JP3994589B2 - スラリーの乾燥方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な金属鉄等の発火性の高い金属を含むスラリーの乾燥方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属精錬プロセスにおける精錬炉などでは、精錬により発生するガス中にダストが含まれている。そのため、通常、スクラバー等の水洗浄によりガスの浄化が行われている。この水洗浄の際に発生するダストを含む水は、シックナー等によりダスト分を分離除去され、前記スクラバーなどに循環使用される。
【０００３】
分離されたダスト分には、微細な金属や金属酸化物が含まれるため、精錬プロセスに再利用されることがある。一般的には、前記のシックナー等により水から分離されたダスト分は、水分を多量に含むため、これを脱水および乾燥させて再利用されることが多い。
【０００４】
しかし、ダスト分に含まれる金属は極めて微細であるため、体積に対して表面積が大きく、加熱乾燥時に発火または燃焼し易い。乾燥時に発火すると、燃焼熱により乾燥設備や乾燥後のダスト粉を捕集し、あるいは貯蔵する設備が損傷する原因となる。そのため、スラリーの乾燥は、乾燥したダストが発火または燃焼しない条件で行うことが必要である。特に、乾燥方法としてスラリーを噴霧乾燥する場合には、乾燥室中に噴霧されたスラリーの液滴中の水分が蒸発することで、液滴中の微粒のダストが乾燥、凝集して乾燥ダストが得られる。この乾燥ダストは、凝集している微粒がそれほど強く結合していない疑似粒子を形成している。このような疑似粒子では雰囲気ガスが比較的容易に粒子内部に侵入することができるため、微粒ダストの表面における金属分と雰囲気中の酸素による燃焼反応を考慮する場合、非常に大きな表面積を有する状態である。したがって、発火、燃焼の生じない条件で乾燥を行う必要がある。
【０００５】
そこで、特開平５−９５９９号公報には、Ｃｒ鉱石の溶融還元炉、含Ｃｒ溶銑精錬炉、ガス未燃焼回収式転炉等から発生する排ガスを湿式集塵して得られるスラリーを乾燥するにあたり、スラリーの粘度が６０ポアズ以下の範囲で水分を機械脱水し、該スラリーを入口ガス温度３００〜６００℃の燃焼ガス雰囲気中に噴霧し、該雰囲気の出口ガス温度を２００℃以下に保持しながら水分０．５重量％以下まで乾燥する方法が提案されている。この方法によって、発火性金属を含むスラリーを、非常に表面積が大きなものである場合も、噴霧乾燥によって発火させずに安全に乾燥させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の特開平５−９５９９号公報に記載の方法によっても、完全に乾燥粉の発火を防ぐことができない場合があった。特にダスト中の金属含有率が大きくなっていくと、乾燥粉ダストは非常に発火し易くなり、前記の方法においても完全に発火を防ぐことができない問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、微細で発火し易い金属を含むスラリーを乾燥しても、発火しない乾燥条件によって、安全にスラリーの乾燥を行うことができる方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明者らはスラリー中のダスト成分を調査したところ、スラリー中の金属含有率が５〜４０％の範囲で変化し、金属含有率が高い場合に発火反応が生ずる傾向があることを確認した。
【０００９】
そこで、各ダストの発熱反応特性に及ぼす金属含有率、乾燥室における出口温度および酸素濃度の影響を試験した。この試験では、金属鉄を含有するスラリー（水分約６０重量％）を、３００〜４００℃の燃焼ガスを導入する乾燥室へ噴霧ノズルを介して吹き込むことで、水分０．５重量％以下の乾燥粉（以下、「乾燥ダスト」という）を生成させた。乾燥ダストは乾燥室下部に堆積したものをロータリーフィーダーでダストホッパへ排出するとともに、燃焼ガスに同伴して流出した乾燥ダストはサイクロンにより捕集して前記ダストホッパへ送った。ここで、燃焼ガスとして、コークス炉ガスを燃焼させて発生したガスに空気あるいは窒素、酸素を混入することで、乾燥室出口（乾燥室からガスの流出する出口）におけるガス温度および酸素濃度を調整した。ここで、酸素濃度とは、スラリー乾燥によって生じた水蒸気を含めたガス中の酸素体積濃度を表す。
【００１０】
図１に種々行った実験の結果を示す。乾燥ダストが発火するときはダストホッパに堆積した乾燥ダストの温度が徐々に上昇していくので、ダストホッパ内の雰囲気温度を測定して、これが２２０℃を超える場合の前記ガス温度、酸素濃度を反応条件とし、ガス温度の上昇が起こらず、２２０℃以下に保たれる場合を未反応条件とした。図中、Ｍ．Ｆｅはスラリー中に含まれる固形分中の金属鉄の含有率（重量％）を示す。
【００１１】
図１に示すとおり、Ｍ．Ｆｅによって発熱反応する酸素濃度、および出口温度が異なることを見出した。これは、Ｍ．Ｆｅが低い場合には、単位面積あたりの発生熱量が小さく、堆積した乾燥ダスト全体の温度が反応開始温度まで上昇しないが、Ｍ．Ｆｅが高い場合には、単位体積あたりの発生熱量が大きく、周囲の温度が反応開始温度まで上昇する結果、反応が乾燥ダスト全体に伝播するためと考えられる。
したがって、これらの結果から、乾燥室の出口におけるガス温度およびガス中の酸素濃度を、スラリー中の金属含有率に応じて調整すれば、発熱反応を防止することが可能になることを知見した。
【００１２】
すなわち、本発明は、前記知見に基づき、金属を含むスラリーを乾燥室内でガス乾燥する方法において、スラリー中の金属含有率に応じて、乾燥室の出口におけるガスの温度と酸素濃度を調整することを特徴とするスラリーの乾燥方法を提供するものである。
【００１３】
ここで、金属は鉄であり、乾燥室の出口におけるガスの温度と酸素濃度が、下記式（１）および（２）を満たす。
酸素濃度（％）≦２３−Ｍ．Ｆｅ％×０．３３ （１）
ガス温度（℃）≦２００−Ｍ．Ｆｅ％×１．３７５ （２）
ここで、Ｍ．Ｆｅ％はスラリーに含まれる固形分中の金属鉄含有率（重量％）を 示す。
【００１４】
以下、本発明のスラリーの乾燥方法（以下、「本発明の方法」という）について詳細に説明する。本発明において、スラリー中の金属含有率とは、スラリー中の水分を除いた固形分中の金属の含有率（重量％）をいう。また、スラリー中に含まれる金属とは、鉄をいう。
【００１５】
本発明の方法は、スラリーを乾燥して、スラリー中に含まれる水分を分離除去する方法である。本発明において、乾燥処理の対象とされるスラリーは特に制限されない。金属粒子を含む固形分をスラリーから分離する場合に、スラリー中の水分を高温雰囲気中で蒸発させ、乾燥粉として得ることができる。例えば、Ｃｒ鉱石の溶融還元炉、含Ｃｒ溶銑精錬炉、ガス未燃焼回収式転炉等から発生する排ガスを湿式集塵して得られるスラリーなどが挙げられ、特に、本発明の方法は、発火性を有する微細な金属粒子を含むスラリーを乾燥してダスト分を回収する場合に有効である。
【００１６】
本発明の方法において、スラリーの乾燥は、ロータリーアトマイザー、スプレーノズルなどを用いて、スラリーを乾燥室内に噴霧する方法で行うことができる。この場合、スラリーを粒径が数十ミクロンから１ｍｍ程度のミストにして乾燥室内に噴霧し、高温ガスと接触させることで水分を蒸発させ、ダスト分を得ることができる。
【００１７】
また、キルンタイプの乾燥室を用いる場合には、円筒横型で円筒の軸を中心に回転する乾燥室に、スラリーあるいはスラリーを遠心分離器やフィルタープレスなどで脱水したものを導入し、円筒の軸を中心に回転させながら円筒内部へ高温ガスを直接送給してスラリーを乾燥させる方法がある。キルンタイプの乾燥方法では、円筒軸方向に高温ガスを流通するチューブを複数本入れておくことで、間接的にスラリーを昇温し、乾燥させる方法もある。
【００１８】
また、乾燥室内に導入される雰囲気ガスは、コークス炉ガス、高炉ガス、ＬＰＧ等の燃料ガスや、石油、石炭等の固体燃料等の燃焼ガスを好適に使用でき、ＣＯ₂ 、Ｎ ₂、Ｏ₂ 、Ｈ₂ Ｏ等が主成分である。温度や酸素濃度を制御するために、空気、窒素、酸素等で希釈して使用される。
雰囲気ガスの温度は、乾燥室内への導入時には２００〜８００℃であるが、スラリー中の水分蒸発により降温し、乾燥室出口では１００〜２００℃とする。
【００１９】
本発明の方法において、乾燥室の出口におけるガス温度、および雰囲気ガスの酸素濃度は、スラリー中の金属含有率に応じて調整され、金属は鉄であり、前記式（１）および（２）を満たすように調整される。前記式（１）を満たさない場合、すなわち、雰囲気ガス中の酸素濃度が（２３−Ｍ．Ｆｅ％×０．３３）で求められる値を超える場合には、まず雰囲気ガスとして用いる燃焼ガスの温度調整用の希釈空気の低下などにより酸素濃度の低下を図る。この結果、雰囲気ガスの温度が上昇し過ぎないように、燃料や燃焼空気の量を調整する。
【００２０】
また、乾燥室出口におけるガス温度が式（２）を満たさない場合、すなわち、乾燥室出口におけるガス温度が（２００−Ｍ．Ｆｅ％×１．３７５）で求められる値を超える場合、まず、燃料や燃焼空気の量を低減し、その後雰囲気ガスの酸素濃度が上がり過ぎないように、希釈空気や窒素などの量を調整する。
【００２１】
また、雰囲気ガス中の酸素濃度の調整は、乾燥室出口以降のガス流通経路内に設置する酸素濃度計の測定値にしたがって行うことができる。このとき、ガス流通経路中へ他から別種のガスが混入する前に測定する必要がある。酸素濃度計としては、例えば、ジルコニア酸素濃度計などの工業的に一般的に使用されている形式のものを適宜使用できる。この際、酸素濃度の測定は除湿したガスについて行われるが、本発明で制御の対象とする酸素濃度は、水蒸気を含めた雰囲気ガス中の酸素の体積分率であるので、雰囲気ガス量やスラリー中の水分量などから計算される湿分を考慮してｗｅｔベースに換算した酸素濃度を用いる。雰囲気ガス中の湿分を測定するために、湿分計を設置してもよい。
【００２２】
また、乾燥室出口のガス温度としては、乾燥室からの雰囲気ガスの出口近傍以降のガス流通経路で熱電対や放射温度計などにより測定することができる。この場合もガス流通経路中へ他から別種のガスが混入する前に測定する必要があり、また、ガス流通経路中での放熱によるガス温度の低下が大きい場合には、この温度低下分を考慮して乾燥室出口のガス温度を推定する必要がある。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の方法にしたがって、転炉排ガスから生成するスラリーの乾燥を行う実施例を、図２に示すフローシートに基づいて説明する。図２に示す工程において、転炉排ガスを散水により洗浄して排ガス中の固形分を回収して得られる、水分９０〜９５％のスラリー１は、シックナー２に導入される。シックナー２内で沈降分離により濃縮された固形分は、底抜きポンプ４によって、水分７０〜８０％のスラリー３として抜き出され、高速遠心脱水機５に導入され、水分４０〜６０％まで脱水される。脱水されたスラリー６は、噴霧乾燥室７にその天井からロータリーアトマイザー８により噴霧される。
【００２４】
一方、熱風発生器９では、燃料ガス１１と熱風用空気１２を吹き込んで乾燥させ、これに二次徐冷空気１３および本乾燥装置の排ガス１４を加えて乾燥ガス１０の温度を３００〜６００℃に調整後、噴霧乾燥室７の天井から吹き込まれる。この乾燥ガス１０の酸素濃度は、燃料ガス１１と熱風用空気１２等の比率を調整して所定の濃度に調整される。
【００２５】
このとき、噴霧乾燥室の出口温度、および乾燥室内の雰囲気ガス中の酸素濃度は、予め測定されたスラリー中の金属含有率（Ｍ．Ｆｅ）（重量％）に基づいて前記式（１）および（２）を満足するように調整される。
噴霧乾燥室内の雰囲気ガスは、サイクロン１５で乾燥粉１６を分離し、煙突から乾燥排ガス１７として排出される。また、噴霧乾燥室７の底部には自然沈降した乾燥粉１８が堆積するのでこれをロータリーフィーダー１９により抜き出し、ホッパー２１に乾燥粉２０として貯留される。この乾燥粉の水分が０．５％以下となるようにスラリー供給量の調整を行う。
【００２６】
表１に実施例１〜３、参考例１、比較例１および２の条件を示す。発熱反応の有無についてはサイクロン内の温度Ｔ２の変化で評価することにした。
図３にサイクロン内温度Ｔ２の経時変化を示す。温度が発熱反応領域にある比較例１では徐々に昇温していき２００℃を越えてから急激に昇温した。また、酸素濃度が反応領域にある比較例２では、比較例１に比べ急速に反応が進行することがわかった。
これに対して、本発明の実施例１〜３および参考例１では発熱反応が起こらないことが確認された。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、微細で発火し易い金属を含むスラリーの無酸化乾燥が可能となり、発火しない乾燥条件によって、安全にスラリーの乾燥を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 乾燥ダストの発熱反応特性に及ぼす金属含有率（Ｍ．Ｆｅ）、乾燥室における出口温度および酸素濃度の影響の調査結果を示す図である。
【図２】 本発明の方法によるスラリーの乾燥工程の一例を示すフローシート図である。
【図３】本発明の実施例１、参考例１および比較例１〜２におけるサイクロン内の温度の経時変化と乾燥室の出口温度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ スラリー
２ シックナー
３ スラリー
４ ポンプ
５ 遠心脱水機
６ 脱水スラリー
７ 噴霧乾燥室
８ ロータリーアトマイザー
９ 熱風発生炉
１０ 乾燥ガス
１１ 燃料ガス
１２ 空気
１３ 二次徐冷空気
１４ 乾燥装置排ガス
１５ サイクロン
１６ 乾燥粉
１７ 排ガス
１８ 乾燥粉
１９ ロータリーフィーダー
２０ 乾燥粉
２１ ホッパー

Claims (1)

1. 金属を含むスラリーを乾燥室内でガス乾燥する方法において、金属は鉄であり、スラリー中の金属含有率に応じて、乾燥室の出口におけるガス温度および酸素濃度を、下記式（１）および（２）を満足するように調整することを特徴とするスラリーの乾燥方法。
   酸素濃度（％）≦２３−Ｍ．Ｆｅ％×０．３３ （１）
   ガス温度（℃）≦２００−Ｍ．Ｆｅ％×１．３７５ （２）
   ここで、Ｍ．Ｆｅ％はスラリーに含まれる固形分中の金属鉄含有率（重量％）を
   示す。

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