JPH07173549A

JPH07173549A - 亜鉛及び鉄を含有するダストからの金属亜鉛及び金属鉄の回収方法

Info

Publication number: JPH07173549A
Application number: JP31816293A
Authority: JP
Inventors: Naoki Mukai; 直樹向井; Kazuhiko Sato; 和彦佐藤; Shoji Miyagawa; 昌治宮川; Hiroshi Itaya; 宏板谷
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1995-07-11

Abstract

(57)【要約】【目的】亜鉛及び鉄を含有するダストからの金属亜鉛及
び金属鉄を独立に高能率で回収する。【構成】２個の粒子循環式流動層反応炉１０、２０を用
い、一方の流動層１０に亜鉛及び鉄を含有するダストを
装入し、他方の流動層２０から排出するガスを２次燃焼
ランス３０で昇温し、ライザー１１中で亜鉛を還元、気
化させて冷却して亜鉛回収装置４０で回収し、粒子捕集
装置１４で捕集した粒子を他方の流動層２０に導入して
鉄を還元・回収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄酸化物と亜鉛酸化物
を含有するダストからの、流動層炉による金属亜鉛及び
金属鉄の回収方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、資源リサイクルやエネルギー節約
に対する社会的ニーズが増大し、鉄源として鉄スクラッ
プのリサイクルが望まれている。しかし現在、鉄スクラ
ップは転炉や電気炉で溶解され精錬されており、この場
合、亜鉛は沸点が低いためにその大半が気化し、鉄酸化
物と混合した微粉のダストが発生する。

【０００３】この粉状ダストは飛散し易いため、電気炉
や転炉に直接装入して用いることが困難であり、このた
め、粉状の亜鉛含有ダストをペレット化したうえで転炉
や電気炉で処理し亜鉛や鉄などの金属を回収している。
しかしながら、上記ダストのような亜鉛酸化物を含む鉄
系酸化物のダストから金属亜鉛及び金属鉄を塊成化して
直接回収するに際し、ペレット化のような事前処理工程
を経ずに行うことは、省資源・省エネルギーの観点から
極めて望ましい。このような目的を達成するプロセスの
一つとして流動層を応用したプロセスが考えられてい
る。

【０００４】一般に流動層反応装置は層内の温度の均一
性が良く、連続大量に反応処理を行なうことができ、ま
た微粉を事前処理工程なしで用いることができるため、
上記のようなダスト処理プロセスへの応用は有効であ
る。例えば、流動層を用いた鉄系ダストの還元装置とし
ては、特開平４−２１０４１１号公報に開示されてい
る。その発明は鋼の精錬工程で発生する鉄系ダストを流
動層反応容器で金属鉄粉に還元するにあたり、流動層内
でのスティッキングを防止する条件として、（ａ）反応
下部がコーン型となっている流動層反応容器を用いるこ
と、（ｂ）鉄系ダストの粒度を１〜１０μｍに調整する
こと、（ｃ）流動媒体として０．１〜０．５ｍｍの砂粒
を用いること、（ｄ）還元温度を６００〜８００℃に保
持することを特徴としている。

【０００５】しかしこの方法では、流動層が粒子を循環
しないタイプの１段の粒子媒体流動層であるため、（１）亜鉛酸化物と鉄酸化物を同時に含むダストを還元
する場合には、亜鉛酸化物と鉄酸化物の還元率を同時に
高くすることはできない。（２）生産性を上げるために流動化ガスの流速を大きく
した場合には、ダストの炉内滞留時間が短くなるので高
還元率を維持できない。等の問題点があった。

【０００６】上記問題点（２）に対しては、それ以前の
技術、例えば、特開平３−２１５６２１号公報に開示さ
れた技術により解決するできる可能性のあることが推定
できた。すなわち、上記粒子媒体流動層をを粒子循環型
にすることである。特開平３−２１５６２１号公報に開
示された発明はそのような粒子循環型流動層であり、そ
の基本構造は図２に摸式的に示したたように、（ａ）側
壁に原料鉱石装入口２を有し、底部に流動化ガスとして
の還元ガスの導入口３を有するライザ１、（ｂ）ライザ
１の頂部寄りに還元ガスに随伴されて飛び出した鉱石粒
子を捕集する粒子捕集装置４、（ｃ）粒子捕集装置４に
よって還元ガスより分離した飛び出し鉱石をライザ１内
に再び供給する下降管５から構成されている。

【０００７】しかしこのような粒子循環式の流動層を用
いても上記（１）の問題点は解決しない。すなわち、亜
鉛と鉄とを同時に高効率で回収する方法が必要である。
そのような技術の可能性としては、例えば特開平２−４
２８８７号公報に開示されたような技術も公知である
が、その方法は亜鉛フェライトを含有する混合物から亜
鉛と鉄 (炭化鉄として) を回収する方法に関するもので
あり、まず亜鉛フェライトを還元剤及び炭素供給剤の存
在する流動床の炭化工程で処理して鉄 (炭化鉄として)
を回収し、ついで亜鉛残渣を不活性ガスを流した管炉等
により蒸留法で回収するものである。

【０００８】すなわち、２段階の工程を逐次的に別の工
程として行うものであった。しかし、このようなやり方
では、（３）鉄回収工程と亜鉛回収工程が別々に分離してお
り、作業性が悪く、かつ回収システムとしての生産性、
エネルギー効率等の効率が悪いものであった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決する、すなわち、（１）亜鉛及び鉄を含有する
ダストから金属亜鉛及び金属鉄を回収するに際し、一つ
のシステム内で同時に亜鉛金属と鉄を還元・回収するこ
とができ、（２）かつ、亜鉛還元率、鉄還元率ともに、
同時に高くすることができ、（３）高生産性を保証す
る、方法を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決する手段として、２個の粒子循環式流動層からなる反
応炉を用い、（ａ）第１の粒子循環式流動層に亜鉛及び
鉄を含有するダストを装入し、第２の粒子循環式流動層
からの排出ガスを二次燃焼したガスを流動化ガスとし
て、亜鉛酸化物を還元・気化し、還元・気化した亜鉛を
含む第１の粒子循環式流動層からのキャリオーバーガス
とキャリオーバーダストとを分離し、キャリオーバーガ
スを冷却、集塵して金属亜鉛を回収し、（ｂ）キャリオ
ーバーダストを第２の粒子循環式流動層に供給し、第２
の粒子循環式流動層に還元ガスを流動化ガスとして送入
して鉄分を還元し、鉄を回収することを特徴とする。亜
鉛及び鉄を含有するダストからの金属亜鉛及び金属鉄の
回収方法である。

【００１１】そして、好ましくは上記の方法において、
前記第２の粒子循環式流動層の操業温度を６００℃以上
９００℃以下、流動化ガスの酸化度を４０％以下とし、
かつ前記第１の粒子循環式流動層の操業温度を１２００
℃以上、流動化ガスの酸化度を３０％以上とすると好適
である。

【００１２】

【作用】本発明の発明者らは、上記の課題を解決するた
めには、特開平３−２１５６２１号公報に開示されたよ
うな粒子循環型流動層還元装置を２段に連続して配設し
た流動層を用いて、上記課題を解決することを発案し
た。すなわち、亜鉛及び鉄を含有するダストからの金属
亜鉛及び金属鉄を同時還元・回収するには、（ａ）常圧下では亜鉛の沸点は鉄の沸点に比べ低いた
め、亜鉛は亜鉛蒸気として回収し鉄は固体の金属鉄とし
て回収するのが実用的である。

【００１３】（ｂ）亜鉛を亜鉛蒸気として回収するため
には、炉内温度を金属亜鉛の沸点（１気圧下で１１８０
℃）以上の高温に維持する必要がある。（ｃ）しかしながら、このような高温条件下でダスト中
の酸化鉄をも還元する場合には、還元された金属鉄は流
動層炉内で容易に焼結し炉内の流動性を著しく阻害する
ため操業を継続することができない。

【００１４】（ｄ）また、金属鉄の焼結が発生しない８
００℃前後の条件では亜鉛は気化しないため、亜鉛を亜
鉛蒸気として分離回収することができない。以上から、少なくとも２個の流動層炉を用いて、炉内温
度と炉内ガスの酸化度を各流動層炉毎にそれぞれ独立に
制御することによって、酸化亜鉛を含む粉状の鉄系酸化
物ダストから亜鉛と金属鉄を分離して回収する方法が最
も好ましい。

【００１５】すなわち、上記のような方法により、
（１）粒子循環型の流動層を採用することにより、流動
化ガスの流速を粒子径に対して大きくすることができ、
生産性の向上を図ることができるとともに、粒子循環機
能によりダストとして飛散する被還元物の量を極端に少
なくすることができ、歩留の向上を期待することがで
き、（２）第２の粒子循環型流動層の排ガスを第１の流
動化ガスとして有効に利用することができ、（３）粒子
循環型流動層を２段に配設することにより、還元温度、
還元ガスの還元能力を異なるものとし、流動層還元空間
を別個に形成することにより、亜鉛酸化物の還元率と鉄
酸化物の還元率を独立して最適化することができる、こ
とを確認したものである。

【００１６】図１を用いて、この発明の作用をより具体
的に説明する。図１は、上記思想に沿った２段からなる
粒子循環式流動層還元炉の基本構造を摸式的に示した図
である。第１の流動層１０と第２の流動層２０から構成
されている。第１の流動層１０はダスト中の酸化亜鉛を
還元し気化させるための還元気化炉である。原料ダスト
は原料装入口１２より装入され、ダスト中の酸化亜鉛は
ガス導入口１３より導入された高温の還元ガス（このガ
スは後述するように、第２の流動層２０の排ガスを二次
燃焼させたガスである）によりライザ１１内で還元され
気化される。ライザ１１から飛び出したダストは粒子捕
集装置１４で還元ガスより分離され下降管１５を介して
再びライザ１１内に供給される。一方、気化した亜鉛蒸
気は還元ガスと共に系外に排出され亜鉛回収装置４０で
回収される。一方、脱亜鉛されたダストは排出口１６よ
り排出され第２の流動層２０に送られる。

【００１７】第２の流動層２０はダスト中の酸化鉄を還
元するための流動層還元炉である。第１の流動層１０に
より脱亜鉛された半還元ダストは原料装入口２２より装
入される。このダストは、還元ガス導入口２３より導入
されたガスによりライザ２１内で流動化し金属鉄となる
まで還元され排出口２６より系外に排出・回収される。
ライザ２１より飛び出した鉱石は粒子捕集装置２４で還
元ガスより分離され、下降管２５を介して再びライザ２
１内に供給される。

【００１８】ここで、第２の流動層２０の排ガスは二次
燃焼ランス３０から供給される空気や含酸素ガスにより
二次燃焼し、原料ダストの亜鉛含有量に応じて酸化度及
び温度の調整が行われ第１の流動層１０に送られる。ま
た第１の流動層１０の排出ガスは原料ダスト中の酸化亜
鉛が還元・気化した亜鉛蒸気を含むガスであり、亜鉛回
収装置４０により、排出ガス中の亜鉛蒸気を分離して金
属亜鉛として回収する。この亜鉛回収装置はコンデサ、
バグフィルタ等からなる通常の亜鉛回収装置であれば良
い。

【００１９】すなわち、第２の流動層２０においては、
第１の流動層１０より装入される脱亜鉛された半還元鉄
系ダスト中の酸化鉄を、できるだけ低酸化度（高還元
力）の還元性ガスにより還元し、第１の流動層１０にお
いては酸化鉄の還元を抑制し、かつ酸化亜鉛を積極的に
還元・気化させるような酸化度の還元ガスにより還元を
行う。

【００２０】ここで還元ガスの酸化度は、酸化度＝（％ＣＯ₂ ＋％Ｈ₂ Ｏ）／（％ＣＯ＋％ＣＯ₂ ＋％Ｈ₂ ＋％Ｈ₂ Ｏ）・・・（１）で定義される。本発明の発明者らはまた、このシステム
が現実的に機能するために不可欠な流動層還元中におけ
る亜鉛及び鉄を含有するダスト焼結トラブルについても
広範に検討した。その結果、次の（イ）〜（ニ）を見出
した。

【００２１】（イ）亜鉛含有ダストの流動層還元におけ
る焼結トラブルは、鉄鉱石の還元の場合と同様に粒子表
面での金属鉄の生成が原因である。（ロ）また、金属鉄が生成する場合でも流動層内温度が
９００℃以下であれば生成金属鉄による焼結を起こさず
に炉の運転を継続することができる。（ハ）さらに、流動層内温度が６００℃以下であれば反
応速度が極端に遅くなる。

【００２２】（ニ）上記の温度範囲はダスト中にＳｉＯ
₂やＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＭｎＯ等の鉄より還
元されにくい酸化物が多く含まれることに起因するが、
このような酸化物を多く含まないダストを還元する場合
には、上記（ロ）から（ハ）と同様な条件でも流動層に
砂等の還元されない粒子を流動媒体として用いることに
よって焼結を防止することができる。この場合、砂等の
還元されない粒子としては粒径１ｍｍ以下１００メッシ
ュ以上のものが好ましい。

【００２３】次に図３に亜鉛蒸気圧を考慮したＺｎ
（ｇ）とＺｎＯの安定領域に関する本発明の発明者らの
検討結果をまとめた。すなわち、ダスト中の酸化亜鉛を
金属亜鉛に還元するためには、（ａ）図３に示したＺｎＯ＋ＣＯ→Ｚｎ＋ＣＯ₂ の還元
反応における還元ガスの酸化度よりもより低い酸化度を
もつガスで還元を行う必要がある。

【００２４】（ｂ）また、還元された金属亜鉛を気化し
亜鉛蒸気として回収するためには炉の温度を亜鉛の沸点
より高く維持する必要がある。亜鉛の沸点は常圧下で１
１８０℃である。金属亜鉛が気化する温度においてダス
ト中の酸化鉄が還元され金属鉄が生成すると焼結トラブ
ルが発生することは前述した。

【００２５】すなわち第１の流動層１０においては、酸
化亜鉛を積極的に還元せしめ酸化鉄の還元はＦｅＯまで
の還元に抑制する必要がある。ＦｅＯは酸化物であるた
め極めて焼結し難く、還元をＦｅＯの段階に留めれば焼
結の問題は解消される。図３にはＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋
ＣＯ₂ の還元反応線を併記してある。酸化亜鉛を積極的
に還元し、酸化鉄の還元はＦｅＯまでの還元に抑制する
第１の流動層１０の操作領域を、亜鉛蒸気の分圧が０．
１ａｔｍの場合について図３中に斜線で示した。この範
囲が流動層２の適正操業条件である。

【００２６】この場合において、亜鉛蒸気の分圧によっ
て適正操業範囲が変化することは明らかである。亜鉛蒸
気の分圧は、第１の流動層１０中のガスを１２００℃以
上の高温で採取し、化学分析によって分析してもよく、
また流動層１０に対して物質バランスを計算し、その値
から推定しても良い。また、第２の流動層２０の排ガス
温度は約５００〜８５０℃、酸化度が１０〜５０％であ
り、このガスを直接、第１の流動層１０に導き亜鉛含有
ダストの還元に用いても亜鉛を気化させることはできな
い。

【００２７】それゆえ第２の流動層２０の排ガスを酸素
または空気で二次燃焼させることにより、第１の流動層
１０に導入するガス温度を１２００℃以上、かつ導入す
るガスの酸化度を３０％以上と適性化し亜鉛含有ダスト
中の亜鉛の還元及び気化に適した条件を達成することが
できる。しかし、この場合においてもダスト中にＳｉＯ
₂やＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＭｎＯ等の鉄より還
元されにくい酸化物が多く含まれ、また下記に述べるよ
うに鉄酸化物もＦｅＯまでしか還元されないため焼結を
起こさず亜鉛酸化物を還元・蒸発させることができる
が、ダストの流動層内滞留時間を長くするために流動層
に砂等の還元されない粒子を流動媒体として用いること
はより好ましい。この流動媒体の粒径としては１ｍｍ以
下１００メッシュ以上が好ましいことは前述した。

【００２８】同様にして第２の流動層２０における適正
操業範囲を規定することができる。第２の流動層２０で
は酸化鉄ＦｅＯは金属鉄まで還元されなければならな
い。すなわち、図３のＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ₂ の還
元反応線以下で操業する必要があり、また同時に、上記
したように、焼結を防止するために９００℃以下で操業
する必要がある。

【００２９】また、亜鉛については、金属亜鉛に還元さ
れずにＺｎＯで留まることが好ましい。すなわち、亜鉛
蒸気の分圧が０．１ａｔｍの場合について図３中に斑点
領域で示した範囲が流動層１の適正操業条件である。こ
の場合においても亜鉛蒸気の分圧によって該適正操業範
囲が変化することは明らかである。以上まとめると、好
ましい操業条件としては、第１の粒子循環式流動層の操
業温度を６００℃以上９００℃以下、流動化ガスの酸化
度を４０％以下とし、かつ第２の粒子循環式流動層の操
業温度を１２００℃以上、流動化ガスの酸化度を３０％
以上であると言える。

【００３０】

【実施例】図１は本発明を実施するための流動層還元装
置のフローシートを示す。表１に試験に用いた電気炉ダ
ストの化学組成を示す。表２は電気炉ダストの粒径分布
を示す。流動層還元装置の仕様は次の通りである。

【００３１】記１）第１の流動層（酸化亜鉛還元炉）塔径：３５０
ｍｍ塔高：２０００ｍｍ分散板：目皿（開口比０．２％）２）第２の流動層（酸化鉄還元炉）塔径：２００
ｍｍ塔高：１５００ｍｍ分散板：目皿（開口比０．５％）表１に示した電気炉ダストを本発明方法によって処理し
た場合の試験条件と試験結果を表３に示した。亜鉛含有
ダスト処理方法として、図３に斜線で示す操業条件にて
試験を行った。また、実施例２として第１の流動層に導
入する還元ガスの酸化度が実施例に比べ低い場合につい
て試験を行った。

【００３２】試験方法を以下に述べる。試験方法は発明
例１、実施例２共に同一である。原料ダストを５０ｇ／
ｍｉｎの速度で連続的に第１の流動層１０に供給しつ
つ、排出口１６から４０〜５５ｇ／ｍｉｎで連続的に半
還元ダストを排出せしめ、ライザ１１内のダスト滞留量
を１．０ｋｇ（±１０％）に維持した。この場合ライザ
１１内におけるダストの平均滞留時間は約２０分であ
る。

【００３３】第２の流動層２０には装入口２２より第１
の流動層１０からの半還元ダストが４０〜５５ｇ／ｍｉ
ｎの速度で連続的に供給される。第２の流動層２０にお
いては排出口２６から３５〜４５ｇ／ｍｉｎの速度で連
続的に還元ダストを排出させ、ライザ２１内におけるダ
スト滞留量を０．４ｋｇ（±１０％）に維持した。ライ
ザ２１内におけるダストの平均滞留時間は約１０分であ
る。

【００３４】還元ガスは第２の流動層２０の還元ガス導
入口２３より７０Ｎｌ／ｍｉｎで供給した。還元ガスの
組成はＣＯ：Ｎ₂ ＝４０：６０である。二次燃焼ランス
３０から酸素を供給することにより、第２の流動層２０
からの排ガスを二次燃焼させ、第１の流動層１０のガス
導入口１３でのガス酸化度を調整した。

【００３５】実施例１においては送酸速度を４〜５Ｎｌ
／ｍｉｎとし、第１の流動層１０に導入するガスの酸化
度を３０％に調整した。実施例２においては送酸速度を
２〜３Ｎｌ／ｍｉｎに減少し、第１の流動層１０に導入
するガスの酸化度を２０％に調整した。試験結果は表３
に示した。実施例１においては焼結トラブルなしで操業
を継続することができた。また、第１の流動層１０から
のダストロスを３％程度に低く抑制することができ、約
９５％の高効率で亜鉛を回収することが可能であった。

【００３６】一方、実施例２では第１の流動層１０内で
焼結トラブルが発生し、流動状態が不安定となった。こ
のためダストロスが１０〜２０％にまで増加し、亜鉛回
収効率も５０〜６５％とやや不良であった。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】

【発明の効果】本発明により、粉状亜鉛含有ダストをペ
レット化せずにそのまま処理し、亜鉛と鉄を独立に、高
効率で回収することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための流動層還元装置のフロ
ーシートである。

【図２】粒子循環型流動層の基本構造を示す骨格図であ
る。

【図３】亜鉛及び鉄の酸化物及び金属の安定領域を示す
グラフである。

【符号の説明】

１、１１、２１ライザ２、１２、２２原料装入口３、１３、２３ガス導入口４、１４、２４粒子捕集装置５、１５、２５下降管１０第１の流動層２０第２の流動層３０二次燃焼ランス４０亜鉛回収装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮川昌治千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者板谷宏千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２個の粒子循環式流動層からなる反応炉
を用い、第１の粒子循環式流動層に亜鉛及び鉄を含有す
るダストを装入し、第２の粒子循環式流動層からの排出
ガスを二次燃焼したガスを流動化ガスとして、亜鉛酸化
物を還元・気化し、該還元・気化した亜鉛を含む第１の
粒子循環式流動層からのキャリオーバーガスとキャリオ
ーバーダストとを分離し、該キャリオーバーガスを冷
却、集塵して金属亜鉛を回収し、該キャリオーバーダス
トを第２の粒子循環式流動層に供給し、第２の粒子循環
式流動層に還元ガスを流動化ガスとして送入して鉄分を
還元し、鉄を回収することを特徴とする亜鉛及び鉄を含
有するダストからの金属亜鉛及び金属鉄の回収方法。
【請求項２】前記第２の粒子循環式流動層の操業温度
を６００℃以上９００℃以下、流動化ガスの酸化度を４
０％以下とし、かつ前記第１の粒子循環式流動層の操業
温度を１２００℃以上、流動化ガスの酸化度を３０％以
上とすることを特徴とする請求項１記載の亜鉛含有ダス
トからの亜鉛及び鉄の回収方法。