JPH04318125A - 鉄系スクラップの再利用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車解体屑等の老廃
鉄系スクラップの再利用方法に関する。さらに詳述すれ
ば、直接再利用が困難な老廃鉄系スクラップを使用して
クリーンなエネルギーである水素を製造すると共に、生
成した酸化鉄と酸化されないＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎ等の非鉄
金属とを溶融状態で分離し、両者をそれぞれ回収するこ
とにより資源の有効利用を図る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまで、一般に老廃鉄系スクラップは
回収・仕分けされた後、ギロチンと呼ばれる切断処理や
シュレッダー処理等によりサイジングされ、またその際
、ある程度、ゴム・プラスチック等の非金属およびＣｕ
等の非鉄金属を分離除去し、製鋼用原料として再生され
ている。しかし、自動車や家電製品のスクラップに混入
しているＣｕ、Ｓｎ等を含む部品である小型モータ等を
このような処理方法で分離・除去するのは困難である。

【０００３】このような老廃鉄系スクラップ（　以下、
単に老廃スクラップともいう）　は、一般に電気炉で溶
解され再利用され、製品化されているが、ほとんどの製
品はＣｕ、Ｓｎなどの不純物含有規制値の比較的緩やか
な棒鋼である。高炉メーカで製造されている薄板、厚板
、鋼管等の製品は、製造段階で熱間・冷間加工等を行う
際にスクラップ由来のＣｕ、Ｓｎ等の特殊な不純物　（
以下、トランプエレメントと称する）　含有量が問題と
なり、上記のような老廃スクラップは極く少量しか使用
されていない。

【０００４】製鋼精錬ではＳ、Ｐ、Ｏ、Ｎ、Ｃ等の不純
物を除去する技術は確立されている。しかし、Ｃｕ、Ｓ
ｎ等のトランプエレメントを除去する精錬技術は確立さ
れておらず、超真空あるいは超高温で蒸発除去する方法
や硫黄化合物等の特殊なフラックスを用いる方法が実験
室規模で試みられているにすぎない。これらの方法は技
術的問題に加え、コスト的にも有望とは考え難い。また
、最近、欧米先進国と同様、日本においても老廃スクラ
ップ発生が増加傾向にあり、建材、機械、自動車、家電
等のスクラップを中心に現状約２２百万トン／年の発生
量が２０２０年には倍近くまで増加することが予測され
ている。

【０００５】一方、将来ますます表面処理や複合鋼板等
の鉄鋼製品の高付加価値化が進むことが考えられる。こ
のような製品のスクラップは不純物を多く含むため、回
収しても直接製鉄用スクラップとして再利用するのは困
難と考えられる。さらに、地球温暖化問題の観点から、
精錬の際、ＣＯ２　発生の少ないスクラップの利用が注
目されていくと考えられる。以上を総合すると、増加す
る老廃スクラップを使用して、棒鋼のみならず一般的な
鉄鋼製品を製造することは、将来の大きな課題と言える
。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、特にＣｕ
、Ｓｎ等のトランプエレメントを精錬除去することが困
難な理由は、それらのトランプエレメントがＦｅより酸
化され難い元素であるからである。逆に言えば、Ｆｅを
酸化してしまえば、酸化されないトランプエレメントは
分離し易くなる。しかし、単に空気や酸素でスクラップ
を酸化しても鉄から酸化鉄に変化するだけでメリットは
少ない。

【０００７】一方、Ｈ２はクリーンなエネルギーとして
石油精製およびアンモニア合成にその需要の拡大が見込
まれる。Ｈ２は、一般に、メタン、プロパン等の炭化水
素ガスを主成分とする天然ガスや石油ガスを水蒸気を用
いて改質し　（ＣＯとＨ２にする）　、さらにウォータ
シフト反応によりＣＯ２　とＨ２に変換した後、ＣＯ２
　を分離除去して製造されている。しかし、この方法で
は天然資源の節約、また地球温暖化対策としてのＣＯ２
　の発生量を減少させるという面での効果が少なく、将
来的には問題がある。

【０００８】理想的な方法は、太陽エネルギー等のクリ
ーンエネルギーを用い、水を分解してＨ２を製造するこ
とであるが、少なくとも現状では技術的、コスト的に実
用化は困難である。ここに、本発明の目的は、老廃スク
ラップからトランプエレメントを除去するとともに、ク
リーンなエネルギーであるＨ２をＣＯ２　の副生を伴う
ことなく製造することができる方法を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らはか
かる課題を解決すべく種々検討を重ね、次のような知見
を得た。 （１）　老廃スクラップを一種のエネルギー源と考え、
水蒸気と反応させることにより、Ｈ２というクリーンエ
ネルギーに変換することができる。すなわち Ｆｅ＋ＸＨ２Ｏ　＝　ＦｅＯＸ　＋　ＸＨ２　　　　・
・・（１）（２）　生成した酸化鉄を石灰等の造滓剤と
反応させ、低融点　（１１００〜１３００℃）　スラグ
として溶融させることにより、水蒸気により酸化されな
いＣｕ、Ｓｎ等の不純物　（小型モータ等から混入して
くる）　から分離し、回収することができる。回収され
た酸化鉄主体のスラグはトランプエレメントをほとんど
含まないため、良質の製鋼用原料として再使用できる。 （３）　後述のように、スクラップの水蒸気による酸化
反応は、生成された緻密な酸化鉄層内ガス拡散が律速と
なり、反応速度が遅いが、生成酸化鉄を低融点スラグ中
に溶融させることにより、反応速度を著しく促進するこ
とができる。

【００１０】本発明は、自動車解体屑等の鉄系スクラッ
プを７００　℃以上の高温状態で水蒸気により酸化する
ことにより生成した水素ガスを回収すると共に、生成し
た酸化鉄を、石灰等の造滓剤と反応させて低融点スラグ
として溶融させることにより、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ等の酸
化され難い非鉄金属から分離し、酸化鉄主体のスラグは
鉄源として、また、溶融非鉄金属は非鉄金属源として、
それぞれ回収することを特徴とする鉄系スクラップの再
利用方法である。

【００１１】本発明の好適態様によれば、前記酸化鉄の
溶解のための熱源として、酸素を使用してもよい。また
、シャフト炉等の向流移動層を反応器として使用して前
記鉄系スクラップの酸化、溶解を行ってもよい。さらに
、前記鉄系スクラップは、シュレッダー等の切断処理に
より、サイジングおよび選別を行ったものを使用しても
よい。

【００１２】このように、本発明によれば、老廃鉄系ス
クラップを７００℃以上の高温状態で水蒸気と反応させ
、水素ガスを製造すると共に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ等の酸
化されない非鉄金属の分離除去を容易にし、資源の再利
用を図るものである。本発明が処理の対象とする老廃ス
クラップは、自動車解体屑ばかりでなく、家電、建材、
機械などいずれの分野の鉄系スクラップをも包含するの
であって、特定のものに制限されないが、いわゆるトラ
ンプエレメントを含有するものについてその利益が大き
い。

【００１３】

【作用】次に、本発明において処理条件などを上述のよ
うに限定した理由について詳述する。まず、水蒸気との
反応温度を７００　℃以上に限定している理由は、水蒸
気との十分な反応速度を確保するためである。そのよう
な高温度は、予め別途スクラップを適宜手段で所定温度
にまで予熱してから反応容器にその予熱スクラップを装
入するか、あるいは高温不活性ガスを反応容器内に吹き
込んで予めスクラップを加熱するかして、確保する。

【００１４】図１に厚さ３０ｍｍの鉄板を水蒸気雰囲気
下で２０時間反応させた後の酸化層厚さをそのときの温
度に対してグラフで示す。緻密な酸化鉄層が生成される
ため、反応速度は遅いが、温度上昇により反応速度は著
しく増大する。シュレッダー屑のようなスクラップは、
厚さ１ｍｍ程度の薄板を軽くプレスしたような状態にな
っているものが大部分である。したがって、酸化反応が
薄板の両面から進むこと、ならびに反応器内の滞留時間
を最大２０時間と仮定し、スクラップの７０％以上を酸
化させる、すなわち、１ｍｍ厚の鉄板の場合、０．７ｍ
ｍ（片側０．３５ｍｍ）　以上を酸化させるためには、
図１のグラフからも判るように７００　℃以上の温度が
必要である。ちなみに６００　℃ではスクラップの７０
％を酸化するのに７０時間必要となる。

【００１５】次に、内径７０ｍｍ、外径１００　ｍｍ、
高さ２００　ｍｍの鉄ルツボ中にＦｅＯ：８０％、Ｃａ
Ｏ：２０％の混合フラックス１２００ｇを入れ、１２５
０℃まで昇温し同フラックスを溶解した後、粒径５〜１
０ｍｍの生石灰２００ｇを添加し、溶融スラグ上から鉄
製パイプを通して水蒸気を９．０　Ｎｌ／ｍｉｎの流量
で６０分間スラグ上面に向かって吹きつけ、鉄ルツボの
酸化・損耗状況を調査した。ルツボは底面と側壁部で底
より約８０ｍｍの部分が損耗しており、測定した結果、
平均約３．１　ｍｍ損耗されていることが判明した。こ
れらの結果より、スラグ中の鉄イオンが２価、３価の形
態をとることにより酸素媒体の役目をし、鉄ルツボを酸
化させること、ならびに、酸化により生成した酸化鉄を
スラグに溶解することにより酸化反応が促進されること
が判明した。

【００１６】図１に示す固体状態での鉄の酸化速度に比
べ、溶融スラグの存在下では約３倍の反応速度であり、
著しい反応速度向上効果があることが判明した。したが
って、本発明の好適態様によれば、生石灰などの造滓剤
との共存下でスクラップの水蒸気酸化を行えば特に速や
かに酸化が起こり、それに伴って水素生成も促進される
。本発明の好適態様にあって、向流移動層を反応容器と
して使用するのは、後述の実施例で示すように固体　（
スクラップ）　−ガス間の熱交換および反応を良好にし
、熱効率を高めるためである。向流移動層としては例え
ば高炉のようなシャフト炉タイプ等が挙げられる。但し
、効率は低下するもののバッチ型反応器を用いることも
可能である。

【００１７】さらに、使用する老廃スクラップとしては
、ハンドリング上、また反応器内のガス流れ分布を比較
的均一にするため、シュレッダー処理等によってサイジ
ングしたものを用いることが望ましい。シュレッダー処
理の際、磁選等により大まかな選別を行ったものを使用
することが望ましい。ゴムやプラスチック等が混入する
とＣＯやＣＯ２　、Ｎ２といったＨ２、Ｈ２Ｏ　以外の
ガスが発生するため、後にガスの精製が煩雑になるため
である。

【００１８】なお、（１）　式で示した反応は発熱反応
であるが、発熱量は小さく生成した酸化鉄を溶解するに
は何らかの形で他のエネルギーを加える必要がある。電
力等の加熱エネルギーを加えることも可能であるが、ロ
スも多く反応器の設計も難しくなる。また、石油等の化
石燃料を燃焼させる方法もあるが、このような燃料は炭
素を含んでいるため生成ガス中にＣＯやＣＯ２　ガスが
含有されることになり、Ｈ２ガスの純度が低下する。

【００１９】したがって、本発明の好適態様にあっては
、水蒸気とともに少量の酸素を吹込んでスクラップ中の
鉄を酸化させる際の発熱により酸化鉄を溶解する。この
方法によれば、熱ロスも非常に少なく反応器の設計も容
易であり、かつ生成ガスにも問題を及ぼさない。空気を
用いることも可能であるが、生成ガス中にＮ２が混入す
るので純度低下の問題がある。

【００２０】鉄が酸化し、生成した酸化鉄と石灰等の造
滓剤と反応すると低融点スラグが生成する。例としてＦ
ｅＯ　−ＣａＯ　系を例にとると１００　％ＦｅＯ　で
は融点は約１３９０℃であるのに対し、９０％ＦｅＯ　
−１０％ＣａＯ　、８０％ＦｅＯ　−２０％ＣａＯ　、
７５％ＦｅＯ　−２５％ＣａＯ　スラグの融点はそれぞ
れ約１３００℃、１２００℃、１１５０℃である。でき
るだけ低温で処理した方が、熱効率面および耐火物の損
耗抑制面で有利であることは明らかである。

【００２１】一方、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ等のトランプエレ
メントは酸化されず、メタルのまま残るが、主体となる
成分であるＣｕの融点は１０８３℃である。従って、１
２００〜１３００℃といった温度では、Ｃｕは溶解し、
またＮｉ、Ｓｎ等の比較的少量の成分も溶融Ｃｕ中に溶
解し、溶融メタルを形成する。 従って、鉄を酸化し、スラグとして溶解する際、Ｃｕを
主体とするトランプエレメントは溶融メタルを形成する
ことから、この２相の溶体を一定時間保持すれば、自然
と比重分離されることになる。つまり、スクラップ中の
トランプエレメントを分離し、酸化鉄主体のスラグとＣ
ｕ主体のメタルをそれぞれ別に回収することが可能とな
る。

【００２２】

【実施例１】本例では、本発明方法にて老廃スクラップ
を水蒸気で酸化し、水素を製造すると共に生成した酸化
鉄を生石灰と反応させ低融点スラグとして溶融させるこ
とにより、Ｃｕを主体とするトランプエレメントと分離
し、酸化鉄主体のスラグとＣｕ主体の溶融金属の両者を
回収した。本例で使用した反応容器は図２に示すバッチ
型反応器であった。図２（ａ）　に示すように、内径４
００　ｍｍ、高さ１０００ｍｍの耐火物７を内張した炉
内に、予め約１０００℃に予熱した　１００ｋｇのスク
ラップ１と　１５ｋｇ　の生石灰２を混合して充填した
。スクラップとしては粒径５０〜１００　ｍｍのシュレ
ッダースクラップを用いた。

【００２３】次に２本の羽口６より水蒸気３と酸素４の
混合ガスを吹込んだ。水蒸気および酸素の流量はそれぞ
れ４０Ｎｍ３／ｈｒ、１０Ｎｍ３／ｈｒとした。この状
態で約１時間処理を行ったところ、図２（ｂ）　に示す
ようにスクラップは全て酸化され生石灰と反応して溶解
した。溶融スラグ８の温度は約１３００℃であった。生
成した水蒸気とＨ２の混合ガス５は冷却・除塵後、流量
測定ならびに組成分析に供した。またテスト終了後は羽
口よりＮ２ガスを吹込みながら冷却してから、炉内を解
体調査した。

【００２４】発生したガスを冷却後分析したところ　（
冷却時に水蒸気は水となり分離される）　ほぼ１００　
％がＨ２であった。Ｈ２ガスの積算発生量は約１９Ｎｍ
３　であった。また、処理後の炉内を解体調査したとこ
ろ、図２（ｂ）　に示すように、ＦｅＯ　−ＣａＯ　系
のスラグの下に部分的にＣｕ主体のメタル粒９が存在し
ていた。使用したスクラップ中のＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎの含
有量は平均でそれぞれ、０．３５、０．０９、０．０２
０　％であったが、上記処理後に生成したＦｅＯ　−Ｃ
ａＯ　系スラグ中にはＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎがそれぞれ０．
０１２　％、０．００５　％、０．００２　％しか含ま
れていなかった。

【００２５】

【実施例２】本例では、図３に示す高炉に類似したシャ
フト炉型反応器での連続操業テストを実施した。耐火物
７を内張りした内径８００ｍｍ　、高さ３０００ｍｍの
炉内に実施例１で用いたものと同様の約１．６　トンの
スクラップ１および０．２４トンの生石灰２を充填した
後、羽口６より約１０００℃のＮ２ガスを吹込み、スク
ラップ層内を約８００　℃に予熱した。その後、吹込み
ガスをＯ２　５０　％、Ｎ２　５０　％の混合ガスに切
替え、炉下部のスクラップを一部溶解した。

【００２６】その後、吹込みガスを水蒸気３と酸素４の
混合ガスに切替え、水蒸気酸化をスタートした。流量は
、それぞれ水蒸気２８０　Ｎｍ３／ｈｒ、酸素３０Ｎｍ
３／ｈｒであった。スクラップが溶解すると空隙がなく
なるため、その分体積が小さくなりスクラップ層の高さ
が低くなる。その溶解分だけ炉上部よりスクラップ１を
追加装入し、常に一定高さになるよう操業した。スクラ
ップの装入速度は平均で約０．５　トン／ｈｒ　であっ
た。水蒸気吹込み地点でのスクラップ温度はほゞ１３０
０℃であった。

【００２７】１時間後に排出口１０を開孔し、炉内より
溶融スラグ８と溶融メタル１１を排出した。操業は約６
ｈｒでほぼ定常状態となり、その後約２４時間の操業を
継続した。炉上から排出されるガス５の流量は２８０Ｎ
ｍ３／ｈｒ　、その組成は平均でＨ２約５１％、Ｈ２Ｏ
　約４９％であり、温度は約２００　℃であった。排出
された溶融物を鍋に受け、冷却後調査したところ、Ｆｅ
Ｏ　−ＣａＯ　系スラグとＣｕを主体とするメタルに分
離されていることが判明した。スラグを分析したところ
、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎの含有量はそれぞれ０．０１０　％
、０．００４　％、０．００２　％であり、トランプエ
レメント除去効果が確認できた。このように向流型反応
器での処理では、熱効率がよく、水蒸気を主に少量の酸
素添加で溶解が可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、Ｃｕ等不純物　（トラ
ンプエレメント）　を多く含み直接鉄源として再利用が
困難な老廃スクラップを使用して、クリーンエネルギー
であるＨ２ガスを製造すると共に、生成した酸化鉄を石
灰等の造滓剤と反応させ低融点スラグとして溶融させる
ことによりＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎ等の酸化され難い非鉄金属
と分離した後、酸化鉄主体のスラグは鉄源として、溶融
非鉄金属は非鉄金属源として回収することが可能となる
。このことにより老廃スクラップの有効利用が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】鉄板を２０時間水蒸気酸化した後の酸化層厚の
温度依存性を示すグラフである。

【図２】本発明の実施例で使用したバッチ型反応器の略
式説明図であり、図２（ａ）　は初期程度および図２（
ｂ）　は処理後の段階の様子を示す。

【図３】本発明の実施例で使用した流移動層型反応器の
略式説明図である。

【符号の説明】

１　：　スクラップ　　　　　　　　　　　　２　：　
生石灰３　：　水蒸気　　　　　　　　　　　　　　　
　４　：　酸素５　：　生成ガス　　　　　　　　　　
　　　　６　：　羽口７　：　耐火物　　　　　　　　
　　　　　　　　８　：　溶融スラグ９　：　メタル粒
　　　　　　　　　　　　　１０　：　排出口１１　：
　溶融メタル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　自動車解体屑等の鉄系スクラップを７
   ００　℃以上の高温状態で水蒸気により酸化することに
   より生成した水素ガスを回収すると共に、生成した酸化
   鉄を、石灰等の造滓剤と反応させて低融点スラグとして
   溶融させることにより、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ等の酸化され
   難い非鉄金属から分離し、酸化鉄主体のスラグは鉄源と
   して、また、溶融非鉄金属は非鉄金属源として、それぞ
   れ回収することを特徴とする鉄系スクラップの再利用方
   法。
2. 【請求項２】　　前記酸化鉄の溶解のための熱源として
   、酸素を使用する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　シャフト炉等の向流移動層を反応器と
   して使用して前記鉄系スクラップの酸化、溶解を行うこ
   とを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】　　前記鉄系スクラップが、シュレッダー
   等の切断処理により、サイジングおよび選別を行ったも
   のであることを特徴とする請求項１記載の方法。