JP4340387B2 - 炭化鉄と粒状の直接還元鉄との混合物の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の分野】
本発明は鉄鉱石還元プラントから出る粒状の直接還元鉄(DRI)からなる中間生成物から炭化鉄(Fe3C)を含有する最終生成物を製造する際に、DRIを与炭反応器に供給するようにしてなる方法に関する。直接還元鉄は専門家の間ではDRIとも、また海綿鉄とも呼ばれる。
【0002】
【関連した技術の記述】
米国特許第5527379号及び同第5603748号から酸化鉄の直接還元は公知であり、その場合、複数の流動層内で粒状の酸化鉄含有材料を500〜900℃の温度の高温還元ガスに直接接触させている。還元ガスが水素の他にかなりの量の一酸化炭素を含有すると、公知の還元方法の最終流動層からはFe3Cに富んだ最終生成物を取り出すことができる。しかし実際には、酸化鉄を鉄に還元する際、発生蒸気が鉄とCO及び/又はCH4との反応による炭化鉄の同時生成を著しく妨害することが明らかとなっている。
【0003】
DE−C−19538591に振動容器内でのDRIの与炭が記載され、その場合、DRIを800〜1100℃の温度で供給し、そして特に液体炭化水素を導入している。そこでは、Fe3C含有量の高い生成物を問題としているのではなく、むしろ比較的高い温度で操作して、その温度で液体炭化水素を高温のDRIと接触させて特にすすを生成させている。生成したすすは全く又はほとんど反応しないのでFe3Cを生成することがなく、与炭生成物とともに排出される。
【0004】
【発明の開示】
本発明の課題は、すすの生成が完全に又は大いに抑制されるように、高温の直接還元鉄の与炭を還元プラントの外部の与炭反応器内で行うことである。さらに、Fe3Cをいろいろな割合で含む生成物が製造できなければならない。本発明によれば、上記課題は冒頭に述べた方法において、500〜900℃の範囲の温度の与炭反応器に液体炭化水素を供給し、それにより粒状DRIの少なくとも一部を流動化させるとともに、与炭反応器からFe3C5〜90重量%からなる最終生成物を排出し、メタンと水素とを含有した排ガスを与炭反応器から排出し、冷却し、分離するとともに、冷却された排ガスの少なくとも一部を加熱して与炭反応器に再循環させることにより達成される。最終生成物はFe3Cが少なくとも10重量%であるのが好ましい。与炭反応器は連続的に又は不連続的に運転することができる。
【0005】
与炭反応器に導入される液体炭化水素はいろいろの種類のものであってよい。超軽質燃料油から重質燃料油までの各種の燃料油が適切に使用される。通常、与炭反応器に供給されるDRIの1kg当たり液体炭化水素0.005〜0.2kgが反応器の下部領域に導入される。与炭反応器に導入された液体炭化水素により高温の固体層内で激しいガス形成が行われ、層が少なくとも部分的に流動化される。流動層で与炭を行いたい場合は、層の下部領域に液体炭化水素に加えて流動化用ガスも導入するのがよい。その際、流動化用ガスの含水量が1.5容量%以下であるように留意する。好ましくは、メタン含有流動化用ガスを用いて操作が行われ、このガスは水素を含有していてもよい。適切な流動化用ガスは例えば前もって脱水された、与炭反応器の排ガスである。
【0006】
本発明によれば、上述のように、与炭反応器内では液体炭化水素からFe3Cの他にメタンと水素とを含有した混合ガスが生成され、この混合ガスは排ガスとして排出される。この排ガスを冷却すると含水凝縮物が生成し、分離される。冷却された排ガスの少なくとも一部を再加熱し、流動化用ガスとして反応器に導入することができる。この流動化用ガスは約40〜95容量%が水素からなり、メタン含有量が5〜50%の範囲である。これらの%は無水物としてかつ、通常存在する窒素分を考慮に入れないで計算された値である。流動化用ガスはさらに炭素酸化物を含有していてもよい。
【0007】
反応器の流動層に導入される、通常は再循環された排ガスである流動化用ガスは反応器内における炭化物の生成には全く又はほとんど関与しない。好ましくは、炭化鉄は反応器内で液体炭化水素の分解により簡単に生成される遊離炭素により主として生成される。この炭素は非常に反応性が高く、その存在する温度で金属鉄と激しく反応して炭化鉄を生成する。したがって、流動層から少なくとも30重量%のFe3Cからなる与炭生成物を排出することができる。
【0008】
最終生成物の炭素含量を述べる場合、それは常に、結合状態(Fe3C)でもすす状に遊離した状態でも存在してよい炭素の全量を意味する。多くの場合、最終生成物の炭素含有量は3重量%以下である。しかし、それより高い炭素含有量を有する最終生成物を得ることは容易に可能である。炭素含有量が3重量%の場合、最終生成物はFe3C約50重量%を含有し、さらに場合により少量の遊離炭素を含有する。
【0009】
本発明の方法の一変形は、流動化用ガスを用いないで操作し、与炭反応器には液体炭化水素のみを供給することである。この場合、望ましい炭化物生成が行われる温度は580〜700℃、好ましくは600〜680℃の範囲である。この温度が高すぎると、Fe3Cの生成が大きく低下する。流動層の温度を640〜700℃に維持すると比較的Fe3C含量の低い最終生成物が得られ、その場合の炭素含有量はおよそ1重量%である。このような生成物は、後続の不活性雰囲気下でのロ−ルプレスによる高温製団によく適していることがわかっている。最終生成物に2重量%を超える炭素含有量に相当する、さらに高いFe3C含有量を得たい場合は、流動層内を580〜640℃の範囲の比較的低い温度になるようにする。
【0010】
下方に向かって先細りする円錐形の与炭反応器内に固体層があると有利である。この反応器形状の場合、ガスの生成により固体層は流動層が形成されるように激しく流動化される。この流動層は物質交換を、したがって炭化物の生成を促進する。通常、円錐形与炭反応器内の流動層は1〜4mの高さを有する。さらに、反応速度を増すように、反応器内に約10バ−ルまでの高い圧力を維持するのが好ましい。
【0011】
粒状の直接還元鉄(DRI)は還元プラントから出るのが好都合であり、このプラントではDRIは最終還元工程の流動層内で処理されたものである。この流動層に、H2含有量が少なくとも90容量%で温度が600〜1000℃のガスが流動化用還元ガスとして導入される。このような還元プラントの詳細は米国特許第5527379号及び同第5603748号に記載されている。そこでは、鉄鉱石がまず500〜900℃の温度に加熱され、次いで、第一還元工程に供給される。この第一還元工程は循環流動層として設計され、この層にH2含有量が少なくとも75容量%の流動化用ガスが供給される。第一還元工程の温度は600〜800℃の範囲である。次いで、金属化率が通常50〜80%の部分還元鉄鉱石が第二(同時に最終)還元工程に供給される。この最終還元工程では静止流動層が用いられ、この層は、あふれぜきで互いに分離されて都合よく並んだ複数の区画を有する。これも前記の両米国特許に記載されている。この様にして得られたDRIは85%を超える、そして通常は少なくとも90%の金属化率を有する。
【0012】
本発明の方法の実施態様を図面を用いて説明する。図面において、管路1(図1参照)から供給される粒状酸化鉄から先ず還元によりDRIが得られる。還元はそれ自体公知のいずれの方法で行ってもよい。有利な方法は前記の米国特許第5527379号及び同第5603748号に記載されている。乾燥−加熱工程2の後に第一還元工程3とそれに続く第二還元工程4がある。両還元工程において還元は流動層内で行われ、その際還元−流動化用ガスとして高温の水素含有ガスが用いられる。
【0013】
両工程3、4の温度は500〜900℃の範囲である。第一工程3は循環流動層として構成され、ここへは第二工程4から出る使用済みの水素含有還元ガスの少なくとも一部が管路5を通って供給される。第一工程の排ガスは管路6を通って処理プラント7へ再循環され、そこでまた水素に富んだ新鮮なガスが作られる。このガスは高温還元ガスとして管路8を通って第二還元工程4に供給され、そこでは固形物が静止流動層を形成する。通常、管路8のガスは少なくとも90容量%の水素を含有する。管路8の還元ガスの部分流が管路8aを通って直接第一工程3へ供給されるのが有利である。管路3aを通る部分還元鉄鉱石の金属化率は50〜80%である。
【0014】
第二還元工程4から実質的に無炭素の粒状DRIが排出される。この直接還元鉄は650〜900℃の範囲の温度を有し、与炭のために通路10を通って送られ、サイクロン分離器12に接続した流動層反応器11に供給される。与炭を行うために液体炭化水素、例えば燃料油、が管路13を通って供給される。反応器内の温度は500〜900℃の範囲である。水素とメタンとを含有した高温の流動化用ガスが管路15を通って反応器に供給される。ガス−固形物サスペンシヨンは反応器11の上部領域から通路16を通って分離器12に流入し、分離された固形物は管路17を通って反応器11に再循環される。反応器11の下部領域から通路18を通っり排出される与炭後の最終生成物は金属鉄とFe3Cを含有し、Fe3C含有量は少なくとも30重量%であり、最終生成物のC含有量は少なくとも2重量%である。
【0015】
反応器11内では分解作用によりガス混合物が生成し、このガス混合物は排ガスとして管路19から分離器12を出る。冷却されるためにこの排廃ガスは先ず熱交換器20に流入し、次いで管路21を通って洗浄冷却器22に送られる。この洗浄冷却器には管路23を通って水に富んだ凝縮物が噴射される。ダストを含有した凝縮物は管路24を通って排出され、固形物含有液体の一部は管路25を通って工程から除去され、残りの凝縮物は管路26を通って冷却器27へ送られる。ここへは清水が管路28を通って供給される。冷却器内では水に富んだ液体が約30〜70℃の温度に冷却された後、循環ポンプ29により洗浄冷却器22へ再循環される。
【0016】
冷却され、ダスト除去された排ガスはブロア−30により吸引され、その部分流は管路31を通って工程から除去され、残りの排ガスは管路32を通って熱交換器20に流入して加熱され、次いで管路33を通って火力ヒータ−34に流入し、300〜700℃の温度の排ガスとなって管路15を通って与炭反応器11へ再循環される。
【0017】
図2に従って、高温のDRIは通路10を通って与炭反応器11aに供給される。この反応器11aは円錘形状を有し、垂直線Sに対して測定したテ−パ角度Xは通常10〜30゜の範囲である。液体炭化水素が管路13から供給され、反応器11a内の高温固体層中で蒸発する。炭化水素分子の少なくとも一部は金属鉄と反応してFe3Cを生成する。これらの及びその他の反応により激しくガスが発生する。このガスは水素とメタンを含有し、固形物を流動化して流動層を形成する。その際、反応器11aの円錐形状は望ましい流動層の形成を促進する。
【0018】
計量部材43、例えば玉弁、を通って、Fe3C含有量が一般に5〜50重量%、好ましくは10%以上である与炭最終生成物が排出される。管路19から排出される排ガスは水素とメタンとをかなりの量含有している。従って、この排ガスの全部又は一部を、破線管路15aで示すようにプラント7に導入するのが好ましい。しかし図1に示す通り、排ガスは処理プラント40で処理した後、管路15から流動化用ガスとして反応器11aに再循環させてもよい。残りの参照番号は図1について既に説明した意味を有する。
【0019】
【実施例 1】
図1に対応する操作手順により、Fe2O396重量%からなる鉄の含有量が67重量%である鉄鉱石から600000トン/年のFe3Cの生産が行われる。この鉄鉱石は他の脈石の他にSiO2を2.4重量%含有する。以下のデータは一部計算されたものであり、その際、米国特許第5603748号に記載されているような還元プラントに基づいている。
【0020】
850℃に加熱された、0.1〜1mmの範囲の粒度を有する鉄鉱石が、循環流動層として構成されかつ温度が630℃である第一還元工程3に達する。工程3に供給される高温の還元性流動化用ガスはその85容量%が水素からなる。鉄鉱石1kg当たり3Nm3のH2を第一工程3に供給する。部分還元された金属化率75%の鉄鉱石を、温度680℃の静止流動層として操作される第二の還元工程に供給する。固形物1kg当たり2Nm3の高温水素ガスを流動化用ガスとして工程4に供給する。管路8を通るこのガスはその90容量%がH2からなり、さらにN29容量%とH2O1容量%とを含有する。
【0021】
無視できるほど少量のCを含有した温度680℃、63.6トン/時のDRIを、600℃に維持された圧力1.3バールの反応器11に炭化物生成のために送る。このDRIはその88重量%が金属鉄Fe、8.5重量%がFeO、3.5重量%がSiO2からなる。
【0022】
反応器11には与炭のために軽質燃料油油2.9トン/時を供給し、H2含有量88.5容量%、CH4含有量8.5容量%、N2含有量1.5容量%及びH2含有量1.5容量%の再循環廃ガス25000Nm3/時を管路15から供給する。各種の管路内を次のガス量が流れる。
【0023】
【表1】
【0024】
管路18から排出される与炭後のDRIはFe3C含有量が40重量%であり、さらに8重量%がFeO、3重量%がSiO2及び48重量%が金属鉄からなる。与炭されたDRIの炭素含有率は2.9重量%であり、その90%はFe3Cとして結合している。
【0025】
【実施例 2】
この実施例では、実施例1で用いたDRIからFe3C含有量89重量%の、高度に与炭された最終生成物を得る。この目的で、反応器11には与炭のために軽質燃料油5.9トン/時を供給し、H2含有量63容量%、CH4含有量34容量%、N2含有量2.5容量%及びH2含有量0.5容量%の再循環排ガス52900Nm3/時を管路15から供給する。各種の管路内を次のガス量が流れる。
【0026】
【表2】
【0027】
管路18から排出される与炭後の海綿鉄はFe3C含有量が89重量%であり、そしてFeO8重量%及びSiO23重量%からなる。
【0028】
【実施例 3】
図2に従って操作を行い、実施例1と同様にして得られたDRIを用いる。ただし、DRIは750℃の温度を有する。63.6トン/時のDRIを与炭反応器11aに供給する。この反応器は高さが4.5mで、円錘形に構成され、流動化用ガスの供給を行なわないで操作される。反応器11a内には、管路13の入口から測定して高さ3mの流動層が存在する。この反応器内の圧力は2バールであり、流動層の温度は680℃に維持されている。400℃に予熱された、軽質燃料油0.7トン/時を管路13から供給する。反応器11aからは、Fe3C含有量が12重量%で、金属鉄以外に、FeO9重量%及びSiO23重量%を有する与炭最終生成物が排出される。この生成物のC含有量は0.8重量%である。管路19の排ガスはN2870Nm3/時とCH4130Nm3/時とを含有する。
【0029】
【実施例 4】
実施例3と同様な操作を行なう。但し、実施例4では与炭反応器11aに、総Fe含有量95重量%、FeO含有量8.5重量%及びSiO2含有量3重量%で、750℃のDRI228トン/時を供給する。DRIは実質的にはCを含有しない。与炭の目的で、400℃に予熱された超軽質燃料油5.7トン/時を用いる。生成物の総Fe含有量を基準にしてC含有量1.8重量%、温度600℃で、与炭最終生成物232.1トン/時が排出される。この最終生成物はFe3C26.5重量%、FeO8.4重量%及びSiO22.9重量%を含有する。管路19の排ガスはN27000Nm3/時とCH41300Nm3/時とを含有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明の方法の第一変形の流れ図である。
【図2】 図2は本発明の方法の第二変形を示す流れ図である。
【符号の説明】
1 管路
2 乾燥−加熱工程
3 第一還元工程
4 第二還元工程
5 管路
6 管路
7 処理プラント
8 管路
10 導管
11a 与炭反応器
13 管路
15 管路
43 計量部材
17 管路
Claims (7)
- 鉄鉱石還元プラントから出る粒状の直接還元鉄(DRI)からなる中間生成物から炭化鉄(Fe3C)を含有する最終生成物を製造する際に、DRIを与炭反応器に供給するようにしてなる方法において、
500〜900℃の範囲の温度の与炭反応器に液体炭化水素を供給し、それにより粒状DRIの少なくとも一部を流動化させるとともに、与炭反応器から5〜90重量%がFe3Cからなる最終生成物を排出し、
メタンと水素とを含有した排ガスを与炭反応器から排出し、冷却し、分離するとともに、冷却された排ガスの少なくとも一部を加熱して与炭反応器に再循環させることを特徴とする方法。 - 与炭反応器から排出される最終生成物が炭素3重量%以下を含有することを特徴とする請求項1記載の方法。
- 与炭反応器に、供給DRIの1kg当たり液体炭化水素0.005〜0.2kgを供給することを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
- 与炭反応器が円錐形であり、下方に向かって先細りしていることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の方法。
- 粒状DRIは還元プラントから出てきたものであり、このプラントの最終還元工程の流動層内で処理され、この流動層に、水素含有量が少なくとも90容量%で温度が600〜1000℃のガスを流動化用還元ガスとして導入することを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の方法。
- 500〜900℃に加熱された鉄鉱石を還元プラントの第一還元工程において循環流動層内で、H2含有量が少なくとも75重量%の流動化用ガスにより600〜800℃の温度で部分還元すること、及び前記第一工程で部分還元された鉄鉱石を、粒状DRIが排出される最終還元工程に供給することを特徴とする請求項5記載の方法。
- 与炭反応器内の圧力が1〜10バールであることを特徴とする請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の方法。
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