３のようにシフト反応器２５の上流側で排出ガスと合流させてもよい。これによって、直接還元炉３０に供給される還元性ガスの一酸化炭素に対する水素の比率を高くすることができる。一方、第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂで得られる二酸化炭素を主成分とする高ＣＯ_２ガス、及び第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃで得られる窒素を主成分とする高Ｎ_２ガスは、水素及び／又は一酸化炭素を含む場合、ガス流路１４を流通させて、加熱装置２９で燃焼させてもよい。また、当該ガスの熱量が低い場合には、廃棄してもよい。高ＣＯ_２ガスと高Ｎ_２ガスとは合流させずに別々の用途に用いてもよく、一方のガスのみを廃棄してもよい。

図７は、ガス精製装置１２のさらに別の例を示す概略図である。図７のガス精製装置１２は、燃料ガスと吸収液とを向流接触させて、燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸収する吸収塔１２Ｄと、一酸化炭素を、吸着剤を用いて吸着及び脱着する第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃとを有する。一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスは、ガス流路１１からブロア１３Ａによって、吸収塔１２Ｄに導入される。吸収塔１２Ｄでは、アミンなどの吸収液によって、二酸化炭素が吸収される。

二酸化炭素が低減された低ＣＯ_２ガスは、ブロア１３Ｂによって圧力スイング吸着装置１２Ｃに導入される。圧力スイング吸着装置１２Ｃでは、吸着剤による一酸化炭素の吸着及び脱着によって、高い一酸化炭素濃度と低い窒素濃度を有する低Ｎ_２ガスと、低い一酸化炭素濃度と高い窒素濃度を有する高Ｎ_２ガスとに分離される。低Ｎ_２ガスは、主成分として一酸化炭素を含有するとともに、二酸化炭素及び窒素濃度が十分に低減されている。この低Ｎ_２ガスは、真空ポンプ１３Ｃによって例えば図２のガス圧縮機１５に搬送される。

低Ｎ_２ガスは、供給ガスとして、ガス圧縮機１５で昇圧された後、循環部２０に供給される。この供給ガスは二酸化炭素濃度が低減されていることから、直接還元鉄の製造設備１０１のように、脱ＣＯ_２装置２８の下流側で、排出ガス（循環ガス）と合流させることが好ましい。または、直接還元鉄の製造設備１０３のようにシフト反応器２５の上流側で排出ガスと合流させてもよい。これによって、直接還元炉３０に供給される還元性ガスの一酸化炭素に対する水素の比率を高くすることができる。一方、吸収塔１２Ｄでアミンなどの吸収液に吸収された二酸化炭素は、再生塔で、吸収液と分離されて、高濃度ＣＯ_２として様々な用途に再利用することができる。再生塔で再生されたアミンは、再び吸収塔で用いることができる。圧力スイング吸着装置１２Ｃで得られる窒素を主成分とする高Ｎ_２ガスは、水素及び／又は一酸化炭素を含む場合、ガス流路１４を流通させて、加熱装置２９で燃焼させてもよい。また、当該ガスの熱量が低い場合には、廃棄してもよい。

本発明の直接還元鉄の製造方法の一実施形態は、上述の直接還元鉄の製造設備１００〜１０３のいずれかを用いて行ってもよい。本実施形態の直接還元鉄の製造方法では、直接還元炉３０で原料３２と一酸化炭素及び水素を含む還元性ガスとを接触させて酸化鉄を直接還元して還元鉄３４を得る。この製造方法は、直接還元炉３０からの排出ガスを処理して得られた循環ガスを含む還元性ガスを直接還元炉３０に導入する循環工程と、ガス供給部１０において、一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを精製して、燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度とを有する供給ガスを、循環ガスに合流させる供給工程と、を有する。

ガス精製装置１２で得られる供給ガスの窒素濃度は、例えば１０体積％未満であってもよく、６体積％以下であってもよい。供給ガスの窒素濃度を低減することによって、コークス炉ガスの使用量を一層低減することができる。

供給工程では、燃料ガスに含まれる一酸化炭素及び二酸化炭素の両方の吸着及び脱着を同時に行って、主成分として一酸化炭素及び二酸化炭素を含有する供給ガスを得てもよい。供給ガス中の一酸化炭素濃度及び二酸化炭素濃度は、それぞれ、例えば５０〜８０体積％及び０〜２０体積％である。供給ガスの二酸化炭素濃度は、例えば１１〜２５体積％であってもよい。このように供給ガスが二酸化炭素を含んでいても、循環工程において、供給ガスを脱ＣＯ_２装置の上流側で排出ガスと合流させた後、脱ＣＯ_２装置で処理することによって、ガスに含まれるＣＯ_２濃度を低減することができる。

供給ガスは、その他に水素、炭化水素、及び窒素を含んでいてもよい。また、供給工程では、燃料ガスに含まれる二酸化炭素及び一酸化炭素の吸着及び脱着を順次行って、主成分として一酸化炭素及び二酸化炭素を含有する供給ガスを得てもよい。また、燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸着又は吸収して除去して得られる、二酸化炭素が１体積％未満に低減されたガスの一酸化炭素を吸着及び脱着して、主成分として一酸化炭素を含有する供給ガスを得てもよい。この場合、供給ガスの一酸化炭素濃度は８０〜１００体積％であってもよい。

本実施形態の直接還元鉄の製造方法は、直接還元鉄の製造設備１００〜１０３の装置構成を用いて、上述の手順で実施することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、直接還元鉄の製造方法は、直接還元鉄の製造設備１００〜１０３以外の設備を用いて行ってもよい。また、ガス精製装置１２の構成は、図５〜図７の態様に限定されるものではなく、窒素濃度を低減できる各種の精製方法を提供することができる。

本発明の内容を、実施例及び比較例を参照してさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
燃料ガスとして転炉ガスを用い、図５に示す圧力スイング吸着装置１２Ａによって、ガス精製のシミュレーションを行った。圧力スイング吸着装置１２Ａの入口における転炉ガスの圧力は０．１２ＭＰａであり、温度は４０℃である。圧力スイング吸着装置１２Ａの吸着剤としては、活性炭に塩化銅（Ｉ）を担持させたものとした。転炉ガスの組成と、該転炉ガスを圧力スイング吸着装置１２Ａで分離して得られる各ガスの組成、流量比を、シミュレーションによって求めた。その結果を表１に示す。なお、表１中の符号は、図５中の符号に対応する。また「流量比」は、転炉ガスを基準としたときの各ガスの体積比である。

表１の結果から、圧力スイング吸着装置１２Ａによって得られる低Ｎ_２ガスは、直接還元鉄の製造設備及び直接還元鉄の製造方法における供給ガスとして、有用であることが確認された。一方、高Ｎ_２ガスは、熱量が低いことから、燃料ガスとして用いずに、廃棄ガスとしてもよい。表１中、「有効利用率」は、転炉ガスに含まれる一酸化炭素（水素）のうち、供給ガス又は燃料として用いられる一酸化炭素（水素）の体積比率である。実施例１では、高Ｎ_２ガスを廃棄していることから、供給ガスとして用いられる低Ｎ_２ガスのみ有効に利用されることとなる。本実施例では、一酸化炭素を十分に有効に利用することができる。

（実施例２）
燃料ガスとして転炉ガスを用い、図６に示す第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂ及び第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃによってガス精製を行う場合のシミュレーションを行った。各圧力スイング吸着装置の入口におけるガスの圧力は０．１２ＭＰａであり、温度は４０℃である。第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂの吸着剤として活性炭を、第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃの吸着剤として活性炭に塩化銅（Ｉ）を担持させたものを用いた。転炉ガスの組成と、該転炉ガスを第１，第２の圧力スイング吸着装置１２Ｂ，１２Ｃで分離して得られる各ガスの組成、流量比を、シミュレーションによって求めた。その結果を表２に示す。なお、表２中の符号は、図６中の符号に対応する。また「流量比」は、転炉ガスを基準としたときの各ガスの体積比である。

表２の結果から、第１，第２の圧力スイング吸着装置１２Ｂ，１２Ｃによって得られる低Ｎ_２ガスは、直接還元鉄の製造設備及び直接還元鉄の製造方法における供給ガスとして、有用である。一方、高ＣＯ_２ガス及び高Ｎ_２ガスは、熱量が低いことから、燃料ガスとして用いずに、廃棄ガスとしてもよい。表２中、「有効利用率」は、転炉ガスに含まれる一酸化炭素（水素）のうち、供給ガス又は燃料として用いられる一酸化炭素（水素）の体積比率である。実施例２では、高ＣＯ_２ガス及び高Ｎ_２ガスを廃棄していることから、供給ガスとして用いられる低Ｎ_２ガスのみ有効に利用されることとなる。

実施例２は、転炉ガスに含まれるＣＯの回収率を優先して運転を行う場合のシミュレーションの結果である。このようにＣＯの回収率を優先する場合、低Ｎ_２ガスの二酸化炭素濃度が高くなる傾向にある。このため、表２の低Ｎ_２ガスを供給ガスとして用いる場合、供給ガスは、図１のように脱ＣＯ_２装置２８の上流側で排出ガス（循環ガス）に合流させることが好ましい。表２に示すとおり、実施例２でも、一酸化炭素を十分に有効に利用することができる。

（実施例３）
燃料ガスとして転炉ガスを用い、実施例２と同様に、図６に示す第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂ及び第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃによってガス精製を行う場合のシミュレーションを行った。第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃの吸着剤としてゼオライトを用いたことと、各圧力スイング吸着装置の入口におけるガスの圧力を０．４５ＭＰａとしたこと以外は、実施例２と同様の条件とした。

実施例３は、低Ｎ_２ガスに含まれる二酸化炭素濃度を低くすることを優先して運転を行う場合のシミュレーションの結果である。このように低Ｎ_２ガスの二酸化炭素濃度を低くすることを優先する場合、高ＣＯ_２ガス及び高Ｎ_２ガスに含まれる一酸化炭素濃度が高くなる傾向にある。このため、表３の高ＣＯ_２ガス及び高Ｎ_２ガスは、図２に示すように加熱装置２９の燃料として用いることができる。表３の低Ｎ_２ガスは、二酸化炭素濃度が低いことから、供給ガスとして用いる場合、脱ＣＯ_２装置２８の下流側で排出ガス（循環ガス）に合流させることが好ましい。

表３中、「有効利用率」は、転炉ガスに含まれる一酸化炭素（水素）のうち、供給ガス又は燃料として用いられる一酸化炭素（水素）の体積比率である。実施例３では、高ＣＯ_２ガス及び高Ｎ_２ガスを燃料ガスとして利用していることから、一酸化炭素と水素の有効利用率を１００％とすることができる。なお、供給ガスへの回収率は、表３に示すとおりである。転炉ガスに含まれる一酸化炭素のうち、供給ガスとして循環部２０に導入される一酸化炭素の体積比率は７０％である。

（実施例４）
燃料ガスとして転炉ガスを用い、図７に示す吸収塔１２Ｄ及び圧力スイング吸着装置１２Ｃによって転炉ガスの精製を行う場合のシミュレーションを行った。吸収塔１２Ｄの入口における転炉ガスの温度は４０℃、圧力は大気圧とした。吸収塔１２Ｄの吸収液としてはアミンを用いた。圧力スイング吸着装置１２Ｃの入口における転炉ガスの圧力は０．１２ＭＰａであり、温度は４０℃である。圧力スイング吸着装置１２Ｃの吸着剤としては、活性炭を用いた。転炉ガスの組成と、該転炉ガスを吸収塔１２Ｄ、及び圧力スイング吸着装置１２Ｃで分離して得られる各ガスの組成、流量比を、シミュレーションによって求めた。その結果を表４に示す。なお、表４中の符号は、図７中の符号に対応する。また「流量比」は、転炉ガスを基準としたときの各ガスの体積比率である。

表４の結果から、図７に示す吸収塔１２Ｄ及び圧力スイング吸着装置１２Ｃによって得られる低Ｎ_２ガスは、直接還元鉄の製造設備及び直接還元鉄の製造方法における供給ガスとして、有用である。一方、高Ｎ_２ガスは、熱量が低いことから、燃料ガスとして用いずに、廃棄ガスとしてもよい。表４中、「有効利用率」は、転炉ガスに含まれる一酸化炭素（水素）のうち、供給ガス又は燃料として用いられる一酸化炭素（水素）の体積比率である。実施例４では、ＣＯ_２ガス及び高Ｎ_２ガスを廃棄していることから、供給ガスとして用いられる低Ｎ_２ガスのみ有効に利用されることとなる。本実施例では、一酸化炭素を十分に有効に利用することができる。

（実施例５）
燃料ガスとして転炉ガスの代わりに高炉ガスを用いたこと以外は、実施例１と同様にしてガス精製のシミュレーションを行った。圧力スイング吸着装置１２Ａの入口における高炉ガスの圧力は０．１２ＭＰａであり、温度は４０℃である。高炉ガスの組成と、該高炉ガスを圧力スイング吸着装置１２Ａで分離して得られる各ガスの組成、流量比を、シミュレーションによって求めた。結果を表５に示す。表５の「流量比」は、高炉ガスを基準としたときの各ガスの体積比である。

表５の結果から、圧力スイング吸着装置１２Ａによって得られる低Ｎ_２ガスは、直接還元鉄の製造設備及び直接還元鉄の製造方法における供給ガスとして、有用であることが確認された。一方、高Ｎ_２ガスは、熱量が低いことから、燃料ガスとして用いずに、廃棄ガスとしてもよい。表５中、「有効利用率」は、高炉ガスに含まれる一酸化炭素（水素）のうち、供給ガス又は燃料として用いられる一酸化炭素（水素）の体積比率である。実施例５では、高Ｎ_２ガスを廃棄していることから、供給ガスとして用いられる低Ｎ_２ガスのみ有効に利用されることとなる。本実施例では、一酸化炭素を十分に有効に利用することができる。

（実施例６）
燃料ガスとして転炉ガスの代わりに高炉ガスを用いたこと以外は、実施例３と同様にしてガス精製のシミュレーションを行った。ただし、第１の圧力スイング吸着装置１２Ｂで得られる高ＣＯ_２ガス及び第２の圧力スイング吸着装置１２Ｃで得られる高Ｎ_２ガスは、図６のように合流させずに、別々の用途に用いられるようにした。高ＣＯ_２ガスは加熱装置２９の燃料、或いは、高炉ガスと同様に高炉熱風炉又はコークス炉の燃料として用いることができる。一方、高Ｎ_２ガスは廃棄ガスとしてもよい。表６の「流量比」は、高炉ガスを基準としたときの各ガスの体積比である。

表６中、「有効利用率」は、高炉ガスに含まれる一酸化炭素（水素）のうち、供給ガス又は燃料として用いられる一酸化炭素（水素）の体積比率である。実施例７では、高ＣＯ_２ガスを燃料ガスとして利用していることから、一酸化炭素と水素の有効利用率を十分に高くすることができる。なお、供給ガスへの回収率は、表６に示すとおりである。高炉ガスに含まれる一酸化炭素のうち、供給ガスとして循環部２０に導入される一酸化炭素の体積比率は５５％である。

（実施例７）
燃料ガスとして転炉ガスの代わりに高炉ガスを用いたこと以外は、実施例４と同様にしてガス精製のシミュレーションを行った。吸収塔１２Ｄの入口における高炉ガスの温度は４０℃、圧力は大気圧とした。圧力スイング吸着装置１２Ｃの入口における高炉ガスの圧力は０．１２ＭＰａであり、温度は４０℃である。高炉ガスの組成と、該高炉ガスを吸収塔１２Ｄ、及び圧力スイング吸着装置１２Ｃで分離して得られる各ガスの組成、流量比を、シミュレーションによって求めた。その結果を表７に示す。なお、表７中の符号は、図７中の符号に対応する。また「流量比」は、高炉ガスを基準としたときの各ガスの体積比率である。

表７の結果から、図７に示す吸収塔１２Ｄ及び圧力スイング吸着装置１２Ｃによって得られる低Ｎ_２ガスは、直接還元鉄の製造設備及び直接還元鉄の製造方法における供給ガスとして、有用である。一方、高Ｎ_２ガスは、熱量が低いことから、燃料ガスとして用いずに、廃棄ガスとしてもよい。表７中、「有効利用率」は、高炉ガスに含まれる一酸化炭素（水素）のうち、供給ガス又は燃料として用いられる一酸化炭素（水素）の体積比率である。実施例７では、ＣＯ_２ガス及び高Ｎ_２ガスを廃棄していることから、供給ガスとして用いられる低Ｎ_２ガスのみ有効に利用されることとなる。本実施例では、一酸化炭素を十分に有効に利用することができる。

（実施例８）
図１に示すような直接還元鉄の製造設備１００を用いて、コークス炉ガス及び転炉ガスを供給する場合の運転のシミュレーションを行った。ガス精製装置１２としては、図５に示すものを用いた。転炉ガスの組成は表１に示すとおりである。コークス炉ガスの組成は、表８に示すとおりである。原料３２の鉄含有量は６５質量％、直接還元鉄３４の鉄含有量は８９質量％とした。このような前提条件下、下記のシミュレーション条件を満たす範囲で、コークス炉ガスに対する転炉ガスの割合をどこまで増やせるかをシミュレーションした。シミュレーション結果を表９に示す。

＜シミュレーション条件＞
・直接還元炉３０の排出ガスの窒素濃度：１２体積％以下
・直接還元炉３０に導入される還元性ガスのＨ_２／ＣＯ（体積比）：１以上

（実施例９）
図４に示すような、シフト反応器２５を備える直接還元鉄の製造設備１０３を用いたこと以外は実施例８と同一の条件で運転のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を表９に示す。

（比較例１）
ガス精製装置１２を備えない従来の直接還元鉄の製造設備を用いたこと以外は、実施例８と同一の条件で運転のシミュレーションを行った。この直接還元鉄の製造設備は、ガス精製装置１２を備えないこと以外は、図１の直接還元鉄の製造設備１００と同様の装置構成を有する。シミュレーション結果を表９に示す。

表９に示すとおり、ガス精製装置１２を備える実施例８の直接還元鉄の製造設備１００であれば、転炉ガスの使用比率を、熱量基準で４０％にできることが確認された。さらに、ガス精製装置１２とシフト反応器２５とを併せて備える実施例９の直接還元鉄の製造設備であれば、転炉ガスのみで操業できることが確認された。一方、ガス精製装置１２及びシフト反応器２５を備えない比較例１の直接還元鉄の製造設備では、転炉ガスの使用比率は最大で２３％（熱量基準）であった。

（実施例１０，１１、比較例２）
転炉ガスに代えて、高炉ガスを用いたこと以外は、実施例８，９及び比較例１と同様にして、実施例１０，１１及び比較例２のシミュレーションを行った。シミュレーションに用いた高炉ガスの組成は、表５に示すとおりである。シミュレーションの結果を表１０に示す。

表１０に示すとおり、ガス精製装置１２を備える実施例１０の直接還元鉄の製造設備１００であれば、高炉ガスの使用比率を、熱量基準で３７％にできることが確認された。さらに、ガス精製装置１２とシフト反応器２５とを併せて備える実施例１１の直接還元鉄の製造設備であれば、高炉ガスのみで操業できることが確認された。一方、ガス精製装置１２及びシフト反応器２５を備えない比較例２の直接還元鉄の製造設備では、高炉ガスの使用比率は最大で１８％（熱量基準）であった。

本発明によれば、コークス炉ガスよりも窒素濃度が高い燃料ガスを有効に利用することによって、直接還元鉄の製造におけるコークス炉ガスの使用量を低減することが可能な直接還元鉄の製造設備、及び、直接還元鉄の製造方法を提供することができる。

１０…ガス供給部、１１，１４，１６，１７，１８，１８Ａ，２１，２２，４０，４４…ガス流路、１２…ガス精製装置、１２Ａ…圧力スイング吸着装置、１２Ｂ，１２Ｃ…圧力スイング吸着装置、１２Ｄ…吸収塔、１３Ａ，１３Ｂ…ブロア、１３Ｃ…真空ポンプ、１５，２７，４２…ガス圧縮機、２０…循環部、２３…熱交換器、２３Ａ…散水冷却塔、２３Ｂ…熱交換器、２４…乾式集塵機、２４Ｂ…湿式集塵機、２５…シフト反応器、２６…ガス冷却装置、２８…脱ＣＯ_２装置、２９…加熱装置、３０…直接還元炉、３２…原料、３４…直接還元鉄、５０，５１…調整部，６２…水供給部、６４…水排出部、１００，１０１，１０２，１０３…直接還元鉄の製造設備。

Claims (16)

1. 直接還元炉で酸化鉄を含む原料と一酸化炭素及び水素を含む還元性ガスとを接触させて前記酸化鉄を直接還元する直接還元鉄の製造設備であって、
   前記直接還元炉からの排出ガスを処理して得られる循環ガスを含む前記還元性ガスを、前記直接還元炉に導入する循環部と、
   一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを精製して得られる、前記燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度を有する供給ガスを、前記循環部に供給するガス供給部と、を備える直接還元鉄の製造設備。
2. 前記供給ガスの窒素濃度が６体積％以下である、請求項１に記載の直接還元鉄の製造設備。
3. 前記循環部は、前記還元性ガスを加熱する加熱装置を備えており、前記ガス供給部から排出される、窒素と水素及び／又は一酸化炭素とを含むガスを前記加熱装置で燃焼させる、請求項１又は２に記載の直接還元鉄の製造設備。
4. 前記ガス供給部は、前記燃料ガスに含まれる一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を吸着及び脱着するガス精製装置を有し、主成分として一酸化炭素及び二酸化炭素を含有する前記供給ガスを前記循環部に供給する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
5. 前記ガス供給部は、前記燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸着又は吸収する第１ガス精製装置と、前記第１ガス精製装置からのガスに含まれる一酸化炭素を吸着及び脱着する第２ガス精製装置とを有し、主成分として一酸化炭素を含有する前記供給ガスを前記循環部に供給する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
6. 前記循環部は、シフト反応器を備え、前記シフト反応器の上流側で前記供給ガスと前記排出ガスとを合流させて前記シフト反応器に供給し、水性ガスシフト反応によって前記供給ガス及び前記排出ガスよりも高い水素濃度を有する前記循環ガスを調製する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
7. 前記循環部は、前記直接還元炉と前記シフト反応器の間に、前記排出ガス及び前記供給ガスの少なくとも一方の温度及び湿度を調整する調整部を備える、請求項６に記載の直接還元鉄の製造設備。
8. 前記調整部は、湿式集塵機と、前記湿式集塵機の入口側のガスと出口側のガスとを熱交換する自己熱交換型熱交換器と、を備える、請求項７に記載の直接還元鉄の製造設備。
9. 前記調整部は、上流側から、排出ガスを冷却して加湿する散水冷却塔と、乾式集塵機と、を備える、請求項７に記載の直接還元鉄の製造設備。
10. 直接還元炉で酸化鉄を含む原料と一酸化炭素及び水素を含む還元性ガスとを接触させて前記酸化鉄を直接還元する直接還元鉄の製造方法であって、
    前記直接還元炉からの排出ガスを処理して得られる循環ガスを含む前記還元性ガスを、前記直接還元炉に導入する循環工程と、
    一酸化炭素、二酸化炭素、及び窒素を含有し、窒素濃度が１０体積％以上である燃料ガスを精製して、前記燃料ガスよりも低い窒素濃度と高い一酸化炭素濃度とを有する供給ガスを、前記循環ガスに合流させる供給工程と、を有する、直接還元鉄の製造方法。
11. 前記供給ガスの窒素濃度が６体積％以下である、請求項１０に記載の直接還元鉄の製造方法。
12. 前記供給工程の前記燃料ガスの精製によって得られる、前記燃料ガスよりも高い窒素濃度を有し、水素及び／又は一酸化炭素を含むガスを、前記還元性ガスを加熱する加熱装置で燃焼させる、請求項１０又は１１に記載の直接還元鉄の製造方法。
13. 前記供給工程では、前記燃料ガスに含まれる一酸化炭素及び二酸化炭素の両方を吸着及び脱着して、主成分として一酸化炭素及び二酸化炭素を含有する前記供給ガスを得る、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
14. 前記供給工程では、前記燃料ガスに含まれる二酸化炭素を吸着又は吸収によって除去した後、前記二酸化炭素を除去したガスに含まれる一酸化炭素を吸着及び脱着して、主成分として一酸化炭素を含有する前記供給ガスを得る、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
15. 前記供給工程で前記供給ガスを前記循環ガスに合流させた後、水性ガスシフト反応によって前記供給ガス及び前記排出ガスよりも高い水素濃度を有する前記還元性ガスを得る、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
16. 水性ガスシフト反応の前に、前記排出ガス及び前記供給ガスの少なくとも一方の温度及び湿度を調整する、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。

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