JP2934517B2 - 金属鉱石の直接還元方法 - Google Patents
金属鉱石の直接還元方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温ガス冷却原子炉
（以下ＨＴＧＲ）の核熱を利用した金属鉱石の直接還元
方法に関する。
（以下ＨＴＧＲ）の核熱を利用した金属鉱石の直接還元
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＨＴＧＲ核熱による天然ガスの水蒸気改
質により還元ガスを作り、ＨＴＧＲの核熱を熱源として
使用し、鉄鉱石を流動材とする多段流動層反応炉におい
て前記還元ガスによって鉄鉱石を還元して製鉄を行う従
来の方法を、図３に示す。
質により還元ガスを作り、ＨＴＧＲの核熱を熱源として
使用し、鉄鉱石を流動材とする多段流動層反応炉におい
て前記還元ガスによって鉄鉱石を還元して製鉄を行う従
来の方法を、図３に示す。
【０００３】ＨＴＧＲ２００を冷却した高温のヘリウム
ガス１２０で天然ガス１３０のリフォーマ１３２を加熱
し、脱硫された天然ガス１３０と改質用蒸気発生器１３
１からの水蒸気の混合ガスを同リフォーマ１３２へ供給
して天然ガスから改質ガスを作る。この改質ガスをＣＯ
転化装置１３３で水素主体の還元ガスとし、ＣＯ2 Ｈ 2
Ｏ分離器１３４でＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏを分離して水素ガスと
する。この水素ガスを、ＨＴＧＲ２００からの高温ヘリ
ウムガス１２０により還元ガス加熱器１２２で７５０℃
まで加熱し、４段式流動層炉１４０へ供給する。４段式
流動層炉では途中の２段目から還元ガスを、ＨＴＧＲ２
００から供給される高温ヘリウムガス１２０によって還
元ガス再熱器１２３で再加熱し次の段へ供給するように
なっている。４段式流動層炉１４０で鉄鉱石１４３と反
応し水素は水蒸気となり、鉄鉱石１４３は還元鉄１４４
に、還元ガスは水蒸気を含んだガスとなる。還元鉄１４
４は電炉１４５で溶融され、鋼材１４６となる。水蒸気
を含んだ還元ガスは、循環ファン１４１で昇圧された
後、蒸気分離器１４２で水蒸気と分離されたのち再使用
される。前記のリフォーマ１３２、還元ガス加熱器１２
２及び還元ガス再熱器１２３から出たヘリウムガスは、
発電用蒸気発生器１５０で水蒸気を発生する熱源として
使用されたあとＨＴＧＲ２００の冷却用ガスとして使用
される。発電用蒸気発生器１５０で発生した水蒸気は蒸
気１５１タービンを駆動し、発電機１５２で電気を発生
する。この電気は一部電炉用電源として用いられる。
ガス１２０で天然ガス１３０のリフォーマ１３２を加熱
し、脱硫された天然ガス１３０と改質用蒸気発生器１３
１からの水蒸気の混合ガスを同リフォーマ１３２へ供給
して天然ガスから改質ガスを作る。この改質ガスをＣＯ
転化装置１３３で水素主体の還元ガスとし、ＣＯ2 Ｈ 2
Ｏ分離器１３４でＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏを分離して水素ガスと
する。この水素ガスを、ＨＴＧＲ２００からの高温ヘリ
ウムガス１２０により還元ガス加熱器１２２で７５０℃
まで加熱し、４段式流動層炉１４０へ供給する。４段式
流動層炉では途中の２段目から還元ガスを、ＨＴＧＲ２
００から供給される高温ヘリウムガス１２０によって還
元ガス再熱器１２３で再加熱し次の段へ供給するように
なっている。４段式流動層炉１４０で鉄鉱石１４３と反
応し水素は水蒸気となり、鉄鉱石１４３は還元鉄１４４
に、還元ガスは水蒸気を含んだガスとなる。還元鉄１４
４は電炉１４５で溶融され、鋼材１４６となる。水蒸気
を含んだ還元ガスは、循環ファン１４１で昇圧された
後、蒸気分離器１４２で水蒸気と分離されたのち再使用
される。前記のリフォーマ１３２、還元ガス加熱器１２
２及び還元ガス再熱器１２３から出たヘリウムガスは、
発電用蒸気発生器１５０で水蒸気を発生する熱源として
使用されたあとＨＴＧＲ２００の冷却用ガスとして使用
される。発電用蒸気発生器１５０で発生した水蒸気は蒸
気１５１タービンを駆動し、発電機１５２で電気を発生
する。この電気は一部電炉用電源として用いられる。
【０００４】なお、各部分におけるヘリウムガス，水蒸
気，還元ガス等の温度が、図３中に示されている。
気，還元ガス等の温度が、図３中に示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】地球温暖化防止の観点
からＣＯ2 の発生の抑制が望まれているが、前記従来の
技術では、原料天然ガスから還元ガスを合成するため、
抜本的なＣＯ2 の削減にはつながらない。また、前記従
来の技術では、還元ガスからの水蒸気の分離を凝縮によ
って行なうので、熱効率が低下する。
からＣＯ2 の発生の抑制が望まれているが、前記従来の
技術では、原料天然ガスから還元ガスを合成するため、
抜本的なＣＯ2 の削減にはつながらない。また、前記従
来の技術では、還元ガスからの水蒸気の分離を凝縮によ
って行なうので、熱効率が低下する。
【０００６】本発明は、ＣＯ2 の発生を削減することが
でき、かつ熱効率の高い核熱を利用した金属鉱石の直接
還元方法を提供しようとするものである。
でき、かつ熱効率の高い核熱を利用した金属鉱石の直接
還元方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の金属鉱石の直接
還元方法は、固体電解質を用いた高温水蒸気電解装置に
おいてＨＴＧＲの高温の核熱と同核熱によって発電した
電力を用いて水蒸気より水素ガスを発生させ、この水素
ガスによって金属鉱石を直接還元する金属鉱石の直接還
元方法であって、前記高温水蒸気電解装置より出る水素
ガスと水蒸気の混合ガス中の水蒸気を圧力スイング式水
蒸気吸着装置で吸着して水素ガスより分離し、この水蒸
気を分離した水素ガスによって金属鉱石を直接還元す
る。
還元方法は、固体電解質を用いた高温水蒸気電解装置に
おいてＨＴＧＲの高温の核熱と同核熱によって発電した
電力を用いて水蒸気より水素ガスを発生させ、この水素
ガスによって金属鉱石を直接還元する金属鉱石の直接還
元方法であって、前記高温水蒸気電解装置より出る水素
ガスと水蒸気の混合ガス中の水蒸気を圧力スイング式水
蒸気吸着装置で吸着して水素ガスより分離し、この水蒸
気を分離した水素ガスによって金属鉱石を直接還元す
る。
【０００８】
【作用】本発明では、固体電解質を用いた高温水蒸気電
解装置において、ＨＴＧＲの高温の核熱と同核熱によっ
て発電した電力を用いて水蒸気から水素ガスを発生さ
せ、これを用いて金属鉱石の直接還元を行なっているた
めに、ＣＯ2 を発生することがない。
解装置において、ＨＴＧＲの高温の核熱と同核熱によっ
て発電した電力を用いて水蒸気から水素ガスを発生さ
せ、これを用いて金属鉱石の直接還元を行なっているた
めに、ＣＯ2 を発生することがない。
【０００９】また、水蒸気は、圧力スイング（以下ＰＳ
Ａという）式水蒸気吸着装置において凝縮することなく
吸着されて水素ガスから分離されるので、分離された水
蒸気を熱源として再利用することが可能であり、熱効率
が向上する。
Ａという）式水蒸気吸着装置において凝縮することなく
吸着されて水素ガスから分離されるので、分離された水
蒸気を熱源として再利用することが可能であり、熱効率
が向上する。
【００１０】
【実施例】鉄鉱石の直接還元方法としての本発明の一実
施例を、図１によって説明する。
施例を、図１によって説明する。
【００１１】ＨＴＧＲ（高温ガス冷却原子炉）１０から
でた高温のヘリウムガスは、中間熱交換器１２，蒸気発
生器１３に供給される。この高温ヘリウムガスの熱によ
って蒸気発生器１３で発生した水蒸気は、蒸気タービン
３０へ供給されて同蒸気タービン３０を駆動し、後記す
る高温水蒸気電解に必要な電力を発生する。蒸気タービ
ン３０からでた水蒸気は、コンデンサ３１で凝縮し、給
水加熱器３２，３３，３４で加熱された上、蒸気発生器
１３へ戻る。
でた高温のヘリウムガスは、中間熱交換器１２，蒸気発
生器１３に供給される。この高温ヘリウムガスの熱によ
って蒸気発生器１３で発生した水蒸気は、蒸気タービン
３０へ供給されて同蒸気タービン３０を駆動し、後記す
る高温水蒸気電解に必要な電力を発生する。蒸気タービ
ン３０からでた水蒸気は、コンデンサ３１で凝縮し、給
水加熱器３２，３３，３４で加熱された上、蒸気発生器
１３へ戻る。
【００１２】蒸気タービン３０の低圧段から抽気された
１０気圧の抽気水蒸気４２の一部は、後記する高温水蒸
気電解用原料蒸気として用いられ、残りは海水淡水化装
置４０の加熱蒸気として用いられる。海水淡水化装置４
０には、海水４１が供給され生成淡水４４と濃縮された
海水４３が放出される。淡水４４は、前記コンデンサ３
１よりの水と混合して前記発電用の補給水として用いら
れる。
１０気圧の抽気水蒸気４２の一部は、後記する高温水蒸
気電解用原料蒸気として用いられ、残りは海水淡水化装
置４０の加熱蒸気として用いられる。海水淡水化装置４
０には、海水４１が供給され生成淡水４４と濃縮された
海水４３が放出される。淡水４４は、前記コンデンサ３
１よりの水と混合して前記発電用の補給水として用いら
れる。
【００１３】前記抽気水蒸気の一部である高温水蒸気電
解用の水蒸気は、前記中間熱交換器１２で７００から１
０００℃に加熱された後高温水蒸気電解装置２０に供給
される。
解用の水蒸気は、前記中間熱交換器１２で７００から１
０００℃に加熱された後高温水蒸気電解装置２０に供給
される。
【００１４】また、高温水蒸気電解装置には、公知の固
体電解質が用いられた電解セルとして構成されており、
同電解装置２０には装置を加熱し装置内で発生する熱を
除去するため空気が供給される。この空気は、ガスター
ビン２１のコンプレッサで約１０気圧に圧縮され、前記
中間熱交換器１２で７００から１０００℃に加熱され、
高温水蒸気電解装置２０に供給される。
体電解質が用いられた電解セルとして構成されており、
同電解装置２０には装置を加熱し装置内で発生する熱を
除去するため空気が供給される。この空気は、ガスター
ビン２１のコンプレッサで約１０気圧に圧縮され、前記
中間熱交換器１２で７００から１０００℃に加熱され、
高温水蒸気電解装置２０に供給される。
【００１５】高温水蒸気電解装置２０としては、例え
ば、特願平１−２７１２８８号に係る図２に示すものが
用いられる。即ち、図２に示すように、高温水蒸気電解
装置２０においては、石英ガラス容器１０１に入った多
孔質セラミックス１０２からなる部分に、前記蒸気ター
ビン３０の低圧段から抽気された抽気水蒸気の一部であ
る水蒸気が、中間熱交換器１２で１０００℃まで加熱さ
れた上、水蒸気入口管１０３から供給される。この高温
の水蒸気は、固体電解質としてのイットリア安定化ジウ
ルコニア（以下、ＹＳＺという）等の円筒で作られた電
解セル１０５に供給される。この電解セル１０５の白金
またはニッケルのＹＳＺサーメットでできた水素極１０
６に結線された負電極１０７と白金またはランタン型プ
ロブスカイト型酸化物（ＬａＣｏＯ3 ，ＬａＭｎＯ2 ，
ＬａＣｒＯ3 等）でできた酸素極１０８に結線された正
電極１０９に直流電圧を加えると、水蒸気が電解され、
水素極１０６側に水素ガスが、酸素極１０８側に酸素ガ
スが生じる。前記ガスタービン２１のコンプレッサで圧
縮され中間加熱器１２で１０００℃まで加熱された空気
が空気入口管１１０へ供給され、前記の発生した酸素ガ
スは、この空気によって酸素富化空気となって出口管１
１１から排出される。
ば、特願平１−２７１２８８号に係る図２に示すものが
用いられる。即ち、図２に示すように、高温水蒸気電解
装置２０においては、石英ガラス容器１０１に入った多
孔質セラミックス１０２からなる部分に、前記蒸気ター
ビン３０の低圧段から抽気された抽気水蒸気の一部であ
る水蒸気が、中間熱交換器１２で１０００℃まで加熱さ
れた上、水蒸気入口管１０３から供給される。この高温
の水蒸気は、固体電解質としてのイットリア安定化ジウ
ルコニア（以下、ＹＳＺという）等の円筒で作られた電
解セル１０５に供給される。この電解セル１０５の白金
またはニッケルのＹＳＺサーメットでできた水素極１０
６に結線された負電極１０７と白金またはランタン型プ
ロブスカイト型酸化物（ＬａＣｏＯ3 ，ＬａＭｎＯ2 ，
ＬａＣｒＯ3 等）でできた酸素極１０８に結線された正
電極１０９に直流電圧を加えると、水蒸気が電解され、
水素極１０６側に水素ガスが、酸素極１０８側に酸素ガ
スが生じる。前記ガスタービン２１のコンプレッサで圧
縮され中間加熱器１２で１０００℃まで加熱された空気
が空気入口管１１０へ供給され、前記の発生した酸素ガ
スは、この空気によって酸素富化空気となって出口管１
１１から排出される。
【００１６】電解セル１０５は、内部の温度を一定にす
るためと、熱放散を防ぐため、断熱容器１１２でおおわ
れている。また、温度を均一にするため、空気入口管１
１０と出口管１１１に、多孔質セラミックス１１３を設
けるようにしてもよい。前記の発生した水素ガスは、残
存する水蒸気と共に水素出口管１１２から排出される。
るためと、熱放散を防ぐため、断熱容器１１２でおおわ
れている。また、温度を均一にするため、空気入口管１
１０と出口管１１１に、多孔質セラミックス１１３を設
けるようにしてもよい。前記の発生した水素ガスは、残
存する水蒸気と共に水素出口管１１２から排出される。
【００１７】高温水蒸気電解装置２０では、以上のよう
に水蒸気が水素ガスと、酸素ガスに分解され、酸素ガス
は空気と混合して約１０００℃の酸素富化空気となり、
高温水蒸気電解装置２０から出る。この酸素富化空気の
熱は、ガスタービン２１で動力回収されて、同ガスター
ビン２１による一部電気出力の一部として回収されると
共に、ガスタービン２１の燃料の酸化に用いられる。同
ガスタービン２１の排気は約３００℃の温度であり、こ
の熱は前記給水加熱器３４で熱回収される。ガスタービ
ン２１と蒸気タービン３０で発電された電気は、前記の
高温水蒸気電解装置２０の電解用電力として利用され
る。
に水蒸気が水素ガスと、酸素ガスに分解され、酸素ガス
は空気と混合して約１０００℃の酸素富化空気となり、
高温水蒸気電解装置２０から出る。この酸素富化空気の
熱は、ガスタービン２１で動力回収されて、同ガスター
ビン２１による一部電気出力の一部として回収されると
共に、ガスタービン２１の燃料の酸化に用いられる。同
ガスタービン２１の排気は約３００℃の温度であり、こ
の熱は前記給水加熱器３４で熱回収される。ガスタービ
ン２１と蒸気タービン３０で発電された電気は、前記の
高温水蒸気電解装置２０の電解用電力として利用され
る。
【００１８】一方、高温水蒸気電解装置２０で発生した
水素ガス２２は、後記する還元ガスと混合され、ＰＳＡ
式水蒸気吸着装置５１において水蒸気を分離される。分
離された水蒸気は、前記給水加熱器３２に供給されて熱
回収される。ＰＳＡ式水蒸気吸着装置５１で水蒸気を分
離したガスは、循環ファン５２で昇圧され、部分燃焼器
５３で一部のガスを燃焼して温度を約８００℃に上げた
後、還元ガスとして流動層反応装置５４へ供給される。
この流動層反応装置５４は３段になっており、各段にお
いては、供給される鉄鉱石５５が流動材を形成してお
り、また各段で温度が異なるようになっている。最後の
反応装置をでた還元ガスは、前記のように高温水蒸気電
解装置２０からの水素ガス２２と混合して循環する。
水素ガス２２は、後記する還元ガスと混合され、ＰＳＡ
式水蒸気吸着装置５１において水蒸気を分離される。分
離された水蒸気は、前記給水加熱器３２に供給されて熱
回収される。ＰＳＡ式水蒸気吸着装置５１で水蒸気を分
離したガスは、循環ファン５２で昇圧され、部分燃焼器
５３で一部のガスを燃焼して温度を約８００℃に上げた
後、還元ガスとして流動層反応装置５４へ供給される。
この流動層反応装置５４は３段になっており、各段にお
いては、供給される鉄鉱石５５が流動材を形成してお
り、また各段で温度が異なるようになっている。最後の
反応装置をでた還元ガスは、前記のように高温水蒸気電
解装置２０からの水素ガス２２と混合して循環する。
【００１９】前記の流動層反応装置５４においては、同
装置５４に供給される鉄鉱石５５は還元ガス中の水素と
反応して直接還元され還元鉄５６となる。また、鉄鉱石
５５の反応熱をあたえるために、ＨＴＧＲ１０からの高
温のヘリウムガスが供給される流動層加熱用熱交換器１
４で加熱されたヘリウムガス１５が用いられ、このヘリ
ウムガス１５は、流動層反応装置５４へ供給されて流動
層反応装置５４を加熱する。流動層反応装置５４を加熱
したヘリウムガス１５は、前記給水加熱器３３で熱回収
が行なわれた後流動層加熱用熱交換器１４へもどる。
装置５４に供給される鉄鉱石５５は還元ガス中の水素と
反応して直接還元され還元鉄５６となる。また、鉄鉱石
５５の反応熱をあたえるために、ＨＴＧＲ１０からの高
温のヘリウムガスが供給される流動層加熱用熱交換器１
４で加熱されたヘリウムガス１５が用いられ、このヘリ
ウムガス１５は、流動層反応装置５４へ供給されて流動
層反応装置５４を加熱する。流動層反応装置５４を加熱
したヘリウムガス１５は、前記給水加熱器３３で熱回収
が行なわれた後流動層加熱用熱交換器１４へもどる。
【００２０】以上のように、本実施例では、ＨＴＧＲ１
０の核熱と同核熱から発生した蒸気を用いて発電された
電力を用いて、高温水蒸気電解装置２０において水蒸気
から水素ガスを発生させ、この水素ガスによって流動層
反応装置５４で鉄鉱石５５の直接還元を行っているの
で、ＣＯ2 の発生がない直接還元方法を実現することが
できる。
０の核熱と同核熱から発生した蒸気を用いて発電された
電力を用いて、高温水蒸気電解装置２０において水蒸気
から水素ガスを発生させ、この水素ガスによって流動層
反応装置５４で鉄鉱石５５の直接還元を行っているの
で、ＣＯ2 の発生がない直接還元方法を実現することが
できる。
【００２１】また、高温水蒸気電解装置２０を出たガス
中の水蒸気は、ＰＳＡ式水蒸気吸着装置５１において凝
縮することなく水素ガスから分離され、その熱が給水加
熱器３２において熱回収されるために、熱効率を向上さ
せることができる。
中の水蒸気は、ＰＳＡ式水蒸気吸着装置５１において凝
縮することなく水素ガスから分離され、その熱が給水加
熱器３２において熱回収されるために、熱効率を向上さ
せることができる。
【００２２】なお、前記実施例は鉄鉱石の直接還元方法
に係るが、本発明は他の金属鉱石の直接還元に適用する
ことができる。
に係るが、本発明は他の金属鉱石の直接還元に適用する
ことができる。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、ＨＴ
ＧＲの高温の核熱と同核熱から発電した電力を利用して
水蒸気から発生した水素ガスを用いて金属鉱石の直接還
元を行なっており、ＣＯ2 の発生のない金属鉱物の直接
還元方法を提供することができる。
ＧＲの高温の核熱と同核熱から発電した電力を利用して
水蒸気から発生した水素ガスを用いて金属鉱石の直接還
元を行なっており、ＣＯ2 の発生のない金属鉱物の直接
還元方法を提供することができる。
【００２４】また、ＰＳＡ式水蒸気吸着装置によって高
温水蒸気電解装置からの水蒸気を凝縮させることなく水
素ガスより分離することができ、吸着された水蒸気の熱
を再利用して熱効率を向上させることができる。
温水蒸気電解装置からの水蒸気を凝縮させることなく水
素ガスより分離することができ、吸着された水蒸気の熱
を再利用して熱効率を向上させることができる。
【図１】本発明の一実施例の系統図である。
【図２】同実施例に用いられる高温水蒸気電解装置の説
明図である。
明図である。
【図３】従来の高温ガス冷却原子炉を用いた鉄鉱石の直
接還元方法の系統図である。
接還元方法の系統図である。
１０ 高温ガス冷却原子炉（ＨＴＧＲ） １２ 中間熱交換器 １３ 蒸気発生器 １４ 流動層加熱用熱交換器 １５ ヘリウムガス ２０ 高温水蒸気電解装置 ２１ ガスタービン ２２ 水素ガス ３０ 蒸気タービン ３１ コンデンサ ３２，３３，３４ 給水加熱器 ４０ 海水淡水化装置 ４１ 海水 ４２ 抽気水蒸気 ４３ 海水 ４４ 生成淡水 ５１ 圧力スイング（ＰＳＡ）式水蒸気吸着装置 ５２ 循環ファン ５３ 部分燃焼器 ５４ 流動層反応装置 ５５ 鉄鉱石 ５６ 還元鉄
フロントページの続き (72)発明者 村上 信明 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株 式会社長崎研究所内 (72)発明者 田北 勝彦 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株 式会社長崎研究所内 (72)発明者 村石 顕介 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株 式会社長崎造船所内 (72)発明者 金子 祥三 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株 式会社長崎造船所内 (72)発明者 内田 聡 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株 式会社長崎造船所内 (56)参考文献 特開 昭51−98683（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C21D 9/00 C21B 15/00
Claims (1)
- 【請求項１】 固体電解質を用いた高温水蒸気電解装置
において高温ガス冷却原子炉の高温の核熱と同核熱によ
って発電した電力を用いて水蒸気より水素ガスを発生さ
せ、この水素ガスによって金属鉱石を直接還元する金属
鉱石の直接還元方法であって、前記高温水蒸気電解装置
より出る水素ガスと水蒸気の混合ガス中の水蒸気を圧力
スイング式水蒸気吸着装置で吸着して水素ガスより分離
し、この水蒸気を分離した水素ガスによって金属鉱石を
直接還元することを特徴とする金属鉱石の直接還元方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3015302A JP2934517B2 (ja) | 1991-02-06 | 1991-02-06 | 金属鉱石の直接還元方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3015302A JP2934517B2 (ja) | 1991-02-06 | 1991-02-06 | 金属鉱石の直接還元方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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