JP4316673B2 - 流動床法における粒状材料の処理方法ならびにこの方法を行うための反応容器およびプラント - Google Patents

Description

本発明は、流動床法において粒状材料を処理するための方法好ましくは還元処理するための方法に関するものである。特に、微粒状鉱石の還元方法に関するものである。この場合、粒状材料は、下から上へと流通する処理ガスによって流動床内に維持され、これにより、処理される。本発明は、また、この方法を行うための反応容器に関するものである。
この種の方法は、例えば、米国特許明細書第２，９０９，４２３号、国際特許出願明細書第９２／０２４５８号、および、欧州特許出願公開明細書第０５７１３５８号において公知である。この方法においては、例えば微粒状鉱石のような酸化物含有材料が、流動床還元炉の内部において還元ガスによって維持された流動床において還元される。この場合、還元ガスは、ノズル火格子を通して流動床還元炉内に供給され、還元炉内部を下から上に向けて供給される。一方、酸化物含有材料は、還元ガス流に対して、大まかには横切るようにして還元炉内を流通する。流動床を維持するために、流動床領域内における還元ガスの比速度は、供給される材料の粒径（粒子直径）の関数であることが要求される。
公知方法においては、還元ガスが比較的高速でなければならないことのために、流動床から、酸化物含有材料の微粒子が実質的に失われる。また、還元プロセスの後段においては、既に還元された酸化物含有材料が、流動床から失われる。このような微粒子は、その後、還元ガス内に混入する。これら微粒子を還元ガスから除去することを目的として、また別の観点から、部分的に酸化された還元ガスを再利用可能とする例えば前段に設けられた還元炉において再利用可能とすることを目的として、また、回収しなければ失われることとなる酸化物含有材料や既に還元された材料を回収することを目的として、微粒子が混入した還元ガスは、サイクロンのようなダスト分離器へと導入される。そして、分離されたダストは、流動床内へと再循環される。ダスト分離器やサイクロンは、それぞれ、還元炉内部に設けられることが好ましい（米国特許明細書第２，９０９，４２３号を参照されたい）。しかしながら、ダスト分離器やサイクロンは、還元炉の外部に設置することもできる。
実際には、部分的に還元されたまたは完全に還元された酸化物含有材料微粒子は、互いにくっついたり固まったりする、および／または、還元炉やサイクロンの壁に対して、また連結ダクトや搬送ダクトに対して、くっついたり固まったりする傾向があることがわかっている。この現象は、「スティッキング」や「ファウリング」と称される。スティッキングやファウリングは、酸化物含有材料の温度および還元度の関数である。このような、還元炉の壁に対してのあるいはプラントの他の部分に対しての、部分的にまたは完全に還元された酸化物含有材料のスティッキングや付着は、エラーを引き起こす可能性があり、このため、一切の中断を行うことなく長期にわたって連続的にプラントを操業することができない。１年以上にわたっての連続操業がほとんど不可能であることがわかっている。
付着物や固着物を除去するには、莫大な作業量が必要であり、これに伴い、実質的なコスト、とりわけ、作業者に対する人件費およびプラントの停止損失から発生するコストがかさむ。たいていの場合、このような付着物は、自然に脱離する。そのような脱離の結果、付着物は、流動床内に落下して還元プロセスの障害となったり、あるいは、サイクロンから付着物が脱離する場合には、サイクロンから流動床へと至る再循環チャネルの閉塞を引き起こして、還元ガスからのその後のダスト分離が行えなくなったりする。
実際には、公知の流動床法における１つの欠点は、処理ガス流の分裂や供給の際の融通のなさおよび困難さである。つまり、上記従来のプロセスの場合には、還元ガス流の分裂や供給の際の融通のなさおよび困難さである。従来技術に関連したさらなる欠点は、各プロセス段階において、すなわち、予熱・予還元・最終還元において、たいていの場合、プロセス段階に配置された複数の装置から、２つまたはそれ以上の製品流れができなければならないことである。そのため、各々に対して搬送流出手段を設けなければならないという意味において、実質的なコスト高を引き起こす。さらに、２つのガス供給システムが各プロセス段階において調整されなければならない。このことは、実質的には、高温ダスト含有ガスの場合に、主要な欠点をもたらす。
これに加えて、還元ガスが比較的高速であることに基づいて、還元ガスの実質的な消費量が多い。そのような還元プロセスにおいて必要とされるよりも、かなり多くの還元ガスが消費される。ガス消費における過剰分は、ただ単に、流動床の維持に使用されているにすぎない。
流動床法によって金属鉱石を還元するためのプロセスは、また、英国特許出願公開明細書第１ １０１ １９９号においても公知である。この場合には、プロセス条件は、材料が還元プロセスの途中において互いに固着して、それによって、サイズのために流動しないような凝縮が形成されるように、選択されている。これにより、完全に還元された材料を、流動可能なままとされた完全には還元されていない材料から、分離することができる。完全に還元された材料は、流動床炉から下方側に回収される。より小さな製品粒子は、流動床の上端から引き抜かれる。よって、このプロセスにおいても、同様に、２つの製品流れが存在し、各々に対して装置を設けなければならないという意味において、かなりのコスト高を招く。
本発明は、上記欠点および困難さを回避することを目標としており、本発明の目的は、スティッキングやファウリングによって引き起こされるエラーという危険性を含むことなく、実質的な期間にわたって、処理ガスの消費を最小としつつ、粒状の酸化物含有材料の処理を行い得るような、文頭において説明した種類の方法ならびにその方法を行うための反応容器を提供することである。とりわけ、流動床の維持のために必要とされる処理ガスの量と、処理ガスの流速と、の双方を低減することができて、微粒子の損失を最小とすることができる。
本発明においては、上記目的は、処理に際して、幅広い粒径分布であるとともに極微細粒子を比較的多く含みかつ大きな径の粒子も含んでいるような粒状材料が使用され、流動床内における処理ガスの見かけの速度が、粒状材料のうちの大径粒子を流動化させるために必要な速度よりも小さな速度に維持され、極徴細粒子とともにすべての大径粒子が、流動床の上側領域から、上方移動して回収されることにより、得られる。
幅広くなだらかに分布した粒径分布の場合には、流動床内における見かけ速度を、粒状材料のうちの最も大きな粒子を流動化させるために必要な速度の０．２５〜０．７５倍の範囲に維持することが有効であることがわかっている。
好ましくは、中間粒径が、粒状材料のうちの最も大きな粒径の０．０２〜０．１５倍であるような好ましくは０．０５〜０．１０倍であるような粒状材料が使用される。
ここで、流動床よりも上方の処理ガスに関し、流動床を受容し得るよう構成された反応容器の最大直径に対しての、見かけ速度を、５０〜１５０μｍといった好ましくは６０〜１００μｍといった理論カット粒径（theoretic cut grain size）に対して調節することが適切である。この場合、採掘したままの微粒鉱石に関しては、流動床内において、０．３ｍ／ｓ〜２．０ｍ／ｓの範囲に見かけ速度を調節することが有利である。
本発明による処理方法を使用して、少なくとも一部に極微細状のものを含んだ鉄鉱石およびフラックスからなる供給物質から溶融銑鉄または液状鉄鋼半製品を製造するための方法においては、供給物質が、上記流動床法に基づく少なくとも１つの還元領域において海綿鉄へと直接的に還元され、海綿鉄が、カーボンキャリアと酸素含有ガスとの供給のもとに、溶融ガス化領域内において溶融されるとともに、ＣＯとＨ2とを含んだ還元ガスが製造され、この還元ガスが、還元領域へと注入されてそこに到達し、抽出ガスとして引き出されて消費者に対して供給されることを特徴としている。
本発明による方法を行うための反応容器は、以下の特徴的な特性の組合せによって特徴づけられる。
・流動床を受容するとともに、ガス分散ボトム、処理ガスのための供給ダクト、および、ガス分散ボトムの上方に配置される粒状材料のための供給手段および回収手段を備えた、円筒状下部流動床領域。
・流動床領域の上側に連結されるようにして流動床領域の上側に配置されているとともに、上方を向いて広がるような円錐台形状とされ、かつ、炉の中心軸に対しての壁の傾斜が、６〜１５°好ましくは８〜１０°とされた、円錐台形状領域。
・円錐台形状領域の上側に連結されているとともに、頂部が閉塞され、かつ、頂部に処理ガス回収ダクトが設けられた、少なくとも１つの円筒状終端領域。
・終端領域のうちの円筒部分における横断面積の、流動床領域の横断面積に対しての比を、２以上とすること。
流動床における鉱石の還元方法のための反応容器であって、異なる直径の２つの円筒状部を備えるとともに、これら円筒状部どうしの間に極端な円錐台形状とされた部分を備える反応容器は、例えば、欧州特許出願公開明細書第０ ０２２０９８号において知られている。しかしながら、この反応容器においては、２つのガス供給ダクト、とりわけ、下側円筒部の下方に配置されたダクトと、円錐台形状部内に配置されたダクトと、が設けられている。完全に還元された鉱石は、この流動床炉から、下方向に回収される。
好ましくは、本発明においては、終端領域のうちの円筒部分における横断面積は、５０μｍを超える粒径を有した粒子をガスから分離するために十分であるような、この領域における見かけ速度の調整に際して、十分に大きなものとされている。
少なくとも一部に極微細状のものを含んだ鉄鉱石およびフラックスからなる供給物質から溶融銑鉄または液状鉄鋼半製品を製造するためのプラントは、還元炉として構成された本発明による反応容器を少なくとも１つ具備し、還元炉には、鉄鉱石およびフラックスを含有した供給物質のための搬送ダクト、還元ガスのためのガスダクト、炉内で形成された還元製品のための搬送ダクト、および、最終ガスのためのガスダクトが設けられ、還元炉からの還元製品を導入するための搬送ダクトが流入しているとともに、酸素含有ガスおよびカーボンキャリアのための供給ダクトと、銑鉄または鉄鋼半製品およびスラグのためのタップと、を備えている、溶融ガス化炉を具備し、ガスダクトは、還元炉に対して接続されているとともに、溶融ガス化炉内で形成されたガスを溶融ガス化炉から導出させるよう機能しており、還元炉は、流動床還元炉として構成されていることを特徴としている。
以下、本発明を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明による反応容器を示す断面図である。図２は、本発明による反応容器を使用することができる、鉄鉱石の還元プロセスを概略的に示す図である。図３は、本発明に基づいて処理されるべき鉄鉱石のいくつかの粒径分布を概略的に示している。
図１に図示され流動床反応炉をなす特に流動床還元炉をなす反応容器１は、流動床２を受容し得るよう構成された円筒状下部流動床領域３を具備しており、所定高さ位置に、還元ガスを供給しかつ均等に分散させるための、ノズル火格子４として構成されたガス分散ボトムが設けられている。還元ガスは、還元炉内を、ノズル火格子４から出発して、下から上に向けて流通する。ノズル火格子４の上方でありかつ円筒状流動床領域３の内部においては、微粒状鉱石のための、回収搬送ダクト５，６が、とりわけ、供給ダクトと回収ダクトとが、設けられている。流動床２は、ノズル火格子４から、微粒鉱石のための回収ダクト６の高さ位置までの、すなわち、ダクト６の開口８までの、ベッド高さ７を有している。
円筒状流動床領域３に対しては、上方を向いて広がるようなフレアー形状とされた円錐台形状領域９が連結されている。この円錐台形状領域９の壁１０の、炉中心軸１１に対しての傾斜は、最大でも６〜１５°とされており、好ましくは８〜１０°とされている。この領域においては、円錐台形状領域９の横断面１２が連続的に広がっていることにより、還元ガスの上向流の見かけの速度は、着実にかつ連続的に減速する。
円錐台形状領域９の壁１０の傾斜がほんのわずかのものであることにより、横断面１２が広がっているにもかかわらず、円錐台形状領域９内において、擾乱のないかつ壁１０からの分離のない流れを得ることができる。還元ガスの速度の局所的な増大化を引き起こすこととなる擾乱を、このようにして回避することができる。これにより、横断面１２にわたって、還元ガスの見かけの速度においての、均等なかつ連続的な還元が、円錐台形状領域９の高さ全体に関して、すなわち、円錐台形状領域９の任意高さ位置において、保証される。
円錐台形状領域９の上端１３に対しては、終端領域１５が連結されている。終端領域１５には、円筒壁１４が設けられており、上端は、例えば半球状といった球面の一部をなす形状とされた炉天井１６によって閉塞されている。還元ガスを回収するためのガスダクト１７が、炉天井１６の中央に設けられている。円錐台形状領域９の横断面積の拡大は、終端領域１５の横断面積１８の、流動床領域３の横断面積１９に対する比が、２以上であるように、設定されている。
ガスダクト１７は、還元ガスのダスト分離のために機能するサイクロン２０に対して接続されている。サイクロン２０からのダスト再循環ダクト２１は、下方に延出されていて、流動床２に対して開口している。サイクロン２０のガス回収は、参照符号２２で示されている。
本発明においては、幅広くなめらなか粒径分布を有し極微細粒のものを比較的多く含む微粒状鉱石が、還元炉１内に導入される。このタイプの粒径分布の例は、例えば、以下のようなものである。

大まかには上記のような粒径分布を有した微粒状鉱石は、見かけ速度ｖ_superが、微粒状鉱石のうちの最大粒子の最小流動速度よりも、常に小さくされていれば、流動床２内において凝集を起こすことなく流動することができることがわかった。これが、本発明の本質である。
以下の比は、ｖ_superのための、最適動作範囲であることがわかった。
ｖ_super＝（０．２５〜０．７５）×ｖ_min（ｄ_max）
ここで、
ｖ_super ：分散ボトム４の上方における流動床２内での見かけ速度、
ｖ_min（ｄ_max）：供給される微粒状鉱石のうちの最大粒子の最小流動速度、
である。
上述のように、微粒状鉱石の粒径分布が広いことは、本発明にとって不可欠である。このような粒径分布は、採掘したままの微粒状鉱石の特徴である、つまり、サイズによるふるい分けを受けていない粒状鉱石の特徴である。採掘したままの状態での鉄鉱石のいくつかの粒径分布が、図３に示されている。これら採掘したままの鉄鉱石の粒径分布においては、流動床内に留まることができずガス流によって回収されるもののサイクロンによる再循環により戻されるような、とても小さな極微細粒の部分が常に多く存在している。このような極微細粒のものは、処理ガスの比較的小さな見かけ速度において、非常に大きな粒子の流動を確保するために必要である。
本発明においては、幅広い粒径分布の場合には、より小さい径の粒子からより大きな径の粒子に対しての、パルス伝達が起こることを利用している。これにより、還元ガスの見かけの速度が、大きな粒子に対して要求されるような見かけ速度よりも小さい場合であってさえも、大きな粒子の流動が可能とされている。本発明においては、ｄ_maxが好ましくは１２ｍｍまでであれば、最大でも１６ｍｍまでであれば、事前のふるい分けを一切行うことなく、天然の粒径分布（採掘したままの粒径分布）の微粒状鉱石を使用することができる。
上記のような基準にしたがって構成された還元炉を使用することにより、また、比較的微粒のものを多く含む微粒状鉱石を使用することにより、流動化現象に対して以下のような利点を得ることができる。
・原料供給の変化に関連した固体密度および粒径分布の変化に対して、システムがフレキシブルであること（融通がきくこと）。
・粒径の分布に対して過敏でなく、したがって、微粒子の割合についての、供給材料の流れと製品流れとの間の変化に対して過敏でないこと。
反応容器１は、予熱容器として使用されたときにも、また、予還元容器や最終還元容器として使用されたときにも、同等の利点を有することができる。
本発明に基づいて構成された上記タイプの容器１が使用されているプラントに関して、以下、概略的な図２を参照して詳細に説明する。
銑鉄または鉄鋼半製品を製造するためのプラントは、上記のような構成とされるとともに順次直列に連結された、３つの流動床炉１，１’，１”を備えている。採掘したままの微粒鉱石といった酸化鉄含有材料は、鉱石供給ダクト５を通して、第１の流動床炉１に供給される。第１流動床炉においては、予熱ステージとして、微粒鉱石の予熱が行われ、さらに付加的には予還元も行われる。その後、酸化鉄含有材料は、搬送ダクト５，６のそれぞれを通して、梳動床炉１から１’へと、また、流動床炉１’から１”へと、搬送される。第２の流動床炉１’においては、予還元ステージとして予還元が行われ、その次に設置された流動床炉１”においては、最終還元ステージとして、微粒鉱石から海綿鉄への最終還元が行われる。
完全に還元された材料、つまり、海綿鉄は、搬送ダクト６を通して、溶融ガス化炉２５へと供給される。溶融ガス化炉２５内における溶融ガス化領域２６においては、石炭および酸素含有ガスから、ＣＯとＨ₂とを含む還元ガスが製造される。この還元ガスは、還元ガス供給ダクト２７を通して、微粒鉱石の流れ方向の最終段に設置された流動床炉１”内に供給される。還元ガスは、鉱石の流れに対向して流通し、特に連結ダクト２８，２９を通して、それぞれ、流動床炉１”から１’へと、また、流動床炉１’から１へと、誘導される。最終的には、最終ガスとして、最終ガス回収ダクト３０を通して導出され、その後、ウェットスクラバ３１において、冷却と洗浄とがなされる。
溶融ガス化炉２５には、固体カーボンキャリアのための供給ダクト３２と、酸素含有ガスのための供給ダクト３３と、付加的に、室温では液状やガス状であるような炭化水素等のカーボンキャリアのための供給ダクトや、焼フラックスのための供給ダクトと、が設けられている。溶融ガス化炉２５内においては、溶融銑鉄や溶融鉄鋼半製品および溶融スラグが、溶融ガス化領域２６よりも下方に収集され、タップ３４を通して取り出される。
溶融ガス化炉２５から延在しているとともに流動床炉内に開口している還元ガス供給ダクト２７には、高温ガスサイクロン３５のような除塵手段が設けられている。この高温ガスサイクロン３５内において分離されたダスト粒子は、リターンダクト３６を通して、搬送手段として窒素を使用するとともに酸素吹き込みバーナーを通過して、溶融ガス化炉３５へと供給される。
還元ガスの温度を調整する可能性が、ガス再循環ダクト３７によってもたらされている。このダクト３７は、好ましくは、還元ガス供給ダクト２７から延在するとともに、スクラバ３８およびコンプレッサ３９を介して、還元ガスの一部を還元ガス供給ダクト２７へと戻している、特に、高温ガスサイクロン３５の上流側へと戻している。

Claims (13)

1. 流動床法において粒状材料を還元するための方法であって、
   粒状材料は、下から上に向けて流通する還元ガスによって流動床（２）内に維持されるとともに、これによって還元され、
   還元に際しては、０．０６〜１０ｍｍの粒径分布であるとともに粒径１ｍｍ以下の粒子を３０％以上含みかつ粒径４ｍｍを超える大きな径の粒子も含んでいるような粒状材料が使用され、
   より小さい径の粒子からより大きな径の粒子に対しての、パルス伝達が起こることによって、前記流動床（２）内における前記還元ガスの見かけの速度は、前記粒状材料のうちの大径粒子を流動化させるために必要な速度よりも小さな速度に維持され、
   粒径１ｍｍ未満の極微細粒子とともに粒径４ｍｍを超えるすべての大径粒子が、前記流動床の上層領域から、上方移動して回収されることを特徴とする方法。
2. 前記粒状材料を還元するための方法は、微粒状鉱石を還元するための方法であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記流動床（２）内における前記見かけ速度を、前記粒状材料のうちの最も大きな粒子を流動化させるために必要な速度の０．２５〜０．７５倍の範囲に維持することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 中間粒径が、前記粒状材料のうちの最も大きな粒径の０．０２〜０．１５倍であるような粒状材料を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記中間粒径が、前記粒状材料のうちの最も大きな粒径の０．０５〜０．１０倍であるような粒状材料を使用することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記流動床（２）よりも上方の還元ガスに関し、前記流動床（２）を受容し得るよう構成された流動床炉（１）の最大直径に対しての見かけ速度が、５０〜１５０μｍといった理論カット粒径に対して調節されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記理論カット粒径が６０〜１００μｍであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記流動床（２）内において、０．０６〜１０ｍｍの粒径分布の粒状鉱石に関して、見かけ速度を０．３ｍ／ｓ〜２．０ｍ／ｓの範囲に調節することを特徴とする請求項６または７記載の方法。
9. 少なくとも一部に粒径１ｍｍ未満の極微細状のものを含んだ鉄鉱石およびフラックスからなる供給物質から溶融銑鉄または液状鉄鋼半製品を製造するための方法であって、
   前記供給物質は、請求項１〜８のいずれかに記載の方法に基づく還元が実施される少なくとも１つの流動床炉（１）において海綿鉄へと直接的に還元され、
   前記海綿鉄は、カーボンキャリアと酸素含有ガスとの供給のもとに、溶融ガス化炉（２５）内において溶融されるとともに、ＣＯとＨ₂とを含んだ還元ガスが製造され、
   この還元ガスが、前記流動床炉（１）へと注入されてそこに到達し、抽出ガスとして引き出されて後続の流動床炉に供給されて鉱石の予熱および予備還元に使用されることを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の方法を行うための反応容器（１）であって、
    前記流動床（２）を受容するとともに、ノズル火格子（４）、前記還元ガスダクト（２７，２８）、および、前記ノズル火格子（４）の上方に配置された粒状材料のための供給手段および回収手段を備えた、円筒状下部流動床領域（３）と、
    該流動床領域（３）の上側に連結されるようにして該流動床領域（３）の上側に配置されているとともに、上方を向いて広がるような円錐台形状とされ、かつ、前記炉の中心軸（１１）に対しての壁（１０）の傾斜が、６〜１５°とされた、円錐台形状領域（９）と、
    該円錐台形状領域（９）の上側に連結されているとともに、頂部が閉塞され、かつ、頂部に還元ガスダクト（２８，２９，３０）が設けられた、少なくとも１つの円筒状終端領域（１５）と、
    を具備し、
    前記終端領域（１５）のうちの円筒部分における横断面積（１８）の、前記流動床領域（３）の横断面積（１９）に対しての比が、２以上である反応容器を使用することを特徴とする方法。
11. 前記炉の中心軸（１１）に対する前記円錐台形状領域（９）の壁（１０）の傾斜が、８〜１０°とされていることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記反応容器の前記終端領域（１５）のうちの円筒部分における横断面積（１８）は、５０μｍを超える粒径を有した粒子をガスから分離することが可能なように、この領域において調整される見かけ速度に関して、前記流動床領域（３）の横断面積（１９）に対しての比が２以上とされている反応容器を使用することを特徴とする請求項１０または１１記載の方法。
13. 溶融銑鉄または液体状鉄鋼半製品を製造するためのプラントであって還元炉（１，１’，１”）として構成された少なくとも１つの反応容器を具備し、
    前記還元炉（１，１’，１”）には、鉄鉱石およびフラックスを含有した供給物質のための搬送ダクト（５）、還元ガスのためのガスダクト（２７，２８）、炉内で形成された還元製品のための搬送ダクト（６）、および、最終ガスのためのガスダクト（３０）が設けられ、
    前記還元炉（１，１’，１”）からの還元製品を導入するための搬送ダクト（６）が流入しているとともに、酸素含有ガスおよびカーボンキャリアのための供給ダクト（３２，３３）と、銑鉄または鉄鋼半製品およびスラグのためのタップ（３４）と、を備えている、溶融ガス化炉（２５）を具備し、
    前記還元炉（１，１’，１”）に対して接続されているとともに前記溶融ガス化炉（２５）内で形成されたガスのための前記ガスダクト（２７）は、前記溶融ガス化炉（２５）から導出されており、
    前記還元炉は、請求項９記載の方法を行うために、流動床還元炉として構成されているプラントを使用することを特徴とする方法。

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