JPS62263910A - 竪型直接還元炉における高炭素含量還元鉄を製造する方法および装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は一般に直接還元用竪型炉（又は装置）において
高温金属化ペレットや高温スポンジ鉄のような固体状態
で金属化鉄を製造する酸化鉄材料の直接還元に関する。

本願明細書に使用している用語「金属化」とは、金属状
態実質的に還元すること、すなわち７５％以上の金属、
一般に製品中の金属が８５％以上であることを意味する
。かかる金属化ペレットまたはスポンジ鉄は電気アーク
炉のような製鋼炉への供給材料として適するものである
。

従来の技術 クラーク（Ｃ１ａｒｋ）　　らの米国特許第化０５４，
１４号は直接還元竪型炉から冷間で排出されたときの直
接還元鉄ベレットの炭素含量の制御手段を教示している
。クラークらの特許において注入されるガスはメタン、
天然ガスまたは重質炭化水素ガスであって、それに任意
であるが直接還元炉からの使用済のトップ・ガス（炉頂
ガス）を添加することができる。そのガスは炉内の還元
ゾーンと冷却ゾーン間のゾーンである緩衝ゾーンに注入
される。

クラークらの発明の特徴の１つは炉内の材料が冷却ゾー
ンに達する前にその材料を前もって冷却して冷却ゾーン
内の必要な冷却を少な（することである。

最近では、直接還元鉄製品の炭素含量を高めるためのう
つの方法が知られている。これらの方法は全て工業的に
実施されている。これらのうつの方法は、（１１炉のバ
ラスル（ｂｕｓｔｌｅ）部における還元ガスの温度を下
げる方法；（２）天然ガスを添加すび（つ）天然ガスを
炉の下部または排出部へ注入する方法である。

これらの方法はいずれも直接還元鉄動静の炭素含量を高
めるけれども、いずれの方法も正常な炉の操作に制約を
与える。

還元（バラスル）ガスの温度を下げることは、世界中の
直接還元プラントの操業における製品の炭素含量を高め
ることを示しているけれども、還元反応が遅くなるため
プラントの生産高が減少する欠点をもつ。還元ガス高度
の低下に伴うこの生産力の低下は多年に渡るプラント操
業の歴史によって実証されてきた。

天然ガスを添加することによりバラスルにおける還元ガ
スを富化することによる還元ガスの炭素含量を高めるこ
とは、製品の炭素含量を高めるために試みられた。還元
ガスに添加した炭化水素は高い炉の温度で分解して、よ
り多くの炭素を製品に添加する。

これらの炭化水素の分解は製品に吸収される炭素と、水
素を生成する。その水素は竪型炉全上方に流れて、さら
に余分の還元ガスとして作用して炉の上部還元ゾーンに
おいて酸化鉄を金属化鉄（又は直接還元鉄）に還元する
。炉に添加できる炭化水素の量は、炭化水素の分解が吸
熱反応であるために限定される。還元ガス中の炭化水素
の過多は、分解して炭素（Ｃ１と水素ガス（Ｈ２）を生
成するときに竪型炉における冷却傾向をもたらす。炉内
材料温度の低下は還元ガスと酸化鉄間の還元反応を緩慢
にさせ、結局生産高を下げる。その上、高温排出／高温
ブリケラティング（ＨＤ／ＨＢ）直接還元プラントにお
いては、加えられた冷却は金属化鉄動品のブリケット化
能力に悪影響を与えるから、その状態は常に回避しなけ
ればならない。

竪型炉の下部コーン（冷却および排出）領域への天然ガ
スの注入も直接還元プラントにおける製品に炭素を添加
することを立証した方法である。

冷間製品排出プラントにおいては、これは炭素を製品に
添加する優れた経済的な方法である。それは炉の生産高
または製品の性質を余り低下させることなく炉の上部還
元部分において許容できる冷却量によってのみ限定され
る。製品に添加する炭素の普通の必要な水準は、環境高
度近くで製品を排出することが望ましいから、炉内の材
料を過冷却する点に達することな（容易に達成できる。

ＨＤ　／　ＨＢプラントにおいては、生産速度および製
品の性質の外に、さらに製品の仕様を満さなければなら
ない；製品はブリケットに成形されるために排出時に十
分高温でなければならない。高温排出炉の下部に注入さ
れる天然ガスの量を厳しく限定するのが、この製品の必
要条件である。天然ガスを分解する吸熱反応は炉内の材
料を好適なブリケラティングに必要な最低温度以下に冷
却する恐れがある。前述の３つの方法は全て同じ渦度制
約を受ける。炉内の還元高度は少々（とも７６０℃以上
の温度に維持しなければならない。ＨＤ／ＨＢ炉の場合
には、良好なブリケラティングを保証するためには高排
出流度（約７００℃以上）も維持しなければならない。

高温排出プラントに対するこの最終高度の必要性は、製
品に必要な炭素を析出さすだめのこれらうつの方法の効
果を著しく妨げる。

発明が解決しようとする問題点 問題点は２つあり、第１は製品に炭素を添加すること、
そして第２は炉内の材料に対する著しい吸熱負荷の寄与
を回避することである。本発明はこれらの両方の問題点
を環境温度で天然ガスを富化した高温の「吸熱ガス」の
混合体を炉の排出ゾーンへ所定量添加することによって
解決する。吸熱ガスは触媒改質装置において天然ガスと
空気および／または酸素との混合体を反応さすことによ
って生成した熱風改質炭化水素である。本願明細書にお
ける用語「吸熱ガス」は、改質を空気の使用によって行
う場合は約２０〜６０％の一酸化炭素と、残留二酸化炭
素と、１％以下の水蒸気および窒素を含有するガスを含
む。一般に得られる吸熱ガスは約２０％ｃｏ、Ｉｌ’ｏ
％Ｈ２，０４％以下の残留Ｈ２ｏ蒸気およびＣＯ３、お
よび残り約ｌＩＯ％Ｎ２を含む。

これら両方の目的の達成は、吸熱ガスと天然ガスとのガ
ス混合体が反応熱の見地から平衡な系を形成することに
ある。炉に天然ガスのみを添加することの欠点は炉内に
冷却をもたらす吸熱の分解反応である。吸熱ガス／天然
ガスの混合体においては、分解反応：２ＣＯ（ｇ）−Ｃ
（ｓ）十ＣＯＣ０２（に対する平衡反応がある（上式の
（ｇ）はガス、（８１は固体を表わす）。これはＢ□ｕ
６ｏｕａｒｄ　反応である。

この反応は吸熱ガス中のＣｏ含量が高いために可能であ
る。天然ガスの分解による冷却作用のために炉内の温度
が降下し始めると、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応の平衡は炭
素の析出を著しく容易にする。

Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ　反応からの炭素の析出は発熱反応
である。従って、吸熱ガスと天然ガスを適当な割合に混
合することによって、炉内の吸熱と発熱の平衡が実現さ
れる。天然ガスが分解によって炉内の材料を冷却すると
、ＣＯがＣＯ２と固体炭素に分解することによって世失
熱を取り戻す。

天然ガスと吸熱ガスの混合体は良好なブリケラティング
を保証するのに必要な最低渦度捷たはそれ以上の高度で
炉の下部コーン（円すい部）に注入される。この入口の
高度は高温吸熱ガスを富化するために使用する冷却天然
ガスの量によって制御てれる。下部コーンへの吸熱ガス
と天然ガスの混合体は高温であるから、プラントの始動
中に付加的な利益を提供する。

吸熱ガスと天然ガスの混合体は、炉の下部コーン領域に
おいてより低い温度であるために、富化バラスル・ガス
法よりも多（の炭素を与える。バラスル・ガスの高度は
天然ガス中の重質炭化水素を分解するのに十分高いけれ
ども、その高度は炭素を析出させるＢｏｕｄｏｕａｒｄ
反応には高過ぎる。

下部コーン領域における温度はバラスル・ガス温度より
低い。それらはＢｏｕｄｏｕａｒｄ　　反応が炭素の析
出を容易にさせるのに十分冷たいが、混合体の（１う） 天然ガス部分の炭化水素を分解さすのに十分暖かい。こ
の方法をバラスル・ガスを単に天然ガスで富化する方法
よりも良好にさせるのは、下部コーンにおけるこの僅か
に冷たい環境である。これらの冷たい温度では、バラス
ルの高度で実現できない二重の炭素の利点がある。

炉内の材料の冷却が生じない混合比での高温吸熱ガスと
天然ガスとの混合体の添加は炉の還元ゾーンに高温の上
昇ガスを提供する。天然ガス単独の添加は下部コーン領
域が還元ゾーンの中心部へ上昇する低温ガスを提供する
が、吸熱ガスと天然ガスの混合体は炉の中心部へさらに
高温のガスを提供する。

問題点を解決するだめの手段 本発明の主目的は、直接還元炉において炉の操作に悪影
響を与えることな（、高炭素含量の直接還元鉄製品を製
造する方法および装置を提供することである。

また、本発明の目的は直接還元炉の被処理材料との著し
い吸熱反応を回避する手段を提供するこ（ｉｑ） とである。

本発明のもう１つの目的は、炉の操作に悪影響を与える
ことなく、直接還元炉の冷却および排出ゾーンに注入す
るガス混合体を制御する方法および装置を提供すること
である。

作用 本発明の方法により、直接還元炉の下部排出頭載（又は
コーン）に添加または注入された吸熱ガスと天然ガスの
混合体は、製品に天然ガス単独よりも著しく多い炭素含
量を提供する。その混合比を制御することによって炉内
の材料の冷却を防ぐことができると共に、始動時に本法
は炉内材料の加熱および初期還元相をスピードアップす
ることができる。本発明は協同作用の結果、すなわちよ
り多（の炭素含量でかつ非冷却の効果を提供する。

実施例 図面に示すように、本発明の方法は炉の上部領域に上部
還元ゾーン１２と、炉の中心頒域にバラスル・ガス導入
ゾーン１４と、炉の底部に炭素制御および製品排出領域
１６を有する竪型還元炉１０を利用する。酸化鉄ベレッ
トや塊のような他の材料は重力によって竪型炉に装入さ
れて、炉内に微粒酸化鉄を含有する材料、または炉内で
溶融される材料の床を形成する。金属化または還元され
た材料は炉底の出口２０を介して炉から除去される。

２４で総称スるバラスル（ｂｕｓｔｌｅ）および羽口系
が竪型炉ｉｏを囲んでいる。高部還元ガスはバラスル・
ガス系内のガス・ポートを介して還元ゾーンに導入され
る。高温還元ガスは炉内の材料の重力移動に対して向流
関係で還元ゾーンを内方および上方へ流通する。還元ガ
スは炉内の材料と反応して、炉頂にあるガス取出管３０
から排出するトップ・ガス（炉頂ガス）を生成する。

燃料燃焼バーナ（図示せず）と、外部加熱される複数の
間接熱交換器触媒管３６を有する改質炉（又は改質装置
）３１＋が高温還元ガスを発生する。

改質装置３１は源Ｇからプロセス・ガスを供給される。

還元ガスは触媒含有管う６から被改質ガス管う８を通っ
てバラスルおよび羽口系２４へ流れる。

燃料燃焼バーナ（図示せず）と外部加熱される複数の間
接熱交換器触媒管４２を有する第２の触媒改質炉４０が
吸熱ガスを発生する。吸熱ガスは触媒含有管ＩＩ２から
被改質ガス管ｌｌｌ１を通って高温ベンチュリ５０へ流
れる。ガス管５２はベンチュリ５０と弁５１１とを連結
する。弁５＋１は次に管５６によって炉１０の下部円す
い形部１６へ連接される。

天然ガス源Ｎはジェット６０および流量制御弁６２を内
蔵する天然ガス管５８によって管５６へ連接される。

本法の電気制御装置は高温ベンチュＩＪ　５０および制
御弁５号からの信号を受ける流量制御器６８、天然ガス
・ジェット６０からの信号を受けて信号を弁６２へ送る
流量制御器７０を含む。流量制御器６８と７０は共に電
算機化制御器である比率ステーション７２へ接続されて
いる。竪型炉の底部内の熱電対７４は必要ならば比率ス
テーション７２に接続するが、一般に作業者用の光学読
取り器を備える。ガスの混合点である管５８と連接する
炉側の管５６内の熱電対７６も比率ステーション７２に
接続される。炉の近くの管５６にあって比率ステーショ
ン接続されるガス分析装置７Ｂが管５６内のガスのメタ
ン組成を分析する。

操作において、源Ｇからのプロセス・ガス（それは炉の
排出口３０からの使用済トップ・ガスにすることができ
る）は触媒式改質装置３月内で実質的にＣＯとＨ２に改
質される。改質されたガスはパラスルおよび羽口系２１
１内へ還元ガスとして直接導入きれる。吸熱ガスは、改
質装置ｌＩＯ内で天然ガスと空気中の空気とのガス比が
約％〜３／１の混合体を反応させることによって生成き
れる。

必要ならば、空気の全部または一部を酸素に代えること
ができる。さらに、天然ガスの代りにガス状または液化
炭化水素を使用することができる。

か（生成された吸熱ガスは、特定の設定点に流量を維持
するために、信号を流量制御器６ｇへ送って高温弁５Ｉ
Ｉを作動さすとろの高温ベンチュリ５０を介して計量さ
れる。源Ｎからの天然ガスは環境温度で系に供給され、
ジェット６０を通して計量（１ｇ） てれる。ジェット６０は流量制御器７０への信号を発生
する。被改質ガス高温ベンチュリからの流量信号は流量
制御器６Ｓから比率ステーション７２へ送られる。

比率ステーション７２において、天然ガスの流量制御器
７０の設定点は計算されて制御器７０へ送信され、実行
される。この制御システムによって、改質ガスと天然ガ
スとの固定混合体比が維持される。ガス分析装置７８は
炉下部コーンに注入する前のガス混合体のメタン（ＯＨ
４）の含量を決定して、このメタンの読取値を比率ステ
ーション７２へ送る、そしてこの比率ステーションが天
然ガス流量と吸熱ガス流量との比を調節して所望のメタ
ン含量を与える。

炉１０の製品排出室１ら内に配置された熱電対７４は、
ガス混合体注入点を通過後の炉内材料の高度を記録する
。その温度がガス混合体の注入時に低下し過ぎる場合に
は、ステーション７２は混合体中の天然ガスの量を下げ
るか、或いは炉内への混合体の流量を下げることができ
る。排出室１６内の高度が高（なり過ぎる場合は、天然
ガスの流量を増大させるか、又はガス混合体の流量を増
大する、そのいずれもその温度を所望の範囲に低下させ
る。ステーション７０は、熱電対７６によって記録され
た混合体の温度に従って、いずれのコースにすべきか、
すなわち混合体比を変えるか、或いは混合体の流量を変
えるかを決定する。天然ガスの添加量が少なくなると、
この温度は高温吸熱ガスの温度に近づき、配管を介した
固有の熱損失を少な（する。製品排出室内の熱電対の示
す温度の急上昇はＣＯ反応の多溝ぎることを示す、その
場合には炉内材料の局部的過熱を防ぐために天然ガスの
流量を増す必要がある。

発明の効果 以上の記載かられかるように、本発明は、メタンを吸熱
的に分解させて炭素を性成するか、または−酸化炭素を
発熱的に解離して炭素を得ることにより、竪型炉の排出
部内の吸熱反応と発熱反応とを釣り合わすことによって
直接還元鉄の冷却間顆を解決することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の操作及び装置を示す模式的フローシートで
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上部還元ゾーン、中間還元ゾーン、下部の炭素制御
   および製品排出ゾーン、竪型炉の両端の中間部に還元ガ
   スを導入する手段、炉底から金属化製品を取り出す手段
   、および炉頂から反応した炉頂ガスを除去する手段を備
   えた竪型還元炉において、 プロセス・ガス源； 第１の触媒を含有する改質炉； 該改質炉にプロセス・ガスを導入する手段； 前記改質炉のガス出口とプロセス・ガス導入手段とを接
   続する第１の導管； 第２の触媒を含有する改質炉； 該第２の改質炉へ空気とガス状炭化水素の混合体を導入
   する手段； 前記第２の改質炉のガス出口と竪型炉の炭素制御および
   製品排出ゾーンとを接続する第２の導管； 天然ガス源； 前記天然ガス源と前記第２の導管とを接続する第３の導
   管；および 前記第２の改質炉および前記天然ガス源から前記製品排
   出ゾーンへ導入されるそれぞれのガス量を制御する手段
   ； からなることを特徴とする竪型還元炉。 ２、前記第２の導管が高温ベンチュリと、第１の流量制
   御弁と、該高温ベンチュリによつて発生された信号に対
   応して前記第１の弁を調節する手段を内蔵することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３、前記第３の導管がジェットと、第２の流量制御弁と
   、前記天然ガス・ジェットによつて発生された信号に対
   応して前記第２の弁を調節する手段を含むことを特徴と
   する特許請求の範囲第２項に記載の装置。 ４、前記第１の弁および第２の弁を調節する手段が流量
   制御装置であることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   に記載の装置。 ５、前記流量制御装置が計算機制御の比率ステーション
   に接続されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。 ６、さらに、前記第２の導管と前記製品排出手段の高さ
   との間の前記竪型炉の製品排出部内の熱電対からなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ７、さらに、前記第２の導管内にあつて内部のガスを分
   析する手段からなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の装置。 ８、さらに、前記第２の導管と第３の導管との交差点の
   直下にあつてガスの温度を測定および報告する手段から
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装
   置。 ９、上部還元ゾーンと下部製品排出ゾーンを有する実質
   的に竪型の炉の内部に微粒酸化鉄を導入して炉内に溶融
   される材料を提供し； 前記冷却ゾーンの底部から前記材料の一部を除去して、
   該材料の重力降下をもたらし；前記炉の還元ゾーンに高
   温還元ガスを導入して、前記降下材料と反応させて被反
   応炉頂ガスを生成させ； 前記竪型炉の製品排出ゾーンに、 （ａ）ガス状炭化水素、酸素、空気または空気の混合体
   との混合体を反応させることによつて触媒改質装置に生
   成された高温被改質吸熱ガスと； （ｂ）冷却天然ガスとの混合体を導入し；そして 前記混合体の各成分の前記製品排出ゾーンへのガス流入
   量を変化させることによつて、金属化鉄ペレット製品の
   炭素含量を制御する工程からなることを特徴とし、炉内
   の降下移動をする酸化鉄材料に対して高温還元ガスを向
   流で流通させることによつて生成された高温金属化鉄ペ
   レットの炭素含量を制御する方法。 １０、前記高温還元ガスはメタン、天然ガス、直接還元
   炉の還元ゾーンからの反応炉頂ガス、およびそれらの混
   合体からなる群から選んだ触媒的に改質されたガスであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の方法
   。 １１、前記吸熱ガスは天然ガスと熱風の混合体を反応さ
   せることによつて生成されることを特徴とする特許請求
   の範囲第９項に記載の方法。 １２、酸化鉄がガス状還元剤と反応する上部還元ゾーン
   と、炭素の制御および製品の排出をする下部ゾーンを有
   する竪型炉の内部に微粒酸化鉄を導入して炉内に溶融さ
   れる材料の充てん床を提供し； 前記下部ゾーンから前記材料の一部を除去して、該材料
   の重力降下をもたらし； 前記還元ゾーンにおける降下材料に高温ガス状還元剤を
   導入して、前記材料と反応させて金属化鉄製品と被反応
   炉頂ガスを生成させ；前記炉頂から前記炉頂ガスを除去
   して、前 記降下材料を流通する前記還元ガスの向流を提供し； 前記竪型炉の製品排出部に、 （ａ）天然ガスと熱風の混合体を反応させることによつ
   て触媒改質装置に生成された高温、改質二酸化炭素含有
   吸熱ガスと、 （ｂ）冷却天然ガスとの炭化水素ガス混合体を注入する
   ことによつて、混合体の成分を適当な割合に混合させて
   炉排出部内の吸熱反応と発熱反応とを平衡させることに
   より決定された混合体の炭素ガス含量に、金属化鉄ペレ
   ット製品の炭素含量を対応させる工程からなることを特
   徴とする竪型炉における高温、炭化、金属化鉄製品の製
   造方法。 １３、前記吸熱ガスは空気中で空気と天然ガスとを２／
   １〜３／１のガス比で反応させることにより生成される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１２項に記載の方法
   。