JP6356347B2 - 溶鉱炉内へ置換還元剤をブローするための方法 - Google Patents

Description

本願発明は、高密度フロープロセスにおいて、輸送ガスによって、ガス化リアクタ内へまたは羽口を介して溶鉱炉内へ、パウダー状の置換還元剤を空気圧ブローするための方法であって、置換還元剤は反応中にガス化されるところの方法に関する。他の態様において、本願発明は、当該置換還元剤が第１のインジェクションランスを通じる輸送ガスによってブローされ、それが置換還元剤および輸送ガスに加え、インジェクションランスの開口領域内で、置換還元ガスおよび輸送ガスと組み合わされる酸素を供給するところの方法に関する。また、本願発明は、この方法を実行するためのデバイスに関する。

比較的コストが高い溶鉱炉コークスの代わりに、羽口（また、ブラストパイプ）を介して、溶鉱炉プロセスへ、液体、ガス、および／または、固体置換還元剤または燃料を供給することは、“stahl und eisen”[Steel and Iron]と題する論文、 133 (2013) no. 1, pｐ. 49-62に記載されているように、溶鉱炉内での粗鉄製造の際には基本的に通常行われている。本明細書において、用語“置換還元剤”は、すべての還元剤および石炭のような炭素含有燃料をカバーするように統一的に使用される。本願発明の文脈において、固体置換還元剤は、石炭およびコークスダストのみならず、独国特許公開第19859354号に記載されるような粉砕済みプラスチックゴミを含んでよい。ここで特に重要なことは、可能な限り、固体粒子がコークスバルクに浸透しないことである。そうでないと、ガス化反応が中断され、溶鉱炉のプロセスが中断される結果となる。ホットブラストは、噴射された置換還元剤が羽口のホットブラストと混合するところの渦巻領域を形成する。固体粒子がコークスバルク内に浸透することを防止するため、噴射された固体置換還元剤全体は、インジェクションランスから生じた後、かつ、渦巻き領域が終わる前、すなわち、それがコークスバルクをヒットする前に、飛行中にガス化されなければならない。

本願発明の文脈において、用語“ガス化”は、好適にＣＯおよび／またはＨ_２が生成される不完全な燃焼を意味する。対照的に、“燃焼”は、例えばＣＯ_２およびＨ_２Ｏが生成される完全な燃焼を意味する。ＣＯおよびＨ２は特に溶鉱炉プロセスのために有用であり、置換還元剤を噴射する目的は、ガス化反応であり、そこからの反応生成物は、特に、コストが非常に高いコークス燃料を節約することにつながる。

ガス化反応の領域において、ガス化反応の目的は、通常、ガス化リアクタからの生成物として得られる還元ガスの製造である。しかし、溶鉱炉プロセスにおいて、還元ガスは、鉄鉱石のような粗鉄を得るために使用される。

周知の方法において、例えば石炭ダストのような炭素含有パウダー状置換還元剤は、不活性輸送ガスとしての窒素によって、"STEEL & METALS Magazine"と題する論文, Vol. 27, no. 4, 1989, pp. 272-277 および 独国特許第3603078号に説明されているようなひとつ以上の輸送ラインを通じて、溶鉱炉の羽口へ、高密度フローまたはフライトフローによって空気圧によって供給される。ここで、置換還元剤は、羽口に突出したパイプを構成する少なくともひとつの単一インジェクションランスによって、または、羽口内に突出する少なくともひとつの同軸インジェクションランスによって、酸素を使って噴射される。

"Chemie Ingenieur Technik" [Chemical Engineering] 84 (2012), no.7, p. 1076-1084には、例えば、同軸インジェクションランスが記載されており、それは、好適には、石炭輸送用の内側パイプおよび該内側パイプを同軸に包囲してリングギャップを形成する外側パイプを含む。独国特許第4008963に記載されているように、酸素は、リングギャップを通じて導入される。

また、特開平１１−９２８０９号に記載されるように、単一の同軸インジェクションランスの代わりに、互いの内側にネスト化された３つのパイプを含むインジェクションランスを使用することも周知である。そこでは、内側パイプを通じて石炭ダストが導入され、内側パイプと内側パイプを覆うパイプとの間の同軸ギャップを通じて酸素が導入され、第２のパイプと第２のパイプを覆う第３のパイプとの間の第２の同軸ギャップを通じて水蒸気、または水蒸気と二酸化酸素の混合物が導入される。

輸送ガスとして、不活性の純粋な窒素ガスが通常使用される。したがって、分配およびインジェクションシステム内部の爆発防止に関して有利であり、また、溶鉱炉プラントにおいてしばしば容易に入手可能である。

また、中国特許公開第101000141号, 中国特許公開第102382915号および中国特許公開第102060197号には、できるかぎり、不活性廃棄ガスまたは二酸化炭素が、窒素の代わりに石炭ダストの空気圧分配および噴射用の輸送ガスとして使用可能であることが記載されている。これらのアイデアの目的は、環境保護およびエネルギー節約を改善することである。これらの例において、ホットブラストバーナーからの廃棄ガスまたはできるだけ純粋な二酸化炭素が使用される。

また、この技術の他の分野から、石炭ダスト圧力ガス化による合成ガスの製造において、純水な二酸化炭素または二酸化炭素および窒素の混合物が、不活性ガスを与える媒体として、および、流体化および輸送媒体として、空気圧石炭ダスト輸送システムへ供給される。この例は、独国特許公開第102007020294号に記載されている。

窒素が輸送ガスとして使用されている限り、窒素が置換還元剤のガス化反応に対して、反応停止および遅延効果を有しているという欠点が存在する。置換還元剤の粒子は窒素に覆われるので、窒素が排除されたときにのみ反応が始まる。これが、反応遅延をもたらし、ゆえに、置換還元剤の飛行時間に関して反応に適した時間が短縮され、インジェクションランスがそのままとなる。

羽口および溶鉱炉の渦巻領域内への噴射の際に、置換還元剤のガス化に使用可能な、数ミリ秒の非常に短い反応時間は、重要な反応時間が、不活性ガスとして水素を使用することによって失われ、溶鉱炉内に噴射される際に置換還元剤の可能なガス化ポテンシャルは最適に利用されない。

輸送ガスとして二酸化炭素を使用すると、反応停止は少ないことが観測された。しかし、輸送ガスとして二酸化炭素を使用する従来周知の方法は、窒素に比べ、比較的複雑であり、従って不利である。また、置換還元剤との反応に二酸化炭素を導入するために比較的大量のエネルギーが必要になるため、二酸化炭素は、置換還元剤のガス化処理に最適とはいえない。

本願発明の目的は、全体として、リアクタ内の置換還元剤の達成可能なインジェクションを増加されるべく、できるだけすばやくかつ効果的に、置換還元剤のガス化反応が生じるように、ガス化リアクタ、溶鉱炉または他のリアクタ内に置換還元剤をブローするための方法を構築することである。特に、溶鉱炉内で、コークス／石炭または燃料／置換還元剤の変換ファクタに依存するコークス効率および燃料効率をさらに減少させつつ、全体の燃料コストをさらに減少させることである。

この目的は、請求項１、請求項２または請求項８に記載の方法、および、請求項１５に記載のデバイスによって達成される。本願発明の有利な実施形態は、従属項に記載されている。

第１の態様に従い、本願発明は、リアクタ、特に、ガス化リアクタ内で、羽口を通じて溶鉱炉内に、輸送ガスによって、高密度フロープロセスでパウダー状置換還元剤を空気圧ブローするための方法であって、置換還元剤がガス化反応によってガス化されるところの方法を与える。

本願発明に関して、用語“高密度フロープロセス”は、"STEEL & METALS Magazine", Vol. 27, no. 4,1989, pｐ. 272-277に記載されたプロセスを意味する。本願発明に関して、高密度フロープロセスは、バルク状態での充填密度の６０％以上、特に、好適には、８０％以上のパウダー状材料の高密度フローである点で、フライトフロープロセスと区別される。対照的にフライトフロープロセスは、２５％以下のフロー密度で実行される。

本願発明の他の態様に従い、輸送ガスは、燃料ガスを含み、その成分（例えば、Ｏ_２、Ｈ_２ＯまたはＣＯ_２）またはその酸化物成分（すなわち、ガス化反応前に、酸化反応を受けるＣＯ、Ｈ_２、ＣＨ_４）は、少なくとも部分的に置換還元剤、および他のガスまたはガス混合物のガス化反応に関与する。他のガスまたはガス混合物は、燃料ガスと異なり、その結果、本願発明の第１の態様にしたがって、輸送ガスは、完全に燃料ガス以外の成分からなる。

本願発明の他の態様に従い、輸送ガスは、二酸化炭素、水素、水蒸気、酸素、炭化水素またはそれらの混合物であり、特に、天然ガス、燃焼ガス、コークスガス、または、コークスプラントガス、変換ガス、炉ガス、若しくは、他の高炉ガスまたはその混合物である。この他の態様に従い、輸送ガスもまた完全な燃料ガスから成ってもよい。

原則的に、輸送ガスは、噴射、すなわち、ガス化リアクタ内に噴射されるか、または、羽口を介して溶鉱炉内に噴射される組成物による噴射として考慮されなければならない。

本願発明の文脈において、用語“燃料ガス”は、それ自身、可燃性成分、または、置換還元剤のガス化中に、置換還元剤のガス化にその酸化成分が関与するところの成分を有するガスを意味する。燃料ガスは、一酸化炭素を含み、それは、二酸化炭素、水素、水蒸気、酸素、炭化水素またはその混合物、特に、天然ガス、燃焼ガス、コークスガス、コークスプラントガス、変換ガス、または他の高炉ガス、あるいは、その混合物に応用可能である。ガス化の基礎を形成する反応は、すでに早期に点火されており、置換還元剤が窒素によって覆われる場合より多くの時間が利用可能となるため、燃料ガスは置換還元剤のガス化反応の実質的な加速を招く。多くの燃料ガスにおいて、ある場合において輸送ガスに燃料ガスを使用することで、溶鉱炉プロセスまたは他の反応プロセスが、より効率的に構成可能となる。例えば、もし炭素含有ガスが置換還元剤の噴射中に溶鉱炉内に燃料ガスとして導入されれば、これにより、限定的ではあるが、高価なコークスを節約することができる。しかし本願発明の文脈において、リアクタ内の反応プロセス、特に、溶鉱炉プロセスにおける可能な付加的関与とは独立に、燃料ガスは、置換還元剤のガス化に直接または間接的に関与するガスである。

２重量％だけの燃料ガスの供給は、好適な早期点火および置換還元剤の加速されたガス化を招き、輸送ガス内の燃料ガスの比率の上昇は、効率のさらなる増加を導く。燃料ガスの比率とともに、インジェクション地点の付近、特に、渦巻領域の温度および圧力は、点火の時間にとって重要である。優勢な状態に依存して、燃料ガスの比率をさらに増加することは有利である。したがって、従来の窒素が使用される場合よりも、単位時間あたり、より多くの置換還元剤を噴射することが可能となる。

好適には、輸送ガスは、少なくとも２重量％、好適には少なくとも５重量％、より好適には少なくとも１０重量％の燃料ガスから構成される。輸送ガスは、最大９０重量％、好適には最大５０重量％、より好適には最大２５重量％、さらに好適には最大２０重量％の燃料ガスから構成される。したがって、輸送ガス中の燃料ガスの重量比率は、２％と９０％との間が好ましく、２％と５０％との間がより好ましく、２％と２５％または２％と２０％との間がより好ましく、５％と９０％との間、５％と５０％との間、５％と２５％との間、５％と２０％との間、１０％と９０％との間、１０％と５０％との間、１０％と２５％との間がさらに好ましく、１０％と２０％との間が特に好ましい。

また、本願発明の第１の態様に従い、輸送ガスは、燃料ガス以外の他のガスまたは混合ガスから成ってもよい。他のガスまたは混合ガスは、好適には、窒素からなる。しかし、他のガスおよび燃料ガスが輸送ガス内に含まれてもよい。好適には、これらの他のガスは、爆発に対して十分な保護を提供し、かつ、溶鉱炉プロセス、特に、置換還元剤のガス化プロセスに不利な影響を与えないことが保証されなければならない。

特に、本願発明の文脈において、以下の反応は、置換還元剤のガス化反応（石炭ダストガス化反応）として関連づけられるべきである。

特に、炭素含有パウダー状置換還元剤または燃料をガス化リアクタまたは溶鉱炉内にブローするための方法に関する本願発明は、当該プロセスで使用されるパウダー状置換還元剤または燃料がリアクタに供給されれば、当該方法、エネルギーまたは経済に関連して有利な影響を受けるプロセスにおいて、そのタイプに応じて、すべての技術領域において使用可能である。これは、置換還元剤または燃料の使用による有利な影響が、置換還元剤または燃料の噴射速度の可能な増加により増幅され得るためである。本願発明は、したがって、溶鉱炉またはガス化リアクタに限定されず、それ以外のリアクタにも応用できる。ガス化リアクタおよび溶鉱炉に加え、それらのリアクタは、例えば、シャフトまたは溶鉄炉、流動床、熱風炉、および、燃焼チャンバなどであり、例えば、ＳＡＦ（サブマージアーク炉）またはＥＡＦ（電気アーク炉）プラントなどの電気エネルギーの補助に応用可能である。しかし、ガス化リアクタおよび特に溶鉱炉は、既存のプラントへの単純な修正が効率の増加を招くために、本願発明に従う方法の好適な応用である。

好適には、輸送ガスおよび置換還元剤は、羽口またはリアクタ若しくはガスパイプの対応するチャンバ内に好適に突出する少なくともひとつのインジェクションランスを介してブローされる。このインジェクションランスにより、置換還元剤および輸送ガスは、熱い溶鉱炉によって良好に混合される。しかし、代替的に、置換還元剤が羽口内の単純な開口を介して輸送ガスによって噴射されることも可能である。

さらに好適には、酸素ガスまたは酸素含有ガス混合物が、リアクタ、特に、溶鉱炉内に噴射され、輸送ガスおよび置換還元剤が、第１インジェクションランスの開口領域内で酸素または酸素含有ガス混合物と組み合わされる。

本願発明の有利な実施形態において、第１インジェクションランスは好適には、内側パイプおよび、内側パイプを包囲する外側パイプを有し、リングギャップを形成され、輸送ガスによって置換還元剤が内側パイプを通じて導入され、酸素または酸素含有ガス混合物がリングギャップを介して導入される。

こうして、噴射された置換還元剤は、第１インジェクションランスから生じた後すぐに、純粋な酸素または酸素混合ガスによって覆われる。こうして、ガス化反応に重要な反応パートナー、つまり、酸素、置換還元剤および輸送ガス中に含まれる燃料ガスが、第１インジェクションランスの領域内で、置換還元剤と輸送ガスおよび酸素との間の、反応の点火に重要なインターフェースにおいて組み合わされる。

必要な反応エネルギーは、リアクタ、特に、溶鉱炉の反応チャンバからのバックフローによって第１に与えられ、その後始まるガス化反応それ自身によって第２に与えられる。ここで、特に、燃料ガスは、ガス化反応を点火するのにできるだけ小さいエネルギーを必要とするのが好ましい。この文脈において、一酸化炭素および水素は、二酸化炭素および水蒸気に比べて有利である。なぜなら、それらは、ガス化反応を点火するのにより低い温度を必要とするためである。

代替的な有利な実施形態に従い、第１インジェクションランスは、単一のパイプからなり、それを通じて、置換還元剤が輸送ガスによって導入される。酸素または酸素含有ガスはその後、異なる導入ルートを介して、例えば、付加的ガスランス、第２インジェクションランス、または、羽口を通じたホットブラストのルートを介して、羽口内の置換還元剤へ好適に供給される。

こうして、ガス化反応のすべてのパートナーがインジェクションランスの開口領域内で一緒にされるが、同軸パイプを有する上述した有利な実施形態は、置換還元剤、輸送ガスおよび酸素の単純にコントロール可能でかつより効率的な供給を可能とする。

本願発明の第２の態様に従い、高密度フロープロセスにおいて、パウダー状置換還元剤を輸送ガスによって、リアクタ、特に、ガス化リアクタ内に、または、羽口を介して溶鉱炉内へ空気圧ブローし、その結果、置換還元剤は、ガス化リアクタ内でガス化されるところの方法が与えられる。置換還元剤に加え、輸送ガス、酸素が第１インジェクションランスを通じて供給され、第１インジェクションランスの開口領域内で置換還元剤および輸送ガスと組み合わされる。ここで、第１インジェクションランスは好適には、内側第１パイプおよびこの回りに配置された第２パイプを有し、それにより、第１パイプを包囲するリングギャップが第１および第２パイプの間に形成され、置換還元剤および輸送ガスは、第１パイプを通じて導入され、酸素は、リングギャップを通じて導入される。この態様に従い、輸送ガスは、燃料ガスを含み、その成分またはその酸化物成分は、ガス化反応に少なくとも部分的に関与する。本願発明の第２の態様に従う方法において、点火に必要なエネルギー閾値は、燃料ガスが酸素とすぐに接触するようになる上述した方法に比べ低下する。この場合、例えば、水蒸気または二酸化炭素も燃料ガスとして効率的に使用可能である。

リングギャップを形成する第２パイプを介して酸素を付加的に添加する場合、置換還元剤の特に良好なガス化が可能である。

好適には、いくつかのインジェクションランスが使用可能である。代替的におよび付加的に、いくつかの第２インジェクションランスが使用されるのが好ましい。いくつかの第１および／または第２インジェクションランスは、一つの羽口またはいくつかの羽口内に設けられてよい。

供給される酸素または酸素含有ガスおよび／または供給される置換還元剤のフローは、第１インジェクションランスの開口領域内で混合されまたは渦巻くのが有利である。これ関して、置換還元剤および酸素を有する輸送ガスの混合が渦巻き構造によって促進されることが好ましい。

反応チャンバ内の渦流は、反応パートナーのより良い混合を保証し、それにより、噴射された置換還元剤のより早くかつより効率的なガス化をもたらす。

これに関して、第１インジェクションランスは、好適に、第１インジェクションランスの開口領域内で、酸素を有する燃料ガスおよび置換還元剤の混合を促進する渦巻き構造を有する。この渦巻き構造は、例えば、第１インジェクションランスの開口領域内の案内プレートの構成であってよい。酸素の替わりにまたは加えて、置換還元剤またはホットブラストの渦を生じさせる他の渦巻き構造もまた可能である。この構造は、原則的に、インジェクションランスと独立であるが、インジェクションランスに関連して、特に、効果的に使用され得る。

本願発明、特に、好適な実施形態は、置換還元剤のガス化反応に従来使用された窒素不活性ガスの反応停止および遅延効果を回避する。これにより、置換還元剤のガス化反応の速度が加速する。この効果は、インジェクションランスの開口領域に供給される純粋酸素または酸素含有混合物によってさらに増幅され、反応速度は、さらに加速する。ガス化反応を加速するためのさらに重要な要因は、インジェクションランスを離れた後すぐに、例えば、溶鉱炉からのホットブラストフロー内での、噴射された置換還元剤の早期点火である。これを達成するために、噴射された置換還元剤の酸素または酸素含有混合物によるコーティングが透熱性であり、一方で輸送ガスが放射線を吸収するという物理的な性質を活用する。結果として、リアクタ、例えば、ホットブラスト、羽口壁、溶鉱炉の渦巻きゾーンからの熱放射は、酸素コーティングを介してほとんど妨害されず透過し、置換還元剤の点火に必要なエネルギーは、酸素および置換還元剤プラス燃料ガスのインターフェースにおいて放出される。置換還元剤の点火に使用されるエネルギーは、従って、正しい位置、すなわち、インターフェースで、そこで生じる放射線吸収のため置換還元剤のダスト状粒子およびガス化反応に関与する燃料ガスに直接放出される。

置換還元剤のガス化に必要な時間は、リアクタ、特に、溶鉱炉の羽口および渦巻きゾーン内に噴射したままにするため、本願発明全体として、特に、好適実施形態は、コークス／石炭変換ファクタに従うコークス率を低下させつつ、同時に、最大可能噴射の増加を招く。したがって、溶鉱炉動作の燃料コストが低下する。

本方法のさらに好適実施形態は、供給された置換還元剤および／または輸送ガスおよび／または好適に供給された酸素または酸素含有ガスが、１００℃と９５０℃との間の温度に予熱されていることを含む。

反応パートナーを予熱することによって、反応剤を反応チャンバ（羽口および渦巻きゾーン）内に噴射したのちの加熱時間間隔が省略され、よって、ガス化反応が全体としてより早く生じるため、置換還元剤のガス化は、さらに加速される。それは、コンバーチブルな置換還元剤の噴射速度をさらに増加させることを可能にする。

リアクタ、特に、溶鉱炉内へ噴射する置換還元剤に関する輸送ガスのチャージは、広範囲にわたって変更可能であり、リアクタに応じて調節可能である。燃料ガスの量に対する置換還元剤の量の比率を変化させることによって、その比率は、置換還元剤のガス化を最適化するように設定可能であり、リアクタ、特に、溶鉱炉またはガス化リアクタのそれぞれの動作状態、それらの個々の構成、使用される原料、および、大気条件の関数として変更可能である。

本願発明に従う方法に対して、排気速度および／または置換還元剤の噴射量および／また適用可能な排気速度および／またはインジェクションランスからの酸素の量が、広範囲で変更可能であり、反応に応じて調節可能である場合には、さらに有利である。この場合、置換還元剤に関する輸送ガスのチャージの上述した変化と代替的におよび付加的に、最適な比率が、燃料ガスと組み合わせた置換還元剤のガス化反応に対して設定可能である。適用可能な酸素は、リアクタ、特に、溶鉱炉またはガス化リアクタのそれぞれの動作状態に応じて変化してよい。これは、特に、排気速度および／または酸素の量が、置換還元剤のガス化反応に対する最適なパラメータを設定するべく、予め設定した排気速度および／または酸素の量での反応を考慮して変更可能であることを意味する。

リアクタ、例えば溶鉱炉、特に、羽口およびインジェクションメカニズム、または、ガス化リアクタのデザインに応じて、および、使用される燃料ガスに応じて、輸送ガスのチャージ、すなわち、燃料ガスと置換還元剤との間の質量流量比を実質的に最適化することが可能である。燃料ガスによって置換還元剤には、特に、反応チャンバへの酸素の供給の際に、雷現象が発生する。十分な置換還元剤は、この雷現象を消火するべく供給されてよい。供給すべき置換還元剤の量を最大化するために、燃料ガスおよび／または適用可能な酸素の供給量、ならびに、置換還元剤、燃料ガスおよび／または酸素の排気速度は、置換還元剤のできるだけ多くの供給量で雷現象が観測されるように調節可能である。

雷現象が発生しないか観測できない実施形態において反応プロセス、特に、溶鉱炉プロセスの動作パラメータを使って、置換還元剤の最大供給量、燃料ガスおよび／または酸素の供給量、置換還元剤、燃料ガスおよび／または酸素の排気速度に必要なアレンジメントで最適値を探すことは、原理的に可能である。

好適には、燃料ガスは、天然ガス、炉ガス、コークスガス、または、コークスプラントガス、変換ガスまたは他の炉ガスまたはそれらの混合物からなる。とりわけ、炉ガスおよびコークスガスは、溶鉱炉の付近で容易に大量に入手可能な燃料ガスであり、このため燃料ガスとして特に適している。また、これらのガスは、それ自体またはその酸化成分を介して置換還元剤のガス化反応に関与する成分の大きな比率を占める。

特に、二酸化炭素および水蒸気は、燃料ガスとしての使用に対して反応状態に対して増加した要件を課す。これらの成分は、例えば二酸化炭素または水素よりも、これらの分子から酸素を解離するために、つまり、置換還元剤のガス化に好ましいガス化環境を作成するために、より高いエネルギー要件を有する。したがって、これらの燃料ガスは、付加的な酸素ができるだけ高い濃度で供給される際に、特に、インジェクションランスの開口領域内で使用されるのが好ましい。

全体として、本願発明に従う方法は、特に、好適実施形態は、方法、エネルギーおよび経済に関して、溶鉱炉プロセスまたはそれに関連するプロセスの改善を導く。

上述した方法を実行するための本願発明に従うデバイスは、リアクタ内、特に、溶鉱炉のガス化リアクタ内または羽口内へ、置換還元剤をブローするためのインジェクションランスと、輸送ガスおよび／または置換還元剤を受け取るためのベッセルと、ベッセルからインジェクションランスへ置換還元剤を供給するための輸送ラインとを有する。当該デバイスは、さらに、燃料ガスサプライを有し、それを通じて、燃料ガスがインジェクションランスの上流側の輸送ガスへ供給されることを特徴とする。

したがって、本願発明に従うデバイスは、置換還元剤の輸送のための他のガスに加え、燃料ガスが所定の重量比率で輸送ガスに供給されるところの燃料ガスサプライを有する。この燃料ガスサプライは、インジェクションランスの上流側の領域に配置され、その結果、インジェクションランスを通じて、輸送ガスおよび燃料ガスがリアクタ、特に、溶鉱炉の羽口またはガス化リアクタ内に噴射される。原則的に、インジェクションランスの上流側にある輸送ラインに沿った任意のポイントで、またはベッセル内で、輸送ガスに燃料ガスを供給することは可能である。また、供給に必要な圧力はより低く、より近くでインジェクションランスへ供給が生じる。好適には、燃料ガスサプライは、輸送ライン上に配置され、特に好適には、燃料ガスサプライからインジェクションランスまでの輸送ラインに沿った距離は、置換還元剤、および、輸送ガスに応用可能な他のガスが格納されているベッセルまでの輸送ラインに沿った距離より短い。有利には、燃料ガスサプライは、インジェクションランスのすぐ前に配置される。さらに好適には、分配デバイスを有する輸送パイプにおいて、燃料ガスサプライは、分配デバイスの下流側に配置されている。

本願発明の他の特徴および長所は、特許請求の範囲および以下の図面を参照した説明から明らかとなる。

図１Ａは、溶鉱炉用の好適なインジェクションプラントを概略的に示す。 図１Ｂは、図１Ａのインジェクションプラントを詳細に示す。 図１Ｃは、図１Ａのインジェクションプラントを詳細に示す。 図２は、静的分配器を有する好適なインジェクションプラントを示す。 図３は、静的分配器の替わりに分配ベッセルを有する好適なインジェクションプラントを示す。

同一または対応するエレメントは、図面中において同じ符号を、一度だけ付して説明している。原則的に、ひとつの実施形態との関係で説明した特徴は、他の実施形態においても実施可能である。このことは、特に、フローに影響を与える、バルブ、チョークまたは分配器の配置および構成に適用され、羽口内に置換還元剤を噴射するためのメカニズムの構成に対して適用される。

図１Ａは、好適なインジェクションプラント１００の略示図である。インジェクションプラント１００は、それを通じてブラストリング８からホットブラストが溶鉱炉内に噴射される羽口７を有する。羽口７に配置されるのは、インジェクションランス６であり、好適には、同軸ダストおよびガスインジェクションランスとして構成され、それを通じて置換還元剤の第１フローおよび燃料ガス含有輸送ガス、および、酸素または酸素含有ガスを含む第２フローが同時に高密度フロープロセスでホットブラストへ供給される。

図示した実施形態において、インジェクションランス６は、個別の輸送ライン５に結合されており、それを通じて置換還元剤が、インジェクションベッセル３から流体化ベッセル４を介してインジェクションランス６へ輸送される。好適には、溶鉱炉プラントは、いくつかのインジェクションランス６を有し、できるだけ均一に、できるだけ大量の置換還元剤を噴射するために、個別の輸送ライン５、および、ある場合には、複数の流体化ベッセル４を有する。

図１Ａにおいて、インジェクションベッセル３の上流側に示されるのは、圧力ロック２であり、それを通じて、加圧されたインジェクションベッセル３が、その後つぎ足される置換還元剤とともに任意に供給される。例えば、圧力ロック２は、大気圧の下で、石炭ダストまたは他の置換還元剤によって満たされ、圧力ロック２はその後、インジェクションベッセル３の分配圧力にされ、その後、置換還元剤がインジェクションランスベッセル３内に導入される。これを制御するために、図１Ａにおいて、遮断バルブ１が圧力ロック２の上流および下流側に配置されている。本明細書内に例としてバルブが説明されているが、他の流量制限エレメントが補足され、修正され、置換されまたは部分的に省略されてもよい。

図１Ａには、例えば、輸送ガスおよび／または燃料ガスがシステム内に導入されるところの位置に“Ａ”がマークされている。図１Ａに示す実施形態において、第１遮断バルブの上流側のマーク“Ｂ”の位置において、置換還元剤または燃料がシステム内に導入されてよい。

個別の輸送ライン５のマーク“Ａ”のポイントの領域において、好適には、燃料ガスが、輸送ガスへ添加され、その結果、輸送ガスは例えば少なくとも２重量％の燃料ガスからなり、その成分またはその酸化物の成分は、羽口７および溶鉱炉内での置換還元剤のガス化反応に少なくとも部分的に関与する。燃料ガスが個別の輸送ライン５上のマーク“Ａ”のポイントのひとつまたは両方において好適にシステム内に導入されてよく、その結果、このポイントの下流側の輸送ガスは少なくとも２重量％の燃料ガスおよび残余の他のガスまたは他のガス混合物からなり、したがって、続くガス化との関係で置換還元剤の特に効果的なインジェクションが得られる。

図１Ａに示す実施形態において、インジェクションランス６のすぐ上流のマーク“Ｃ”のポイントで、インジェクションランス６に酸素が供給される。図１Ａに示す実施形態において、インジェクションランス６は好適には、少なくとも２重量％の燃料ガスを含む、輸送ガスを有する置換還元剤が、リングギャップによって包囲される中央パイプを通じて羽口７内に導入され、それを通じて酸素または酸素含有ガスが、輸送ガスのキャスティングフローとして羽口７内に噴射される。

インジェクションランス６のこの構成は、特に速く進行しかつ特に早く点火する特に効果的なガス化反応をもたらし、ひいては、特に大量の置換還元剤の添加を許し、特に大量の高品質および高価な溶鉱炉コークスの節約をもたらす。

図１Ｂは、インジェクションメカニズムの代替的な実施形態を示し、それは、単一のダストインジェクションランス１６および単一のガスインジェクションランス１７を有する。輸送ガスを有する置換還元剤は、ダストインジェクションランス１６を介して羽口７内に噴射され、酸素は、ガスインジェクションランス１７を介して噴射される。

好適には、単一のダストインジェクションランス１６のすぐ前のマーク“Ａ”のポイントで、燃料ガスが置換還元剤および輸送ガスに供給される。しかし、図１Ｂに示すポイントの実質的にさらに上流側において、燃料ガスが供給システム内にすでに含まれており、すでに部分的または完全に燃料ガスを含む置換還元剤が輸送ガスによって運ばれることも可能である。

図１Ｃは、単一のダストインジェクションランス１６のみが与えられ、酸素の案内された噴射が与えられない、他の好適実施形態を示す。ここで酸素は、置換還元剤のガス化反応を実行するために、ブラストリング８を介してホットブラストの対応するエンリッチメントによって供給され、または、別個のエンリッチメントを有しないホットブラストから取得される。

図２は、インジェクションプラント２００の代替的実施形態を示す。

図１Ａのインジェクションプラントと対照的に、図２は、分離した圧力ロックを有しないインジェクションプラント２００を示す。しかし、この分離した圧縮ロックもまた図２に従う実施形態において与えられてもよい。インジェクションシステム２００において、特に、２つの分離したインジェクションベッセル３が与えられ、２つ以上のインジェクションベッセル３が存在してもよい。図１Ａの実施形態に示すように、インジェクションベッセル３から、置換還元剤および輸送ガスが、それぞれの流体化ベッセル４を介してパイプシステムに進入する。

インジェクションプラント２００は例えば２つの集合輸送ライン９を有する。原則的に、単一の集合輸送ライン９が与えられてもよく、または、２つ以上の集合輸送ライン９が与えられても良い。集合輸送ライン９を通じて、流体化ベッセル４からの置換還元剤および輸送ガスは、静的分配器１０に到着し、そこで、それらはいくつかの個別の輸送ライン５に分配される。輸送ライン５の各々は、その後、それぞれインジェクションランス６に導かれる。このインジェクションプラント２００もまた、図１との関係で説明したように構成されかつ修正されてもよい。

好適には、輸送ライン５の各々は、噴射すべき置換還元剤の分配を信頼性高く調節するためのチョーク２０を有する。代替的にまたは付加的に、個別の輸送ライン５は制御バルブを具備してもよい。

特に好適には、燃料ガスは、個別の輸送ライン５上のマーク“Ａ”のポイントで輸送ガスに添加される。しかし、原理的には、燃料ガスはこれらのポイントの上流に供給されることも可能である。例えば、集合輸送ライン９の領域内、または、インジェクションベッセル３に直接供給されてもよい。しかし、安全性の観点から、燃料ガスは、できるだけ下流側で輸送ラインに供給されるのが好ましい。特に、この場合、インジェクションプラントの爆発のリスクを非常に低く維持することができる。

図３は、インジェクションプラント３００の他の好適実施形態を示す。図３に従うインジェクションプラント３００は、上述した２つの実施形態のインジェクションベッセルの替わりに３つのインジェクションベッセル１１を有する。

中間輸送ベッセル１１から、置換還元剤および輸送ガスは、集合輸送ライン９を介して分配ベッセル１２に到達する。分配ベッセル１２から、上述した実施形態と同様の方法で流体化ベッセル４を介して、輸送ガスを伴う置換還元剤は、羽口７内へ噴射するために個別の輸送ライン５を通じてインジェクションランス６へ導入される。インジェクションランス６の替わりに、この実施形態においても、羽口７内に置換還元剤をブローするための他のメカニズムが使用されてもよい。

分配ベッセル１２から、フィルタ１３の下流に設置されたガス制御バルブ１４を介して、過剰ガスが大気中に放出されてよい。また、第３の好適実施形態のインジェクションプラント３００は、置換還元剤および輸送ガスの信頼性の高い制御を可能にするために、いくつかのバルブ、特に、遮断バルブ１およびダストコントロールバルブ１５を含む。完璧のために、このバルブ、特に、ダストコントロールバルブ１５は、個別の輸送ライン５上に設けられても良く、また、集合輸送ライン９上または複数のライン９上に設けられても良い。本願発明に関連して、バルブ、ベッセル、および、同様のコンポーネントの配置および構成、ならびに、ガス輸送システムの構成に、一切の要件は課されない。これらは原則的に周知のインジェクションプラントのプロフェッショナルの設計から生じるものである。

図３に示す実施形態において、燃料ガスは、特に好適には個別の輸送ライン５上のマーク“Ａ”ポイントにおいて、輸送ガスに供給される。図１および２に従って上述した実施形態と同様に、他のポイントでシステムに燃料ガスを添加することもまた可能である。例えば、図３において、さまざまなポイントが、システムに燃料ガスを添加するポイント“Ａ”としてマークされてよい。

上述した実施形態は、本願発明に従う方法がプラントでどのように実施されるのかの３つの例を示すものである。しかし、本願発明は、インジェクションプラントのこれらの特定の例に制限されず、異なるタイプのデバイスで使用することも可能である。

特に、インジェクションランスの実施形態は、各々のインジェクションプラントおよびその組みあわせに対して個別に選択されてよい。図１と関連して例示した実施形態は、図２および３で示す実施形態にも使用可能であり、任意に組みあわせてもよい。

上述したインジェクションプラントを使って、本願発明に従う方法が応用可能である。この場合、溶鉱炉プロセスまたはガス化リアクタの燃料コストの実質的な節約を達成することが可能になり、その結果、本願発明に従うガス化反応はより速く進行しかつ早く点火するため、従来技術の方法によるものより多くの量の置換還元剤が溶鉱炉またはリアクタ内に噴射される。

独国特許公開第19859354号公報 独国特許第3603078号公報 独国特許第4008963号公報 特開平１１−９２８０９号公報 中国特許公開第101000141号公報 中国特許公開第102382915号公報 中国特許公開第102060197号公報 独国特許公開第102007020294号公報

"stahl und eisen"[Steel and Iron] 133 (2013) no. 1, pｐ. 49-62 "STEEL & METALS Magazine", Vol. 27, no. 4, 1989, pp. 272-277 "Chemie Ingenieur Technik" [Chemical Engineering] 84 (2012), no.7, p. 1076-1084

Claims (29)

1. パウダー状の置換還元剤の流量密度が、バルク状態での充填密度の６０％以上である高密度フロープロセスにおいて、前記パウダー状の前記置換還元剤を、輸送ガスによって、リアクタ内へ、または、羽口（７）を通じて溶鉱炉内へ、空気圧ブローし、その結果、前記置換還元剤がガス化反応においてガス化するところの方法であって、
   前記輸送ガスは、一酸化炭素、水素、水蒸気、酸素、炭化水素、炉ガス、天然ガス、コークスガス、変換ガス、他の溶鉱炉ガスまたはそれらの混合物からなる燃料ガスを含む、ことを特徴とする方法。
2. パウダー状の置換還元剤の流量密度が、バルク状態での充填密度の６０％以上である高密度フロープロセスにおいて、前記パウダー状の前記置換還元剤を、輸送ガスによって、リアクタ内へ、または、羽口（７）を通じて溶鉱炉内へ、空気圧ブローし、その結果、前記置換還元剤がガス化反応においてガス化するところの方法であって、
   前記輸送ガスは、その成分またはその酸化物成分が、少なくとも部分的に前記ガス化反応に関与する燃料ガスと、前記燃料ガス以外の他のガスまたはガス混合物を有する、ことを特徴とする方法。
3. 前記リアクタは、ガス化リアクタである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記輸送ガスは、２重量％以上、９０重量％以下の前記燃料ガスを含む、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記輸送ガスは、５重量％以上、５０重量％以下の前記燃料ガスを含む、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記輸送ガスは、１０重量％以上、２５重量％以下の前記燃料ガスを含む、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記輸送ガスは、１０重量％以上、２０重量％以下の前記燃料ガスを含む、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記他のガスは、窒素を含む、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
9. 前記置換還元剤は、第１インジェクションランス（６、１６）を通じて前記輸送ガスとともに噴射される、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第１インジェクションランス（６、１６）は、前記羽口（７）内へ突出している、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記置換還元剤および前記輸送ガスに加え、酸素が前記第１インジェクションランス（６）を通じてリアクタへ供給され、前記第１インジェクションランス（６）の開口領域内において、前記置換還元剤および前記輸送ガスと組み合わされる、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記第１インジェクションランス（６）は内側第１パイプおよび、この回りに配置された第２パイプを有し、それによって、前記第１および第２パイプの間に前記第１パイプを包囲するリングギャップが形成され、
    前記置換還元剤および前記輸送ガスは前記第１パイプを通じて導入され、前記酸素は前記リングギャップを通じて導入される、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１インジェクションランス（１６）は単一パイプであり、
    酸素が第２インジェクションランス（１７）を通じて前記リアクタ内に導入される、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
14. 前記酸素は、前記羽口（７）を介して、前記溶鉱炉内に導入される、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. パウダー状の置換還元剤の流量密度が、バルク状態での充填密度の６０％以上である高密度フロープロセスにおいて、前記パウダー状の前記置換還元剤を、輸送ガスによって、リアクタ内へ、または、羽口（７）を通じて溶鉱炉内へ、空気圧ブローし、その結果、前記置換還元剤がガス化反応においてガス化するところの方法であって、
    前記輸送ガスによって、前記置換還元剤が、第１インジェクションランス（６）を通じてブローされ、
    前記置換還元剤および前記輸送ガスに加え、酸素が前記第１インジェクションランス（６）を通じて前記リアクタ内に供給され、前記第１インジェクションランス（６）の開口領域内において前記置換還元剤および前記輸送ガスと組み合わされ、
    前記第１インジェクションランス（６）は、内側第１パイプおよびこの回りに配置された第２パイプを有し、それによって、前記第１および第２パイプの間で前記第１パイプを包囲するリングギャップが形成され、
    前記置換還元剤および前記輸送ガスは、前記第１パイプを通じて導入され、前記酸素は前記リングギャップを通じて導入され、
    前記輸送ガスは、燃料ガスを有し、前記燃料ガスの成分またはその酸化物成分は、前記ガス化反応に少なくとも部分的に関与する、ことを特徴とする方法。
16. 前記リアクタは、ガス化リアクタである、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１インジェクションランスのすぐ前で、前記置換還元剤にさらなる燃料ガスが供給される、ことを特徴とする請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記酸素の排気速度および量の少なくともひとつが、前記反応に応じて調節される、ことを特徴とする請求項１１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記置換還元剤、前記輸送ガス、および前記酸素の混合が渦巻き構造によって促進される、ことを特徴とする請求項１１、１２、１５および１６のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記リアクタ内への前記燃料ガスおよび前記酸素の供給量、および、前記リアクタ内への前記置換還元剤、前記燃料ガスおよび前記酸素の排気速度が、前記リアクタ内での反応に応じて調節される、ことを特徴とする請求項１１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記置換還元剤および前記輸送ガスの混合が渦巻き構造によって促進される、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記輸送ガス、および前記置換還元剤の少なくともひとつは、１００℃と９５０℃との間の温度を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
23. 前記輸送ガスおよび前記置換還元剤の少なくともひとつは、１００℃と９５０℃との間の温度を有する、ことを特徴とする請求項２から２１のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記燃料ガスは、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水蒸気、酸素、炭化水素、炉ガス、天然ガス、コークスガス、変換ガス、他の溶鉱炉ガスまたはそれらの組みあわせを含む、ことを特徴とする請求項２から２２のいずれか一項に記載の方法。
25. 請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法を実行するためのデバイス（１００、２００、３００）であって、
    前記リアクタ内へ、または、前記溶鉱炉の前記羽口（７）内へ前記置換還元剤をブローするためのインジェクションランス（６、１６）と、
    前記輸送ガスおよび前記置換還元剤の少なくともひとつを受け取るためのベッセル（３、１１）と、
    前記ベッセル（３、１１）から前記インジェクションランス（６、１６）へ前記置換還元剤を供給するための輸送ライン（５、９）と、
    を備え、
    前記デバイスは、燃料ガスサプライ（Ａ）を有し、それを通じて燃料ガスが、前記インジェクションランス（６、１６）の上流側の前記輸送ガスに供給される、ことを特徴とするデバイス。
26. 前記リアクタはガス化リアクタである、ことを特徴とする請求項２５に記載のデバイス。
27. 前記燃料ガスサプライ（Ａ）は、前記輸送ライン（５、９）上に配置されている、ことを特徴とする請求項２５に記載のデバイス。
28. 前記燃料ガスサプライ（Ａ）から前記インジェクションランス（６、１６）までの前記輸送ライン（５、９）に沿った距離は、前記輸送ライン（５、９）に沿った前記ベッセル（３、１１）までの距離より短い、ことを特徴とする請求項２７に記載のデバイス。
29. 前記燃料ガスサプライは、前記インジェクションランス（６、１６）の上流側に配置され、かつ、分配デバイス（１０、１２）の下流側に配置されている、ことを特徴とする請求項２５または２７に記載のデバイス。

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