JPS58151409A - 金属鉱石の還元方法 - 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】 本発明は一般に一直シャフト移一層盤反応器における微
粒状鉱石から微粒形状のスポンジ金属への直接気体還元
に関し、特に詳細にはｃ０種の反応器における鉱石の＊
効率および経済性を改良する方法に関する。本発ＦＩＩ
４によシ、適当な炭化水素含有気体および水蒸気は従来
タイプの改質工二ット内で改質され、そして改質気体と
して還元用尺石器に直接給供される。以下の記載に際し
ては本発明方法を、鉄鉱石からスポンジ鉄への還元に適
用したものとして例示的に説明する。しかし、説明が進
めば当業者には本発明は鉄鉱石工ニットの鉱石の処理に
も等しく適用可能であることが明らかとなろう。

米国特許第３．７６５，８７２号、ｊ１３，７７９，７
４１号および第４，２１６．０１１号に例示されるよう
な垂直シャ７、ト移動層盤反応器を取り入れた代懺的な
鉄鉱石気体還元システムにおいて、鉄鉱石はそれを、比
較的高い還元ポテンシャルおよび対応する低いオキシダ
ント濃度を有する還元気体と接触さぜることによシ還元
されている。この種の＃Ｌ’ｌＡＲ元システム紘ｆｌ直
シャフト移動層臘反応−を用いておｐ、該反応器はその
上部に還元帯域を、そして下部に冷却帯域を備えている
。鉄鉱石は反応器の頂部から導入され、そして還元帯域
を経由して下方へ流下せしめられ、該還元帯域において
鉄鉱石は、大部分が一酸化炭素と水素から成る加熱され
た還元気体と接触することになる。還元帯域において還
元された鉱石は冷却帯域へ流入し、下方へ向かうが該冷
却帯域において、鉱石は反応器の低部から填シ出される
のに先立りて、気体冷厳によ〕制御可能に冷却かつ浦炭
される。反応器の還元帯域を退去する一消耗還元気体は
急冷冷却装置内で脱水され、まえ、所望によ〕、二酸化
炭素を除去することによ〕さらにグレードアップされる
。次いて、この冷却され、グレードア、プされた気体流
の大部分は再加熱され、そして反応器の還元帯域へ再循
環されて還元気体ループを形成する。同様に、冷却気体
の一部分は反応器の冷却帯域からＩＩＬｎ出され、冷却
され、そして冷却帯域に再循１１１されて冷却ループを
形成する。

反応ＩＩＯ還元帯域に給供される還元気体は水蒸気なら
びに適当な炭化水素含有気体によ〕充填された慣用の接
触的改質ユニ、）内で一般に生成される。従来の改質炉
を利用する還元システムにおいては、改質気体が還元気
体として反応器に給供出米るようＫｔｋる前に、改質気
体を脱水して還元気体中の過剰のオキクダン）（すなわ
ち、二酸化炭素および水）の望ましくない蓄積を回道し
なければならない、オキシダントの濃度は、改質気体が
反応器に供給される以前に、それによりて水が除去され
る急冷冷却装置に改質気体を供給し、次いで腋気体を所
望の還元温度に再加熱することによりて制御することか
で自る。

成る種の他の会知の還元クステム、たとえば米１３ｉＩ
特許第３．６１７，２２７号、３，７４８，１２０号、
籐３．７４９，３８６号、第３，７６４，１２３号およ
びｊ１３．９０翫８０６号に例示されるものにおいて、
改質炉で生成され九還元気体は、該気体が反応器中に噴
射される以前に改質気体から水を除去することなく還元
用反応器内に直接供給し得るもので参る。この種の方法
におけるオ中シダン）Ｏｌ［ＩＬ＜ない蓄積を阻止する
ために、比較的高価かつよル複雑な改質エニットである
。この工”ｙ）は比砿的シビアかつ狭い操作条件下で有
効に操作する丸めに特別に設計し、そして構成されねば
ならないものであるが、この樵のエニｙトを用いること
が本質的な要件となる。この種の改質ユニットは「化学
量論的改質炉」として最も良く説明することがで龜るが
、この改質炉内で改質された気体は低濃度のオキシダン
トを含有する。

ａｔすれば、その改質炉出口気体は、反応器内への噴射
に先立ち気体を冷却して水を除去することなしに還元気
体として直接利用するのに適しているのである。改質気
体中の過剰量のオキシダントの蓄積を阻止し、かつ触媒
上への望ましくない炭素の析出を回避する丸めに、化学
量論的改質炉紘約９００℃もしくはそれ以上の範囲の比
較的高温において操作せねばならず、一方この操作温度
は従来の、もしくは「非化学量論的」改質ユニットに関
し必要とされるａｍよシも実質的に高い温度である。化
学量論的改質ユニットの全資本経費は従来Ｏ改質炉のそ
れよシも可成シ高いものとなる。それ線構築用材料が非
常に高い耐熱性を要求されるからである。

その上、このような高温で操作される場合、耐高温性触
媒が用いられることを保証するために特別な工程を採用
せねばならず、これが改質ユニッ）Ｏ全費用を増加させ
、かつ複雑化させるものである。

本発明により、鉄鉱石の改良された気体遺児方法が提案
され、該方法においては工程の全効率および経済性が実
質的に増大するものである。

本発明方法は前記した両タイプの方法、すなわち非化学
量論的改質炉と急冷冷却輪＃ｊｔを用いる方法ならびに
化学量論的改質炉を用い、これから改質気体を反応器に
直接供給し得る方法の特別な利点を有効に組み合わせた
ものである。

従りて、本発明の目的は鉄鉱石からスポンジ鉄への改良
された還元方法を提供することにあシ、鋏方法は増加し
た合針工程効軍、経済性および操作の融通性を示すもの
である。

本発明の更に他の目的は金属鉱石の償頼性ある還元方法
を提供することにＴｏシ、該方法によりて従来の弗化学
童論的改質炉が利用可能となル新鮮な還元気体を生成す
ると共に、反応器内で還元気体として改質気体を用いる
前にそれをグレードアップする必要性を排除するもので
ある。

本発明のその他の目的は、特徴および効果は以下に示す
本発明の説明に基いて尚業者にはよシ明らかなものとな
ろう。

移動層臘反応器内の金属鉱石の直接還元に際しては、大
部分を占める還元気体中に存在するオキシダント（すな
わち、水および二酸化炭（転）の置針濃度が還元気体の
還元効率を決定する。

従りて、反応器に供給される還元気体中に許容し得る水
の最も有効な濃度は存在する二酸化炭素Ｏ１Ｋ依存する
ものである０通常の操作条件下ＩＩｃおける、反応器に
供給される還元気体中のオキシダント０１ｌｋ大詐容１
ｉｌｆ＃ｉ１０〜１６容量−の範囲内にあることが見出
されている。ｔた、水の一度は、還元気体について最も
有効な還元ボテンシャルの連成を確爽にするためには６
〜１２容量−を超えるべきではない、もし、定常状態操
作の間で二酸化炭素が　反応器に再循環される消耗した
還元気体から除去されると、反応器に供給される還元気
体内の二酸化炭素の濃度拡３〜４容量−の範囲内に制御
することが可能である。その結果、許容可能な水の濃度
を、還元気体内に受容し得る合計オキシダントの量、す
なわち１０〜１６容量％−ｒイナス存在する二酸化炭素
の量のから決定する仁とができる。

上記のように、米国特杵第３．７６５，８７２号によｐ
例示される公知の鉄鉱石還元法においては、改質炉の流
出ガスを、脱水および冷却した反応器からの還元気体で
あるリサイクル１質と一緒に子る前に急冷冷却装置内で
脱水している０次に、この−緒にし丸流水を、その反応
器内への噴射に先立りて適切な加熱ユニット内で所望の
還元温度に加熱する。非化学量論的改質炉を用いるこの
方法において線、急冷冷却装置内の改質ＰｆＩＬ出ガス
流から充分な量の水分が除、去されて水の濃度を受容可
能なレベルである１〜２容量−に低下させる。化学量論
的改質炉を、水の除去工程なしで用−九場合、反応器に
供給される改質気体は最大水分ｌｌｌ＆度約６容量−を
有することになろう０武勇的な化学量論的改質デにおい
て、水の機Ｒ６−を保証するために紘改質炉に対する供
給材料中の水蒸気対炭素の七ル比約１．２をもりて、操
作温度を約９３５ｃにしなければならない。

本発明による新規な方法においては、改質炉気体流出御
を、反応器へ再循環される消耗還元気体と一緒にす４こ
とによって、従来の非化学量―的改質炉な水分除去工程
を伴わずＫＩ！用することが可能である。但し、この場
合そのリサイクル気体流は二酸化炭素および水を除去し
、かり遍ｍｅ加熱エニット内で加熱することによってグ
レードアップされたものとする。消耗還元気体のリサイ
クルあるいは再循環速度は選定されているので、反応器
に供給される一緒にした還元気体流中Ｏオキシダ／トＯ
１＆大量が１６容量−を超えることはない。

改質炉は一般に所定の温度で操作されるように設計され
ているので、有効な操作温度の正確な範囲を特定するの
が幾分困難であることは轟業看に理解されるであろう０
本発明によシ、非化学量論的改質炉を偽度限界８５０℃
において非常に上首尾で操作し得ることが見出された。

盲た、改質炉に対する供給材料中の水蒸気対炭素比率の
最大有効範囲は１．８乃至３．０であることが見出され
た。非化学量論的改質炉から新たに改質された量に対す
る消耗還元気体リサイクル１質の量の比として＊―され
る再循環比率の最有効値は１．５乃至３．０の範囲内に
見ａＳされている。改質炉供給材料の水蒸気対炭素のモ
ル比、改質・炉の操作温度、消耗還元気体リサイクル物
質０１１度および再循濃比率を注意深く選択および制御
することによって、本方＠Ｏ倉体の還元動車および経済
性が実質的に増加させるものである。

本発明の目的および効果は＃１１図乃１第３ａｉＩを参
照することによｐ最も良く理解および評価し得るｔので
ある。よ〕具体的に紘、第１図は鉄鉱石からスポンジ鉄
への直接還元に関する本発明方法の実施に際して用いら
れるようにし九直接還元システムの図解的な例示である
。

第１ｍｌを参照すると、符号１０は一般Ｋ１１１厘シャ
フト移動層蓋反応器を示し、この反応器状その上部にお
ける還元帯域１２および七〇下部にシける冷却帯域１４
を含んで構成されている。

還元すべき鉄鉱石線反応器入口１６を介して反応！１Ｇ
の頂部に充填され、またスポンジ鉄は反応器出口１８を
介して反応器ｌＯの底部から取出される。

第１図の左方部分を参照すると、改質炉３０内で新しい
還元気体が生成され、この改質デ紘前に論述したように
従来の非化学量論的改質炉である。ｊｌ１１ｍｌＫ示し
た実施態様において、界線ガスおよび水蒸気は改質炉の
スタック部３ｊ１内０．１１Ｅｌ熱コイルを経由して流
すことによ）予熱される０次に、予熱された天然ガスお
よび水蒸気ＯＳ会物を、改質炉の触媒部３４内の加熱さ
れた触謀層を介して流すものとし、こζにおいて・混合
物は下記Ｏ反応： ＣＨ４＋　ＨｓＯ−→Ｃｏ　＋　３　ＩＩｍＧｏ　＋Ｈ
，Ｏ−＋　Ｈ，＋　ＣＯｓ に９ｔ９て、その大部分が一酸化炭素、水嵩および水蒸
気から構成される気体混合物に変換される。改質炉気体
出口４ｈ鷹た、いくらかの未反応水を含んでいる。

改質炉Ｏ操作特性紘ａｇｓ図中に、改質炉ガス流出物の
水分濃度と温度なりびに改質炉への気体供給＃料の水蒸
気対炭素のモル比の函数として、ＶＣされている。第３
ａ＃Ｐの斜線部分拡熱力学的領域を表わしてｓｐ　Ｄ　
ｓその領域内においては改質炉ＯＳＳ用管上の炭素の沈
着が許容不可能な楊願著で、そｏｔｍ！Ａｓ管の腐食な
らびに改質！エツトの触媒毒化を生ずる。１１に気体に
対する有効な伝熱速度の達成ｔｉＩ実にするには１触媒
層管壁温度が改質気体温度を略１００’Ｃ＠超えなけれ
ばならないことも当業者には鳳解されよう、第１図に示
された実施態様において、改質炉流出ガス温度は８５０
℃でＴｏＩＪｌ　これによりて操作温度載置９５０Ｃに
耐え得る構造材料が必要とされる。化学量論的改質炉の
場合におけるように、よｐ高い操作温度を必要とすると
きは、触媒用管壁に用いる合金ならびに触媒自体は少く
と％１０５０℃楊度の高温に耐える、よｐ一層高グレー
ドのものから構成されていなければならない。

改質炉３０を去りた後、改質気体はパイプ３６を経由し
てグレードアップされた還元気体リサイクル流との混合
ポイントへ流れる。第１図中に示したシステムにおいて
、反応器の還元帯域１２を経由して流れる還元気体は、
その中で鉱石の還元を行い、そして消耗還元気体紘排出
用つなぎ５２を経由して反応器から過去し、その後パイ
プＳ３を介して水冷式急冷冷却装置５４内へ流入する。

急冷冷却装置５４において、気体流から水分を除去した
後、脱水畜れ九焦りヒバイブｓ５・を経由して退去する
。リサイクル気体状パイプｓ６を経由して１１１１弁６
０によ〉制御される圧縮機５７中へ流入す６ゐ０次に圧
縮され九すナイクル気体はパイプ４３を経由し、そして
二酸化炭素除去ユニット４０内へ噴射され、ここで二酸
化炭素の吸収によ〕、リサイクル気体はグレードアップ
される。このグレードアップされた気体は、パイプ４４
を経由して二酸化炭素除去ユニット４０から退去し、そ
して加熱装置５ＯＫ入ル、ここで、反応器へ送られる還
元気体の所望量ｆＫよりて、７００’Ｃ，７７１１１０
０℃の範囲の温度に加熱される。リサイクル気体流の一
部分紘パイグ５５から流量制御弁６６を備え九パイプ５
８へ、ｊ！に遍幽な使用地点へ流してもよい。

加熱装置ｓＯを去る、加熱されたリサイクル気体はパイ
プ４６を介して流れ、そしてパイプ３６に流入して行（
新九に改質された還元気体と一緒になる。この−緒にし
た気体Ｒｈパイプ４８を経由して流れ、そして反応器中
へＴＯＯＣ７！Ｆｊｉ１０００℃の範囲の温度で噴射さ
せて、還元気体りサイクルルーズを構成する。

反応４１１１Ｇ内を下方へ流れる還元１れた鉱石は、反
応器の冷却帯域１４中の適切な冷却気体にようて冷却さ
れる。第１図の右下方部分を具体的に参照すると、補給
冷却気体は自ＩＩＩＩＲ，量謂ｌｋ器８２を備え九）（
イブ８ｏを経由して本システム中へ入る０種々の冷却気
体を用いることができ、その選択は溶嶽と冷却の所望量
に依る。

パイプ８０中を流れる冷却気体はパイプ８３から反応器
の冷却帯域１４内に噴射され、そしてこれを冷却帯域を
経由して上方へ流すようにして、その中に配置された還
元した鉄鉱石を冷却かつ溶炭する。冷却気体はパイプ８
４を経由して反応器から退去し、急冷冷却装置８６へ流
入する。冷却され九気体拡急冷冷却装置８６から過去し
、そしてパイプ８８を経由して、関葺弁９２によ〕制御
される圧１１４１１９０［！れる。

次に圧縮した冷却気体はパイプ９４を経由して流れ、パ
イプ８０からの新鮮な冷却気体と一緒になｐ、そしてこ
の−緒になりた流れは反応器の冷却帯域１４に再循環さ
れて、冷却気体ループを構成する。

次いで、第２図に示され九実施態様迄目を転すると、図
中に示され九システムは１８１図のものと殆ど同じであ
るので、第１図およびｊＩ２図のシステム間の相違のみ
を説明することにする。

１１１図の還元システムにおいて、好ましい改質炉出口
の気体温度は８５０℃である０反応器の還元帯域に供給
された還元気体の所望の還元ポテンシャルを達成するた
めには、還元気体Ｏ温度はｔｏｏｃ乃至１０００℃、好
ましくは８３Ｇ℃乃至９５０℃の範囲内とすべきである
。９５０℃を超える還元気体温度における操作を望むよ
うな状況に際しては、加熱器５０が必要とされ、これＫ
よりてリサイクル気体流は９５０℃よル可成ル轟いｆｆ
１度に加熱されて、このリサイクル気体流と新しく改質
された気体とを組合わせることによりて生成された、反
応器に供給される還元気体が所望の入口温度を有するこ
とを保証する。１０００℃を超える温度で操作する仁と
を賛するプ習セスガス加熱ａｒｔ約９５０９Ｑの温度で
操作する従来の加熱器よｐも可成シ高価なので、補助的
加熱器を用いて既に加熱されたリサイクル気体流および
新たに改質され九気体流が反応器に供給される前にそれ
らｔｅｓｏｃを超過するＩｌ＆に加熱して、必要とされ
石付加的な熱を補うことが簑利である。補助的加熱器を
有することの皿にもう−りの利点は、最初の加熱装置も
しくは改質炉の操作を、何らかの工程の乱れを補償する
丸めに改変せねばならない可能性がある状況において、
もたらされる付加的な工程の融通性ＫＴｏる。

ｊＩ２図を参照すると、反応器２１Ｇはｊ１１図の帯域
１２および１４に類似する還元帯域２１２および冷却帯
域２１４を含んで構成される。還元帯域２１２を流通す
る還元気体は反応ａを退去し、そして第１図に関し説明
し九のと同様に、急冷冷却装置、二酸化炭素除去具ｘ　
ｙ　）ならびに圧縮器を経由して再循環される。グレー
ドアップされたリサイクル気体は第１加熱ｉ）２！！０
中へ噴射され、このｓｌ加熱！！紘リサイクル気体流を
約９ｓＯ℃Ｉｉｊ［の高温に加熱することが可能である
。加熱され九リサイクル気体流は加熱ｓ２ｇｏを出てパ
イプ２４６を経由して流れ、そＯＭ果パパイ２３６を経
由して流れる新たに改質され九気体と一緒になる。この
−緒になりた気体ｍｕパイプ２３７を介して流れ、そし
て第２乃至補助加熱エエッ）２６０ＫｆＩＬ人する。

リサイクル気体流および改質気体流のａ［ならびに再循
環比率によって、−緒に畜れた気体流は、１００ＯＣ程
匿の高温でありてもよい所望の還元気体温度に加熱され
る。加熱された還元気体はパイプ２４８を経由して加熱
器２６０から出て、次いで反応器に供給される。

′＊明細書中で用いられた術語ならびに真構はａ明Ｏた
めＯｊ＠曙として使用されるものでありて、限定のため
のものではない、そして、この種の術語および表現の便
用に際しては図示し、かつ説明した特徴オた拡それらの
部分と均等な全ての事項を排除する意図は全＜ｔｍ＜、
この点については各種の改変が本発明の範囲内で可能で
あることが１繊されよう、たとえば、第１図に例示し九
改質エエットへの天然ガス供給材料は、凡ゆる遍切な炭
素含有気体によって置換することが可能である。同様に
適切な配管の配置を行りて第２図の実施態様中に示した
補助的加熱エニットをバイパスした如、あるいは加える
ことも可能とするもの′ｃある。

【図面の簡単な説明】

第１図線スポンジ鉄製造システムの概略図でＴｏ〕、従
来の非化学量論的改質ユニットが用いられ、１九工程の
全効率および一済性を漱大とする丸め、改質気体流出物
とグレードアップｔたリサイクル気体とを一緒にし、そ
の−緒にした気体流を還元気体として反応器に直接供給
する場合を示し、第２図は本発明の好ましい実施態様の
概略図であシ、−緒にした気体流を、還元気体として反
応器内に噴射する前に、補助的加熱！ＩＫをいて東に加
熱する場合を示し、そして第３図は改質炉気体流出物置
［（℃）と改質炉供給材料中の水蒸気対炭素モル比の函
数としての改質炉気体流出物（−）中の水分量を示すグ
ラフである。 符号の説明 １０ｔ２１０・・・垂直シャフト移動層盤反応器、１２
ｓ２１２・・・還元帯域、　　１４．２１４・・・冷却
帯域、　　３０・・・改質炉、　４０・・・二酸化責素
除去ユニ、ト、　ｓｏ−・・加熱装置、　５４゜８６−
・・急冷冷却装置、２５０・・・篇ｌ加熱器、２６０・
・・籐２加熱エニｖト。 図面の浄書（内容に変更なし） １１ 第１頁の続き ０発　明　者　ジャン・アントニオ・ヴイラリアルート
レビノ メキシコ合衆国エヌ・エル・サ ン・ニコラス拳デφロス・ガル ザ・バドレ・ミエル２１２ピー・ ティー・イー 手続補正書（方式） ％式％ ２、偽明の名称　　金属鉱石の還元方法３、　補正をす
る者 事件との関係　　Ｉｌ！Ｉ許出−人 名　称　　　　ヒルサ・ニス・ニー 王代理人 ５、　浦市命令の日付 発送日　昭和８８年３Ｆ４２９日 ７、補正の内容 １）願書中、特許出願人の代表者Ｏ項を設けて氏名な記
載し九適正な願書を提出する。 ３）代理権を証する書面を提出する。 ３）適正な図面を提出する。 ８、添付書類の目録

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　大部分が一酸化炭素と水素から成る熱還元気
   体を移動層の一部分を通過させて、その移鵬層Ｏ金属鉱
   石をスポンジ金属に還元する還元帯域を備えた―直りヤ
   ７）１１１１ｊｌｌｌＦｊｌｊｉ反応器内で微粒状金属
   鉱石をスポンジ金属に還元する方法において、 ７０Ｇ乃至１０００Ｃの範囲Ｏ温度を有し、水および二
   酸化炭素Ｏ最大合計含有量が１６容量−である還元気体
   の第１の流れを前記反応ＩＩの還元帯域に供給し、 前記第１（Ｄ流れの少くとも一部分を反応器から第２の
   気体流としてＭｉＬシ出し、前ＩｅｌＫ２Ｏ気体流から
   水と二酸化炭素とを除去して篇３の気体流を生成し、 前記第３の気体流を加熱器ａ、＝ットに供給し、 前記第３の気体流を７００乃至１０００℃の範囲の温度
   に加熱し、 改質ユニット中の炭化水素含有気体と水とから成る流れ
   を改質して補給還元気体を生成する１楊でありて、この
   場合改質工具ットに供給される前記流れが水対炭ｌｃＯ
   モル比、少くと４１．８を有するものであり、 ＊Ｉｅ加熱された第３０気体流を前記補給還元気体と一
   緒にして、第４０気体流を生成し、そして 前記第４の気体流を、前記第１ＯＲれとして前記反応器
   へ再循環させる工１ｉを特徴とする金属鉱石の還元方法
   。 （２）　　前記加熱され九第３の気体流が補給還元気体
   と流量１．５：１乃至３．０：１をもりて一緒にされて
   前記１１１４０流れを生成する特許請求の範囲第１１［
   記載の方法。 （３）　　前記第４０流れが、前起再循壜の前に７００
   ℃乃至１０００℃の範囲の温度に加熱される特許ｍ求の
   範囲第１項乃至・２項記載の方法。 （４）　　ＩＩ紀補給還元気体０最大温度が８６０℃て
   める特許請求の範囲＠１．２項オ九は３項記載の方法。 （５）還元気体の前記第１Ｏｆｉれの水分含有量が６〜
   １２容量−の範囲内にある特許請求の範囲第１．２項、
   ３項または４項記載ｏ７ｊ＠＊（６）前記８Ｉ３の気体
   流が８３０℃〜９１０℃の範囲Ｏ温度に加熱される特許
   請求の範囲＠１゜２項、３項、４項または５項記ＩＣの
   方法。 （７）　　改質ユニ、トに給供される炭化水嵩含有気体
   および水分の流れが、１．８乃至３．０の範囲内の水対
   炭素比率を有している特許請求の範囲第１乃至６項記載
   の方法。 （８）　　前記炭化水素含有気体が天然ガスである特許
   請求の範囲ｔｓｌ乃至７項記載の方法。 （９）前記第４の気体流が８３０℃乃至１０００℃の範
   囲内の温度に加熱される特許請求の範囲第１乃至第８項
   記載の方法。