JP7148721B2 - 二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置およびその製造方法に係り、より詳しくは、改質された還元ガスを用いて粉鉱を還元させる一方、炭化鉄が含まれた還元塊成体を用いて溶鉄を製造することによってコークスの使用量を低減して二酸化炭素の排出量を減少させることができる二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置およびその製造方法に関する。

現在、全世界の鉄生産量の６０％程度は１４世紀から開発された高炉法により生産されている。高炉法は焼結過程を経た鉄鉱石と有煙炭を原料として製造したコークスなどを高炉に共に入れて酸素を吹き込んで鉄鉱石を鉄に還元して溶鉄を製造する方法である。
このように溶鉄生産設備の主な方法である高炉法はその反応特性上一定水準以上の強度を保有し、炉内の通気性の確保を保障できる粒度を保有した原料が求められるので、燃料および還元剤として使用する炭素源としては特定の原料炭を加工処理したコークスに依存し、鉄源としては一連の塊状化工程を経た焼結鉱を主に使用している。
そのため現在の高炉法ではコークス製造設備および焼結設備などの原料予備処理設備を必ず伴うので、高炉以外の付帯設備を構築する必要があるだけでなく、付帯設備から発生する諸般の環境汚染物質に対する環境汚染防止設備の設置の必要があるので、多大の投資費用を要して製造原価が急激に上昇する問題がある。

このような高炉法の問題を解決するための方策として高炉に使用されるコークスの量を低減するために製鉄工程の副生ガス、水素含有資源およびバイオマスなどを羽口に直接または改質後吹き込みすることによって高炉に使用されるコークスの一部を代替して低減する技術が提案されている。
また、製鉄工程の副生ガス、水素含有資源およびバイオマスなどを改質して還元ガスに転換した後この還元ガスを用いて鉄鉱石を還元して予備還元鉱を製造した後、これを上記の焼結鉱の代わりに高炉に装入することによって高炉内の鉱石還元に必要とされるコークスおよび焼結鉱の一部を低減する技術が提案されている。
しかし、前者の場合、羽口を介したガスの吹き込みは、羽口周辺の燃焼温度の過度な低下および高炉全体の熱不足現象の発生などによって吹き込み量が制限されており、後者の場合、還元鉄を製造して高炉に装入する方法は別途のガス改質炉が必要となるため、経済性の側面から商業化に問題がある。

本発明の目的とするところは、改質された還元ガスを用いて粉鉱を還元させる一方、炭化鉄が含まれた還元塊成体を用いて溶鉄を製造することによってコークスの使用量を低減して二酸化炭素の排出量を減少させることができる二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置は、還元ガスを用いて粉鉱を還元させる還元ユニット、前記還元された粉鉱を用いて鉄および酸化鉄のうちの１種以上が含まれた第１還元塊成体を製造する塊成体供給ユニット、コークス製造設備から発生した副生ガスを供給するガス供給ユニット、および前記第１還元塊成体と前記副生ガスを反応させて炭化鉄が含まれた第２還元塊成体および前記副生ガスが改質された還元ガスを製造し、前記還元ガスを前記還元ユニットに供給する反応ユニット、を含むことを特徴とする。

還元溶解炉は、前記コークス製造設備から製造されたコークスを前記還元溶解炉に装入させるコークス装入ユニット、および前記第２還元塊成体を前記還元溶解炉に装入させる塊成体装入ユニット、をさらに含むことができる。
前記反応ユニットは、前記第１還元塊成体と前記副生ガスの反応が行われる反応炉、を含むことがよい。
前記反応ユニットは、前記反応炉から製造された還元ガスの供給が行われる第１還元ガス導管、および前記反応炉から製造された第２還元塊成体の供給が行われる第１供給ライン、をさらに含むことが好ましい。

前記還元ユニットは、前記反応炉から供給された還元ガスを部分燃焼させる燃焼機、前記部分燃焼した還元ガスを供給する第２還元ガス導管，前記燃焼機に酸素を吹き込みする第１酸素吹き込み機、および前記部分燃焼した還元ガスおよび酸素によって前記粉鉱の還元が行われる流動層還元炉、を含むことができる。
前記塊成体供給ユニットは、前記還元された粉鉱が貯蔵される粉鉱貯蔵ビン、前記粉鉱貯蔵ビンから供給された前記還元された粉鉱を熱間圧搾させて前記第１還元塊成体を製造する圧搾機、前記熱間圧搾された第１還元塊成体を破砕する破砕機、および前記破砕された第１還元塊成体を前記反応炉に供給する移送ライン、を含むことがよい。

前記ガス供給ユニットは、前記コークス製造設備から発生した副生ガスの供給が行われる供給導管、前記供給導管と連結されて前記副生ガスを加熱させる加熱機，および前記加熱機と前記反応炉を連結して前記加熱した副生ガスの供給が行われる高温ガス導管、を含むことが好ましい。
前記ガス供給ユニットは、前記高温ガス導管に硫化水素を吹き込みする硫化水素吹き込み機、および前記高温ガス導管に酸素を吹き込みする第２酸素吹き込み機、をさらに含むことができる。
前記還元ユニットは、前記流動層還元炉から発生した高温の排出ガスが通過する熱交換器、前記熱交換器を経た排出ガスを湿式除塵する除塵機、前記湿式除塵した排出ガスの排出が行われる排出導管、前記排出導管から分岐され、前記熱交換器と連結されて前記湿式除塵した排出ガスの一部に熱供給が行われる第１循環導管、および前記熱交換器と前記燃焼機を連結して前記熱供給された排出ガスの供給が行われる第２循環導管、をさらに含むことがよい。

前記コークス装入ユニットは、前記コークス製造設備から製造されたコークスが貯蔵されるコークス貯蔵ビン、および前記コークス貯蔵ビンから供給されたコークスを前記還元溶解炉に移送する原料移送ライン、を含むことができる。
前記塊成体装入ユニットは、前記反応炉から供給された第２還元塊成体を冷却させる冷却器、前記冷却された第２還元塊成体の供給が行われる第２供給ライン、前記冷却された第２還元塊成体が貯蔵される塊成体貯蔵ビン、前記塊成体貯蔵ビンから供給された第２還元塊成体を切出する切出機、および前記切出した第２還元塊成体を前記原料移送ラインに供給する第３供給ライン、を含むことが好ましい。
前記反応炉の上部から前記第１還元塊成体の供給が行われ、前記反応炉の下部から前記副生ガスの供給が行われることがよい。

本発明の一実施例による二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法は、還元ガスを用いて粉鉱を還元させる段階、前記還元された粉鉱を用いて鉄および酸化鉄のうちの１種以上が含まれた第１還元塊成体を設ける段階、コークス製造設備から発生した副生ガスを設ける段階，および前記第１還元塊成体と前記副生ガスを反応させて炭化鉄が含まれた第２還元塊成体および前記副生ガスが改質された還元ガスを製造する段階、を含み、前記粉鉱を還元させる段階で、前記副生ガスが改質された還元ガスを用いて粉鉱を還元させることを特徴とする。

前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階以後、前記コークス製造設備から製造されたコークスを還元溶解炉に装入させる段階、および前記第２還元塊成体を前記還元溶解炉に装入させる段階、をさらに含むことができる。
前記副生ガスを設ける段階は、前記コークス製造設備から発生して水素および炭化水素が含まれた副生ガスを加熱する段階、および前記加熱した副生ガスを硫化水素および酸素とともに吹き込みする段階、を含むことがよい。

前記副生ガスを硫化水素および酸素とともに吹き込みする段階で、前記酸素は、前記吹き込みされる副生ガス、硫化水素および酸素の全体１００体積％に対して、１３～１８体積％であることが好ましい。
前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、前記副生ガスと前記第１還元塊成体の反応温度は７００～７５０℃であることができる。

前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、前記水素に対する前記硫化水素の分圧比（Ｐ_Ｈ２Ｓ／Ｐ_Ｈ２）は０．０００３～０．０００５であることがよい。
前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、前記副生ガスと前記第１還元塊成体の反応は下記反応式１～３のうちの一つ以上を含むことが好ましい。
［反応式１］ ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋４Ｈ_２
［反応式２］ Ｆｅ＋ＣＨ_４→Ｆｅ_３Ｃ＋Ｈ_２
［反応式３］ ＦｅＯ＋ＣＨ_４→Ｆｅ_３Ｃ＋Ｈ_２Ｏ

前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、前記第１還元塊成体が触媒として作用して前記副生ガスは一酸化炭素および水素が含まれた還元ガスに改質されることがよい。
前記還元ガスは全体１００体積％に対して、８５体積％以上が一酸化炭素および水素であることができる。

前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、前記副生ガスと前記第１還元塊成体の反応圧力を常圧以下に維持することがよい。
前記粉鉱を還元させる段階で、前記粉鉱の還元率は６５～７５％であることが好ましい。

本発明によると、本発明の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置びその製造方法は、改質された還元ガスを用いて粉鉱を還元させる一方、炭化鉄が含まれた還元塊成体を用いて溶鉄を製造することによってコークスの使用量を低減して二酸化炭素の排出量を減少させることができる。
また、コークス使用量が低減して溶銑製造原価の低減効果が発生し、コークスに発生ガスを改質して水素を大幅に増加させてコークスに比べて二酸化炭素の排出量が顕著に低い還元ガスを使用することができる。これにより製造した還元塊成体を部分使用して溶銑を製造することによって溶銑製造過程における二酸化炭素排出原単位を低減することができる。

本発明の一実施例による二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置の模式図である。 本発明の一実施例による二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置で反応炉での熱および物質のバランスを示す図である。 本発明の実施例によるコークス低減効果を示す図である。

第１、第２および第３などの用語は多様な部分、成分、領域、層および／またはセクションを説明するために使用されるがこれらに限定されない。これらの用語はある部分、成分、領域、層またはセクションを他の部分、成分、領域、層またはセクションと区別するために使用される。したがって、以下で叙述する第１部分、成分、領域、層またはセクションは本発明の範囲を逸脱しない範囲内で第２部分、成分、領域、層またはセクションと言及されることができる。
ここで使用される専門用語は単に特定の実施例を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数形は文脈上明らかに逆の意味を示さない限り複数形も含む。明細書で使用される「含む」の意味は特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分の存在や付加を除外させるものではない。

対照的にある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に他の部分が介在しない。
特に定義していないが、ここに使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同じ意味を有する。

一般に用いられている辞書に定義された用語は関連技術文献と現在の開示された内容に合う意味を有するものとして追加解釈され、定義されない限り理想的または公式的過ぎる意味に解釈されない。
以下、本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。

〔二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置〕
本発明の一実施例による二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置は、図１のように、還元ガスを用いて粉鉱を還元させる還元ユニット１００、還元された粉鉱を用いて鉄および酸化鉄のうちの１種以上が含まれた第１還元塊成体を製造する塊成体供給ユニット２００、コークス製造設備１０から発生した副生ガスを供給するガス供給ユニット３００および第１還元塊成体と副生ガスを反応させて炭化鉄が含まれた第２還元塊成体および副生ガスが改質された還元ガスを製造し、還元ガスを還元ユニット１００に供給する反応ユニット４００を含む。

反応ユニット４００は副生ガスと第１還元塊成体の反応が行われる反応炉４１０を含む。反応炉４１０から製造された還元ガスの供給が行われる第１還元ガス導管４２０および反応炉４１０から製造された第２還元塊成体の供給が行われる第１供給ライン４３０を含む。
一方、本発明の一実施例による二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置は、還元溶解炉５００、コークス製造設備１０から製造されたコークスを還元溶解炉５００に装入させるコークス装入ユニット６００および第２還元塊成体を還元溶解炉５００に装入させる塊成体装入ユニット７００をさらに含む。

還元ユニット１００は一酸化炭素（ＣＯ）が含まれた還元ガスを用いて粉鉱を還元させる。粉鉱には鉄鉱石が含まれる。
具体的には、還元ユニット１００は反応炉４１０から供給された還元ガスを部分燃焼させる燃焼機１１０、部分燃焼した還元ガスを供給する第２還元ガス導管１２０、燃焼機１１０に酸素を吹き込みする第１酸素吹き込み機１３０および部分燃焼した還元ガスおよび酸素によって粉鉱の還元が行われる流動層還元炉１４０を含む。

燃焼機１１０は反応炉４１０から製造された還元ガスの供給が行われる第１還元ガス導管４２０と連結されて供給された還元ガスを部分燃焼させることができる。第２還元ガス導管１２０は燃焼機１１０と連結されて部分燃焼した還元ガスの移動が行われる。
燃焼機１１０には第１酸素吹き込み機１３０が連結されて燃焼機１１０に酸素を吹き込みすることができる。第２還元ガス導管１２０は流動層還元炉１４０と連結されて部分燃焼した還元ガスと酸素が流動層還元炉１４０に供給される。還元ガスに含まれた一酸化炭素および水素の一部を燃焼させて燃焼熱により還元ガスを昇温させる。
流動層還元炉１４０は３段～４段の多段に構成されることがよい。

具体的には、還元ユニット１００は流動層還元炉１４０から発生した高温の排出ガスが通過する熱交換器１５０、熱交換器１５０を経た排出ガスを湿式除塵する除塵機１６０、湿式除塵した排出ガスの排出が行われる排出導管１７０、排出導管１７０から分岐され、熱交換器１５０と連結されて湿式除塵した排出ガスの一部に熱供給が行われる第１循環導管１８０および熱交換器１５０と前記燃焼機１１０を連結して熱供給された排出ガスの供給が行われる第２循環導管１９０をさらに含む。
熱交換器１５０は流動層還元炉１４０と連結されて部分燃焼した還元ガスおよび酸素から粉鉱を還元させて排出された高温の排出ガスの通過が行われる。除塵機１６０は熱交換器１５０と連結されて高温の排出ガスを湿式除塵して排出ガスに存在する粉塵を除去することができる。

排出導管１７０では湿式除塵した排出ガスの外部への排出が行われる。一方、第１循環導管１８０は排出導管１７０から分岐され、熱交換器１５０と連結されて湿式除塵した排出ガスの一部が熱交換器１５０から熱の供給を受ける。第２循環導管１９０は熱交換器１５０および燃焼機１１０を連結し、熱交換器１５０から熱が供給された排出ガスが燃焼機１１０に移動して還元ガスとともに部分燃焼により昇温された後、流動層還元炉１４０に供給される。
排出ガスの一部を還元ガスとして再使用することはガスの利用率を高めるためであり、再使用される排出ガスの比率は排出ガス全体１００体積％に対して７０～８０体積％であることがよい。そのため還元ガス内に二酸化炭素の含有量が過度に高まって還元率が低下する現象を防止することができる。

塊成体供給ユニット２００は還元ユニット１００および反応ユニット４００と連結されて還元ユニット１００から供給された還元された粉鉱を用いて第１還元塊成体を製造し、第１還元塊成体を反応ユニット４００に供給する。
具体的には、塊成体供給ユニット２００は還元された粉鉱が貯蔵される粉鉱貯蔵ビン２１０、粉鉱貯蔵ビン２１０から供給された還元された粉鉱を熱間圧搾させて第１還元塊成体を製造する圧搾機２２０、熱間圧搾された第１還元塊成体を破砕する破砕機２３０および破砕された第１還元塊成体を反応炉４１０に供給する移送ライン２４０を含む。
粉鉱貯蔵ビン２１０に貯蔵された還元された粉鉱は還元ユニット１００を介して粉鉱と還元ガスの反応により生成されて貯蔵されたものである。

圧搾機２２０は粉鉱貯蔵ビン２１０と連結されて粉鉱貯蔵ビン２１０から供給された還元された粉鉱を熱間圧搾させることによって第１還元塊成体を製造することができる。
破砕機２３０は第１還元塊成体を破砕した後破砕された第１還元塊成体を移送ライン２４０に供給することができる。移送ライン２４０は破砕機２３０と反応炉４１０を連結して破砕された第１還元塊成体を反応炉４１０に供給する。

ガス供給ユニット３００はコークス製造設備１０および反応ユニット４００と連結されてコークス製造設備１０から発生した副生ガスを反応ユニット４００に供給する。副生ガスはＣＯＧであり、副生ガスには水素および炭化水素が含まれる。炭化水素はＣ_２Ｈ_２およびＣＨ_４のうちの１種以上を含む。
具体的には、ガス供給ユニット３００は、コークス製造設備１０から発生した副生ガスの供給が行われる供給導管３１０、供給導管３１０と連結されて副生ガスを加熱させる加熱機３２０および加熱機３２０と反応炉４１０を連結して加熱した副生ガスの供給が行われる高温ガス導管３３０を含む。

供給導管３１０はコークス製造設備１０と加熱機３２０を連結してコークス製造設備１０から発生した副生ガスを加熱機３２０に供給できる。加熱機３２０は供給された副生ガスを加熱して高温の副生ガスに転換させる。高温ガス導管３３０は加熱機３２０と反応ユニット４００の反応炉４１０を連結して加熱した副生ガスを反応炉４１０に供給する。
具体的には、ガス供給ユニット３００は、高温ガス導管３３０に硫化水素を吹き込みする硫化水素吹き込み機３４０および高温ガス導管３３０に酸素を吹き込みする第２酸素吹き込み機３５０をさらに含むことができる。

硫化水素吹き込み機３４０は高温ガス導管３３０と連結されて硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を加熱した副生ガスとともに反応炉４１０に供給し得る。副生ガスに含まれた水素に対する硫化水素の分圧比（Ｐ_Ｈ２Ｓ／Ｐ_Ｈ２）を制御することによって第１還元塊成体に含まれた鉄（Ｆｅ）または酸化鉄（ＦｅＯ）の炭化鉄（Ｆｅ_３Ｃ）への変換を安定化させることができる。
第２酸素吹き込み機３５０は高温ガス導管３３０と連結されて酸素（Ｏ_２）を加熱した副生ガスとともに反応炉４１０に供給する。副生ガス、硫化水素および酸素の全体体積に対する酸素の体積比を制御することによって反応炉４１０の温度を副生ガスと第１還元塊成体の反応が容易な温度に調節することができる。
反応ユニット４００は塊成体供給ユニット２００から供給された第１還元塊成体とガス供給ユニット３００から供給された副生ガスの反応が行われ、炭化鉄が含まれた第２還元塊成体および一酸化炭素が含まれた還元ガスを製造する。

具体的には、反応ユニット４００を構成する反応炉４１０では第１還元塊成体が触媒として作用して副生ガスは一酸化炭素および水素が含まれた還元ガスに改質される。また、第１還元塊成体に含まれた鉄または酸化鉄が副生ガスに含まれた炭化水素と反応して炭化鉄が含まれた第２還元塊成体が生成される。
炭化鉄が含まれた第２還元塊成体は第１供給ライン４３０を介して装入ユニットに供給され得、副生ガスが改質された還元ガスは第１還元ガス導管４２０を介して還元ユニット１００の燃焼機１１０に供給される。
第１還元塊成体の活用により副生ガスを経済的に還元ガスに改質することができ、炭化鉄が含まれた第２還元塊成体を溶鉄製造に用いることによって既存の還元および溶融に消耗するコークスの量を減少させることができる。
そのため既存の工程より二酸化炭素の排出量を低減することができる。

具体的には、反応炉４１０の上部に移送ライン２４０が連結されて反応炉４１０の上部から第１還元塊成体の供給が行われ、反応炉４１０の下部に高温ガス導管３３０が連結されて反応炉４１０の下部から副生ガスの供給が行われる。
そのため第１還元塊成体および副生ガスが交差するようにして効率的な反応を期待することができる。
還元溶解炉５００では溶鉄が製造される。還元溶解炉５００は高炉で構成される。

コークス装入ユニット６００はコークス製造設備１０および還元溶解炉５００と連結されてコークス製造設備１０から製造されたコークスを還元溶解炉５００に装入させ得る。
具体的には、コークス装入ユニット６００はコークス製造設備１０から製造されたコークスが貯蔵されるコークス貯蔵ビン６１０およびコークス貯蔵ビン６１０から供給されたコークスを還元溶解炉５００に移送する原料移送ライン６２０を含むことができる。
コークス貯蔵ビン６１０にはコークス製造設備１０から製造されたコークスが貯蔵されて原料移送ライン６２０にコークスを供給する。原料移送ライン６２０を介してコークスが還元溶解炉５００に供給される。一方、鉄源の供給が行われる鉄源貯蔵ビンも原料移送ライン６２０と連結されて原料移送ライン６２０を介して還元溶解炉５００に鉄源の供給が行われる。

具体的には、塊成体装入ユニット７００は反応炉４１０から供給された第２還元塊成体を冷却させる冷却器７１０、冷却された第２還元塊成体の供給が行われる第２供給ライン７２０、冷却された第２還元塊成体が貯蔵される塊成体貯蔵ビン７３０、塊成体貯蔵ビン７３０から供給された第２還元塊成体を切出する切出機７４０および切出した第２還元塊成体を原料移送ライン６２０に供給する第３供給ライン７５０を含むことができる。
冷却器７１０は反応ユニット４００の第１供給ライン４３０と連結されて第１供給ライン４３０から供給された第２還元塊成体を冷却させる。第２供給ライン７２０は冷却器７１０と連結されて冷却された第２還元塊成体の供給が行われ、冷却された第２還元塊成体は第２供給ライン７２０と連結された塊成体貯蔵ビン７３０に貯蔵される。
切出機７４０は塊成体貯蔵ビン７３０から第２還元塊成体を切出し、切出した第２還元塊成体は第３供給ライン７５０に沿って原料移送ライン６２０に供給されてコークスおよび鉄源と共に還元溶解炉５００に供給される。

〔二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法〕
本発明の一実施例による二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法は、還元ガスを用いて粉鉱を還元させる段階、還元された粉鉱を用いて鉄および酸化鉄のうちの１種以上が含まれた第１還元塊成体を設ける段階、コークス製造設備から発生した副生ガスを設ける段階および第１還元塊成体と副生ガスを反応させて炭化鉄が含まれた第２還元塊成体および副生ガスが改質された還元ガスを製造する段階を含み、粉鉱を還元させる段階で副生ガスが改質された還元ガスを用いて粉鉱を還元させる。
本発明の一実施例による二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法は、第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階以後、コークス製造設備から製造されたコークスを還元溶解炉に装入させる段階および第２還元塊成体を還元溶解炉に装入させる段階をさらに含むことが好ましい。

先に、粉鉱を還元させる段階では一酸化炭素（ＣＯ）が含まれた還元ガスを用いて粉鉱を還元させる。第１還元塊成体と副生ガスの反応により副生ガスが改質された還元ガスを用いて粉鉱を還元させる。具体的には、副生ガスが改質された還元ガスを部分燃焼させた後酸素とともに粉鉱の還元が行われる流動層還元炉に供給することがよい。
この時、粉鉱の還元率は６５～７５％であることが好ましい。これにより鉱石間付着現象を抑制することができ、多段に構成された流動層還元炉の操業効率の低下を防止することができる。
また、還元溶解炉内での鉱石還元負担と溶融負担を低下させて還元および溶融に消耗するコークス量を低減させることができる。

次に、第１還元塊成体を設ける段階では還元された粉鉱を用いて鉄および酸化鉄のうちの１種以上が含まれた第１還元塊成体を製造する。具体的には、還元された粉鉱を熱間圧搾させて第１還元塊成体を形成させた後、熱間圧搾された第１還元塊成体を破砕して副生ガスと反応させることができる。
次に、副生ガスを設ける段階ではコークス製造設備から発生した副生ガスを設ける。副生ガスには水素および炭化水素が含まれる。炭化水素はＣ_２Ｈ_２およびＣＨ_４のうちの１種以上を含むことができる。
具体的には、副生ガスを設ける段階はコークス製造設備から発生して水素および炭化水素が含まれた副生ガスを加熱する段階および加熱した副生ガスを硫化水素および酸素とともに吹き込みする段階を含む。
水素および炭化水素が含まれた副生ガスを加熱した後、加熱した副生ガスを硫化水素および酸素とともに第１還元塊成体と反応させることができる。酸素は加熱した副生ガスと反応して下記の化学式に示す反応が行われて昇温される。
［化学式］ ２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

この時、酸素は吹き込まれる副生ガス、硫化水素および酸素の全体１００体積％に対して、１３～１８体積％に制御することがよい。酸素が１３体積％未満の場合、第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で第１還元塊成体と副生ガスの反応温度を７００～７５０℃に制御することは難しい。
反面、酸素が１８体積％を超える場合、酸素消耗量が過度に多いため経済性が低下する虞がある。
次に、第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階では、第１還元塊成体と副生ガスを反応させて炭化鉄が含まれた第２還元塊成体および副生ガスが改質された還元ガスを製造する。

具体的には、第１還元塊成体に含まれた鉄または酸化鉄が副生ガスに含まれた炭化水素と反応して炭化鉄が含まれた第２還元塊成体が製造される。この時、第１還元塊成体が触媒として作用して炭化水素および水素が含まれた副生ガスは一酸化炭素および水素が含まれた還元ガスに改質される。
この時、下記の反応式１ないし３の一つ以上を含む反応が行われる。
［反応式１］ ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋４Ｈ_２
［反応式２］ Ｆｅ＋ＣＨ_４→Ｆｅ_３Ｃ＋Ｈ_２
［反応式３］ ＦｅＯ＋ＣＨ_４→Ｆｅ_３Ｃ＋Ｈ_２Ｏ
第２還元塊成体に含まれた炭化鉄（Ｆｅ_３Ｃ）は金属鉄に比べて溶融温度が低いので還元溶解炉に装入後、還元溶解炉内の軟化融着帯の安定化に寄与して操業効率を上げることができる。ただし、炭化鉄は熱力学的に安定していない物質であるためこれを安定化させることが求められる。そのため水素に対する硫化水素の分圧比（Ｐ_Ｈ２Ｓ／Ｐ_Ｈ２）を０．０００３～０．０００５に制御することが好ましい。これにより第２還元塊成体に含まれた炭化鉄を安定化させることができる。

一方、第１還元塊成体と副生ガスの反応がよく行われるようにするために反応温度を７００～７５０℃に制御することが好ましい。また、第１還元塊成体と副生ガスの反応圧力を常圧以下に維持することが好ましい。これは前記反応式１～３がすべて体積が増加する反応であるため、圧力が低いほど反応率が増加することができる。
第１還元塊成体と副生ガスの反応により生成された還元ガスは全体１００体積％に対して、８５体積％以上が一酸化炭素および水素であることができる。

以下、本発明の具体的な実施例を記載する。しかし、下記実施例は本発明の具体的な一実施例であり、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

（１）溶鉄の製造
〔実施例〕
本発明の一実施例による二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置を用いて溶鉄を製造した。図２および図３に示した条件により溶鉄を製造した。図２のとおり、反応炉で第１還元塊成体と副生ガスが反応することにより副生ガスに含まれたＣ_２Ｈ_２およびＣＨ_４形態の炭化水素がほとんどＣＯおよびＨ_２に変化して還元ガスに改質され、第１還元塊成体に含まれたＦｅおよびＦｅＯがＦｅ_３Ｃに転換されて第２還元塊成体の製造がなされた。
反応炉で水素に対する硫化水素の分圧比（Ｐ_Ｈ２Ｓ／Ｐ_Ｈ２）は０．０００４２に維持し、反応温度は７２０℃、反応圧力は常圧以下に維持した。反応炉で生成された還元ガスを用いて粉鉱を還元させた。この時、粉鉱の還元率は７０％になるようにした。副生ガス１Ｎｍ^３当たり、１．８ｋｇの第２還元塊成体を製造し、製造した第２還元塊成体を用いてコークスおよび鉄源と共に還元溶解炉に投入することによって溶鉄を製造した。

反応炉で水素に対する硫化水素の分圧比（Ｐ_Ｈ２Ｓ／Ｐ_Ｈ２）は０．０００４２に維持し、反応温度は７２０℃、反応圧力は常圧以下に維持した。比較例）既存の高炉操業により鉄および酸化鉄が含まれた焼結鉱を用いて図３の条件により溶鉄を製造した。
（２）二酸化炭素排出の低減効果
図３に示したとおり、既存の高炉操業により溶鉄を製造した比較例の場合より、実施例の場合、還元溶解炉で生産する溶銑１トン当たり、コークス１５ｋｇが低減される効果がある。
そのため既存より二酸化炭素の排出量を低減することが可能である。

本発明は前記実施形態および／または実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に製造することができ、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は本発明の技術的思想や必須の特徴を変更せず他の具体的な形態で実施できることを理解することができる。したがって、以上で記述した実施形態および／または実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的なものではないと理解しなければならない。

１０ コークス製造設備
１００ 還元ユニット
１１０ 燃焼機
１２０ 第２還元ガス導管
１３０ 第１酸素吹き込み機
１４０ 流動層還元炉
１５０ 熱交換器
１６０ 除塵機
１７０ 排出導管
１８０ 第１循環導管
１９０ 第２循環導管
２００ 塊成体供給ユニット
２１０ 粉鉱貯蔵ビン
２２０ 圧搾機
２３０ 破砕機
２４０ 移送ライン
３００ ガス供給ユニット
３１０ 供給導管
３２０ 加熱機
３３０ 高温ガス導管
３４０ 硫化水素吹き込み機
３５０ 第２酸素吹き込み機
４００ 反応ユニット
４１０ 反応炉
４２０ 第１還元ガス導管
４３０ 第１供給ライン
５００ 還元溶解炉
６００ コークス装入ユニット
６１０ コークス貯蔵ビン
６２０ 原料移送ライン
７００ 塊成体装入ユニット
７１０ 冷却器
７２０ 第２供給ライン
７３０ 塊成体貯蔵ビン
７４０ 切出機
７５０ 第３供給ライン

Claims (22)

1. 還元ガスを用いて粉鉱を還元させる還元ユニット、
   前記還元された粉鉱を用いて鉄および酸化鉄のうちの１種以上が含まれた第１還元塊成体を製造する塊成体供給ユニット、
   コークス製造設備から発生した副生ガスを供給するガス供給ユニット、および
   前記第１還元塊成体と前記副生ガスを反応させて炭化鉄が含まれた第２還元塊成体および前記副生ガスが改質された還元ガスを製造し、前記還元ガスを前記還元ユニットに供給する反応ユニット、を含み、
   前記反応ユニットを構成する反応炉で、前記第１還元塊成体が触媒として作用して炭化水素および水素が含まれた前記副生ガスは一酸化炭素および水素が含まれた前記還元ガスに改質されることを特徴とする二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
2. 還元溶解炉は、
   前記コークス製造設備から製造されたコークスを前記還元溶解炉に装入させるコークス装入ユニット、および
   前記第２還元塊成体を前記還元溶解炉に装入させる塊成体装入ユニット、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
3. 前記反応ユニットは、
   前記第１還元塊成体と前記副生ガスの反応が行われる前記反応炉、を含むことを特徴とする請求項２に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
4. 前記反応ユニットは、
   前記反応炉から製造された前記還元ガスの供給が行われる第１還元ガス導管、および
   前記反応炉から製造された前記第２還元塊成体の供給が行われる第１供給ライン、をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
5. 前記還元ユニットは、
   前記反応炉から供給された前記還元ガスを部分燃焼させる燃焼機、
   前記部分燃焼した還元ガスを供給する第２還元ガス導管、
   前記燃焼機に酸素を吹き込みする第１酸素吹き込み機、および
   前記部分燃焼した還元ガスおよび酸素によって前記粉鉱の還元が行われる流動層還元炉、を含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
6. 前記塊成体供給ユニットは、
   前記還元された粉鉱が貯蔵される粉鉱貯蔵ビン、
   前記粉鉱貯蔵ビンから供給された前記還元された粉鉱を熱間圧搾させて前記第１還元塊成体を製造する圧搾機、
   前記熱間圧搾された第１還元塊成体を破砕する破砕機、および
   前記破砕された第１還元塊成体を前記反応炉に供給する移送ライン、を含むことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
7. 前記ガス供給ユニットは、
   前記コークス製造設備から発生した副生ガスの供給が行われる供給導管、
   前記供給導管と連結されて前記副生ガスを加熱させる加熱機、および
   前記加熱機と前記反応炉を連結して前記加熱した副生ガスの供給が行われる高温ガス導管、を含むことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
8. 前記ガス供給ユニットは、
   前記高温ガス導管に硫化水素を吹き込みする硫化水素吹き込み機、および
   前記高温ガス導管に酸素を吹き込みする第２酸素吹き込み機、をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
9. 前記還元ユニットは、
   流動層還元炉から発生した高温の排出ガスが通過する熱交換器、
   前記熱交換器を経た排出ガスを湿式除塵する除塵機、
   前記湿式除塵した排出ガスの排出が行われる排出導管、
   前記排出導管から分岐され、前記熱交換器と連結されて前記湿式除塵した排出ガスの一部に熱供給が行われる第１循環導管、および
   前記熱交換器と燃焼機を連結して前記熱供給された排出ガスの供給が行われる第２循環導管、をさらに含むことを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
10. 前記コークス装入ユニットは、
    前記コークス製造設備から製造されたコークスが貯蔵されるコークス貯蔵ビン、および
    前記コークス貯蔵ビンから供給されたコークスを前記還元溶解炉に移送する原料移送ライン、を含むことを特徴とする請求項３乃至請求項９のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
11. 前記塊成体装入ユニットは、
    前記反応炉から供給された第２還元塊成体を冷却させる冷却器、
    前記冷却された第２還元塊成体の供給が行われる第２供給ライン、
    前記冷却された第２還元塊成体が貯蔵される塊成体貯蔵ビン、
    前記塊成体貯蔵ビンから供給された前記第２還元塊成体を切出する切出機、および
    前記切出した第２還元塊成体を前記原料移送ラインに供給する第３供給ライン、を含むことを特徴とする請求項１０に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
12. 前記反応炉の上部から前記第１還元塊成体の供給が行われ、前記反応炉の下部から前記副生ガスの供給が行われることを特徴とする請求項３乃至請求項１１のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄製造装置。
13. 還元ガスを用いて粉鉱を還元させる段階、
    前記還元された粉鉱を用いて鉄および酸化鉄のうちの１種以上が含まれた第１還元塊成体を設ける段階、
    コークス製造設備から発生した副生ガスを設ける段階、および
    前記第１還元塊成体と前記副生ガスを反応させて炭化鉄が含まれた第２還元塊成体および前記副生ガスが改質された還元ガスを製造する段階、を含み、
    前記粉鉱を還元させる段階で、
    前記副生ガスが改質された還元ガスを用いて粉鉱を還元させ、
    前記還元ガスを製造する段階では、前記第１還元塊成体が触媒として作用して炭化水素および水素が含まれた前記副生ガスは一酸化炭素および水素が含まれた還元ガスに改質されることを特徴とする二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
14. 前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階以後、
    前記コークス製造設備から製造されたコークスを還元溶解炉に装入させる段階、および
    前記第２還元塊成体を前記還元溶解炉に装入させる段階、をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
15. 前記副生ガスを設ける段階は、
    前記コークス製造設備から発生して水素および炭化水素が含まれた前記副生ガスを加熱する段階、および
    前記加熱した副生ガスを硫化水素および酸素とともに吹き込みする段階、を含むことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
16. 前記副生ガスを硫化水素および酸素とともに吹き込みする段階で、
    前記酸素は、
    前記吹き込みされる副生ガス、硫化水素および酸素の全体１００体積％に対して、１３～１８体積％であることを特徴とする請求項１５に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
17. 前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、
    前記副生ガスと前記第１還元塊成体の反応温度は７００～７５０℃であることを特徴とする請求項１３乃至請求項１６のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
18. 前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、
    水素に対する硫化水素の分圧比（Ｐ_Ｈ２Ｓ／Ｐ_Ｈ２）は０．０００３～０．０００５であることを特徴とする請求項１５乃至請求項１７のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
19. 前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、
    前記副生ガスと前記第１還元塊成体の反応は下記反応式１～３のうちの一つ以上を含むことを特徴とする請求項１３乃至請求項１８のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
    ［反応式１］ ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋４Ｈ_２
    ［反応式２］ Ｆｅ＋ＣＨ_４→Ｆｅ_３Ｃ＋Ｈ_２
    ［反応式３］ ＦｅＯ＋ＣＨ_４→Ｆｅ_３Ｃ＋Ｈ_２Ｏ
20. 前記還元ガスは全体１００体積％に対して、８５体積％以上が一酸化炭素および水素であることを特徴とする請求項１３乃至請求項１９のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
21. 前記第２還元塊成体および還元ガスを製造する段階で、
    前記副生ガスと前記第１還元塊成体の反応圧力を常圧以下に維持することを特徴とする請求項１３乃至請求項２０のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
22. 前記粉鉱を還元させる段階で、
    前記粉鉱の還元率は６５～７５％であることを特徴とする請求項１３乃至請求項２１のいずれか一項に記載の二酸化炭素排出低減型溶鉄の製造方法。
    

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