JP2021001369A - 電解製錬システム - Google Patents

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Abstract

【課題】より純度の高い電解製錬を行うことが可能な電解製錬システムを提供する。
【解決手段】電解製錬システム１００は、溶融鉱石Ｗｍが導入される炉本体１０、炉本体１０内の底部１０Ｂに設けられた陰極基板１１、及び、炉本体１０内の陰極基板１１の上方に設けられた陽極基板１２を有する電解製錬炉１と、電解製錬炉１内に供給した不活性ガスを酸素とともに回収して、不活性ガスを再度溶融鉱石Ｗｍに供給する循環ライン２１を有する不活性ガス循環部２と、循環ライン２１に設けられて、循環ライン２１から酸素を除去する酸素除去部３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解製錬システムに関する。
例えば鉄鉱石を製錬するための技術として、これまで高炉による熱処理が広く用いられている。この方法では、金属材料となる鉄鉱石と、還元材としてのコークスとを炉内で燃焼させる。炉内ではコークス中に含まれる炭素が鉄から酸素を奪って熱と一酸化炭素、二酸化炭素を生じる。この反応熱によって鉄鉱石が溶融し、銑鉄が生成される。その後、銑鉄から不純物を除去することで純鉄が得られる。
ここで、上記の方法は、コークスを含む大量の炭素を必要とすることから、一酸化炭素や二酸化炭素の発生量が大きくなる。近年の大気汚染対策の厳格化に伴って、これら炭素を含むガスの発生量が抑えられた製錬技術が求められている。このような技術の一例として、下記特許文献１に記載された電解製錬法が挙げられる。
電解製錬法では、陽極基板と陰極基板との間に予め溶融した鉄鉱石を介在させた状態で電圧を印加する。これにより、陽極基板側には、スラグ成分を含む溶融電解質が析出し、陰極基板側に溶融鉄（純鉄）が析出する。陽極基板としては、一例として鉄やクロム、バナジウム、タンタルを含む金属材料が用いられる。陰極基板としては、一例としてモリブデンで形成された金属板が用いられる。
米国特許第８７６４９６２号明細書
ここで、上記の電解製錬法では、電解反応の進行に伴って陽極基板側に酸素が発生する。酸素の濃度（酸素ポテンシャル）が過度に高くなったり、又は低くなったりした場合、純鉄に不純物が溶け込んでしまう可能性がある。したがって、酸素ポテンシャルを適正に保つことで、さらに純度の高い電解製錬を行うことが可能なシステムに対する要請が高まっている。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、さらに純度の高い電解製錬を行うことが可能であるとともに電極の腐食を防ぐために酸素ポテンシャルをコントロールできる電解製錬システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る電解製錬システムは、溶融鉱石が導入される炉本体、該炉本体内の底部に設けられた陰極基板、及び、該炉本体内の陰極基板の上方に設けられた陽極基板を有する電解製錬炉と、前記電解製錬炉内に供給した不活性ガスを酸素とともに回収して、前記不活性ガスを再度前記溶融鉱石に供給する循環ラインを有する不活性ガス循環部と、前記循環ラインに設けられて、該循環ラインから酸素を除去する酸素除去部と、を備える。
上記構成によれば、不活性ガス循環部によって供給される不活性ガスによって、陽極基板側で発生した酸素を随伴して回収することができる。これにより、酸素の存在に起因する不純物の混入を回避することができる。さらに、不活性ガスとともに回収された酸素は、酸素除去部で除去される。酸素が除去されることで、循環ラインによって不活性ガスを再び溶融鉱石に供給することができる。これにより、不活性ガスの使用量を削減することができる。
上記電解製錬システムでは、前記酸素除去部は、前記不活性ガス及び前記酸素が内部を流通する基体管、及び、該基体管の外周面に設けられて、印加される電圧に応じて前記基体管内の酸素を外部に透過させる燃料電池セルを有するセルスタックを備えてもよい。
上記構成によれば、燃料電池セルに電圧を印加することで、基体管内の酸素が外部に透過する。酸素の透過量は、印加される電圧に応じて変化する。したがって、電圧を変化させることのみによって、酸素の除去量を精緻に調節することができる。
上記電解製錬システムは、前記循環ラインにおける前記酸素除去部の上流側に設けられて、前記循環ラインを流通する不活性ガス及び酸素の温度を、前記燃料電池セルの作動温度に調節する温度調節部をさらに備えてもよい。
ここで、燃料電池セルの作動温度は、溶融鉱石の融点と異なる場合がある。上記構成によれば、温度調節部によって循環ライン中の不活性ガス及び酸素の温度が、燃料電池セルの作動温度に調節される。これにより、酸素除去部における酸素の除去処理をより効率的に行うことができる。
上記電解製錬システムでは、前記温度調節部は、前記酸素除去部に流入する相対的に高温の不活性ガス及び酸素と、前記酸素除去部から流出する相対的に低温の不活性ガスとを熱交換させるように構成されていてもよい。
上記構成によれば、温度調節部では、酸素除去部に流入するガス（不活性ガス及び酸素）と、流出するガスとの間で熱交換が行われる。酸素除去部から流出するガスの温度は、流入するガスの温度に対して相対的に低い。したがって、酸素除去部に流入するガスから、流出するガスに向かって熱の移動が生じる。これにより、他の冷媒や冷却装置を用いることなく、容易かつ安価にガスの温度調節を行うことができる。
上記電解製錬システムでは、前記陽極基板には、該陽極基板を上下方向に貫通する複数の貫通孔が形成され、前記循環ラインは、前記複数の貫通孔に接続されていてもよい。
上記構成によれば、陽極基板に形成された複数の貫通孔を通じて、循環ライン中を流通する不活性ガスが溶融鉱石中に供給される。これにより、陽極基板上に発生した酸素をより効率的に回収することができるとともに、溶融鉱石を不活性ガスの流れによって撹拌することができる。その結果、電解反応を安定的に進行させることができる。
上記電解製錬システムは、前記炉本体に供給される前記溶融鉱石を予熱する予備加熱部と、前記酸素除去部で前記循環ラインから除去された酸素と、前記循環ラインにおける前記酸素除去部の下流側から取り出された不活性ガスの一部とを混合して混合ガスを生成し、該混合ガスを前記予備加熱部に供給する混合部と、をさらに備えてもよい。
上記構成によれば、不活性ガスと酸素からなる混合ガスが、予備加熱部内の溶融鉱石中に供給される。ここで、混合ガス中における酸素分圧が特定の値である場合、溶融鉱石中の硫黄分が酸化して（二酸化硫黄となって）、気相中に放散することが知られている。つまり、上記の構成によれば、酸素を含む混合ガスを供給することのみによって、溶融鉱石中に含まれる硫黄分を製錬に先立って効率的に除去することができる。
上記電解製錬システムは、前記炉本体に供給される前記溶融鉱石を予熱する予備加熱部をさらに備え、前記酸素除去部は、予め定められた第一電圧によって前記循環ラインから一部の酸素を除去することで、酸素分圧が予め定められた値となった不活性ガス及び酸素の混合ガスを生成し、該混合ガスの一部を前記予備加熱部に供給する第一酸素除去部と、前記第一電圧よりも高い第二電圧によって、前記第一酸素除去部から供給された前記混合ガスの残余の成分から前記酸素を除去する第二酸素除去部と、を有してもよい。
上記構成によれば、第一酸素除去部では、第一電圧に基づいて、酸素分圧が予め定められた値となった混合ガスが生成される。この混合ガスは予備加熱部に供給される。ここで、混合ガス中における酸素分圧が特定の値である場合、溶融鉱石中の硫黄分が酸化して（二酸化硫黄となって）、気相中に放散することが知られている。また、酸素分圧は、印加される電圧の大きさに基づいて変化することも知られている。したがって、上記の構成によれば、電圧を変化させる（第一電圧を印加する）ことのみによって、溶融鉱石中に含まれる硫黄分を製錬に先立って効率的に除去することができる。さらに、上記構成では、予備過熱部に供給されなかった残余の混合ガスから、第二酸素除去部によって残存する酸素を除去することができる。これにより、第二酸素除去部から溶融鉱石中に純度の高い不活性ガスを供給することができる。
上記電解製錬システムでは、前記予備加熱部は、前記溶融鉱石を貯留する加熱槽と、該加熱槽内に設けられ、前記混合ガスを前記溶融鉱石中に供給するノズルと、を有してもよい。
上記構成によれば、加熱槽中に貯留された溶融鉱石を、ノズルから吹き出される混合ガスによって効率的に撹拌することができる。これにより、溶融鉱石をより一層均質化させることができる。その結果、炉本体内で生じる電解反応を効率的に進行させることができる。
上記電解製錬システムでは、前記酸素除去部は、前記基体管の延在方向における中途位置であって、酸素分圧が予め定められた値となる部分から分岐して、前記混合ガスを前記予備加熱部に供給する分岐管をさらに有してもよい。
上記構成によれば、分岐管によって混合ガスを予備加熱部に供給される。ここで、基体管内では、延在方向の上流側から下流側に向かうに従って、酸素分圧が低くなる。上記の分岐管は、基体管の中途位置であって、酸素分圧が予め定められた部分から分岐している。したがって、例えば溶融鉱石中に硫黄分が溶け込みにくい酸素分圧が得られる位置に分岐管を設け、当該酸素分圧下の混合ガスを予備加熱部に供給することによって、他の装置を用いることなく、溶融鉱石中から硫黄分を気相に放散させることができる。
上記電解製錬システムは、前記予備加熱部の下流側に設けられ、前記予備加熱部から流通した前記混合ガスに含まれる硫黄分を回収して脱硫済み混合ガスを生成する硫黄回収装置と、該硫黄回収装置から前記脱硫済み混合ガスを前記混合部に供給する第一抽出ラインと、をさらに備えてもよい。
上記構成によれば、硫黄回収装置から第一抽出ラインを通じて、混合部に不活性ガス及び酸素を含む脱硫済み混合ガスを還流させることができる。したがって、混合部で生成される混合ガスの酸素分圧をさらに精緻に調節することができる。その結果、硫黄回収装置で、硫黄分をより効率的に回収することができる。
上記電解製錬システムは、前記予備加熱部の下流側に設けられ、前記予備加熱部から流通した前記混合ガスに含まれる硫黄分を回収して脱硫済み混合ガスを生成する硫黄回収装置と、該硫黄回収装置から前記脱硫済み混合ガスを前記酸素除去部に供給する第二抽出ラインと、をさらに備えてもよい。
上記構成によれば、硫黄回収装置から第二抽出ラインを通じて、酸素除去部に不活性ガス及び酸素を含む脱硫済み混合ガスを還流させることができる。したがって、硫黄回収装置で硫黄分の回収に用いられた後の不活性ガスを再利用することができる。これにより、不活性ガスの使用量を削減することができる。
上記電解製錬システムは、前記予備加熱部から前記硫黄回収装置に向かって流通する前記混合ガスに、前記酸素除去部で除去された酸素の一部を供給する酸素追加ラインをさらに備えてもよい。
上記構成によれば、予備加熱部から硫黄回収装置に向かう混合ガスに、酸素追加ラインを通じて酸素が供給される。これにより、混合ガスの酸素分圧が上がり、混合ガス中に含まれる硫黄分の酸化を促進することができる。具体的には、混合ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ２）を、より安定的な三酸化硫黄（ＳＯ３）に変化させることができる。その結果、硫黄回収装置で、硫黄分をより容易かつ効率的に回収することができる。
本発明によれば、より純度の高い電解製錬を行うことが可能であるとともに電極の腐食を防ぐために酸素ポテンシャルをコントロールできる電解製錬システムを提供することができる。
本発明の第一実施形態に係る電解製錬システムの構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る酸素除去部の構成を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る酸素除去部の要部拡大断面図である（図２中のＸ部分を拡大して示す断面図である。）。 本発明の第一実施形態に係る電解製錬システムの変形例を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る電解製錬炉の構成を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る電解製錬システムの構成を示す図である。 本発明の第四実施形態に係る電解製錬システムの構成を示す図である。 本発明の第五実施形態に係る酸素除去部の構成を示す図である。 本発明の第六実施形態に係る電解製錬システムの構成を示す図である。 本発明の第七実施形態に係る電解製錬システムの構成を示す図である。
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。本実施形態に電解製錬システム１００は、鉄鉱石やアルミナ鉱石等の鉱石を電解反応によって製錬するための装置である。なお、製錬の対象となる鉱石は上記に限定されず、電解反応によって製錬することが可能なものであればいかなる鉱物資源に対しても電解製錬システム１００を適用することが可能である。
図１に示すように、電解製錬システム１００は、電解製錬炉１と、不活性ガス循環部２と、酸素除去部３と、を備えている。電解製錬炉１は、溶融した鉱石（溶融鉱石Ｗｍ）を貯留し、電解反応を進行させるための設備である。電解製錬炉１は、炉本体１０と、陰極基板１１と、陽極基板１２と、コレクタ１３と、ハウジング１４と、を有している。
炉本体１０は、水平面内に広がる底部１０Ｂを有する容器である。この炉本体１０の内部には溶融鉱石Ｗｍが導入される。溶融鉱石Ｗｍは加熱されて溶融した状態となっている。溶融鉱石Ｗｍの温度は材料自体の融点に基づいて決定される。一例として溶融鉱石Ｗｍの温度は１２００〜２０００℃とされる。より望ましくはこの温度は、１４００〜１７００℃とされる。最も望ましくは溶融鉱石Ｗｍの温度は１５００〜１６００℃とされる。
炉本体１０の底部１０Ｂには、陰極基板１１が設けられている。陰極基板１１は、一例としてモリブデンを主成分とする金属材料で一体に形成された板状をなしている。
炉本体１０の内部であって、陰極基板１１の上方には、上下方向に間隔をあけて陽極基板１２が配置されている。陽極基板１２は、一例として鉄やクロム、バナジウム、タンタルを含む金属材料によって一体に形成された板状をなしている。陽極基板１２には、当該陽極基板１２を上下方向に貫通する複数の貫通孔１２Ｈが形成されている。詳しくは後述するが、これら貫通孔１２Ｈは、陽極基板１２に付着した酸素を除去する不活性ガスを流通させるために形成されている。
炉本体１０の底部１０Ｂ内であって、陰極基板１１の下方の部分には、コレクタ１３が埋設されている。コレクタ１３は、導電性の材料で形成され、その一端は陰極基板１１に電気的に接続されている。なお、図１の例では、二つのコレクタ１３が設けられている例を示しているが、コレクタ１３の数は２つに限定されない。
これら炉本体１０、陰極基板１１、陽極基板１２、及びコレクタ１３は、外側からハウジング１４によって覆われている。ハウジング１４内は外部に対して気密・液密が保たれている。
ここで、溶融鉱石Ｗｍとして鉄鉱石を用いた場合について説明する。電解製錬を行うに当たって、上述の陽極基板１２とコレクタ１３との間には、予め定められた値の電圧が印加される。この電圧によって電解反応（還元反応）が進行し、炉本体１０内の溶融鉱石Ｗｍに含まれる三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）が還元される。還元反応の進行に伴って、溶融鉄Ｗｆ（純鉄）が析出し、自重によって陰極基板１１側にこの溶融鉄Ｗｆが沈殿する。溶融鉄Ｗｆの沈殿量が増えることで、陰極基板１１に加えて溶融鉄Ｗｆ自体も陰極側端子として機能するようになる。
一方で、陽極基板１２側には、スラグ成分を含む溶融電解質が析出する。具体的には、この溶融電解質は、電解される前の溶融鉱石Ｗｍである三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）と、不純物であるスラグとを含んでいる。スラグには、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、二酸化珪素、酸化アルミニウム等が含まれる。
このような電解反応（還元反応）が進行する際には、三酸化二鉄から電離した酸素イオンが、陽極側で再び結合して酸素分子となる。溶融鉱石Ｗｍ中における酸素の濃度（酸素ポテンシャル）が過度に高くなったり、又は低くなったりした場合、製錬によって得られる純鉄に不純物が溶け込んでしまう可能性がある。したがって、酸素ポテンシャルを適正に保つ必要がある。
そこで、本実施形態では、不活性ガス循環部２によって、電解製錬炉１内に不活性ガスを供給して、この不活性ガスに酸素を随伴・回収する構成を採っている。さらに、不活性ガス循環部２によって回収された不活性ガスと酸素の混合ガスから、酸素除去部３によって酸素を除去して、不活性ガスを再利用する構成を採っている。
不活性ガス循環部２は、上述のハウジング１４内から外部を通って、再びハウジング１４内にガスを導く循環ライン２１と、この循環ライン２１上に設けられた圧縮機２２と、温度調節部２３と、を有している。
循環ライン２１内には、不活性ガスとしてアルゴンが充填されている。なお、不活性ガスとしてはアルゴンのほかに、ヘリウムやネオン、クリプトン、キセノン等を含む希ガスを適宜選択して用いることができる。この不活性ガスは、循環ライン２１上に設けられた圧縮機２２によって圧送される。圧縮機２２の下流側には、温度調節部２３が設けられている。温度調節部２３は、循環ライン２１を流通するガスの温度を、後述する酸素除去部３の作動範囲（温度範囲）に合わせるために設けられている。具体的には、温度調節部２３としては、外部から供給された冷媒と、循環ライン２１を流通するガスとの間で熱交換を行う熱交換器が好適に用いられる。
循環ライン２１上における温度調節部２３の下流側には、酸素除去部３が設けられている。酸素除去部３は、循環ライン２１を流通するガス（即ち、不活性ガスと酸素の混合ガス）から酸素のみを除去する。より具体的には、図２及び図３に示すように、酸素除去部３は、循環ライン２１の上下流方向に延びるとともに並列に配置された複数のセルスタック４を有している。
各セルスタック４は、筒状の基体管４１と、この基体管４１の外周面に形成されている複数の燃料電池セル４２と、隣り合う燃料電池セル４２の間に設けられたインターコネクタ４３と、を有している。燃料電池セル４２は、燃料極４２Ａと、固体電解質４２Ｂと、空気極４２Ｃとが、基体管４１の内周側から外周側に向かってこの順で積層されることで構成されている。
基体管４１は、例えばＣａｏ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）や、Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ２Ｏ４等で形成された多孔質体である。この基体管４１の内部には、上述の不活性ガスと酸素の混合ガスが流通している。
燃料極４２Ａは、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺや、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物によって形成されている。この場合、燃料極４２Ａに含まれるＮｉが、混合ガスに対して触媒として作用する。
空気極４２Ｃは、例えばＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物で形成されている。この空気極４２Ｃは、固体電解質４２Ｂとの界面付近においてＬａＣｏＯ３系酸化物によって形成されている。固体電解質４２Ｂは、例えば主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい性質（気密性）を有するとともに、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。
上記のように構成されたセルスタック４では、基体管４１内に燃料ガスを流通させ、基体管４１の外側に酸化剤としてのガスを流通させた場合には、各燃料電池セル４２で酸素イオンの移動に伴う電荷が発生する。即ち、電力源として用いることが可能である。一方で、本実施形態では、この燃料電池セル４２に対して電圧を印加することによって、基体管４１の内外で酸素分子を移動させる。つまり、本実施形態では、セルスタック４は酸素ポンプとして用いられる。これにより、基体管４１内を流通する不活性ガスと酸素との混合ガスから、酸素のみが分離されて基体管４１の外側に透過する。その結果、基体管４１の延びる方向において下流側に向かうに従って、混合ガス中の酸素分圧が徐々に低下する。最終的には、混合ガス中に酸素が存在しないか、又はごくわずかに含まれている状態となる。このように、酸素除去部３を通過することで、混合ガスから酸素が除去され、循環ライン２１における酸素除去部３の下流側では不活性ガスのみが流通している状態となる。
なお、上述のセルスタック４の作動温度は、７００〜１０００℃である。即ち、上述の溶融鉱石Ｗｍ中から循環ライン２１に流通する混合ガスの温度は、セルスタック４の温度よりも高くなっている。したがって、本実施形態では、温度調節部２３によって混合ガスの温度を、７００〜１０００℃の範囲内に収まるように冷却する。
上記構成によれば、不活性ガス循環部２によって供給される不活性ガスによって、陽極基板１２側で発生した酸素を随伴して回収することができる。これにより、酸素の存在に起因する溶融鉄Ｗｆへの不純物の混入を回避することができる。さらに、不活性ガスとともに回収された酸素は、酸素除去部３で混合ガス中から除去される。酸素が除去されることで、循環ライン２１によって不活性ガスを再び溶融鉱石Ｗｍ中に供給することができる。これにより、不活性ガスの使用量を削減することができる。その結果、さらに純度の高い溶融鉄Ｗｆを、より低廉なコストで得ることができる。
さらに、上記構成によれば、酸素除去部３における燃料電池セル４２に電圧を印加することで、基体管４１内の酸素が外部に透過する。つまり、燃料電池セル４２が酸素ポンプとして用いられる。酸素の透過量は、印加される電圧に応じて変化する。したがって、電圧を変化させることのみによって、酸素の除去量を精緻に調節することができる。
ここで、燃料電池セル４２の作動温度は、溶融鉱石Ｗｍの融点と異なる場合がある。上記構成によれば、温度調節部２３によって循環ライン２１中の不活性ガス及び酸素の温度が、燃料電池セル４２の作動温度に調節される。これにより、酸素除去部３における酸素の除去処理をより効率的に行うことができる。
以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、温度調節部２３として、外部から供給された冷媒と混合ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を適用した例について説明した。しかしながら、温度調節部２３の構成は上記に限定されない。他の例として、図４に示す構成を採ることも可能である。同図の例では、温度調節部２３´として、酸素除去部３に流入する混合ガスと、酸素除去部３から流出する不活性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を用いている。具体的には、温度調節部２３´は、循環ライン２１における酸素除去部３の上流側の部分（循環ライン上流部２１Ａ）と、下流側の部分（循環ライン下流部２１Ｂ）との間で熱交換が行われるように構成されている。
上記構成によれば、温度調節部２３´では、酸素除去部３に流入するガス（不活性ガス及び酸素）と、流出するガス（不活性ガス）との間で熱交換が行われる。酸素除去部３から流出するガスは、流入するガスに対して相対的に低温となっている。したがって、酸素除去部３に流入するガスから、流出するガスに向かって熱の移動が生じる。これにより、他の冷媒や冷却装置を用いることなく、容易かつ安価にガスの温度調節を行うことができる。
さらに、上記第一実施形態では、陰極基板１１側の電位を１．０Ｖとし、酸素分圧を１ａｔｍ以下とした状態で電解反応を進行させることがより望ましい。このような条件下で反応を進行させることによって、溶融鉱石Ｗｍ中に含まれるリンの還元が抑制される。その結果、溶融鉄Ｗｆへの不純物の混入をさらに低減することができる。
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態に係る電解製錬システム２００では、電解製錬炉１Ｂの構成が上記第一実施形態と異なっている。具体的には、この電解製錬炉１Ｂでは、循環ライン２１の端部（不活性ガスを炉本体１０に供給する側の端部）に、複数のノズル２１Ｎが設けられている。これらノズル２１Ｎは、陽極基板１２に形成されている複数の貫通孔１２Ｈ内にそれぞれ挿通（接続）されている。また、炉本体１０と陽極基板１２との間の間隙は、蓋体１５によって閉止されている。つまり、炉本体１０は、ハウジング１４内の空間に対して隔離されている。
上記構成によれば、陽極基板１２に形成された複数の貫通孔１２Ｈを通じて、循環ライン２１中を流通する不活性ガスが溶融鉱石Ｗｍ中に供給される。これにより、陽極基板１２上に発生した酸素をより効率的に回収することができるとともに、溶融鉱石Ｗｍを不活性ガスの流れによって撹拌することができる。その結果、溶融鉱石Ｗｍの均質化が促進され、電解反応（還元反応）を安定的に進行させることができる。
以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について、図６を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図６に示すように、本実施形態に係る電解製錬システム３００は、第一実施形態の構成に加えて、予備加熱部５と、溶融鉱石供給ライン５Ｌと、混合部６と、酸素供給ライン３１と、不活性抽出ライン６１と、注入ライン６２と、をさらに備えている。
予備加熱部５は、炉本体１０に供給される溶融鉱石Ｗｍを予熱する。予備加熱部５は、溶融構成Ｗｍを貯留するとともにこれを加熱する（予熱する）加熱槽５１と、ノズル５２と、溶融鉱石供給ライン５Ｌと、を有している。ノズル５２は、加熱槽５１内に設けられ、後述する注入ライン６２を経て循環ライン２１から導かれた混合ガス（不活性ガスと酸素の混合ガス）を溶融構成Ｗｍ中に供給する。溶融鉱石供給ライン５Ｌは、加熱槽５１内で予熱された溶融鉱石Ｗｍを電解製錬炉１に供給する。
混合部６は、酸素除去部３から供給された酸素と、循環ライン２１から取り出された不活性ガスとを再び混合することで、所望の酸素分圧を有する混合ガスを生成する。混合部６は、酸素除去部３に対して酸素供給ライン３１によって接続されている。酸素供給ライン３１を通じて酸素除去部３から混合部６に酸素が供給される。さらに、混合部６は、不活性抽出ライン６１を介して循環ライン２１における酸素除去部３の下流側の部分と接続されている。不活性抽出ライン６１を通じて不活性ガスの一部が循環ライン２１から混合部６に供給される。混合部６では、酸素分圧が１０−６〜１０−５ａｔｍとなるように、酸素と不活性ガスとを混合する。混合部６で生成された混合ガスは、注入ライン６２を通じて上述の予備加熱部５に供給される。
上記構成によれば、不活性ガスと酸素からなる混合ガスが、予備加熱部５内の溶融鉱石Ｗｍ中に供給される。ここで、混合ガス中における酸素分圧が特定の値である場合（つまり、上記の１０−６〜１０−５ａｔｍである場合）、溶融鉱石Ｗｍ中の硫黄分が酸化して（二酸化硫黄となって）、気相中に放散することが知られている。つまり、上記の構成によれば、酸素を含む混合ガスを供給することのみによって、溶融鉱石Ｗｍ中に含まれる硫黄分を製錬に先立って効率的に除去することが可能となる。一方で、溶融鉱石Ｗｍ中に硫黄分が溶け込んでいる場合、その除去を行うに当たって困難が生じる可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。
さらに、上記構成によれば、加熱槽５１中に貯留された溶融鉱石Ｗｍを、ノズル５２から吹き出される混合ガスによって効率的に撹拌することができる。これにより、溶融鉱石Ｗｍをより一層均質化させることができる。その結果、炉本体１０内で生じる電解反応（還元反応）を効率的に進行させることができる。
以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図７を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７に示すように、本実施形態に係る電解製錬システム４００は、第一実施形態の構成に加えて、第三実施形態で説明した予備加熱部５、及び溶融鉱石供給ライン５Ｌと、第一酸素除去部３Ａ、及び第二酸素除去部３Ｂと、注入ライン３１Ｂと、をさらに備えている。第一酸素除去部３Ａと第二酸素除去部３Ｂは、上述の酸素除去部３とそれぞれ同等の構成を有している。第一酸素除去部３Ａと第二酸素除去部３Ｂは、循環ライン２１上で直列に配置されている。第一酸素除去部３Ａは、第二酸素除去部３Ｂの上流側に配置されている。また、循環ライン２１上における第一酸素除去部３Ａと第二酸素除去部３Ｂとの間には、予備加熱部５に向かって延びる注入ライン３１Ｂが設けられている。
第一酸素除去部３Ａでは、上述の燃料電池セル４２に印加される電圧（第一電圧）が、第二酸素除去部３Ｂの燃料電池セル４２に印加される電圧（第二電圧）よりも高く設定されている。これにより、第一酸素除去部３Ａでは、循環ライン２１を通じて供給された混合ガス中から酸素の一部のみが除去される。具体的には、第一酸素除去部３Ａでは、混合ガスの酸素分圧が、１０−６〜１０−５ａｔｍとなるまで酸素の除去が進行する。言い換えると、第一酸素除去部３Ａに印加される第一電圧は、酸素分圧が上記の値となるように予め設定された値である。
第一酸素除去部３Ａで酸素分圧が１０−６〜１０−５ａｔｍとなった混合ガスの一部は、注入ライン３１Ｂを通じて予備加熱部５に供給される。予備加熱部５では、この混合ガスによって、溶融鉱石Ｗｍ中に含まれる硫黄分が酸化して気相中に放散する。一方で、第二酸素除去部３Ｂでは、第一酸素除去部３Ａから供給された混合ガスの残余の成分から酸素を全て除去する。第二酸素除去部３Ｂで酸素が除去されることで、循環ライン２１を経て不活性ガスのみが電解製錬炉１に供給される。
上記構成によれば、第一酸素除去部３Ａでは、第一電圧に基づいて、酸素分圧が予め定められた値となった混合ガスが生成される。この混合ガスは予備加熱部５に供給される。ここで、混合ガス中における酸素分圧が特定の値である場合（つまり、１０−６〜１０−５ａｔｍである場合）、溶融鉱石Ｗｍ中の硫黄分が酸化して（二酸化硫黄となって）、気相中に放散することが知られている。また、酸素分圧は、印加される電圧の大きさに基づいて変化することも知られている。したがって、上記の構成によれば、電圧を変化させる（第一電圧を印加する）ことのみによって、溶融鉱石Ｗｍ中に含まれる硫黄分を製錬に先立って効率的に除去することができる。さらに、上記構成では、予備加熱部５に供給されなかった残余の混合ガスから、第二酸素除去部３Ｂによって残存する酸素を除去することができる。これにより、第二酸素除去部３Ｂから溶融鉱石Ｗｍ中に純度の高い不活性ガスを供給することができる。
以上、本発明の第四実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
［第五実施形態］
続いて、本発明の第五実施形態について、図８を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態に係る電解製錬システム５００では、酸素除去部３の構成が上記の各実施形態とは異なっている。本実施形態では、酸素除去部３における基体管４１の延在中途位置に、当該基体管４１中の混合ガスを抽出する分岐管４１Ｄが設けられている。
ここで、基体管４１内では、延在方向の上流側から下流側に向かうに従って、酸素分圧が低くなる。上記の分岐管４１Ｄは、基体管４１の中途位置であって、酸素分圧が予め定められた部分から分岐している。具体的には、分岐管４１Ｄは、酸素分圧が１０−６〜１０−５ａｔｍとなる位置に設けられている。つまり、溶融鉱石Ｗｍ中に硫黄分が溶け込みにくい酸素分圧が得られる位置に分岐管４１Ｄが設けられている。当該酸素分圧下の混合ガスを上述の予備加熱部５に供給することによって、他の装置を用いることなく、溶融鉱石Ｗｍ中から硫黄分を気相に放散させることができる。したがって、後続の処理過程で硫黄分をより容易に除去することができる。
以上、本発明の第五実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
［第六実施形態］
次に、本発明の第六実施形態について、図９を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図９に示すように、本実施形態に係る電解製錬システム６００は、上述の第三実施形態で説明した構成に加えて、硫黄回収装置７と、混合ガス供給ライン７Ａと、第一抽出ライン７１と、第二抽出ライン７２と、をさらに備えている。
硫黄回収装置７は、予備加熱部５の下流側（即ち、予備加熱部５と、循環ライン２１上における酸素除去部３の上流側の部分との間）に設けられている。硫黄回収装置７は、混合ガス供給ライン７Ａによって予備加熱部５と接続されている。硫黄回収装置７は、予備加熱部５で溶融鉱石Ｗｍを撹拌し終えた混合ガス（不活性ガスと酸素の混合ガス）に含まれる硫黄分を除去する。硫黄回収装置７として具体的には、アルカリ液、消石灰、活性炭によって硫黄分を吸着除去する装置が好適に用いられる。硫黄分が除去されることで、硫黄回収装置７では脱硫済み混合ガスが生成される。この脱硫済み混合ガスの一部は、硫黄回収装置７と混合部６とを接続する第一抽出ライン７１を通じて混合部６に供給される。また、脱硫済み混合ガスの他の成分は、第二抽出ライン７２を通じて循環ライン２１における酸素除去部３の上流側に送られる。
上記構成によれば、硫黄回収装置７から第一抽出ライン７１を通じて、混合部６に不活性ガス及び酸素を含む脱硫済み混合ガスを還流させることができる。したがって、混合部６で生成される混合ガスの酸素分圧をさらに精緻に調節することができる。その結果、硫黄回収装置７で、硫黄分をより効率的に回収することができる。
さらに、上記構成によれば、硫黄回収装置７から第二抽出ライン７２を通じて、酸素除去部３に不活性ガス及び酸素を含む脱硫済み混合ガスを還流させることができる。したがって、硫黄回収装置７で硫黄分の回収に用いられた後の不活性ガスを再利用することができる。これにより、不活性ガスの使用量を削減することができる。
以上、本発明の第六実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第六実施形態における第二抽出ライン７２を設けず、第一抽出ライン７１のみを備える構成を採ることも可能である。
［第七実施形態］
続いて、本発明の第七実施形態について、図１０を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１０に示すように、本実施形態に係る電解製錬システム７００は、上述の第三実施形態で説明した構成に加えて、第六実施形態で説明した硫黄回収装置７、及び混合ガス供給ライン７Ａと、酸素追加ライン７３と、をさらに備えている。
酸素追加ライン７３は、混合ガス供給ライン７Ａの中途位置と、酸素除去部３とを接続している。つまり、この酸素追加ライン７３を通じて、予備加熱部５から硫黄回収装置７に向かって流通する混合ガスに、酸素除去部３で生成された酸素の一部が供給される。
上記構成によれば、予備加熱部５から硫黄回収装置７に向かう混合ガスに、酸素追加ライン７３を通じて酸素が供給される。これにより、混合ガスの酸素分圧が上がり、混合ガス中に含まれる硫黄分の酸化を促進することができる。具体的には、混合ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ２）を、より安定的な三酸化硫黄（ＳＯ３）に変化させることができる。その結果、硫黄回収装置７で、硫黄分をより容易かつ効率的に回収することができる。
以上、本発明の第七実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
例えば、電解製錬システムは、鉱石から金属を採取する製錬のみならず、金属の純度を上げるための精錬に用いてもよい。
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００ 電解製錬システム
１ 電解製錬炉
２ 不活性ガス循環部
３ 酸素除去部
３Ａ 第一酸素除去部
３Ｂ 第二酸素除去部
４ セルスタック
５ 予備加熱部
５Ｌ 溶融鉱石供給ライン
６ 混合部
７ 硫黄回収装置
７Ａ 混合ガス供給ライン
１０ 炉本体
１０Ｂ 底部
１１ 陰極基板
１２ 陽極基板
１２Ｈ 貫通孔
１３ コレクタ
１４ ハウジング
１５ 蓋体
２１ 循環ライン
２１Ａ 循環ライン上流部
２１Ｂ 循環ライン下流部
２１Ｎ ノズル
２２ 圧縮機
２３，２３´ 温度調節部
３１ 酸素供給ライン
３１Ｂ 注入ライン
４１ 基体管
４１Ｄ 分岐管
４２ 燃料電池セル
４２Ａ 燃料極
４２Ｂ 固体電解質
４２Ｃ 空気極
４３ インターコネクタ
５１ 加熱槽
５２ ノズル
６１ 不活性ガス抽出ライン
６２ 注入ライン
７１ 第一抽出ライン
７２ 第二抽出ライン
７３ 酸素追加ライン
Ｗｆ 溶融鉄
Ｗｍ 溶融鉱石

Claims (12)

  1. 溶融鉱石が導入される炉本体、該炉本体内の底部に設けられた陰極基板、及び、該炉本体内の陰極基板の上方に設けられた陽極基板を有する電解製錬炉と、
    前記電解製錬炉内に供給した不活性ガスを酸素とともに回収して、前記不活性ガスを再度前記溶融鉱石に供給する循環ラインを有する不活性ガス循環部と、
    前記循環ラインに設けられて、該循環ラインから酸素を除去する酸素除去部と、
    を備える電解製錬システム。
  2. 前記酸素除去部は、
    不活性ガス及び酸素が内部を流通する基体管、及び、該基体管の外周面に設けられて、印加される電圧に応じて前記基体管内の酸素を外部に透過させる燃料電池セルを有するセルスタックを備える請求項１に記載の電解製錬システム。
  3. 前記循環ラインにおける前記酸素除去部の上流側に設けられて、前記循環ラインを流通する不活性ガス及び酸素の温度を、前記燃料電池セルの作動温度に調節する温度調節部をさらに備える請求項２に記載の電解製錬システム。
  4. 前記温度調節部は、前記酸素除去部に流入する相対的に高温の不活性ガス及び酸素と、前記酸素除去部から流出する相対的に低温の不活性ガスとを熱交換させるように構成されている請求項３に記載の電解製錬システム。
  5. 前記陽極基板には、該陽極基板を上下方向に貫通する複数の貫通孔が形成され、
    前記循環ラインは、前記複数の貫通孔に接続されている請求項１から４のいずれか一項に記載の電解製錬システム。
  6. 前記炉本体に供給される前記溶融鉱石を予熱する予備加熱部と、
    前記酸素除去部で前記循環ラインから除去された酸素と、前記循環ラインにおける前記酸素除去部の下流側から取り出された不活性ガスの一部とを混合して混合ガスを生成し、該混合ガスを前記予備加熱部に供給する混合部と、
    をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載の電解製錬システム。
  7. 前記炉本体に供給される前記溶融鉱石を予熱する予備加熱部をさらに備え、
    前記酸素除去部は、
    予め定められた第一電圧によって前記循環ラインから一部の酸素を除去することで、酸素分圧が予め定められた値となった不活性ガス及び酸素の混合ガスを生成し、該混合ガスの一部を前記予備加熱部に供給する第一酸素除去部と、
    前記第一電圧よりも高い第二電圧によって、前記第一酸素除去部から供給された前記混合ガスの残余の成分から酸素を除去する第二酸素除去部と、
    を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の電解製錬システム。
  8. 前記予備加熱部は、
    前記溶融鉱石を貯留する加熱槽と、
    該加熱槽内に設けられ、前記混合ガスを前記溶融鉱石中に供給するノズルと、
    を有する請求項６又は７に記載の電解製錬システム。
  9. 前記酸素除去部は、前記基体管の延在方向における中途位置であって、酸素分圧が予め定められた値となる部分から分岐して、前記混合ガスを前記予備加熱部に供給する分岐管をさらに有する請求項２に記載の電解製錬システム。
  10. 前記予備加熱部の下流側に設けられ、前記予備加熱部から流通した前記混合ガスに含まれる硫黄分を回収して脱硫済み混合ガスを生成する硫黄回収装置と、
    該硫黄回収装置から前記脱硫済み混合ガスを前記混合部に供給する第一抽出ラインと、
    をさらに備える請求項６に記載の電解製錬システム。
  11. 前記予備加熱部の下流側に設けられ、前記予備加熱部から流通した前記混合ガスに含まれる硫黄分を回収して脱硫済み混合ガスを生成する硫黄回収装置と、
    該硫黄回収装置から前記脱硫済み混合ガスを前記酸素除去部に供給する第二抽出ラインと、
    をさらに備える請求項６から１０のいずれか一項に記載の電解製錬システム。
  12. 前記予備加熱部から前記硫黄回収装置に向かって流通する前記混合ガスに、前記酸素除去部で除去された酸素の一部を供給する酸素追加ラインをさらに備える請求項１０又は１１に記載の電解製錬システム。
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