JP7096831B2 - 鉄の製造 - Google Patents
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Description
(a)電気を供給するために発電所で燃焼され得るか;
(b)オフガスの残りの部分から分離されて、方法の効率を高め、バイオマスの必要性を低減するために、加熱/還元チャンバーを通して再循環され得るか;又は
(c)エネルギーをエタノールなどのバイオ燃料に変換することができる施設(例:LanzaTech(商標)プロセス)に提供され得る。
(a)以下で述べる本発明に関連するフィジビリティスタディに関する図1~13、及び
(b)本発明の実施形態のブロック図である図14
を参照してさらに記載する。
上述のフィジビリティスタディは、鉄鉱石及びバイオマスのための加熱源としてマイクロ波エネルギーを用いてアゾラバイオマスとブレンドした鉄鉱石(本出願者の関連企業の製品ピルバラブレンド鉄鉱石微粉(PBF)の形態)の金属化を実現する技術的フィジビリティを特定するために行った。
このスタディの目的は、以下の通りであった。
このセクションは、PBF、アゾラバイオマス、及びPBF/バイオマスのブレンドしたブリケットの特性決定の理論、方法、並びに結果を提示するものであり、この特性決定は、ワークプログラム2での試験マトリックスを開始する前にマイクロ波エネルギーとのこれらの基本的な相互作用を理解するために行った。
1.1.1 誘電性理論
適用された電磁場によって材料が吸収し、続いて加熱する能力は、材料の電気特性及び磁気特性に依存し、具体的には、誘電率(ε)、透磁率(μ)、及び導電率(σe)である。ほとんどの材料において、支配的な相互作用は、電場とのものであり、誘電特性は、この相互作用の尺度である。均質な材料の誘電特性は、式1に示されるように、複素比誘電率によって記載され:
式中、ε*=複素比誘電率;ε’=誘電定数;ε’’=誘電正接;j=√-1である。
誘電特性測定は、PBF及びアゾラバイオマス成分の両方、さらにはブレンドしたブリケットに対しても行った。これらの1000℃までの温度との関係を定量した。この知見は、プロセスの機構の理解を提供し、さらには、WP2における試験方法及びフルスケールシステムの開発に対する可能性に関する考察の両方に極めて重要な情報をもたらすものである。これらの測定は、工業的に使用されているマイクロ波周波数2450及び915MHzで行った。
電磁エネルギー波が誘電材料中を進む場合、材料中での電力吸収に起因して、その振幅は減少する。場強度及び電力は、材料表面からの深さと共に指数関数的に低下する。材料中への電磁エネルギーの侵入深さDpは、電力フラックスがその表面値の1/e(0.368)に低下する深さとして定義される。
熱重量分析(TGA)及び示差走査熱量測定(DSC)を、PBF及びPBF/バイオマスのブレンドしたブリケットに対して無酸素条件下(窒素下)で行い、これらの1000℃までの温度との関係を定量した。
- PBF、バイオマス、及びPBF/バイオマスのブレンドしたブリケットの誘電特性を、20~1000℃で、工業的に使用されている周波数2450MHz及び915MHzでの空洞摂動法を用いて測定した。結果は、測定した全範囲にわたって、すべての材料が強いマイクロ波吸収特性を呈することを示している。500℃超では、侵入深さは、比較的一定である(2450MHzでは約2cm、915MHzでは約5cm)。このことは、915MHzでは、定義された侵入深さを超えてある程度の加熱は発生するものの、5~10cm厚の連続充填の体積加熱を実現することが可能であることを示している。これらの結果は、ワークパッケージ2で提案されるすべての金属化実験を通して、材料がすべてマイクロ波エネルギーを強く吸収するはずであることを示している。
このセクションは、無酸素雰囲気下でのマイクロ波エネルギーを用いたPBF/アゾラのブレンドしたブリケットの加熱によって完全な金属化を実現する技術的フィジビリティを特定するためのマイクロ波加熱実験の実験方法及び結果を提示する。
様々な実験室用の及び特注のマイクロ波システムが、概念実証マイクロ波処理のために利用可能であった。ワークプログラム1で行った誘電特性測定から、鉄鉱石/バイオマスブレンドが強いマイクロ波吸収特性を有することが示された。
エネルギー入力及び電力密度/処理時間の金属化度に対する影響を特定するために、以下の表1に示されるように、11の処理のマトリックスを完了した。
*このサンプルは、溶融し、ムライト耐火レンガ容器を透過し、繰り返し行った処理でも同じ結果を得た。したがって、他の処理と比較するXRD分析及びエネルギーバランス推定のための清浄なサンプルを回収することができなかった。
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
ヘマタイト→マグネタイト→ウルスタイト(wurstite)→鉄
2Fe2O3+3SiO2→3Fe2SiO4+O2
バイオマスを食卓用白グラニュー糖、すなわち、スクロース、C12H22O11に置き換えて、追加の処理を行った。
妥当なマイクロ波エネルギー入力の推定から、バイオマスとブレンドした鉄鉱石の金属化は、見積もられる合計よりも著しく低いマイクロ波エネルギー入力で実現可能であり、非最適化システムでの実験室スケールであっても、最も性能の良い商業的DRIプロセスで用いられる妥当なDRIエネルギー(ガス系のシステムにおいて約2GJ/トン)と潜在的に同じオーダーであることが示された。
- 非最適化システムを用いた2450MHzでの実験室スケールのマイクロ波処理、及びそれに続く半定量的XRD分析を行い、マイクロ波エネルギーを用いて高いレベルの金属化を実現可能であることが実証された。従来の炉を用いて処理した35%及び40%のバイオマス含有量(質量基準)のブリケットのXRD特性決定の分析から、バイオマスの種類及び量の最適化は、還元雰囲気及びその雰囲気内での鉄の付随する反応を制御することによって、還元プロセスを向上させ得ることが示唆される。
フィジビリティスタディから、熱源としてマイクロ波エネルギーを用いて、バイオマスとブレンドした鉄鉱石の金属化を実現することが可能であることが示された。測定した誘電特性から、PBF(鉄鉱石微粉)、アゾラバイオマス、及びブレンドしたブリケットはすべて、工業的に使用されている周波数2450MHz及び915MHzでのマイクロ波エネルギーと強く相互作用を起こしたことが示される。500℃超、915MHzで得られた5cmのマイクロ波侵入深さから、マイクロ波加熱の観点より、5~10cm厚の連続充填の体積加熱を実現することが可能であることが確認された(もっとも、定義された侵入深さを超えてある程度の加熱は発生した)。500℃超及び30GJ/t-製品のマイクロ波エネルギー入力において、金属化度に対する電力密度(1kW~2kW)の明確な効果は見られなかった。しかし、材料に全体加熱を与えることができる能力は、熱移動の限界を克服する機会を提供する。このことは、より速い加熱速度及びより短い滞留時間に繋がり、その結果、考え得る利点として、より小さいプラントサイズ、焼結微粉の直接の使用、設備投資の削減、及びより高いプロセス制御が得られる可能性がある。異なるバイオマス充填に対して中間体酸化鉄(マグネタイト及びウスタイト)及び副反応生成物(ファヤライト)の生成が変動することは、バイオマス含有量を変化させ、還元雰囲気を制御することによって、還元及び金属化プロセスを最適化する機会が存在することを示しており、より低いマイクロ波エネルギー入力での金属化に繋がる。最後に、エネルギーバランスからは、非最適化システムでのフィジビリティ試験における熱喪失がほぼ90%であると推定された。したがって、約2GJ/t-製品のMWエネルギー入力での金属化が、熱喪失を最小限に抑えた最適化された工業的プロセスで実現可能であり得る。
Claims (12)
- 固体状態の鉄鉱石を直接還元するための連続方法であって、
鉄鉱石破片及びバイオマスのブリケットを予備加熱チャンバーを通して移送し、鉄鉱石及びバイオマスが前記チャンバーを通って移動する間に、少なくとも400℃の温度まで鉄鉱石及びバイオマスを予備加熱すること;
予備加熱されたブリケットを無酸素環境を有する反応チャンバーを通して移送し、ブリケットが前記チャンバーを通って移動する間に、ブリケット中の鉄鉱石及びバイオマスを無酸素条件下でマイクロ波エネルギーの形態での電磁エネルギーに曝露して、鉄鉱石内部に熱を発生させることを含み、バイオマスは、還元剤として作用して、固体状態の鉄鉱石を還元する、連続方法。 - マイクロ波エネルギーが、前記バイオマス内部に熱を発生させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 鉄鉱石の金属化が発生する範囲内の温度まで鉄鉱石が加熱されるようにプロセス運転条件を制御することを含む、請求項1又は請求項2に記載の方法。
- ヘマタイトの場合、前記ヘマタイトの金属化のための800~950℃の範囲内の温度まで鉄鉱石が加熱されるようにプロセス運転条件を制御することを含む、請求項3に記載の方法。
- 鉄鉱石が必要とされる金属化度まで還元され、固体金属鉄製品が形成されるようにプロセス運転条件を制御することを含む、請求項3に記載の方法。
- 400~900℃の範囲内の温度まで鉄鉱石及びバイオマスを予備加熱することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ブリケットが、1~10cmの最大長さを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記最大長さが、2~10cmである、請求項7に記載の方法。
- 前記最大長さが、2~6cmである、請求項7に記載の方法。
- 前記ブリケットが、略立方体状である、請求項1に記載の方法。
- 前記鉄鉱石が、ヘマタイト又はゲーサイトを含む、請求項1に記載の方法。
- 固体状態の鉄鉱石を直接還元するための装置であって、当該装置が、
鉄鉱石の破片およびバイオマスのブリケット中の鉄鉱石の破片およびバイオマスを400~900℃の範囲の温度に予熱するための予備加熱炉と、
前記予備加熱炉からのブリケット用の還元アセンブリと、
を有しており、前記還元アセンブリは、
反応チャンバーと、マイクロ波エネルギーの形態での電磁エネルギー源と、還元剤として作用するバイオマスとともに前記予備加熱炉からのブリケット中の鉄鉱石を加熱および還元するためのマイクロ波エネルギーを前記チャンバーに移送するための導波路と、不活性ガス源と、不活性ガスをチャンバーに供給して前記チャンバーを無酸素条件下に維持するための配管と、前記チャンバー内で生成されるオフガス及び何らかの残留粒子を排出するための出口部とを含む、装置。
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