JPS6015682B2 - 金属鉱石の還元方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に垂直シャフト移動層型反応器における微
粒状鉱石から微粒形状のスポンジ金属への直後気体還元
に関し、特に詳細にはこの種の反応器における鉱石の全
効率および経済性を改良する方法に関する。

本発明により、適当な炭化水素含有気体および水蒸気は
従来タイプの改良ユニット内で改良され、そして改質気
体として還元用反応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ユニットの鉱石の処
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３７６５８７２号、第３７７９７４１号および
第４２１６０１１号に例示されるような垂直シャフト移
動層型反応器を取り入れた代表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
元気体と接触させることにより還元されている。

この種の直接還元システムは垂直シャフト移動層型反応
器を用いており、該反応器はその上部に還元帯城を、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、そして還元帯城を経由して下方へ流下
しめられ、該還元帯城において鉄鉱石は、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
反応器の低部から取り出されるのに先立って、気体冷煤
により制御可能に冷却かつ溶炭される。反応器の還元帯
域を退去する、消耗還元気体は急冷冷却装置内で脱水さ
れ、また、所望により、二酸化炭素を除去することによ
りさらにグレードアップされる。次いで、この冷却され
、グレードアッ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城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
帯城から取り出され、冷却され、そして冷却帯城に再循
環されて冷却ループを形成する。反応器の還元帯城に給
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
気体により充填された慣用の接触的改質ユニット内で一
般に生成される。

従釆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来るようになる前
に、政質気体を脱水して還元気体中の過剰のオキシダン
ト（すなわち、二酸化炭素および水）の望ましくない蓄
積を回避しなければならない。オキシダントの濃度は、
故質気体が反応器に供給される以前に、それによって水
が除去される急冷冷却装置に改質気体を供給し、次いで
該気体を所望の還元温度に再加熱することによって制御
することができる。或る種の他の公知の還元システム、
たとえば米国特許第３６１７２２７号、第３７４８１２
０号、第３７４９３８６号、第３７６４１２３号および
第３９０５８０６号に例示されるものにおいて、改質炉
で生成された還元気体は、該気体が反応器中に噴射され
る以前に改買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ある。

この種の方法におけるオキシダントの望ましくない蓄積
を阻止するために、比較的高価かつより複雑な政質ユニ
ットである。このユニットは比較的シビアかつ狭い操作
条件下で有効に操作するために特別に設計し、そして構
成されねばならないものであるが、この種のユニットを
用いることが本質的な要件となる。この種の数質ユニッ
トは「化学量論的改質炉」として最も良く説明すること
ができるが、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。換言すれば、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。政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
出を回避するために、化学量論的故質炉は約９００ｑｏ
もし〈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「非イ
ｂ学童論的一致質ユニットに関し必要とされる温度より
も実質的に高い温度である。化学量論的故質ユニットの
全資本経費は従来の敬質炉のそれよりも可成り高いもの
となる。それは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、これが故質ユニットの
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還元方法が提案され
、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装置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。従って、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り、該方法
は増加した合計工程効率、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信頼性ある還元方法
を提供することにあり、該方法によって従来の非化学量
論的改質炉が利用可能となり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故質気体を用いる前
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
本発明の説明に基し、て当業者にはより明らかなものと
なろう。

移動層型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、水および二酸化炭素）の合計濃度が還元気体の還
元効率を決定する。

従って、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の量に依存する
ものである。通常の操作条件下における、反応器に供Ｖ
給される還元気体中のオキシダントの最大許容濃度は１
０〜１筋容量％の範囲内にあることが見出されている。
また、水の濃怒は、還元気体について最も有効な還元ポ
テンシャルの達成を確実にするためには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遼元気体から
除去されると、反応器に供給される還元気体内の二酸化
炭素の濃度は３〜４容量％の範囲内に制御することが可
能である。この結果、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〜
１筋容量％マイナス存在する二酸化炭素の量のから決定
することができる。上記のように、米国特許第３７６５
８７２戦こより例示される公知の鉄鉱石還元法において
は、政質炉の流出ガスを、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物質と一緒にする前に急
冷冷却装置内で脱水している。次に、この一緒にした流
水を、その反応器内への噴射に先立って適切な加熱ユニ
ット内で所望の還元温度に加熱する。非化学量論的教質
炉を用いるこの方法においては、急冷冷却装置内の改質
炉流出ガス流から充分な量の除去されて水の濃度を受容
可能なしベルである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いた場合、反応器
に供給される改質気体は最大水分濃度約６容量％を有す
ることになろう。代表的な化学量論的改質炉において、
水の濃度６％を保証するためには改質炉に対する供給材
料中の水蒸気対炭素のモル比約１．２をもって、操作温
度を約９３５００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、改質炉気体流出物を、反応器へ
再循環される消耗還元気体と一緒にすることによって、
従来の非化学量論的改質炉を水分除去工程を伴わずに使
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、かつ適当な加教ユ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中のオキ
シダントの最大量が１筋容量％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当業者に理解されるであろう。本
発明により、非化学量論的政質炉を温度限界８５０ｑｏ
において非常に上首尾で操作き得ることが見出された。
また、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１．８乃至３．０であることが見出された
。非化学量論的教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物質の量の比として定義される
再循環比率の最有効値は１．５乃至３．０の範囲内に見
出されている。関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の温
度および再循環比率を注意深く選択および制御すること
によって、本方法の全体の還元効率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
第１図乃至第３図を参照することにより最も良く理解お
よび評価し得るものである。

より具体的には、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
うにした直接還元システムの図解的な例示である。第１
図を参照すると、符号１０は一般に垂直シャフト移動層
型反応器を示し、この反応器はその上部における還元帯
城１２およびその下部における冷却帯城１４を含んで構
成されている。

還元すべき鉄鉱石は反応器入口１６を介して反応器１０
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１０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、この改質炉は前に論述したように従来の非化学
量論的改質炉である。第１図に示した実施態様において
、天然ガスおよび水蒸気は改質炉のスタック部３２内の
加熱コイルを経由して流すことにより予熱される。次に
、子熱された天然ガスおよび水蒸気の混合物を、改質炉
の触媒部３４内の加熱された触媒層を介して流すものと
し、ここにおいて混合物は下記の反応：Ｃ比十日２０→
ＣＯ十知日２ ＣＯ＋日２０→瓜十Ｃ０２ に従って、その大部分が一酸化炭素、水素および水蒸気
から構成される気体混合物に変換される。

改費炉気体出口もまた、いくらかの禾反応水を含んでい
る。改質炉の操作特性は第３図中に、改質炉ガス流出物
の水分濃度と温度ならびに改質炉への気体供給材料の水
蒸気対炭素のモル比の函数として示されている。

第３図中の斜線部分は熱力学的領域を表わしており、そ
の領域内においては改質炉の触媒用管上の炭素の沈着が
許容不可能な程顕著で、その結果、管の腐食ならびに改
費ユニットの触媒毒化を生ずる。更に気体に対する有効
な伝熱速度の達成を確実にするには、触媒用管壁温度が
故買気体温度を略１０ぴ０程超えなければならないこと
も当業者には理解されよう。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８５０ｑｏであり、こ
れによって操作温度最底９５０ｏｏ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、より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も１０５０℃程
度の高温に耐える、より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を去った後、敬
買気体はパイプ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、反応器の還元帯城
１２を経由して稀ねる還元気体は、その中で鉱石の還元
を行い、そして消耗還元気体は排出用つなぎ５２を経由
して反応器から退去し、その後パイプ５３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、脱水された気体
流はパイプ５５を経由して退去する。リサイクル気体は
パイプ５６を経由して調整弁６０により制御される圧縮
機５７中へ流入する。次に圧縮されたりサイクル気体は
パィポプ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り、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５川こ入り、
ここで、反応器へ送られる還元気体の所望温度によって
、７００００乃至１１００℃の範囲の温度に加熱される
。リサイクル気体流の一部分はパイプ５５から流量制御
弁６６を備えたパイプ５８へ、更に適当な使用地点へ流
してもよい。加熱装置５０を去る、加熱されたりサイク
ル気体はパイプ４６を介して流れ、そしてパイプ３６に
流入して行く新たに改質された還元気体と一緒になる。

この一緒にした気体流はパイプ４８を経由して流れ、そ
して反応器中へ７００００乃至１０００℃の範囲の温度
で噴射させて、還元気体リサイクルループを構成する。
反応器１０内を下方へ流れる還元された鉱石は、反応器
の冷却帯城１４中の適切な冷却気体によって冷却される
。

第１図の右下方部分を具体的に参照すると、補給冷却気
体は自動流量調整器８２を備えたパイプ８０を経由して
本システム中へ入る。種々の冷却気体を用いることがで
き、その選択は溶炭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城を経由して上
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８４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。冷却された気体は急冷冷却
装置８６から退去し、そしてパイプ８８を経由して、調
整弁９２により制御される圧縮器９０に流れる。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８
０からの新鮮な冷却気体と一緒になり、そしてこの一緒
になった流れは反応器の冷却帯城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図に示された
実施態様に目を転ずると、図中に示されたシステムは第
１図のものと殆んど同じであるので、第１図および第２
図のシステム間の相違のみを説明することにする。

第１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８５０００である。反応器の還元帯城に供給
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、還元気体の温度は７００ｑｏ乃至１０００００
、好ましくは８３０ｏｏ乃至９５０午０の範囲内とすべ
きである。９５０００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、これによってリサイクル気体流は９５０ｏｏより可
成り高い温度に加熱されて、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って生成さ
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。

１０００００を超える温度で操作することを要するプロ
セスガス加熱器は約９５０ｏｏの温度で操作する従釆の
加熱器よりも可成り高価なので、補助的加熱器を用いて
既に加熱されたりサイクル気体流および新たに改質ご；
１た気体流が反応器に供給される前にそれらを９５０ｑ
ｏを超過する温度に加熱して、必要とされる付加的な熱
を補うことが有利である。

補助的加熱器を有することの更にもう一つの利点は、最
初の加熱装置もし〈は改質炉の操作を、何らかの工程の
乱れを補償するた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にあ
る。第２図を参照すると、反応器２１０は第１図の帯城
１２および１４に類似する還元帯城２１２および冷却帯
城２１４を含んで構成される。

還元帯城２１２を流通する還元気体は反応器を退去し、
そして第１図に関し説明したのと同様に、急冷冷却装置
、二酸化炭素除去ユニット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りサイクル気体は第
１加熱器２５０中へ噴射され、この第１加熱器はリサイ
クル気体流を約９５０℃程度の高温に加熱することが可
能である。加熱されたりサイクル気体流は加熱器２５０
を出てパイプ２４６を経由して流れ、その結果パイプ２
３１６を経由して流れる新たに改質された気体と一緒に
なる。この一緒になった気体流はパイプ２３７を介して
流れ、そして第２乃至補助加熱ユニット２６０‘こ流入
する。リサイクル気体流および改質気体流の温度ならび
に再循環比率によって、一緒にされた気体流は、１００
０ｑｏ程度の高温であっ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
。本明細書中で用いられた術語ならびに表現は説明のた
めの用語として使用されるものであって、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使用に際しては図示
し、かつ説明した特徴またはそれらの部分と均等な全て
の事項を排除する意図は全く無く、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認識され
よう。たとえば、第１図に例示した改質ユニットへの天
然ガス供給材料は、凡ゆる適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
行なって第２図の実施態様中に示した補助的加熱ユニッ
トをバィパスしたり、あるいは加えることも可能とする
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はスポンジ鉄製造システムの概略図であり、従来
の非化学量論的改質ユニットが用いられ、また工程の全
効率および経済性を最大とするため、改質気体流出物と
グレードアップしたりサイクル気体とを一緒にし、その
一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
略図であり、一緒にした気体流を、還元気体として反応
器内に噴射する前に、補助的加熱器において更に加熱す
る場合を示し、そして第３図は改質炉気体流出物温度（
℃）と改質炉供給材料中弐水蒸気対炭素モル比の函数と
しての敬質炉気体流出物（％）中の水分量を示すグラフ
である。 符号の説明 １０，２１０・・・垂直シャフト移動層型
反応器、１２，２１２・・・還元帯城、１４，２１４・
・・冷却帯城、３０・・・改質炉、４０・・・二酸化炭
素除去ユニット、５０・・・加熱装置、５４，８６・・
・急冷冷却装置、２５０・・・第１加熱器、２６０…第
２加熱ユニット。 打スね‐／ 行ス６‐２ 打ス汐‐３

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なる熱還元気体を移
   動層の一部分を通過させて、その移動層の金属鉱石をス
   ポンジ金属に還元する還元帯域を備えた垂直シヤフト移
   動層型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、７００℃乃至１０００℃の範囲の温
   度ゆ有し、水および二酸化炭素の最大合計含有量が１６
   容量％である還元気体の第１の流れを前記反応器の還元
   帯域に供給し、 前記第１の流れの少くとも一部分を反
   応器から第２の気体流として取り出し、 前記第２の気
   体流から水と二酸化炭素とを除去して第３の気体流を生
   成し、 前記第３の気体流を加熱器ユニツトに供給し、
   前記第３の気体流を７００℃乃至１０００℃の範囲の
   温度に加熱し、 改質ユニツ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工
   程であつて、この場合改質ユニツトに供給される前記流
   れが水対炭素のモル比、少くとも１．８を有するもので
   あり、 前記加熱された第３の気体流を前記補給還元気
   体と流量１．５：１乃至３．０：１をもつて一緒にして
   、第４の気体流を生成し、そして 前記第４の気体流を、前記第１の流れとして前記反応
   器へ再循環させる工程を特徴とする金属鉱石の還元方法
   。 ２ 前記第４の流れが、前記再循環の前に７００℃乃至
   １０００℃の範囲の温度に加熱される特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ３ 前記補給還元気体の最大温度が８５０℃である特許
   請求の第１項または第２項記載の方法。 ４ 還元気体の前記第１の流れの水分含有量が６〜１２
   容量％の範囲内にある特許請求の範囲第１項、第２項ま
   たは第３項記載の方法。 ５ 前記第３の気体流が８３０℃〜９１０℃の範囲の温
   度に加熱される特許請求の範囲第１項、第２項、第３項
   または第４項記載の方法。 ６ 改質ユニツトに供給される炭化水素含有気体および
   水分の流れが、１．８乃至３．０の範囲内の水対炭素比
   率を有している前記特許請求の範囲の第１項から第５項
   のいづれかに記載の方法。 ７ 前記炭化水素含有気体が天然ガスである前記特許請
   求の範囲の第１項から第６項のいづれかに記載の方法。 ８ 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前記特許請求の範囲第１項から第
   ７項のいづれかに記載の方法。