JPH0730375B2 - 流動層炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉粒状の原料を装入し
て流動状態で各種反応を生じさせる流動層炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から流動層炉は、鉄、およびニッケ
ルやクロム等の非鉄の精錬、セメントや焼石灰などの製
造に用いられている。近年、鉄鉱石などを溶融状態で直
接還元して鉄を製造する溶融還元法が開発されている。
鉄の溶融還元法の一環として、粉粒状の鉄鉱石を使用す
る流動層形式の予備還元炉についての先行技術は、たと
えば特開平１−１２９９１５号公報、実開平２−９４２
４２号公報、特開平３−１３０３１４号公報あるいは特
開平３−１８３７１０号公報などで開示されている。

【０００３】特開平１−１２９９１５号公報に開示され
ている先行技術では、予備還元炉の下方から還元ガスを
導入し、分散板上に鉱石の流動層を形成し、予備還元炉
上方からの排ガスをサイクロンセパレータに導き、分離
された微粉粒状の予備還元鉱石を溶融還元炉に供給する
とともに、分散板の中央部からも中・粗粒状の予備還元
鉱石を溶融還元炉に供給する。実開平２−９４２４２号
公報に開示されている先行技術では、第１の予備還元炉
に原料鉱石を装入し、その排ガス中からサイクロンによ
って分離された微粉鉱石を第２予備還元炉に装入し、第
１および第２の予備還元炉から粗粒および細粒の還元鉱
石をそれぞれ取出して溶融還元炉に供給する。特開平３
−１３０３１４号公報に開示されている先行技術では、
１段目の流動層炉に原料鉱石を装入し、中間予備還元鉱
石を２段目の流動層炉に装入して、予備還元鉱石を得
る。

【０００４】特開平３−１８３７１０号公報に開示され
ている先行技術は、概略的に図３図示のような構成を有
する。すなわち、１号流動層炉１および２号流動層炉２
の２つの流動層炉を有し、これらの間には中間サイクロ
ン３が接続され、２号流動層炉２にはさらに最終サイク
ロン４が接続される。１号流動層炉１の下方の風箱５に
は、還元ガス入口６から還元ガス６ａが供給される。風
箱５の上方には分散板７が設けられ、分散板７上方の空
塔部１ａに流動層を形成することができる。空塔部１ａ
の上部は、ダクト８を介して中間サイクロン３に連通す
る。中間サイクロン３から排出されたガスは、ダクト９
に導かれて、２号流動層炉２の下部の風箱１０内に導入
される。風箱１０の上方には分散板１１が設けられ、２
号流動層炉２の上方の空塔部２ａ内に流動層を形成する
ことができる。空塔部２ａの上部はダクト１２によって
最終サイクロン４に連通する。最終サイクロン４は、排
気管１３から排ガス１３ａを排出する。

【０００５】原料１４は、２号流動層炉２の分散板１１
の上方に装入される。分散板１１に原料１４が装入され
ると流動層が形成され、その流動層から移送管１５を介
して還元された原料が取出される。２号流動層炉２で還
元された原料のうち細粒の原料は、最終サイクロン４に
よって、捕集されて循環路１６に導かれる。移送管１５
および循環路１６に導かれる原料は、移送管１７を介し
て１号流動層炉１の分散板７上方に導かれる。中間サイ
クロン３によって捕集された原料は、循環管１８を介し
て１号流動層炉１の分散板７上方に導かれる。

【０００６】１号流動層炉１および２号流動層炉２は、
ともに一定の粒径で微粒と粗粒とを分ける分級効果を持
たせる必要がある。たとえば０．５ｍｍを境に微粒と粗
粒とを分けるとすれば、分散板７および１１の上方の炉
の高さは７ｍ以上を必要とする。このため、装置全体の
高さは、１日あたり１０００トンの能力を有するプラン
トで、最低６０ｍ必要となる。炉内ガスの流速は約５ｍ
／ｓとなるので、微粒の炉内滞留時間は１パスで約４秒
間であり、数回循環させることによって予備還元率は１
８％程度になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特開平１−１２９９１
５号公報に開示されている先行技術では、流動層が１段
であるので設備費用が小さくてよく、また微小な粉状か
ら塊状のものを含む幅広い粒度分布を有する安価な鉄鉱
石が使用可能であるという特徴を有する。しかしなが
ら、流動層が１段であるため、還元ガス中の一酸化炭素
（ＣＯ）や水素（Ｈ₂）ガスの利用効率が悪い。特に微
粒は高速度で炉内を通過してガスと接触する時間が短く
還元されにくい。このため、このような微粒を充分に還
元するには、多量の鉱石を循環し、かつ空塔部を大きく
する必要がある。この結果設備費が大となり、またサイ
クロンで捕らえられずに下流側へ飛散する鉱石ロスも大
きくなる。

【０００８】実開平２−９４２４２号公報に開示されて
いる先行技術では、第１の予備還元炉から供給される粗
粒還元鉱石では１段の流動層による反応しか利用できな
いので還元ガスの利用効率が悪い。しかも２つの流動層
炉が必要となるので、設備費用が大きくなる。さらに、
小径用の流動層は一定粒径未満の微小鉱石は扱えないの
で、整粒を要し、鉱石費用が上昇する。

【０００９】特開平３−１３０３１４号公報に開示され
ている先行技術では、２段の流動層によって粉状の鉄鉱
石を還元しているが、鉄鉱石の循環は行われていない。
このため投入前に、対象となる鉄鉱石の粒度を揃える必
要があり、鉱石費用が増加する。また微粒の還元を高め
て還元ガスを充分に利用するためには、空塔部を大きく
する必要があり、設備費用が増大する。

【００１０】図３図示の先行技術では、２段の流動層炉
を用いて粉状の原料を循環させることによって還元ガス
の利用効率を良好にすることができる。しかしながら、
空塔部を大きくする必要があるので垂直方向の高さが大
きくなり、設備費用が増大する。また一定の範囲内の粒
度の鉱石のみを対象とするので、大きな粒状の鉱石は粉
砕する必要があり、微小鉱石は整粒して除く必要があ
る。このため、鉱石費用は増加する。

【００１１】本発明の目的は、効率的な反応を生じさせ
ることができるとともに、小形の設備でも微細な粉状原
料を充分に滞留させることができ、広い範囲の粒度分布
を有する安価な原料を、前処理なしで使用することがで
きる流動層炉を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、粉粒状の原料
を装入して流動状態で反応させる流動層炉において、鉛
直上方に延びて、最下部に形成される風箱に流動層形成
用の気体流が供給されるハウジングと、通気性を有し、
鉛直方向に間隔をあけて設けられ、ハウジング内を複数
の空間に仕切り、仕切られた空間内に粉粒状原料の流動
層を形成する分散板と、上段側の分散板の上方の空間に
形成される流動層と、下段側の分散板の上方の空間に形
成される流動層とを連結し、流動状態の原料を上方から
下方へ移送させる移送手段と、ハウジング最上部の空間
から排出される気体流が導かれるサイクロンセパレータ
と、サイクロンセパレータによって捕集された粉粒状原
料の少なくとも一部をハウジング内の下段側に形成され
る流動層内に導く循環手段とを含むことを特徴とする流
動層炉である。

【００１３】

【作用】本発明に従えば、流動層炉は、ハウジングと、
複数の分散板と、移送手段と、サイクロンセパレータ
と、循環手段とを含む。ハウジングは鉛直上方に延び
て、最下部に形成される風箱に流動層形成用の気体流が
供給される。ハウジング内には、通気性を有する複数の
分散板が鉛直方向に間隔をあけて設けられる。分散板に
よって仕切られた複数の空間内には、粉粒状原料の流動
層が形成される。移送手段は、上段側の分散板の上方の
空間に形成される流動層と、下段側の分散板の上方の空
間に形成される流動層とを連結するので、流動状態の原
料が上方から下方へ移送される。ハウジング最上部の空
間から排出された気体流はサイクロンセパレータへ導か
れ、そこで気体流中に浮遊していた微粒は遠心力集塵作
用によって捕集される。捕集された微粒の少なくとも一
部は、ハウジング内の下段側に形成される流動層内に導
かれる。流動層内に循環された微粒のうちのかなりの部
分は、直ちに流動層を出ることなく、流動層を形成する
粗粒に衝突しながらしばらく流動層内に留まるため、気
体との接触時間が長く、したがって循環反応が良好に進
行する。

【００１４】したがって、ハウジング内の上段側の空間
に形成される流動層内に粉粒状の原料を装入すると、微
粒は気体流とともに移動し、ハウジングとサイクロンセ
パレータ内で気体と反応しながらサイクロンセパレータ
に捕らえられた後、その少なくとも一部は下段側の空間
に形成される流動層内に循環されて、繰返して気体と反
応する。装入された原料のうちの微粒以外の粉粒状原料
である粗粒は、上段側の流動層内で気体と反応した後、
移送手段を介して下段側の流動層内に移送される。この
ため粗粒は、複数の流動層内で気体流と接触して反応す
ることができる。すなわち、流動層内に留まらずに気体
流とともに排出される微粒は循環して気体流と反応し、
流動層内に留まる粗粒は複数の流動層で気体流と反応す
る。このようにして微粒、粗粒ともに気体流との接触時
間が長くなるので、予備還元炉における予備還元率を大
きくしたり、焼成炉などにおける熱効率を高めることが
できる。しかも、炉体が１基でよく、かつ複数の流動層
が形成されるにもかかわらず、サイクロンセパレータも
１基でよいので、流動層炉全体の設備を小形に構成する
ことができる。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の一実施例による鉄鉱石還元
用流動層炉２０の概略的な構成を示す。鉄鉱石還元用流
動層炉２０は、粉粒状の鉄鉱石を還元するために使用さ
れ、流動層炉本体２１、ダクト２２およびサイクロンセ
パレータ２３から構成される。流動層炉本体２１は、鉛
直上方に延びるハウジング２４内が、上段分散板２５お
よび下段分散板２６によって仕切られる。各分散板２
５，２６には、鉛直方向に貫通する複数のノズル孔２７
が設けられる。ハウジング２４の最下部には、風箱２８
が形成される。風箱２８には、還元ガス入口２９が接続
され、ＣＯやＨ₂などを含む還元ガス２９ａが供給され
る。

【００１６】上段分散板２５の上方の空塔部２４ａに
は、鉄鉱石装入管３０を介して粉粒状の鉄鉱石３１が装
入され、そこで微粒と粗粒に分けられる。風箱２８に供
給された還元ガス２９ａは、下段分散板２６および上段
分散板２５のノズル孔２７をそれぞれ通過して上段分散
板２５上に上昇気流を形成する。この上昇気流により粗
粒が流動し、上段流動層３２が形成される。粉粒状の鉄
鉱石３１中の微粒３３は、気体流によって吹上げられ、
ハウジング２４の上方に連通するダクト２２を介してサ
イクロンセパレータ２３に導かれる。粉粒状の鉄鉱石３
１中の粗粒３４は、上段流動層３２内に滞留した後、粗
粒移送管３５を介して、下段分散板２６上に形成される
下段流動層３６内に導かれる。サイクロンセパレータ２
３内に導かれた微粒３３は、遠心力集塵作用によってサ
イクロンセパレータ２３の下方に捕集され、微粒捕集管
３７に導かれる。微粒捕集管３７に導かれた微粒の少な
くとも一部は、微粒循環管３７ａを介して下段流動層３
６内に導かれる。サイクロンセパレータ２３からは、排
気管３８を介して、微粒３３が分離された排ガス３８ａ
が排出される。下段流動層３６からは、粗粒供給管３９
を介して粗粒が溶融還元炉に供給される。サイクロンセ
パレータ２３によって捕集され、微粒捕集管３７に導か
れた微粒は、微粒循環管３７ａと分岐する微粒供給管３
７ｂを介して溶融還元炉へ供給される。

【００１７】粗粒移送管３５は、第１傾斜ダクト３５
ａ、第１垂直ダクト３５ｂ、水平ダクト３５ｃ、第２垂
直ダクト３５ｄおよび第２傾斜ダクト３５ｅから構成さ
れる。このうち第１垂直ダクト３５ｂ、水平ダクト３５
ｃおよび第２垂直ダクト３５ｄは、マテリアルシール部
を構成する。すなわち上段流動層３２から供給される粗
粒３４が水平ダクト３５ｃに安息角を形成して堆積し、
粗粒移送管３５を介して還元ガスが下段流動層３６から
上段流動層３２へ直接流れないように封止する。なお、
この水平ダクト３５ｃの代わりに、バッファータンクを
設けることも可能である。同様のマテリアルシール部３
７ｃは、微粒循環管３７ａの途中にも設けられる。

【００１８】図２は、図１図示の実施例の構成を簡略化
して示し、対応する部分には同一の参照符を付す。本実
施例による流動層炉は、鉄鉱石装入管３０から供給され
る粉粒状の鉄鉱石原料を、還元ガス入口２９から供給さ
れる還元ガス２９ａを用いて効率的に還元することがで
きる。微粒と粗粒が混在した鉄鉱石は、まず上段流動層
３２内部に装入される。微粒は上段流動層３２内より出
て、排ガスとともにサイクロンセパレータ２３に導かれ
る。サイクロンセパレータ２３では、微粒が分離され、
サイクロンセパレータ２３の下部に捕集される。捕集さ
れた微粒は、微粒捕集管３７に導かれ、一部は微粒供給
管３７ｂを介して溶融還元炉へ供給される。他は微粒循
環管３７ａを介して下段流動層３６内に装入される。微
粒は再び還元ガスとともに上昇し、下段流動層３６を出
て上段分散板２５のノズル孔２７を通過し、上段流動層
３２内に入る。以下、鉄鉱石装入管３０から投入される
粉粒状鉄鉱石内の微粒と同様に、サイクロンセパレータ
２３に導かれる。このようにして、微粒は還元ガスと繰
返し接触しながら還元される。一方粗粒は、上段流動層
３２内で還元ガスと混合されながら予備還元され、粗粒
移送管３５を経て下段流動層３６に至り、そこで還元ガ
スと混合されながらさらに予備還元されて、最終的には
粗粒供給管３９を経て溶融還元炉へ送られる。還元ガス
２９ａは、還元ガス入口２９から風箱２８に入り、下段
分散板２６を経て下段流動層３６に至る。下段流動層３
６内では、粉粒状の鉄鉱石を流動させながら予備還元
し、微粒とともに上段流動層３２内に至る。粗粒移送管
３５と微粒循環管３７ａには、図１図示のようなマテリ
アルシール部が形成され、これによって流動層炉として
の出入口圧力差に耐えることができる。

【００１９】本実施例によれば、下段流動層３６では正
確な分級が行われなくてもよいので、空塔部２４ｂの垂
直方向寸法は従来の技術で必要であった７ｍより小さく
することができ、実際には３〜４ｍで充分となる。した
がって装置全体として必要な高さは、１日当たり１００
０トンの生産能力の設備では４０ｍで充分である。微粒
が流動層内に入り込み、一時的に滞留するので、微粒の
流動層炉内の滞留時間は、炉内ガスの流速が約５ｍ／ｓ
のときに１パス当たり約８秒となり、先行技術に比して
大幅に増加する。鉄鉱石として投入された微粒の一部
は、サイクロンセパレータ２３によって捕集された後
で、微粒供給管３７ｂを介して溶融還元炉へ送られるの
で、予備還元率を低くする影響を及ぼすが、１パス当た
りの滞留時間が長くなるので、平均の予備還元率は図３
図示の先行技術での値約１８％よりも大きくなると試算
される。しかも設備全体が小形に構成されるので、設備
重量も従来の６０％程度でよい。

【００２０】本実施例では、マテリアルシール部を設け
て出入口圧力差に耐えるようにしているけれども、粗粒
移送管３５または微粒循環管３７ａの配管系統に２個の
弁を設け、それらの弁を交互に開閉することによって出
入口圧力差によるガスの流通防止を確実に行うようにし
てもよいことは勿論である。また、上段分散板２５のノ
ズル孔２７の径を大きくすることによって、上段流動層
３２内の粗粒３４の一部を、ノズル孔２７を経て下段流
動層３６へ直接移動可能なようにしてもよいことは勿論
である。

【００２１】また、上段流動層３２が形成される空塔部
２４ａの内壁をコーン状にして、噴流層に近い流動層を
形成するようにしてもよい。さらに、下段流動層３６内
で激しく上下方向に運動する粗粒の一部が、上段分散板
２５のノズル孔２７を経て上段流動層３２内へ入ること
が許容され、その結果、炉の垂直方向の大きさを小さく
できるし、また上段分散板２５の下面に粗粒が衝突する
ことにより上段分散板２５の下面への鉱石の付着が防止
できる。

【００２２】また、上段流動層３２内に、酸素（Ｏ₂）
ガスまたはＯ₂を含む空気等のガスを吹込んで、還元ガ
スなどの一部を燃焼させて温度を上昇させるようにして
もよいことは勿論である。またサイクロンセパレータ２
３を複数個設けて、微粒の捕集効率を上げるようにして
もよいことは勿論である。

【００２３】本実施例によれば、流動層が２段であるの
で、エネルギー利用効率が向上し、運転費が低減する。
また循環する微粉の滞留時間が飛躍的に増大するので、
２段のいずれの流動層が形成される空塔部の垂直方向の
長さは小さくてもよく、設備費を低減することができ
る。２つの流動層間が直結されているので、流動層間粗
粒鉱石移動装置がコンパクトになり、中間のサイクロン
セパレータが不要となるので、設備費が低減される。サ
イクロンセパレータで捕集された微粒鉱石は、下段流動
層で循環して使用するので、サイクロンセパレータを設
置する高さレベルが低く、その支持のための建屋が小さ
くてよいので、設備費用が低減される。また微粒鉱石の
滞留時間が増大し、還元率が上昇するので、エネルギー
効率が良好となり運転費が低減される。さらに微粒から
塊状までの広い粒度分布を有する安価な原料鉱石を前処
理せずに使用可能であるので、運転費が低減される。

【００２４】以上の実施例では、粉粒状の鉄鉱石を予備
還元して、溶融還元炉に供給する鉄鉱石還元用流動層炉
２０について説明しているけれども他の金属の還元や、
セメントや焼石灰の焼成などに用いてもよいことは勿論
である。また、上記実施例では、２つの空塔部２４ａと
２４ｂの内径は等しいとしているが、２つの部分の流動
層部の温度や圧力が大きく異なる等の原因により、２つ
の空塔部２４ａと２４ｂの内径を等しくしない、たとえ
ば空塔部２４ａの内径を２４ｂの内径より大きくするこ
とは充分有り得ることは勿論である。なお、本発明にお
ける流動層とは、噴流層も含む意味を有している。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、流動層内
に留まることができずに気体流とともに排出される微粉
の原料は、サイクロンセパレータで捕集され、循環して
利用することができる。流動層内に留まる大きさの粉粒
状原料は、上段側の流動層から移送手段によって下段側
の流動層に移送され、複数の流動層内で気体流と反応さ
せることができる。このため、粒度分布の範囲の広い安
価な原料を使用して、有効な反応を生じさせることがで
きる。また、ハウジング内に複数の流動層が形成される
にもかかわらず、サイクロンセパレータは１基でよいの
で、設備全体を小形に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の鉄鉱石還元用流動層炉２０
の概略的な構成を示す断面図である。

【図２】図１図示の実施例の構成を簡略化して示す断面
図である。

【図３】従来からの流動層炉の概略的な構成を簡略化し
て示す断面図である。

【符号の説明】

２０ 鉄鉱石還元用流動層炉 ２３ サイクロンセパレータ ２４ ハウジング ２４ａ，２４ｂ 空塔部 ２５ 上段分散板 ２６ 下段分散板 ２７ ノズル孔 ２８ 風箱 ２９ 還元ガス入口 ２９ａ 還元ガス ３０ 鉄鉱石装入管 ３１ 鉄鉱石 ３２ 上段流動層 ３３ 微粒 ３４ 粗粒 ３５ 粗粒移送管 ３６ 下段流動層 ３７ 微粒循環管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青山 秀 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１ 号 川崎重工業株式会社 神戸工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉粒状の原料を装入して流動状態で反応
   させる流動層炉において、 鉛直上方に延びて、最下部に形成される風箱に流動層形
   成用の気体流が供給されるハウジングと、 通気性を有し、鉛直方向に間隔をあけて設けられ、ハウ
   ジング内を複数の空間に仕切り、仕切られた空間内に粉
   粒状原料の流動層を形成する分散板と、 上段側の分散板の上方の空間に形成される流動層と、下
   段側の分散板の上方の空間に形成される流動層とを連結
   し、流動状態の原料を上方から下方へ移送させる移送手
   段と、 ハウジング最上部の空間から排出される気体流が導かれ
   るサイクロンセパレータと、 サイクロンセパレータによって捕集された粉粒状原料の
   少なくとも一部をハウジング内の下段側に形成される流
   動層内に導く循環手段とを含むことを特徴とする流動層
   炉。