JPS5834113A - 還元鉄の製造方法 - 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】 温還元ガスと接触させてこれを還元し還元鉄を製造する
流動層式直接製鉄法の改良に係るものである。

近年、高炉によらない製鉄技術としての直接製鉄法の発
展と需要の増大には著しいものがあるが、中でもシャフ
ト炉法、固定層法あるいは流動層法等の所謂ガス還元剤
を用いる方法の発展には目ざましいものがある。

これらのガス還元法においては、一般に天然ガス（ＣＨ
４）を還元ガス源として用い、該天然ガスとＨｇＱ．Ｃ
Ｏ２等の酸化性ガスとを高温で＃ｌ謀存在下に接触させ
ることによって得られるＣＯ＋Ｈ２１ｊｘ全＋Ｈ剤とし
て、鉄鉱石（酸化鉄）の還元を行なう方法であって、還
元ガスと酸化鉄との気固相反応によって鉄鉱石の含有す
る殆んどの酸素を除去し、還元鉄を固体状態で還元炉か
ら取り出す方法である。これらの方法において、還元ガ
ス源は今のところ、天然ガスに限られているため、これ
らの製鉄プラントは天然ガスの豊富な地方に限られてお
り、種々の巾広い炭化水素を還元ガス源とするプロセス
の出現が望まれている。

また設備的にも、天然ガスを改質してＣＯ十Ｈ２ガスを
得るための還元ガス製造設備として、高価なフォーマ−
チューブと、該チューブ内に充填するＮｌ系触媒とを多
量に必要とするため、プラント建設費の相当な部分をこ
れら還元ガス製造設備に充当しなければならず、しかも
この設備は処理ガス量が増加すれば、それに比例してフ
ォーマ−チューブ−及び触媒量も増加するため、スケー
ルメリットが小さく、これを大規模にするメリットが期
待できなかった。

更に、還元ガスと鉄鉱石との反応は還元ガス温度が高い
程その反応速度を速くすることができ、生産性を高める
と共にエネルギ効率も高めることができるが、急速な還
元と高温による還元鉄表面の活性化によって、流動層の
場合には還元鉄粒子同志が固着し、また固定層あるいは
シャフト炉法においてはペレット状あるいは塊状の還元
鉄同志が炉内で固着してしまうため、安定な操業を行な
うことができなくなる欠点がある。このため、従来のこ
れらガス還元法においては、生産性及びエネルギ効率を
多少犠牲にしてでも、安定操業の可能な範囲にま七温度
を下げて運転することを余儀なくされており、高炬法が
１５００°Ｃ以上であるのに対し、ガス還元法では９０
０°Ｃ前後という相当低い温度となっている。

本発明は、かかる現状に鑑み、従来のガス還元法の有す
る問題点を解消し、且つ簡単なプロセスによって還元鉄
を製造する方法を提供するもので、その目的とするとこ
ろは、第１に還元ガス源として天然ガス（ＯＨａ）に限
らず、巾広く炭化水素を利用できるプロセスを提供する
点にあり、第２に高価なりフォーマ−チューブによる還
元ガス製造設備を用いることなく安価且つ簡単に還元ガ
スの製造を行なうことのできるプロセスを提供すること
にあり、更に第３には高温還元を行なっても還元鉄粒子
の相互固着を生じることがなく、従ってエネルギ効率の
高いプロセスを提供する点にある。

そこで、炭化水素を予じめ還元ガスに改質することなく
鉄鉱石粒子と奪接接触させ、鉄鉱石の還元あるいは還元
ガスの製造を行なうことができれば、還元鉄製造プロセ
スは極めて単純化し、同時にエネルギ効率も大巾に向上
させることができることから、本発明者等は上記観点に
立脚して次の如き実験を行なった。

〔実験１〕 鉄鉱石粒子（Ｆｅ２０８）を還元炉内に装入し、これニ
８６０°Ｃ”ｃｏｏ：８６％、Ｈ２：５５％、ＣＯ２：
５％、ＣＨ４：４％からなる混合ガスを供給した場合（
ケースＡ）と、９５０℃Ｔ：　ＣＨ４：　４０％、　Ｈ
２：　２０％、Ｎ２：４０％ノｍ合ｔｔｘを供給した場
合（ケースＢ）とにおける還元時間と還元率の変化を測
定したところ、第１図の如き結果を得た。第１図から明
ら＾な様に、通常１の０％Ｍ２を主成分とする還元ガス
を用いたケースＡの場合には、時間と共に鉄鉱石の還元
が進行するが、ＣＨ４を４０％含有したケースＢの場合
には、７０〜８０％程度までは還元が進行するが、その
後は時間と共に低下している。なお第１図の縦軸は、還
元による重量減少率を示したものであるから、ケースＢ
においては、７０〜８０％程度まで還元が進行した後は
、逆に重量が増加していることを示している。

そこでケースＢの鉄鉱石を還元炉から取り出して調べた
ところ、参考図顕微鏡写真（１５０倍）に示す様に、一
部還元された鉄鉱石粒子の表面に炭素が付着しているこ
とが確認された。

この実験から、炭化水素を予じめ還元ガスに改質するこ
となく、直接、鉄鉱石粒子と接触させると、鉄鉱石は一
部還元され、同時に炭化水素もＣＨ４→Ｃ＋２１１２の
如く分解されて、生成した炭素が鉄鉱石粒子を被覆する
様に付着することが分る。

〔実験２〕 各種酸化状態の酸化鉄及び還元鉄を、９５０℃にて、Ｏ
Ｈ４：２５％％Ｈ２０：２５％、Ｎ２：５０％からなる
混合ガスとＳＶ：５００／ｈｒで接触させてＣＨ４のＣ
Ｏ及びＨｙの改質度を調べたところ、第２図の如き結果
を得た。なお第２図の縦軸はＣＨ４のＯＯ，Ｈ２への転
換率を示している。同図から明らかな様にＦｅ　２０８
、Ｆｅａ０４、ＦｅＯはいづれもＣＨ４の分解に対する
触媒能に乏しいが、還元鉄は著しく高い触媒能を有して
いる。

これらの実験から、従来の様に高価なＮｉ触媒を使用す
ることなく、還元工程で生成した還元鉄を触媒として、
炭化水素を還元ガスに改質できることが分かる。

以上の実験事実に基づき、本発明は前述９目的達成のた
めの合理的な還元鉄製造プロセスを提供するもので、そ
の特徴とするところは次の工程の結合にある。

（イ）　鉄鉱石粒子を流動状態に保持した流動層予備還
元炉に炭化水素を供給し、該炭化水素の一部を分解ガス
化すると共に鉄鉱石粒子を部分還元し、同時に該分解に
よって副生ずる炭素を該鉄鉱石粒子ｔこ付着する工程 （ロ）前記炭素付着鉄鉱石粒子を流動層還元炉に供給し
、流動状態で高温還元ガスと接触させて還元鉄な製造す
る工程 （ハ）　前記（イ）の流動層予備還元炉（２）から排出
される分解ガス及び前記（ロ）の還元鉄の一部を流動層
ガス改質炉に供給し、該還元鉄を流動状態に保持しつつ
該分解・ガスをＣＯとＨ２を主成分とする高温還元ガス
に改質する工程 に）前記（ハ）で生成した還元ガス及び（ハ）から排出
される還元鉄を前記流動層還元色に供給する工程（ホ）
前記流動層還元炉からの排出ガスを前記流動層予備還元
炉に供給する工程 以下、更に上記本発明の工程を第３図に示すフロシート
に基づいて詳細に説明する。図中（１）は流動層形式の
鉱石加熱器であり、ライン（８）より平均粒径１０〜２
００μの鉄鉱石粒子が該加熱器（１）に供給され、１０
００℃　あるいはそれ以上に加熱されてライン（９）よ
り流動層形式の予備還元炉（２）に供給される。この還
元炉は７００〜１０００°Ｃで運転されており、ここで
は、ライン（至）より予熱器（５）で分解しない程度の
４００〜５００°Ｃに予熱された炭化水素、例えば天然
ガスあるいは炭化水素油と、後述するライン＠から加熱
器（ハ）を経て１０００°Ｃ付近に加熱されて供給され
る００２、Ｈ２Ｏ等の酸化性ガスを含む循環ガスが、加
熱されて流動状態に保持された鉄鉱石粒子と接触し、次
の如き反応によって炭化水素の一部は還元ガスとなる。

同時に、これらの還元ガスによって鉄鉱石は次の反応に
よって予備還元される。

更に炭化水素の一部は次の如き反応によって炭素を副生
じ、副生炭素は前述の通り鉄鉱石粒子の表面に付着する
ことになる。

これら０〜０式の反応はいづれも吸熱反応であるから、
該予備還元炉（２）に熱エネルギーを補給してやる必要
があるので、前記ライン（６）からのガスは、炉内温度
以上に充分に加熱して供給すると共に、予備還元炉（２
）で生成した炭素付着鉄鉱石粒子の大部分をライン０１
より前記鉱石加熱炉（１）に戻し、ラインＱ７）より供
給される空気によって前記付着炭素の一部を燃焼させ、
鉱石加熱の熱源とする。その他、鉄鉱石粒子をライン（
８）より高温スチームと共に供給し、熱源の補充を行な
うこともできる。

次に予備還元炉（２）で生成した炭素付着鉄鉱石粒子は
、ライン０］）より流動層形式の還元炉（３）に供給さ
れ、流動状態で、後述する高温還元ガスと接触して次式
の反応により還元鉄となる。

従来の流動層還元炉の場合には１、上記反応により生成
した還元鉄粒子がシンタリング現象を起こすため、炉内
温度を余り高くすることができ一１１０００゛Ｃを越え
る高温還元は不可能であったが、本発明においては、鉄
鉱石粒子は炭素で被覆されているため、かかるシンタリ
ング現象を起こすことはないので、　１０００’Ｃ以上
の温度での高温還元が可能となる。従って前後工程の操
作温度を考慮して、７００〜１２００°Ｃの広い範囲で
還元温度を選択することができる。

還元炉（３）で生成した還元鉄はラインα→より流動層
形式のガス改質炉（４）に供給されると共に一部はライ
ンα呻より製品還元鉄として取り出される。一方前記予
備還元炉（２）より排出される、炭化水素ガスを多量に
含む分解ガスは、ライン（７）を経てガス浄化装置（ト
）に入り、予備還元炉（２）内で生成したＨ２Ｓ、ＣＯ
８等の硫化物及びＣ０２、Ｈ２Ｏの内、後述する炭化水
素ガスの改質に余剰な成分を除去した後、ライン翰を通
り、予熱器（６）で炭化水素が分解しない程度の４００
〜５００°Ｃに加熱されてガス改質炉（４）に供給され
る。ここでは、前述した通り、炭化水素ガスの還元ガス
への改質触媒能の高い還元鉄が流動状態に保持されてい
るため、前記■式の反応によって炭化水素の殆んどがＨ
２、Ｃｏ　へと転換され、Ｈ２＋００　　を主成分とす
る還元ガスとなって、ラインα６より加熱器（支）で還
元炉内温度以上に充分加熱されて前記還元炉（３）に供
給される。

なお、ライン翰よりガス改質炉（４）に供給されるガス
中には、炭化水素ガスの低酸化性ガス（ＣＯ２＋　Ｈ２
Ｏ）とＣＯ，Ｈ２とを含有しており、酸化性ガスは炭化
水素の改質のために不可欠な成分であるが、この量が多
いと、次の反応により還元鉄が一部酸化されることにな
る。

この反応は、■式の還元ガス生成反応が吸熱反応である
のに対し、発熱反応であるから、ガス改質炉内反応の熱
補給の役目をなすと共に、還元ガス生成のための補助反
応の役目をする。

■式の反応により生成した酸化鉄を含むガス改質炉（４
）内の還元鉄は、全て、ラインα０より還元炉（３）に
戻り、ガス改質炉（４）からラインａ枠を経て供給され
る還元ガスによって再還元を受けることになる。

以上、第８図に示した本発明の代表的なプロセスについ
て説明したが、本例において、予備還元炉（２）、還元
炉（３）、ガス改質炉（４）内での主反応は全て吸熱反
応であるから、これらの熱量は主として鉱石加熱器（１
）、加熱器Ｉ２］）（イ）で賄う必要があり、特に還元
炉（３）での還元温度を予備還元炉（２）での還元温度
より高くするときは、ラインａυを経て予備還元炉（２
）から供給される炭素付着鉄鉱石粒子は還元炉（３）の
温度より低いから、加熱器磐で還元炉（３）に供給する
還元ガスを充分□に加熱してその熱補償を行なう必要が
あるが、熱容量の小さなガスで熱容量の大きな鉄鉱石の
熱補償することは賢明でないので、図中点線で示したラ
イン（ホ）により、鉱石加熱器（１）内で還元炉（３）
の操業温度あるいはそれ以上に加熱した炭素付着鉄鉱石
粒子を還元炉（３）に供給することが好ましい。なおこ
の場合には、予備還元炉（２）で生成した炭素付着鉄鉱
石粒子は全て鉱石加熱炉（１）に戻され、ライン（８）
からは、ライン（ホ）より送られる炭素付着鉄鉱石粒子
量に相当する量の新たな鉄鉱石粒子が供給されるが、こ
の新たな供給量は、加熱炉（１）内に滞留している多量
の炭素付着鉄鉱石粒子量に比べると僅かであるから、ラ
インに）から還元炉（３）に供給される鉄鉱石中の炭素
で被覆されていない粒子の量は無視し得る程度となるの
で、本発明において、かかる方式をとることに問題はな
い。

またガス改質炉（４）への熱補給を行なうため、ガス浄
化装置（至）では、Ｈ２Ｓ１０Ｏ８等の硫化物及び余剰
の００２を除去すると共に、Ｈ２Ｏは完全に除去し、ガ
ス改質炉（４）内での前記０式の反応に必要なＨ２Ｏは
、ライン（ハ）より１０００°Ｃ程度に加熱されたスチ
ームとして供給することにより、熱補給を併わせ行なう
様にすることも可能である。

一方、予備還元炉（２）へ供給する炭化水素としては、
一般に用いられている天然ガスの他、通常の炭化水素油
及び原油の蒸留残渣油、石炭液化油等の重質油でもよく
、これら油類の場合には、予備還元炉（２）内で殆んど
Ｃｔ−０４成分へと熱分解されると共に、鉄鉱石粒子表
面に付着する炭素量も天然ガスの場合に比して多量とな
るため、鉱石加熱器（１）内での付着炭素燃焼量を多く
して、外部供給熱源を減少させると共に、より高温での
操作を可能とする。

また、ガス浄化装置（ト）は、予備還元炉（２）とガス
改質炉（４）との間に必ずしも設置しなければならない
ものではなく、予備還元炉（２）、還元炉（３）及びガ
ス改質炉（４）間を連結するガス循環ライン（７）　Ｈ
Ｑ・（６）のいづれかに設けておけばよいものであるこ
とは言うまでもない。

以上詳述した通り本発明方法は、流動層形式の還元炉及
びガス改質炉を直列に配置して鉄鉱石粒子及び炭化水素
を順次流通させることにより、鉄鉱石の還元と還元ガス
の製造を行なえる様にしたものであり、次の如き顕著な
効果が期待される。

（１）流動層形式の予備還元炉（２）で、鉄鉱石粒子と
炭化水素とを直接に接触させて、鉄鉱石粒子を部分還元
すると共に、炭化水素を一部分解させて炭素を副生させ
、副生炭素を鉄鉱石粒子表面に付着させ、この炭素付着
鉄鉱石粒子を流動層還元炉（３）に供給する様にしてい
るかｂ１流動層還元炉において還元鉄同志がシンタリン
グにより凝集することことがないので、高温還元が可能
となり、従って反応速度も速（なり、熱効率、生産性共
に向上し、しかも還元炉を小型化できる効果がある。

（２）流動層ガス改質炉（４）では、還元工程で生成し
た還元鉄を触媒として、炭化水素ガスの還元ガスへの改
質反応を行なうｉにしているから、従来の如き、高価な
りフォーマチューブ及びＮｉ触媒が不要となり、プラン
トコストが大巾に低減されると共に、操業中のＮ１触媒
取替作業も不要となり、メンテナンスも容易となる。

また装置を大型化する場合にも、従来のりフォーマ−チ
ューブ方式では、ガス処理量に比例してチューブ本数が
増加するため、スケールメリットは期待し難いが、本発
明の流動層ガス改質炉ではスケールメリットが期待でき
るため、還元鉄プラントの大型化が可能となる。

（３）流動層ガス改質炉に供給する炭化水素ガスは、予
備還元炉で分解ガス化した生成ガスを送ることができる
から、還元ガス源として、従来は天然ガスしか利用し得
なかったものが、副生炭素発生量の多い重質油をも利用
することができるため、還元ガス源選択幅が広がり、プ
ラント設計の自由度が極めて大となり、天然ガス産出地
板外にも還元鉄プラントの建設を可能にするのみならず
、副生炭素も前述の通り有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、還元ガスとメタンよる鉄鉱石の還元能を示す
グラフ、第２図は各種酸化鉄による法化水素の還元ガス
への転換触媒能を示すグラフ、第３図は本発明方法の一
例を示すフローシートである。 （１）・・・鉱石加熱器、（２）・・・流動層予備還元
炉、（３）・・・流動層還元炉、（４）・・・流動層ガ
ス改質炉、（５又（６）・・・予熱器、　　　　（至）
・・・ガス浄化装置、（財）、（イ）・・・加熱器。 第１ｍ １元時間（分） ＠２ｍ１ 反民時間（幸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鉄鉱石粒子を流動状態に保持しつつ高温還元ガスと
   接触させてこれを還元し、還元鉄を製造する方法であっ
   て、次の（イ）〜（ホ）の工程を有することを特徴とす
   る還元鉄の製造方法。 （イ）鉄鉱石粒子を流動状態に保持した流動層予備還元
   炉（２）に炭化水素を供給し、該炭化水素の一部を分解
   ガス化すると共に鉄鉱石粒子を部分還元し、同時に該分
   解によって副生ずる炭素を該鉄鉱石粒子に付着する工程 （ロ）前記炭素付着鉄鉱石粒子を流動層還元炉（３）に
   供給し、流動状態で高温還元ガスと接触させて還元鉄を
   製造する工程 （／今前記（イ）工程の流動層予備還元炉（２）から排
   出される分解ガス及び前記（ロ）工程の還元鉄の一部を
   流動層ガス改質炉（４）に供給し、該還元鉄を流動状態
   に保持しつつ該分解ガスをＣＯとＨ２を主成分とする高
   温還元ガスに改質する工程 に）前記？今工程で生成した還元ガス及びｅ９工程から
   排出される還元鉄を前記流動層還元炉（３）に供給する
   工程 （ホ）前記流動層還元炉（３）からの排出ガスを前記流
   動層予備還元炉（２）に供給する工程 ２、（イ）の工程において流動層予備還元炉に供給する
   炭化水素が天然ガスである特許請求の範囲第１項に記載
   の還元鉄の製造方法。 ３、（イ）の工程において流動層予備還元炉（２）に供
   給する炭化水素が重質油である特許請求の範囲第１項に
   記載の還元鉄の製造方法。 ４、（（イ）の工程における流動層予備還元炉（２）に
   供給する鉄鉱石粒子を鉱石加熱器（１）で予じめ加熱す
   ると共に、前記流動層予備還元炉（２）から取り出され
   た炭素付着鉄鉱石粒子の一部を鉱石加熱器に帰還させて
   再加熱する特許請求の範囲第１項乃至第３項のいづれか
   に記載のＲ７ｅ鉄の製造方法。 ５６鉱石加熱器に空気を供給し、鉄鉱石粒子に付着した
   炭素の一部を燃焼させて加熱に利用する特許請求の範囲
   第４項に記載の還元鉄の製造方法６鉱石加熱器が鉄鉱石
   粒子を流動状態に保持しつつ加熱する流動層加熱器であ
   る特許請求の範囲第４項又は第５項に記載の還元鉄の製
   造方法。 ７、Ｈの工程にお、ける流動層予備還元炉からの排出ガ
   スを流動層ガス改質炉に供給するに当り、該排出ガスを
   ガス浄化装置（至）を通して余剰不要成分を除去した後
   該ガス改質炉に供給する特許請求の範囲第１項乃至第６
   項のいづれかに記載の還元鉄の製造方法。 ８、（ロ）の工程において、流動層予備還元炉（２）か
   ら排出される炭素付着鉄鉱石粒子を流動層還元炉（３）
   に供給する特許請求の範囲第１項乃至第７項のいづれか
   に記載の還元鉄の製造方法。 ９、（ロ）の工程において一１鉱石加熱器（１）にて加
   熱された炭素付着鉄鉱石粒子を流動層還元炉（３）に供
   給する特許請求の範囲第４項乃至第７項のいづれかに記
   載の還元鉄の製造方法。 １０、流動層予備還元炉内温度が７００〜１０００°Ｃ
   １流動層還元炉内温度が７００〜１２００°Ｃ１流動層
   ガス改質炉内温度が８００〜１０００°Ｃである特許請
   求の範囲第１項乃至第９項いづれかをこ記載の還元鉄の
   製造方法。 １１、流動層予備還元炉からの分解ガスを８０（）−１
   ０００°Ｃに加熱して流動層ガス改質炉に供給する特許
   請求の範囲第迫項に記載の還元鉄の製造方法。