(57)【要約】【課題】燃料ガスの消費量を低減しつつ、発熱量の低い燃料ガスを有効に利用することが可能な直接還元鉄の製造装置を提供すること。【解決手段】直接還元鉄の製造装置１００は、酸化鉄と還元性ガスとを接触させて前記酸化鉄を直接還元する直接還元炉と、それからの排ガスに含まれる水及び二酸化炭素を除去して直接還元炉３０に導入される還元性ガスを得る循環部２０と、を備える。そして、低位発熱量が２．９〜３．８ＭＪ／Ｎｍ３である燃料ガスを燃焼して還元性ガスを加熱する加熱炉４０と、燃料ガスを予熱する第１の熱交換部１３と、燃焼排ガスの熱によって加熱炉４０の燃焼用空気を予熱する第２の熱交換部１５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄と還元性ガスとを接触させて前記酸化鉄を直接還元する直接還元炉と、
前記直接還元炉からの排ガスに含まれる水及び二酸化炭素の少なくとも一部を除去して前記直接還元炉に導入される前記還元性ガスを得る循環部と、を備える直接還元鉄の製造装置であって、
前記循環部に設けられ、低位発熱量が２．９〜３．８ＭＪ／Ｎｍ３である燃料ガスを燃焼して前記還元性ガスを加熱する加熱炉と、
前記加熱炉の燃焼排ガスの熱によって前記燃料ガスを予熱する第１の熱交換部、及び前記燃焼排ガスの熱によって前記加熱炉の燃焼用空気を予熱する第２の熱交換部の少なくとも一方と、を備える直接還元鉄の製造装置。
【請求項２】
前記直接還元炉からの前記排ガスの熱によって、前記第１の熱交換部に導入される前記燃料ガスを予熱する第１の熱交換器、及び、前記直接還元炉からの前記排ガスの熱によって、前記第２の熱交換部に導入される前記燃焼用空気を予熱する第２の熱交換器、の少なくとも一方を備える、請求項１に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項３】
前記直接還元炉からの排ガスの熱によって、前記加熱炉に導入される前記還元性ガスを予熱する第３の熱交換器を備える、請求項１又は２に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項４】
前記直接還元炉からの排ガスと熱媒油とを熱交換させる第４の熱交換器を備え、
前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の少なくとも一方は、前記熱媒油を介して前記直接還元炉からの前記排ガスと熱交換を行って前記燃料ガス及び前記燃焼用空気の少なくとも一方を予熱する、請求項２又は３に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項５】
前記第３の熱交換器は、熱媒油を介して前記直接還元炉からの前記排ガスと熱交換を行って前記還元性ガスを予熱する、請求項３に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項６】
前記第１の熱交換部は、前記燃料ガスとともに前記還元性ガスの一部を予熱し、
前記加熱炉では、前記燃料ガスとともに当該還元性ガスを燃焼させる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項７】
前記直接還元炉からの前記排ガスの熱によって、前記第１の熱交換部に導入される前記燃料ガスを予熱する第１の熱交換器を備えており、
前記第１の熱交換器は、前記燃料ガスとともに前記還元性ガスの一部を予熱し、前記加熱炉では、前記燃料ガスとともに当該還元性ガスを燃焼させる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項８】
前記加熱炉は、蓄熱部を有する蓄熱式バーナを備えており、前記蓄熱部によって前記燃焼用空気を予熱する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項９】
酸化鉄と還元性ガスとを接触させて前記酸化鉄を直接還元する直接還元炉を用いる直接還元鉄の製造方法であって、
前記直接還元炉で直接還元鉄と前記還元性ガスを含む排ガスとを得る還元工程と、
前記排ガスから、前記排ガスに含まれる水及び二酸化炭素の少なくとも一部を除去して前記還元性ガスを得た後、該還元性ガスを加熱炉で加熱して前記直接還元炉に導入する循環工程と、
前記加熱炉で燃焼する、低位発熱量が２．９〜３．８ＭＪ／Ｎｍ３である燃料ガス、及び前記加熱炉の燃焼用空気の少なくとも一方を、前記加熱炉の燃焼排ガスの熱によって予熱する第１の予熱工程と、
予熱された前記燃料ガスを前記加熱炉で燃焼することによって、前記還元性ガスを加熱する加熱工程と、を有する、直接還元鉄の製造方法。
【請求項１０】
第１の予熱工程の前に、前記直接還元炉からの前記排ガスの熱によって、前記燃料ガス及び前記燃焼用空気の少なくとも一方を予熱する第２の予熱工程を有する、請求項９に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１１】
前記第２の予熱工程では、熱媒油を介した、前記直接還元炉からの前記排ガスとの熱交換によって前記燃料ガス及び前記燃焼用空気の少なくとも一方を予熱する、請求項１０に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１２】
前記第１の予熱工程では、前記燃料ガスとともに前記還元性ガスの一部を予熱し、
前記加熱工程では、前記燃料ガスとともに当該還元性ガスを燃焼させる、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１３】
第１の予熱工程の前に、前記直接還元炉からの前記排ガスの熱によって、前記燃料ガスを予熱する第２の予熱工程を有しており、
前記第２の予熱工程では、前記燃料ガスとともに前記還元性ガスの一部を予熱し、
前記加熱工程では、前記燃料ガスとともに当該還元性ガスを燃焼させる、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接還元鉄の製造装置、及び直接還元鉄の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鉱石に含まれる酸化鉄を、直接還元炉中で、一酸化炭素又は水素などの還元性ガスと接触させて還元し、直接還元鉄を製造する方法が知られている。直接還元炉としては、例えば、シャフト式直接還元炉が用いられている。直接還元炉から排出される排出ガスには、酸化鉄の還元反応によって生じる二酸化炭素及び水分に加えて、未反応の成分、すなわち、一酸化炭素及び水素が含まれている。このため、直接還元炉から排出される排出ガスは、冷却して水分や二酸化炭素を除去した後、直接還元炉に循環利用されている。
【０００３】
直接還元炉において進行する酸化鉄の還元反応は主として吸熱反応である。このため、還元反応に用いられる還元性ガスは、直接還元炉に導入される前に、通常、加熱炉で９００〜１１５０℃に加熱される。このような加熱炉では、還元性ガスを高温に昇温する必要があることから、燃料ガスとしては、通常、天然ガス（ＮＧ），液化石油ガス（ＬＰＧ），又はコークス炉ガス（ＣＯＧ）などの高発熱量の燃料ガスが用いられている。また、特許文献１では、還元性ガスを加熱炉に導入する前に、熱交換器を用いて、還元性ガスと直接還元炉からの排ガスとを熱交換させることが提案されている。
【０００４】
一方、高炉の炉頂から排出される高炉ガスの発熱量は、通常６８０〜８５０ｋｃａｌ／Ｎｍ３（約２．８〜３．６ＭＪ／Ｎｍ３）と比較的小さい。このため、特許文献２では、高炉ガスを改質して、熱風炉の燃料ガス、コークス炉燃料ガス、又は発電用燃料ガスなどに有効活用することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４９６７１９１号明細書
【特許文献２】特開２００４−３０９０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来から直接還元炉に用いられている高発熱量の燃料ガスは、高価であり、立地条件によっては、容易に入手できずに輸送が困難な場合もある。このため、高炉ガスなどの低発熱量の燃料ガスを利用できれば、燃料ガスの選択肢も増えて、安定的に直接還元炉の操業を行うことができる。一方で、新興国の製鉄所においては、高炉ガスなどの低発熱量の燃料ガスが十分に活用されずに余剰ガスとして燃焼処分をされている場合もある。このため、低発熱量の燃料ガスを直接還元炉の燃料ガスとして利用できれば、燃料ガスの選択肢の増加、燃料費節減、及びエネルギーの浪費低減に極めて有効である。
【０００７】
ところで、直接還元炉の加熱炉の燃料ガスは、通常１４００℃以上の温度まで燃焼温度を高める必要がある。しかしながら、高炉ガスなどの低発熱量の燃料ガスをそのまま加熱炉で燃焼させても燃焼温度が低いために、火炎を安定的に維持することが困難で失火が発生しやすくなり、安定的に燃焼を継続することが難しい。また、低発熱量の燃料ガスは、燃焼温度が上がりにくいため、大量の燃料ガスが必要となって、結果的に燃料ガスの消費量が増大してしまうことが懸念される。
【０００８】
一方で、燃焼温度の低下対策としては、加熱炉の伝熱面積を増加したり、燃料ガスの改質設備等を別途設けたりすることが考えられる。しかしながら、この場合、加熱炉の大型化、又は改質設備の設置などの大規模な設備投資が必要となる。また、改質設備を設置すると、改質設備を稼働させるためのエネルギーが必要となり、結果的に、設備の操業コストが増加してしまうことが懸念される。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの消費量を低減しつつ、発熱量の低い燃料ガスを有効に利用することが可能な直接還元鉄の製造装置、及び直接還元鉄の製造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】
【００１０】
本発明は、一つの側面において、酸化鉄と還元性ガスとを接触させて酸化鉄を直接還元する直接還元炉と、直接還元炉からの排ガスに含まれる水及び二酸化炭素の少なくとも一部を除去して直接還元炉に導入される還元性ガスを得る循環部と、を備える直接還元鉄の製造装置であって、循環部に設けられ、低位発熱量が２．９〜３．８ＭＪ／Ｎｍ３である燃料ガスを燃焼して還元性ガスを加熱する加熱炉と、加熱炉の燃焼排ガスの熱によって燃料ガスを予熱する第１の熱交換部、及び燃焼排ガスの熱によって加熱炉の燃焼用空気を予熱する第２の熱交換部の少なくとも一方と、を備える直接還元鉄の製造装置を提供する。
【００１１】
本発明の直接還元鉄の製造装置では、加熱炉で発熱量が十分に小さい燃料ガスを燃焼する加熱炉の上流側に、加熱炉の燃焼排ガスの熱によって燃料ガスを予熱する第１の熱交換部又は燃焼用空気を予熱する第２の熱交換部の少なくとも一方を備えている。このため、還元性ガスを加熱炉で加熱する際に、発熱量の低い燃料ガスを用いても、加熱炉での燃焼の安定性を損なうことなく、燃料ガスの消費量を低減することができる。このように、本発明の直接還元鉄の製造装置では、大幅な設備改造を行うことなく、発熱量が小さい燃料ガスを有効に活用することができる。
【００１２】
上述の直接還元鉄の製造装置は、直接還元炉からの排ガスの熱によって、第１の熱交換部に導入される燃料ガスを予熱する第１の熱交換器、及び、直接還元炉からの排ガスの熱によって、第２の熱交換部に導入される燃焼用空気を予熱する第２の熱交換器、の少なくとも一方を備えることが好ましい。これによって、燃料ガスの消費量を一層低減することができる。
【００１３】
本発明の直接還元鉄の製造装置は、直接還元炉からの排ガスの熱によって、加熱炉に導入される還元性ガスを予熱する第３の熱交換器を備えることが好ましい。これによって、直接還元炉からの排ガスの熱を一層有効に活用し、加熱炉で燃焼する燃料ガスの消費量をなお一層低減することができる。
【００１４】
本発明の直接還元鉄の製造装置は、直接還元炉からの排ガスと熱媒油とを熱交換させる第４の熱交換器を備え、第１の熱交換器及び第２の熱交換器の少なくとも一方は、熱媒油を介して直接還元炉からの排ガスと熱交換を行って燃料ガス及び燃焼用空気の少なくとも一方を予熱することが好ましい。また、上記第３の熱交換器は、熱媒油を介して直接還元炉からの排ガスと熱交換を行って還元性ガスを予熱することが好ましい。直接還元炉からの排ガス、燃料ガス及び燃焼用空気はいずれも量が多いため、これらを流通させるために大口径の配管が備えられる。これらのガスと直接還元炉からの排ガスとを直接熱交換する場合に比べて、熱媒油を用いることによって、大口径の配管を引き回すことなく設備の構造をコンパクトにすることができる。
【００１５】
第１の熱交換部は、燃料ガスとともに還元性ガスの一部を予熱し、加熱炉では、燃料ガスとともに還元性ガスを燃焼させてもよい。また、第１の熱交換器は、燃料ガスとともに還元性ガスの一部を予熱し、加熱炉では、燃料ガスとともに還元性ガスを燃焼させてもよい。また、上記加熱炉は、蓄熱部を有する蓄熱式バーナを備えており、蓄熱部によって燃焼用空気を予熱してもよい。これによって、燃料ガスの消費量を十分に抑制しつつ一層低い発熱量を有する燃料ガスを用いることができる。
【００１６】
本発明は、別の側面において、酸化鉄と還元性ガスとを接触させて酸化鉄を直接還元する直接還元炉を用いる直接還元鉄の製造方法であって、直接還元炉で直接還元鉄と還元性ガスを含む排ガスとを得る還元工程と、排ガスから水及び二酸化炭素の少なくとも一部を除去して還元性ガスを得た後、該還元性ガスを加熱炉で加熱して直接還元炉に導入する循環工程と、加熱炉で燃焼する、低位発熱量が２．９〜３．８ＭＪ／Ｎｍ３である燃料ガス、及び加熱炉の燃焼用空気の少なくとも一方を、加熱炉の燃焼排ガスの熱によって予熱する第１の予熱工程と、予熱された燃料ガスを加熱炉で燃焼することによって、還元性ガスを加熱する加熱工程と、を有する、直接還元鉄の製造方法を提供する。
【００１７】
本発明の直接還元鉄の製造方法では、直接還元炉からの排ガスの熱によって、加熱炉で燃焼される発熱量が十分に小さい燃料ガス及び燃焼用空気の少なくとも一方を予熱する第１の予熱工程を有している。このため、還元性ガスを加熱炉で加熱する際に、加熱炉での燃焼の安定性を損なうことなく、燃料ガスの消費量を低減することができる。このように、本発明の直接還元鉄の製造方法によれば、大幅な設備改造を行うことなく、発熱量が小さい燃料ガスを有効に利用することができる。
【００１８】
第１の予熱工程の前に、直接還元炉からの排ガスの熱によって、燃料ガス及び燃焼用空気の少なくとも一方を予熱する第２の予熱工程を有することが好ましい。これによって、燃料ガスの消費量を一層低減することができる。
【００１９】
第２の予熱工程では、熱媒油を介して、直接還元炉からの排ガスとの熱交換によって燃料ガス及び燃焼用空気の少なくとも一方を予熱してもよい。また、第１の予熱工程又は第２の予熱工程では、燃料ガスとともに還元性ガスの一部を予熱し、加熱工程では、燃料ガスとともに還元性ガスを燃焼させてもよい。これによって、燃料ガスの消費量を十分に抑制しつつ一層低い発熱量を有する燃料ガスを用いることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料ガスの消費量を低減しつつ、発熱量の低い燃料ガスを有効に利用することが可能な直接還元鉄の製造装置、及び直接還元鉄の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の直接還元鉄の製造装置の一実施形態に係る概略構成を示す図である。
【図２】本発明の直接還元鉄の製造装置の一実施形態で用いられる、蓄熱式バーナを備える加熱炉の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の直接還元鉄の製造装置の別の実施形態に係る概略構成を示す図である。
【図４】本発明の直接還元鉄の製造装置のさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の直接還元鉄の製造装置のさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の直接還元鉄の製造装置のさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の直接還元鉄の製造装置のさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の好適な実施形態を、場合により図面を参照しながら、以下に説明する。なお、各図面において、同一または同等の要素には同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。
【００２３】
図１は、本実施形態の直接還元鉄の製造装置１００の概略構成を示す図である。本実施形態の直接還元鉄の製造装置１００は、酸化鉄を還元性ガスで還元して、直接還元鉄を生成するとともに、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を含む排ガスを排出する直接還元炉３０と、直接還元炉３０からの排ガスに含まれる還元性ガスを再生して還元性ガスを直接還元炉３０に循環させる循環部２０を有する。循環部２０は、直接還元炉３０からの排ガスと熱媒油とを熱交換させる熱交換器１６（第４の熱交換器）と、熱交換器１６で冷却された排ガスをさらに冷却して排ガスから水分を除去する水分除去装置２４と、排ガスを圧縮するガス圧縮機２５と、排ガスから二酸化炭素を除去して還元性ガスを得るＣＯ２除去装置２６と、ＣＯ２除去装置２６で得られた還元性ガスと熱媒油とを熱交換させる熱交換器１４（第３の熱交換器）と、還元性ガスを加熱する加熱炉４０と、を備える。
【００２４】
加熱炉４０には、第１の熱回収部１３と第２の熱回収部１５とが設けられている。第１の熱回収部１３では、コンベクション部に配置された配管中に燃料ガスを流通させることによって、該燃料ガスと加熱炉４０の燃焼排ガスとの熱交換を行う。これによって、燃料ガスが予熱される。第２の熱回収部１５では、コンベクション部に配置された配管中に燃焼用空気を流通させることによって、該燃焼用空気と加熱炉４０の燃焼排ガスとの熱交換を行う。これによって、燃焼用空気が予熱される。
【００２５】
図１に示すとおり、直接還元炉３０の上部から排出される排ガスに含まれる還元性ガスは、熱交換器１６、水分除去装置２４、ガス圧縮機２５、ＣＯ２除去装置２６、熱交換器１４、及び加熱炉４０の各機器、及び各機器を接続する配管を経由して、直接還元炉３０に循環する。上記各機器及びこれらを接続する配管は、還元性ガスを循環する循環部２０を構成している。ＣＯ２除去装置２６と熱交換器１４とを連結する配管には、還元性ガスを供給するための供給配管３２が連結されている。供給配管３２の一端は循環部２０に、他端は図示しない還元性ガスの供給装置に、それぞれ連結される。還元性ガスの供給装置としては、例えば、石炭をガス化して一酸化炭素及び水素を含む石炭ガスを発生する石炭ガス化炉が挙げられる。この場合、直接還元鉄の製造装置１００には、石炭ガスが還元性ガスとして供給される。
【００２６】
循環部２０を循環する還元性ガスは、還元性ガスの供給装置から供給される還元性ガスと合流した後、熱交換器１４で予熱され、加熱炉４０で加熱された後、直接還元炉３０に供給される。還元性ガスは、酸化鉄を還元させる作用を有するガスであり、主成分として一酸化炭素及び水素を含有する。還元性ガスは、これらの成分の他に、二酸化炭素及び水分を含有してもよい。
【００２７】
直接還元炉３０には、ホッパから切り出された鉄鉱石などの酸化鉄が、直接還元炉３０に連結された装入管を経由して供給される。酸化鉄は、直接還元炉３０において、７５０〜１０５０℃に加熱されつつ配管２１から導入される還元性ガスと接触する。これによって、酸化鉄が還元されて直接還元鉄が得られる。このようにして得られた直接還元鉄は、直接還元炉３０の底部から排出される。
【００２８】
配管２１から直接還元炉３０に導入される還元性ガスは、酸化鉄の還元反応を十分に速く進行させる観点から、高い水素濃度を有することが好ましい。還元性ガスにおける水素濃度は、例えば４０体積％以上である。また、還元性ガスにおける一酸化炭素濃度は、例えば３０体積％以上である。
【００２９】
直接還元炉３０から排出される排ガスは、直接還元炉３０の上部に連結された配管２２を経由して熱交換器１６に導入される。この排ガスは、酸化鉄の還元によって生じた二酸化炭素及び水、並びに、還元性ガスに由来する未反応の一酸化炭素及び水素を含有する。直接還元炉３０の出口における排ガスの温度は、例えば約３００〜４００℃である。この排ガスは、熱交換器１６において、熱媒油と熱交換する。熱交換器１６で、熱媒油は、排ガスの熱によって、例えば約２６０〜２９０℃に加熱される。一方、排ガスは、熱媒油との熱交換によって、例えば約１５０〜２５０℃に冷却される。
【００３０】
直接還元炉３０からの排ガスは、熱交換器１６で冷却された後、配管を経由して熱交換器１６の下流側に設置されている水分除去装置２４に導入される。排ガスは水分除去装置２４で約４０℃に冷却される。これによって、排ガスから、排ガスに含まれる水分の少なくとも一部が除去される。水分除去装置２４としては、通常のクーラー又はベンチュリースクラバー等を用いることができる。
【００３１】
水分除去装置２４で水分が除去された排ガスは、配管を経由して水分除去装置２４の下流側に配置されているガス圧縮機２５に導入される。排ガスは、ガス圧縮機２５で例えば約０．６〜１．０ＭＰａに昇圧される。ガス圧縮機２５で昇圧された排ガスは、配管を経由して、ガス圧縮機２５の下流側に設けられているＣＯ２除去装置２６に導入される。
【００３２】
ＣＯ２除去装置２６としては、気液接触によって排ガスから二酸化炭素を除去する通常の二酸化炭素除去用の設備を用いることができる。このような設備で用いる吸収液としては、例えばＭＥＡ（モノエタノールアミン）などの有機系アルカリ性吸収液を用いることができる。ＣＯ２除去装置２６の入口における排ガスの温度は、例えば約４０℃である。ＣＯ２除去装置２６で排ガスからＣＯ２を除去することによって、排ガスから還元性ガスが再生される。ＣＯ２除去装置２６で得られる還元性ガスの温度は、例えば約４０〜６０℃である。
【００３３】
ＣＯ２除去装置２６で再生された還元性ガスは、循環部２０と供給配管３２との合流部において、還元性ガスの供給装置から供給される還元性ガスと合流する。合流後の還元性ガスの温度は、例えば約４０〜６０℃である。合流後の還元性ガスは、熱交換器１４に導入されて熱媒油と熱交換する。熱交換器１４には、熱交換器１６において排ガスの熱によって約２６０〜２９０℃に加熱された熱媒油が、熱交換器１６と熱交換器１４とを連結する配管１７を経由して流通している。
【００３４】
熱交換器１４において、還元性ガスは、熱媒油の熱によって、例えば約１００〜２４０℃に加熱される。このように、熱交換器１４によって加熱炉４０の上流側で還元性ガスを予熱することによって、加熱炉４０の負荷を低減して、加熱炉４０で消費する燃料ガスの量を少なくすることができる。
【００３５】
熱交換器１４で予熱された還元性ガスは、配管を経由して、熱交換器１４の下流側に設けられる加熱炉４０に導入される。加熱炉４０に導入された還元性ガスは、加熱炉４０内で燃料ガスを燃焼させることによって生じる燃焼熱によって、さらに加熱される。加熱炉４０で加熱された還元性ガスは、配管２１を経由して、例えば約１０００℃の温度で直接還元炉３０に導入される。
【００３６】
熱交換器１６で直接還元炉３０からの排ガスの熱を回収した熱媒油は、配管１７を流通して、熱交換器１４で還元性ガスと熱交換した後、配管を経由して熱交換器１０（第１の熱交換器）に導入される。熱媒油は、熱交換器１０において、加熱炉４０用の燃料ガスを例えば約１００〜２００℃に予熱する。熱交換器１０で予熱された燃料ガスは、加熱炉４０のコンベクション部（対流部）に設けられた第１の熱交換部１３における配管４４を流通する。燃料ガスは、第１の熱交換部１３において、加熱炉４０のコンベクション部で燃焼排ガスの熱によって、例えば２５０〜３５０℃に予熱される。
【００３７】
熱交換器１０及び第１の熱交換部１３で予熱された燃料ガスは、加熱炉４０内に導入され、加熱炉４０に設けられたバーナで燃焼用空気によって燃焼する。このように、本実施形態の直接還元鉄の製造装置１００では、熱交換器１０及び第１の熱交換部１３を用いて燃料ガスを予熱しているので、燃料ガスとして低発熱量の燃料ガスを用いても、加熱炉４０での燃焼温度を高くすることが可能となり、燃料ガスの消費量を抑制しつつ、加熱炉４０において還元性ガスの温度を十分に上げることができる。
【００３８】
燃料ガスとしては、低位発熱量が２．９〜３．８ＭＪ／Ｎｍ３、好ましくは低位発熱量が３．０〜３．５ＭＪ／Ｎｍ３の燃料ガスを用いることができる。このような発熱量を有する燃料ガスは、比較的入手が容易である。直接還元炉３０からの排ガス及び加熱炉４０の燃焼排ガスの熱を利用することによって、燃料ガス消費量の増大を抑制しつつ加熱炉４０で還元性ガスの温度を十分に高くすることができる。
【００３９】
上述の低位発熱量を有する燃料ガスとしては、高炉から発生する高炉ガス、下水処理施設又は木質系廃材等から回収されるバイオマスガス、石炭に水蒸気と空気を加えてガス化した石炭ガス、及びこれらを組み合わせたガスを例示することができる。このようなガスは、水素、一酸化炭素及び炭化水素等の燃焼源となるガス成分の他に、窒素及び二酸化炭素などの不活性ガス成分を含んでいる。直接還元鉄１００の近辺に高炉が設置されている場合には、入手の容易性の観点から、高炉ガスを用いることが好ましい。なお、燃料ガス全体としての低位発熱量が上述の範囲であれば、燃料ガスは高い発熱量を有するＬＰＧ，ＬＮＧ又はＣＯＧを少量含んでいてもよい。
【００４０】
熱交換器１０において、燃料ガスを予熱した熱媒油は、配管を経由して熱交換器１２（第２の熱交換器）に導入される。熱媒油は、熱交換器１２において、加熱炉４０で燃焼される燃焼用空気を例えば約１００〜２００℃に予熱する。熱交換器１２で予熱された空気は、第２の熱交換部１５における配管４２を流通する。燃焼用空気は、第２の熱交換部１５において、加熱炉４０のコンベクション部（対流部）で燃焼排ガスの熱によって、例えば２５０〜３５０℃に加熱される。その後、加熱炉４０に設けられたバーナによって炉内に導入されて燃料ガスを燃焼させる。このときの燃料ガスの燃焼温度は、例えば約１４５０℃である。
【００４１】
直接還元鉄の製造装置１００は、燃料ガスのみならず、当該燃料ガスを燃焼する燃焼用空気も予熱することによって、加熱炉４０での燃焼温度を高くすることが可能となり、燃料ガスの消費量を一層抑制することができる。このように、低発熱量の燃料ガスを有効利用しながら、加熱炉４０で消費する燃料ガスの量を抑制することができる。熱交換器１２において、燃焼用空気を予熱した熱媒油は、例えば約１６０〜２００℃に温度が低下している。このような温度の熱媒油は、熱交換器１６に導入されて、直接還元炉３０から排出される排ガスと熱交換し、例えば約２６０〜２９０℃に加熱される。このように加熱された熱媒油は、再び、熱交換器１４、熱交換器１０及び熱交換器１２を経由して循環利用される。熱媒油としては、通常の有機熱媒を用いることができる。
【００４２】
加熱炉４０としては、通常のバーナを備える加熱炉を用いてもよいし、蓄熱式バーナを備える加熱炉を用いてもよい。蓄熱式バーナの形態は特に限定されるものでない。図２は、本実施形態の直接還元鉄の製造装置に備えられる、蓄熱式バーナを有する加熱炉の一例を示す図である。
【００４３】
図２に示す加熱炉は、複数の蓄熱式バーナを有している。蓄熱式バーナは、蓄熱部５１とバーナ５０とが一体化して構成されている。バーナ５０には燃料ガスが供給される供給管が連結されており、供給管には、燃料ガスの供給を断続的に行うことができるように弁ａが設けられている。一方、蓄熱式バーナの蓄熱部５１には、燃焼用空気の供給管と加熱炉４０の燃焼排ガスの排出管とが接続されている。供給管と排出管には、それぞれ弁ｂと弁ｃが設けられている。これによって、それぞれの蓄熱式バーナは、蓄熱と燃焼とを交互に行うことが可能な構成となっている。
【００４４】
燃焼中のバーナ５０では、弁ｃを閉止状態、且つ弁ａ及び弁ｂを開放状態として燃料ガスを燃焼させる。一方、燃焼していないバーナ５０では、弁ｃを開放状態、且つ弁ａ及び弁ｂを閉止状態として、燃焼排ガスを、蓄熱部５１を通過させて排出する。蓄熱部５１を通過した燃焼排ガスは、加熱炉４０の上部から排出される燃焼排ガスと煙道で合流して、煙突６０から大気中に排出される。
【００４５】
加熱炉４０として、このような蓄熱部５１を有する蓄熱式バーナを備えるものを用いることによって、燃焼用空気を一層高い温度（例えば１０００℃）に予熱することが可能となり、燃料ガスの消費量を一層低減することができる。蓄熱部５１としては、圧力損失が低く、且つ熱容量が大きい公知の材料で形成されたものを用いることができる。例えば、ファインセラミックスで形成されたハニカム状筒体などが用いられる。
【００４６】
本実施形態の直接還元鉄の製造装置１００では、第１の熱交換部１３、第２の熱交換部１５、熱交換器１０及び熱交換器１２を用いて、燃料ガス及び燃焼用空気を予熱している。これによって、発熱量が低く安価で利用用途が限られている低発熱量の燃料ガスを、特に改質することなく熱源として有効利用することができる。本発明者らのプロセス計算の結果によれば、直接還元鉄の製造装置１００は、燃料ガス及び燃焼用空気を予熱しない場合に比べて、燃料ガスの消費量を約２０％削減することができる。
【００４７】
直接還元鉄の製造装置１００を使用する直接還元鉄の製造方法の一例を説明する。この直接還元鉄の製造方法は、直接還元炉３０で直接還元鉄と還元性ガスを含む排ガスとを得る還元工程と、上記排ガスから、排ガスに含まれる水及び二酸化炭素の少なくとも一部を除去して還元性ガスを得た後、該還元性ガスを加熱炉で加熱して直接還元炉に導入する循環工程と、加熱炉で燃焼する、低位発熱量が２．９〜３．８ＭＪ／Ｎｍ３である燃料ガス及び加熱炉の燃焼用空気を、直接還元炉からの排ガスの熱によって予熱する第２の予熱工程と、燃料ガス及び加熱炉の燃焼用空気を、加熱炉の燃焼排ガスの熱によって予熱する第１の予熱工程と、予熱された燃料ガスを加熱炉で燃焼することによって、還元性ガスを加熱する加熱工程と、を有する。
【００４８】
これらの各工程は、上述の直接還元鉄の製造装置１００の構成に関する説明と同様にして行うことができる。例えば、第１の予熱工程では、第１の熱交換部１３及び第２の熱交換部１５において、燃料ガス及び燃焼用空気を加熱炉４０の燃焼排ガスの熱で予熱することができる。第２の予熱工程では、熱交換器１０で熱媒油と燃料ガスとを熱交換させて燃料ガスを予熱するとともに、熱交換器１２で熱媒油と燃焼用空気とを熱交換させて燃焼用空気を予熱することができる。また、熱交換器１４で熱媒油と還元性ガスとを熱交換させて還元性ガスを予熱することができる。
【００４９】
このように、第１の熱交換部１３、第２の熱交換部１５、熱交換器１０、熱交換器１２、熱交換器１４及び熱交換器１６を用いて、燃料ガス、燃焼用空気及び還元性ガスを予熱することによって、燃料ガスとして低発熱量の燃料ガスを用いても、燃料ガスの消費量を十分に低減することができる。
【００５０】
図３は、本発明の別の実施形態に係る直接還元鉄の製造装置の概略構成を示す図である。直接還元鉄の製造装置１０１は、ＣＯ２除去装置２６と熱交換器１４とを連結する配管から、還元性ガスの一部を分岐させて、熱交換器１０の上流側で燃料ガスに合流させる配管１１を有する点で、直接還元鉄の製造装置１００と相違する。その他の構成は、直接還元鉄の製造装置１００と同様である。
【００５１】
ＣＯ２除去装置２６でＣＯ２が除去された還元性ガスの一部は、燃料ガスと合流して熱交換器１０に導入される。燃料ガスと還元性ガスは、熱交換器１０において、熱媒油との熱交換によって、例えば約１００〜２００℃に予熱される。予熱された燃料ガス及び還元性ガスは、配管４４を流通して加熱炉４０のコンベクション部に設けられた第１の熱交換部１３で例えば２５０〜３５０℃に予熱された後、加熱炉４０に設けられるバーナで燃焼される。
【００５２】
還元性ガスの低位発熱量は、例えば８．３〜１４．７ＭＪ／Ｎｍ３であり、燃料ガスよりも高い熱量を有する。したがって、燃焼ガスの量を減らす必要がある場合、一時的に加熱炉４０内の温度が下がったときなどに、必要に応じて還元性ガスを燃料ガスとともに燃焼させることが好ましい。ただし、発熱量の低い燃料ガスを有効利用する観点から、還元性ガスを多量に燃焼することは好ましくなく、加熱炉４０で燃焼される、還元性ガスと燃料ガスの混合ガスの低位発熱量は、例えば３．２〜４．９ＭＪ／Ｎｍ３である。燃料ガスに対する還元性ガスの混合比率は、例えば５〜１０体積％（標準状態）である。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、循環部２０は、上述の構成に限定されるものではなく、必要に応じてダストを除去する集塵機、又は、式（１）に示すシフト反応によって、水素を生成するシフト反応器を、ＣＯ２除去装置２６の上流側に設けてもよい。このようなシフト反応器を用いることによって、還元性ガスにおける水素の比率を高くすることができる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２      （１）
【００５４】
上記各実施形態では、直接還元炉３０からの排ガスからの熱を、熱媒油を介して、還元性ガス、燃料ガス及び燃焼用空気に回収している。しかしながら、熱媒油を用いることは必須ではない。例えば、熱交換器１６、熱交換器１４、熱交換器１０及び熱交換器１２に代えて、直接還元炉３０からの排ガスと還元性ガス、直接還元炉３０からの排ガスと燃料ガス、及び直接還元炉３０からの排ガスと燃焼用空気を、直接熱交換させる熱交換器を設けてもよい。また、熱交換器１４及び熱交換器１２はなくてもよい。この場合、排ガスの熱は、燃料ガスのみに回収されることなるため、燃料ガスの温度を一層高くすることができる。
【００５５】
上記実施形態では、第１の熱交換部１３及び第２の熱交換部１５は、加熱炉４０のコンベクション部に設けられていたが、これに限定されるものではない。例えば、他の実施形態では、第１の熱交換部１３及び第２の熱交換部１５として、加熱炉４０の外部の燃焼排ガスの流路に熱交換器を設けてもよい。このような熱交換器を用いて、燃焼排ガスの熱によって燃料ガス及び燃焼用空気を予熱することができる。
【００５６】
図４は、本発明の直接還元鉄の製造装置におけるさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。直接還元鉄の製造装置１０２は、図１に示す直接還元鉄の製造装置１００と同様に加熱炉４０のコンベクション部に第１の熱回収部１３と第２の熱回収部１５とを有する。直接還元鉄の製造装置１０２は、熱交換器１０、熱交換器１２、熱交換器１４及び熱交換器１６を有しない点で、直接還元鉄装置１００と相違する。直接還元鉄の製造装置１０２のその他の構成は、直接還元鉄装置１００と同様である。
【００５７】
直接還元鉄の製造装置１０２では、燃料ガスは、第１の熱交換部１３における配管４４を流通する。燃料ガスは、第１の熱交換部１３において、加熱炉４０のコンベクション部（対流部）で燃焼排ガスの熱によって、例えば２００〜３００℃に予熱される。その後、燃料ガスは、加熱炉４０内に導入され、加熱炉４０に設けられたバーナで燃焼用空気によって燃焼する。
【００５８】
燃焼用空気は、第２の熱交換部１５における配管４２を流通する。燃焼用空気は、第２の熱交換部１５において、加熱炉４０のコンベクション部（対流部）で燃焼排ガスの熱によって、例えば２００〜３００℃に予熱される。その後、加熱炉４０に設けられたバーナによって炉内に導入されて燃料ガスを燃焼させる。このときの燃料ガスの燃焼温度は、例えば約１４００℃である。このように、燃料ガス及び燃焼用空気を、それぞれ第１の熱回収部１３と第２の熱回収部１５で予熱することによって、加熱炉４０での燃焼温度を高くすることが可能となり、燃料ガスの消費量を低減しつつ、発熱量の低い燃料ガスを有効に利用することができる。なお、第１の熱回収部１３と第２の熱回収部１５の両方を設けることは必ずしも必須ではなく、どちらか一方のみであってもよい。
【００５９】
図５は、本発明の直接還元鉄の製造装置におけるさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。直接還元鉄の製造装置１０３は、図４に示す直接還元鉄の製造装置１０２と同様に加熱炉４０のコンベクション部に第１の熱回収部１３と第２の熱回収部１５とを有する。直接還元鉄の製造装置１０３は、直接還元炉３０からの排ガスと加熱炉４０で加熱される前の還元性ガスとを直接熱交換させる熱交換器１４Ａを有する点で、直接還元鉄装置１０２と相違する。直接還元鉄の製造装置１０３のその他の構成は、直接還元鉄装置１０２と同様である。
【００６０】
直接還元鉄の製造装置１０３では、還元性ガスを熱交換器１４Ａで例えば１００〜２４０℃に予熱する。このように、燃料ガス及び燃焼用空気を、それぞれ第１の熱回収部１３と第２の熱回収部１５で予熱するとともに、還元性ガスを直接還元炉３０からの排ガスで予熱することによって、加熱炉４０の燃焼負荷を低減して燃料ガスの消費量を低減しつつ、発熱量の低い燃料ガスを有効に利用することができる。
【００６１】
図６は、本発明の直接還元鉄の製造装置におけるさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。直接還元鉄の製造装置１０４は、図４に示す直接還元鉄の製造装置１０２と同様に加熱炉４０のコンベクション部に第１の熱回収部１３と第２の熱回収部１５とを有する。直接還元鉄の製造装置１０４は、第１の熱交換部１３の上流側で直接還元炉３０から排ガスの熱によって燃料ガスを予熱する熱交換器１０Ａ、及び第２の熱交換部１５の上流側で直接還元炉３０からの排ガスの熱によって燃焼用空気を予熱する熱交換器１２Ａを有する点で、直接還元鉄装置１０２と相違する。直接還元鉄の製造装置１０４のその他の構成は、直接還元鉄装置１０２と同様である。
【００６２】
直接還元鉄の製造装置１０４では、燃料ガス及び燃焼用空気を、それぞれ熱交換器１０Ａ及び熱交換器１２Ａで、例えば１００〜２００℃に予熱する。このように、燃料ガス及び燃焼用空気を、それぞれ第１の熱回収部１３と第２の熱回収部１５の上流側で予熱することによって、加熱炉４０での燃焼温度をより高くすることが可能となり、燃料ガスの消費量を低減しつつ、発熱量の低い燃料ガスを有効に利用することができる。
【００６３】
図７は、本発明の直接還元鉄の製造装置におけるさらに別の実施形態の概略構成を示す図である。直接還元鉄の製造装置１０５は、図６に示す直接還元鉄の製造装置１０４と同様に、第１の熱回収部１３、第２の熱回収部１５、熱交換器１０Ａ及び熱交換器１２Ａを有する。直接還元鉄の製造装置１０５は、熱交換器１０Ａ及び熱交換器１２Ａの上流側に直接還元炉３０からの排ガスの熱で還元性ガスを予熱する熱交換器１４Ａを備える点で、直接還元鉄装置１０４と相違する。直接還元鉄の製造装置１０５のその他の構成は、直接還元鉄装置１０４と同様である。
【００６４】
直接還元鉄の製造装置１０５では、燃料ガス及び燃焼用空気を、それぞれ熱交換器１０Ａ及び熱交換器１２Ａで、例えば１００〜２００℃に予熱する。還元性ガスを、加熱炉４０の上流側の熱交換器１４Ａで例えば１００〜２４０℃に予熱する。このように、燃料ガス、燃焼用空気、及び還元性ガスを直接還元炉３０からの排ガスで予熱することによって、加熱炉４０での燃焼温度を高くするとともに、加熱炉４０の燃焼負荷を低減することが可能となり、燃料ガスの消費量を低減しつつ、発熱量の低い燃料ガスを有効に利用することができる。直接還元炉３０からの排ガスの流路において、最も上流側に、還元性ガスを予熱する熱交換器１４Ａを備えることによって、還元性ガスを十分に予熱することができる。これによって、加熱炉４０の燃焼負荷を十分に低減することが可能となり、燃料ガスの消費量を十分に低減することができる。
【００６５】
以上、本発明の好適な実施形態を詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によれば、燃料ガスの消費量を低減しつつ、発熱量の低い燃料ガスを有効に利用することが可能な直接還元鉄の製造装置、及び直接還元鉄の製造方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０，１０Ａ…熱交換器（第１の熱交換器）、１２，１２Ａ…熱交換器（第２の熱交換器）、１３…第１の熱交換部、１４、１４Ａ…熱交換器（第３の熱交換器）、１５…第２の熱交換部、１６…熱交換器（第４の熱交換器）、２０…循環部、２４…水分除去装置、２５…ガス圧縮機、２６…ＣＯ２除去装置、３０…直接還元炉、３２…供給配管、４０…加熱炉、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５…直接還元鉄の製造装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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