JPH06501983A - 流動床反応器内で処理する前に鉄含有反応器フィードを予熱する方法 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 流動床反応器内で処理する前に鉄含有反応器フィードを予熱する方法 発明の分野 本発明は、反応器フィード、例えば鉄鉱石、鉄鉱石精鉱及びそれに頂したものを 非鉄酸化物化合物に処理することに関する。詳言すれば、本発明は、特に直接的 鉄炭化物製鋼で使用可能である、鉄酸化物含有フィードを鉄炭化物炭に転化する 改良方法に関する。

発明の背景 典型的には、鉄鉱石は数十年来周知である基本的方法を経て屑に転化される。こ れらの方法は一般にコークス炉内で製造されたコークスを使用する溶鉱炉内で銑 鉄に転化し、引き続き該銑鉄、又は溶銑を、平炉又は塩基性酸素炉内で綱に転化 する工程からなる。しかしながら、伝統的な方法での製鋼と結び付いた高いエネ ルギ及び資本コストにより、製鋼のための新規の廉価な方法が見いだす要求が生 じた。詳言すれば、多大な努力は、製鋼における平炉及びコークス炉を排除する ことに向けられた。平炉は大量のエネルギを使用し、そのコスト及び入手性は益 々不確かになった。更に、コークス炉は汚染の大きな源であり、既存のコークス 炉を政府規制に改造することは、膨大な費用を要す従って、若干の努力は、鉄鉱 石を直接鉄炭化物に転化し、引き続き該鉄炭化物から鋼を製造し、それにより平 炉工程を排除する方向に向けられた。

このことに関して、ステ７ｙ　ン（Ｓｔｅｐｈａｎｓ、　Ｊｒ、）による米国再 発行特許第３２２４７号明細書は、鋼の直接的製造方法を開示した。該方法によ れば、鉄鉱石中の鉄酸化物を鉄炭化物に転化し、次いで該鉄炭化物から塩基性酸 素炉又は電気炉内で直接鋼を製造する。電気炉は、典型的には電気アーク炉であ るが、別の電気炉、例えば誘導炉を使用することもできる。直接的製造方法では 、鉄鉱石内の鉄炭化物を水素（還元剤として）と炭素担体物質（炭化剤として） の混合物を使用する単一操作で還元及び炭化する。該方法は典型的には流動床反 応器で実施される。次いで、鉄炭化物を塩基性酸素炉又は電気炉に装入すること により鋼を製造する、それにより溶鉱炉工程が省略される。

ステファン・Ｊｒ、による方法は、従来技術において１つの重要な進歩であるこ とが立証されたが、この直接的製鋼方法ではより以上の改良が必要である。例え ば、鉄酸化物を鉄炭化物に転化する工程で、該プロセスパラメータにおける僅か な変動でも、好ましくない結果を惹起することがある、例えば温度、圧力及びガ ス組成の相関関係のプロセスパラメータの僅かな変動が、鉄炭化物よりもむしろ 、遊離鉄（Ｆ　ｅ）又は種々の鉄酸化物、例えばＦ　ｅ　ｚｏ３．　Ｆ　ｅ　３ ０４及びＦｅＯを生成せしめることがある。

流動床反応器内に入れる前に鉄鉱石を予熱することの効果は、従来技術に記載さ れている。しかしながら、これらの従来技術のいずれも、ステファンによって開 示されたタイプの方法と組み合わせて鉄酸化物の予熱を行うことは開示していな い。

シープレイ（Ｓｈｉｐｌｅｙ）による米国特許第２７５２２３４号明細書は、鉄 鉱石を鉄に直接的に還元する方法を開示した。この場合には、原料鉄鉱石を有利 には水素と一酸化炭素からなる反応からの排ガスによって約７００°Ｆ（３７０ ℃）の温度に予熱する。

リード（Ｒｅｅｄ）による米国特許第２８６４６８８号明細書は、赤鉄鉱と磁鉄 鉱の混合物である鉄酸化物含有原材料を約１７００°Ｆ（９３０℃）の温度に予 熱する工程を含む製鉄法を開示した。

反応器床に入れる前に鉄鉱石を予熱することとを開示する別の特許明細書は、米 国特許第２８９４８３１号明細書（Ｏｌｄ　ｅｔ　ａｌ、による）、米国特許第 ２９２１８４８号明細書（＾ｇａｒｖａＬによる）、米国特許第３０２１２０８ 号明細書（Ｆｒｅｉｓａｎｌ、１ｍよる）、米国特許第３７６１２４４号明細書 （Ｈｏｆｆｅｒｔ）、米国特許第３９２８０２１号明細書（Ｍａｔｓｕｂｏｒａ 　ｅｔ　ａｌ、による）、米国特許第４０４５２１４号明細書（Ｗｅｔｚｅｌ　 ｅｔ　ａｌ、にょる）。

米国特許第４３６０３７８号明細書（Ｌｉｎｄｓｔｒｏｍｌこよる）、米国特許 第４２０２５３４号明細書（Ｄａｖｉｓ　Ｊｒ、　ｌ：よる）及び米国特許第４ ８５１０４０号明細書（Ｆｏｓｔｅｒｅｔ　ａｔ、による）を包含する。

しかしながら、従来の技術の刊行文献のいずれにも、鉄酸化物鉱石を予熱する方 法が、鉄炭化物製造方法のために有効であるとは記載していない。鉄炭化物を形 成するための化学及び平衡状態は、金属鉄を形成するために必要な条件とは著し く異なる。

発明の概要 本発明では、反応器フィードを酸化雰囲気内で予熱する工程を有する、鉄鉱石を 鉄炭化物に転化するための方法を提供する。１実施態様によれば、反応器フィー ドを約り００℃〜約９００℃の間の温度に予熱する。もう１つの実施管線によれ ば、反応器フィードが予熱後に赤鉄鉱少なくとも約３０重量％、有利には約５０ 重量％より多く、より有利には約８０重量％より多くよりなる。

本発明のもう１つの実施態様では、反応器フィードを鉄炭化物に転化する方法を 提供し、該方法は、反応器フィードを、鉄炭化物に転化する前に、硫化物硫黄を 揮発又は安定化するために予熱することよりなる。

本発明のもう１つの実施態様では、反応器フィードを鉄炭化物に転化する方法を 提供し、該方法は反応器フィードを、鉄炭化物に転化する前に、反応器フィード から水を除去するために予熱することよりなる。

本発明のもう１つの実施態様では、反応器フィードを鉄炭化物に転化する方法を 提供し、該方法は反応器フィードを還元ガス及び炭化ガスと接触させて、鉄の少 な（とも９０％を鉄炭化物に転化する前に、反応器フィードを予熱する工程を有 する。

本発明のもう１つの実施態様では、磁鉄鉱を含有する反応器フィードを鉄炭化物 に転化する方法を提供し、該方法は反応器フィードを酸化雰囲気内で少なくとも 約５００℃の温度に予熱し、磁鉄鉱の少なくとも一部分を赤鉄鉱に転化する工程 を有する。

本発明のもう１つの実施態様では、鉄炭化物から鋼を製造する方法を提供し、該 方法は反応器フィードを鉄炭化物に転化する前に、反応器フィードを予熱する工 程を有する。

本発明は特に、反応器フィードを予熱して、流動床反応に必要な熱の一部を供給 し、一方間時に反応器フィードを鉄炭化物に転化するために好適な形にする方法 を提供する。本発明による方法は、反応器フィード内の有害な硫化物硫黄のレベ ルを低下させることができる。有利には、反応器フィード内の水の量を減少させ ることができる。予熱工程中の磁鉄鉱の赤鉄鉱への転化は、鉄炭化物への転化工 程で有利であることが判明した。

図面の簡単な説明 第１図は、Ｆｅ−０−Ｈ−Ｃ系の５２７℃での安定度ダイヤグラムである。

第２図は、鉄酸化物を含有する反応器フィードを鉄炭化物に転化するための本発 明の１実施例のフローチャートである。

第３図は、流動床反応器の１実施例の上面図である第４図は、第３図に示した４ −４線の沿った、流動床反応器の断面図である。

第５図は、オリフィスプレート構造の１実施例の断面図である。

第６図は、調節可能なガスノズルの１実施例の展開図である。

第７図は、硫化物硫黄を含有する未酸化鉄鉱石の転化工程の組成変化を示すグラ フである。

第８図は、硫化物硫黄を含有する部分酸化された鉄鉱石の転化工程の組成変化を 示すグラフである。

有利な実施例の詳細な説明 鉄酸化物を鉄炭化物へ転化する方法及び引き続いての該鉄炭化物を直接的製鋼法 で使用することは、米国再発行特許第３２２４７号明細書に記載されている。

この方法は、流動床ユニットを使用して比較的低い温度でかつ混合された水素、 −酸化炭素及び別の炭化水素ガス（例えばメタン及び／又はプロパン）を還元及 び浸炭剤を使用して鉄酸化物鉱石微粉又は精鉱を転化する工程を含む。

該鉄炭化物は非自然発火性であり、容易に輸送することができ、かつ高パーセン テージの鉄を含有する。

所望の還元ガスは、天然ガス、液体燃料又は固体燃料から通常のガス発生系を利 用して製造することができ、該系のいずれも高品質の燃料に依存しない。

鉄炭化物は、例えば空気圧搬送系を利用して炉内にパッチ式で装入又は吹き込む ことができる通常の又は改良した塩基性酸素炉内で直接使用することができる。

鉄炭化物は酸化に基づき熱を発生するが、製鋼炉へのフィードとして流動床反応 器から直接熱い鉄炭化物を使用するのが有利であり、それにより更に鋼を製造す るために必要な熱エネルギの量が減らされる。

鉄（Ｆｅ）、鉄炭化物（ＦｅｓＣ）又は同種のものに還元するために典型的に利 用可能な流動床反応器フィードは、全く１つの物質からなるものよりも、むしろ 典型的には磁鉄鉱（Ｆｅ３０４）、赤鉄鋼（ＦｅｚＯｓ）及びその他の材料のよ うな鉄酸化物の混合物である。該反応器フィードはまた幾分かの脈石及び水を含 有していてもよい。本明細書で使用する用語°反応器フィード”は、本発明の実 施において利用できるあらゆる鉄含有材料、例えば鉄鉱石及び精鉱を意味する。

本発明によれば、鉄炭化物への反応器フィードの転化は、転化する前に反応器フ ィードを予熱することにより改善される。有利には、該予熱は酸化雰囲気を有す る炉内で実施する。

反応器フィードは、有利には約り００℃〜約１０００℃、より有利には約り００ ℃〜約９００℃、最も有利には約り００℃〜約８００℃の温度に予熱する。該反 応器フィードは、有利にはフィードの少な（とも一部分を酸化、ひいては鉄炭化 物への転化効率を改良するのに十分な時間予熱する。例えば、反応器フィード内 に存在する磁鉄鉱の少なくとも一部分が赤鉄鋼に転化されるのが有利である。少 なくとも赤鉄鋼の割合が、全フィードの約５０重量％以上、特に有利には８０重 量％以上になるまで反応器フィードを予熱するのが有利である。この形式で反応 器フィードを予熱する利点は、以下に詳細に説明する。

予熱工程で使用される炉は、有利な温度を達成しかつ反応器フィードに酸素含有 ガスを供給することができるあらゆる炉であってよい。本明細書で使用する限り 、用語炉″は、あらゆる炉、又は加熱ユニット、例えば回転床炉又は流動床炉を 包含する。

予熱工程で炉雰囲気内で有利に使用されるガス組成物は、反応器フィードを酸化 することができるあらゆるガス組成物である。例えば、典型的には酸素的２１％ を含有する空気を、酸素を供給するために予熱炉を循環させることができる。遊 離酸素を含有するあらゆるガス又はガスの混合物、例えば純粋酸素及び酸素富有 空気を使用することができる。該酸素含有ガスは、酸素少なくとも約１〜約１０ ％、より有利には酸素約２〜約５％を含有するのが有利である。本発明の有利な 実施例では、反応器フィードを予熱しかつ酸化するために使用される酸素富有燃 焼ガスを発生するために燃料に過剰の空気を添加する。

酸化雰囲気中で反応器フィードを予熱する１つの利点は、フィード内に存在する ことができるあらゆる磁鉄鉱が鉄炭化物に転化される前に、部分的に又は完全に 赤鉄鋼に酸化されることにある。赤鉄鋼は磁鉄鉱より迅速に鉄炭化物に転化され ることが判明した。理論的に裏付け゛ようとは欲しないが、該改良は、鉄酸化物 構造の間隙孔の開口させ、付加的な酸素が予熱中に該構造内に押し込まれ、次い で該構造から転化中に除去され、引き続いての拡散制御反応にとって好ましい一 層多孔質の構造を後に残すものと見なされる。

磁鉄鉱の赤鉄鋼への酸化に加えて、別の利点は本発明による方法を利用すること により実現される。例えば、酸化雰囲気内で予熱すると、硫黄が排除されるか又 は安定化される。

酸化予熱工程で、硫化物硫黄含量は、揮発性ガスである二酸化硫黄（Ｓ　Ｏｚ） に転化されることにより著しく減少せしめられるか、又は酸化し、引き続きアル カリ土類金属、例えば酸化カルシウム又は酸化カリウムと結合して熱的に安定な 硫化物を形成することにより安定化せしめられる。転化工程中に反応器フィード 内に硫化物硫黄が存在すると、鉄炭化物の生成が妨害されることが判明した。従 って、酸化雰囲気内での予熱は、反応器フィードからの鉄炭化物の製造にとって 好ましい別の予測されなかった結果を生じる。

また、該予熱工程は、遊離水分、並びに水和の水分を減少させる、従って転化反 応器に入る水量を減少させる。この見地において、水の最少化は重要である、そ れというのも該転化は、フィード内の酸素と結合することにより水に転化され得 る水の量によって部分的に制御されるからである。化学的拘束に基づき、反応器 に流入する水のあらゆる増加は、反応器内で形成され得る水の量を制限する。従 って、予熱工程で水を除去することは、該方法の効率及び能力を改善する。有利 には、予熱された反応器フィード内の全含水量は、約４％未満、より有利には約 ３％未満、及び最も有利には約２％未満である。

最後に、反応器フィードを予熱することにより、転化ガスによるか又は流動床反 応器を加熱することによる流動床反応器系に加えられるべき熱量は少なくなる反 応器フィードを予熱した後に、次いで該フィードを鉄炭化物に、有利には流動床 反応器内で転化する。

最終生成物が実質的に鉄炭化物からなることを保証するために、転化ガス、圧力 及び温度は、厳しく制御しなければならない。有利には、この制御はコンピュー タ自動化システムにより維持することができ、該システムは、それぞれ“鉄含有 反応器フィードの鉄炭化物への転化を制御する方法（ＩＩＥＴＩＩＯＤ　ＦＯＲ Ｃ０ＮＴ［１ＯＬＬＩＮＧ丁ＨＥ　Ｃ０ＮＶＥＲＴＩＯＮ　ＯＦ　Ｉ［１ＯＮＣ ＯＮＴＡＩＮＩＮＧ　ＲＥＡＣＴＯ［ｌ　ＦＥＥＤ　ＩＮＴＯＩＲＯＮ　ＣＡ［ ＩＢＩＤＥ”及び“反応器フィードの鉄炭化物への転化における生成物品質を制 御する方法（Ｐｌ？０ＣＥＳＳ　ＦＯＩ？　Ｃ０ＮＴＲ０ＬＩＪＮＧ　ＴＩＴＥ 　ＰＩＩＯＤＵＣＴ　ＱＵＡＬＩＴＹ　ＩＮ　Ｔ■Ｅ　Ｃ０ＮＶＥＲＴＩＯＮ　 ＯＦ　ＲＥＡＣＴＯＩ？　ＦＥＥＤ　ＩＮＴＯＩＲＯＮ　ＣＡＲＢＩＤＥ）”の 名称で一般に公開された米国特許出願公開第０７１５６１１００号明細書及び米 国特許出願公開第０７７５６１０７７号明細書に記載の発明の対象である。

典型的には、該平衡ガス系は５種類のガスからなる。これらは水（Ｈ２Ｏ）、− 酸化炭素（Ｃｏ）　、二酸化炭素（Ｃｏｗ）、水素（Ｈｚ）、及びメタン（ＣＨ ４）からなる。付加的に、系内に存在する窒素（Ｎりが存在してもよい。

前記のものは平衡ガスを構成するが、水素、炭素及び酸素は、所定の温度及び圧 力で５種類のガスが好ましい割合で存在するように、ガス状又は固体の形を含む 、任意の数の形で系に加えることができると、解されるべきである。例えば、別 の炭化水素ガス、例えばプロパン（ＣｓＨｓ）を、水素、炭素及び酸素の好まし い平衡を達成するために添加することができる。

第１図は、約５２７℃での鉄炭化物（Ｆｅ、Ｃ）の形成の関する鉄／酸素／水素 ／炭素系を表す安定性グラブである。該グラブは、ガス状雰囲気を制御すること により、鉄炭化物が安定な最終生成物になることを可能にするだけでなく、鉄炭 化物を最初に金属鉄を製造する必要なく鉄酸化物から直接鉄炭化物を製造するこ とができる。

所定の温度及び圧力で安定度グラブにおける任意の点が、この５種類のガス系に おける独特のガス組成を示すために、対数座標を以下の平衡式：％式％ によって表される平衡拘束に基づくガス組成に翻訳することが可能である。

有利には、流入ガスは以下のもの（又はその等価物）を以下のモル％で含有する ニー酸化炭素約２０％以下、有利には約５％〜約１０％；二酸化炭素約２０％以 下、有利には約２％〜約８％：メタン約８０％以下、有利には約３５％〜約５０ ％：水素約８０％以下、有利には約３５％〜約５０％：窒素約０％〜約１５％、 有利には約０％〜約１０％：及び水蒸気的５％、有利には約１％〜約２％である 。

転化工程中、流動床反応器上のガス圧は、有利には約１５〜約４５ｐｓｉａ　（ 約１００〜約３１０ｋＰａ）、より有利には約１５〜約３０ｐｓｉａ（約１００ 〜約２１０ｋＰａ）である。流動床の下のウンイドボソクス内の温度は、有利に は約５００℃〜７５０℃の範囲内、より有利には約り００℃〜約７００℃の範囲 内にある。流動床上の空間内の温度は、有利には約１００〜約６５０℃、より有 利には約１００〜約６００℃の範囲内にある。

次に第２図に関して説明すると、鉱石１０２を予熱炉１０６内に入れ、該炉内で 鉱石を燃料１０８の燃焼により予熱しかつ過剰の流入空気１０４により酸化する 。空気１０４は燃料１０８の燃焼を助けかつ鉱石１０２に酸素を提供する。今や 予熱され、酸化され、脱水された、かつ揮発性汚染物質を含まない鉱石１０２を 、流動床反応器１１４に搬送し、該反応器１１４内で鉱石１０２をガス予熱器１ １０からの還元及び炭化ガスに曝す。

流動床反応器１１４内での十分な時間後に、鉄炭化物１６０を取り出す。流入し たガス１１５よりも大量のガス１１７が流動床反応器１１４から流出する（鉱石 からの酸素及び水の遊離に基づき）ので、流出ガス１１７は高い熱含量を有する 。従って、該ガス１１７を冷却するために、２つのフィンファンユニット１６４ 及び１６６を使用する。還元及び炭化ガスを、それらをガス予熱器１１０中に導 入する前に、予熱するために、２つのフィンファンユニット１６４及び１６６の 間に配置された熱交換器を使用する。

次いで、反応器流出ガス１１７をスフラッパ１３２に流入させる。該スフラッパ １３２内では、反応器流出ガス１１７内の過剰の熱を除去するためにベンチュリ スフラッパ（図示せず）を使用する。次いで、該ガスはスフラッパ１３２の充填 塔区分（図示せず）に流入し、該区分内で流出ガスは、反応器内で形成された水 を凝縮させるために約２１℃の水に対して自流で流動させる。スクラッピング後 に、該ガスは再循環がス１３０になる。該再循環ガス１３０の幾分かは、窒素の 蓄積を制御するために放出することができる（１６８）。該ブリード１６８は、 補給ガス１２２が窒素を含有する場合に必要である、さもなければガス流は場合 により殆ど全部が窒素からなることになる。放出ガスは、燃料１７０のために再 循環させることができる流動床反応器１１４のためのガス１１５は、ガス予熱器 １１０から到来し、該該予熱器内で該ガスを約り００℃〜約８００℃の予熱する 。炭化及び還元ガス混合物１１５を形成するために、補給化学物質１２６及び補 給ブリード１２８ガスをブレンドして、ブレンドした補給がス１２２を形成する 。次いで、このブレンドした補給ガス１２２を、スクラッピングした再循環ガス １３０に加え、かつ得られたガス混合物１１５をコンプレッサ１７２及び執交換 器１１８を通過させる。熱交換器１１８を通過した後に、該ガス流１１５をガス 予熱器１１０に搬送する。予熱器１７８からの予熱された空気は、ガス１１５を 予熱するために燃料１７０の燃焼を助けるために使用する。

反応器フィードを鉄炭化物に有効に転化するためには、該反応器フィードは、拡 散制御反応を完了させるために十分な時間転化ガスとの接触を維持するのが有利 である。従来技術の単一コンパートメント、即ちそらせ板を有しない流動床反応 器においては、未処理のフィード材料と流動床内の材料との急速な混合が行われ る、その際混合度は、該流動床内の乱流の関数であり、該乱流はまた流動化のた めに使用されるガス速度の関数である。このフィードと生成物との混合は、未反 応物質が排出口に搬送される事態をもたらし、ひいては未反応、従って好ましく ない成分を含有する生成物を生じる。

流動床の優れたガス／固体接触特性を維持した上で、前記の好ましくない混合又 は短絡を最小にするために、流動床反応器内に固体のためにプラグ流れ条件を構 成するのが有利である。実賞的に均一な横断面、例えば方形又は円形横断面を、 流動床反応器として使用することができる。しかしながら、これらの直線形反応 器における熱応力及び不均一な加熱問題に基づき、フィード材料を予め決めた形 式で最初のフィード地点から反応器排出地点へ移動せしめるそらせ板を有する円 形流動床反応器を使用するのが有利である。本発明との関連において有利に使用 される流動床反応器構造は、′流動床反応器及びその使用方法（ＦＬＵＩＤＩＺ ＥＤ　ＢＥＤ＾ＮＤ　ＰＲＯＣＥＳＳ　ＦＯＲＵＳＩＮＧ　ＳＡＭＥ）″の発明 の名称で出願され、公開された米国特許出願第０７１５６１０７６号明細書の発 明の対象である。

それに従、て、任意の所定の寸法の反応器のために必要なそらせ板の数及び配！ 並びに条件の組み合わせを決定しかつそらせ板を調節することができる。この場 合には、最適なそらせ板の条件を決定するために、転化ガスの量、温度、組成、 及び圧力並びに鉱石の量、温度及び組成を知るのが好ましい。最適なそらせ板の 配置は、所望の反応のほぼ完全な遂行を保証した上で、プラグ流れ条件を与える ために必要なそらせ板の数に依存する。

次に第３図及び第４図に関して説明すると、該図面には流動床反応器の１実施例 が示されている。反応器フィード２０は入り口１２から流動床反応器１０に流入 しかつほぼプラグ流れの形式で流動床反応器１０を通過する。反応器フィード２ ０は複数のノズル４８のよって流動せしめられる。有利には、該ノズルは調節可 能である。プラグ流れは、そらせ板１６．１７．１８及び１９によって生ぜしめ られる。そらせ板１９を横切った後に、転化された反応器フィードは反応器を出 口１４から出る。

有利には、流動床反応器の深さは、床直径の２倍よりも大きいべきでない。しか しながら、この比は流入するガスの圧力に応じて変動することができる。例えば 、流入するガスの圧力を増大させると、流動床深さを増大させることができる。

本発明によれば、反応器フィードは約Ｑ、１ｍｍ〜約０．１ｍｍの平均直径を有 するのが有利である。このフィード寸法に相応して、流動床深さは約１２フイー ト（３，６６ｍ）であり、一方有利な直径は約４０フイート（１２，２ｍ）まで あってよいが、約６フイート（１，８３ｍ）より小さくないのが有利である。ガ ス流は、有利には約１〜約４フイート／秒（０、３−１、２ｍ　／　ｓ　）　、 より有利には約２フイート／秒（０，６１ｍ／ｓ）の空間速度を維持すれば十分 である。それせ板の間の間隔は、有利には約５〜約１０フイート、より有利には 約６〜約８フイートである。

転化の進行は、棚段の数に左右されると考えることができる。最初の棚段で、赤 鉄鋼の磁鉄鉱への転化がほぼ完了する。残りの棚段で、磁鉄鉱の鉄炭化物への転 化が行われる。既に述べたように、反応パラメータの組み合わせを分析し、かつ 該棚段での転化度を計算することができる。このようにして、予め、そらせ板に より得られるどれくらいの路長が、所望の転化を提供するために十分であるかを 決定することができる。

そらせ板装置のもう１つの利点は、直径が１０フイートを越えるようなもののよ うに太き（した、そらせ板を有しない反応器においては、単−供給口及び単一排 出地点を使用すると、固体に関する楕円形の流動パターンが生じることにある。

該楕円形の流動パターンは、流入ガスがフィード転化のために使用されない、不 活性領域を正規の流動パターンの側面に生じる。従って、これらの不活性領域は 、反応器の能力に不利に影響する。そらせ坂の使用に伴い、生じる流動制御は反 応器の全領域を活用し、しかも単−供給口及び単一排出地点を必要とするにすぎ ない。このことは、流入ガスを未反応フィード粒子に接触させる能力が、循環ガ スを利用することができる効率を決定する鉄炭化物工程において重要である。

本発明による流動床反応器では、転化ガスを有利には流動床反応器から分離して 加熱する。次いで、転化ガスを流動床の下に配置されたランドボックスに搬送す る。該流動床とランドボックスは、圧力低下を制御し、かつガスが流動床全体に わたって均一に分散されるのを保証するために、オリフィスプレートによって分 離されている。

オリフィスプレートが平坦さを維持するように、オリフィスプレートで起こり得 る熱膨張を補償するために、オリフィスプレートが反応器シェルに接続された、 新規のＳ”リング膨張系を使用することができる次に第５図について説明すると 、オリフィスプレート構造の特殊な１実施例が示されている。該アッセンブリ４ ０は、外周部がＳ字形状１２を有するオリフィスプレート４６を有する。耐熱性 材料のような材料を、有利にはオリフィスプレート４４上に置くのが場合により 有利である。この目的のためには、注型可能な耐熱性材料が特に有効であること が判明した。

本発明に基づくオリフィスプレートの１つの利点は、垂れ下がりを最少にするた めにオリフィスプレートの下に接触しない支持体（図示せず）を配置することが できることにある。従って、オリフィスプレートの垂れ下がりに開運した問題を 生じることなく、大きな直径のオリフィスプレート、ひいては大きな直径の流動 床反応器を使用することができる。

圧力低下、ひいてはウンドボクスから流動床に運動するガスの分配を正確に制御 するために、有利には金属構造からなる、変動できるオリフィスノズル４８（１ つだけを示す）を利用することができる。第５図には、オリフィスノズルの拡大 断面図が示されている。

該ユニットは、底部周辺部の開口の面積を変化させるためにボルト５６を中心に 回転させることができるキャップ５２からなる。有利な開口度を決定しかつセッ トした後に、カバーリングキャップを調節ねじ（図示せず）を用いて位置固定し 、所望により、その位置に溶接することができる。この構造は、所定の反応器を 、有効板の全面にわたる予めきめた一定の圧力低下を維持した上で、異なった全 ガス流を使用して種々の寸法にフィード材料を処理するために使用することを可 能にする。

本発明によれば、オリフィスプレートは有利にはノズル約２．５〜約３個／フィ ート平方を有する。従って、直径６フイートの反応器は、約６〜８インチ区画に 配置されたほぼ８０個のノズルを有することになる転化後に、鉱石中の鉄は、好 ましくは少な（とも約９０％、より有利には少なくとも約９５％、もつと有利に は少なくとも約９７％、最も有利には９８％が鉄炭化物からなる。残りの不純物 は、典型的には酸化物及び金属鉄を含む。有利には、最大鉄酸化物含量は約２％ であり、一方金属鉄の最大量は約１％である。

本発明に基づき製造された鉄炭化物は、流動床反応器を出た際にその表面上に水 素の層を有することがある。水素の触媒燃焼は該材料を自然発火性にすることが あるので、水素層を除去するために該鉄炭化物を処理するのが望ましい。例えば 、該鉄炭化物を、水素を除去するために、不活性ガス、例えば窒素、二酸化炭素 又は希ガスの流れに曝すことができる。ガスの流速及び流量は、水素の殆どを除 去するために十分であるべきである。選択的に、該鉄炭化物を真空中に置（こと により水素を除去することもできる。

本発明の１実施態様によれば、鉄炭化物を直接的製鋼法で利用することができる 。有利には、鉄炭化物の鋼への転化は塩基性酸素炉内で実施する。塩基性酸素炉 法の性質のために、この方法で鉄炭化物を鋼に処理するには、別の製鋼法及び炉 と比較して特殊な条件を適用する。

転化工程と製鋼工程を閉鎖連結すれば、熱計算によると、該プロセスを自熱式に するためには、少量の熱を加えるだけでよいことが判明した。有利には、鉄炭化 物は流動床反応器から約り８０℃〜約７１０℃、より有利には約り５０℃〜約６ ００℃の高温で排出され、かつ直接上記温度で塩基性酸素炉に装入することがで きる。選択的に、熱の実質的に全部を供給して該プロセスを自熱式にするために 鉄炭化物を１２００℃に加熱することもできる。

１つの配置形式では、製鋼炉からの排ガスを、直接流動床ユニットに流通させる 。該方法の実施例では、酸化物を鉄炭化物に転化するために流動床ユニット内で 使用された実質的に全ての炭素は、炉内で一酸化炭素として回収されかつ鉄炭化 物の製造で再使用するために流動床ユニットを経て循環せしめられる。

鉄炭化物生成物が製鋼工程の前に冷却される場合には、鉄炭化物生成物を再加熱 するか又は製鋼工程に外部熱を加えるかのいずれかの形で熱を供給しなけらばな らない。

熱収支計算によれば、周囲温度で、鉄炭化物は塩基性酸素炉内で行われた反応を 自熱式にするに十分な燃料値を有しないことが判明した。該反応を自立性にする ために必要な付加的熱は、多数の方法で供給することができる。例えば、鉄炭化 物の処理によって発生した塩基性酸素炉からの排ガスは、実質的な顕熱に加えて 一酸化炭素約９０％を含有する。該顕熱は、熱交換器を使用して又はその形式で 取り出し装入鉄炭化物を加熱することができる。排ガスの一部分を燃焼させるこ とにより、該顕熱を増大させかつ鉄炭化物装入物の必要な予熱を行い、該方法を 自熱式にするために十分な熱を発生させることができる。若干な条件下では、該 顕熱だけで十分であるか、又は予熱のための熱は全部排ガスの燃焼から得ること ができる。有利には、予熱温度範囲は、約り００℃〜約１２００℃、より有利に は約り１００℃〜約１２００℃である。

別の選択性として、該方法を自熱式にするために必要な熱は、全部又は一部分Ｆ ｅ５Ｃ装入物を外部熱源で直接加熱することにより供給することができる。また 、工程中の燃焼による幾分かの必要な熱を供給するために、鉄炭化物に十分な炭 素を添加することもできる。該炭素の添加量は、鉄炭化物の約３重量％〜約５重 量％の範囲内で変動する。炭素は、初期には一酸化炭素からなる炭素含有ガス内 で鉄炭化物を予熱することにより鉄炭化物に添加することができる。選択的に、 付加的な熱を供給するために、酸素炉装入物に溶銑を加えることもできるう 通常の塩基性酸素製鋼においては、冷却目的のために溶融した銑鉄（溶銑）に典 型的にはスクラップ鉄を加える。本発明との関連して、スクラップ鉄の代わりに 、塩基性酸素炉又は電気炉内の溶融した銑鉄に冷たい鉄炭化物装入物を加えるこ とができる。この手段の重要な利点は、冷却のために通常の塩基性酸素炉法に加 えることができるスクラップ鉄の２倍の量の鉄炭化物を冷媒として装入すること ができることにある。例えば、鉄炭化物は鉄炭化物／溶銑装入物の５０重量％の 量まで加えることができる。他方では、標準塩基性酸素炉法は、銑鉄的７０％及 びスクラップ鉄約３０％を加えることを必要とする。鉄炭化物を使用すると、装 入物に加える銑鉄の量が少なくなる、従って冷媒としてスクラップ鉄を使用する プラントは、鉄炭化物を使用することによって５０％多（の鋼を製造することが できる。この１つの利点は、現在設置されている溶鉱炉を、本発明による方法に 基づき継続して運転することできることにある。

電気炉で製鋼を実施する際には、必要な任意の外部熱は、このタイプの炉で一般 に使用される電気エネルギの手段により供給することができる。

該製鋼法は、所望により、塩基性酸素炉内での反応を自熱式にするために鉄炭化 物のために必要な熱を供給するための前記手段を単独で、又は組み合わせて包含 する。

前記方法の多数の利点は、前記記載から明らかである。１つの利点は、鉄鉱石を 鋼に転化する際に費用のかかる中間溶鉱炉工程を省くことができることにある。

転化及び製鋼工程を同じ場所で組み合わせて実施する場合には、製鋼工程のため に少量の熱が必要であるにすぎず、かつ製鋼工程からの一酸化炭素が鉄鉱石の転 化のために必要な炭素を提供する。製鋼で溶融した銑鉄（溶銑）を使用する場合 には、冷却のために大量の鉄炭化物を加えることができる。該全方法は、実際に 汚染を惹起せずかつ非生産反応体の最大の保存及び再使用を提供する。該全方法 のもう１つの利点は、製鋼炉に搬送する前に鉱山の近くで炭化物を製造すれば、 輸送コストの倹約をもたらすことにあるる、それというのも鉄炭化物は鉄酸化物 よりも高い割合で育用物質を含有するからである。

実施例 実施例１ 鉄鉱石の酸化、特に磁鉄鉱の赤鉄鉱への転化のおける予熱温度及び時間の効果を 観察するために、Ｌｕｏｓｓａｖａａｒａ−［１ｉｒｕｎａｖａａｒａ　ＡＢ磁 鉄砿精鉱を入手した。該鉄鉱石は、モスバウアー（Ｍｏｓｓｂａｕｅｒ）分析に よって決定して、公称組成：　Ｆ　ｅ　３０４９６−０％及びＦｅ２０３２．５ ％を有していた。

該鉄鉱石を酸化雰囲気内で５５０℃か又は８００℃のいずれかで滞留時間を変更 して予熱した。

第１表 温度　時間　Ｆｅ３Ｏ４Ｆｅ３０４ （℃） 一−−−−仙天−−−）ムー　Ｃ％） ５５０　１６　５４．２　４４．３ ５５０　２４　５２．５　４６．０ ５５０　３６　４０．７　５７．８ ５５０　４８　３９．６　５８．８ ５５０　９６　３７．０　６１．５ ８００　３　４２．２　５６−３ ８００　４　２０．８　７７．７ ８００　８　１９．０　７９．５ ８００　１６　１１．０　８７．５ 第１表から明らかなように、該鉄鉱石は殆どが効果的に８００℃で、１６時間の 延長した時間で酸化された。５５０℃の温度では、掻く部分的な酸化が達成され たに過ぎない。

実施例２ 鉄鉱石の鉄炭化物への転化における赤鉄鉱顔料の効果を確認するために、実施例 １からの鉄鉱石精鉱及び赤鉄鉱高′１ｌＩＩＩｊ：を使用した。この試験結果は 第２表に示す。試料１及び４は、酸化雰囲気では予熱しなかった。試料２は５５ ０℃で２４時間及び試料３は８ｏｏ℃で１６時間酸化した。４つの全ての試料を 、流動床反応器内で６５０℃６時間、但し試料４は５５０℃で６時間還元及び浸 炭した。それらの結果は、第２表にまとめて示す。

第４表は、種々の温度でのＦ　ｅ　−Ｆ　ｅ　３Ｃ−Ｆ　ｅ　ｓｏ　４又はＦｅ Ｏ三角点のための平衡ガス組成を示す。該情報は、第１図に示されているように 、安定度グラフから計算した。第１図において、三角点は“Ｘ゛で示されている 。この表は、鉄炭化物への転化の際に流入する水の効果を説明するために有用で ある。該表は、反応器流出ガス中で許容され得る最大含水率を示す。例えば、反 応器を１．５気圧及び６００℃で操作すると、水１４．０８容量％が、流出ガス 中に生じ得る最大である。循環ガスが水１．５％を含有する場合には、固体フィ ード中に水が存在しないとすれば、１回のパス当たり水１２．５８％を発生する ことができる。もしフィードが遊離又は結合した水分として水を付加的に１％等 量含有していたとすれば、このことは鉄炭化物を製造する反応器の能力をほぼ８ ％（１／１２．５８）を低下させる（重大な低下である）影響を及ぼすことにな る。従って、予熱工程で実質的に水を除去することは、績糸の生産率を改善する 。

第４表 温　度 ６Ｆ（℃） 全圧力　８４２　９３２　１０２２　１１１２　１２０２％　（４５０）　並立 ０）　（５５０）　（６６０）　（６５０）１ａｔｍＮ２４　４　４　４　４ Ｃｏ　Ｏ，２６１，２４４，８７１４，６３３６，９７Ｃｏ２０．２８１，２４ ４．８７１３．１２２８．５１Ｈ２１７，８１２９，２３３９，４５４０，３６ ２０，９７Ｈ２０２，５７６，０７１１，３０１３，７６７，９２ＣＨ４７５， ０８５８，１９３５，５０１４，１０１，６０１，５ａｔ＊Ｎ２　４　４　４　 ４　４Ｃｏ　Ｏ，１７０，８２３，２４９，７５２４，６５ＣＯ２０，１７０， ８２３，２４８，７４１９，００Ｈ２１４，８８２５，０４３５，６９４１゜２ ８３３．５２Ｈ２０２，１４５，２０１０，２２１４，０８１２，６８ＣＨ４７ ８，６１６４，０８４３，５８２２，１３６，１５１，８ａｔｍＮ２４　４　４ 　４　４ Ｃｏ　Ｏ，１４０，６９２，７０８，１３２０，５４ＣＯ２０，１４０，６９２ ，７０７，２９１５，８４Ｈ２１３，７１２３，２９３３，８５４０，７６３６ ，８ＬＨ２０１，９７４，８４９，６９１３，９０１３，９０ＣＨ４８０，０１ ６６，４８４７゜０３２５．９０８．９０２ａｔｍＮ２４　４　４　４　４ Ｃｏ　Ｏ，１３０，６２２，４３７，３１１８，４８ＣＯ２０，１３０，６２２ ，４３６，５６１４，２５Ｈ２１３，０６２２，３１３２，７７４０，２８３８ ，１８Ｈ２０１，８８４，６３９，３８１３，７４１４，４２ＣＨ４８０，７８ ６７，８０４８，９７２８，０９１０，６４本発明の種々の実施例を詳細に説明 して来たが、これらの実施例の変更及び改変は当業者にとって容易に想到される ことは自明のことである。しかしながら、このような変更及び改変は、明らかに 以下の請求の範囲の範囲内に含まれると解されるべきである。

ＦＩＣ；、７ ＦＩＣ；、６ ＦＩＣ；、７ ０ツドミル生成物の転化 時間（ｈ） ＦＩＧ、８ ０ノドミル生成物の転化 時間（ｈ） 国際調査報告 フロントページの続き （８１）指定回　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、　ＧＲ，ＩＴ、　ＬＵ、　ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ（Ｂ Ｆ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＳＮ、ＴＤ、Ｔ Ｇ）、ＡＴ、ＡＵ、ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ，Ｃ３，ＤＥ、　ＤＫ 。

ＥＳ、ＦＩ、　ＧＢ、　ＨＵ、ＪＰ、　ＫＰ、　ＫＲ，ＬＫ、　ＬＵ、ＭＣ，Ｍ Ｇ、ＭＮ、　ＭＷ、ＮＬ、Ｎｏ、ＰＬ、ＲＯ、ＳＤ、ＳＥ、５Ｕ （７２）発明者　スティーヴンス、フランク　エム、ジュニア アメリカ合衆国　コロラド　８０２１５　レイクウッド　ウェスト　エイティー ンス　ドライヴ　１２２２５

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. １．反応器フィードを鉄炭化物の転化する方法において、該工程が ａ）反応器フィードの少なくとも一部分を酸化雰囲気内で予熱して、前記反応器 フィードの少なくとも一部分を酸化する、及び ｂ）予熱した反応器フィードの少なくとも一部分を鉄炭化物に転化する ことよりなることを特徴とする、反応器フィードを鉄炭化物の転化する方法。
2. ２．前記予熱工程が、反応器フィードを約５００℃と約９００℃の間の温度に加 熱することよりなる、請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．反応器フィードを約２時間ないし約５時間予熱する、請求の範囲第１項記載 の方法。
4. ４．予熱した反応器フィードが赤鉄鉱少なくとも約３０重量％を有する、請求の 範囲第１項記載の方法。
5. ５．予熱した反応器フィード内の鉄の少なくとも約９０重量％を鉄炭化物に転化 する、請求の範囲第１項記載の方法。
6. ６．前記転化工程が、予熱した反応器フィードを流動床反応器に入れ、かつ該反 応器フィードを還元及び炭化ガスと接触させて、反応器フィードの少なくとも一 部分を鉄炭化物に転化する工程からなる、請求の範囲第１項記載の方法。
7. ７．前記ガスが水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン及び水からなる、請求の 範囲第６項記載の方法。
8. ８．前記流動床反応器が、流路を規定する複数のそらせ板を有する、請求の範囲 第６項記載の方法。
9. ９．付加的に、鉄炭化物を不活性ガス内で洗浄して、鉄炭化物の表面から水素を 除去する工程を有する、請求の範囲第１項記載の方法。
10. １０．前記ガスが窒素及び二酸化炭素及び貴ガスの群から選択される、請求の範 囲第９項記載の方法。
11. １１．付加的に、鉄炭化物を真空内に入れ、鉄炭化物の表面から水素を除去する 工程を有する、請求の範囲第１項記載の方法。
12. １２．硫化物硫黄を含有する反応器フィードを鉄炭化物に転化する方法において 、該工程が ａ）反応器フィードを予熱して、前記硫化物硫黄の少なくとも一部分を揮発させ る、及びｂ）予熱した反応器フィードの少なくとも一部分を鉄炭化物に転化する ことよりなる、硫化物硫黄を含有する反応器フィードを鉄炭化物に転化する方法 。
13. １３．前記予熱工程が、反応器フィードを約５００℃と約９００℃の間の温度に 加熱することよりなる、請求の範囲第１２項記載の方法。
14. １４．予熱した反応器フィードが、硫黄約０．２重量％未満を有する、請求の範 囲第１２項記載の方法。
15. １５．反応器フィードを鉄炭化物に転化する方法において、該工程が ａ）反応器フィードを予熱して、前反応器フィードに存在する水の少なくとも一 部分を揮発させかつ反応器フィードの少なくとも一部分を酸化する、及び ｂ）予熱した反応器フィードの少なくとも一部分を鉄炭化物に転化する ことよりなる、反応器フィードを鉄炭化物に転化する方法。
16. １６．前記予熱工程が、反応器フィードを約５００℃と約９００℃の間の温度に 加熱することよりなる、請求の範囲第１５項記載の方法。
17. １７．予熱した反応器フィードが、水約３重量％未満を有する、請求の範囲第１ ５項記載の方法。
18. １８．磁鉄鉱を有する反応器フィードを鉄炭化物に転化する方法において、該工 程が ａ）反応器フィードを酸化雰囲気内で少なくとも約５００℃の温度に予熱して、 磁鉄鉱の少なくとも一部分を赤鉄鉱に転化する、及び ｂ）反応器フィード内の少なくとも約９０重量％を流動床反応器内で鉄炭化物に 転化することよりなる、磁鉄鉱を有する反応器フィードを鉄炭化物に転化する方 法。
19. １９．反応器フィードから鋼を製造する方法において、該工程が ａ）反応器フィードを酸化雰囲気内で少なくとも約５００℃の温度に予熱する、 ｂ）予熱した反応器フィードを流動床反応器内で転化して、反応器フィード内の 鉄の少なくとも一部分を鉄炭化物に転化する、及び ｃ）該鉄炭化物を使用して、製鋼炉内で鋼を製造する ことよりなる、反応器フィードから鋼を製造する方法。
20. ２０．鉄炭化物中の炭素の一部分を熱を放出させながら酸化することにより鋼を 製造し、それにより製鋼炉を運転するための熱を調達する、請求の範囲第１９項 記載の方法。
21. ２１．鉄炭化物を約４８０℃ないし約７１０℃の温度の範囲内の温度で流動床反 応器から排出する、請求の範囲第２０項記載の方法。
22. ２２．前記浸炭工程が、反応器フィードを一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水及 びメタンからなる平衡ガス組成物と接触させる工程を含む、請求の範囲第１９項 記載の方法。
23. ２３．付加的に、前記転化工程に引き続き鉄炭化物の表面から水素を除去するた めに鉄炭化物をガスで洗浄する工程を有する、請求の範囲第１９項記載の方法。
24. ２４．前記ガスが窒素、二酸化炭素及び貴ガスからなる群から選択される、請求 の範囲第２２項記載の方法。
25. ２５．付加的に、鉄炭化物を真空内に入れ、鉄炭化物の表面から水素を除去する 工程を有する、請求の範囲第１９項記載の方法。