JPS6036609A - 鉄鉱石の還元方法 - 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】 本発明は一般に、天然ガスに由来する熱還元性気体混合
物を用いる竪型シャフト移動床反応装置内で粒状鉄鉱石
をスポンジ鉄に還元する方法に関し、より詳細には還元
性気体を反応装置内に導入するに先立って天然ガス等（
主としてメタン）の炭化水素分を一酸化炭素に転化する
ための外部改質炉使用の必要性を排除する。このタイプ
の方法に関する。

製鉄に適した形式において鉄鉱石を還元して鉄全製造す
るのは、鉄の融点より低い温度において熱還元性気体を
、スポンジ鉄を製造するための７００’乃至１ｏｏｏ’
ｃのナーダーの温度で粒状鉄鉱石の床を通過させること
により行なえることは長い間知られてきた。その広範な
入手可能性の故で、天然ガス（代表的なものはメタン全
７５％、８５チあるいはそれ以上含有すると報告されて
いる）が、この種のスポンジ鉄法用の還元性気体源とし
て広く用いられてきた。天然ガスはまた、エリ少量の他
の単純な炭化水素同族体１例えばエタン（１０％のオー
ダーで）、プロパン、ブタン、ｋにペンタン等をも含有
することが良く知られている。

従って、構成百分率の範囲は可成り供給源により左右さ
れる。しかし、天然ガス中に存在するメタン自体および
その他の低分子量パラフィン系炭化水素（それが単独も
しくは混合物であろうが）は鉄鉱石にとっては相対的に
効果のない還元剤であるので、メタンお工び／またはそ
の他の低分子鼠炭化水素は鉱石−還元剤として用いるた
めに一酸化炭素と水素の混合物に転化するのが通常であ
った。エリ具体的には天然ガスと水蒸気の混合物を改質
炉中で一酸化炭素と水素混合物に接触的に転化し、そし
て得られた改良還元性気体混合物を必要ならば加熱し、
そして粒状鉄鉱石の床を通過させて、それをスポンジ鉄
に転化するものである。

典型的な気相還元装置はたとえば、米国特許第３，７６
５，８７２号、第４，０９９，９６２号、第４．１５０
，９７２号、第４，７４８，１２０号１第４，０４６，
５５７号および第３，９０５，８０６号中に開示されて
いる。

この極の装置は通常竪型反応装置を含んで構成されてお
り、この反応装置はその上部の還元域と冷却域とを備え
ており、該還元域では熱還元気体が下降する鉄鉱石体に
対し向流的に上方へ流れ、一方、冷却域ではスポンジ鉄
の形態の還元鉄鉱石が冷却気体で冷却されるものである
。

還元域の頂部から排除された消費還元性気体は脱水され
、改質炉よりの新鮮な還元性気体と混合され、再加熱さ
れ、そして反応装置の還元域へ再循環される。

改質された天然ガスを還元剤として用いる還元システム
は工業的に広く利用されてき九が。

これらのシステムはまた。用いている接触的改質炉が装
置の高価な部分を形成し、そしてこの種のスポンジ鉄製
造プラントの投下質素の実質的部分を占めるという重大
な雑魚にもさらされている。従って、外部改質炉を用い
ないで、高品質のスポンジ鉄全製造することができる方
法は、この種プラントの骨本経費を実質的に減少するも
のとなる。

上述したように、天然ガス自体は多くの理由から鉄鉱石
還元反応装置中で用いるには不満足な還元剤である。従
って、主としてメタンおよび／またはその同族体を含有
する気体を還元剤として用いる場合の還元反応速度は一
定の温度では一酸化炭素お工び水素から成る混合物につ
いての反応速度よりも実質的に低い。メタンおよびその
同族体の反応速度はその温度を上昇させることによって
増加させ得るのは事実であるが、受入れ可能な反応速度
を達成するために要するより高い温度は他の問題をもた
らす。このような訳で、約１０００℃を超えるｒ晶度で
はメタンは、特に鉄の存在に際して分解されて、ススの
形の固体炭素を形成（７％このススが鉄含有物質を被接
し、そして還元すべき粒状物またはベレットの内部への
ガスの接近を妨げる。

更に、このような高温では、還元されたへ藪鉱石が焼結
および塊状化されて、大きな集合体となる傾向がある。

竪型シャフト移動床反応装置の受入れ可能な操作を達成
するためには１反応装置を経由する粒状物またはベレッ
トの自由流動（ｆｒ＠ｅ　ｆｌｏｗ　）　、そして特に
反応装置の、どんな減少した横断面積部分を経由する場
合であっても、その自由流動が基本である。大きく。

不整形の果合体の形成は、ある場合には、民心装置中の
固形物の流れを完全に妨げ、そして、またその中を流れ
る気体流の好ましくないチャネリングを生ずる。

更に反応装置内で起る還元反応は一般に吸熱的なので、
供給気体は反応装置の外部で加熱して必要な反応熱を供
給せねばならない。高反応温度の利用は還元気体加熱費
用を増加させる。

前述の問題を解決するための一つの努力は金子他の米国
特許第４．２６８．３０３号中に開示されている。本特
許の開示によれば、鉱石の還元は２段階に行なわれる。

第１段の還元において、メタンガスは補給ガスとして用
いられ、そして還元は３０％乃至８０％のメタライゼー
ション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　）が達成される
点まで行なわれる。約９５〜９８％の最終還元は、大部
分が一酸化炭素と水素から成る改質気体が用いられる第
２段において達成される。Ｍ１段還元性気体を生成する
ための改質炉が必要とはされないので、この改質炉は比
較的小さくすることができる。しかし、第２還元元性気
体を生成するための改質炉は、受入れ可能な高メタライ
ゼーショ／を達成するためには、依然として必要である
。この特許方法の欠点は資本経費の極端に高いことであ
って、それは気体加熱器の高操業温度の故である。もう
一つの欠点は、この種の高温における操業において固有
の可成り大きな熱損失である。

通常、この技術分野において、メタンおよびその同族体
は、鉄鉱石の直接還元におけるＩ■雪（９） お工びＣｏへの予備転化なしでは、実用的材料として直
接それ自体は利用できないものと認識されている。たと
えば、Ａ、ド／＼１お工び２．スバルチェツ（「ポリテ
クニク、インスチッート」ブルガリア国クルージ（０１
ｕｊ　）　）による［セルセタリ、メタルルギス（０ｓ
ｒｅｅｔａｒｉ　ｍ＠ｔａｌｕｒ−ｇｉａ・）」、第９
巻（１９６７年）、第１３３〜１４１ページ中の記事「
メタンガス・ユニフロー中の酸化鉄の還元」にはメタン
は１，０００’Ｃ’ｅ超える高温においてのみ、有効に
鉄鉱石を還元れは他の個所で論述したように塊状化問題
の故である。この教示とは反対に１本出願人は（単独の
、あるいは天然ガス、′！たはその他の類似ガス、たと
えばガス化器プロセスガス、コークス炉ガス等中の）メ
タンの定常状態直接添加が温度範囲ｓｏｏ乃至１，００
０℃、より好ましくは９００乃至９６０℃で行なえるこ
とを見出した。

（１０） 従って１本発明の目的は、何らの外部接触的改質炉を必
要としない前述のタイプのスポンジ鉄製造方法を提供す
ることにある。

本発明の他の目的は天然ガス自体を補給ガスとして使用
する。この糧の方法を提供することにある。

その他の本発明の目的は一部は明らかであろうし、また
一部は以下で指摘することになろう。

本発明は上に述べた通常タイプの連続式反応システム、
すなわち反応装置の還元域内で熱還元性気体が下降床ま
たは粒状鉱石全経由して上方へ流れ、消費ガスは還元域
の頂部付近から除去され、そして脱水され、また脱水さ
れたガスは加熱され、かつ還元域の底部へ復帰されて還
元性気体ループを形成する１システムと有用に組合わせ
ることができる。本発明の目的と効果は一般に還元性気
体ループに、補給ガスとして水蒸気ならびにメタンおよ
び／またはその同族体に、１．４　ｘ　：　１乃至２．
２ｘ：１のモル比で供給し、そして二酸化炭素をループ
内を流れる気体（１１） 混合物から除去することによって達成される（この場合
、Ｘは補給ガスの炭化水素成分の増量した平均モル炭素
原子含有量であり、たとえば、ｘ−２はエタン単独を意
味し、あるいは１．５はメタンおよびエタンの５０　／
　５０混合物を意味する）。天然ガスおよび水蒸気を適
切な割合で再循環還元性気体に添加することにより、９
０チ以上のメタライゼーションが、温［９００℃乃至１
．０００℃において、全く外部改質炉を用いることなく
、また大きな凝集塊を形成することなしに達成できるこ
とが見出されている。また、更に以下で指摘されるよう
に、補給ガス中の水蒸気対炭素の比率を調節することに
より生成されるスポンジ鉄の炭素含有量を有用な範囲に
わたって、選択的に変化させることができる。

本発明の目的および効果は添付図面を参照す動床気体還
元鉄鉱石還元用反応装置を示し、その上部に還元域１２
′１１−有し、またその下部に冷（１２） 動域１４を備えている。鉄鉱石は域１２の頂部から供給
され、一方、冷却されたスポンジ鉄は域１４の底部にお
いて除去される。反応装置１０の還元域１２は還元性気
体ループの一部を形成する。大部分が水素と一酸化炭素
から成る熱還元性気体はパイプ１６を経由して域１２の
底部へ流れ、その結果、その内部の多数の粒状鉱石中を
上方へ経由して、下降する鉱石をスポンジ鉄に還元する
。消費気体はパイプ１８を介して反応装＃を去り、そし
て冷却され％Ｖまた気体引出し管２２を備える冷却器２
０内で脱水される。管２２内を流れる気体は分割される
。すなわち、その一部は背圧調整器２Ｇを備えるパイプ
２４を介して系から除去され、一方残部は還元域１２に
再循環される。より具体的には、冷却および脱水気体の
再循環部はパイプ３０ｆ：経由してポンプ２８により二
酸化炭素吸収ユニット３２に圧送され、そこで００３が
再循環気体から除去されてその炭素含有量を減する。吸
収ユニット３２から再循環気体はパイプ３４およ（１３
） び３６を経由して加熱装［３８へ流れ、そこで気体は適
切な温度、たとえば９５０℃に加熱され、そしてその結
果、パイプ１６を経由して還元域へ流れて行く。

反応装置１０の冷却域１４もまた。気体再循環ループの
部分を形成する。冷却用気体はポンプ４０によってパイ
プ４２を介して冷却域１４の底部へ圧送され、そして下
降する多数の粒状スポンジ鉄中全上方へ経由して、これ
を冷却する。パイプ４４を経由して冷却域１４の頂部か
ら抜出された再循環気体は冷却器４６内で冷却され、そ
してパイプ４８を介してポンプ４０の吸気側に復帰され
る。

前述タイプの気体還元システムにおいては、還元性気体
ループに供給される補給用還元性気体として、改質炉内
で天然ガスと水蒸気から成る混合物の接触的改質により
得られる一酸化炭素と水素の予備形成された混合物を用
いることが通例であった。先に述べたように、この種の
外部接触的改質炉の使用はこのような還元用ブ（ｌ萄 ラントにとって所要の資本投下を実質的に増加させるも
のである。本発明は、外部の改質炉を完全に免除でき、
そして満足すべき還元が、補充天然ガスと水蒸気とを適
切な割合で還元性気体再循環ループに供給すること、お
よび再循環ループから二酸化炭素全除去して還元域内の
鉄含有物質上への過剰の炭素堆積を阻止することによっ
て還元性気体供給温度の増加を伴なうことなく達成し得
るという発見に基づくものである。

図面に戻ると、適当な供給源からの天然ガスは流ｉｔ調
整器５２全備えるパイプ５０を経由して系内に入る。流
入天然ガスは分割される。すなわち、その一部は流を調
整器５６を備えるパイプ５４を介して冷却ループへ流れ
、一方残部はパイプ５８を経由して還元性気体ループへ
流れる。水蒸気は流量調整器６２′ｆｒ、有するバイブ
ロ０を介して供給され、そして天然ガスの導入点の近傍
で還元性気体ループに入る。このようにして、補給天然
ガスおよび水蒸気は互いに混（１５） 合され、またそれらが加熱される前に再循環気体と混合
され、そして反応装置へ供給される。

先の記載から１本発明を用いる鉄鉱石還元システムが本
明細書の冒頗で述べた数種の目的を達成できることは明
らかな筈である。

鉱石を効果的かつ有効に還元してスポンジ鉄を製造する
ことが、別の接触的改質炉を用いることなく、また未改
質メタンを補給用ガスとして用いる先行技術方法におい
て採用される好ましくない高温を利用することなしに達
成されるのである。天然ガスおよび水蒸気を適切な割合
で再循環ガスに添加すると、鉱石還元について水素を生
成するメタンの所望改質が、反応装置内の製品スポンジ
鉄によって触媒されるように思われる。再循環した気体
から二酸化炭素を除去することにエリ、その炭素含有−
：は比較的低く維持（約１．３チ乃至２．５％）され、
その結果添加水蒸気対メタン含有天然ガスのモル比を１
．４ｘ：１乃至２．２Ｘ：１の範囲内に調節することが
、スポンジ鉄中の予め定め得る比較的低（１６） 炭素含有量を達成するために利用し得ることになる。更
に本発明により、製造するスポンジ鉄のトン当りに要す
るメタンまたは天然ガスは先行技術方法におけるよりも
町成り少なくなる。

勿論、前述の説明は単に例示的であることを意図するも
のであＶ、また特許請求の範囲中に限定されるように１
本発明の精神から逸脱することなく開示された具体的実
施態様中で数多くの変更がなされ得るものであることが
理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

８１図は本発明の好ましい実施態様を実施することので
きる装置を示す線図である。 符号の説明 １０・・・竪型シャフト移動床気体還元鉄鉱石還元用反
応装置、　１２・・・還元域、１４・・・冷却域、　２
０．４６・・・冷却器、　２８．４０・・・ポンプ、３
２・・・二酸化炭素吸収ユニット、３８・・・加熱装置
、　５２　．５６．６２・・・流量調整器。 （１７）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｒ元域であってその中で鉄鉱石がスポンジ鉄に還
   元されるものを備える竪型シャフト移動床反応装置内で
   、大部分が水素、−酸化炭素であり、少なくとも１種類
   の気体状炭化水素ならびに水蒸気から構成される熱還元
   性気体を前記還元域に供給して前記気体を前記床の少な
   くとも一部を通過させてその中の鉱石を還元し、消費気
   体を前記還元域から抜き出（−１かつそれを脱水し、脱
   水気体から二酸化炭素を除去し、得られた気体を再加熱
   し、そしてそれを前記還元域に復帰させて還元性気体再
   循環ループを形成させる工程を含んで成る粒状鉄鉱石の
   還元方法において％実質的に水蒸気と少なくとも１種類
   の気体状炭化水素とを含んで成っている補給ガスを、前
   記反応装置外の気体状炭化水素から水素および一酸化炭
   素への何らの接触的改質なしで前記ループへ供給する工
   程と、前記水蒸気と気体状炭化水素含有量のモル比の範
   囲を、＠記補給ガスの前記気体状炭化水素含有量に由来
   する前記還元性気体の本質的に全水素および一酸化炭素
   が定常状態の操作の間に前記反応装置内で生成される工
   うに２．２）［：１（但し、Ｘは前記補給ガス中のいず
   れかの炭化水素のモル炭素含有量である）までに維持す
   る工程とを含んで構成されることを特徴とする還元方法
   。
2. （２）前記補給ガスが１本質的に水蒸気と気体状炭化水
   素含有物のみから成っており、そして前記モル比が１．
   ４ｘ：１乃至２．２　ｘ　：　１の範囲にある特許請求
   の範囲第１項記載の還元方法。
3. （３）前記反応装置が、冷却気体ループに工り前記スポ
   ンジ鉄を冷却するための冷却域をその下部に有する特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の還元方法において
   、補給ガスが。 二酸化炭素の除去地点と循環ガスを再加熱する地点との
   間で前１１ｔＦ反応装置外部の前記還元性気体ループに
   飽加さ扛ること′ｆ！：特徴とする方法。
4. （４）補給ガスの気体状炭化水素含有物が王としてメタ
   ンである上記％許請求の範囲のいず詐か［こｄ記載の還
   元方法。
5. （５）　水蒸気とｆＩ４１給ガスの気体状炭化水素含有
   物とが、前に己還元性気体ループへの厳加に先立って混
   合される上記特許請求の範囲のいずれかにｄ己敏の還元
   方法。
6. （６）水蒸気および補給ガスの気体状炭化水素含有物が
   別々に前記還元性気体ループに添加される上記特許請求
   のＩＩＱ　ＩｉＨのいずれかに記載の還元方法。
7. （７）補給ガスの気体状炭化水素含有物が天然ガスであ
   る上記特許請求の範シロのいずれかに記載の還元方法。
8. （８）　メタンが補給ガスの少なくとも実質的部分とし
   て・蛛鮭檜−＠−丙つ冷却柴律ループに添加さｌす１ れる特許請求の範囲第３項乃至第７項のいずれかに記載
   の還元方法。
9. （９）前記還元域内の温度が８５０℃乃至ｉｏｏ。 ℃の範囲に維持される前記特許請求の範囲のいずれかに
   記載の還元方法。