JP7482149B2 - 直接還元金属を製造するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、直接還元金属、特に直接還元鉄（スポンジ鉄としても知られる）を製造するための方法および装置に関する。特に、本発明は、制御された水素雰囲気下で金属鉱石を直接還元して、そのような直接還元金属を生成することに関する。

還元剤として水素を使用する直接還元金属の製造は、それ自体周知である。例えば、SE 7406174-8およびSE 7406175-5には、金属鉱石の装入物が装入物を通過して流れる水素雰囲気（hydrogen atmosphere）にさらされ、その結果、直接還元金属を形成するように還元される方法が記載されている。

本発明は特に、還元されるべき材料のバッチ式充填および処理の場合に適用可能である。

従来技術には、水素ガスの使用と同様に熱損失に関する効率を含むいくつかの問題がある。また、還元処理が完了した時点を測定する必要があるため、制御上の問題もある。

本発明は、上記課題を解決するものである。

したがって、本発明は、直接還元金属材料を製造するための方法に関し、当該方法は、ａ）還元されるべき金属材料を炉空間に装入する工程と、ｂ）炉空間内の低圧化を達成するように、炉空間から既存の雰囲気を排出する工程と、ｃ）主加熱工程において、熱と水素ガスを前記炉空間（１２０）に供給し、加熱された水素ガスが、前記装入された金属材料を、前記金属材料中に存在する金属酸化物が還元されるのに十分に高い温度まで加熱して、次いで、水蒸気を形成する工程と、ｄ）工程ｃで形成された水蒸気を、装入された金属材料の下の凝縮器で凝縮させ、収集する工程と、を含み、当該方法は、工程ｃにおける水素ガスが、水素ガスの再循環なしに供給され、当該方法は、その後に実行される、還元された金属材料を炉空間（１２０）から除去する工程と、不活性雰囲気下で、還元された金属材料を保管および／または輸送する工程とをさらに含むことを特徴とする。

以下では、本発明の例示的な実施形態および添付の図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図１ａは、第１動作状態の間での、本発明によるシステムで使用するための簡略化された炉の断面図である。 図１ｂは、第２動作状態の間での、図１ａの簡略化された炉の断面である。 図２は、本発明によるシステムの模式図である。 図３は、本発明による方法のフローチャートである。 図４は、加熱炉空間内のＨ_２圧と気温との関係を示す図である。

図１ａおよび図１ｂは、同じ部分に対して同じ参照番号を共有する。

したがって、図１ａおよび図１ｂは、直接還元金属材料を製造するための炉１００を示す。図２では、そのような２つの炉２１０、２２０が図示されている。炉２１０、２２０は、炉１００と同一であってもよく、または詳細が異なる。しかしながら、炉１００に関して本明細書で言及される全てのことは、炉２１０および／または２２０に等しく適用可能であり、逆もまた同様であることが理解される。

さらに、本方法に関して本明細書で言及されるすべてのことは、本システム２００および／または炉１００、２１０、２２０に等しく適用可能であり、その逆も同様であることを理解されたい。

そのような炉１００は、SE7406174-8およびSE7406175-5に記載されている炉と多くの類似性を有しており、可能な設計詳細に関してこれらの文献を参照する。しかしながら、これらの炉と本発明の炉１００との間の重要な違いは、本発明の炉１００は、水素ガスが炉１００を通って再循環され、炉１００の外側に配置された収集容器に戻るようには特に、水素ガスが炉１００（または加熱された炉空間１２０）から再循環され、次いで、還元すべき、装入された材料の１回の同じバッチ処理中に炉１００（または加熱された炉空間１２０）に戻るようには動作されないことである。

その代わり、以下の説明から明らかなように、炉１００は、一度に材料の１つの装入（充填）のバッチ毎の還元動作のために構成され、そして、水素ガスはバッチ毎の還元工程の間、炉１００に供給されるが、そこからは除去されないという意味で、そのような個々のバッチ処理の間、閉じたシステムとして動作するために構成される。

言い換えれば、炉１００の内部に存在する水素ガスの量は、還元プロセスの間、常に増加する。還元が完了した後、水素ガスは、もちろん炉１００内から排出されるが、還元工程中に水素ガスの再循環はない。

したがって、炉１００は、少なくとも５バール（bar）、または少なくとも６バール、または少なくとも８バール、さらには少なくとも１０バールに加圧されるように構成された加熱炉空間１２０を備える閉鎖システムの一部である。炉１００の上部１１０は、ベル形状（bell-shape）を有する。これは、処理すべき材料を装入するために開放することができ、固定手段１１１を用いて気密に閉鎖することができる。炉空間１２０は、れんが材料１３０のような耐火材料で封入（カプセル化）されている。

炉空間１２０は、１つまたは複数の発熱体（heating elements）１２１を用いて加熱されるように構成される。好ましくは、発熱体１２１は電気加熱素子である。しかしながら、ラジエータ燃焼管または類似の燃料加熱要素も同様に使用することができる。しかしながら、発熱体１２１は、本発明の目的のために化学的に制御されなければならない炉空間１２０と直接化学的に相互作用するいかなる燃焼ガスも生成しない。なお、後述する主（メイン）加熱工程において炉空間内に供給される気体は、水素ガスのみであることが好ましい。

発熱体１２１は、モリブデン合金などの耐熱性金属材料からなることが好ましい。

加熱炉空間１２０内に追加の発熱体を配置することもできる。例えば、発熱体１２１と同様の発熱体を、装入された材料または少なくとも容器１４０に対応する高さなどで、炉空間１２０の側壁に設けることができる。そのような発熱体は、ガスだけでなく、熱放射を介して装入された材料も加熱するのを助けることができる。

また、炉１００は、下部１５０を備え、締結手段１１１を用いて炉が閉じられたときに上部１１０とともに密閉容器を形成する。

処理される（還元される）材料のための容器１４０は、炉１００の下部１５０に存在する。容器１４０はガスが容器１４０の下を、例えば耐火床に形成された開放または閉鎖チャネル１７２に沿って通過することを可能にするように、炉空間１２０の前記床上に支持されてもよく、前記チャネル１７２は例えば前記炉床における炉空間１２０の中央部分から、半径方向外向きに、炉空間１２０の半径方向周辺部まで、その後上方に、炉空間１２０の上部まで、水素ガスのための入口１７１から通過する。以下に記載される初期および主加熱工程中のこれらの流れについては、図１ａに示されるフロー矢印を参照されたい。

容器１４０は、好ましくは、気体が容器１４０の少なくとも底部／床を自由に通過することができることを意味する開放構成のものである。これは、例えば、容器１４０の底部を貫通する孔を形成することによって達成することができる。

処理される材料は、金属オキシドを含み、好ましくは、Ｆｅ_２Ｏ_３および／またはＦｅ_３Ｏ_４のような、酸化鉄（iron oxide）を含む。材料は、ペレットまたはボールの形状などの粒状であってもよい。バッチ還元のために装入（装填）される１つの適切な材料は、水中で約１～１．５cmのボール直径に圧延された圧延鉄鉱石ボール（iron ore balls）である。このような鉄鉱石が、本発明の方法において装入された材料の最終温度未満の温度で蒸発する酸化物をさらに含有する場合、このような酸化物は、凝縮器１６０において凝縮され、粉末形態で容易に収集され得る。このような酸化物は、ＺｎおよびＰｂ酸化物などの金属酸化物を含むことができる。

有利には、炉空間１２０は、還元されるべき非常に大量の材料で充填されない。各炉１００は、好ましくは、各バッチにおいて、最大で５０トン、例えば最大で２５トン、例えば５～１０トンで装入（充填）される。この装入は、炉空間１２０内部の１つの単一容器１５０に保持されていてもよい。スループット要件に応じて、いくつかの炉１００を並行して使用することができ、次いで、１つの炉２２０内のバッチからの残留熱を使用して、別の炉２１０を予熱することができる（図２および以下を参照）。

これは、採掘現場で直接設置および使用に適したシステム２００を提供し、還元前に鉱石の高価な輸送を必要としない。代わりに、直接還元金属材料を現場で製造し、保護雰囲気下で包装し、さらなる処理のために異なる現場に輸送することができる。

したがって、水圧延鉄鉱石ボールの場合には、容器１４０内の金属材料の炉１００への装入（充填）が完全に自動化されるように、炉１００が鉄鉱石ボール生産システムに接続して設置されることが想定され、ここで、容器１４０は、鉄鉱石ボール生産システムからシステム１００へと自動的に循環し、還元されるべき鉄鉱石ボールが充填され、炉空間１２０に挿入され、本明細書に記載された還元水素／熱処理を受け、炉空間１２０から取り出され、空にされ、鉄鉱石ボール生産システムに戻され（返され）、最充填される、といったようになる。加熱炉１００よりも多くの容器１４０を使用することができ、その結果、各バッチスイッチにおいて、特定の容器内の還元された装入物（充填物）が、加熱炉１００内で、まだ還元されていない異なる容器に入った材料と直ちに交換される。採掘現場のようなこのようなより大きなシステムは、１つの非常に大きな炉ではなく、いくつかのより小さな炉１００を用いて、完全に自動化されるように実施され、また、処理量の点で非常に柔軟であるように実施されてもよい。

容器１４０の下には炉１００がガス－ガス式熱交換器１６０を含み、この熱交換器は有利にはそれ自体知られているようなチューブ式熱交換器とすることができる。熱交換器１６０は、向流式の熱交換器であることが好ましい。熱交換器１６０には、熱交換器１６０の下方に、熱交換器１６０からの凝縮水を集めて収容する閉じたトラフ（trough）１６１が接続されている。トラフ１６１はまた、ガス密の方法で炉空間１２０の動作圧力に耐えるように構成される。

熱交換器１６０は、炉空間１２０に接続されており、これにより、好ましくは、炉空間１２０に到達する冷却ガス／冷却されたガスが外部／周囲に設けられた熱交換器チューブに沿って熱交換器１６０を通過し、更に、発熱体１２１まで前記チャネル１７２を通過する。次いで、炉空間１２０から流出した加熱されたガスは、装入された材料（下記参照）を通過させ加熱した後、熱交換器１６０を内部／中央に設けられた熱交換器チューブに通過させ、それによって前記冷却ガス／冷却されたガスを加熱する。したがって、流出するガスは、２つの間の温度差による熱伝達、ならびに流出するガスに含まれる凝縮水蒸気の凝縮熱の両方によって、流入するガスを効果的に加熱する。

流出するガスから形成された凝縮水は、トラフ１６１に集められる。

炉１００は、容器１４０（１２３）の下などの炉空間１２０の底面および／または炉空間１２０（１２４）の頂部において、トラフ１６１（１２２）内に１組の温度および／または圧力センサを備えることができる。これらのセンサは以下に説明するように、還元プロセスを制御するために制御ユニット２０１によって使用されてもよい。

１７１は、水素ガスを加熱／冷却するための入口導管を示す。１７３は、使用済み水素ガスを冷却するための出口導管を示す。

トラフ１６１と入口導管１７１との間には、バルブ１６３を備えた過圧平衡チャネル１６２があってもよい。トラフ１６１内に大量の水が流入することにより、トラフ１６１内に過剰圧力が形成された場合、このような過剰圧力は、次いで、入口導管１７１に解放され得る。バルブ１６３は、単純な過圧バルブであってもよく、トラフ１６１内の圧力が導管１７１内の圧力よりも高い場合に開くように構成される。あるいは、バルブが圧力センサ１２２からの測定に基づいて、制御装置２０１（以下）によって作動されてもよい。

凝縮水は、凝縮器／熱交換器１６０からスパウト１６４または同様のものを介してトラフ内に導かれ、トラフの局所的な低点１６５などでトラフ１６１の底部でデバッチングし、好ましくは、前記スパウト１６４のオリフィス（orifice）が図１ａに例示されているようなトラフ１６１の主底部１６６の下方に完全に配置されるようにしてもよい。これにより、トラフ１６１内の液体水の乱流を減少させ、より制御可能な動作条件が提供されうる。

トラフ１６１は、有利には、装入された材料の還元中に形成される全ての水を受け入れ、収容することができるような寸法にされる。したがって、トラフ１６１のサイズは、縮小された材料の１つのバッチのタイプおよび体積に適合させることができる。例えば、１０００ｋｇのＦｅ_２Ｏ_３を完全に減らすと３１０リットルの水が形成（生成）され、１０００ｋｇを完全に減らすと３３８リットルの水が形成される。

図２では、システム２００が図示されており、図１ａおよび図１ｂに例示されているタイプの炉を使用することができる。特に、炉２１０および２２０の一方または両方は、図１ａおよび図１ｂに示すタイプであってもよく、または少なくとも本発明の請求項１によるタイプであってもよい。

２３０は、ガス－ガス式熱交換器を示す。２４０は、ガス－水式熱交換器を示す。２５０は、ファンである。２６０は、真空ポンプである。２７０は、圧縮機（コンプレッサ）を示す。２８０は、使用済み水素ガスの容器である。２９０は、新鮮な／未使用の水素ガスのための容器を示す。Ｖ１～Ｖ１４は、バルブを意味する。

２０１は、センサ１２２、１２３、１２４およびバルブＶ１～Ｖ４に接続され、本明細書に記載のプロセスを制御するように一般に構成された制御装置を示す。制御装置２０１はまた、監視およびさらなる制御のために、コンピュータ（図示せず）によってシステム２００のユーザに提示されるグラフィカルユーザインタフェースのようなユーザ制御装置に接続されてもよい。

図３は本発明による方法を示しており、本方法は、図３に概略的に示されているタイプのシステム１００、特に、図１ａおよび図１ｂに概略的に示されているタイプの炉１００を使用している。特に、本方法は、還元剤として水素ガスを使用して直接還元金属材料を製造するためのものである。

このような直接還元の後、金属材料はスポンジ金属を形成しうる。特に、金属材料は酸化鉄材料であってもよく、直接還元後に得られる生成物はスポンジ鉄であってもよい。次いで、このようなスポンジ鉄は、後続の方法の工程において、鋼等を製造するために使用され得る。

第１の工程において、本方法が開始する。

その後の工程において、還元されるべき金属材料が炉空間１２０に装入される。この装入は、装入された容器１４０が図１ａおよび図１ｂに示す向きで炉空間１２０内に配置されることによって行われ、次いで、炉空間１２０は閉鎖され、締結手段１１１を用いてガス密の方法で密閉されてもよい。

次の工程では、既存の（存在する）雰囲気（atmosphere）が炉空間１２０から排出され、その結果、大気圧に比べて炉空間１２０の内部で低圧化が達成される。これは、バルブ１～８、１１および１３～１４が閉じられ、バルブ９～１０および１２が開いていること、および真空ポンプが吸い出し、したがって、２４０および２５０を通過する導管を介して、炉空間１２０内部の含有雰囲気を排出することによって行われうる。次いで、このような真空排出されたガスが周囲の大気中に流出することができるように、炉空間１２０が雰囲気で満たされる場合には、バルブ９を開いてもよい。炉空間１２０が使用済み水素ガスで満たされている場合、これは代わりに容器２８０に排出される。

この例では、炉雰囲気は導管１７３を介して排出されるが、炉１００内に配置された任意の他の適切な出口導管が使用されてもよいことが実現されてもよい。

この排出工程、並びに以下に説明する他の工程では、制御装置２０１を使用して、圧力センサ１２２、１２３および／または１２４からの読み取り値に基づいて、炉空間１２０内の圧力を制御することができる。

空にすることは、最大で０．５バール、好ましくは最大で０．３バールの圧力が炉空間１２０内で達成されるまで進行することができる。

その後の初期加熱工程では、加熱および水素ガスが炉空間１２０に供給される。水素ガスは、容器２８０および／または２９０から供給されてもよい。上述したように、炉１００は閉じられているので、供給された水素ガスは、プロセス中に実質的に全く逃げない。言い換えれば、(還元反応で消費される水素とは別に)水素ガス損失は、非常に低いか、または存在しないであろう。代わりに、還元プロセス中に還元反応において化学的に消費された水素のみが使用される。さらに、還元プロセス中に必要とされる唯一の水素ガスは、還元プロセス中の水素ガスと水蒸気との間の必要な圧力および化学の平衡を維持するのに必要な量である。

上述のように、容器２９０は、新鮮な（未使用の）水素ガスを保持し、一方、容器２８０は、１つまたはいくつかの還元工程で既に使用され、それ以来システム２００に収集された水素ガスを保持する。還元プロセスが最初に行われるとき、容器２９０から供給される新鮮な水素ガスのみが使用される。後続の還元プロセス中に、容器２８０からの再利用された水素ガスが使用され、これは必要に応じて容器２９０からの新鮮な水素ガスによって補充される。

初期加熱工程の任意の初期段階（この初期段階は、水素ガスを導入する段階であり、炉内空間１２０の圧力が約１バールになるまで熱供給なしで行われる）では、バルブ２、４～９、１１および１３～１４は閉じられ、一方、バルブ１０および１２は開いている。新鮮な水素ガスまたは再使用される水素ガスが使用されるかどうかに応じて、バルブＶ１および／またはＶ３は開いている。

炉空間１２０内の圧力が大気圧（約１バール）に達するか、近づくと、発熱体１２１がスイッチオンされる。好ましくは、発熱体１２１が供給された水素ガスを加熱することによって、炉空間１２０に前記熱を供給し、次に、容器１４０内の材料を加熱する。好ましくは、発熱体１２１が炉空間１２０に供給される水素ガスが流れる位置に配置され、発熱体１２１は、還元プロセス中に新たに供給された水素ガス中に実質的に浸漬される（完全に、または、実質的に完全に取り囲まれる）。言い換えれば、熱は、有利には炉空間１２０に同時に供給される水素ガスに直接供給されてもよい。図１ａおよび図１ｂには、発熱体１２１が炉空間１２０の頂部に配置された好ましい場合が示されている。

しかしながら、本発明者は、熱は、供給された水素ガスが炉空間１２０に入る場所から離れた場所で炉空間１２０内部のガス混合物に直接供給されるような、他の方法で炉空間１２０に供給されてもよいことを予見する。他の例では、このように加熱された水素ガスが炉空間１２０に入る前に、熱は、炉空間１２０の外部の位置として供給された水素ガスに供給されてもよい。

前記初期加熱工程の残りの間、バルブ５および７～１４は閉じられ、一方、バルブ１～４および６は以下に記載されるように、再使用および／または新鮮な水素ガスの制御された供給を達成するために、圧縮機２７０とともに、制御装置によって制御される。

したがって、この初期加熱工程の間、制御装置２０１は、加熱された水素ガスが、装入された金属材料を、金属材料に含まれる水の沸点より高い温度まで加熱するように、熱および水素供給手段１２１、２８０、２９０を制御して、炉空間１２０に熱および水素ガスを供給するように構成される。その結果、当該含まれる水が蒸発する。

初期加熱工程および主加熱工程（下記参照）の間、制御装置２０１の制御下で水素ガスがゆっくりと供給される。その結果、水素ガスの流れが垂直下向きに、装入された材料を通して、連続的に、比較的遅いが定常的に存在することになる。一般に、制御装置は、炉空間１２０内部の所望の増加（単調に増加するよう）圧力曲線を維持し、特に、熱交換器１６０内の水蒸気の一定の凝縮（以下参照）から生じる炉空間１２０の下部（および熱交換器１６０の下部）での減少した圧力を打ち消すように、水素ガスを連続的に追加するように構成される。総エネルギー消費量は、熱交換器１６０の効率、特に、熱交換器１６０を通って流れる高温ガスと凝縮水蒸気の凝縮熱の両方から、入ってくる水素ガスに熱エネルギーを伝達するその能力に依存する。Ｆｅ_２Ｏ_３の例では、酸化物を加熱し、吸熱反応を熱的に補償し、酸化物を還元するのに必要な理論エネルギはＦｅ_２Ｏ_３１０００ｋｇ当たり約２５０ｋＷｈである。Ｆｅ_３Ｏ_４の場合、対応する数値はＦｅ_３Ｏ_４の１０００ｋｇあたり約２６０ｋＷｈである。

本発明の重要な態様は、還元プロセス中に水素ガスの再循環がないことである。これは上記の概略的な水準で説明されたが、図１ａに示された例では、これは、水素ガスが例えば、圧縮機２７０を介して、入口管路１７１を通って、炉空間１２１の頂部に供給され、そこで、発熱体１２１によって加熱され、次に、ゆっくりと下方に通過し、容器１４０内で還元されるべき金属物質を通過し、熱交換器１３０を通ってさらに下方に、溝１６１内に入ることを意味する。しかし、炉空間１２０からの利用可能な出口孔はなく、特にトラフ１６１からではない。導管１７３は例えば、バルブＶ１０、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ１４が閉じられることによって閉じられる。従って、供給された水素ガスは、還元プロセスにおいて部分的に消費され、部分的には炉空間１２０内のガス圧力の増加をもたらすことになる。次に、このプロセスは以下に詳述するように、金属材料の完全な、または、所望の還元が起こるまで続く。

したがって、容器１４０内の装入された材料の上方の炉空間１２０内に存在する加熱された水素ガスは、下方にゆっくり移動するガス流を形成する水素ガスのゆっくりとした供給を経て、装入された材料に運ばれることになる。そこで、それは、装入された材料からの水蒸気とガス混合物を形成する（下記参照）。

得られた高温ガス混合物は、熱交換器１６０に流入し、それを通過するガス流を形成する。熱交換器１６０では、次いで、炉空間１２０から到着する高温ガスから、導管１７１から到着する低温の新しく設けられた水素ガスへの熱交換が存在することになり、それによって、後者は前者によって予熱されることになる。言い換えれば、初期および主加熱工程において提供される水素ガスは、熱交換器１６０で予熱される。

高温ガス流の冷却により、冷却されたガスに含まれる水蒸気が凝縮する。この凝縮の結果、液体水が生じ、これがトラフ１６１内に集められるが、凝縮熱も生じる。熱交換器１６０は、このような凝縮熱エネルギーを、凝縮水から炉空間１２０内に供給すべき冷水素ガスに伝達するようにさらに構成されることが好ましい。

含有水蒸気の凝縮はまた、炉空間１２０から下方に流れる高温ガスの圧力を低下させ、より多くの高温ガスが熱交換器１６０を下方に通過するための空間を提供するのであろう。

追加の加熱された水素ガスのゆっくりとした供給、および水素ガスの比較的高い熱伝導率のために、装入された材料は、１０分以内など、比較的迅速に、充填された材料に含まれる液体水の沸点に達し、これは、その後、１００℃をわずかに超えるはずである。その結果、この含有された液体水は蒸発し、高温水素ガスと混合する水蒸気を形成する。

熱交換器１６０内の水蒸気の凝縮は、構造体の下端における水蒸気のためのガス分圧を低下させ、平均的に下向きに、装入された材料内で発生した水蒸気を下向きに流れさせることになる。この効果に加えて、水蒸気は、それが混合する水素ガスよりも実質的に低い密度でもある。

このようにして、容器１４０内の、装入された材料の水分は徐々に蒸発し、熱交換器１６０を通って下方に流れ、そこで冷却されて凝縮し、トラフ１６１内で液体状態になる。

熱交換器１６０に供給される低温水素ガスは、室温であるか、または室温よりもわずかに低い温度を有することが好ましい。

この初期加熱工程（ここで、装入された材料は従って、任意の含有された液体水から乾燥される）は、本発明の方法における好ましい工程であることが理解される。特に、これは、材料を炉空間１２０に装入する前に高価で複雑な乾燥工程を導入する必要なしに、材料の圧延ボールの形態のような粒状材料として挿入される材料を製造し、提供することを容易にする。

しかしながら、既に乾燥している、または、乾燥した材料を炉空間１２０に装入することが可能であることが理解される。この場合、本明細書に記載されるような初期加熱工程は実行されないが、本方法は直ちに主加熱工程（以下）に飛ぶ。

本発明の一実施形態では、前記初期加熱工程の間に炉空間１２０への水素ガスの供給が、初期加熱工程の実行中にわたって、圧力平衡が実質的に維持されるように、好ましくは実質的に等しい圧力が炉空間１２０およびトラフ１６１の液体充填されていない部分の全体にわたって常にかかるように、非常に遅くなるように制御される。特に、水素ガスの供給は、前記平衡のガス圧力が初期加熱工程中に増加しないか、またはわずかしか増加しないように制御することができる。この場合、水素ガス供給はその後、容器１４０内の装入された材料から全て、または、実質的に全ての液体水が蒸発した後にのみ、炉空間１２０の圧力を経時的に上昇させるように制御される。これが起こった時点は例えば、温度センサ１２３および／または１２４によって測定される温度－時間曲線の勾配の上方への変化として決定することができ、勾配の変化は実質的にすべての液体水が蒸発したが、還元がまだ開始されていない時点を示す。あるいは、温度センサ１２３および／または１２４によって測定される炉空間１２０内の測定温度が、１２０℃と１３０℃との間などの１００℃と１５０℃との間とすることができる所定の限界を超えると、圧力を上昇させるように水素ガス供給を制御することができる。

後続の主加熱工程では、加熱された水素ガスが金属材料中に存在する金属酸化物を還元し、次に水蒸気を形成させるのに十分な高さの温度まで、装入された金属材料を加熱するように、上述の初期加熱工程中の供給に対応する方法で、熱および水素ガスが炉空間１２０にさらに供給される。

したがって、この主加熱工程の間、追加の水素ガスが、炉空間１２０内で徐々に圧力を増加させながら供給され、加熱され、その結果、装入された金属材料は次に、還元化学反応が開始され、維持される温度まで加熱される。

したがって、図１ａおよび図１ｂに示す例では、最も上に装入された材料が最初に加熱される。酸化鉄材料の場合、水素ガスは、約３５０～４００℃で装入された材料を還元して金属鉄を形成し始め、以下の式に従って自然発火鉄および水蒸気を形成する：
Ｆｅ_２Ｏ_３ ＋ ３Ｈ_２ ＝ ２Ｆｅ ＋ ３Ｈ_２Ｏ
Ｆｅ_３Ｏ_４ ＋ ４Ｈ_２ ＝ ２Ｆｅ ＋ ４Ｈ_２Ｏ

この反応は吸熱性（エンドサーマル（endothermal））であり、炉空間１２０内で上方から流下する高温水素ガスを介して供給される熱エネルギーによって駆動される。

したがって、初期加熱工程および主加熱工程の両方の間に、水蒸気が、装入された材料中に生成される。この形成された水蒸気は、連続的に凝縮され、装入された金属材料の下に配置された凝縮器に集められる。図１ａに示す例では、凝縮器は熱交換器１６０の形態である。

本発明によれば、前記凝縮を含む主加熱工程は、大気圧との関係で炉空間１２０内の過圧（overpressure）に達するまで実行される。圧力は例えば、圧力センサ１２３および／または１２４によって測定することができる。上述のように、本発明によれば、前記過圧に達するまで、水素ガスは炉空間１２０から排出されず、好ましくは、主加熱工程が完全に終了するまで、水素ガスは炉空間１２０から排出されない。

より好ましくは、主加熱工程における水素ガスの供給、および水蒸気の凝縮は、所定の過圧に達するまで、炉空間１２０内で行われ、所定の過圧は少なくとも４バール、より好ましくは少なくとも８バール、さらには絶対値で約１０バールである。

あるいは、主加熱工程における水素ガスの供給、および、水蒸気の凝縮は、炉空間１２０の内部で到達した定常状態のガス圧力を維持するために、より多くの水素ガスを供給する必要がなくなるという意味で、定常状態に達するまで実行されてもよい。この圧力は、上述した方法と同様の方法で測定することができる。好ましくは、定常状態のガス圧力が少なくとも４バール、好ましくは少なくとも８バール、さらには約１０バールであってもよい。このようにして、還元プロセスがいつ完了したかを知る簡単な方法が達成される。

あるいは、主加熱工程における水素ガスおよび熱の供給、および、水蒸気の凝縮は、還元されるべき装入金属材料が６４０～６８０℃、好ましくは約６６０℃など、少なくとも６００℃とすることができる所定の温度に達するまで実行されてもよい。装入された材料の温度は例えば、適切なセンサを使用して装入された材料からの熱放射を測定することによって直接的に、または温度センサ１２３によって間接的に測定することができる。

いくつかの実施形態では、形成された水蒸気の前記凝縮を含む主加熱工程が少なくとも０．２５時間、例えば少なくとも０．５時間、例えば少なくとも１時間の連続時間の間に実行される。この全時間の間に、炉空間１２０の圧力と温度の両方が単調に上昇することがある。

いくつかの実施形態では、主加熱工程はさらに、反復的に実行されてもよく、各反復において、制御装置２０１は、さらなる量の水素ガスを炉空間に供給する前に、炉空間１２０の内部で定常状態の圧力に到達することを可能にする。また、熱供給は反復的であってもよく（パルス的であってもよく）、または主加熱工程全体の間、スイッチオン状態であってもよい。

初期加熱工程と主加熱工程の両方を実行する間、特に、これらの工程の少なくとも実質的に全長にわたって、容器１４０内の装入された金属材料を通る水蒸気の正味の流れが下向きに存在することに留意されたい。

初期加熱工程と主加熱工程の間、圧縮機２７０は、制御装置２０１によって制御され、常に、追加の水素ガスを供給することによって圧力を維持または増加させる。この水素ガスは、還元プロセスで消費される水素を補償するために、また圧力を所望の最終圧力まで徐々に増加させるために使用される。

装入された材料中の水蒸気の形成はガス圧力を局所的に増加させ、実質的には炉空間１２０とトラフ１６１との間に圧力変動を生じさせる。その結果、形成された水蒸気は装入された材料を通って下方に沈み、熱交換器１６０内で凝縮し、次に、（炉空間１２０に関連して）熱交換器１６０の遠方側の圧力を下げる。こうして、これらのプロセスは装入物を通るガスの下向きの正味の移動を生成し、そこで新たに追加された水素ガスは、炉空間１２０内の圧力損失を補償する。

炉空間１２０から流出するガス中の熱量、特に水蒸気の凝縮熱は、熱交換器１６０で流入水素ガスに伝達される。

したがって、このプロセスは、還元すべき金属材料が存在し、したがって水蒸気が生成され、その結果、前記下向きのガス移動が生じる限り、維持される。（実質的に全ての金属材料が還元されたために）水蒸気の生成が一度停止すると、圧力は炉１００の内部全体にわたって均一化され、測定された温度は炉空間１２０全体にわたって同様になるのであろう。例えば、トラフ１６１のガスで満たされた部分の点と、装入された材料の上方の点との間の測定された圧力差は、最大で０．１バールであり得る所定の量未満である。さらに、または、代替的に、装入された材料の上方の点と、装入された材料の下方であるが熱交換器の炉空間１２０側の点との間の測定された温度差は、所定量よりも小さくなり、これは最高で２０℃であり得る。したがって、このような圧力および／または温度の均質性に達して測定されると、主加熱工程は、水素ガス供給が遮断され、発熱体１２１がスイッチオフされることによって終了することができる。

したがって、主加熱工程は、所定の最低温度および／または最高圧力に達するまで、および／または炉１００内の加熱容積内で所定の最高温度差および／または最高圧力差に達するまで実行することができる。どの基準が使用されるかは、炉１００の設計および還元される金属材料のタイプなどの前提条件に依存する。また、所定の主加熱時間、または所定の加熱／水素供給プログラムの終了などの他の基準を使用することも可能であり、これは経験的に決定することができる。

次の冷却工程において、炉空間１２０内の水素雰囲気は次に、最高で１００℃、好ましくは約５０℃の温度に冷却され、その後、炉空間１２０から排出され、収集される。

１つまたは複数の炉に接続されていない単一の炉１００／２２０の場合、装入された材料はガス－水式冷却器２４０の下流に配置されたファン２５０を使用して冷却されてもよく、次に、水素ガスを冷却するように構成されてもよい（ファン２５０によって、バルブＶ１２、熱交換器２４０、ファン２５０、およびバルブＶ１０を通過するループで閉ループに循環され、出口導管１７３を介して炉空間１２０から出て、入口導管１７１を介して再び炉空間１２０に入る）。この冷却循環は、図１ｂの矢印で示されている。

したがって、熱交換器２４０は、循環水素ガスから水（または異なる液体）に熱エネルギーを伝達し、そこから熱エネルギーを適切な方法で、例えば地域暖房システムで使用することができる。閉ループは、バルブＶ１０およびＶ１２を除く全てのバルブＶ１～Ｖ１４を閉じることによって達成される。

この場合、水素ガスは、容器１４０内の装入された材料を通過して循環されるので、水素ガスは、装入された材料から熱エネルギーを吸収し、水素ガスが閉ループで循環される間、装入された材料の効率的な冷却を提供する。

異なる例では、炉１００／２２０の冷却から利用可能な熱エネルギーを使用して、異なる炉２１０を予熱する。これは、その後、上述の冷却閉ループと比較して、バルブＶ１２を閉じ、代わりにバルブＶ１３、Ｖ１４を開くことによって、制御装置２０１によって達成される。このようにして、炉２２０から到達した高温の水素ガスは、好ましくは向流熱交換器であるガス－ガス式熱交換器２３０に取り込まれ、この熱交換器では他の炉２１０に対して行われる初期または主加熱工程で供給されている水素ガスが熱交換器２３０で予熱される。その後、炉２２０から多少冷却された水素ガスは、炉２２０に再導入される前に、更なる冷却のために熱交換器２４０を通過して循環されてもよい。この場合も、炉２２０からの水素ガスは、ファン２５０を用いて閉ループ内で循環される。

したがって、冷却工程における水素ガスの冷却は、上述したように、異なる炉２１０空間１２０と関連して、初期および主加熱工程および凝縮を行うための異なる炉２１０の空間１２０に供給される水素ガスとの熱交換を介して実行されてもよい。

一度、水素ガスが不十分に高温になって炉２１０に供給される水素ガスを加熱すると、制御装置２０１は、バルブＶ１３、Ｖ１４を再び閉じ、バルブＶ１２を再び開き、その結果、炉２２０からの水素ガスが熱交換器２４０に直接取り込まれる。

その熱エネルギーがどのように処理されるかにかかわらず、炉２２０からの水素ガスは、後に空気（air）にされたときの装入された材料の再酸化を回避するために、それ（または、より重要なことには装入された材料）が１００℃未満の温度に達するまで冷却される。装入された材料の温度は、上記のような適切な方法で直接的に、または出口導管１７３を介して出る水素ガスの温度を適切な方法で測定することによって間接的に測定することができる。

水素ガスの冷却は水素ガスの過圧を維持しながら行われてもよく、または、バルブＶ１０およびＶ１２が一度開かれると、高温水素ガスがより大きな体積（閉ループ導管および熱交換器の）を占めることを許容される結果、水素ガスの圧力が低下してもよい。

次の工程では、水素ガスは、炉２２０の空間１２０から排出され、容器２８０に集められる。この排出は、真空ポンプ２６０によって、おそらく圧縮機２７０と組み合わせて実行されてもよく、それによって、制御装置はバルブＶ３、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ１０およびＶ１２を開き、他のバルブを閉じ、真空ポンプ２６０および圧縮機２７０を作動させて、冷却された水素ガスを使用済み水素ガスのために容器２８０に移動させる。排出は、望ましくは、炉空間１２０の内部で最大で０．５バールの圧力、さらには、最大で０．３バールの圧力が検出されるまで実行される。

炉空間１２０は、閉鎖されているので、化学還元反応で消費される水素ガスのみがシステムから除去され、残りの水素ガスは、主加熱工程中に炉空間１２０内の水素ガス／水蒸気バランスを維持するために必要であったものである。この排出された水素ガスは、還元されるべき金属材料の新しい装入の後続のバッチ動作に十分に有用である。

その後の工程では、締結手段１１１を解除して上部１１０を開放するなどして炉空間１２０を開放する。容器１４０は取り外され、還元されるべき装入金属材料の新しいバッチを有する容器と交換される。

その後の工程において、除去された還元された材料は、輸送および保管中の再酸化を回避するために、窒素雰囲気のような不活性雰囲気下に配置されてもよい。

例えば、還元された金属材料は、不活性ガスが充填された可撓性（フレキシブル）または剛性（リジッド）の輸送容器内に配置されてもよい。いくつかのそのような可撓性または剛性の容器は、輸送容器内に配置されてもよく、輸送容器は次いで、いくつかの可撓性または剛性の容器を取り囲む空間内に不活性ガスを充填してもよい。その後、還元された金属材料は、再酸化の危険を冒すことなく安全に輸送することができる。

次の表は、炉空間１２０内の種々の温度に対する水素ガスＨ_２と水蒸気Ｈ_２Ｏとの間のおおよその均衡（平衡）を示す：

温度（℃）： ４００ ４５０ ５００ ５５０ ６００
Ｈ_２（ｖｏｌ－％）： ９５ ８７ ８２ ７８ ７６
Ｈ_２Ｏ（ｖｏｌ－％）： ５ １３ １８ ２２ ２４

常圧では約４１７ｍの^３ガスＨ_２が１０００ｋｇのＦｅ_２Ｏ_３を減らすために必要であり、約３８３ｍのＦｅ_３Ｏ_４を減らすために必要なものは約１０００ｋｇである。

次のテーブルは、（従来技術による）常圧およびオープンシステムにおいて、それぞれＦｅ_２Ｏ_３およびＦｅ_３Ｏ_４を１０００ｋｇ減らすために必要とされる、（従来技術による）異なった温度でのガス量を示している：
温度（℃）： ４００ ４５０ ５００ ５５０ ６００
Ｎｍ^３Ｈ_２／トンＦｅ_２Ｏ_３：
８３４０ ３２０８ ２３１７ １８９５ １７３８
Ｎｍ^３Ｈ_２／トンＦｅ_３Ｏ_４：
７６６０ ２９４６ ２１２８ １７４１ １５９６

下表は、さまざまな圧力で、さまざまな温度に対して、それぞれ１０００ｋｇのＦｅ_２Ｏ_３とＦｅ_３Ｏ_４を削減するために必要な、ガスの量を示している：

温度（℃）： ４００ ４５０ ５００ ５５０ ６００
Ｎｍ^３Ｈ_２／トンＦｅ_２Ｏ_３：
１バール ８３４０ ３２０８ ２３１７ １８９５ １７３８
２バール ４１７０ １６０４ １１５８ ９４８ ８６９
３バール ２７８０ １０６９ ７７２ ６３２ ５７９
４バール ２０８５ ８０２ ５７９ ４７４ ４３４
５バール １６６８ ６４２ ４６３ ３７９ ３４８
６バール １３９０ ５３５ ３８６ ３１６ ２９０
Ｎｍ^３Ｈ_２／トンＦｅ_３Ｏ_４：
１バール ７６６０ ２９４６ ２１２８ １７４１ １５９６
２バール ３８３０ １４７３ １０６４ ８７０ ７９８
３バール ２５５３ ９８２ ７０９ ５８０ ５３２
４バール １９１５ ７３７ ５３２ ４３５ ３９９
５バール １５３２ ５８９ ４２６ ３４８ ３１９
６バール １２７７ ４９１ ３５５ ２９０ ２６６

以上のように、本発明に係る本加熱工程は、高圧、高温まで行うことが好ましい。主要な加熱工程の大部分の間、少なくとも５００℃の加熱水素ガス温度と少なくとも５バールの炉空間１２０圧力との組み合わせを使用することが有利であることが分かっている。

以上、好ましい実施形態について説明した。しかしながら、本発明の基本概念から逸脱することなく、開示された実施形態に対して多くの修正を行うことができることは当業者には明らかである。

例えば、炉１００の幾何学的形状は、詳細な前提条件に応じて異なっていてもよい。

熱交換器１６０は、チューブ熱交換器として説明される。これが特に有利であることが判明したとしても、他の種類のガス－ガス熱交換器／凝縮器が可能であることが実現される。熱交換器２４０は、任意の適切な構成であってもよい。

冷却された水素ガスからの余分な熱は、熱エネルギーを必要とする他のプロセスにも使用することができる。

還元される金属材料は、酸化鉄として記載されている。しかし、本発明の方法およびシステムは、約６００℃未満の温度で蒸発する、ＺｎおよびＰｂなどの上述の金属酸化物などの金属材料を還元するために使用することもできる。

また、本直接還元原理は鉄鉱石よりも高い還元温度を有する金属材料と共に使用することができ、使用される建設材料に関して、炉１００の構造に対する適切な調整を行うことができる。

したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内で変更することができる。

Claims (16)

1. 加熱炉空間（１２０）を備える閉鎖システムの一部である炉（１００）において直接還元金属材料をバッチ式に製造するための方法であって、
   ａ）還元されるべき金属材料を炉空間（１２０）に装入する工程と、
   ｂ）前記炉空間（１２０）内の低圧化を達成するように、前記炉空間（１２０）から既存の雰囲気を排出する工程と、
   ｃ）主加熱工程において、熱と水素ガスを前記炉空間（１２０）に供給し、加熱された水素ガスが、前記装入された金属材料を、前記金属材料に存在する金属酸化物が還元されるのに十分に高い温度まで加熱して、次いで、水蒸気を形成する工程と、
   ｄ）工程ｃで形成された水蒸気を、前記装入された金属材料の下の凝縮器（１６０）において凝縮し、収集する工程と、を含み、
   工程ｃにおける前記水素ガスは、前記水素ガスの再循環なしに供給され、水素ガスが前記炉（１００）に供給されるが、前記金属酸化物が還元される間に前記炉（１００）から除去されず、当該方法は、その後に実行される、還元された金属材料を前記炉空間（１２０）から除去する工程と、不活性雰囲気下で、前記還元された金属材料を保管および／または輸送する工程とをさらに含むことを特徴とする、方法。
2. 工程ｃおよびｄは、少なくとも、前記炉空間（１２０）内で水素雰囲気の過圧に達するまで実行され、前記過圧に達するまで、水素ガスが炉空間（１２０）から排出されないことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 工程ａにおいて装入される前記材料は、最大で５０トン、好ましくは最大で２５トン、好ましくは５～１０トンの材料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. 前記方法の工程ａ～ｄは、採掘現場に直接設置されたシステム（２００）で実行され、それにより、直接還元金属材料が、前記工程を用いて前記採掘現場で製造され、その後、保護雰囲気下で包装され、その後、さらなる処理のために異なる現場に輸送されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 工程ｄの後に、前記水素ガスを前記装入された材料を通過して循環させて前記装入された材料を冷却する工程をさらに含み、これにより、前記水素ガスは、前記装入された材料によって加熱され、熱交換器を用いた熱交換によって冷却されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記装入された材料を冷却する工程は、前記装入された材料が１００℃未満の温度になるまで実行されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記不活性雰囲気は、窒素雰囲気であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 不活性ガスが充填された第１の輸送容器に前記還元金属材料を供給する工程をさらに含み、いくつかのそのような第１の輸送容器が第２の輸送容器に提供され、次に前記いくつかの第１の輸送容器を囲む空間に不活性ガスが充填されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記工程ｃは、初期加熱工程において、熱と水素ガスを前記炉空間（１２０）に供給し、加熱された水素ガスが、前記装入された金属材料を、前記金属材料に含まれる水の沸点より高い温度まで加熱して、前記含まれる水を蒸発させる工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 工程ｃで供給される前記水素ガスは、熱交換器（１６０）で予熱され、前記熱交換器（１６０）は、熱エネルギーを、前記形成された水蒸気から工程ｃで供給される前記水素ガスに伝達するように構成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 工程ｃの前記主加熱工程および工程ｄにおける前記凝縮は、所定の圧力に達するまで実行されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 工程ｃにおける前記主加熱工程および工程ｄにおける前記凝縮は、前記炉空間（１２０）の内部で到達した定常状態のガス圧力を維持するために、より多くの水素ガスを供給する必要がなくなるという意味で、定常状態に達するまで実行されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
13. 工程ｃにおける前記主加熱工程および工程ｄにおける前記凝縮は、還元されるべき前記装入された金属材料が所定の温度に達するまで実行されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 工程ｃの実行の間に、前記装入された金属材料を通る水蒸気の正味の流れが下向きに存在することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. ｅ）工程ｃおよび工程ｄの終了後、前記炉空間に存在する水素を最高で１００℃まで冷却する工程と、
    ｆ）工程ｅの終了後、前記炉空間（１２０）から前記水素を排出し、前記排出された水素の前記水素ガスを収集する工程、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 工程ｃおよびｄは、少なくとも０．２５時間実行されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。

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