(57)【要約】  金属含有材を直接還元する工程は、金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを流動層容器内の流動層へ供給し、流動層容器内の流動層を維持することと、金属含有材を流動層容器内で少なくとも部分的に還元することと、少なくとも部分的に還元された金属含有材を含む生成物を流動層容器から排出することとを含む。本工程は、（ａ）流動層容器内における金属リッチな区域で金属含有材を還元すること、（ｂ）流動層容器内における炭素リッチな区域内に垂直±40°の範囲の酸素含有ガス下方流を噴射し、酸素と、金属含有材(金属化された材料を含む)、固体炭素質材料およびその他の被酸化性固形物、ならびにガスとの流動層内での反応により熱を発生させること、ならびに（ｃ）流動層容器内の固形物の動きによって炭素リッチな区域から金属リッチな区域に熱を伝達することを特徴とする。金属リッチな区域は流動層容器の下部に形成され、炭素リッチな区域は流動層容器の上部の下に位置する中間部に形成される。酸素含有ガスは流動層容器の中央領域に噴射される。
2008501072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを流動層容器内の流動層へ供給し、該流動層容器内の流動層を維持することと、金属含有材を前記流動層容器内で少なくとも部分的に還元することと、少なくとも部分的に還元された金属含有材を含む生成物流を前記流動層容器から排出することとを含み、金属含有材を直接還元する工程において、該工程は、
（ａ）前記流動層容器内における金属リッチな区域で金属含有材を還元すること、
（ｂ）前記流動層容器内における炭素リッチな区域内に垂直±40°の範囲の酸素含有ガス下方流を噴射し、酸素と、金属含有材、固体炭素質材料およびその他の被酸化性固形物ならびにガスとの流動層内での反応により熱を発生させること、ならびに
（ｃ）前記流動層容器内の固形物の動きによって炭素リッチな区域から金属リッチな区域に熱を伝達することを特徴とする金属含有材を直接還元する工程。
【請求項２】
請求項１に記載の工程において、垂直±15°の範囲の酸素含有ガス下方流を噴射することを特徴とする工程。
【請求項３】
請求項１または２に記載の工程において、前記金属リッチな区域を流動層容器下部に、また前記炭素リッチな区域を流動層容器中間部に形成することを特徴とする工程。
【請求項４】
請求項３に記載の工程において、前記中間部は前記下部と流動層容器上部の中間にあることを特徴とする工程。
【請求項５】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、酸素含有ガスを流動層容器内中央領域に噴射することを特徴とする工程。
【請求項６】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、流動層のバルク温度と流動層容器側壁の内表面平均温度との温度差が100℃以下、さらに好ましくは50℃以下とするよう調節することを特徴とする工程。
【請求項７】
前記請求項のいずれかに記載の工程であって前記金属含有材が細粒鉄鉱石である工程において、流動層のバルク温度が850℃から1000℃までの範囲内であることを特徴とする工程。
【請求項８】
請求項７に記載の工程において、前記流動層のバルク温度は最低900℃、さらに好ましくは最低950℃であることを特徴とする工程。
【請求項９】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、流動層内温度偏差を50℃未満とするよう調節することを特徴とする工程。
【請求項１０】
前記請求項のいずれかに記載の工程であって前記金属含有材が細粒鉄鉱石である工程において、前記流動層容器内圧力を絶対圧１バールから10バール、好ましくは絶対圧４バールから８バールまでの範囲内とするよう調節することを特徴とする工程。
【請求項１１】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記酸素含有ガスを前記流動層容器内に酸素含有ガスの下方流を生じさせるように噴射することを特徴とする工程。
【請求項１２】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記流動層容器の中央領域の流動層容器側壁の内側に位置する出口を有するランスチップを有する少なくとも1つのランスから酸素含有ガスを噴射することを特徴とする工程。
【請求項１３】
請求項12に記載の工程において、前記ランスチップは垂直に下方に向けられることを特徴とする工程。
【請求項１４】
請求項12または13に記載の工程において、前記ランスの位置、とくにランスチップ出口の高さは、酸素含有ガス噴射速度、流動層容器内圧力、流動層容器に供給される他の供給材の選択および量、ならびに流動層の密度等の要素を参照して決定することを特徴とする工程。
【請求項１５】
請求項12から14までのいずれかに記載の工程において、少なくとも前記ランスチップを水冷することを特徴とする工程。
【請求項１６】
請求項12から15までのいずれかに記載の工程において、前記ランスの外表面を水冷することを特徴とする工程。
【請求項１７】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記ランスの中央パイプを通して酸素含有ガスを噴射することを特徴とする工程。
【請求項１８】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記ランスチップの領域内に実質的に固形物フリーな区域を形成するに十分な速度で酸素含有ガスを噴射することを特徴とする工程。
【請求項１９】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、窒素および／または水蒸気および／または他の適切なシュラウドガスを噴射し、前記ランスチップ出口の領域をシュラウドすることを特徴とする工程。
【請求項２０】
請求項19に記載の工程において、前記酸素含有ガスの噴射速度の少なくとも60％の速度でシュラウドガスを流動層容器内に噴射することを特徴とする工程。
【請求項２１】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを流動層に供給し、（ａ）酸素含有ガスの下方流、（ｂ）該酸素含有ガスの下方流と対向する固形物および流動化ガスの上昇流、および（ｃ）前記固形物および流動化ガスの上昇流の外側を通る固形物の下方流によって前記流動層を維持することを特徴とする工程。
【請求項２２】
請求項21に記載の工程において、固形物の上昇流および下降流中の固形物を、炭素リッチな区域において酸素含有ガス、固体炭素質材料および他の被酸化性物質の反応によって発生した熱によって加熱することを特徴とする工程。
【請求項２３】
請求項21または22に記載の工程において、固形物の上昇流および下降流が、前記流動層容器の側壁を、酸素含有ガスと、流動層内の固体炭素質材料および他の被酸化性固形物ならびにガスとの反応によって発生した輻射熱から遮蔽することを特徴とする工程。
【請求項２４】
前記請求項のいずれかに記載の工程であって前記金属含有材が細粒鉄鉱石である工程において、前記細粒の粒子径は6mm未満であることを特徴とする工程。
【請求項２５】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記細粒の平均粒子径は0.1mmから0.8mmの範囲内にあることを特徴とする工程。
【請求項２６】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記炭素質材料は石炭であることを特徴とする工程。
【請求項２７】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記流動化ガスはCOおよびH２等の還元ガスを含むことを特徴とする工程。
【請求項２８】
請求項２７に記載の工程において、流動化ガス中のH２の量をCOおよびH２の合計量の少なくとも15容量％以上となるように選定することを特徴とする工程。
【請求項２９】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、少なくとも部分的に還元された金属含有材を含む生成物流を流動層容器の下部から排出することを特徴とする工程。
【請求項３０】
請求項29に記載の工程であって生成物流が他の固形物をも含む工程において、少なくとも他の固形物の一部を生成物流から分離することを特徴とする工程。
【請求項３１】
請求項30に記載の工程において、前記分離した固形物を前記流動層容器に戻すことを特徴とする工程。
【請求項３２】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、同伴固形物を含む排ガス流を流動層容器の上部から排出することを特徴とする工程。
【請求項３３】
請求項32に記載の工程において、前記同伴固形物を前記排ガスから分離することを特徴とする工程。
【請求項３４】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、同伴固形物を前記排ガス流から分離し、該排ガス流から分離した固形物を前記流動層容器に返還することにより循環流動層を維持することを特徴とする工程。
【請求項３５】
請求項34に記載の工程において、前記排ガスから分離された固形物を流動層容器の下部に返還することを特徴とする工程。
【請求項３６】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記金属含有供給材を流動層容器からの前記排ガスによって予熱することを特徴とする工程。
【請求項３７】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、予熱段階を終えた排ガスを処理し、該処理後の排ガスの少なくとも一部を流動化ガスとして前記流動層容器に返還することを特徴とする工程。
【請求項３８】
請求項37に記載の工程において、前記排ガス処理は、（ａ）固形物除去、（ｂ）冷却、（ｃ）H２O除去、（ｄ）CO２除去、（ｅ）圧縮、（ｆ）再加熱のうち１つ以上を含むことを特徴とする工程。
【請求項３９】
請求項37または38に記載の工程において、前記排ガス処理は固形物の前記流動層容器への返還を含むことを特徴とする工程。
【請求項４０】
前記請求項のいずれかに記載の工程であって生成物流の金属化率が50％を超える工程において、流動化ガス中に還元ガスを用いて運転することを特徴とする工程。
【請求項４１】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、前記酸素含有ガスは少なくとも90容量％の酸素を含むことを特徴とする工程。
【請求項４２】
前記請求項のいずれかに記載の工程において、部分的に還元された金属含有供給材を溶融し、さらに還元して溶融金属とする製錬工程を付加することを特徴とする工程。
【発明の詳細な説明】
【詳細な説明】
【０００１】
本発明は、金属含有供給材を直接還元する工程、とくに鉄鉱石等鉄含有供給材を直接還元する工程に関するものであるが、決してそれだけに限定されるものではない。
【０００２】
また本発明は、金属含有供給材を固体状態で部分的に還元する直接還元工程と、その部分的に還元された金属含有供給材を溶融し、さらに還元して溶融金属とする製錬工程とを含む金属含有供給材を還元する工程に関するものである。
【０００３】
本発明は、鉄鉱石を直接還元する、いわゆる「CIRCOFER」技術を開発するために本出願人により現在進行中の研究プロジェクトの実施過程で行われたものである。
【０００４】
CIRCOFER技術は、鉄鉱石を固体状態で還元して50％以上金属化することができる直接還元工程である。
【０００５】
CIRCOFER技術は流動層の利用に基づくものである。流動層への主な供給材は、流動化ガス、金属酸化物（代表的には細粒鉄鉱石）、固体炭素質材料（代表的には石炭）、および酸素含有ガス（代表的には酸素ガス）である。流動層中で生成される主な生成物は、金属化した金属酸化物、すなわち少なくとも部分的に還元された金属酸化物である。
【０００６】
前述の研究プロジェクトにおいて本出願人が発見したことの一つは、単一の流動層内において独立した反応区域を確立し、これらの区域における反応を最適化することが可能であることである。１つの反応区域は、石炭等の固体炭素質材料、および他の被酸化性反応物質が酸化されて熱を発生する炭素リッチな区域である。他の反応区域は、鉄鉱石等の金属含有供給材が固体状態で還元される金属リッチな区域である。これら２つの反応区域は流動層内で間隔を隔てて、金属リッチな区域は代表的には下部にあり、炭素リッチな区域は金属リッチな区域の上部に位置している。これらの区域は連続したものであってもよい。流動層は、固形物の上昇流および下降流を含み、この材料の動きが炭素リッチな区域で発生した熱の金属リッチな区域への伝達を促進し、金属リッチな区域を金属含有供給材の還元に必要な温度に維持する。
【０００７】
本発明によれば、次のような金属含有材を直接還元する工程が提供される。すなわち、金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを流動層容器内の流動層へ供給して流動層容器内の流動層を維持することと、金属含有材を流動層容器内で少なくとも部分的に還元することと、少なくとも部分的に還元された金属含有材を含む生成物流を流動層容器から排出することを含む。本工程は、（ａ）流動層容器内における金属リッチな区域で金属含有材を還元すること、（ｂ）流動層容器内における炭素リッチな区域内に垂直±40°の範囲の酸素含有ガス下方流を噴射し、酸素と、金属含有材(金属化された材料を含む)、固体炭素質材料および他の被酸化性固形物、ならびにガスとの流動層内での反応により熱を発生させること、ならびに（ｃ）流動層容器内の固形物の動きによって炭素リッチな区域から金属リッチな区域に熱を伝達することを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、本工程は垂直±15°の範囲の酸素含有ガス下方流の噴射を含む。
【０００９】
「炭素リッチな」区域という用語は、ここでは金属含有材の量に対する炭素質材料の量が流動層内の他の領域より相対的に多い流動層内の領域を意味するものと解する。
【００１０】
「金属リッチな」区域という用語は、ここでは炭素質材料の量に対する金属含有材の量が流動層内の他の領域よりも相対的に多い流動層内の領域を意味するものと解する。
【００１１】
好ましくは、本工程は、金属リッチな区域を流動層容器の下部に、また炭素リッチな区域を流動層容器の中間部に形成することを含む。
【００１２】
好ましくは、中間部は流動層容器の下部と上部との中間に位置する。
【００１３】
好ましくは、本工程は、流動層容器中央領域、すなわち流動層容器側壁の内側に位置する領域へ酸素含有ガスを噴射することを含む。
【００１４】
好ましくは、本工程は、流動層のバルク温度と流動層容器の側壁内表面平均温度との温度差が100℃以下となるよう調節することを含む。
【００１５】
「バルク温度」という用語は、ここでは流動層全体の平均温度を意味するものと解する。
【００１６】
さらに好ましくは、温度差は50℃以下である。
【００１７】
還元する金属含有材が細粒鉄鉱石の場合、好ましくは、流動層のバルク温度は８50℃から1000℃の範囲内とする。
【００１８】
好ましくは、バルク温度は最低900℃、さらに好ましくは最低950℃とする。
【００１９】
また、好ましくは、本工程は流動層内の温度偏差を50℃未満に調節することを含む。
【００２０】
この温度差は、例えば流動層容器に供給される固形物およびガスの量を含む多くの要素を調節することによって調節可能である。
【００２１】
さらに、還元する金属含有材が細粒鉄鉱石の場合、好ましくは、本工程は流動層容器内圧力を絶対圧１〜10バール、さらに好ましくは４〜８バールに調節することを含む。
【００２２】
好ましくは、本工程は、酸素含有ガスを流動層容器内に下方ガス流を存在させるように噴射することを含む。
【００２３】
好ましくは、本工程は、流動層容器中央領域の流動層容器側壁の内側に位置する出口を有するランスチップを有する少なくとも1つのランスから酸素含有ガスを噴射することを含む。
【００２４】
好ましくは、ランスチップは下方を向けられる。
【００２５】
好ましくは、ランスチップは垂直に下方を向けられる。
【００２６】
ランスの位置、とくにランスチップ出口の高さは、酸素含有ガス噴射速度、流動層容器内圧力、流動層容器に供給される他の供給材の選択および量、および流動層の密度等の要素を参照して決定される。
【００２７】
好ましくは、本工程は、酸素含有ガスの噴射を妨げる可能性があるランスチップ上への付着物形成の可能性を最小化するため、少なくともランスチップを水冷することを含む
好ましくは、本工程は前述のランスの外表面を水冷することを含む。
【００２８】
好ましくは、本工程はランスの中央パイプを経て酸素含有ガスを噴射することを含む。
【００２９】
好ましくは、本工程は、ランスチップの出口領域内に実質的に固形物フリーな区域を形成し、酸素含有ガスの噴射を妨げる恐れのあるランスチップ上への付着物形成の可能性を最小化するに十分な速度で酸素含有ガスを噴射することを含む。
【００３０】
好ましくは、本工程は、窒素および／または水蒸気および／または他の適切なシュラウドガスを噴射してランスチップ下端をシュラウドし、酸素含有ガスの噴射を妨げる恐れのあるランスチップ上への付着物形成につながる可能性のある金属の酸化を最小化することを含む。
【００３１】
好ましくは、本工程は、酸素含有ガスの速度の少なくとも60％の速度でシュラウドガスを流動層容器内へ噴射することを含む。
【００３２】
好ましくは、本工程は、金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを流動層へ供給し、（ａ）酸素含有ガスの下方流、（ｂ）酸素含有ガスの下方流と対向する固形物および流動化ガスの上昇流、および（ｃ）固形物および流動化ガスの上昇流の外側を通る固形物の下方流によって流動層を維持することを含む。
【００３３】
前項に記載の流動層において、固形物上昇流および下降流中の固形物は、炭素リッチな区域において酸素含有ガス、炭素質材料および他の被酸化性物質（例えばCO、揮発分、H２）の反応によって発生した熱によって加熱される。固形物下降流中の固形物は金属リッチな区域に熱を伝達する。
【００３４】
さらに、固形物の上昇流および下降流は、流動層容器の側壁を、酸素含有ガスと流動層内の固体炭素質材料および他の被酸化性固形物ならびにガスとの反応によって発生した輻射熱から遮蔽する。
【００３５】
還元する金属含有材が細粒鉄鉱石の場合、好ましくは、細粒の粒子径は6mm未満である。
【００３６】
好ましくは、細粒の平均粒子径は0.1mmから0.8mmの範囲にはいる。
【００３７】
本工程の利点の１つは、粒子径100ミクロン未満のかなりの量の金属含有供給材を受け入れ、その相当量を排ガスに同伴してこの工程から排出させないことが可能であることである。それは、流動層内で機能するアグロメレーション機構が、供給材、とくに100ミクロン未満の粒子の望ましいレベルのアグロメレーションを促進し、流動層の運転を妨げるほどの無制限なアグロメレーションは促進しそうにないためであると考えられる。同様に、処理中に割れやすく、そのため流動層中で粒子径100ミクロン未満粒子の割合が増加しやすい、もろい鉱石も工程中の排ガスへの相当量の同伴による損失なしに処理可能である。
【００３８】
好ましくは、炭素質材料は石炭である。その場合、本工程では石炭から揮発分が除去されてチャーになり、少なくともチャーの一部が流動層中で酸素と反応してCOを形成する。
【００３９】
好ましくは、流動化ガスは還元ガス、例えばCOおよびH２を含む。
【００４０】
好ましくは、本工程は、流動化ガス中のH２が流動化ガス中のCOおよびH２の合計容積の少なくとも15容量％となるように選定することを含む。
【００４１】
好ましくは、本工程は、少なくとも部分的に還元された金属含有材を含む生成物流を流動層容器の下部から排出することを含む。
【００４２】
好ましくは、生成物流は他の固形物（例えばチャー）を含む。
【００４３】
好ましくは、本工程は、少なくとも他の固形物の一部を生成物流から分離することを含む。
【００４４】
好ましくは、本工程は分離した固形物を流動層容器に返還することを含む。
【００４５】
好ましくは、本工程は、同伴固形物を含む排ガス流を流動層容器の上部から排出することを含む。
【００４６】
好ましくは、本工程は固形物を排ガス流から分離することを含む。
【００４７】
好ましくは、本工程は、同伴固形物を排ガス流から分離し、この排ガス流から分離された固形物を流動層容器に返還することにより循環流動層を維持することを含む。
【００４８】
好ましくは、本工程は排ガス流から分離された固形物を流動層容器の下部に返還することを含む。
【００４９】
好ましくは、本工程は金属含有供給材を流動層容器からの排ガスで予熱することを含む。
【００５０】
好ましくは、本工程は、予熱段階を終えた排ガスを処理し、処理排ガスの少なくとも一部を流動化ガスとして流動層容器へ返還することを含む。
【００５１】
好ましくは、排ガス処理は、（ａ）固形物除去、（ｂ）冷却、（ｃ）H２O除去、（ｄ）CO２除去、（ｅ）圧縮、および（ｆ）再加熱の１つ以上を含む。
【００５２】
好ましくは、排ガス処理は固形物の流動層容器への返還を含む。
【００５３】
本工程は、少なくとも部分的に還元された金属含有材に対する下流部門の必要条件に応じ、低水準から高水準までにおよぶ金属化した生成物を生成するよう運転できるであろう。金属化は30％から80％超に及ぶ可能性を有している。50%超の金属化が求められる状況においては、好ましくは、本工程は流動化ガス中に還元ガスを用いて運転することを含む。この例における流動化ガスの1つの選択肢は、処理後の流動層容器からの排ガスである。50%未満の金属化が求められる状況においては、流動化ガス中に還元ガスを用いる運転は必要なく、本工程に供給される固体炭素質材料によって十分な還元剤を得ることができる。
【００５４】
酸素含有ガスは任意の適切なガスでよい。
【００５５】
好ましくは、酸素含有ガスは少なくとも90容量％の酸素を含む。
【００５６】
本発明によれば、（ａ）ここに述べられている金属含有供給材を固体状態で部分的に還元する直接還元工程と、（ｂ）その部分的に還元された金属含有供給材を溶融し、さらに還元して溶融金属とする製錬工程とを含む、金属含有供給材を還元する工程もまた提供される。
【００５７】
添付図面を参照して本発明をさらに説明する。
【００５８】
以下は、金属を含有する供給材が固体の粒子状鉄鉱石である場合の直接還元に即して説明してある。しかし、本発明はそれだけに限定されるものではなく、他の鉄含有物質（例えばチタン鉄鉱）、さらに一般的には他の金属含有材に拡大して適用することが可能である。
【００５９】
以下はまた、固体炭素質材料として石炭、酸素含有ガスとして酸素ガス、流動化ガスとして少なくともCOおよびH２を含む混合物を用いる鉄鉱石の直接還元に即して説明してある。しかし、本発明はそれだけに限定されるものではなく、他の適切な固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスの利用に拡大することが可能である。
【００６０】
図面を参照して、固形供給材料、すなわち細粒鉄鉱石および石炭、酸素および流動化ガスが図に示される流動層容器３に供給され、流動層容器内に流動層が確立される。
【００６１】
固形供給材料は、固形物供給装置、例えばスクリューフィーダ、または流動層容器の側壁７を貫通して延びる固形物噴射ランス５によって流動層容器に供給される。
【００６２】
酸素は、流動層容器の中央領域31(図２)において酸素ガスを下方に導く、下方に延びるランスチップ11内の出口を有するランス９から流動層容器内に噴射される。中央領域は、流動層容器の中心軸から流動層容器壁面に向かって放射状に延びている。酸素は、垂直から垂直に対して40°までの範囲、好ましくは垂直から垂直に対して15°までの範囲の下方流をなすように噴射される。ランス出口領域内の固形物は、酸素流に同伴される可能性がある。酸素の実質的下方流および流動化ガスの実質的上昇流の相互作用によって、粒子が酸素流に同伴し流動層容器の側壁に接触して付着物を形成する傾向は相当に低減されると考えられている。
【００６３】
流動化ガスは、流動層容器の底部13の一連の羽口またはノズル（非表示）を通って噴射される。
【００６４】
上述の固形物およびガスの供給は、流動層容器の中央領域において流動ガスおよび同伴固形物の上昇流を生成する。次第に固形物が上方に移動するにつれて固形物は流動ガスの上昇流から離脱し、中央領域と流動層容器側壁の間の環状領域内を下方へ流れる。再循環した固形物は再び流動ガスの上昇流に同伴するか、または流動層容器から排出される。この流動層内の材料の動きは図２に示してある。
【００６５】
上述の固体およびガスの供給によって流動層容器内で以下の反応も発生する。
【００６６】
石炭の揮発分除去によるチャーの生成、石炭揮発分の分解によるガス状生成物（例えばH２およびCO）の生成、および少なくとも一部のチャーの酸素との反応によるCOの生成。
【００６７】
COおよびH２による鉄鉱石の少なくとも部分的に還元された鉄鉱石への直接還元。それらの反応によって今度はCO２およびH２Oを生成する。
【００６８】
CO２の一部と炭素との反応によるCOの生成（Boudouard反応）。
【００６９】
熱を発生させ、部分的に還元された鉱石の微小粒子と他の粒子との流動層内での調節されたアグロメレーションを促進する、固形物およびガス、例えばチャー、部分的に還元された鉄鉱石粒子、石炭揮発分、COおよびH２と酸素との酸化。
【００７０】
固形物の比重、固形物およびガスの噴射位置を含む上述の固形物およびガスの噴射が流動層容器内の反応区域の生成をもたらす。これらの区域は連続したものであってもよい。
【００７１】
１つの反応区域は、ランス９のランスチップ11の領域の炭素リッチな区域17である。この区域においては、主反応は熱を発生するチャー、石炭揮発分、CO、およびH２と酸素との燃焼を含む酸化反応である。
【００７２】
他の反応区域は、（ａ）石炭が揮発分を除去されてチャーおよび石炭揮発分を形成し、（ｂ）細粒鉄鉱石がCOおよびH２によって少なくとも部分的に還元される、金属リッチな区域19である。
【００７３】
上述の中央領域と側壁との間の環状領域内の固形物の下方流は、炭素リッチな区域から金属リッチな区域への熱伝達を促進する。
【００７４】
さらに、固形物の下方流は、側壁が流動層容器の中央領域からの輻射熱を直接受けるのを部分的に保護する。
【００７５】
また上述の工程は、排ガスおよび同伴する固形物を流動層容器上部の出口27から排出する流れを生成する。排ガス流は、固形物を排ガスから分離し、それらの固形物を固形物リターンレグ２９から流動層容器に戻すことにより加工処理される。その後、排ガスは一連の段階、（ａ）固形物の除去、（ｂ）排ガスの冷却、（ｃ）H２Oの除去、（ｄ）CO２の除去、（ｅ）残存する排ガスの圧縮、および（ｆ）再加熱により処理される。処理された排ガスはその後、流動化ガスの一部として流動層容器に戻される。
【００７６】
上述の工程は、少なくとも部分的に還元された鉄鉱石およびチャーを含む流動層容器底部の出口２５から流動層容器外に排出される固形物流を生成する。その固形物流は、少なくとも部分的に還元された鉄鉱石と他の固形物部分とに分離することにより加工処理できる。分離されたその他の固形物の大部分はチャーであり、工程用の固形物原材料の一部として流動層容器に戻すことができる。少なくとも部分的に還元された鉄鉱石は必要に応じてさらに加工される。一例を挙げれば、少なくとも部分的に還元された鉄鉱石は溶融浴をベースとする溶融容器に供給して溶融鉄とし、例えば「Hismelt process」と呼ばれる工程によって加工することができる。
【００７７】
上述のように、本発明は鉄鉱石の直接還元用の「CIRCOFER」技術を開発するために本出願人が実施している進行中の研究プロジェクトの実施過程で行われたものである。研究プロジェクトには、本出願人による直径350mmおよび700mmのパイロットプラント設備の一連の運転が含まれる。
【００７８】
以下の議論は、流動層容器直径700mmのパイロットプラントについての研究に焦点をあわせている。
【００７９】
パイロットプラントは図１および図２に示す形式の装置を含む。パイロットプラントは大気圧循環流動層として運転された。流動層容器の高さは10.7mである。流動層容器の上部の高さは約8.9m、内径は700mmである。流動層容器の下部の高さは約1.8m、内径は500mmである。この1.8mの高さには流動グレートの高さおよび直径500mmと直径700mmとの遷移区間が含まれる。流動層容器は耐火物被覆されている。
【００８０】
流動層容器からの排ガスは、同伴固形物を除去するため、直列に接続された３台のサイクロンに排ガスを連続して通して加工処理を行った。１番目のサイクロン（サイクロン１）には流動層容器からの排ガスを直接受け入れた。このサイクロンで分離された固形物は、圧力シールのため設けられたシールポットを通して流動層容器に戻した。２番目のサイクロン（サイクロン２）にはサイクロン１からの排ガスを受け入れた。このサイクロンで分離された固形物は直接（すなわちシールポットなしで）流動層容器に戻した。３番目のサイクロン（サイクロン３）はサイクロン２からの排ガスを受け入れた。サイクロン３で分離した固形物は、流動層容器に戻さなかった。
【００８１】
３台のサイクロンでの固形物分離後、排ガスはさらにラジアルフロースクラバで処理し、さらに排ガスから固形物を除去した。これらの固形物は、濃縮スラッジを生成するため濃縮装置で濃縮した後、ドラムフィルタに通した。
【００８２】
ラジアルフロースクラバを出た排ガスは、次に10〜30℃の範囲まで排ガスを冷却することによって排ガスを除湿するチューブクーラで処理した。チューブクーラでの処理に続いて排ガスは燃焼させた。
【００８３】
流動層は試験の初期段階においては空気で流動させ、その後に窒素と水素の混合物で流動させた。プロセス排ガスを加工処理してリサイクルするための設備、すなわちCO２除去および圧縮設備が無かったため、排ガスを流動化ガスとして流動層容器に戻すことはできなかった。この点において、処理した排ガスを流動化ガスとして使用する効果をシミュレートするため、水素ガスを使用した。
【００８４】
要約すると、本研究によって以下が明らかになった。
【００８５】
酸素噴射付き石炭ベース流動層還元工程の構想で最高78％の金属化レベルの還元生成物を製造。
【００８６】
層中に最高42％の金属鉄を含む流動層内または流動層の近傍への酸素の噴射が付着物を形成することなく実現可能と思われる。
【００８７】
単一の流動層流動層容器内での鉄鉱石の還元とエネルギを得るための石炭の部分燃焼が、生成物中最高48％の金属鉄負荷において実現可能と思われる。
【００８８】
流動層容器中の酸素ランスの位置は、鉄の再酸化レベルを最小化しつつ、酸化による熱を流動層内に戻す望ましい状況を作るため重要である。試験した状況では４mの位置が妥当と思われる。
【００８９】
リン含有量の多いBrockman鉄鉱石は良好に流動化し、過度のダスト発生なしに還元された（Brockman鉄鉱石は、西オーストラリア州パースのHamersley Iron Pty Ltdによって提供される砕けやすい西オーストラリア産鉄鉱石）。
【００９０】
実験プログラムの目的
主目的は、リン含有量の多いBrockman鉱石（3mm未満）およびBlair Athol炭を使用して長期安定運転を達成することであった。
【００９１】
低負荷（生成物排出量で最高20％）の鉱石供給量で、酸素ランスを流動層容器の低位置（分散板の1.9m上方、図面には非表示）に設置して２日間運転する計画であった。次に高負荷（生成物で最高70％）で酸素ランスを流動層容器の高位置（分散板の3.8m上方）に設置して３日間運転する狙いであった。
【００９２】
立ち上げ
実験は2003年12月9日午前6時に開始し、流動媒体にアルミナを使用して700mm流動層容器（以下「CFB」とも言う）を徐々に昇温した。目標温度に到達するとすぐ、15時50分に石炭および酸素を流動層容器に導入した。酸素供給量は最高105Nm３/hrまで増したが、石炭供給量は300〜450kg/hrの範囲内の量とした。
【００９３】
石炭および酸素による運転  2003年12月10日〜2003年12月11日
石炭、空気および酸素による運転は2003年12月10日に行った。運転は順調で、システムの安定化はかなり速く、流動層容器内温度は何の問題もなく900〜930℃に維持できた。
【００９４】
この期間における標準的な運転条件は以下の通りである。
CFB温度：底部930℃、頂部900℃
流動化ガス流量：140Nm3/hr（N２）および300Nm3/hr（空気）
CFB圧力損失：80〜１40mbar
酸素流量：最大100Nm3/hr
遮断用N２ガス流量：30Nm3/hr
石炭供給量：340〜450kg/hr
【００９５】
運転結果の概要は以下の通りである。
流動層排出量：100〜160kg/hr
サイクロン３排出量：10〜14kg/hr
【００９６】
排ガス分析値
【表１】
2008501072.tif 000003
【００９７】
排出生成物は、残余の耐火物と思われるほんの数個の2mm強の断片を含む清浄なものであった。最終サイクロン排出物の全排出物中の比率は10％未満であり、ダストの生成はかなり少なかった。
【００９８】
鉄鉱石（10〜140kg/hr）、石炭および酸素（ランス高さ2m）による運転  2003年12月10日〜2003年12月12日
2003年12月10日22時〜2003年12月11日午前6時：鉄鉱石10kg/hr
鉄鉱石（3mm未満）を2003年12月10日22時に10kg/hrの割合で供給装置に導入した。処理後の排ガスの流動化ガスとしての使用をシミュレートするため、水素も20Nm3/hrの割合で流動化ガスに導入した。運転は順調で、流動層の圧力損失は100〜120mbarに維持され、温度プロファイルは流動層の底部と頂部の温度幅がわずか10℃であった。
【００９９】
生成物は、なんら付着物あるいはアグロメレートの兆候もなく、清浄であるように見えた。しかし、生成物をスクリーン（2mm）にかけるといくつかのより大きなスケール状物質が見つかったが、全体の生成物中の比率は非常に低いものであった。そのスケールは灰およびチャーで構成され、おそらく流動層容器の壁面あるいは流動層容器の分散板上に形成されたものと思われた。
【０１００】
この期間における標準的な運転条件および運転結果以下の通りである。
CFB温度：底部930℃、頂部900℃
流動化ガス流量：350Nm3/hr（N２）および20Nm3/hr（H２）
CFB圧力損失：100〜130mbar
酸素流量：100〜115Nm3/hr
遮断用N２ガス流量：30Nm3/hr
石炭供給量：280〜360kg/hr
鉄鉱石供給量：10kg/hr
【０１０１】
運転結果の概要は以下の通りである。
流動層排出量：125kg/hr
サイクロン排出量：15kg/hr
【０１０２】
排ガス分析値
【表２】
2008501072.tif 000004
【０１０３】
2013年12月11日6時〜2003年12月11日12時：鉄鉱石20kg/hr
鉄鉱石供給量は、2003年12月11日6時に20kg/hrまで増やして2003年12月11日12時まで継続し、水素供給量も40Nm3/hrに増やした。運転はなんら問題なく順調に継続された。流動層容器の流動層の圧力は約80〜100mbarに維持され、温度プロファイルは流動層の底部と頂部の温度幅がわずか10℃であった。
【０１０４】
生成物の外観は、なんら付着物あるいはアグロメレートの兆候もなく、継続して良好であった。以前と同様、唯一の例外はスケール状のわずかな断片であり、灰およびチャーで構成されているように見えた。
【０１０５】
この期間における標準的な運転条件および運転結果以下の通りである。
CFB温度：底部952℃、頂部940℃
流動化ガス流量：350Nm3/hr（N２）および40Nm3/hr
CFB圧力損失：80〜100mbar
酸素流量：112Nm3/hr
遮断用N２ガス流量：30Nm3/hr
石炭供給量：430kg/hr
鉄鉱石供給量：20kg/hr
【０１０６】
運転結果の概要は以下の通りである。
流動層排出量：125kg/hr
サイクロン３排出量：15kg/hr
【０１０７】
排ガス分析値
【表３】
2008501072.tif 000005
【０１０８】
生成物分析（2003年12月11日午前9時）
【表４】
2008501072.tif 000006
【０１０９】
2003年12月11日12時〜2003年12月12日午前6時：鉄鉱石40kg/hr
概要
鉄鉱石供給量は、2003年12月11日12時に40kg/hrまで増やし、その供給量で2003年12月12日午前6時まで運転した。一方、水素供給量は40Nm3/hrのまま維持し、石炭供給量は約360〜420kg/hrであった。運転はなんら問題なく順調に継続され、鉄生成排出物は高度に金属化していた。ダストの生成も少なく、最終サイクロン（すなわちサイクロン３）からの排出物の全排出物中の比率は10％未満であった。流動層容器の流動層の圧力損失は約90〜135mbarに維持され、温度プロファイルは流動層の底部と頂部の温度幅が10℃以下であった。
【０１１０】
運転結果
生成物の外観は、なんら付着物あるいはアグロメレートの兆候もなく、継続して良好であった。
【０１１１】
この期間における標準的な運転条件および運転結果以下の通りである。
CFB温度：底部953℃、頂部941℃
流動化ガス流量：370Nm3/hr（N２）および40Nm3/hr（H２）
CFB圧力損失：98〜130mbar
酸素流量：113Nm3/hr
遮断用N２ガス流量：30Nm3/hr
石炭供給量：426kg/hr
鉄鉱石供給量：40kg/hr
【０１１２】
運転結果の概要は以下の通りである。
流動層排出量：190〜210kg/hr
サイクロン３排出量：15〜20kg/hr
【０１１３】
排ガス分析値
【表５】
2008501072.tif 000007
【０１１４】
生成物分析（2003年12月11日）
【表６】
2008501072.tif 000008
【０１１５】
達成された高い金属化率（70〜77％）は、酸素ランスが（その1.9mの位置においても）流動層の底部まで深く貫通し過ぎず、層内で良好な隔離がなされていたことを示している。層の下部は鉄リッチである。層の上部は炭素リッチであり、酸素ランスと相互作用して熱を発生させ、この熱が固形物の層下部への再循環によって層内に運び戻される。排ガス中のCO／CO２比が低いことが、高度な後燃焼が達成されていることともに層中に運び戻されるエネルギレベルを示し、一方生成排出物中の高い金属化レベルは維持されている。
【０１１６】
生成物中の鉄の水準および金属化の程度によって、700mmの流動層容器は20〜25％までの金属鉄を保有した状態で、付着物の問題を生じることなく、ガス化モードで運転可能であることが示されている。これは重要な成果である。
【０１１７】
酸素ランスの検査  2003年12月12日
2003年12月12日、ランスを700mm流動層容器から取り出し、検査を行った。
【０１１８】
手短に言えばランスは清浄であった。水冷パイプ、ノズルチップ共に物質付着の形跡はなかった。
【０１１９】
ランスは、流動層容器のより高い位置、すなわち分散板上3.8mの位置に移された。流動層容器は石炭および酸素により再稼動し、運転が安定化すると鉄鉱石及び水素を追加した。
【０１２０】
鉄鉱石（110〜200kg/hr）、石炭、および酸素（ランス高さ4m）2003年12月13日〜2003年12月16日
2003年12月13日午前6時〜2003年12月13日12時：鉄鉱石110kg/hr
概要
鉄鉱石の供給量は段階的に増やし、2003年12月13日午前6時25分に110kg/hrとして2003年12月13日12時までこの供給量で運転した。一方、水素ガスの供給量も段階的に110Nm3/hrまで増やして２時間以上運転した。石炭の供給量は約360〜400kg/hrであった。運転はなんら問題なく順調に継続され、鉄生成排出物は最高78％まで金属化していた。ダストの生成も少なく、最終サイクロン（すなわちサイクロン３）からの排出物の全排出物中の比率は10％未満であった。流動層容器の流動層の圧力損失は約90〜135mbarに維持され、温度プロファイルは流動層の底部と頂部の温度幅が５℃未満であった。
【０１２１】
ランス高さを1.9ｍから3.8mに増やしたことは、層内温度プロファイルに悪影響を及ぼさないように思われた。事実、温度幅は頂部から底部まで５℃未満であった。
【０１２２】
運転結果
生成物の外観は、なんら付着物あるいはアグロメレートの兆候もなく、継続して良好であった。
【０１２３】
この期間における標準的な運転条件および運転結果以下の通りである。
CFB温度：底部953℃、頂部951℃
CFB流動化ガス流量：860℃にて10Nm3/hr（N２）、740℃にて110Nm3/hr（N２）、680℃にて180Nm3/hr（N２）、および860℃にて110Nm3/hr（H２）
CFB圧力損失：80〜100mbar
酸素流量：110Nm3/hr
遮断用N２ガス流量：30〜40Nm3/hr
石炭供給量：360〜400kg/hr
鉄鉱石供給量：110kg/hr
【０１２４】
運転結果の概要は以下の通りである。
流動層排出量：162kg/hr
サイクロン３排出量：16kg/hr
【０１２５】
排ガス分析値
【表７】
2008501072.tif 000009
【０１２６】
生成物分析（2003年12月13日）
【表８】
2008501072.tif 000010
【０１２７】
酸素ランスの位置が高い場合も、酸素ランスが低い場合の均一な層内温度プロファイルは維持された。これは、酸素ランスが3.8mの位置にあっても、固形物の再循環プロファイルは十分な熱を層底部に運び戻すものであることを示している。
【０１２８】
流動層容器およびサイクロンの温度プロファイルは、110kg/hrまでの鉄鉱石供給量の増加によるダスト発生量の増加はおそらく無いであろうということを示している。最終サイクロンからの排出量は流動層容器からの排出量ほど大きくは変わっていない。これは、鉄鉱石が予想ほどには分解しないのか、または生成した細粒が酸素ランスの高温領域で再凝集するのか、いずれかであることを示唆している。
【０１２９】
2003年12月13日12時〜2003年12月16日午前5時：鉄鉱石120〜230kg/hr
概要
2003年12月13日17時から2003年12月16日12時までのこの運転の第１期間においては、鉄鉱石供給量おおよそ120kg/hrにて運転を行った。これには外乱によって供給を停止した期間が含まれる。最終期間は鉄鉱石供給量おおよそ230kg/hrで運転した。
【０１３０】
鉄鉱石供給量230kg/hrでの運転はなんら問題なく順調であり、CFBからの鉄生成排出物の金属化率は48％から78％の範囲であった。ダストの発生もまた少なく、サイクロン３からのダストは全排出物量の10％未満であった。流動層容器の流動層内圧力損失は約80〜100mbarに維持され、温度プロファイルの温度範囲は流動層の頂部と流動層の底部との間が今回約20℃に増加した。
【０１３１】
鉄鉱石200kg/hrの高負荷供給量で流動層容器の運転を行うと、流動層底部の温度が今回は流動層中間部より最大20℃低くなり、CFB温度プロファイルの温度幅が増加した。金属化レベルもまた鉄鉱石供給量が多くなると低くなったが、まだ60〜80％金属化の範囲にあった。
【０１３２】
運転結果
生成物の外観は、なんら付着物あるいはアグロメレートの兆候もなく、継続して良好であった。
【０１３３】
この期間における標準的な運転条件および運転結果以下の通りである。
CFB温度：底部947℃、頂部960℃
FBガスヒータ温度：メインヒータ740℃および615℃
CFB流動化ガス流量：840℃にて20Nm3/hr（N２）、740℃にて100  20Nm3/hr（N２）、615℃にて185  20Nm3/hr（N２）、および840℃にて140Nm3/hr（H２）
CFB圧力損失：83〜96mbar
酸素流量：113Nm3/hr
遮断用N２ガス流量：30〜40Nm3/hr
石炭供給量：380kg/hr
鉄鉱石供給量：200kg/hr
【０１３４】
運転結果の概要は以下の通りである。
流動層排出量：227〜286kg/hr
サイクロン３排出量：18〜24kg/hr
【０１３５】
排ガス分析値（2003年12月15日午前4時）
【表９】
2008501072.tif 000011
【０１３６】
生成物分析（2003年12月13日〜15日）
【表１０】
2008501072.tif 000012
【０１３７】
鉄鉱石の供給量が多い（200kg/hr）場合、流動層容器からの排出量は相当に増加したが、最終サイクロンからの排出量はほんのわずか増加した。しかし、最終サイクロンからの排出量は、流動層容器からの排出量と比較してみると変化していないように思われた。さらに、排出物中の0.1mm未満の細粒の総量は原材料中の0.1mm未満の細粒の総量より少ないことが観察された。これは、鉄鉱石が予想ほどには分解しないのか、または生成した細粒が酸素ランスの高温領域で再凝集するのか、いずれかであることを示唆している。鉄鉱石供給量が多い場合もサイクロンシステムの顕著な温度上昇は無く、サイクロンの温度プロファイルもこのことを裏付けている。生成物の金属化レベルは、鉄鉱石供給量が多い場合も68〜78％の範囲内に維持されており、一方、生成排出物中の金属鉄は最大48％であった。
【０１３８】
酸素ランスおよび流動層容器の検査  2003年12月16日および2003年12月19日
2003年12月16日、ランスを700mm流動層容器から取り出し、検査を行った。手短に言えばランスはかなり清浄であった。水冷パイプには薄い被覆物があったが、ノズルチップは比較的清浄であった。堆積物の性状（フレーク状で薄い）から、堆積物が運転上問題となることは無いであろうと思われた。
【０１３９】
鉄の分布およびアグロメレーション
この流動層の原材料として用いられたBrockman鉱石の試料の分析によると、４５ミクロン未満の細粒の含有量はおよそ10.6％であった。これくらいの粒子量は、サイクロン３からの排出物または濃縮汚泥として発生することが予測された。Brockman鉱石の砕けやすさのため、処理過程で追加の細粒が生成されることが予測された。そのため、サイクロン３を経てシステムから排出される鉄粒子量の割合は10.６％を超えるものと予測された。
【０１４０】
流動層に供給された鉄粒子のおよそ７％が、サイクロン３からの直接排出物として(約4％)、またはラジアルフロースクラバからの排出物(約3％)として、サイクロン３を通って排出されることが観察されている。流動層からの生成排出物の分析によって、アグロメレーション機構が工程中に存在することが示された。この機構は、主に微小粒子、代表的には100ミクロン未満の粒子が互いに、そしてより大きな粒子と凝塊形成するものと思われる。
【０１４１】
本発明の精神と範囲から逸脱することなく、図１および図２に示す本発明の実施例に対して多くの修正を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】本発明の工程により流動層容器内に形成された、図に示す反応区域を説明する、本工程の一実施例による金属含有物質を直接還元する装置の図である。
【図２】本工程によってもたらされた流動層容器内の固形物およびガスの動きを説明する図１と同一の基本図である。
【図１】
2008501072.tif 000013
【図２】
2008501072.tif 000014
【国際調査報告】
2008501072.tif 000015
2008501072.tif 000016