JPS649376B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

ペレツト或は塊鉱のような形の酸化鉄を、固体
状態の金属鉄に直接還元することは、近年世界中
で商業的に行われるようになつてきた。現在稼動
中又は建造中の直接還元プラントの年間能力は総
計、1500万ｔを超える直接還元鉄生成量になり、
それは主に電気アーク製鋼炉の供給原料に用いら
れている。電気アーク製鋼炉プラントが建造され
ていくにつれ、世界的に増大するそのような原料
に対する需要を満足させるために、何年もの間実
質的な速度で直接還元鉄を追加する計画を世界的
に増大しなければならない。 直接還元鉄を製造するプラントの大部分は、還
元剤源として天然ガスを用いている。天然ガスは
還元剤CO及びH₂を生ずるように改質する。ロー
タリーキルンを用いた方法ではSL／RN法の如
く、還元剤源として石炭を用いたプラントが少し
あり、別に石炭をCO及びH₂にガス化することな
く、キルン中でその場で直接石炭を反応させてい
る。ロータリーキルン法は石炭のほぼ2/3がキル
ン中で燃焼して熱を与え、1/3が直接還元のため
の還元用ガスを供給するのに用いられるという点
で固有の悪い石炭使用効率を有する。この効率の
悪さのため、生成する直接還元鉄1t当り5.0〜
6.0Gcal（ギガカロリー）の石炭を必要とする結果
になる。之はミドレツクス（Midrex）、プロフア
ー（Purofer）或はアームコ（Armco）法の如き
一層効率的な天然ガス法では、生成する直接還元
鉄1t当り必要な天然ガスが3.0〜3.5Gcalであるの
と対照的である。 酸素と水蒸気を用いて石炭を部分的に酸化し、
ガスを生成させ、そのガスを鉄の直接還元に種々
のやり方で用いる、未だ商業化されていない多く
の方法がある。之等の方法のいずれも商業化され
ていない主たる理由は、それらの方法が商業化す
るには余りにも複雑過ぎるか非実用的であるか、
又は石炭の必要性が高過ぎるということにある。
非実用的な方法にしたり或は全石炭必要量を高く
している基本的な問題は、石炭気化器から出る高
温ガスが、鉄の直接還元に直接効率よく用いられ
るようにするためには、酸化剤（CO₂＋H₂O蒸
気）に対する還元剤（CO＋H₂）が余りにも低す
ぎるということである。 本発明では、石炭気化器によつて生成する高温
ガスは、炭素との反応によつて還元炉内の酸化剤
に対する還元剤に関し品質がよくなり、更に石灰
との反応により脱硫されて鉄の直接還元に効率よ
く用いることのできるガスを生成させることがで
きる。なぜなら品質向上、脱硫及び直接還元工程
は、同じシヤフトの中で行われるからである。還
元炉からの使用済み還元ガスは冷却して塵を洗滌
除し、別の所で用いられるきれいな低硫黄燃料ガ
ス源となる。鉄の直接還元と燃料ガス生成とのこ
の組み合せは、再加熱及び熱処理操作のためにコ
ークス炉ガスを補充するのに、現在天然ガスを燃
料ガスとして用いている併合製鋼プラントに特に
有用である。直接還元鉄は塩基性酸素製鋼供給物
として、或は高温金属収量を増大するために溶鉱
炉の装填物の一部として、或は電気アーク炉の供
給物として用いることができる。生成した燃料ガ
スは製鋼プラントの燃料として現在用いられてい
る天然ガスの全部又は一部の代りに用いることが
できる。 本発明は、3.6Gcalのきれいな燃料ガスを生成
させながら直接還元鉄1tを生成させるのに、気化
石炭6.1Gcal＋炉中反応炭素0.6Gcal＋気化酸素用
電気発生のための石炭0.8Gcalを大体必要とする。
従つて直接還元鉄1t生成させるのに消費される量
は表に示す如く約3.9Gcalである。炉導入原料
に添加した炭素の80％だけが反応し、過剰の炭素
は直接還元鉄と共に排出されることに注意すべき
である。この過剰の炭素は直接還元鉄から磁石に
よつて分離でき、工程のエネルギー消費を更に減
ずるために再循環することができる。 本発明の主たる目的は、鉄の直接還元でガス状
還元剤源として石炭を用いるための、実際的で熱
効率のよい方法を与えることにある。 本発明の一つの目的は、石炭気化器からの高温
ガスを、鉄の直接還元が行われる同じシヤフト中
で炭素と反応させることによりその気化ガスの還
元性能を一層よくすることにより、鉄の直接還元
に直接使用する効率的な方法を与えることであ
る。 本発明の他の目的は、石炭気化器からの高温ガ
スを、鉄の直接還元が行われる同じシヤフトで石
灰の如き硫黄受容体と反応させることにより脱硫
する方法を与えることである。 本発明の更に他の目的は、直接還元鉄と石炭か
らのきれいな燃料ガスとを同時に生成させること
である。 本発明の更に一つの目的は、直接還元鉄と石炭
からのきれいな燃料ガスを生成させるための装置
を与えることである。 耐火物で裏打ちされた向流シヤフト型の直接還
元炉１０には、その頂部に供給ホツパー１２が取
りつけてある。供給ホツパーには、酸化物ペレツ
ト及び（又は）天然鉱石塊の形の酸化鉄１４、炭
素（コークス）１６及び５〜30mmの範囲の名目上
の粒径をもつ石灰石１８を供給する。供給材料は
供給管２０を通つて炉の中へ降下し、炉内の装填
物２１を形成する。還元された鉄ペレツト及び
（又は）塊状生成物、未反応炭素、硫化カルシウ
ム及び未反応石灰石又は石灰は、炉排出管２２を
通つて炉の下部から排出コンベヤー２４によつて
取り出され、その速度により装填物２１の炉１０
を通る降下速度が調節される。 新しい高温還元性ガスが、高温還元性ガス入口
管２６を通り、次いで炉の中間域の耐火性壁２９
中に配列された複数のガス導口２８をつて炉１０
へ導入される、高温還元性ガスは内方へ流れ、次
にガスの流れを示す矢印３０によつて示してある
ように、降下する装填物に対し向流状に上方へ流
れる。CO₂に富む使用済み還元性ガスは、酸化物
供給管２０からの供給物の静止角度によつて形成
される維持線３１の所の炉頂部に近い装填から出
る。今後頂部ガスと呼ぶCO₂に富む使用済み還元
性ガスは、排出管３２を通つて炉から出る。 排出管３２を通つて炉１０を出た頂部ガスは、
冷却器−洗滌器３４中で冷却洗滌し、きれいな輪
出燃料ガス製品として管３６を通つて取り出され
る。 炉１０の下方域には、還元された鉄を排出する
前記冷却するための冷却用ガス再循環路が配備さ
れている。この冷却用回路には、炉１０内の冷却
用ガス分配器４０に結合された冷却用ガス入口３
８が含まれている。冷却用ガス収集器は炉内のそ
の分配器の上の方に位置しており、更に該回路に
は冷却用ガス出口４４、冷却器−洗滌器４６、再
循環送風器４８及び付随の導管が含まれている。 採掘燃料気化器５０には酸素注入器５２、水蒸
気注入器５４及び採掘燃料注入器５６が付随して
いる。酸素又は酸素と水蒸気が注入器を通つて導
入され、石炭、亜炭或は木炭の如き採掘燃料を気
化器５０中でガス化し、高温気化ガスを生成さ
せ、そのガスは管５８を通つて気化器を出る。燃
料の気化からの残留灰は灰排出器（図示していな
い）を通つて気化器５０から取り出す。 管５８中の高温気化ガスの大部分は高温孔６０
を通つて送られる。その孔は流れに抵抗をを生
じ、高温ガスの少しの部分がバイパス線６２及び
冷却器６４の方を通るようにする。冷却されたガ
スは次に管７０中で高温ガスと混合される前に管
６６と調節弁６８を通つて流れる。管７２中の混
合気化ガスの温度は、弁６８の状態を制御する制
御器７６に結合された熱電対７４によつて測定さ
れる。任意に、冷却された使用済み頂部ガス（放
出ガス）の一部又は全てを調整用ガスとして線７
８を通つて再循環することができる。調整気化ガ
スは気化器からの固化粒子を含み、それらはサイ
クロン８０で除去され、サイクロン８０の底から
排出される。塵除去調整ガスは管８２を通つてサ
イクロンから還元炉還元性ガス入口２６へ排出す
る。 向流シヤフト炉は直接還元鉄を生成されるのに
最も効率的な装置として認められている。そのよ
うな炉では高温還元性ガスは入つてくる低温酸化
鉄供給物を還元温度へ加熱し、且つ酸化鉄を金属
鉄へ化学的に還元するのに必要な還元剤（CO＋
H₂）を与える働きをする。天然ガスに基づくプ
ラントで商業的な操作による経験では、向流シヤ
フト還元炉の化学的効率の利点を充分利用するた
めには、還元剤（CO＋H₂）対酸化剤（CO₂＋
H₂O）の比として定義されている高温ガスの還
元性能力即ちその品質は、少なくとも約８である
べきことが示されている。 主にCO，H₂，CO₂及びH₂Oを含有する高温気
化ガスを生ずる気化器５０の如き部分的酸化型気
化器中で石炭或は亜炭の如き粉末固体採掘燃料を
気化した場合、商業的に達成される最高品質高温
ガスは約３〜４の範囲である。しかし気化技術の
改良により、少なくとも約６の一層品質のよい高
温ガスを生ずる目的を有する、方法開発及び実証
用石炭気化器が現在建造されつつある。 そのような改良された気化器の出現は、流動床
装置及びシヤフト装置を用いたガス品質向上法の
発明をもたらしており、それらの方法では、高温
未処理ガス中の酸化剤と炭素とを吸熱反応させる
ことにより品質を更に向上させるために必要な熱
を供給するために、気化器からの未処理ガスの高
温を利用している。之等の品質向上用装置は別個
の流動床又はシヤフト装置であり、気化器と直接
還元炉との間に位置している。本発明は直接還元
が達成される同じシヤフトでガス品質の向上を達
成しており、それによつてコストを高くする複雑
な装置の必要性を除いている。 今迄は炭素（コークス）を約950℃より低い温
度で反応させるのは、低温では反応速度が遅いの
で非実用的であると考えられていた。従つて約
1350℃（気化器流出物温度）と950℃との間の温
度で品質向上反応を行わせ、次いでその品質向上
ガスを直接還元炉で使用するため約815℃より低
い温度迄下げることが必要であつた。今度、我々
の実験室で、もし反応が比較的長い時間に亘つて
起きるようにすれば、750℃位の低い温度でも炭
素は実際的な速度でH₂OとCO₂と反応するという
ことが決定された。更に高温気化ガスは、炭素が
装填物中に吸熱的に反応するように存在していれ
ば、装填物中の金属化粒子を粘着性にすることな
く、950℃を超える温度で直接還元シヤフトへ導
入することができることが判明した。本質的に炭
素は反応して炉装填物を冷却するであろう。よく
設計された直接還元シヤフト炉は直接還元反応を
遂行するためには最低６時の固体残留時間及びそ
れに対応する長いガス滞留時間を与えるであろ
う。炉の容積を増加することにより、もつと長い
残留時間を容易且つ安価に与えることができる。
そのような長い残留時間は、シヤフト直接還元操
作で用いられる750〜900℃の正常な操作温度での
炭素の反応を実際的にする。従つて本発明は従来
の技術よりも実質的なコストの節約を与える。 本発明の操作についての次の記述は、西アメリ
カの典型的な歴青炭を、移動床（entrained−
bed）型気化器中で酸素、H₂O及び粉末石炭を用
いて気化することに基いており、それにより主に
CO，H₂及びH₂Oを含む高温ガスを生ずる。その
ような気化器の気化温度は一般に約1400℃であ
り、この温度で石炭灰は液体になり、水冷してス
ラグとして気化器の底部から取り出す。 本発明の特別の実施例として、付図を参照し、
石炭、酸素及び水蒸気は部分的酸化気化器５０中
で反応し、1350℃、品質4.1でそこを出る。ガス
は石炭中の硫黄によるH₂SとCOS、或る未反応の
石炭及びいくらかの灰取込物を含んでいる。ガス
は水冷冷却器６４に高温ガスの一部をバイパスと
して通すことにより950℃に調整（temper）す
る。水はバイパスガスから凝縮し、それによりバ
イパスガスの品質を7.1に、調整ガスの品質を4.8
に改良する。1350℃の気化ガス中の灰の液滴は
950℃に冷却すると凝縮する。調整ガスは炉１０
へ入れる前にサイクロン８０で脱塵する。高温還
元性ガスは炉中の装填物２１を横切つて分布さ
れ、次に降下する装填物とは向流的に上方へ流れ
る。 炉装填物は酸化鉄ペレツト又は天然塊状鉱石、
コークスのような粒状炭素質材料及び粒状石灰石
から形成される。粒径は良い透過性を与えるため
には約５〜30mmの範囲にあるのが好ましい。装填
物混合物はシヤフト炉１０のホツパー中へ投入
し、重力により炉中を降下する。その降下中装填
物は高温ガスによつて加熱され、酸化鉄は鉄に還
元され、石灰石はか焼されて石灰になり、それが
還元ガス中の硫黄と反応して硫化カルシウムを形
成し、炭素は還元性ガス中のCO₂とH₂Oと反応し
てCOとH₂を形成する。高温装填物は炉の冷却域
で冷却され、炉排出管２２を通つて排出コンベア
ー２４へ排出される。炉生成物は直接還元鉄、未
反応炭素、未反応石灰又は石灰石及び硫化カルシ
ウムからなる。直接還元鉄は電気アーク炉中で使
用するために磁石で分離してもよく、或は溶鉱で
使用するため単に篩分けしてもよい。 高温ガスは約950℃の温度で、4.8の品質で入口
２８を通つて装填物中に入り、次式に従つて高温
炭素と反応する。 CO₂＋Ｃ＝2CO 及び H₂O＋Ｃ＝CO＋H₂ シヤフト炉中で得られる長い滞留時間のため、
之等の吸熱反応が進行し、ガスを約750℃に冷却
すると共に装填物内のガス３０を品質８迄向上さ
せるが、之は直接還元炉の効率的な操作に適して
いる。 950℃で装填物に入る高温ガスは、上記試料に
選択した特定の石炭の場合約4100ppmvの硫黄濃
度をもつ。硫黄はH₂SとCOSの形になつており、
両方共石灰と次の如く反応する。 H₂S＋CaO＝CaS＋H₂O 及び COS＋CaO＝CaS＋CO₂ 比較的低い温度（950℃）と一層低い酸化物
（CO₂＋H₂O）量への品質向上との組み合せは、
石灰によるH₂SとCOS除去に都合がよい。実験室
での実験により、ガス中に含まれる硫黄成分は石
灰と直接還元鉄とを含む装填物中の石灰と優先的
に反応するということが示されている。従つて、
低硫黄直接還元鉄が生成する。必要な石灰石の量
は石炭の硫黄含有量に依存する。上記脱硫反応で
形成されたCO₂とH₂Oの合計量は全ガス体積のほ
んのわずかな部分であり、反応ガスの品質にわず
かな影響しか与えない。石灰石の焼成石灰へか焼
する間に遊離したCO₂もガスの品質にわずかな影
響しか与えない。CO₂＋H₂Oのこのわずかな添加
は後に示す表の中に含まれている。 次の表は本発明の方法の包括的な工程分析値を
与えており、付図に対する鍵となるものである。
之等のデーターは限定的なものでは決してなく、
単に例示として理解さるべきである。表は全て、
金属化度92％及び炭素含有量1.5％をもつ生成直
接還元鉄1t当りに基づくものである。それ等は天
然ガスに基づく直接還元プリントで作られた直接
還元鉄に関し、広く許容されている商業的標準値
である。 表は付図に関連して示した位置でのガス流速
及びガス品質（還元剤対酸化剤）を示す。

【表】 表は石灰気化器５０の供給物要件を示す。 表 石炭気化器 乾燥石炭 965 H₂O（Kg） 263 酸素（98％C₂の標準状態m²） 483 表は直接還元シフト炉１０の供給物要件及び
産出物を示す。 表 直接還元シヤフト （全て単位はKg） 導入石灰石 69.3 産出CaO 19.4 産出Cas 25.0 供給品質上炭素 72.9 全反応炭素 58.3 排出未反応炭素 14.6 表は本発明の方法で必要な大体のエネルギー
条件を示す。 表 エネルギー （単位Gcal） 気化器 6.1 供給品質向上炭素 0.6 酸素プラント石炭 ^*0.8 合計 7.5 冷却頂部ガス産出燃料 3.6 還元のため消費された量 3.9 ＊ 30％の転化効率で約293kwh。 第表は工程中の示した位置でのガス温度を示
す。

【表】 第表は工程中の示した位置でのガス分析値を
示す。

【表】 上述より還元剤源として石炭気化ガスを用いて
鉄を直接還元すると同時に、工場から外部へ出す
きれいな燃料ガスを生成させるエネルギー効率の
よい有用で実際的な方法が与えられていることが
容易に分るであろう。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の好ましい一具体例を示例する概
略図である。 １０……炉、２１……装填物、２６……高温還
元性ガス入口管、３２……排出管、３８……冷却
用ガス入口、４４……冷却用ガス出口、４６……
冷却器洗滌器、５０……気化器、８０……サイク
ロン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化鉄から金属鉄への直接還元を固体採掘燃
   料の気化によつて生成する高温気化ガスによつて
   行なう方法において、 ａ 前記高温気化ガスを２つの流れに分別し、 ｂ 第一の高温気化ガスを冷却してそれを未冷却
   の第二の高温気化ガスと再混合し、750〜1050
   ℃の範囲の温度をもつ調整ガスを形成し、 ｃ 上記調整ガスから粒状物質を除去し、 ｄ 粒状物質を含まない調整ガスを、酸化鉄、炭
   素含有固体採掘燃料及び石灰石から本質的にな
   る装填物の入つた直接還元シヤフト炉の還元域
   即ち還元が行われる領域へ導入し、 ｅ 上記ガスを上記装填物中に向流状に通し、該
   装填物中の炭素と石灰石との反応によつてガス
   を脱硫して高品質にし、該装填物中の酸化鉄を
   還元して高度に金属化した粒状鉄生成物に還元
   し、頂部廃ガスを形成し、そして ｆ 上記頂部廃ガスを除去し、該頂部廃ガスを冷
   却洗滌し、低温のきれいな燃料ガスを形成させ
   る、 ことからなる酸化鉄直接還元法。 ２ 更に、低温のきれいな燃料ガスの一部を高温
   気化ガスに注入し、調整ガスの温度を低下させる
   ことを含む前記第１項に記載の方法。 ３ ガス化させる採掘燃料が、石炭、褐炭、木炭
   及びコークスからなる群から選択される前記第１
   項に記載の方法。 ４ シヤフト炉装填物中の採掘燃料がコークスで
   ある前記第１項に記載の方法。 ５ 石灰石が５〜30mmの範囲の粒径を有する前記
   第１項に記載の方法。 ６ 石灰石がドロマイト石灰石である前記第１項
   に記載の方法。 ７ 調整ガスの品質が少なくとも4.5である前記
   第１項に記載の方法。