JPH09272909A

JPH09272909A - 溶融還元設備

Info

Publication number: JPH09272909A
Application number: JP8397996A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ichikawa; 宏市川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-04-05
Filing date: 1996-04-05
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却パネルに内張りされた炉本体に鉄原料、
炭材及び造滓剤を添加し、純酸素及び／又は酸素富化ガ
スを吹き込んで、溶鉄又は溶銑を直接製造する溶融還元
設備において、エネルギー原単位即ち炭材及び酸素原単
位が減少可能な設備を供給する。【解決手段】冷却パネルに内張りされた炉本体に鉄
原料、炭材及び造滓剤を添加し、純酸素及び／又は酸素
富化ガスを吹き込んで、溶鉄又は溶銑を直接製造する設
備において、前記冷却パネルを油等の熱媒体で冷却し、
前記熱媒体の熱により鉄原料、炭材及び造滓剤を乾燥す
る装置を併設したことを特徴とする溶融還元設備。前記の設備において、前記冷却パネルは水を蒸気化
することで冷却し、前記水蒸気の熱により鉄原料、炭材
及び造滓剤を乾燥する装置を併設したことを特徴とする
溶融還元設備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炉本体に鉄原料、
炭材及び造滓剤を添加し、純酸素及び／又は酸素富化ガ
スを吹き込んで、溶鉄又は溶銑を直接製造する溶融還元
設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融還元は、炉本体内に鉄原料、炭材及
び造滓剤を添加し、純酸素及び／又は酸素富化ガスを吹
き込んで、スラグ中で鉄原料中の酸化鉄を還元し、溶鉄
又は溶銑を直接製造する方法である。この方法では、溶
融還元炉から１６００〜１８００℃程度の高温の燃焼性
ガスが生成される。

【０００３】一般にこの種の溶融還元方法は、炉本体内
に予備還元した鉄原料、炭材及び媒溶剤を添加し、炉本
体から発生する燃焼性ガス中のＣＯガス、Ｈ₂ガスで鉄
鉱石を予備還元する２段法（例えば特開５７−１２０６
０７号公報、特開昭６１−９６０１９号公報等）と、炉
本体内に未還元の鉄原料、炭材及び媒溶剤を添加し、ス
ラグ中で鉄原料中の酸化鉄を還元し、炉本体から発生す
る燃焼性ガス中のＣＯガス、Ｈ₂ガスを廃熱ボイラー内
で完全燃焼させ、燃焼性ガスの顕熱、潜熱を蒸気化して
回収し、発電等を行う１段法（例えば特開平１−５０２
２７６号公報、特開昭６１−２７９６０８号公報、特開
昭６０−９８１５号公報等）とに分類される。

【０００４】２段法は、１段法に比べエネルギー効率が
良い利点はあるものの、充填層方式及び流動層方式等の
予備還元炉が必要なため、設備が複雑となり設備投資額
が高いこと、及び予備還元炉内での反応の均一性から鉄
原料の形状制限がある（例えば充填層方式においては塊
状の鉄原料しか使用できず、流動層方式では粉状の鉄原
料しか使用できない）等の欠点があることから、最近シ
ンプルな１段法が注目されつつある。

【０００５】この１段法においては、炉本体から発生す
る大量の燃焼性ガスの顕熱、潜熱を蒸気化して回収し、
発電して外部に電力を販売するか、もしくは工場内の他
の設備で使用し、電力の購入量を低減することで、エネ
ルギー効率が２段法に劣る面を補償することが重要とな
る。

【０００６】また、この１段法においては、スラグ中で
発生するＣＯガス、Ｈ₂ガスをスラグ上部の炉内空間
（以後２次燃焼帯と呼ぶ）で燃焼する割合（以後炉内２
次燃焼率と呼び、炉内２次燃焼率＝（ＣＯ₂％＋Ｈ₂Ｏ
％）／（ＣＯ₂％＋ＣＯ％＋Ｈ₂Ｏ％＋Ｈ₂％）と定義
する）を上昇させ、その燃焼熱をスラグに有効に伝える
ことでエネルギー効率を向上させる、即ち炭材原単位を
低減させることが可能なこと、及び、その時には炭材原
単位を低減させる分だけ炉本体から発生する燃焼性ガス
の熱量、即ち顕熱と潜熱の合計が減少することは広く知
られている。

【０００７】ところが、従来の炉内面に耐火物を内張り
した構造（例えば特開昭６１−２７９６０８号公報、特
開昭６０−９８１５号公報等）だと、炉内２次燃焼率を
上昇した場合に、２次燃焼帯の雰囲気温度が上昇し、耐
火物の損耗が極端に増加し、溶銑製造コストが極端に増
加するか、もしくは耐火物の補修頻度が増加し、連続操
業に支障をきたすという課題があった。

【０００８】そこで、これらの課題を解決するために、
炉内面の２次燃焼帯及びスラグに面した範囲に温水冷却
による冷却パネルを内張りした構造が、特開昭６１−１
２３６９７号公報及び特開平１−５０２２７６号公報で
提案されている。しかし、この方法では、冷却水の核沸
騰による局部的冷却能低下による冷却パネルの破裂等を
防止するために、冷却水の出側温度を約７０℃以下にす
る必要があり、この冷却パネルの廃熱が溶銑重量当たり
約７００Mcal/tと大きいにもかかわらず、この冷却パネ
ルの廃熱回収が事実上困難という課題があった。

【０００９】また、前記冷却パネルを自然循環式ボイラ
ーで構成し、前記冷却パネルの廃熱を蒸気として回収し
て、発電する方法も考えられたが、発電効率を向上しよ
うとすると、ボイラー内の蒸気圧力を約１４０kg／cm²
まで上昇する必要が生じ、冷却パネルの水漏れの危険性
が増し、溶融還元設備の安定操業に支障をきたす課題が
あった。また、前記冷却パネルの廃熱を約５〜９kg／cm
²の低圧蒸気として回収した場合には、その需要が少な
く、余剰気味になっていた。

【００１０】一方、鉄鉱石、石炭の水分は、一般に各々
約５％、約８〜９％であるが、屋外貯蔵ヤードを使用し
た場合、降雨時には水分が約１２％以上になることがあ
り、これらの鉄原料、炭材及び造滓剤を未乾燥のままで
溶融還元炉に投入した場合、その水分を蒸発させるのに
必要な熱量、及びその水分がスラグ中で炭素分と吸熱反
応（Ｈ₂Ｏ＋Ｃ→Ｈ₂＋ＣＯ）する時に必要な熱量の分
だけエネルギー原単位即ち炭材及び酸素原単位が増加す
る。

【００１１】また、このような溶融還元においては、鉄
原料中の脈石分及び炭材中の灰分に含まれるＳｉＯ₂を
希釈し、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）を１前後にするた
めに、造滓剤として生石灰（ＣａＯ）又は石灰石（Ｃａ
ＣＯ₃）を投入しているが、前記のように炭材原単位が
増加することにより、造滓剤原単位も増加する。従っ
て、天候の変動により、溶融還元炉の操業状況が大幅に
変動するという課題があった。

【００１２】そこで、これらの課題を解決するために、
鉄原料、炭材及び造滓剤を溶融還元炉及び予備還元炉か
らの高温の燃焼性ガスの流路内に一時的に位置せしめ、
直接的に乾燥及び予熱する方法が、特開昭６３−５０４
０６号公報、特開昭６３−３５７１１号公報、特開昭６
３−３５７３２号公報等で提案されている。

【００１３】しかしこの方法では、鉄原料、炭材及び造
滓剤を溶融還元炉及び予備還元炉からの高温の燃焼生ガ
スの流路内に一時的に位置せしめるために、燃焼性ガス
の圧力損失が増加し、排ガスブロアーの容量が大きくな
る課題があった。また、鉄原料、炭材及び造滓剤の内の
粒度の小さいものが燃焼性ガスと一緒に飛散してしま
い、歩留まりが悪くなるという課題があった。

【００１４】そこで、これらの課題を解決するために、
溶融還元炉及び予備還元炉からの高温の燃焼性ガスを間
接熱交換機を通してアルゴン、ヘリウム等のガスと熱交
換し、そのガスを流動層に導入し、その中の炭材を乾燥
及び予熱する方法が特開昭６３−５０４０７号公報で、
又、溶融還元炉からの燃焼性ガスの熱量をボイラーで蒸
気化して回収し、その蒸気の一部を粉鉱石乾燥機に供給
する排ガス処理装置が特開昭６３−８３２１１号公報で
提案されている。

【００１５】しかしこれらの方法及び装置では、本来蒸
気化して回収し発電すべきである燃焼性ガスの熱量の一
部を鉄原料、炭材及び造滓剤の乾燥及び予熱に使うこと
で、発電量が減少するという課題があった。即ち、前記
の１段法がエネルギー効率において２段法に劣る面を、
排ガスの廃熱発電で補償することが困難となるという課
題があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な課題を解決するためになされたものであり、その目的
とするところは、冷却パネルに内張りされた炉本体に鉄
原料、炭材及び造滓剤を添加し、純酸素及び／又は酸素
富化ガスを吹き込んで、溶鉄又は溶銑を直接製造する溶
融還元設備において、回収が事実上困難であった冷却パ
ネルの廃熱を利用して、鉄原料、炭材及び造滓剤を乾燥
し、エネルギー原単位即ち炭材及び酸素原単位が減少可
能な設備を供給することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、冷却パネルに内張りされた炉本体に鉄
原料、炭材及び造滓剤を添加し、純酸素及び／又は酸素
富化ガスを吹き込んで、溶鉄又は溶銑を直接製造する設
備において、前記冷却パネルを油等の熱媒体で冷却し、
前記熱媒体の熱により鉄原料、炭材及び造滓剤を乾燥す
る装置を併設したことを特徴とするものである。また、
前記冷却パネルは水を蒸気化することで冷却し、前記水
蒸気の熱により鉄原料、炭材及び造滓剤を乾燥する装置
を併設したことを特徴とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の溶融還元炉においては、
前記冷却パネルを油等の熱媒体又は水を蒸気化すること
で冷却し、前記熱媒体又は前記水蒸気の熱により鉄原
料、炭材及び造滓剤を乾燥する装置を併設したことで、
以下の作用がある。

【００１９】回収が事実上困難であった冷却パネルの
廃熱を有効活用できる。冷却パネル内の熱媒体又は水蒸気の圧力が１０kg／cm
²以下であり、冷却パネルの漏れの危険性が少ない。鉄原料、炭材及び造滓剤を乾燥することで、その水分
を蒸発させるのに必要な熱量、及びその水分がスラグ中
で炭素分と吸熱反応（Ｈ₂Ｏ＋Ｃ→Ｈ₂＋ＣＯ）する時
に必要な熱量が減少し、炭材及び酸素原単位が減少す
る。天候の変動による鉄原料、炭材及び造滓剤の水分の変
動が溶融還元炉の操業に影響しない。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて説
明する。図１は、本発明に係わる溶融還元設備のフロー
図である。炉本体１は耐火物２、冷却パネル３で内張り
されており、炉本体１の上部には、鉄原料、炭材及び造
滓剤を添加する原料投入口４、及び炉本体から発生する
燃焼性ガスを排出するガス排出口５が配設されている。

【００２１】炉本体１の底部には溶銑６が溜まり、その
上部に溶銑６より比重の軽いスラグ７が溜まっており、
溶銑６は出銑口８から、スラグ７は出滓口９からそれぞ
れ連続又は断続的に排出される。

【００２２】原料投入口４から投入された鉄原料中の酸
化鉄（ＦｅＯ及びＦｅ₂Ｏ₃）は、同じく原料投入口４
から投入された炭材中炭素分により、スラグ７中で以下
の式（１），（２）に示す反応により還元される。ＦｅＯ＋Ｃ→ Ｆｅ＋ＣＯ（吸熱反応） …（１）Ｆｅ₂Ｏ₃＋３Ｃ→２Ｆｅ＋３ＣＯ（吸熱反応） …（２）

【００２３】また、原料投入口４から投入された炭材中
炭素分の一部は、炉本体１を貫通してスラグ７に向けて
配設された下部羽口１１を通じてスラグ７中に吹き込ま
れる酸素と、以下の式（３）に示す反応により酸化され
る。Ｃ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ（発熱反応） …（３）

【００２４】また、原料投入口４から投入された炭材中
炭素分の一部は、同じく原料投入口４から投入された鉄
原料、炭材及び造滓剤中の水分と、以下の式（４）に示
す反応をする。Ｈ₂Ｏ＋Ｃ→Ｈ₂＋ＣＯ（吸熱反応） …（４）この溶融還元炉のエネルギー効率即ち炭材原単位は、式
（１），（２），（３），（４）の反応に必要な炭素分
の合計によって決定される。

【００２５】従って、原料投入口４から投入された鉄原
料、炭材及び造滓剤中の水分が増加すると、式（３）で
消費される炭素分が増加すると共に、式（３）の吸熱量
が増加するので、それを補償するために式（４）の発熱
量を増加せざるを得なくなり、結果として式（１），
（２），（３），（４）の反応に必要な炭素分の合計が
増加し、炭材原単位が増加する。又、それに伴い、式
（４）及び後で説明する式（５），（６）に必要な酸素
量が増加することで、酸素原単位も増加する。

【００２６】さらに、上記式（１），（２），（３），
（４）によりスラグ７中で発生したＣＯガス、Ｈ₂ガス
及び炭材中水素分は、炉本体１を貫通して２次燃焼帯１
０に向けて配設された上部羽口１２を通じて２次燃焼帯
１０中に吹き込まれる酸素と、以下の式（５），（６）
に示す反応により酸化される。ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂ （発熱反応） …（５）Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ（発熱反応） …（６）

【００２７】この式（５），（６）の反応を炉内２次燃
焼と呼び、この２次燃焼の度合いの大小を以下の式
（７）で定義される炉内２次燃焼率で表すことと、この
２次燃焼率は上部羽口１２を通じて２次燃焼帯１０中に
吹き込まれる酸素の流量を増加することで増加すること
は広く知られている。

【００２８】炉内２次燃焼率を上昇させると、２次燃焼
帯１０における式（５），（６）の反応熱の一部がスラ
グ７に伝達する。炉内２次燃焼率＝（ＣＯ₂％＋Ｈ₂Ｏ％）／（ＣＯ₂％＋ＣＯ％＋Ｈ₂Ｏ％＋Ｈ₂％） …（７）但し、（７）式中のＣＯ₂％，ＣＯ％，Ｈ₂Ｏ％，Ｈ₂
％は、ガス排出口６における燃焼性ガスの各成分の体積
分率を示す。

【００２９】油等の熱媒体又は水は、冷却パネル入側配
管１３により冷却パネル３に供給され、冷却パネル３の
廃熱を回収することで、油等の熱媒体の場合は約２００
℃に加熱され、水の場合は約９kg／cm²、約１８０℃程
度の低圧蒸気になり、冷却パネル出側配管１４を介して
乾燥機１５に供給される。

【００３０】乾燥機１５には、水分が５〜１２％の鉄原
料、水分が９〜１２％の炭材及び造滓剤が投入され、前
記油等の熱媒体又は低圧蒸気により鉄原料は約２％、炭
材は約３％の水分まで乾燥されると共に、約１００℃に
まで加熱された後、特に図示していないベルトコンベア
ー等の搬送手段で搬送され、原料投入口４を通って炉本
体１に投入される。

【００３１】乾燥機１５の構造は、従来コークス炉に投
入する石炭の事前乾燥に一般的に使用されているＳＴＤ
（Steam tube dryer）方式、もしくはＣＩＴ（Coal in
tube）方式が適用可能であるが、本発明がその他の間接
熱交換方式の乾燥機を使用した場合にも適用されること
は言うまでもない。油等の熱媒体又は水は、乾燥機１５
から出た後、冷却器１６で適正温度に冷却され、ポンプ
１７で昇圧後、再び冷却パネル入側配管１３を通って冷
却パネル３に供給される。

【００３２】以下の表１に、鉄原料、炭材を乾燥しない
場合と乾燥した場合の炭材、酸素及び造滓剤原単位の１
例を示す。降雨時の場合の水分値は、鉄原料、炭材共に
１２％、通常時の水分値は、鉄原料：５％、炭材：９
％、乾燥機にて乾燥後の水分値は、鉄原料：２％、炭材
３％である。

【００３３】

【表１】

【００３４】鉄原料、炭材を乾燥しないで直接溶融還元
炉に投入する場合、降雨時と通常時で鉄原料、炭材の水
分値が変動するため、降雨時は通常時に比べ、炭材原単
位（乾燥ベース）が約１９％、酸素原単位が約２２％、
造滓剤原単位（乾燥ベース）が約１０％増加し、溶融還
元炉の操業条件が大きく変動する課題があった。

【００３５】この鉄原料、炭材を本発明に係わる乾燥機
で乾燥した場合、天候の変動による鉄原料、炭材の水分
の変動を吸収し、溶融還元炉の操業条件が安定すると共
に、乾燥しない場合に比べ、炭材原単位（乾燥ベース）
が約１４〜３３％、酸素原単位が約１６〜３８％、造滓
剤原単位（乾燥ベース）が約７〜１７％低下する効果が
ある。

【００３６】また、鉄原料、炭材の水分を乾燥するのに
必要な熱量は、溶銑重量当たり、通常時で約８０Mcal/
t、降雨時で約２００Mcal/tであり、これは前述の冷却
パネルの廃熱量：約７００Mcal/tを大きく下回るため、
乾燥機の熱効率を考慮しても十分に乾燥可能である。

【００３７】一方、炉本体１で発生した高温の燃焼性ガ
スは、炉本体１の上部に配設されたガス排出口５、排ガ
スダクト１８を通して、廃熱ボイラー１９に導かれ、燃
焼性ガスの顕熱、潜熱を蒸気化して回収された後、集塵
機２０、ブロアー２１、煙突２２等を通して系外に排出
される。また、廃熱ボイラー１９で燃焼性ガスの顕熱、
潜熱によって高圧蒸気化された蒸気は、蒸気配管２３を
通ってタービン２４及び発電器２５に導かれ電力に変換
される。

【００３８】

【発明の効果】本発明の溶融還元炉においては、前記冷
却パネルを油等の熱媒体又は水を蒸気化することで冷却
し、前記熱媒体又は前記水蒸気の熱により鉄原料、炭材
及び造滓剤を乾燥する装置を併設することにより、以下
の効果が期待できる。

【００３９】回収が事実上困難であった冷却パネルの
廃熱を有効活用できる。冷却パネル内の熱媒体又は水蒸気の圧力が１０kg／cm
²以下であり、冷却パネルの漏れの危険性が少ない。

【００４０】鉄原料、炭材及び造滓剤を乾燥すること
で、その水分を蒸発させるのに必要な熱量、及びその水
分がスラグ中で炭素分と吸熱反応（Ｈ₂Ｏ＋Ｃ→Ｈ₂＋
ＣＯ）する時に必要な熱量が減少し、炭材、酸素及び造
滓剤原単位が減少する。

【００４１】天候の変動による鉄原料、炭材及び造滓
剤の水分の変動が溶融還元炉の操業に影響しない。水分の多い炭材（褐炭）及び水分の多い鉄鉱石（褐鉄
鉱）を使用しても、溶融還元炉の操業に影響しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる溶融還元設備のフロー図。

【符号の説明】

１炉本体２耐火物３水冷パネル４原料投入口５ガス排出口６溶銑７スラグ８出銑口９出滓口１０２次燃焼帯１１下部羽口１２上部羽口１３冷却パネル入側配管１４冷却パネル出側配管１５乾燥機１６冷却器１７ポンプ１８排ガスダクト１９廃熱ボイラー２０集塵機２１ブロアー２２煙突２３蒸気配管２４タービン２５発電器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却パネルに内張りされた炉本体に鉄原
料、炭材及び造滓剤を添加し、純酸素及び／又は酸素富
化ガスを吹き込んで、溶鉄又は溶銑を直接製造する設備
において、前記冷却パネルを油等の熱媒体で冷却し、前
記熱媒体の熱により鉄原料、炭材及び造滓剤を乾燥する
装置を併設したことを特徴とする溶融還元設備。
【請求項２】冷却パネルに内張りされた炉本体に鉄原
料、炭材及び造滓剤を添加し、純酸素及び／又は酸素富
化ガスを吹き込んで、溶鉄又は溶銑を直接製造する設備
において、前記冷却パネルは水を蒸気化することで冷却
し、前記水蒸気の熱により鉄原料、炭材及び造滓剤を乾
燥する装置を併設したことを特徴とする溶融還元設備。