JPH11181510A

JPH11181510A - 流動層還元炉および粉粒体鉱石の還元方法

Info

Publication number: JPH11181510A
Application number: JP34782697A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Uchiyama; 義雄内山
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1999-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】粉粒体鉱石を均一かつ十分に還元できるとと
もに、設備のコンパクト化と低コスト化とを実現できる
流動層還元炉を提供する。【解決手段】逆円錐状に細くなった部分を下部に含み
分散板を有しない流動層空間１１ａ・１２ａ・１３ａ
と、その流動層空間の下方隣接部に外側から還元ガスを
吹き込むガス導入口１１ｂ・１２ｂ・１３ｂとの組合せ
を、一体の炉内において上下に複数段配置する。最上段
の流動層空間１１ａの上方に還元ガスの排出口１５を設
ける。ガス導入口１１ｂ・１２ｂ・１３ｂのそれぞれ
に、ガスの導入量を個別に制御し得るガス供給経路２１
・２２・２３を接続し、かつ各流動層空間１１ａ・１２
ａ・１３ａの断面積Ａ１・Ａ２・Ａ３を、各流動層空間
内のガス流速を等しくし得るように定める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】請求項に係る発明は、鉄鉱石
などの粉粒体鉱石を還元するための流動層還元炉やそれ
を用いて行う粉粒体鉱石の還元方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】流動層還元炉は、粉粒体鉱石を内部に投
入するとともに下方から上方へと高温の還元ガスを導入
し、そのガスによって粉粒体鉱石を流動化させながら還
元する反応炉である。粉粒体である鉱石と還元ガスとが
活発に接触するため、還元効率にすぐれるとされてい
る。図５（ａ）は、そのような流動層還元炉の一例であ
って、特開昭６２−２３０９０９号公報に記載されたも
のである。図において、鉱石供給ラインである投入口１
６Ｘより鉄鉱石などの粉粒体鉱石を投入したうえ、底部
等に設けられた導入口１１Ｘ・１２Ｘ・１３Ｘより上方
の排出口１５Ｘへ向けて還元ガスを導入することによ
り、炉内で鉱石を流動化させ、かつ還元する。なお、図
中の符号１４Ｘは、還元された鉱石の取出し口、符号７
Ｘ・１７Ｘは、炉内から飛散した小粒径の鉱石を回収し
て炉内に再投入するためのサイクロンと再投入管路であ
る。

【０００３】流動層還元炉については、図５（ａ）のよ
うに通常は１基（１塔）のみを使用し、その内部に一つ
の流動層を形成して還元反応を行わせるのが最も一般的
である。しかし、流動層の数が一つのみでは、内部にお
いて必ずしも均一な流動（粉粒体の循環、つまり還元ガ
スとの接触）が起こるとはいえず、また滞留時間を十分
に確保できるとは限らないので、粉粒体鉱石のすべてを
十分に還元できるとは限らない。そのため、複数の流動
層を形成して利用する還元方法がとられることもある。

【０００４】図５（ｂ）・（ｃ）は、複数の流動層を同
時に形成するプロセスについての模式図である。まず図
５（ｂ）の例では、還元炉１０Ｙの数は１基のみである
が、その還元炉１０Ｙの内部において上下に複数段の流
動層１２Ｙ・１４Ｙが形成される。炉内には上下の二箇
所に分散板（多孔板）１１Ｙ・１３Ｙが設けられ、炉体
下部から上部へ向けて吹き上げる還元ガスによって各分
散板１１Ｙ・１３Ｙの上部に流動層１２Ｙ・１４Ｙが形
成されるのである。上部の流動層１２Ｙ内の粉粒体鉱石
は、溢流管１５Ｙの内部を通って下部の流動層１４Ｙに
移動し、そこで再び流動したうえ排出口１６Ｙから出て
いく。また図５（ｃ）は、複数（多塔）の流動層還元炉
１０Ｚを直列に接続して使用するプロセスを示してい
る。すべての還元炉１０Ｚを一連に通り抜ける還元ガス
によって各炉１０Ｚ内に一つずつ流動層を形成するとと
もに、そのガスとは反対向きに、やはりすべての還元炉
１０Ｚ内を一連に通過するように粉粒体鉱石を移動させ
るものである。図において符号１１Ｚが還元ガスの経
路、符号１２Ｚが鉱石の経路である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図５（ａ）に示す還元
炉１０Ｘを１基のみ使用する場合、流動層を一つしか形
成しないので、鉱石の循環についての均一性や反応の程
度について不利があるのは前述のとおりである。図５
（ｂ）・（ｃ）の各プロセスはその点を改善するもので
はあるが、それらにもつぎのような課題が存在する。

【０００６】イ) 設備が大型になり、設備コストもかな
り上昇する。図５（ｃ）のプロセスをとる場合、複数の
還元炉１０Ｚを配置してそれらを一体的に接続する必要
があるため設備が明らかに大型化する。また図５（ｂ）
の場合も、還元炉１０Ｙが１基のみではあるが、その内
部に複数段の流動層１２Ｙ等を形成するほか、各層の上
にそれぞれフリーボード（鉱石が流動していない空間）
を形成する必要があるため、炉体がかなり背の高い大型
のものになってしまうのである。

【０００７】ロ) 還元ガスを、すべての流動層を通るよ
うに専ら直列に送るため、そのガスの利用率が高くな
い。つまり、図５（ｂ）の場合の上段の流動層１２Ｙ、
または図５（ｃ）におけるガスの下流側（粉粒体鉱石に
ついては上流側）にある流動層還元炉１０Ｚにおいて、
ガスの還元能力がかなり低下しているため反応効率が低
いのである。

【０００８】ハ) 還元ガスについての下流側の経路にお
いて摩耗の進行が激しく、保全上の負担が重い。当該下
流側にある流動層には粉粒体を含む還元ガスを送ること
になり、しかもその経路には通過断面積の広くない分散
板やガスダクトがあって、それらが摩耗しやすいからで
ある。

【０００９】ニ) 図５（ｃ）のプロセスでは、高温度の
粉粒体鉱石を複数の還元炉１０Ｚ間で移動させる必要が
あるため、フィーダ（鉱石供給器）やバルブ等（いずれ
も図示せず）として耐熱性や耐摩耗性などにすぐれる高
級仕様の機器が必要で、その点でも設備コストが高くな
る。図５（ｂ）の還元炉１０Ｙでも、上部の流動層１２
Ｙから下部の流動層１４Ｙへ粉粒体鉱石を送る溢流管１
５Ｙは耐熱性・耐摩耗性等にすぐれた高級な材料でない
と使用できないため、やはり設備コストが高くなる。

【００１０】請求項の発明は、以上の事情を考慮してな
したもので、上記のような不利がないように鉄鉱石等の
還元を行う流動層還元炉、およびそれを用いる粉粒体鉱
石の還元方法を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した流動
層還元炉は、逆円錐状（逆円錐状のものと機能上の差異
のない逆角錐状のものを含む）に細くなった部分を下部
に含み分散板を有しない流動層空間と、その流動層空間
の下方隣接部（すぐ下の隣接した部分）に外側から還元
ガスを吹き込むガス導入口との組合せを、一体の炉内に
おいて上下に複数段配置するとともに、最上段の流動層
空間の上方に還元ガスの排出口を設け、ガス導入口のそ
れぞれに、ガスの導入量を個別に制御し得るガス供給経
路を接続し、かつ各流動層空間の断面積を、各流動層空
間内のガス流速を等しく（またはほぼ等しく）し得るよ
うに定めたことを特徴とする。

【００１２】請求項１のこの流動層還元炉では、各ガス
導入口から吹き込まれ上方の排出口へ抜ける還元ガスに
よって、各流動層空間内に粉粒体鉱石の流動層がそれぞ
れ形成され、一つの還元炉内に同時に複数段の流動層が
できる。各流動層空間では、下部にある細くなった部分
において還元ガスの流速が最も高く、その上部では横断
面積に対応した流速が生じるため、ガス流量を適切にし
た場合には、分散板がないとしても各空間部分ごとにそ
の内部で粉粒体鉱石が流動化するのである。複数の流動
層空間のそれぞれにおいて粉粒体鉱石を同時に流動化さ
せるため、同じ量の鉱石を一つの大きな流動層空間内で
流動化させるよりも流動状態が均一である。そうした複
数の流動層間で粉粒体鉱石を順次に移動させれば、その
鉱石のどの粒子についても、反応が均一化するとともに
炉内滞留時間が確保されて還元度が高まることになる。
各段の流動層には各ガス導入口から他の段の流動層を経
ないフレッシュな還元ガスを導入するため、還元ガスの
利用率も高い。

【００１３】複数の還元炉を必要とすることなく、一体
の炉内に複数の流動層を形成するため、図５（ｃ）のよ
うに複数の還元炉を接続して使用する場合に比べて設備
がコンパクトであり、設備に要するコストが低い。最上
段の流動層空間の上部を除いて各段の流動層の上部に
（つまり隣接する各段の流動層の間に）フリーボードを
設ける必要がないので、たとえば図５（ｂ）のような還
元炉に比べても背の低いものにできる。請求項１の還元
炉において各段の流動層間にフリーボードを設ける必要
がないのは、上下の流動層空間の境界部分に分散板がな
いため、そのような境界部分において粉粒体鉱石が流動
化していても差し支えないからである（ただし、ガスの
排出口から粉粒体鉱石が飛散するのを防止すべく最上段
の流動層空間の上部にはフリーボードが必要である）。
還元ガスと粉粒体鉱石とがともに当該境界部分を通過す
ることになるが、図５（ｂ）の例のようにその境界部分
に分散板や管があるわけではなく、また図５（ｃ）の例
のようにダクトやフィーダ、バルブ等を介するわけでも
ないから、この還元炉では、図５（ｂ）・（ｃ）のもの
ほどには耐熱性と耐摩耗性等とを有する高級仕様の機器
・部品が必要でない。

【００１４】この還元炉では、一体の炉内で上下に形成
される複数段の流動層間に分散板やダクト等を設けない
ため、それら上下の流動層間で、還元ガスおよび粉粒体
鉱石を移動させることが容易である。したがって、いず
れかの流動層空間に対して適切な鉱石投入口を設け、い
ずれかの流動層空間に適切な鉱石排出口を接続しておけ
ば、粉粒体鉱石を炉内に投入し、還元後に円滑に外部へ
取り出すことも難しくない。またこれに関し、たとえ
ば、各ガス導入口からのガスの吹き込み量によって流動
層空間ごとに適宜に異なるガス流速を定めることによ
り、粒径が広くばらついている粉粒体であってもそのま
ま鉱石として投入し還元することができる。上段のある
空間では粒径の小さな粉粒体鉱石が穏やかに流動化する
低い流速にする一方、それより下段の別の空間では粒径
の大きなものが十分に強く流動化する高い流速に設定し
ておいて鉱石を上方から投入すれば、小粒径の鉱石は前
者の空間で、また大粒径の鉱石は後者の空間で、それぞ
れ適切に流動するからである。

【００１５】請求項１の流動層還元炉では、とくに、上
記した複数段の流動層空間のすべてにおいて同質な流動
層を形成することが可能である。各流動層空間内のガス
流速は、その空間での実際のガス流量を各空間の横断面
積によって除したものであるが、この流動層還元炉で
は、上記したようなガス供給経路によるガス導入口ごと
の流量制御と各空間の断面積設定とに基づいて各空間内
のガス流速を等しくすることが可能だからである。した
がって、ある程度粒径の揃った均質な粉粒体鉱石を炉内
に投入すると、上記した複数段の流動層空間のいずれに
おいても同質の流動層を形成できることになる。そのよ
うに同質な流動層が形成された各空間内で粉粒体鉱石を
そのつど流動化させながら各空間内に順次に移動させる
と、粉粒体は、各流動層内で均一性の高い流動状態にお
かれるうえ、どの粒子も一定時間以上還元炉内に滞留し
たうえ炉外へ出る確率が高くなるため、その還元度が高
く保たれることになる。

【００１６】なお、粉粒体鉱石を各流動層間で移動させ
るには、たとえば、上段の流動層への鉱石の投入量を増
し（当該上段の流動層で支え切れなくなった鉱石が下段
へ落下移動する）、または一時的にガス流速を変化させ
る（上段のガス流速を減らすと鉱石は下段へ落下移動
し、下段のガス流速を増すと鉱石は上段へ移動する）と
よい。

【００１７】請求項２に記載した粉粒体鉱石の還元方法
は、請求項１に記載した流動層還元炉に対し、各流動層
空間内のガス流速が等しく（またはほぼ等しく）なるよ
うに各ガス導入口より還元ガスを吹き込みながら、最上
段の流動層空間内へ未還元の粉粒体鉱石を投入すること
を特徴とする。

【００１８】上述したように請求項１の流動層還元炉で
は、ガス導入口ごとの流量制御と各空間の断面積設定と
に基づいて各流動層空間内のガス流速を等しくすること
ができる。そのようにガス流速を等しくした状態で、適
度に粒径を揃えられた粉粒体鉱石（分級やペレタイジン
グ等によってたとえば１０μｍ〜１ｍｍ程度の範囲に粒
径を整えた鉄鉱石など）を最上段の空間のみに対して連
続的または間欠的に投入すると、投入したその粉粒体鉱
石は、 a) 投入された量が少ないうちは、吹き込まれる還元ガ
スにより最上段の空間内でのみ流動化してその空間内に
保たれる。

【００１９】b) 投入された鉱石の全重量が、最上段の
流動層空間における層差圧（その流動層の最下位置での
気圧と上方のフリーボードでの気圧との差。つまり流動
化ガスである還元ガスの圧力損失）に基づく支持力（層
差圧と流動層空間の横断面積との積によって算出される
力）を越えると、当該越えた重量分の鉱石が一つ下段の
流動層空間内に重力落下により移動する。

【００２０】c) 当該下段の流動層空間においてもガス
流速が上段と等しいため、ここへ移動してきた鉱石は、
量が少ないうちはその空間内で流動化し、全重量がその
空間における層差圧に基づく支持力を越えると当該越え
た重量分がさらに下方へ重力落下により移動する。

【００２１】d) 下方にさらに１以上の流動層空間があ
ると、そこへ落下した鉱石が各空間内で順次に上記c)の
状態となるが、最下段の流動層空間においては、重力落
下したとき鉱石は当該空間の底部に至り、流動を停止す
る。

【００２２】e) 最下段の流動層空間の底部に至った鉱
石は、連続的もしくは間欠的に当該底部から取り出され
る。一定量の鉱石のすべてを還元炉内に投入したのち、
最後には最上段の空間から最下段の空間へかけて徐々に
ガス流速を下げていくことにより、還元ずみ鉱石の全量
を最下段の空間の底部へ一旦集め、そのうえで当該鉱石
を一括して取り出すことも可能である。

【００２３】請求項３に記載した粉粒体鉱石の還元方法
は、最上段の流動層空間内へ未還元の粉粒体鉱石を連続
的に投入するとともに、上記したa)〜d)のような過程を
経て最下段の流動層空間の底部に至る還元ずみ粉粒体鉱
石を、当該底部より連続的に取り出すことを特徴とす
る。

【００２４】請求項３のこの還元方法は、上記した請求
項２の還元方法と実質的にはかなり共通するが、最上段
の流動層空間への粉粒体鉱石の投入を連続的に行い、さ
らに最下段の流動層空間の底部からの還元ずみ粉粒体鉱
石の取り出しをも連続的に行う点に特徴がある。鉱石の
投入と取り出しとを連続的に行うため、還元炉の容量に
かかわらず、効率的な運転によって生産量を増すことが
できる。還元ガスや粉粒体鉱石の供給・回収設備につい
ても、連続運転が可能であるため、還元炉への鉱石の投
入・取り出しを間欠的に行う場合に比べて、同じ生産量
を得るために必要な設備能力が低くてすむ。還元炉の休
止時間が短くなると、連続的に生産されるのが一般的で
ある還元ガスをバイパス経路等へ流す時間（つまり還元
炉で有効利用できない時間）を少なくできる（または無
くせる）ため、還元ガスの有効利用率を高くすることも
容易である。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１〜図３は、発明の実施につい
て一形態を示すものである。図１は鉄鉱石を還元するた
めの流動層還元炉１０を示す縦断面図、図２はその還元
炉１０を含む還元装置１の全体系統図、そして図３は、
その還元装置１を含めて還元鉄製品の製造プロセスを示
す系統図である。

【００２６】図１の流動層還元炉１０は、粒径が１０μ
ｍ〜１ｍｍに揃えられた粉粒状の鉄鉱石を鉱石とし、炉
内においてそれらを高温の還元ガス（水素を主成分とす
る６００〜８００℃のガス）により流動させながら還元
する反応炉である。還元ガスを吹き込むガス導入口１１
ｂ・１２ｂ・１３ｂは後述するように炉体１０ａの側壁
に設けられ、炉外へのガスの排出口１５は炉体１０ａの
最上部に設けられている。また鉱石の投入口１６は、炉
体１０ａの側壁であって最上段の導入口１１ｂのやや上
の位置に接続され、還元ずみ鉱石の取出し口１４は炉体
１０ａの最下部に形成されている。炉体１０ａは支持部
材１０ｂを介して鉛直に支えられるもので、内部に高温
の鉱石およびガスを入れることから、炉体１０ａの内側
等には耐火物が多数の止め金具とともに取り付けられて
いる（図１（ｂ）を参照）。

【００２７】この流動層還元炉１０は、一つの炉内に三
つ（３段）の流動層を形成し得るように構成したもので
ある。そのため、図１（ａ）のように、上下に３段（上
方より下方に向けて第１段〜第３段と呼ぶ）の流動層空
間１１ａ・１２ａ・１３ａを形成するとともに、それぞ
れに隣接する下方位置に還元ガスの導入口１１ｂ・１２
ｂ・１３ｂを配置している。各空間１１ａ・１２ａ・１
３ａには逆円錐状に細くなった部分を下部に含め、それ
ぞれの横断面積Ａ１・Ａ２・Ａ３は、最上段（第１段）
のものを最大にし、下段のものほど小さくなるようにし
ている。最上段（第１段）の流動層空間１１ａの上に
は、そこで流動する粉粒体鉱石が排出口から飛散流出す
るのを抑制すべくフリーボードとして広めの空間を設け
ているが、第２段・第３段の空間１２ａ・１３ａの上部
にはとくにそのような空間は設けていない。一方、導入
口１１ｂ・１２ｂ・１３ｂについては、互いに独立に構
成しているため、それぞれより吹き込む還元ガスの流量
や圧力を個別にコントロールすることが可能である。な
お、導入口１１ｂは、炉体１０ａの外壁に３６０°にわ
たってつながっている円環状のヘッダ１１ｃと、そのヘ
ッダ１１ｃから炉体１０ａの内側に向かう多数のノズル
１１ｅとを含んでいる。ただしヘッダ１１ｃについて
は、炉体１０の内外での温度差により熱膨張が不均一に
なることが予想されるため、図１（ｂ）のように一部に
切れ目１１ｄを設けて大きな熱応力が発生するのを防止
している。ヘッダ１１ｃやノズル１１ｅについてのこの
ような構成は、第２段および第３段の導入口１２ｂ・１
３ｂにおいても同様である。

【００２８】図１のように構成した流動層還元炉１０
は、図２に示す還元装置１のうちに組み込んでいる。還
元装置１では、まず還元炉１０の鉱石投入口１６に対し
て鉱石の供給ライン３を接続している。大気圧以上の内
圧で運転されている還元炉１０の内部に外部から粉粒体
鉱石を円滑に投入できるよう、同ライン３には、内部の
圧力を還元炉１０と同等にすることのできるホッパ（図
示せず）等を接続している。鉱石取り出し口１４には、
粉粒体用のカットバルブと定量切出しフィーダ、および
ガスシール用バルブ等（いずれも図示せず）を直列に並
べることにより、やはり大気圧以上になっている炉内か
ら還元ずみ鉱石を円滑に取り出せるようにしている。

【００２９】還元装置１ではさらに、還元炉１０に対し
て図２のように還元ガスの供給ライン２０をも接続して
いる。同ライン２０は、上流にある水素の発生源（図３
を参照）等から還元ガスの供給を受け、ガスヒータ２に
よってそれを前述の温度に加熱したうえ還元炉１０に供
給するものである。還元炉１０に設けた三つの導入口１
１ｂ・１２ｂ・１３ｂのそれぞれに対し個別に還元ガス
を送れるよう、同ライン２０には、並行した三本のガス
供給経路２１・２２・２３を設けている。還元ガスの切
替手段として、経路２１・２２・２３の途中の部分を、
水冷のバルブ３５を介してバイパス経路２４に接続して
いる。バイパス経路２４は、還元炉１０の排出口１５を
出てサイクロン（図示せず）を経たガスの通路２５に合
流して除塵機４３（図３を参照）等に至る。なお図２
は、還元炉１０において、粉粒体鉱石の投入と取り出し
とを連続的に行いながら内部に還元ガスを送ることによ
りその鉱石の還元を行っている状態を示す。そのため、
図の状態では、鉱石供給ライン３（ホッパを含む）とと
もに鉱石取り出し口１４（定量切出しフィーダ等を含
む）が機能しているほか、還元ガスの供給ライン２０に
おける各経路２１・２２・２３の開閉弁３６が開き、バ
イパス経路２４のバルブ３５が閉じている。

【００３０】還元装置１における還元炉１０では、図１
および図２のように炉内の上下三箇所（３段）に流動層
を形成し、どの粉粒体鉱石もそれら３段の流動層を経由
させて還元することとしている。すなわち、上下３段に
設けられた流動層空間１１ａ・１２ａ・１３ａのそれぞ
れにおいて、各下方のガス導入口１１ｂ・１２ｂ・１３
ｂから吹き込まれる還元ガスにより粉粒体鉱石を流動化
させるとともに、最上段の部分にある投入口１６から投
入する粉粒体鉱石を徐々に下段に移動する（移動のプロ
セスについては後述）ことにより粉粒体鉱石を各流動層
内で順次流動化させ、最下部の取り出し口１４から取り
出すのである。この還元炉１０ではとくに、一定程度に
粒径の揃った均質な粉粒体鉱石が投入されることを考慮
して、３段の流動層空間１１ａ・１２ａ・１３ａのどれ
にも同質な流動層を形成することとしている。このよう
に炉内に同質な流動層を複数形成してその間で粉粒体鉱
石を移動させるなら、粉粒体鉱石のすべての粒子を均一
かつ十分に還元することができる。各段の流動層には、
他の段の流動層を経ないフレッシュな還元ガスを各ガス
導入口１１ｂ・１２ｂ・１３ｂから導入するため、その
点からも鉱石の還元率を高めやすい。

【００３１】各段の流動層をどれも同質にするために
は、上記のように粒径の揃った粉粒体鉱石を投入するこ
とに加え、流動層空間１１ａ・１２ａ・１３ａでの還元
ガスの流速を等しくする必要がある。図１および図２の
還元炉１０では、各流動層空間１１ａ・１２ａ・１３ａ
の上部の横断面積Ａ１・Ａ２・Ａ３を適切に定めるとと
もに、還元ガス供給ライン２０の各経路２１・２２・２
３を経由して吹き込む還元ガスの量を個別にコントロー
ル可能にすることにより、当該流速の均一化を可能にし
ている。

【００３２】各流動層空間１１ａ・１２ａ・１３ａでの
流速を等しくするための還元ガス量のコントロールは、
図２の還元装置１においてつぎのように行っている。ま
ず、還元炉１０のガス導入口１１ｂ・１２ｂ・１３ｂで
のガス圧力ｐ１・ｐ２・ｐ３と、流動層空間１１ａ・１
２ａ・１３ａの各上部でのガス流速ｖ１・ｖ２・ｖ３
（図１）との間にはつぎのような関係が成り立つ。空間
１１ａの上部での横断面積がＡ１であり流動層の層差圧
（流動層の前後間のガス差圧）がΔｐ１、ガス排出口１
５付近のフリーボード部分における圧力がｐｆである第
１段に関しては、ｐ１＝ｐｆ＋Δｐ１ｖ１＝（Ｑ’１＋Ｑ’２＋Ｑ’３）／Ａ１空間１２ａの上部横断面積がＡ２であり流動層の層差圧
がΔｐ２である第２段に関しては、ｐ２＝ｐｆ＋Δｐ１＋Δｐ２ｖ２＝（Ｑ’２＋Ｑ’３）／Ａ２空間１３ａの上部横断面積がＡ３であり流動層の層差圧
がΔｐ３である第３段に関しては、ｐ３＝ｐｆ＋Δｐ１＋Δｐ２＋Δｐ３ｖ３＝Ｑ’３／Ａ３ただし、Ｑ’１・Ｑ’２・Ｑ’３は各経路２１・２２・
２３でのガス流量Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３（後述する図２の流
量センサー３１付近での流量）の、炉内での実ガス流量
である。

【００３３】上述のとおり各段において同質な流動層を
形成するためには、各経路２１・２２・２３のガスに上
の式を満たす適当な圧力をもたせながら、流速ｖ１・ｖ
２・ｖ３を等しくする必要がある。そのようなコントロ
ールをなすため、図２のようにこの還元装置１において
は還元ガスの各経路２１・２２・２３に、流量センサー
３１と制御バルブ３２およびそのコントローラー３３な
らびに圧力センサー３４をそれぞれ配置している。経路
２１のコントローラー３３には、圧力センサー３４の信
号（圧力ｐ１に関するもの）と流量センサー３１の信号
（流量Ｑ１に関するもの）、さらには経路２２・２３の
流量センサー３１からの信号（流量Ｑ２・Ｑ３に関する
もの）を入力したうえ、適切な演算をさせて、制御バル
ブ３２の開度をコントロールさせている。同様に、経路
２２のコントローラー３３には、その経路２２内の圧力
センサー３４の信号と流量センサー３１の信号のほか、
経路２３の流量センサー３１からの信号を入力して制御
バルブ３２の開度コントロールを行わせている。そして
経路２３のコントローラー３３には、その経路２３の圧
力センサー３４の信号と流量センサー３１の信号のみを
入力して制御バルブ３２の開度コントロールを行わせ
る。設定した各空間１１ａ・１２ａ・１３ａの横断面積
Ａ１・Ａ２・Ａ３の値（事前に入力しておく）をふま
え、以上にしたがって流量Ｑ１・Ｑ２・Ｑ３を適切にコ
ントロールすることにより、流速ｖ１・ｖ２・ｖ３を等
しくするのである。

【００３４】還元炉１０では、各流動層空間１１ａ・１
２ａ・１３ａ内のガス流速ｖ１・ｖ２・ｖ３を上記のコ
ントロールによって等しく保ちながら、投入口１６から
最上段の流動層空間１１ａへ粉粒体鉱石を連続的に投入
する。それにより還元炉１０の内部では、投入された鉱
石が最上段の流動層から徐々に下段の流動層へ移ってい
く。鉱石がこのように移動するプロセスはつぎのとおり
である。

【００３５】a) 粉粒体鉱石は、投入量が少ないうち
は、吹き込まれる還元ガスにより最上段の空間１１ａ内
でのみ流動化してその空間内に保たれる。

【００３６】b) 投入された鉱石の全重量が、最上段の
流動層空間１１ａにおける層差圧Δｐ１に基づく粉粒体
の支持力（＝Δｐ１×Ａ１）を越えると、当該越えた重
量分の鉱石が一つ下段の流動層空間１２ａ内に重力落下
により移動する。

【００３７】c) 当該下段の空間１２ａにおいてもガス
流速が最上段の流速と等しいため、ここへ移動してきた
鉱石も、量が少ないうちはその空間１２ａ内で流動化
し、重量がその空間での層差圧Δｐ２に基づく支持力
（Δｐ２×Ａ２）を越えると、当該越えた重量分がさら
に下段の流動層空間１３ａへ重力落下により移動する。

【００３８】d) やはり同じガス流速を有する当該下段
の流動層空間１３ａにおいても、そこへ落下した鉱石
は、上記c)と同じく量が少ないうちはその空間１３ａ内
で流動化し、重量がその空間における層差圧Δｐ２に基
づく支持力（Δｐ２×Ａ２）を越えるたとき、当該越え
た重量分が下方の取り出し口１４へ落下して流動を停止
する。

【００３９】e) ３段の流動層を経て取り出し口１４に
至った還元ずみの鉱石は、前述した定量切出しフィーダ
等（図示せず）によって還元炉１０の外へ連続的に取り
出される。取り出し口１４にはガスシール用バルブ（図
示せず）も直列に接続されているため、圧力の高い還元
炉１０内から鉱石を取り出して気送輸送により還元鉄ス
トレージタンク６２（図３参照）へ送ることが円滑に行
える。

【００４０】さて、図２に示した還元装置１は、ガス利
用および製品製造に関する図３のようなプロセスのうち
に組み込んでいる。図３のプロセスには、図２の還元装
置１への還元ガスの供給系４０と、製品の加熱等のため
のイナートガス供給系５０、還元ずみ鉱石を製品にする
製品製造系６０、および未還元鉱石の予熱系７０を含
む。これらのうち、まず還元ガスの供給系４０は、前述
した還元ガスの供給ライン２０等のほか、ガス発生源で
ある水素発生装置４１や熱交換器４２、除塵機４３およ
び送風用のガス圧縮機４４などを含めた循環系である。

【００４１】還元ずみの鉱石は粉粒体のま出荷するので
はなく、加熱し圧縮することによってブリケット（ホッ
トブリケットアイアンＨＢＩ）にし、その状態で製品と
している。そのため、製品製造系６０には、還元炉１０
の下に還元ずみ鉱石の受け器６１を配置したうえ、その
先にストレージタンク６２・加熱器６３・ブリケッティ
ング装置６４を接続している。イナートガス供給系５０
は、製品製造系６０の加熱器６３に加熱用の高温（８５
０〜９５０℃）のイナートガス（窒素ガスなど）を送る
ことを主目的とするが、上記の受け器６１からストレー
ジタンク６２にまで鉱石を気送する役目をも果たす。上
記主目的のためには、圧縮機５１により還元ガス用の前
記ヒータ２を経由させて同ガスを加熱器６３に通し、そ
の後に除塵機５２を経て再び圧縮機５１に戻すようにし
ている。鉱石の気送のためにはそのガスの一部を圧縮機
５３により加圧して上記の受け器６１へ送る。そのほ
か、イナートガス供給系５０には熱交換器７２を設けて
おり、予熱系７０の圧縮機７１から送られる空気をそれ
に通して加熱し、そのうえで予熱装置７３に送り、そこ
で粉粒体鉱石の予熱を行うこととしている。

【００４２】図４には、図１等に示した還元炉１０に代
えて使用できるものの一例として流動層還元炉８０を示
している。この還元炉８０も、一つの炉内の上下に３段
の流動層を形成し得るよう構成したものである。すなわ
ち、図のように上下に３段の流動層空間８１ａ・８２ａ
・８３ａを形成するとともに、それぞれに隣接する下方
位置に還元ガスの導入口８１ｂ・８２ｂ・８３ｂを配置
している。流動層を形成しやすいように各空間８１ａ・
８２ａ・８３ａは上向きに広がった空間とし、それらの
内径は、最上段（第１段）のものを最大にし、下段のも
のほど小さくしている。導入口８１ｂは、炉体の内壁全
周に図のような三角形断面の空間を形成してヘッダ８１
ｃとし、その下部に下向きに吹出しノズル８１ｅを多数
設けたもので、他の導入口８２ｂ・８３ｂについても同
様である。各導入口８１ｂ・８２ｂ・８３ｂはそれぞれ
独立に構成しているため、それぞれには、流量や圧力を
個別にコントロールされた還元ガスを吹き込むことがで
きる。還元炉８０においては、このほか、炉体最上部に
還元ガスの排出口８５を設け、炉体側壁には鉱石の投入
口８６を、また炉体最下部には還元ずみ鉱石の取出し口
８４を設けている。

【００４３】この流動層還元炉８０においても、炉内に
ある上下三箇所の流動層空間８１ａ・８２ａ・８３ａ内
にそれぞれ流動層を形成し、それら３段の流動層を経由
させて粉粒体鉱石を還元することが可能である。各空間
８１ａ・８２ａ・８３ａには導入口８１ｂ・８２ｂ・８
３ｂから個別に制御された適切な量の還元ガスが流さ
れ、しかも上下の流動層間で粉粒体鉱石を移動させるこ
とが可能だからである。そのような運転が可能であるた
めに、この還元炉８０においても、粉粒体鉱石の均一か
つ十分な還元をなすことができる。この還元炉８０を、
図２および図３の装置に組み込むことももちろん可能で
ある。

【００４４】

【発明の効果】請求項１に記載した流動層還元炉には、
つぎの効果がある。すなわち、 a) 一つの還元炉内に複数段の流動層を同時に形成する
ため、全流動層の合計容量と同じ容量をもつ大きな流動
層を一つ有する還元炉よりも、粉粒体鉱石を均一かつ十
分に還元することができる。

【００４５】b) 各段の流動層には各ガス導入口から他
の段の流動層を経ないフレッシュな還元ガスを導入する
ため、還元ガスの利用率が高い。

【００４６】c) 複数の還元炉を接続するのではなく、
また、隣接する各段の流動層の間にフリーボードを設け
る必要がないので、設備がコンパクトで低コストのもの
になる。

【００４７】d) 還元ガスや粉粒体鉱石が通過する部分
に分散板やダクト、管、フィーダ、バルブ等を設ける必
要がないため、高級仕様の機器・部品が必要でなく、し
たがって低コストで容易に構成される。

【００４８】e) たとえば粒径が広くばらついている粉
粒体であっても、そのまま鉱石として投入し、いずれか
の流動層空間において粒径ごとにそれぞれ適切に流動化
させ還元することができる。

【００４９】f) 各流動層空間でのガス流速を等しくし
得るが、そうしたうえで、ある程度粒径の揃った均質な
粉粒体鉱石を炉内に投入すると、すべての流動層空間内
に同質な流動層を形成することができる。そのような各
流動層内で粉粒体鉱石をそのつど流動化させながら各空
間内に順次に移動させるなら、粉粒体鉱石の還元につい
ての均一性と反応度合い（還元度）が一層に高くなる。

【００５０】請求項２に記載した粉粒体鉱石の還元方法
によると、上記に加えて、 g) 適度に粒径を揃えられた粉粒体鉱石を最上段の空間
に連続的または間欠的に投入すると、投入したその鉱石
は、投入量の増加につれて自ずと下段の流動層に移動し
てそこで流動し、その流動層内の量が増すとさらに下段
へ移動する−といった過程を繰り返して最下段の流動層
空間の底部に至る。そのため、特別な操作を施さなくて
も粉粒体鉱石を各段の流動層間に経由させることがで
き、それによって均一性と還元度の高くなった粉粒体鉱
石を、当該最下段の空間の底部から連続的もしくは間欠
的に取り出して回収することができる。

【００５１】請求項３に記載の還元方法では、さらに、 h) 鉱石の投入と取り出しとを連続的に行うため、効率
的な運転を行うことにより、還元炉の容積あたりの生産
量を増すことができる。還元ガスや粉粒体鉱石の供給・
回収設備についても、連続運転が可能であることから、
還元炉への鉱石の投入・取り出しを間欠的に行う場合に
比べ、同じ生産量を得るために必要な設備能力が低くて
すむ。

【００５２】i) 連続的に生産される還元ガスをバイパ
ス経路等へ流す時間を少なく（またはゼロに）できるた
め、還元ガスの有効利用率を高くすることも容易であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施について一形態を示す図であって、
図１（ａ）は、鉄鉱石を還元するための流動層還元炉１
０を示す縦断面図、同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ部詳
細図である。

【図２】図１の流動層還元炉１０を含む還元装置１の全
体系統図である。

【図３】図２の還元装置１を含めて還元鉄製品の製造プ
ロセスを示す系統図である。

【図４】図１等に示した流動層還元炉１０に代えて使用
できるものの一例として、流動層還元炉８０を示す縦断
面図である。

【図５】図５（ａ）・（ｂ）・（ｃ）は、従来の流動層
還元炉（またはそれを用いる粉粒体鉱石の還元方法）に
ついての模式図である。

【符号の説明】

１還元装置１０・８０流動層還元炉１１ａ・１２ａ・１３ａ、８１ａ・８２ａ・８３ａ流
動層空間１１ｂ・１２ｂ・１３ｂ、８１ｂ・８２ｂ・８３ｂガ
ス導入口２０還元ガス供給ライン２１・２２・２３ガス供給経路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】逆円錐状に細くなった部分を下部に含み
分散板を有しない流動層空間と、その流動層空間の下方
隣接部に外側から還元ガスを吹き込むガス導入口との組
合せを一体の炉内において上下に複数段配置するととも
に、最上段の流動層空間の上方に還元ガスの排出口を設
け、ガス導入口のそれぞれに、ガスの導入量を個別に制御し
得るガス供給経路を接続し、かつ各流動層空間の断面積
を、各流動層空間内のガス流速を等しくし得るように定
めたことを特徴とする流動層還元炉。
【請求項２】請求項１に記載した流動層還元炉に対
し、各流動層空間内のガス流速が等しくなるように各ガ
ス導入口より還元ガスを吹き込みながら、最上段の流動
層空間内へ未還元の粉粒体鉱石を投入することを特徴と
する粉粒体鉱石の還元方法。
【請求項３】最上段の流動層空間内へ未還元の粉粒体
鉱石を連続的に投入するとともに、下記a)〜d)のような
過程を経て最下段の流動層空間の底部に至る還元ずみの
粉粒体鉱石を、当該最下段の流動層空間の底部より連続
的に取り出すことを特徴とする請求項２に記載の粉粒体
鉱石の還元方法。 a) 投入された粉粒体鉱石が少なくて下記b)に達しない
うちは、吹き込まれる還元ガスにより最上段の空間内で
のみその粉粒体鉱石が流動化する。 b) 投入された粉粒体鉱石の全重量が、最上段の流動層
空間における層差圧に基づく支持力を越えると、当該越
えた重量分の粉粒体鉱石が一つ下段の流動層空間内に重
力落下により移動する。 c) 当該下段の流動層空間でも、移動してきた粉粒体鉱
石は、量が少ないうちはその空間内で流動化し、全重量
がその流動層空間における層差圧に基づく支持力を越え
ると当該越えた重量分がさらに下方へ重力落下により移
動する。 d) 下方にさらに１以上の流動層空間があると、そこへ
落下した鉱石が順次に上記c)を繰り返すが、最下段の流
動層空間においては、重力落下したとき鉱石は当該空間
の底部に至り、流動を停止する。