JP5877071B2 - 部分還元鉄製造装置および部分還元鉄製造方法 - Google Patents
部分還元鉄製造装置および部分還元鉄製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、金属酸化物を含む製鉄ダストの塊成物を還元して部分還元鉄を製造する部分還元鉄製造装置および部分還元鉄製造方法に関する。
外装の燃焼用炭材を装入せずに、炭素質材料を内装した炭材内装ペレットを移動グレート上に充填し加熱還元して部分還元鉄を製造する従来の技術として、例えば下記の特許文献１が開示されている。
しかしながら、この特許文献１に記載の技術には、次のような問題があり高い還元率の部分還元鉄を得ることができなかった。
（１）炭材内装ペレットを乾燥した後にガストーチで着火しそこに空気を流通し前記炭材内装ペレットを燃焼させて加熱するため、炭材内装ペレットの充填層において空気が流入する側にあっては常に燃焼し続けることになり還元が進まず、また還元が起きても空気により再酸化するため全く還元率が上がらなかった。高温状態が続くため溶融スラグが過剰に発生し、操業困難になる可能性があった。
（２）炭化域を出たペレットは酸素濃度５％以下の高温不活性ガスによって加熱され残った炭素質材料による金属化が進むが、残留炭素が少なく金属化率は低かった。また、充填層上部は、充填層下部が高温となるまで、高温の炭素質材料から生じた二酸化炭素、水蒸気といった強酸化性ガスに晒されるため再酸化が進んでしまう。
（３）熱量を多く必要とする金属化域の高温ガスは炭化域で発生する石炭中の可燃揮発分の一部や還元反応により発生するＣＯガスを燃焼させて作るが、排ガス全体の量に対して可燃分が少ないため、別途補助燃料が必要となった。
上記の問題に鑑み、還元用炭材、粉鉄鉱石、造滓剤を混合造粒したペレットに更に燃焼用炭材をコーティングして装入し、燃焼用炭材に着火した後、空気の下方吸引により焼成して部分還元鉄を製造する従来の技術として、例えば下記の特許文献２や特許文献３などが開示されている。
しかしながら、前述した特許文献２，３に記載の従来の部分還元鉄の製造方法には、次のような問題があった。まず、装入された燃焼用炭材が優先的に燃えるため加熱されたペレットから発生する一酸化炭素や石炭中の可燃揮発分は殆ど燃焼されず充填層から排出されて有効利用できないため燃料消費原単位が多くなり、ＣＯ2の排出量が増加する問題があった。また、燃焼用炭材は炭素分が無くなるまで燃焼が継続するためペレットの冷却速度が遅くなり、還元されたペレット中の金属鉄が高温状態で空気と接触する時間が長くなるため再酸化が進み金属化率が低くなってしまうという問題があった。
つまり、従来においては、原料ペレットを着火した燃焼用炭材により着火し燃焼して部分還元鉄を製造しており、燃焼用炭材を使用する分製造コスト増を招いていた。
つまり、従来においては、原料ペレットを着火した燃焼用炭材により着火し燃焼して部分還元鉄を製造しており、燃焼用炭材を使用する分製造コスト増を招いていた。
以上のことから、本発明は、前述した課題を解決するために為されたもので、燃焼用炭材を使用しないにも拘らず、部分還元鉄を製造することができる部分還元鉄製造装置および部分還元鉄製造方法を提供することを目的としている。
上述した課題を解決する本発明に係る部分還元鉄製造装置は、
酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットと同一材料で構成される着火用原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積載する着火用原料ペレット供給手段と、
前記無端グレート上に積載された前記着火用原料ペレットを還元温度域まで加熱する加熱手段と、
前記加熱手段により加熱された前記着火用原料ペレット上に前記原料ペレットを充填する原料ペレット供給手段と、
前記原料ペレット供給手段に対して前記無端グレートの移動方向下流側に配置され、前記原料ペレットの充填層を加熱還元する還元炉本体と、
前記還元炉本体に設けられ、前記着火用原料ペレットの熱により前記原料ペレットの充填層から排出される排ガスの一部を当該原料ペレットの充填層上方から排出し、当該排ガスの一部と空気供給手段により供給される空気と混合した酸素含有ガスを前記無端グレート下方から当該着火用原料ペレットの熱により加熱される前記原料ペレットの充填層下方に供給する排ガス循環手段とを具備し、
前記還元炉本体内における前記無端グレートの移動方向上流側にて、前記無端グレート下方から前記加熱手段により加熱された前記着火用原料ペレットへ高酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に燃焼域が形成され、前記還元炉本体内における前記原料ペレットの充填層の前記燃焼域に対し前記無端グレートの移動方向下流側にて、前記無端グレート下方から前記原料ペレットの充填層へ低酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に加熱域が形成されることで、前記原料ペレットの層方向全体が加熱還元されて部分還元鉄が製造される
ことを特徴とする。
また、上述した課題を解決する本発明に係る部分還元鉄製造装置は、
酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に充填する原料ペレット供給手段と、
前記無端グレート上に充填された前記原料ペレットを還元温度域まで加熱する加熱手段と、
前記原料ペレット供給手段に対して前記無端グレートの移動方向下流側に配置され、前記原料ペレットの充填層を加熱還元する還元炉本体と、
前記還元炉本体に設けられ、前記加熱手段で加熱された前記原料ペレットの熱により当該原料ペレットの充填層から排出される排ガスの一部を当該原料ペレットの充填層下方から排出し、当該排ガスの一部と空気供給手段により供給される空気と混合した酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から前記加熱手段で加熱された前記原料ペレットの熱により加熱される前記原料ペレットの充填層上方に供給する排ガス循環手段とを具備し、
前記還元炉本体内における前記無端グレートの移動方向上流側にて、前記原料ペレットの充填層上方から前記加熱手段により加熱された前記原料ペレットへ高酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に燃焼域が形成され、前記還元炉本体内における前記原料ペレットの充填層の前記燃焼域に対し前記無端グレートの移動方向下流側にて、前記原料ペレットの充填層上方から当該原料ペレットの充填層へ低酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に加熱域が形成されることで、前記原料ペレットの層方向全体が加熱還元されて部分還元鉄が製造される
ことを特徴とする。
酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットと同一材料で構成される着火用原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積載する着火用原料ペレット供給手段と、
前記無端グレート上に積載された前記着火用原料ペレットを還元温度域まで加熱する加熱手段と、
前記加熱手段により加熱された前記着火用原料ペレット上に前記原料ペレットを充填する原料ペレット供給手段と、
前記原料ペレット供給手段に対して前記無端グレートの移動方向下流側に配置され、前記原料ペレットの充填層を加熱還元する還元炉本体と、
前記還元炉本体に設けられ、前記着火用原料ペレットの熱により前記原料ペレットの充填層から排出される排ガスの一部を当該原料ペレットの充填層上方から排出し、当該排ガスの一部と空気供給手段により供給される空気と混合した酸素含有ガスを前記無端グレート下方から当該着火用原料ペレットの熱により加熱される前記原料ペレットの充填層下方に供給する排ガス循環手段とを具備し、
前記還元炉本体内における前記無端グレートの移動方向上流側にて、前記無端グレート下方から前記加熱手段により加熱された前記着火用原料ペレットへ高酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に燃焼域が形成され、前記還元炉本体内における前記原料ペレットの充填層の前記燃焼域に対し前記無端グレートの移動方向下流側にて、前記無端グレート下方から前記原料ペレットの充填層へ低酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に加熱域が形成されることで、前記原料ペレットの層方向全体が加熱還元されて部分還元鉄が製造される
ことを特徴とする。
また、上述した課題を解決する本発明に係る部分還元鉄製造装置は、
酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に充填する原料ペレット供給手段と、
前記無端グレート上に充填された前記原料ペレットを還元温度域まで加熱する加熱手段と、
前記原料ペレット供給手段に対して前記無端グレートの移動方向下流側に配置され、前記原料ペレットの充填層を加熱還元する還元炉本体と、
前記還元炉本体に設けられ、前記加熱手段で加熱された前記原料ペレットの熱により当該原料ペレットの充填層から排出される排ガスの一部を当該原料ペレットの充填層下方から排出し、当該排ガスの一部と空気供給手段により供給される空気と混合した酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から前記加熱手段で加熱された前記原料ペレットの熱により加熱される前記原料ペレットの充填層上方に供給する排ガス循環手段とを具備し、
前記還元炉本体内における前記無端グレートの移動方向上流側にて、前記原料ペレットの充填層上方から前記加熱手段により加熱された前記原料ペレットへ高酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に燃焼域が形成され、前記還元炉本体内における前記原料ペレットの充填層の前記燃焼域に対し前記無端グレートの移動方向下流側にて、前記原料ペレットの充填層上方から当該原料ペレットの充填層へ低酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に加熱域が形成されることで、前記原料ペレットの層方向全体が加熱還元されて部分還元鉄が製造される
ことを特徴とする。
上述した課題を解決する本発明に係る部分還元鉄製造装置は、
前述の発明に係る部分還元鉄製造装置であって、
前記加熱手段が、内部温度を制御可能な加熱炉であり、
前記加熱炉が、加熱された前記着火用原料ペレットまたは前記原料ペレットを所定時間高温で保持可能な炉長を有する
ことを特徴とする。
前述の発明に係る部分還元鉄製造装置であって、
前記加熱手段が、内部温度を制御可能な加熱炉であり、
前記加熱炉が、加熱された前記着火用原料ペレットまたは前記原料ペレットを所定時間高温で保持可能な炉長を有する
ことを特徴とする。
上述した課題を解決する本発明に係る部分還元鉄製造方法は、
酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットと同一材料で構成される着火用原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積層し、
前記無端グレート上に積載された前記着火用原料ペレットを加熱手段により還元温度域まで加熱した後に、前記着火用原料ペレット上に前記原料ペレットを積層充填し、
前記着火用原料ペレットの熱により当該着火用原料ペレットに隣接する前記原料ペレットを加熱して当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じて燃焼し、
前記可燃揮発分の燃焼熱により、前記原料ペレットの温度がさらに上昇し還元反応が進行して一酸化炭素ガスが発生する一方、隣接する前記原料ペレットを加熱し当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じ、
前記可燃揮発分の未燃焼部分および前記一酸化炭素を前記原料ペレットの充填層上方から排出し、当該可燃揮発分の未燃焼部分および当該一酸化炭素ガスと空気供給手段により供給される空気とを混合した酸素含有ガスを前記無端グレート下方から温度がさらに上昇した前記原料ペレットの充填層下方に排ガス循環手段により供給することで当該原料ペレット周囲の一酸化炭素ガスの濃度を前記一酸化炭素ガスの燃焼域まで高め当該一酸化炭素ガスが燃焼して燃焼帯を形成し、
前記燃焼帯が、前記原料ペレットが前記着火用原料ペレット上に供給されてから排出されるまでの間に、前記排ガス循環手段により前記酸素含有ガスを前記無端グレート下方から供給することで、前記原料ペレットの充填層の層高方向にて順次進行し、前記原料ペレットの充填層を加熱還元して、部分還元鉄を製造する
ことを特徴とする。
また、上述した課題を解決する本発明に係る部分還元鉄製造方法は、
酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積層充填し、
前記無端グレート上に積載された前記原料ペレットを加熱手段により還元温度域まで加熱し、
前記原料ペレットの熱により当該原料ペレットに隣接する前記原料ペレットを加熱して当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じて燃焼し、
前記可燃揮発分の燃焼熱により、前記原料ペレットの温度がさらに上昇し還元反応が進行して一酸化炭素ガスが発生する一方、隣接する前記原料ペレットを加熱し当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じ、
前記可燃揮発分の未燃焼部分および前記一酸化炭素を前記無端グレート下方から排出し、当該可燃揮発分の未燃焼部分および当該一酸化炭素ガスと空気供給手段により供給される空気とを混合した酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から温度がさらに上昇した前記原料ペレットの充填層上方に排ガス循環手段により供給することで当該原料ペレット周囲の一酸化炭素ガスの濃度を前記一酸化炭素ガスの燃焼域まで高め当該一酸化炭素ガスが燃焼して燃焼帯を形成し、
前記燃焼帯が、前記原料ペレットが前記無端グレート上に供給されてから排出されるまでの間に、前記排ガス循環手段により前記酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から供給することで、前記原料ペレットの充填層の層高方向にて順次進行し、前記原料ペレットの充填層を加熱還元して、部分還元鉄を製造する
ことを特徴とする。
酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットと同一材料で構成される着火用原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積層し、
前記無端グレート上に積載された前記着火用原料ペレットを加熱手段により還元温度域まで加熱した後に、前記着火用原料ペレット上に前記原料ペレットを積層充填し、
前記着火用原料ペレットの熱により当該着火用原料ペレットに隣接する前記原料ペレットを加熱して当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じて燃焼し、
前記可燃揮発分の燃焼熱により、前記原料ペレットの温度がさらに上昇し還元反応が進行して一酸化炭素ガスが発生する一方、隣接する前記原料ペレットを加熱し当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じ、
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前記燃焼帯が、前記原料ペレットが前記着火用原料ペレット上に供給されてから排出されるまでの間に、前記排ガス循環手段により前記酸素含有ガスを前記無端グレート下方から供給することで、前記原料ペレットの充填層の層高方向にて順次進行し、前記原料ペレットの充填層を加熱還元して、部分還元鉄を製造する
ことを特徴とする。
また、上述した課題を解決する本発明に係る部分還元鉄製造方法は、
酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積層充填し、
前記無端グレート上に積載された前記原料ペレットを加熱手段により還元温度域まで加熱し、
前記原料ペレットの熱により当該原料ペレットに隣接する前記原料ペレットを加熱して当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じて燃焼し、
前記可燃揮発分の燃焼熱により、前記原料ペレットの温度がさらに上昇し還元反応が進行して一酸化炭素ガスが発生する一方、隣接する前記原料ペレットを加熱し当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じ、
前記可燃揮発分の未燃焼部分および前記一酸化炭素を前記無端グレート下方から排出し、当該可燃揮発分の未燃焼部分および当該一酸化炭素ガスと空気供給手段により供給される空気とを混合した酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から温度がさらに上昇した前記原料ペレットの充填層上方に排ガス循環手段により供給することで当該原料ペレット周囲の一酸化炭素ガスの濃度を前記一酸化炭素ガスの燃焼域まで高め当該一酸化炭素ガスが燃焼して燃焼帯を形成し、
前記燃焼帯が、前記原料ペレットが前記無端グレート上に供給されてから排出されるまでの間に、前記排ガス循環手段により前記酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から供給することで、前記原料ペレットの充填層の層高方向にて順次進行し、前記原料ペレットの充填層を加熱還元して、部分還元鉄を製造する
ことを特徴とする。
上述した課題を解決する本発明に係る部分還元鉄製造方法は、
前述の発明に係る部分還元鉄製造方法であって、
前記着火用原料ペレットの積層高が、５ｍｍより高く２０ｍｍよりも低い
ことを特徴とする。
前述の発明に係る部分還元鉄製造方法であって、
前記着火用原料ペレットの積層高が、５ｍｍより高く２０ｍｍよりも低い
ことを特徴とする。
本発明によれば、着火用原料ペレットの燃焼熱により原料ペレットの充填層を加熱し原料ペレット内の還元用炭材から可燃揮発分が生じて燃焼し、可燃揮発分の燃焼により、原料ペレットの温度がさらに上昇し還元反応が進行して一酸化炭素ガスが発生する一方、隣接する原料ペレットを加熱し当該原料ペレットの還元用炭材から可燃揮発分が生じる。可燃揮発分の残部および一酸化炭素ガスを循環し空気と混合した酸素含有ガスを温度がさらに上昇した前記原料ペレットに供給することで当該原料ペレット周囲にて一酸化炭素ガスの濃度を当該一酸化炭素ガスの燃焼域まで高め当該一酸化炭素ガスが燃焼し高温化し還元鉄の還元に必要な温度の燃焼帯を形成する。前記燃焼帯が、前記原料ペレットが前記着火用原料ペレット上に供給されてから排出されるまでの間に、前記原料ペレットの充填層の層高方向にて順次進行し、前記原料ペレットの充填層を加熱還元して、部分還元鉄を製造することができる。そのため、原料ペレットに対して熱源となる炭材のコーティングが不要となる。その結果、部分還元鉄製造プロセス（装置）全体で使用される石炭量を低減できる。これにより、消費炭材が減少し、二酸化炭素の排出量を低減できる。さらに、還元終了時には、還元による一酸化炭素ガスの発生が止まり、雰囲気中の一酸化炭素ガスの濃度が急激に低下し、一酸化炭素の燃焼域より低下すると、すぐに一酸化炭素ガスの燃焼が停止する。これにより、原料ペレットが冷却されるため、高温状態で酸素に接触している時間が短く再酸化が抑制され、金属化率の高い部分還元鉄の製造が可能となる。
本発明に係る部分還元鉄製造方法および部分還元鉄製造装置を実施するための形態について以下に説明する。
［主な実施形態］
本発明に係る部分還元鉄製造方法および部分還元鉄製造装置の主な実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。なお、図１において、矢印Ａは、グレートの進行方向を示している。
本発明に係る部分還元鉄製造方法および部分還元鉄製造装置の主な実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。なお、図１において、矢印Ａは、グレートの進行方向を示している。
本実施形態に係る部分還元鉄製造装置は、図１、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、上方吸引型のグレート還元炉１００を備える。グレート還元炉１００は、着火用原料ペレット供給装置１０、加熱炉２０、還元炉（部分還元炉）３０を備え、これらがグレート（無端グレート）１０１の進行方向上流側から記載順に配置されている。
着火用原料ペレット供給装置１０は、着火用原料ペレット１をグレート１０１上に供給し、前記着火用原料ペレット１を所定の高さに積層する装置である。つまり、着火用原料ペレット供給装置１０は、原料ペレット供給手段をなしている。前記着火用原料ペレット１は、詳細につき後述する原料ペレット３と同一の材料で構成されており、原料ペレット３の一部をなしている。着火用原料ペレット１の積層高としては、着火用原料ペレット層２上に充填される後述の原料ペレット３に着火可能な高さであって、例えば、５ｍｍより高く２０ｍｍより低い範囲であり、好適には５ｍｍより高く１０ｍｍ以下の範囲である。着火用原料ペレット層２の積層高が５ｍｍ以下では着火した着火用原料ペレット１の燃焼による熱量が小さく、熱量不足により原料ペレット３の還元用炭材から可燃揮発分を生じさせることができず、２０ｍｍ以上では最下層のペレットが加熱されにくくなり未還元ペレットが発生してしまう。
加熱炉２０は、グレート１０１上に供給された着火用原料ペレット層２（着火用原料ペレット１）を還元温度域まで加熱する燃焼用バーナ２１を具備する。つまり、加熱炉２０は内部温度を制御可能な加熱手段をなしている。加熱炉２０は、加熱された着火用原料ペレット層２を所定時間高温で保持可能な炉長を有している。加熱炉２０は、燃焼ガス排気管２２をさらに具備する。燃焼ガス排気管２２にはバルブＶ１が設けられている。燃焼ガス排気管２２の先端開口部２２ａは、燃焼用バーナ２１に対しグレート１０１の進行方向上流側に配置される。燃焼ガス排気管２２は集合排気管２４に接続し、集合排気管２４の後端部側が集塵機２７と接続している。よって、燃焼用バーナ２１で着火用原料ペレット層２を加熱したときに生じた燃焼ガスは、燃焼ガス排気管２２、集合排気管２４、集塵機２７を介して系外に排気される。
還元炉３０は、原料ペレット３を還元し塊成状の部分還元鉄５を生成する装置であり、全体的に円環状をなしている。還元炉３０は、グレート１０１の進行方向上流側から順番に、原料ペレット供給装置３１、還元炉本体３２、部分還元鉄排出装置３９を備える。原料ペレット供給装置（給鉱ホッパ）３１は、着火用原料ペレット層２上に原料ペレット３を供給する装置である。この装置３１により、着火用原料ペレット層２上に原料ペレット３が供給されると共に、原料ペレット３が充填してなる原料ペレットの充填層４が所定の高さに調整される。つまり、原料ペレット供給装置３１は原料ペレット供給手段をなしている。前記原料ペレット３は、最終的に製造される部分還元鉄の原料であり、酸化鉄含有原料、還元用炭材、石灰系造滓剤を混合造粒し、酸化防止剤を被覆したものであって、例えば、全量に対して石炭を２０％程度含有し、石炭中の可燃揮発分は３０％以上である。
上述の還元炉本体３２は、グレート１０１の下方に設置され固定構造物である風箱３３、風箱３３の上方にグレート１０１を介して設置され固定構造物であって円環状のフード３４、風箱３３の両側に円環状に敷設された軌道３５，３５をさらに備える。
上述の風箱３３は、原料ペレット供給装置３１側からグレート１０１の進行方向にて、第一風箱３３ａ、第二風箱３３ｂ、第三風箱３３ｃ、第四風箱３３ｄ、第五風箱３３ｅのようにグレート径に応じて複数の風箱を有する。
上述のフード３４の天井板３４ａには２つの仕切り板３８ａ，３８ｂが設けられて、グレート１０１の進行方向Ａにて３つの領域７１ａ，７１ｂ，７１ｄに区画されている。第一仕切り板３８ａは、第一風箱３３ａの上方の空間（後述の着火用原料ペレット燃焼領域７１ａ）と第二風箱３３ｂの上方の空間（後述の原料ペレット加熱領域７１ｂ）とを区画する位置に配置される。第二仕切り板３８ｂは、第四風箱３３ｄの上方の空間（後述の原料ペレット加熱領域７１ｂ）と第五風箱３３ｅの上方の空間（後述の原料ペレット冷却領域７１ｃ）とを区画する位置に配置される。着火用原料ペレット燃焼領域７１ａ、原料ペレット加熱領域７１ｂ、原料ペレット冷却領域７１ｃには、温度センサ７２ａ、７２ｂ、７２ｃがそれぞれ設けられている。
グレート１０１は多孔性であり、着火用原料ペレット１や原料ペレット３は通過できないが、気体は上下方向に流通可能になっている。グレート１０１は多数のユニットに分割されこれらユニットを円周方向に並べることで円環状のグレート１０１が構成される。分割された一つ一つのユニットはグレート１０１の両側に設けられた円環状の支持部３６，３６に傾転可能に取り付けられる。この支持部３６，３６には軌道３５，３５を走行するローラ３７，３７が設けられる。ローラ３７，３７が軌道３５，３５を走行することで、グレート１０１は風箱３３とフード３４との間で水平循環可能になっている。
グレート１０１の支持部３６，３６の上部には、水を満した水封プール４１，４１がその全周に亘って環状に設けられる。フード３４の両側下部には下方に延びるシール壁４２，４２がその全周に亘って環状に設けられ、シール壁４２，４２の先端部が水封プール４１，４１の液中に没している。これにより、グレート１０１の支持部３６，３６とフード３４の両側下部とが気密シールされる。つまり、水封プール４１とシール壁４２はグレート上方側水封装置をなしている。
他方、風箱３３の両側上部には水を満たした水封プール４３，４３がその全周に亘って環状に設けられる。グレート１０１の支持部３６，３６の下部には下方に延びるシール壁４４，４４がその全周に亘って環状に設けられ、シール壁４４，４４の先端部が水封プール４３，４３の液中に没している。これにより、グレート１０１の支持部３６，３６と風箱３３の両側上部とが気密シールされる。つまり、水封プール４３とシール壁４４はグレート下方側水封装置をなしている。
原料ペレット冷却領域７１ｃを構成するフード３４に連通して原料ペレット冷却領域ガス排気管８２が設けられる。原料ペレット冷却領域ガス排気管８２は上述の集合排気管２４に連通される。原料ペレット冷却領域ガス排気管８２に流量調整バルブＶ３１が設けられており、原料ペレット冷却領域内ガスの排出量を調整可能になっている。
上述の還元炉３０は、グレート１０１とフード３４と第一仕切り板３８ａとで囲まれる着火用原料ペレット燃焼領域７１ａ内、およびグレート１０１とフード３４と第一仕切り板３８ａ，第二仕切り板３８ｂとで囲まれる原料ペレット加熱領域７１ｂ内から排ガス９１を排出し、風箱３３ａ〜３３ｅへ供給することで前記排ガス９１を循環する排ガス循環装置（排ガス循環手段）５０をさらに備える。排ガス循環装置５０は、第一排気管５１、第二排気管５２、除塵機５３、除塵ガス送出管５４、ガスクーラ５５、流量調整バルブＶ１１、ポンプ５６、循環ガス送出管５８、第一〜第五分岐循環ガス送出管５９ａ〜５９ｅを備える。
第一排気管５１は、一方の端部が着火用原料ペレット燃焼領域７１ａを構成するフード３４と連通し、他方の端部が除塵機５３と接続している。第一排気管５１の途中に、原料ペレット加熱領域７１ｂを構成するフード３４に基端が連通した第二排気管５２の先端が連通している。これにより、着火用原料ペレット燃焼領域７１ａ内および原料ペレット加熱領域７１ｂ内の排ガス９１は、第一排気管５１および第二排気管５２を通じて除塵機５３に送出され、除塵機５３で排ガス９１内の粉塵などの固形物が取り除かれる。除塵ガス送出管５４は、一方の端部が除塵機５３と接続し、他方の端部がポンプ５６と接続している。除塵ガス送出管５４の途中には、ガスクーラ５５が設けられる。よって、除塵された排ガス（除塵ガス）９２は、ガスクーラ５５で所定の温度に調整され、流量調整バルブＶ２１〜Ｖ２５でその流量が調整されることになる。ガスクーラ５５以降の配管に、除塵ガス９２内の酸素濃度を計測するＯ2センサ５７が設けられる。循環ガス送出管５８は、一方の端部がポンプ５６に接続し、他方側が分岐し第一〜第五分岐循環ガス送出管５９ａ〜５９ｅをなし、第一〜第五分岐循環ガス送出管５９ａ〜５９ｅがそれぞれ第一〜第五風箱３３ａ〜３３ｅと連通している。第一〜第五分岐循環ガス送出管５９ａ〜５９ｅのそれぞれに流量調整バルブＶ２１〜Ｖ２５が設けられる。
上述の還元炉本体３２は、上述の排ガス循環装置５０の第一〜第五分岐循環ガス送出管５９ａ〜５９ｅに連結され、当該第一〜第五分岐循環ガス送出管５９ａ〜５９ｅに空気を供給する空気供給手段をなす空気供給装置６０をさらに備える。空気供給装置６０は、空気供給源６１、空気供給源６１に一方の端部が連結される空気送給管６２、空気送給管６２の他方の端部が連結されるポンプ６４、ポンプ６４に一方の端部が連結され、他方側が分岐し第一〜第五分岐空気送出管６６ａ〜６６ｅをなし、それぞれ第一〜第五分岐循環ガス送出管５９ａ〜５９ｅと連通する空気送出管６５を備える。第一〜第五分岐空気送出管６６ａ〜６６ｅのそれぞれには、空気の流量を調整する流量調整手段をなす流量調整バルブＶ４１〜Ｖ４５が設けられる。
よって、Ｏ2センサ５７により計測された酸素濃度、温度センサ７２ａ〜７２ｃにより計測された温度に応じて、流量調整バルブＶ１１および流量調整バルブＶ２１〜Ｖ２５および流量調整バルブＶ４１〜Ｖ４５の開度をそれぞれ調整することにより、各風箱３３ａ〜３３ｅ内に所望の濃度に調整した酸素および一酸化炭素を含むガス（酸素含有ガス）９４ａ〜９４ｅをそれぞれ供給することができる。すなわち、着火用原料ペレット燃焼領域７１ａ、原料ペレット加熱領域７１ｂ、原料ペレット冷却領域７１ｃにて、酸素を所望の濃度に調整することができる。
部分還元鉄排出装置３９は、上述した領域７１ａ〜７１ｃを経て製造された部分還元鉄５をグレート１０１上から排出する装置である。
ここで、上述した構成の部分還元鉄製造装置により部分還元鉄を製造する手順を説明する。
まず、着火用原料ペレット１を着火用原料ペレット供給装置１０によりグレート１０１上に供給する。このとき、着火用原料ペレット層２は、例えば、５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の高さに調整される。続いて、グレート１０１が進行し、バーナ２１により着火用原料ペレット層２が還元温度域、例えば約１２００℃まで加熱される。続いて、グレート１０１が進行し、原料ペレット３が原料ペレット供給装置３１から着火用原料ペレット層２上に供給される。原料ペレット３からなる原料ペレットの充填層４は、例えば、２００ｍｍ程度の高さに調整される。続いて、グレート１０１が進行し、フード３４内にて、循環ガスと空気との混合ガスが通気される。第一風箱３３ａには、酸素の濃度が１５％に調整された混合ガス９４ａが通気され、これにより、着火用原料ペレット燃焼領域７１ａにあっては、加熱された着火用原料ペレット１によって当該加熱された着火用原料ペレット１と隣接する原料ペレット３が加熱され、当該加熱された原料ペレット３から可燃揮発分が生じて燃焼し、この燃焼熱により着火用原料ペレット層２上の原料ペレットの充填層４が加熱される。
グレート１０１がさらに進行し、第二〜第四風箱３３ｂ〜３３ｄには、酸素濃度が１１％に調整された混合ガス９４ｂ〜９４ｄが通気される。これにより、第二〜第四風箱３３ｂ〜３３ｄ上方の原料ペレット加熱領域７１ｂにおいては、着火用原料ペレット層２により加熱された原料ペレットの充填層４は、原料ペレット３の還元用炭材から可燃揮発分が生じその約７５％〜９０％が燃焼し、可燃揮発分の燃焼により、原料ペレット３の温度がさらに上昇し還元反応が進行して一酸化炭素ガスが発生し、部分的に燃焼する。その結果、フード３４内におけるグレート進行方向中央部分においては、例えば８％程度の高濃度の一酸化炭素が生じる。他方、隣接する原料ペレット３を加熱し当該原料ペレット３の還元用炭材から可燃揮発分が生じる。可燃揮発分の残部および一酸化炭素ガスを循環し空気と混合した混合ガス９４ｂ〜９４ｄ（酸素含有ガス）は、温度がさらに上昇した前記原料ペレット３に供給される。これにより、図２（ｂ）に示すように、混合ガス９４ｂ〜９４ｄ中の一酸化炭素ガスと、還元により発生する一酸化炭素ガスと合算された結果、原料ペレット３周囲にて一酸化炭素ガスの濃度が当該一酸化炭素ガスの燃焼域（１２％以上）まで高まり一酸化炭素ガス全体の５０％〜６０％程度が燃焼し高温化し部分還元鉄の還元に必要な温度の燃焼帯を形成する。つまり、原料ペレット３の内装の還元用炭材の炭素がガス化し、一酸化炭素を発生させ、酸化鉄含有原料の酸素と結合することで還元が進行していく。燃焼に寄与しなかった一酸化炭素や可燃揮発分の残部など原料ペレット加熱領域７１ｂ内のガス９１は、第二排気管５２、第一排気管５１に流通し、除塵機５３で粉塵などの固形物が除去され、ガスクーラ５５により所定の温度に冷却され、ポンプ５６および第一〜第五分岐循環ガス送出管５９ａ〜５９ｅを介して各風箱３３ａ〜３３ｅに送給される。なお、原料ペレット加熱領域７１ｂにあっては、雰囲気温度が１３００℃程度に調整されている。
ここで、上述した構成の部分還元鉄製造装置において、還元炉内にて原料ペレットを２００ｍｍの高さで充填し下方の風箱から循環ガスと空気の混合ガスを上向き通風で加熱したときの原料ペレットの充填層下面から層高方向における温度変化の一例について、図３を参照して説明する。図３において、実線が充填層下面から５０ｍｍの位置の温度履歴を示し、点線が充填層下面から１００ｍｍの位置の温度履歴を示し、１点鎖線が充填層下面から１５０ｍｍの位置の温度履歴を示す。なお、第一風箱の酸素濃度を１５％に調整し、第二〜第五風箱の酸素濃度を１１％に調整した。
図３に示すように、原料ペレットの還元に必要な１２００℃以上となり、過溶融を防ぐ１４００℃以下の温度が、原料ペレットの充填層下面から５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍの何れの位置、すなわち原料ペレットの充填層の全層高に亘って得られていることが確認された。
原料ペレットの充填層下面から５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍの温度が、時間の経過に伴って順番にピークとなることから、原料ペレットの充填層の層高方向に燃焼帯が移動していることが確認された。ガス燃焼後の原料ペレットはピーク温度から再酸化が起こりにくい５００℃以下まで数分で急冷されていることが確認された。
よって、上述の原料ペレット加熱領域７１ｂにおいては、グレート１０１が第二風箱３３ｂ上方から第四風箱３３ｄ上方に至るまで、原料ペレットの充填層４における下面側からその上層に向けて、原料ペレット３の加熱、可燃揮発分の生成および燃焼、一酸化炭素ガスの生成、一酸化炭素ガスおよび可燃揮発分の残部の循環による当該一酸化炭素ガスの燃焼、酸化鉄の還元反応が順番に生じることになる。
続いて、グレート１０１が進行し、第五風箱３３ｅには、酸素濃度が５％以下に調整された混合ガス９４ｅが通気される。これにより、第五風箱３３ｅ上方の原料ペレット冷却領域７１ｃにおいては、所定の還元率まで進行した原料ペレットの充填層４が１００℃〜８００℃程度まで冷却されて、所望の部分還元鉄となる。さらに、グレート１０１が進行すると、部分還元鉄排出装置３９から部分還元鉄５が排出されることになる。
したがって、本実施例に係る部分還元鉄製造装置によれば、従来排ガス中に排出されそのまま大気放出されるか、または系外で他の補助燃料を使用しながら燃焼させボイラで廃熱回収されていた還元により発生する一酸化炭素ガスを原料ペレットの充填層４に循環し、還元により発生している一酸化炭素ガスと合算することでその濃度を高めて燃焼することで、燃焼率を上げ、原料ペレットの充填層４内にて熱源として直接的に有効利用することで、従来、原料ペレットに外装していた燃焼用炭材を不要とすることができる。その結果、消費炭材が減少し、二酸化炭素の排出量を低減することができる。さらに、原料ペレット３を加熱して生じたガスの燃焼により当該原料ペレット３が加熱されるためガスの発生量が少なく、原料ペレットの充填層４の燃焼帯にて一酸化炭素ガスの濃度が一酸化炭素の燃焼域より低くなるとすぐに一酸化炭素ガスの燃焼が終わり、原料ペレット３が冷却されるため高温状態で酸素と接触する時間が短く再酸化が低減され金属化率の高い部分還元鉄の製造が可能となる。
燃焼用石炭粉を外装する従来の原料ペレットの場合には、燃焼用石炭粉の石炭量が全体に対し約５％程度であった。このように、着火炭を外装しない原料ペレットを用いることで、従来の還元鉄の製造方法と比べて石炭の使用量を低減できる。
フード３４内に設けられ、フード３４とグレート１０１で囲まれ、グレート長手方向中央部の空間（領域７１ｂ）を区画する仕切り板３８ａ，３８ｂと、領域７１ｂの排ガスを排出し、前記排ガスを、領域７１ｂに対向配置される風箱３３ｂ〜３３ｄに供給する排ガス循環装置５０と、排ガス循環装置５０に連結され、空気を供給する空気供給装置６０と、空気供給装置６０に設けられ、空気の流量を調整する流量調整バルブＶ４２〜Ｖ４４とを具備することで、領域７１ｂ内で生じる比較的濃度の高い一酸化炭素ガスを有効利用することができ、二酸化炭素の排出を抑制することができる。
なお、上記では、上向き通風をなすグレート還元炉１００を備える部分還元鉄製造装置を用いて説明したが、グレートの移動方向上流側から順番に、原料ペレット供給装置、加熱炉を配置し、下向き通風をなすグレート還元炉を備える還元鉄製造装置とすることも可能である。
本発明に係る部分還元鉄製造装置および部分還元鉄製造方法によれば、燃焼用炭材を使用しないにも拘らず部分還元鉄を製造することができると共に、二酸化炭素の排出量を低減することができるため、製鉄産業などにて有益に利用することができる。
１ 着火用原料ペレット
２ 着火用原料ペレット層
３ 原料ペレット
４ 原料ペレットの充填層
５ 部分還元鉄
１０ 着火用原料ペレット供給装置
２０ 加熱炉
２１ 燃焼用バーナ
２２ 排気管
３０ 還元炉
３１ 原料ペレット供給装置（給鉱ホッパ）
３２ 還元炉本体
３３ａ〜３３ｅ 風箱
３４ フード
３５ 軌道
３６ 支持部
３７ ローラ
３８ａ，３８ｂ 仕切り板
４１，４３ 水封プール
４２，４４ シール壁
５１ 第一排気管
５２ 第二排気管
５３ 除塵機
５４ 除塵ガス送出管
５５ ガスクーラ
５６ ポンプ
５７ Ｏ2センサ
５８ 循環ガス送出管
５９ａ〜５９ｅ 第一〜第五分岐循環ガス送出管
６０ 空気供給装置
６１ 空気供給源
６２ 空気送給管
６３ 流量調整バルブ
６４ ポンプ
６５ 空気送出管
６６ａ〜６６ｅ 第一〜第五分岐空気送出管
７１ａ 着火用原料ペレット燃焼領域
７１ｂ 原料ペレット加熱領域
７１ｃ 原料ペレット冷却領域
８２ 原料ペレット冷却領域ガス排気管
１００ グレート還元炉
１０１ 無端グレート
２ 着火用原料ペレット層
３ 原料ペレット
４ 原料ペレットの充填層
５ 部分還元鉄
１０ 着火用原料ペレット供給装置
２０ 加熱炉
２１ 燃焼用バーナ
２２ 排気管
３０ 還元炉
３１ 原料ペレット供給装置（給鉱ホッパ）
３２ 還元炉本体
３３ａ〜３３ｅ 風箱
３４ フード
３５ 軌道
３６ 支持部
３７ ローラ
３８ａ，３８ｂ 仕切り板
４１，４３ 水封プール
４２，４４ シール壁
５１ 第一排気管
５２ 第二排気管
５３ 除塵機
５４ 除塵ガス送出管
５５ ガスクーラ
５６ ポンプ
５７ Ｏ2センサ
５８ 循環ガス送出管
５９ａ〜５９ｅ 第一〜第五分岐循環ガス送出管
６０ 空気供給装置
６１ 空気供給源
６２ 空気送給管
６３ 流量調整バルブ
６４ ポンプ
６５ 空気送出管
６６ａ〜６６ｅ 第一〜第五分岐空気送出管
７１ａ 着火用原料ペレット燃焼領域
７１ｂ 原料ペレット加熱領域
７１ｃ 原料ペレット冷却領域
８２ 原料ペレット冷却領域ガス排気管
１００ グレート還元炉
１０１ 無端グレート
Claims (6)
- 酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットと同一材料で構成される着火用原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積載する着火用原料ペレット供給手段と、
前記無端グレート上に積載された前記着火用原料ペレットを還元温度域まで加熱する加熱手段と、
前記加熱手段により加熱された前記着火用原料ペレット上に前記原料ペレットを充填する原料ペレット供給手段と、
前記原料ペレット供給手段に対して前記無端グレートの移動方向下流側に配置され、前記原料ペレットの充填層を加熱還元する還元炉本体と、
前記還元炉本体に設けられ、前記着火用原料ペレットの熱により前記原料ペレットの充填層から排出される排ガスの一部を当該原料ペレットの充填層上方から排出し、当該排ガスの一部と空気供給手段により供給される空気と混合した酸素含有ガスを前記無端グレート下方から当該着火用原料ペレットの熱により加熱される前記原料ペレットの充填層下方に供給する排ガス循環手段とを具備し、
前記還元炉本体内における前記無端グレートの移動方向上流側にて、前記無端グレート下方から前記加熱手段により加熱された前記着火用原料ペレットへ高酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に燃焼域が形成され、前記還元炉本体内における前記原料ペレットの充填層の前記燃焼域に対し前記無端グレートの移動方向下流側にて、前記無端グレート下方から前記原料ペレットの充填層へ低酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に加熱域が形成されることで、前記原料ペレットの層方向全体が加熱還元されて部分還元鉄が製造される
ことを特徴とする部分還元鉄製造装置。 - 酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に充填する原料ペレット供給手段と、
前記無端グレート上に充填された前記原料ペレットを還元温度域まで加熱する加熱手段と、
前記原料ペレット供給手段に対して前記無端グレートの移動方向下流側に配置され、前記原料ペレットの充填層を加熱還元する還元炉本体と、
前記還元炉本体に設けられ、前記加熱手段で加熱された前記原料ペレットの熱により当該原料ペレットの充填層から排出される排ガスの一部を当該原料ペレットの充填層下方から排出し、当該排ガスの一部と空気供給手段により供給される空気と混合した酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から前記加熱手段で加熱された前記原料ペレットの熱により加熱される前記原料ペレットの充填層上方に供給する排ガス循環手段とを具備し、
前記還元炉本体内における前記無端グレートの移動方向上流側にて、前記原料ペレットの充填層上方から前記加熱手段により加熱された前記原料ペレットへ高酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に燃焼域が形成され、前記還元炉本体内における前記原料ペレットの充填層の前記燃焼域に対し前記無端グレートの移動方向下流側にて、前記原料ペレットの充填層上方から当該原料ペレットの充填層へ低酸素濃度の前記酸素含有ガスが供給されて前記原料ペレットの充填層に加熱域が形成されることで、前記原料ペレットの層方向全体が加熱還元されて部分還元鉄が製造される
ことを特徴とする部分還元鉄製造装置。 - 請求項１または請求項２に記載された部分還元鉄製造装置であって、
前記加熱手段は、内部温度を制御可能な加熱炉であり、
前記加熱炉は、加熱された前記着火用原料ペレットまたは前記原料ペレットを所定時間高温で保持可能な炉長を有する
ことを特徴とする部分還元鉄製造装置。 - 酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットと同一材料で構成される着火用原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積層し、
前記無端グレート上に積載された前記着火用原料ペレットを加熱手段により還元温度域まで加熱した後に、前記着火用原料ペレット上に前記原料ペレットを積層充填し、
前記着火用原料ペレットの熱により当該着火用原料ペレットに隣接する前記原料ペレットを加熱して当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じて燃焼し、
前記可燃揮発分の燃焼熱により、前記原料ペレットの温度がさらに上昇し還元反応が進行して一酸化炭素ガスが発生する一方、隣接する前記原料ペレットを加熱し当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じ、
前記可燃揮発分の未燃焼部分および前記一酸化炭素を前記原料ペレットの充填層上方から排出し、当該可燃揮発分の未燃焼部分および当該一酸化炭素ガスと空気供給手段により供給される空気とを混合した酸素含有ガスを前記無端グレート下方から温度がさらに上昇した前記原料ペレットの充填層下方に排ガス循環手段により供給することで当該原料ペレット周囲の一酸化炭素ガスの濃度を前記一酸化炭素ガスの燃焼域まで高め当該一酸化炭素ガスが燃焼して燃焼帯を形成し、
前記燃焼帯が、前記原料ペレットが前記着火用原料ペレット上に供給されてから排出されるまでの間に、前記排ガス循環手段により前記酸素含有ガスを前記無端グレート下方から供給することで、前記原料ペレットの充填層の層高方向にて順次進行し、前記原料ペレットの充填層を加熱還元して、部分還元鉄を製造する
ことを特徴とする部分還元鉄製造方法。 - 酸化鉄含有原料および還元用炭材を混合造粒した原料ペレットを所定の高さで無端グレート上に積層充填し、
前記無端グレート上に積載された前記原料ペレットを加熱手段により還元温度域まで加熱し、
前記原料ペレットの熱により当該原料ペレットに隣接する前記原料ペレットを加熱して当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じて燃焼し、
前記可燃揮発分の燃焼熱により、前記原料ペレットの温度がさらに上昇し還元反応が進行して一酸化炭素ガスが発生する一方、隣接する前記原料ペレットを加熱し当該原料ペレットの前記還元用炭材から可燃揮発分が生じ、
前記可燃揮発分の未燃焼部分および前記一酸化炭素を前記無端グレート下方から排出し、当該可燃揮発分の未燃焼部分および当該一酸化炭素ガスと空気供給手段により供給される空気とを混合した酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から温度がさらに上昇した前記原料ペレットの充填層上方に排ガス循環手段により供給することで当該原料ペレット周囲の一酸化炭素ガスの濃度を前記一酸化炭素ガスの燃焼域まで高め当該一酸化炭素ガスが燃焼して燃焼帯を形成し、
前記燃焼帯が、前記原料ペレットが前記無端グレート上に供給されてから排出されるまでの間に、前記排ガス循環手段により前記酸素含有ガスを前記原料ペレットの充填層上方から供給することで、前記原料ペレットの充填層の層高方向にて順次進行し、前記原料ペレットの充填層を加熱還元して、部分還元鉄を製造する
ことを特徴とする部分還元鉄製造方法。 - 請求項４に記載された部分還元鉄製造方法であって、
前記着火用原料ペレットの積層高は、５ｍｍより高く２０ｍｍよりも低い
ことを特徴とする部分還元鉄製造方法。
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