(57)【要約】  金属含有材料を直接還元する方法であり、固体炭素質材料および酸素含有ガスを第１容器（3）の流動床に供給し、酸素含有ガスと固体炭素質材料との反応および他の酸化可能な固体とガスとの反応を利用して流動床内に熱を発生させ、同伴固体を含有する高温の排ガス流れを排出する工程と、金属含有材料を第２容器の流動床に供給し、第１容器から送られてくる同伴固体を含有する高温排ガス流れを第２容器の流動床に供給し、この流動床にある固体状の金属含有供給材料の少なくとも一部を還元し、少なくとも一部が還元された金属含有材料の生成物流れおよび同伴固体を含有する排ガス流れを排出する工程とを含む。
2008501070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属含有材料を直接還元する方法において、
固体炭素質材料および酸素含有ガスを第１容器の流動床に供給し、該流動床で該酸素含有ガスと該固体炭素質材料との反応および他の酸化可能な固体とガスとの反応を利用して熱を発生させ、同伴固体を含有する高温の排ガス流れを排出する工程と、
前記金属含有材料を第２容器の流動床に供給し、第１容器から来る前記同伴固体を含有する高温排ガス流れを第２容器の流動床に供給し、該流動床にある固体状の前記金属含有供給材料の少なくとも一部を還元し、少なくとも一部が還元された金属含有材料の生成物流れ、および同伴固体を含有する排ガス流れを排出する工程とを含む直接還元方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、第１容器で発生する温度は、第２容器の運転温度よりも高いことを特徴とする直接還元方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、第１容器は、1000oCを超える温度で運転されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、第２容器は、1000oCより低い温度で運転されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、第１容器への前記酸素含有ガスの供給は、第１容器にガスの下降流を起こすことを特徴とする直接還元方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、前記酸素含有ガスは、還元鉱石細粒と他の供給材料の粒子との凝塊形成が行われて大きな還元鉱石粒が形成される制御状況下で、第２容器へ供給されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、第２容器への前記酸素含有ガスの供給は、好ましくは第２容器にガスの下降流を起こすことを特徴とする直接還元方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、前記酸素含有ガスは、第１容器および／または第２容器に少なくとも１つのランスを介して注入され、該ランスは該容器側壁の内側で該容器中央部に位置する放出口を有するランス先端部を含むことを特徴とする直接還元方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、前記ランス先端部は下向き、好ましくは鉛直に下を向いていることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の方法において、前記ランスの位置、とりわけ前記ランス先端部の放出口の高さは、前記酸素含有ガスの注入速度、前記容器の圧力、該容器に供給される他の供給材料とその量、および前記流動床の密度などの要因を参照して決められることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１１】
請求項８ないし１０のいずれかに記載の方法において、前記ランス先端部は水冷却されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１２】
請求項８ないし１１のいずれかに記載の方法において、前記ランス先端部の外表面は水冷却されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１３】
請求項８ないし１２のいずれかに記載の方法において、前記酸素含有ガスは前記ランスの中央管を通って注入されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１４】
請求項８ないし１３のいずれかに記載の方法において、前記酸素含有ガスは十分な速度で注入されて前記ランス先端部領域に実質的に固体のない区域を形成し、該酸素含有ガス注入の妨げとなり得る付着物が該ランス先端部に形成される可能性を低くすることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法において、窒素および／または蒸気および／または他の適切な保護ガスが注入されて前記中央管の下端部を覆うことを特徴とする直接還元方法。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれかに記載の方法において、前記金属含有材料、および第１容器から来る前記同伴固体を含有する高温排ガス流れは、第２容器の流動床に供給されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれかに記載の方法において、第２容器の流動床におけるバルク温度と第２容器側壁の内側面の平均温度との差は100oC以下、好ましくは50oC以下に制御されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれかに記載の方法において、前記金属含有材料は鉄鉱石微粉であり、第２容器の流動床における前記バルク温度は850oC〜1000oCの範囲、好ましくは少なくとも900oC、より好ましくは少なくとも950oCであることを特徴とする直接還元方法。
【請求項１９】
請求項１ないし１８のいずれかに記載の方法において、第２容器の流動床内の温度変化量を50oC以下に制御することを特徴とする直接還元方法。
【請求項２０】
請求項１ないし１９のいずれかに記載の方法において、少なくとも第２容器内の圧力は絶対圧１〜10バールの範囲、より好ましくは絶対圧４〜８バールに制御されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項２１】
請求項１ないし２０のいずれかに記載の方法において、前記金属含有材料は鉄鉱石微粉であり、該微粉の粒度は６mm以下であることを特徴とする直接還元方法。
【請求項２２】
請求項１ないし２１のいずれかに記載の方法において、前記微粉の平均粒径は0.1〜0.8mmの範囲であることを特徴とする直接還元方法。
【請求項２３】
請求項１ないし２２のいずれかに記載の方法において、前記固体炭素質材料は石炭であり、好ましくは６mm以下に破砕された中−高揮発分炭であることを特徴とする直接還元方法。
【請求項２４】
請求項１ないし２３のいずれかに記載の方法において、前記流動化ガスは非酸化ガスを含むことを特徴とする直接還元方法。
【請求項２５】
請求項１ないし２４のいずれかに記載の方法において、第２容器における流動化ガスはCOおよびH2などの還元ガスを含むことを特徴とする直接還元方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法において、第２容器における流動化ガス中のH2の量は、該ガス中のCOおよびH2の総量の少なくとも10％を占めるように選択されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項２７】
請求項１ないし２６のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも一部が還元された金属含有供給材料と他の固体の少なくとも一部とは、第２容器から来る前記生成物流れから分離されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法において、前記生成物流れから分離された他の固体の少なくとも一部は、第１容器および／または第２容器に戻されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項２９】
請求項１ないし２８のいずれかに記載の方法において、前記固体の少なくとも一部は第２容器から来る排ガス流れから分離されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法において、前記出力排ガス流れから分離された固体は第１容器に供給されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項３１】
請求項１ないし３０のいずれかに記載の方法において、金属含有供給材料を第２容器から来る排ガスで予熱することを特徴とする直接還元方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法において、前記予熱工程後に前記排ガスは処理され、該処理された排ガスの少なくとも一部は第１容器および／または第２容器に流動化ガスとして戻されることを特徴とする直接還元方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法において、前記排ガス処理は、（a）固体除去、（b）冷却、（c）H2O除去、（d）CO2除去、（e）圧縮、および（f）再加熱のうち、１つ以上の工程を含むことを特徴とする直接還元方法。
【請求項３４】
請求項３２または３３に記載の方法において、前記排ガス処理は前記分離した固体の少なくとも一部を、第１容器および／または第２容器に戻す工程を含むことを特徴とする直接還元方法。
【請求項３５】
請求項１ないし３４のいずれかに記載の方法において、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直接還元方法。
【請求項３６】
請求項１ないし３５のいずれかに記載の方法において、該方法はさらに、前記一部が還元された金属含有材料を溶かし、さらに還元して溶融金属にする溶解工程を含むことを特徴とする直接還元方法。
【請求項３７】
金属含有材料を直接還元する装置において、該装置は、
（a）同伴固体を含有する高温の排ガス流れを発生させる第１容器を含み、第１の容器は供給手段を含み、該供給手段は、固体炭素質材料、流動化ガス、および酸素含有ガスを第１容器に供給し、該容器内の流動床を維持し、前記同伴固体を含有する高温排ガス流れを生成し、第１容器はさらに排出手段を含み、該排出手段は、該同伴固体を含有する高温排ガス流れを該容器から排出し、
前記装置はさらに、（b）第２容器を含み、第２容器は該容器の流動床にある固体状の金属含有材料を少なくとも部分的に還元し、第２容器はさらに供給手段を含み、該供給手段は、該金属含有材料、第１容器から来る前記同伴固体を含有する高温排ガス流れ、および流動化ガスを第２容器に供給し、該容器内の流動床を維持し、第２容器はさらに、少なくとも一部が還元された前記金属含有材料が大部分である固体流れを第２容器から排出する排出手段と、排ガスおよび同伴固体の流れを第２容器から排出する排出手段とを含むことを特徴とする直接還元装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載の装置において、第１容器は、前記固体炭素質材料、前記流動化ガス、および前記酸素含有ガスをそれぞれ第１容器に供給する個々の供給手段を含むことを特徴とする直接還元装置。
【請求項３９】
請求項３８に記載の装置において、前記酸素含有ガスを第１容器に供給する供給手段はランスを含み、該ランスは該容器側壁の内側で該容器中央部に位置する放出口を有するランス先端部を含むことを特徴とする直接還元装置。
【請求項４０】
請求項３９に記載の装置において、前記ランス先端部は、第２容器の中央部に下向きに配されて前記酸素含有ガスを下方に注入することを特徴とする直接還元装置。
【請求項４１】
請求項３７ないし４０のいずれかに記載の装置において、第２容器は前記金属含有供給材料、第１容器から来る同伴固体を含有する高温排ガス流れおよび前記流動化ガスを第２容器にそれぞれ供給する個々の供給手段を含むことを特徴とする直接還元装置。
【請求項４２】
請求項３７ないし４１のいずれかに記載の装置において、第２容器はさらに、酸素含有ガスを第２容器に供給する供給手段を含むことを特徴とする直接還元装置。
【請求項４３】
請求項４２に記載の装置において、第２容器に酸素含有ガスを供給する供給手段はランスを含み、該ランスは該容器側壁の内側で該容器中央部に位置する放出口を有するランス先端部を含むことを特徴とする直接還元装置。
【請求項４４】
請求項４３に記載の装置において、前記ランス先端部は第２容器の中央部に下向きに配されて前記酸素含有ガスを下方に注入することを特徴とする直接還元装置。
【請求項４５】
請求項３７ないし４４のいずれかに記載の装置において、該装置はさらに、第２容器から来る前記排ガス流れから同伴固体を分離する手段を含むことを特徴とする直接還元装置。
【請求項４６】
請求項４５に記載の装置において、第１容器はさらに、前記排ガス分離手段から来る分離された固体を第１容器に供給する供給手段を含むことを特徴とする直接還元装置。
【請求項４７】
請求項４５または４６に記載の装置において、該装置はさらに、第２容器から来る前記排ガス流れを処理して、第１容器および／または第２容器用の流動化ガスの少なくとも一部を生成する手段を含むことを特徴とする直接還元装置。
【発明の詳細な説明】
【詳細な説明】
【０００１】
本発明は、金属を含む供給材料の直接還元方法および装置に関するものであり、とくに、限定するわけではないが、鉄鉱石などの鉄含有供給材料の直接還元方法および装置に関する。
【０００２】
また本発明は、金属含有供給材料を還元する方法に関する。この方法は、固体の状態の金属含有供給材料を部分的に還元する直接還元処理と、部分的に還元した金属含有供給材料を溶かし、さらに還元して溶融金属にする溶解処理とを含む。
【０００３】
公知の直接還元技術は、いわゆる「CIRCOFER技術」であり、これは固体状の鉄鉱石の50％以上を金属に還元できる。
【０００４】
CIRCOFER技術は、流動床の使用を基本とする。流動床への主要な供給材料は、流動化ガス、金属酸化物（一般に鉄鉱石微粉）、固体炭素質材料（一般に石炭）、および酸素含有ガス（一般に酸素ガス）である。流動床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ている金属酸化物である。
【０００５】
出願人は、固体状の酸化鉄を２段階処理で効果的かつ効率的に還元することが可能であることに気付いた。この処理では、第１流動床内で固体炭素質材料と酸素含有ガスとの反応を利用して熱を発生させ、この熱を高温の排ガスと同伴固体との流れによって第１流動床から第２流動床に供給することによって第２流動床内で金属含有供給材料を還元する。
【０００６】
本発明は、金属含有材料を直接還元する方法を提供し、本方法は以下の工程を含む。
【０００７】
固体炭素質材料および酸素含有ガスを第１容器の流動床に供給し、流動床における酸素含有ガスと固体炭素質材料との反応、およびその他の酸化可能な固体とガスとの反応によって熱を発生させ、同伴固体を含有する高温排ガス流れを排出する工程、および
金属含有材料を第２容器の流動床に供給し、第１容器から送られてきた同伴固体を含有する高温排ガス流れを第２容器の流動床に供給し、流動床内の固体状の金属含有供給材料の少なくとも一部を還元し、少なくとも一部が還元された金属含有材料の生成物流れと同伴固体を含有する排ガス流れとを排出する工程。
【０００８】
上述の方法では、発熱機能と還元機能とを２つの独立した容器で分離し、各機能を最大限に活用できるようにしている。
【０００９】
とくに、発熱機能と還元機能とを分離すると、第１容器を高い温度で運転して熱を発生させることが可能になり、また発熱と還元とを１つの容器で行う場合よりも、タールおよびその他の揮発分を的確に除去することが可能になる。とくに、発熱と還元とが１つの容器で起こる場合、金属含有材料に関連する付着の問題が、使用可能な最大運転温度を制限してしまうおそれがある。
【００１０】
本方法は、好ましくは第２容器での運転温度よりも高い温度を、第１容器で発生させる工程を含む。
【００１１】
本方法は、好ましくは第１容器を1000oCより高い温度で運転する工程を含む。
【００１２】
本方法は、好ましくは第２容器を1000oCより低い温度で運転する工程を含む。
【００１３】
本方法は、好ましくは酸素含有ガスを第１容器に供給して、第１容器内にガスの下降流を発生させる工程を含む。
【００１４】
本方法は、好ましくは酸素含有ガスを第２容器に供給する工程を含む。
【００１５】
より好ましくは、酸素含有ガスの第２容器への供給を、細かい還元鉱石粒が他の供給材料の粒子と共に所望の塊状にされてより大きな還元鉱石粒が形成されるような制御状況の下で行う。
【００１６】
本方法は、好ましくは酸素含有ガスを第２容器に供給して、第２容器内にガスの下降流を発生させる工程を含む。
【００１７】
本方法は、好ましくは酸素含有ガスを、第１容器および／または第２容器に、少なくとも１つのランスから注入する工程を含み、このランスは、容器側壁の内側で容器中央部に位置する放出口を有するランス先端部を備える。
【００１８】
ランス先端部は、好ましくは下向きである。
【００１９】
より好ましくは、ランス先端部は鉛直に下を向いている。
【００２０】
ランスの位置、より具体的には、ランス先端部の放出口の高さは、酸素含有ガスの注入速度、容器の圧力、容器に供給されるために選択された他の供給材料とその量、および流動化ガス密度といった要因を参照して決定される。
【００２１】
本方法は、好ましくはランス先端部を水冷却する工程を含み、酸素含有ガスの注入の妨げとなり得る付着物がランス先端部に形成される可能性を最小限に抑える。
【００２２】
本方法は、好ましくはランス先端部の外面を水冷却する工程を含む。
【００２３】
本方法は、好ましくは酸素含有ガスをランスの中央管を介して注入する工程を含む。
【００２４】
本方法は、好ましくは酸素含有ガスを十分な速度で注入して、ランス先端部領域に実質的に固体のない区域を形成する工程を含み、酸素含有ガスの妨げとなり得る付着物がランス先端部に形成される可能性を低くする。
【００２５】
本方法は、好ましくは窒素および／または蒸気および／または他の適切な保護ガスを注入して、中央管の下端を覆う工程を含み、酸素含有ガスの妨げとなり得る付着物のランス先端部への形成を招く金属の酸化を最小限に抑える。
【００２６】
本方法は、好ましくは金属含有材料と、同伴固体を含有する高温排ガス流れとを、第１容器から第２容器の流動床へ別々に供給する工程を含む。
【００２７】
本方法は、好ましくは、第２容器内の流動床のバルク温度と第２容器の側壁内面の平均温度との差が、100oC以下になるように制御する工程を含む。
【００２８】
「バルク温度」とは、本明細書において、流動床全体にわたる平均温度のことを言う。
【００２９】
この温度差は、より好ましくは50oC以下である。
【００３０】
金属含有供給材料を鉄鉱石微粉に還元する場合、第２容器の流動床のバルク温度は、850oC〜1000oCの範囲内であるのが望ましい。
【００３１】
第２容器の流動床のバルク温度は、好ましくは少なくとも900oC、さらに好ましくは少なくとも950oCである。
【００３２】
本方法は、好ましくは第２容器の流動床内の温度変化量が50oC未満になるように制御する工程を含む。
【００３３】
温度差は、いくつかの要因を調整することで制御でき、その要因として、例えば、第２容器に供給される固体とガスの量、および固体とガスそのものの選択などが挙げられる。
【００３４】
また本方法は、好ましくは少なくとも第２容器内の圧力を絶対圧力1〜10バールの範囲に、より好ましくは絶対圧力４〜８バールとなるように制御する工程を含む。
【００３５】
鉄鉱石微粉状の金属含有材料を還元する場合、微粉の大きさは6mm以下であるのが望ましい。
【００３６】
好ましくは、鉄鉱石微粉の平均粒径は0.1〜0.8mmである。
【００３７】
本方法の利点の１つは、本方法では、粒径が100マイクロメートル以下の相当な量の金属含有供給材料を、この供給材料のほとんどが排ガスに同伴されて処理から外れることなく、受容できることである。これは塊状化のメカニズムが流動床内に作用して、流動床での処理を妨害する無制御の凝塊形成を促すことなく、供給材料の粒子間、とくに100マイクロメートル未満の粒子間における望ましい量の凝塊形成を促進させるためであると考えられる。同様に、処理中に破砕しやすく、その結果、流動床において100マイクロメートル以下の大きさの粒子の比率を増加させる脆い鉱石は、供給材料を大幅に損失することなく排ガス処理で処理される。
【００３８】
固体炭素質材料は石炭が望ましい。その場合、本方法では石炭の揮発分が除去されて炭化物となり、この炭化物が少なくとも部分的に酸素と反応して、第１容器の流動床内でCOが生成される。
【００３９】
適切な石炭を用いてよい。例えば、石炭は６mm以下に破砕した中−高揮発分炭でもよい。
【００４０】
流動化ガスは、好ましくは非酸化ガスを含む。
【００４１】
第２容器の流動化ガスは、好ましくはCOおよびH2などの還元ガスを含む。
【００４２】
本方法は、好ましくは第２容器の流動化ガス中のH2の量を選択して、ガス中のCOおよびH2の総容量の少なくとも10％にする工程を含む。
【００４３】
本方法は、好ましくは少なくとも一部が還元された金属含有供給材料と、他の固体（例えば、炭化物）の少なくとも一部とを、第２容器から来る生成物流れから分離する工程を含む。
【００４４】
本方法は、好ましくは生成物流れから分離した他の固体の少なくとも一部を、第１容器および／または第２容器に戻す工程を含む。
【００４５】
本方法は、好ましくは少なくとも一部の固体を第２容器から来る排ガス流れから分離する工程を含む。
【００４６】
本方法は、好ましくは出力排ガス流れから分離した固体を第１容器に供給する工程を含む。
【００４７】
本方法は、好ましくは第２容器から来る排ガスで金属含有供給材料を予熱する工程を含む。
【００４８】
本方法は、好ましくは予熱工程後に排ガスを処理して、処理した排ガスの少なくとも一部を第１容器および／または第２容器に流動化ガスとして戻す工程を含む。
【００４９】
排ガス処理は、好ましくは、（a）固体除去、（b）冷却、（c）H2O除去、（d）CO2除去、（e）圧縮、および（f）再加熱のうちの１つ以上を含む。
【００５０】
この排ガス処理は、好ましくは分離した固体の少なくとも一部を第１容器および／または第２容器に戻す工程を含む。
【００５１】
酸素含有ガスには、適切なガスを用いてよい。
【００５２】
酸素含有ガスは、好ましくは容積の少なくとも90％の酸素を含む。
【００５３】
また本発明では、金属含有材料を直接還元する装置を提供する。この装置は、
（a）同伴固体を含有する高温の排ガス流れを発生させる第１容器を含み、第１の容器は供給手段を含み、供給手段は、固体炭素質材料と、流動化ガスと、酸素含有ガスとを第１容器に供給し、容器内の流動床を維持し、同伴固体を含有する高温排ガス流れを生成し、第１の容器はさらに排出手段を含み、排出手段は、同伴固体を含有する高温排ガス流れを容器から排出し、
（b）装置はさらに、流動床内で固体状の金属含有材料の少なくとも一部を還元する第２容器を含み、第２の容器は供給手段を含み、供給手段は、金属含有材料と、第１容器から来る同伴固体を含有する高温の排ガス流れと、流動化ガスとを第２容器に供給し、容器内の流動床を維持し、第２容器はさらに、少なくとも一部が還元された金属含有材料からなる固体を主とした流れを第２容器から排出する排出手段、および排ガスと同伴固体の流れを第２容器から排出する排出手段を備える。
【００５４】
第１容器は、好ましくは固体炭素質材料、流動化ガス、および酸素含有ガスを、第１容器にそれぞれ供給する個々の供給手段を含む。
【００５５】
第１容器に酸素含有ガスを供給する供給手段は、好ましくはランスを含み、このランスは、容器側壁の内側で容器中央部に位置する放出口を有するランス先端部を備える。
【００５６】
ランス先端部は、好ましくは酸素含有ガスを下方に注入するために、容器の中央部に下向きに配される。
【００５７】
ランス先端部は、好ましくは鉛直に下を向いている。
【００５８】
第２容器は、好ましくは金属含有供給材料、第１容器から来る同伴固体を含有する高温排ガス流れ、および流動化ガスを、第２容器にそれぞれ供給するための個々の供給手段を含む。
【００５９】
第２容器は、好ましくは酸素含有ガスを第２容器に供給するための供給手段を含む。
【００６０】
酸素含有ガスを第２容器に供給する供給手段は、好ましくはランスを含み、このランスは、容器側壁の内側で容器中央部に位置する放出口を有するランス先端部を備える。
【００６１】
ランス先端部は、好ましくは酸素含有ガスを下方に注入するために、第２容器の中央部に下向きに配される。
【００６２】
ランス先端部は、好ましくは鉛直に下を向いている。
【００６３】
本装置は、好ましくは第２容器から来る排ガス流れから同伴固体を分離する手段を含む。
【００６４】
好ましくは、第１容器はさらに、排ガス分離手段から来る分離された固体を第１容器に供給する供給手段を含む。
【００６５】
本装置は、好ましくは、第２容器から来る排ガス流れを処理して、第１容器および／または第２容器用の流動化ガスの少なくとも一部を生成する手段を含む。
【００６６】
また本発明は、金属含有材料を還元する方法を提供する。この方法は、（a）上述した固体状の金属含有材料を部分的に還元する工程と、（b）一部が還元された金属含有材料を溶解し、さらに還元して溶融金属にする溶解工程とを含む。
【００６７】
本発明を、添付の図面を参照してさらに説明する。
【００６８】
以下に、固体状の鉄鉱石形態の金属含有材料の直接還元について説明する。本発明はこれに限定されるものではなく、他の鉄含有材料（例えば、チタン鉄鉱）およびより一般的な他の金属含有材料の直接還元にも適用される。
【００６９】
また以下の説明は、固体炭素質材料として石炭を有する鉄鉱石、酸素含有ガスとして酸素、および流動化ガスとしてCOとH2の混合物を含む再循環排ガスの直接還元に関連している。本発明はこれに限定されるものではなく、本発明に適した他のあらゆる固体炭素質材料、酸素含有ガス、および流動化ガスにも適用される。
【００７０】
図１において、本装置は、ガスと同伴固体との流動床を含む第１容器3、およびガスと同伴固体とからなる流動床を含む第２容器5とを備える。
【００７１】
第１容器3は発熱器として機能し、大部分が炭化物である同伴固体を含有する高温排ガス流れを発生する。排ガス流れは配管7を通って第２容器5に移送される。高温排ガス流れによって、第２容器での反応に必要な熱の少なくとも一部が供給される。
【００７２】
第２容器5は直接還元反応炉として機能し、少なくとも固形の鉄鉱石微粉の一部を還元する。
【００７３】
第２容器は２つの出力流れを形成する。
【００７４】
一方の出力流れは、第２容器5の底部の排出口9を介して第２容器5から排出され、その流れは、少なくとも一部が還元された鉄鉱石微粉および一般的には炭化物であるその他の固体を含んだ固体流れが大部分である。
【００７５】
固体流れを、少なくとも一部が還元された鉄鉱石微粉と他の固体の少なくとも一部とを分離することによって処理してもよい。主に炭化物である生成物蒸気から分離した他の固体は、容器への供給用固体の一部として第１容器および／または第２容器に戻してもよい。少なくとも一部が還元された鉄鉱石は、必要に応じてさらに処理される。一例をあげると、少なくとも一部が還元された鉄鉱石を溶解浴の溶解容器に供給し、例えばいわゆる「HIsmelt法」などを用いて溶解して溶融鉄にしてもよい。
【００７６】
第２容器5からの他方の出力流れは、第２容器5の上部に設けられた排出口61から排出され、高温の排ガスおよび同伴固体を含んでいる。
【００７７】
排ガス流れは、配管11を通ってサイクロン13に移送される。サイクロン13は、同伴固体の少なくとも一部を排ガス流れから分離する。分離された固体は、サイクロン13から配管15を通って第１容器3へと流下する。排ガス流れは、サイクロン13から上方に流れて混合室17へ向かう。
【００７８】
サイクロン13からきた排ガスは、別のサイクロン21から配管23を通って混合室17に移動してきた固体と混ざり合い、固体を加熱する。混合室17にある固体の大部分は、排ガスに同伴され、配管25を通ってサイクロン27に送られる。
【００７９】
サイクロン27では、固体／ガス分離が行われる。分離された固体は、サイクロン27から配管29を通って第２容器5へと流下する。サイクロン27から排出された排ガスは残留固体とともに、サイクロン27から上方に流れて別の混合室31へ向かう。
【００８０】
サイクロン27からの排ガス流れは、混合室31にある鉄鉱石と混ざり合い、鉄鉱石を加熱する。鉄鉱石は、ロックホッパー組立体33から混合室31に供給される。混合室31内の材料の大半は、配管35を通ってサイクロン21へと運び込まれる。上述したように、サイクロン21に送られた材料の大部分は混合室17に送られ、そこからサイクロン27、そしてさらに配管29を通って第２容器5へと送られる。
【００８１】
サイクロン21からの排ガスは、配管37を介して排ガス処理装置39に移送され、この装置で以下に述べるように処理される。具体的には排ガスは、（a）固体除去、（b）排ガスの冷却、（c）H2O除去、（d）CO2除去、（e）圧縮、および（f）再加熱を含む一連の工程で処理される。
【００８２】
排ガス処理装置39で処理された排ガスは、容器3および5用の流動化ガスとなり、移送配管41を通って各容器に移送される。流動化ガスは、各容器3および5の底に注入される。
【００８３】
粒径が６mm以下の中−高揮発分炭を、第１容器3の側壁に貫入しているスクリューフィードやランス43などの固体給鉱器から第１容器3の下部に供給する。
【００８４】
また、酸素をランス45から第１容器3に供給する。このランスは下向きに伸びるランス先端部47を有し、この先端部は酸素を第１容器3の中央部で下方に送り出す放出口を有している。
【００８５】
上述したように、あらかじめ加熱した鉄鉱石が、配管29から第２容器5に供給され、第１容器3から来る同伴固体を含有する高温排ガス流れが、配管7から第２容器に供給される。
【００８６】
また、酸素がランス49から第２容器5に注入される。このランスは下向きに伸びるランス先端部51を備え、この先端部は酸素を第２容器5の中央部で下方に送り出す放出口を有する。
【００８７】
上記の、石炭、戻り固体、および流動化ガスの第１容器3への供給は、流動化ガス、同伴石炭、および他の戻り固体の上昇流を第１容器3の中央部に形成する。石炭粒および他の残留固体が上昇するにつれ、次第に石炭粒が流動化ガスの上昇流から遊離して、その大部分が第１容器3の中央部と側壁との間の環状部に流下する。これらの残留固体は最終的には流動化ガスの上昇流に再び同伴される。
【００８８】
第１容器3の中央部での流動化ガスおよび同伴固体の上昇流は、酸素ガスの下降流に対して対向流である。酸素含有ガスの流れに近接する固体の一部がこの酸素含有ガスに同伴されて、その結果粘着性を有するようになる場合がある。流動化ガスと酸素含有ガスとの対向流による相互作用は、ガスに同伴される固体、または酸素流れを通り抜けた固体が、容器の表面に接触して付着してしまう範囲を制限すると考えられる。付着物の形成は、酸素ガス流れが容器内の中心位置で起こるため、さらに制限されると思われる。
【００８９】
第１容器では、粉炭の揮発分は除去されて炭化物が生成され、石炭揮発分は気体（例えばCOおよびH2）に分解される。炭化物および石炭揮発分の少なくとも一部が酸素と反応し、COと石炭揮発分の反応生成物とを生成する。これらの反応はかなりの熱を発生し、上述したようにその熱は、配管7を通って第２容器に流入する同伴固体を含有している高温の出力排ガス流れによって、第２容器5に移送される。
【００９０】
前述の、予熱した鉄鉱石微粉、第１容器3から送られてくる同伴固体を含有する高温排ガス流れ、酸素含有ガス、および流動化ガスを第２容器に供給することで、ガスとその同伴固体との上昇流が第２容器5の中央部に発生する。固体粒子は上昇するにつれてガスの上昇流から次第に遊離し、その大部分が第２容器5の中央部と側壁との間の環状部に流下する。このような再循環固体は、流動化ガスの上昇流に再び同伴されるか、あるいは容器から排出される。
【００９１】
流動化ガスおよび第２容器5における流動化ガスによって流動化された固体の上昇流は、酸素含有ガスの下降流に対して対向流である。第１容器に関して述べたように、この流動化ガスと酸素含有ガスとの対向流は、ガスに同伴された固体、または酸素流れを通り抜けた固体が、容器の表面に接触して付着する範囲を縮小させると考えられる。
【００９２】
前述の、予熱した鉄鉱石微粉、第１容器3から送られてくる同伴固体を含有する高温排ガス流れ、酸素含有ガス、および流動化ガスを第２容器5に供給することで、次のような反応が第２容器で発生する。
【００９３】
（鉄鉱石の還元中に生成される）CO2の少なくとも一部が炭素と反応してCOが生成される（Boudouard反応）。
【００９４】
COとH2による、少なくとも部分的に還元された鉄への鉄鉱石微粉の直接還元によってCO2およびH2Oが生成される。
【００９５】
炭化物、部分的に還元された金属含有供給材料の粒子、第１容器3から移送された石炭揮発分、H2、およびCOなどの固体および気体の第２容器5の上部での酸化は、熱を発生させ、また流動床における細かい部分還元鉱粒と他の粒子との制御された凝塊を促進してより大きな還元鉱粒を形成する。
【００９６】
現段階では、上述の金属含有材料の制御された凝塊を実現可能にするメカニズムがすべて明確にされているわけではない。しかし、以下の説明に限定するわけではないが、調査研究において、形成された凝塊が細かい粒子、とくに互いに付着し合いかつ大きな粒子に付着する微粉を含んでいることが確認されている。容器上部の状態は、次のようになると考えられる。（a）部分的におよび完全に還元された、すなわち金属化されたミクロンサイズの鉄鉱石粒が、酸素と反応して熱を発生し、そこで得られた酸化粒子が粘着性を有する。（b）微粉炭が酸素と反応して酸化し、それによって得られた灰が粘着性を有する。（c）鉄鉱石微粉が加熱されて粘着性を有する。また、これらの細かい粘着性粒子が高い放熱能力を有する大きな粒子に付着するため、総合的に有益な結果として、容器内の器具表面に付着したり排ガス流れに乗って容器から運び出される可能性のある細かい粒子の割合が減少すると考えられる。
【００９７】
図２に示す装置は、図１の装置と概ね同様である。同様の構成要素には同じ参照符号が用いられている。
【００９８】
この２つの装置の主な違いとして、図２に示す装置は第２容器5に酸素注入用ランスを有していない。
【００９９】
第２容器5から酸素用ランスを省けるのは、（a）第１容器3にのみ酸素を注入することで凝塊の制御を十分に行える、または（b）供給する鉄鉱石に含まれる超微粒子の量が少ない場合が挙げられる。
【０１００】
本発明の概念および範囲から離れずに、図１および図２に示した本発明の実施例を広く変更することが可能である。
【０１０１】
例えば、各実施例の第１容器3はランス45を備え、このランスは下向きに伸びるランス先端部47を有し、この先端部によって固体と流動化ガスの上昇流と対向する酸素を第１容器3の中央部の下方に送り込むが、本発明はこれに限定するわけなく、他の配置を採用することも可能である。とくに本発明は、下向きに伸びるランス先端部47を有する１つまたは２つ以上のランス45から酸素を下方に注入することに限定するわけではない。
【０１０２】
また、本発明は、酸素および固体と流動化ガスとの対向流に限定するわけではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明による金属含有供給材料を直接還元する装置の実施例を示す図である。
【図２】本発明による金属含有供給材料を直接還元する装置の別の実施例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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