JPH0365406B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に、天然ガスに由来する熱還元性
気体混合物を用いる堅型シヤフト移動床反応装置
内で粒状鉄鉱石をスポンジ鉄に還元する方法に関
し、より詳細には還元気体を反応装置内に導入す
るに先立つて天然ガス等（主としてメタン）の炭
化水素分を一酸化炭素に転化するための外部改質
炉使用の必要性を排除する、このタイプの方法に
関する。

製鉄に適した形式において鉄鉱石を還元して鉄
を製造するのは、鉄の融点より低い温度において
熱還元性気体を、スポンジ鉄を製造するための
700°乃至1000℃のオーダーの温度で粒状鉄鉱石の
床を通過させることにより行なえることは長い間
知られてきた。その広範な入手可能性の故で、天
然ガス（代表的なものはメタンを75％、85％ある
いはそれ以上含有すると報告されている）が、こ
の種のスポンジ鉄法用の還元性気体源として広く
用いられてきた。天然ガスはまた、より少量の他
の単純な炭化水素同族体、例えばエタン（10％の
オーダーで）、プロパン、ブタン、更にペンタン
等をも含有することが良く知られている。従つ
て、構成百分率の範囲は可成りの供給源により左
右される。一般的に知られている事であり、この
中で使われる天然ガスは、水素と一酸化炭素をわ
ずかしか含んでいない（実質的には１％以下であ
る）。しかし、天然ガス中に存在するメタン自体
およびその他の低分子量パラフイン系炭化水素
（それが単独もしくは混合物であろうが）は鉄鉱
石にとつては相対的に効果のない還元剤であるの
で、メタンおよび／またはその他の低分子量炭化
水素は鉱石−還元剤として用いるために一酸化炭
素と水素との混合物に転化するのが通常であつ
た。より具体的には天然ガスと水蒸気の混合物を
改質炉中で一酸化炭素と水素混合物に接触的に転
化し、そして得られた改良還元性気体混合物を必
要ならば加熱し、そして粒状鉄鉱石の床を通過さ
せて、それをスポンジ鉄に転化するものである。

典型的な気相還元装置はたとえば、米国特許第
3765872号、第4099962号、第4150972号、第
3748120号、第4046557号および第3905806号中に
開示されている。この種の装置は通常堅型反応装
置を含んで構成されており、その反応装置はその
上部の還元域と冷却域とを備えており、該還元域
では熱還元気体が下降する鉄鉱石体に対し向流的
に上方へ流れ、一方、冷却域ではスポンジ鉄の形
態の還元鉄鉱石が冷却気体で冷却されるものであ
る。還元域の頂部から排除された消費還元性気体
は脱水され、改質炉よりの新鮮な還元性気体と混
合され、再加熱され、そして反応装置の還元域へ
再循環される。

改質された天然ガスを還元剤として用いる還元
システムは工業的に広く利用されてきたが、これ
らのシステムはまた、用いている接触的改質炉が
装置の高価な部分を形成し、そしてこの種のスポ
ンジ鉄製造プラントの投下資本の実質的部分を占
めるという重大な難点にもさらされている。従つ
て、外部改質炉を用いないで、高品質のスポンジ
鉄を製造することができる方法は、この種プラト
ンの資本経費を実質的に減少するものとなる。

上述したように、天然ガス自体は多くの理由か
ら鉄鉱石還元反応装置中で用いるには不満足な還
元剤である。従つて、主としてメタンおよび／ま
たはその同族体を含有する気体を還元剤として用
いる場合の還元反応速度は一定の温度では一酸化
炭素および水素から成る混合物についての反応速
度よりも実質的に低い。メタンおよびその同族体
の反応速度はその温度を上昇させることによつて
増加させ得るのは事実であるが、受入れ可能な反
応速度を達成するためには要するより高い温度は
他の問題をもたらす。このような訳で、約1000℃
を越える温度ではメタンは、特に鉄の存在に際し
て分解されて、ススの形の固体炭素を形成し、こ
のススが鉄含有物質を被覆し、そして還元すべき
粒状物またはペレツトの内部へのガスの接近を妨
げる。

更に、こような高温では、還元された鉱石が焼
結および塊状化されて、大きな集合体となる傾向
がある。堅型シヤフト移動床反応装置の受入れ可
能な操作を達成するためには、反応装置を経由す
る粒状物またはペレツトの自由流動（free
flow）、そして特に反応装置の、どんな減少した
横断面積部分を経由する場合であつても、その自
由流動が基本である。大きく、不整形の集合体の
形成は、ある場合には、反応装置中の固形物の流
れを完全に妨げ、そして、またその中を流れる気
体流の好ましくないチヤネリングを生ずる。

更に反応装置内で起る還元反応は一般に吸熱的
なので、供給気体は反応装置の外部で加熱して必
要な反応熱を供給せねばならない。高反応温度の
利用は還元気体加熱費用を増加させる。

前述の問題を解決するための一つの努力は金子
他の米国特許第4268303号中に開示されている。
本特許の開示によれば、鉱石の還元は２段階に行
なわれる。第１の還元段階において、メタンガス
は補給ガスとして用いられ、そして還元は30％乃
至80％のメタライゼーシヨン（metallization）
が達成される点まで行なわれる。約95〜98％の最
終還元は、大部分が一酸化炭素と水素から成る改
質気体が用いられる第２段において達成される。
第１段還元性気体を生成するための改質炉が必要
とはされないので、この改質炉は比較的小さくす
ることができる。しかし、第２段還元性気体を生
成するための改質炉は、受入れ可能な高メタライ
ゼーシヨンを達成するためには、依然として必要
である。この特許方法の欠点は資本経費の極端に
高いことであつて、それは気体加熱器の高操業温
度の故である。もう一つの欠点は、この種の高温
における操業において固有の可成り大きな熱損失
である。

通常、この技術分野において、メタンおよびそ
の同族体は、鉄鉱石の直接還元におけるH₂およ
びCOへの予備転化なしでは、実用的材料として
直接それ自体は利用できないものと認識されてい
る。たとえば、A.ドムサおよびZ.スバルチエツ
（「ポリテクニク、インスチツート」ブルガリア国
クルージ（Cluj））による「セルセタリ、メタル
ルギス（Cercetari metalurgice）」、第９巻
（1967年）、第133〜141ページ中の記事「メタンガ
ス・ユニフロー中の酸化鉄の還元」にはメタンは
1000℃を越える高温においてのみ、有効に鉄鉱石
を還元し得ることが述べられている。1000℃を越
える温度というこの理論的使用は実用的ではな
い。それは他の個所で論述したように塊状化問題
の故である。この教示とは反対に、本出願人は
（単独の、あるいは天然ガス、またはその他の類
似ガス、たとえばガス化器プロセスガス、コーク
ス炉ガス等中の）メタンの定常状態直接添加（典
型的には天然ガスの形態をとつて）が温度範囲
800乃至1000℃、より好ましくは900乃至960℃で
行なえることを見出した。

従つて、本発明の目的は、何らの外部接触的改
質炉を必要としない前述のタイプのスポンジ鉄製
造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は天然ガス自体を補給ガスと
して使用する、この種の方法を提供することにあ
る。

その他の本発明の目的は一部は明らかであろう
し、また一部は以下で指摘することになろう。

本発明は上に述べた通常タイプの連続式反応シ
ステム、すなわち反応装置の還元域内で熱還元性
気体が下降床または粒状鉱石を経由して上方へ流
れ、消費ガスは還元域の頂部付近から除去され、
そして脱水され、また脱水されたガスは加熱さ
れ、かつ還元域の底部へ復帰されて還元性気体ル
ープを形成するシステルと有用に組合わせること
ができる。本発明の目的と効果は一般に還元性気
体ループに、補給ガスとして水蒸気ならびにメタ
ンおよび／またはその同族体を、1.4：１乃至
2.2：１のモル比で供給し、そして二酸化炭素を
ループ内を流れる気体混合物から除去することに
よつて達成される。天然ガスおよび水蒸気を適切
な割合で再循環還元性気体に添加することによ
り、90％以上のメタライゼーシヨンが、温度900
℃乃至1000℃において、全く外部改質炉を用いる
ことなく、また大きな凝集塊を形成することなし
に達成できることが見出されている。純メタンよ
りむしろ天然ガスが補給ガスに使われる場合に、
計算を簡易化するために、前記モル比を採用する
事は、当業者にとつて容易に理解出来る事である
（天然ガスが本質的に全てメタンであると仮定し
た場合に）。

しかし、１モル当りに２あるいはそれ以上の炭
素原子を含む天然ガスは水蒸気１モルに結合する
ために、それ故、もつと正確には、この比は炭素
原子のモル比に対して１モルの水蒸気が適用され
ることは当業者によつて容易に理解出来る（その
場合、モル炭素原子の含有量天然ガス中に存在す
る炭化水素の含有量である）。

例えば、“Operator calculations for
Reforming−Furnoce Steam Flows”
Spet.30.1974 Chemical Engineeringの150ページ
の記事にある最初の第４パラグラフを見て欲し
い。また、更に以下で指摘されるように、補給ガ
ス中の水蒸気対炭素の比率を調節することにより
生成されるスポンジ鉄の炭素含有量を有用な範囲
にわたつて、選択的に変化させることができる。

本発明の目的および効果は添付図面を参照する
ことにより最も良く理解かつ識別することができ
る。図面中符号１０は従来の堅型シヤフト移動床
気体還元鉄鉱石還元用反応装置を示し、その上部
に還元域１２を有し、またその下部に冷却域１４
を備えている。鉄鉱石は域１２の頂部から供給さ
れ、一方、冷却されたスポンジ鉄は域１４の底部
において除去される。反応装置１０の還元域１２
は還元性気体ループの一部を形成する。大部分が
水素と一酸化炭素から成る熱還元性気体はパイプ
１６を経由して域１２の底部へ流れ、その結果、
その内部の多数の粒状鉱石中を上方へ経由して、
下降する鉱石をスポンジ鉄に還元する。消費気体
はパイプ１８を介して反応装置を去り、そして冷
却され、また気体引出し管２２を備える冷却器２
０内で脱水される。管２２内を流れる気体は分割
される。すなわち、その一部は背圧調整器２６を
備えるパイプ２４を介して系から除去され、一方
残部は還元域１２に再循環される。より具体的に
は、冷却および脱水気体の再循環部はパイプ３０
を経由してポンプ２８により二酸化炭素吸収ユニ
ツト３２に圧送され、そこでCO₂が再循環気体か
ら除去されてその炭素含有量を減ずる。吸収ユニ
ツト３２から再循環気体はパイプ３４および３６
を経由して加熱装置３８へ流れ、そこで気体は適
切な温度、たとえば950℃に加熱され、そしてそ
の結果、パイプ１６を経由して還元域へ流れて行
く。

反応装置１０の冷却域１４もまた、気体再循環
ループの部分を形成する。冷却用気体はポンプ４
０によつてパイプ４２を介して冷却域１４の底部
へ圧送され、そして下降する多数の粒状スポンジ
鉄中を上方へ経由して、これを冷却する。パイプ
４４を経由して冷却域１４の頂部から抜出された
再循環気体は冷却器４６内で冷却され、そしてパ
イプ４８を介してポンプ４０の吸気側に復帰され
る。

前述タイプの気体還元システムにおいては、還
元性気体ループに供給される補給用還元性気体と
して、改質炉内で天然ガスと水蒸気から成る混合
物の接触的改質により得られる一酸化炭素と水素
の予備形成された混合物を用いることが通例であ
つた。先に述べたように、この種の外部接触的改
質炉の使用はこのような還元用プラントにとつて
所要の資本投下を実質的に増加させるものであ
る。本発明は、外部の改質炉を完全に免除でき、
そして満足すべき還元が、補充天然ガスと水蒸気
とを適切な割合で還元性気体再循環ループに供給
すること、および再循環ループから二酸化炭素を
除去して還元域内の鉄含有物質上への過剰の炭素
堆積を阻止することによつて還元性気体供給温度
の増加を伴なうことなく達成し得るという発見に
基づくものである。

図面に戻ると、適当な供給源からの天然ガスは
流量調整器５２を備えるパイプ５０を経由して系
内に入る。流入天然ガスは分割される。すなわ
ち、その一部は流量調整器５６を備えるパイプ５
４を介して冷却ループへ流れ、一方残部はパイプ
５８を経由して還元性気体ループへ流れる。水蒸
気は流量調整器６２を有するパイプ６０を介して
供給され、そして天然ガスの導入点の近傍で還元
性気体ループに入る。このようにして、補給天然
ガスおよび水蒸気は互いに混合され、またそれら
が加熱される前に再循環気体と混合され、そして
反応装置へ供給される。

先の記載から、本発明を用いる鉄鉱石還元シス
テムが本明細書の冒頭で述べた数種の目的を達成
できることは明らかな筈である。

鉱石を効果的かつ有効に還元してスポンジ鉄を
製造することが、別の接触的改質炉を用いること
なく、また未改質メタンを補給用ガスとして用い
る先行技術方法において採用される好ましくない
高温を利用することなしに達成されるのである。
天然ガスおよび水蒸気を適切な割合で再循環ガス
に添加すると、鉱石還元について水素及び一酸化
炭素を生成するメタンの所望改質が、反応装置内
の製品スポンジ鉄によつて触媒されるように思わ
れる。再循環した気体から二酸化炭素を除去する
ことにより、その炭素含有量は比較的低く維持
（約1.3％乃至2.5％）され、その結果添加水蒸気
対メタン含有天然ガスのモル比を1.4：１乃至
2.2：１の範囲内に調節することが、スポンジ鉄
中の予め定め得る比較的低炭素含有量を達成する
ために利用し得ることになる。更に本発明によ
り、製造するスポンジ鉄のトン当りに要するメタ
ンまたは天然ガスは先行技術方法におけるよりも
可成り少なくなる。

勿論、前述の説明は単に例示的であることを意
図するものであり、また特許請求の範囲中に限定
されるように、本発明の精神から逸脱することな
く開示された具体的実施態様中で数多くの変更が
なされ得るものであることが理解されるべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施態様を実施する
ことのできる装置を示す線図である。 符号の説明、１０……堅型シヤフト移動床気体
還元鉄鉱石還元用反応装置、１２……還元域、１
４……冷却域、２０，４６……冷却器、２８，４
０……ポンプ、３２……二酸化炭素吸収ユニツ
ト、３８……加熱装置、５２，５６，６２……流
量調整器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 還元域であつてその中で鉄鉱石がスポンジ鉄
   に還元されるものを備える堅型シヤフト移動床反
   応装置内で、 大部分がH₂、CO、気体状炭化水素及びH₂Oか
   ら構成される熱循環補給ガスを前記還元域に供給
   し、 前記気体を前記床の少なくとも一部を通過させ
   て、その中の鉱石を還元し、 更に、H₂Oで気体状炭化水素及びその中で得
   られた消費気体の改質を行い、 当該消費気体を前記還元域から抜き出し、 少くともその消費ガスの実質的一部から脱水
   し、かつCO₂を除去して上質のガスを得て、前記
   還元域に循環ガスとして上質ガスを再加熱再循環
   し、それによつて還元性ガス再循環ループを形成
   する鉄鉱石の還元方法において、 H₂あるいはCOをほとんど含まないかあるいは
   又全く含まない補給H₂O及び気体状の補給炭化
   水素を前記上質循環ガスに導入し、それにより前
   記還元帯を含む前記循環回路内に存するCOとH₂
   は前記反応炉内において、前記補給H₂Oで前記
   気体状の補給炭化水素の改質を行うことによつて
   生成されることを特徴とする鉄鉱石の還元方法。 ２ 炭化水素の炭素原子に対するH₂Oのモル比
   が前記補給ガスの2.2：１まで維持される特許請
   求の範囲第１項記載の鉄鉱石の還元方法。 ３ 上質の循環ガスに対する補給ガス中に含まれ
   る炭化水素の炭素原子に対するH₂Oのモル比が
   1.4：１乃至2.2：１の範囲に維持される特許請求
   の範囲第１項あるいは第２項記載の鉄鉱石の還元
   方法。 ４ H₂O以外の気体状炭化水素は、実質的に前
   記補給ガスの含有量の30％以上である前記特許請
   求の範囲第１項、第２項及び第３項のいずれかに
   記載の鉄鉱石の還元方法。 ５ 補給ガスが実質的にH₂Oと気体状炭化水素
   のみからなる前記特許請求の範囲第１項、第２
   項、第３項及び第４項のいずれかに記載の鉄鉱石
   の還元方法。 ６ 水と二酸化炭素が除去される地点の後で、上
   質ガスが再加熱ささる地点の前に、補給H₂Oと
   補給炭化水素が前記反応炉外部の前記還元ガス再
   循環ループに添加される前記特許請求の範囲第１
   項、第２項、第３項、第４項及び第５項のいずれ
   かに記載の鉄鉱石の還元方法。 ７ 補給ガスの炭化水素が主としてメタンである
   前記特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第
   ４項、第５項及び第６項のいずれかに記載の鉄鉱
   石の還元方法。 ８ 補給ガスの炭化水素が天然ガスである前記特
   許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、
   第５項、第６項及び第７項のいずれかに記載の鉄
   鉱石の還元方法。 ９ H₂Oと補給ガスの気体状炭化水素含有物と
   が、前記還元性気体ループへの供給に先立つて混
   合される前記特許請求の範囲第１項、第２項、第
   ３項、第４項、第５項、第６項、第７項及び第８
   項のいずれかに記載の鉄鉱石の還元方法。 １０ H₂Oおよび補給ガスの気体状炭化水素含
   有物が別々に前記還元性気体ループに供給される
   前記特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第
   ４項、第５項、第６項、第７項、第８項及び第９
   項のいずれかに記載の鉄鉱石の還元方法。 １１ 前記還元域内の温度が850℃乃至1000℃の
   範囲に維持される前記特許請求の範囲第１項、第
   ２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７
   項、第８項、第９項及び第１０項のいずれかに記
   載の鉄鉱石の還元方法。 １２ 前記温度範囲が約900℃乃至960℃である前
   記特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４
   項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、
   第１０項及び第１１項のいずれかに記載の鉄鉱石
   の還元方法。