(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料配合を調整することにより、原料中の亜鉛、鉛、アルカリ金属、および、ハロゲン元素の比率を調整して、〔（塩素モル数＋フッ素モル数）×０．８−（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）×０．７〕／（亜鉛モル数＋鉛モル数）の値が０．３６未満となるようにし、排ガス中ダスト成分中の亜鉛、鉛、アルカリ金属、および、ハロゲン元素のモル数が、〔（塩素モル数＋フッ素モル数）−（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）〕／（亜鉛モル数＋鉛モル数）＜０．３６を満たすようにすることを特徴とする回転炉床式還元炉の操業方法。
【請求項２】
原料配合を調整することにより、原料中の亜鉛、鉛、アルカリ金属、および、ハロゲン元素の比率を調整して、排ガス中ダスト成分中のアルカリハロゲン化合物の含有率を３５質量％以下にすることを特徴とする請求項１記載の回転炉床式還元炉の操業方法。
【請求項３】
排ガスの温度を８００℃以上から５５０℃以下までを５秒以内に冷却することを特徴とする請求項１又は２記載の回転炉床式還元炉の操業方法。
【請求項４】
排気ガスの冷却過程で排ガス顕熱を利用して空気予熱する熱交換器を有した回転炉床式還元炉の排ガス処理装置を有する回転炉床式還元炉において、当該回転炉床式還元炉からの排気ダクト出口ガス温度が８００℃以上とするとともに、当該熱交換器入り口のガス温度が５５０℃以下とし、この際の冷却時間を５秒以内に制御すること、かつ、原料中の亜鉛、鉛、アルカリ金属、および、ハロゲン元素の比率を（塩素モル数＋フッ素モル数）×０．８−（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）×０．７〕／（亜鉛モル数＋鉛モル数）の値が０．３６未満であるように調整することを特徴とする請求項１記載の回転炉床式還元炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属を焼成還元する高温還元炉の排ガスを適正に処理する方法に関する。また、回転炉床式還元炉での酸化金属の還元方法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
還元鉄や合金鉄を製造するプロセスとしては各種のものがあり、固定した耐火物の天井と側壁の下を、耐火物製の中央部を欠いた円盤状炉床が回転することにより、加熱帯、還元帯、排出部へと成形体を移動させて還元していく、回転炉床法や、ロータリーキルンの内部にで、還元剤と炭素を転動させて加熱還元をするウエルツキルン法などがある。
【０００３】
回転炉床法では、原料の酸化金属を含む粉体は、炭素系の還元剤と混合された後、原料ペレットにされて、回転炉床に供給される。原料ペレットはこの炉床上に敷きつめられており、原料ペレットが炉床上に静置されていることから、原料ペレットが炉内で崩壊しづらいといった利点がある。その結果、耐火物上に粉化した原料が付着する問題が無く、また、塊の製品歩留が高い。更に、生産性が高く、安価な石炭系の還元剤や粉原料を使用できる、と言った理由から、近年、実施される例が増加している。回転炉床法は、高炉、転炉、電気炉から発生する製鉄ダストや圧延工程でのシックナースラジの還元と不純物除去の処理にも有効であり、ダスト処理プロセスとしても使用され、資源リサイクルに有効なプロセスでもある。
【０００４】
回転炉床法の操業の概略は以下の通りである。まず、原料である鉱石やダスト、スラジの金属酸化物にこの酸化物の還元に必要な量の炭素系還元剤をよく混合した後、パンペレタイザー等の造粒機にて、数mmから十数mmの成形体を製造する。
【０００５】
このペレットを回転炉床上に層状に供給され、炉床上に敷込まれたペレットは急速に加熱され、５分間から２０分間、１３００℃前後の高温で焼成される。この際に、ペレットに混合されている還元剤の炭素により酸化金属が還元され、金属が生成する。還元剤中の固定炭素分はほぼ還元される金属と化合している酸素量で求まる量である。
【０００６】
この回転炉やウエルツキルンの炉からは、還元剤である炭素と燃料の重油や天然ガスの燃焼により、発生する二酸化炭素と水蒸気を多量に含む高温の排ガスが発生する。この排ガスは、原料１トン当たり２０００Nm3から３０００Nm3排出される。この排ガスは炉内から発生したダストを含んでおり、排ガスダクトを経由して、水散布等の方法で冷却された後に、集塵されて、大気に放散される。回転炉床法は、酸化金属の還元反応に伴い、亜鉛、鉛、塩素等の不純物が揮発除去されることから、比較的ダスト発生量の多いプロセスである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した様に、回転炉床法などによる金属の還元炉においては、ダストを含む大量の排ガスが発生することから、効率的なガスの冷却方法が求められていた。例えば、回転炉床式還元炉（以降、回転炉と称す）から発生する排ガスは、高温であり、大量のダストを含んでいることなどが理由で発生する技術的な問題があった。
【０００８】
また、一方で、回転炉やロータリーキルンなどからの排ガスは６００〜１１００℃と高温であり、この排ガスが保有する顕熱量は、全投入エネルギーの３０％程度になり、熱効率の良い操業のためには、排ガスの廃熱回収は重要な役割がある。
【０００９】
しかし、高温の排ガスの廃熱回収を行なうとする際には、廃熱ボイラーや熱交換器の伝熱面にダストが強固に付着したり、これらの表面の金属を腐蝕したりする問題があった。その結果、例えば、回転炉での排ガス処理方法を提供する特開2000−169906公報に示されるように、従来法においても、ボイラーや熱交換器の温度を適正に制御して、ダストの付着を防止する方法が行われてきた。この方法は、有効な排ガス処理手段であるが、ダストの成分によっては、熱交換器の内面にダストが付着して、２週間から1ヶ月程度で、排ガス経路が閉塞する問題があった。特に、ダストが低融点化すると、ダスト付着力が強まり、問題が大きくなる。
【００１０】
回転炉などから発生するダストは、酸化鉄等の原料が飛散したものだけでなく、アルカリ金属、亜鉛、鉛、その他の揮発性の金属と塩素などの陰イオン物質を多く含んでいる。排ガスダクト入口の６００〜１１００℃程度の部分では、これらのダスト成分は、蒸気で存在しており、これが排ガス温度の低下と共に、液体として析出を始める。この液体と固体で飛散したダスト成分が、高粘性のエマルジョンを形成する。これが、排ガス経路に付着するため、経路が狭くなった部分で閉塞を起こしやすい問題があった。つまり、廃熱回収を行うため、熱交換器を設置すると、この部分で排ガス経路が狭くなり、閉塞を起こしやすい。アルカリ金属塩の液体は腐食性が強く、このエマルジョン付着部分での金属腐食の問題もあった。
【００１１】
したがって、前出の特開2000−169906公報の方法はダスト付着防止に有効な技術であるが、特に、アルカリ金属塩と亜鉛化合物が多い場合は、十分な付着防止ができていなかった。このように、従来技術においては、排ガス中のダスト成分の制御に十分な注意が払われておらず、排ガスの熱回収用熱交換器の閉塞問題の解決が不充分であった。したがって、このような問題を解決して、回転炉床法による還元炉において、廃熱回収を効率的に行う排ガス処理設備と操業方法が求められていた。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、その用紙とするところは、
（１）原料配合を調整することにより、原料中の亜鉛、鉛、アルカリ金属、および、ハロゲン元素の比率を調整して、〔（塩素モル数＋フッ素モル数）×０．８−（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）×０．７〕／（亜鉛モル数＋鉛モル数）の値が０．３６未満となるようにし、排ガス中ダスト成分中の亜鉛、鉛、アルカリ金属、および、ハロゲン元素のモル数が、〔（塩素モル数＋フッ素モル数）−（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）〕／（亜鉛モル数＋鉛モル数）＜０．３６を満たすようにすることを特徴とする回転炉床式還元炉の操業方法、
（２）原料配合を調整することにより、原料中の亜鉛、鉛、アルカリ金属、および、ハロゲン元素の比率を調整して、排ガス中ダスト成分中のアルカリハロゲン化合物の含有率を３５質量％以下にすることを特徴とする前記（１）記載の回転炉床式還元炉の操業方法、
（３）排ガスの温度を８００℃以上から５５０℃以下までを５秒以内に冷却することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の回転炉床式還元炉の操業方法。
（４）排気ガスの冷却過程で排ガス顕熱を利用して空気予熱する熱交換器を有した回転炉床式還元炉の排ガス処理装置を有する回転炉床式還元炉において、当該回転炉床式還元炉からの排気ダクト出口ガス温度が８００℃以上とするとともに、当該熱交換器入り口のガス温度が５５０℃以下とし、この際の冷却時間を５秒以内に制御すること、かつ、原料中の亜鉛、鉛、アルカリ金属、および、ハロゲン元素の比率を（塩素モル数＋フッ素モル数）×０．８−（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）×０．７〕／（亜鉛モル数＋鉛モル数）の値が０．３６未満であるように調整することを特徴とする前記（１）記載の回転炉床式還元炉の操業方法、である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、金属の還元プロセスの例として、回転炉床法の設備を図１に示す。なお、本発明は、ロータリーキルン形式の還元炉などでも、有効な方法である。粉鉱石や製鉄ダストなどの粉の酸化金属と粉石炭や粉コークスの炭素源を混合して、成形体を製造する。この成形体を回転炉１の炉内の回転する炉床上に供給する。この成形体は、高温雰囲気で還元され、還元製品の排出装置で、炉外へ排出される。
【００１４】
排ガスには、未還元の酸化鉄などの原料飛散分、アルカリ金属とハロゲン元素のように、高温で蒸発しやすい物質、および、還元された後に、蒸発する亜鉛や鉛などの金属がダスト成分として入る。これらの成分のうち、塩化ナトリウムや弗化カリウムのようなアルカリハロゲン塩と塩化亜鉛や塩化鉛は、単独で、７００〜９００℃の融点を持っている。しかし、本発明者らは、排ガス中のダスト中のアルカリハロゲン塩と塩化亜鉛・塩化鉛の比率が高まると、これらの成分が融合して、融点が５５０〜６００℃に低下することを見いだした。また、この条件のダストは、排ガス経路への付着が多くなることを見出した。
【００１５】
本発明者らは、排ガス経路に付着していたダスト塊の解析を行った結果、塩化物と弗化物が多くなると、ダストのこれらの成分が、４５０〜６００℃以上の温度で、粘着することを解明した。特に、亜鉛と鉛のハロゲン化物の亜鉛と鉛の酸化物に対する比率が高まると、この付着性が強くなることを解明した。熱交換器が通常に作用する温度である、５５０℃での付着性を調査した結果、ダスト中の亜鉛と鉛のハロゲン化物が、亜鉛と鉛の酸化物とハロゲン化物の合計に対して、モル換算で１８％以下であれば、比較的粘着性が弱く、容易に剥離できることを解明した。しかし、この条件でも、アルカリハロゲン塩の質量比率がダスト全体の質量の３５質量％を超える場合は、やや付着性が増すことも、本発明者らは解明した。
【００１６】
したがって、本発明では、ダスト中の亜鉛と鉛のハロゲン化物が、亜鉛と鉛の酸化物に対して、モル比率で２２％以下となるように、ダスト中の各元素の比率を制御する。この制御は、ダスト中の亜鉛、鉛、ナトリウム、カリウム、塩素、および、弗素のモル比率を、（塩素モル数＋弗素モル数）−（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）、つまり、アルカリ金属と反応しきれなかったハロゲン元素モル数を亜鉛モル数と鉛モル数の合計の１８％以下とすることで行う。なお、亜鉛と鉛は２価の陽イオンとなるため、１価の陰イオンであるハロゲン元素とは、イオン価数で補正する。操業する際の指標としては、[（塩素モル数＋弗素モル数）−（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）]／（亜鉛モル数＋鉛モル数）（指標A）を用いる。実際の操業では、指標A ＜０．３６の条件を守るようにする。
【００１７】
ダストの成分管理を正確に行うためには、原料の成分管理を行う必要がある。回転炉床法では、亜鉛と鉛の排ガスへの移行率は、９０％以上であり、アルカリ金属の移行率は７０％程度、ハロゲン元素の移行率は、８０％程度である。これらの移行率を勘案して、原料の亜鉛、鉛、アルカリ金属、ハロゲン元素の比率を決める。これを式であらわすと、[0.8（塩素モル数＋弗素モル数）−0.7（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）]／[0.9〜1.0（亜鉛モル数＋鉛モル数）]となるので、簡易式で、[0.8（塩素モル数＋弗素モル数）−0.7（ナトリウムモル数＋カリウムモル数）]／（亜鉛モル数＋鉛モル数）(指標B) として、これを原料配合の管理指標として操業する。実際の操業では、指標B ＜０．３６を条件とする。
【００１８】
この条件で調整したダストを含む排ガスは、排ガス導入ダクト２から、排ガス処理設備に導入される。この部分での排ガス温度は８００℃以上とする。８００℃以下であると、塩化物や弗化物は排ガス導入ダクト２に入った直後に、析出して、排ガス導入ダクト２の入り口付近で詰まりを起こすことが問題であるため、温度を８００℃以上とした。
【００１９】
次に、排ガスは廃熱ボイラー３に導入されて、排ガスが急速に５５０℃以下に冷却される。もしも、廃熱ボイラー３出口での排ガス温度が５５０℃以上となる場合は、散水冷却器４にて、更に冷却して、排ガス温度を５５０℃以下とする。廃熱ボイラー３から、散水冷却器４にかけては、排ガス冷却を急速に行い、塩化物と弗化物の融体でいる時間を短くすることが重要である。本発明者らは、本発明に示されるダストであれば、５秒以内に５５０℃以下にすることにより、急速冷却部での深刻なダスト付着は起きない。したがって、冷却処理全体を散水式のガス冷却機など行うことでも効果はある。
【００２０】
排ガスは、熱交換器５にて、空気と熱交換して、２００℃程度まで冷却される。熱交換器５入り口部分の温度も重要な操業要因である。つまり、本発明の範囲のダスト組成であっても、熱交換器の排ガス温度が高すぎると、凝固し終わらなかった塩化ナトリウムや塩化亜鉛等は液体状態で、熱交換器金属面に付着して、閉塞や金属腐食の問題を起こす。ダスト付着による伝熱面の汚れを防止して廃熱を効率的に回収し、かつ、ダスト付着を防止するためには、熱交換器５にダスト除去装置を設置する。ダスト除去装置は種々のものがあるが、高圧のガスや蒸気を吹き付けるスートブロー式や打撃式のものが一般的である。熱交換器の型式も重要なダスト付着防止の要件である。ダスト付着に強い熱交換器は、管内に空気を、管外に排ガスを通し、管の外部をスートブローでダスト除去する型式のもの、および、多くの平行プレートが設置されており、空気と排ガスが交互に流されており、スクレーパーで付着ダストを落とす型式のものが良い。
【００２１】
この時に熱交換により加熱された空気は、回転炉１の燃焼用空気やペレットの事前乾燥用熱風として用いられる。最後に、排ガスは、集塵機６にてダストを除去した後に、誘引ファン７の動力にて、煙突８から大気に放散される。
【００２２】
【実施例】
図１及び表１は本発明を用いた回転炉床による還元炉の排ガス処理設備を用いた操業の実施例である。この還元炉は、原料ペレットを毎時１８トン還元するもので、１１００℃の排ガスが、毎時４５０００ノルマル立方メートル発生する。
【００２３】
実施例１では、鉄鉱石と転炉ダストを鉄源として、粉コークスを還元剤として使用した操業の例である。この原料は比較的不純物の少ないものであり、原料成分の指標Bは、0.18と本発明の範囲内であった。この結果、ダスト成分の指標Aも、0.17であり、かつ、アルカリハロゲンの比率も２０質量％と低かった。排ガス処理条件も、排ガス導入ダクト２に入り口排ガス温度が９７０℃と高く、また、熱交換器５入り口温度は、４８０℃と低かったことから、排ガス処理系にダストの付着はまったくなかった。
【００２４】
次に、実施例２では、やや不純物の多い高炉ガスダストを用いた操業例である。不純物は多いが、原料成分の指標Bは0.16と実施例１とほぼ同じであった。この結果、ダスト成分の指標Aは、0.13であった。実施例１に比べると、原料に石灰を含んでいたことから、ハロゲンが還元製品中に残り易い条件であることから、指標Bと比較して、指標Aが小さくなったと推定される。アルカリハロゲンの比率も２１質量％と低かった。この操業でも、排ガス処理条件も、排ガス導入ダクト２入り口排ガス温度が１０００℃と高く、また、熱交換器５入り口温度は、４６０℃と低かったことから、排ガス処理系にダストの付着はまったくなかった。
【００２５】
実施例３は、原料やダストの成分は本発明の範囲内であり、本発明の方法であるものの、排ガス処理系の排ガス温度が良好でない条件で操業をした結果である。なお、原料は実施例２と同じものを用いた。指標Aと指標Bは、実施例２と同じであった。ただし、排ガス導入ダクト２入り口排ガス温度は、760℃と低く、また、熱交換器５入り口温度は、570℃と高かった。この結果、排ガス処理系に軽微なダスト付着の問題が発生した。３ヶ月稼動した後に点検したところ、排ガス導入ダクト２入り口に付着物が確認された。また、熱交換器５入り口では、徐々に閉塞が進み、２ヶ月で清掃しなければならなくなった。
【００２６】
従来技術による原料調整と排ガス温度とダスト管理の操業結果を、比較例１に示す。比較例１では、塩素等の多い原料を使用したため、原料成分の指標Bは0.48であった。この結果、ダストの指標Aは0.51となってしまった。また、アルカリハロゲンの比率も３０質量％と高かった。この結果、排ガスの温度条件は良好であったものの、排ガス導入ダクト２入り口に付着物あり、１ヶ月後に掃除した。また、熱交換器５入り口の閉塞は早く、２週間で操業を継続できなくなった。このように、本発明の条件を外れると、長期間、安定した操業を継続できない。
【００２７】
このように、本発明を用いることにより、長期間、安定した操業を継続でき、また、熱交換を良好にできたことから、エネルギー効率の高い酸化金属の還元を行うことができて、金属製造の費用を大幅に低減できた。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、回転炉床法などの焼成還元炉において、ダスト付着による排ガス経路の閉塞の問題点も解決して、高温の排ガスから廃熱を回収して、蒸気と予熱空気を得て、還元炉の熱効率を高めることができる。また、従来法よりも高い稼働率で操業できるようになり、生産量が増加する効果も得られた。その結果、還元金属の製造費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する回転炉床式還元の全体図であり、廃熱回収のための熱交換器を備える設備である。
【符号の説明】
１  回転炉床式還元炉
２  排ガス導入ダクト
３  廃熱ボイラー
４  散水冷却器
５  熱交換器
６  集塵機
７  誘因ファン
８  煙突
【図１】
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