WO2022264666A1 - シャフト炉の操業方法及び還元鉄の製造方法 - Google Patents

シャフト炉の操業方法及び還元鉄の製造方法 Download PDF

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光輝 照井
晃太 盛家
純仁 小澤
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • Y02P10/143—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions of methane [CH4]

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a shaft furnace and a method for producing reduced iron.
  • Methods for producing reduced iron by reducing raw materials containing iron oxide include the blast furnace method, which uses coke as a reducing agent to produce hot metal, and the vertical furnace method, which uses reducing gas as a reducing agent (hereinafter referred to as " A method of blowing into a shaft furnace), a method of reducing ore fines in a fluidized bed with reducing gas, and a method of integrating raw material agglomeration and reduction (rotary kiln method) are known. .
  • a reducing gas mainly composed of carbon monoxide (CO) or hydrogen (H 2 ) produced by reforming natural gas or coal is used as a reducing agent.
  • the raw material charged into the furnace is heated by convective heat transfer with the reducing gas and reduced, and then discharged out of the furnace.
  • Oxidized gases such as water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ), and H 2 gas and CO gas that did not contribute to the reduction reaction are discharged from the furnace.
  • the raw materials (mainly Fe 2 O 3 ) charged into the furnace are subjected to reduction reactions represented by the following formulas (2) and (3) from CO gas and H 2 gas, which are reducing gases.
  • Equation (3) the amount of reduction reaction by H 2 shown in Equation (3) should be increased.
  • Reduction reactions with CO and H 2 differ in the amount of heat generated or absorbed in the reaction. That is, the heat of reduction reaction by CO is +6710 kcal/kmol (Fe 2 O 3 ), while the heat of reduction reaction by H 2 is ⁇ 22800 kcal/kmol (Fe 2 O 3 ). That is, the former is an exothermic reaction, whereas the latter is an endothermic reaction.
  • Patent Document 1 discloses a method of preheating the raw material iron oxide charged from above to 100°C or higher and 627°C or lower in advance.
  • Patent Document 1 required equipment for preheating the raw material.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and operates a shaft furnace that can produce reduced iron using a shaft furnace while suppressing CO 2 emissions and without preheating the raw material.
  • the purpose is to provide a method.
  • the present inventors found that H 2 generated by burning H 2 and O 2 as heat compensation during the reduction reaction with H 2 in a reducing furnace. It was found that the temperature drop in the upper part of the furnace can be suppressed by blowing combustion gas containing O into the upper part of the shaft furnace.
  • the present invention has been made based on the above findings. That is, the gist and configuration of the present invention are as follows.
  • a reducing gas containing H2 as a main component is introduced into the shaft furnace to reduce iron oxide contained in the agglomerate ore to obtain reduced iron.
  • a method of operating a shaft furnace comprising: A heated gas containing H 2 O, which is heated to 800° C. or higher by burning H 2 and O 2 , is injected into the shaft from a position higher than the introduction position of the reducing gas in the height direction of the shaft furnace.
  • a method of operating a shaft furnace that blows into the furnace.
  • [5] A method for producing reduced iron using the method for operating a shaft furnace according to any one of [1] to [4] above.
  • the operating method of the shaft furnace which can manufacture reduced iron using a shaft furnace, without preheating a raw material can be provided, suppressing discharge
  • FIG. 4 is a diagram showing the temperature distribution of agglomerate ore in the height direction of the shaft furnace calculated by a mathematical model for the operating method of the shaft furnace according to the present example and comparative example.
  • FIG. 1 shows an outline of a conventional shaft furnace operating method.
  • a surge bin 2 for storing agglomerate ore is installed in the upper part of the shaft furnace 1 .
  • a surge bin 2 supplies agglomerate ore to the upper part of the furnace.
  • CO and H2 produced by reforming natural gas are injected from the middle of the furnace.
  • the temperature of the agglomerate ore charged into the furnace is raised by heat exchange with these reducing gases, and the iron oxide contained in the agglomerate ore is reduced to become reduced iron.
  • the reduced agglomerate ore is discharged out of the furnace from the lower part of the furnace.
  • a reducing gas containing H 2 as a main component is introduced into the furnace.
  • “having H 2 as a main component” means that the content of H 2 contained in the reducing gas is 60% or more by volume.
  • the content of H2 contained in the reducing gas is preferably 100%.
  • by performing a reduction reaction using a reducing gas containing H2 as a main component it is possible to suppress the emission of CO2 compared to the case of performing a reduction reaction using a reducing gas containing CO as a main component. .
  • the CO content in the reducing gas is preferably 40% by volume or less, more preferably 0% by volume.
  • the amount of the reducing gas introduced into the shaft furnace is not particularly limited, but is 1500 Nm 3 /t-DRI or more for the reason that the agglomerate ore is smoothly lowered in the furnace while maintaining the production amount of reduced iron. It is preferably 3500 Nm 3 /t-DRI or less.
  • the temperature of the reducing gas is not particularly limited, it is preferably 800°C or higher in order to maintain a predetermined reduction rate of the agglomerate ore.
  • the temperature of the reducing gas is measured with a thermometer installed at the reducing gas inlet. By setting the temperature of the reducing gas to 800° C. or higher, a predetermined reduction rate can be maintained, and the reduction rate of the agglomerate ore reached by the time it is discharged from the lower part of the shaft furnace can be 90% or higher.
  • the reduction reaction of iron oxide by H2 is an endothermic reaction. Therefore, when iron oxide is reduced with a reducing gas containing H 2 as a main component, there is a concern that the temperature in the furnace will decrease and the reduction rate will decrease.
  • Temperature rise gas above °C is blown in to suppress the temperature drop in the furnace.
  • the reducing gas when the reducing gas is introduced from the central position in the height direction of the shaft furnace, the reducing gas flows upward in the shaft furnace. Therefore, by blowing the high-temperature raised gas from the blowing position higher than the introduction position of the reducing gas, it is possible to secure the reducing region and suppress the temperature drop in the furnace.
  • a gas containing H 2 O obtained by burning H 2 and O 2 is used as the temperature raising gas.
  • hot gases containing CO 2 obtained by burning hydrocarbons are blown in.
  • a heated gas containing H 2 O obtained by burning H 2 and O 2 it is possible to suppress the temperature drop in the furnace while reducing the amount of CO 2 emissions. can.
  • the elevated temperature gas includes H2O .
  • the elevated temperature gas preferably contains 67% by volume or more of H 2 O.
  • the content of H 2 O in the temperature-rising gas is preferably 98% by volume or less. If the entire amount of the temperature-rising gas is H 2 O, the reduced agglomerate above the temperature-rising gas injection position is re-oxidized by the temperature-rising gas. Therefore, it is preferable to add a small amount of H 2 to the elevated temperature gas to suppress the reoxidation, and therefore the upper limit of the content of H 2 O in the elevated temperature gas is preferably 98% by volume.
  • the elevated temperature gas contains H 2 O obtained by burning H 2 and O 2 .
  • H 2 O obtained by burning H 2 and O 2 in the temperature-raised gas leads to suppression of CO 2 emissions.
  • H 2 used for combustion is preferably generated by electrolyzing water using power generated while suppressing CO 2 emissions.
  • the elevated temperature gas may contain components other than H2O .
  • the elevated temperature gas can include N2 , H2, O2 , CO2 , CO in one example.
  • the content of CO2 in the temperature-rising gas is preferably 28% by volume or less.
  • the content of CO in the temperature-rising gas is preferably 19% by volume or less.
  • the gas discharged from the furnace top is recovered and reused as a reducing gas.
  • Inert gas (N 2 ) is preferably not contained in the gas discharged from the furnace top so as to have sufficient reducing ability when reused as reducing gas. Therefore, it is preferable to reduce the content of inert gas in the temperature-rising gas.
  • the content of inert gas in the elevated temperature gas is 50% by volume or less.
  • the temperature of the heated gas is 800°C or higher.
  • the temperature of the temperature-raised gas is measured, for example, by a thermometer installed at the inlet of the temperature-raised gas.
  • the upper limit of the temperature of the heated gas is not particularly limited, it is preferably 1000° C. or less.
  • the temperature of the heated gas is preferably 900° C. or higher. Further, the temperature of the heated gas is more preferably 950° C. or less.
  • the amount of heated gas blown into the shaft furnace is preferably 200 Nm 3 /t-DRI or more, and preferably 400 Nm 3 /t-DRI or less.
  • DRI means Direct Reduced Iron.
  • the amount of the temperature-raised gas blown is measured, for example, by a gas flow meter provided at the temperature-raised gas inlet.
  • the amount of the temperature-raised gas to be blown is more preferably 250 Nm 3 /t-DRI or more. Further, the blowing amount of the temperature-raised gas is more preferably 350 Nm 3 /t-DRI or less.
  • the injection position of the heated gas is set above the introduction position of the reducing gas in the height direction of the shaft furnace.
  • a reduction region can be ensured by blowing in the elevated temperature gas from above the introduction position of the reducing gas in the height direction of the shaft furnace.
  • the position at which the heated gas is injected is not limited to one position, and a plurality of positions may be provided in the circumferential direction of the shaft furnace.
  • L and l preferably satisfy the following formula (1), where l is the distance in the height direction of the shaft furnace from the position where the agglomerate ore is charged to the position where the heated gas is blown.
  • the charging position of the agglomerate ore refers to the surface layer of the agglomerate packed bed in the shaft furnace.
  • the introduction position of the reducing gas refers to the height of the introduction port of the reducing gas.
  • the temperature-raised gas blowing position refers to the position of the temperature-raised gas blowing port.
  • the introduction position of the reducing gas does not have to be particularly limited as long as it is below the blowing position of the temperature-raising gas.
  • the introduction position of the reducing gas is not limited to one position, and a plurality of positions may be provided in the circumferential direction of the shaft furnace.
  • the agglomerate ore charged into the shaft furnace may be fine ore or pellets made by firing fine ore into a spherical shape.
  • the agglomerate ore may be sintered ore obtained by firing a raw material containing iron oxide.
  • fine ore, pellets and sintered ore are collectively referred to as "agglomerate ore".
  • iron oxide contained in the agglomerate ore is reduced using the above-described shaft furnace operation method, reduced iron can be produced using the shaft furnace while suppressing CO 2 emissions and without preheating the raw material. can be manufactured.
  • Comparative Example 1 assumes operating conditions of a typical current shaft furnace. More specifically, in Comparative Example 1, it is assumed that the gas composition of the reducing gas is 60% by volume of CO and 40% by volume of H 2 , and no temperature-increasing gas is blown. In Comparative Example 2 , it is assumed that the total amount of the reducing gas is H2 and that no temperature-increasing gas is blown. In Example 1, it is assumed that the total amount of H 2 O temperature-increasing gas is blown into Comparative Example 2.
  • FIG. The introduction position of the reducing gas was the central portion in the height direction of the shaft furnace, and the blowing position of the temperature-raised gas was the central portion between the introduction position of the reducing gas and the top of the shaft furnace.
  • FIG. 3 shows the temperature distribution of the agglomerate in the furnace in the height direction of the shaft furnace calculated by the mathematical model.
  • the vertical axis represents the position in the height direction from the introduction position of the reducing gas.
  • the temperature of the agglomerate in the furnace is lowered due to the endothermic effect of hydrogen reduction.
  • Example 1 it can be seen that the temperature of the agglomerate ore is raised by blowing H 2 O as the temperature raising gas.
  • Comparative Example 2 the ultimate reduction rate of Comparative Example 2 is significantly lower than that of Comparative Example 1.
  • Example 1 by blowing in H 2 O as the temperature-increasing gas, the reduction rate was improved to the same level as in Comparative Example 1.

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Abstract

ＣＯ２の排出を抑制しつつ、かつ原料を事前に予熱することなく、シャフト炉を用いて還元鉄を製造することができるシャフト炉の操業方法を提供すること。　塊成鉱をシャフト炉に装入するとともに、Ｈ２を主成分とする還元ガスを前記シャフト炉に導入して、前記塊成鉱に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄を得る、シャフト炉の操業方法であって、Ｈ２及びＯ２を燃焼させて８００℃以上に昇温させたＨ２Ｏを含む昇温ガスを、前記シャフト炉の高さ方向において前記還元ガスの導入位置よりも上側から前記シャフト炉内に吹き込む、シャフト炉の操業方法。

Description

シャフト炉の操業方法及び還元鉄の製造方法
　本発明は、シャフト炉の操業方法及び還元鉄の製造方法に関する。
　酸化鉄を含む原料を還元して還元鉄を製造する方式としては、還元材にコークスを利用して溶銑を製造する高炉法や、還元材に還元ガスを利用して竪型炉（以下、「シャフト炉」と言う。）に吹き込む方式、同じく還元ガスにより粉鉱石を流動層中で還元する方式、原料の塊成化と還元とが一体となった方式（ロータリーキルン方式）などが知られている。
　これらのうち、高炉法を除く還元鉄の製造法においては、還元材として天然ガスや石炭を改質して製造した一酸化炭素（ＣＯ）または水素（Ｈ２）を主成分とした還元ガスが用いられている。炉内に装入された原料は、還元ガスとの対流伝熱により昇温されて還元された後、炉外に排出される。炉内からは水（Ｈ２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ２）などの酸化したガスや、還元反応に寄与しなかったＨ２ガスやＣＯガスが排出される。
　炉内に装入された原料（主にＦｅ２Ｏ３）は、還元ガスであるＣＯガスやＨ２ガスから以下の式（２）及び式（３）に示す還元反応を受ける。
Ｆｅ２Ｏ３　＋　３ＣＯ　→　２Ｆｅ　＋　３ＣＯ２　　…　（２）
Ｆｅ２Ｏ３　＋　３Ｈ２　→　２Ｆｅ　＋　３Ｈ２Ｏ　…　（３）
　すなわち、式（２）に示したＣＯガスによる還元では、還元後の排出ガスとしてＣＯ２が排出される。一方、式（３）に示したＨ２ガスによる還元では、還元後の排出ガスとしてＨ２Ｏが排出される。
　昨今、ＣＯ２排出量の増加による地球温暖化が問題となっている。温暖化の要因とされる温室効果ガスの一つであるＣＯ２の排出量を抑制するためには、式（３）に示されるＨ２による還元反応量を増加させればよい。ＣＯ及びＨ２による還元反応では、それぞれ反応に伴い発熱または吸熱する熱量が異なる。すなわち、ＣＯによる還元反応熱が＋６７１０　ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ（Ｆｅ２Ｏ３）であるのに対して、Ｈ２による還元反応熱は－２２８００　ｋｃａｌ／ｋｍｏｌ（Ｆｅ２Ｏ３）である。つまり、前者が発熱を伴う反応であるのに対し、後者は吸熱を伴う反応である。したがって、還元ガス中のＨ２濃度を高めて式（３）の反応量の増大を意図した場合、著しい吸熱反応が生じて炉内の温度が低下し、還元反応の停滞を招くおそれがある。そのため、何らかの方法によって不足する熱を補償する必要がある。
　不足する熱を補償する技術として、特許文献１には、上部より装入される原料酸化鉄を、事前に１００℃以上６２７℃以下にまで予熱する方法が開示されている。
特許第５６３０２２２号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された技術では、原料を事予熱する設備が必要であった。
　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、ＣＯ２の排出を抑制しつつ、かつ原料を事前に予熱することなく、シャフト炉を用いて還元鉄を製造することができるシャフト炉の操業方法を提供することを目的とする。
　上記した課題を達成するために、鋭意検討を重ねた結果、本発明者らは、還元炉においてＨ２による還元反応時の熱補償として、Ｈ２及びＯ２を燃焼させて発生させたＨ２Ｏを含む燃焼ガスをシャフト炉上部に吹き込む事により炉上部の温度低下を抑制できることを見出した。
　本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
［１］　塊成鉱をシャフト炉に装入するとともに、Ｈ２を主成分とする還元ガスを前記シャフト炉に導入して、前記塊成鉱に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄を得る、シャフト炉の操業方法であって、
　Ｈ２及びＯ２を燃焼させて８００℃以上に昇温させたＨ２Ｏを含む昇温ガスを、前記シャフト炉の高さ方向において前記還元ガスの導入位置よりも上側の吹き込み位置から前記シャフト炉内に吹き込む、シャフト炉の操業方法。
［２］　前記昇温ガスのＨ２Ｏの含有量は６７体積％以上９８体積％以下である、前記［１］に記載のシャフト炉の操業方法。
［３］　前記昇温ガスは１０００℃以下である、前記［１］または［２］に記載のシャフト炉の操業方法。
［４］　前記塊成鉱の装入位置から前記還元ガスの導入位置までの前記シャフト炉の高さ方向における距離Ｌと、前記塊成鉱の装入位置から前記昇温ガスの吹き込み位置までの前記シャフト炉の高さ方向における距離ｌとが、下記式（１）を満たす、前記［１］～［３］のいずれか１つに記載のシャフト炉の操業方法。
Ｌ／４≦ｌ≦Ｌ／２　　…（１）
［５］　前記［１］～［４］のいずれか１つに記載のシャフト炉の操業方法を用いた、還元鉄の製造方法。
　本発明によれば、ＣＯ２の排出を抑制しつつ、かつ原料を予熱することなく、シャフト炉を用いて還元鉄を製造することができるシャフト炉の操業方法を提供することができる。
従来のシャフト炉の操業方法の概略を表す図である。 本発明の一実施形態に係るシャフト炉の操業方法の概略を表す図である。 本実施例及び比較例に係るシャフト炉の操業方法について数理モデルにより計算した、シャフト炉の高さ方向における塊成鉱の温度分布を示す図である。
　以下では本発明を実施するための一実施形態を説明する。なお、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、本発明の実施形態は下記の実施形態に限定されるものではない。
　本発明を実施するための一形態について説明する。図１に従来のシャフト炉の操業方法の概略を示す。シャフト炉１の上部には塊成鉱を貯留するサージビン２が配設される。サージビン２は炉上部へと塊成鉱を供給する。従来のシャフト炉の操業方法においては、炉中部から天然ガスを改質して製造したＣＯ及びＨ２が吹き込まれる。炉内に装入後の塊成鉱は、これら還元ガスとの熱交換により昇温され、塊成鉱に含まれる酸化鉄が還元されて還元鉄となる。還元された塊成鉱は、炉下部から炉外へ排出される。
［還元ガス］
　本実施形態に係るシャフト炉の操業方法では、Ｈ２を主成分とする還元ガスを炉内に導入する。ここで、Ｈ２を主成分とするとは、還元ガスに含まれるＨ２の含有量が、体積％で６０％以上であることを意味する。還元ガスに含まれるＨ２の含有量は、好ましくは１００％である。前述の通り、Ｈ２を主成分とする還元ガスを用いて還元反応を行うことで、ＣＯを主成分とする還元ガスを用いて還元反応を行う場合に比べて、ＣＯ２の排出を抑制できる。ＣＯ２排出量を低減させるため、還元ガス中のＣＯ含有量は極力低減することが好ましい。還元ガス中のＣＯ含有量は、好ましくは、４０体積％以下、より好ましくは、０体積％である。
　シャフト炉内への還元ガスの導入量は、特に限定されないが、還元鉄の生産量を維持しつつ、炉内において塊成鉱を円滑に降下させるという理由から、１５００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以上であることが好ましく、また３５００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以下であることが好ましい。
　還元ガスの温度は、特に限定されないが、塊成鉱の所定の還元速度を維持するという理由から、８００℃以上とすることが好ましい。なお、還元ガスの温度は、還元ガス導入口に設置した温度計により測定する。還元ガスの温度を８００℃以上にすることで、所定の還元速度が維持され、シャフト炉下部より排出されるまでに到達する塊成鉱の還元率を９０％以上にできる。
　前述のとおり、Ｈ２による酸化鉄の還元反応は吸熱反応である。よって、Ｈ２を主成分とする還元ガスにより酸化鉄の還元を行うと、炉内の温度が低下し、還元速度が低下する懸念がある。
　そこで本実施形態では、炉内の温度の低下を抑制するために、図２に示すように、シャフト炉の高さ方向において還元ガスの導入位置よりも上側の吹き込み位置から、シャフト炉内に８００℃以上の昇温ガスを吹き込み、炉内の温度の低下を抑制する。図２に示すように、シャフト炉の高さ方向中部の位置から還元ガスを導入する場合、還元ガスはシャフト炉の上部方向に向かって流れる。よって、還元ガスの導入位置よりもさらに上側の吹き込み位置から高温の昇温ガスを吹き込むことで、還元領域を確保するとともに炉内の温度の低下を抑制できる。
　昇温ガスとしては、Ｈ２とＯ２を燃焼させて得たＨ２Ｏを含むガスを用いる。従来は炭化水素を燃焼させて得た、ＣＯ２を含む高温のガスを吹き込んでいた。これに対し、本実施形態においては、Ｈ２及びＯ２を燃焼させて得たＨ２Ｏを含む昇温ガスを吹き込むことで、ＣＯ２排出量を低減しつつ、炉内の温度低下を抑制できる。
［昇温ガス］
　昇温ガスは、Ｈ２Ｏを含む。昇温ガスは、好ましくはＨ２Ｏを６７体積％以上含む。昇温ガス中のＨ２Ｏの含有量は９８体積％以下であることが好ましい。昇温ガスの全量がＨ２Ｏであると昇温ガス吹き込み位置よりも上側で還元された塊成鉱が当該昇温ガスにより再酸化される。このため、昇温ガスに少量のＨ２を添加して当該再酸化を抑制することが好ましく、したがって、昇温ガスのＨ２Ｏの含有量の上限は９８体積％であることが好ましい。
　昇温ガスはＨ２及びＯ２を燃焼させて得たＨ２Ｏを含む。昇温ガスがＨ２及びＯ２を燃焼させて得たＨ２Ｏを含むことはＣＯ２の排出を抑制できることにつながる。さらにＣＯ２の排出を抑制するため、燃焼に使用するＨ２は、ＣＯ２の排出を抑えて発電した電力を用いて、一例においては水を電気分解して生成することが好ましい。
　昇温ガスは、Ｈ２Ｏ以外の成分を含んでいてもよい。昇温ガスは、一例においては、Ｎ２、Ｈ２、Ｏ２、ＣＯ２、ＣＯを含み得る。ＣＯ２排出量を低減させるため、昇温ガス中のＣＯ２の含有量は２８体積％以下であることが好ましい。ＣＯ２排出量を低減させるため、昇温ガス中のＣＯの含有量は１９体積％以下であることが好ましい。
　また、一般的に、シャフト炉の操業においては、炉頂より排出されるガスを回収して再度還元ガスとして使用する。還元ガスとしての再利用時に十分な還元能を有するよう、炉頂から排出されるガス中には不活性ガス（Ｎ２）は含まれないことが好ましい。よって、昇温ガス中の不活性ガスの含有量を低減することが好ましい。好ましくは、昇温ガス中の不活性ガスの含有量は５０体積％以下である。
　昇温ガスの温度は８００℃以上である。なお、昇温ガスの温度は、例えば、昇温ガスの吹き込み口に設置した温度計により測定する。昇温ガスの温度を８００℃以上にすることで、水素による還元反応に伴う炉内温度の低下を効率的に抑制できる。昇温ガスの温度の上限は特に限定されないが、１０００℃以下であることが好ましい。昇温ガスの温度を１０００℃以下にすることで、原料同士が固着するクラスタリングの発生をより好適に抑制できる。昇温ガスの温度は、好ましくは９００℃以上とする。また、昇温ガスの温度は、より好ましくは９５０℃以下とする。
　シャフト炉内への昇温ガスの吹き込み量は、２００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以上であることが好ましく、また４００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以下であることが好ましい。ここで、ＤＲＩは直接還元鉄（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｉｒｏｎ）を意味する。なお、昇温ガスの吹き込み量は、例えば、昇温ガスの吹き込み口に設けられた気体流量計により測定する。昇温ガスの吹き込み量を２００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以上にすることで、水素還元に伴う炉内温度の低下を効率的に抑制できる。また、昇温ガスの吹き込み量を４００Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以下にすることで、昇温ガスの吹抜けが抑制され、着熱効率を高めることができる。昇温ガスの吹き込み量は、より好ましくは２５０Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以上とする。また、昇温ガスの吹き込み量は、より好ましくは３５０Ｎｍ３／ｔ－ＤＲＩ以下とする。
　昇温ガスの吹き込み位置は、還元ガスの導入位置に対し、シャフト炉の高さ方向において上側の位置に設ける。シャフト炉の高さ方向における還元ガスの導入位置よりも上側から昇温ガスを吹き込むことで還元領域を確保できる。昇温ガスの吹き込み位置は１か所に限定されず、シャフト炉の周方向に複数設けてもよい。
　シャフト炉内の温度低下をより効率的に抑制する観点からは、図２に示すように、塊成鉱の装入位置から還元ガスの導入位置までのシャフト炉の高さ方向における距離をＬとし、塊成鉱の装入位置から昇温ガスの吹き込み位置までのシャフト炉の高さ方向における距離をｌとして、Ｌとｌとが下記式（１）を満たすことが好ましい。
Ｌ／４≦ｌ≦Ｌ／２　　…（１）
　すなわち、塊成鉱の装入位置からのシャフト炉の高さ方向における距離ｌがＬ／４以上Ｌ／２以下となる位置から、昇温ガスをシャフト炉内に吹き込むことが好ましい。塊成鉱の装入位置からの距離ｌがＬ／４以上となる位置からＨ２Ｏを含むガスを吹き込むことで、水素還元に伴う炉内温度の低下をより効率的に抑制できる。また、Ｈ２Ｏを含む昇温ガスを吹き込んだ位置から塊成鉱の還元が停滞する。そのため、塊成鉱の装入位置からの距離ｌがＬ／２以下となる位置からＨ２Ｏを含む昇温ガスを吹き込むことで、炉内で塊成鉱に含まれる酸化鉄を還元するための領域を確保でき、還元率をより向上させることができる。ここで、塊成鉱の装入位置は、シャフト炉内の塊成鉱充填層の表層面を指す。また、還元ガスの導入位置は、還元ガスの導入口の高さを指す。昇温ガスの吹き込み位置は、昇温ガスの吹き込み口の位置を指す。
　還元ガスの導入位置は昇温ガスの吹き込み位置よりも下側であれば、特に限定しなくてよい。還元ガスの導入位置は１か所に限定されず、シャフト炉の周方向に複数設けてもよい。
　シャフト炉に装入する塊成鉱は、微粉鉱石のほか、粉鉱石を球状に焼き固めたペレットであってもよい。塊成鉱は、酸化鉄を含有する原料を焼成した焼結鉱であってもよい。本明細書では、微粉鉱石、ペレット及び焼結鉱を合わせて「塊成鉱」と称する。
　なお、上述した条件以外は、常法によることができる。
　上述したシャフト炉の操業方法を用いて塊成鉱に含まれる酸化鉄を還元すれば、ＣＯ２の排出を抑制しつつ、かつ原料を事前に予熱することなく、シャフト炉を用いて還元鉄を製造することができる。
　１次元の伝熱・反応に関する数理モデルを用いて、本実施形態に係るシャフト炉の操業方法に従って操業したシャフト炉を対象として、炉内温度分布の計算を行った。表１に、計算に用いた各種数値を示す。表１において、比較例１は現行の代表的なシャフト炉の操業条件を想定している。より詳細には、比較例１においては、還元ガスのガス組成を、ＣＯを体積％で６０％、Ｈ２を４０％とし、かつ昇温ガスを吹き込まなかった場合を想定している。比較例２は還元ガスを全量Ｈ２とし、かつ昇温ガスを吹き込まなかった場合を想定している。実施例１は比較例２に対して全量Ｈ２Ｏの昇温ガスを吹き込んだ場合を想定している。なお、還元ガスの導入位置はシャフト炉の高さ方向における中央部とし、昇温ガスの吹き込み位置は、還元ガスの導入位置とシャフト炉最上部との中央部とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　シャフト炉方式の直接還元の計算については、高炉を対象とした１次元の非定常モデル（参考文献１）の考え方を用いて数理モデルを構築し、これをシャフト炉の計算に用いた。塊成鉱の還元反応モデルには、還元反応が鉱石粒子表面上のガス境膜内拡散、粒内拡散及び反応界面での化学反応の３過程が定常的に進行するとみなす総括反応速度式（参考文献２、参考文献３）を用いた。これらの数理モデルから、各実施例について、塊成鉱の温度や塊成鉱に含まれる酸化鉄の還元率をガスの送風条件に応じて計算した。結果を図３および表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図３に、数理モデルにより計算したシャフト炉の高さ方向における炉内の塊成鉱の温度分布を示す。なお、図３においては、還元ガスの導入位置からの高さ方向における位置を縦軸としている。図３に示すように、比較例１の温度分布に対して、比較例２では水素還元による吸熱の影響により炉内の塊成鉱の温度が低下している。これに対して実施例１では、昇温ガスとしてＨ２Ｏを吹き込むことにより、塊成鉱の温度が上昇していることが分かる。
　また、表２に示すように、比較例１に対して比較例２では到達還元率が大きく低下している。これに対し、実施例１においては、昇温ガスとしてＨ２Ｏを吹き込むことにより、還元率が改善し、比較例１と同等の水準まで向上していることが分かる。
［参考文献１］久保秀穂、外２名、「高炉の動特性検討のための数式モデル」、川崎製鉄技報、Ｖｏｌ．１４、１９８２、Ｎｏ．２、ｐ.１３４－１４４
［参考文献２］鞭巌、外３名、「高炉の炉内反応速度」、日本金属学会誌、第３０巻、１９６６年、第９号、ｐ.８２６－８３１
［参考文献３］八木順一郎、外３名、「高炉モデルへの水素と水蒸気が関与する反応と層頂ガス温度の適用」、日本金属学会誌、第３１巻、１６９７年、第６号、ｐ.７１１－７１６
　１　シャフト炉
　２　サージビン

Claims (5)

  1. 　塊成鉱をシャフト炉に装入するとともに、Ｈ２を主成分とする還元ガスを前記シャフト炉に導入して、前記塊成鉱に含まれる酸化鉄を還元して還元鉄を得る、シャフト炉の操業方法であって、
    　Ｈ２及びＯ２を燃焼させて８００℃以上に昇温させたＨ２Ｏを含む昇温ガスを、前記シャフト炉の高さ方向において前記還元ガスの導入位置よりも上側の吹き込み位置から前記シャフト炉内に吹き込む、シャフト炉の操業方法。
  2. 　前記昇温ガスのＨ２Ｏの含有量は６７体積％以上９８体積％以下である、請求項１に記載のシャフト炉の操業方法。
  3. 　前記昇温ガスは１０００℃以下である、請求項１または２に記載のシャフト炉の操業方法。
  4. 　前記塊成鉱の装入位置から前記還元ガスの導入位置までの前記シャフト炉の高さ方向における距離Ｌと、前記塊成鉱の装入位置から前記昇温ガスの吹き込み位置までの前記シャフト炉の高さ方向における距離ｌとが、下記式（１）を満たす、請求項１～３のいずれか１項に記載のシャフト炉の操業方法。
    Ｌ／４≦ｌ≦Ｌ／２　　…（１）
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のシャフト炉の操業方法を用いた、還元鉄の製造方法。
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