JP4741084B2

JP4741084B2 - 鉄含有装入材料のための還元プロセスの構成及び操業を最適化する方法

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Publication number: JP4741084B2
Application number: JP2000602824A
Authority: JP
Inventors: ヘルムート・ツァイゼル; ゲオルグ・アイヒンガー; ヨハン・ヴルム; ヘルマン・ドルッケンターナー; ハインツ・エングル; アンドレア・シャッツ; ゲラルト・ゲークラー
Original assignee: シーメンス・ファオアーイー・メタルズ・テクノロジーズ・ゲーエムベーハー
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: CN1318610C; CN1342209A; CA2363492A1; ZA200106635B; PL194554B1; US6669754B1; KR20010109306A; JP2002538304A; WO2000052214A1; KR100648749B1; AU3159100A; PL350940A1; BR0008553A; AU763962B2; DE50009161D1; CA2363492C; ATA36199A; AT407993B; TW505698B; EP1157137A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、還元シャフト内における、（好ましくは塊状の）鉄含有装入材料のための還元プロセスの構成及び操業を最適化する方法に関し、還元シャフトには例えば溶融ガス化装置（ｆｕｓｉｏｎｇａｓｉｆｉｅｒ）から還元ガスが供給され、還元生成物（例えば、海綿鉄）は、液状銑鉄又は液状一次鋼製品を製造するために還元シャフトから取り出される。
【０００２】
【従来の技術】
還元シャフトは、例えば、直接還元プロセスのシャフト、又は製錬還元プロセスの固相における前還元段階のシャフトであってもよい。製錬還元プロセスの場合には、液状銑鉄又は液状一次鋼製品の製造の際に、（好ましくは、塊状又はペレット状）鉄鉱石（さらに、適切ならば添加剤）といった装入材料が、還元シャフト内で直接還元されて、海綿鉄を形成する。この海綿鉄は、溶融ガス化ゾーン内に装入され、かつ該ゾーンでカーボンキャリヤと酸素含有ガスが供給されている間に製錬される。これはＣＯ及びＨ₂含有還元ガスを生成する。この還元ガスは、溶融ガス化ゾーンから抽出され、かつ還元シャフト内に導入される。（ここは、鉄含有装入材料がかつて還元された所であって）前記還元ガスが転換されかつトップガスとして抽出される。
【０００３】
このタイプの製造プロセスでは、還元又はアグロメーション（agglomeration）形成の間の安定性、破砕性といった装入材料の固有の特性及び還元剤の特性が製造に影響を与えるので、製造の最適レベルを評価することは難しい。
【０００４】
今日でも、新規プラントでは、今なお原料と還元剤が高品質であるとの仮定のもとに操業されている。これは、原料セクタでの供給状況を反映していない。結果として、低品質の原料での処理に対する限界が知られていないので、原料供給が不足しかつこの不足に伴って製造停止することになる。
【０００５】
他方、増大されかつ変形された形状を有する新規還元シャフトの構成、及び既存のプラントにおいて変更した装入材料の使用では、これらの変化の効果に関しては不明な点がある。不明な点は、特に、材料流れ、装入物の死領域（dead zone）にあり、かつガス流れに与えるそれらの影響に関して存在する。さらに、これらの不明点は、実際のプラント又はスケールモデルでの実験により部分的に払拭可能である。従って、還元シャフトの形状と原料の特性の還元プロセスに与える影響を評価する場合に、既存の還元プラントを処理することで得られる実験をなお信頼する必要があり、かつ客観的又は量的結論が不可能である状態で、特に、予め試していない形状又は装入材料に結論を適用することは、リスクが非常に高い。
【０００６】
既存のいわゆる「ブラックボックス」モデルは、還元プラント又は還元シャフト内でのプロセスを適切に考慮したものではない。なぜならば、これらのモデルは、経験的関係に基づいているが、還元シャフトの内部状態に関する情報を何ら提供し得ないからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明の目的は、還元シャフト内全体において還元プロセスを量的に評価し得る方法を改良することにより、上述した欠点を解消することであり、かつ結果として還元プロセスを最適化可能とすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、還元プロセスが数学的・物理的・化学的プロセスモデルにより記載され、かつ還元シャフトが多次元的に（特に、三次元的に）モデル化され、かつプロセスモデルが数値的に評価され、かつ多次元分布、特に空間的な分布であって物理変量又は化学変量の分布として得られる前記評価の結果が前記還元プロセスに対して考慮されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明について新規である点は、最初に、還元シャフト全体における物理変量及び化学変量の多次元量を定めることができ、結果として、還元プロセスに関する客観的な指針を下すことができる。これにより、このシミュレーションツールを使用することは、新規プラントの構成及び操業、及び装入材料を変更することによる既存プラントの運転に含まれるリスクが少ないことを意味する。
【００１０】
プロセスモデルを作るために、還元シャフトの形状寸法、プロセスに含まれる個々の物質の化学特性及び物理特性、微分方程式を解くために必要な境界条件、及び還元プロセスを制御するために作用するプロセスパラメータが定められる。
【００１１】
プロセスモデルの計算結果は、各相に対して少なくとも圧力、速度、体積分率、化学組成の空間分布、及び還元シャフト内の空間温度分布を提供する。
【００１２】
本発明は、特に有利なことに、従来の技術の欄で記載した製錬還元プロセスの固相における前還元段階に適用され、還元シャフトに対して、数学的・物理的・化学的プロセスモデルが作られる。還元シャフトには還元ガスが溶融ガス化装置から供給され、固体生成物（例えば、海綿鉄）が還元シャフトから溶融ガス化装置内に導入される。
【００１３】
本発明は、更に、塵の蓄積と塵の再分散を考慮し、プロセスモデルが作られていることを特徴とする。結果として、還元プロセスで還元ガスに含まれた塵の影響を考慮している。この塵の影響は、例えば、蓄積した塵の体積分率を変えることで、塵の蓄積がモデル化されることにより現れる。
【００１４】
さらに、プロセスモデルが固体物質の非線形特性を考慮して作られるならば、該モデルは有利である。これにより、特に、固体物質が、ドラッカー・プラーガの降伏条件、ミーゼスの降伏条件、トレスカの降伏条件といった降伏条件を有するビンガム流体としてモデル化される場合に、固体物質の流れの忠実な記載が可能となる。結果として、粒状固体物質の臨界剪断応力の存在が考慮される。これにより、例えば、死領域の計算が可能となっている。
【００１５】
化学的プロセス及び物理的プロセスのモデル化において平衡の状態が考慮され、かつ温度に依存することが考慮される結果として、プロセスモデルは還元シャフト内の実際の状態をよりよく映すことができる。
【００１６】
化学的プロセス及び物理的プロセスのモデル化の際に、運動論（kinetic theorem）が使用される。運動論を使用することにより、化学的プロセス及び物理的プロセスが、時間で進行するプロセスモデルにモデル化される。これにより、還元シャフト内のあらゆる位置での空間反応挙動のシミュレーションが可能となっている。ここでの運動との記載は、考慮中のプロセスがある速度で進行することを意味している。
【００１７】
本発明によれば、プロセス中に含まれる物質が、例えば、プロセスモデルにおいて、ガス相、又は少なくとも１つの粒状相、又は少なくとも１つの塵相というような個々の相に割り当てられる。粒状相は、特定の結晶粒度、及び特定の原料により特徴付けられている。個々の相に割り当てることにより、各相をその物理的特性又は化学的特性に応じてモデル化することができる。
【００１８】
結果として、各相に対して相の物質収支（ｍａｓｓｂａｌａｎｃｅ）及び対応する成分の収支（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｂａｌａｎｃｅ）の式が立てられる。これらを還元シャフト内における個々の相の体積分率及び化学成分を決定するために使用することができる。
【００１９】
（例えば、質量分率の形式で）特定の化学元素の元素分率を成分収支から計算可能である。例えば、金属化度（ｄｅｇｒｅｅｏｆｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）を計算するために、鉄の質量分率を１つの又は２つ以上の相内におけるＦｅ、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３の（質量分率といった）成分分率から計算することができる。
【００２０】
運動量収支（ｉｍｐｕｌｓｅｂａｌａｎｃｅ）とエネルギー収支（ｅｎｅｒｇｙｂａｌａｎｃｅ）の式を立てるために、各場合において、多くの相が一つの群に組み合わされることを提供している。ここで、一つの群の相は同じ速度、圧力、温度を有している。これは、ガス相とガス中に分散された塵の相とが気相の第１の群に割り当てられ、かつ粒状相と固体物質内に蓄積された塵の相が固相の第２の群に割り当てられ、対応する運動量収支及びエネルギー収支の式がこれら２つの群に対して立てられる形式で表される。２つの群内の個々の相を組み合わせることにより（よって、これら２つの群は２つの相として見なされる）、速度，圧力，温度の分布を特に単純な方法で式を立てることが可能である。
【００２１】
個々のプロセスをモジュール処理することにより、個々のプロセスを別々に考えることが可能となり、個々の釣り合いの方程式（特に、微分方程式）を各場合に最も適した数学的方法により解くことが可能である。
【００２２】
プロセスモデルの計算を実行するために、還元シャフトが個別化され、かつ収支の式が、例えば、有限差分法、有限要素法、有限体積法、重みつき残差法といった数値解法により解かれる。結果として、各収支に対して充分に精確かつ適切である数値解法が有効である。同時に、プロセスモデルは、収支の式の計算を連続的に繰り返すことにより解明される。
【００２３】
（特に化学速度論（chemical kinetic）、塵の蓄積、及び内部摩擦角及び凝集といった固体物質の挙動のモデル化についての）プロセス内に含まれる物質のいくつかの化学的及び／又は物理的特性を材料試験により決定することが提供されている。これにより、プロセスモデルで考慮された材料パラメータが使用した材料の実際の特性と一致する。
【００２４】
本発明のさらなる改良点は、対称性を利用して計算時間を短くするために、プロセスモデルの計算が還元シャフトの３次元小区域に対してのみ実行されることである。
【００２５】
本発明はさらに、還元シャフトの形状がＣＡＤプログラムからデータ転送されることにより得られることを提供している。結果として、還元シャフトの形状は、最小限の努力で済むプロセスモデルで変更可能である。
【００２６】
例えば、コンピュータ画面上に断面表示により計算の結果が図示されるならば、さらに有利である。結果として、例えば、プロセスモデルの評価の結果を、還元シャフトの更なる計測に対する基礎として、明確かつ迅速に理解できる形式で利用可能である。
【００２７】
本発明による方法の一応用としては、還元シャフトの形状寸法を変えてプロセスモデルを繰り返しオフライン計算することにより還元シャフトの適切な構成を決定することがある。新規還元プラントの構成又は既存還元プラントの変更では、還元シャフトの最適形状寸法が上述したように定められる。ここで、処理容量が非最適化した形状の場合と比較して増大している。結果として、特定の装入材料に対して（例えば、塊状の鉄鉱石の使用に対して）、還元シャフトの形状寸法を変えることができる。さらに、還元プロセスでの形状の変化の影響を通常調査可能である。プロセスモデルの繰り返し計算した結果に基づいて、プロセス制御を向上させるために必要な形状寸法を定めることが可能である。
【００２８】
さらに可能な応用例は、プロセスパラメータ及び／又は固有の装入材料及び／又は境界条件を変えて、プロセスモデルを繰り返しオフライン計算することにより、還元プロセスが最適化される。結果として、フィードストック（feedstock）を変更することによる還元プロセスに対する効果、原料成分を変更することによる還元プロセスに対する効果、及び他のプロセスパラメータを変えることによる還元プロセスに対する効果が調べられる。プロセスモデルを繰り返し計算した結果に基づいて、最適プロセス制御に必要なプロセスパラメータ又は装入材料を定めることができる。
【００２９】
現在のプロセスパラメータを考慮して、プロセスモデルをオンライン計算することにより、還元プロセスが制御され又は最適化されることが提供されている。これにより、例えば、還元プラントのコントロールセンタのオペレータが還元プロセスをより良く全体制御することが可能となっている。
【００３０】
原料及び／又はエネルギの最小消費で、金属化度を最大化することにより、又は還元生成物の金属化を所定の程度に達成させることにより、還元プロセスが最適化される。この観点から実行されたプロセスモデルが評価される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下の図１乃至図３に基づく例示により、本発明をより詳細に説明する。図１には、鉄鉱石４と添加剤５が、矢印３で示すように共に還元シャフト１内に装入され、かつ一旦反応が起こると、生成物１３（本質的には、海綿鉄）が搬送デバイス８により排出されて、溶融ガス化装置６内に送られ、この溶融ガス化装置６には石炭も搬送デバイス７により供給され、製錬生成物が矢印２３により示すように取り出される。溶融ガス化装置６内で生じた還元ガス９がサイクロン１１で洗浄されるとともに蓄積した固体１２が回収され、かつ還元ガス９が還元シャフト１内に実質的に導入される。ここはかつて反応が起きたところであって、還元ガスがトップガス１４として取り出される。還元ガス９の一部１６は、冷却洗浄デバイス１７を通過し、かつサイクロン１１の上流還元ガス９に実質的に戻る。ここで、還元ガス９が還元シャフト１で必要な温度に冷却される。
【００３２】
図２は、原料３（鉄鉱石(例えば、鉄キャリヤとしてＦｅ₂Ｏ₃を有する)と添加剤）がスパイダ脚部３０により還元シャフト１（以下では、手短にシャフトと称す）内に如何に装入されるかを示している。フィードストック３２のテーパが付けられた先端を示す低速で下方移動する固定床２では、鉄鉱石が海綿鉄に化学的に転換される。固定床の移動（２つの下向き矢印により示す）が、シャフト１の下部に配置されているスクリューコンベヤ３８により強制されている。このスクリューコンベヤにより海綿鉄１３が取り出され、前記コンベヤはシャフト１の外側でスクリュー結合突出部（screw connecting stub）３９により取り囲まれている。海綿鉄１３が下向きパイプ（downpipe）３６を介して溶融ガス化装置内に流入され、下向きパイプガスが（矢印３７により示すように）下向きパイプを介してシャフト１に入ることが可能である。還元ガス９（以下、手短にガスと称す）が、流入スリット３４を具備したバッスル管３３を介して、シャフト１内に流入し、かつ固定床２とは逆向きに（上方向矢印により示すように）上方に流れ、かつ２つのパイプ３５を介して再びシャフトから流出する（トップガス１４）。ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ₂）が鉄鉱石（Ｆｅ₂Ｏ₃）と化学反応し、これにより海綿鉄（Ｆｅ）が生成する。
【００３３】
図３は、図２から切り出されたシャフト１のセクタを示している。このセクタは（２つのスクリューコンベヤ３８間に配置されている）スパイダ脚部３０を有し、かつ流入スリット３４がシャフトの全周囲上に配置されている。
【００３４】
海綿鉄が非常に金属化されている場合に、還元速度が急激に落ちるので、金属化度が９０％前後になるように目指して、還元のごく一部が溶融ガス化装置内で生じる。
【００３５】
銑鉄を脱硫しかつ溶融ガス化装置６内のスラグ粘性を低くするために、鉄鉱石とともに添加剤（石灰石、ドロマイト）がシャフト１内に装入される。シャフト１内では、二酸化炭素がこれらの添加剤から排出され、すなわち、ガス９に供給される（これは、脱酸又はか焼と称される）。
【００３６】
原料３（鉄鉱石、添加剤）が、湿潤状態で装入され、かつシャフト１の上部で乾燥される。水分が、装入物２（シャフト内フィードストック＝固定床）から抽出され、かつガス９に供給される。原料３も（鉄鉱石の場合に脈石といった）化学反応に関係しない不活性物質を有している。
【００３７】
シャフト１内に流入するガス９は塵を含んでおり、該塵は固定床２内に部分的に蓄積している。しかしながら、既に蓄積していた塵は、高局所ガス速度によりガス９内に再度分散可能である。
【００３８】
ガス９は、カーボン，水素，及び酸素含有成分（分子）を含んでおり、これらは互いに化学反応可能である。この化学反応の効果の１つは、固体カーボンであっても生成され又は消費されることである。よって、これらの反応により、ガス９内又は固定床２内の塵含有量に影響する。
【００３９】
シャフト１内に流入するガス９（摂氏数百度）と固体物質２（周囲温度）の入口温度がそれぞれ異なること、及び物理的／化学的変換プロセスの熱的調和（heat tonality）により、固体物質２とガス９との温度に差が生じる。この温度差は熱伝達により減じられる。
【００４０】
原料の装入量はスクリューコンベヤ３８の回転速度により概して制御される。シャフト１を介して流れるガス量は、固定床２より上のガス圧を下げることにより本質的に増大する。逆に、前記ガス量は、固定床２より上のガス圧を上げることにより減少する。
【００４１】
シャフト操業の目的は、鉱石の所望の金属化度を設定することであり、同時に良好にガス利用することである（これは、鉱石還元過程でガス内に存在するＣＯとＨ_２が可能な限り大きな割合でＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換されることを意味する）。これにより、資源消費が最小限に、コスト有効度が最大に、かつ環境影響が最小限になる。ガス利用が少ないことは、反対の効果を有しかつ所望の金属化度に到達しないことも意味する。
【００４２】
境界条件（装入要素、排出要素、流入スリット）のために、シャフトは便宜上３次元的にモデル化される。計算時間を短縮するために、よって、ただ１つのシャフトセクタ（例えば、３０°又は６０°）が通常考慮される（図３参照）。このセクタは個別化され、かつ収支の式（質量、成分、運動量、及びエネルギーの収支）が適切な数値解法により（例えばセル毎に）解かれる。
【００４３】
周期的境界条件（periodic boundary condition）で１つのシャフトセクタだけを考察する場合又は次々に設定される異なる境界条件での計算実行により１つのシャフトセクタだけを考察する場合に、シャフトの非対称（時間及び空間に対して一様でない装入、一部変位したバッスル管と流入スリット）の効果を有する影響を求めることができる。しかしながら、原則的には、全シャフトを計算することも可能である（この場合には、計算時間がより長くかかる）。
【００４４】
モデル化の際には、各物質が個々の相に割り当てられる。ガスはそれ自体の相を形成し、かつガス中に流入した塵及び固定床内に蓄積した塵はそれぞれ各相を形成する。
【００４５】
各粒状クラス及び各原料（鉱石，石灰石，．．．）は、それ自体の粒状相を表す。よって、粒状相の数は、原料の数と粒状クラスの数との積に等しい。例えば、４つの原料（２タイプの鉱石、石灰石、及びドロマイト）と０ｍｍから５０ｍｍの間にある６つの粒状クラスを考えると、２４の粒状相がある。よって、全体で粒状相の総数（例えば、２４）＋２つの塵相＋１つのガス相（：すなわち、例えば２７相）がある。
【００４６】
３次元モデルでは、概して各相に対して以下の項目がある。
＋１つの物質収支、
＋ｍ−１個の成分の収支（ｍ個の成分が与えられた場合に）、
＋１つのベクトルの運動量収支、
＋１つの状態方程式、及び
＋１つのエネルギー収支。
【００４７】
各相はそれ自体の速度、それ自体の圧力、それ自体の温度を有している。質量、力積、及び熱は、各相間で交換される。これにより、各相に対して以下の点が結果として得られる。
→ 相の体積分率
→ 相内の成分分率
→ ３次元での速度
→ 圧力、及び
→ 温度。
【００４８】
しかしながら、この厳密な手順は個々の相内の体積分率と成分分率を計算する場合にのみ、絶対的に必要である。粒状相及び塵相では、拡散を考慮することが可能であるが、これは必要ではない。
【００４９】
運動量収支及びエネルギー収支については、多くの相が便宜的に相群として組み合わせられる。例えば、ある群は粒状相とフィードストック内に蓄積された塵の塵相との全てを含み、かつ更なる群はガス相とガス中に分散した塵の塵相とを含んでいる。この場合に、粒状相とフィードストック内に蓄積された塵の塵相の全てが、共通の速度、圧力、及び温度を有している。これとは違って、ガス相とガス中に分散した塵の塵相とは共通の速度、圧力、及び温度を有している。
【００５０】
個々の相を形成しているモデルを以下で記載する。各収支を空間座標系（オイラー座標）により考察する。質量、運動量、及びエネルギーの流れ、質量及びエネルギーのわき出し、質量及びエネルギーの吸い込み、及び外力が単位セル体積当たり考察される。
【００５１】
還元シャフトにおける所望の全グリッドセルについての相ｑの物質収支は：
・所望の全相ｑ（ガス、粒状、塵）の質量密度の時間当たりの変化＋
・セルに流入しかつセルから流出する全対流質量流れの合計＝
・セル内の相ｑの全ての質量わき出し及び吸い込みの合計
である。
【００５２】
【数１】

【００５３】
還元シャフト内での所望の全グリッドセルについての全ての粒状相又は塵相ｑ（ガス相ではない）における成分ｌの成分の収支は：
・相ｑ（粒状相又は塵相）内の成分ｌ（例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３，ＣａＯ等）の質量密度の時間当たりの変化＋
・セルに流入しかつセルから流出する成分ｌの全対流質量流れの合計＝
・相ｑ内の成分ｌの全質量わき出し及び吸い込みの合計
である。
【００５４】
【数２】

【００５５】
還元シャフト内での所望の全グリッドセルについてのガス相ｇの成分の収支の場合には、（例えば、還元ガスと下向きパイプガスとの混合が計算されるならば）拡散流れを考慮することが賢明である。通常、拡散流れを考慮することは、絶対に必要というわけではない。
・ガス相ｇ内の成分ｌ（例えば、ＣＯ，Ｈ_２等）の質量密度の時間当たりの変化＋
・セルに流入しかつセルから流出する成分ｌの全対流質量流れの合計＝
・成分ｌの拡散流れ＋
・ガス相ｇ内の成分ｌの全質量わき出し及び吸い込みの合計
【００５６】
【数３】

【００５７】
元素の収支については定式化する必要はない。（例えば、金属化の）確認のために、元素分率（例えば、Ｆｅ，Ｏの各質量分率）が成分分率（例えば、１つ又は２つ以上の相内のＦｅ，ＦｅＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３の各質量分率）から計算される。
【００５８】
運動量収支は、必ずしも各相に対して個別に式に立てられる必要はないが、各相の群に対して式を立てることもできる。例えば、以下の各相群が運動量収支に対して意味がある。群ｑは、粒状相とフィードストック内に蓄積された塵の塵相との全体の合計を含んでいる。
群ｇは、ガス相とガス中に分散した塵の塵相とを含んでいる。
【００５９】
粒状相とフィードストック内に蓄積した塵の塵相との全ての群に対するベクトルの運動量収支は：
・粒状相の運動量密度とセル内のフィードストック内に蓄積された塵の塵相の運動量密度との時間当たりの変化＋
・粒状相とセルから流出しかつセル内へ流入するフィードストック内に蓄積された塵の塵相との全対流運動量流れの合計＋
・粒状相とフィードストック内に蓄積された塵の塵相内における質量わき出しと質量吸い込みの結果である運動量流れわき出しと運動量流れ吸い込み＝
・連続相（ガス）を介しての浮揚力＋
・粒状相とセルのフィードストック内の塵相との圧縮力＋
・剪断応力と法線応力（偏差応力）により生じる力＋
・重力＋
・ガスの固体物質表面への付着により生じるガスと固体物質との摩擦力
である。
【００６０】
【数４】

【００６１】
ガス相とガスｇ中の塵相との群に対する運動量収支は、浮揚力が省略される点によってのみ、粒状相とフィードストック内に蓄積した塵の塵相ｑとの運動量収支と形式的に異なっている。
・ガス相とセル内のガス中に分散した塵の塵相との運動量密度の時間当たりの変化＋
・ガス相とセルから流出しかつセル内へ流入するガス中に分散した塵の塵相との全対流運動量流れの合計＋
・ガス相とガス中に分散した塵の塵相内における質量わき出しと質量吸い込みの結果である運動量流れわき出しと運動量流れ吸い込み＝
・ガス相とセルのガス中に分散した塵の塵相の圧縮力＋
・剪断応力と法線応力（偏差応力）により生じる力＋
・重力＋
・ガスの固体物質表面への付着により生じるガスと固体物質との間の摩擦力
である。
【００６２】
【数５】

【００６３】
例として、運動量収支の箇所で説明した２つの相群に対してエネルギー収支について再度定式化する。
群ｑは、粒状相とフィードストック内に蓄積された塵の塵相との全体の合計を含んでいる。
群ｇは、ガス相とガス中に分散した塵の塵相とを含んでいる。
【００６４】
粒状相とフィードストック内の塵の全ての群に対するエネルギー収支は：
・粒状相とセル内のフィードストック内に蓄積された塵の塵相とのエンタルピ密度の時間当たりの変化＋
・粒状相とセルから流出しかつセル内に流入するフィードストック内に蓄積した塵の塵相との全対流エンタルピ流れの合計＋
＝
・粒状相とフィードストック内に蓄積した塵の塵相との熱伝導流れ＋
・粒状相とフィードストック内に蓄積した塵の塵相全体への熱伝達流れ＋
・粒状相とフィードストックの塵相内の成分の質量わき出し及び質量吸い込みの結果であるエンタルピわき出し及びエンタルピ吸い込みである。
【００６５】
【数６】

【００６６】
ガス相とガス中に分散した塵の塵相を含む群に対するエネルギー収支は、粒状相とフィードストック内に蓄積した塵の塵相とを含む群に対するエネルギー収支と形式的に同様である。これは、指標ｑをｇに変えることにより得られる。
【００６７】
粒状相の体積分率は、全体計算空間（シャフトセクタ）で規定するか、又は状態方程式から有利に定めることができる。例えば、Ｎ．Ｏｕｃｈｉｙａｍａ氏とＴ．Ｔａｎａｋａ氏による（１９８８）“ＰｏｒｏｓｉｔｙＥｓｔｉｍａｔｉｏｎｓｏｆＭｉｘｅｄＡｓｓｅｍｂｌａｇｅｓｏｆＳｏｌｉｄＰａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｔＰａｃｋｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ”（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＪａｐａｎ，２１（２）：１５７−１６３）とのタイトルの文献、ＪｏｈａｎｓｅｎＳ．Ｔ．氏及びＬａｕｘＨ．氏による“ＡｎＡｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｏｌｕｔｉｏｎｏｆＤｉｓｐｅｒｓｅｄＭｕｌｔｉｐｈａｓｅＦｌｏｗＥｑｕａｔｉｏｎｓ”（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２ｎｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＭｕｌｔｉｐｈａｓｅＦｌｏｗ，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎ１９９５）とのタイトルの文献を参照されたい。塵相の体積分率は塵相の物質収支から得られる。結果として、セル内の全ての相の体積分率の合計が１に等しくなるので、ガス層の体積分率も確定する。
【００６８】
運動量収支における摩擦力は、全て知られている式から導かれる。これにより、多孔質媒体を介してのガスの流れが、例えばＥｒｇｕｎの式により有利にモデル化可能である。Ｅｒｇｕｎの式については、例えば、ＳａｂｒｉＥｒｇｕｎ“Ｆｌｕｉｄｆｌｏｗｔｈｒｏｕｇｈｐａｃｋｅｄｃｏｌｕｍｎｓ”（１９５２，ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｏｇｒｅｓｓ，４８（２）：８９−９４）とのタイトルの文献を参照されたい。偏析（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）、塵の蓄積、及びガス流れ中のキャビティの影響が物質の値により以下のように示される。
→ 粒状相とフィードストック内に蓄積した塵の塵相の局所体積分率
→ 局所平均粒径、及び
→ 局所形状ファクタ
【００６９】
温度、塵流れ、及び固体物質の流れでの化学反応の効果が、例えば、内部摩擦角及び凝集力といった固相の運動量収支における適切なパラメータにより示される。このようにして、コア流れ、各排出要素（例えば、スクリューコンベヤ）間の死領域の形成、又は架橋といった現象が計算される。これらのパラメータの局所状態（例えば、温度、塵体積分率、硫黄内容量）に依存することにより、“こう着（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）”、“アグロメレーション”、又は“クラスタリング（ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ）”（＝Ｆｅ−Ｆｅ結合又はＦｅ−Ｓ結合といった化学結合のために、又は各粒子間に存在する液相のために、粒子が互いにこう着すること）により生じる異常シャフト状態の計算も可能である。
【００７０】
境界条件を使用する（スパイダ脚部内の分率を僅かに増大させて粒径分布を設定する）ことにより、偏析の影響を概略的に考慮することも可能である。低密度のＦｅＯを特定することにより、膨張（＝還元中に粒子の体積が増大する）を概略評価することができる。粗な粒状相についての物質収支の式において適切なわき出し−吸い込み項を使用することにより、粒子の分解及び剥離の影響が考慮される。
【００７１】
各相の成分について以下記載する。各相は、ある物理／化学転換プロセスで反応する成分を含んでいる。物理・化学転換で反応しない固体成分（脈石又はＡｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂等）の全ては、不活性物質成分として互いにグループ化可能である。例えば、ガス相、塵相又は粒状相の以下の成分は重要である。
【００７２】
ガス： CO，CO₂，H₂，H₂O(g)，CH₄，N₂
鉱石１及び鉱石２： Fe₂O₃，FeO，Fe，H₂O(l)，不活性物質
石灰石、ドロマイト： MgCO₃，MgO，CaCO₃，CaO，H₂O(l)，不活性物質
ガス中の塵： C，不活性物質
固定床内の塵： C，不活性物質
【００７３】
塵内の更なる成分又は、例えば、Ｈ₂Ｓ又はシアン化物といった追加の成分を考慮する場合には、モデル式も与える。計算時間は相応じてより長くなるだけである。
【００７４】
収支の式のわき出し／吸い込み項において、例えば、以下のように、物理／化学転換プロセスを考慮している。
・全粒状相の乾燥
・複数の段階（赤鉄鉱−磁鉄鉱−ウスタイト−鉄）でのＣＯ及びＨ_２による鉱石の還元（例えば磁鉄鉱段階といった急速還元段階を省くことが可能である）
・石灰石とドロマイトのか焼
・Ｃ−Ｈ−Ｏ系内での化学反応：Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応、均一及び不均一水性ガス反応、メタン分離反応
・塵蓄積／塵再拡散：ガス中に含まれる塵の固定床内への蓄積又は固定床内に含まれた塵のガス中への再拡散
・粒子の分解、剥離
【００７５】
例として、成分“一酸化炭素”（ＣＯ）についての収支を与える。ＣＯは、ガス相内でのみ生じる。ＣＯの収支の式におけるわき出し／吸い込み項は、鉱石の還元により、かつ（例えば、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応といった）Ｃ−Ｈ−Ｏ系内の化学反応により生じる。ＣＯの収支に含まれる各相は、結果として、全ての鉱石相と塵相である。
【００７６】
収支の式中のわき出し及び吸い込みは、望むままにモデル化可能である。前記わき出し及び吸い込みをポテンシャル（例えば、熱力学的平衡からの距離）と速度項（例えば、アレニウス係数、生成物層拡散係数、物質移動係数）からなるようにすることは、特に有利である。さらに、わき出し及び吸い込みは、例えば、温度Ｔの関数として式を立てられ、すなわち、異なる温度範囲では異なる形式又は特定の温度によってのみ有効である形式を有している。固体の場合には、形状ファクタ及び平均粒径がわき出しと吸い込みの計算に含まれている。塵蓄積／塵再拡散の場合には、フィードストック内の最大可能塵体積分率が、決定的であり、かつフィードストック内の粒径分布と局所ガス速度とに依存する。蓄積した塵の体積分率がその平衡値よりも小さい場合に塵の蓄積が生じ、蓄積した塵の体積分率がその平衡値よりも大きい場合に塵の再拡散が生じる。
【００７７】
化学プロセスのわき出し及び吸い込みの定式化のために、例えば、転換及び化学量論係数についての反応次数といった通常のパラメータが使用される。
【００７８】
化学反応の熱を調和させることが優勢であり、かつ計算時間を省くために、機械的仕事及び摩擦によるエネルギー散逸はエネルギー収支で無視されている。これらを考慮したとしても、結果は著しく変化しないであろう。
【００７９】
モデル式を解くには境界条件を必要とする。これらは、既存の又は所望の測定値と制御スキームに従って定式化できる。例えば、還元ガス及び下向きパイプガスの圧力とトップガスの量が運転中に計測される場合には、下向きガス及び還元ガスの入口での圧力境界条件と装入物表面でのガス層に対する速度境界条件とが、数学モデルで設定される。
【００８０】
適切に選択された境界条件により、（例えば、排出要素といった）複雑化したプラントのパーツさえもモデル化することが可能となっている。排出要素の精確な形状及び動きは、この目的のために必要ではない。その代わりに、その排出挙動が速度境界条件の形式でモデル化される。例えば、装入物２の排出は、排出要素での速度境界条件により表現可能である（例えば、スクリュー容器での条件＝スクリューコンベヤ３８の回転周りの仮想シリンダ）。結果として、スクリューそれ自体の動きは、モデル化される必要がない。
【００８１】
境界条件は値に制限される必要はない。その代わりに、圧力、速度、温度、質量、及び体積分率の概要を規定しても良い。周期的境界条件により、再生されるシャフトセクタ内での非対称条件を可能としている。
【００８２】
収支の式及び境界条件は、物質値とパラメータを含んでいる。前記物質値は、例えば、モル質量（ｍｏｌａｒｍａｓｓ）、純密度、熱容量、耐火ライニングの熱伝導率といった標準的文献により得られるものであり、他方、例えば、内部摩擦角、還元速度パラメータ、排出要素の排出特徴といったパラメータは実験的に定める必要がある。これにより、原料及びプラントに固有のシャフトの作動状態の計算が可能となっている。
【００８３】
固体物質の流れの実際的な記載をするために、偏差応力又は応力テンソルを定めるために必要とされる物質法則に特別な注意が払われねばならない。流体力学で標準的に使用される「ニュートン流体」に対する線形物質法則を適用することが最も簡単である。しかしながら、これは、フィードストックのテーパ付き先端又は死領域といった現象を記載できず、粒状物質の場合に適用される。このためには、非線形物質法則を使用せねばならない。
【００８４】
この方法に対して発達した粒状流れに対する物質法則であって応力テンソルと速度勾配との関係を確定する物質法則は、古典的ビンガム物質法則を一般化したものである（T.C. Papanastasiou氏による“Flows of Materials with Yield”(1987, Journal of Rheology 31(5), 385-404)とのタイトルの文献を参照）。“ビンガム流体”は、通常、一定の臨界剪断応力を有する物質であり、それに対する物質法則は、実際に広がっている応力ストレスが臨界剪断応力を超えた場合にのみ運動が可能である。この臨界剪断応力は、粒状媒体の場合に生ずるが、一定であると仮定することはできない。臨界剪断応力は、固体物質の圧力及び（例えば、材料の内部摩擦角といった）材料パラメータと固体物質の凝集力に依存している。よって、停止状態と運動状態との間の限界は、例えば、ドラッカー・プラーガの降伏条件（W.F. Chen氏とA.F. Saleeb氏による“Constitutive Equations for Engineering Materials, Volume 1:Elasticity and Modelling”(1994, Elsevier, Amsterdam [interalia])とのタイトルの文献、A. Berker氏とW.E. VanArsdale氏による“Phenomenological models of viscoplastic, thixotropic and granular materials”(1992, Rhelogica Acta 31, 119-138)とのタイトルの文献）により記載される。
【００８５】
ガス相の密度が、（平均モル質量(average molar mass)を使用する）理想的気体法則により確定される。これは、考慮しているガス圧力（５ｂａｒ以下）に対して適している。他の相の密度は、成分の分率及び純密度から得られる。
【００８６】
有効熱伝導率λ_qに対する物質値に、粒子から粒子へと熱を運ぶ放射成分が考慮されている。
【００８７】
還元シャフトにおける以下のプロセス又は物質の特性は、プロセスモデルの本発明による構成により規定されかつ記載可能である。
【００８８】
・装入物（鉱石、添加剤）の成分内の不均一さが、スパイダ脚部にて異なる条件でプロセスモデルを繰り返し計算することによりシミュレート可能である。
・装入物内のガス流れにおける局所粒度分布の影響を考慮することができる。
・装入物の水分及び装入物に含まれる不活性物質を考慮することができる。
・シャフト内のプロセスに対するシャフト形状（例えば、円錐拡大形状）の効果を定量的に示すことができる。
・装入物がスパイダ脚部を介して挿入されかつスクリューコンベヤを介して除去されるというように、装入要素及び排出要素の形状を考慮することができる（それぞれシャフトの断面エリアの一部分のみを考慮する）。
【００８９】
・ガスは、シャフト壁部における流入スリットから半径方向内側に流入する。・装入物の表面は、フィードストックのテーパ付き先端として形成されている（これはガス流れに影響する）。フィードストックのテーパ付き先端のために、ガスが、主としてスパイダ脚部からできるだけ大きな半径方向距離に離れる傾向がある。
・ガスの局所固有量は、局所空孔率、局所平均粒径、及び局所粒子形状（すなわち、偏析度、及び塵の生成）に依存する。局所空隙率と局所粒径が小さくなるほど、かつ局所粒子が球状でないほど、ガスの局所固有量が少なくなる。
・塵で閉塞したバッスル管及び／又は流入スリットの各パーツにより、装入物の不均一なガス生成が生ずる。
・塵が高レベルになることによりチャネリング（channelling）を引き起こすかもしれない。ガスが、何ら還元作用をすることなく、装入物内のこれらのチャネルを介して上方に流れる。初期条件を定めることでガス流れに対するチャネリングを考慮することができる。
【００９０】
・ガスと固体の間での熱交換を考慮している。
・ガスの還元ポテンシャルは、Ｃ−Ｈ−Ｏ系における化学反応により変化する。例えば、ＣＯとＨ₂は、Boudouard反応と不均一水性ガス反応により塵形態のカーボン（Ｃ_(s)）、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏに変換され、かつ結果として鉄鉱石還元のために失われる。
・石灰石とドロマイトの局所分率が高いことにより、温度が制限され、かつ還元ポテンシャルが低下する。これは、か焼が吸熱反応でありかつＣＯ₂が放出されるからである。
・ガスの局所固有量は、ガスが壁部から装入物内に流入すること（これは、装入物内に塵の不均一な分布を作る）により影響される。シャフト内の塵の分布は、計算に従っている。
【００９１】
・ガスは、サイクロン−バッスル管−流入スリット経路を経るのみならずシャフト内に流入する；その代わりに、還元ガスの一部がシャフト内に下向きパイプを介して溶融ガス化装置から直接流入する経路をとる。
・シャフトの転換部（＝下方断面収縮部）内及びスクリューコンベヤの領域で、コア流れが生じる。
・例えば、こう着又はアグロメレーションの結果、又は粒子間の化学結合の結果、又は不活性ガスの液化、再凝固化の結果、組み込まれた塵の結果、装入物がある圧縮強さを与えているならば、スクリューコンベヤを介して架橋（ｂｒｉｄｇｅ）が形成される可能性がある。
・シャフト内の温度が高くなるほど、こう着の原因となるプロセスが生じる程度が大きくなる（焼結物、液状脈石、又は液状イオン−硫黄化合物）。最大許容温度が、こう着／アグロメレーションにより制限されている。
・例えば鉱石の反応速度パラメータといった原料固有データ、例えばガスの固有量といったオペレータ固有計測値、例えばより長い排出スクリューといった形状及び／又はスケールの変化の相互作用と、シャフトの運転に対するこれらの効果を定量的に調べることが可能である。
【００９２】
特に計算された圧力分布から推測可能である以下のプロセスもモデルにより間接的に考慮される。
・装入物は、全断面にわたって一様にはテーパが付けられていない。その代わりに、装入物は「引っ掛ける」ことが可能である。ここで、遊離速度（loosening rate）が局所的に非常に多くなる。遊離速度は、ガス側で垂直固有圧力が減るガスの空パイプ速度が垂直パッキン圧力（＝壁部又は静止フィードストックの装入物による支持を無視した場合に、装入物のパッキン密度と重力による加速度の積）に等しい。
・シャフト内へ流入する流入側での絶対ガス速度が遊離速度よりも非常に大きい。下方シャフト内でガス透過性が非常に低い場合には、流入スリットから始まって、キャビティとの部分的引っ掛かりが生じる。
【００９３】
本発明による方法によれば、それぞれ異なる原料の場合に、形状又はプロセスパラメータを変えることにより、還元プロセスと製品品質を最適化することが可能である。結果として、使用する原料の範囲を拡大可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にとって本質的である製錬還元プロセスを行うためのプラントのパーツを示す図である。
【図２】長手軸線で切断された還元シャフトの長手方向断面図である。
【図３】還元シャフトの１セクタの平面図である。
【符号の説明】
１還元シャフト
３鉄含有装入材料
６溶融ガス化装置
９還元ガス
１３還元生成物
２３液状銑鉄又は液状一次鋼製品

Claims

還元シャフト（１）内における供給材料としての塊状の鉄含有装入材料（３）のための還元プロセスをモデル化する方法において、還元ガス（９）が溶融ガス化装置（６）から前記還元シャフト（１）に供給され、還元固体生成物（１３）が液状銑鉄又は液状一次鋼製品（２３）を製造するために前記還元シャフト（１）から取り出され、
前記還元シャフト（１）が、２次元モデルか３次元モデルにモデル化され、
前記還元プロセスが数学的−物理的−化学的プロセスモデルにより記載され、
前記プロセスモデルにおいて、非線形の物質法則が固体物質からなる供給材料に対して使用され、
前記非線形の物質法則は、物質流れの応力テンソルと速度勾配との間の非線形な関係を記載し、物質の乱れた流れによって引き起こされる現象又は物質の乱れた流れを生じさせる現象を記述することが出来ることを特徴とする方法。
塵の蓄積及び塵の再拡散を考慮して、前記プロセスモデルが作られていることを特徴とする請求項１記載の方法。
蓄積した塵の体積分率を変化させることにより、前記塵の蓄積がモデル化されることを特徴とする請求項２記載の方法。
前記固体物質が、ドラッカー・プラーガの降伏条件，ミーゼスの降伏条件，トレスカの降伏条件といった降伏条件を有するビンガム流体としてモデル化されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記化学的プロセス及び物理的プロセスのモデル化の際に、運動論が使用されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の方法。
前記化学的プロセス及び物理的プロセスのモデル化の際に、平衡状態を考慮することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の方法。
化学的プロセス及び物理的プロセスのモデル化の際に、温度依存性を考慮することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の方法。
前記プロセスに含まれる各物質が、プロセスモデル内で、ガス相、又は少なくとも１つの粒状相、又は少なくとも１つの塵相というように、個々の相に割り当てられていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の方法。
粒状相が特定の粒径と特定の原材料により特徴付けられていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載の方法。
各相に対して、物質収支及び対応する成分収支の式が立てられることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
質量分率の形式の特定の化学元素の元素分率が、前記成分収支から計算されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
運動量収支及びエネルギー収支の式を立てるために、多数の相が１つの群にまとめられ、前記１つの群の多数の相が同一の速度、圧力、及び温度を有していることを特徴とする請求項８乃至１１の何れか１項記載の方法。
前記ガス相と該ガス中に分散した塵の相とが気相の第１の群に割り当てられ、かつ前記粒状相と固体物質内に蓄積された塵の相とが固相の第２の群に割り当てられ、これら２つの群のそれぞれに対して、対応する運動量収支とエネルギー収支との式が立てられることを特徴とする請求項１２記載の方法。
前記還元シャフト（１）が個別化され、前記収支の式が、有限差分法、有限要素法、有限体積法、重み付け残差法といった数値解法により解かれることを特徴とする請求項１０乃至１３の何れか１項記載の方法。
化学速度論をモデル化するために、前記プロセスに含まれる物質の化学的特性及び／又は物理的特性のいくつかと、内部摩擦角と凝集力といった塵の蓄積と固体物質の挙動とが、材料試験により求められることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項記載の方法。
対称性を利用して計算時間を減らすために、前記還元シャフト（１）の３次元小区域に対してのみプロセスモデルの計算が行われることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項記載の方法。
前記還元シャフト（１）の形状寸法は、ＣＡＤプログラムからのデータ転送により得られることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項記載の方法。
計算結果が、コンピュータのスクリーン上で断面表示により図示されることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか１項に記載の方法。
前記還元シャフト（１）の様々な形状寸法に対して還元モデルを繰り返しオフライン計算することにより、前記還元シャフトの好適な構成が決定されることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項記載の方法。
前記還元プロセスは、プロセスパラメータ及び／又は特定の装入材料及び／又は境界条件を変化させて、前記プロセスモデルを繰り返しオフライン計算することにより最適化されることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項記載の方法。
前記還元プロセスは、現在のプロセスパラメータを考慮して、プロセスモデルをオンライン計算することにより制御され又は最適化されることを特徴とする請求項１乃至２０の何れか１項記載の方法。
前記還元プロセスは、原料及び／又はエネルギーの消費を最小化した状態で、還元された製品の金属化度を最大化する、又は還元された製品の所定の金属化度を達成するように、最適化されることを特徴とする請求項１乃至２１の何れか１項記載の方法。