JPS6096707A - 鉄鉱石の直接環元法 - 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、高炉を用いずに鉄鉱石を直接還元する溶融鉄
の製造プロセスの改良に関し、詳細には予備還元炉と転
炉型溶融還元炉を使用するプロセス（以下転炉型溶融プ
ロセスという）において、各炉内の圧力を制御して熱経
済性を改善すると共に、還元性排ガス中の高級炭化水素
成分、例えばタール類等の含有量を可及的に軽減する方
法に関するものである。

高炉法に代る新製鉄法は各方面で研究されているが、資
源事情を繁栄して一般炭を使用することのできるプロセ
スが注目されており、ｊＮ　ＲＥ　Ｄ法、ＥＬＲＥＤ法
、ＰＬＡＳＭＡ法、Ｋｒｕｐ’ｐ法、ＫＲ法、転炉型溶
融法等が開発されている。

しかし各方法には一長一短があり、例えばＩ　ＮＲＥＤ
法では予備還元炉と溶融還元炉が直結されてほぼ一体的
な外観を呈し、エネルギー消費量が最小となる様に設計
されると共に、排ガスのエネルギーでスチームタービン
を稼動させて電気炉の必要電力をまかなう様にしている
という色々な利点はあるが、秒単位の反応をベースとす
４ものであるから操業管理が極めて困難であり、又石炭
は０２と混合して同時的に吹込み完全燃焼させているの
で、排ガスの有用性については成分的に見て殆んど期待
が持てず、有価ガスを製造するという観点からは全く評
価できない。

次にＥＬＲＥＤ法では溶鉄の製造に当って電気炉を使用
するので高容量の電力が必要となり、発電設備コストが
極めて膨大となる。又本プロセスでは予備還元炉におい
て９００°Ｃ以下の温度で反応が進行する為、排ガス中
のタール分等は未分解のままであり、排ガス処理プロセ
ス中にタール処理工程を付加する必要があって、ここに
も設備コスト上昇の原因となるとともに操業上の欠点と
もなっている。しかもタール処理設備の如何によっては
公害問題を惹起する恐れがあって、水沈の採用には難点
が多い。又ＰＬＡＳＭＡ法には、コークス充填シャフト
炉中でプラズマアークを発生させるＰｌａｓｍａ−３ｍ
ｅｌｔ法と、プラズマアークで石炭やコークス等をガス
化し、このガスをシャフト炉に導いて鉄鉱石を還元する
Ｐｌａｓ＋ｗａ−ｒｅｄ法があるが、プラズマアーク発
生の為に電力消費量が大きく高炉法に代る程のメリット
はない。

一方転炉型溶融法は、鉄鉱石をシャフト炉や流動層で予
備還元し、続いてこれを溶融還元炉に導き底吹転炉方式
で製鉄及び石炭ガス化を行なうものであるから、装嵌コ
ストが比較的安価であると共に有価ガスが得られるとい
うメリットもあり、高炉法に代り得る方法として有望視
されているが、酸素を多量に使用すること、装置が複雑
になるごと、転炉式溶融還元炉の底部に数多くの原料装
入口を設ける必要があり運転性が悪いことなどの欠点を
有している。

本発明はこの様な状況下になされたものであって、各プ
ロセス毎に長所及び短所を比較検討し、改善の余地を探
求した結果、転炉型溶融法について有望な方策があるこ
とを見出し、更に種々の検討を加えて本発明の完成に到
達した。即ち本発明は、多量の酸素を使わず、代りに空
気で代用することが”Ｉ能であると共に溶融還元炉の原
料装入負荷を低減することができ、更に予備還元炉排ガ
ス中のタール分等を効率良く処理することができるよう
な新しい転炉型溶融プロセスの提供を目的とするもので
ある。

しかして本発明に係る改良転炉型溶融プロセスとは、流
動層を形成する予備還元炉において石炭又はコークスで
鉄鉱石を予備還元し、続いてこれを溶融還元炉に導いて
溶融鉄迄還元するに当り、予備還元炉内の操業圧力を溶
融還元炉内のそれよりも高くする点に主たる要点があり
、予備還元炉において発生した排ガスを溶融還元炉に装
入して溶融鉄への還元に供すると共に、該排ガス中の高
級炭化水素類（以下タール類という）を溶融還元炉の高
熱によって熱分解することを要旨とするものである。

即ち本発明においては、予備還元炉内で発生した炭化水
素類含有排ガスを、圧力傾斜を利用して溶融還元炉に送
り、該還元炉の熱によってタール類の熱分解を図るもの
であり、その為に予備還元炉操業圧を溶融還元炉操業圧
より高くしているが予備還元炉の操業圧を高めることに
よる効果としでは、前記の他に、予備還元炉がコンパク
ト化されること、予備還元効率が向上すること、予備還
元された鉄鉱石を高熱状態のままで溶融還元炉へ装入で
きること、予Ｉｉ＋還元済鉄鉱石の輸送シスチムが簡略
化されること等を挙げることができる。

以下従来の転炉型溶融プロセスと本発明の転炉型溶融プ
ロセスを対比説明することによって、本発明の構成及び
作用効果を明らかにしていく。

Ｓ１図は従来の転炉型溶融プロセスを示す代表的フロー
図で、実線で示す様に変更したフローからなるプロセス
も知られている。即ち原料鉄鉱石は粉状、塊状またはペ
レット状にしてラインＡから予備還元炉に装入され、ラ
インＭから供給される９００℃前後の還元ガス（Ｈ２リ
ッチ）によって部分的な（通常７０％程度の）予備還元
を受けＣ る。予備還元された高熱の鉄鉱石はラインＢに沿って冷
却器に入り、ラインｃ　、　ｃ’力方向循環する冷媒（
１はクーラー）によって若干降温され、吹いてラインＤ
に沿って溶融ａ元炉に装入される。凹かには造滓剤がラ
インＥから装入され、ギヤリヤーカス（Ｎ２又は還元性
カス）と共にラインＨから装入される粉末石炭（又はコ
ークス）、及びラインＩから装入されるｏ２とノズル冷
却用カスの混合ガスによって溶融還元が進行する。そし
て生成した溶鉄はラインＧがら、又溶融スラグはライン
Ｆがら夫々排出され、ｃｏとＮ２０を主成分とする溶融
還元炉排ガス（通常１６００〜１７００’ｃ程度）はラ
インＪから排出される。そしてこの排ガスはクーラー３
で冷却された後、ベンチュリー型等の除塵器を通過して
更に冷却される。次にコンプレッサーにて加圧されライ
ンに′から脱ＣＯ２器６に入る。一方予備還元炉朗ガス
は、ラインＯからラインＰ、Ｒに分離され、後者はクー
ラー２による冷却を受けた後コンプレッサーで加圧され
、ラインＳから矢印に′に合流する。即ち予備還元炉排
ガス中には未反応の還元性ガス（Ｎ２　＋ＧＯ）が残さ
れているので、これを循環使用する趣旨である。合流後
のカスは前述の脱ＣＯ２器６に入り、例えば乾式あるい
は湿式等の方法で脱ＣＯ２を行なわせ、迫元能カの高ま
った排ガスはラインＰから供給される予備還元炉排ガス
との熱交換によって約９００’Ｃ程度に回復されてから
、ラインＭに沿って予備還元炉に吹込まれる。尚ライン
Ｐから熱交換器に入ったカスは、ラインＱ方向へ排出さ
れ、適切な排ガス浄化処理を受けてから、後工程でボイ
ラー原料ガスなどに有効利用される。尚脱ＣＯ２器６か
らラインＴ方向へ排出されるｃｏ２ガスについて大気中
へ放出するか、またはイナートガスとして有効利用され
る。

尚ラインＪ’　、　Ｓ’、　Ｔ’、　Ｔ”及びＵで示さ
れる鎖線ルートのフローは、プロセスとして簡略化され
ているが、本質的には上述の実線ルートのフローと変る
ところはない。

さて第１図に示した従来のルートにおけるカスの流れを
見ると、高温側（溶融還元炉）で発生した排ガスの保有
熱を低温＃（予＠還元炉）で利用し、低温側で発生した
排カスは成分的な面を考慮して一部は循環使用するが、
残部は熱交換器における高熱側熱媒として利用した後、
外部へ送られ他目的に利用されるという構成からなって
おり、一般的なｔＪｌ熱利川シ用テムとして見れば極め
てオーソトツクスな方法と言える。しかしこのプリセス
を慎重に検討すると色々な問題が内包されている。その
第１点は原料石炭を炉の底部から装入するため、炉底の
羽目の数が多くなって部分的なつまりが発生しやすく、
安定した運転がやりにくいということである。その２点
は、酸化ガスとして酪素を使わないと運転がやりにくい
ので大量の酪素を必要とする為、その製造コストが莫大
となり、コストアップの原因となっている。第３点はこ
のように多量の石炭を小型反応器の中で分解するので、
どうしてもタール状の炭化水素が出口ガス中に残留し、
これが後工程の排ガス処理工程において、配管あるいは
各種機器類の内面等に付着する。この現象は装置類の保
守にとって極めて重要な問題をなげかけている。第４点
は溶融還元炉の排ガスであるがラインＪからラインＭに
至る工程を見ると、実線フローの場合、冷却→加温→冷
却→加温のサイクルを通っており、熱経済的には極めて
ロスの多い方法と言わなければならない。

即ち溶融還元炉排ガスの１６００−１７００’ｃ！にも
及ぶ高熱のエネルギーが十分に利用されているとは言え
ない。

第２図は本発明プロセスの一例を示すフロー図であって
、図における各ラインには、第１図に準じ同一の意義を
有するものには同一の記号を付記した。

予備還元炉には、粉鉱石がラインＡに沿って、又微粉炭
（あるいは微粉コークス）がラインＡ′に沿って装入さ
れると共に、ラインＮ方向から供給される常温空気に酩
素ガスが付加され、更に圧縮及び加熱を受けてからライ
ンＮに沿って吹込まれる。本所方式プロセスにおける第
１の利点は、原料炭は予備還元炉および溶融還元炉の２
カ所から装入されるので、溶融還元炉の底部から装入さ
れる原料炭の量は半分程度となり、従って底部羽目数は
いちしるしく低減され装置設計上極めて有利となってい
る。

Ｙ’　Ｕｔｉ　’；ａ元炉の型式は、下部から鉱石およ
び微粉炭を吹込んで部分耐化し微粉炭をガス化するとと
もに還元性ガスを製造して粉鉱石を５０〜８０％ぶ元す
る。還元きれた粉鉱石は還元が進行するにつれて粒度が
大きくなり、一部コークス化された炭材と程合した形で
ラインＤに沿いつつ、溶融還元炉に向って移動する。

第２の利点としては、予備還元炉において使用される酸
化ガスとして酸素の代りに空気を使用する点である。空
気を使用することにより酸素製造用の動力費は溶融還元
炉用のみとなるのでいちじるしく低減されるとともに、
高価な酸素製造装置が小型化されるので設備的にもシン
プルなプロセスとなる。

第３の利点は、通常の直接還元製鉄法とことなり、予備
還元炉の排ガスを溶融還元炉に装入しく通常のプロセス
ではこの逆である）、一部還元に利用するとともに、排
ガス中のタール分を完全分解してタール分の全くない還
元性カスを外部へ供給するように設計した点である。本
利点を有利にするため、予備還元炉は溶融還元炉より高
圧で運転する。しかしあまり予備還元炉を高圧にすると
、酸素を空気に変えた利点がなくなるので、その操業圧
力は２〜５Ｋｇ／ｃｍ　Ｇが望ましい（酸素製造装置の
動力費は、主に空気を５　Ｋｇ／ｃｍ２Ｇに圧縮するた
めの動力費であるので、この圧力以下で空気を圧縮すれ
ば空気を使用する方が有利となる）。

一方溶融還元炉については第１図のものより、よりシン
プルな構成からなっており通常常圧高温操業がなされて
いる。従って予備還元炉において部分的な還元が進み、
遊離の鉄が生成して相互に融着が生じはじめると、融着
によって粒径の成長した鉄鉱石原料が予備還元炉の底部
から落下しはじめ、ラインＤに沿いつつ溶融還元炉に向
って移動する。この移動経路には、必要に応じて貯留容
器を設け、且つ定量的な切出し装置を付加して溶融還元
炉への原料装入を制御することもできるか、いずれにせ
よ高圧側から常圧側へ向けての輸送であるから、極めて
シンプルな輸送システムにすること力＜＋ｑ能である。

又予備還元された粉鉱石は、それ自身高温であるから、
外気に触れると簡ｒ１ｔに再酸化されるという傾向があ
るので、上記輸送システムの経路は再酸化を抑制するも
のでなくではならない。しかるに本発明の転炉型溶融法
では、予備還元炉から排出される還元性排ガスを高圧状
態で得ることができるので、例えば該排ガスを１−記輸
送システム内へ導入することによって同システム内を高
圧にするというシール方式を採用することも可能となり
、この面においても極めて合理的な方法として評価する
ことができる。

一方溶融還元炉を若干の加圧下に操業することも不ＩＩ
ｆ能ではないが、（１）溶鉄の製造工程においては高圧
操業を行なってもランニングコストはそれ程低下しない
こと、（２）予備還元炉との圧力差が少なくなって上述
の各効果が低減すること、（３）１５００〜１８００℃
にも及ぶ高温操業炉の耐圧構造は設計及び製作上の困難
があること、等の理由によって余り推奨できない。

ところで予ＷＩ還元炉から発生ずる排ガス中には、前述
の如くタール類が含まれ、これらは温度が低下して常温
近傍になると粘着性のある液状物質となり、冷却機（図
示のクーラーを含む）、コンプレッサー、脱ＣＯ２器、
あるいはブロワ−１更には配管中に詰って連続運転の実
施に大きな障害となっている。しかし本発明のプロセス
では、予備還元炉の排ガス（通常１〜２％のタール類を
含有している）を可及的にシンプルで且つ短いルートを
経由させて（換言すれば可及的短いパイプラインを通し
て、又更に可能なかぎり高温状！！％を保持したままで
）高温の溶融還元炉へ装入しているから、上記排ガスは
溶融還元炉内で更に高温に加熱され、短時間の滞留によ
ってほぼ完全に熱分解される。従って予＠還元炉排ガス
の大部分を排出する為に特別のタール類等処理装置を併
設することが必要とされていた従来プロセスに比べて設
備費及びメンテナンス経費が大幅に節減されると共に、
タール類による公害発生の恐れ自身がな〈なった。

以下に実験結果を示す。

（＋　）　Ｔ　４ｊｆｉ還元炉に関するテスト実験用小
型流動層（３０００ｍｍ（ｌＸ　１００ｍｍφ）を用い
、下記の条件でテストを行なったところ、予備還元率的
７０％の鉄鉱石をうるとともに、コークスがその中に２
〜３重量重量％柱、かつ予備還元炉排ガスの組成は、第
１表のとおりとなり、タール分が約２％含まれているこ
とが確認された。

予備還元炉テスト条件 １）石炭供給＠：　：　４００　ｇ／Ｋｇ−Ｆｅ２）空
気供給量：　９９０１　／Ｋｇ−Ｆｅ３Ｎｉ動ガス供給
ｉ：　９７０文／Ｋｇ・Ｆｅ４）流動ガス組成： ＧＯ＝６７％、Ｃ０２＝１８％。

Ｈ２＝１３％、Ｎ２０＝　１％。

Ｎ２＝１％ ５）予備還元炉温度（平均値）：９００℃第１表　予備
還元炉テスト条件 （２）　タール除去に関するテスト 第３図に示すようなテスト装置を川Ｉ／）、ｉｎ記テス
ト装置から発生した予備還元炉排ガス（第１表）中のタ
ール分の分解テストを行った。

溶融還元炉（１００＋ｓｍφＸ　１０００ｍ＋＊”　）
のテスト条件はド記のとおりである。

１）石炭吹込ｒＨｊ　：　６３０ｇ／　Ｋｇ−Ｆｅ２）
Ｙ’グ１１還元鉱（７０％）吹込量：１２００ｇ　／　
ＫｇＩＩＦｅ ３）０２吹込量：　４５０１　／　Ｋｇ　・Ｆｅ４）石
　ｊ＜　：　１２０ｇ　／Ｋｇ＊　Ｆｅこの時、発生す
る排ガス組成及び星は下記のとおりであった。

１）１ｍガス都−：　１２００〜１２５０１　／　Ｋｇ
　１１Ｆｅ２）胡ガス組成： Ｃ０＝５９％、Ｃ０２＝１４％。

Ｈ２＝１３％、Ｎ２０＝１３ Ｎ２＝１％ ３）排ガス温度＝１６５０〜１７００℃第３図に示す溶
融還元炉に、予備還元炉排ガスの量および温度を調整し
ながらこれを装入し、出口温度Ｔ皇を測定し、出口温度
Ｔ１と、タールの除去率との関係を測定した結果、下記
のデータを得た。

第　２　表 注）　炉内でのガスの滞留時間は 約１秒に調整した。

上記の結果から判断すれば、溶融還元炉出口ガスを１０
００℃以上にすることにより、予備還元炉排ガス中のタ
ール類はほぼ完全に除去することができ、溶融還元炉排
ガスの取扱いが極めて容易になった。

上記説明では、予備還元炉の排ガスを全て溶融還元炉に
供給する構成及び実験を述べたが、第２図のラインＯ′
に示す如く、その一部を冷却、除塵した後、再圧縮して
予備還元炉の底部へ返送（循環）する方法、あるいは図
示しなかったが、これらの処理を行なうことなく単に循
環させて予備還元炉へ戻す方法等を採用することもでき
る。尚予備還元炉排ガスの全部又は一部を溶融還元炉へ
装入するに当っては、ラインＯで示す如く同部の底部か
ら吹込む場合に限らず、１点鎖線ライン０で示す如く溶
融還元炉の上部に装入し、回部に設けた熱交換器１１に
よって前記排ガス中のタール類を効率良く熱分解するこ
とも、推奨に値する一方策である。またタール分を有効
回収したい場合は、Ｗのルートで系外に排出したのち、
従来法でタールを回収する方法もあることは言うまでも
ない。

本発明プロセスを採用することによる効果としては、前
記の他溶融還元炉排ガスの利用を挙げることカーできる
。即ち本発明における放出ガスは、高温でしかもタール
類等を含まない溶融還元炉排ガスであるから、比較的低
温で且つタール類を含む予備還元炉排ガスと比較して、
その利用範囲は極めて広くなり、且つ環境汚染を生じる
恐れもない。高温エネルギーの利用形態としては、熱交
換を挙げることができるが、ＣＯやＨ２に富んだ化学組
成であることに注目し、燃料（例えば一般ポイラ用燃料
、あるいはガスタービン用燃料等）として利用すること
が一方策として推奨される。尚第２図におけるラインＪ
、Ｗのルートはその一例であるが、ラインＷの一部をラ
インＸ方向に抜出し、集塵後回加圧して予備還元炉へ返
送する場合（ラインＷ）は、ボイラやサイクロンを通過
する過程で相当低温になっていることを考慮し、ライン
Ｊから一部うインＶに取り出した排ガスで加熱（熱交換
）することが推奨される。しかしより有効な利用用途は
、Ｈ２やＣＯを含むことに着目し、且つタール類等が殆
んど含まれていないことを利用した燃料電池用燃料とし
ての活用である。

即ち上記排ガス中にはＨ２やＣＯが含まれているので、
水素／酸素型や一酸化炭素／酸素型の燃料電池用燃料と
しての利用価値を内在しているが、電気エネルギーへの
変換効率を高める為には電極と電解質の界面面積を大き
くする必要があり、ハニカム構造体や焼結体等の多孔質
物質を使用しなければならない。しかるに供給ガス中に
タール類が多数台まれていると、多孔質構造の表面にそ
れらが付着堆積し、電解質と供給ガスの接触面積が低下
して変換効率に重大な悪影響が与えられる。

従って本来供給ガスは、タール類等を含まない清浄ガス
であることが要求されるが、本発明で得られる溶融還元
炉排ガスはこの条件を十分に満足するものであり、単な
る排熱利用に比較して極めて有用な用途に適用すること
ができる。又これらの他の、Ｃ１化学の原料として利用
することも、　−ｈ記の化学組成から容易に理解される
ところであり、本発明は単なる製鉄法として位置付けら
れるべきではなく、石炭ガス化技術としての側面も有す
るものである。

本発明は以上述べた様に構成されているので、予備還元
炉で発生する排ガスの熱量及び成分が溶融還元炉におい
てほぼ完全に利用され、従来の様な熱交換程度の利用に
比べて極めて有効であり、又排ガス中のタール類等がほ
ぼ完全に熱分解されるので、機器類のメンテナンスが容
易になると共に、タール類除去の為の特別設備を設ける
必要がなく、且つ環境汚染の問題もほぼ完全に解消され
た。又溶融還元炉の排ガスは高熱を保有すると共にター
ル類等を含まないので、熱量として直接利用したり各種
燃料として利用するに止まらず、燃料電池のガスやＣ１
化学の原料ガスとしても利用できる様になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプロセスを示すフロー図、第２図は本発
明のプロセスを示すフロー図、第３図は本発明に係るテ
スト装置を示すフロー説明図である。 出願人　株式会社　神戸製鋼所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）流動層を形成する予備還元炉において鉄鉱石を石
   炭又はコークスで予備還元し、予備還元された鉄鉱石を
   溶融還元炉に導いて溶融鉄に還元する鉄鉱石の直接還元
   法であって、予備還元炉内を溶融還元炉内よりも高圧で
   操業すると共に、予備還元炉において発生した排ガスを
   溶融還元炉に装入して溶融鉄への還元に供し、且つ該排
   ガス中の高級炭化水素類を熱分解することによって溶融
   還元炉排ガス中の炭化水素量を可及的に軽減することを
   特徴とする鉄鉱石の直接還元法。 （２、特許請求の範囲第１項におい七、溶融還元炉の頂
   部に熱交換器を設け、予備還元炉排ガスの一部を該熱交
   換器に導いて該排ガス中の炭化水素を熱分解させる鉄鉱
   石の直接還元法。 （３）特許請求の範囲第１又は２項において、溶融還元
   炉排ガスを用いて燃料電池による発電を行なう鉄鉱石の
   直接還元法。