JPS5834114A - 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】 本発明は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Ｈ２０，Ｃ
Ｏ２等の酸化性ガスとを高温で触媒存在下に接触させる
ことによって得られるＣＯ＋１−１２ガスを還元剤とし
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粗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＋Ｈ２ガスを
得るための還元ガス製造設備として、高価なりフォーマ
−チューブと、該チューブ内に充填するＮｉ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
リフオーマ−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力°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ベ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、安定な作業を行
なうことができなくなる欠点がある。このため、従来（
Ｄ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で温
度を下げて運転することを余儀なくされており、高炉法
が１５００℃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（ＣＨ４）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２１／！：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
鉄鉱石粒子と直接接触させ、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（Ｆｅ２０ａ　）を還元炉内に装入し、これ
に８６０°ＣでＣＯ：３６％、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’Ｃ″？？ＣＨ４：４０％、Ｈ２
：２０％、Ｎ２：４０％の混合ガスを供給した場合（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図から明らかな
様に、通常のＣｏ、Ｈ２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写真
として提出する顕微鏡写真（１５０倍）に示すように、
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＋２Ｈ２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か゛る。

〔実験２〕 各種酸化状態の酸化鉄及び還元鉄を、９５０°Ｃにて、
ＣＨ４：２５％、Ｈ２Ｏ：２５％、Ｎ２：５０％からな
る混合ガスとＳＶ：５００／ｈｒで接触させてＣＨ４の
ｃ。

及びＨ２へ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Ｃｏ、Ｈ２への転
換率を示している。同図から明らかな様にＦｅ２Ｏ３、
Ｆｅ３Ｏ４、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、本発明は前述の目的達成のだ
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。

■　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に付着する工程 ■　＃ｒＩ記炭素付着鉄鉱石粒子、分解ガス及び後述す
る流動層還元炉からの還元鉄の一部を流動層ガス改質炉
に供給し、該鉄鉱石粒子及び還元鉄を流動状Ｉ８に保持
しつつ該分解ガスをＣＯとＨ２を主成分とする還元ガス
に改質する工程 Ｏ前記［Ｆ］の流動層ガス改質炉から排出される鉄鉱石
粒子及び一部酸化された還元鉄を流動層還元炉に供給し
、これらを流動状態に保持しつつ前記■で生成した還元
ガスと接触させて還元鉄を製造する工程 ■　前記θの流動層還元炉から排出されるガスを前記Φ
の流動層予備還元炉（２）に供給する工程以下に本発明
の工程を第３図に示す７０−シートに基づいて説明する
と、図中［＋）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１０〜２００μの鉄鉱石粒子が
該加熱器（＋）に供給され、１０００°Ｃ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７００〜１００
０’Ｃで運転されており、ここではライン０３）よシ予
熱器（５）で分解しない程度の４００〜５００℃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（１２）から加熱器起りを経て１００
０″Ｃ付近に加熱されて供給されるＣＯ２、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。

Ｆｅ　２Ｑ３　＋　Ｈ２−２ＦｅＯ＋Ｈ２ＯＦｅ２Ｏ３
＋　Ｃｏ　−２ＦｅＯ＋ＣＯ２）”’■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。

これらの■〜■式の反応はいづれも吸熱反応であるから
、該予備還元Ｐ（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（１２）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
（１ｏ）より前記鉱石加熱炉ｆ１）に戻し、ライン０７
）よシ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（１１）より流動層形式のガス改質部＋３］　
Ｋ供給され、後述する流動層還元炉（４）で生成し、ラ
イン０４）を通して戻される還元鉄と共に流動状態に保
持される。一方予備還元炉（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（国に入り、予備還元炉（２）内で生成したＨ
２Ｓ　、　ＣＯ５等の硫化物及びＣＯ２、Ｈ２Ｏの内、
炭化水素ガスの改質に余剰な成分を除去した後、ライン
（２０）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（３
）１ｃ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及び１０％前
後の転化能を有する酸化鉄が流動状態に保持されている
ため、前記０式の反応によって炭化水素の殆んどがＨ２
、Ｃｏへと転換され、Ｈ２＋ＣＯを主成分とする還元ガ
スとなってラインθ６）より加熱器（２）で充分に加熱
されて流動層還元炉＋４１に供給される。

なお、ライン（２０）よりガス改質炉（４）に供給され
るカス中には、炭化水素ガスの低酸化性ガス（Ｃ０２＋
Ｈ２０）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、次の反応にょシ還元鉄が一部酸化されること
になる。

この反応は０式の還元〃°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、還元ガス生成のだめの補助反応
の役目をする。

０式の反応により生成した酸化鉄を含むガス改質炉（３
）内の還元鉄及びライン（１１）から供給されてきた炭
素付着鉄鉱石粒子は、ライン（１５）を通って流動層還
元炉（４）に供給される。ここでは、°これら鉄鉱石粒
子が流動状態に保持されて、前述のライン（１６）から
供給され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、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ず、１ｏｏ。

℃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
シシ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（４）で生成した還元鉄の一部はライン（１４）
より前述のガス改質炉（３）に供給されると共に、一部
はライン０９）より製品還元鉄として収り出される。

以上に、第３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（４）、ガス改質炉（３）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０１）（イ）で賄う必要があり、特に還元
炉（４）での還元温度をガス５．改質炉（３）の反応温
度より高くするときは、ライン（国を経てガス改質炉（
３）から供給される炭素付着鉄鉱石粒子及び一部酸化さ
れた還元鉄は還元炉（４）の温度より低いから、加熱器
（イ）で還元炉（４）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。またガス改質炉
＋３）　Ｋ充分な熱量を供給するには、図中点線で示し
たライン（財）により、鉱石加熱器＋ｌｊ内で、ガス改
質炉（３）の操業温度あるいはそれ以上に加熱した炭素
付着鉄鉱石粒子をガス改質炉（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ｔ＋）　ＶＣ
戻され、ライン（８）からは、ライン翰より送られる炭
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＋１１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、ライン翰から改質炉（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
ことに問題はないばかりか、ガス改質炉（３）への主熱
供給源としての重要な意味をもっている。

またガス改質炉（３）への熱補給を行なうため、ガス浄
化装置０８）では、Ｈ２Ｓ、ＣＯ５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（３）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
Ｃ１−Ｃ４６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ｆ１）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
操業を可能とする。

まだ、ガス浄化装置（１８）は、予備還元炉（２）とガ
ス改質炉（３）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）、ガス改質炉（３）
及び還元炉（４）間を連結するガス循環ライン（７）（
２（至）（＋６）（＋２）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。

なお、還元炉（４）にガス改質炉（３）から供給される
鉄鉱石粒子の該還元炉内滞留時間は一定ではないので、
ＦｅＯとしてライン（１５）から供給される鉄鉱石粒子
の一部はそのままライン（１９）から製品として取り出
されるので製品の品質を高めるには還元炉を２基直列に
配置することが好ましい。この場合には還元炉（４）を
第１還元炉とし、図中点線で示した様に、該第１還元炉
（４）から排出される一部ＦｅＯを含む還元鉄は、ライ
ンＯｆを通って流動層形式の第２還元炉（財）に供給さ
れ、ここでライン（Ｉ６ｉ！より加熱器−で加熱されて
供給される高温還元ガスと接触して還元され、ライン（
ハ）より高純度還元鉄として製出される。一方還元ガス
は、第２還元炉匈を経て、ライン（ホ）より第１還元炉
（４）に供給され、更にライン（１２）を経て予備還元
炉（２）に供給されることになる。

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。

ｆｌ）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（４）Ｋ送給する様にしてい
るから、流動層還元炉において還元鉄同志がシシタリン
グにより凝集することがないので、高温還元が可能とな
り、従って反応速度も速くなり、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（３）では、還元工程で生成し
た還元鉄を触媒として、炭化水素ガスへの改質反応を行
なう様にしているから、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Ｎｉ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、スク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
以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。

（４）流動層ガス改質炉（３）内に、触媒作用の大きい
還元鉄のみならず、予備還元された状聾の鉄鉱石粒子を
も供給する様にしているため、ガス改質炉内の熱容量が
大となり、炭化水素の改質反応（吸熱反応）への熱供給
が容易となると共に、鉄鉱石粒子はこの無供給源として
その供給温度及び量を変えることにより、゛熱供給量を
自由に調整できることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、還元ガスとメタンに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炭化水素の還元ガ
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）・・・流動層ガス改質炉、１４）＠・・・流
動層還元炉、＋５）　＋６）・・・予熱器、　　　　（
国・・・ガス浄化装置、ｅ２１）（イ）・・・加熱器、 ６ 第１１１ １元晴間（方） ｔ１１２Ｉｌ１ 反丸−閤（′η′）

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■〜Ｇの工程を有することを特徴とする還元鉄
   の製造方法。 ■　鉄鉱石粒子を流動状態に保持した流動層予備還元炉
   ＋２）　Ｋ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 ＠　前記炭素付着鉄鉱石粒子、分解ガス及び後述する流
   動層還元炉（４）からの還元鉄の一部を流動層ガス改質
   炉（３）に供給し、該鉄鉱石粒子及び還元鉄を流動状態
   に保持しクク該分解ガスをＣＯとＨ２を主成分とする還
   元ガスに改質する工程 ○　前記ｅの流動層ガス改質炉（３）から排出される鉄
   鉱石粒子及び一部酸化された還元鉄を流動層還元炉に供
   給し、これらを流動状態に保持しクク前記０で生成した
   還元ガスと接触させて還元鉄を製造する工程 ０　前記Ｏの流動層還元炉から排出されるガスを前記■
   の流動層予備還元炉（２）に供給する工程２、■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、■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、■の工程における流動層予備還元炉に供給する鉄鉱
   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還元
   鉄の製造方法。 ５、磁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ｆＭ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。 ７．０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（Ｉ８）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。 ＆＠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１ガス改質炉（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。 ９．０の工程において、鉱石加熱器ｆｌ）にて加熱され
   た炭素付着鉄鉱石粒子を流動層ガス改質炉（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０ １０、流動層還元炉が第１還元炉（４）と第２還元炉、
   ■とからなり、流動層ガス改質炉（３）から排出される
   炭素付着鉄鉱石粒子及び一部酸化された還元鉄を第１還
   元炉（４）に供給し、第１還元炉（４）から排出される
   還元鉄を第２還元炉に供給して仕上還元に付すと共に、
   前記ガス改質炉（３）からの還元ガスを第２還元炉、′
   勾に供給した後第１還元炉（４）に供給するようにした
   特許請求の範囲第１項乃至第９項のいづれかに記載の還
   元鉄の製造方法。 １１、流動層予備還元炉内温度が７００〜１０００’Ｃ
   。 流動層還元炉内温度が７００〜１２００　’Ｃ，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１０項のいづれかに記載の還元鉄
   の製造方法。