WO2021029114A1 - 直接還元鉄の製造設備及び製造方法 - Google Patents

直接還元鉄の製造設備及び製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2021029114A1
WO2021029114A1 PCT/JP2020/017566 JP2020017566W WO2021029114A1 WO 2021029114 A1 WO2021029114 A1 WO 2021029114A1 JP 2020017566 W JP2020017566 W JP 2020017566W WO 2021029114 A1 WO2021029114 A1 WO 2021029114A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
cooling
reduced iron
zone
cooling gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/017566
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
理彦 鉄本
Original Assignee
合同会社Ｋｅｓｓ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 合同会社Ｋｅｓｓ filed Critical 合同会社Ｋｅｓｓ
Priority to EP20851377.0A priority Critical patent/EP4141131A4/en
Priority to JP2021539817A priority patent/JPWO2021029114A1/ja
Publication of WO2021029114A1 publication Critical patent/WO2021029114A1/ja
Priority to US17/971,276 priority patent/US20230038218A1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/02—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces
    • C21B13/029—Introducing coolant gas in the shaft furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/004—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in a continuous way by reduction from ores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
    • C21B2100/22—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by reforming
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
    • C21B2100/26—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by adding additional fuel in recirculation pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/20—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases
    • C21B2100/28—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by separation
    • C21B2100/282—Increasing the gas reduction potential of recycled exhaust gases by separation of carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/40—Gas purification of exhaust gases to be recirculated or used in other metallurgical processes
    • C21B2100/44—Removing particles, e.g. by scrubbing, dedusting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2100/00—Handling of exhaust gases produced during the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/60—Process control or energy utilisation in the manufacture of iron or steel
    • C21B2100/64—Controlling the physical properties of the gas, e.g. pressure or temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/122—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by capturing or storing CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/134—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by avoiding CO2, e.g. using hydrogen
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/143—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions of methane [CH4]

Definitions

  • the present invention relates to a direct reducing iron (DRI) manufacturing facility and manufacturing method, and adjusts the carbon content of the reduced iron over a wide range without using an external heat reformer (reformer) and regardless of the conditions in the reduction zone.
  • the present invention relates to a direct-reduced iron manufacturing facility and a manufacturing method capable of efficiently reforming and reducing without causing problems such as metal dusting in a circulating gas preheater (preheater).
  • the present invention also relates to a direct reducing iron production facility and a production method for supplying hydrogen as a main reducing agent raw material and reducing iron oxide.
  • the method for producing metallic iron in a vertical reduction furnace (shaft furnace) by reducing iron oxide raw materials (raw materials) such as iron ingot ore or fired pellets using iron ore powder is mainly the blast furnace ironmaking method.
  • iron oxide raw materials raw materials
  • direct reduction iron making method there is a method called a direct reduction iron making method.
  • the direct reduction ironmaking method is represented by the Midrex method shown in Patent Document 1 and the HYL method shown in Patent Document 2.
  • a reducing gas containing hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) as main components is introduced into a vertical reduction furnace, and iron oxide is reduced in a solid phase to produce solid metallic iron. is there.
  • Reducing gas mainly composed of introduced hydrogen and carbon monoxide in the vertical reduction furnace reacts with the iron oxide in the reduction zone, some of the water vapor to remove oxygen from the iron oxide (H 2 O) and Produces carbon dioxide (CO 2 ).
  • the gas (top gas) discharged from this vertical reduction furnace is dust-removed and cooled by a scrubber in the Midrex method. After that, a part of it is stepped up, a new hydrocarbon-containing gas is added, reformed by a reformer, and recycled.
  • a reformed gas newly reformed from steam and a hydrocarbon-containing gas is mixed with a part of the dust-removed and cooled top gas, and heated by an external combustion type circulating gas heater (reheater). Then, it is introduced into a vertical reduction furnace and recycled.
  • a cooling zone is provided at the bottom of the reduction zone, and a cooling gas (cooling gas) is introduced into the cooling zone to cool the reduced iron.
  • the cooling gas used for this cooling is discharged from the middle part of the vertical reduction furnace below the reduction gas introduction part of the vertical reduction furnace, dust is removed by a scrubber, cooled, and then boosted and circulated. ..
  • a circulating gas containing carbon dioxide and water vapor and a hydrocarbon-containing gas are mixed under low pressure, for example, at a pressure of 350 kPa (A) or less, and after preheating, they are put into an external heat reformer (reformer). The reformed gas is produced through it.
  • steam and a hydrocarbon-containing gas are mixed under high pressure, for example, at a pressure of 700 kPa (A) or more, and after preheating, the reformed gas is produced by passing it through an external heat reformer (reformer).
  • A 700 kPa
  • reformer external heat reformer
  • reforming is performed with excess steam, for example, a mixed gas having an S / C (Steam / Carbon) ratio of 3 or more, in order to prevent carbon precipitation in an external heat reformer (reformer).
  • S / C Steam / Carbon
  • reformer This is done to remove excess steam components after reforming. For this purpose, it is cooled once to remove a part of the water vapor component and then reheated.
  • the reformer tube needs to be replaced every 5 to 10 years. Further, because of the low pressure, the carbon content of the reduced iron is as high as about 3%, which is about 1.5% to 2%.
  • an appropriate amount of carbon is indispensable in the molten iron to maintain the quality of the final product and to keep the solidification temperature low.
  • the melting time by oxygen blowing is shortened.
  • Reduction of electricity consumption and improvement of product quality are aimed at, and the amount of carbon in reduced iron is desired to be 2% or more, preferably 3% or more.
  • the method represented by the HYL ZR method as disclosed in Patent Document 3 does not use an external heat reformer that requires a large initial investment, and reduces the initial investment amount. It has been proposed to reduce the replacement cost of externally heated reformer tubes.
  • gas reforming to a reduction degree (for example, R-Value 10 or higher) suitable for efficiently reducing iron, and reduction of iron oxide by the reformed gas are performed in one furnace. Do it with. That is, in this method, the required amount of heat is covered by the preheating of the circulating gas and the partial combustion heat of the mixed oxygen.
  • the mixed gas is heated to the above-mentioned temperature range (about 850 ° C. to 1000 ° C.) with an external combustion type circulating gas preheater (preheater), oxygen is further mixed, and the partial combustion heat is from 900 ° C. to about 1150 ° C. The temperature is rising.
  • preheater circulating gas preheater
  • the gas heated by this preheater is a gas containing CO and H 2 as main components from which most of CO 2 and H 2 O have been removed, and a hydrocarbon-containing gas and an appropriate amount of H 2 O are added again. It is the added gas.
  • this gas is CO, H 2 and CH 4 , and this gas is a gas having strong carburizing properties. Therefore, heating this gas with a preheater to a high temperature, for example, 850 ° C. or higher disclosed in Patent Document 3, may cause problems of carbon precipitation on the tube surface of the preheater, carburizing on ferroalloy, and metal dusting. It has been reported.
  • a higher partial pressure of hydrocarbon gas is required to cause this reforming reaction. Therefore, it is necessary to mix a large amount of hydrocarbon-containing gas, and raising the temperature of this gas having a high partial pressure of the hydrocarbon gas causes problems of carbon precipitation, carburizing on ferroalloy, and metal dusting.
  • Patent Document 3 proposes to increase the carbon content of reduced iron by causing a carbon precipitation reaction that occurs at the same time as reforming on the metallic iron of the reduced iron in the furnace.
  • the present invention is a process for producing reduced iron by reducing with carbon monoxide and / or hydrogen, and is a process without using an external thermal reformer, and depends on the reduction conditions. For example, even in hydrogen reduction, the desired amount of carbon can be adjusted without lowering the amount of carbon in the reduced iron, and at the same time, the gas temperature at the inlet of the reduction furnace is pulverized in the furnace and the reduced irons are fused with each other.
  • the temperature and degree of reduction of the reduced gas after reforming in the reduction furnace can be kept high while maintaining a temperature that does not cause damage to the fireproof material due to clustering and pulverized iron, and externally. It can solve the problems of carbon precipitation in the combustion type circulating gas preheater (preheater), carbonization on alloyed iron and metal dusting, and has high equipment reliability and reduction efficiency that can produce high quality reduced iron.
  • the purpose is to provide a good process.
  • An object of the present invention is to provide a process capable of producing a directly reduced iron containing a required amount of carbon components.
  • the hydrocarbon concentration in the cooling gas is 50% or more, preferably 70% or more.
  • a cooling gas aftercooler preferably a wet ball atmosphere, to adjust the flow rate of the cooling gas introduced into the reduction furnace, and to adjust the inlet temperature of the reduction furnace of at least a part of the cooling gas.
  • a chiller type aftercooler (cooling gas chiller) that can be cooled to a temperature of + 3 to 4 ° C or less, or an aftercooler that supplies low-temperature cooling gas to the reduction furnace by introducing a hydrocarbon-containing gas cooled by its own adiabatic expansion.
  • the first feature is to have.
  • the hydrocarbon concentration in the cooling gas is 50% or more, preferably 70% or more.
  • the reduction zone and the cooling zone are divided into each other, and both zones are connected by a chute that lowers the reducing iron, and the cooling zone to the reducing zone and the circulating gas are not hindered from the reduction of the reducing iron.
  • the second feature is to connect with a separate gas duct so that cooling gas can be introduced into at least one of the lines.
  • This is a facility and method for directly producing reduced iron (Cold DRI) by reducing the iron oxide raw material in a vertical reduction furnace and then cooling it.
  • An intermediate cooling zone is provided between the reduction zone and the cooling zone.
  • the third feature is that a cooling gas loop is arranged and the outlet temperature of the upper cooling gas (intermediate cooling zone) is adjusted to be higher than the outlet temperature of the lower cooling gas (cooling zone).
  • a facility and a method for producing reduced directly reduced iron (DRI) iron oxide raw material in a vertical reduction furnace one moisture (H 2 O) is oxidized component from the top gas discharged from the vertical reduction furnace
  • a moisture adjusting device such as a scrubber that removes the part and adjusts the moisture, pressurizes to circulate the gas for which the moisture has been adjusted, and oxygen-containing gas and hydrocarbon-containing gas are added to the circulating gas after the pressurization.
  • It has a first gas mixing device that can adjust the inlet gas temperature, outlet gas temperature, and degree of reduction of the outlet gas of the autothermal reformer (self-heating reformer) within an appropriate range, and has an oxygen-containing gas.
  • the fourth feature is that it has an autothermal reformer that reforms the circulating gas mixed with the hydrocarbon-containing gas with its own energy to increase the degree of reduction of the gas.
  • a fifth feature is to have a second gas mixing device that mixes the oxygen-containing gas and the hydrocarbon-containing gas in the wake of the autothermal reformer in order to raise the reducing gas temperature.
  • the sixth feature is that it has a CO 2 remover that removes part or all of carbon dioxide (CO 2 ), which is a component, and has equipment that can adjust the CO 2 concentration at the inlet of the autothermal reformer.
  • Equipment and method for directly producing reduced iron (DRI) by reducing iron oxide raw materials in the above vertical reduction furnace, and the pressure of the gas at the inlet of the autothermal reformer to avoid carbon precipitation trouble in the autothermal reformer Is adjusted to less than 600 kPa (A), preferably less than 500 kPa (A), more preferably less than 350 kPa (A) to produce a reformed gas with a high degree of reduction, and avoid the problem of carbon precipitation in the autothermal reformer.
  • the seventh feature is to do.
  • the eighth feature is that the circulating gas temperature after preheating is set to less than 850 ° C, preferably less than 700 ° C, and more preferably less than 550 ° C in order to eliminate problems caused by carbon precipitation and carburizing in the heat exchanger. To do.
  • the ninth aspect is to adjust the amount of oxygen-containing gas and the amount of hydrocarbon-containing gas to be mixed so that the temperature of the gas at the outlet is 700 ° C. or higher, preferably 750 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher. It is a feature of.
  • a facility and method for directly producing reduced iron (DRI) by reducing an iron oxide raw material in the above vertical reduction furnace in which the temperature of the gas at the inlet of the autothermal reformer is adjusted to 1500 ° C. or lower, preferably 1400 ° C. or lower.
  • the amount of oxygen-containing gas and the amount of hydrocarbon-containing gas to be mixed are adjusted so that the temperature of the outlet gas is 700 ° C. or higher, preferably 750 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher, and vertical reduction is performed.
  • a tenth feature is that a plurality of stages of autothermal reformers are provided so that the inlet gas of the furnace has a desired degree of reduction.
  • the eleventh feature is that it is used for hydrocarbon gas.
  • the present invention has the following configuration.
  • the Cold DRI manufacturing facility consists of a vertical reduction furnace (shaft furnace) that reduces iron oxide raw materials and a cooling gas compressor (direct contact type water-cooled cooling gas) that removes and cools the cooling gas for cooling the reduced iron. It is cooled by a cooler), a cooling gas compressor, and a cooling gas aftercooler provided on the outlet side of the cooling gas compressor to adjust the amount of carbon in the reduced iron, preferably a chiller type aftercooler or its own adiabatic expansion. It is equipped with an aftercooler that introduces a hydrocarbon-containing gas and supplies a low-temperature cooling gas to the reduction furnace.
  • a cooling gas aftercooler preferably a chiller type aftercooler or an aftercooler that introduces a hydrocarbon-containing gas cooled by its own adiabatic expansion to supply a low-temperature cooling gas to the reduction furnace, is a cooling gas to be introduced into the furnace. It is an aftercooler that can adjust the temperature of at least a part of the gas to the atmospheric wet-bulb temperature + 3 to 4 ° C. or lower, for example, 35 ° C. or lower.
  • the reduction zone and cooling zone of the vertical reduction furnace are divided into each other, and cooling is performed on at least one of the reduction zone and the circulating gas line separately from the chute that drops the reduced iron. Equipped with a gas duct (cooling gas connecting duct) that can introduce gas.
  • the cooling gas introduced into the circulating gas line is preferably mixed with at least one of the reducing gas introduced into the circulating gas line, particularly the vertical reduction furnace, and the gas flowing upstream of the reformer provided in the reduced iron production facility. ..
  • the reformer includes not only an auto-thermal reformer but also an external thermal reformer.
  • an intermediate cooling zone is provided between the reduction zone and the cooling zone, and a gas loop is provided in each of the intermediate cooling zone and the cooling zone.
  • the temperature and flow rate of the cooling gas of the upper gas loop provided in the intermediate cooling zone and the lower gas loop provided in the cooling zone can be controlled separately.
  • a dry cooling gas dust collector and a cooling gas heat exchanger such as a hydrocarbon-containing gas preheater or a boiler are used to recover heat from the cooling gas on the outlet side which becomes hot. Be prepared.
  • a dry booster is installed in the intermediate cooling zone.
  • a vertical reduction furnace that reduces iron oxide raw materials and a gas (top gas) discharged from the shaft furnace after reduction are removed, cooled, and water is removed for adjustment.
  • a top gas scrubber a circulating gas compressor, a first gas mixer that mixes a high-concentration oxygen-containing gas such as pure oxygen and a hydrocarbon-containing gas, an autothermal reformer that reforms the gas, and cooling of reduced iron. It is equipped with a cooling gas scrubber for removing and cooling the cooling gas for cooling, and a cooling gas compressor.
  • a high concentration oxygen-containing gas and a hydrocarbon-containing gas are mixed in the wake of the autothermal reformer so as to promote reforming (In-situ reforming) in the vertical reduction furnace.
  • a second gas mixing device is provided.
  • water vapor is removed from the top gas discharged from the vertical reduction furnace, and part or all of carbon dioxide (CO 2 ), which is another oxidizing component, is removed. It also has a CO 2 remover that can adjust the CO 2 concentration at the inlet of the autothermal reformer.
  • CO 2 carbon dioxide
  • a more preferable form of the direct reducing iron production facility is equipped with an autothermal reformer that allows the oxidation reaction and the reforming reaction to proceed with one reformer.
  • the autothermal reformer is arranged in a U-shape or a V-shape, the used catalyst is discharged from the lower part, and a new catalyst is filled from the upper part to replace the catalyst. Equipped with an easy auto thermal reformer.
  • a similar inert catalyst-filled layer filled with alumina balls or the like capable of removing fine solids such as soot and dust is placed in the preceding stage. Be prepared.
  • a heat exchanger top gas heat recovery heat exchanger and heat exchanger that exchanges heat between the top gas and the gas at the outlet of the CO 2 remover in order to adjust the preheating temperature of the circulating gas.
  • a more preferable form of the directly reduced iron production facility is provided with a reforming gas mixer for mixing the above-mentioned cooled reforming gas and hydrocarbon gas into the furnace input gas line.
  • a more preferred form of the directly reduced iron production facility has a reactor that produces methane from CO 2 and hydrogen, and hydrogen is mixed with at least a portion of the carbon dioxide recovered by the CO 2 remover to produce methane. Equipped with a methane generator. At least a part of the methane produced by the methane generator can be used as a hydrocarbon gas for producing a reducing gas or a hydrocarbon gas to be mixed with a cooling gas for cooling reduced iron.
  • the present invention is a method for producing direct reduced iron in which a raw material for iron oxide and a reducing gas are brought into contact with each other in a vertical reduction furnace to directly produce reduced iron.
  • the method for producing direct reduced iron is a water content adjustment step in which a part of water is removed from the top gas discharged from the vertical reduction furnace to adjust it, and an oxygen-containing gas and a hydrocarbon-containing gas are added to the water-adjusted gas. It includes a gas mixing step of mixing and a reformed gas manufacturing step of reforming the mixed gas with its own energy to produce the reformed gas.
  • the hydrocarbon concentration in the cooling gas is set to 50% or more, preferably 70% or more, and the cooling gas is used.
  • a cooling gas aftercooler preferably a chiller type aftercooler (cooling gas chiller), or a hydrocarbon-containing gas cooled by its own adiabatic expansion is introduced to supply a low-temperature cooling gas to the reduction furnace.
  • the reduced high-temperature reduced iron comes into contact with the sufficiently heated hydrocarbon gas at the upper part of the cooling zone, and the pressure in the reduction zone is increased regardless of the reduction conditions, for example, even in the case of hydrogen reduction. Even when it is low and the hydrocarbon partial pressure is low, it is possible to increase the amount of carbon in the reduced iron to 3% or more.
  • the carbon content of the reduced iron can be controlled without greatly depending on the composition and pressure of the gas in the reduction zone. Therefore, electricity is used regardless of the method and conditions for producing the reformed gas. It is possible to supply reduced iron with the optimum temperature and carbon content according to the transfer equipment to the furnace and the operating conditions of the electric furnace.
  • a gas duct (reduction zone gas duct or circulation gas line) can be introduced from the cooling zone to the reduction zone or the circulating gas line separately from the reduction iron descent chute.
  • Gas duct is arranged.
  • This cooling gas is heated by exchanging heat with reduced iron in the cooling zone and cooling the reduced iron. Since at least a part of this heated cooling gas is introduced into the reduction zone through the gas duct for the reduction zone, it is possible to introduce the cooling gas into the reduction zone without inhibiting the reduction of the reducing iron by the reduction chute of the reducing iron. it can.
  • This heated cooling gas is heated to almost the same temperature as the reduced iron by further exchanging heat with the reduced iron in the region below the reduction gas introduction portion of the reduction zone.
  • the sufficiently heated cooling gas containing hydrocarbon gas as the main component and the high-temperature reduced iron come into contact with each other in the region below the reduced gas introduction portion, and the amount of carbon in the reduced iron is the same as in the above case. Can be increased to.
  • a hydrocarbon-containing gas is introduced into the cooling gas loop to maintain the concentration of hydrocarbon gas in the cooling gas, but in order to maintain a constant pressure, the amount of hydrocarbon-containing gas to be introduced into the cooling gas and the cooling zone. It is necessary to extract the cooling gas corresponding to the volume increase in the above system to the outside of the system.
  • the cooling gas is cooled and then returned to the circulating gas line, the low-temperature cooling gas is mixed with the circulating gas, which causes a problem of lowering the total thermal efficiency and reduction efficiency.
  • the heated cooling gas is directly contacted. Thermal efficiency does not decrease by returning to the circulating gas line without cooling with a water-cooled cooling gas cooler.
  • cooling gas introduced into the cooling zone is introduced directly into the reduction zone and mixed into the circulating gas line (reduction furnace input gas (reducing gas) and / or circulating gas) without cooling, the entire process Most of the hydrocarbon-containing gas required for this can be preheated and used through the cooling zone. In addition, the amount of circulating cooling gas that is extracted from the cooling zone and cooled, and then introduced into the cooling zone again is significantly reduced. That is, it becomes a state close to a one-through process.
  • the size of the cooling gas compressor that boosts the circulating cooling gas can be reduced and the required power is also reduced.
  • the amount of cooling gas to be cooled is reduced, water consumption can be reduced.
  • the hydrocarbon concentration in the circulating cooling gas can be improved, and the amount of carbon in the reduced iron can be improved.
  • the temperature at the inlet of the cooling zone largely depends on the temperature of the newly introduced hydrocarbon-containing gas, but since this hydrocarbon-containing gas is supplied at high pressure from the natural gas supply station in most cases, this high pressure By depressurizing and mixing natural gas, it also has the effect of lowering the temperature at the inlet of the cooling zone due to adiabatic expansion.
  • an intermediate cooling zone is provided between the reduction zone and the cooling zone and gas loops are provided separately for the intermediate cooling zone and the cooling zone, the temperature of the gas at the reduction furnace inlet of the upper intermediate cooling zone and the gas temperature and gas The flow rate and the temperature of the gas at the inlet of the reduction furnace in the lower cooling zone and the flow rate of the gas are individually controlled.
  • the high-temperature cooling gas whose main component is hydrocarbon gas and the high-temperature reduced iron come into contact with each other, and the amount of carbon in the reduced iron can be increased in the same manner.
  • oxygen-containing gas and hydrocarbon-containing gas By mixing oxygen-containing gas and hydrocarbon-containing gas with the mixture and introducing it into an autothermal reformer (self-thermal reformer), the reformed gas required for the reduction of iron oxide can be produced.
  • the inlet gas temperature, outlet gas temperature, and outlet gas reduction degree of the autothermal reformer are adjusted within an appropriate range by adjusting the mixing amount of the oxygen-containing gas and the hydrocarbon-containing gas with the first gas mixer. it can.
  • the total calorific value of the circulating gas is increased, so that the circulating gas is heated to a high temperature (for example, 850 ° C.). There is no need to preheat to (above).
  • the preheater does not require an expensive alloy tube, and problems such as clogging caused by carbon precipitation and carburizing, metal dusting problem, and damage due to high heat load can be solved, so that the frequency of tube replacement is reduced and the initial stage is reduced.
  • the investment amount can be significantly reduced and the maintenance cost can be significantly reduced.
  • the downtime of the direct reduced iron manufacturing equipment related to maintenance can be reduced, and the opportunity loss due to the stopped production of reduced iron can be significantly reduced.
  • the total thermal efficiency is improved and the operating cost is improved because the heat recovered from the circulating gas and the heat generated by the internal combustion of high-concentration oxygen-containing gas such as pure oxygen are used without using an external heat reformer (reformer).
  • the initial investment amount can be significantly reduced by eliminating the need for combustion equipment such as a blower for reformer combustion, reformer and its exhaust gas treatment equipment.
  • the site area occupied by external heat reformers (reformers), combustion equipment, exhaust gas treatment equipment, and heat recovery equipment from exhaust gas (off-gas preheater) is utility equipment and materials. It accounts for about 70% or more of the total process equipment other than handling, and since they can be deleted, there is an advantage that the required site area can be reduced to 30% or less.
  • the temperature at the inlet of the reduction furnace is maintained in a temperature range that does not cause problems such as pulverization, fusion (cluster) of reduced iron in the furnace, and damage to the refractory by the pulverized iron, and the gas in the reduction zone. It is possible to maintain a high degree of reduction and temperature after reforming.
  • excess CO and H 2- containing gas when excess CO and H 2- containing gas is generated, it can be effectively used as a chemical raw material such as a raw material for methanol production, not simply as a fuel for combustion.
  • the above autothermal reformer is used.
  • oxygen-containing gas and hydrocarbon-containing gas By further mixing oxygen-containing gas and hydrocarbon-containing gas with the reformed gas, the temperature of the gas at the inlet of the reduction furnace is raised, and many gas reforming (In-) by the catalytic effect of metallic iron in the furnace is performed. It is possible to perform sit-reforming). As a result, both the temperature and the degree of reduction of the reduced gas after reforming in the furnace rise, so that iron oxide can be reduced more efficiently.
  • the carbon precipitation reaction on the reduced iron is beneficial because it leads to an improvement in the carbon content of the product reduced iron, and is also preferable from the viewpoint of product quality.
  • the preheater can be made cheaper and the trouble with the preheater can be solved.
  • the equipment for directly producing reduced iron (Cold DRI) by reducing the iron oxide raw material in a vertical reduction furnace and cooling it
  • the outside The desired amount of carbon can be adjusted without lowering the amount of carbon in the reduced iron without using a thermal reformer.
  • the gas temperature at the inlet of the reducing furnace is pulverized in the furnace and the reduced iron is fused (cluster). )
  • the temperature and degree of reduction of the reduced gas after reforming in the reduction furnace can be kept high while maintaining the temperature that does not cause damage to the fireproof material due to pulverized iron, and external combustion type circulation.
  • Inexpensive, highly reliable equipment that can solve the problems of carbon precipitation in a gas preheater (preheater), carburizing on alloyed iron and metal dusting, and reducing efficiency that can produce high quality reduced iron. A good process is embodied.
  • hydrogen is added to at least a part of carbon dioxide recovered in the reduced iron production facility equipped with the above CO 2 remover. Is added to generate methane, and at least a part of the produced methane is used as a hydrocarbon gas for producing reduced gas or as a hydrocarbon gas to be mixed with a cooling gas for cooling reduced iron, thereby storing carbon dioxide separately. It is possible to reuse carbon dioxide in the reduced iron production facility system without the need for carbon dioxide utilization equipment.
  • the amount of carbon component to be supplemented required for the production of reduced iron is outside the system. Only the amount of carbon in the reduced iron brought out to the water, the amount of carbon component in the exhaust gas, and the amount of carbon component dissolved in the water system and degassed. Therefore, it is sufficient to replenish the amount of hydrocarbon gas equal to the amount of carbon components discharged to the outside of the system, and a large amount of hydrocarbon gas is not required. That is, even when hydrogen is supplied as the main raw material of the reducing gas, the production of directly reduced iron that can solve the problem of directly reducing iron oxide with hydrogen by recycling the carbon component in the system is hot. , It is possible regardless of cold.
  • Embodiment 1 of this invention It is a figure explaining the process flow of Embodiment 1 of this invention. It is a figure explaining the process flow of Embodiment 2 which separated the reduction zone and the cooling zone of this invention. It is a figure explaining the process flow of the modification of Embodiment 2 of this invention. It is a figure explaining the process flow of Embodiment 3 which made the gas loop of the cooling gas of this invention into two gas loops. It is a figure explaining the process flow of Embodiment 4 which mixes CO 2 and hydrogen of this invention to generate methane, and uses the methane for reduction and cooling of reduced iron.
  • the direct reducing iron manufacturing facility 30a of the first embodiment includes a vertical reduction furnace (shaft furnace) 1, a reduction zone 2, a heat exchanger 3, a moisture regulator (top gas scrubber) 4, a circulating gas compressor 5, and CO 2.
  • the zone 12, the cooling gas scrubber 13, the cooling gas compressor 14, the cooling gas aftercooler 15, the hydrocarbon-containing gas lines A1, A2, A3, A4, A5, and the oxygen-containing gas lines B1 and B2 are provided.
  • the vertical reduction furnace 1 reduces the iron oxide raw material by contacting it with a reducing gas, and includes a reduction zone 2 and a cooling zone 12.
  • the heat exchanger 3 is composed of a top gas heat recovery heat exchanger 3a and a circulating gas preheater (preheater) 3b.
  • the top gas heat recovery heat exchanger 3a recovers heat from the top gas by exchanging heat between the gas (top gas) discharged from the shaft furnace 1 after reduction and the output gas of the CO 2 remover 6, and also collects the circulating gas. It adjusts the preheating temperature.
  • the preheater 3b is a preheater for further adjusting the temperature of the circulating gas as needed.
  • the heat exchanger 3 is provided between the vertical reduction furnace 1 and the first gas mixing device 7a.
  • the moisture adjusting device (top gas scrubber) 4 removes dust from the top gas, cools the top gas, removes the moisture, and adjusts the moisture.
  • the circulating gas compressor 5 is a step-up compressor for gas circulation for circulating and utilizing top gas.
  • the CO 2 remover 6 removes part or all of carbon dioxide from the top gas.
  • the first gas mixing device (oxygen partial combustion facility) 7a mixes a high-concentration oxygen-containing gas such as pure oxygen and a hydrocarbon-containing gas with a gas from which water and CO 2 have been removed to reduce the acidified gas component. It is partially oxidized and burned.
  • the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b mixes the hydrocarbon-containing gas.
  • the first gas mixing device 7a and the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b are oxygen-containing gas B1 and hydrocarbon-containing gas added by the first gas mixing device 7a and the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b.
  • the inlet temperature, outlet temperature, and outlet gas reduction degree of the autothermal reformer 8 are adjusted. Therefore, the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b is provided as needed when the amount of the hydrocarbon-containing gas A1 is insufficient in the mixing of the hydrocarbon-containing gas A1 in the first gas mixing device 7a.
  • the autothermal reformer 8 is a gas from which water and carbon dioxide have been removed from the top gas, and the oxygen-containing gas B1 and the hydrocarbon-containing gas A1 in the first gas mixing device 7a and the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b.
  • the mixed gas mixed with A2 is reformed by the self-energy of the mixed gas.
  • the autothermal reformer 8 is preferably arranged in a U-shape or a V-shape. As a result, the used catalyst can be discharged from the lower part and a new catalyst can be filled from the upper part, and the catalyst can be easily replaced.
  • the autothermal reformer 8 is provided with a similar inert catalyst-filled layer in the front stage, which is filled with alumina balls or the like capable of removing fine solids such as soot. As a result, the frequency of catalyst replacement can be reduced. Further, the autothermal reformer 8 preferably takes a form in which the oxidation reaction and the reforming reaction proceed with one reformer.
  • the second gas mixing device 9 mixes oxygen-containing gas B2 and hydrocarbon-containing gas A3 with the gas discharged from the autothermal reformer 8, partially oxidizes and burns the gas, and further reforms an appropriate amount in the reduction furnace. This is for adjusting the temperature rise of the gas at the inlet of the reduction furnace 1 and the hydrocarbon concentration.
  • the reformed gas cooler 10 uses the gas introduced into the furnace so as not to cause problems such as pulverization in the furnace, fusion of reduced irons (clusters), and damage to the refractory by the pulverized iron depending on the raw material. It regulates the temperature.
  • the reforming gas mixer 11 mixes the cooled reforming gas and the hydrocarbon-containing gas into the furnace input gas line.
  • the direct reduced iron manufacturing facility 30a is provided with a cooling gas loop 23 that circulates a cooling gas that cools the reduced iron in the cooling zone 12 in order to manufacture the cooled direct reduced iron (Cold DRI).
  • the cooling gas scrubber 13, the cooling gas compressor 14, and the cooling gas aftercooler 15 are provided in the cooling gas loop 23.
  • the cooling gas loop 23 is provided with a flow rate adjusting means (not shown) for adjusting the flow rate of the cooling gas, so that the flow rate of the cooling gas to be introduced into the reduction furnace 1 can be adjusted.
  • the cooling gas scrubber 13 is a water-cooled direct contact type cooler that removes and cools the cooling gas for cooling the reduced iron discharged from the reduction furnace 1.
  • the cooling gas aftercooler 15 adjusts the temperature of the cooling gas, and is provided on the outlet side of the cooling gas compressor 14. For example, by lowering the inlet temperature of the cooling gas with the cooling gas aftercooler 15 and reducing the total flow rate of the cooling gas with the flow rate adjusting means, the outlet temperature of the cooling gas rises and the amount of carbon in the reduced iron can be adjusted.
  • the cooling gas aftercooler 15 is preferably a chiller type aftercooler or an aftercooler that introduces a hydrocarbon-containing gas cooled by its own adiabatic expansion or the like to supply a low-temperature cooling gas to the reduction furnace, and is particularly wet-bulb atmospheric temperature. It is preferable to be able to cool to +3 to 4 ° C. or lower.
  • direct reduced iron is produced by bringing the iron oxide raw material into contact with the reducing gas in the vertical reduction furnace 1.
  • the gas obtained by reducing the iron oxide raw material input from the upper part of the vertical reduction furnace 1 is discharged as the top gas from the top of the furnace.
  • This top gas is dust-removed and cooled by the top gas scrubber 4, most of the moisture is removed and the moisture is adjusted (moisture adjustment step), and the gas whose moisture is adjusted is boosted by the circulating gas compressor 5 and CO 2 is removed by the remover 6. 2 is removed (CO 2 removal step), the CO 2 component is adjusted together with the water content, and the total oxidizing gas component amount is adjusted.
  • the CO 2 remover 6 may be a PSA (pressure fluctuation absorption) type device, or may be a chemical absorption method (Chemical Absorption method). In either case, in order to achieve the target CO 2 removal rate, it may be necessary to boost the pressure once, remove the CO 2, and then reduce the pressure. However, a rotary decompressor is used for decompression, and a rotary decompressor. It is even better to use a method of physically connecting the shaft of No. 1 and the shaft of the circulating gas compressor 5 to reduce the boosting power.
  • PSA pressure fluctuation absorption
  • chemical Absorption method Chemical Absorption method
  • the oxidation component is adjusted by removing water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ), and the gas containing CO and H 2 as the main components is added to the top gas heat recovery heat exchanger 3a and, if necessary.
  • a high-concentration oxygen-containing gas B1 having an oxygen concentration higher than the atmospheric oxygen concentration such as pure oxygen and a hydrocarbon-containing gas A1 such as natural gas are mixed.
  • Mix first gas mixing step
  • a required amount of the hydrocarbon-containing gas A2 is further mixed with the heated mixed gas by the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b, introduced into the autothermal reformer 8, and the hydrocarbon is used by the self-energy of the mixed gas. And an oxidizing gas are reformed to produce a reducing gas with a high degree of reduction (reformed gas manufacturing process).
  • the preheating temperature of the circulating gas, the amount of the high-concentration oxygen-containing gas B1 to be mixed, and the amount of the hydrocarbon-containing gases A1 and A2 are the amount of the reformed gas required for the reduction of the iron oxide raw material and the reduction of the reformed gas. It may be determined according to the conditions of the degree and temperature and the temperature of the gas at the inlet and outlet of the autothermal reformer 8.
  • the preheating temperature of the circulating gas in the preheater 3b is set low, and the oxygen-containing gas B1 is mixed up to the upper limit of the temperature of the gas at the inlet of the autothermal reformer 8.
  • the hydrocarbon-containing gases A1 and A2 corresponding to the above, a larger amount of reducing gas can be produced.
  • the preheating temperature of the circulating gas is set to the problem due to carbon precipitation and carburizing in the top gas heat recovery heat exchanger 3a and preheater 3b.
  • the amount of oxygen that can be mixed is reduced by setting the gas as high as possible within the range where the temperature is not generated, for example, below 850 ° C., preferably less than 700 ° C., and more preferably less than 550 ° C. The amount decreases.
  • a hydrocarbon-containing gas A1 and a high-concentration oxygen-containing gas B1 are mixed with the top gas and partially combusted at a ratio within a range that does not generate soot, and further contains the first hydrocarbon.
  • the hydrocarbon-containing gas A2 is mixed in the gas mixing device 7b as necessary, and the temperature of the gas at the inlet of the autothermal reformer 8 is adjusted to an allowable temperature, for example, 1500 ° C. or lower, preferably 1400 ° C. or lower.
  • hydrocarbons are provided so that carbon precipitation does not occur in the autothermal reformer 8 and the temperature of the gas at the outlet of the autothermal reformer 8 is 700 ° C. or higher, preferably 750 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher.
  • the contained gases A1 and A2 and the high-concentration oxygen-containing gas B1 are adjusted.
  • the first gas mixing device 7a, the first The hydrocarbon-containing gas mixing device 7b and the autothermal reformer 8 are multi-staged. Then, at the outlet of the first-stage autothermal reformer, the gas whose temperature has dropped due to the reforming reaction is further mixed with the high-concentration oxygen-containing gas and the hydrocarbon-containing gas, and introduced into the next autothermal reformer.
  • the degree of reduction of the gas at the outlet of the autothermal reformer is adjusted so that the degree of reduction and temperature of the gas at the inlet of the vertical reduction furnace 1 become the desired degree of reduction and temperature.
  • carbon deposition reactions in carbon deposition and carburizing reaction and autothermal reformer 8 of the top gas heat recovery heat exchanger 3a and the preheater 3b is, H 2 O, CO 2 concentration in the circulating gas, gas pressure, and gas temperature Since it depends on, these problems can be solved by adjusting each to an appropriate range.
  • the pressure and temperature of the output gas of the top gas scrubber 4 are adjusted to adjust the water concentration.
  • a water-cooled cooler may be provided directly at the outlet of the circulating gas compressor 5 to adjust the water concentration.
  • the CO 2 concentration is adjusted with a CO 2 remover.
  • the gas pressure adjusts the outlet pressure of the top gas scrubber 4 by adjusting the amount of gas discharged to the outside of the system. By adjusting the outlet pressure of the top gas scrubber 4, the inlet pressure of the autothermal reformer 8 is adjusted to an appropriate pressure.
  • the preheating temperature of the gas is, for example, a top gas heat recovery heat exchanger 3a for recovering a certain amount of heat from the top gas, and an external combustion type preheater 3b for an external combustion type to a desired temperature within a range where carbon precipitation does not occur.
  • the temperature may be raised by adjusting the combustion amount of the preheater 3b.
  • the gas introduced into the autothermal reformer 8 has a pressure of 600 kPa (A) or more, carbon is easily precipitated on the catalyst of the autothermal reformer 8 unless a large amount of excess oxidizing gas is present, so that the carbon precipitation problem is avoided. Moreover, it is not possible to obtain a reformed gas having a predetermined degree of reduction.
  • the gas to be introduced into the autothermal reformer 8 is used.
  • the pressure is adjusted to less than 600 kPa (A), preferably less than 500 kPa (A), more preferably less than 350 kPa (A).
  • the present invention is not limited to this, and the oxidation reaction and the reforming reaction are described. If the autothermal reformer 8 that can be performed by one reformer is used, it is not necessary to mix the hydrocarbon gases A1 and A2 separately in the first gas mixing device 7a and the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b, and the autothermal reformer 8 The required amounts of the high-concentration oxygen-containing gas B1 and the hydrocarbon-containing gases A1 and A2 may all be mixed.
  • the reformed gas produced under the above conditions is further mixed with the high-concentration oxygen-containing gas B2 and the hydrocarbon-containing gas A3 in the second gas mixing device 9 (second gas mixing step), and further carbonized by the subsequent flow.
  • the hydrocarbon-containing gas A4 By mixing the hydrocarbon-containing gas A4, the temperature of the furnace inlet gas is raised and reformed (In-situ reforming) by the catalytic effect of the metallic iron in the furnace. This makes it possible to further increase the degree of gas reduction in the furnace and to carry out the reduction reaction of iron oxide at a high temperature.
  • the reformed gas mixer 11 for performing hydrocarbon mixture required to avoid partial high temperature in the furnace due to the exothermic reaction at a CH 4 production reaction provided hydrocarbons It is even better if the contained gas A4 can be further mixed.
  • the modified gas cooler 10 may be provided to control the temperature.
  • the amount of the high-concentration oxygen-containing gas B2 and the hydrocarbon-containing gas A3 to the second gas mixer 9 is increased to increase the partial combustion amount of oxygen and carbonize.
  • the amount of hydrogen gas By increasing the amount of hydrogen gas, the temperature rise in the furnace and the reforming reaction (In-situ reforming) in the furnace can be further promoted.
  • the partial pressure of the hydrocarbon gas required for reforming in the reduction furnace is low. Further, it is not preferable to mix excess hydrocarbon gas in order to maintain high productivity. Therefore, since the partial pressure of hydrocarbons is low, the carbon precipitation reaction on the reduced iron in the reduction zone 2 is unlikely to occur, and the carbon content in the reduced iron on the exit side of the reduction zone 2 is approximately 1.5% to 2%. Stay to the extent.
  • the amount of carbon added in the cooling zone 12 can be adjusted without being largely dependent on the state of the reduction zone 2 as described above. Therefore, as described below, the amount of carbon added in the reduced iron is discharged. Can be adjusted.
  • the main reaction of the carbon precipitation reaction in the vertical reduction furnace 1 is the cracking reaction of hydrocarbons, and the reaction largely depends on the partial pressure of the hydrocarbon gas and the temperature.
  • the cooling gas discharged from the cooling zone 12 of the reduction furnace 1 is dust-removed and cooled by the cooling gas scrubber (direct contact type water-cooled cooling gas cooler) 13 by the cooling gas loop 23, and then cooled.
  • the pressure is increased by the gas compressor 14, and then some of the gas remains as it is, and some of the other gas is further cooled by the cooling gas aftercooler 15 and introduced into the cooling zone 12.
  • the hydrocarbon concentration of the circulating cooling gas is set to 50% or more, preferably 70% or more, and the cooling gas is placed on the outlet side of the cooling gas compressor 14.
  • An aftercooler 15, preferably a chiller type aftercooler, or an aftercooler that introduces a hydrocarbon-containing gas cooled by its own adiabatic expansion or the like to supply a low-temperature cooling gas to the reduction furnace is provided.
  • the flow rate of cooling gas is adjusted so that the discharge temperature of reduced iron is 50 ° C to 55 ° C or less in order to prevent troubles due to reoxidation of reduced iron.
  • the inlet temperature of the cooling gas reduction furnace 1 is about 40 ° C. due to the increase in the pressure even when the water spray cooling type cooling gas compressor 14 is used.
  • the temperature difference between the controlled discharge temperature of the cooling gas and the reduced iron is small, a large amount of cooling gas is required, and the discharge temperature of the cooling gas from the reduction furnace is inevitably lowered to about 400 ° C.
  • the main component of the cooling gas is hydrocarbon, and the partial pressure of the hydrocarbon gas in contact with the reduced iron is made as high as possible.
  • the gas temperature is about 400 ° C, the moment when the contact with the high-temperature reduced iron is performed. The reduced iron is cooled down, and the cracking reaction of the hydrocarbon gas cannot be sufficiently caused.
  • this cooling gas even if a part of this cooling gas is raised to the reduction zone 2, the gas having a low temperature always flows through the center of the reduction furnace, so that the temperature does not reach a sufficiently high temperature to cause a carbon precipitation reaction, and the carbon precipitation reaction is carried out. Not only does it not occur, but it also causes a stagnation of the reduction reaction.
  • the cooling gas is mixed with the cooling gas aftercooler 15, preferably a chiller type aftercooler, or a hydrocarbon-containing gas cooled by its own adiabatic expansion, etc., on the outlet side of the cooling gas compressor 14.
  • the cooling gas aftercooler 15 preferably a chiller type aftercooler, or a hydrocarbon-containing gas cooled by its own adiabatic expansion, etc.
  • the inlet temperature of the cooling gas reduction furnace 1 is preferably 35 ° C. or lower.
  • the high-temperature cooling gas comes into contact with the reduced iron at the upper part of the cooling zone 12. Since the partial pressure of the hydrocarbon gas is high and the temperature is high in this portion, the cracking reaction of the hydrocarbon gas is promoted, and the amount of carbon in the reduced iron can be increased. In addition, by cooling the cooling gas, the amount of water contained in the cooling gas is also reduced, so that the consumption of carbon in the reduced iron due to the water can be prevented. In addition, since the cooling gas outlet temperature becomes high, for example, if the cooling gas loop 23 is provided with a heat recovery device such as a boiler, efficient heat recovery from the cooling gas becomes possible.
  • the problems of carbon precipitation in the external combustion type circulating gas preheater (preheater), carburizing on ferroalloy and metal dusting are avoided, and at the same time, the temperature of the gas at the inlet of the reduction furnace is pulverized and reduced in the furnace. Even under conditions that do not cause iron-to-iron fusion (cluster) or damage to refractories due to pulverized iron, by adjusting the inlet temperature and flow rate of the cooling gas regardless of these conditions. It is possible to adjust the amount of carbon in the reduced iron to, for example, 3% or more.
  • the preheating temperature of the circulating gas is about 450 ° C.
  • the outlet pressure of the top gas scrubber 4 is 50 kPa (A)
  • the outlet temperature is 45 ° C.
  • the amount of water in the circulating gas is adjusted, and a dry process gas compressor 5 is used.
  • the pressure of the gas introduced into the autothermal reformer 8 is controlled to about 250 kPa (A) to 350 kPa (A).
  • the hydrocarbon-containing gas A1 and the high-concentration oxygen-containing gas so that the reformed gas becomes about R-Value 10 at the outlet of the autothermal reformer 8.
  • B1 and the hydrocarbon-containing gas A2 are mixed and partially combusted, the inlet temperature of the autothermal reformer 8 becomes 1500 ° C. or lower, and the temperature of the gas at the outlet becomes about 950 ° C.
  • the hydrocarbon gas ratio (CO 2 + H 2 O) / CH 4 of the oxidizing substance on the outlet side of the autothermal reformer 8 can be maintained at a ratio that does not cause carbon precipitation on the catalyst.
  • the hydrocarbon-containing gas A3 and the high-concentration oxygen-containing gas B2 are added, and when they are put into the reduction furnace 1 at about 920 ° C., they are reformed in the furnace (In-situ reforming). And a carbon precipitation reaction is caused, and the gas after the reforming and the carbon precipitation reaction can obtain a good quality reduced gas having a temperature of about 780 ° C. and a reduction degree of about 13.
  • the concentration of hydrocarbon gas in the furnace introduction gas is about 5 to 8% or less, which is sufficient. That is, since a large amount of excess hydrocarbon-containing gas is not required, the amount of gas introduced into the furnace per reduced iron may be smaller than that in high-pressure operation. For example, operation at a circulating gas pressure of 700 kPa (A) or higher. However, the pressure loss in the reduction furnace 1 is almost the same, and the disadvantage is not remarkable in terms of the increase in pressure loss, which is one of the disadvantages of the low pressure gas operation.
  • productivity that is, the required reduction reaction time depends more on temperature than pressure, so not lowering the temperature of the reducing gas after in-core reforming and carbon precipitation reaction greatly contributes to the reduction reaction rate, that is, high productivity. To do.
  • the carbon content in the product under this condition can be adjusted in the cooling zone 12.
  • the temperature of the total amount of cooling gas is adjusted to 35 ° C. or lower, preferably 25 ° C. or lower by the chiller type cooling gas aftercooler 15, so that the discharge temperature of the reduced iron becomes a desired temperature, for example, 50 ° C. or lower. Adjust the amount of cooling gas.
  • the difference between the discharged iron discharge temperature (usually about 50 ° C.) and the inlet temperature of the cooling gas reduction furnace 1 is 25 ° C., which is more than twice the temperature difference of 10 ° C. at the cooling gas temperature of about 40 ° C. It becomes the temperature difference of.
  • the required amount of cooling gas is significantly reduced, the temperature at the outlet of the reduction furnace of the cooling gas rises, and the amount of carbon in the reduced iron can be adjusted to 3% or more.
  • the first embodiment has a comprehensive viewpoint of carbon precipitation problem, pressure loss in the furnace, fluidization phenomenon in the furnace, productivity, reliability of equipment, equipment size, and product quality. It becomes better than the condition of high pressure gas.
  • the direct reducing iron manufacturing facility 30b of the second embodiment is the same as the direct reducing iron manufacturing facility 30a of the first embodiment, that is, the vertical reducing furnace (shaft furnace) 1, the reducing zone 2, the heat exchanger 3, and the water content adjustment.
  • Equipment (top gas scrubber) 4 circulating gas compressor 5, CO 2 remover 6, first gas mixing device 7a, first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b, autothermal reformer 8, second gas mixing device 9, Reform gas cooler 10, reform gas mixer 11, cooling zone 12, cooling gas scrubber (direct contact type water-cooled cooling gas cooler) 13, cooling gas compressor 14, cooling gas aftercooler 15, and hydrocarbon-containing gas line It is provided with A1, A2, A3, A4, A5 and oxygen-containing gas lines B1 and B2.
  • the heat exchanger 3 is composed of a top gas heat recovery heat exchanger 3a and a circulating gas preheater (preheater) 3b.
  • preheater circulating gas preheater
  • the direct reduced iron production facility 30b of the second embodiment is configured with the reduction zone 2 and the cooling zone 12 as separate furnaces independently of each other so that the desired high temperature cooling gas can be extracted and introduced into the reduction zone 2. ..
  • the reduction zone 2 and the cooling zone 12 are connected by a chute 22 that lowers the reduced iron into the cooling zone 12.
  • the direct reduced iron manufacturing facility 30b is provided with a cooling gas loop 23 that circulates a cooling gas that cools the reduced iron in the cooling zone 12 in order to manufacture the cooled direct reduced iron (Cold DRI).
  • the cooling gas loop 23 includes cooling gas dust removers 17 and 18 for removing the cooling gas discharged from the cooling zone 12, and a cooling gas heat exchanger (boiler) 19 for recovering heat from the cooling gas and cooling the cooling gas. ing.
  • the cooling gas dust collectors 17 and 18 are configured as dry dust collectors.
  • the hydrocarbon preheated to a high temperature in this way can bring the cooling gas as the main component into contact with the reduced metallic iron, the carbon content of the reduced iron can be easily improved.
  • cooling gas when introduced into the reduction zone 2 as an upward flow in the furnace, it is further heated in the lower region of the reduction zone 2 and heated to almost the same temperature as the reduced iron, so that the reduced iron is heated regardless of the ambient gas pressure. It is possible to further increase the carbon content of.
  • the heat recovery efficiency is improved when heat is recovered from the cooling gas by increasing the temperature on the outlet side of the cooling gas.
  • heat may be recovered by the boiler 19 via the dry dust collectors 17 and 18, and power generation may be performed.
  • the steam temperature can be heated to a high level, the power generation efficiency is dramatically improved.
  • a circulating gas or a hydrocarbon-containing gas may be preheated.
  • a reducing zone gas duct 16a for passing the cooling gas to the reducing zone 2 is provided in addition to the chute 22 connecting the reducing zone 2 where the reduced iron falls and the cooling zone 12. It is prepared separately.
  • the reduction zone gas duct 16a is connected from the upper part of the cooling zone 12 to the lower part of the reduction zone 2.
  • the reduction zone gas duct 16a constitutes the gas duct (cooling gas connecting duct) 16.
  • the amount of cooling gas directly introduced from the cooling zone 12 into the reduction zone 2 is not limited due to a poor drop of reduced iron or the like, and can be adjusted by the amount of the hydrocarbon-containing gas A5 introduced into the cooling gas loop 23. ..
  • the amount of carbon in the reduced iron can be increased without causing the reduction stagnation in the reduction zone 2 by guiding the sufficiently preheated cooling gas to the reduction zone 2 as needed. Stable operation can be maintained without hindering the fall of reduced iron, and the total thermal efficiency can also be improved.
  • the cooling gas connecting duct 16 is composed of a gas duct 16a for a reduction zone and a gas duct 16b for a circulating gas line that returns a part of the cooling gas extracted from the cooling zone 12 to the circulating gas line. ..
  • the gas duct 16b for the circulating gas line is connected to the cooling zone 12 or the cooling gas loop 23 and the circulating gas line.
  • the gas duct 16b for the circulating gas line is provided so as to be branched from the gas duct 16a for the reduction zone, and is provided downstream of the autothermal reformer 8, for example, upstream of the reforming gas mixer 11 and / or the autothermal reformer 8.
  • the autothermal reformer 8 is connected to the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b.
  • a part of the cooling gas is returned to the downstream of the autothermal reformer 8, for example, the reforming gas mixer 11, and / or to the upstream of the autothermal reformer 8, for example, the first hydrocarbon-containing gas mixer 7b. It is returned and mixed with the reducing gas introduced into the reduction furnace 1 and / or the gas flowing upstream of the autothermal reformer 8.
  • the preheated cooling gas may be used as a part or a substitute for the hydrocarbon-containing gases A2 and A4.
  • the supply lines for the hydrocarbon-containing gases A2 and A4 become unnecessary, the supply lines for the hydrocarbon-containing gases A2 and A4 may be eliminated.
  • the gas duct 16b for the circulating gas line is directly connected to the circulating gas line, it is not necessary to provide the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b or the like.
  • the gas duct 16b for the circulating gas line can take any form as long as the cooling gas discharged from the reduction furnace 1 can be returned to the circulating gas line without going through the direct contact type water-cooled cooling gas cooler 13.
  • the cooling gas dust removers 17 and 18 the reducing gas that introduces the cooling gas into the reduction furnace 1 from the upstream of the cooling gas scrubber 13 and / or the gas that flows upstream of the autothermal reformer 8 is used. You may mix. In this case, it is not necessary to install a new dust remover because the dust has already been removed.
  • the hydrocarbon-containing gas required for reduction can be obtained from the preheated cooling gas, and it is necessary to separately install a preheater for preheating the hydrocarbon-containing gas. It is possible to reduce the equipment cost of the external preheater for the hydrocarbon-containing gas.
  • cooling gas introduced into the cooling zone 12 in this way is introduced directly into the reduction zone 2 or is circulated without being directly cooled by water (reduction furnace input gas (reduction gas) and / or circulation.
  • water reduction furnace input gas (reduction gas) and / or circulation.
  • the cooling gas flowing through the cooling zone 12 is the newly introduced hydrocarbon-containing gas A5. Therefore, when the pressure of the hydrocarbon-containing gas A5 is high and the gas is introduced from the outlet side of the cooling gas compressor 14, The size of the cooling gas compressor 14 that boosts the circulating cooling gas can be reduced, and the required power is also reduced. In addition, since the amount of cooling gas to be cooled is reduced, water consumption can be reduced.
  • the hydrocarbon concentration in the circulating cooling gas can be improved, and the amount of carbon in the reduced iron can be improved.
  • the temperature at the inlet of the cooling zone 12 depends on the temperature of the newly introduced hydrocarbon-containing gas A5, but since this hydrocarbon-containing gas A5 is supplied at high pressure from the natural gas supply station in most cases. By depressurizing and mixing this high-pressure natural gas, there is also an effect of lowering the temperature at the inlet of the cooling zone 12 by adiabatic expansion.
  • the direct reducing iron manufacturing facility 30c of the third embodiment is the same as the direct reducing iron manufacturing facilities 30a and 30b of the first and second embodiments, the vertical reducing furnace (shaft furnace) 1, the reducing zone 2, and the heat exchanger. 3.
  • Moisture regulator (top gas scrubber) 4 circulating gas compressor 5, CO 2 remover 6, first gas mixer 7a, first hydrocarbon-containing gas mixer 7b, autothermal reformer 8, second gas Mixing device 9, reforming gas cooler 10, reforming gas mixer 11, cooling zone 12, cooling gas scrubber (direct contact type water-cooled cooling gas cooler) 13, cooling gas compressor 14, cooling gas aftercooler 15, and carbonization It is provided with hydrogen-containing gas lines A1, A2, A3, A4, A5 and oxygen-containing gas lines B1 and B2.
  • the heat exchanger 3 is composed of a top gas heat recovery heat exchanger 3a and a circulating gas preheater (preheater) 3b.
  • preheater circulating gas preheater
  • the cooling zone 12 is another form in the second embodiment. Specifically, the structure is similar to that of the reduction furnace 1 of the first embodiment in which the reduction zone 2 and the cooling zone 12 are integrated, but an intermediate cooling zone 21 is provided between the reduction zone 2 and the cooling zone 12. ing.
  • the direct reducing iron production facility 30c uses a cooling gas for cooling the reduced iron in the cooling zone 12 and the intermediate cooling zone 21 in order to produce the cooled direct reduced iron (Cold DRI).
  • a cooling gas loop 23 for circulation is provided.
  • the cooling gas loop 23 is provided in each of the intermediate cooling zone 21 and the cooling zone 12.
  • the cooling gas loop 23 has an upper cooling gas loop 231 and a lower cooling gas loop 232, an upper cooling gas loop 231 is provided in the intermediate cooling zone 21, and a lower cooling gas loop 232 is a cooling zone 12. It is provided in.
  • the upper cooling gas loop 231 boosts the cooling gas dust removers 17 and 18, which remove the cooling gas discharged from the intermediate cooling zone 21, the cooling gas heat exchanger (boiler) 19 which cools the cooling gas, and the cooling gas. It is equipped with an intermediate cooling gas compressor 20.
  • the intermediate cooling gas compressor 20 is configured as a dry booster.
  • the cooling gas discharged from the intermediate cooling zone 21 is dust-removed by the cooling gas dust removers 17 and 18, then heat is recovered by the cooling gas heat exchanger 19 to be cooled, and then the pressure is increased by the intermediate cooling gas compressor 20. It is introduced in the intermediate cooling zone 21.
  • This upper cooling gas loop 231 is used as a high temperature gas loop.
  • the temperature of the cooling gas at the cooling gas inlet of the reduction furnace 1 is set to about 150 ° C. to 200 ° C., and the temperature of the cooling gas at the cooling gas outlet of the reduction furnace 1 is immediately after reduction.
  • the flow rate is adjusted so that the temperature is close to the temperature of the reduced iron of, for example, around 700 ° C.
  • the advantages of the high temperature cooling gas can be enjoyed as in the case where the reduction zone 2 and the cooling zone 12 are divided into separate furnaces.
  • the lower cooling gas loop 232 includes a cooling gas scrubber 13, a cooling gas compressor 14, and a cooling gas aftercooler 15, which are the same as those in the first embodiment.
  • the cooling gas discharged from the cooling zone 12 is dust-removed and cooled by the cooling gas scrubber 13, then boosted by the cooling gas compressor 14, and then cooled by the cooling gas aftercooler 15 and introduced into the cooling zone 12.
  • the lower cooling gas loop 232 is a low temperature gas loop whose temperature is lower than the cooling gas of the upper cooling gas loop 231 and controls the discharge temperature of reduced iron to a desired temperature. At this time, since the reduced iron has already been cooled in the intermediate cooling zone 21, it can be cooled to a desired temperature with a flow rate of a small amount of cooling gas as compared with the case where the intermediate cooling zone 21 is not provided.
  • An aftercooler 15, preferably a chiller type aftercooler, or an aftercooler that introduces a hydrocarbon-containing gas cooled by its own adiabatic expansion to supply a low-temperature cooling gas to the reduction furnace is installed on the outlet side of the cooling gas compressor 14. By doing so, the required diversion will be further reduced.
  • the direct reducing iron manufacturing facility 30d of the fourth embodiment is the same as the direct reducing iron manufacturing facility 30a of the first embodiment, that is, the vertical reducing furnace (shaft furnace) 1, the reducing zone 2, the heat exchanger 3, and the water content adjustment.
  • Equipment (top gas scrubber) 4 circulating gas compressor 5, CO 2 remover 6, first gas mixing device 7a, first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b, autothermal reformer 8, second gas mixing device 9, Reform gas cooler 10, reform gas mixer 11, cooling zone 12, cooling gas scrubber (direct contact type water-cooled cooling gas cooler) 13, cooling gas compressor 14, cooling gas aftercooler 15, and hydrocarbon-containing gas line It is provided with A1, A2, A3, A4, A5 and oxygen-containing gas lines B1 and B2.
  • the heat exchanger 3 is composed of a top gas heat recovery heat exchanger 3a and a circulating gas preheater (preheater) 3b.
  • preheater circulating gas preheater
  • the direct reducing iron production facility 30d of the fourth embodiment is provided with a methane generating device 24 on the downstream side of the CO 2 remover 6.
  • the methane generator 24 contains a gas containing CO 2 as a main component (not shown in FIG. 1) separated and removed by the CO 2 remover 6, and a hydrogen-containing gas C1 containing hydrogen as a main component, which is separately produced. And are introduced. Then, in the methane generation device 24, a gas containing CO 2 as a main component and a hydrogen-containing gas C1 containing hydrogen as a main component are mixed to generate methane.
  • the methane-based gas produced by the methane generator 24 is directly mixed with the hydrocarbon-containing gases A1, A2, A3, A4, and A5 required in the reduced iron production facility 30d, and contains these hydrocarbons. Used as at least part of the gas.
  • the carbon monoxide introduced into the reduction furnace 2 as in the fourth embodiment produces carbon dioxide by reducing iron oxide, and most of the carbon dioxide contained in the circulating gas is separated by the CO 2 remover 6. Will be done.
  • the separated gas containing carbon dioxide as a main component is mixed with a separately produced hydrogen-containing gas C1 containing hydrogen as a main component, and methane is produced by the following reaction or the like under a catalyst in the methane generation device 24.
  • CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O
  • carbon can be recycled by recovering carbon dioxide generated by decarburization in the steelmaking process and mixing it with hydrogen to generate methane.
  • hydrogen is the main reducing agent raw material that is directly introduced into the reduced iron production facility 30d from outside the system.
  • the reduction of iron oxide itself is carried out by the reduction gas containing carbon monoxide and hydrogen produced by the above-mentioned methane production reaction by hydrogen and carbon dioxide and the modification of methane and oxygen.
  • the same reduction as the direct reduction reaction used is possible, and various problems caused by direct reduction with hydrogen are solved.
  • carburizing of reduced iron does not depend on the cooling process by hydrocarbons, and it is also carburized in the reducing process. Therefore, even if the reduced iron is directly discharged hot, the required carbon is directly contained in the reduced iron.
  • Various problems in the lower process due to component deficiency are also solved.
  • a part of the top gas or circulating gas of the existing reduced iron production facility is extracted, a reformed gas is produced by applying the present invention, and the modified gas is merged with the existing furnace introduction gas to be introduced into the vertical reduction furnace. It is possible to increase the amount of reducing gas that can be produced, and it is possible to improve the production capacity of the existing reduced iron manufacturing equipment.
  • the reformed gas may be produced by using the reformer adopted in the Midrex method or the HYL method as an auxiliary to the present invention, and both gases may be introduced into the vertical reduction furnace.
  • the method of adjusting the saturated vapor pressure of water vapor by adjusting the outlet pressure and temperature of the moisture adjusting device (top gas scrubber) 4 is shown for adjusting the amount of water vapor component of the circulating gas.
  • An aftercooler or a steam mixing device may be installed on the outlet side of the 5 or CO 2 remover 6 to adjust the steam component.
  • a part of the gas of the first gas mixing device 7a or the second gas mixing device 9 is introduced into a solid hydrocarbon filling tower or a fluidized bed such as waste plastic or coal to thermally decompose or thermally decompose the solid hydrocarbon or coal. It may be partially oxidized with an oxygen-containing gas to generate hydrogen, carbon monoxide and a hydrocarbon-containing gas and used as a hydrocarbon-containing reducing gas.
  • waste plastic When using waste plastic, the amount of hydrocarbon-containing gas required can be reduced, and at the same time, waste plastic sticks can be treated, so it is very suitable for areas where hydrocarbon-containing gas is expensive or where waste plastic treatment is required. It is valid.
  • a part of the top gas is branched before mixing the oxygen-containing gas, and the oxygen-containing gas and water vapor are introduced into a solid hydrocarbon treatment facility such as waste plastic as needed, and the solid hydrocarbon is partially oxidized and heat. It may be decomposed to generate hydrogen, carbon monoxide and a hydrocarbon-containing gas and used as a hydrocarbon-containing reducing gas.
  • the reduced iron with a high carbon content is desirable because it is desired to increase the amount of oxygen blown into the electric furnace as much as possible to increase productivity. ..
  • the cooling gas aftercooler 15 or the like lowers the inlet temperature of the cooling gas to the reduction furnace 1 as much as possible so that the temperature of the reduced iron becomes room temperature, while lowering the flow rate of the cooling gas for cooling. It is possible to produce and supply high carbon-containing reduced iron at room temperature by raising the outlet temperature of zone 12 and increasing the amount of carbon in the reduced iron with a hydrocarbon-containing gas preheated to a high temperature.
  • the cooling gas aftercooler which is a system for introducing low-temperature cooling gas
  • a chiller type aftercooler and a hydrocarbon-containing gas mixer type aftercooler for example, a lower temperature hydrocarbon-containing gas is mixed with the circulating cooling gas cooled by the chiller type aftercooler to form a mixer type.
  • a system that introduces the cooling gas cooled by the aftercooler into the cooling zone may also be used.
  • the hydrocarbon-containing gas A5 is introduced into the cooling gas aftercooler 15 in FIGS. 1 to 5, and is suitable for the inlet side and the outlet side of the cooling gas compressor 14 according to the gas pressure and the desired cooling gas temperature. It can be introduced from the position. Further, depending on the configuration of the cooling aftercooler 15 and the temperature of the hydrocarbon-containing gas to be introduced, the chiller type aftercooler may be introduced on the inlet side or the outlet side. Further, when a low-temperature hydrocarbon gas-containing gas mixer (mixer type aftercooler) is provided, it may be introduced into the mixer.
  • FIGS. 1 to 5 a part of the cooling gas is cooled by the cooling gas aftercooler 15, and the cooled cooling gas and the uncooled cooling gas are separately introduced into the cooling zone 12.
  • the present invention is not limited to this configuration, and all the cooling gas may be cooled by the cooling gas aftercooler 15 and introduced into the cooling zone 12. Further, the cooled cooling gas and the uncooled cooling gas may be mixed and introduced into the cooling zone 12.
  • cooling gas compressor 14 when a large amount of cooling gas is extracted to the reduction zone 2 or the circulating gas line, it is necessary to supply a large amount of hydrocarbon-containing gas to the cooling zone 12, and the required cooling gas circulating air volume is reduced. Therefore, most or all of the circulating cooling gas from the cooling gas compressor 14 is supplied to the cooling zone 12 without passing through the cooling gas aftercooler 15, and the hydrocarbon-containing gas is supplied from the lower part of the cooling zone 12 via the cooling gas aftercooler 15. A hydrocarbon-containing gas mixed with only or a small amount of circulating cooling gas may be supplied.
  • the reduction zone 2 and the cooling zone 12 may be separated and a high temperature cooling gas may be introduced into the reduction zone 2, or the cooling zone 12 may be divided to provide an intermediate cooling zone 21 to provide a high temperature cooling gas and a high temperature reduction.
  • the iron may come into contact with it.
  • the transport equipment has a high temperature specification, for example, an equipment specification capable of melting reduced iron at 500 ° C. or higher, if the amount of carbon contained in the reduced iron is too high, a decarburization step is required after complete melting in an electric furnace. On the contrary, the productivity of the electric furnace is reduced.
  • the reduced iron may be discharged directly from the reduction zone 2.
  • HBI hot briquette iron
  • a hot briquette machine is arranged downstream of the vertical reduction furnace 1 and high temperature reduced iron is directly provided from the reduction zone 2.
  • HBI can be manufactured by supplying the briquette machine.
  • an autothermal reformer may not be used, for example, the existing direct reduced iron production equipment may be modified.
  • the configurations of the cooling zone 12, the intermediate cooling zone 21, and the cooling gas loop 23 of the above-described first to fourth embodiments are changed to the existing external heat reformer (reformer) and external combustion type circulating gas preheater (preheater). ) May be incorporated into a direct-reduced iron production facility.
  • the amount of carbon contained in the produced reduced iron can be easily adjusted even in the existing direct reduced iron production facility, and high quality reduced iron can be obtained.
  • the ejector type of the first hydrocarbon-containing gas mixing device 7b eliminates the need for a high-temperature booster and is simple in terms of equipment. It will be a highly reliable system.
  • cooling gas loop 23 of the present invention may be combined with the equipment for hydrogen reduction iron making. That is, iron oxide can be reduced with hydrogen, and carbon can be added to the reduced iron by hydrocarbons in the lower parts of the cooling zone 12 and the reduction zone 2.
  • the gas duct 16b for the circulating gas line for mixing the cooling gas extracted from the reduction furnace 1 with the circulating gas may be applied not only to the second embodiment but also to the first, third or fourth embodiment. ..
  • a gas duct 16b for a circulating gas line may be provided between the cooling gas outlet of the cooling zone 12 and the direct contact type water-cooled cooling gas cooler 13.
  • the gas duct 16b for the circulation gas line is provided at any one or both of the cooling gas loops 231.
  • the circulating gas line gas duct 16b constitutes the gas duct 16.
  • methane generator 24 is not limited to the fourth embodiment, and may be applied to the second or third embodiment.
  • the methane generation device 24 since the methane production reaction is an exothermic reaction, cooling is required, but by performing this cooling with a circulating gas, the circulating gas can be preheated.
  • a CO 2 remover that requires a regenerative heat source is used, steam is generated by cooling during methane generation, for example, by using the cooling heat of the methane generator 24 as the heat source, and the steam regenerates the CO 2 recovery liquid.
  • the second gas mixer 9, the reformed gas cooler 10, the reformed gas mixer 11, and the cooling gas aftercooler 15 are not essential configurations and may be provided as needed.
  • the heat exchanger 3 may include at least one of a top gas heat recovery heat exchanger 3a and a circulating gas preheater (preheater 3b).
  • the line for introducing the hydrocarbon-containing gas A5 shown in FIGS. 1 to 5 into the cooling gas loop 23 is not limited to the position shown in FIGS. 1 to 5, and any arbitrary cooling gas loop 23 can be used. Can be a position.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture Of Iron (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

【課題】　外熱式改質器を用いずに、また循環ガス予熱器でのメタルダスティング等の問題及び炉内での還元鉄の融着等の問題を引き起こさずに、改質、還元を行い、且つ製品である還元鉄の炭素量を広範囲に調整することができる直接還元鉄の製造設備を提供する。 【解決手段】　本発明の直接還元鉄の製造設備は、竪型還元炉から排出されたガスの水分を調整するための水分調整装置と、水分の一部が除去されたガスに酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合するための第１のガス混合装置と、混合ガスを自己のエネルギーで改質するオートサーマルリフォーマーとを有する。また、クーリングガスを循環させるクーリングガスループを有し、クーリングガスは炭化水素濃度が５０％以上であり、クーリングガスループは流量調整機能及びクーリングガスの温度を調整するクーリングガスアフタークーラーを有する。

Description

直接還元鉄の製造設備及び製造方法
　本発明は、直接還元鉄（ＤＲＩ）の製造設備及び製造方法に関し、外熱式改質器（リフォーマー）を用いず、還元ゾーンでの条件に依存せず還元鉄の炭素量を広範囲に調整することができ、また循環ガス予熱器（プレヒータ）でのメタルダスティング等の問題を引き起こさず、改質、還元を効率的に行うことができる直接還元鉄の製造設備及び製造方法に関する。また、水素を主還元剤原料として供給し、酸化鉄を還元する直接還元鉄の製造設備及び製造方法に関する。
　鉄塊鉱石、又は鉄鉱石粉を用いた焼成ペレットなどの酸化鉄原料（原料）を還元して金属鉄を竪型還元炉（シャフト炉）で製造する方法としては、主に、高炉製銑法の他に、直接還元製鉄法と呼ばれる方法がある。
　直接還元製鉄法は、特許文献１で示されているミドレックス法、特許文献２で示されているＨＹＬ法に代表される。これらの方法は竪型還元炉に水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を主成分とした還元ガスを導入して酸化鉄を固相のまま還元して固体金属鉄を製造するものである。
　竪型還元炉に導入された水素及び一酸化炭素を主成分とする還元ガスは、還元ゾーンで酸化鉄と反応し、その一部は酸化鉄から酸素を除去して水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する。
　この竪型還元炉から排出されるガス（トップガス）は、ミドレックス法ではスクラバーにて除塵、冷却される。その後、その一部は昇圧され、新たに炭化水素含有ガスが加えられて改質器にて改質され、循環利用されている。
　またＨＹＬ法では同様に除塵、冷却されたトップガスの一部に、水蒸気と炭化水素含有ガスから新たに改質された改質ガスを混合し、外部燃焼型循環ガス加熱器（リヒータ）で加熱して竪型還元炉に導入し循環利用されている。
　製造された還元鉄を冷却して排出する場合には、還元ゾーンの下部にクーリングゾーンを設け、冷却用のガス（クーリングガス）をクーリングゾーンに導入し、還元鉄を冷却している。この冷却に使用されたクーリングガスは、竪型還元炉の還元ガス導入部よりも下方の竪型還元炉の中間部から排出され、スクラバーで除塵、冷却された後、昇圧され循環利用されている。
　上記のいずれの場合も、還元ガスを製造するために、触媒を充填した外熱式改質器（リフォーマー）で通常９００℃以上に加熱して改質している。この外熱式改質器に用いられるリフォーマーチューブは、改質ガス温度以上の高温に曝されるため高価な合金チューブを必要としている。
　ミドレックス法では、低圧下、例えば３５０ｋＰa(Ａ)以下の圧力下で、二酸化炭素及び水蒸気を含む循環ガスと炭化水素含有ガスとを混合して、予熱後に外熱式改質器（リフォーマー）に通して改質ガスを製造している。
　上述の通りミドレックス法は改質時の圧力が３５０ｋＰa(Ａ)程度の低圧であるので、リフォーマーの触媒上で炭素を析出させることなく、ガスの還元度（Ｒ-Ｖａｌｕｅ＝(Ｈ２+ＣＯ)/(Ｈ２Ｏ+ＣＯ２)）が効率的な酸化鉄の還元を達成するために必要な１０～１２以上となるまで単位操作で改質できる。
　ＨＹＬ法では、高圧下、例えば７００ｋＰａ(Ａ)以上の圧力で、水蒸気と炭化水素含有ガスとを混合し、予熱後、外熱式改質器（リフォーマー）に通して改質ガスを製造している。
　ＨＹＬ法の場合は高圧なので、外熱式改質器（リフォーマー）での炭素析出を防止するため、余剰の水蒸気、例えばＳ/Ｃ（Ｓｔｅａｍ/Ｃａｒｂｏｎ）比が３以上の混合ガスで改質を行い、改質後の余剰水蒸気成分を除去する。このために、一旦冷却し水蒸気成分の一部を除去した後に再加熱している。
　したがって、ＨＹＬ法の場合には外熱式改質器（リフォーマー）及び外部燃焼型循環ガス加熱器（リヒータ）の両方を必要とする。
　このように、いずれの場合にも、非常に高価な合金を、外熱式改質器（リフォーマー）又は外部燃焼型循環ガス加熱器（リヒータ）のチューブに用いる必要があり、初期投資額が多大になる問題があった。
　加えて、合金チューブ表面での炭素析出に伴うメタルダスティングによる損傷のために、短期間のうちにチューブの交換が必要となるケースもある。また、そのような短期間での損傷が生じない場合でも高熱負荷のため５年から１０年ごとにチューブを交換する必要が生じ、その交換費用及び交換に伴う生産停止による機会損失が問題となっていた。
　ミドレックス法で行われている低圧操業の場合には、炭素析出やメタルダスティングの問題は回避されているが、上述のように５年から１０年ごとにリフォーマーチューブの交換が必要であり、また低圧であるが故、還元鉄の炭素含有量は高くて３％前後であり、概ね１．５％から２％程度に留まっている。
　また近年、製鉄プロセスから排出されるＣＯ２削減のために水素還元が検討されているが、水素単独で直接酸化鉄を還元する場合においては炭素源が存在しないため製品還元鉄中に炭素を付加することは不可能である。
　一方、製鋼プロセスにおいては最終製品の品質維持のため、また凝固温度を低く保つために熔鉄中に適量の炭素は不可欠で、加えて現在の還元鉄電気炉熔解では酸素吹きによる熔解時間の短縮、電気消費量の低減及び製品品質の向上が志向されており、還元鉄中の炭素量は２％以上、好ましくは３％以上が望まれている。
米国特許第３７６４１２３号明細書 米国特許第４３３６０６３号明細書 米国特許第５８５８０５７号明細書
　上記技術的背景から、特許文献３で開示されているようにＨＹＬ ＺＲ法に代表される方法では、多大な初期投資を必要とする外熱式リフォーマーを用いず、その初期投資額を削減するとともに外熱式リフォーマーチューブの交換費用を削減することが提案されている。
　この方法では、竪型還元炉から排出されるトップガスからＨ２Ｏ及びＣＯ２の酸化性ガスを除去したガスと炭化水素含有ガス及び水蒸気とを混合し、８５０℃から１０００℃程度まで加熱して循環使用するように提案されている。
　さらにその加熱された混合ガスに酸素を混合し、その部分燃焼熱で９００℃から１１５０℃程度に加熱して炉に投入することが提案されている。
　この方法では、鉄の還元を効率的に行うのに適した還元度（例えばＲ-Ｖａｌｕｅ１０以上）までのガスの改質、及びその改質されたガスによる酸化鉄の還元、を一つの炉内で行う。すなわち、この方法では必要な熱量は循環ガスの予熱及び混合酸素の部分燃焼熱で賄われる。
　したがって、混合ガスを上述の温度領域（８５０℃から１０００℃程度）まで外部燃焼型循環ガス予熱器（プレヒータ）で加熱し、さらに酸素を混合してその部分燃焼熱で９００℃から１１５０℃程度まで昇温している。
　このプレヒータで加熱されるガスは、上述の通りＣＯ２及びＨ２Ｏの大部分が除去されたＣＯ及びＨ２を主成分としたガスに、炭化水素含有ガスと適量のＨ２Ｏとを再度添加したガスである。
　このガスの主成分はＣＯ、Ｈ２及びＣＨ４であり、このガスは強力な浸炭性を有するガスである。よって、このガスを高温、例えば特許文献３で開示されている８５０℃以上までプレヒータで加熱すると、プレヒータのチューブ表面での炭素析出や合金鉄上での浸炭及びメタルダスティングの問題を引き起こすことが報告されている。
　ここで、改質反応はＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２及びＣＨ４＋ＣＯ２＝２ＣＯ＋２Ｈ２に代表されるように体積が増加する反応であり、高圧（例えば７００ｋＰａ(Ａ)以上）の条件下でこの改質反応を起こさせるには、より高い炭化水素ガス分圧が必要となる。そのため多量の炭化水素含有ガスを混合する必要があり、この炭化水素ガス分圧の高いガスを高温にすることにより炭素析出や合金鉄上での浸炭及びメタルダスティングの問題を引き起こす。
　この問題を回避するには、プレヒータでの循環ガス圧力を下げるとともに炭化水素濃度を下げるか、もしくは循環ガスの予熱温度を下げることが有効であるが以下に説明する課題がある。
　特許文献３では、改質と同時に起こる炭素の析出反応を炉内の還元鉄の金属鉄上で起こさせることにより、還元鉄の炭素量増加を図ることが提案されている。
　しかしながら、ガス圧力を下げるとともに炭化水素濃度を下げてプレヒータでの炭素析出問題を回避すると、還元炉内での金属鉄表面での炭素析出反応及び金属鉄との浸炭反応も抑制されてしまい製品還元鉄中の炭素含有量の低下を招く。
　一方、循環ガス予熱温度を下げてプレヒータでの炭素析出や合金鉄上での浸炭及びメタルダスティングの問題を回避すると、予熱により与えることのできる熱量が減少するので、それを補償するために後流で多くの酸素及び炭化水素含有ガスを混合する必要が生じ、還元炉投入ガス温度が上昇する。
　このように還元炉への投入温度を高温まで、例えば特許文献３で開示されている９００℃から１１５０℃程度もしくはそれ以上の温度に昇温すると、原料によっては炉内での粉化、還元鉄同士の融着（クラスター）、粉化した鉄による耐火物の損傷等の問題を引き起こす。
　逆に還元炉内での融着などの問題を引き起こさない程度に炉への投入温度を抑制すると、炉内での改質反応後の温度も低下し、且つ改質後のガスの還元度も低くなるので酸化鉄の還元を効率的に行うことが困難となる。
　以上の状況を鑑みて、本発明は、一酸化炭素及び／又は水素で還元して還元鉄を製造するプロセスで、且つ、外熱式リフォーマーを用いないプロセスであって、還元の条件に依存することなく、例えば水素還元であっても還元鉄中の炭素量を低下させることなく所望の炭素量に調整でき、また、同時に還元炉入口ガス温度を炉内での粉化、還元鉄同士の融着（クラスター）、粉化した鉄による耐火物の損傷等を引き起こさない温度に維持しながらも還元炉内で改質した後の還元ガスの温度及び還元度を高く保つことができ、且つ、外部燃焼型循環ガス予熱器（プレヒータ）での炭素析出や合金鉄上での浸炭及びメタルダスティングの問題を解消することができ、設備的信頼性が高く、高品質の還元鉄を製造できる還元効率の良いプロセスを提供することを目的とする。
　また、還元鉄製造プロセスに必要な還元ガスの主原料を水素とする場合においても、系内での炭素成分を循環使用することによって消費される炭素分のみ外部から補償することで、製鋼プロセスで必要な炭素成分量を含有する直接還元鉄を製造できるプロセスを提供することを目的とする。
　竪型還元炉で酸化鉄原料を還元した後、冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、クーリングガス中の炭化水素濃度を５０％以上、好ましくは７０％以上に調整し、このクーリングガスの還元炉へ導入する流量を調整でき、且つ、このクーリングガスの少なくとも一部のガスの還元炉の入口温度を調整するためにクーリングガスアフタークーラー、好ましくは湿球大気温度＋３～４℃以下に冷却できる、チラー型アフタークーラー（クーリングガスチラー）又は自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを導入して低温のクーリングガスを還元炉に供給するアフタークーラーを有することを第一の特徴とする。
　竪型還元炉で酸化鉄原料を還元した後、冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、クーリングガス中の炭化水素濃度を５０％以上、好ましくは７０％以上に調整し、且つ還元ゾーンとクーリングゾーンとを互いに分割して構成し、両ゾーンを、還元鉄を降下させるシュートで繋ぐとともに、還元鉄の降下を阻害することなくクーリングゾーンから還元ゾーン及び循環ガスラインの少なくとも一方にクーリングガスを導入できるように別途ガスダクトで繋ぐことを第二の特徴とする。
　竪型還元炉で酸化鉄原料を還元した後、冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、還元ゾーンとクーリングゾーンとの間に中間クーリングゾーンを設け、２つのクーリングガスループを配置し、上部クーリングガス（中間クーリングゾーン）の出口温度を下部クーリングガス（クーリングゾーン）の出口温度よりも高温に調整することを第三の特徴とする。
　竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、竪型還元炉から排出されるトップガスから酸化成分である水分（Ｈ２Ｏ）の一部を除去して水分を調整するスクラバー等の水分調整装置を有し、水分を調整したガスを循環するために昇圧し、昇圧後の循環ガスに酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを後流のオートサーマルリフォーマー（自己熱型改質装置）の入口ガス温度、出口ガス温度、及び出口ガスの還元度が適正範囲内になるように調整し得る第１のガス混合装置を有し、酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスが混合された循環ガスを自己のエネルギーで改質してガスの還元度を高めるオートサーマルリフォーマーを有することを第四の特徴とする。
　上記竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、竪型還元炉内でさらに還元炉投入ガスを改質し還元度を向上させ、且つ還元ガス温度を上昇させるために、オートサーマルリフォーマーの後流において酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合する第２のガス混合装置を有することを第五の特徴とする。
　上記竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、竪型還元炉から排出されるトップガスから、水蒸気を除去するとともに、もう一つの酸化成分である二酸化炭素（ＣＯ２）の一部又は全部を除去するＣＯ２リムーバーを有し、オートサーマルリフォーマーの入口でのＣＯ２濃度を調整できる設備を有することを第六の特徴とする。
　上記竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、オートサーマルリフォーマーでの炭素析出トラブルを回避するためにオートサーマルリフォーマーの入口のガスの圧力を６００ｋＰａ(Ａ)未満、好ましくは５００ｋＰａ(Ａ)未満、より好ましくは３５０ｋＰａ(Ａ)未満に調整し、高還元度の改質ガスを製造し、且つオートサーマルリフォーマーでの炭素析出の問題を回避することを第七の特徴とする。
　上記竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、循環ガスに酸素含有ガスを混合する前に循環ガスを予熱する熱交換器を有し、且つ熱交換器での炭素析出及び浸炭によるトラブルを解消するために予熱後の循環ガス温度を８５０℃未満、好ましくは７００℃未満、より好ましくは５５０℃未満とすることを第八の特徴とする。
　上記竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、オートサーマルリフォーマーの入口のガスの温度を１５００℃以下、好ましくは１４００℃以下に調整し、且つ出口のガスの温度を７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、より好ましくは８００℃以上となるように、混合する酸素含有ガスの量及び炭化水素含有ガスの量を調整することを第九の特徴とする。
　上記竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、オートサーマルリフォーマーの入口のガスの温度を１５００℃以下、好ましくは１４００℃以下に調整し、且つ出口のガスの温度を７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、より好ましくは８００℃以上となるように混合する酸素含有ガスの量及び炭化水素含有ガスの量を調整するとともに、竪型還元炉の入口ガスを所望の還元度となるようにオートサーマルリフォーマーを複数段有することを第十の特徴とする。
　上記竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し直接還元鉄（ＤＲＩ）を製造する設備及び方法であって、二酸化炭素と水素を触媒下で反応させメタンを生成させるメタン生成装置を有し、ＣＯ２リムーバーで回収された二酸化炭素と系外から導入された水素を用いてメタンを生成し、生成されたメタンを上記還元ガスの製造用の炭化水素ガス、又は還元鉄冷却用のクーリングガスに混合する炭化水素ガスに用いることを第十一の特徴とする。
　より具体的には本発明は以下の構成を有している。
　本発明の一形態は、竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し、その後冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造、排出する設備である。Ｃｏｌｄ　ＤＲＩの製造設備は、酸化鉄原料を還元する竪型還元炉（シャフト炉）と、還元鉄を冷却するためのクーリングガスを除塵、冷却するためのクーリングガススクラバー（直接接触型水冷式クーリングガス冷却器）と、クーリングガスコンプレッサーと、還元鉄中の炭素量を調整するためにクーリングガスコンプレッサーの出側に設けられるクーリングガスアフタークーラー、好ましくはチラー型アフタークーラー又は自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを導入して低温のクーリングガスを還元炉に供給するアフタークーラーとを備える。
　クーリングガスアフタークーラー、好ましくはチラー型アフタークーラー又は自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを導入して低温のクーリングガスを還元炉に供給するアフタークーラー、は、炉に導入するクーリングガスの少なくとも一部のガスの温度を、大気湿球温度＋３～４℃以下となる、例えば３５℃以下に調整し得るアフタークーラーである。
　また別の形態のＣｏｌｄ　ＤＲＩの製造設備では、竪型還元炉の還元ゾーンとクーリングゾーンを互いに分割して構成し、還元鉄を降下させるシュートとは別に還元ゾーン及び循環ガスラインの少なくとも一方にクーリングガスを導入できるガスダクト（クーリングガス繋ぎダクト）を備える。循環ガスラインに導入するクーリングガスは、循環ガスラインの特に竪型還元炉に導入する還元ガス及び還元鉄製造設備に備えられる改質器の上流を流れるガスの少なくとも一方に混合されることが好ましい。なお、この改質器とは、オートサーマルリフォーマーのみでなく外熱式改質器も含むものである。
　また別の形態のＣｏｌｄ　ＤＲＩの製造設備では、還元ゾーンとクーリングゾーンとの間に中間クーリングゾーンを有し、中間クーリングゾーンとクーリングゾーンとにそれぞれガスループを有する。中間クーリングゾーンに設けた上部ガスループ及びクーリングゾーン設けた下部ガスループのクーリングガスの温度、流量は、それぞれ別々に制御できる。
　上記Ｃｏｌｄ　ＤＲＩの製造設備において好ましい形態では、高温となる出側のクーリングガスから熱回収を行うために、乾式のクーリングガス除塵器及び炭化水素含有ガス予熱器やボイラーなどのクーリングガス熱交換器を備える。
　また中間クーリングゾーンにおいては乾式の昇圧機を備える。
　また別の形態の還元鉄製造設備では酸化鉄原料を還元する竪型還元炉（シャフト炉）と、還元後にシャフト炉から排出されるガス（トップガス）を除塵、冷却、水分除去して調整するトップガススクラバーと、循環ガスコンプレッサーと、純酸素等の高濃度酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合する第１のガス混合装置と、そのガスを改質するオートサーマルリフォーマーと、還元鉄を冷却するためのクーリングガスを除塵、冷却するためのクーリングガススクラバーと、クーリングガスコンプレッサーとを備える。
　好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、竪型還元炉内で改質（Ｉｎ－ｓｉｔｕ　ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）を促進せしめるように、オートサーマルリフォーマーの後流において高濃度酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合する第２のガス混合装置を備える。
　より好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、竪型還元炉から排出されるトップガスから、水蒸気を除去するとともに、もう一つの酸化成分である二酸化炭素（ＣＯ２）の一部又は全部を除去し、オートサーマルリフォーマーの入口でのＣＯ２濃度を調整できるＣＯ２リムーバーを備える。
　さらに好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、酸化反応と改質反応とを一つのリフォーマーで進行させるオートサーマルリフォーマーを備える。
　さらに好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、オートサーマルリフォーマーをＵ字型又はＶ字型に配置し、下部から使用済み触媒を排出し、上部から新たな触媒を充填することで触媒の交換を容易にしたオートサーマルリフォーマーを備える。また、より好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、触媒の交換頻度を削減するため、煤、ダスト等の微細固形分を除去できるアルミナボール等を充填した同様の不活性触媒充填層を前段に備える。
　さらに好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、循環ガスの予熱温度を調整するため、トップガスとＣＯ２リムーバーの出口のガスとで熱交換を行う熱交換器（トップガス熱回収熱交換器及び循環ガス予熱器（プレヒータ）の少なくとも一つ）を備える。
　さらに好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、原料に応じて炉内での粉化、還元鉄同士の融着（クラスター）、粉化した鉄による耐火物の損傷等の問題を引き起こさないように炉導入ガスの温度を調整するための改質ガス冷却器を備える。
　さらに好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、上記の冷却された改質ガス及び炭化水素ガスを炉投入ガスラインに混合するための改質ガス混合器を備える。
　さらに好ましい形態の直接還元鉄の製造設備では、ＣＯ２と水素からメタンを生成させる反応器を有し、ＣＯ２リムーバーで回収された少なくとも一部の二酸化炭素に水素を混合してメタンを生成するメタン生成装置を備える。メタン生成装置で生成されたメタンの少なくとも一部は、還元ガス製造用の炭化水素ガス又は還元鉄を冷却するクーリングガスに混合する炭化水素ガスとして用いることができる。
　また、本発明は、竪型還元炉で酸化鉄原料と還元ガスとを接触させて直接還元鉄を製造する直接還元鉄の製造方法である。直接還元鉄の製造方法は、竪型還元炉から排出されるトップガスから水分の一部を除去して調整する水分調整工程と、水分が調整されたガスに酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合するガス混合工程と、混合ガスを自己のエネルギーで改質し、改質ガスを製造する改質ガス製造工程とを備える。
　竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する設備において、クーリングガス中の炭化水素濃度を５０％以上、好ましくは７０％以上とし、このクーリングガスの還元炉の入口温度をクーリングガスアフタークーラー、好ましくはチラー型アフタークーラー（クーリングガスチラー）又は自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを導入して低温のクーリングガスを還元炉に供給するアフタークーラーでクーリングガス入口温度を下げると同時に炉に投入するクーリングガス流量を減少させることで、還元鉄を所望の温度まで冷却し、且つクーリングガス出口温度を上昇させることが可能となる。
　これによりクーリングゾーン上部において、還元された高温還元鉄と充分に加熱された炭化水素ガスが接することになり、還元の条件に依存することなく、例えば水素還元であっても、還元ゾーンの圧力が低く、炭化水素分圧が低い場合であっても、還元鉄中の炭素量を３％以上に増加させることが可能となる。
　すなわちクーリングガスの温度、流量を調整することで、還元ゾーンのガスの組成、圧力に大きく依存することなく還元鉄の炭素量を制御できることから、改質ガスの製造方法、条件に関わらず、電気炉への搬送設備、電気炉の操業条件に応じた最適な温度、炭素量の還元鉄を供給することが可能となる。
　また、還元ゾーンとクーリングゾーンを互いに分割した場合には、還元鉄の降下シュートとは別にクーリングゾーンから還元ゾーン又は循環ガスラインにクーリングガスを導入できるようにガスダクト（還元ゾーン用ガスダクト又は循環ガスライン用ガスダクト）を配置している。
　このクーリングガスはクーリングゾーンで還元鉄と熱交換し還元鉄を冷却することで加熱される。この加熱されたクーリングガスの少なくとも一部は上記還元ゾーン用ガスダクトを通して還元ゾーンに導入されるので、還元鉄の降下シュートで還元鉄の降下を阻害することなくクーリングガスを還元ゾーンに導入することができる。
　この加熱されたクーリングガスは還元ゾーンの還元ガス導入部分より下方の領域でさらに還元鉄と熱交換することでほぼ還元鉄と同じ温度まで加熱される。
　これにより、充分に加熱された、炭化水素ガスが主成分のクーリングガスと高温の還元鉄とが還元ガス導入部分より下方の領域で接することとなり、還元鉄中の炭素量を上記の場合と同様に増加させることが可能となる。
　またその後、クーリングガスは還元ゾーンを上昇していくが、すでにその温度が充分に高いことから、上昇するクーリングガスの冷却効果による還元停滞を起こすことはなく、効率的な還元を阻害することも無い。
　また、この加熱されたクーリングガスの一部を直接接触型水冷式クーリングガス冷却器で冷却することなく循環ガスラインに導入する場合には以下のような効果がある。
　クーリングガスループにはクーリングガス中の炭化水素ガス濃度を維持するため炭化水素含有ガスを導入しているが、一定の圧力を保つためには、クーリングガスに導入する炭化水素含有ガス量及びクーリングゾーンでの体積増加分相当のクーリングガスを系外に抜き出す必要がある。
　この時、クーリングガスを冷却した後に循環ガスラインに戻すと、低温のクーリングガスが循環ガスに混合され、トータルの熱効率及び還元効率を低下させる問題があるが、加熱されたクーリングガスを直接接触型水冷式クーリングガス冷却器で冷却することなく、循環ガスラインに戻すことで熱効率は低下しない。
　また還元に必要な炭化水素ガスの大部分を、別途予熱器を設置することなく予熱できるので、炭化水素含有ガスの外部予熱器の設備費も削減できる。
　クーリングゾーンに導入するほとんどのクーリングガスを、還元ゾーンに直接導入し、また冷却することなく循環ガスライン（還元炉投入ガス（還元ガス）及び／又は循環ガス）に混合する場合には、プロセス全体に必要な炭化水素含有ガスのほとんどを、クーリングゾーンを介して予熱して使用できる。加えて、クーリングゾーンから抜き出され冷却された後、再度クーリングゾーンに導入される循環クーリングガス量が大幅に削減される。すなわちワンスループロセスに近い状態となる。
　したがって、クーリングガスのほとんどは新たに導入される炭化水素含有ガスとなるので、循環クーリングガスを昇圧するクーリングガスコンプレッサーのサイズを小さくでき且つ必要動力も減る。加えて冷却するクーリングガスが減少するので水の消費量も削減できる。
　さらに、循環クーリングガス中の炭化水素濃度が向上し、還元鉄中の炭素量を向上させることができる。
　また、クーリングゾーン入口の温度は新たに導入する炭化水素含有ガスの温度に大きく依存することになるが、この炭化水素含有ガスはほとんどの場合天然ガス供給ステーションから高圧で供給されるので、この高圧天然ガスを減圧して混合することで断熱膨張によりクーリングゾーン入口の温度を低下させる効果もある。
　また還元ゾーンとクーリングゾーンとの間に中間クーリングゾーンを設け、中間クーリングゾーンとクーリングゾーンとに個別にガスループを設けた場合には、上部の中間クーリングゾーンの還元炉入口のガスの温度及びガスの流量、並びに、下部のクーリングゾーンの還元炉入口のガスの温度及びガスの流量を個別に制御する。
　この時、中間クーリングゾーンのガスの入口の温度を高めに設定し、且つ流量を少なく設定することで中間クーリングゾーンのガスの出口の温度を高くすることが可能となる。また、その下部のクーリングゾーンのガスの入口の温度を低めに設定し、且つ流量を多めに設定することで還元鉄を所望の温度まで冷却することが可能となる。
　したがって、中間クーリングゾーンの上部では、炭化水素ガスが主成分の高温のクーリングガスと高温の還元鉄とが接することとなり、還元鉄中の炭素量を同様に増加させることが可能となる。
　さらに、還元ガスに水素を用いた場合には、水素還元からはＣＯ２が排出されず、またクーリングゾーンに導入する炭化水素の反応の大部分は炭化水素のクラッキング反応であり、炭化水素中の炭素は還元鉄に付加されるので、還元鉄製造設備からのＣＯ２の排出量を大幅に削減することができる。
　また、竪型還元炉に還元ガスを導入して還元鉄を製造する設備において、竪型還元炉から排出されるトップガスから酸化成分である水分の一部を除去して水分を調整した循環ガスに酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合し、オートサーマルリフォーマー（自己熱型改質装置）に導入することで酸化鉄の還元に必要な改質ガスを製造できる。
　したがって、高価な合金チューブを必要とする外熱式改質器（リフォーマー）が不要となり初期投資額を大幅に削減できる。
　この時、第１のガス混合装置で酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスの混合量を調整することでオートサーマルリフォーマーの入口ガス温度、出口ガス温度、及び出口ガスの還元度を適正範囲内に調整できる。
　また、オートサーマルリフォーマーに循環ガスを導入する前に水分や二酸化炭素の酸化剤でなく、高濃度酸素含有ガスを混合することで循環ガスの総熱量が高くなるので循環ガスを高温（例えば８５０℃以上）まで予熱する必要がなくなる。
　したがって、プレヒータにおいて高価な合金チューブを必要とせず、且つ炭素析出や浸炭に起因する詰まりの問題やメタルダスティング問題及び高熱負荷による損傷等の問題を解消できるのでチューブの交換頻度も減少し、初期投資額を大幅に削減できるとともに保全費用も大幅に削減できる。且つ保全に関わる直接還元鉄の製造設備の運転停止時間も減少し、還元鉄の製造停止による機会損失も大幅に削減できる。
　また、外熱式改質器（リフォーマー）を用いず、循環ガスから回収した熱及び純酸素等の高濃度酸素含有ガスの内部燃焼による熱を利用することから、トータルの熱効率も向上し運転コストの低減に繋がるとともに、リフォーマー燃焼用の送風機などの燃焼設備、リフォーマー及びその排ガス処理設備が不要となり初期投資額を大幅に削減できる。
　また、通常の直接還元鉄の製造設備において、外熱式改質器（リフォーマー）、燃焼設備、排ガス処理設備、及び排ガスからの熱回収設備（オフガスプレヒータ）が占める敷地面積は、ユーティリティー設備、マテリアルハンドリング以外のプロセス設備全体のおおよそ７０％以上であり、それらを削除できることから必要敷地面積が３０％以下とできる利点がある。
　また、オートサーマルリフォーマーで必要ガス改質の大部分を行うので、還元炉入口でのガスの還元度を高めることが可能となる。
　この時、還元炉内でのガス改質（Ｉｎ-ｓｉｔｕ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）の割合を削減できるので、還元炉内でのガス改質後の温度を高温に維持するために炉入口温度を過剰に高める必要がなくなる。
　従って、還元炉入口温度を還元鉄の炉内での粉化、融着（クラスター）、粉化した鉄による耐火物の損傷等の問題を引き起こさない温度領域に維持し、且つ還元ゾーンでのガス改質後の還元度及び温度を高く維持することが可能となる。
　また、余剰のＣＯ及びＨ２含有ガスが発生する場合には、単なる燃焼用燃料として用いるのではなく、メタノール製造用原料等の化学原料として有効利用できる。
　一方で酸化鉄原料性状が良好で、還元鉄の炉内での粉化、融着（クラスター）、粉化した鉄による耐火物の損傷等の問題を起こしにくい場合には、上記オートサーマルリフォーマーで改質されたガスに、さらに酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合することで、還元炉入口のガスの温度を上げるとともに、炉内の金属鉄の触媒効果による多くのガス改質（Ｉｎ-ｓｉｔｕ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）を行うことが可能となる。これにより、炉内での改質後の還元ガスの温度、還元度とも上昇するのでより効率的な酸化鉄の還元が可能となる。
　この時、還元鉄上では炭素析出反応を伴うが、炭化水素含有ガスを混合した後に合金を用いた機器は無いので合金金属表面での炭素析出及び浸炭に伴う問題は発生しない。
　一方で還元鉄上での炭素析出反応は製品還元鉄の炭素含有量の向上につながることから有益であり製品品質の観点からも好ましい。
　また循環ガスの水分量を水分調整装置出側のガス圧力と温度で調整するとともにＣＯ２リムーバーでＣＯ２の大部分を除去して循環ガス中の水分とともにＣＯ２成分量も調整すると必要な改質ガス製造の大部分を酸素と炭化水素ガスで行えるため、改質に必要な循環ガスの予熱温度をさらに低くすることが可能となり、プレヒータの熱負荷をさらに低減させることが可能となる。
　したがって、プレヒータをより安価なものとでき、且つプレヒータでのトラブルを解消できる。
　また、外熱式改質器（リフォーマー）からの燃焼排ガスもなくなり、プレヒータでの必要燃焼量も削減できるので、トップガスから除去されたＣＯ２を油田等で有効に活用することで、還元鉄製造設備からのＣＯ２の排出量を大幅に削減できる利点がある。
　また、竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し、冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する設備において、上記クーリングガスシステム及び上記オートサーマルリフォーマーを備えた還元鉄製造設備においては、外熱式リフォーマーを用いず、還元鉄中の炭素量を低下させることなく所望の炭素量に調整でき、また、同時に還元炉入口ガス温度を炉内での粉化、還元鉄同士の融着（クラスター）、粉化した鉄による耐火物の損傷等を引き起こさない温度に維持しながらも還元炉内で改質した後の還元ガスの温度及び還元度を高く保つこができ、且つ、外部燃焼型循環ガス予熱器（プレヒータ）での炭素析出や合金鉄上での浸炭及びメタルダスティングの問題を解消することのできる、安価で設備的信頼性が高く、高品質の還元鉄が製造できる還元効率の良いプロセスが具現化される。
　また、竪型還元炉で酸化鉄原料を還元し、直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する設備において、上記ＣＯ２リムーバーを備えた還元鉄製造設備において回収された少なくとも一部の二酸化炭素に水素を加えてメタンを生成させ、その生成されたメタンの少なくとも一部を還元ガス製造用の炭化水素ガス又は還元鉄を冷却するクーリングガスに混合する炭化水素ガスとして用いることによって、別途二酸化炭素の貯蔵や二酸化炭素利用設備を必要とせずに、還元鉄製造設備系内で二酸化炭素を再利用することが可能となる。
　またメタンから製造された還元ガスは水素及び一酸化炭素からなるので、水素のみで還元した場合の問題点である還元粉化や、還元ゾーンの温度低下、還元鉄中の炭素欠乏の問題等を生じることなく、現状と同様の還元が具現化できる。この時、炭素は還元時に一酸化炭素及びメタンから直接還元鉄に付加されるので熱間で直接還元鉄を排出する場合においても所望の炭素成分を有する熱間還元鉄を製造できる。
　さらに、回収された二酸化炭素を可能な限り水素と混合してメタンを生成させ、それを系内で再利用した場合には、還元鉄製造に必要とされる補充すべき炭素成分量は系外に持ち出される還元鉄中の炭素量及び排ガス中の炭素成分量、水系に溶解し脱気される炭素成分量のみとなる。したがってそれらの系外に排出される炭素成分量と等量分の炭化水素ガスを補充すれば良く、多量の炭化水素ガスを必要としない。すなわち、水素を還元ガスの主原料として供給した場合においても、系内の炭素成分を循環利用することにより水素で直接酸化鉄を還元する場合の問題点を解消できる直接還元鉄の製造が熱間、冷間を問わず可能となる。
　さらに下工程の製鋼プロセスで排出される二酸化炭素を回収して補充することも可能であり、この場合ほとんどの炭素成分は循環利用されることになり所望の炭素成分を有する還元鉄を製造する水素還元製鉄法が具現化される。
本発明の実施形態１のプロセスフローを説明する図である。 本発明の還元ゾーンとクーリングゾーンとを分けた実施形態２のプロセスフローを説明する図である。 本発明の実施形態２の変形例のプロセスフローを説明する図である。 本発明のクーリングガスのガスループを２つのガスループにした実施形態３のプロセスフローを説明する図である。 本発明のＣＯ２と水素を混合してメタンを生成させ、そのメタンを還元及び還元鉄の冷却に用いる実施形態４のプロセスフローを説明する図である。
　以下、本発明の直接還元鉄の製造設備及び製造方法について添付図面を参照しながら説明する。
　まず、本発明の実施形態１の直接還元鉄の製造設備３０ａについて図１を参照しながら説明する。
　本実施形態１の直接還元鉄の製造設備３０ａは、竪型還元炉（シャフト炉）１、還元ゾーン２、熱交換器３、水分調整装置（トップガススクラバー）４、循環ガスコンプレッサー５、ＣＯ２リムーバー６、第１のガス混合装置７ａ、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂ、オートサーマルリフォーマー８、第２のガス混合装置９、改質ガス冷却器１０、改質ガス混合器１１、クーリングゾーン１２、クーリングガススクラバー１３、クーリングガスコンプレッサー１４、クーリングガスアフタークーラー１５及び炭化水素含有ガスラインＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５、酸素含有ガスラインＢ１，Ｂ２を備えている。
　竪型還元炉１は、還元ガスと接触させて酸化鉄原料を還元するものであり、還元ゾーン２とクーリングゾーン１２とを備えている。熱交換器３は、トップガス熱回収熱交換器３ａと、循環ガス予熱器（プレヒータ）３ｂとで構成されている。トップガス熱回収熱交換器３ａは、還元後にシャフト炉１から排出されるガス（トップガス）とＣＯ２リムーバー６の出側ガスとの熱交換により、トップガスから熱回収を行うとともに循環ガスの予熱温度を調整するものである。プレヒータ３ｂは、循環ガスの温度を必要に応じてさらに調整するための予熱器である。熱交換器３は、竪型還元炉１と第１のガス混合装置７ａとの間に設けられている。水分調整装置（トップガススクラバー）４は、トップガスを除塵し、冷却し、水分除去して水分を調整するものである。循環ガスコンプレッサー５は、トップガスを循環利用するためのガス循環のための昇圧コンプレッサーである。ＣＯ２リムーバー６は、トップガスから二酸化炭素の一部又は全部を除去するものである。
　第１のガス混合装置（酸素部分燃焼設備）７ａは、水分及びＣＯ２を除去し酸性化ガス成分を低減したガスに、純酸素等の高濃度酸素含有ガスと炭化水素含有ガスとを混合し部分酸化、燃焼させるものである。第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂは、炭化水素含有ガスを混合するものである。この第１のガス混合装置７ａ及び第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂは、第１のガス混合装置７ａ及び第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂで加える酸素含有ガスＢ１及び炭化水素含有ガスＡ１，Ａ２の量を調整することで、オートサーマルリフォーマー８の入口温度、出口温度、出口ガス還元度を調整する。そのため、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂは、第１のガス混合装置７ａでの炭化水素含有ガスＡ１の混合では炭化水素含有ガスの量が不足する場合に、必要に応じて設けられる。
　オートサーマルリフォーマー８は、トップガスから水分及び二酸化炭素が除去されたガスに、第１のガス混合装置７ａ及び第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂで酸素含有ガスＢ１及び炭化水素含有ガスＡ１，Ａ２を混合させた混合ガスを、混合ガスの自己のエネルギーで改質するものである。オートサーマルリフォーマー８は、Ｕ字型又はＶ字型に配置することが好ましい。これにより、下部から使用済み触媒を排出し、上部から新たな触媒を充填することができ、触媒の交換を容易にすることができる。また、オートサーマルリフォーマー８は、煤等の微細固形分を除去できるアルミナボール等を充填した同様の不活性触媒充填層を前段に備えることがより好ましい。これにより、触媒の交換頻度を削減することができる。また、オートサーマルリフォーマー８は、酸化反応と改質反応とを一つのリフォーマーで進行させる形態を取ることが好ましい。
　第２のガス混合装置９は、オートサーマルリフォーマー８から排出されるガスに酸素含有ガスＢ２及び炭化水素含有ガスＡ３を混合し部分酸化、燃焼させ、さらに還元炉内においても適正量の改質をさせるために還元炉１の入口のガスの昇温と炭化水素濃度とを調節するためのものである。
　改質ガス冷却器１０は、原料に応じて炉内での粉化、還元鉄同士の融着（クラスター）、粉化した鉄による耐火物の損傷等の問題を引き起こさないように炉導入ガスの温度を調整するものである。改質ガス混合器１１は、冷却された改質ガス及び炭化水素含有ガスを炉投入ガスラインに混合するものである。
　また、直接還元鉄の製造設備３０ａは、冷却された直接還元鉄（Ｃｏｌｄ　ＤＲＩ）を製造するために、クーリングゾーン１２において還元鉄を冷却するクーリングガスを循環させるクーリングガスループ２３を備えている。クーリングガススクラバー１３、クーリングガスコンプレッサー１４及びクーリングガスアフタークーラー１５は、クーリングガスループ２３に備えられている。クーリングガスループ２３には、クーリングガスの流量を調整する流量調整手段（図示せず）を備えており、還元炉１へ導入するクーリングガスの流量を調整できるようになっている。
　クーリングガススクラバー１３は、水冷式の直接接触型冷却器であり、還元炉１から排出される還元鉄を冷却するためのクーリングガスを除塵、冷却するものである。クーリングガスアフタークーラー１５は、クーリングガスの温度を調整するものであり、クーリングガスコンプレッサー１４の出側に設けられる。例えばクーリングガスアフタークーラー１５でクーリングガスの入口温度を下げ、流量調整手段でクーリングガスの総流量を減じることでクーリングガスの出口温度が上がり還元鉄中の炭素量を調整することができる。このクーリングガスアフタークーラー１５は、チラー型アフタークーラー又は自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを導入して低温のクーリングガスを還元炉に供給するアフタークーラーが好ましく、特に湿球大気温度＋３～４℃以下に冷却できるようにすることが好ましい。
　以下実施形態１の詳細を説明する。
　上記設備を備えた直接還元鉄の製造設備３０ａでは、竪型還元炉１において酸化鉄原料と還元ガスとを接触させることで直接還元鉄が製造される。竪型還元炉１の上部から投入された酸化鉄原料を還元したガスはその炉頂からトップガスとして排出される。
　このトップガスをトップガススクラバー４で除塵、冷却し、水分の大部分を除去して水分調整し（水分調整工程）、水分を調整したガスを循環ガスコンプレッサー５で昇圧しＣＯ２リムーバー６でＣＯ２を除去し（ＣＯ２除去工程）、水分とともにＣＯ２成分も調整し、総酸化性ガス成分量を調整する。
　水分量の調整は、トップガススクラバー４の供給水量又は供給水温度を調整することでガス温度を、出口圧力を調整することでガス圧力を調整し、循環ガス中の飽和水蒸気圧を調整することで行う。
　ＣＯ２リムーバー６はＰＳＡ（圧力変動吸収）型装置でも良いし、化学吸収法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）でも良い。いずれの場合にも目標とするＣＯ２除去率を達成するため、一旦昇圧し、ＣＯ２を除去した後に減圧する必要が生じる場合があるが、減圧に回転式減圧器を用い、回転式減圧器の軸と循環ガスコンプレッサー５の軸とを物理的に繋いで昇圧動力を削減する方法を用いればさらに良い。
　水分（Ｈ２Ｏ）及び、二酸化炭素（ＣＯ２）の除去により酸化成分が調整されてＣＯとＨ２とが主成分となったガスを、必要に応じてトップガス熱回収熱交換器３ａ及びプレヒータ３ｂで予熱した（予熱工程）のち、第１のガス混合装置７ａにおいて、純酸素等の大気酸素濃度よりも高い酸素濃度の高濃度酸素含有ガスＢ１及び天然ガス等の炭化水素含有ガスＡ１を混合して（第１ガス混合工程）酸素で部分酸化、燃焼させる。
　これにより、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２の酸化性ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）の還元ガス、並びに炭化水素ガスが混合された混合ガスを製造するとともに酸化反応による熱量で混合ガスを昇温する。
　この昇温された混合ガスにさらに第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂにて炭化水素含有ガスＡ２を必要量混合し、オートサーマルリフォーマー８に導入して、混合ガスの自己のエネルギーで炭化水素と酸化性ガスとを改質し高還元度の還元ガスを製造する（改質ガス製造工程）。
　ここで、循環ガスの予熱温度、混合する高濃度酸素含有ガスＢ１の量、炭化水素含有ガスＡ１，Ａ２の量は、酸化鉄原料の還元に必要な改質ガスの量と改質ガスの還元度及び温度とオートサーマルリフォーマー８の入口及び出口のガスの温度の条件によって決めれば良い。
　例えば、多くの還元炉投入還元ガスが必要な場合にはプレヒータ３ｂでの循環ガスの予熱温度を低めに設定し、オートサーマルリフォーマー８の入口のガスの温度の上限まで酸素含有ガスＢ１を混合し、それに見合う炭化水素含有ガスＡ１，Ａ２を混合することでより多くの還元ガスを製造することが可能となる。
　逆に余剰のトップガスを削減するために還元炉投入還元ガス量を減少させたい場合には、循環ガスの予熱温度を、トップガス熱回収熱交換器３ａ及びプレヒータ３ｂで炭素析出及び浸炭による問題が生じない範囲で、例えば８５０℃未満、好ましくは７００℃未満、より好ましくは５５０℃未満の範囲内で、できるだけ高く設定することで混合可能な酸素量が減少し、新たに製造される還元ガス量が減少する。
　また、第１のガス混合装置７ａにおいては、トップガスに炭化水素含有ガスＡ１及び高濃度酸素含有ガスＢ１を混合し、煤を発生させない範囲の比率で部分燃焼させ、さらに第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂにおいて必要に応じて炭化水素含有ガスＡ２を混合し、オートサーマルリフォーマー８の入口のガスの温度が許容温度、例えば１５００℃以下、好ましくは１４００℃以下となるように調整する。
　同時に、オートサーマルリフォーマー８内で炭素析出が起こらない範囲で、且つオートサーマルリフォーマー８の出口のガスの温度が７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、さらに好ましくは８００℃以上となるように炭化水素含有ガスＡ１，Ａ２及び高濃度酸素含有ガスＢ１を調整する。
　この条件でオートサーマルリフォーマー８の出口の改質ガスの還元度が所定の還元度、例えば７以上、好ましくは８以上の条件を満足できない場合には、第１のガス混合装置７ａ、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂ及びオートサーマルリフォーマー８を多段にする。そして、一段目のオートサーマルリフォーマーの出口で改質反応により温度が低下したガスにさらに高濃度酸素含有ガスと炭化水素含有ガスを混合し、次のオートサーマルリフォーマーに導入することを繰り返し、最後のオートサーマルリフォーマーの出口のガスの還元度を調整し、竪型還元炉１の入口のガスの還元度及び温度が所望の還元度及び温度となるようにする。
　また、トップガス熱回収熱交換器３ａ及びプレヒータ３ｂでの炭素析出や浸炭反応及びオートサーマルリフォーマー８での炭素析出反応は、循環ガス中のＨ２Ｏ，ＣＯ２濃度、ガス圧、及びガス温度に依存するので、それぞれを適正な範囲に調整することでそれらの問題を解消できる。
　例えばトップガススクラバー４の出側ガスの圧力及び温度を調整して、水分濃度を調整する。もしくは循環ガスコンプレッサー５の出口にさらに直接水冷式クーラーを設けて水分濃度を調整しても良い。また、ＣＯ２濃度はＣＯ２リムーバーで調整する。また、ガス圧は、系外に放出するガス量を調整することでトップガススクラバー４の出口圧力を調整する。このトップガススクラバー４の出口圧力を調整することでオートサーマルリフォーマー８の入口圧力を適切な圧力に調整する。また、ガスの予熱温度は、例えばトップガス熱回収熱交換器３ａでトップガスから一定量の熱回収を行い、外部燃焼型プレヒータ３ｂで、炭素析出が起こらない範囲で所望の温度まで外部燃焼型プレヒータ３ｂの燃焼量を調整して昇温すれば良い。
　オートサーマルリフォーマー８に導入されるガスが６００ｋＰａ(Ａ)以上の圧力では多量の余剰酸化性ガスが存在しない限りオートサーマルリフォーマー８の触媒上で炭素が容易に析出するので、炭素析出問題を回避し、且つ所定の還元度の改質ガスを得ることはできない。
　したがって、本発明の実施形態１の直接還元鉄の製造設備３０ａにおいては、オートサーマルリフォーマー８での炭素析出を防ぎ、所望の還元度の還元ガスを得るため、オートサーマルリフォーマー８に導入するガスの圧力は、６００ｋＰａ(Ａ)未満、好ましくは５００ｋＰａ(Ａ)未満、さらに好ましくは３５０ｋＰａ(Ａ)未満に調整する。
　上記説明では、第１のガス混合装置７ａ、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂ及びオートサーマルリフォーマー８を別々に設置するケースを説明したが、これに限らず酸化反応と改質反応とを一つのリフォーマーで行えるオートサーマルリフォーマー８を用いれば第１のガス混合装置７ａ及び第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂにおいて炭化水素ガスＡ１，Ａ２を別々に混合する必要はなく、オートサーマルリフォーマー８に高濃度酸素含有ガスＢ１及び炭化水素含有ガスＡ１，Ａ２の必要量をすべて混合すれば良い。
　またこの時、オートサーマルリフォーマー８の入口のガスの温度も低下するので広範囲の調整が可能となる。
　上記の条件で製造された改質ガスに、さらに第２のガス混合装置９において、高濃度酸素含有ガスＢ２及び炭化水素含有ガスＡ３を混合し（第２ガス混合工程）、その後流でさらに炭化水素含有ガスＡ４を混合することで、炉入口ガスを昇温するとともに炉内の金属鉄の触媒効果により改質（Ｉｎ-ｓｉｔｕ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）させる。これにより、炉内でのガス還元度をさらに上げ、且つ酸化鉄の還元反応を高温で行うことが可能となる。
　加えて、炉内での改質反応とともに、発熱反応であるＣＨ４生成反応による炉内の部分的高温化を防ぐために必要な炭化水素混合を行うための改質ガス混合器１１を設け炭化水素含有ガスＡ４をさらに混合できるようにすれば尚良い。
　また、竪型還元炉１の入口のガス温度が１０００℃近辺の領域であっても原料によっては改質ガスを還元炉１に導入した時に炉内で還元鉄同士が融着して排出不良の原因となるクラスターの形成や炉内での粉化を引き起こす場合がある。この場合には改質ガス冷却器１０を設けて温度制御を行っても良い。
　一方、クラスター特性に優れた原料である場合には、第２のガス混合装置９への高濃度酸素含有ガスＢ２と炭化水素含有ガスＡ３とを増量し、酸素の部分燃焼量を増やすとともに、炭化水素ガス量も増量することで炉内温度上昇及び炉内での改質反応（Ｉｎ-ｓｉｔｕ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）をさらに促進させることができる。
　この場合に、改質ガス混合器１１からの炭化水素含有ガスＡ４の量を増加させ、還元炉１に導入する還元ガス（炉導入ガス）中の炭化水素ガスの濃度を上げれば上記改質反応とともに炭素析出反応も促進され、還元鉄の炭素濃度を向上させることもできる。
　この時、還元鉄上では炭素析出反応を伴うが、炭化水素含有ガスＡ４を混合した後に合金を用いた機器はないので炭素析出及び浸炭に伴う機器の損傷等の問題は発生せず、一方で製品還元鉄の炭素含有量が増加することから製品品質の観点からも好ましい。
　しかしながら、本実施形態１のように還元ガスの圧力が低いケースでは還元炉内での改質に必要な炭化水素ガス分圧は低くなる。また高い生産性を維持するために余剰の炭化水素ガスを混合することは好ましくない。したがって、炭化水素分圧が低くなることから還元ゾーン２での還元鉄への炭素析出反応は起こりにくく、還元ゾーン２出側での還元鉄中の炭素含有量は概ね１．５％から２％程度に留まる。
　一方で本実施形態１では、クーリングゾーン１２での炭素付加量は前述の通り還元ゾーン２の状態に大きく依存せず調整可能となるので以下に説明するように排出される還元鉄中の炭素量の調整が可能となる。
　竪型還元炉１での炭素析出反応の主反応は炭化水素のクラッキング反応であり、その反応は炭化水素ガス分圧と温度に大きく依存する。
　実施形態１では、還元炉１のクーリングゾーン１２から排出されたクーリングガスは、クーリングガスループ２３により、クーリングガススクラバー（直接接触型水冷式クーリングガス冷却器）１３で除塵、冷却された後、クーリングガスコンプレッサー１４で昇圧され、その後、一部のガスはそのまま、他の一部のガスはクーリングガスアフタークーラー１５でさらに冷却されてクーリングゾーン１２に導入される。
　ここで炭化水素ガス分圧の高いガスを高温で還元鉄と接触させるために、循環クーリングガスの炭化水素濃度を５０％以上、好ましくは７０％以上とし、クーリングガスコンプレッサー１４の出側にクーリングガスアフタークーラー１５、好ましくはチラー型アフタークーラー又は自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを導入して低温のクーリングガスを還元炉に供給するアフタークーラーを設けている。
　通常のＣｏｌｄ　ＤＲＩ製造設備においては、還元鉄の再酸化によるトラブルを防ぐために還元鉄の排出温度が５０℃から５５℃以下になるようにクーリングガスの流量を調整している。
　しかしながら、クーリングガスの還元炉１の入口温度は水噴霧冷却型のクーリングガスコンプレッサー１４を用いた場合でも、その昇圧に伴い概ね４０℃前後である。このように、クーリングガスと還元鉄の管理排出温度の温度差が小さいため多量のクーリングガスが必要となり、必然的にクーリングガスの還元炉からの排出温度は低くなり概ね４００℃前後となる。
　上述の通りクーリングガスの主成分を炭化水素とし、還元鉄と接する炭化水素ガス分圧をできるだけ高くするようにしているが、そのガス温度が４００℃程度の場合、高温の還元鉄と接した瞬間に還元鉄を冷却してしまい、炭化水素ガスのクラッキング反応を充分に起こさせることができない。
　また、このクーリンガスの一部を還元ゾーン２に上昇させても、常に温度の低いガスが還元炉中央を流れるため、炭素析出反応を起こさせるのに充分な高温に達することはなく炭素析出反応を起こさないばかりか、還元反応の停滞を招いてしまう。
　一方、本実施形態１のようにクーリングガスコンプレッサー１４の出側にクーリンガスアフタークーラー１５、好ましくはチラー型アフタークーラー又は自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを混合してクーリングガスを冷却するアフタークーラーを設けて、クーリングガスの少なくとも一部のガスの還元炉１の入口温度を下げると所望の還元鉄排出温度（通常５０℃から５５℃程度以下）との温度差を大きく取れることから、少量のクーリングガスでも所望の還元鉄の排出温度に冷却することが可能となる。このクーリングガスの還元炉１の入口温度は、３５℃以下であることが好ましい。
　この時、還元鉄を冷却するのに必要なクーリングガスの総流量は少なくなり、クーリングガスのトータル熱容量が小さくなるのでクーリングゾーン１２の出側の温度は必然的に高くなる。
　したがって、本実施形態１では、クーリングゾーン１２の上部で高温のクーリングガスが還元鉄と接することになる。この部分では炭化水素ガス分圧も高く、且つ高温であるので炭化水素ガスのクラッキング反応は促進され、還元鉄中の炭素量を増加させることができる。加えてクーリングガスを冷却することでクーリングガスに含まれる水分量も低減することから、水分による還元鉄中の炭素の消費を防ぐことにもなる。加えてクーリングガス出口温度が高くなることから、例えばクーリングガスループ２３にボイラー等の熱回収器を備えると、クーリングガスから効率的な熱回収が可能となる。
　すなわち、外部燃焼型循環ガス予熱器（プレヒータ）での炭素析出や合金鉄上での浸炭及びメタルダスティングの問題を回避し、同時に還元炉入口のガスの温度を炉内での粉化、還元鉄同士の融着（クラスター）、粉化した鉄による耐火物の損傷等を引き起こさない温度に維持する条件であっても、それらの条件に関わらずクーリングガスの入口温度と流量を調整することで還元鉄中の炭素量を例えば３％以上に調整することが可能となる。
　以下、本実施形態１での直接還元鉄の製造条件の一例を示す。
　循環ガスの予熱温度を約４５０℃、トップガススクラバー４の出側圧力を５０ｋＰａ(Ａ)、出口温度を４５℃として循環ガス中の水分量を調整し、乾式のプロセスガスコンプレッサー５を用いて、ＣＯ２リムーバーを介してＣＯ２を除去した後オートサーマルリフォーマー８に導入するガスの圧力を約２５０ｋＰａ(Ａ)～３５０ｋＰａ(Ａ)に制御する。
　第１のガス混合装置７ａ及び第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂにおいて、オートサーマルリフォーマー８の出口で改質ガスをＲ-Ｖａｌｕｅ１０程度となるように炭化水素含有ガスＡ１、高濃度酸素含有ガスＢ１及び炭化水素含有ガスＡ２を混合、部分燃焼させると、オートサーマルリフォーマー８の入り口温度は１５００℃以下となり、出口のガスの温度は約９５０℃程度となる。この時、オートサーマルリフォーマー８の出側での酸化性物質の炭化水素ガス比（ＣＯ２+Ｈ２Ｏ）/ＣＨ４は触媒上での炭素の析出が起こらない程度の比率を維持できる。
　これにさらに、第２のガス混合装置９において炭化水素含有ガスＡ３と高濃度酸素含有ガスＢ２とを加え、９２０℃程度で還元炉１に投入すると、炉内で改質（Ｉｎ-ｓｉｔｕ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）及び炭素析出反応を起こし、改質及び炭素析出反応後のガスは温度約７８０℃、還元度１３程度の良質な還元ガスを得ることができる。
　上記の一例で挙げた条件では、炉導入ガス中の炭化水素ガスの濃度は概ね約５～８％程度又はそれ以下で充分である。すなわち多量の余剰の炭化水素含有ガスを必要としないことから、還元鉄当たりに必要な炉導入ガスの量は高圧操業に比較して少なくて良く、例えば循環ガス圧力７００ｋＰａ(Ａ)以上での運転と比べても還元炉１内での圧力損失はほぼ同等となり、低圧ガス操業の一つの短所である圧力損失の増大という点においてその短所が顕著にならない。
　また生産性すなわち必要な還元反応の時間は圧力よりも温度に大きく依存するので、炉内改質、炭素析出反応後の還元ガスの温度を下げないことが還元反応速度すなわち高生産性に大きく寄与する。
　本製造条件では、事前に大半の改質反応をオートサーマルリフォーマー８で終えているので、炉内改質反応（Ｉｎ-ｓｉｔｕ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）による温度低下は小さく改質及び炭素析出反応後のガスは温度約７８０℃となる。
　一方、高圧条件下で改質反応（Ｉｎ-ｓｉｔｕ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）の大部分を炉内で行わせる場合には、その吸熱反応により炉内ガス温度は著しく低下し、生産性も著しく低下する。
　したがって、高圧での還元にも関わらず大きな竪型還元炉が必要となり、本条件での竪型還元炉より大幅にそのサイズを縮小することはできず、高圧ガス操業の長所である設備サイズの縮小化のメリットも享受できない。
　また、本条件における製品中の炭素量の調整はクーリングゾーン１２で行うことができる。
　本例においては、クーリングガス全量の温度をチラー型のクーリングガスアフタークーラー１５で３５℃以下好ましくは２５℃以下に調整し、還元鉄の排出温度が所望の温度、例えば５０℃以下となるようにクーリングガス量を調整する。
　この時、還元鉄の排出温度（通常５０℃程度）とクーリングガスの還元炉１の入口温度の差は２５℃となり、４０℃程度のクーリングガス温度時の温度差１０℃に比べて２倍以上の温度差となる。
　したがって、必要クーリングガス量は大幅に削減されクーリングガスの還元炉出口温度は上昇し、還元鉄中の炭素量を３％以上に調整することが可能となる。
　以上のように、本例で示す通り本実施形態１の方が、炭素析出問題、炉内圧力損失、炉内流動化現象、生産性、設備の信頼性、設備サイズ、製品品質の総合的観点から高圧ガスの条件よりも優れたものになる。
　次に本発明の別の実施形態２の直接還元鉄の製造設備３０ｂを、図２を参照して説明する。
　本実施形態２の直接還元鉄の製造設備３０ｂは、実施形態１の直接還元鉄の製造設備３０ａと同様に、竪型還元炉（シャフト炉）１、還元ゾーン２、熱交換器３、水分調整装置（トップガススクラバー）４、循環ガスコンプレッサー５、ＣＯ２リムーバー６、第１のガス混合装置７ａ、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂ、オートサーマルリフォーマー８、第２のガス混合装置９、改質ガス冷却器１０、改質ガス混合器１１、クーリングゾーン１２、クーリングガススクラバー（直接接触型水冷式クーリングガス冷却器）１３、クーリングガスコンプレッサー１４、クーリングガスアフタークーラー１５及び炭化水素含有ガスラインＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５、酸素含有ガスラインＢ１，Ｂ２を備えている。また、熱交換器３は、トップガス熱回収熱交換器３ａと、循環ガス予熱器（プレヒータ）３ｂとで構成されている。実施形態１と同様の構成は同じ符号を付けることにより説明を省略する。
　本実施形態２の直接還元鉄の製造設備３０ｂは、所望の高温のクーリングガスを抜き出し還元ゾーン２に導入できるよう、還元ゾーン２とクーリングゾーン１２を別々の炉として互いに独立して構成されている。還元ゾーン２とクーリングゾーン１２とは、還元鉄をクーリングゾーン１２へ降下させるシュート２２で繋いでいる。
　また、直接還元鉄の製造設備３０ｂは、冷却された直接還元鉄（Ｃｏｌｄ　ＤＲＩ）を製造するために、クーリングゾーン１２において還元鉄を冷却するクーリングガスを循環させるクーリングガスループ２３を備えている。クーリングガスループ２３は、クーリングゾーン１２から排出されるクーリングガスを除塵するクーリングガス除塵機１７，１８及びクーリングガスから熱回収を行うとともにクーリングガスを冷却するクーリングガス熱交換器（ボイラー）１９を備えている。クーリングガス除塵機１７，１８は乾式集塵機として構成される。
　本実施形態２のように還元ゾーン２とクーリングゾーン１２とを別々の炉に分割することで、還元炉１とクーリングゾーン１２の上部を繋ぐダクトをすべて耐火物で施工することが容易にでき、設備的な問題を引き起こすことなく高温のクーリングガスを抜き出すことができる。
　このようにして高温まで予熱された炭化水素が主成分のクーリングガスと還元された金属鉄とを接触させることができるので容易に還元鉄の炭素量を向上させることができる。
　さらにクーリングガスを還元ゾーン２に炉内上昇流として導入する場合、還元ゾーン２の下部の領域でさらに加熱され、還元鉄とほぼ同じ温度まで加熱されるので、周囲のガス圧力に関わらず還元鉄の炭素量をさらに増加させることが可能となる。
　また、還元ゾーン２へ導入されるクーリングガスは充分に昇温されているので、還元ゾーン２でのクーリングガスの上昇流による冷却効果はなくなり還元ゾーン２で還元停滞を引き起こすこともない。
　加えて、還元ゾーン２の下部には十分な滞留時間があるので反応時間の観点からも充分な浸炭が期待できる。
　また、クーリングガスの出側温度が上昇することで、クーリングガスから熱回収を行う場合、熱回収効率が向上する。例えば乾式集塵機１７，１８を介してボイラー１９で熱回収を行い、発電を行っても良い。この場合、蒸気温度を高くまで加熱できるので発電効率が飛躍的に向上する。またボイラー１９の代わりに循環ガスや炭化水素含有ガスを予熱しても良い。
　一方で、直接還元鉄降下シュートを通してクーリングガスをクーリングゾーンから還元ゾーンに導入すると、還元鉄の降下不良やシュートの振動による機器損傷の問題を引き起こす。
　しかしながら本実施形態２の直接還元鉄の製造設備３０ｂでは、還元鉄が降下する還元ゾーン２とクーリングゾーン１２とを繋ぐシュート２２以外に、クーリングガスを還元ゾーン２へ通過させる還元ゾーン用ガスダクト１６ａを別途備えている。この還元ゾーン用ガスダクト１６ａはクーリングゾーン１２の上部から還元ゾーン２の下部に繋がれている。本実施形態２では、還元ゾーン用ガスダクト１６ａがガスダクト（クーリングガス繋ぎダクト）１６を構成している。
　これにより、クーリングガスの大部分は還元鉄の降下を阻害することなく、還元ゾーン用ガスダクト１６ａを介して還元ゾーン２に導入することが可能となる。すなわち、クーリングゾーン１２から還元ゾーン２へ直接導入されるクーリンガスの量は還元鉄の降下不良等の理由により制限されることなく、クーリングガスループ２３に導入する炭化水素含有ガスＡ５の量により調整できる。
　これにより本実施形態２では必要に応じて充分に予熱されたクーリングガスを還元ゾーン２に導くことで還元ゾーン２での還元停滞を引き起こさず還元鉄中の炭素量を増加させることができ、且つ還元鉄の降下を阻害することなく安定操業を維持でき、トータルの熱効率も向上させることができる。
　次に実施形態２の変形例の直接還元鉄の製造設備３０ｂについて、図３を参照して説明する。この変形例では、クーリングガス繋ぎダクト１６は、還元ゾーン用ガスダクト１６ａと、クーリングゾーン１２から抜き出されたクーリングガスの一部を循環ガスラインに戻す循環ガスライン用ガスダクト１６ｂとで構成されている。この循環ガスライン用ガスダクト１６ｂはクーリングゾーン１２又はクーリングガスループ２３と循環ガスラインとに繋がれている。具体的には、循環ガスライン用ガスダクト１６ｂは、還元ゾーン用ガスダクト１６ａから分岐されて設けられ、オートサーマルリフォーマー８の下流、例えば改質ガス混合器１１、及び／又はオートサーマルリフォーマー８の上流、例えば第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂに繋がれている。これにより、クーリングガスの一部は、オートサーマルリフォーマー８の下流、例えば改質ガス混合器１１に戻され、及び／又はオートサーマルリフォーマー８の上流、例えば第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂに戻され、還元炉１に導入する還元ガス及び／又はオートサーマルリフォーマー８の上流を流れるガスに混合される。
　このように予熱されたクーリングガスを冷却することなく循環ガスラインに戻すことで、予熱されたクーリングガスを炭化水素含有ガスＡ２，Ａ４の一部もしくは代替として利用しても良い。これにより、炭化水素含有ガスＡ２，Ａ４の供給ラインが不要となる場合は、炭化水素含有ガスＡ２，Ａ４の供給ラインを無くしても良い。また、循環ガスライン用ガスダクト１６ｂを循環ガスラインに直接繋ぐ場合は、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂなどは設けなくても良い。
　また、循環ガスライン用ガスダクト１６ｂは、還元炉１から排出されたクーリングガスが直接接触型水冷式クーリングガス冷却器１３を介することなく循環ガスラインに戻せれば任意の形態を取り得る。例えば、クーリングガス除塵機１７，１８で除塵された後で且つクーリングガススクラバー１３の上流からクーリングガスを上記同様に還元炉１に導入する還元ガス及び／又はオートサーマルリフォーマー８の上流を流れるガスに混合しても良い。この場合は、すでに除塵されているので新たな除塵機を設置する必要は無い。
　このように循環ガスライン用ガスダクト１６ｂを設けることにより、還元に必要な炭化水素含有ガスを予熱されたクーリングガスから得ることができ、炭化水素含有ガスを予熱するための予熱器を別途設置する必要がなく、炭化水素含有ガスの外部予熱器の設備費を削減することができる。
　また、このようにクーリングゾーン１２に導入するほとんどのクーリングガスを、還元ゾーン２に直接導入するか、または直接水で冷却することなく循環ガスライン（還元炉投入ガス（還元ガス）及び／又は循環ガス）に抜き出すことで、クーリングゾーン１２から抜き出され、冷却された後、再度クーリングゾーン１２に導入される循環クーリングガス量が大幅に削減される。
　したがって、クーリングゾーン１２を流れるクーリングガスのほとんどは新たに導入される炭化水素含有ガスＡ５となるので、炭化水素含有ガスＡ５の圧力が高く、クーリングガスコンプレッサー１４の出側から導入する場合には、循環クーリングガスを昇圧するクーリングガスコンプレッサー１４のサイズを小さくでき且つ必要動力も減る。加えて冷却するクーリングガスが減少するので水の消費量も削減できる。
　さらに、循環クーリングガス中の炭化水素濃度が向上し、還元鉄中の炭素量を向上させることができる。
　また、クーリングゾーン１２の入口の温度は新たに導入する炭化水素含有ガスＡ５の温度に依存することになるが、この炭化水素含有ガスＡ５はほとんどの場合天然ガス供給ステーションから高圧で供給されるので、この高圧天然ガスを減圧して混合することで断熱膨張によりクーリングゾーン１２の入口の温度を低下させる効果もある。
　次に本発明の別の実施形態３の直接還元鉄の製造設備３０ｃを、図４を参照して説明する。
　本実施形態３の直接還元鉄の製造設備３０ｃは、実施形態１及び２の直接還元鉄の製造設備３０ａ，３０ｂと同様に、竪型還元炉（シャフト炉）１、還元ゾーン２、熱交換器３、水分調整装置（トップガススクラバー）４、循環ガスコンプレッサー５、ＣＯ２リムーバー６、第１のガス混合装置７ａ、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂ、オートサーマルリフォーマー８、第２のガス混合装置９、改質ガス冷却器１０、改質ガス混合器１１、クーリングゾーン１２、クーリングガススクラバー（直接接触型水冷式クーリングガス冷却器）１３、クーリングガスコンプレッサー１４、クーリングガスアフタークーラー１５及び炭化水素含有ガスラインＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５、酸素含有ガスラインＢ１，Ｂ２を備えている。また、熱交換器３は、トップガス熱回収熱交換器３ａと、循環ガス予熱器（プレヒータ）３ｂとで構成されている。実施形態１及び２と同様の構成は同じ符号を付けることにより説明を省略する。
　本実施形態３では、実施形態２においてクーリングゾーン１２を別の形態としている。具体的には、還元ゾーン２とクーリングゾーン１２とが一体となっている実施形態１の還元炉１に近い構造であるが、還元ゾーン２とクーリングゾーン１２との間に中間クーリングゾーン２１を設けている。
　また、本実施形態３では、直接還元鉄の製造設備３０ｃは、冷却された直接還元鉄（Ｃｏｌｄ　ＤＲＩ）を製造するために、クーリングゾーン１２及び中間クーリングゾーン２１において還元鉄を冷却するクーリングガスを循環させるクーリングガスループ２３を備えている。クーリングガスループ２３は、中間クーリングゾーン２１とクーリングゾーン１２とのそれぞれに設けられている。具体的には、クーリングガスループ２３は、上部クーリングガスループ２３１と下部クーリングガスループ２３２とを有し、上部クーリングガスループ２３１が中間クーリングゾーン２１に設けられ、下部クーリングガスループ２３２がクーリングゾーン１２に設けられている。
　上部クーリングガスループ２３１は、中間クーリングゾーン２１から排出されるクーリングガスを除塵するクーリングガス除塵機１７，１８、クーリングガスを冷却するクーリングガス熱交換器（ボイラー）１９、及び、クーリングガスを昇圧する中間クーリングガスコンプレッサー２０を備えている。
　中間クーリングガスコンプレッサー２０は、乾式の昇圧機として構成される。中間クーリングゾーン２１から排出されたクーリングガスは、クーリングガス除塵機１７，１８で除塵された後、クーリングガス熱交換器１９で熱回収を行い冷却され、その後、中間クーリングガスコンプレッサー２０で昇圧されて中間クーリングゾーン２１に導入される。
　この上部クーリングガスループ２３１を高温ガスループとし、例えば還元炉１のクーリングガス入口のクーリングガスの温度を１５０℃から２００℃程度の温度にし、還元炉１のクーリングガス出口のクーリングガスの温度を還元直後の還元鉄の温度に近い温度、例えば７００℃前後となるように流量を調整する。これにより、還元ゾーン２とクーリングゾーン１２とを別々の炉に分割した場合と同様に高温クーリンガスの長所を享受できる。
　ここでクーリングガスの抜出部を耐火物構造物とすることで合金等の金属構造物が不要となり金属構造物での浸炭、メタルダスティング等の問題は生じない。
　下部クーリングガスループ２３２は、実施形態１と同様のクーリングガススクラバー１３、クーリングガスコンプレッサー１４及びクーリングガスアフタークーラー１５を備えている。クーリングゾーン１２から排出されたクーリングガスは、クーリングガススクラバー１３で除塵、冷却された後、クーリングガスコンプレッサー１４で昇圧され、その後、クーリングガスアフタークーラー１５で冷却されてクーリングゾーン１２に導入される。
　この下部クーリングガスループ２３２は、上部クーリングガスループ２３１のクーリングガスよりも温度が低い低温ガスループとし、還元鉄の排出温度を所望の温度に制御する。この時、還元鉄は中間クーリングゾーン２１ですでに冷却されているので、中間クーリングゾーン２１を持たない場合に比べて少量のクーリングガスの流量で所望の温度まで冷却が可能である。
　クーリングガスコンプレッサー１４の出側にアフタークーラー１５、好ましくはチラー型アフタークーラー又は自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを導入して低温のクーリングガスを還元炉に供給するアフタークーラーを設置することで、必要流用はさらに少なくなる。
　このように、上部クーリングガスループ２３１と下部クーリングガスループ２３２のそれぞれの温度及び流量を調整することで前の形態と同様に還元鉄の排出温度及び還元鉄の炭素量を任意に制御できる。
　次に本発明の別の実施形態４の直接還元鉄の製造設備３０ｄを、図５を参照して説明する
　本実施形態４の直接還元鉄の製造設備３０ｄは、実施形態１の直接還元鉄の製造設備３０ａと同様に、竪型還元炉（シャフト炉）１、還元ゾーン２、熱交換器３、水分調整装置（トップガススクラバー）４、循環ガスコンプレッサー５、ＣＯ２リムーバー６、第１のガス混合装置７ａ、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂ、オートサーマルリフォーマー８、第２のガス混合装置９、改質ガス冷却器１０、改質ガス混合器１１、クーリングゾーン１２、クーリングガススクラバー（直接接触型水冷式クーリングガス冷却器）１３、クーリングガスコンプレッサー１４、クーリングガスアフタークーラー１５及び炭化水素含有ガスラインＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５、酸素含有ガスラインＢ１，Ｂ２を備えている。また、熱交換器３は、トップガス熱回収熱交換器３ａと、循環ガス予熱器（プレヒータ）３ｂとで構成されている。実施形態１と同様の構成は同じ符号を付けることにより説明を省略する。
　また、本実施形態４の直接還元鉄の製造設備３０ｄは、ＣＯ２リムーバー６の下流側にメタン生成装置２４を備えている。メタン生成装置２４には、ＣＯ２リムーバー６で分離されて除去されたＣＯ２を主成分とするガス（図１では図示せず）と、別途製造された水素を主成分とする水素含有ガスＣ１とが導入される。そして、メタン生成装置２４において、ＣＯ２を主成分とするガスと水素を主成分とする水素含有ガスＣ１とを混合してメタンを生成する。
　メタン生成装置２４で生成されたメタンを主成分とするガスは、直接還元鉄の製造設備３０ｄで必要とする炭化水素含有ガスＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５に混合されて、それら炭化水素含有ガスの少なくとも一部として用いられる。
　本実施形態４のように還元炉２に導入された一酸化炭素は酸化鉄を還元することにより二酸化炭素を生成し、循環ガスに含まれている二酸化炭素はＣＯ２リムーバー６でそのほとんどが分離される。
　この分離された二酸化炭素を主成分とするガスに別途製造された水素を主成分とする水素含有ガスＣ１を混合し、メタン生成装置２４において触媒下で以下の反応等によりメタンを生成させる。
ＣＯ２＋４Ｈ２＝ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ
　このように炭化水素から改質反応により生成された一酸化炭素を介して、その一酸化炭素と酸化鉄の還元反応により生成された二酸化炭素と、水素を主成分とする水素含有ガスＣ１中の水素と反応させてメタン（ＣＨ４）を再生し、そのメタンを直接還元鉄の製造設備３０ｄで必要とする炭化水素含有ガスＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５として循環利用することにより、還元鉄中に含有され系外に排出される炭素成分および系外に漏洩するガス中に含まれる微量の炭素成分や冷却水系に溶け込み脱気されることで排出される微量の炭素成分以外は消費されることなく循環利用が可能となる。
　上記の通り、消費される炭素成分のほとんどは還元鉄中の炭素成分として持ち出されるので、還元鉄中の炭素量と等量の炭素を含む炭化水素ガスを補充することで二酸化炭素を排出することなく、且つ少量の炭化水素ガスを補充することで酸化鉄の還元を行うことが可能となる。
　さらに製鋼過程で脱炭され発生する二酸化炭素を同様に回収し、水素と混合してメタンを生成し利用することでほとんどの炭素は循環利用することが可能となる。
　上記のように炭素を循環利用することで、直接還元鉄の製造設備３０ｄに系外から導入する主還元剤原料は水素となる。一方、酸化鉄の還元自体は上記の水素と二酸化炭素によるメタン生成反応及びメタンと酸素との改質で生成された一酸化炭素と水素を含んだ還元ガスで行われるので、従来の炭化水素を用いた直接還元反応と同様の還元が可能となり、水素で直接還元する場合に引き起こされる諸々の問題が解消される。また、還元鉄への浸炭が炭化水素による冷却過程に依存せず、還元過程でも浸炭されるので直接還元鉄を熱間で排出された場合でも必要な炭素が直接還元鉄に含有されるので炭素成分欠乏に起因する下工程での諸々の問題も解消される。
　以上、図面を参照して本発明の実施形態１～４を説明したが、本発明は上記実施形態１～４に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。
　例えば、本実施形態１～４では竪型還元炉１一基に対してオートサーマルリフォーマー８を用いた単独の改質、還元ガスの循環ループを説明したが他のガス循環ループと併用しても良い。
　すなわち、既設の還元鉄の製造設備のトップガス又は循環ガスを一部抜出し、本発明を適用して改質ガスを製造し、既設の炉導入ガスと合流させることにより、竪型還元炉に導入できる還元ガスを増量させることが可能となり、既設還元鉄の製造設備の生産能力を向上させることができる。
　逆に本発明に補助的にミドレックス法やＨＹＬ法で採用されているリフォーマーを用いて改質ガスを製造し、両方のガスを竪型還元炉に導入しても良い。
　また、上記実施形態１～４では循環ガスの水蒸気成分量の調整は水分調整装置（トップガススクラバー）４の出口圧力と温度で水蒸気の飽和蒸気圧を調整する方法を示したが、循環ガスコンプレッサー５又はＣＯ２リムーバー６出側にアフタークーラー又は水蒸気混合装置を設置して水蒸気成分を調整しても良い。
　また、第１のガス混合装置７ａ又は第２のガス混合装置９の一部ガスを、廃プラスチックや石炭等の固体炭化水素充填塔又は流動層に導入し、固体炭化水素又は石炭を熱分解又は酸素含有ガスで部分酸化し、水素、一酸化炭素及び炭化水素含有ガスを発生させて炭化水素含有還元ガスとして利用しても良い。
　廃プラスチックを用いる場合、必要な炭化水素含有ガスの量を削減することができ、また同時に廃プラスチックスチックの処理も行えるので炭化水素含有ガスが高価な地域や廃プラスチック処理が必要な地域に非常に有効である。
　また、トップガスの一部を、酸素含有ガスを混合する前に分岐し酸素含有ガス及び水蒸気を必要に応じて廃プラスチック等の固体炭化水素処理設備に導入し、固体炭化水素を部分酸化及び熱分解し水素、一酸化炭素及び炭化水素含有ガスを発生させて炭化水素含有還元ガスとして利用しても良い。
　また、下流の電気炉の要求や、下流に電気炉がなく直接還元鉄を輸出する場合でもそれぞれの要求に従った種々の対応が可能である。
　例えば、電気炉の原料ハンドリング設備が常温仕様のため電気炉で常温の還元鉄を熔解する場合、できるだけ電気炉への吹き込み酸素量を増加し生産性を上げたいので炭素量の高い還元鉄が望ましい。
　この場合には、上述の通り還元鉄の温度が常温となるようにクーリングガスアフタークーラー１５等でできるだけ還元炉１へのクーリングガスの入口温度を下げる一方で、クーリングガスの流量を下げることでクーリングゾーン１２の出口温度を上げ、高温まで予熱された炭化水素含有ガスで還元鉄中の炭素量を増加させ常温の高炭素含有還元鉄を製造、供給できる。
　また、低温のクーリングガスを導入するシステムであるクーリングガスアフタークーラーはチラー型アフタークーラー単体でも良いし、自身の断熱膨張等で冷却された炭化水素含有ガスを混合する混合器タイプのアフタークーラーでも良い。またチラー型アフタークーラーと炭化水素含有ガス混合器タイプのアフタークーラーの両方を用いて、例えばチラー型アフタークーラーで冷却された循環クーリングガスにさらに低温の炭化水素含有ガスを混合して混合器タイプのアフタークーラーで冷却されたクーリングガスをクーリングゾーンに導入するシステムでも良い。
　また炭化水素含有ガスＡ５は図１～図５においてクーリングガスアフタークーラー１５に導入されているが、そのガス圧力や所望のクーリングガス温度に応じてクーリングガスコンプレッサー１４の入口側、出口側の適切な位置から導入すれば良い。さらにクーリングアフタークーラー１５の構成及び導入する炭化水素含有ガス温度によっては、チラー型アフタークーラー入側しても良いし、出側に導入しても良い。さらに低温炭化水素ガス含有ガス混合器（混合器タイプのアフタークーラー）を有する場合には、その混合器に導入しても良い。
　また、図１～図５では、一部のクーリングガスをクーリングガスアフタークーラー１５で冷却し、冷却したクーリングガスと、冷却していないクーリングガスとを別々にクーリングゾーン１２に導入している。しかしながら、この構成に限られず、すべてのクーリングガスをクーリングガスアフタークーラー１５で冷却してクーリングゾーン１２に導入してもよい。また、冷却したクーリングガスと冷却していないクーリングガスとを混合させてクーリングゾーン１２に導入してもよい。
　また、前記の通り多量のクーリングガスを還元ゾーン２又は循環ガスラインに抜き出す場合には、多くの炭化水素含有ガスをクーリングゾーン１２に供給する必要があり、且つ必要クーリングガス循環風量が減少する。したがって、クーリングガスコンプレッサー１４からの循環クーリングガスのほとんど又は全量を、クーリングガスアフタークーラー１５を通さずにクーリングゾーン１２に供給し、クーリングゾーン１２下部からクーリングガスアフタークーラー１５を介して炭化水素含有ガスのみ、又は少量の循環クーリングガスが混合された炭化水素含有ガスを供給しても良い。
　また、還元ゾーン２とクーリングゾーン１２を分けて、高温のクーリングガスを還元ゾーン２に導入しても良いし、クーリングゾーン１２を分割して中間クーリングゾーン２１を設けて高温のクーリングガスと高温還元鉄が接するようにしても良い。
　一方、搬送設備が高温仕様、例えば５００℃以上の還元鉄を熔解できる設備仕様の場合には、還元鉄に含まれる炭素量があまりに高いと、電気炉において完全熔解した後に脱炭工程が必要となり電気炉の生産性を却って低下させる。
　この場合には、完全にクーリングガスを停止し、高濃度炭化水素含有ガスをクーリングゾーン１２及び還元ゾーン２に導入しないようにすれば、炭化水素ガスのクラッキング反応は起きず、高温の低炭素含有還元鉄を製造、供給することができる。
　また、図２に示したように還元ゾーン２とクーリングゾーン１２とを分割する場合には、還元ゾーン２から直接還元鉄を排出しても良い。
　また、直接還元鉄を海上輸送するために、熱間ブリケット鉄（ＨＢＩ）を製造する場合には、竪型還元炉１の下流に熱間ブリケットマシンを配置し、還元ゾーン２から直接高温還元鉄をブリケットマシンに供給することでＨＢＩの製造が可能となる。
　さらに、中間温度の還元鉄が必要な場合には、例えばクーリングガスの一部を、アフタークーラー１５をバイパスさせることで、ある程度クーリングガスの入口温度を上げ、クーリングガスの量を増やすことも可能である。この場合、クーリングゾーン１２の出側温度は中温となり、中温の中炭素含有還元鉄を製造、供給することができる。
　上記還元鉄中の炭素量の調整は、改質ガスの製造方法、条件によらず調整可能であるのでオートサーマルリフォーマーを用いない、例えば既存の直接還元鉄の製造設備を改造しても良い。具体的には、上記実施形態１～４のクーリングゾーン１２、中間クーリングゾーン２１及びクーリングガスループ２３の構成を、既存の外熱式改質器（リフォーマー）や外部燃焼型循環ガス予熱器（プレヒータ）を備えた直接還元鉄の製造設備に取り入れてもよい。これにより、既存の直接還元鉄の製造設備においても、製造される還元鉄に含有される炭素量を容易に調整でき、高品質の還元鉄を得ることができる。
　また加熱されたクーリングガスを第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂに混合するとき、第１の炭化水素含有ガス混合装置７ｂをイジェクター型にすることで高温昇圧機が不要となり設備的にシンプル且つ信頼性の高いシステムとなる。
　また混合する前に、例えばセラミックフィルターなどの高温除塵機を介することで、オートサーマルリフォーマー８での還元鉄粉等による触媒の問題を引き起こさないのでさらに良い。
　また、本発明のクーリングガスループ２３は水素還元製鉄の設備と組み合わせても良い。すなわち酸化鉄の還元を水素で行い、クーリングゾーン１２及び還元ゾーン２の下部で炭化水素により還元鉄に炭素を付加することができる。
　この場合、酸化鉄の還元を水素で行うことから還元に伴う二酸化炭素は発生しない。またクーリングゾーン１２での浸炭反応は；
ＣＨ４＝Ｃ＋２Ｈ２
であり、浸炭反応によっても二酸化炭素は発生せず、二酸化炭素の発生は、還元ゾーン２に導かれた少量の炭化水素の改質によるわずかな発生となる。
　したがって、水素還元製鉄での大きな欠点であった、還元鉄中の必要炭素量の問題を解消でき、その目的である二酸化炭素発生量の大幅な削減も水素のみの還元鉄製鉄法とほぼ同等に達成できる。
　また、還元炉１から抜き出されたクーリングガスを循環ガスに混合するための循環ガスライン用ガスダクト１６ｂは、上記実施形態２に限らず、上記実施形態１、３又は４に適用してもよい。実施形態１又は４に適用する場合は、クーリングゾーン１２のクーリングガス抜出口から直接接触型水冷式クーリングガス冷却器１３の間に循環ガスライン用ガスダクト１６ｂが設けられれば良い。また、実施形態３に適用する場合は、クーリングゾーン１２のクーリングガス抜出口から直接接触型水冷式クーリングガス冷却器１３の間、及び、中間クーリングゾーン２１の場合は直接水で冷却する機器を有していないので、クーリングガスループ２３１の任意の箇所のいずれか一方又は両方に循環ガスライン用ガスダクト１６ｂが設けられれば良い。この実施形態１、３及び４では、循環ガスライン用ガスダクト１６ｂがガスダクト１６を構成する。
　また、メタン生成装置２４は、上記実施形態４に限らず、上記実施形態２又は３に適用してもよい。
　また、メタン生成装置２４ではメタン生成反応が発熱反応であるので冷却が必要となるが、この冷却を循環ガスで行うことにより循環ガスの予熱が可能となる。また再生熱源が必要となるＣＯ２リムーバーを用いる場合にはその熱源としてメタン生成装置２４の冷却熱を用いることで、例えばメタン生成時の冷却によりスチームを発生させ、スチームでＣＯ２回収液の再生を行うことで、効率的にＣＯ２の分離回収、メタンの再生を行うことができる。
　また、上記実施形態１～４の直接還元鉄の製造設備３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄでは、第２ガス混合装置９、改質ガス冷却器１０、改質ガス混合器１１及びクーリングガスアフタークーラー１５を備えているが、これらは必須の構成ではなく、必要に応じて備えればよい。また、熱交換器３は、トップガス熱回収熱交換器３ａ及び循環ガス予熱器（プレヒータ３ｂ）の少なくとも一方を備えればよい。また、図１～図５に示されている炭化水素含有ガスＡ５をクーリングガスループ２３に導入するラインは、図１～図５に示されている位置に限らず、クーリングガスループ２３の任意の位置とすることができる。
　１　　　竪型還元炉
　２　　　還元ゾーン
　３　　　熱交換器
　３ａ　　トップガス熱回収熱交換器
　３ｂ　　循環ガス予熱器（プレヒータ）
　４　　　水分調整装置（トップガススクラバー）
　５　　　循環ガスコンプレッサー
　６　　　ＣＯ２リムーバー
　７ａ　　第１のガス混合装置
　７ｂ　　第１の炭化水素含有ガス混合装置
　８　　　オートサーマルリフォーマー（改質器）
　９　　　第２のガス混合装置
　１０　　改質ガス冷却器
　１１　　改質ガス混合器
　１２　　クーリングゾーン
　１３　　クーリングガススクラバー（直接接触型水冷式クーリングガス冷却器）
　１４　　クーリングガスコンプレッサー
　１５　　クーリングガスアフタークーラー
　１６　　ガスダクト（クーリングガス繋ぎダクト）
　１６ａ　還元ゾーン用ガスダクト
　１６ｂ　循環ガスライン用ガスダクト
　１７　　クーリングガス除塵機
　１８　　クーリングガス除塵機
　１９　　クーリングガス熱交換器（ボイラー）
　２０　　中間クーリングガスコンプレッサー
　２１　　中間クーリングゾーン
　２２　　シュート
　２３　　クーリングガスループ
　２３１　上部クーリングガスループ
　２３２　下部クーリングガスループ
　２４　　メタン生成装置
　３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ　直接還元鉄の製造設備
　Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５　炭化水素含有ガス
　Ｂ１，Ｂ２　高濃度酸素含有ガス
　Ｃ１　水素含有ガス

 

Claims (18)

  1. 　竪型還元炉で酸化鉄原料を還元ガスで還元し冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する直接還元鉄の製造設備であって、
    　前記竪型還元炉は、還元ゾーンとクーリングゾーンとを有し、
    　前記竪型還元炉で製造された還元鉄を冷却するクーリングガスを循環させるクーリングガスループを有し、
    　前記クーリングガスは、炭化水素濃度が５０％以上であり、
    　前記クーリングガスループは、前記竪型還元炉へ導入するクーリングガスの流量を調整できるように構成されており、且つ、クーリングガスの還元炉入口温度を調整するクーリングガスアフタークーラーを有することを特徴とする直接還元鉄の製造設備。
  2. 　竪型還元炉で酸化鉄原料を還元ガスで還元し冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する直接還元鉄の製造設備であって、
    　前記竪型還元炉は、還元ゾーンとクーリングゾーンとを有し、
    　前記還元ゾーンと前記クーリングゾーンとは、互いに独立した炉として構成され、還元鉄を前記クーリングゾーンへ降下させるシュートと、クーリングガスを前記還元ゾーンへ通過させる還元ゾーン用ガスダクトとで繋がれていることを特徴とする直接還元鉄の製造設備。
  3. 　竪型還元炉で酸化鉄原料を還元ガスで還元し冷却して直接還元鉄（Ｃｏｌｄ ＤＲＩ）を製造する直接還元鉄の製造設備であって、
    　前記竪型還元炉で製造された直接還元鉄を冷却するクーリングガスを循環させるクーリングガスループを有し、
    　前記竪型還元炉は、還元ゾーンと、クーリングゾーンと、前記還元ゾーンと前記クーリングゾーンとの間に設けられる中間クーリングゾーンとを有し、
    　前記クーリングガスループは、前記中間クーリングゾーンに設けられる上部クーリングガスループと、前記クーリングゾーンに設けられる下部クーリングガスループとを有し、
    　前記竪型還元炉のクーリングガスの出口において、前記上部クーリングガスループのクーリングガスの出口温度は、前記下部クーリングガスループのクーリングガスの出口温度よりも高温であることを特徴とする直接還元鉄の製造設備。
  4. 　前記クーリングゾーンに導入される少なくとも一部のクーリングガスの前記竪型還元炉の入口における温度が３５℃以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  5. 　還元ガスを製造するための改質器を備え、
    　前記竪型還元炉の前記クーリングゾーンから抜き出されたクーリングガスは、直接接触型水冷式クーリングガス冷却器を介することなく前記竪型還元炉に導入する還元ガス及び前記改質器の上流を流れるガスの少なくとも一方に混合されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  6. 　竪型還元炉で酸化鉄原料と還元ガスとを接触させて直接還元鉄を製造する直接還元鉄の製造設備であって、
    　前記竪型還元炉から排出されたガスから水分を調整するための水分調整装置と、
    　水分が調整されたガスに酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合するための第１のガス混合装置と、
    　混合ガスを自己のエネルギーで改質するオートサーマルリフォーマーと、を有し、
    　前記第１のガス混合装置は、混合する酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスの量を調整することで、前記オートサーマルリフォーマーの入口のガスの温度、出口のガスの温度及び出口のガスの還元度が適正範囲内となるように調整することを特徴とする直接還元鉄の製造設備。
  7. 　前記オートサーマルリフォーマーから排出されたガスに酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合する第２のガス混合装置をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の直接還元鉄の製造設備。
  8. 　前記竪型還元炉から排出されたガスから二酸化炭素の一部又は全部を除去するＣＯ２リムーバーをさらに有することを特徴とする請求項６又は７に記載の直接還元鉄の製造設備。
  9. 　前記オートサーマルリフォーマーの入口のガスの圧力が６００ｋＰａ(Ａ)未満であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  10. 　前記竪型還元炉と前記第１のガス混合装置との間に、前記竪型還元炉から排出されたガスを予熱する熱交換器をさらに有し、
    　前記熱交換器で予熱した後のガスの温度が８５０℃未満であることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  11. 　前記オートサーマルリフォーマーの入口のガスの温度が１５００℃以下で、且つ、前記オートサーマルリフォーマーの出口のガスの温度が７００℃以上となるように、前記第１のガス混合装置で混合する酸素量及び炭化水素ガス量を調整することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  12. 　前記オートサーマルリフォーマーを複数段有し、
    　最終段のオートサーマルリフォーマー出口のガスの還元度が７以上となることを特徴とする請求項１１に記載の直接還元鉄の製造設備。
  13. 　前記竪型還元炉で製造された還元鉄を冷却するクーリングガスを循環させるクーリングガスループを有し、
    　前記クーリングガスは、炭化水素濃度が５０％以上であり、
    　前記クーリングガスループは、前記竪型還元炉へ導入するクーリングガスの流量が調整できるように構成されており、且つ、クーリングガスの温度を調整するクーリングガスアフタークーラーを有することを特徴とする請求項６から１２のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  14. 　前記竪型還元炉は、還元ゾーンとクーリングゾーンとを有し、
    　前記還元ゾーンと前記クーリングゾーンとは、互いに独立した炉として構成され、還元鉄を前記クーリングゾーンへ降下させるシュートと、クーリングガスを前記還元ゾーンへ通過させる還元ゾーン用ガスダクトとで繋がれていることを特徴とする請求項６から１２のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  15. 　前記竪型還元炉で製造された直接還元鉄を冷却するクーリングガスを循環させるクーリングガスループを有し、
    　前記竪型還元炉は、還元ゾーンと、クーリングゾーンと、前記還元ゾーンと前記クーリングゾーンとの間に設けられる中間クーリングゾーンとを有し、
    　前記クーリングガスループは、前記中間クーリングゾーンに設けられる上部クーリングガスループと、前記クーリングゾーンに設けられる下部クーリングガスループとを有し、
    　前記竪型還元炉のクーリングガスの出口において、前記上部クーリングガスループのクーリングガスの出口温度は、前記下部クーリングガスループのクーリングガスの出口温度よりも高温であることを特徴とする請求項６から１２のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  16. 　竪型還元炉で酸化鉄原料と還元ガスとを接触させて直接還元鉄を製造する直接還元鉄の製造設備であって、
    　前記竪型還元炉から排出されたガスから二酸化炭素の一部又は全部を除去するＣＯ２リムーバーと、
    　前記ＣＯ２リムーバーで分離されて回収された二酸化炭素を主成分とするガスに水素含有ガスを混合してメタンを生成させるメタン生成装置と、を有し、
    　生成されたメタンを前記直接還元鉄の製造設備で利用することを特徴とする直接還元鉄の製造設備。
  17. 　前記竪型還元炉から排出されたガスから二酸化炭素の一部又は全部を除去するＣＯ２リムーバーと、
    　前記ＣＯ２リムーバーで分離されて回収された二酸化炭素を主成分とするガスに水素含有ガスを混合してメタンを生成させるメタン生成装置と、をさらに有し、
    　生成されたメタンを前記直接還元鉄の製造設備で利用することを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造設備。
  18. 　竪型還元炉で酸化鉄原料と還元ガスとを接触させて直接還元鉄を製造する直接還元鉄の製造方法であって、
    　前記竪型還元炉から排出されたガスの水分を調整する水分調整工程と、
    　水分が調整されたガスに酸素含有ガス及び炭化水素含有ガスを混合する第１ガス混合工程と、
    　混合ガスを自己のエネルギーで改質し、改質ガスを製造する改質ガス製造工程と、を有することを特徴とする直接還元鉄の製造方法。

     
PCT/JP2020/017566 2019-08-09 2020-04-23 直接還元鉄の製造設備及び製造方法 WO2021029114A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20851377.0A EP4141131A4 (en) 2019-08-09 2020-04-23 PLANT AND METHOD FOR PRODUCING DIRECTLY REDUCED IRON
JP2021539817A JPWO2021029114A1 (ja) 2019-08-09 2020-04-23
US17/971,276 US20230038218A1 (en) 2019-08-09 2022-10-21 Facility and method for production of direct reduced iron

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-147145 2019-08-09
JP2019147145A JP2024047592A (ja) 2019-08-09 2019-08-09 直接還元鉄の製造設備及び製造方法

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/971,276 Continuation US20230038218A1 (en) 2019-08-09 2022-10-21 Facility and method for production of direct reduced iron

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021029114A1 true WO2021029114A1 (ja) 2021-02-18

Family

ID=74570571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/017566 WO2021029114A1 (ja) 2019-08-09 2020-04-23 直接還元鉄の製造設備及び製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230038218A1 (ja)
EP (1) EP4141131A4 (ja)
JP (2) JP2024047592A (ja)
WO (1) WO2021029114A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2022264904A1 (ja) * 2021-06-14 2022-12-22

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS472901B1 (ja) * 1968-11-15 1972-01-26
US3764123A (en) 1970-06-29 1973-10-09 Midland Ross Corp Method of and apparatus for reducing iron oxide to metallic iron
JPS5484816A (en) * 1977-12-19 1979-07-06 Nippon Steel Corp Control of reduced iron discharge in vertical reducing furnace
JPS55113819A (en) * 1979-02-26 1980-09-02 Kawasaki Heavy Ind Ltd Method and apparatus for direct reduction iron making
US4336063A (en) 1980-09-29 1982-06-22 Hylsa, S.A. Method and apparatus for the gaseous reduction of iron ore to sponge iron
US5858057A (en) 1996-09-25 1999-01-12 Hylsa S.A. De C.V. Method for producing direct reduced iron with a controlled amount of carbon
JP2012007213A (ja) * 2010-06-25 2012-01-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置
JP2017088912A (ja) * 2015-11-04 2017-05-25 株式会社神戸製鋼所 還元鉄の製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7608129B2 (en) * 2006-04-24 2009-10-27 Hyl Technologies S.A. De C.V. Method and apparatus for producing direct reduced iron
WO2011031752A2 (en) * 2009-09-08 2011-03-17 The Ohio State University Research Foundation Synthetic fuels and chemicals production with in-situ co2 capture
DE102017006067A1 (de) * 2017-06-27 2018-12-27 Helmut Aaslepp Sauerstoff-Hochofen mit Top Gas Recycling

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS472901B1 (ja) * 1968-11-15 1972-01-26
US3764123A (en) 1970-06-29 1973-10-09 Midland Ross Corp Method of and apparatus for reducing iron oxide to metallic iron
JPS5484816A (en) * 1977-12-19 1979-07-06 Nippon Steel Corp Control of reduced iron discharge in vertical reducing furnace
JPS55113819A (en) * 1979-02-26 1980-09-02 Kawasaki Heavy Ind Ltd Method and apparatus for direct reduction iron making
US4336063A (en) 1980-09-29 1982-06-22 Hylsa, S.A. Method and apparatus for the gaseous reduction of iron ore to sponge iron
US5858057A (en) 1996-09-25 1999-01-12 Hylsa S.A. De C.V. Method for producing direct reduced iron with a controlled amount of carbon
JP2012007213A (ja) * 2010-06-25 2012-01-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 直接還元製鉄法およびそのための還元ガス製造装置
JP2017088912A (ja) * 2015-11-04 2017-05-25 株式会社神戸製鋼所 還元鉄の製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4141131A4

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2022264904A1 (ja) * 2021-06-14 2022-12-22
WO2022264904A1 (ja) * 2021-06-14 2022-12-22 Ｊｆｅスチール株式会社 還元鉄の製造方法
JP7428266B2 (ja) 2021-06-14 2024-02-06 Ｊｆｅスチール株式会社 還元鉄の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP4141131A1 (en) 2023-03-01
JPWO2021029114A1 (ja) 2021-02-18
EP4141131A4 (en) 2024-02-14
JP2024047592A (ja) 2024-04-08
US20230038218A1 (en) 2023-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11499201B2 (en) Direct reduction process utilizing hydrogen
EP1036203B1 (en) Method and apparatus for controlling dri carburization
US8926729B2 (en) Method and apparatus for direct reduction ironmaking
WO2009037587A2 (en) Method and apparatus for the direct reduction of iron ores utilizing gas from a melter-gasifier
JP7028373B1 (ja) 製鉄設備および還元鉄の製造方法
WO2021061896A1 (en) Direct reduction process utilizing hydrogen
US20230038218A1 (en) Facility and method for production of direct reduced iron
US6039916A (en) Apparatus for producing direct reduced iron with a controlled amount of carbon
JP4405665B2 (ja) 粒状形態の酸化鉄含有材料を直接還元するための方法及び装置
JP4967191B2 (ja) Ｄｒｉの浸炭を制御するための方法および装置
KR101684484B1 (ko) 용융슬래그로부터 회수한 현열의 활용을 극대화한 개질 촉매반응 공정 및 설비
EP3868899B1 (en) Carbon dioxide emission reduction type molten iron manufacturing apparatus and manufacturing method thereof
WO2024135695A1 (ja) 還元鉄の製造方法
WO2024135698A1 (ja) 還元鉄の製造方法
JP2016513004A (ja) 二酸化炭素を使用済みガスから分離する方法、及び装置
WO2024135852A1 (ja) 還元鉄の製造方法
WO2023162389A1 (ja) 粉鉄鉱石の還元方法
CN116034170A (zh) 用于对高炉设备进行操作的方法
JP2024522088A (ja) 高炉設備の運転方法
AU2022294428A1 (en) Method for operating shaft furnace and method for producing reduced iron
EA045314B1 (ru) Способ эксплуатации установки доменной печи
JPS62202007A (ja) 酸化鉄の還元方法
AU2017372827A1 (en) Hydrogen production equipment and hydrogen production method
JPS5919965B2 (ja) 還元鉄及び燃料ガスを同時に製造する鉄鉱石の流動還元法
JP2004204292A (ja) アイアンカーバイドを用いた水素及び鉄の製造方法並びに装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20851377

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WPC Withdrawal of priority claims after completion of the technical preparations for international publication

Ref document number: 2019-147145

Country of ref document: JP

Date of ref document: 20211125

Free format text: WITHDRAWN AFTER TECHNICAL PREPARATION FINISHED

WPC Withdrawal of priority claims after completion of the technical preparations for international publication

Ref document number: 2019-147145

Country of ref document: JP

Date of ref document: 20211125

Free format text: WITHDRAWN AFTER TECHNICAL PREPARATION FINISHED

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20851377

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021539817

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020851377

Country of ref document: EP

Effective date: 20221123