JP7303442B2

JP7303442B2 - 焼結原料の事前処理方法

Info

Publication number: JP7303442B2
Application number: JP2019207929A
Authority: JP
Inventors: 翼原田; 功朗大橋; 勝松村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2023-07-05
Anticipated expiration: 2039-11-18
Also published as: JP2021080515A

Description

本発明は、焼結原料の事前処理方法に関する。

鉄鋼製造に用いる焼結鉱は、原料となる鉄鉱石に凝結材及び石灰等を混合して造粒した造粒物を焼結機で焼成することにより製造される。この時、凝結材に含まれる窒素分の一部が窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と記載する。）となって排ガス中に混入する。
ＮＯｘは大気汚染物質であることから、大気へのＮＯｘの排出についてその濃度及び量に規制が設けられており、操業条件の調整などの制約が発生する。ＮＯｘを除去する排ガス処理装置の設置なども行われているが、多大な設備投資が必要となる。

そこで、特許文献１では、炭材（凝結材）表面に石灰系原料由来のＣａを３６質量％以上含有する被覆物（例えば生石灰や消石灰）を被覆することにより炭材燃焼時のＮＯｘを低減する技術が開示されている。
また、特許文献２では、事前に炭材を篩で粗粒と細粒に分け、細粒炭材と細粒石灰源で構成される、強度の低いＰ型の炭材造粒物を装入シュートに直接投入して、他の造粒物との接触機会を減らすことにより炭材造粒物の崩壊を防止してＮＯｘ発生を抑制する技術が開示されている。

国際公開第２０１１／１２９３８８号特開２０１８－１７２７６０号公報

特許文献１記載の方法はＮＯｘ低減に優れた方法ではあるが、粉鉱石を主体とする原料と一緒に焼結機まで搬送する過程で被覆物が剥離崩壊し、ＮＯｘ低減効果が低下するという課題がある。
また、特許文献２記載の方法は、強度の低いＰ型の炭材造粒物のみ装入シュートに直接投入し、粗粒炭材と細粒石灰源で構成される、比較的強度の高いＣ型の炭材造粒物はサージホッパに装入するが、サージホッパ内でＣ型の炭材造粒物が崩壊し、ＮＯｘ低減効果が低下するという課題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、事前造粒改質された凝結材造粒物の崩壊を抑制することによりＮＯｘ低減効果を最大限発揮させることができる、焼結原料の事前処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る焼結原料の事前処理方法は、凝結材と、前記凝結材に対して５質量％以上３０質量％以下の生石灰及び／又は消石灰と、３０μｍ以上１．０ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含み、前記生石灰及び／又は消石灰に対して５質量％以上２００質量％以下の製鋼ダストとを水分の存在下で造粒した凝結材造粒物を、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒する造粒機に装入、もしくは前記造粒機から排出された造粒物に添加することを特徴としている。

凝結材を覆う生石灰及び／又は消石灰（以下、「生石灰等」とも呼ぶ。）からなる被覆層に、所定の粒度分布を有する製鋼ダストを混在させることで、サージホッパ内で、上部からの荷重によって凝結材造粒物が潰れて被覆層が剥離崩壊するのを抑制することができる。製鋼ダストは球形状であるため被覆層への充填性が良く、また凝結材造粒物に作用する応力を分散して応力集中を生じにくくするといった骨材効果を発現させる。

本発明に係る焼結原料の事前処理方法では、所定の粒度分布を有する製鋼ダストを生石灰等からなる被覆層に混在させることで骨材効果が働き、サージホッパ内における凝結材造粒物の圧潰による被覆層の剥離崩壊を抑制し、ＮＯｘ低減効果を最大限発揮させることができる。

本発明の一実施の形態に係る焼結原料の事前処理方法を適用した焼結プラントのフロー図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明者らは、凝結材を生石灰等と共に造粒した凝結材造粒物を他の焼結原料と共に焼結する実機試験を行う中で、サージホッパ内に装入した凝結材造粒物の崩壊によってＮＯｘ低減効果が大幅に低下するという知見を得た。
上記原因について種々検討した結果、焼結機に搬送される配合原料がサージホッパ内で積層することにより、上部からの荷重によって凝結材造粒物が潰れて凝結材造粒物を覆う被覆層が剥離崩壊し、生石灰等によるＮＯｘ低減効果が減殺されるという結論に到達した。

そこで、本発明の一実施の形態に係る焼結原料の事前処理方法では、凝結材と、凝結材に対して５質量％以上３０質量％以下の生石灰及び／又は消石灰と、３０μｍ以上１．０ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含み、生石灰及び／又は消石灰に対して５質量％以上２００質量％以下の製鋼ダストとを凝結材造粒機１０に装入して水分の存在下で造粒する（図１参照）。凝結材造粒機１０としては振動造粒装置などを使用することができる。

凝結材を生石灰等（生石灰及び／又は消石灰）で被覆することによりＮＯｘ低減効果が得られるが、生石灰等の濃度が５質量％以上の場合、ＮＯｘ低減効果は頭打ち傾向にあった。しかし、製鋼ダストを添加することにより生石灰等を増量する効果が得られる。即ち、ＮＯｘ低減効果が増大する。これは、凝結材を覆う被覆層に製鋼ダストを混在させることで骨材効果が働き、サージホッパ内における凝結材造粒物の圧潰が抑制されるからである。

製鋼ダストに代えて鉄鉱石を使用した場合、ＮＯｘ低減効果が低下する。その要因は製鋼ダストが球形状であることによる。前述したように、製鋼ダストは球形状なので、生石灰等からなる被覆層への充填性が良く、また凝結材造粒物に作用する応力を分散して応力集中を生じにくくするといった骨材効果を発現させる。ただし、生石灰等に対する製鋼ダストの添加量が５質量％未満の場合、骨材効果が得られない。
また、被覆層が石灰石の場合、製鋼ダストが凝結材の周囲に十分に付着せず、骨材効果が発揮されないため、生石灰等と同様の効果を得ることができない。

製鋼ダストは比重が大きく、水による付着力のみでは凝結材周囲に製鋼ダストを効果的に被覆させることが難しいが、凝結材に対する生石灰等の濃度を５質量％以上とし、且つ生石灰等に対する製鋼ダスト添加量を２００質量％以下とすることで、製鋼ダストを被覆層に取り込むことができる。
なお、凝結材に対して生石灰等を３０質量％超添加した場合、被覆層が厚くなりすぎてしまい、燃焼性悪化による焼結生産性の低下を引き起こす。

粒径３０μｍ未満の粒子が多く、３０μｍ以上１０００μｍ以下の粒子が７０質量％未満の製鋼ダストの場合、粒度が小さすぎるため骨材効果が働かず、被覆層が潰れてしまうため被覆層崩壊抑制効果が得られない。
一方、粒径１．０ｍｍ超の粒子が多く、３０μｍ以上１０００μｍ以下の粒子が７０質量％未満の製鋼ダストの場合、粒度が大きすぎるため凝結材の周囲に付着しない製鋼ダストが増加する。その結果、当該ダストに付着する生石灰等が増加して、凝結材の被覆層を形成する生石灰等が減少し、ＮＯｘ低減効果が低下する。

上記理由により、３０μｍ以上１０００μｍ以下の粒子を７０質量％以上含む製鋼ダストを使用することで、生石灰等からなる被覆層内に骨材となる製鋼ダストが取り込まれ、被覆層の崩壊が抑制され、顕著なＮＯｘ低減効果を得ることができる。
また、上記粒度の製鋼ダストにはＭ－Ｆｅ（金属鉄）が多く濃化しており、焼結時に発生するＮＯｘを還元する効果もあると推察される。

凝結材造粒機１０によって生成された凝結材造粒物は、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒するドラムミキサ１１（造粒機の一例）に装入（ドラムミキサ１１の入側、出側のいずれから装入してもよい。）されて造粒された後、もしくはドラムミキサ１１から排出された造粒物に添加された後、焼結機１２に装入される。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒する造粒機はドラムミキサとしているが、パンペレタイザーなど他の造粒機でもよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
（１）試験条件
凝結材である粉コークスに、粉コークスに対して２～３５質量％の生石灰（０．５ｍｍアンダーの微粉を３０質量％以上含むもの）と、添加する生石灰に対して２～３００質量％の製鋼ダストとを添加し、最終水分が全量に対して１５質量％となるように水添加量を調整した後、振動造粒装置で造粒した。

次いで、鉄鉱石を含む焼結原料をドラムミキサにより造粒した後、振動造粒装置で造粒した凝結材造粒物を添加して２５秒間混合処理を行った。その後、凝結材造粒物を含む焼結原料をドラムミキサからサージホッパを介して焼結試験機へ装入し、約３０分の焼成処理を行った。その際、焼成中の排ガスをサンプリングしてＮＯｘ濃度を経時測定し、排ガス送風量を用いて総ＮＯｘ量を算出した。

凝結材は、一般に０．２５ｍｍアンダーの微粉が１５～５０質量％程度のものが使用されるため、粉コークスには０．２５ｍｍアンダーの微粉を２５質量％含むものを使用した。

粉コークス及び生石灰の粒度調整は、事前に各原料を乾燥させた後（絶乾後）、ＪＩＳＺ８８０１－１に記載の公称目開き（粉コークスは０．２５ｍｍ、生石灰は０．５ｍｍ）のふるいに対し、６０秒間ロータップシェーカーによる機械ふるい分けを行って（分級して）、ふるい上とふるい下の質量を測定し、以下に示す式で算出した粒径分布割合となるように粒度調整を行った。
粒径分布割合（質量％）＝（ふるい下の質量）／（ふるい上の質量＋ふるい下の質量）×１００

製鋼ダストは、転炉排ガスより回収され、機械的分級機で回収された粗粒ダストと、粗粒ダスト回収後にシックナーで回収された細粒ダストを用いた。
製鋼ダストの粒度調整は、粗粒ダストと細粒ダストの混合及び粗粒ダストの機械ふるい分けにより行ったが、最終的な粒度の確認は、ＪＩＳＺ８８２５に記載のレーザ回折・散乱装置にて行った。

生石灰に対する比較として石灰石を使用した試験と、製鋼ダストに対する比較として粉鉱石又は高炉炉頂ダストを使用した試験を実施した。
なお、高炉炉頂ダストは、焼結機で発生するダストや粉鉱石に比べて破面が少なく最も角張りが少ない形状であるが、製鋼ダストのような球形状にはなっていない。

振動造粒装置には、内容積６００リットルの水平円筒容器に６０φの鋼製ロッド（圧密媒体）が３５本収納されたものを使用し、６Ｇ（Ｇは重力加速度）の振動加速度、３ｔｏｎ／ｈの処理量で造粒処理を行った。

ＮＯｘ低減効果の算出に当たっては、ベースとなる比較例１の総ＮＯｘ量を１００％として各ケースの総ＮＯｘ量を割合（％）に換算し、１００％から各ケースの総ＮＯｘ量割合（例えば９８％）を減じた値（２％）をＮＯｘ低減効果として後述する表に記載した。
また、ＮＯｘ低減効果の評価は、製鋼ダストを添加せず生石灰のみを添加した比較例で最もＮＯｘ低減効果が大きかった１１％を基準とし、１１％以下を不合格（×）、１２％以上を合格（○）とした。

（２）生石灰割合の上下限について
粉コークスに対する生石灰割合の上下限について検証した試験結果を表１に示す。
同表より以下のことがわかる。
・製鋼ダストを添加しない場合、生石灰５質量％まではＮＯｘ低減効果が増大するものの、生石灰をそれ以上添加してもＮＯｘ低減効果は頭打ちとなった（比較例１～４参照）。これは、生石灰が５質量％以上になると、生石灰からなる被覆層がサージホッパ内で剥離崩壊し、被覆厚みを増大させる効果が得られなくなるためである。
・比較例２に対して、本発明に規定する割合の製鋼ダストを添加した比較例５では、ＮＯｘ低減効果が改善しなかった。これは、生石灰添加量が粉コークスに対して５質量％未満なので、生石灰からなる被覆層の剥離崩壊という課題が発生せず、製鋼ダストの骨材効果（被覆層の剥離抑制）が得られなかったためである。
・比較例３に対して、本発明に規定する割合の製鋼ダストを添加した比較例６も、ＮＯｘ低減効果が改善しなかった。これは、石灰石ではバインダー効果が働かず、製鋼ダストを粉コークスの周囲に付着させることができなかったためである。

・バインダーとして生石灰を選択し、粉コークスに対する生石灰の添加量を５質量％以上とすることで、製鋼ダスト添加によるＮＯｘ低減効果が得られ、生石灰添加量を増加させるほどＮＯｘ低減効果が改善した（実施例１～３参照）。これは、製鋼ダスト添加により被覆層の剥離が抑制され、被覆層の厚みを効果的に増大させることができたためである。また、本発明に規定する粒度の製鋼ダストにはＭ－Ｆｅが多量に含まれているので、Ｍ－Ｆｅの酸化反応によって粉コークスから発生したＮＯｘが一部還元された可能性もある。
・バインダーとして生石灰を消石灰に変更する試験も行ったが、生石灰と同様の傾向が認められた。
・粉コークスに対する生石灰の割合を３５質量％とした試験も行ったが、ＮＯｘは低減するものの、粉コークスの燃焼性が極めて悪化し、焼けムラを生じた。

（３）製鋼ダスト割合の上下限について
生石灰に対する製鋼ダスト割合の上下限について検証した試験結果を表２に示す。
同表より以下のことがわかる。
・比較例３に対して、本発明に規定する粒度の製鋼ダストを添加した比較例７では、ＮＯｘ低減効果が改善しなかった。これは、生石灰に対する製鋼ダスト量が少なく、骨材効果が十分発揮されなかったためである。
・比較例３に対して、本発明に規定する粒度の製鋼ダストを添加した比較例８では、ＮＯｘ低減効果が改善しなかった。これは、生石灰に対して製鋼ダスト量が多すぎたため、粉コークス周囲に製鋼ダストが付着しきれず、さらに粉コークス周囲に付着しなかった製鋼ダストに生石灰が付着することで、粉コークス周囲に付着する生石灰量が減少したためである。

・生石灰に対して製鋼ダストを５～２００質量％添加することでＮＯｘ低減効果が改善した（実施例１、４～６参照）。
・比較例１１、比較例１２は、それぞれ実施例４の条件において使用するダスト種を高炉炉頂ダスト、粉鉱石に代えた例であり、ＮＯｘ低減効果が低かった。高炉炉頂ダスト及び粉鉱石は、ダスト粒子の形状が角張り形状を呈しており、被覆層の剥離崩壊に影響する程度の応力集中が存在したためと推察される。

（４）製鋼ダスト粒度の上下限について
製鋼ダスト粒度の上下限について検証した試験結果を表３に示す。
同表より以下のことがわかる。
・比較例３に対して、本発明に規定する割合の製鋼ダストを添加した比較例９では、ＮＯｘ低減効果が悪化した。これは、３０μｍ未満の粒径の製鋼ダストが骨材効果を発揮しないだけでなく、被覆層崩壊の起点となったと推測される。
・比較例３に対して、本発明に規定する割合の製鋼ダストを添加した比較例１０では、ＮＯｘ低減効果が改善しなかった。これは、１．０ｍｍ超の粒径の大きな製鋼ダストが粉コークス周囲に付着できず、さらに粉コークス周囲に付着しなかった製鋼ダストに生石灰が付着することで、粉コークス周囲に付着する生石灰量が減少したためである。

・製鋼ダストの粒度として３０μｍ～１．０ｍｍの粒子を７０質量％以上とすることでＮＯｘ低減効果が改善した（実施例１、７参照）。

１０：凝結材造粒機、１１：ドラムミキサ（造粒機）、１２：焼結機

Claims

凝結材と、前記凝結材に対して５質量％以上３０質量％以下の生石灰及び／又は消石灰と、３０μｍ以上１．０ｍｍ以下の粒子を７０質量％以上含み、前記生石灰及び／又は消石灰に対して５質量％以上２００質量％以下の製鋼ダストとを水分の存在下で造粒した凝結材造粒物を、鉄鉱石を含む焼結原料を造粒する造粒機に装入、もしくは前記造粒機から排出された造粒物に添加することを特徴とする焼結原料の事前処理方法。