JP6548707B2 - 溶銑の製造装置及び溶銑の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶銑の製造装置及び溶銑の製造方法に係り、より詳しくは、操業中に発生する排ガスを効率よく用いることができる溶銑の製造装置及び溶銑の製造方法に関する。

近年、国の諸懸案の中の最優先課題の一つとして、各産業部門における二酸化炭素（ＣＯ_２）の低減が取り上げられている。これに伴い、エネルギー多消費産業の一つである鉄鋼産業でも、全工程の二酸化炭素発生量の８０％以上を占める、製銑工程における二酸化炭素発生量の低減技術の開発に対するニーズが高っている。

この理由から、溶銑を製造する工程において、石炭資源を使用することにより発生する二酸化炭素量を低減する目的で、還元剤及び熱源として使用される石炭資源の使用量の低減、工程中に発生する熱エネルギーの回収、反応／工程効率の向上、及び還元対象の絶対酸素量の低減などの技術の利用が検討されている。

現在、製銑工程において発生する二酸化炭素を画期的に減らすべく、石炭資源の代わりに水素を含有している資源（含水素資源）を使用する技術の開発が盛んに行われている。しかしながら、含水素資源を製造するのには莫大な費用がかかるので、含水素資源の使用は非常に高価である。また、石炭資源を使用する費用に比べて、コークスオーブンガスなどの含水素副生ガスを使用するのにかかる代替エネルギー源の使用費用が高いために、その使用が制限されている。

また、工程中に発生する反応／工程効率を向上させるという観点からみて、溶銑を製造するための代表的な方法である高炉工程の場合は、既にエネルギー効率が理論値に比べて９５％前後のレベルに達していると言われている。特に、韓国及び日本の場合、既に導入された製鉄工程の先進技術のレベルが高いことから、更にエネルギーを低減できる余地の潜在量は世界でも最低のレベルであり、また、更なる効率向上を通じたエネルギー及びこれに伴う二酸化炭素量の低減も、技術的な限界に達しているというのが現状である。

更に、エネルギーの回収観点からも、現在の代表的な顕熱回収対象である高温スラグから顕熱を回収する技術がすでに開発され、この技術の利用が頻繁に試みられているが、設備及びスラグ製品などの問題もあって商用化された設備が全くないのが現状である。

これに伴い、還元対象の酸素絶対量を低減することにより二酸化炭素の発生量を低減する技術として、金属鉄の含量が高い還元鉄やスクラップを鉄源として使用する方法が挙げられる。還元鉄やスクラップは還元率が非常に高いことから、これを製銑工程において原料として使用する場合には、取り除くべき対象となる酸素の量が低いので、還元剤として使用する石炭資源の使用量を低減することができる。

特に、スクラップの使用は、廃資源のリサイクルが可能であるという面からみてメリットがある。しかしながら、高炉や溶融炉などにおけるガスの利用率が下がって、更なるエネルギー源、例えば、石炭資源の投入量が増えてしまうことが懸念され、しかも、排ガスのうち一酸化炭素などのように有効に使用可能なエネルギー源の使用効率が低下する虞があるという問題点がある。

大韓民国公開特許公報第２００４−００５６２７０号 特開１９９６−２１６９１号公報

本発明の目的は、排ガスに含有されている有効エネルギー源を効率よく用いることができる溶銑の製造装置及び溶銑の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、石炭資源の使用量を低減することができる溶銑の製造装置及び溶銑の製造方法を提供することである。

本発明の実施形態に係る溶銑の製造装置は、鉄鉱石を含む原料を溶解し得る空間が形成される反応炉と、前記反応炉から発生する排ガスを用いてスクラップを予熱し得る空間が形成され、前記反応炉と連通されるように配設された予熱炉と、前記予熱炉に含酸素ガスを吹き込むように前記予熱炉に配設される燃焼装置と、を備えることを特徴とする。

前記反応炉は、含酸素ガス及び微粉炭を供給し得る吹込みノズルを更に備えていてもよい。
前記溶銑の製造装置は、前記反応炉と前記予熱炉との間に配設され、前記スクラップを塊成化又は破砕し得る熱間加工装置を更に備えていてもよい。

前記溶銑の製造装置は、前記予熱炉から発生する排ガスに含有されている二酸化炭素を取り除き得る二酸化炭素除去器を更に備えていてもよい。
前記二酸化炭素除去器を通過した排ガスのうちの少なくとも一部を供給するように、前記二酸化炭素除去器は、前記反応炉又は前記予熱炉のうちの少なくともいずれか一方と連通されてもよい。

本発明の実施形態に係る溶銑の製造方法は、反応炉において鉄鉱石を溶解させて溶銑を製造する過程と、予熱炉にスクラップを装入する過程と、前記溶銑を製造する過程において発生する排ガスを前記予熱炉に供給する過程と、前記予熱炉に含酸素ガスを供給して前記排ガスを二次燃焼させてスクラップを予熱する過程と、を含むことを特徴とする。

前記溶銑を製造する過程は、前記反応炉に純酸素を吹き込む過程を含んでいてもよい。
前記スクラップを予熱する過程は、前記排ガスに含有されている一酸化炭素及び水素が前記含酸素ガスと二次燃焼を引き起こして発生する反応熱を用いて行ってもよい。
前記溶銑の製造方法は、前記スクラップを予熱する過程後に、前記予熱炉から発生する排ガスから二酸化炭素を取り除く過程を更に含んでいてもよい。

前記二酸化炭素の取り除かれた排ガスを前記反応炉又は前記予熱炉のうちの少なくともいずれか一方に供給してもよい。
前記溶銑の製造方法は、前記予熱されたスクラップを前記反応炉に投入する過程を含んでいてもよい。

本発明の実施形態によれば、溶銑の製造に際して、鉄鉱石に比べて酸素の含量が少ないスクラップを原料として用いることにより、排ガスのうち二酸化炭素の比率を下げることができる。なお、排ガスを用いてスクラップを予熱することにより、溶銑の製造にかかるエネルギー経費を節減することができる。特に、排ガスに含有されている一酸化炭素及び水素を二次燃焼させることによってスクラップの予熱効率を更に向上させることができる。

本発明の実施形態に係る溶銑の製造装置の構成を概略的に示す図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下に開示する実施形態に何ら限定されるものではない。また、これらの実施形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知しめるために提供するものであり、異なる様々な形態に具体化することができる。
図面は、各種の構成要素を明確に表現するために、大きさが誇張又は拡大されて表現されている。なお、図中、同じ符号は同じ構成要素を指し示す。

図１は、本発明の実施形態に係る溶銑の製造装置の構成を概略的に示す図である。
図１において、実線は原料の移動経路を示し、点線はガスの移動経路を示す。
図１に示すように、本発明の溶銑の製造装置は、含鉄原料を溶融させる反応炉１００と、反応炉１００から発生する排ガスを用いて含鉄原料のうちの一部を予熱する予熱炉２００と、予熱炉２００に供給された排ガスを二次燃焼させて熱源を発生させるための含酸素ガスを供給する燃焼装置３００と、を備えていてもよい。

なお、本発明の製造装置は、予熱炉２００において予熱された含鉄原料を熱間状態で加工するための熱間加工装置５００、及び予熱炉２００から発生する排ガスから二酸化炭素を取り除くための二酸化炭素除去器４００を更に備えていてもよい。

反応炉１００の内部には、溶銑を製造するための原料を収容し得る空間が形成されることができる。反応炉１００の下部には、原料を溶解させるように燃料及び含酸素ガスを供給する吹込みノズル１１０が配設されていてもよい。このとき、原料は、鉄鉱石、還元鉄、焼結鉱などの含鉄原料、及びコークス、石炭などの還元剤を含んでいてもよく、必要に応じて、石灰石などの副原料を更に含んでいてもよい。

また、燃料は、吹込みノズル１１０を介して反応炉１００に投入し得る微粉炭を含んでいてもよく、含酸素ガスは、空気、純酸素などを含んでいてもよい。なお、吹込みノズル１１０は、燃料及び含酸素ガスをそれぞれ別々に供給するように配設されていてもよく、燃料及び含酸素ガスを一緒に供給するように配設されていてもよい。

反応炉１００は、溶銑を製造することができる各種多様な反応炉であってもよく、例えば、高炉、溶融還元炉、及び電気炉などが使用可能である。ここで、反応炉１００が溶融還元炉である場合には、反応炉１００に投入する含鉄原料である還元鉄を製造するための流動還元炉を更に備えていてもよい。

予熱炉２００の内部には、含鉄原料、例えば、スクラップを収容し得る空間が形成されていてもよい。予熱炉２００は、反応炉１００から発生する排ガスを用いてスクラップを予熱できるように、配管やダクトを介して反応炉１００と接続されていてもよい。なお、予熱炉２００には、スクラップを予熱するための熱源を発生させるために、予熱炉２００に含酸素ガスを供給する燃焼装置３００が配設されていてもよい。

燃焼装置３００は、反応炉１００から供給された排ガスと反応して反応熱を発生させるために、予熱炉２００に純酸素などの含酸素ガスを供給してもよい。ここでは、燃焼装置３００が予熱炉２００に接続されていると説明したが、燃焼装置３００は、反応炉１００と予熱炉２００とを接続する配管やダクトに接続されていてもよい。なお、燃焼装置３００は、燃焼を介して直接的に熱源を発生させるものではなく、予熱炉２００内において熱源が発生するように予熱炉２００に含酸素ガスを供給するものである。

予熱炉２００には、反応炉１００から発生する排ガスが注入されてもよく、排ガスに含有されている水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を、燃焼装置３００から供給される含酸素ガスと反応させて、すなわち二次燃焼させて、スクラップを予熱する熱源を発生させてもよい。これについては後述する。

予熱炉２００において予熱されたスクラップは、反応炉１００に投入されてもよく、必要に応じて、熱間加工装置５００において所定の形状に加工された後に反応炉１００に投入されてもよい。

熱間加工装置５００は、予熱炉２００と反応炉１００との間に介装されて、スクラップを塊成化又は破砕などの方法を用いて加工してもよい。このとき、スクラップは、予熱炉２００において予熱された状態、すなわち、熱間状態であるので、熱間加工装置５００を用いて容易に成形することができる。

二酸化炭素除去器４００は、予熱炉２００から発生する排ガスから二酸化炭素を取り除いたり分離したりすることができる。二酸化炭素除去器４００は、固体吸収剤を用いて排ガスのうち二酸化炭素を選択的に吸収して分離する圧力スイング吸着法（ＰＳＡ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）や温度スイング吸着法（ＴＳＡ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）、化学吸着法などが利用可能である。

二酸化炭素除去器４００を通過した排ガスは、一酸化炭素、水素、メタン（ＣＨ_４）などを含んでおり、これは、反応炉１００及び予熱炉２００のうちの少なくともいずれか一方に供給されたり、他の工程において還元剤や化学物質の原料として使用されたりする。例えば、二酸化炭素除去器４００を通過した排ガスは、溶融還元製鉄工程の溶融ガス化炉及び流動還元炉に供給されて還元剤として使用されてもよく、メタノール、ジメチルエーテル（Ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｅｒ；ＤＭＥ）を製造するための原料として使用されてもよい。

以下、本発明の実施形態に係る溶銑の製造方法について説明する。
まず、反応炉１００に溶銑を製造するための原料を投入する。このとき、原料は、鉄鉱石、還元鉄、焼結鉱などの含鉄原料と、コークス、石炭などの還元剤と、を含んでいてもよく、必要に応じて、石灰石などの副原料を含んでいてもよい。なお、最初に反応炉１００に原料を投入するときには、未予熱のスクラップを更に投入してもよい。

反応炉１００に原料が投入されると、反応炉１００の下部の吹込みノズル１１０を介して反応炉１００の内部に含酸素ガス及び微粉炭などの燃料を吹き込んでもよい。このとき、含酸素ガスを、数百℃の温度に加熱した状態で吹き込んでもよく、含酸素ガスにより微粉炭が燃焼されながら発生する熱により原料が溶解されて反応炉１００に投入されてもよい。

反応炉１００において原料が溶解されながら溶銑が製造され、溶銑が製造されながら発生する排ガスは予熱炉２００に供給されてもよい。このとき、排ガスのうちの二酸化炭素の割合を下げ、一酸化炭素及び水素の割合を上げるために、反応炉１００には純酸素が吹き込まれてもよい。

このように、反応炉１００に純酸素を吹き込むと、排ガスのうち窒素の含量を低減して、後続して行われる二酸化炭素を分離し易くすることができると共に、排ガスのうちの有効エネルギー、例えば一酸化炭素及び水素の割合を上げることができる。本発明においては、溶銑の原料であるスクラップを予熱するために、反応炉１００から発生する排ガスを用いてもよい。

このときの排ガスの温度には限度があるため、スクラップを効率よく高温に予熱するためには別途の熱源が必要である場合がある。この理由から、本発明においては、反応炉１００から発生する排ガスの成分のうち、二酸化炭素の割合を下げ、スクラップを予熱するのに必要な燃料として用いられる一酸化炭素及び水素の割合を上げてもよい。

通常、反応炉には、排ガスと含酸素ガスとを燃焼させて空気を加熱した熱風を吹き込むが、熱風中における窒素の含量が非常に高いため、熱風の大部分を二酸化炭素と窒素が占めることがある。一方、反応炉１００に純酸素を吹き込んだ場合には、排ガス中の窒素の含量を減らすことができる。なお、溶銑を製造するために投入されるスクラップは、酸素の絶対量が少ないため、すなわち、ほとんど還元された状態であるため、スクラップを還元するために投入する還元剤の量を減らすことができ、還元剤の利用率が下がって排ガスのうちの一酸化炭素などの有効エネルギーの割合が上がる。

このように、反応炉１００において溶銑を製造する工程で発生する排ガスは、予熱炉２００に供給してスクラップを予熱してもよい。このとき、予熱炉２００には含鉄原料としてスクラップが装入されてもよく、スクラップの装入は、反応炉１００において溶銑を製造する過程中、又は反応炉１００において溶銑を製造する過程前に行われてもよい。

予熱炉２００に排ガスが供給されると、燃焼装置３００を介して予熱炉２００の内部に含酸素ガス、例えば、純酸素を吹き込んでもよい。予熱炉２００に供給された含酸素ガスは、排ガスのうちの水素及び一酸化炭素と下記の化学式１及び化学式２に示す反応によって熱源を発生させてもよい。

すなわち、予熱炉２００に装入されたスクラップは、反応炉１００から供給される排ガスにより一次的に予熱することが可能であり、排ガスのうちの水素及び一酸化炭素と、予熱炉２００に吹き込まれる含酸素ガスと、の反応により発生する反応熱により二次的に予熱することが可能である。
スクラップを、予熱炉２００において予熱した後に反応炉１００に投入することによって溶銑が製造可能である。或いは、スクラップは、予熱炉２００において予熱した後に熱間加工装置５００において所定の形状に成形又は加工して反応炉１００に投入されてもよい。

このように、スクラップを予熱した後に反応炉１００に装入すると、スクラップを冷間状態で装入するときよりも熱量が高くなって炉内の温度の低下や溶銑の温度の低下を抑えることができ、溶銑を製造するのに費やされるエネルギーの使用量を低減させることができる。

一方、予熱炉２００から発生する排ガスは二酸化炭素除去器４００を通過させて、排ガスに含有されている二酸化炭素を取り除いたり分離したりすることができる。すなわち、反応炉１００から発生する排ガスには二酸化炭素が含有されており、更に予熱炉２００においてスクラップを予熱する間にも二酸化炭素が発生する。

このため、予熱炉２００から発生する排ガスは二酸化炭素除去器４００を通過させて排ガスのうちの二酸化炭素を取り除いたり分離したりすることができる。また、二酸化炭素除去器４００において二酸化炭素が分離された排ガス、例えば、副生ガスは、水素、一酸化炭素及びメタンなどを含有していてもよい。

副生ガスは反応炉１００に供給して原料を還元するための還元ガスとして使用可能である。或いは、予熱炉２００に供給してスクラップを予熱するための燃料ガスとして使用可能である。或いは、溶融還元製鉄工程の溶融ガス化炉、流動還元炉などに供給して還元ガスとして使用してもよく、メタノール、ジメチルエーテル（Ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｅｒ；ＤＭＥ）を製造するための原料として使用してもよい。

本発明の技術的な思想を、前記実施形態により具体的に記述したが、前記実施形態はその説明のためのものに過ぎず、その制限のためのものではないということを理解しなければならない。なお、本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が採用可能であるということが理解できる筈である。

１００ 反応炉
１１０ 吹込みノズル
２００ 予熱炉
３００ 燃焼装置
４００ 二酸化炭素除去器
５００ 熱間加工装置

Claims (9)

1. 鉄鉱石を含む原料を溶解し得る空間が形成された反応炉と、
   前記反応炉から発生する排ガスを用いてスクラップを予熱し得る空間が形成され、前記反応炉と連通するように配設された予熱炉と、
   前記予熱炉に含酸素ガスを吹き込むように前記予熱炉に配設された燃焼装置と、を備え、
   前記反応炉と前記予熱炉との間に配設され、前記スクラップを熱間状態で塊成化又は破砕し得る熱間加工装置を更に備えることを特徴とする溶銑の製造装置。
2. 前記反応炉は、含酸素ガス及び微粉炭を供給し得る吹込みノズルを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の溶銑の製造装置。
3. 前記予熱炉から発生する排ガスに含有される二酸化炭素を取り除き得る二酸化炭素除去器を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の溶銑の製造装置。
4. 前記二酸化炭素除去器を通過した排ガスのうちの少なくとも一部を供給するように、前記二酸化炭素除去器は、前記反応炉又は前記予熱炉のうちの少なくともいずれか一方と連通されることを特徴とする請求項３に記載の溶銑の製造装置。
5. 反応炉において鉄鉱石を溶解させて溶銑を製造する過程と、
   予熱炉にスクラップを装入する過程と、
   前記溶銑を製造する過程において発生する排ガスを前記予熱炉に供給する過程と、
   前記予熱炉に含酸素ガスを供給して前記排ガスを二次燃焼させてスクラップを予熱する過程と、
   前記予熱されたスクラップを熱間状態で加工する過程と、
   前記加工されたスクラップを熱間状態で前記反応炉に投入する過程と、を含むことを特徴とする溶銑の製造方法。
6. 前記溶銑を製造する過程は、
   前記反応炉に純酸素を吹き込む過程を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の溶銑の製造方法。
7. 前記スクラップを予熱する過程は、
   前記排ガスに含有されている一酸化炭素及び水素が前記含酸素ガスと二次燃焼を引き起こして発生する反応熱を用いて行うことを特徴とする請求項５に記載の溶銑の製造方法。
8. 前記スクラップを予熱する過程後に、
   前記予熱炉から発生する排ガスから二酸化炭素を取り除く過程を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の溶銑の製造方法。
9. 前記二酸化炭素の取り除かれた排ガスを、前記反応炉又は前記予熱炉のうちの少なくともいずれか一方に供給することを特徴とする請求項８に記載の溶銑の製造方法。
   

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