JP5605828B2 - Iron making method and iron making system - Google Patents

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Description

本発明は、製鉄技術に関し、特に、アンモニアによる還元反応を利用した製鉄方法および製鉄システムに関するものである。   The present invention relates to iron making technology, and more particularly, to an iron making method and an iron making system using a reduction reaction with ammonia.

従来、製鉄プロセスにおいては、高炉を用いて鉄鉱石から銑鉄を得る工程が主に用いられている。具体的には、高炉の上部から鉄鉱石とコークスとを交互に供給し、下部から高温の熱風を吹き込む。これにより、鉄鉱石中の酸化鉄が、コークスの燃焼およびブドワー反応により生じた一酸化炭素により還元され、鉄が分離されるようになっている。   Conventionally, in the iron making process, a process of obtaining pig iron from iron ore using a blast furnace is mainly used. Specifically, iron ore and coke are alternately supplied from the upper part of the blast furnace, and hot hot air is blown from the lower part. As a result, iron oxide in the iron ore is reduced by carbon monoxide generated by the combustion of coke and the Budwar reaction, and iron is separated.

また、特開2009−221549号公報には、上述した高炉法において、コークスの代わりに水素を還元剤として使用する方法も提案されている(特許文献1)。この方法では、羽口から水素を10質量%以上含有する還元剤を吹き込む高炉操業において、高炉の炉頂から予熱した原料を装入することを特徴としている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-221549 also proposes a method of using hydrogen as a reducing agent instead of coke in the blast furnace method described above (Patent Document 1). In this method, in a blast furnace operation in which a reducing agent containing 10 mass% or more of hydrogen is blown from the tuyere, a preheated raw material is charged from the top of the blast furnace.

特開2009−221549号公報JP 2009-221549 A

しかしながら、上記コークスを用いた高炉法においては、コークスのブドワー反応が律速するため、還元鉄を得るには、1000℃を超える高温を保持する必要がある。このため、燃料消費量が500kg/t−pig ironと膨大であり、二酸化炭素の排出量が極めて多いという問題がある。また、還元剤の利用率も約50%と低いため、高炉の出口ガスの化学エネルギーを回収するプロセスも必要となる。なお、還元剤の利用率とは、ある還元剤を還元反応に使用した場合に、その反応に利用される還元剤の割合(還元反応に利用された量/還元反応前の全量)をいうものとする。   However, in the blast furnace method using the above-mentioned coke, the coke Budower reaction is rate-determined, and thus it is necessary to maintain a high temperature exceeding 1000 ° C. in order to obtain reduced iron. For this reason, there is a problem that the fuel consumption is as large as 500 kg / t-pig iron and the amount of carbon dioxide emission is extremely large. Further, since the utilization rate of the reducing agent is as low as about 50%, a process for recovering the chemical energy of the blast furnace outlet gas is also required. Note that the utilization rate of the reducing agent refers to the ratio of the reducing agent used in the reaction when a certain reducing agent is used in the reduction reaction (amount used in the reduction reaction / total amount before the reduction reaction). And

また、上記特許文献1に記載された発明においては、還元剤となる水素を輸送するためのインフラストラクチャーが整備されていないという問題がある。水素の輸送には、液化する方法、圧縮する方法、水素吸蔵合金を用いる方法等が考えられるが、液化するには約−252℃以下に冷却する必要がある。また、圧縮するには高圧圧縮機や高強度の圧力容器が必要となる。さらに、水素吸蔵合金は、吸蔵量が10%未満と少なく、いずれも実用化には解決すべき課題が残っている状況である。   Further, the invention described in Patent Document 1 has a problem that an infrastructure for transporting hydrogen as a reducing agent has not been prepared. For transporting hydrogen, a liquefying method, a compressing method, a method using a hydrogen storage alloy, and the like can be considered, but in order to liquefy, it is necessary to cool to about −252 ° C. or less. In addition, a high pressure compressor and a high strength pressure vessel are required for compression. Furthermore, the hydrogen storage alloy has a low storage amount of less than 10%, and there are still problems to be solved for practical use.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、輸送方法が確立されているアンモニアを還元剤として使用することで、還元反応を低温化し、還元剤使用量、燃料消費量および二酸化炭素の排出量を低減することができる製鉄方法および製鉄システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such problems, and by using ammonia as a reducing agent for which a transportation method has been established, the reduction reaction can be performed at a low temperature, the amount of reducing agent used, fuel An object of the present invention is to provide an iron making method and an iron making system capable of reducing consumption and carbon dioxide emission.

本発明に係る製鉄方法は、反応器内に製鉄原料とアンモニアとを供給し、還元反応させることにより鉄を製造するものである。   The iron making method according to the present invention is to produce iron by supplying a steel making raw material and ammonia into a reactor and causing a reduction reaction.

また、本発明において、前記アンモニアを前記製鉄原料の還元反応温度以上に予熱してから前記反応器内に供給してもよい。   In the present invention, the ammonia may be supplied into the reactor after being preheated to a temperature equal to or higher than the reduction reaction temperature of the ironmaking raw material.

さらに、本発明において、前記アンモニアに酸素または空気を混合させて前記反応器内に供給してもよい。   Furthermore, in the present invention, oxygen or air may be mixed with the ammonia and supplied into the reactor.

また、本発明において、前記アンモニアとは別に、酸素または空気を前記反応器内に供給してもよい。   In the present invention, oxygen or air may be supplied into the reactor separately from the ammonia.

さらに、本発明において、前記反応器内を450℃以上に保持してもよい。   Furthermore, in the present invention, the inside of the reactor may be maintained at 450 ° C. or higher.

本発明に係る製鉄システムは、製鉄原料とアンモニアとを収容し、還元反応させることにより鉄を製造する反応器と、前記反応器内に製鉄原料を供給する製鉄原料供給手段と、前記反応器内にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、を有している。   An iron making system according to the present invention includes an iron making raw material and ammonia, and a reactor for producing iron by a reduction reaction, an iron making raw material supply means for supplying the iron making raw material into the reactor, and the inside of the reactor. And an ammonia supply means for supplying ammonia.

また、本発明において、前記アンモニアを前記製鉄原料の還元反応温度以上に予熱するアンモニア予熱手段を有していてもよい。   Moreover, in this invention, you may have the ammonia preheating means which preheats the said ammonia more than the reduction reaction temperature of the said steelmaking raw material.

さらに、本発明において、前記アンモニア供給手段は、前記アンモニアに酸素または空気を混合させて前記反応器内に供給してもよい。   Furthermore, in the present invention, the ammonia supply unit may mix oxygen or air with the ammonia and supply the mixture into the reactor.

また、本発明において、前記アンモニアとは別に、酸素または空気を前記反応器内に供給する酸素供給手段を有していてもよい。   Moreover, in this invention, you may have an oxygen supply means which supplies oxygen or air into the said reactor separately from the said ammonia.

さらに、本発明において、前記反応器内を450℃以上に保持してもよい。   Furthermore, in the present invention, the inside of the reactor may be maintained at 450 ° C. or higher.

本発明によれば、輸送方法が確立されているアンモニアを還元剤として使用することで、還元反応を低温化し、還元剤使用量、燃料消費量および二酸化炭素の排出量を低減することができる。   According to the present invention, by using ammonia for which a transportation method has been established as a reducing agent, the reduction reaction can be performed at a low temperature, and the amount of reducing agent used, the amount of fuel consumed, and the amount of carbon dioxide emitted can be reduced.

本発明に係る製鉄方法の一実施形態を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows one Embodiment of the iron manufacturing method which concerns on this invention. 本発明に係る製鉄システムの一実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the iron manufacturing system which concerns on this invention. 本実施例で使用した実験装置を示す全体図である。It is a general view which shows the experimental apparatus used in the present Example. 実施例1において、反応管の出口ガスの組成を質量分析計により計測した結果を示すグラフである。In Example 1, it is a graph which shows the result of having measured the composition of the exit gas of a reaction tube with the mass spectrometer. 実施例1において、各ガスについて、濃度の時間変化を微分した値を示すグラフである。In Example 1, it is a graph which shows the value which differentiated the time change of a density | concentration about each gas. 実施例1において、還元後試料のX線回折装置による分析結果を示す図である。In Example 1, it is a figure which shows the analysis result by the X-ray-diffraction apparatus of the sample after a reduction | restoration. 実施例2において、反応管の出口ガスの組成を質量分析計により計測した結果を示すグラフである。In Example 2, it is a graph which shows the result of having measured the composition of the exit gas of a reaction tube with the mass spectrometer. 実施例2において、各ガスについて、濃度の時間変化を微分した値を示すグラフである。In Example 2, it is a graph which shows the value which differentiated the time change of a density | concentration about each gas. 実施例2において、還元後試料のX線回折装置による分析結果を示す図である。In Example 2, it is a figure which shows the analysis result by the X-ray-diffraction apparatus of the sample after a reduction | restoration. 鉄とアンモニアおよび窒化鉄について、温度変化に対するギブス自由エネルギーの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the Gibbs free energy with respect to a temperature change about iron, ammonia, and iron nitride. 各還元反応について、温度変化に対するギブス自由エネルギーの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the Gibbs free energy with respect to a temperature change about each reduction reaction.

本願発明者らは、上記課題を解決するにあたり、還元反応の低温化を目標として予備的検討を行った。具体的には、まず、以下の特性により、アンモニアを還元剤として使用することを発案した。
(1)アンモニアの液化温度は−33℃と水素に比べて液化し易い点。
(2)アンモニアは他の代表的な水素貯蔵物質に比べて水素貯蔵量が17.6mass%と高い点。
(3)アンモニアの製造方法および輸送方法が既に確立されており、現在のインフラストラクチャーを利用できる点。
In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present application conducted a preliminary study with the goal of reducing the temperature of the reduction reaction. Specifically, it was first proposed to use ammonia as a reducing agent due to the following characteristics.
(1) The ammonia liquefaction temperature is −33 ° C., which is easier to liquefy than hydrogen.
(2) Ammonia has a high hydrogen storage amount of 17.6 mass% compared to other typical hydrogen storage materials.
(3) A method for producing and transporting ammonia has already been established, and the current infrastructure can be used.

そこで、製鉄原料となるヘマタイトの還元反応について、図11に示すように、熱力学的平衡計算を行った。その結果、炭素および水素に比べて、アンモニアによるヘマタイトの還元平衡が、約300℃で生成側にシフトすることに着目した。また、一酸化炭素は、工業的に生産するプロセスが存在しないため、実際の製鉄プロセスへの適用や応用を考えると適切ではない点を考慮した。そして、鋭意研究の結果、反応器内に製鉄原料とアンモニアとを供給し、還元反応させることにより鉄を製造できることを見出した。   Therefore, as shown in FIG. 11, a thermodynamic equilibrium calculation was performed on the reduction reaction of hematite, which is a raw material for iron making. As a result, we focused on the fact that the reduction equilibrium of hematite by ammonia shifts to the production side at about 300 ° C. compared to carbon and hydrogen. In addition, since carbon monoxide has no industrially produced process, it was considered that carbon monoxide is not appropriate in terms of application and application to an actual steelmaking process. And as a result of earnest research, it discovered that iron could be manufactured by supplying a steelmaking raw material and ammonia in a reactor, and making it reduce-react.

以下、本発明に係る製鉄方法および製鉄システムの実施形態について図面を用いて説明する。図1は、本実施形態の製鉄方法を示すフローチャート図であり、図2は本実施形態の製鉄方法を実施する製鉄システム1を示すブロック図である。   Hereinafter, embodiments of the iron making method and the iron making system according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart showing the iron making method of the present embodiment, and FIG. 2 is a block diagram showing an iron making system 1 that performs the iron making method of the present embodiment.

図1および図2に示すように、本実施形態では、まず、ベルトコンベア等の製鉄原料供給手段2によって反応器3に製鉄原料を供給する(ステップS1)。本発明において、反応器3は、耐熱性を有し、所定の物質を収容して化学反応を起こさせる全ての容器を含む概念である。また、本発明において、製鉄原料は、酸化鉄を主成分とする全ての原料を含むものであり、例えば、ヘマタイト、マグネタイト、リモナイト等の鉄鉱石である。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, in this embodiment, first, the iron-making raw material is supplied to the reactor 3 by the iron-making raw material supply means 2 such as a belt conveyor (step S1). In the present invention, the reactor 3 is a concept including all containers having heat resistance and containing a predetermined substance to cause a chemical reaction. In the present invention, the iron-making raw material includes all raw materials mainly composed of iron oxide, and examples thereof include iron ores such as hematite, magnetite, and limonite.

つぎに、気体加熱用ヒーター等からなるアンモニア予熱手段4によって、アンモニアを予熱する(ステップS2)。ここで、アンモニアによる製鉄原料の還元は吸熱反応であるため、還元反応が進行すると温度が低下する。したがって、本発明に係る製鉄方法を実際の製鉄プロセスに適用する場合、上記の吸熱分を何らかの形で補う必要がある。そこで、本実施形態では、アンモニアを予熱することにより顕熱を増大させ、上記の吸熱分を補うようになっている。また、アンモニアを製鉄原料の還元反応温度以上に予熱することで、上記の吸熱分を完全に補完する顕熱が付与されることとなる。なお、還元反応温度とは、還元反応を開始させるのに必要な最低温度であり、本実施形態では、図11より約300℃であるといえる。   Next, ammonia is preheated by the ammonia preheating means 4 comprising a gas heater or the like (step S2). Here, since the reduction of the iron-making raw material with ammonia is an endothermic reaction, the temperature decreases as the reduction reaction proceeds. Therefore, when the iron making method according to the present invention is applied to an actual iron making process, it is necessary to supplement the endothermic component in some form. Therefore, in the present embodiment, sensible heat is increased by preheating ammonia to compensate for the above endothermic component. In addition, by preheating ammonia at a temperature equal to or higher than the reduction reaction temperature of the iron-making raw material, sensible heat that completely complements the endothermic component is imparted. Note that the reduction reaction temperature is the minimum temperature required to start the reduction reaction, and in this embodiment, can be said to be about 300 ° C. from FIG.

なお、ステップS2の予熱処理は、アンモニアを単独で供給する場合に、吸熱分を補うための方法として考えられる処理の1つである。しかしながら、アンモニアの他に、酸素または空気を供給した場合、反応器3内でアンモニアが部分的に燃焼し、内部で熱が供給される。したがって、この部分燃焼と本予熱処理とを組み合わせて、熱供給することもできるし、本予熱処理を省略し、部分燃焼だけにより熱供給することも可能である。   Note that the pre-heat treatment in step S2 is one of the processes considered as a method for supplementing the endothermic component when ammonia is supplied alone. However, when oxygen or air is supplied in addition to ammonia, the ammonia partially burns in the reactor 3 and heat is supplied inside. Therefore, it is possible to supply heat by combining this partial combustion and this pre-heat treatment, or it is possible to omit this main heat treatment and supply heat only by partial combustion.

つぎに、流量調整器等からなるアンモニア供給手段5によって、反応器3にアンモニアを供給する(ステップS3)。本実施形態において、アンモニア供給手段5は、上述した予熱処理を行う場合、アンモニア予熱手段4が予熱したアンモニアガスを一定の流量で反応器3内へ供給するようになっている。一方、上述した部分燃焼による熱供給を行う場合、アンモニア供給手段5は、アンモニアに酸素または空気を混合させて反応器3内に供給するようになっている。   Next, ammonia is supplied to the reactor 3 by the ammonia supply means 5 including a flow rate regulator or the like (step S3). In the present embodiment, the ammonia supply means 5 is configured to supply the ammonia gas preheated by the ammonia preheating means 4 into the reactor 3 at a constant flow rate when performing the pre-heat treatment described above. On the other hand, when the heat supply by the partial combustion described above is performed, the ammonia supply means 5 mixes oxygen or air with ammonia and supplies the mixture into the reactor 3.

なお、部分燃焼による熱供給を行う場合、酸素または空気をアンモニアと混合させず、流量調整器等からなる酸素供給手段6によって、別途、反応器3内へ供給するようにしてもよい(ステップS4)。ただし、反応器3内へ供給した酸素や空気が、還元された鉄を選択的に酸化し、アンモニアと接触する前に消費されるのを抑制する必要がある。したがって、酸素供給手段6は、当該抑制が可能な供給方式やレイアウトを備えている。ただし、アンモニアの燃焼反応が製鉄原料の酸化反応に比べて十分に早く進行させられる場合、供給レイアウトは問題にならない。   In addition, when heat supply by partial combustion is performed, oxygen or air may not be mixed with ammonia, and may be separately supplied into the reactor 3 by the oxygen supply means 6 including a flow rate regulator (step S4). ). However, it is necessary to suppress oxygen or air supplied into the reactor 3 from being selectively oxidized before the reduced iron is contacted with ammonia. Therefore, the oxygen supply means 6 has a supply method and layout that can be controlled. However, the supply layout is not a problem when the combustion reaction of ammonia is allowed to proceed sufficiently faster than the oxidation reaction of the ironmaking raw material.

最後に、加熱炉等からなる加熱手段7によって、反応器3内を所定温度以上に加熱して保持する(ステップS5)。これにより、アンモニアによる製鉄原料の還元反応が進行し、還元鉄が得られる。本実施形態において、製鉄原料の主成分である酸化鉄が、アンモニアにより還元される反応は、後述する実施例の結果より、加熱温度によって異なるものと考えられる。具体的には、アンモニアが窒素と水素に分解された後(下記式(1))、その水素によって還元されるケース(下記式(2))と、アンモニアによって直接窒化鉄(FeN)に還元された後(下記式(3))、その窒化鉄が分解されるケース(下記式(4))とが存在するものと考えられる。 Finally, the inside of the reactor 3 is heated to a predetermined temperature or higher by the heating means 7 composed of a heating furnace or the like (step S5). Thereby, the reductive reaction of the iron-making raw material by ammonia advances, and reduced iron is obtained. In this embodiment, the reaction in which iron oxide, which is the main component of the iron-making raw material, is reduced by ammonia is considered to be different depending on the heating temperature from the results of Examples described later. Specifically, after ammonia is decomposed into nitrogen and hydrogen (the following formula (1)), it is reduced by the hydrogen (the following formula (2)), and directly into iron nitride (Fe 4 N) by ammonia. It is considered that there is a case (the following formula (4)) in which the iron nitride is decomposed after the reduction (the following formula (3)).

NH→1/2N+3/2H …式(1)
Fe+3H→2Fe+3HO …式(2)
Fe+6NH→2FeN+3HO+2N …式(3)
FeN→4Fe+1/2N …式(4)
NH 3 → 1 / 2N 2 + 3 / 2H 2 Formula (1)
Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O Formula (2)
Fe 2 O 3 + 6NH 3 → 2Fe 4 N + 3H 2 O + 2N 2 Formula (3)
Fe 4 N → 4Fe + 1 / 2N 2 Formula (4)

前者のケースにおいて、アンモニアは、酸化鉄を還元する過程で半還元鉄(Fe,FeO)を生成する(下記式(5)〜(7))。そして、この半還元鉄の触媒作用により、上記式(1)の水素生成プロセスを低温化させる作用を有している。また、上記式(1)により生成された水素により、半還元鉄の還元反応をさらに進行させ(下記式(8)〜(10))、最終的に鉄へと還元するものと考えられる。 In the former case, ammonia generates semi-reduced iron (Fe 3 O 4 , FeO) in the process of reducing iron oxide (the following formulas (5) to (7)). And it has the effect | action which lowers the temperature of the hydrogen production | generation process of said Formula (1) by the catalytic action of this semi-reduced iron. Further, it is considered that the reduction reaction of the half-reduced iron is further advanced by the hydrogen generated by the above formula (1) (the following formulas (8) to (10)) and finally reduced to iron.

Fe+2/9NH→2/3Fe+1/3HO+1/9N …式(5)
Fe+2/3NH→2FeO+HO+1/3N …式(6)
Fe+2/3NH→3FeO+HO+1/3N …式(7)
Fe+1/3H→2/3Fe+1/3HO …式(8)
Fe+H→2FeO+HO …式(9)
Fe+H→3FeO+HO …式(10)
Fe 2 O 3 + 2 / 9NH 3 → 2 / 3Fe 3 O 4 + 1 / 3H 2 O + 1 / 9N 2 Formula (5)
Fe 2 O 3 + 2 / 3NH 3 → 2FeO + H 2 O + 1 / 3N 2 Formula (6)
Fe 3 O 4 + 2 / 3NH 3 → 3FeO + H 2 O + 1 / 3N 2 (7)
Fe 2 O 3 + 1 / 3H 2 → 2/3 Fe 3 O 4 + 1 / 3H 2 O Formula (8)
Fe 2 O 3 + H 2 → 2FeO + H 2 O (9)
Fe 3 O 4 + H 2 → 3FeO + H 2 O Formula (10)

一方、後者のケースでは、アンモニアが直接的に酸化鉄を窒化鉄に還元する。そして、生成された窒化鉄の一部が分解し、鉄へと変化するものと考えられる。なお、上記式(3)で生成された窒化鉄は、別途、アンモニアを分解する触媒として機能し、上記式(1)の反応を進行させるものと考えられる。   On the other hand, in the latter case, ammonia directly reduces iron oxide to iron nitride. And it is thought that a part of produced | generated iron nitride decomposes | disassembles and changes to iron. In addition, it is thought that the iron nitride produced | generated by the said Formula (3) functions as a catalyst which decomposes | disassembles ammonia separately, and advances reaction of the said Formula (1).

なお、上述したいずれのケースにおいても、反応器3内の温度が低いほど、還元反応が進行しにくくなる。したがって、実用化できる程度に還元反応を進行させるには、反応器3内を所定の温度以上に加熱する必要がある。本実施形態では、後述する実施例の結果より、反応器3内を450℃以上に加熱した場合、アンモニアによる還元反応が遅滞なく進行するようになっている。   In any of the above cases, the lower the temperature in the reactor 3, the more difficult the reduction reaction proceeds. Therefore, in order to advance the reduction reaction to such an extent that it can be put into practical use, it is necessary to heat the inside of the reactor 3 to a predetermined temperature or higher. In the present embodiment, from the results of Examples described later, when the inside of the reactor 3 is heated to 450 ° C. or higher, the reduction reaction by ammonia proceeds without delay.

また、上述した本実施形態では、加熱手段7によって反応器3内を加熱する方法について説明したが、アンモニアを十分に予熱することができる場合には、加熱手段7を使用しなくてもよい。すなわち、アンモニアの顕熱によって、反応器3内が還元反応温度以上を維持できる程に予熱したアンモニアを供給する場合、別途、加熱手段7を省略することも可能である。   In the present embodiment described above, the method of heating the inside of the reactor 3 by the heating means 7 has been described. However, when the ammonia can be sufficiently preheated, the heating means 7 may not be used. That is, when the ammonia preheated to such an extent that the inside of the reactor 3 can maintain the temperature equal to or higher than the reduction reaction temperature is supplied by sensible heat of ammonia, the heating means 7 can be omitted separately.

以上より、本発明において、還元反応に必要な熱を供給する方式としては、反応器3の外部から熱を供給する外熱式と、反応器3の内部で熱を発生させる内熱式とが考えられ、いずれか一方を単独で使用してもよく、組み合わせて使用してもよい。また、外熱式としては、アンモニアを予熱して供給する方法と、反応器3内を加熱する方法とが考えられ、いずれか一方を単独で使用してもよく、組み合わせて使用してもよい。さらに、内熱式としては、アンモニアに酸素または空気を混合させて供給する方法と、アンモニアとは別に、酸素または空気を供給する方法とが考えられ、製造効率やコストを考慮していずれを選択してもよい。   As described above, in the present invention, the methods for supplying the heat necessary for the reduction reaction include the external heating method for supplying heat from the outside of the reactor 3 and the internal heating method for generating heat inside the reactor 3. Any one of them may be used alone or in combination. Moreover, as an external heating type, a method of supplying ammonia by preheating and a method of heating the inside of the reactor 3 are conceivable, and either one of them may be used alone or in combination. . Furthermore, as the internal heat type, there are a method in which oxygen or air is mixed and supplied to ammonia, and a method in which oxygen or air is supplied separately from ammonia, whichever is selected in consideration of manufacturing efficiency and cost. May be.

以上のような本実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
1.従来の高炉法に比べて低温での還元反応を実現し、還元反応に必要な熱を供給するための燃料消費量や二酸化炭素の排出量を低減することができる。
2.還元反応におけるアンモニアの利用率が高くなるようプロセス設計し、還元剤の使用量を低減することができる。
3.アンモニアの製造方法や輸送方法は確立しているため、既存のインフラストラクチャーを利用してアンモニアを容易に入手することができ、実用化の可能性が高い。
4.バイオマス由来または高温ガス化炉由来のアンモニアを用いることで、二酸化炭素の排出量をより一層低減することができる。
According to the present embodiment as described above, the following operational effects can be obtained.
1. Compared with the conventional blast furnace method, a reduction reaction at a low temperature can be realized, and the amount of fuel consumed and the amount of carbon dioxide emitted for supplying heat necessary for the reduction reaction can be reduced.
2. The process can be designed to increase the utilization rate of ammonia in the reduction reaction, and the amount of reducing agent used can be reduced.
3. Since the production method and transportation method of ammonia have been established, ammonia can be easily obtained using the existing infrastructure, and the possibility of practical use is high.
4). By using ammonia derived from biomass or high-temperature gasifier, the amount of carbon dioxide emission can be further reduced.

つぎに、本発明に係る製鉄方法および製鉄システム1の具体的な実施例に基づいて説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の実施例によって示される特徴に限定されるものではない。   Next, description will be made based on specific examples of the iron making method and the iron making system 1 according to the present invention. The technical scope of the present invention is not limited to the features shown by the following examples.

本実施例1では、アンモニアにより製鉄原料としてのヘマタイト(赤鉄鉱)を還元する実験を行った。具体的には、まず、図3に示すように、固定層型の反応管11(反応器3に相当:アルバック理工社製)を用意し、この反応管11内に設けられた石英ウール12上に、層高が1cmとなるようにヘマタイト試薬(純度99%,粒径<1μm)を約270mg充填した。   In Example 1, an experiment was conducted to reduce hematite (hematite) as a raw material for iron making with ammonia. Specifically, first, as shown in FIG. 3, a fixed bed type reaction tube 11 (corresponding to the reactor 3: manufactured by ULVAC-RIKO) is prepared, and the quartz wool 12 provided in the reaction tube 11 is Then, about 270 mg of a hematite reagent (purity 99%, particle size <1 μm) was packed so that the layer height was 1 cm.

つづいて、流量調整器13(アンモニア供給手段5に相当)および停止弁14を介して、濃度が5vol%のアンモニアガス(Arバランス)を200mL/minで反応管11内に流通させた。そして、コンピュータ15に接続された質量分析計16(ファイファーバキューム社製;Prisma QMS200)によって、反応管11の内部がアンモニアガスに置換されたのを確認した後、赤外炉17(加熱手段7に相当:アルバック理工社製;RHL−E210)により加熱を開始した。   Subsequently, ammonia gas (Ar balance) having a concentration of 5 vol% was circulated in the reaction tube 11 at a rate of 200 mL / min via the flow rate regulator 13 (corresponding to the ammonia supply means 5) and the stop valve 14. And after confirming that the inside of the reaction tube 11 was replaced with ammonia gas by a mass spectrometer 16 (manufactured by Pfeiffer Vacuum; Prism QMS200) connected to the computer 15, the infrared furnace 17 (the heating means 7) Equivalent: Heating was started by ULVAC-RIKO; RHL-E210).

以上の条件下において、反応管11内の温度を測定する熱電対18に接続された温度調節器19(アルバック理工社製;TCP−1000)を用いて赤外炉17を制御し、反応管11内を10℃/minの速度で600℃まで加熱した後、2時間保持した。この場合における反応管11の出口ガスの組成を質量分析計16により計測した結果を図4に示す。なお、図4の左縦軸は、各ガスの検出強度をアルゴンの検出強度で正規化した値(相対強度)である。また、各ガスについて、濃度の時間変化を微分した値を図5に示す。   Under the above conditions, the infrared furnace 17 is controlled using a temperature controller 19 (manufactured by ULVAC-RIKO, Inc .; TCP-1000) connected to a thermocouple 18 that measures the temperature in the reaction tube 11, and the reaction tube 11 The inside was heated to 600 ° C. at a rate of 10 ° C./min and then held for 2 hours. The result of measuring the composition of the outlet gas of the reaction tube 11 in this case with the mass spectrometer 16 is shown in FIG. Note that the left vertical axis in FIG. 4 is a value (relative intensity) obtained by normalizing the detection intensity of each gas with the detection intensity of argon. Moreover, the value which differentiated the time change of a density | concentration about each gas is shown in FIG.

図4に示すように、炉内温度が約500℃になったとき、アンモニアの濃度が減少する一方、水素および水蒸気(HO)の濃度が増加した。この場合におけるアンモニア濃度の減少および水素濃度の増加は、上記式(1)に示すように、アンモニアが分解したことに起因する。また、水蒸気濃度の増加は、上記式(2)に示すように、ヘマタイトの主成分である酸化鉄(Fe)が還元されたことに起因する。なお、図4では、窒素の表示を省略しているが、実際には、水蒸気の増加とほぼ同時に増加している。 As shown in FIG. 4, when the furnace temperature reached about 500 ° C., the ammonia concentration decreased, while the hydrogen and water vapor (H 2 O) concentrations increased. In this case, the decrease in ammonia concentration and the increase in hydrogen concentration are attributed to the decomposition of ammonia as shown in the above formula (1). The increase in water vapor concentration is due to the reduction of iron oxide (Fe 2 O 3 ), which is the main component of hematite, as shown in the above formula (2). In FIG. 4, the display of nitrogen is omitted, but in actuality, it increases almost simultaneously with the increase of water vapor.

また、図5に示すように、各ガス濃度の時間変化を微分した値は、加熱を開始してから約2500秒後に、アンモニア、窒素および水蒸気のそれぞれについて急激な変化が認められた。このときの炉内温度は約450℃であった。その後、加熱を開始してから約3000秒後に、水素濃度に急激な変化が確認された。このときの炉内温度は約530℃であった。   Moreover, as shown in FIG. 5, the value which differentiated the time change of each gas density | concentration recognized the sudden change about each of ammonia, nitrogen, and water vapor | steam about 2500 seconds after starting a heating. The furnace temperature at this time was about 450 ° C. Thereafter, a sudden change in the hydrogen concentration was confirmed about 3000 seconds after the start of heating. The furnace temperature at this time was about 530 ° C.

炉内温度が450℃における水蒸気の生成は、水素の生成を伴っていないことから、上記式(3)の還元反応に起因するものと考えられる。一方、炉内温度が530℃まで上昇すると、水素が生成されているため、上記式(1),(2)の還元反応も同時に進行しているものと考えられる。また、図5に示されるように、水素濃度が増加した後、水蒸気濃度の増加率が減少している。   Since the generation of water vapor at a furnace temperature of 450 ° C. is not accompanied by the generation of hydrogen, it is considered to be caused by the reduction reaction of the above formula (3). On the other hand, when the furnace temperature rises to 530 ° C., hydrogen is generated, so it is considered that the reduction reactions of the above formulas (1) and (2) also proceed simultaneously. Further, as shown in FIG. 5, after the hydrogen concentration increases, the rate of increase of the water vapor concentration decreases.

以上の結果より、アンモニアによる酸化鉄の還元よりも、相対的に水素による還元の方が反応速度が遅いことが示唆された。また、反応速度の遅い水素が発生することによって、アンモニアによる還元を含めた全体の還元速度が低下し、結果的にアンモニアによる還元が阻害されることが示唆された。   From the above results, it was suggested that the reduction rate with hydrogen was relatively slower than the reduction of iron oxide with ammonia. In addition, it was suggested that the generation of hydrogen with a slow reaction rate reduces the overall reduction rate, including reduction with ammonia, and consequently inhibits reduction with ammonia.

また、本実施例1では、上記のように、600℃で2時間保持した後、反応管11内を冷却するのと同時に、質量流量調整器20および停止弁14を介して、雰囲気ガスをアルゴンに切り換えた。なお、反応管11の出口ガスは、吸収器21でアンモニアガスを吸収してから大気へ放出した。そして、室温まで冷却した後、反応管11内に残留した還元後試料の重量を測定し、粉砕してX線回折装置(株式会社リガク製;MiniFlex)により生成相を同定した。その結果を図6に示す。   In Example 1, as described above, after holding at 600 ° C. for 2 hours, the reaction tube 11 is cooled, and at the same time, the atmospheric gas is converted into argon via the mass flow controller 20 and the stop valve 14. Switched to. Note that the outlet gas of the reaction tube 11 was released into the atmosphere after the ammonia gas was absorbed by the absorber 21. After cooling to room temperature, the weight of the reduced sample remaining in the reaction tube 11 was measured, pulverized, and the product phase was identified by an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation; MiniFlex). The result is shown in FIG.

図6に示すように、還元後試料の生成相は、全て鉄であることが確認された。また、還元後試料の重量測定による還元率は98.6%(誤差±5%)であり、アンモニアによりヘマタイトがほぼ完全に鉄へと還元されることが示された。なお、還元率とは、本実施例1で用いたヘマタイト試薬中の酸素を100とした場合に、還元によって失われた酸素の割合を示すものである。   As shown in FIG. 6, it was confirmed that the product phase of the sample after reduction was all iron. Moreover, the reduction rate by weight measurement of the sample after reduction was 98.6% (error ± 5%), and it was shown that hematite was almost completely reduced to iron by ammonia. The reduction rate indicates the ratio of oxygen lost due to reduction when the oxygen in the hematite reagent used in Example 1 is 100.

以上のような本実施例1によれば、反応管11内を450℃以上に加熱したとき、アンモニアによる酸化鉄の還元反応が開始されることが示された。また、反応管11内を600℃で保持したとき、酸化鉄からほぼ完全に鉄へと還元されることが示された。   According to the present Example 1 as described above, it was shown that when the inside of the reaction tube 11 is heated to 450 ° C. or more, the reduction reaction of iron oxide by ammonia is started. Further, it was shown that when the inside of the reaction tube 11 was kept at 600 ° C., iron oxide was almost completely reduced to iron.

本実施例2では、上述した実施例1と同様の実験条件下において、反応管11内の保持温度および保持時間を変えて実験を行った。具体的には、反応管11内を10℃/minの速度で450℃まで加熱した後、3時間保持した。この場合における反応管11の出口ガスの組成を図7に示す。また、各ガスについて、濃度の時間変化を微分した値を図8に示す。   In Example 2, the experiment was performed under the same experimental conditions as in Example 1 described above, changing the holding temperature and holding time in the reaction tube 11. Specifically, the inside of the reaction tube 11 was heated to 450 ° C. at a rate of 10 ° C./min and then held for 3 hours. The composition of the outlet gas of the reaction tube 11 in this case is shown in FIG. Moreover, the value which differentiated the time change of a density | concentration about each gas is shown in FIG.

図7および図8に示すように、本実施例2では、炉内温度が450℃に達しても、還元反応が起きていることを示す水蒸気の生成は確認されなかった。しかしながら、図9に示すように、還元後試料においては、主相として鉄が生成され、副相には窒化鉄(FeN)が生成されていた。 As shown in FIGS. 7 and 8, in Example 2, even when the furnace temperature reached 450 ° C., generation of water vapor indicating that a reduction reaction occurred was not confirmed. However, as shown in FIG. 9, in the reduced sample, iron was generated as the main phase, and iron nitride (Fe 4 N) was generated as the subphase.

ここで、図10に示すように、450℃において窒化鉄と鉄および窒素の平衡は、分解側に寄っている。また、窒化鉄の分解反応におけるギブス自由エネルギーは、鉄とアンモニアによる窒化反応のギブス自由エネルギーよりも常に低い。よって、鉄とアンモニアが反応して窒化する反応よりも、窒化鉄が分解する反応の方が優先されるといえる。このため、窒化鉄が生成される経路としては、アンモニアが、酸化鉄(Fe)と直接反応しているものと考えられる。すなわち、本実施例2においても、アンモニアが酸化鉄の還元に直接的に関与していることを示唆する結果が得られた。 Here, as shown in FIG. 10, at 450 ° C., the equilibrium of iron nitride, iron, and nitrogen is closer to the decomposition side. Also, the Gibbs free energy in the decomposition reaction of iron nitride is always lower than the Gibbs free energy in the nitriding reaction with iron and ammonia. Therefore, it can be said that the reaction in which iron nitride decomposes is given priority over the reaction in which iron and ammonia react and nitride. For this reason, it is considered that ammonia is directly reacting with iron oxide (Fe 2 O 3 ) as a route for generating iron nitride. That is, also in Example 2, a result suggesting that ammonia is directly involved in the reduction of iron oxide was obtained.

なお、本実施例2では、図7および図8に示すように、アンモニアが分解されていることを示す水素の濃度が増加している。したがって、生成された窒化鉄もアンモニアを分解する触媒として機能しているものと考えられる。   In Example 2, as shown in FIGS. 7 and 8, the hydrogen concentration indicating that ammonia is decomposed is increased. Therefore, it is considered that the produced iron nitride also functions as a catalyst for decomposing ammonia.

また、本実施例2において生成された窒化鉄は、上記式(3)により生成されるケースの他、下記式(11)に示すように、上記式(4)で分解された鉄がアンモニアと反応して生成されるケースも想定される。しかしながら、上述した通り、窒化鉄の分解反応は、鉄とアンモニアの窒化反応よりも優先されるため、450℃の温度下においては、ほとんど進行しないものと考えられる。
Fe+1/4NH→1/4FeN+3/8H …式(11)
In addition to the case where the iron nitride produced in Example 2 is produced by the above formula (3), the iron decomposed by the above formula (4) is replaced with ammonia as shown in the following formula (11). A case of reaction is also assumed. However, as described above, since the decomposition reaction of iron nitride is prioritized over the nitridation reaction of iron and ammonia, it is considered that the decomposition reaction hardly proceeds at a temperature of 450 ° C.
Fe + 1 / 4NH 3 → 1 / 4Fe 4 N + 3 / 8H 2 Formula (11)

以上のような本実施例2によれば、実施例1と同様、反応管11内を450℃以上に加熱したとき、アンモニアによる酸化鉄の還元反応が開始されることが示された。また、反応管11内を450℃で保持したとき、酸化鉄が鉄と窒化鉄とに還元されることが示された。この窒化鉄は、図10に示すように、分解しやすい性質を有しているため、鉄が生成されたに等しいといえる。   According to the present Example 2 as described above, as in Example 1, it was shown that when the inside of the reaction tube 11 was heated to 450 ° C. or higher, the reduction reaction of iron oxide by ammonia was started. Moreover, it was shown that when the inside of the reaction tube 11 is held at 450 ° C., iron oxide is reduced to iron and iron nitride. Since this iron nitride has the property of being easily decomposed as shown in FIG. 10, it can be said that iron is generated.

なお、本発明に係る製鉄方法および製鉄システム1は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。   In addition, the iron manufacturing method and the iron manufacturing system 1 which concern on this invention are not limited to embodiment mentioned above, It can change suitably.

例えば、上述した本実施形態では、実際の製鉄プロセスに適用することを想定して、予熱したアンモニアを供給したり、酸素または空気を供給しているが、この構成に限定されるものではない。すなわち、実際の製鉄プロセス以外で、本発明に係る製鉄方法を実施する場合には、反応器3内を加熱する等、別途、還元反応による吸熱分を補填すればよい。   For example, in the present embodiment described above, preheated ammonia or oxygen or air is supplied on the assumption that the present embodiment is applied to an actual iron making process, but the present invention is not limited to this configuration. That is, when carrying out the iron making method according to the present invention other than the actual iron making process, the endothermic component due to the reduction reaction may be supplemented separately, such as heating the inside of the reactor 3.

1 製鉄システム
2 製鉄原料供給手段
3 反応器
4 アンモニア予熱手段
5 アンモニア供給手段
6 酸素供給手段
11 反応管
12 石英ウール
13 流量調整器
14 停止弁
15 コンピュータ
16 質量分析計
17 赤外炉
18 熱電対
19 温度調節器
20 質量流量調整器
21 吸収器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Iron-making system 2 Iron-making raw material supply means 3 Reactor 4 Ammonia preheating means 5 Ammonia supply means 6 Oxygen supply means 11 Reaction tube 12 Quartz wool 13 Flow controller 14 Stop valve 15 Computer 16 Mass spectrometer 17 Infrared furnace 18 Thermocouple 19 Temperature controller 20 Mass flow controller 21 Absorber

Claims (6)

反応器内に製鉄原料とアンモニアとを供給し、前記反応器内を450℃以上600℃未満に保持して、前記アンモニアによって前記製鉄原料の少なくとも一部を窒化鉄に還元した後、前記窒化鉄が、前記アンモニアを分解する触媒として機能するとともに、前記窒化鉄が分解されることにより鉄を製造する製鉄方法。 An iron making raw material and ammonia are supplied into the reactor, the inside of the reactor is maintained at 450 ° C. or higher and lower than 600 ° C. , and at least a part of the iron making raw material is reduced to iron nitride by the ammonia, and then the iron nitride However, it functions as a catalyst which decomposes | disassembles the said ammonia, and manufactures iron by the said iron nitride being decomposed | disassembled. 前記反応器内を450℃以上530℃未満に保持する請求項に記載の製鉄方法。 The iron making method according to claim 1 , wherein the inside of the reactor is maintained at 450 ° C or higher and lower than 530 ° C. 前記アンモニアを前記製鉄原料の還元反応温度以上に予熱してから前記反応器内に供給する請求項1または請求項に記載の製鉄方法。 The iron making method according to claim 1 or 2 , wherein the ammonia is preheated to a temperature equal to or higher than a reduction reaction temperature of the iron making raw material and then supplied into the reactor. 前記アンモニアに酸素または空気を混合させて前記反応器内に供給する請求項1から請求項のいずれかに記載の製鉄方法。 The iron making method according to any one of claims 1 to 3 , wherein oxygen or air is mixed with the ammonia and fed into the reactor. 前記アンモニアとは別に、酸素または空気を前記反応器内に供給する請求項1から請求項のいずれかに記載の製鉄方法。 The iron making method according to any one of claims 1 to 3 , wherein oxygen or air is supplied into the reactor separately from the ammonia. 請求項1から請求項のいずれかに記載の製鉄方法に用いられる製鉄システム。 An iron making system used in the iron making method according to any one of claims 1 to 5 .
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