JP4785840B2 - 単一流動層を用いた直接還元工程 - Google Patents
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Description
好ましくは、本工程は前述のランスの外表面を水冷することを含む。
主目的は、リン含有量の多いBrockman鉱石(3mm未満)およびBlair Athol炭を使用して長期安定運転を達成することであった。
実験は2003年12月9日午前6時に開始し、流動媒体にアルミナを使用して700mm流動層容器(以下「CFB」とも言う)を徐々に昇温した。目標温度に到達するとすぐ、15時50分に石炭および酸素を流動層容器に導入した。酸素供給量は最高105Nm3/hrまで増したが、石炭供給量は300〜450kg/hrの範囲内の量とした。
石炭、空気および酸素による運転は2003年12月10日に行った。運転は順調で、システムの安定化はかなり速く、流動層容器内温度は何の問題もなく900〜930℃に維持できた。
CFB温度:底部930℃、頂部900℃
流動化ガス流量:140Nm3/hr(N2)および300Nm3/hr(空気)
CFB圧力損失:80〜140mbar
酸素流量:最大100Nm3/hr
遮断用N2ガス流量:30Nm3/hr
石炭供給量:340〜450kg/hr
流動層排出量:100〜160kg/hr
サイクロン3排出量:10〜14kg/hr
2003年12月10日22時〜2003年12月11日午前6時:鉄鉱石10kg/hr
鉄鉱石(3mm未満)を2003年12月10日22時に10kg/hrの割合で供給装置に導入した。処理後の排ガスの流動化ガスとしての使用をシミュレートするため、水素も20Nm3/hrの割合で流動化ガスに導入した。運転は順調で、流動層の圧力損失は100〜120mbarに維持され、温度プロファイルは流動層の底部と頂部の温度幅がわずか10℃であった。
CFB温度:底部930℃、頂部900℃
流動化ガス流量:350Nm3/hr(N2)および20Nm3/hr(H2)
CFB圧力損失:100〜130mbar
酸素流量:100〜115Nm3/hr
遮断用N2ガス流量:30Nm3/hr
石炭供給量:280〜360kg/hr
鉄鉱石供給量:10kg/hr
流動層排出量:125kg/hr
サイクロン排出量:15kg/hr
鉄鉱石供給量は、2003年12月11日6時に20kg/hrまで増やして2003年12月11日12時まで継続し、水素供給量も40Nm3/hrに増やした。運転はなんら問題なく順調に継続された。流動層容器の流動層の圧力は約80〜100mbarに維持され、温度プロファイルは流動層の底部と頂部の温度幅がわずか10℃であった。
CFB温度:底部952℃、頂部940℃
流動化ガス流量:350Nm3/hr(N2)および40Nm3/hr
CFB圧力損失:80〜100mbar
酸素流量:112Nm3/hr
遮断用N2ガス流量:30Nm3/hr
石炭供給量:430kg/hr
鉄鉱石供給量:20kg/hr
流動層排出量:125kg/hr
サイクロン3排出量:15kg/hr
概要
鉄鉱石供給量は、2003年12月11日12時に40kg/hrまで増やし、その供給量で2003年12月12日午前6時まで運転した。一方、水素供給量は40Nm3/hrのまま維持し、石炭供給量は約360〜420kg/hrであった。運転はなんら問題なく順調に継続され、鉄生成排出物は高度に金属化していた。ダストの生成も少なく、最終サイクロン(すなわちサイクロン3)からの排出物の全排出物中の比率は10%未満であった。流動層容器の流動層の圧力損失は約90〜135mbarに維持され、温度プロファイルは流動層の底部と頂部の温度幅が10℃以下であった。
生成物の外観は、なんら付着物あるいはアグロメレートの兆候もなく、継続して良好であった。
CFB温度:底部953℃、頂部941℃
流動化ガス流量:370Nm3/hr(N2)および40Nm3/hr(H2)
CFB圧力損失:98〜130mbar
酸素流量:113Nm3/hr
遮断用N2ガス流量:30Nm3/hr
石炭供給量:426kg/hr
鉄鉱石供給量:40kg/hr
流動層排出量:190〜210kg/hr
サイクロン3排出量:15〜20kg/hr
2003年12月12日、ランスを700mm流動層容器から取り出し、検査を行った。
2003年12月13日午前6時〜2003年12月13日12時:鉄鉱石110kg/hr
概要
鉄鉱石の供給量は段階的に増やし、2003年12月13日午前6時25分に110kg/hrとして2003年12月13日12時までこの供給量で運転した。一方、水素ガスの供給量も段階的に110Nm3/hrまで増やして2時間以上運転した。石炭の供給量は約360〜400kg/hrであった。運転はなんら問題なく順調に継続され、鉄生成排出物は最高78%まで金属化していた。ダストの生成も少なく、最終サイクロン(すなわちサイクロン3)からの排出物の全排出物中の比率は10%未満であった。流動層容器の流動層の圧力損失は約90〜135mbarに維持され、温度プロファイルは流動層の底部と頂部の温度幅が5℃未満であった。
生成物の外観は、なんら付着物あるいはアグロメレートの兆候もなく、継続して良好であった。
CFB温度:底部953℃、頂部951℃
CFB流動化ガス流量:860℃にて10Nm3/hr(N2)、740℃にて110Nm3/hr(N2)、680℃にて180Nm3/hr(N2)、および860℃にて110Nm3/hr(H2)
CFB圧力損失:80〜100mbar
酸素流量:110Nm3/hr
遮断用N2ガス流量:30〜40Nm3/hr
石炭供給量:360〜400kg/hr
鉄鉱石供給量:110kg/hr
流動層排出量:162kg/hr
サイクロン3排出量:16kg/hr
概要
2003年12月13日17時から2003年12月16日12時までのこの運転の第1期間においては、鉄鉱石供給量おおよそ120kg/hrにて運転を行った。これには外乱によって供給を停止した期間が含まれる。最終期間は鉄鉱石供給量おおよそ230kg/hrで運転した。
生成物の外観は、なんら付着物あるいはアグロメレートの兆候もなく、継続して良好であった。
CFB温度:底部947℃、頂部960℃
FBガスヒータ温度:メインヒータ740℃および615℃
CFB流動化ガス流量:840℃にて20Nm3/hr(N2)、740℃にて100 20Nm3/hr(N2)、615℃にて185 20Nm3/hr(N2)、および840℃にて140Nm3/hr(H2)
CFB圧力損失:83〜96mbar
酸素流量:113Nm3/hr
遮断用N2ガス流量:30〜40Nm3/hr
石炭供給量:380kg/hr
鉄鉱石供給量:200kg/hr
流動層排出量:227〜286kg/hr
サイクロン3排出量:18〜24kg/hr
2003年12月16日、ランスを700mm流動層容器から取り出し、検査を行った。手短に言えばランスはかなり清浄であった。水冷パイプには薄い被覆物があったが、ノズルチップは比較的清浄であった。堆積物の性状(フレーク状で薄い)から、堆積物が運転上問題となることは無いであろうと思われた。
この流動層の原材料として用いられたBrockman鉱石の試料の分析によると、45ミクロン未満の細粒の含有量はおよそ10.6%であった。これくらいの粒子量は、サイクロン3からの排出物または濃縮汚泥として発生することが予測された。Brockman鉱石の砕けやすさのため、処理過程で追加の細粒が生成されることが予測された。そのため、サイクロン3を経てシステムから排出される鉄粒子量の割合は10.6%を超えるものと予測された。
Claims (46)
- 金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを流動層容器内の流動層へ供給し、該流動層容器内の流動層を維持することと、金属含有材を前記流動層容器内で少なくとも部分的に還元することと、少なくとも部分的に還元された金属含有材を含む生成物流を前記流動層容器から排出することとを含み、金属含有材を直接還元する方法において、該方法は、
(a)前記流動層容器内における炭素質材料の量に対する金属含有材の量が前記流動層内の他の領域よりも相対的に多い金属リッチな区域で金属含有材を固体状態で還元すること、
(b)金属含有材の供給源の上部で前記流動層容器内における金属含有材の量に対する炭素質材料の量が前記流動層内の他の領域よりも相対的に多い炭素リッチな区域内に垂直±40°の範囲の酸素含有ガス下方流を噴射し、酸素と、金属含有材、固体炭素質材料およびその他の被酸化性固形物ならびにガスとの流動層内での反応により熱を発生させること、ならびに
(c)前記流動層容器内の固形物の動きによって、前記炭素リッチな区域から前記金属リッチな区域に熱を伝達することを特徴とする金属含有材を直接還元する方法。 - 請求項1に記載の方法において、垂直±15°の範囲の酸素含有ガス下方流を噴射することを特徴とする方法。
- 請求項1または2に記載の方法において、前記金属リッチな区域を流動層容器下部に、また前記炭素リッチな区域を流動層容器中間部に形成することを特徴とする方法。
- 請求項3に記載の方法において、前記中間部は前記下部と流動層容器上部の中間にあることを特徴とする方法。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の方法において、酸素含有ガスを流動層容器内中央領域に噴射することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の方法において、流動層のバルク温度と流動層容器側壁の内表面平均温度との温度差が100℃以下となるよう調節することを特徴とする方法。
- 請求項6に記載の方法において、流動層のバルク温度と流動層容器側壁の内表面平均温度との温度差が50℃以下となるよう調節することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし7のいずれかに記載の方法であって前記金属含有材が細粒鉄鉱石である方法において、流動層のバルク温度が850℃から1000℃までの範囲内であることを特徴とする方法。
- 請求項8に記載の方法において、前記流動層のバルク温度は最低900℃であることを特徴とする方法。
- 請求項9に記載の方法において、前記流動層のバルク温度は最低950℃であることを特徴とする方法。
- 請求項1ないし10のいずれかに記載の方法において、流動層内温度偏差を50℃未満とするよう調節することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし11のいずれかに記載の方法であって前記金属含有材が細粒鉄鉱石である方法において、前記流動層容器内圧力を絶対圧1バールから10バールまでの範囲内とするよう調節することを特徴とする方法。
- 請求項12に記載の方法において、前記流動層容器内圧力を絶対圧4バールから8バールまでの範囲内とするよう調節することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし13のいずれかに記載の方法において、前記酸素含有ガスを前記流動層容器内に酸素含有ガスの下方流を生じさせるように噴射することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし14のいずれかに記載の方法において、前記流動層容器の中央領域の流動層容器側壁の内側に位置する出口を有するランスチップを有する少なくとも1つのランスから酸素含有ガスを噴射することを特徴とする方法。
- 請求項15に記載の方法において、前記ランスチップは垂直に下方に向けられることを特徴とする方法。
- 請求項15または16に記載の方法において、前記ランスの位置は、酸素含有ガス噴射速度、流動層容器内圧力、流動層容器に供給される他の供給材の選択および量、ならびに流動層の密度の要素を参照して決定することを特徴とする方法。
- 請求項17に記載の方法において、前記要素を参照して決定される前記ランスの位置は、ランスチップ出口の高さであることを特徴とする方法。
- 請求項15から18までのいずれかに記載の方法において、少なくとも前記ランスチップを水冷することを特徴とする方法。
- 請求項15から19までのいずれかに記載の方法において、前記ランスの外表面を水冷することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし20のいずれかに記載の方法において、前記ランスの中央パイプを通して酸素含有ガスを噴射することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし21のいずれかに記載の方法において、前記ランスチップの領域内に実質的に固形物が含まれない区域を形成するに十分な速度で酸素含有ガスを噴射することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし22のいずれかに記載の方法において、窒素および/または水蒸気をシュラウドガスとして噴射し、前記ランスチップ出口の領域をシュラウドすることを特徴とする方法。
- 請求項23に記載の方法において、前記酸素含有ガスの噴射速度の少なくとも60%の速度でシュラウドガスを流動層容器内に噴射することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし24のいずれかに記載の方法において、金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを流動層に供給し、(a)酸素含有ガスの下方流、(b)該酸素含有ガスの下方流と対向する固形物および流動化ガスの上昇流、および(c)前記固形物および流動化ガスの上昇流の外側を通る固形物の下方流によって前記流動層を維持することを特徴とする方法。
- 請求項25に記載の方法において、固形物の上昇流および下降流中の固形物を、前記炭素リッチな区域において酸素含有ガス、固体炭素質材料および他の被酸化性物質の反応によって発生した熱によって加熱することを特徴とする方法。
- 請求項25または26に記載の方法において、固形物の上昇流および下降流が、前記流動層容器の側壁を、酸素含有ガスと、流動層内の固体炭素質材料および他の被酸化性固形物ならびにガスとの反応によって発生した輻射熱から遮蔽することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし27のいずれかに記載の方法であって前記金属含有材が細粒鉄鉱石である方法において、前記細粒の粒子径は6mm未満であることを特徴とする方法。
- 請求項1ないし28のいずれかに記載の方法において、前記細粒の平均粒子径は0.1mmから0.8mmの範囲内にあることを特徴とする方法。
- 請求項1ないし29のいずれかに記載の方法において、前記炭素質材料は石炭であることを特徴とする方法。
- 請求項1ないし30のいずれかに記載の方法において、前記流動化ガスは還元ガスとしてのCOおよびH 2 を含むことを特徴とする方法。
- 請求項31に記載の方法において、流動化ガス中のH2の量をCOおよびH2の合計量の少なくとも15容量%以上となるように選定することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし32のいずれかに記載の方法において、少なくとも部分的に還元された金属含有材を含む生成物流を流動層容器の下部から排出することを特徴とする方法。
- 請求項33に記載の方法であって生成物流が前記少なくとも部分的に還元された金属含有材以外の固形物をも含む方法において、少なくとも該固形物の一部を生成物流から分離することを特徴とする方法。
- 請求項34に記載の方法において、前記分離した少なくとも部分的に還元された金属含有材以外の固形物を前記流動層容器に戻すことを特徴とする方法。
- 請求項1ないし35のいずれかに記載の方法において、同伴固形物を含む排ガス流を流動層容器の上部から排出することを特徴とする方法。
- 請求項36に記載の方法において、前記同伴固形物を前記排ガスから分離することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし37のいずれかに記載の方法において、同伴固形物を前記排ガス流から分離し、該排ガス流から分離した同伴固形物を前記流動層容器に返還することにより循環流動層を維持することを特徴とする方法。
- 請求項38に記載の方法において、前記排ガスから分離された同伴固形物を流動層容器の下部に返還することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし39のいずれかに記載の方法において、前記金属含有供給材を流動層容器からの前記排ガスによって予熱することを特徴とする方法。
- 請求項40に記載の方法において、予熱段階を終えた排ガスを処理し、該処理後の排ガスの少なくとも一部を流動化ガスとして前記流動層容器に返還することを特徴とする方法。
- 請求項41に記載の方法において、前記排ガス処理は、(a)同伴固形物除去、(b)冷却、(c)H2O除去、(d)CO2除去、(e)圧縮、(f)再加熱のうち1つ以上を含むことを特徴とする方法。
- 請求項41または42に記載の方法において、前記排ガス処理は同伴固形物の前記流動層容器への返還を含むことを特徴とする方法。
- 請求項1ないし43のいずれかに記載の方法であって生成物流の金属化率が50%を超える方法において、流動化ガス中に還元ガスを用いて運転することを特徴とする方法。
- 請求項1ないし44のいずれかに記載の方法において、前記酸素含有ガスは少なくとも90容量%の酸素を含むことを特徴とする方法。
- 請求項1ないし45のいずれかに記載の方法において、部分的に還元された金属含有供給材を溶融し、さらに還元して溶融金属とする製錬工程を付加することを特徴とする方法。
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