JP3089233B2 - 直接還元反応器のためのガス化方法および装置 - Google Patents

直接還元反応器のためのガス化方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、「ＤＲＩ」法とも
呼ばれる、鉄の直接還元のためのプロセスにおいて、供
給原料として部分酸化ガス化法の間に製造される、合成
ガス（syngas）の利用に、一般的に関する。
【０００２】
【従来の技術】予想されるスクラップまでの期間が短縮
されたことと、統合された製鋼所の代わりとして多数の
ミニ製鋼所が増加したことが刺激になって、ＤＲＩ生産
が、現在、国際的に大きな発展を遂げつつある。固体の
供給に基づくＤＲＩプロセスは、供給される鉄鉱石によ
って２種類の広い技術に分けられる。それは、塊および
／またはペレットによる供給と、微粉末による供給であ
る。さらに、使用される炭化水素供給原料、たとえば石
炭またはガスによって、細分することができる。
【０００３】塊／ペレットによる主要な技術は「Ｍｉｄ
ｒｅｘ」および「ＨＹＬ III 」として知られ、微粉末
による技術は、「Ｆｉｏｒ」法として知られる。すべて
の方法が、ＤＲＩ反応の還元ガス供給原料として、改質
された天然ガスを用いる。ＨＹＬ III およびＦｉｏｒ
法は、天然ガスの通常の水蒸気改質を用いて、水素と一
酸化炭素を含む合成ガスを製造している。二酸化炭素の
ような不純物は、スクラバーによって除去される。Ｍｉ
ｄｒｅｘ法は、専用の改質装置で、水蒸気と二酸化炭素
の組合せによる天然ガスの改質を用いている。
【０００４】還元ガスを製造するこれらの方法では、Ｄ
ＲＩプラントのために最も有利な地点は、極端な輸送コ
ストを未然に防ぐことから、安価な天然ガスと、高品位
の鉄鉱石がすぐ近くに位置している場所である。
【０００５】部分酸化ガス化法は、水素と一酸化炭素を
主成分として含むガスを製造するのに、しばしば用いら
れる。このガスを、一般に合成ガスまたは「syngas」と
呼ぶ。このような部分酸化ガス化法は、比較的高圧で、
一般に２０気圧より高い圧力で操作されるときに最も効
果的である。ここに用いるように、部分酸化反応器は、
「ガス化反応器」または単に「ガス化装置」と呼ばれ、
これらの用語は、しばしば同じ意味に用いられ、互換性
がある。
【０００６】部分酸化反応のための供給原料は、炭化水
素性物質である。それは１種または２種以上の物質であ
り、一般に有機性で、ガス化反応に対して水素源と炭素
源を提供する。該炭化水素性物質は、ガス状、液体状も
しくは固体状であってもよく、所望により、たとえば流
動状態の固体−液体組成のような組合せでもよい。石油
系の供給原料は、石油コークス、石炭残油および重質原
油からの副生物を包含する。石炭またはコークスは、微
粉末状態でもよい。廃プラスチッ物質もまた、供給原料
として用いることができる。
【０００７】部分酸化反応から製造される合成ガスの多
くの用途は、比較的に低圧である。したがって、減少さ
れた圧力の合成ガスを得るための、動力回収機を通って
の高圧合成ガスの膨張が、しばしば用いられる。このタ
イプの膨張は、電力発生のための手段として、しばしば
用いられる。動力発生段階は、１００％の効率ではな
く、エネルギーを電力に転換するのに、いくらかのエネ
ルギーを損失する。このような膨張の工程で発生した電
力は、昇圧変圧器、付加的な電気的スイッチギア、およ
び電力の用途が必要である。
【０００８】ＤＲＩ法は、供給原料として合成ガスを使
用でき、一般に、比較的低圧で、代表的には、移動床反
応器には約５気圧以下、流動床反応器には約１５気圧以
下で、反応室に供給される。ＤＲＩ法のオフガスを、冷
却し、圧縮して二酸化炭素除去段階に送り、それから新
鮮な供給合成ガスと混合して、ＤＲＩプロセスに再循環
させる。再循環の圧縮器は、大きなエネルギーの使用者
であり、しばしば電気駆動モーターを用いている。この
電気駆動モーターは、１００％の効率ではなく、電力を
軸動力に変換するのに、いくらかのエネルギーを損失す
る。電動モーターの使用は、降圧変圧器、付加的な電気
的スイッチギア、および電力源が必要である。
【０００９】動力発生系における比較的高圧におけるガ
ス化装置の操作、たとえば統合されたガス化と組み合わ
された循環（ＩＧＣＣ）系は、米国特許第５，１１７，
６２３号および第５，３４５，７５６号明細書に開示さ
れている。そこでは、これらの系を、膨張器、動力発生
のためのガスタービンおよび蒸気タービンと組み合わせ
ている。米国特許第５，５３１，４２４号および第５，
３７０７２７号明細書には、鉄の直接還元の方法が開示
されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題および課題を解決するた
めの手段】本発明は、鉄の直接還元のような還元反応器
への還元ガス供給原料の少なくとも一部、あるいは実質
的に全部または全部を供給するための統合された方法お
よび装置に関する。本発明においては、該還元ガスは、
供給物質と平均操作ガス圧力で接触し、該供給物質を還
元して、還元生成物を提供する。該統合された方法は、
炭化水素性供給原料を、部分酸化反応でガス化して、還
元反応器中の平均操作ガス圧力より実質的に高い圧力
の、水素、炭素および一酸化炭素を含む合成ガスを製造
する。該合成ガスは膨張して、その圧力を実質的にＤＲ
Ｉ還元反応器中の平均操作ガス圧力まで下げ、そのこと
によって、ＤＲＩ反応に用いる圧力条件の還元ガス供給
原料を形成する。膨張によって発生する低圧還元ガス混
合物は、ついで鉄の直接還元に必要な還元ガスの一部ま
たは全部として、ＤＲＩ反応器に導入される。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明によって、鉄の直接還元の
ための反応器中の平均操作ガス圧力より実質的に高い圧
力の合成ガスまたはsyngasを製造する、部分酸化ガス化
反応を起こして、顕著な利益を得ることができる。部分
酸化ガス化反応によって製造された合成ガスは、ついで
膨張して、その圧力を実質的に鉄の直接還元のための平
均操作圧力まで下げ、そのことによって、ＤＲＩ反応の
ための還元ガスを提供する。該還元ガスは、ついで直接
還元反応器中で供給物質と接触し、そこで酸化鉄を還元
して元素鉄を製造する。
【００１２】ここに記されるすべての圧力は、特に示さ
れないかぎり、絶対圧ではなくゲージ圧である。
【００１３】このような解決方法は、ガス化圧力を川下
の用途の圧力に合わせて設定するという、従来のガス化
技術の慣用手順とは逆である。ＤＲＩ法に用いられる平
均操作圧力が低いので、同じ圧力でガス化装置を操作す
るならば、より大きく、より高価な装置が必要となる。
該ガス化装置は、より低い圧力において、より低い効率
で操作され、Ｈ2 ＳおよびＣＯ2 のような酸性ガスの除
去がより効率的でなくなる。そのため、本発明では、
（ａ）還元ガスを供給物質と接触させ、供給物質の還元
を行い、直接還元反応系が平均操作ガス圧で機能するの
に適合するように構成された直接還元反応系； （ｂ）炭化水素性供給原料をガス化して、直接還元反応
系の平均操作ガス圧力よりも実質的に高い圧力の、水素
と一酸化炭素を含む高温、高圧の合成ガスを製造する部
分酸化ガス化手段； （ｃ）高圧合成ガスを受入れて膨張させ、その圧力を平
均操作ガス圧力まで下げ、それによって合成ガスから還
元ガスの形成をもたらすのに適合した、部分酸化ガス化
手段に連結した手段；および （ｄ）該還元ガスを直接還元反応系に、供給物質の還元
を与えるのに必要な還元ガス供給原料の少なくとも一部
として供給する手段を包含する、統合された直接還元装
置であることが好ましい。さらに、膨張した合成ガスか
ら動力を製造するのに適合した手段を包含していてもよ
い。さらに、該部分酸化ガス化手段から排出された合成
ガスを、冷却してスクラビングする手段、その酸性ガス
を除去する手段、および冷却してスクラビングされた合
成ガスを膨張の前に再加熱する手段を包含することが好
ましい。さらに、直接還元反応系から排出された過剰の
合成ガスを冷却してスクラビングする手段、その酸性ガ
スを除去する手段、および酸性ガスのない、スクラビン
グされた合成ガスを、直接還元反応系に、供給物の一部
として循環させる手段を包含することが好ましい。合成
ガスより酸性ガスを除去するのに適した手段、および直
接還元反応系から排出された還元ガスより酸性ガスを除
去するのに適合した手段が、通常のストリッパーまたは
再生手段に対して並列または直列に統合された回路に挿
入されていてもよい。直接還元反応系が、上記の再循環
還元ガスを圧縮する圧縮器手段；および合成ガス膨張手
段を該還元ガス圧縮器手段と組み合わせて、上記の膨張
手段によって発生した動力が、上記の圧縮器手段を駆動
するのに適合した手段を包含することが好ましい。さら
に、工程（ｂ）の後に、合成ガスに、そこに含有される
水素と一酸化炭素の相対比を変化させるシフト反応を与
えるためのシフト反応器を包含することが好ましい。
【００１４】好ましくは、部分酸化反応からの合成ガス
を、その圧力を下げてＤＲＩ反応のための還元ガスを製
造する前に、Ｈ2 、ＣＯ、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ、Ｎ2 、Ｈ2
Ｓ、ＣＯＳおよび炭素微粒子を含む混合物を、部分的に
約２００°F 〜約７００°F、好ましくは約４００°F
〜約５００°F に冷却して、微粒子物質を除去するため
にスクラビングする。さらに約３０°F 〜約１５０°F
、好ましくは約１００°F 〜約１２０°F に冷却した
後、合成ガスをスクラビングして、その酸性ガス内容物
を除去する。ＤＲＩ法の鉄の品質低下を防ぐために、約
９０％〜約１００％のＨ2 ＳおよびＣＯＳを除去する。
ＤＲＩ法のために望ましい水準に、約５０％〜約１００
％、好ましくは約９０％〜約９８％の水準のＣＯ2 を除
去する。
【００１５】冷却し、スクラビングした合成ガスを、つ
いで膨張させてその圧力を下げ、動力を生み出す。膨張
を、機械エネルギーを生み出すターボ膨張器で実施し、
それは発電機を駆動して電力を生み出すか、または直接
に圧縮器、ポンプ、もしくは他の装置に必要な機械的動
力として用いられる。動力を生み出す合成ガスを膨張さ
せる前に、およそ入力ガスの絶対温度に比例する膨張器
の動力出力を増すために、好ましくは該合成ガスを約３
００°F 〜約１，２００°F 、さらに好ましくは約５０
０°F 〜約９００°F に加熱する。
【００１６】高圧合成ガスを、スクラビングまたは溶媒
と接触させることによって、ＣＯ2およびＨ2 Ｓのよう
な酸性ガスを除去するために処理する。ＤＲＩ還元反応
に供給される低圧還元ガスは、再循環ガスを含むことが
できる。再循環ガスは、ＤＲＩ反応器から出て、同様に
酸性ガス、主としてＣＯ2 を除去するために、溶媒によ
るスクラビングによって処理される。スクラビングして
高圧合成ガスから酸性ガス内容物を除去するのに用いる
のと同じ溶媒を、低圧合成ガスから酸性ガスを除去する
のにも用いることができる。したがって、高圧合成ガス
と低圧合成ガスの両方に対する酸性ガスの除去は、通常
のストリッパーまたは再生手段に対して並列または直列
の回路で、有利に行うことができる。
【００１７】合成ガスを水で飽和して、水素と一酸化炭
素の相対比を変えるためのシフト反応を行うことができ
る。代表的には、ＤＲＩ法にとって、ＤＲＩ反応器中の
温度バランスを制御するための所望のＨ2 ／ＣＯ比は、
約１．５と１０．０の間である。より高いＨ2 ／ＣＯ比
はまた、Ｈ2 による鉄還元反応から生じる水が、圧縮の
前の再循環ガスに濃縮されるので、再循環圧縮器の動力
の必要量を減少させることができる。
【００１８】合成ガスの膨張によって発生する動力、お
よび冷却とシフト反応によって発生する熱は、好ましく
は、ＤＲＩ反応器を包含するプラントにおけるエネルギ
ー源として用いられる。
【００１９】還元反応器からの塔頂ガスを、圧縮を包含
する処理の後に、還元ガスとしてＤＲＩ反応器に再循環
し、膨張によって発生する動力を、圧縮器を駆動するの
に直接に用いることが有利である。
【００２０】他の実施態様では、本発明は、合成ガスの
圧力を下げることから発生するエネルギーを、ＤＲＩの
再循環ガスの圧縮器のエネルギーの必要性と結びつけ、
このようにして、発電／使用の非効率を排除し、両方の
プロセスのエネルギー効率を増し、コストを最小限にす
る。このことは、ＤＲＩの再循環プロセスの必要量を決
定し、ついで、部分酸化ガス化反応を、該ＤＲＩの再循
環圧縮器のエネルギー必要量に適合した十分な圧力で操
作することによって達成できる。本発明は、単純なシャ
フト構成によって、完全に効率的で、コスト的に有効で
ある。エネルギー効率の増加に加えて、再循環ガス圧縮
器の電動モーター駆動、電力サブステーションの一部、
昇圧および降圧変圧器ならびに他のＤＲＩ側の付帯設備
をはじめとする多くの機器を排除できる。ガス化側で
は、発電機とそれに関連する機器が排除できる。
【００２１】本発明はまた、接触還元ガスを供給物質と
接触させて、該供給物質の還元を行い、還元生成物を与
えるために構成された直接還元反応器を含む、直接還元
装置を包含する。該ＤＲＩ反応系は、約１〜約１５気圧
の平均操作ガス圧力で機能するように設計される。より
詳細には、移動床反応器は、好ましくは約１〜約５気圧
で操作され、流動床反応器は、好ましくは約１０〜約１
５気圧で操作される。
【００２２】本発明の装置はまた、炭化水素性供給原料
を部分酸化して、還元反応器の平均操作ガス圧力より実
質的に高い圧力の、水素と一酸化炭素を含む合成ガスを
製造するための手段；該ガス化手段から還元ガスを受け
て、該還元ガスを膨張させ、その圧力を実質的に還元反
応器の平均操作ガス圧力に下げる連結手段；および該膨
張手段によって発生した低圧の還元ガスを、直接還元反
応の還元ガス供給原料の少なくとも一部として、反応器
に供給する手段を包含する。
【００２３】装置は、合成ガスを冷却し、スクラビング
する手段；およびその酸性ガス含有物の少なくとも一部
を除去する手段を、さらに包含できる。スクラビングし
た合成ガスを膨張させる前に再加熱する手段を、備える
こともまた好ましい。
【００２４】装置は、還元反応基系から余剰の還元ガス
を再循環させて、還元反応基系に戻す手段；該再循環還
元ガスから酸性ガス、主としてＣＯ2 を除去する手段；
および該膨張手段と圧縮機手段とを直接に結合し、それ
によって膨張によって発生した動力の全部または一部
を、圧縮機手段を駆動するのに直接に用いる手段を、さ
らに包含できる。
【００２５】酸性ガス除去手段は、高圧合成ガスから
と、低圧還元ガスから酸性ガスを除去するのに、同じ溶
媒手段を用いることができる。したがって、高圧合成ガ
スと低圧還元ガスの両方の酸性ガス除去手段は、通常の
ストリッパーまたは再生手段に対して並列または直列に
統合した回路に、有利に挿入することができる。
【００２６】好ましくは、装置は、還元ガス混合物が、
該混合物中の水素と一酸化炭素の相対比を変えるシフト
反応を受ける手段を包含する。
【００２７】図１を参照して説明する。部分酸化ガス化
装置１０に、炭化水素性供給原料５、および空気、酸素
または酸素富化空気の流れ６を十分な量挿入し、そこで
該炭化水素性供給原料を、代表的には、水素、一酸化炭
素、水蒸気、二酸化炭素、ならびに痕跡量の他の部分酸
化生成物、たとえば窒素、メタン、硫化水素および硫化
カルボニルを含む合成ガス８に転換する。水素の一酸化
炭素に対する比は、供給原料、およびガス化装置の操作
条件によって変わるが、代表的には０．５〜３．０の範
囲である。該ガス化装置１０を、約２０〜１５０気圧の
高い圧力で操作し、それは、ＤＲＩ反応器１２に用いる
平均操作ガス圧力よりかなり高い。ＤＲＩ反応器には、
処理され、その圧力を該ＤＲＩ反応器に用いられる平均
操作ガス圧力に下げるために膨張した後の還元ガス混合
物３２を供給する。
【００２８】該供給原料５は、液体および／もしくはガ
ス体の炭化水素性燃料ならびに／または移送可能な固体
炭化水素性燃料のスラリーからなることができ、ガス化
装置１０に、用いられるガス化装置に応じて、移送可能
なスラリーまたは乾燥した形態で供給できる。スラグお
よび／または灰分９が、廃副生物として回収される。
【００２９】使用可能な移送できるスラリーは、水、液
体ＣＯ2 、液体炭化水素燃料、およびそれらの混合物か
らなることができる揮発性液体キャリア中の、石炭、粒
子状炭素、石油コークス、濃縮下水汚泥、およびそれら
の混合物などである。液体燃料は、液化石油ガス、石油
留出物および残留物、ガソリン、ナフサ、灯油、原油、
アスファルト、軽油、残油、タールサンド油およびけつ
岩油、石炭誘導油、ベンゼン、トルエンおよびキシレン
留分のような芳香族炭化水素、流動接触分解操作からの
循環軽油、コールタール、コークス炉軽油のフルフラー
ル抽出物、ならびにそれらの混合物などである。
【００３０】ガス状燃料は、揮発した液化天然ガス、製
油所オフガス、Ｃ1 〜Ｃ4 炭化水素ガス、および化学プ
ロセスからの炭素含有廃ガスなどである。各分類におい
て、他の等価の供給原料を用いることができる。
【００３１】ガス化装置１０から出る合成ガス８を、熱
交換器１４で、続くスクラビングおよびシフト反応器中
の改質に適切な温度に冷却する。それに代えて、該合成
ガスに、水を直接注入して、急冷してもよい。この温度
は、約２００°F 〜約１，２００°F の間で変化でき、
好ましくは約４００°F 〜約７００°F である。熱交換
器１４は、水蒸気を発生するのに用いることができ、そ
れはプロセスの他の部分で、または動力を発生するのに
用いることができる。
【００３２】冷却および／または急冷された合成ガス１
５を、スクラバー１６に導入し、水でスクラビングし
て、灰分、およびすすなどの転換されなかった炭素のよ
うな固体粒子；ならびにアンモニア、ＨＣＮ、アルカリ
金属、塩化物などのような水溶性の不純物が除去する。
合成ガスは、スクラバー中で水と合成ガスとの緊密な接
触により、水で飽和されるようになる。
【００３３】ガス化装置１０は、商業的に入手できるい
くつかのガス化装置から、適宜、選択できる。ひとつの
適切なガス化装置は、熱交換器１４とスクラバー１６を
包含する複合的なユニットとして供給される、Texaco社
の急冷装置付きガス化装置である。
【００３４】ガス化装置１０の操作圧力は、約２０〜１
００気圧の間で変化し、好ましくは約２５〜約８０気圧
であって、代表的には大きさのけたがＤＲＩプロセスよ
りも大きく、たとえばＤＲＩプロセスの平均操作ガス圧
力より約５〜約２０倍の間である。該ガス化装置の正確
な操作圧力は、構成の経済的最適化によって選択され
る。
【００３５】スクラビングされ、飽和された合成ガス１
７を、もし望むならば、水素の一酸化炭素に対する比
を、特定のＤＲＩプロセスの要求に適合するように変え
る、シフト反応器１８に供給してもよい。水素の一酸化
炭素に対する望ましい比は、用いられるＤＲＩ技術によ
ってかなり変化し、代表的には、約１．５から純水素の
間で変わる。発熱的なシフト反応は、水と一酸化炭素
を、水素と二酸化炭素に転換する。多床シフト反応器
は、該反応器の反応床の間のガスを中間に冷却して、Ｃ
ＯのＨ2 への転換率を増すのに用いることができる。
【００３６】単床反応器、または多床反応器系の第１の
反応器のために、シフト反応器１８から、水素と一酸化
炭素を含有し、約５５０°F 〜約１，１００°F の温
度、好ましくは約８００°F 〜約９５０°F で、「シフ
トされた」合成ガス流１９を排出する。多床反応器系の
第２およびそれに続く反応器のために、シフト反応器１
８から、水素と一酸化炭素を含有し、約４５０°F 〜約
７５０°F の温度、好ましくは約５００°F 〜約６５０
°F で、「シフトされた」合成ガス流１９を排出する。
シフトされた合成ガスによって生じた熱を、熱交換器２
０によって除去し、プロセスの他の部分に用いる蒸気の
発生に用いる。
【００３７】冷たい、シフトされた合成ガス流２１を、
熱交換器２０から排出し、酸性ガス除去系２２に導入し
て、そこで硫黄含有化合物と二酸化炭素を除去する。多
くの酸性ガス除去系が商業的に入手でき、ＤＲＩプロセ
スで必要な硫黄化合物と二酸化炭素の度合いと、酸性ガ
ス除去系の操作圧力によって選択する。
【００３８】該酸性ガス除去系２２で除去されたもので
ある酸性ガス流２１ａを、硫黄回収ユニット２４に導入
し、そこで元素硫黄２５または硫酸を、公知の方法で回
収できる。用いられる特定の酸性ガス除去系２２を、該
酸性ガス除去系２２に導入し、シフトされた合成ガスで
必要な冷却の度合いによって決定される。酸除去され
た、または「スイート」合成ガス流２７を、酸性ガス除
去系２２から、代表的に約３０°F 〜約１５０°F 、好
ましくは約８０°F 〜約１２０°F で排出する。該酸性
ガス除去系２２は、一部もしくは全部のＣＯ2 （図示せ
ず）を、Ｈ2 Ｓとは別に放出または排気し、またはＨ2
ＳとＣＯ2 の両方を硫黄回収ユニット２４に導入できる
ように設計される。
【００３９】酸性ガスを除去した後、合成ガス流２７
を、熱交換器２８を通して、温度約３００°F 〜約１，
５００°F に再加熱する。熱合成ガス流２９を、ついで
ガス膨張器３０を通して、ＤＲＩプロセスのために望ま
しい圧力まで圧力を減ずる。該熱交換器２８中で予熱さ
れる量は、必要な排出圧力と該膨張器３０で発生する動
力３１によって決定される。代表的には、膨張器３０か
ら排出する合成ガス／還元ガス流３２の温度は約１００
°F 〜約５００°F であり、圧力は約０．５〜約１５気
圧である。該合成ガス／還元ガス流３２は、今やＤＲＩ
プロセスの平均操作圧力であり、還元ガス供給原料を構
成する。
【００４０】ＤＲＩプロセスに導入する前に、還元ガス
３２を、ＤＲＩプロセスのために望ましい操作温度にな
るように、さらに代表的には約８００°F 〜約１，５０
０°F に加熱することもできる。ガス化装置１０を出た
合成ガス８を、このようにして、ＤＲＩプロセス系１２
に入る還元ガス３２に転換する。そこで、該還元ガス３
２は、代表的には向流で通過して鉄鉱石に接触し、鉄鉱
石を金属鉄に還元する。
【００４１】ペレット状または微粉末状のどちらの鉄鉱
石供給物を用いるにしても、多くのＤＲＩプロセスが商
業的に入手でき、本発明はこれらの方法に適用できると
考えられる。
【００４２】今度は図２を参照して説明する。塊状の石
炭４を磨砕機７で磨砕して、磨砕石炭を形成させ、それ
を水１１でスラリー化し、炭化水素性スラリー供給原料
５を形成させて、それをガス化装置１０に移送する。好
ましいガス化装置は、Ｆｉｏｒ法と統合された下向流急
冷ガス化装置である。空気、酸素または酸素富化空気の
流れ１３を、スラリー供給原料５と共流的に、該ガス化
装置１０に供給する。それは、ガス化帯域および急冷帯
域を含む同伴流ガス化装置であって、約５０気圧で操作
される。該ガス化帯域の温度は、約１，１００℃〜約
１，６００℃である。ガス化帯域の反応から得られる熱
合成ガスを、急冷帯域を通し、そこで水で急冷してスラ
グ９を除去し、該合成ガスを部分的に清浄し、水で飽和
して、該ガス化装置１０の急冷帯域から、約２５０℃と
約５０気圧の流れ８として排出する。該合成ガス流８
を、すすスクラバー１６において、実質的にすべての同
伴した粒子、アルカリ金属、重金属および塩化物を除去
するように、水によってスクラビングする。
【００４３】スクラビングされ、飽和された合成ガス１
７を、ついでシフト反応器１８に導入し、そこでＨ2 の
ＣＯに対する比を、ＤＲＩ反応系に望まれるように、６
以上に調整する。シフトされた合成ガス流１９を、熱交
換器２０で、合成ガス流２１として排出する前に、約４
５０℃から約４０℃に冷却して、高圧酸性ガス吸収塔２
２に導入し、そこで該合成ガスから、全部または大部分
のＨ2 ＳおよびＣＯ2を溶媒によって除去する。
【００４４】酸性ガスを含有する液体溶媒を、一般に
「リッチ（rich）」溶媒と呼ぶ。高圧ガス吸収塔２２か
ら液体流３６として排出したリッチ溶媒を、Ｈ2 Ｓ／Ｃ
Ｏ2 ストリッパー／再生プラント２６に導入して、そこ
で該リッチ溶媒を加熱してＨ2ＳとＣＯ2 をストリップ
し、リーン（lean）溶媒流６４および７２、ならびにＨ
2 ＳおよびＣＯ2 を含有する塔頂ガス流３９を生じる。
流れ３９を、Claus システムでもよい硫黄回収ユニット
２４に導入し、そこで硫黄２５を元素状で回収する。
【００４５】Ｈ2 Ｓを含まぬ合成ガス流２７を、高圧酸
性ガス吸収塔２２から、その酸性ガス内容物を除去して
排出する。これを一般に「スイート合成ガス」と呼ぶ。
スイート合成ガス流２７を、熱交換器２８で、約４０℃
から約５００℃に再加熱し、加熱合成ガス流２９を形成
させ、膨張器３０に導入して、動力発生器３１で動力を
発生させる。スイート合成ガス流３２を、ガス膨張器３
０から、Ｆｉｏｒプロセスの一連のＤＲＩ反応器で用い
られる平均操作ガス圧力である、約１０〜１２気圧の低
圧で排出する。
【００４６】この例の方法では、代表的な石炭の供給速
度が７０〜８０ton/h 、酸素が６０〜７０ton/h 、鉄鉱
石微粒子が２５０ton/h であり、膨張器３０における圧
力変化が約３０〜約５０気圧から約１０〜１２気圧で、
約１０ＭＷの動力を生み出すことができる。
【００４７】スイート合成ガス流３２を、低圧酸性ガス
吸収塔２３を排出される再循環塔頂ガス流６３と合わせ
る。合わせたガス流３４は、ＤＲＩ反応器の操作圧力で
あり、したがって、還元ガス流３４を構成する。該還元
ガス流３４を、再加熱器５７に導入し、そこで約１，２
００°F の温度に加熱して、加熱された還元ガス流４２
として排出し、流動床ＤＲＩ反応器４０ｄに入れる。
【００４８】Ｆｉｏｒプラントの中心的な構成要素は、
４個のＤＲＩ反応器４０ａ、４０ｂ、４０ｃおよび４０
ｄの傾斜カスケード（inclined cascade）である。鉄鉱
石微粒子５０を、最も高い位置の反応器４０ａに送り、
続いて各反応器を通す。３個の予備反応器が還元反応器
であるのに対し、第１の反応器４０ａは予熱器である。
反応器４０ｂ、４０ｃおよび４０ｄの中で、該微粒子
は、還元ガス４２とは向流的に通る。該還元ガスは、鉄
鉱石を金属化するとともに、流動床の流動化ガスとして
も働く。
【００４９】還元ガス４２を、最も低い位置の反応器４
０ｄに、ガス送入口の充満空間（plenum）アセンブリー
（図示せず）を介して送り、塔頂ガス４３として排出
し、それを反応器４０ｃに還元ガスとして導入し、塔頂
ガス４４として排出し、それを反応器４０ｂに還元ガス
として導入し、塔頂ガス４５として排出し、スクラバー
５２に導入する。３個の各還元反応器の中に、塔頂ガス
の微粒鉄ダストを洗浄するために多数のサイクロン（図
示せず）があり、微粒鉄ダストを、ディップレグ（図示
せず）を介してそれぞれの流動床に戻す。
【００５０】塔頂ガス４５から粉体物質と水をスクラバ
ー５２中で除去し、塔頂ガスを約１００°F に冷却し
て、冷却された、清浄で粉体を含まない塔頂ガス流５３
として排出し、清浄な塔頂ガス流５４および５５に分割
する。清浄な塔頂ガス流５４を、再加熱器５７の燃料と
して用いる。所望により、天然ガスで補うこともでき
る。
【００５１】清浄な塔頂ガス流５５を圧縮器５６に導入
し、そこで約１１〜１４気圧に圧縮して、圧縮塔頂ガス
流６１として排出し、低圧酸性ガス吸収塔２３に導入し
て、そのＣＯ2 含有量を約１０〜１００％、そして好ま
しくは約６０〜９５％に減少させる。ＣＯ2 を減少され
たガスを、流れ６３として低圧酸性ガス吸収塔２３から
排出し、減圧されたスイート合成ガス流３２と合わせ
て、還元ガス流３４を形成させ、再加熱器５７に導入し
て加熱し、加熱還元ガス流４２を形成させて、反応器４
０ｄに導入する。
【００５２】最も高い位置の予熱反応器４０ａでは、天
然ガス６６は、流動化ガスおよび燃料の両方として働
く。反応器４０ａから排出される流出ガス６８を、別個
にスクラビングして処理する（図示せず）。別の構成と
して、還元反応器４０ｂからの塔頂ガスを、予熱反応器
４０ａの流動化、加熱ガスとして用いてもよい。
【００５３】最も低い位置の反応器４０ｄから排出され
る、金属化された鉄生成物を、ブリケット化プラントに
導く。生産物は、熱ブリケット鉄６５またはＨＢＩとい
われる。鉄鉱石供給系（図示せず）、ＤＲＩ反応器４０
ａ〜４０ｄおよびブリケット化プラント５９を含む空間
を、鉄の再酸化を最小にするために、約１０〜１２気圧
の平均操作ガス圧力で密閉に保つ。
【００５４】図２はまた、高圧合成ガスおよび低圧再循
環還元ガスからの酸性ガスの除去を統合する、本発明の
実施態様を図示している。高圧酸性ガス吸収塔２２およ
び低圧酸性ガス吸収塔２３では、酸性ガスを吸収するた
めに、おのおのアミンまたはSelexol （Union Carbide
社、登録商標）のような共通の溶媒溶液を用い、このよ
うな溶媒を、共通のＨ2 Ｓ／ＣＯ2 ストリッパーまたは
溶媒再生器２６を経て循環させる。該溶媒溶液は、それ
ぞれの吸収塔に入って接触する酸性ガスを吸収して除去
する。
【００５５】図２は、並列に構成されて、酸性ガスＣＯ
2 およびＨ2 Ｏを含有する液体溶液流３６を高圧吸収塔
２２から排出する、統合の最も単純な形態を図示してい
る。同時に、同様に酸性ガス、主としてＣＯ2 を含有す
る液体溶液流６０を、低圧吸収塔２３から排出する。両
方の流れ３６および６０を、ＣＯ2 ／Ｈ2 Ｓストリッパ
ー／再生器２６に導入して、ＣＯ2 およびＨ2 Ｓを溶媒
から除去し、それによって溶媒を再生して、ストリッパ
ー／再生器２６から排出する「リーン（lean）溶媒」を
形成し、それを溶媒流６４および７２に分割する。
【００５６】溶媒流６４を、再利用のために高圧吸収塔
２２に再循環し、溶媒流７２を、再利用のために低圧吸
収塔２３に再循環する。
【００５７】ストリップされたＣＯ2 およびＨ2 Ｓガス
流３９を、ストリッパー／再生器２６から排出し、硫黄
回収ユニット２４に導入し、そこで元素硫黄２５を回収
する。
【００５８】図３は、酸性ガスの統合された除去が、直
列の構成を用いて遂行される、図２の方法の変形を図示
する。すなわち、単に高圧吸収塔２２から排出される液
体溶媒流３６を、ＣＯ2 ／Ｈ2 Ｓストリッパー／再生塔
２６に導入する。ストリッパー／再生塔２６から排出さ
れる再生されたリーン溶媒流７２を、流れ７４および７
６に分割する。溶媒流７４を、再使用のために低圧酸性
ガス吸収塔２３に導入し、溶媒流７６を、再使用のため
に高圧酸性ガス吸収塔２２に導入する。低圧酸性ガス吸
収塔２３から排出される液体溶媒流６０もまた、高圧酸
性ガス吸収塔２２に導入する。溶媒中の酸性ガスの積載
量は、高圧ガス吸収塔２２のより高い操作圧力によって
増加できる。該高圧吸収塔２２に導入する溶媒流６０中
の増加したＣＯ2 積載量は、求められる溶媒循環速度を
減少させる。
【００５９】より効果的にプラントを統合する改良で
は、合成ガス膨張器３０は、ＤＲＩプロセスから再循環
させる還元ガスを圧縮する圧縮器５６と、直接に組み合
わせることができる。この方法では、動力発生器３１ま
たは膨張器３０で、圧縮器５６を直接に駆動できる。再
循環圧縮機５６に直接結合された膨張器３０の動力発生
器３１を有することは、膨張器側の発電機、および圧縮
機側のモーターの必要性を、それらに付随する電気的な
中継とともに排除するとともに、機械的動力を電気的動
力に転換し、そして機械的動力に戻すときにエネルギー
損失を避けることによって、効率を増加させる。
【００６０】膨張器と圧縮機の負荷が合致しない場合に
おいても、多くの利益を実現できる。負荷が等しくない
場合については、電動／発電機をシャフトに結合して、
必要に応じて動力を移出または移入できる。該電動／発
電機は、組み合わされていない発電機とモーターに必要
とされるよりもはるかに小さくて済み、効率を増すこと
ができる。
【００６１】合成ガスの組成と圧力は、ＨＹＬ III 、
ＭｉｄｒｅｘおよびＦｉｏｒ法ならびにＦｉｎｍｅｔお
よびＣｉｒｃｏｒｅｄのような他の方法を包含する、合
成ガスの製造に基づく現在のＤＲＩ法の、どのような要
求にも適合できる。
【００６２】
【発明の効果】本発明は、各種の地理的および供給原料
の環境に適用でき、多くの運用上の利益を提供する。ガ
ス化圧力を、ＤＲＩ反応器の平均操作ガス圧力よりも十
分に高く設定することにより、膨張器を、プラントのた
めの動力を発生するのに用いることができる。合成ガス
の再加熱系や酸性ガス除去系を包含する膨張器の条件を
最適化することにより、必要な動力のほとんどまたはす
べてを、ガスの製造と調製、および／またはＤＲＩプラ
ントの必要量を満たすように、発生させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のひとつの実施態様を実施するガス化法
およびＤＲＩ法の、簡単な該略図である。
【図２】本発明の第２の実施態様を実施するガス化法お
よびＤＲＩ法の、簡単な該略図である。
【図３】本発明の第３の実施態様を実施するガス化法お
よびＤＲＩ法の、簡単な該略図である。
【符号の説明】
５ 炭化水素性供給原料 ８ 合成ガス １０ ガス化装置 １２ ＤＲＩ反応器 １４ 熱交換器 １６ スクラバー １８ シフト反応器 ２０ 熱交換器 ２２ 高圧酸性ガス吸収塔 ２３ 低圧酸性ガス吸収塔 ２４ 硫黄回収ユニット ２５ 元素硫黄 ２６ ストリッパー ２８ 熱交換器 ３０ ガス膨張器 ３１ 動力発生器 ３２ 還元ガス流 ４０ ＤＲＩ反応器 ５０ 鉄鉱石 ５２ スクラバー ５５ 頂塔ガス流 ５６ 再循環圧縮器 ５９ ブリケット化ユニット ６５ 熱ブリケット鉄 ６６ 天然ガス
フロントページの続き (73)特許権者 598051060 ザ・ブロークン・ヒル・プロプライアタ リー・カンパニー・リミテッド ＴＨＥ ＢＲＯＫＥＮ ＨＩＬＬ ＰＲ ＯＰＲＩＥＴＡＲＹ ＣＯＭＰＡＮＹ ＬＩＭＩＴＥＤ オーストラリア国、ニューサウスウェー ルズ 2287、ウォールセンド、ピー・オ ー・ボックス 188 (72)発明者 フレデリック・シー・ヤーンケ アメリカ合衆国、ニューヨーク 10580、 ライ、ウィンスロプ・ストリート ２ (72)発明者 ジェームズ・エス・フォルセッティ アメリカ合衆国、コネチカット 06812、 ニュー・フェアフィールド、ヴァレリ ー・レーン ３ (72)発明者 ゲーリー・エイ・フォールズ オーストラリア国、ニューサウスウェー ルズ 2289、ニューキャッスル、ガーデ ン・サバーブ、アービン・ストリート 27 (72)発明者 ジェフリー・アール・リグビー オーストラリア国、ニューサウスウェー ルズ 2290、チャールスタウン、クレス ウェル・アベニュー 36 (56)参考文献 特開 平６−81019（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−248605（ＪＰ，Ａ) 特公 昭63−58202（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭59−17163（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭56−31324（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C21B 11/00 - 13/14 C22B 5/12 C01B 3/32 - 3/48

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）炭化水素性供給原料を部分酸化反
    応でガス化して、合成ガスの圧力が、鉄の直接還元反応
    に用いられる平均操作ガス圧力よりも実質的に高い、水
    素と一酸化炭素を含む高温、高圧の合成ガスを製造し； （ｂ）該高圧合成ガスを膨張させて、その圧力を、実質
    的に鉄の直接還元反応に用いられる平均運転ガス圧力ま
    で下げて、該合成ガスを上記の鉄の直接還元のための還
    元ガスとし；そして （ｃ）該還元ガスを、元素鉄の製造のための平均操作ガ
    ス圧力で、鉄鉱石原料と接触させることを含む、鉄鉱石
    原料を還元ガスと低い操作ガス圧力で接触させて元素鉄
    を製造する、鉄の直接還元のための反応系に還元ガスの
    少なくとも一部を供給する、統合された方法。
  2. 【請求項２】 該合成ガスの膨張を、動力を生み出すの
    に用いる、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 上記の膨張の前に、該合成ガスを冷却し
    て、そこに含まれる酸性ガスを除去するためにスクラビ
    ングする、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 該合成ガスを、膨張の前に加熱する、請
    求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 鉄の直接還元反応系に供給される還元ガ
    スが、該鉄の直接還元反応系から排出され、酸性ガスが
    除去された再循環ガスを包含する、請求項３記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 合成ガスからの酸性ガスの除去、および
    鉄の直接還元反応系から排出された再循環ガスからの酸
    性ガスの除去を、通常のストリッパーまたは再生手段に
    対して並列または直列に統合された回路で行うことがで
    きる、請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 工程（ａ）の後に、該合成ガスが、そこ
    に含有される水素の比率が上昇するシフト反応を受け
    る、請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 該統合された方法の間に動力および熱が
    発生し、該動力および熱を回収し、該統合された方法の
    ための動力源および熱源として用いる、請求項１記載の
    方法。
  9. 【請求項９】 鉄の直接還元反応系から排出された還元
    ガスを、平均操作ガス圧力に圧縮して、鉄の還元反応に
    再循環し、該合成ガスの膨張によって発生した動力を、
    直接に還元ガスの圧縮の動力に用いる、請求項２記載の
    方法。
  10. 【請求項１０】 該炭化水素性供給原料が、液状、ガス
    状および固体の炭化水素性燃料；固体炭化水素性燃料の
    移送可能なスラリー；ならびにそれらの混合物からなる
    群より選ばれる、請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 該固体炭化水素性燃料の移送可能なス
    ラリーが、水、液体ＣＯ2 、液状炭化水素燃料、および
    それらの混合物からなる群より選ばれる揮発性液体キャ
    リア中の、石炭、粒子状炭素、石油コークス、濃縮下水
    汚泥、およびそれらの混合物からなる群より選ばれる、
    請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 該液状炭化水素燃料が、液化石油ガ
    ス、石油留出物および残留物、ガソリン、ナフサ、灯
    油、原油、アスファルト、軽油、残油、タールサンド油
    およびけつ岩油、石炭誘導油、芳香族炭化水素、コール
    タール、流動接触分解操作からの循環軽油、コークス炉
    軽油のフルフラール抽出物、ならびにそれらの混合物か
    らなる群より選ばれる、請求項１０記載の方法。
  13. 【請求項１３】 上記のガス状炭化水素燃料が、揮発し
    た液化天然ガス、製油所オフガス、Ｃ1 〜Ｃ4 炭化水素
    ガス、および化学プロセスからの炭素含有廃ガスからな
    る群より選ばれる、請求項１０記載の方法。
  14. 【請求項１４】 （ａ）還元ガスを供給物質と接触さ
    せ、供給物質の還元を行い、直接還元反応系が平均操作
    ガス圧で機能するのに適合するように構成された直接還
    元反応系； （ｂ）炭化水素性供給原料をガス化して、直接還元反応
    系の平均操作ガス圧力よりも実質的に高い圧力の、水素
    と一酸化炭素を含む高温、高圧の合成ガスを製造する部
    分酸化ガス化手段； （ｃ）高圧合成ガスを受入れて膨張させ、その圧力を平
    均操作ガス圧力まで下げ、それによって合成ガスから還
    元ガスの形成をもたらすのに適合した、部分酸化ガス化
    手段に連結した手段；および （ｄ）該還元ガスを直接還元反応系に、供給物質の還元
    を与えるのに必要な還元ガス供給原料の少なくとも一部
    として供給する手段を包含する、統合された直接還元装
    置。
  15. 【請求項１５】 さらに、膨張した合成ガスから動力を
    製造するのに適合した手段を包含する、請求項１４記載
    の装置。
  16. 【請求項１６】 さらに、該部分酸化ガス化手段から排
    出された合成ガスを、冷却してスクラビングする手段、
    その酸性ガスを除去する手段、および冷却してスクラビ
    ングされた合成ガスを膨張の前に再加熱する手段を包含
    する、請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 さらに、直接還元反応系から排出され
    た過剰の合成ガスを冷却してスクラビングする手段、そ
    の酸性ガスを除去する手段、および酸性ガスのない、ス
    クラビングされた合成ガスを、直接還元反応系に、供給
    物の一部として循環させる手段を包含する、請求項１６
    記載の装置。
  18. 【請求項１８】 合成ガスより酸性ガスを除去するのに
    適した手段、および直接還元反応系から排出された還元
    ガスより酸性ガスを除去するのに適合した手段が、通常
    のストリッパーまたは再生手段に対して並列または直列
    に統合された回路に挿入される、請求項１７記載の装
    置。
  19. 【請求項１９】 直接還元反応系が、上記の再循環還元
    ガスを圧縮する圧縮器手段；および合成ガス膨張手段を
    該還元ガス圧縮器手段と組み合わせて、上記の膨張手段
    によって発生した動力が、上記の圧縮器手段を駆動する
    のに適合した手段を包含する、請求項１８記載の装置。
  20. 【請求項２０】 さらに、工程（ｂ）の後に、合成ガス
    に、そこに含有される水素と一酸化炭素の相対比を変化
    させるシフト反応を与えるためのシフト反応器を包含す
    る、請求項１４記載の装置。
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