JPH0754029A - 粒子循環型流動層予備還元方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】粒子循環型流動層予備還元装置において、鉱石
の流動状態の安定化を図り、鉱石の粒度分布に関係なく
高効率で鉱石を還元する。 【構成】ライザー１の上部に、内外筒からなり、それぞ
れの筒壁の高さ方向に内外筒では傾斜角度が異なるスリ
ット状鉱石排出開口９を設けた外筒８ａ、内筒８ｂから
なる二重筒８を設け、図示していない回動装置により外
筒８ａを回動させて、内外筒の開口９の交差部から排出
される鉱石粒子の排出口の高さ位置を変化させる。２は
鉱石装入口、３はガス導入口、４は粒子捕集装置、６は
還元鉱排出口、７は粗粒濃厚領域である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微粒から粗粒までの広い
粒径を有する粉状の鉱石を高効率で還元するための粒子
循環型流動層予備還元方法及びその装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、流動層反応装置は層内の温度の
均一性が良く、また連続大量に反応処理を行えることか
ら、広く気・固系反応操作に応用されてきた。しかし、
鉱石還元への応用に関しては、鉄鉱石の場合を例にとる
と、（１）還元率を上げるために多段化が必要であった
り、それを避けるために高温での還元を行うと還元鉄の
焼結をおこすため、その焼結を防止する方策を必要とし
た、（２）また、シャフト炉タイプの高炉−転炉製鉄プ
ロセスが主流であったため、特殊な地域以外ではそれほ
ど必要性が高まらなかった、等の理由で広くには用いら
れていなかった。

【０００３】しかるに、最近の電気炉でのバージン鉄源
としてのニーズの高まりや、コークス炉の寿命・環境問
題等もからんだ将来の高炉−転炉法に代わるべき将来製
鉄プロセスの鉱石予備還元工程プロセスとして注目され
てきた。本発明はこのような背景のもとで求めらる鉱石
還元用の流動層還元炉やその操業方法に関する技術を提
供するものである。

【０００４】しかし、このような鉱石還元用の流動層還
元炉やその操業に求められる条件は厳しく、特に粉状鉱
石をできる限りそのままの粒径で使用できることが経済
的にも、資源の有効利用の観点からも好ましい。さらに
詳しくは、現在日本の製鉄所で使用されている焼結鉱用
に用いている粉状鉄鉱石の粒径は、全体が８ｍｍ以下で
あり、１２５μｍ以下の留分が１０％以下のものであ
る。すなわち、流動層で鉱石還元する場合、２００μｍ
程度から数ｍｍ程度までの粉状鉱石を直接還元できるよ
うな技術が求められている。

【０００５】さらに還元率に関しては、還元した鉱石の
使用先である次工程（例えば電気炉での使用や溶融還元
炉での使用）を考えた場合、高還元率を達成することが
要求される。さらには、次工程である電気炉や溶融還元
炉、又は他の精錬等のある種の反応炉から排出される還
元性ガスを直接流動層の流動化・還元ガスとして用いる
ことは、経済的にもまた製造工程を自己完結型にできる
ことからも好ましい。

【０００６】そのような粉状鉱石の流動層予備還元装置
としては、例えば、特開平３−２１５６２１号公報が開
示されている。特開平３−２１５６２１号公報には、基
本構造のみを摸式的に図示した図７に示すように、側壁
に原料鉱石装入口２と底部に流動化ガスとしての還元ガ
スの導入部３を有するライザー１と、ライザー１の頂部
寄りに還元ガスに同伴されて飛出した粒子を捕集する粒
子捕集装置４と、粒子捕集装置４によって還元ガスより
分離した飛出し鉱石を再びライザー１内に供給する下降
管５からなる粒子循環型流動層予備還元装置が記載され
ている。

【０００７】しかし、このような粒子循環型流動層予備
還元装置を用いて微粒から粗粒までの広い粒径範囲を有
する粉状の鉱石を還元した場合には、図６に示した粒子
粒径と最小流動化速度との関係から容易に推定されるよ
うに、各粒径に対応する最小流動化速度が大きく異な
り、その結果、流動層内で粒径分布に対応する粒子偏析
がおこる。すなわち、ライザー１の下部に粗粒の濃厚な
領域７が形成され、一方微粒はライザー１の頂部より速
やかに飛び出してしまう。

【０００８】そのため、粒子排出口６より鉱石を排出す
る場合には粗粒の平均滞留時間が短いため粗粒の還元率
は低く、また粒子排出口６ａより鉱石を排出する場合に
は微粒の平均滞留時間が短く微粒の還元率が低くなっ
た。すなわち、このような流動層還元装置における鉱石
の粒径毎の還元特性は、還元しようとする鉱石の粒径分
布及び粉化特性の変化に応じて変化するため、様々な粒
径、粉化性状を持つ鉱石を同様に高効率で還元すること
が困難であった。

【０００９】さらにまた、上記に述べた様に、流動層還
元工程の次工程である電気炉や溶融還元炉、又はその他
の精錬等の反応炉から排出される還元性ガスを直接流動
層の流動化・還元ガスとして用いる場合には、還元ガス
量の変化あるいは還元ガス温度の変化により還元ガス流
速が変化すると、ライザー１の頂部より飛出す粒子の飛
出し量が変化し、安定な粒子の循環及び排出が困難であ
るとともに、到達還元率も変化するという問題があっ
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、粒子循環型
流動層予備還元装置において鉱石を還元する場合、ライ
ザー内における鉱石の粒径毎の滞留時間を、還元しよう
とする鉱石の粒度構成及び粉化特性に応じて制御するこ
とにより、原料鉱石の粒度構成及び粉化特性と関係なく
高効率で還元すること、また還元ガスの流量変化や温度
変化等によって生ずるガス流速の変化に対して粒子の飛
出し量を一定にして安定な操業を可能とすると共に平均
還元率を向上させる粒子循環型流動層予備還元方法及び
その装置を提供することを課題とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するもので、 （Ａ）方法発明は、還元ガスを円筒状ライザーの底部よ
り吹き込み、還元ガスに同伴されて該ライザーから飛出
す鉱石粒子を捕集して還元ガスから分離した後、分離さ
れた鉱石粒子を再び該ライザー底部に供給する粒子循環
型流動層予備還元方法に適用され、次の方法を採った。
すなわち、原料鉱石の粒径分布或は粉化特性に応じて粒
径毎の還元率が一定となるように粒径毎の炉内滞留時間
を定め該粒径毎の滞留時間スケジュールに合わせて、該
ライザーの鉱石排出高さ位置を調整することを特徴とす
る粒子循環型流動層予備還元方法である。

【００１２】該ライザーから排出される鉱石粒子の排出
量を一定に維持するように、該ライザーの鉱石排出高さ
位置を調整することもできる。 （Ｂ）装置発明は、還元ガスを底部より吹き込む円筒状
ライザーと、該ライザーから還元ガスに同伴されて飛出
す鉱石粒子を捕集する粒子捕集装置と、該粒子捕集装置
によって還元ガスから分離された鉱石粒子を該ライザー
底部に再び供給する鉱石粒子下降管とからなる粒子循環
型流動層予備還元装置に適用され、次の技術手段を採っ
た。すなわち、該ライザーの上部に配設され、内筒及び
外筒からなると共に、それぞれの筒壁の高さ方向に少な
くとも１条以上のかつ該内筒及び外筒では傾斜方向の異
なるスリット状の鉱石粒子排出用開口を設けた二重筒
と、該内筒及び／又は外筒を回動させ該内外筒の開口交
差部を介して排出される鉱石粒子の該二重筒における高
さ方向排出位置を変化させる回動装置を設けたことを特
徴とする粒子循環型流動層予備還元装置である。

【００１３】

【作用】本願発明者らは、図７に示す粒子循環型流動層
予備還元装置を用いて、ライザー高さを変化させた場合
における鉱石の飛出し量と粒径毎のライザー内における
滞留時間分布及び還元率の関係を広範に研究した結果、
以下の知見を得ることができた。すなわち、 （１）鉱石の飛出し量と粒径毎のライザー内における滞
留時間分布及び還元率の関係については、 ａ ライザー内に供給された鉱石はガス導入部より導入
されるガスにより流動化され還元される。

【００１４】ｂ 粒子の流動化開始速度が還元ガスの空
塔速度より速い粗粒粒子はライザー下部に粒子の濃厚な
領域を形成するが、流動化開始速度が還元ガスの空塔速
度より遅い微粒粒子はライザー頂部の飛出し口より飛出
す。 ｃ 流動化開始速度が還元ガス空塔速度より速い粗粒粒
子も微粒との相互作用により飛出すが飛出し量は微粒に
比べ少ない。

【００１５】ｄ 従って、粒径分布の広い粒子を流動層
で流動化させる場合には、ライザー内に滞留する粒子は
微粒子より粗い粒子の割合が多くなる。このため、ライ
ザー内の粒子の滞留時間は微粒が短く、粗粒が長いとい
う分布を示す。 （２）鉱石の還元速度については、 ａ 単位体積当たりの表面積が大きい微粒の方が粗粒に
比べ速やかに還元される。

【００１６】ｂ ライザーから排出される鉱石の還元率
はライザー内における平均滞留時間と還元ガスによるガ
ス還元の速度によりきまるが、通常以下に述べる分布を
有する。すなわち、還元率が最大になる粒径が存在し、
それより粗大な鉱石はライザー内における滞留時間は長
いが還元速度が遅いために還元率は低くなり、微細な鉱
石は還元速度は速いものの滞留時間が短いために還元率
は低くなる。 （３）従来の流動還元装置においては、微粒の多い鉱石
や粉化率の大きい鉱石を還元する場合には微粒の還元率
が低く、また、粗粒の多い鉱石を還元する場合には粗粒
の還元率が低いために種々の粒径分布をもつ鉱石を同様
に高効率で還元することは困難である。 （４）ライザーからの粒子の飛出し量については、ライ
ザーからの粒子の飛出し量は、粒子飛出し位置での粒子
濃度及び流動化ガスのガス流速に依存し、粒子濃度が高
いほど、またガス流速が大きいほど飛出し量は増加す
る。 （５）流動化ガスの変動に対しては、 ａ 流動化ガス（還元ガス）のガス量増大又はガス温度
上昇によるガス流速の増大は、ライザーからの粒子飛出
し量が増加しライザー内粒子滞留量の減少による反応効
率の低下や粒子下降管のオーバーフローによる粒子循環
の阻害といった問題の原因となる。

【００１７】ｂ ガス量減少あるいはガス温度低下によ
るガス流速の低下は、飛出し量減少によるライザー内滞
留量の増加によりライザー内の流動化状態が悪化し最悪
の場合には流動化停止等を引き起こす。 （６）従来の流動層還元装置におけるガス流速の変化に
対しては、ガス流速の変化に対しては良好な流動状態を
維持することが困難である。

【００１８】本発明者らは以上のような知見に基づき本
発明をなすに至ったものである。従って、本発明は、次
のような作用をなすものである。 ａ 還元しようとする原料鉱石の粒径分布、粉化特性に
関係なく高効率で還元することができる。 ｂ ライザーに導入される還元ガスの流量あるいは還元
ガス温度の変化により還元ガスの流速が変化した場合に
おいても、粒子の飛出し量を一定にし、安定した操業を
可能にすることができる。この場合、上述の鉱石の還元
率を最大ならしめる滞留時間分布は犠牲にならざるを得
ないが、還元ガス流速の変化といった炉况に変化が生じ
た際にも鉱石の流動状態を安定的に行い、炉况を速やか
に回復することができる。

【００１９】

【実施例】 （実施例１）図１は本発明の一実施例の説明図であり、
図１（ａ）は粒子循環型流動層予備還元装置の基本構造
を示し、図１（ｂ）は二重筒８を示したものである。図
１（ｂ）ア、イ、ウはそれぞれ、二重筒８の断面図、外
筒８ａおよび内筒８ｂ斜視図である。ライザーは内径１
００ｍｍ、高さ１０００ｍｍであり、二重筒８は内筒８
ｂ、外筒８ａそれぞれの筒壁の高さ方向に傾斜角度が異
なるスリット状の開口９を備えると共に、外筒８ａには
図示していない回動機構を設けて、外筒８ａを内筒８ｂ
に対して回動させることにより、内外筒の開口９の交差
部であるライザーの鉱石粒子排出高さ位置（以下高さと
いう）を変更できるように構成されている。

【００２０】この二重筒はライザー内の上部４分の３ほ
ど挿入し、二重筒の内筒、外筒の開口交差位置を調節し
て粒子の飛出し口（排出口）高さを二重筒最下端に調整
した場合には、ライザー下部の粗粒濃厚領域から粒子を
飛出させることができ、また飛出し口高さを二重筒最上
端に調整した場合にはライザー上部の微粒領域から粒子
を飛出させることができる。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１にヘマタイト系鉱石を本発明法により
流動化した場合と従来法により流動化した場合の試験条
件を示すと共に、その試験結果として、図２に本発明法
を適用した場合、図３に従来法を適用した場合について
粒子径と平均滞留時間との関係を示した。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２に使用した鉱石の粒径分布を示した。
鉱石Ｂは粒径分布が狭い鉱石であり、鉱石Ａは粒径分布
が広い鉱石である。従来例による試験は還元鉱石を３．
０ｋｇ／ｈで連続的に排出せしめ、一方でライザー内の
滞留鉱石量が３．０ｋｇになるように原料鉱石を連続的
に供給した。鉱石の平均滞留時間はライザー内の滞留鉱
石量を単位時間当たりの鉱石の排出量で除すことにより
求め、本試験条件においては３．０（ｋｇ）／３．０
（ｋｇ／ｈ）＝１．０（ｈ）である。粒径毎の平均滞留
時間はライザー内滞留鉱石中で着目粒径をもつ鉱石の重
量を、単位時間当たりに排出された鉱石中で着目粒径を
持つ鉱石の重量で除すことにより求められる。

【００２５】図３に従来法によって鉱石Ａ及びＢを還元
した場合の粒径毎の平均滞留時間を示す。粒径分布の狭
い鉱石Ｂの場合には鉱石粒径による平均滞留時間の差は
比較的少ない。粒径分布の広い鉱石Ａを還元した場合に
は、粗粒の平均滞留時間は確保できたが微粒の平均滞留
時間は短くなった。その結果、鉱石Ａを還元した場合に
比べ鉱石Ｂを還元した場合には平均還元率が低くなっ
た。

【００２６】従来例では粒子飛出し口高さが固定されて
いるために、還元しようとする鉱石の粒径分布あるいは
粉化特性が変化した場合には粒径毎の平均滞留時間を鉱
石の粒径分布に合わせて制御することができない。図２
に本発明法によって鉱石Ａ及びＢを還元した場合の粒径
毎の平均滞留時間を示す。試験条件は従来例による試験
と同一である。粒子飛出し口高さを従来例と同一にした
場合には、鉱石Ａ及びＢ共に従来例と同じ試験結果を得
た。図２には鉱石Ａを還元した場合で、粒子飛出し高さ
を５００ｍｍにした場合の鉱石の粒径毎の平均滞留時間
を示してある。本発明法では、粒子飛出し口高さを低く
してライザー内に滞留する鉱石の微粒成分を多くするこ
とにより、ライザー内における微粒の滞留時間を長くす
ることで微粒の多い鉱石を高効率で還元することができ
る。

【００２７】（実施例２）本発明の装置と従来例の装置
によって試験操業した結果を比較した。試験は流動化ガ
ス量を変化させることにより流動化ガス流速を１．０〜
３．０ｍ／ｓｅｃの間で変化させ、ライザーからの粒子
飛出し量及びライザー内の鉱石滞留量を調査した。

【００２８】

【表３】

【００２９】表３にヘマタイト系鉱石を本発明法により
流動化した場合と従来法により流動化した場合の試験条
件を示すと共に、その試験結果として図４に本発明法を
適用した場合、図５に従来法を適用した場合について、
粒子飛出し口高さ、粒子飛出し量及びライザー内粒子滞
留量を示す。試験は３．０ｋｇ／ｈで連続的に粒子の供
給と排出を行いながら実施した。ガス流速が２ｍ／ｓｅ
ｃのとき、ライザー内の滞留量が３．０ｋｇになるよう
に調整し、その後、ガス流速を１．０〜３．０ｍ／ｓｅ
ｃの間で変化させた。

【００３０】本発明法では、ガス流速を変化させた場
合、粒子飛出し量が一定となるように粒子飛出し口高さ
を調整して行った。その結果、ガス流速が０．５〜２．
０ｍ／ｓｅｃの範囲ではライザー内滞留量を一定に保つ
ことができた。従来法による試験は、本発明法による試
験と同一条件にて行なった。従来法では、粒子飛出し口
高さが固定されているために、ガス流速が減少した場合
には、粒子飛出し量が減少する。その結果、ライザー内
の滞留量を一定に保つことができなかった。また、従来
法においては、ガス流速が変化すると粒子飛出し量及び
ライザー内粒子滞留量が変化し、粒子の流動化状態が不
安定となる。しかしながら、粒子の飛出し量を制御する
有効な手段はなかった。

【００３１】本発明においては、ガス流速が増加したと
きには、粒子飛出し口の位置を高くし、粒子の希薄な領
域から粒子を飛出させることにより粒子飛出し量を抑え
ることができる。また、ガス流速が減少したときは、粒
子飛出し口の位置を低くし粒子の濃厚な領域から粒子を
飛出させる事により、粒子飛出し量を増加させることが
できる。

【００３２】

【発明の効果】本発明は次のような優れた効果を奏する
ことができる。 （１）還元しようとする鉱石の粒径分布あるいは粉化特
性に応じて、鉱石のライザー内における粒径毎の滞留時
間分布を制御することができ、その結果として平均還元
率を向上させることができた。 （２）流動化ガス流量、温度等の流動化ガス流速が変化
した場合でも、ライザーからの粒子飛出し量を一定に制
御することができるので安定した操業が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の説明図であり、図１（ａ）
は粒子循環型流動層予備還元装置の基本構造を示し、図
１（ｂ）は二重筒を示したものである。図１（ｂ）は二
重筒のそれぞれ、断面図ア、外筒イおよび内筒ウの斜視
図である。

【図２】本発明法による粒子径と平均滞留時間との関係
グラフである。

【図３】従来法による粒子径と平均滞留時間との関係グ
ラフである。

【図４】本発明法による、時間径過に対する、径粒子排
出口高さ、粒子排出量及びライザー内粒子滞留量の関係
グラフ示す。

【図５】従来法による、時間径過に対する、粒子排出口
高さ、粒子排出量及びライザー内粒子滞留量の関係グラ
フ示す。

【図６】ガス空塔速度と粒子径との関係グラフである。

【図７】従来例の粒子循環型流動層予備還元装置の基本
構造の説明図である。

【符号の説明】

１ ライザー ２ 原料鉱石装入口 ３ 還元ガス導入口 ４ 粒子捕集装置 ５ 下降管 ６、６ａ 還元鉱排出口 ７ 粗粒濃厚領域 ８ 二重筒 ８ａ 外筒 ８ｂ 内筒 ９ 開口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 還元ガスを円筒状ライザーの底部より吹
   き込み、還元ガスに同伴されて該ライザーから飛出す鉱
   石粒子を捕集して還元ガスから分離した後、分離された
   鉱石粒子を再び該ライザー底部に供給する粒子循環型流
   動層予備還元方法において、原料鉱石の粒径分布或は粉
   化特性に応じて粒径毎の還元率が一定となるように粒径
   毎の炉内滞留時間を定め該粒径毎の滞留時間スケジュー
   ルに合わせて、該ライザーの鉱石排出高さ位置を調整す
   ることを特徴とする粒子循環型流動層予備還元方法。
2. 【請求項２】 該ライザーから排出される鉱石粒子の排
   出量を一定に維持するように、該ライザーの鉱石排出高
   さ位置を調整する請求項１記載の粒子循環型流動層予備
   還元方法。
3. 【請求項３】 還元ガスを底部より吹き込む円筒状ライ
   ザーと、該ライザーから還元ガスに同伴されて飛出す鉱
   石粒子を捕集する粒子捕集装置と、該粒子捕集装置によ
   って還元ガスから分離された鉱石粒子を該ライザー底部
   に再び供給する鉱石粒子下降管とからなる粒子循環型流
   動層予備還元装置において、該ライザーの上部に配設さ
   れ、内筒及び外筒からなると共に、それぞれの筒壁の高
   さ方向に少なくとも１条以上のかつ該内筒及び外筒では
   傾斜方向の異なるスリット状の鉱石粒子排出用開口を設
   けた二重筒と、該内筒及び／又は外筒を回動させ該内外
   筒の開口交差部を介して排出される鉱石粒子の該二重筒
   における高さ方向排出位置を変化させる回動装置を設け
   たことを特徴とする粒子循環型流動層予備還元装置。