JPS5880491A - ロ−タリ−キルン還元剤供給方法およびそのシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）　　発明−の背景 この発明は、石炭のような固体炭素含有還元剤を使用し
、ロータリーキルン内で鉄酸化物含有物質およびまたは
他の金属酸化物を直接還元することによって、直接還元
鉄（ＤＲＩ）または他の鉱物製品を生産するためのプロ
セス、特に改善された方法により、キルンの排出端に還
元剤を噴射するだめの方法および手段に関する。

固体炭素含有物質、特に石炭を使用して、ロータリーキ
ルン内で直接還元鉄（ＤＲＩ）および他の鉱物製品を生
産するだめに、鉱石および他の鉄酸化物含有物質および
または他の金属酸化物の直接還元を実施するために、多
くの異なる方法が提案され、用いられてきた。例えば、
これらの方法のあるものにおいては、石炭は、モークル
バストに対する米国特許第３１１３８５９号明細書およ
びハイドマンに対する米国特許第３５０５０６０号およ
び第３６６３２０１号明細書にそれぞれ開示されている
ように、機械的または空気的手段により排出端を通じて
キルン内に装入され、またあるものにおいては、石炭は
、セニャーその他に対する米国特許第３２０６２９９号
明細書に開示されているように、キルンの中央またはキ
ルンに沿って装入される。しかしながら、これら種々の
アプローチは重大な問題に直面していたが、その問題の
多くは、ポノキ／に対する米国特許第３８９０１３８号
明細書に開示さゎたプロセスによって克服された。この
後者のプロセスにおいては、石炭の一部がキルンの排出
端に噴射または吹き込まれ、石炭の残りの部分が、他の
装入物とともに装入物装入端に装入される。キルンは、
通常、排出端側の還元ゾーンと装入端側の予熱ゾーンと
に分けられており、石炭は、排出端から噴射される石炭
の総量が、キルンの両ゾーンを通じた装入物およびガス
温度プロフィールを制御する上での十分な助けとなるよ
うな方法でキルン内に分配される。

ホラキンのプロセスは、高揮発性石炭を使用するイルミ
ナイト還元の使用のだめに特に開発されたものであるが
、両端からの装入技術は、鉄酸化物含有物質をロータリ
ーキルン内で還元して直接還元鉄（ＤＲＩ）を作る際、
または直接還元プロセスを使用して他の鉱物製品を作る
時に使用される他の固体還元剤装入方法を改善するもの
であることが判明した。この出願と同じ譲受人に譲渡さ
れた共に係属中の米国特許出願第２６６６０２号には、
排出端を通じた効果的な装入のだめの重要なパラメータ
が開示されており、この発明は、そこに開示された発明
の改良であり、特にその技術が比較的大きなキルンに適
用される場合の改良である。

（２）発明の要約 この発明は、キルン長に沿って導入される酸素含有ガス
およびキルンの装入端および排出端から導入される燃料
および還元剤の両方の原料として単一または複数の固体
炭素含有還元剤を使用し、鉄酸化物含有物質およびまた
は他の金属酸化物を直接還元するためのキルン内のベッ
ドおよびガス相の温度を制御するための方法および手段
を含み、特に、より大きなキルン内の排出端における還
元剤の改善された噴射を提供する。

さらに詳しくは、排出端還元剤、典型的には石炭粒子、
およびまたは再利用されるチャー化された石炭またはチ
ャー、およびまたは木片および同様な生物燃料のような
他の炭素含有物質の形での排出端還元剤が、好ましくは
約５から１５１ｓｉの低圧空気により吹き付けられるこ
とによって、キルンの排出端に配置された二以上のそれ
ぞれのパイプの端部からの二以上の流れの形で噴射され
る。

この流れに寄託された還元剤または石炭の長さ方向の分
配は、必要に応じて、比較的長いキル／の場合にも、排
出端からキルン長に沿う装入物ベッドの７５％までもま
たは７５チを越えて広げることができ、そして異なるパ
イプからの流れをキルン内壁、好ましくは装入端からキ
ルン長の４０％と９０％との間の領域に跳ね返らせ、キ
ルン壁に跳ね返ったときに流れをキルンの上部二つの四
分円の一方または両方に向けることによって、排出端側
の全ガス／ベッド界面上のベッド内に取り込まれる。

適当な調整が、パイプの直径、各パイプからの流れの中
の還元剤粒子のサイズ区分、流れを推進させる噴射手段
、流れが向けられるキルン胴の四分円およびキルン壁に
対する流れの接触領域のそれぞれにおいて、プロセス条
件が最適になるまでなされる。炭素含有還元剤の噴射さ
れた流れの記述されたような適正な調整および適切なサ
イズに分類された粒子の使用によって、著しく改善され
た温度および熱伝導制御を伴う全キルン性能の精密な制
御、したがってプロセス操作の改善された効率が、どの
ような実用的長さのロータリーキルンにおいても達成さ
れる。

（３）好ましい実施例の詳細な説明 燃料および還元剤の両方の原料として作用する固体炭素
含有物質が装入物装入端および排出端の両方に装入され
るローターリ−キルンを利用するタイプの、鉄酸化物含
有物質およびまたは他の金属酸化物からＤＲＩまたは他
の鉱物製品を生産するための直接還元プラントのフロー
ダイヤグラムが、この発明の実施に関連して第１図に示
されている。

このプラントは、プロセス物質を収容するだめの一連の
供給ビンを含んでおり、例えばビン１は、鉱石のような
鉄酸化物含有物質を、典型的には鉄酸化物ペレットまた
は天然−塊鉱石の形で供給するためのもの、ビン２は、
硫黄制御のために石灰岩やドロマイトのような脱硫剤を
供給するだめのもの、ビン３は、適当な炭素含有還元剤
を、典型的には公称粒径が１また２インチより下の石炭
の形で供給するだめのもの、そしてビン４は、再帰また
は再利用チャーを供給するだめのものである。

鉄鉱石、石炭、再利用チャーおよびドロマイトは、正確
に比例配分されており、適当な耐火物によって裏打ちさ
れたロータリー還元キルン６の装入端６αへの装入物と
して、通常の計量フィーダーによって連続的に供給され
る。

残されたビン５は、石炭のような追加の還元剤を、典型
的には公称粒径が１／２インチより小さい　　　゛石炭
をロータリーキルン６の排出端６ｈへ供給し、そこでは
注意深く制御された量が、その中に噴射または吹き込ま
れる。ビン４からのチャー粒子もまた、この出願と同じ
譲受人に譲渡された共に係属中の米国特許出願第１３２
８０６号に記載されているように、排出端に噴射される
石炭粒子に含めてもよい。噴射を遂行するために、特定
の排出端還元剤が装入制御装置７に供給され、そこから
適当な空気供給源、好ましくは正排気プロワ−から適当
な噴射装置８を通じた低圧搬送空気手段によって吹き込
まれる。吹き付けを制御するための適切な方法およびシ
ステムは、この出願と同じ譲受人に譲渡された共に係属
中の米国特許出願第２６６６０２号および第０８２１３
８号に記載されている。

噴射装置８を通じた搬送空気の導入に加えて、キルンは
、キルン外殻に取り付けられた一連の空気噴射管９を備
えており、これらは、典型的には１０本であるが、その
数は適当に増減でき、キルン長に沿って一定の間隔を置
いて配置され、外部から空気を吹き込んで午−れをキル
ン軸に沿って噴射して燃焼を増進させるべく、キルンの
内部に延びている。管９のそれぞれは、個々に制御でき
るファンおよびモーターの組み合わせ１０をそれ自身に
備えており、これにより空気の噴射割合が、キルンに沿
う各間隔位置で独立的に、正しく調整することができる
。キルンの装入端６αに近い管９のあるものは、この出
願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第４２７３３１４
号明細書に説明されているように、空気噴射を逆向きに
するようにしてもよい。

同様にキルンに沿って一定の間隔で配置されているのは
、一連の熱電対３０で、典型的には１２個以上あり、キ
ルン内の装入物およびガスの平均温度を測定する。選択
的な直接温度検知シスデノ、３１が、この出願と同じ譲
受人に譲渡された共に係属中の米国特許出願第２５００
０６号に開示されているように、同様に利用することが
できる。

熱い廃棄ガスが、キルンの装入端６αから排出され、廃
ガス処理またはクリーニングシステムへ送られる。適当
なりリーニングシステムにおいては、ガスは、任意のア
フターバーニングの後、スプレー冷却塔１２へ送られ、
そこで２６０℃に冷却された後、微粉塵を除去するため
に、ガラスファイババッグを備えたバッグハウス１３へ
送られる。清浄にされたガスは、誘導ドラフトファンを
経由して高い煙突１４に入れられる。

還元キルン６の排出端６ｂから排出された物質は、密閉
された搬送価に入れられ、ＤＲＩ　または他の鉱物生産
物、石炭チャー、石炭灰および脱硫剤および他の微小物
質の混合からなっている。この物質は、周囲の雰囲気か
ら密閉されたロータリークーラー１５内で冷却され、ク
ーラー１５は、リフターを備えており、外部を水で冷却
される。この冷却された混合物は、次いでクーラー１５
から篩い分はシステム１６へ送られ、ここで粗い破片、
中間の破片、細かい破片に篩い分けされる。二つの大き
なサイズの破片は、それぞれ磁選機１７および１８によ
って磁気分別され、残りの細かな破片は、磁選機１９お
よび２０において磁気分別される。磁選機１７および１
８は、粗いＤＲＩ　　を除去して、製品出荷地域に送る
。磁選機１７．１８および１９からの非磁性片は、再利
用チャーピン４に搬ばれる。この分別システムは、この
とき、粗いおよび細かなりＲＩ　、粗いおよび細かな再
利用チャーおよび細かな非磁性廃棄物を生じさせる。

第１図に示され、そして第１図に関して説明されたよう
なプラントにおいては、キルンベッド全体にわたる燃焼
状態およびベッド内の還元状態を適正に制御することに
より、キルン容量の最適利用が、金属化率９０チ以上を
もって一貫して達成される。

プロセスの適正な制御は、ベッド温度、固体粒子サイズ
、ベッド内における炭素／鉄酸化物比、石炭から生じる
チャーの反応、チャー反応における浄化効果、および鉄
酸化物の還元能力によって影響される全体の還元動力学
の調整を必要とする。

ベッドへの熱伝導率の制御およびベッド温度の制御は、
確実なキルン操作を達成する際の極めて重要な要因であ
り、これによって確実なプロセスの化学的作用および動
力学が結果する。第２図は、天然塊鉱石または通常の鉄
酸化物ペレットを還元するときのこのタイプの還元キル
ン内のその長さ方向に沿って発生する曲線Ａで示す固体
温度および曲線Ｂで示すガス温度の望ましい操作プロフ
ィールを示している。

キルンは、通常、キルン長の最初の１／３の間に広がる
装入端側の予熱ゾーンと、キルン長の残りの部分に広が
る還元ゾーンを有していると見なされている。これら二
つのゾーンの相対的な長さは、還元の重要な部分が実際
に始まる場所に依存して変化し、この場所は、今度はベ
ッドの構成物およびキルンの状態に依存する。第２図の
固体温度プロフィール曲線Ａから明らかなように、固体
の温度は、キルンの予熱ゾーンを通じて装入端から通常
は確実に増加することが望ましく、次いで、鉱石塊また
は通常の鉄酸化物ペレットのための装入端からキルン長
に沿って約５０％から６７チの領域内のどこかに位置す
る点Ｘまで、予熱ゾーンを越えてより大きな割合で増加
することが望ましい。点Ｘの適切な位置は、お気付きと
思うが処理される物質に依存し、他の物質のためにはこ
の領域の外側に落ちることもありうる。

点Ｘからキルンの排出端の点Ｙまでの固体温度プロフィ
ールは、その大部分において、還元される物質に関係な
く比較的コンスタントに維持されることか望ましい。Ｘ
がらＹまでの領域は、キルンの「作用ゾーン」というこ
とができ、そこでは、最適操作温度レベルが、鉄酸化物
または他の金属酸化物の還元が、ベッド内固体物質温度
における可能な限りの高い割合で完遂されるように要求
される。この作用ゾーンにおけるベッドの最大操作温度
は、装入物質の焼結の発生、キルン壁への付着物の形成
およびまたは製品の品質性能全体に対する他の有害な影
響、例えば、この出願と同じ譲受人に譲渡された共に係
属中の米国特許出願第２０３２７５号により十分に説明
されているようなケースの場合には、焼結よりもより重
要な要因になりうるＤＲＩ　製品の硫黄含有量のような
要因によって制限される。作用ゾーンにおける特定の固
体ベッドに対する許容最大温度は、プロセスに使用され
る特定の石炭または炭素含有固体還元剤の特性に依存し
ている。何故なら、焼結が発生する温度は、異なる石炭
灰が固体ベッドにおける他の固体相と混合されるときに
変化するからである。同様に、温度レベルは、有害な硫
黄の影響を引き起こすレベルを越えないように監視され
なければならない。第２図に示すように、作用ゾーンに
おける固体のだめの約１０８０℃までの最大温度および
予熱ゾーンにおける実質的に７５０℃以下の固体温度が
、典型的な操作温度であり、これらはＤＲＩ生産のため
に鉱石塊および通常の酸化物ペレットを還元する際には
多くの場合に越えられるものではないが、これらの温度
レベルは、他の鉄およびまたは金属酸化物を還元すると
きには変えられうるものである。

キルンに沿う熱の制御された解放は、有害な結果を引き
起こすベッド内の局部的な高温または「ホットスポット
」を避けるために必要とされ、これによりベッドおよび
ガスの温度プロフィールのスムーズな制御が、特にキル
ンの作用ゾーン上でのプロセス性能の適正化のために必
須となる。

最適温度制御およびベッドへの熱伝導において鍵となる
要因は、これが最も重要な要因ではないにしても、キル
ンベッド上の還元剤の最適分配を達成するためのキルン
の排出端への還元剤の装入の注意深い調整である。

まず、この点に関する重要な点は、キルン排出端から装
入された還元剤寸たは石炭からの揮発分の燃焼であり、
この燃焼が、ベッドから逃げ出した一酸化炭素の燃焼に
よって発生した熱を補うからである。排出端の石炭は、
ベッドに着陸して揮発分を発生させ、ベッドから逃げだ
したＣＯとともに発生した揮発分またはその一部が、ガ
ス／ベッド界面に極く近接する空気管９からの空気と反
応する。この酸化反応は、ガス／ベッド界面に近い熱い
ガス領域を生じさせ、最も効率的な熱伝導メカニズム、
すなわち装入物ベッドへの輻射熱伝導を増大させる。さ
らに、排出端を通じてキルンに入った還元剤は、白熱光
を発する重要な多くの固体粒子を形成し、この現象は、
同様にベッドへの輻射熱伝導を改善する。この結果、改
善された排出端石炭噴射をもってすれば、ベッドの熱要
求を満足させるに必要な熱の大部分が、ガスおよび白熱
粒子の放射増大から結果するより大きな熱伝導率のため
に、通常のキルン操作温度でベッドへ伝えられる。

特に、還元剤または石炭を噴射する際の最適なプロセス
性能を達成するためには、特定の流れを作るだめの１／
２インチ以下の粒子サイズの還元剤の使用に加えて、装
入および流れの制御に関する四つの重要な要因が明らか
になっている。それは、（１）粒子のベッドに沿う長手
方向の分配、（２）流れの軸方向の広がり、（３）キル
ン耐火物内部表面と流れとの接触領域、（４）流れが向
けられるキルン胴の四分円である。

特定のプロセスのだめのこれら四つの項目における粒子
流を評価する際には、プロセスの最適操作のだめの温度
プロフィールすなわち装入物ベッドに沿う特定の温度レ
ベルが、既に示したように、ベッド内の固体の組成、し
たがって還元剤として使用される固体炭素含有物質また
は石炭の特性に依存するということに注意しなければな
らない。

しだがって、いずれのプロセスの場合にも、装入端石炭
装入におけるこれら四つの要因のそれぞれのだめの適切
なパラメータが、使用される単一または複数の還元剤に
よって変化し、与えられたプロセスのためのこれらパラ
メータの適切な組み合わせが、通常は経験的にではある
が、以下に説明する制限またはガイドラインの範囲内で
決定される。

先に引用した係属中の米国特許出願第２６６６０２号お
よび第０８２１３８号においては、キルンの排出端への
還元剤の適切な噴射を達成するだめの改善された方法お
よび手段が開示されている。前者の出願は、特に外殻の
直径が１１．５フイート（３，５ｍ）で長さが１４８フ
イート（４５ｒｒＬ）の還元キルンに関しての使用に適
したシステムについて記述している。

これらの出願に記述されているように、還元剤または石
炭は、石炭噴射パイプを通じてキルン内に吹き込まれる
が、このパイプは、後者の出願に開示されている手段に
よって使用される還元剤のための望ましい弾道を達成す
るように調整される。

記述された方法および手段は、前者の出願に開示された
ものに近いサイズのシステムにおいては、かなり有利に
使用できるが、制御の問題が、吹き付けられる石炭の重
量配分およびベッドに沿った堆積距離に関して生じうる
が、これは、キルンの長さおよび直径が７ステムのＤＲ
Ｉ　　出荷能力を増加させるために著しく増大されてい
るより大きなキルンに規模を拡大した場合にも、記述さ
れた構成によって達成しうるものである。

特に、理解すべきことは、吹き付けられる石炭のだめの
より長い弾道を達成するだめのより長いキルン内におい
ては、噴射パイプ内を単位時間および単位断面積車りに
通過する空気の量または嵩が増加しなければならないこ
とである。勿論、排出端からキルン内に吹き込まれる空
気総量の実質的な増加は、キルンに沿う一連の空気管を
通じて噴射されている空気の厳密に調整されうる供給に
対する干渉によって、キルン内のプロセス状態の制御に
悪い影響を及ぼす。同様に、キルンの増大された能力は
、通常、より大きな排出端還元剤入力を必要とするが、
または必要としないかもしれないが、還元剤または石炭
のサイズ区分が、より精密な制御を必要とするようにな
る。さらに、固体に対する最適空気の割合は、パイプを
通す、た粒子の必要な搬送を効果的に達成する上で重−
要ではあるにしても、パイプから出る空気量における増
加は、単位時間当りにパイプから吹きつけられている石
炭の重量における付随的増加を必要とし、これにより石
炭粒子のサイズ区分の適正な調整が、一層厳格になる。

この発明は、キルンの排出端における二以上の石炭噴射
管の組み合わせを備えることによって、および精密なプ
ロセス制御を達成するための噴射操作の適切なパラメー
タを調整することによって、より長いそしてより広い還
元キルン内で適切な石炭噴射を達成する際の諸問題を克
服することに向けられる。

排出端石炭装入を、後述するように二本または多数の噴
射管、特に石炭噴射管の間に分配するととによシ、キル
ン前方部分に石炭を適切に噴射するに必要な空気の量ま
たは嵩が、かなり減じられ、　　　゛これにより種々の
空気噴射管を通じた空気量調整を使用するプロセス制御
に対する干渉を避けるととができ、また石炭のサイズ区
分の精密な制御のだめの如何なる要求も排除される。何
故ならば、それぞれのパイプ内の固体に対する空気の割
合の効果的なバランスが、粒子サイズ区分の厳格な制御
なしに、より容易に達成されるからである。加えて、キ
ル／ベッドの特定の領域における石炭粒子の選択的堆積
が、よシ容易に達成される。

この発明によるシステムの好ましい実施例が、第３図に
示されており、そ仁に明らかなように、還元剤は、パイ
プ８αおよび８ｈを通じてロータリー＝＝ｒ・ルン６′
の排出端６ｈ内に二つの流れＳαおよびＳｂとして吹き
込まれ、これらのパイプの端部は、キルン排出ヘッド６
０に静止的°に取り付けられた調整可能なカラー６０α
および６０ｈ内に支持されている。キルン６′は、比較
的大容量のものであるが、パイプ８αは、より小さなキ
ルンに典型的に使用されているパイプと同じものでよく
、ベッドのすべてに沿って予熱ゾーンまでも、すなわち
キルン長の終りの約６５チまたはそこを越えて堆積させ
るために、石炭を吹き付けることができる。しかしなが
ら、より大きな能力をもつキルンの増大された長さのた
めに、もしパイプの直径がより短いキルンに用いられる
ものと同等であるならば、単位時間当りに延ばされた長
さを通じてベッド表面に選択的に分配されうる石炭の総
量は、パイプから石炭を投入するために必要な空気量の
大きさおよび適正なプロセス操作においても有する有害
な結果によって制限されることになる。要求される全体
の熱の大部分がベッドの作用ゾーンで発生するので、石
炭吹き付けの必要性はこのゾーンで最大である。パイプ
８αを使ってよシ長い弾道を実現するための企てにおい
ては、石炭の不適当な量が、作用ゾーンに堆積される可
能性がある。そのような場合、第２のパイプ８ｂが、こ
の領域における堆積を補助するために使用され、この後
者のパイプによって供給される石炭は、キルンの遠くま
で飛行する必要がないので、バイアｓｂからの流れの出
射速度は比較的域じることができ、したがってこのパイ
プを通る空気流量は、パイプ８αのそれと同等な大きさ
のものを必要としない。

適当な石炭パイプの大きさおよび吹き付は空気量が、異
なる能力のキルンに関して容易に決定されるやり方の例
として、プロセス基準が次貝表１に作°られている。

表から明らかなように、１口比すなわち内部耐火物直径
（Ｄ）に対するキルン長（Ｌ）の比率は、この発明のタ
イプのキルンに対しては約１２：１から１８：１の範囲
が典型的であり、噴射パイプを通る空気／固体比は、好
ましくは約１５：１から１８：１の範囲である。部会長
くは、パイプ８ｃＬは直径２インチで、パイプ８ｈの直
径は、キルン長および必要とされる吹き付は石炭の割合
に応じて、これよりいくらか大きい。

より大きな容量のキルンの場合には、キルンの内部耐火
物直径は、適当な０口比を維持するために長さの増大に
比例していくらか大きくしなければならないので、適当
な空間が、二本またはそれ以上の石炭吹き付はパイプを
キルンの排出端に、両者間に不都合な干渉を結果させる
ことなしに配置するために供給される。二本またはそれ
以上のパイプは、キルン胴の同じ上部四分円に向けられ
、石炭をキルン側壁の長さ方向に沿った異なる領域に跳
ね返らせるが、好ましくはパイプ８αおよび８ｂのよう
な二本のパイプが使用されるときには、第４図に示すよ
うに、キルン胴の二つの上部四分円ＣおよびＤにそれぞ
れ向けられる。二本のパイプの出力端の向きは、図にお
いて０８によって一般的に示されており、それぞれは、
それぞれから望ましい流れの弾道を結果させるように、
それぞれノζイブ位置決め装置４０αおよび４０ｂの調
整により、個々に向きを定められる。

パイプの向きおよびその直径に加えて、流れの弾道およ
び堆積は、その飛行および分配を結果させる他の重要な
パラメータ、これらは吹き付は空気の流量および還元剤
の特定サイズである、を変更しおよび設定することによ
り、調整および制御することができる。特に、使用され
る還元剤は、好ましくはサイズが１／２インチ（１２１
／２ｍｍ）からゼロまで変えられうる粒子状のものが望
ましい。

それぞれのパイプから吹き付けられる還元剤の流れは、
粗いおよび細かい破片の両方の混合を構成し、それぞれ
の流れは、キルンベッド表面にその長さに沿った望まし
い堆積を生じさせるために混ぜ合わせられる。しかしな
がら、噴射パイプのすべてに同じサイズ区分の石炭を供
給することは、通常、資本投下および操作費用の点から
コスト効果がよ如高いので、種々のパイプの直径は、単
一の石炭サイズを使用して望ましい堆積を達成するため
に、それぞれの空気流量とともに選択される。

吹き付は空気の流量が増えると、粗い粒子がキルン内に
余計に搬ばれるので、より長い弾道のパイプ８αがより
大きな流量とともに備えられ、これは好ましくは、出射
速度を増すためにより小さな直径のものである。より短
い弾道のパイプ８ｂは、より低い出射速度が望まれ、石
炭のより大きな量が、ベッドの作用ゾーン上の選択的な
堆積のために通過するならば、対応的により大きな直径
のものでもよい。

この点に関して理解すべき重要なことは、最適プロセス
制御のためのベッド上への石炭の分配は、キルン長の異
なったまだは連続するセグメントに沿った装入物ベッド
の吸熱要求を満足させるように調整されなければならな
いことである。特に、吹き付けられた石炭の最大百分率
重量配分は、最も大きな熱量が要求されるベッドのセグ
メント部分に落下することが望ましく、これにより石炭
の長手方向の堆積がキルン長の７５％までもまたはこれ
を越えて延びることが要求されるにしても、石炭の大部
分は、全作用ゾーン上のベッド内に取り込まれる。要求
される石炭装入を実現するだめの好ましい方法は、以下
に述べられる。

捷ず始めに、キルン設計容量が考慮され、次いで排出端
から装入されるべく必要とされる還元剤または石炭の総
量が決定される。これは、主としてキルン外殻の熱損失
および石炭の揮発分含量に依存するが、典型的にはキル
ンに装入される総量の約１５％から３５％の範囲内であ
る。プロセスに用いられるべき構成成分にもとづいて、
石炭の堆積が必要とされるキルンベッドに沿う距離が評
価される。これらの要因を使用し、表１に示されたやり
方で適当なパイプ直径の大きさが選ばれる。次に、還元
剤の整粒が、流れの一般的な堆積パターンは、より粗い
粒子は細かな粒子よりもキルンに沿って遠くに飛ばされ
やすいという事実に支配される、ということに心を止め
ながら、各パイプに対して考慮される。有利なことには
、二本またはそれ以上のパイプの使用によって与えられ
た装入の融通性のために、石炭の整粒は通常は厳格でな
く、これにより上記したようなコスト効果のために、パ
イプのすべてに対して同じ粒子サイズ区分を使用するよ
うな規定を作ることができる。この整流は１／２インチ
以下の粒子についてである。一度、これらの本質的な構
成パラメータ、主にパイプの直径および還元剤の整粒で
ある、が決定されると、システムは、効率的なプロセス
性能を確立すべく、操作および経験的微調整のだめに準
備される。

実際の操作においては、まずパイプの向きが、還元剤ま
たは石炭をベッド上に全般的に向け、ベッド全体に沿っ
て石炭の堆積が生じるように、キルン耐火物の内部表面
すなわちキルン内部側壁に対してセントされる。パイプ
８αおよび８ｈの向きは、第３図に示すように、それぞ
れの位置決め装置４０αおよび４０ｈ　（これらは、注
記したように好寸しくは係属中の米国特許出願第０８２
１３８号に開示されているタイプのものである）により
これらに曲げ力を加えることにより、およびキルン排出
端ヘッド６０の接近ポート内の適当なカラー６０αおよ
び６０ｂおよび噴射装置にパイプの供給端を取り付ける
だめの適当なボルトジョイン）７／ｌを支持部材として
使用することにより、それぞれ調整可能になっている。

パイプ８αは、初めはその端部の軸がキルン胴の上部四
分円Ｄ（第４図参照）に向けられるように、またパイプ
８ｈは、上部四分円Ｃに、それぞれ望ましい流れの弾道
を生じるように見積もられたキルン軸に関して垂直方向
および方位方向の角度をもって向けられる。それぞれの
パイプの垂直方向の向きは、主としてその流れの飛行距
離に影響し、方位方向の向きは、流れがキルンの側壁に
跳ね返る位置によって、キルンベッド表面の粒子の拡散
に影響する。

パイプ８αおよび８ｂの最初の位置決めがなされると、
次に、石炭の流れを確立するために噴射装置を使用した
石炭の吹き付けが開始される。石炭の長手方向の分配は
、次にそれぞれのパイプを通るそれぞれの空気流量を選
択的に変えることによって調整され、これは今度は空気
および粒子の出射速度を変え、ベッドに沿う粒子の飛行
距離の相違により、粗い石炭および細かい石炭のベッド
表面上の堆積領域を分けるように役立つ。空気流は、コ
ンプレッサーによるよりも好ましくは空気供給源８αに
より、１台またはそれ以上の正排気ブロワ−の形式で発
生され、これにより流量は、通常の中間価格の正排気プ
ロワ−の能力の範囲内である５から１５ｐｓｉオーダー
の低圧力ではあるが、正確に測定された量において適度
に高い。それぞれのパイプは、別々のファイア−マン装
置７０．７１に接続されるが、この目的に適した装置は
、西ドイツ、ボッツム・リンデンのマシネンファブリノ
ク・カール・フリー　７’ン・アンド・コーポレーシラ
ン製のものである。特に望ましいことは、別々の供給シ
ステムが、貯蔵ビンすなわちピン５′からフッイア−マ
ン装置のそれぞれに通じていることであシ、このため第
３図に示すように、それぞれのシステムは、抽出装置５
０αおよび５０ｂならびにファイア−マン装置７０およ
び７１にそれぞれ接続される計量供給装置５１α、５１
ｈを含んでいる。

長手方向の分配がこのように大体確立されると、ガス／
ベッド界面上の石炭の望ましい堆積パターンが、次に石
炭の流れをキルンの耐火物表面または壁に適切に跳ね返
らせることによって確立される。明らかなことは、装入
端からキル／長の約４０チと９０％の間の壁領域または
ゾーン、あるいは逆に排出端から約１０チと６０％の間
の間隔は、使用する。に適した接触領域であり、パイプ
の端部は、流れの方向を変えて最適分配を確立するため
に、再度方向付けされる。この点に関して、噴射パイプ
の古度の方向付けにおける重要な点は、石炭の流れが吹
き付けられるキルン胴の四分円に配慮する必要があるこ
とであり、第４図は、適切な分配を達成する際に石炭が
向けられるキルン胴の上部四分円ＣおよびＤが示されて
いる。二つの上部四分円ＣまたはＤのいずれも、与えら
れたプロセスにとって最も適したと認められるものに従
って一つまたはそれ以上またはすべての流れのために使
用することができる。四分円りは、より長い弾道の流れ
Ｓαのために好ましいが、その場合、前記した第３図に
示すように、第２のパイプ８ｈからの流れＳｈは、吹き
付けられた石炭を主に作用ゾーン上のベッド表面に堆積
させるように、四分円Ｃに向けられる。こうして、パイ
プ８ｈは、補助的な石炭装入の意味で、すなわち追加の
還元剤がより大きな熱的要求のために必要とされる装入
物ベッドの領域に、より長い弾道のパイプ８αによって
もたらされる装入を補充するために使用される。より長
い弾道のパイプ８ａは１、次いで還元剤を、排出端から
これを越えて装入物ベッドの長さの少なくとも５゜チを
覆って堆積させ、他方の短い方の弾道のパイ　　　゛プ
８ｈは、その流れの粒子を、これが最も必要とされる装
入物ベッドの約終りのｌ／３から１／２の上に堆積させ
る。

流れが最初に確立された後、パイプ８αおよび８ｈの向
きは、流れのそれぞれに対する最適飛行距離およびキル
ンベッド表面上の最適粒子分配を達成するために調整さ
れまたは変えられる。したがって、上部四分円りに向け
られたバイブ８α端部の軸は、キルン軸に関して上方に
約１°から１０’の角度範囲を通じて垂直方向に調整さ
れ、また約１°から１２　’／２°の角度範囲を通じて
キルン軸に関して右側方位方向に調整され、これによシ
流れＳαは、キルン胴の約１時から４時の位置範囲のい
ずれの場所においても、耐火物壁に跳ね返されるように
なる。これらはすべて排出端から見た場合である。

注意すべきことは、第４図におけるベッドは、３時位置
のいくらか上のキルン壁に接触しているように示されて
いるが、図示された断面は、ベッドが最も深いキルンの
排出端を切断したものであり、この深さはキルンの装入
端に向けて減少する。パイプ８ｈは、その端部の軸が、
キルン軸に関して上方に約ｌ°から５°の角度範囲を通
じて垂直方向に、士してキルン軸に関して左方向に約１
°から１２　’／２゜の角度範囲を通じて方位方向に上
部四分円Ｃ内で向けられる上うに調整され、これにより
流れｓｈは、キルン胴の約１１時から８時の位置範囲の
いずれの場所においても、キルン壁に跳ね返らされるよ
うになる。これらはすべて排出端から見た場合である。

燃焼および継続するプロセス操作が達成されると、サン
プルおよび読み取りが行なわれ、キルン装入物ベッド内
の金属化率および温度プロフィールが決定される。プロ
セスに対する調整が、石炭分配および装入物ベッド上の
堆積パターンを変えるそれぞれのパイプを通る空気流量
を変化させることにより達成される。同様に、キルン軸
に沿って供給される燃焼空気または酸素含有ガスの量が
、キルン外殻に取シ付けられた空気管のそれぞれを通じ
て、および温度プロフィールの読み取りから評価された
温度反応を通じて適切に変えられる。

温度反応が、キルンベッドのある危機的なセグメントで
遅い場合には、金属化率を高くする必要があり、排出端
吹き付はパイプへの空気量は、装入物ベッド表面上の炭
素含有還元剤の堆積が最適プロセス条件をもたらすよう
なものになるまで、さらに変化させる。

特定の金属酸化物含有物質のための適切なパラメータが
、このようにして経験的に決定されると、熟練技術者は
、石炭吹き付はパラメータは、他の鉄およびまたは金属
酸化物を使用してプロセスを実施するためには、経験的
に評価された金属酸化物の還元特性に対して後者の異な
る熱伝導要件のために調整されなければならないという
指針を理解するであろう。

したがって、理解すべきことは、このプロセスの最適操
作は、冶金技術においては一般的な慣用手段であるよう
に、今述べた手続きを使用してプロセス物質の特定の組
み合わせのための適切なパラメータをまず最初に経験的
に開発し、次いで他の物質に代えられたときに、何が適
切なパラメータであるかのさらに経験的な知識を開発す
るための手続の基礎としてこれを用い、得られた知識を
応用することから結果するということである。

この発明の複式噴射システムを使用すれば、より大きな
キルンへの石炭の吹き付けによる添加が、直接還元プロ
セスの重要なプロセス制御要件を満足させるために使用
することができる。例えば、適切に整粒された石炭を使
用したときの吹き付は石炭からの揮発分の燃焼は、ベッ
ドから逃げ出したＣＯの燃焼だけでは熱要求を満足しな
いキルンベッドの部分に、追加の熱を供給する。この部
分は、熱要件が、酸化物還元の大部分が発生している場
所のような、特に高い場所である装入物ベッドのセグメ
ント、およびＣＯの発生割合が、作用温度だけでなくＣ
Ｏ影形成ために鉄に拘束された酸素の利用性によっても
制限される領域においても、同様に発生する。次いで、
キルンに沿って一定の間隔をおいて配置されたそれぞれ
の空気管９への計量された空気入力の使用と組み合わさ
れた、キルンベッドに沿って装入端に向かう吹き付は石
炭の正しい長手方向の分配によって、熱解放さえもがキ
ルン内で達成される。この組み合わせは、油やガスのよ
うな他の燃料または粉状固体燃料噴射の使用によってプ
ロセス内に引き起こされる可能性のある高くて制御でき
ない温度および熱の集中を避けながら、ベッドおよびガ
スの温度プロフィールを精密に制御できるようにすると
ともに、達成されるべく要求された熱伝導を許す。連続
する塊状の焼結が、このような熱集中または「ホットス
ポット」が発生する領域で発生し、第２図の点線Ａ／　
、　Ｂ／によって示すようなこのタイプの異常加熱ゾー
ンは、先のような他の補助燃料を使用した場合に発生し
やすい。

この発明の注意すべきさらに重要な制御上の要点は、キ
ルン排気ガス温度の制御である。キルン排気ガス温度は
、主に使用されている石炭または還元剤の揮発分含量お
よびキルン内の予熱ゾーンの燃焼空気の添加によって支
配される。排気ガスの典型的な温度範囲は、低揮発分石
炭に対する約５００℃から高揮発分石炭に対する約９０
０℃までである。この発明の説明された技術にしたがう
排出端からの石炭の一部の噴射は、排気ガス温度を２０
０℃までも活発に低下させる。この温度低下現象は、通
常のキルン操作中に、単に排出端からの石炭供給を停止
させるだけで、実証することができる。このような事情
のもとて比較的小さなキルンにおいて明らかになったこ
とは、排出端石炭供給の再確立をすぐにひつくり返すよ
うな排気ガス温度の急激な鋭い立ち上がりが存在するこ
とである。これらの結果は、改善された熱伝導および燃
焼効率が、より大きなキルン内の記述された石炭装入技
術とともに達成しうろことを示している。

何故なら、排気ガス温度の匹敵する減少は、排気中への
熱廃棄の減少を結果させ、生じさせるからである。

同様に、排出端への石炭の吹き付は装入を停止すると、
そこのしたがって作用ゾーンのベッドおよびガスの温度
が、第２図の点線Ｎ’　、　Ｂ”で示されるように低下
することが見出された。

この発明の複式吹き込み技術の使用を意図するより大き
なキルンは、表１に示された範囲内の１４比が約１８　
：　１　ｔでの長さを有するものである。

このようなキル／は、鉄酸化物を還元する場合に、年当
りのＤＲＩが約１０００００　トンから２０００００　
）ンまでの範囲の見積シ生産能力が可能なように計算さ
れている。

勿論、このような大きなキルンにおいては、キルン長に
沿って配置された多数の空気管９および平均温度検知熱
電対３０が、特定の原材料および生産要件に適合させる
ために、増加される。係属中の米国特許出願第２５００
０６号に開示されたような選択的直接温度検知システム
３１が、変更なしにまたは適当に変更して使用できる。

特に望ましいことは、前記したように、吹き付は石炭装
入システムが、貯蔵ビン５′からの別々の供給システム
を備えることによって複式噴射パイプの使用に適合され
ることであシ、このためそれぞれの供給システムは、抽
出装置、計量供給装置、ファイア−マンおよび噴射パイ
プと調整装置とを含んでいる。それぞれの空気供給源は
、同様にそれぞれの供給システムおよび任意の他の圧力
装置とともに使用することができる。

したがって明らかなことは、この発明によれば、適切な
石炭の吹き付けが、熱に対する最も大きな要求をもつ装
入物ベッド内の特定部分への改善された熱伝導を達成す
るために、より大きなキルン内で成就されることである
。加えて、吹き付けられた石炭は、延長されたキルンの
停止によって引き起こされる分離または転倒条件のため
にチャーの枯渇が発生する装入物ベッドのある領域から
のチャーの枯渇を防止する。この結果、排出端還元剤吹
き込みの割合および性質とともに、異なるパイプからの
空気圧力噴射の割合および吹き付けの方向を注意深く調
整することによって、キルン全体の性能の精密な制御が
、プロセス効率の顕著な付随的増加＆伴って達成される
。

石炭吹き付けが、噴出の手段として持ち出され、説明さ
れてきたが、単独でまたは吹き付けとの組み合わせで使
用される種々の他の適当な装置が、関連熟練技術者の見
地内で、この目的のために同様に意図さ゛れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明が適用される海綿鉄またはＤＲＩ生
産のだめのプロセスを実施するためのロータリーキル／
を含む適当な装置および方法を示す直接還元プラントの
概略図である。 第２図は、この発明に関連するロータリーキル／の長さ
に沿って発生するガスおよび固体ベッド内の温度プロフ
ィールの図である。 第３図は、この発明の吹き付は技術を示すロータリーキ
ルンと固体炭素含有還元剤または石炭を排出端に噴射す
るための装置との概略平面図である。 第４図は、第３図の４−４線に沿って切断した断面図で
ある。 ６・・・ロータリーキルン、　　８・・・還元剤噴射パ
イプ。 第１頁の続き ０発　明　者　トーマス・ダブリュ・グツデルアメリカ
合衆国テネシー３７７４８ ハリマン・ボーマン・ベンド・ ドライブ９３ ０発　明　者　ダニエル・エイチ・ウィルバート アメリカ合衆国テネシー３７９２２ ノックスビル・パインゾール・ ドライブ１０４０８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　金属酸化物を含有する物質を直接還元する大型の
   ロータリーキルンの排出端を通じて固体炭素含有還元剤
   を装入するための方法であって、固体炭素含有還元剤を
   整粒された粒子の混合に形成することと、 前記混合から還元剤粒子の第１および第２の流れを生じ
   させるとともに、キルン内の装入物ベッド上に前記粒子
   を堆積させるだめに、前記流れを排出端を通じてキルン
   壁に対して上部四分円の少なくとも一つに向けることと
   、 第１の流れは、粒子を排出端からキルン長の少なくとも
   ５０％を覆う装入物ベッド表面上に堆積させ、第２の流
   れは、粒子を主として最も大きな熱伝導率が要求される
   領域を覆うベッド表面上に堆積させるように、それぞれ
   の流れの流出を調整することとを含むロータリーキルン
   還元剤供給方法。 ２、前記流れは、それぞれの噴射パイプを通じた低圧力
   空気を使用する粒子の吹き付けによって発生され、前記
   第１の流れを発生させる・ζイブは、前記第２の流れを
   発生させるパイプよりも小さな直径を有する特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ３、前記パイプは、前記流れが、排出端からキルン長の
   約１０チと６０％の間の領域においてキルンの内部表面
   の反対側に跳ね返されるように向けられる特許請求の範
   囲第２項記載の方法。 ４、前記第１の流れが、排出端から見た場合のキルン胴
   の約１時と４時の間の位置のキルン内部表面に跳ね返さ
   れる特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５、前記第２の流れが、排出端から見た場合のキルン胴
   の約８時と１１時の間の位置のキルン内部表面に跳ね返
   される特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６、　ロータリーキルンの装入端および排出端の両方を
   通じて装入される固体炭素含有還元剤を使用して金属酸
   化物を含有する物質を直接還元するロータリーキルン内
   ゛の装入物ベッド、これは装入物装入端からキルン長の
   約１／３を覆う予熱ゾーンと、排出端からキルン長の少
   なくとも１／３を覆う作用ゾーンとを有する、に還元剤
   を供給する方法であって、 キルンに装入される固体炭素含有還元剤の重量で約１５
   ％から３５％の間を全体で含む整粒された還元剤粒子の
   少なくとも二つの流れを作り、これらの流れをキルンの
   排出端を通じて向けることと、一方の流れを、前記粒子
   を装入物ベッド表面の全体に沿って少なくとも予熱ゾー
   ンまで堆積させるために向けることと、 他方の流れを、前記粒子を主に作用ゾーンのベッド表面
   上に堆積させるために向けることとを含むロータリーキ
   ルン還元剤供給方法。 ７、　前記一方の流れが、選ばれた直径のパイプを通じ
   て低圧空気の高い流量を発生させることにより作られ、
   前記他方の流れは、より大きな直径のパイプを通じて低
   圧空気のより低い流°量を発生させることにより作られ
   、これらのパイプ内に前記粒子が供給される特許請求の
   範囲第６項記載の方法。 ８、　前記一方および他方の流れが、同じ直径の二つの
   パイプを通じて低圧空気の高い流量を発生させることに
   より作られ、これらのパイプ内に前記粒子が供給され、
   前記流れの弾道が、空気の異なる流量を発生させること
   によって変化される特許請求の範囲第６項記載の方法。 ９、前記流れは、排出端からキルン長の約１０％と６０
   チの間の領域内のキルン内壁に跳ね返される特許請求の
   範囲第７項または第８項記載の方法。 １０、前記一方の流れが、排出端から見た場合のキルン
   胴の約１時と４時の間の位置のキルン内壁に跳ね返され
   る特許請求の範囲第９項記載の方法。 １１、前記他方の流れが、排出端から児た場合のキルン
   胴の約８時と１１時の間の位置のキルン内面に跳ね返さ
   れる特許請求の範囲第９項記載の方法。 １２、ロータリーキルンの装入端および排出端の両方を
   通じて装入される固体炭素含有還元剤を使用して金属酸
   化物を含有する物質を直接還元するロータリーキルン内
   の装入物ベッド、これは装入物装入端からキルン長の最
   初の約１４を覆って広がる予熱ゾーンと、排出端からキ
   ルン長の終りの少なくとも１／Ｉを覆って広がる作用ゾ
   ーンとを有する、に還元剤を供給して熱伝導を制御する
   ためのシステムであって、 整粒された還元剤粒子の少なくとも二つの流れを作るた
   めの手段と、 流れの粒子をキルン内の装入物ベッド表面上に堆積させ
   るために、前記二つの流れをキルンの排出端を通じて向
   けるだめの手段と、 一方の流れは、還元剤粒子を装入物ベッドに沿って少な
   くとも予熱シー／まで堆積させ、他方の流れは、粒子を
   主にキル／の作用ゾーン内のガス／ベッド界面上に堆積
   させるように、前記二つの流れの方向および装入割合を
   調整するだめの手段とを含むシステム。 １３、前記流れを向けるだめの手段が、キルンの排出端
   に配置されたそれぞれの噴射パイプを含み、前記パイプ
   の一方は、前記パイプの他方よりも小さな直径の本ので
   ある特許請求の範囲第１２項記載のシステム。 １４、前記小さな直径のパイプが、排出端から見た場合
   のキルン軸に関して、上方に約ｌ°と１０′の間の角度
   および方位方向右側に約１°と１２１／２°の間の角度
   に向けられる特許請求の範囲第１３項記載の／ステム。 １５゜前記大きい直径のパイプが、排出端から見た場合
   のキルン軸に関して、上方に約１°と５°の間の角度お
   よび方位方向左側に約１°と１２１／／２゜の間の角度
   に向けられる特許請求の範囲第１３項記載のシステム。 １６、前記流れを作るための手段が、整粒された還元剤
   粒子を受けるだめのそれぞれの７フイア一マン手段と、
   低圧空気を使用して前記ファイア−マン手段からの粒子
   をそれぞれの粒子流に吹き付けるための正排気プロワ一
   手段とを含む特許請求の範囲第１２項記載のシステム。 １７、前記調整手段が、前記ブロワ一手段からの空気流
   量を変えるための手段を含む特許請求の範囲第１６項記
   載のンステム。