JPS62263911A - 竪型直接還元炉における高炭素含有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、全域状
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
。かかる金属化ベ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４．０５４．４
１４１１号は直接還元竪型炉から冷間で排出されたとき
の直接還元鉄ペ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くすることである。

最近では、直接還元鉄製品の炭素含量を高めるだめのう
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、（１）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）天然ガスを添加することによってバラ
スルへの還元ガスのメタンま杷 たは他の炭＾水素の含量を増加させる方法；および（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製品の炭素含量を高
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（なるため
プラントの生産高が減少する欠点をもつ。還元ガス湿度
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
刃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、その水素は竪型炉を上方に流れて、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
馬ブリケツテイング（ＨＤ／Ｉ（Ｂ）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製品のブリケッ
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き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、環境温
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く容易に達成できる。

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
温で々ければガらない。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。前述のうつの方法は全て同じ調度制約を
受ける。炉内の還元温度は少なくとも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高排出温度
（約７００℃以上）も維持しなければならない。嵩高排
出プラントに対するこの最終温度の必要性は、製品に必
要な炭素を析出さすた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改質ガスケチの
排出ゾーンへ所定量添加することによって解決する。

これら両方の目的の達成は、改質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。改質ガス／天然
ガスの混合体においては、分解反応：　２００　（１９
１−０（ｓｌ　＋Ｃ！　０２　（ｇｌに対する平衡反応
がある（上式の（ｇｌはガス、ｆｓｌは固体を表わす）
。これはＢｏｕｄｏｕａｒｄ　反応である。

この反応は改質ガス中の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、改良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損失熱
を取り戻す。

天然ガスと改質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温度またはそれ以上の温度で
炉の下部コーン（円すい部）に注入される。この入口の
温度は高温改質ガスを富化するだめに使用する冷却天然
ガスの量によって制御される。下部コーンへの改質ガス
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。

被改質ガスと天然ガスの混合体は、炉の下部コーン領域
においてよシ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・ガスの温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、その温度は炭素を析出さ
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、混合体の天然ガス部
分の炭化水素を分解ざすのに十分暖かい。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貞好
にさせるのは、下部コーンにおい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、バラスルの温度で
実現できない二重の炭素の利点がある。

炉内の祠料の冷却が生じない混合比での高温改質ガスと
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
域から還元ゾーンの中心部へ上昇する低高ガスを提供す
るが、改質ガスと天然ガスと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
響を与えることなく、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。

丑だ、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領域（又は
コーン）に添加または注入された改質ガスと天然ガスの
混合体は、動静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、始動時に本性
は炉内祠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
り多く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、炉の中心領域にバラスル・ガス導入
ゾーンｉｌｌ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。酸化鉄ペレ
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拐相、または炉内
で溶融される月相の床を形成する。金属化まだは還元さ
れた材料は炉底の出口２０を介して炉から除去される。

２４で総称するバラスル（ｂｕｓｔｌｅ）および羽目系
が竪型炉１０を囲んでいる。高温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５ｏ
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１１２を有する触媒改質炉ｌＩＯが高
温還元ガスを発生する。還元ガスは触媒含有管４２から
被改質ガス管ＩＩＩ＋を流通する。

改質ガスの一部はバイブ１１６を通ってバラスル及び羽
目系２４へ流れる。改質ガスの第２の部分はパイプ４８
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５１１は次に管５６によって炉ｉｏ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。

不法の電気制御装置は高温ベンチュリ５０および制御弁
５１１からの信号を受ける流量制御器６８、天然ガス・
ジェン）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７１１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
排出口う０からの使用済トップ・ガス、天然ガス、メタ
ンまたはそれらの混合体にすることができる）は実質的
にＣＯとＨ２に改質される。

改質されたガスは分割されて一部はバラスルおよび羽目
系２１１内へ還元ガスとして直接導入される、そして第
２の部分は特定の設定点に流量を維持するために高温弁
５１１を作動する流量制御器６８に信号を送る高温ベン
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を通して計量さ
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６８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、被改質ガスと天然
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（Ｈ
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
が天然ガス流量と改質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１６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温度を記録する
。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内の温度が高くなり過ぎる場合は、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、
この温度は高温改質ガスの温度に近づき、配管を介した
固有の熱横失を少なくする。製品排出室内の熱電対の示
す温度の急上昇はＣｏ反応の多過ぎることを示す、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。金属化鉄ペレット製品の炭素含
量は、混合体の成分を適当な割合に混合して炉の排出部
内の吸熱反応と発熱反応とを平衡させることによって測
定された混合体の炭化水素ガス含量に対応する。

発明の効果 以上の記載かられかるように、本発明は、メタンまたは
その＠細体を吸熱的に分解させて炭素を生成するか、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約９合
わすことによって直接還元鉄の冷却問題を解決すること
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・ガス源と接続した改質炉； 該改質炉のガス出口と竪型炉に還元ガスを導入する手段
   とを接続する第１の導管； 該第１の導管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； 該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 前記改質炉および天然ガス源から前記製品排出ゾーンに
   導入されたガスのそれぞれの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４
   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； 前記製品排出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； 前記還元ゾーンの頂部から反応した炉頂ガスを除去して
   、前記下降する材料を通る還元ガスの向流を提供し； 高温改質還元ガスと冷却天然ガスとの炭化水素ガス混合
   体を前記竪型炉の製品排出部へ導入し、それによつて炉
   内への炭化水素ガスの流入条件を変えることにより金属
   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、改質還元ガスはメタン、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、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；前記炉頂から前記被反応炉頂ガス
   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、高温、改質還元ガスと、冷
   却天然ガスとの炭化水素ガス混合体を注入し；それによ
   つて改質ガスと天然ガスとを適当な割合に混合させて炉
   の排出ゾーン内の吸熱反応と発熱反応とを平衡させるこ
   とにより金属化鉄ペレット製品の炭素含量を制御工程か
   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。 １２、前記高温改質、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１１項に記
   載の方法。