JPH0635614B2

JPH0635614B2 - 鉱石類の流動層還元方法

Info

Publication number: JPH0635614B2
Application number: JP7375486A
Authority: JP
Inventors: 正和中村; 和也国友; 洋一林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1986-03-31
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPS62230909A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、流動層反応装置による鉱石、特に鉄鉱石の
還元方法に関する。

（従来の技術）鉄鉱石を還元して溶鉄を得る方法として、最も普通的に
現用されているプロセスは、高炉による方法である。し
かし、高炉製鉄法における安定した操業を維持するため
には、良質の塊成鉱やコークスを必要とし、これらを製
造するためのコスト上昇、および原料選択の制約などの
問題点が指摘されている。

これらの課題を解決するひとつの手段として、鉄鉱石
を、石炭の部分酸化熱により加熱・溶解しながら還元す
る溶融還元プロセスが研究・開発されてきた。たとえ
ば、特願昭５９−１８４０５６号において、流動層反応
炉内に鉄鉱石、石炭、酸素含有ガスを装入し、反応を進
行せしめて、鉄鉱石およびチヤーを得、この予備還元鉱
石およびチヤーならびに、別の系から供給される石炭と
を混合、塊成化して得られるブリケツトを、上底吹転炉
型反応器に装入し、前記予備還元鉱石を溶融還元するこ
とを特徴とする製鉄法が示されている。

また、予備還元工程については、たとえばベルギー特許
第８２６５２１号において、循環流動層を用いて、炭材
を酸素との部分燃焼反応によりガス化し、一部をチヤー
化すると共に、この反応で発生したガスによつて、鉄鉱
石を還元するプロセスが開示されている。また、特願昭
５１−９９６７１号公報においては、反応器の形状を工
夫して、酸化領域における既還元鉱石粒子の再酸化を抑
制する方法が示されている。

しかし、反応塔内のガス流速などについては、Chemical
Engineering Progrecs 67、58〜63(1971) 及び特開昭
51−９９６７１号公報では、単に粒子の輸送という観点
のみからガス流速が定められており、反応塔に導入され
たガスおよび炭素物質と、Ｏ_２との反応により、生成し
たガスの還元に利用される効率は、必ずしも保証されて
いない。

元来、流動層反応塔は、反応物質を希薄層において反応
させるため、充填層型の反応塔に比較すると、容積当り
の生産性が低く、またガスの利用効率が悪い欠点があ
る。特に循環流動層は通過ガス量が多く、その傾向が顕
著である。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、竪型流動層還元において還元性ガス温度、組
成の自由度を大にし、還元剤の利用効率を高くして、反
応塔の体積生産性を高くした還元方法を提供するもので
ある。

（問題点を解決するための手段）本発明は1000℃以下に予熱された粒径１mm以下の鉱石
と、炉頂ガスから分離捕集した鉱石を合体して、炉の下
部に供給し、還元性ガスを炉の底部から供給する循環流
動反応方法において、炉の底部に供給する前記還元性ガ
ス量を、理論合計量から分配量を差引いた量に規制する
とともに、反応塔における還元性ガスの利用率が最良に
なる位置と、前記分配量に見合う分配率を与えられた還
元性ガス導入口を、炉の高さ方向に１ケ所以上設けて還
元性ガスを供給して、炉内における還元能力を補償する
ことを特徴とする。

本発明においては、鉄鉱石は粒径１mm以下に整粒するこ
とが好ましい。又塔は1000℃以下に加熱される。流動層
反応塔（以下反応塔という）の問題点の１つは、先に述
べたように、希薄層において反応を行なわせるために、
還元性ガス（以下ガスという）の利用効率、ひいては容
積当りの生産性が他の方法に較べて低くなることであ
る。特に循環流動層においては、反応塔内の空隙率が大
きく、その傾向が顕著である。

即ち流動層内に滞留する粒子の存在比率（１−空隙率）
は、ガスの線速度に依存し、ガス線速度が低くなると粒
子濃度が高くなり、結果として接触効率が高まり、ガス
利用率が高くなる。一方、還元性ガスは鉱石と接触し、
反応が起ると、ガスの酸化度が上昇して、還元能力が失
なわれてくる。

本発明においては、反応塔のこのような基本的な性質を
考慮し、反応に必要なガスの全てを、一度に底部から供
給するのではなく、反応塔の高さ方向の位置に、最終還
元率鉄鉱石の粒度、反応性、還元ガスの温度、組成など
によつて定まる還元速度と予め求められている比率を以
つて、還元性ガスの一部を分岐し吹き込む。

即ち反応塔の比較的下部におけるガス速度を低く抑え、
粒子濃度を高めることにより、ガス利用率を高め、ガス
量の不足によつてもたらされる還元能力の不足を、先に
分岐したガスを反応塔の中間部へ補給することによつ
て、補償しようとするものである。

以下本発明を図面について説明する。

第１図は本発明のフローを示す説明図である。

すなわち、１は循環型流動層反応塔、２は１より排出さ
れるガスおよび鉱石粒子を分離するサイクロンである。
反応塔の下部より供給された予熱鉱石３は、サイクロン
２により炉頂ガス７より分離された循環鉱石６ととも
に、所定反応温度に加熱された還元性ガス４により流動
化される。

５は先に述べた還元性ガス４より分岐された還元ガスで
あり、反応塔の途中から炉内へ吹き込まれる。また必要
に応じて、さらにガスを分岐し、複数段の位置５−２、
５−３から炉内へ分割吹き込みを行なう。また、後述す
る如く、途中から吹込むガス５は、化石燃料と高濃度酸
素に置換えることができる。

実験によると、反応塔１の下部（図中Ａ）では、ガス量
が少ないため、比較的固体濃度の高いバブル上の流動状
態を呈し、反応塔の上部（図中Ｂ）ではガス量が多く、
比較的固体濃度の低い高速流動層の状態となり、双方の
流動形式の利点を合わせ持つことができ、高いガス利用
率を得ることが確認できる。

特に、ガスを分岐する代りに、化石燃料の高濃度酸素の
供給による部分酸化により、還元性ガス製造を反応塔内
で並行して行なう場合では、同時に炉内温度の調節も可
能なため、反応塔へガスとして供給される部分の温度、
及び組成は、必ずしも還元に必要な温度、組成などすべ
ての条件を満たしている必要はなく、２次的に供給され
る炭材と酸素で、充分補償可能で、また、公知の流動層
では、炉内で温度が低下するが、本発明によると、温度
補償が可能で、反応塔全体を有効に利用することができ
る。

更に不完全燃焼の度を強めて、チヤーを生成させれば、
高温流動還元において、問題となり易い粒子同志の焼結
トラブルを回避することができる。また、バブル形式お
よび高速流動形式の２面性を有するところから、粒度範
囲の広い、また比重などの異なる混合粒子を処理するの
にも適した方法と言える。

第２図は同一断面積、同一塔高を持つ循環流動層反応装
置において、トータルの還元性ガス量は一定にして、全
量塔の下部から吹込む時と、一部を塔の途中から吹込む
時の塔内ガス濃度変化に与える影響の比較を検討したも
のである。

図中、実線は全量のガスを炉底部から供給する場合で、
還元ガス濃度は、ガスの上昇に従つて単調に減少する。
これに対して途中吹込する場合、途中吹込レベル Zi ま
ではガス量は少なる為、また、ガス流速の低下により、
粒子の存在比率が高いために、還元ガス濃度Ｘは急激に
低下し、Ｘ_１に至る。途中吹込後は、再び濃度ＸはＸ_２
まで上昇するが、それ以上のレベルでは、ガス量は途中
吹込なしのケースと一致する為、途中吹込なしのケース
に近いカーブをたどり塔頂に至る。

次に、ガスの分岐率と吹込み位置の決定方法について述
べる。

粒子１個の時間当りの反応量が、還元性ガスのモル分率
Ｘと、粒子と平衡となる還元性ガスのモル分率Ｘ′との
差に比例する時は、高さ方向のガス組成の変化dx/dz
は、理論的に(1)式であらわされる。

βは温度、圧力、粒子径等に依存する係数であり、Ｎは
単位体積当りの粒子数、ｕ_０はガス流速である。

(1)式の積分により、任意高さでの還元性ガスのモル分
率Ｘは、ある高さＺ_０における還元性ガスのモル分率Ｘ
_０を与えれば、(2)式で求められる。

分岐を行なわない状態において、ガス量を変えた場合の
炉内ガス濃度分布を測定して、(2)式の定数を決定した
上で、ガスの吹込位置と、ガス分配比αをパラメーター
にして、ガス吹込みレベル以下の低ガス流速域でのＮの
増加を考慮し、生産性に与える影響を、シミユレーシヨ
ンすることができる。

一般に時間当りの送風量Ｗのとき、還元性ガスのモル分
率が、反応塔の入、出口で、Ｘ_１からＸ_０に変化したと
きの時間当りの反応量Ｐは、Ｋを比例定数として(3)式
であたえられる。

Ｐ＝Ｋ・Ｗ（Ｘ_１−Ｘ_０） (3) 従つて第２図の場合、吹込みなしのケースの時間当りの
反応量Ｐ_０は(2)式となる。

Ｐ_０＝Ｋ・Ｗ（Ｘ_０−Ｘ_４） (4) 吹込みの有のケースの時間当りの反応量Ｐ_１は(5)式と
なる。

Ｐ_１＝Ｋ・αＷ（Ｘ₀−Ｘ_１）＋ＫＷ（Ｘ₂−Ｘ₃）
(5) ここでαは、全量Ｗのガスのうち、炉の下部から吹入れ
た比率である。

またＸ_２は、塔の途中から吹込んだガスの還元性ガスモ
ル分率をXi とすると、(6)式で与えられる。

ＷＸ₂＝Ｗ（αＸ₁＋（１−α）Ｘｉ） (6) 以上により、生産性の相対的な向上代P₁／P₀は、(7)式
で求まる。

Ｐ_１／Ｐ_０＝｛α（Ｘ₀−Ｘ₁＋Ｘ_２−Ｘ_３｝／（Ｘ_０−
Ｘ₄） (7) このようにして分岐するガスの分配比と吹込み位置
と、ガス利用率の関が得られるので、設備上の制約、ま
た分岐することにより発生する不利な条件、例えば熱損
失の増加、装置の複雑化などの考慮した上で、反応塔に
おいて最良のガス利用率を得るような、分岐吹込み位置
と、分配量とを定めることができる。

（実施例）目標予備還元率６０％として、時間当り鉄分６８％の鉄
鉱石 1470 Kgを炉内に装入し、入口ガスの組成および温
度が、Ｈ_２；15.0 ％、CO；82.5 ％、H₂O；0.5 ％、C
O₂；2.0 ％、900 ℃の条件において、時間当り2240Ｎｍ
³ のガスを、分岐せずに全てを炉下部から吹込んだ場
合の炉内ガス濃度分布を、第３図に実線で示す。

これから(2)式の定数を決定し、これに基いて、先に述
べた計算方法により、吹込み位置および分配比を変えた
シミユレーシヨンを行なつた結果を第４図に示す。これ
によりＡ点、つまり無次元高さ 0.3、分配率α＝ 0.4に
おいて、相対生産性が最大となることが判る。

また第３図において点線は、全ガス量は実線の場合と等
しいが、ガス量を分岐した場合のガス濃度分布を示す。
分岐ガス吹込み時は、塔頂での還元性ガスモル分率が低
下しており、その分、鉱石の還元に作用され生産性が8.
7 ％上昇した。

このように第４図により、分岐したガスの吹込み位置お
よび分配比の最適値を定め、生産性を向上させることが
できる。また同様の考え方により、さらに多段に分岐す
ると有利となることが明らかである。

（発明の効果）本発明は、竪型流動層反応装置において、底部から吹込
む還元性ガスの理論合計量から分配量を差引いた相当量
を特定して、底部から吹込み、分配量相当の還元性ガス
を、炉頂の還元性ガスの利用率が最良になる位置から吹
込むので、極めて効率の高い流動層還元反応を得て工業
的効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の模式図、第２図、第３図は還元性ガス
モル分率と塔高さの図表、第４図は相対生産性とガス吹
込み位置との図表である。１：反応塔、２：サイクロン５：分岐ガス吹込口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】1000℃以下に予熱された粒径１mm以下の鉱
石と、炉頂ガスから分離捕集した鉱石を合体して、炉の
下部に供給し、還元性ガスを炉の底部から供給する循環
流動反応方法において、炉の底部に供給する前記還元性
ガス量を、理論合計量から分配量を差引いた量に規制す
るとともに、反応塔における還元性ガスの利用率が最良
になる位置と、前記分配量に見合う分配率を与えられた
還元性ガス導入口を、炉の高さ方向に１ケ所以上設けて
還元性ガスを供給して、炉内における還元能力を補償す
ることを特徴とする鉱石類の流動層還元方法。
【請求項２】反応塔における還元性ガスの利用率が最良
になる位置に、化石燃料と酸素を供給することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の鉱石類の流動層還元方
法。