JP4490640B2

JP4490640B2 - 還元金属の製造方法

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Publication number: JP4490640B2
Application number: JP2003049471A
Authority: JP
Inventors: 孝夫原田; 英年田中; 宏志杉立
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004256868A; US20040163493A1; US7572316B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素質還元材を含む酸化金属を移動炉床式還元炉で加熱還元して還元金属を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転炉床式還元炉（移動炉床式還元炉）で還元鉄（還元金属）を製造する場合、酸化鉄（酸化金属）を含有する鉄鉱石に石炭（炭素質還元材）を添加したのち、還元炉内を移動する炉床上に装入し、還元炉内で高温に加熱して石炭（炭素質還元材）により鉄鉱石中の酸化鉄（酸化金属）を還元することで、還元鉄（還元金属）を生成することができる。
【０００３】
この還元炉は、ドーナツ形状に形成された還元炉本体内にリング状をなす炉床が周方向に回転可能に支持され、還元炉の所定位置に石炭を含む鉄鉱石を炉床上に供給する原料供給機と、炉内で還元された還元鉄を外部に排出する製品排出機とが設けられたものである。そして、還元炉内に炉床上に高温雰囲気を形成するための空間部が形成され、この空間部に対して燃料および一次燃焼用空気を供給する主バーナと、二次燃焼用空気を供給する二次燃焼バーナとが設けられるとともに、炉内での燃焼により発生した排ガスを排出する排ガスダクトが設けられている。
【０００４】
したがって、原料供給機により石炭を含む鉄鉱石が炉床上に供給される一方、この炉床は所定速度で回転し、かつ、主バーナにより空間部が加熱されて高温雰囲気となっている。そのため、炉床上の石炭を含む鉄鉱石は炉内の高温雰囲気を移動中に石炭により鉄鉱石中の酸化鉄が還元されて還元鉄となる。そして、製品排出機により還元鉄は炉外へ排出される。
【０００５】
一方、炉内の高温雰囲気を移動中に加熱された石炭を含む鉄鉱石からは、石炭から発生する揮発分と、石炭と鉄鉱石中の酸化鉄との還元反応により生じるＣＯガスが発生する。以下、この揮発分とＣＯガスとを総称して可燃性ガスと呼ぶ。この可燃性ガスを有効利用するため、二次燃焼バーナにより二次燃焼用空気を供給して、炉内でこの可燃性ガスを過不足なく燃焼し、主バーナにより供給される燃料の消費量を抑制するようにしている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
また、一次燃焼用空気および二次燃焼用空気として、予熱空気または酸素富化空気の使用が提案されている。一次燃焼用空気および二次燃焼用空気として、酸素富化空気を使用することの効果は、これら燃焼用空気中の窒素含有量を減らすことにより得られる。すなわち、燃焼用空気中の窒素含有量を減らすことにより、原料の加熱にほとんど寄与しない窒素分の加熱に必要な熱量が減少して主バーナで供給する燃料の消費量を低減できることに加え、還元炉から排出される排ガス量が減るため排ガスの処理設備が小型化でき、操業コストおよび設備コストが低減できる（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１１５２０４号公報
【特許文献２】
特開平１１−２７９６１１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃焼用空気中の窒素含有量が少なくなると燃焼後ガスの温度が上昇して窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が多くなり、還元炉の排ガス中のＮＯｘ含有量が増加するため、ＮＯｘ低減対策による操業コスト・設備コスト増のために、燃料消費量の低減効果が打ち消されてしまうという問題があった。そして、上記特許文献２にはこの問題点に関する解決手段の開示および示唆がなく、実用化が阻まれていた。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するものであり、燃焼用空気に酸素富化空気を用いて還元炉の燃料消費量を低減しつつ、還元炉の排ガス中のＮＯｘ含有量を増加させることがない還元金属の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、還元炉中を移動する炉床上に載置された炭素質還元材を含む酸化金属を加熱し還元して還元金属を製造する方法であって、前記還元炉に、燃料および一次燃焼用空気を供給する複数の主バーナと、二次燃焼用空気を供給する二次燃焼バーナとを設け、前記一次燃焼用空気および／または前記二次燃焼用空気として、酸素を富化した空気を用いる際に、前記複数の主バーナのうち少なくとも１つの主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度を、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より５容積％以上低くすることを特徴とする還元金属の製造方法である。
請求項２に係る発明は、前記複数の主バーナのうち少なくとも１つの主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度を、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より５〜５０容積％低くすることを特徴とする請求項１記載の還元金属の製造方法である。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記複数の主バーナのうち、当該主バーナと略対向する炉側壁部に設けられたガスサンプリング孔から採取された炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度が２容積％未満となる主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度のみを、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より低くする請求項１または２記載の還元金属の製造方法である。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記複数の主バーナのうち、当該主バーナと略対向する炉側壁部に設けられたガスサンプリング孔から採取された炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度が４容積％未満となる主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度のみを、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より低くする請求項１または２記載の還元金属の製造方法である。
【００１３】
請求項５に係る発明は、前記複数の主バーナのうち、当該主バーナと略対向する炉側壁部に設けられたガスサンプリング孔から採取された炉内雰囲気ガスの還元度（ＣＯ＋Ｈ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２＋Ｈ_２＋Ｈ_２Ｏ）が０．０５未満となる主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度のみを、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より低くする請求項１または２記載の還元金属の製造方法である。
【００１５】
請求項６に係る発明は、前記複数の主バーナの空気比を、主バーナごとに、その前記還元炉への設置位置に応じて変化させる請求項１〜５のいずれか１項記載の還元金属の製造方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
〔実施の形態１〕
図１および図２に、本発明の実施の形態に係る回転炉床式還元炉の概略を示す。図１は、ドーナツ形状の回転炉床式還元炉を、原料供給機と製品排出機との間で切断して直線状に展開し、その長手方向（周方向）の垂直断面を示した図である。図２は、回転炉床式還元炉の径方向の垂直断面を示す図である。図１および図２において、符号１は還元炉、符号２は炉床、符号３は主バーナ、符号４は二次燃焼バーナ、符号５は原料供給機、符号６は製品排出機、符号７はガスサンプリング孔、符号８は温度計を示す。そして、符号Ａは炭材内装鉄鉱石ペレット（炭素質還元材を含む酸化金属）、符号Ｂはペレット層、符号Ｃは還元鉄ペレット（還元金属）、符号Ｄは天然ガス（燃料）、符号Ｅは一次燃焼用空気、符号Ｆは二次燃焼用空気、符号Ｇは可燃性ガス、Ｈは予熱空気、Ｊは酸素を示す。
【００１８】
炭材内装鉄鉱石ペレット（以下、単に「ペレット」ともいう。）Ａは、酸化金属としての鉄鉱石粉に、炭素質還元材としての石炭粉を添加・混合し、加湿造粒して得られた生ペレットを図示しない乾燥機で乾燥したものである。
【００１９】
この炭材内装鉄鉱石ペレットＡは、原料供給機５で還元炉１内を所定の速度で回転（移動）する炉床２上に供給されてペレット層Ｂを形成し、還元炉１内で加熱還元されて還元鉄ペレットＣとなり、製品排出機６で炉外に排出される。
【００２０】
一方、還元炉１には炉床２の上方にあたる部分に複数の主バーナ３と複数の二次燃焼バーナ４とが設けられている。主バーナ３には燃料としての天然ガスＤと一次燃焼用空気としての酸素を富化した空気（以下、「酸素富化空気」ともいう。）Ｅとが供給され、二次燃焼バーナ４には二次燃焼用空気として酸素富化空気Ｆが供給されている。
【００２１】
主バーナ３から還元炉１内に吹き込まれた天然ガスＤは酸素富化空気（一次燃焼用空気）Ｅと反応して燃焼し、還元炉１内を約１０００〜１５００℃の高温雰囲気とする（なお、雰囲気温度は、各主バーナ３の近傍に設けられた温度計８で測定する。）。この高温雰囲気中を移動する過程でペレット層Ｂは輻射加熱される。ペレット層Ｂには石炭が内装されているため、ペレット層Ｂが約４００〜６００℃に加熱された際にまず揮発分が発生する。さらにペレット層Ｂが加熱されて約７００℃以上になると、鉄鉱石中の酸化鉄と石炭中の炭素との直接還元反応が開始して金属鉄とＣＯガスとが生成する（ＦｅｘＯｙ＋ｙＣ→ｘＦｅ＋ｙＣＯ）。したがって、炉床２上のペレット層Ｂからは揮発分やＣＯガスを含む可燃性ガスＧが発生する（なお、炭素質還元材として石炭の代わりに例えばコークスを用いた場合には実質上揮発分は発生しない。）。ここで、二次燃焼バーナ４から酸素富化空気（二次燃焼用空気）Ｆが吹き込まれているため、この可燃性ガスＧは酸素富化空気（二次燃焼用空気）Ｆと反応して燃焼し、この燃焼後ガスは主バーナ３による燃焼後ガスとともに還元炉１内に高温雰囲気を形成する。なお、主バーナ３では天然ガスＤと酸素富化空気（一次燃焼用空気）Ｅとが一緒に供給されるため容易に燃焼するが、二次燃焼バーナ４では、酸素富化空気（二次燃焼用空気）Ｆのみを供給し、ペレット層Ｂからの可燃性ガスＧを燃料とすることから、この可燃性ガスＧが主バーナ３による燃焼後ガスであまり薄まらないうちに燃焼させることが好ましく、二次燃焼バーナ４は主バーナ３より下方に設置するのがよい。
【００２２】
燃料Ｄとしては、天然ガスの他、重油、微粉炭等を用いてもよい。
【００２３】
酸素富化空気Ｅ、Ｆとしては、単に常温の空気に酸素を添加したものを用いてもよいが、図示しない熱交換器で還元炉排ガス顕熱を利用して常温の空気を例えば２００〜６００℃に予熱した予熱空気Ｈに所定量の酸素Ｊを添加したものを用いることがより好ましい。予熱空気Ｈを用いることにより、さらに燃料消費量および排ガス量を低減できるためである。そして、一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度と二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度とを互いに独立して変更できるように、予熱空気Ｈに添加する酸素Ｊの配管を主バーナ３と二次燃焼バーナ４とで別個に設けておく。
【００２４】
なお、酸素富化空気Ｅ、Ｆは、上記のような予熱空気Ｈと酸素Ｊとを混合したものに限定されず、常温の空気と酸素とを予め混合したのち予熱したもの、常温の空気と酸素とを別々に予熱したのち混合したものなどを用いてもよい。また、主バーナ３および二次燃焼バーナ４に共通の酸素富化空気の供給ラインを設けておき、この供給ラインからいずれか一方のバーナへの分岐ラインに別系統から酸素を追加するようにしてもよい。
【００２５】
そして、主バーナ３と二次燃焼バーナ４に各々供給する予熱空気Ｈ量に応じて酸素Ｊの添加量を調節し、一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より低くする。これにより、還元炉１全体に添加する酸素の総量が同じであっても、単に一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度と二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度とを同じにした場合に比べ、還元炉１内で発生する酸化窒素（ＮＯｘ）の総量を低減できる。
【００２６】
この理由は以下のとおりである。すなわち、主バーナ３では高カロリーの燃料Ｄと一次燃焼用空気Ｅとを一緒に還元炉１内に吹き込んでいるため、断熱火炎温度は非常に高くなる。一方、二次燃焼バーナ４では炉床２上のペレット層Ｂ全体から少量ずつ発生する可燃性ガスＧを燃料とし、さらにはこの可燃性ガスＧは主バーナ３の燃焼後ガスと混合攪拌されて極めて低カロリーガスとなるため、その断熱火炎温度は低い。したがって、単に一次燃焼用空気Ｅの酸素濃度と二次燃焼用空気Ｆの酸素濃度を同じにして酸素を添加すると主バーナ３の断熱火炎温度が極めて高くなりＮＯｘ発生量が非常に多くなる。これに対し、本発明のように一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より低くするように酸素の添加量を配分すると、主バーナ３の燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度が下げられるので断熱火炎温度の上昇は小さくなりＮＯｘ発生量も少なくなる。一方、二次燃焼バーナ４では、上記のようにその燃料が低カロリーガスであり、燃焼空気Ｆの酸素濃度を少々高くしてもその断熱火炎温度は主バーナ３の断熱火炎温度ほどは高くならない。このため、元々少ない二次燃焼バーナ４近傍からのＮＯｘの発生量はそれほど増加せずあまり問題とならない。したがって、還元炉１全体に添加する酸素の総量が同じであっても、単に一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度と二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度とを同じにした場合に比べ、還元炉１内で発生する酸化窒素（ＮＯｘ）の総量を低減できることとなる。
【００２７】
一次燃焼用空気Ｅの酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆの酸素濃度より低くする度合いは、小さすぎるとＮＯｘ低減の効果が少なく、大きすぎると二次燃焼用空気Ｆの窒素含有量の低下により二次燃焼バーナ４から吹き込まれるガスの線速度が低くなりすぎて可燃性ガスＧと十分混合せず可燃性ガスＧの燃焼が不十分となる。このため、一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度は、二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度にもよるが、二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より好ましくは５〜５０容積％、さらに好ましくは１０〜４０容積％、特に好ましくは２０〜３０容積％低くすればよい。
【００２８】
本実施の形態においては、一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度は、すべての一次燃焼バーナ３について一律に二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より一定度合いだけ低くしているが、これに限るものではない。以下の実施形態２〜５および実施例で説明するように、一次燃焼バーナ３ごとに酸素濃度を低くする度合いを変えてもよい。あるいは、複数の一次燃焼バーナ３のうちの一部についてのみ一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より低め、残りは二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度と同じとしてもよい。
【００２９】
〔実施の形態２〕
図２に示すように、複数の主バーナ３の各々の近傍に設けられたガスサンプリング孔７から炉内雰囲気ガスを採取してガス組成を測定する。そして、測定された炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度が２容積％未満、好ましくは４容積％未満となる主バーナ３についてのみ、一次燃焼用空気Ｅの酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆの酸素濃度より低くすることが好ましい。
【００３０】
つまり、一般的にバーナ近傍の雰囲気中にＣＯガスなどの未燃ガスが存在するとＮＯｘ発生量は少なくなることが知られている。したがって、近傍の雰囲気中のＣＯガスなどの未燃ガスの含有量が少ない主バーナ３のみ、一次燃焼用空気Ｅの酸素濃度を二次燃焼用空気Ｅの酸素濃度より低くすれば、ＮＯｘの発生を抑制できる。一方、近傍の炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度が２〜４容積％以上となる主バーナ３については、燃焼空気に酸素を富化してもＮＯｘ発生量はそれほど増加しない。このため、これらの、近傍の炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度が２〜４容積％以上となる主バーナ３においては、一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度は二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より必ずしも低くする必要はなく、例えば二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度と同じにすることができる。その結果、還元炉１全体に投入可能な酸素量は上記実施の形態１に比べて多くなり、燃料消費量はより低減できる。
【００３１】
〔実施の形態３〕
一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より低くするか否かの判断基準として、主バーナ３近傍の炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度の代わりに、同じ炉内雰囲気ガスの、還元度ＲＤ＝（ＣＯ＋Ｈ₂）／（ＣＯ＋ＣＯ₂＋Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）を用いることが推奨される。つまり、近傍の炉内雰囲気ガスの還元度ＲＤが０．０５未満となる主バーナ３についてのみ、一次燃焼用空気Ｅの酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆの酸素濃度より低くするとよい。
【００３２】
すなわち、炉内雰囲気ガス中には未燃ガス成分としてＣＯのほかＨ₂も存在し、燃焼後ガス成分としてＣＯ₂、Ｈ₂Ｏが存在している。Ｈ₂もＣＯと同様にＮＯｘの発生を抑制する一方、ＣＯ₂、Ｈ₂ＯはＮＯｘの発生を促進する方向に働く。また、燃料Ｄの種類により炉内雰囲気ガス中のＣＯとＨ₂との存在比率は変化する。したがって、単にＣＯ濃度だけを用いるよりも、還元度ＲＤ＝（ＣＯ＋Ｈ₂）／（ＣＯ＋ＣＯ₂＋Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）を用いるほうが、一次燃焼用空気Ｅ中の酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より低くするか否かの判断の精度が高まりより効率的にＮＯｘ発生量を低減できる。ただし、還元度ＲＤ＝（ＣＯ＋Ｈ₂）／（ＣＯ＋ＣＯ₂＋Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ）を求めるためには、ＣＯ濃度だけを測定する場合に比べて多くの成分の濃度を測定する必要があり、余分な設備（分析機器、配管等）が必要となる。
【００３３】
〔実施の形態４〕
複数の主バーナ３のうち少なくとも１つの主バーナ３の空気比を、好ましくは１．０以下、より好ましくは０．９以下、特に好ましくは０．８以下とするとよい。これにより、主バーナ３の燃焼後ガス中に未燃ガスが残存するようになるため、主バーナ３近傍の炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度が２容積％以上、または還元度ＲＤが０．０５以上に上昇するようになる。したがって、上記実施の形態２または３で説明したように、これら未燃ガスを含有する主バーナ３に供給する一次燃焼用空気Ｅの酸素濃度を二次燃焼用空気Ｆの酸素濃度より低下させる必要がなくなり、還元炉１全体に投入可能な酸素量は上記実施の形態１に比べて多くなり、燃料消費量はより低減できる。
【００３４】
〔実施の形態５〕
上記実施の形態４で説明したように、主バーナ３の空気比によって燃焼後ガス（バーナ３近傍の雰囲気ガス）中のＣＯ濃度および還元度ＲＤが変化し、ＮＯｘ発生量も変化する。したがって、主バーナ３ごとに、その主バーナ３の還元炉１への設置位置に応じて空気比を変化させることにより（後述の実施例２参照）、還元炉１内におけるＮＯｘの総発生量を実質的に維持ないし減少しつつ、可及的に多量の酸素を還元炉１内に投入できる。
【００３５】
なお、上記実施の形態１〜５においては、移動炉床式還元炉として回転炉床式還元炉、酸化金属として酸化鉄を含有する鉄鉱石、炭素質還元材として石炭、炭素質還元材を含む酸化金属として炭材内装鉄鉱石ペレット、還元金属として還元鉄ペレットを例示して説明したが、これらに限定されるものではない。
【００３６】
すなわち、移動炉床式還元炉としては回転炉床式還元炉の他に直線炉床式還元炉を用いてもよい。
【００３７】
酸化金属としては鉄鉱石の他、高炉ダスト、転炉ダスト、電気炉ダスト、ミルスケール、ミルスラッジなど酸化鉄を含有する製鉄所ダストを用いてもよく、酸化鉄の他にＮｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の金属元素の酸化物を含有するものを用いてもよい。
【００３８】
炭素質還元材としては石炭の他、コークス、チャー、木炭、バイオマスの炭化物、炭素含有ダスト（例えば高炉ダスト）等を用いてもよい。
【００３９】
炉床上に装入する炭素質還元材を含む酸化金属としては、炭材内装ペレットの他、酸化金属粉末に炭素質還元材粉末を添加混合して加圧成形したブリケットを用いてもよく、また、造粒や成形することなく、酸化金属粉末に炭素質還元材粉末を外装したもの、酸化金属粉末と炭素質還元材粉末とを単に混合したものを用いてもよい。
【００４０】
炭材内装ペレットやブリケットなどの塊成化物の場合は、塊成化に際して水分やバインダーの添加は基本的には必要としないが、場合によって添加してもよい。また、塊成化物は予め乾燥してから還元炉に装入してもよいし、乾燥せずにそのまま装入してもよい。
【００４１】
製造する還元金属の種類としては、還元鉄の他、金属Ｎｉ、金属Ｍｎ、金属Ｃｒ等を含有するものでもよく、また還元金属の形態としては、還元鉄ペレットに代表されるスポンジ金属の他、粉状金属、板状金属、溶融金属、溶融後固化された固体金属等でもよい。
【００４２】
【実施例】
（実施例１）
炉床の外径が８．５ｍの回転炉床炉に、炭材を内装した鉄鉱石のブリケットを４ｔ／ｈの供給速度で装入し、目標の炉内雰囲気温度１３５０℃の条件で還元して還元鉄を製造した。主バーナの燃料としては天然ガスを用い、燃焼用空気としては３５０℃に予熱した空気に必要に応じて酸素を富化したものを用いた。
【００４３】
比較例１は、一次燃焼用空気、二次燃焼用空気とも酸素富化を行わない条件で還元を行った例である。比較例２は、一次燃焼用空気および二次燃焼用空気ともに同じ酸素濃度となるように一律に酸素富化を行った例である。本発明例は、比較例２で添加した酸素総量と同量の酸素を二次燃焼用空気のみに富化した例である。
【００４４】
表１に比較例１、２および本発明例の操業結果を比較して示す。
【００４５】
表１の比較例１に示すように、燃焼用空気に酸素を富化しない場合には、主バーナの燃焼後ガス中のＮＯｘ濃度は１００ｐｐｍ、二次燃焼バーナの燃焼後ガス中のＮＯｘ濃度は５ｐｐｍ未満と低く、回転炉床炉排ガス中のＮＯｘ濃度も５０ｐｐｍと低い。しかし、回転炉床炉排ガス流量は１２０００ｍ³（標準状態）／ｈと多く、燃料供給量も２０ＧＪ／ｈと多い。なお、排ガス中に含まれるＮＯｘ総量は０．６ｍ³（標準状態）／ｈとなる。
【００４６】
一方、表１の比較例２に示すように、燃焼用空気に一律に酸素を富化した場合には、排ガス流量は８０００ｍ³（標準状態）／ｈに減少し、燃料供給量も１４ＧＪ／ｈへと大幅に減少している。しかし、二次燃焼バーナの燃焼後ガス中のＮＯｘ濃度は依然として５ｐｐｍ未満と低いものの、主バーナの燃焼後ガス中のＮＯｘ濃度は３００ｐｐｍに上昇し（表中に示すように、主バーナの断熱火炎温度が著しく上昇したためと考えられる。）、回転炉床炉排ガス中のＮＯｘ濃度は１５０ｐｐｍに上昇している。また、排ガス中に含まれるＮＯｘ総量も１．２ｍ³（標準状態）／ｈへと大幅に増加している。
【００４７】
これに対し、表１の本発明例に示すように、二次燃焼用空気のみに酸素を富化した場合には、比較例２と同様の少ない排ガス流量８０００ｍ³（標準状態）／ｈと燃料供給量１４ＧＪ／ｈとが得られている。さらに、二次燃焼バーナの燃焼後ガス中のＮＯｘ濃度は５０ｐｐｍに上昇するものの依然として低い水準であり（表中に示すように、二次燃焼バーナの断熱火炎温度は、酸素を富化してもそれほど高くならないためと考えられる。）、主バーナの燃焼後ガス中のＮＯｘ濃度は比較例１と同じ１００ｐｐｍに維持されている。この結果、回転炉床炉排ガス中のＮＯｘ濃度は、比較例１よりは少し高いものの比較例２ほどは上昇せず、８０ｐｐｍという低い水準に留まっている。また、排ガス中に含まれるＮＯｘ総量は０．６４ｍ³（標準状態）／ｈであり、比較例１とほぼ同等の低い水準を維持している。
【００４８】
【表１】

【００４９】
（実施例２）
上記実施の形態５についての実施例を説明する。上記実施例１で用いた回転炉床炉において、図３に示すように、回転炉床炉１内の高温雰囲気の領域を、原料装入機５に近い側から製品排出機６のほうに向かって順にゾーン１〜５の５ゾーンに分けた（なお、ゾーンの数は回転炉床炉１の規模や原料の化学性状等によって変更しうるものであり、必ずしも５ゾーンに限らない）。そして、各ゾーンに主バーナ３（３１〜３５）および二次燃焼バーナ４（４１〜４４）を設けた。ただし、後述の理由によりゾーン５には二次燃焼バーナ４を設けなかった。主バーナ３（３１〜３５）の燃料Ｄとしては天然ガスを用いた。二次燃焼用空気Ｆの酸素濃度はゾーン１〜４すべてにおいて５０容積％とした。
【００５０】
ゾーン１では、炉内雰囲気ガス中のＣＯ濃度が０．５容積％と低く、Ｏ₂も１〜２容積％程度存在する。このため、主バーナ３１の空気比を０．７とし、未燃ガス（ＣＯ、Ｈ₂等）が十分に発生（残存）するようにした。また、近傍の炉内雰囲気ガス中のＣＯ濃度が２容積％未満であるので、主バーナ３１の一次燃焼用空気Ｅ１中の酸素濃度は二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度（５０容積％）より大幅に低い２３容積％として、主バーナ３１からのＮＯｘ発生を抑制した。
【００５１】
ゾーン２では、炉内雰囲気ガス中にＯ₂はほとんど存在しないものの、ＣＯ濃度は１．５容積％程度と依然として低いため、未燃ガスが少し発生（残存）するように主バーナ３２の空気比は０．９とした。また、近傍の炉内雰囲気ガス中のＣＯ濃度が依然として２容積％未満であるので、ゾーン１と同様に、主バーナ３１の一次燃焼用空気Ｅ１中の酸素濃度は二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より大幅に低い２３容積％として、主バーナ３２からのＮＯｘ発生を抑制した
【００５２】
ゾーン３および４では、炉内雰囲気ガス中のＣＯ濃度がそれぞれ４容積％、５容積％と十分高いため、未燃ガスをこれ以上発生（残存）させる必要がないため、これらの主バーナ３３および３４の空気比は１．０とした。また、近傍の炉内雰囲気ガス中のＣＯ濃度が２容積以上であるので、一次燃焼用空気Ｅ３およびＥ４中の酸素濃度は二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より低くする必要はないものの、還元炉１全体への酸素投入量のバランスを考慮して二次燃焼用空気Ｆ中の酸素濃度より少し低い４０容積％とした。なお、燃焼用空気中の酸素濃度が高くなるとバーナの断熱火炎温度が高くなりＮＯｘが発生し易くなるため、炉内雰囲気ガス中のＣＯ濃度が４容積％未満の場合には、一次燃焼用空気Ｅ３、Ｅ４の温度にもよるが、一次燃焼用空気Ｅ３、Ｅ４中の酸素濃度は３０容積％程度以下にすることが好ましい。
【００５３】
ゾーン５では、炉内雰囲気ガス中のＣＯ濃度が１０容積％と十分に高く、ＮＯｘ発生の抑制の観点からは、これ以上未燃ガスを発生（残存）させる必要はないが、還元金属Ｃの再酸化を防止するために、主バーナ３５の空気比は０．８とした。また、同様の理由により二次燃焼用空気Ｆは導入しなかった。ただし、還元金属Ｃの再酸化を大きな問題としない場合には、ゾーン５に二次燃焼用空気Ｆを導入してもよい。
【００５４】
一次燃焼用空気Ｅおよび二次燃焼用空気Ｆに用いる空気は、予め３５０℃に予熱した空気（予熱空気）Ｈに酸素Ｊを添加して酸素濃度を調整したものとした。なお、当然のことながら予熱空気Ｈに添加する酸素Ｊは純酸素である必要はない。
【００５５】
還元炉１内における燃焼の制御は以下のように行った。二次燃焼バーナ４１〜４４からはそれぞれ一定量の二次燃焼用空気Ｆを供給し、各ゾーン１〜５における雰囲気温度（図２の温度計８により測定）が一定温度になるように、各主バーナ３１〜３５へ供給する燃料Ｄの流量を調整した。そして、各主バーナ３１〜３５へ供給する一次燃焼用空気Ｅ１〜Ｅ５の流量は、予め設定した上記各空気比にしたがって調整した。
【００５６】
そして、燃料Ｄの消費量をできるだけ少なくするためには、ペレット層Ｂから発生する可燃性ガスＧおよび主バーナ３の燃焼で発生する未燃ガスを還元炉１内で完全に燃焼することが望ましい。このため、還元炉１の排ガス中にＣＯ、Ｈ₂等が残存しないように、二次燃焼用空気Ｆ１〜Ｆ４の流量を調整した。
【００５７】
これにより、従来の酸素富化を行わない操業に比べて、燃料消費量は大幅に低減されるとともに、回転炉床炉（還元炉）１の排ガス中のＮＯｘ含有量を実質的に増加させずに還元鉄を製造することができた。
【００５８】
【発明の効果】
以上より、本発明によれば、燃焼用空気に酸素富化空気を用いて還元炉の燃料消費量を低減しつつ、還元炉の排ガス中のＮＯｘ含有量を増加させることがない還元金属の製造方法が実現できる。その結果、ＮＯｘ低減対策が不要となり、燃料消費量の低減による操業コストの低減効果が確実に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転炉床式還元炉の概略を示す周方向の垂直断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る回転炉床式還元炉の概略を示す径方向の垂直断面図である。
【図３】実施例２の、回転炉床式還元炉内の燃焼条件を説明する周方向の垂直断面図である。
【符号の説明】
１…移動炉床式還元炉（回転炉床式還元炉）
２…炉床
３…主バーナ
４…二次燃焼バーナ
５…原料供給機
６…製品排出機
７…ガスサンプリング孔
８…温度計
Ａ…炭素質還元材を含む酸化金属（炭材内装鉄鉱石ペレット）
Ｂ…ペレット層
Ｃ…還元金属（還元鉄ペレット）
Ｄ…燃料（天然ガス）
Ｅ…一次燃焼用空気
Ｆ…二次燃焼用空気
Ｇ…可燃性ガス
Ｈ…予熱空気
Ｊ…酸素

Claims

還元炉中を移動する炉床上に載置された炭素質還元材を含む酸化金属を加熱し還元して還元金属を製造する方法であって、
前記還元炉に、燃料および一次燃焼用空気を供給する複数の主バーナと、前記炭素質還元材を含む酸化金属から発生する可燃性ガスを燃焼させるための二次燃焼用空気を供給する二次燃焼バーナとを設け、
前記一次燃焼用空気および／または前記二次燃焼用空気として、酸素を富化した空気を用いる際に、
前記複数の主バーナのうち少なくとも１つの主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度を、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より５容積％以上低くすることを特徴とする還元金属の製造方法。
前記複数の主バーナのうち少なくとも１つの主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度を、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より５〜５０容積％低くすることを特徴とする請求項１記載の還元金属の製造方法。
前記複数の主バーナのうち、当該主バーナと略対向する炉側壁部に設けられたガスサンプリング孔から採取された炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度が２容積％未満となる主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度のみを、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より低くする請求項１または２記載の還元金属の製造方法。
前記複数の主バーナのうち、当該主バーナと略対向する炉側壁部に設けられたガスサンプリング孔から採取された炉内雰囲気ガスのＣＯ濃度が４容積％未満となる主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度のみを、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より低くする請求項１または２記載の還元金属の製造方法。
前記複数の主バーナのうち、当該主バーナと略対向する炉側壁部に設けられたガスサンプリング孔から採取された炉内雰囲気ガスの還元度（ＣＯ＋Ｈ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２＋Ｈ_２＋Ｈ_２Ｏ）が０．０５未満となる主バーナで供給される一次燃焼用空気中の酸素濃度のみを、前記二次燃焼用空気中の酸素濃度より低くする請求項１または２記載の還元金属の製造方法。
前記複数の主バーナの空気比を、主バーナごとに、その前記還元炉への設置位置に応じて変化させる請求項１〜５のいずれか１項記載の還元金属の製造方法。