JP2024521087A - 直接還元鉄を製造するための方法及びｄｒｉ製造設備 - Google Patents

Abstract

直接還元鉄を製造するための方法であって、鉄鉱石が、プラズマトーチ内部のメタンの熱クラッキングによって得られた水素を含む還元性ガスによってＤＲＩシャフト内で還元され、還元性ガスが、ＤＲＩシャフトから来る頂部ガスをさらに含む、方法、並びにＤＲＩシャフト（１）と、プラズマトーチ（４０）とを含むＤＲＩ製造設備であって、プラズマトーチが、一方の側でメタン供給源（４１）に接続され、他方の側でＤＲＩシャフト（１）に接続され、ＤＲＩシャフトには、その頂部ガスをＤＲＩシャフト内に注入して戻すことを可能にするリサイクルループが設けられている、ＤＲＩ製造設備。

Description

本発明は、直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造するための方法及びＤＲＩ製造設備に関する

現在、鋼は、２つの主要な製造経路を通じて生成することができる。今日、最も一般的に使用されている生成経路は、酸化鉄を還元するために還元剤、主にコークスを使用して高炉で銑鉄を生成することにある。この方法では、銑鉄１メートルトン当たり約４５０～６００ｋｇのコークスが消費され、この方法は、コークス化プラントにおける石炭からのコークスの生成及び銑鉄の生成の両方において、大量のＣＯ_２を放出する。

第２の主要経路は、いわゆる「直接還元法」を伴う。それらの中には、ブランドＭＩＤＲＥＸ、ＦＩＮＭＥＴ、ＥＮＥＲＧＩＲＯＮ／ＨＹＬ、ＣＯＲＥＸ、ＦＩＮＥＸなどによる方法があり、海綿鉄が、酸化鉄担体の直接還元からＨＤＲＩ（高温直接還元鉄）、ＣＤＲＩ（低温直接還元鉄）又はＨＢＩ（高温ブリケット化鉄）の形態で生成される。ＨＤＲＩ、ＣＤＲＩ及びＨＢＩの形態の海綿鉄は、通常、電気アーク炉でさらに加工される。

低温ＤＲＩ放電を伴う各直接還元シャフトには、頂部の還元ゾーン、中央の移行ゾーン、円錐形の底部の冷却ゾーンの３つのゾーンがある。高温放電ＤＲＩでは、この底部部分は、主に放電前の製品の均質化に使用される。

酸化鉄の還元は、最大９５０℃の温度で炉の上部セクションで起こる。約３０重量％の酸素を含有する酸化鉄鉱石及びペレットを直接還元シャフトの頂部に装入し、還元性ガスを通じて重力によって降下させる。この還元性ガスは、還元ゾーンの底部から炉に入り、帯電した酸化鉄と向流に流れる。鉱石及びペレットに含有される酸素は、ガスと酸化物との向流反応における酸化鉄の段階的な還元で除去される。ガスが炉の頂部に移動している間、ガスの酸化体含有量は、増加している。

還元性ガスは、一般に、水素及び一酸化炭素（合成ガス）を含み、天然ガスの接触改質によって得られる。例えば、いわゆるＭＩＤＲＥＸ法では、第１のメタンは、以下の反応によって改質剤に変換され、合成ガス又は還元ガスを生成する：
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２
酸化鉄は、例えば以下の反応に従って還元ガスと反応する：
３Ｆｅ２０３＋ＣＯ／Ｈ２→２Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ２／Ｈ２Ｏ
Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ／Ｈ２→３ＦｅＯ＋ＣＯ２／Ｈ２Ｏ
ＦｅＯ＋ＣＯ／Ｈ２→Ｆｅ＋ＣＯ２／Ｈ２０
還元ゾーンの端部で、鉱石は、金属化される。

移行セクションは、還元セクションの下に見られ、このセクションは、還元セクションを冷却セクションから分離するのに十分な長さであり、両方のセクションの独立した制御を可能にする。このセクションでは、金属化生成物の炭化が生じる。炭化は、以下の反応によって還元炉内部の金属化生成物の炭素含有量を増加させる工程である：
３Ｆｅ＋ＣＨ４→Ｆｅ３Ｃ＋２Ｈ２（吸熱）
３Ｆｅ＋２ＣＯ→Ｆｅ３Ｃ＋ＣＯ２（発熱）
３Ｆｅ＋ＣＯ＋Ｈ２→Ｆｅ３Ｃ＋Ｈ２Ｏ（発熱）

移行ゾーン内への天然ガスの注入は、移行ゾーン内の金属化生成物の顕熱を使用して、炭化水素クラッキング及び炭素堆積を促進する。酸化体の濃度が比較的低いため、移行ゾーンの天然ガスは、Ｈ_２及びＣＯへの改質よりも、Ｈ_２及び炭素へクラッキングされる可能性が高い。天然ガスクラッキングは、ＤＲＩ炭化のための炭素を提供し、同時にガスに還元剤（Ｈ_２）を添加してガス還元電位を上昇させる。

前世紀の始まりから大気中のＣＯ_２濃度の大幅な増加及びその後の温室効果を考慮すると、ＣＯ_２が大量に生成される場所、したがって特に、ＤＲＩ製造中にＣＯ_２の排出量を削減することが不可欠である。

上で説明したように、メタンと還元炉からの頂部ガスとの混合物を化学的に改質して、水素及び一酸化炭素に富むガスを生成することによって生成された還元性ガスを使用することが知られている。混合物は、触媒管を通って流れ、そこで水素及び一酸化炭素を含むガスに転化される。しかしながら、そのような工程は、高度に吸熱性であり、１１００Ｋを超える高温で使用しなければならない通常はＮｉ／Ａｌ_２Ｏ_３である触媒の使用を必要とする。さらに、触媒は、不純物に非常に敏感であり、不純物は触媒を毒し、そのような化学改質工程の収率を大幅に低下させる可能性がある。

上記に基づいて、良好な収率を示しながら、ＣＯ_２ニュートラルで、環境に優しく、実施が容易な直接還元鉄の製造方法が必要とされている。

この問題は、鉄鉱石が、プラズマトーチ内部のメタンの熱クラッキングによって得られた水素を含む還元性ガスによってＤＲＩシャフト内で還元され、前記還元性ガスが、前記ＤＲＩシャフトから来る頂部ガスをさらに含む、直接還元鉄を製造するための方法によって解決される。

本発明の方法はまた、別々に又はすべての可能な技術的組み合わせに従って考慮される以下の任意選択的な特徴を含み得る：
－水素は、前記ＤＲＩシャフト内に注入される前に前記頂部ガスと混合され、
－還元ガスは、頂部ガスと前記水素との混合後に加熱され、
－還元性ガスの加熱は、ＣＯ_２ニュートラル電気を使用して行われ、
－還元性ガスは、ＤＲＩシャフトにおいてその還元セクションに噴射され、
－前記ＤＲＩシャフトから来る頂部ガスは、前記還元性ガスに添加される前に水を除去するためにスクラビングされ、
－頂部ガス対水素の比は、５：１～１：５に設定され、
－直接還元鉄の炭素含有量は、０．５～５重量％に設定される。

本発明の枠内で、直接還元鉄は、いわゆるＤＲＩをカバーするが、高温ブリケット化鉄（ＨＢＩ）、低温直接還元鉄（ＣＤＲＩ）及び高温直接還元鉄（ＨＤＲＩ）もカバーする。そのような材料は、例えば高炉で銑鉄を生成する工程、又はＢＯＦ若しくは電気アーク炉で鋼を生成する工程のような異なる工程で後に使用することができる。また、可燃性として、又は電池の電極として使用することもできる。

本発明はまた、ＤＲＩシャフト及びプラズマトーチを含むＤＲＩ製造設備に関し、前記プラズマトーチは、一方の側でメタン供給源に接続され、他方の側で前記ＤＲＩシャフトに接続され、前記ＤＲＩシャフトには、その頂部ガスを前記ＤＲＩシャフト内に注入して戻すことを可能にするリサイクルループが設けられている。

設備はまた、別々に又はすべての可能な技術的組み合わせに従って考慮される以下の任意選択的な特徴を含み得る：
－混合器は、一方の側で前記プラズマトーチの出口及びＤＲＩシャフトの頂部に接続することができ、他方の側で前記ＤＲＩシャフトに接続することができ、
－加熱手段を混合器に設けることができ、前記加熱手段は、ＣＯ_２ニュートラル電気によって動力供給され、
－前記混合器は、前記ＤＲＩシャフトの還元セクションに接続することができ、
－スクラバを前記ＤＲＩシャフトの頂部ガス出口に接続することができる。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、指示として以下に与えられ、決して限定的ではない本発明の説明から明らかになるであろう。

本発明によるＤＲＩ製造設備を示す図である。 本発明によるＤＲＩ製造設備の好ましい実施形態を示す図である。

図中の要素は、例示であり、縮尺通りに描かれていない場合がある。

図１は、本発明によるＤＲＩ製造設備の概略図である。ＤＲＩ製造設備は、重力によってシャフトを通って移動する鉄鉱石用の入口１０と、シャフトの中央部に位置する還元セクションと、底部に位置する冷却セクションと、そこから直接還元鉄が最終的に抽出される出口１２と、を頂部から底部に備えるＤＲＩシャフト１を含む。

シャフトの頂部で、ＤＲＩシャフトを出る頂部ガスは、ＤＲＩシャフト１に接続された管２０に収集され、それにより、ＤＲＩシャフト内に再注入して戻されるそのような頂部ガスのリサイクルループが作り出される。ガスは、鉄鉱石のフローに向かって向流で底部まで移動する。

好ましい実施形態では、頂部ガスは、管１１を通じてＤＲＩシャフトの還元セクションに再注入することができる。

ＤＲＩ製造設備は、一方の側がメタン供給源４１に接続され、他方の側が接続管４２によってＤＲＩシャフト１に接続されたプラズマトーチ４０をさらに備える。

プラズマトーチは、プラズマの指向性のフローを生成するための装置である。熱プラズマは、ガスに電気エネルギーを印加することによってプラズマトーチ内に生成することができる。電気エネルギーは、直流、交流、高周波又は他のタイプの放電であり得る。直流トーチでは、電極間に電気アークが形成され、電極は、例えば、銅、タングステン、グラファイト又は銀で作製することができる。熱プラズマは、ガスの入力から形成され、プラズマジェットとして外側に突出する。

最も一般的に使用されるプラズマタイプは、誘電体バリア放電、マイクロ波及びグライディングアークプラズマである。誘電体バリア放電は、少なくとも１つが誘電体バリアによって覆われている２つの電極間に電位差を印加することによって作り出される。それらは、典型的には室温で動作し、コールドプラズマと呼ばれる。

マイクロ波及びグライディングアークプラズマは、より高い温度（典型的には１０００～３０００Ｋ）で動作するため、ウォームプラズマと呼ばれる。

本発明の枠組みにおいて、プラズマは、プラズマ生成ガスとしてメタンを使用することによって作り出すことができ、ＣＨ_４の水素及び固体炭素への非酸化的転化を可能にする。メタンは、ラジカル、イオン、励起原子及び分子、並びに電子のような様々な化学的に活性な種からなるイオン化ガスに変換される。プラズマ中の電子は、印加された電気エネルギーを吸収し、励起、イオン化及び解離によって分子を活性化し、上述の反応種を作り出し、これがさらに反応して新しい分子を形成することができる。これは、化学転化が起こるのを可能にする。

別のガスを使用してプラズマを開始し、そのようなプラズマの第２のステップでメタンを導入して、上記のように変換させることも可能である。

当業者は、ガス圧及びトーチ入力電力の関数としてプラズマの品質を制御する方法を知っている。好ましい実施形態では、比エネルギー入力（ＳＥＩ、すなわち、ガス流量に対するプラズマ出力の比）は、０．１～５００ｋＪ・ｌ^－１、好ましくは１００～４００ｋＪ・ｌ^－１の範囲であり、５０～９９体積％、好ましくは７０～９９体積％のメタンの水素への転化率に達することを可能にする。

プラズマは、非常に柔軟であり、容易にオン／オフに切り替えることができるため、グリッドに貯蔵することができない再生可能資源からの間欠的に生成されたＣＯ_２ニュートラル電気を使用することができる。

再生可能資源からのＣＯ_２ニュートラル電気は、太陽光、風、雨、潮汐、波及び地熱のような発生源を含む人間のタイムスケールで自然に補充される再生可能資源から収集されるエネルギーとして定義される。

一実施形態では、メタンのクラッキング由来の水素が十分な量で生成されないときはいつでも、例えば再生可能源からの電気が部分的に利用できないために、追加の水素の供給をＤＲＩシャフトの還元セクションに注入することができる。

ＤＲＩ製造設備は、シャフト１への再注入の前に、ＤＲＩシャフトの頂部ガス出口に位置するスクラバ２をさらに備え得る。ＤＲＩシャフトから出る頂部ガスは、通常、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２及びＮ_２を様々な割合で含む。頂部ガススクラビング動作は、流れの残部から水蒸気を除去して、その還元電位を改善することを可能にする。

好ましい実施形態では、スクラビング後、頂部ガスは、４０～７５体積％のＨ_２、０～３０体積％の一酸化炭素ＣＯ、０～１０体積％のメタンＣＨ_４、０～２５体積％の二酸化炭素ＣＯ_２、最大５体積％のＨ_２Ｏを含み、残りは窒素Ｎ_２である。スクラビング後、そのような頂部ガス中のＨ_２／Ｎ_２の比は１．５～３であることが好ましい。

頂部ガスがスクラバ２を出ると、接続管１１を通じたＤＲＩシャフトにおけるその再注入前に、任意選択的に、圧縮及び／又は再加熱することができる。好ましい実施形態では、その温度は、７００℃～１０００℃、好ましくは８００～１０００℃の範囲に設定される。

直接還元鉄の炭素含有量を増加させるために、追加の炭素源をシャフト１の移行セクション５０及び／又は冷却セクションに注入することができる。そのような追加の炭素源は、気体形態及び／又は固体形態であり得、例えばバイオガス及び／又はバイオコールからなり得る。そのような追加の炭素源として、又は直接還元鉄の炭素含有量を設定するための唯一の炭素源としてさえ、メタンのプラズマ転化の副生成物として形成された固体炭素を使用することも可能である。

バイオガスは、バイオリアクタと呼ばれる閉鎖系内部の酸素の非存在下で有機物を分解することによって得ることができる再生可能エネルギー源である。バイオガスは、農業廃棄物、肥料、都市廃棄物、植物材料、下水、生物学的廃棄物、食品廃棄物又は任意の生分解性材料などの原材料から生成することができる。

バイオコールは、産業工程において化石炭に取って代わることができるカーボンニュートラル燃料である。これは、制御された温度及び滞留時間条件内で実行されるバイオマスの熱分解及び炭化によって生成される。無酸素条件下で行われるバイオマスの熱転化は、供給原料から揮発性有機化合物及びセルロース成分を除去し、化石石炭のような特徴を有する固体バイオ燃料を作り出すことを可能にする。

好ましい実施形態では、直接還元鉄の炭素含有量は、０．５～５重量％、好ましくは１～３重量％、又は２～３重量％に設定され、これは、容易に取り扱うことができ、かつその将来の使用のために良好な燃焼電位及び良好なレベルの不動態化を維持する直接還元鉄を得ることを可能にする。

ＤＲＩ製造設備は、そのレベルに存在するガスの一部を抽出してスクラバ３０に送り、次いでそれをシャフト１に再注入する前に圧縮ユニット３１に送ることを可能にするリサイクルループを冷却セクションにさらに備え得る。

図２は、本発明の別の実施形態による概略的なＤＲＩ製造設備を示している。シャフトの頂部で、ＤＲＩシャフトから出る頂部ガスは、図１の設備と同様に、流れの残部から水蒸気を除去するために、スクラバ２に接続された管２０に収集される。

好ましい実施形態では、スクラビング後、頂部ガスは、４０～７５体積％のＨ_２、０～３０体積％の一酸化炭素ＣＯ、０～１０体積％のメタンＣＨ_４、０～２５体積％の二酸化炭素ＣＯ_２、最大５体積％のＨ_２Ｏを含み、残りは窒素Ｎ_２である。スクラビング後、そのような頂部ガス中のＨ_２／Ｎ_２の比は１．５～３であることが好ましい。

次いで、スクラビングされたガスは、接続管２１を通じて混合器４の入口の一方に送られ得る。

前記混合器４の他方の入口は、メタン供給源４１から来るメタンのクラッキングによって生成された水素を取り込むためにプラズマトーチ４０の出口に接続される。

混合後、還元ガスは、任意選択的に、混合器に設けられた加熱手段を通じて加熱することができ、そのような加熱手段は、ＣＯ_２ニュートラル電気によって動力供給されている。好ましい実施形態では、還元ガスの温度は、７００℃～１０００℃、好ましくは８００～１０００℃の範囲に設定される。

次いで、頂部ガス及び水素から作製された還元ガスは、管１１を通じてＤＲＩシャフト、好ましくはその還元セクションに送り戻される。

好ましい実施形態では、頂部ガス対水素の比は、５：１～１：５、好ましくは２：１～１：２に設定される。そのような比は、還元流中のＨ_２及びＣＯのそれぞれの量を制御するために特に定義される。ＣＯの割合を増加させなければならない場合、還元ガス中の頂部ガスの割合が増加する。Ｈ_２の割合を増加させなければならない場合、還元ガス中の頂部ガスの割合が減少する。

直接還元鉄の炭素含有量を増加させるために、追加の炭素源を移行セクション５０及び／又は冷却セクションに注入することができる。そのような追加の炭素源は、気体形態及び／又は固体形態であり得、例えばバイオガス及び／又はバイオコールからなり得る。そのような追加の炭素源として、又は直接還元鉄の炭素含有量を設定するための唯一の炭素源としてさえ、メタンのプラズマ転化の副生成物として形成された固体炭素を使用することも可能である。

好ましい実施形態では、直接還元鉄の炭素含有量は、０．５～５重量％、好ましくは１～３重量％、又は２～３重量％に設定され、これは、容易に取り扱うことができ、かつその将来の使用のために良好な燃焼電位を維持する直接還元鉄を得ることを可能にする。

本発明による方法を使用することにより、ＣＯ_２ニュートラルのままにし、かつ再生可能資源からの間欠的なＣＯ_２ニュートラル電気のようなグリーン資源を最適に利用しながら、適切な品質及び収率で直接還元鉄を製造することができる。

Claims (13)

1. 直接還元鉄を製造するための方法であって、鉄鉱石が、プラズマトーチ内部でのメタンの熱クラッキングによって得られた水素を含む還元性ガスによってＤＲＩシャフト内で還元され、前記還元性ガスが、前記ＤＲＩシャフトから来る頂部ガスをさらに含む、方法。
2. 前記水素が、前記ＤＲＩシャフト内に注入される前に前記頂部ガスと混合される、請求項１に記載の方法。
3. そのような還元ガスが、前記頂部ガスと前記水素との混合後に加熱される、請求項２に記載の方法。
4. 前記還元性ガスの前記加熱が、ＣＯ_２ニュートラルニ電気を使用して行われる、請求項３に記載の方法。
5. 前記還元性ガスが、前記ＤＲＩシャフトの還元セクション内に注入される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ＤＲＩシャフトから来る前記頂部ガスが、前記還元性ガスに添加される前に水を除去するためにスクラビングされる、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 頂部ガス対水素の比が、５：１～１：５に設定される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記直接還元鉄の炭素含有量が、０．５～５重量％に設定される、請求項７に記載の方法。
9. ＤＲＩシャフト（１）と、プラズマトーチ（４０）とを含むＤＲＩ製造設備であって、前記プラズマトーチ（４０）が、一方の側でメタン供給源（４１）に接続され、他方の側で前記ＤＲＩシャフト（１）に接続され、前記ＤＲＩシャフト（１）には、その頂部ガスを前記ＤＲＩシャフト（１）内に注入して戻すことを可能にするリサイクルループが設けられている、ＤＲＩ製造設備。
10. 前記プラズマトーチ（４０）の出口及び前記ＤＲＩシャフト（１）の頂部に一方の側で接続され、前記ＤＲＩシャフト（１）に他方の側で接続された混合器（４）をさらに含む、請求項８に記載のＤＲＩ設備。
11. 前記混合器（４）用の加熱手段をさらに含み、前記加熱手段が、ＣＯ_２ニュートラルニュートラル電気によって動力供給されている、請求項９に記載のＤＲＩ設備。
12. 前記混合器（４）が、前記ＤＲＩシャフト（１）の還元セクションに接続されている、請求項９又は１０に記載のＤＲＩ設備。
13. 前記ＤＲＩシャフト（１）の頂部ガス出口に接続されたスクラバ（２）をさらに備える、請求項９～１２のいずれか一項に記載のＤＲＩ設備。

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