JPS6338079B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素ガス化法に関する。

より詳しくは、本発明は浴面の下方に炭素を注
入することにより、溶鉄浴内で炭素をガス化する
方法に関する。

溶鉄浴内で炭素をガス化するためのいくつかの
方法が公知である。かかる方法の一つはスウエー
デン特許明細書（SW―PS）第……号（特許出願
番号：7706876―５）に開示されている。該方法
は、一定量の水を含む石炭、炭化水素及び（又
は）炭化水素化合物の形態の炭素Ｃから炭化水素
化合物を製造する方法である。その方法によれ
ば、溶融浴中に酸化化合物の形態で含まれる酸素
に対して化学量論的に過剰の炭素が冷却剤と共に
溶融浴に注入される。溶融浴が溶鉄で構成される
時には、冷却剤を鉄鉱石濃縮物の形態における酸
化鉄で構成し、同一のプロセスで鉄を還元するの
が望ましい。

CaOのようなスラツグ形成化合物も添加され
る。

酸化鉄の還元に必要な熱は、大量の一酸化炭素
（CO）と水素ガス（H₂）とを形成する注入炭素
と注入酸素との燃焼によつて得られる。

上記の方法では、銑鉄法（pig iron process）
と炭素ガス化法とを組合わせることによつて、大
きな利点、特に経済的な利点が得られる。

しかしながら、上記の方法を用いて試験したと
ころ、溶鉄浴を用いて炭素をガス化する際に多く
の問題の起きることが見いだされた。これらの問
題を解決しない限り、上記のプロセスは実際の生
産に適用することは不可能である。

これらの問題は、実質的には一つの困難性、す
なわち、反応を進行させる反応容器の大きさに対
し、時間単位当りのガス生産量を高めることの困
難性から発している。

より詳しくは、これらの問題は以下に述べるよ
うに、ガス生成量を高めること、内張り材のひど
い摩耗を防止すること、良好な熱収支を確立する
こと、及びダストの形成を最低限に抑えることで
ある。

ガス生成量を高めることの困難性についていえ
ば、この問題は反応容器の大きさに関連してい
る。

反応容器の底部において注入を行う圧気注入法
により反応体を供給するのが望ましい。ガス及び
粉末を溶鉄の浴中に注入する方法にあつては、注
入原料の最大極限流量は系のガス蓄積容量によつ
てきまる。一酸化炭素（CO）及び水素ガス
（H₂）は、おおむね注入の直後に生成されてガス
流を生じ、このガス流は浴面に浮上する小気泡に
壊変（disintegrate）する。形成される気泡柱の
高さは、系に対する反応性成分の供給量の増加に
伴つて増大する。従つて、スラツグで表面を覆わ
れた溶鉄浴の場合には、発生するガスは溶鉄とス
ラツグとを通り抜けなくてはならないので、金属
及びスラツグはそれらの公称高さ、すなわち、ガ
スが発生しないときの高さに較べてその高さが増
大することになる。注入流量がある点に達する
と、金属、スラツグ及びガスの混合物は反応容器
の上部縁端に到達し、金属及びスラツグが溢れ出
る。この現象が起きた時点においては、いわゆる
系の水力学的上限値を超えたことになる。

内張り材の摩耗は、ガスの高度生産量と密接な
関係を有する。

溶鉄浴が保持される容器は、絶縁材を構成する
１種又はしばしば数種のセラミツク物質で内張り
される。金属及びスラツグと接触する際、セラミ
ツク物質は摩耗作用を受ける。この作用の機構
は、化学的壊変、浸食（erosion）及び熱開裂
（thermal cleavage）に実質上分類することがで
きる。

この種の方法においては、浸食はきわめて実質
的であり、反応容器内を流通する容量的
（volumetric）なガス流量に直接対応することが
立証された。この理由は、ガスの高度発生、すな
わち、大容量的流量によつて浴の烈しい撹拌が生
じることである。

CO及びH₂への炭素のガス化は系に対して熱エ
ネルギーを与えるが、酸化鉄の開裂は吸熱反応で
ある。反応容器内で比較的大量の銑鉄を生産する
のが望ましく、その理由は特に溶鉄浴の回転効率
を有利にできるからである。

高銑鉄生産が有利である理由は、一部は注入炭
素からの不純物が溶鉄浴で吸収されるためであ
り、また一部は比較的高度の銑鉄生産がプロセス
を経済的に妥当なものとするための先決条件であ
るためである。

所要の酸化鉄の還元を可能にするのに必要な炭
素ガス化によつて寄与されるべき熱エネルギーは
きわめて大量であつて、浴の容量に較べて大量の
炭素をガス化させることが必須条件となる。

従つて、浴の容量に対比してガスの生産量を高
度に保ちうるならば、前掲の三つの問題は解決さ
れるはずである。

炭素ガス化における大きな、そしてある意味で
は決定的な問題はダストの形成である。炭素質の
溶鉄浴に酸素を注入する際に大量の鉄が溢れ出る
ことは古くから知られている。いわゆるLD法に
よる上部注入にあつては、ダスト形成の大部分は
いわゆる気泡破壊理論（bubble―breaking
theory）によつて説明することができる。

しかしながら、底又は胴部から反応容器に酸素
を注入する時には、注入される酸素と炭素との間
の反応で生じる高温により、金属とガスとの間の
相の界面で鉄が蒸発することが見いだされた。鉄
の蒸発は、酸化鉄で表面を覆われていない相の界
面で起きる。

本発明により、前掲の問題はすべて解消される
か、又は実質的に軽減される。

従つて、本発明は炭素が溶け込むような炭素含
有量を有する溶鉄浴の表面下方に炭素、酸素、及
び冷却剤を構成し、かつ、還元されるべき酸化鉄
を注入する溶鉄浴を反応容器内に保持し、酸化物
の形態で該浴中に含まれる酸素に対して化学量論
的に過剰の炭素を注入する諸工程からなる、石
炭、炭化水素及び（又は）炭化水素化合物の形態
における炭素Ｃのガス化法に関する。本方法は、
溶鉄浴内の炭素含有量を３％Ｃ、好ましくは２％
Ｃよりも低くすること、及び同時に溶鉄浴内の硫
黄含有量を約0.5％〜２％にすることと組み合せ
て、反応容器の内部全圧力を大気圧を越えて50バ
ールまで、好ましくは４〜10バールにすることを
特徴とするものである。

反応容器は、ガスの排出及び注入口を除いては
完全に周囲に対して密閉されるように製造する。
反応容器内の圧力が調節できるように、ガス排出
口に調節可能なしぼり弁を設けるのが望ましい。

以下図面を一部参照しながら本発明をさらに詳
しく説明することにする。

本発明によれば、反応容器を加圧して操作を行
う。すなわち、この加圧（全圧力）は、意図され
る容量、反応容器の大きさ等に対応して約２〜50
バールとすることができる。好ましい圧力範囲は
約４〜10バール、特に約６〜８バールである。

金属、スラツグ及びガスの混合物に蓄積するガ
スの容量は、実質的には容量的なガス流のみに依
存する。従つて、一定の容量的なガス流下にあつ
ては、質量の流れ（mass flow）は圧力に比例す
る。従つて、一般的な大気圧下に較べ、時間単位
に対する炭素注入量は、圧力に正比例して増加さ
せることができ、しかも蓄積されるガス容量を変
化させないですむ。このことは、前記の反応容器
の水力学的上限値、すなわち、反応容器から金属
及びスラツグが溢れ出る時点も圧力に比例しての
びることを意味している。従つて、反応容器の加
圧により、時間単位ごとのガス生産量が実質的に
高められる。

前記のとおり、質量の流れは容量的な流れを増
加させないで高めることができる。とりもなおさ
ずこのことは、ガスの生産量を増加させても、前
記の浸食が正常に保たれることを意味し、また反
応容器の常圧時の質量の流れをこえるにも拘ら
ず、容量的な流れを低減することによつて浸食が
軽減されることを意味する。何となれば、容量的
な流れが低減することは、撹拌を軽減し、浸食作
用を弱めることを意味するからである。

炭素及び酸素の注入量を増加することにより、
質量の流れは増大する。炭素及び酸素を増量する
ことにより、浴に供給する熱エネルギーの量が増
加し、それだけ多量の酸化鉄が銑鉄に還元される
ことになる。反応容器の壁を通しての熱損失は、
壁体の内側温度と外側温度との差できまる。従つ
て浴温を上げない限り、大きな熱損失は起きな
い。

全圧力を高めることによつて、熱収支に及ぼす
追加的な効果が得られる。平衡ガス混合物の容量
を低下させるときは、それに相当した分だけ混合
物の全成分の濃度及び全圧力が高くなる。一つの
反応式に従う反応体及び全生成物の合計モル数が
異なるときには、濃度分数の分子及び分母の変化
の程度が異なるようになる。従つて、圧力を高め
た後の系は平衡状態ではない。反応式中、最もモ
ル数が少ない側に平衡の移動（shift）が起きる。

本発明の方法で得られるガスの組成は、原則的
には反応： Ｃ（Fe中の）＋CO₂（ガス）2CO（ガス） (1) によつてきまる。

水素ガス／水蒸気の比率は、いわゆる移動反
応： H₂O（ガス）＋CO（ガス）H₂（ガス）＋CO₂（ガ
ス） (2) によつて計算することができる。

全圧力を高くすると、反応(1)は左辺に移動し、
反応(2)も左辺に移動する。

従つて、全圧力が高くなると、排出ガスに含ま
れるCO₂及びH₂の割合は、常圧時に較べて大と
なり、そのため燃焼度（combustion degree）が
高くなる。このことは、反応器に追加の熱が寄与
されることを意味する。この追加の熱寄与によ
り、反応器内には余分の還元電位が生じる。

鉄の還元を増大させる代りに、注入による水蒸
気の添加割合を増大させることができる。このこ
とは、排出ガスに含まれる水素ガスの割合を高
め、従つてガスの化学的熱含有量を富化し、その
H₂／CO比を高めることを意味する。この最後に
あげた効果は、例えばガスをメタノール製造用に
用いる場合に特に有利である。

この種の炭素ガス化法においては、ダストの形
成が重要な問題である。酸素と炭素との間の反応
で生じるきわめて高い温度のために、金属とガス
との相の界面において鉄が蒸発することはすでに
述べた。

圧力を高めると容量的な流れが低減するため
に、定常的な質量の流れにおける相の界面の合計
面積は低下する。このことは、とりもなおさず鉄
の蒸発及びダスト形成が低減することを意味す
る。

第１図は、バールで表示した全圧力に対してプ
ロツトし、ｇ／標準m³で表わしたダストの含有量
を例示する図表である。図には３本の曲線が示さ
れており、浴中の硫黄含有量及び注入酸素量が異
なる場合を各曲線は示している。三角は、0.92％
±0.05％の硫黄含有量、0.61％±0.05％の炭素含
有量及び4.2標準／分の酸素流で行つた実験を
示す。丸は前記と同じ硫黄及び炭素含有量である
が、2.4標準／分の酸素流で行つた実験を示す。
四角は、1.75％±0.19％の硫黄含有量、0.11％±
0.07％の炭素含有量及び4.2標準／分の酸素流
で行つた実験を示す。

第１図に示す実験は、実験室規模で行つたもの
であり、1550℃の温度で炭素及び酸素を液体の鉄
に注入した。

この図から明らかなとおり、比較的低い加圧条
件下ですでにダスト形成は有意に低下する。圧力
を高めるとこの効果は増大する。浴の硫黄含有量
を高くすると、硫黄含有量がそれよりも低いもの
に較べて、ダストの形成量が一般に低いが、圧力
を高めることによる効果は比較的少ない。この図
はまた、硫黄及び炭素の含有量が一定であれば、
酸素流を少なくした方がダストの形成量が低下す
ることを示している。

従つて、所与の炭素含有量及び所与の酸素流の
下では、硫黄含有量を高めることによつてダスト
形成量が有意に低下することが発見された。この
観点から離れて、硫黄含有量は0.5％ないし1.5％
をこえるべきであるが、2.0％ないし2.5％よりも
低くなくてはならない。第２図は、％で表わした
浴中の硫黄含有量に対してプロツトしたダストの
含有量をｇ／標準m³で表わしたものである。塗り
つぶした丸は、炭素含有量が３％をこえる溶鉄浴
について測定した値であり、そして中空の丸は
0.8％未満の炭素を含む溶鉄浴についての測定値
である。第２図における条件は大気圧下である。

本発明によるときは、浴中の炭素含有量を３％
未満、好ましくは２％未満にすると同時に、浴中
の硫黄含有量を約0.5％ないし２％にして、上記
のごとく反応器を操作するのが望ましい。

鉄浴中の炭素含有量は、他の反応体に対する注
入石炭の相対的な量によつて調節する。鉄浴中の
硫黄含有量は、スラツグ形成化合物の量及びタイ
プによつて調節する。

反応容器を加圧する本方法を実施することによ
り、本明細書の序文に述べた問題がすべて解消さ
れ、又はいずれにしても実質的に軽減されること
はまつたく明白である。浴の硫黄濃度及び炭素濃
度を前記のようにすることによつて、この改良は
いちだんと顕著になる。

従つて、本発明を利用することにより、ダスト
の形成と内張り材の摩耗とが実質的に軽減され
る。さらに、浴中に生じる熱エネルギーの増加に
より、相当量の銑鉄製造が可能となる。しかし、
最も本質的な利点の一つは、ガスの生成量を実質
的に増加できることである。

本発明は上記に記載した態様に限定されるもの
と認識すべきではなく、前記特許請求の範囲内に
おいていかようにも変更できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、反応容器内の全圧力に対してプロツ
トしたダスト含有量を示す図表であり、そして第
２図は浴中の硫黄含有量に対してプロツトしたダ
スト含有量を示す図表である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 炭素が溶け込むような炭素含有量を有する溶
   鉄浴の表面下方に炭素、酸素、及び冷却剤を構成
   しかつ還元されるべき酸化鉄を注入する該溶鉄浴
   を反応容器内に保持し、酸化物の形態で該浴中に
   含まれる酸素に対して化学量論的に過剰の炭素を
   注入する諸工程からなる、石炭、炭化水素及び
   （又は）炭化水素化合物の形態における炭素Ｃの
   ガス化法において、溶鉄浴内の炭素含有量を３％
   Ｃ、好ましくは２％Ｃよりも低くすること、及び
   同時に溶鉄浴内の硫黄含有量を約0.5％〜２％に
   することと組み合せて、反応容器の内部全圧力を
   大気圧を越えて50バールまで、好ましくは４〜10
   バールにすることを特徴とする方法。