(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を５０容積％以上含有し、温度が９００℃以下の還元ガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式による直接還元炉の操業方法において、
炉頂部から排出されるガスの一部を成品温度が８００℃未満となるように炉中間部から吹き込むことを特徴とする炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法。
【請求項２】
請求項１に記載の直接還元炉の操業方法において、前記炉頂部から排出されるガスに対して、前記炉中間部から吹き込まれるガスが、２０容量％以上であることを特徴とする炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の直接還元炉の操業方法において、
前記炉中間部に吹き込むガスに酸素を添加することを特徴とする炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の直接還元炉の操業方法において、
炉頂部でのガス圧力を上昇させることを特徴とする炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化鉄を含有する原料から鉄を還元する還元鉄の生産は、プラントが安価であると共に、運転が容易であり、更に小規模でも立地が可能であるという特徴を背景に拡大を続けてきた。特に、シャフト炉方式の直接還元炉は、炉内の還元ガスを有効に活用できることより、種々の改善が加えられてきた。
【０００３】
還元ガス源としては、天然ガスをＨ２ＯまたはＣＯ２で改質して合成ガスを製造し、この合成ガスを用いて原料酸化鉄を還元する方法があるが、石炭をガス化して、還元ガスとする方法もある。
【０００４】
天然ガスを原料とする還元ガスは、天然ガス組成から一般にＨ２分率がＣＯ分率を上回る。これに対し、石炭に由来する還元ガスは、ＣＯ分率がＨ２分率を上回る。
【０００５】
ＣＯ分率の高い還元ガスは、排ガスとして二酸化炭素の排出が多くなるのに対し、Ｈ２分率の高い還元ガスによる還元排ガスは、Ｈ２Ｏとなり二酸化炭素の排出が少ないことから、地球規模の二酸化炭素の排出削減の必要性から、近年、水素を主体とする還元ガスが注目されている。
【０００６】
シャフト炉方式の直接還元炉においては、炉頂より装入された原料酸化鉄は、シャフト炉内を降下するに従い、炉下部から上昇してくる還元ガスにより還元される。原料酸化鉄からの鉄の還元は、ヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）→マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）→ヴスタイト（ＦeＯ）→鉄（Ｆｅ）の順に進行するが、ＣＯガスによる還元とＨ２ガスによる還元では、反応熱が大幅に相違する。
【０００７】
ＣＯガス、又はＨ２ガスよる酸化鉄の還元反応式は、下記の式（１）〜（４）又は式（５）〜（８）で表わされる（非特許文献１）。
【０００８】
ＣＯガスによる還元の反応式を以下に示す。
３Ｆｅ２Ｏ３+ＣＯ＝２Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ２ ΔＨ298＝−52965kＪ / Kg mol CO…（１）
Ｆｅ３Ｏ４＋ＣＯ＝３ＦｅＯ＋ＣＯ２     ΔＨ298＝＋26168kＪ / Kg mol CO…（２）
ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ２            ΔＨ298＝−13943kＪ / Kg mol CO…（３）
Ｆｅ２Ｏ３+３ＣＯ＝２Ｆｅ＋３ＣＯ２    ΔＨ298＝−28096kＪ / Kg mol CO…（４）
反応熱ΔＨ298は、２９８℃における反応熱であり、マイナス記号は発熱を表す。
【０００９】
Ｈ２ガスによる還元の反応式を以下に示す。
３Ｆｅ２Ｏ３+Ｈ２＝２Ｆｅ３Ｏ４＋Ｈ２Ｏ ΔＨ298＝−11724kＪ / Kg molＨ２…（５）
Ｆｅ３Ｏ４＋Ｈ２＝３ＦｅＯ＋Ｈ２Ｏ     ΔＨ298＝＋67411kＪ / Kg molＨ２…（６）
ＦｅＯ＋Ｈ２＝Ｆｅ＋Ｈ２Ｏ            ΔＨ298＝＋27215kＪ / Kg molＨ２…（７）
Ｆｅ２Ｏ３+３Ｈ２＝２Ｆｅ＋３Ｈ２      ΔＨ298＝＋95462kＪ / Kg molＨ２…（８）
反応熱ΔＨ298は、２９８℃における反応熱であり、プラス記号は吸熱を表す。
【００１０】
ＣＯガスによる酸化鉄の還元は発熱を伴うのに対し、Ｈ２による酸化鉄の還元は大きな吸熱である。したがって、還元ガスにＨ２を主体としたガス、即ち、還元ガスとして改質天然ガス等を用いたプロセスで、Ｈ２の容量％が大きくなる条件では、Ｈ２還元に伴なう吸熱量がＣＯ還元に伴なう発熱量を上回り温度低下で反応が停滞するため、シャフト炉に吸熱を補償するに十分な熱を供給することが重要な課題となる。
【００１１】
シャフト炉の反応を促進する手段としては、一般的には炉下部からの送風の温度を上昇させる方法がある。しかし、炉下部から熱を投入すると、炉下部から排出される成品（還元鉄）を過剰に加熱することとなり、還元鉄の粒子が相互に融着してクラスタリングが発生する。これに対しては、クラッシャーによる成品（還元鉄）の破砕が考えられるが、融着した成品（還元鉄）の発生箇所において、設備の閉塞が起こると、安定操業に重大な障害をもたらすこともある。
【００１２】
一方、特許文献１には、炉頂ガスをメタン及び空気と混合し、混合ガスを予熱後に炉下部から吹き込み、メタン分解の吸熱反応で、成品（還元鉄）を冷却すると共に、改質ガスをシャフト炉下部で製造して、鉄酸化物を還元する直接還元方法の記載がある。天然ガスの改質を炉下部で行うことで改質ガスを生成し、併せて吸熱反応による冷却により成品（還元鉄）の融着を防止するものである。炉外での改質ガス製造工程を省略し、併せて、成品（還元鉄）の融着を防止するための技術であり、Ｈ２による酸化鉄の還元による吸熱に対応する技術ではない。
【００１３】
又、特許文献２には、炉頂排出ガスをシャフト炉の中段部から吹き込み、シャフト上部の温度の急激な上昇を抑制し、装入原料の強度劣化を防止する技術の記載がある。当該技術は、石炭ガス化等のＣＯリッチガスを用いる場合に関するものであり、還元反応熱が発熱であるため、炉上部の温度が急激に上昇し原料強度が劣化する。原料強度劣化の防止のために、炉頂排出ガスを炉の中段部から吹き込んでいる。本願は、水素を主体とした還元ガスを用いる場合の酸化鉄の還元による吸熱が問題なのであり、ＣＯを主体とし、シャフト上部の温度の急激な上昇を問題とする特許文献２に記載の発明とは、課題が全く相違する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特公平７−８８５２５号公報
【特許文献２】特開昭５９−１２３７０８号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】鉄と鉄鋼がわかる本（第12刷）、新日本製鐵(株)編著、日本実業出版社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、水素を主体としたガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式の直接還元炉において、下部での過剰な昇温と融着を抑制しつつ、炉上部の熱不足を解消し、高い製品還元率を確保する直接還元炉の操業方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、前記目的を達成するための熱供給の手段として、炉上部における原料温度を高めることが有効であり、そのためには炉頂ガスの顕熱（温度および可燃ガス成分）を活用することが最も効率的であるとの考えに基づく。すなわち、
[１]水素を５０容積％以上含有し、温度が９００℃以下の還元ガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式による直接還元炉の操業方法において、
炉頂部から排出されるガスの一部を成品温度が８００℃未満となるように炉中間部から吹き込むことを特徴とする炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法。
[２]前記[１]に記載の直接還元炉の操業方法において、
前記炉頂部から排出されるガスに対して、前記炉中間部から吹き込まれるガスが、２０容量％以上であることを特徴とする炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法。
[３]前記[１]又は[２]に記載の直接還元炉の操業方法において、
前記炉中間部に吹き込むガスに酸素を添加することを特徴とする炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法。
[４]前記[１]乃至[３]のいずれかに記載の直接還元炉の操業方法において、
炉頂部でのガス圧力を上昇させることを特徴とする炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法。
【発明の効果】
【００１８】
水素を主体としたガスを用いて還元鉄を製造するシャフト炉方式の直接還元炉において、下部での過剰な昇温と融着を抑制し、高い成品還元率を確保する炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】直接還元炉の操業を示す図。
【図２】直接還元炉において、炉頂ガスの一部を炉中間部に吹き込む操業を示す図。
【図３】直接還元炉において、炉中間部に吹き込むガスに酸素を添加する操業を示す図。
【図４】送風中Ｈ２と成品排出温度及び成品還元率の関係を示す図。
【図５】直接還元炉のCase１（送風温度９００℃）の操業における炉内状況を示す図。
【図６】直接還元炉のCase２（送風温度１０００℃）の操業における炉内状況を示す図。
【図７】送風温度と成品排出温度及び成品還元率の関係を示す図。
【図８】直接還元炉のCase４（送風温度９００℃、炉頂ガス２０％循環）の操業における炉内状況を示す図。
【図９】直接還元炉のCase５（送風温度９００℃、炉頂ガス２０％循環、酸素添加５％）の操業における炉内状況を示す図。
【図１０】直接還元炉のCase６（送風温度９００℃、炉頂ガス２０％循環、酸素添加５％、炉頂圧１５Ｍｐ）の操業における炉内状況を示す図。
【図１１】送風温度９００℃、酸素添加５％の条件で、炉頂ガス循環量を変化させた場合の成品還元率と成品排出温度の関係を示す図。
【図１２】送風温度９００℃、炉頂ガス２０％循環量の条件で、酸素添加量を変更した場合の成品還元率と成品排出温度の関係を示す図。
【図１３】送風温度９００℃、酸素添加５％、炉頂ガス２０％循環量の条件で、炉頂圧を変化させた場合の成品還元率と成品排出温度の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を説明する。これは、シャフト炉方式の直接還元炉の還元について、「鉄鉱石還元用シャフト炉の数学的モデル（原  行明他、鉄と鋼、６２（１９７６）、Ｐ．３１５）」により計算した結果に基づく。
【００２１】
前記鉄鉱石還元用シャフト炉の数学的モデルは、還元反応を多段逐次反応とし、１個粒子の還元に多界面未反応核モデルに基づく速度式を使い、原料酸化鉄、還元ガス及び送風等の条件に応じて、成品還元率及び成品排出温度等を計算するモデルである。
【００２２】
計算に使用する直接還元炉１０の操業を図１に示す。原料酸化鉄１は炉頂から直接還元炉１０に装入される。成品２は、炉下部から排出される。還元ガス３が炉下部から送風され、炉頂ガス４が炉頂から排出される。
【００２３】
直接還元炉１０において、炉頂ガス４の一部を炉中間部に吹き込む操業を図２に示す。
ここで、炉中間部とは、その位置の個体温度が循環ガス温度より低い範囲であって、成品排出温度の上昇を抑えつつかつ還元率向上十分に得られるような範囲であって、適宜、以下の検討例で示すような計算手法、あるいは実験的手法により決定される。例えば、送風部から１ｍ〜３ｍの範囲である。
【００２４】
直接還元炉において、炉中間部に吹き込むガスに酸素を添加する操業を図３に示す。
【００２５】
計算前提として、炉高４ｍ、炉径１００ｍｍの炉とし、送風ガス原単位を１６００Ｎｍ３／ｔ−ＤＲＩとし、装入温度２７℃とした。ここで、ＤＲＩは成品（直接還元鉄）を示す。又、炉頂ガスの吹き込み位置は、送風部から２ｍ（送風部と炉頂部のちょうど中間位置）とした。
【００２６】
原料の装入温度は２７℃で、送風中のＣＯ２を１０％一定とし、残りのＣＯとＨ２を変化させた場合の成品還元率と成品排出温度の関係を図４に示す。横軸はＨ２容量％で表示している。
ＣＯとＣＯ２のみでは、反応が遅いため成品還元率が低い。Ｈ２の増加に伴い、反応が促進され成品還元率が向上する。それに従い成品排出温度も上昇する。しかしＨ２が過剰になると、吸熱反応による温度低下とそれに伴う反応の抑制により成品還元率の低下が生じる。その影響はＨ２が５０％を越えるとともに急激に顕著となるため、Ｈ２が５０％以上での吸熱反応による反応の停滞を防止するための手段が必要である。この吸熱反応が顕著となるＨ２が５０％以上で、排ガスの一部の中間部への循環による効果は有効性を増す。
【００２７】
水素を主体としたガスを使用した原料酸化鉄の還元の際に、吸熱反応による反応の停滞を防止するために、（１）送風温度を上昇させる手段、（２）炉頂ガスを炉中間部に循環する手段、（３）炉中間部に循環する炉頂ガスに酸素添加する手段及び（４）更に、炉頂ガス圧力を上昇させる手段を考える。
【００２８】
還元ガス組成をＣＯ：ＣＯ２：Ｈ２で２５：１０：６５とし、水素を主体としたガスを使用した原料酸化鉄の還元の際の吸熱反応による反応の停滞を防止するための手段の計算結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
0005630223.tif 000002
【００３０】
Case１（送風温度９００℃）では、成品還元率は６５．５％で、成品排出温度は、７３５℃であった。成品還元率は低い。
この場合の炉内状況を図５に示す。なお、図５及び後述する図５，６，８，９，１０において、横軸の炉内位置は、０．０ｍが炉下部還元製品取出側を表し、４．０ｍが炉上部の原料投入側を表す。
炉上部では、主に、ヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）→マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）→ヴスタイト（ＦeＯ）の反応が進行するが、前記式（６）によるＨ２による還元が、大幅な吸熱反応であるため、気体、固体の温度は共に低く、還元の進行は遅くなり、炉中間位置（炉高の高さ位置２ｍ）での固体温度は、４６０℃程度で、還元率は、１０％程度にとどまる。固体は、その後の炉内降下に伴い、還元が急速に進行するが、最終的な成品還元率は６５．５％にとどまっている。
【００３１】
Case２（送風温度１０００℃）では、Case１に対し送風温度を１００℃上昇させただけであり、その他の条件はCase１と同じである。成品還元率は８１．０％で、成品排出温度は７９９℃となり、成品還元率は向上するが、成品排出温度が高くなる。
この場合の炉内状況を図６に示す。炉下部からの熱増量であるため、炉上部の気体と固体の温度上昇は少なく、炉中間位置（炉高の高さ位置２ｍ）での固体温度は、４９０℃程度で、還元率は、１１％程度にとどまっている。炉下部からの熱増量により、炉下部での還元が急速に進行し、最終的な成品還元率は８１．０％に上昇するが、成品排出温度は７９９℃と高くなる。
【００３２】
Case３（送風温度１１００℃）では、Case１に対し送風温度を２００℃上昇させただけであり、その他の条件はCase１と同じである。成品還元率は９７．５％に向上するが、成品排出温度が８７５℃と高くなる。成品排出温度が８００℃以上では、成品（還元鉄）の融着が発生し、設備の閉塞が起こり、安定操業に重大な障害となる。
【００３３】
送風温度と成品排出温度及び成品還元率の関係を図７に示す。送風温度の上昇とともに還元率は改善するが成品排出温度も上昇している。成品還元率当りの成品排出温度の上昇は、４．３８℃／％であり、成品還元率に対する成品排出温度の上昇が大きく問題がある。
【００３４】
Case４（送風温度９００℃、炉頂ガス２０％循環）では、炉頂ガスを２０％循環することで、成品排出温度は、７３６℃で融着することなく、成品還元率を６７％に高めることができた。成品還元率の向上効果は少ないが、成品還元率当りの成品排出温度の上昇は、０．７℃／％と小さい。この場合の炉内状況を図８に示す。
炉頂ガスを炉中間部に循環することにより、還元されるべき酸化鉄あたりの還元ガス量が２０％増加する。その結果、水素還元による炉上部の吸熱をカバーし、成品排出温度を高めることなく、成品還元率を上昇させることができる。
【００３５】
Case５（送風温度９００℃、炉頂ガス２０％循環、酸素添加５％）では、炉頂ガス循環に５％の酸素添加をすることにより、炉中間部において、炉頂循環ガスの一部が燃焼し、その燃焼熱により、炉内温度が上昇することで、炉上部の熱不足を解消している。その結果、成品排出温度を高めることなく、成品還元率を上昇させることができたものと考えられる。成品還元率当りの成品排出温度の上昇は、１．６℃／％で、成品還元率の向上効果は大きい。この場合の炉内状況を図９に示す。炉内の高さ位置２ｍの気体温度は、酸素添加の炉頂ガス循環で約１００℃上昇し還元反応を促進している。
【００３６】
Case６（送風温度９００℃、炉頂ガス２０％循環、酸素添加５％、炉頂圧５ＭＰａ）では、Case４に更に炉頂圧を５ＭＰａと高めることで、炉内反応が促進され、成品排出温度を高めることなく、成品還元率を９１．５％に上昇させることができた。成品還元率当りの成品排出温度の上昇は、０．７℃／％で、成品還元率の向上効果は大きい。この場合の炉内状況を図１０に示す。炉頂圧上昇による炉内圧の上昇により、炉内の固体還元率が全体的に上昇している。
【００３７】
送風温度９００℃、酸素添加５％の条件で、炉頂ガス循環量を変化させた場合の成品還元率と成品排出温度の関係を図１１に示す。循環量の増加とともに、成品還元率は上昇するが、炉頂ガス循環量は３０％を超えると成品排出温度が８００℃を超えて成品（還元鉄）の融着の問題が発生する。従って、炉頂ガス循環量は３０％以下が好ましい。
【００３８】
炉頂ガス循環量２０％において、酸素添加量を変更した場合の成品還元率と成品排出温度の関係を図１２に示す。酸素添加量の増加に伴い、成品還元率は上昇するが、成品還元率が９５％近くになると成品排出温度が８００℃近くに上昇し、成品（還元鉄）の融着の問題が発生する。従って、酸素添加量は、１０％以下とするのが好ましい。
【００３９】
送風温度９００℃、酸素添加５％、炉頂ガス２０％循環量の条件で、炉頂を変化させた場合の成品還元率と成品排出温度の関係を図１３に示す。還元率は炉頂圧０．１５ＭＰａで１００％に達していることから、炉頂圧は実用的には０．１５ＭＰａ以下が好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
還元剤として、水素を主体としたガスを使用して還元鉄を製造するシャフト炉方式の直接還元炉において、成品融着を抑制し、高い製品還元率を確保するために、炉頂ガスを循環した直接還元炉の操業方法を利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…原料酸化鉄、２…成品、３…送風、４…炉頂ガス、５…酸素、１０…直接還元炉。
【図１】
0005630223.tif 000003
【図２】
0005630223.tif 000004
【図３】
0005630223.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005630223.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005630223.tif 000012
【図１１】
0005630223.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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