(57)【要約】  流動層内で金属含有材を還元する装置は、流動層を収容する流動層容器と、流動層容器中で流動層を形成するため流動層容器に導入される金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを供給する手段とを含む。酸素含有ガス供給手段は、垂直±40°の範囲で流動層容器内下方流を噴射するよう配置された出口を有するランスチップを有する、一つまたは複数の酸素含有ガス噴射ランスを含む。
2008501098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層を収容する流動層容器と、該流動層容器中で流動層を形成するため流動層容器に導入される金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを供給する手段とを含み、前記流動層内で金属含有材を還元する装置において、前記酸素含有ガス供給手段は、前記流動層容器内に垂直±40°の範囲内の下方流を噴射するよう配置された出口を有するランスチップを有する少なくとも１つの酸素含有ガス噴射ランスを含むことを特徴とする流動層内で金属含有材を還元する装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記ランスチップは、前記流動層容器内に垂直±15°の範囲内の下方流を噴射するよう配置されることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、前記ランスチップは下方に向けられていることを特徴とする装置。
【請求項４】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記酸素含有ガス噴射ランスは水冷されていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、少なくとも前記ランスチップは外部水冷ジャケットを含むことを特徴とする装置。
【請求項６】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記酸素含有ガス噴射ランスは酸素含有ガス用中央パイプを含むことを特徴とする装置。
【請求項７】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記ランスチップは、前記中央パイプの外側にシュラウドガス噴射用通路を含むことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置において、前記シュラウドガス噴射用通路の断面は環状であることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置において、前記環状は中央パイプと外側水冷ジャケットの間に位置することを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記中央パイプの下端は、前記外側水冷ジャケットの下端と比較して奥まった位置にあることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項５から９までのいずれかに記載の装置において、前記中央パイプは、そのパイプ内面からパイプ外面に延びる面取り部を有することを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記ランスは、前記ランスチップが前記流動層容器の側壁から離れた前記流動層容器の中央領域内に位置するように配置されることを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記ランスは前記流動層容器の頂壁を貫通して下方へ延びることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項13に記載の装置において、前記ランスは前記流動層容器の頂壁を貫通して垂直に下方へ延びることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１から12までのいずれかに記載の装置において、前記ランスは、前記流動層容器の側壁を貫通し、次いで下方へ延びることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１から12までのいずれかに記載の装置において、前記ランスは、前記流動層容器の側壁を水平に貫通し、次いで下方へ延びることを特徴とする装置。
【請求項１７】
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て流動層容器中の該流動層を維持することと、流動層容器中で金属含有材を少なくとも部分的に還元することと、該流動層容器からの少なくとも部分的に還元された金属含有材および排ガス流分離物を含む生成物流を排出することとを含み、流動層容器中の流動層内で金属含有材を還元する工程において、１つまたは複数のランスによって酸素含有ガスを前記流動層容器内に垂直±40°の範囲内の下方流として噴射することを特徴とする流動層内で金属含有材を還元する工程。
【請求項１８】
請求項17に記載の工程において、該工程は、流動層容器の側壁の内側に位置する下方を向けられたランスチップを有するランスによる酸素含有ガスの前記流動層容器の中央領域への噴射を含むことを特徴とする工程。
【請求項１９】
請求項18に記載の工程において、該工程はランスチップを水冷することを含むことを特徴とする工程。
【請求項２０】
請求項17から19までのいずれかに記載の工程において、該工程は、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含むことを特徴とする工程。
【請求項２１】
請求項20に記載の工程において、50〜300m/Sの範囲の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２２】
請求項17から21までのいずれかに記載の工程において、該工程は、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、ランスチップ下端をシュラウドすることを含むことを特徴とする工程。
【請求項２３】
請求項22に記載の工程において、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前記流動層容器内に噴射することを特徴とする工程。
【請求項２４】
請求項17から23まで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、および流動化ガを流動層へ供給し、（ａ）酸素含有ガスの下方流、（ｂ）前記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）該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特徴とする工程。
【請求項２５】
請求項17から24までのいずれかに記載の工程において、6ｍｍ未満の細粒鉄鉱石を還元することを特徴とする工程。
【請求項２６】
請求項17から25まで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までの範囲内にあることを特徴とする工程。
【請求項２７】
請求項17から26まで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２８】
請求項17から27までのいずれかに記載の工程であって、前記生成物流に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前記生成物流から分離し、該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２９】
請求項17から28まで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することを特徴とする工程。
【請求項３０】
請求項17から29までのいずれかに記載の工程において、循環流動層を維持し、同伴固形物を前記流動層容器下部に戻すことを特徴とする工程。
【請求項３１】
請求項17から30までのいずれかに記載の工程において、金属含有材を前記流動層容器からの排ガスにより予熱することを特徴とする工程。
【請求項３２】
請求項17から31までのいずれかに記載の工程において、前記予熱段階を終えた排ガスを処理し、少なくとも処理された前記ガスの一部を流動化ガスとして流動層容器に戻すことを特徴とする工程。
【請求項３３】
請求項17から32までのいずれか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、および（ｆ）再加熱、のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする工程。
【請求項３４】
請求項17から33までのいずれかに記載の工程において、前記排ガス処理は流動層容器へ固形物を返還すること含むことを特徴とする工程。
【請求項３５】
請求項17から34までのいずれかに記載の工程において、該工程は、単一流動層容器中の単一段工程として実施されることを特徴とする工程。
【請求項３６】
請求項17から35までのいずれかに記載の工程において、該工程は、２つ以上の流動層容器中の多段工程として実施されることを特徴とする工程。
【請求項３７】
請求項36に記載の工程において、前記多段工程は、第１の流動層容器内の流動層における固体炭素質材料と酸素含有ガスとの反応によって熱を発生させ、第１の流動層からの高温排ガスおよび同伴固形物の流れによって第２の流動層に一部供給された熱で金属含有物質を第２の流動層容器内の流動層において還元する第１の段階を含むことを特徴とする工程。
【請求項３８】
請求項36または37に記載の工程において、酸素含有ガスは、第２の流動層容器にも供給されることを特徴とする工程。
【請求項３９】
請求項38に記載の工程において、第２の流動層容器に供給される酸素含有ガスの導入は、還元された微小鉱石粒子が他の供給材粒子と凝塊形成して、より大きな還元された鉱石粒子を作る望ましいアグロメレーションが起こるような調節された条件下で行われることを特徴とする工程。
【請求項４０】
請求項17から39まで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容積％の酸素を含む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装置および工程、とくに鉄鉱石等の鉄含有供給材を直接還元する装置および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。流動層中で作られる主な生成物は、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、流動層内における付着物、そしてとくに酸素含有ガス噴射用ランス上の付着物を、酸素含有ガスを流動層中で下向きに噴射するようにランスを配置することによって最小化できることである。
【０００７】
本発明によると、流動層を収容する流動層容器と、その流動層容器中で流動層を形成するため流動層容器に導入される金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガス、および流動化ガスを供給する手段とを含む、流動層で金属含有材を還元する装置が提供され、その装置は、垂直±40°の範囲で流動層容器内下方流を噴射するよう配置された出口を有するランスチップを有する、一つまたは複数の酸素含有ガス噴射ランスを含む酸素含有ガス供給手段によって特徴づけられる。
【０００８】
好ましくは、ランスチップは酸素含有ガスを垂直±15°の範囲において流動層容器内で下方流として噴射するように配置される。
【０００９】
好ましくは、ランスチップは下方に向けられる。
【００１０】
さらに好ましくは、ランスチップは垂直に下方に向けられる。
【００１１】
好ましくは、酸素含有ガス噴射ランスは水冷される。
【００１２】
好ましくは、少なくともランスチップは外面水冷ジャケットを含む。
【００１３】
好ましくは、酸素含有ガス噴射ランスは酸素含有ガス用の中央パイプを含む。
【００１４】
好ましくは、ランスチップは中央パイプの外側に位置するシュラウドガス噴射用通路を含み、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の形成の可能性を削減する
好ましくは、シュラウドガス噴射用通路は横断面が環状である。
【００１５】
好ましくは、通路は中央パイプと外面水冷ジャケットとの間に位置して横断面が環状である。
【００１６】
好ましくは、中央パイプの下端は外面水冷ジャケットの下端に対して奥まった位置にある。
【００１７】
好ましくは、中央パイプはその内表面からその外表面に延びる面取り部を有する。
【００１８】
好ましくは、ランスはランスチップが流動層容器の側壁から離れて流動層容器の中央領域に位置するように配置する。
【００１９】
酸素含有ガス噴射ランスの位置、とくに流動層容器内におけるランスチップ出口端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。
【００２０】
好ましくは、ランスは流動層容器の頂部壁を貫通して下方に延びる。
【００２１】
好ましくは、ランスは流動層容器の頂部壁を貫通して垂直に下方に延びる。
【００２２】
好ましくは、ランスは流動層容器の側壁を貫通し、次いで下方に延びる。
【００２３】
好ましくは、ランスは流動層容器の側壁を水平に貫通し、次いで下方に延びる。
【００２４】
本発明において、金属を含有する物質、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て流動層容器内の流動層を維持すること、金属含有物質を少なくとも部分的に流動層容器内で還元すること、および少なくとも部分的に還元された流動層容器からの金属含有物質および排ガス流からの分離物を含む生成物流を排出することを含む流動層容器内の流動層で金属含有物質を還元する工程が提供され、本工程は、垂直±40°の範囲で下方流を噴射するよう配置された一つまたは複数のランスから酸素含有ガスを流動層容器内に噴射することによって特徴づけられる。
【００２５】
好ましくは、本工程は、流動層容器の側壁の内側に位置する、下側を向いたランスチップを有するランスによって流動層容器の中央領域、すなわち流動層容器の側壁の内側に位置する領域への酸素含有ガスの噴射を含む。
【００２６】
好ましくは、本工程は、ランスチップを水冷し、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削減することを含む。
【００２７】
好ましくは、本工程は、ランスチップ内の細粒子のない区域を形成するに十分な速度の酸素含有ガスを噴射し、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削減する。
【００２８】
好ましくは、本工程は、50〜300m/Sの速度範囲での酸素含有ガスの噴射を含む。
【００２９】
好ましくは、本工程は、窒素、水蒸気、その他の適切なシュラウドガスのうち少なくとも１つ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。
【００３０】
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動層容器内へ噴射することを含む。
【００３１】
好ましくは、本工程は、金属含有物質、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内へ供給し、（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、（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。
【００３２】
前述の流動層において、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と炭素質材料およびその他の被酸化性物質（例えばCO、揮発性ガスおよび、H２）とが反応して発生した熱で加熱される。固形物下降流中の固形物は、流動層容器下部の金属リッチな区域に熱を伝達する。
【００３３】
「炭素リッチな」区域という用語は、ここでは金属含有物質の量に対する炭素含有物質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。
【００３４】
「金属リッチな」区域という用語は、ここでは炭素含有物質の量に対する金属含有物質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。
【００３５】
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およびガスとの反応によって発生した熱から遮蔽する。
【００３６】
還元する金属含有材が細粒鉄鉱石の場合、好ましくは細粒の寸法は6mm未満である。
【００３７】
好ましくは、前記細粒の平均粒子径は0.1mmから0.8mmの範囲にはいる。
【００３８】
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を促進しそうに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。
【００３９】
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物質を含む物質流れを流動層容器底部から排出することを含む。
【００４０】
物質流れには他の固形物（例えばチャー）も含む。
【００４１】
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れから分離し、その分離された固形を流動層容器へ返還することを含む。
【００４２】
流動層容器から排出された排ガス流は流動層容器からの同伴固形物を含む。
【００４３】
好ましくは、本工程は同伴固形物を排ガス流から分離することを含む。
【００４４】
好ましくは、本工程は循環流動層を維持し、同伴固形物を流動層容器の下部へ返還することを含む。
【００４５】
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によって予熱することを含む。
【００４６】
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をすることを含む。
【００４７】
好ましくは、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）および再加熱、の少なくとも１つを含む。
【００４８】
好ましくは、排ガス処理は固形物を流動層容器へ返還することを含む。
【００４９】
本工程は、単一の流動層容器内の単一段の工程として実施可能である。
【００５０】
また、本工程は、２つ以上の流動層容器内の多段工程としても実施可能である。
【００５１】
好ましくは、多段工程は、第１流動層容器内の流動層における固体炭素質材料と酸素含有ガスとの反応によって熱を発生させ、第１流動層からの高温排ガスおよび同伴固形物の流れによって第２流動層に一部供給された熱で金属含有物質を第２流動層容器内の流動層において還元する第１段階を含む。
【００５２】
好ましくは、酸素含有ガスは、第２流動層容器にも供給される。
【００５３】
さらに好ましくは、第２流動層容器に供給される酸素含有ガスの導入が、還元された微小鉱石粒子が他の供給材粒子と凝塊形成して、より大きな還元された鉱石粒子を作る望ましいアグロメーションが起こるような調節された条件下で行われる。
【００５４】
上述の多段工程は、その工程の熱発生機能と還元機能とを部分的に２つの別々の流動層容器に分離し、これら各機能を最適化することが可能である。
【００５５】
酸素含有ガスは任意の適切なガスでよい。
【００５６】
好ましくは、酸素含有ガスは少なくとも90容量％の酸素を含有する。
【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を含有する物質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、流動化ガスとして再循環された排ガス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、または流動化ガスに拡大して適用することが可能である。
【００６０】
図１に示す装置による実施例において、固体供給材、すなわち細粒鉄鉱石および石炭と酸素ガスおよび流動化ガスとが流動層容器３に導入され、流動層容器内に流動層が確立される。
【００６１】
固体供給材は、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等の固形物送達装置５を通って流動層容器３に供給される。
【００６２】
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から噴射される。
【００６３】
酸素ガスは、流動層容器３の側壁７から離れた位置にあり、酸素ガスを流動層容器の中央部31で下向きに導く出口71(図２)を有する下方に延びるランスチップ11を有するランス９を経由して流動層容器内に噴射される。
【００６４】
図２および図３において、ランスチップ（および流動層容器３内に延びるランス９の他の部分）は、酸素ガス用の中央パイプ73、外側水冷ジャケット75、および中央パイプ73および外側水冷ジャケット75の間の窒素ガス（または他の適切なシュラウドガス）用の環状断面通路77を含む。図３により明らかなように、中央パイプ73は、パイプ73の内壁からパイプ外周壁および中央パイプチップ174に位置する端部に延びる内部の面取り部を含んでいる。中央パイプチップ174は、水冷ジャケット75の端部176よりも奥まった所に位置する。
【００６５】
上述の流動層容器3内におけるランスチップ11の位置およびランスチップの構造は、ランスチップ11上への付着物の形成を最小化し、とくにその出口71を塞ぎ、それによってランス９の効率的運転を妨げるおそれのある中央パイプ73上への付着物の形成を最小化するように設計されている。
【００６６】
とくに、ランスチップ11を側壁７から離し、流動層容器の中央部に配置することは、ランスチップ11上および側壁７上への付着物形成の可能性を最小化する。また、ランスチップ11が下方に延びるようランスチップ11を配置することは、ランスチップ11表面への付着物の付着可能性を最小化する。さらに、水冷ジャケット75が、ランスチップ11の外面をランスチップ11への付着物の付着を最小化する温度に維持する。さらに、シュラウドガス流を軸方向に噴射することは、ランスチップ上へ付着物を形成するおそれのある固形物と酸素ガスの反応を最小化する。さらに、中央パイプ73の内面に設けた面取り部がランスチップ上への付着物形成の可能性を最小化する。面取り部は、中央パイプ内および中央パイプチップ174近傍に低圧領域を創出することが分かっている。また、低圧領域は、中央パイプチップ174を横切ってシュラウドガスを引き込むことが分かっている。このようにして、中央パイプチップ174はシュラウドガスで覆われる。それによって粒子状物質が酸素の存在下で中央パイプチップ174と接触するのが防止される。そのような条件下での接触は付着物を形成すると考えられる。
【００６７】
ランスの外周部も付着物の形成を最小化するために水冷するか、または耐火物で被覆することが可能である。
【００６８】
また、中央パイプ73からの酸素ガス噴射はそのパイプ内に細粒子のない区域を形成するに十分な速度を有しており、それによって付着物の形成の最小化にさらに貢献する。代表的には、酸素ガスは50〜300m/Sの範囲の速度で噴射される。
【００６９】
上述の固形物およびガスの噴射は、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、固形物は流動ガスの上昇流から離脱し、代表的には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。最終的には、下方流で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。
【００７０】
上述の固形物およびガスの噴射は、流動層容器中で以下のような反応物も生成する。
【００７１】
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COおよびH２）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。
【００７２】
ガス状生成物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。
【００７３】
流動層内で生成されたCO２の一部と炭素との反応によるCOの生成（Boudouard反応）。
【００７４】
上に点を付して説明した反応の維持に役立つ熱を発生するチャー、金属化された鉱石、石炭揮発分、CO、およびH２と酸素との燃焼。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
他の反応区域は、石炭が揮発分を除去されてチャーを形成し、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である。
【００７８】
前述の中央領域と側壁7の間の環状領域における固形物の下方流は、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。
【００７９】
さらに、固形物の下方流は、側壁７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。
【００８０】
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経由で流動層容器に戻すことにより加工処理される。その後、排ガスは一連の処理、（ａ）排ガス中からの更なる固形物の除去、（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、（ｆ）再加熱、を受ける。
【００８１】
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の一部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処理される。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り加工することができる。
【００８２】
図４において、図に示す装置の実施例は、ガスおよび同伴する固形物の流動層を含む第１の流動層容器103とガスおよび同伴する固形物の流動層を含む第２の流動層容器105とを含んでいる。
【００８３】
第１の流動層容器103は熱発生器として機能し、大部分がチャーである同伴固形物を含み、ライン107を経由して第２の流動層容器105に移送される高温排ガスを生成する。高温排ガス流の用途は、第２の流動層容器内の反応に必要な熱の少なくとも一部を供給することである。
【００８４】
第２の流動層容器105は、直接還元反応器として機能し、少なくとも部分的に固形状の細粒鉄鉱石を還元する。
【００８５】
第２の流動層容器は２つの産出物流を発生させる。
【００８６】
１つの産出物流は、第２の流動層容器105の底部にある出口109経由で第２の流動層容器105から排出されるが、少なくとも部分的に還元された細粒鉄鉱石および代表的にはチャーである同伴固形物が大部分を占める固形物流を含む。
【００８７】
固形物の流れは、少なくとも部分的に還元された細粒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、流動層容器用の固形物原材料の一部として第１の流動層容器および第２の流動層容器にのうち少なくとも１つに戻すことができる。少なくとも部分的に還元された細粒鉄鉱石は必要に応じてさらに加工される。一例を挙げると、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流動層容器に供給して溶融鉄とし、例えば「Hismelt process」により加工することができる。
【００８８】
第２の流動層容器105からの他の産出物流は、第２の流動層容器105の上部にある出口61から排出され、高温排ガスおよび同伴固形物を含む。
【００８９】
排ガスは、ライン111を通ってサイクロン113に移送される。サイクロン113は、排ガス流に同伴する固形物を分離する。その固形物は、サイクロン113からライン115を通って下方に流れ、リターンレグ155から第１の流動層容器にはいる。排ガス流および多少の残留固形物はサイクロン113から上方に流れ、混合室117にはいる。
【００９０】
サイクロン113からに混合室117に移った排ガスは、別のサイクロン121からライン123を通って混合室117に移った固形物と混合し、その固形物を加熱する。大部分の固形物は、産出排ガス流の一部として混合室117から運び出される。
【００９１】
混合室117からの排ガスおよび同伴固形物の産出物は、ライン125を通って別のサイクロン127にはいる。サイクロン127で固形物とガスとの分離が行われる。分離された固形物は、サイクロン127からライン129を通って第２の流動層容器105にはいる。分離された排ガスは、多少の残留固形物とともにサイクロン127から上方に流れ、別の混合室131にはいる。
【００９２】
サイクロン127からの排ガス流は、混合室131内で細粒鉄鉱石と混合し、その鉄鉱石を加熱する。細粒鉄鉱石は、ロックホッパ組立から混合室131に供給される。供給された大部分の鉄鉱石は、混合室131からライン135を通ってサイクロン121に運ばれる。サイクロン121で固形物の分離が行われ、大部分の固形物はライン123を通って混合室117へ移る。先に記載したように、固形物は、混合室117からライン125を通ってサイクロン127に移動する。サイクロン127からは、大部分の固形物がライン129を通って第２の流動層容器105に移動する。
【００９３】
サイクロン121からの排ガスは、ライン137を通って排ガス処理ユニット139に移され、以下のように処理される。具体的に言うと、排ガスは、（ａ）排ガスからの更なる固形物の除去、（ｂ）排ガスの冷却、（ｃ）H２Oの除去、（ｄ）CO２の除去、（ｅ）圧縮、および（ｆ）再加熱、を含む一連の処理を受ける。
【００９４】
排ガス処理ユニット139で処理された排ガスは、流動層容器103および流動層容器105用の流動化ガスとなる。排ガスは、ライン141を通って流動層容器に運ばれる。流動化ガスは、各流動層容器103および105の底部に吹き込まれる。
【００９５】
粒径6mm未満の中位高揮発炭が、第１の流動層容器103の側壁を貫通して延びるランス143を通って、第１の流動層容器103の下部に供給される。
また、酸素が、図１、図２、図３のランスと同一の基本構造を持ち、第１の流動層容器103の中央領域で酸素を下方に導くランス145を通って、第１の流動層容器103に供給される。
【００９６】
上述のように、予熱された細粒鉄鉱石はライン129を通って第２の流動層容器105に供給され、第１の流動層容器103からの同伴固形物を含む高温排ガス流はライン107を通って第２の流動層容器に供給される。
【００９７】
また、酸素が、図１および図２のランス９と同一の基本構造を持ち、第２の流動層容器105の中央領域で酸素を下方に導くランス149を通って、第２の流動層容器105に供給される。
【００９８】
リターンレグから戻された固形物に加えて、上述のように石炭および流動化ガスが第１の流動層容器103に導入されることにより、第１の流動層容器の中央領域流動化ガスおよび同伴固形物の上昇流が形成される。次第に固形物が上方に移動するにつれ、代表的には中央領域と流動層容器103の側壁の間の環状領域において、固形物は流動ガスの上昇流から離脱し、下方へ流れる。最終的には、流動化ガスの下方流中に保持された固形物は、再び流動化ガスの上昇流に同伴する。
【００９９】
第１の流動層容器103の中央領域における流動化ガスおよび同伴固形物の上昇流は、酸素ガスの下方流に対して対向流である。
【０１００】
第１の流動層容器内において、石炭は揮発分除去され、チャーとその後分解してH２等のガス状生成物になる石炭揮発分とになる。少なくとも一部のチャーおよび分解した石炭揮発分が酸素と反応し、COおよび他の反応生成物を形成する。これらの反応は大量の熱を生成し、上述のように、この熱は、第１の流動層容器からライン107を通って第２の流動層容器に流入する同伴固形物を含む高温の排ガス流によって、第２の流動層容器105に運ばれる。
【０１０１】
上述の、第１の流動層容器103からの予熱された細粒鉄鉱石および同伴固形物を含む高温排ガス流と酸素含有ガスと流動化ガスとの第２の流動層容器への導入により、第２の流動層容器105の中央領域にガスおよび同伴固形物の上昇流が生成される。次第に固形物が上方に移動するにつれ、中央領域と第２の流動層容器105の側壁の間の環状領域において、固形物は流動ガスの上昇流から離脱し、下方へ流れる。最終的には、保持された固形物は、再び流動化ガスの上昇流に同伴するか、または出口109を通って流動層容器から排出される。
【０１０２】
上述の、第１の流動層容器103からの予熱された細粒鉄鉱石および同伴固形物を含む高温排ガス流と酸素含有ガスと流動化ガスとの第２の流動層容器への導入により、第２の流動層容器に以下の反応が生成される。
【０１０３】
少なくとも一部のCO２(鉄鉱石の還元によって形成)と炭素によるCO形成反応（Boudouard反応）。
【０１０４】
ガス状生成物COおよびH２による細粒鉄鉱石の少なくとも部分的に還元された鉄への直接還元。それらの反応によって今度はCO２およびH２Oを生成。
【０１０５】
熱を発生し、また流動層内における、より小さな部分的に還元された鉱石粒子と他の粒子との調節されたアグロメレーションを促進する、部分的に還元された鉄鉱石粒子、チャー、H２、およびCOの第２の流動層容器105の上部における酸化。
【０１０６】
本出願人は、そのメカニズム、すなわち上に点を付して説明した最終項に記載の金属含有物質の制限されたアグロメレーションの達成を可能とするメカニズムについて現在のところ完全に明確な理解を有しているわけではない。それでも、下記の所見に拘束されることは望まないが、本出願人は、研究プロジェクトにおいて、形成されたアグロメレートがより小さな粒子、とくに互いに付着しあってより大きな粒子になる細粒を含んでいることを観察した。本出願人は、炭素リッチな区域の状態を以下のように推測する。（ａ）ミクロン単位の部分的および完全に還元された、すなわち金属化された鉄鉱石粒子が酸素と反応して熱を発生し、結果として生じた酸化された粒子が粘着性となる。（ｂ）石炭の微小粒子が酸素と反応して酸化し、結果として生じた灰が粘着性になる。（ｃ）鉄鉱石の微小粒子が加熱された結果、粘着性になる。また、本出願人は、これらのより小さく粘着性の粒子がより大きな吸熱容量を有する、より大きな粒子に付着し、装置の表面に付着したり、排ガス流とともに流動層容器外へ運び出されたりする可能性のあるより小さい粒子の比率が減少するという全体的に有益な結果がもたらされるものと推測する。
【０１０７】
上記のように、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、本出願人の直径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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
流動層は試験の初期段階においては空気で流動させ、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、加工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。
【０１１４】
要約すると、本研究によって以下が明らかになった。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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）。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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
【０１２５】
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
【０１２６】
排ガス分析値
【表１】
2008501098.tif 000003
【０１２７】
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。
【０１２８】
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
【０１２９】
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巾がわずか10℃であった。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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
【０１３２】
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
【０１３３】
排ガス分析値
【表２】
2008501098.tif 000004
【０１３４】
2013年12月11日午前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日午前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巾がわずか10℃であった。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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
【０１３７】
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
【０１３８】
排ガス分析値
【表３】
2008501098.tif 000005
【０１３９】
生成物分析（2003年12月11日午前9時）
【表４】
2008501098.tif 000006
【０１４０】
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巾が10℃以下であった。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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
【０１４３】
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
【０１４４】
排ガス分析値
【表５】
2008501098.tif 000007
【０１４５】
生成物分析（2003年12月11日）
【表６】
2008501098.tif 000008
【０１４６】
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ており、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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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巾が5℃未満であった。
【０１５２】
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、温度巾は頂部から底部まで５℃未満であった。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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
【０１５５】
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
【０１５６】
排ガス分析値
【表７】
2008501098.tif 000009
【０１５７】
生成物分析（2003年12月13日）
【表８】
2008501098.tif 000010
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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巾が増加した。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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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
【０１６５】
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
【０１６６】
排ガス分析値（2003年12月15日午前4時）
【表９】
2008501098.tif 000011
【０１６７】
生成物分析（2003年12月13〜15日）
【表１０】
2008501098.tif 000012
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
本発明の精神と範囲から逸脱することなく、図１から図４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】
【０１７３】
【図１】本発明による金属を含有する供給材を直接還元する装置の実施例を示す図である。
【図２】図１に示す酸素ガス噴射ランスのランスチップ部を示す図である。
【図３】図２のランスチップ部をさらに詳細に示す図である。
【図４】本発明による金属を含有する供給材を直接還元する装置の別の実施例を示す図である。
【図１】
2008501098.tif 000013
【図２】
2008501098.tif 000014
【図３】
2008501098.tif 000015
【図４】
2008501098.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月22日(2006.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層を収容する流動層容器と、該流動層容器中で流動層を形成するため流動層容器に導入される金属含有材、固体炭素質材料、酸素含有ガスおよび流動化ガスを供給する手段とを含み、該酸素含有ガス供給手段は、前記流動層容器内に垂直±40°の範囲内の下方流を噴射するよう配置された出口を有するランスチップを有する少なくとも１つの酸素含有ガス噴射ランスを含む前記流動層内で金属含有材を還元する装置において、前記酸素含有ガス噴射ランスは酸素含有ガス用中央パイプと、該中央パイプの外側にシュラウドガス噴射用通路とを含むことを特徴とする流動層内で金属含有材を還元する装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記ランスチップは、前記流動層容器内に垂直±15°の範囲内の下方流を噴射するよう配置されることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、前記ランスチップは下方に向けられていることを特徴とする装置。
【請求項４】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記酸素含有ガス噴射ランスは水冷されていることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、少なくとも前記ランスチップは外部水冷ジャケットを含むことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、前記シュラウドガス噴射用通路の断面は環状であることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置において、前記環状は中央パイプと外側水冷ジャケットの間に位置することを特徴とする装置。
【請求項８】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記中央パイプの下端は、前記外側水冷ジャケットの下端と比較して奥まった位置にあることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項５から７までのいずれかに記載の装置において、前記中央パイプは、そのパイプ内面からパイプ外面に延びる面取り部を有することを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記ランスは、前記ランスチップが前記流動層容器の側壁から離れた前記流動層容器の中央領域内に位置するように配置されることを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記ランスは前記流動層容器の頂壁を貫通して下方へ延びることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項11に記載の装置において、前記ランスは前記流動層容器の頂壁を貫通して垂直に下方へ延びることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１から10までのいずれかに記載の装置において、前記ランスは、前記流動層容器の側壁を貫通し、次いで下方へ延びることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１から10までのいずれかに記載の装置において、前記ランスは、前記流動層容器の側壁を水平に貫通し、次いで下方へ延びることを特徴とする装置。
【請求項１５】
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て流動層容器中の該流動層を維持することと、流動層容器中で金属含有材を少なくとも部分的に還元することと、該流動層容器からの少なくとも部分的に還元された金属含有材および排ガス流分離物を含む生成物流を排出することと、１つまたは複数のランスによって酸素含有ガスを前記流動層容器内に垂直±40°の範囲内の下方流として噴射することとを含む流動層容器中の流動層内で金属含有材を還元する工程において、該工程は、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、ランスチップ下端をシュラウドすることを含むことを特徴とする流動層内で金属含有材を還元する工程。
【請求項１６】
請求項15に記載の工程において、該工程は、流動層容器の側壁の内側に位置する下方を向けられたランスチップを有するランスによる酸素含有ガスの前記流動層容器の中央領域への噴射を含むことを特徴とする工程。
【請求項１７】
請求項16に記載の工程において、該工程はランスチップを水冷することを含むことを特徴とする工程。
【請求項１８】
請求項15から17までのいずれかに記載の工程において、該工程は、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含むことを特徴とする工程。
【請求項１９】
請求項18に記載の工程において、50〜300m/Sの範囲の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２０】
請求項15に記載の工程において、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前記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】
請求項15から20まで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、および流動化ガを流動層へ供給し、（ａ）酸素含有ガスの下方流、（ｂ）前記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）該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特徴とする工程。
【請求項２２】
請求項15から21までのいずれかに記載の工程において、6ｍｍ未満の細粒鉄鉱石を還元することを特徴とする工程。
【請求項２３】
請求項15から22まで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までの範囲内にあることを特徴とする工程。
【請求項２４】
請求項15から23まで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２５】
請求項15から24までのいずれかに記載の工程であって、前記生成物流に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前記生成物流から分離し、該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２６】
請求項15から25まで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することを特徴とする工程。
【請求項２７】
請求項15から26までのいずれかに記載の工程において、循環流動層を維持し、同伴固形物を前記流動層容器下部に戻すことを特徴とする工程。
【請求項２８】
請求項15から27までのいずれかに記載の工程において、金属含有材を前記流動層容器からの排ガスにより予熱することを特徴とする工程。
【請求項２９】
請求項15から28までのいずれかに記載の工程において、前記予熱段階を終えた排ガスを処理し、少なくとも処理された前記ガスの一部を流動化ガスとして流動層容器に戻すことを特徴とする工程。
【請求項３０】
請求項15から29までのいずれか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、および（ｆ）再加熱、のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする工程。
【請求項３１】
請求項15から30までのいずれかに記載の工程において、前記排ガス処理は流動層容器へ固形物を返還すること含むことを特徴とする工程。
【請求項３２】
請求項15から31までのいずれかに記載の工程において、該工程は、単一流動層容器中の単一段工程として実施されることを特徴とする工程。
【請求項３３】
請求項15から31までのいずれかに記載の工程において、該工程は、２つ以上の流動層容器中の多段工程として実施されることを特徴とする工程。
【請求項３４】
請求項33に記載の工程において、前記多段工程は、第１の流動層容器内の流動層における固体炭素質材料と酸素含有ガスとの反応によって熱を発生させ、第１の流動層からの高温排ガスおよび同伴固形物の流れによって第２の流動層に一部供給された熱で金属含有物質を第２の流動層容器内の流動層において還元する第１の段階を含むことを特徴とする工程。
【請求項３５】
請求項33または34に記載の工程において、酸素含有ガスは、第２の流動層容器にも供給されることを特徴とする工程。
【請求項３６】
請求項35に記載の工程において、第２の流動層容器に供給される酸素含有ガスの導入は、還元された微小鉱石粒子が他の供給材粒子と凝塊形成して、より大きな還元された鉱石粒子を作る望ましいアグロメレーションが起こるような調節された条件下で行われることを特徴とする工程。
【請求項３７】
請求項15から36まで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容積％の酸素を含むことを特徴とする工程。
【国際調査報告】
2008501098.tif 000017
2008501098.tif 000018
2008501098.tif 000019