(57)【要約】  直接還元鉄の製造装置１００は、直接還元炉３０の排出ガスから、水性ガスシフト反応によって排出ガスよりも水素濃度が高い反応ガスを得るシフト反応器２５と、反応ガスに含まれる二酸化炭素を低減して水素を含む循環ガスを得る脱ＣＯ２設備２８と、直接還元炉３０に供給される循環ガスを加熱する加熱器２９と、加熱器２９と直接還元炉３０との間のガス流路２１において、循環ガスと石炭ガスとを合流させる連結部５１と、石炭ガス化炉１０と連結部５１との間の石炭ガスのガス流路に減圧部１９を有する。
2014088067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭ガス化炉で石炭をガス化して得られる石炭ガスを用いて、直接還元炉で酸化鉄原料を直接還元する直接還元鉄の製造装置であって、
前記直接還元炉の排出ガスから、水性ガスシフト反応によって前記排出ガスよりも水素濃度が高い反応ガスを得るシフト反応器と、
前記反応ガスに含まれる二酸化炭素を低減して水素を含む循環ガスを得る脱ＣＯ２設備と、
前記直接還元炉に供給される前記循環ガスを加熱する加熱器と、
前記加熱器と前記直接還元炉との間のガス流路において、前記循環ガスと前記石炭ガスとを合流させる連結部と、
前記石炭ガス化炉と前記連結部との間の前記石炭ガスのガス流路に減圧部と、を備える直接還元鉄の製造装置。
【請求項２】
前記減圧部は減圧タービンであり、
前記減圧タービンの入口側の前記ガス流路と出口側の前記ガス流路とを熱交換させる熱交換器を備える、請求項１に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項３】
前記減圧部は減圧弁である、請求項１に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項４】
前記石炭ガス化炉と前記減圧部との間の前記石炭ガスのガス流路に、前記石炭ガスの除塵を行う除塵器を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項５】
前記石炭ガス化炉と前記減圧部との間に、前記石炭ガスから前記石炭ガスに含まれる固形分を乾式で除去する第１の集塵機を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項６】
前記石炭ガス化炉と前記減圧部との間に、前記石炭ガスから前記石炭ガスに含まれる固形分を湿式で除去する第２の集塵機を備える、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】
前記直接還元炉と前記シフト反応器の間に、前記排出ガスから前記排出ガスに含まれる固形分を除去する第３の集塵機を備える、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】
前記石炭ガス化炉又は前記石炭ガス化炉と前記連結部との間の前記石炭ガスのガス流路に、前記循環ガスと合流する際の前記石炭ガスの温度を５００〜９００℃に調整する温度調整部を有する、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】
前記石炭ガス化炉に前記石炭を供給する供給部に、前記脱ＣＯ２設備又はその下流側から前記循環ガスが流通するガス流路を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造装置。
【請求項１０】
石炭ガス化炉で石炭をガス化して得られる石炭ガスを用いて、直接還元炉で酸化鉄原料を直接還元する直接還元鉄の製造方法であって、
前記直接還元炉の排出ガスから、水性ガスシフト反応によって前記排出ガスよりも水素濃度が高い反応ガスを得る反応工程と、
前記反応ガスに含まれる二酸化炭素を低減して水素を含む循環ガスを得る脱ＣＯ２工程と、
前記直接還元炉に供給される前記循環ガスを加熱する加熱工程と、
減圧部で前記石炭ガスを減圧する減圧工程と、
前記加熱工程及び前記減圧工程の後に、前記循環ガスと前記石炭ガスとを合流させて、前記直接還元炉に前記循環ガスと前記石炭ガスとを含む還元性ガスを供給する供給工程と、を備える、直接還元鉄の製造方法。
【請求項１１】
前記還元性ガスにおける一酸化炭素に対する水素の体積比が１以上である、請求項１０に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１２】
前記減圧工程では、減圧タービンを用いて前記石炭ガスを減圧して発電し、
前記減圧工程と前記供給工程の間に、前記減圧部に供給される石炭ガスと前記減圧部から排出される石炭ガスとを熱交換させる熱交換工程を有する、請求項１０又は１１に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１３】
前記減圧工程の前に前記石炭ガスを除塵する除塵工程を有する、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１４】
前記減圧工程の前に、前記石炭ガスに含まれる固形分を、前記石炭ガスから乾式で除去する第１の集塵工程を備える請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１５】
前記減圧工程の前に、前記石炭ガスに含まれる固形分を、前記石炭ガスから湿式で除去する第２の集塵工程を備える請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１６】
前記反応工程の前に、前記排出ガスから前記排出ガスに含まれる固形分を除去する第３の集塵工程を備える、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１７】
前記供給工程における、前記循環ガスと合流する際の前記石炭ガスの温度が５００〜９００℃である、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の直接還元鉄の製造方法。
【請求項１８】
前記循環ガスを用いて、前記石炭ガス化炉に前記石炭を供給する石炭供給工程を有する、請求項１０〜１７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。このような方法に用いられる還元性ガスは、石炭ガス化炉で石炭をガス化することによって生成することができる。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、湿式集塵設備等で冷却及び洗浄して二酸化炭素や水分が除去された後、直接還元炉に再利用されている。【０００３】
例えば、特許文献１では、直接還元炉から排出された排出ガスを、次のように循環利用している。直接還元炉から排出された排出ガスは、熱交換器で冷却された後、スクラバーで水と接触して冷却及び洗浄される。冷却及び洗浄されたガスは、ガス圧縮機で昇圧された後、炭化水素のガス化装置から供給される合成ガスと合流する。ここで、炭化水素のガス化装置から供給される合成ガスは、循環ガスと合流する前に、冷却器、スクラバー及びシフト反応器によって、ガスの冷却、洗浄及び組成の調整がなされている。【０００４】
合流したガスは、二酸化炭素の除去装置において二酸化炭素が除去された後、加熱器において８００℃以上に加熱された後、直接還元炉に供給される。このようにして、直接還元炉からの排出ガスを循環して使用することによって、還元ガス成分の有効活用を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１６２８５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水素は一酸化炭素よりも、分子のサイズが小さいため、容易に鉄鉱石の内部まで浸透することができる。したがって、還元性ガスにおける水素の比率を高くすることは、直接還元炉における還元反応の反応速度を向上させる有効な手段であると考えられる。【０００７】
石炭ガス化炉で生成される還元性ガスは、一酸化炭素と水素との体積比が、概ね２：１である。このような還元性ガスにおける水素の比率を高くする手段としては、下記式（１）に示す水性ガスシフト反応を行うシフト反応器を利用して、還元性ガスにおける水素の比率を高くすることが有効である。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２      （１）【０００８】
一方で、シフト反応器では、触媒を用いて水性ガスシフト反応を行っていることから、シフト反応器に供給されるガスの温度を、反応に適した温度に調節する必要がある。水性ガスシフト反応用の触媒の損傷を防止する観点からすると、供給ガスの温度は、例えば２００〜３５０℃に調整する必要がある。このため、特許文献１の方法では、シフト反応に適した温度にまで合成ガスを冷却している。さらに、シフト反応器の後段にあるＣＯ２除去装置では、合成ガスを一層冷却することが必要となる。このように温度が低減された合成ガスは、直接還元炉に導入する前に加熱する必要がある。したがって、合成ガスを冷却及び加熱する工程が必要となり、結果的にエネルギーロスが生じる。【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、還元性ガスの供給源として石炭ガス化炉を用いた場合に、酸化鉄の還元反応の速度を十分に速くしつつ、石炭ガスが有するエネルギーを有効利用することによって、優れたエネルギー効率で直接還元鉄を製造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を目的とする。また、本発明は、酸化鉄の還元反応の速度を十分に速くしつつ、石炭ガスが有するエネルギーを有効利用することによって、エネルギー効率に優れる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、石炭ガス化炉で石炭をガス化して得られる石炭ガスを用いて、直接還元炉で酸化鉄原料を直接還元する直接還元鉄の製造装置であって、直接還元炉の排出ガスから、水性ガスシフト反応によって排出ガスよりも水素濃度が高い反応ガスを得るシフト反応器と、反応ガスに含まれる二酸化炭素を低減して水素を含む循環ガスを得る脱ＣＯ２設備と、直接還元炉に供給される循環ガスを加熱する加熱器と、加熱器と直接還元炉との間のガス流路において、循環ガスと石炭ガスとを合流させる連結部と、石炭ガス化炉と連結部との間の石炭ガスのガス流路に減圧部と、を有する直接還元鉄の製造装置を提供する。【００１１】
上記本発明の直接還元鉄の製造装置では、直接還元炉からの排出ガスに含まれる二酸化炭素を低減することに加えて、シフト反応器において水素を生成させている。このため、循環ガスに含まれる水素濃度を十分に高くすることができる。これによって、石炭ガスの水素濃度が低くても、連結部において石炭ガスと循環ガスとが合流した後の還元性ガスの水素濃度を高めることが可能となり、還元反応の反応速度を十分に速くすることができる。【００１２】
また、本発明の直接還元鉄の製造装置では、石炭ガス化炉からの石炭ガスの温度を高温に維持することができる。このため、石炭ガス化炉からの石炭ガスを、加熱器を経由せずに直接還元炉に供給することができる。これによって、石炭ガス化炉で得られる石炭ガスの顕熱を有効利用することが可能となり、優れたエネルギー効率で、直接還元鉄を製造することができる。すなわち、本発明の直接還元鉄の製造装置は、循環ガスの水素濃度を十分に高くするとともに、石炭ガスの顕熱を有効利用できるような装置構成とすることによって、極めて高いエネルギー効率で直接還元鉄を製造することを可能にするものである。【００１３】
減圧部は減圧タービンであってもよい。この場合、減圧タービンの入口側の前記ガス流路と出口側の前記ガス流路とを熱交換させる熱交換器を備えていてもよい。減圧タービンを備えることによって、石炭ガスの圧力エネルギーを電気エネルギーとして有効に活用することができる。すなわち、循環ガスの水素濃度を十分に高くするとともに、石炭ガスの圧力エネルギーを有効利用できるような装置構成とすることによって、極めて高いエネルギー効率で直接還元鉄を製造するができる。また、熱交換器を設けることによって、連結部で循環ガスと合流する際の石炭ガスの温度を高くすることができる。その結果、石炭ガス化炉で得られる石炭ガスの顕熱を有効利用することが可能となり、一層優れたエネルギー効率で、直接還元鉄を製造することができる。減圧部は減圧弁であってもよい。【００１４】
本発明の直接還元鉄の製造装置は、石炭ガス化炉と減圧部との間の石炭ガスのガス流路に、石炭ガスの除塵を行う除塵器を備えていてもよい。除塵器を備えることによって、石炭ガス化炉で生成された石炭ガスに同伴されるダスト分を十分に除去することができる。石炭ガス化炉と連結部との間の石炭ガスの流路に、石炭ガス化炉側から、石炭ガスの除塵を行う除塵器と、減圧タービンの入口側の石炭ガスのガス流路と出口側の石炭ガスのガス流路とを熱交換させる熱交換器と、をこの順で備えてもよい。【００１５】
石炭ガス化炉と減圧部との間に、石炭ガスから石炭ガスに含まれる固形分を乾式で除去する第１の集塵機を備えていてもよい。これによって、減圧部に固形分が持ち込まれることを抑制して、安定運転を長期間に亘って継続して行うことができる。また、乾式であることから、石炭ガスの顕熱を一層有効利用することができる。【００１６】
石炭ガス化炉と減圧部との間に、石炭ガスから石炭ガスに含まれる固形分を湿式で除去する第２の集塵機を備えていてもよい。これによって、石炭ガスに含まれる固形分の一種である塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）を溶解させて、石炭ガスから塩化アンモニウムを除去することができる。【００１７】
直接還元炉とシフト反応器の間に、排出ガスから排出ガスに含まれる固形分を除去する第３の集塵機を備えることが好ましい。これによって、固形分がシフト反応器に流入することを抑制して、操業の一層の安定化を図ることができる。【００１８】
本発明の直接還元鉄の製造装置は、石炭ガス化炉又は石炭ガス化炉と連結部との間の石炭ガスの流路に、循環ガスと合流する際の石炭ガスの温度を５００〜９００℃に調整する温度調整部を有することが好ましい。石炭ガスの顕熱が有効利用できる範囲で、温度調整部で石炭ガスの温度を調整することによって、石炭ガスに含まれるチャー及び灰分等が流路、除塵器、熱交換器及び集塵機等の各種設備の内壁に付着することを抑制することができる。【００１９】
本発明の直接還元鉄の製造装置は、石炭ガス化炉に石炭を供給する供給部に、脱ＣＯ２設備又はその下流側から循環ガスが流通するガス流路を備えることが好ましい。従来は、石炭ガス化炉への石炭の供給には、二酸化炭素又は窒素などの不活性ガスが使用されてきた。これらの不活性ガスは、石炭ガス中の還元性ガス（一酸化炭素，水素）の濃度を低減させるだけはなく、これらを除去する装置が必要であった。これに対し、脱ＣＯ２設備で二酸化炭素が低減された水素を含む循環ガスを用いて、石炭ガス化炉に石炭を供給することによって、石炭ガスにおける二酸化炭素濃度が十分に低減されるとともに水素濃度を高くすることができる。したがって、直接還元炉における酸化鉄の還元反応の反応速度を一層高くして、エネルギー効率を一層向上させることができる。【００２０】
本発明は、別の側面において、石炭ガス化炉で石炭をガス化して得られる石炭ガスを用いて、直接還元炉で酸化鉄原料を直接還元する直接還元鉄の製造方法であって、直接還元炉の排出ガスから、水性ガスシフト反応によって排出ガスよりも水素濃度が高い反応ガスを得る反応工程と、反応ガスに含まれる二酸化炭素を低減して水素を含む循環ガスを得る脱ＣＯ２工程と、直接還元炉に供給される循環ガスを加熱する加熱工程と、減圧部によって石炭ガスを減圧する減圧工程と、加熱工程及び減圧工程の後に、循環ガスと石炭ガスとを合流させて、直接還元炉に循環ガスと石炭ガスとを含む還元性ガスを供給する供給工程と、を備える、直接還元鉄の製造方法を提供する。【００２１】
上記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出ガスに含まれる二酸化炭素を低減することに加えて、反応工程において水素を生成させている。このため、循環ガスの水素濃度を十分に高くすることができる。これによって、石炭ガスの水素濃度が低くても、石炭ガスと循環ガスとが合流した後の還元性ガスの水素濃度を高めることが可能となり、還元反応の反応速度を十分に速くすることができる。【００２２】
本発明の直接還元鉄の製造方法では、石炭ガス化炉で発生する石炭ガスの温度を高温に維持することができる。このため、石炭ガス化炉からの石炭ガスを、加熱器を経由せずに直接還元炉に供給することができる。これによって、石炭ガス化炉で得られる石炭ガスの顕熱を有効利用することが可能となり、優れたエネルギー効率で、直接還元鉄を製造することができる。すなわち、本発明の直接還元鉄の製造方法によれば、循環ガスの水素濃度を十分に高くするとともに、石炭ガスの顕熱を有効利用することによって、優れたエネルギー効率で直接還元鉄を製造することができる。【００２３】
本発明の直接還元鉄の製造方法では、還元性ガスにおける一酸化炭素に対する水素の体積比が１以上であることが好ましい。これによって、酸化鉄の還元反応の反応速度を一層高くすることができる。また、水素は一酸化炭素より密度が小さいため、水素の体積比率を高くすることによって、直接還元炉の圧力損失を低減することができる。なお、還元性ガスの一酸化炭素に対する水素の体積比率は、反応工程における水性ガスシフト反応の反応効率の観点から、好ましくは２未満である。【００２４】
減圧工程では、減圧タービンを用いて石炭ガスを減圧して発電し、減圧工程と供給工程の間に、減圧部に供給される石炭ガスと減圧部から排出される石炭ガスとを熱交換させる熱交換工程を有していてもよい。【００２５】
減圧タービンを用いて発電することによって、石炭ガス化炉で得られる石炭ガスの圧力エネルギーを有効利用することが可能となり、優れたエネルギー効率で、直接還元鉄を製造することができる。熱交換工程では、熱交換することによって、連結部に合流する際の石炭ガスの温度を高くすることができる。これによって、石炭ガス化炉からの石炭ガスを、加熱器を経由せずに直接還元炉に供給することができる。その結果、石炭ガス化炉で得られる石炭ガスの顕熱を有効利用することが可能となり、一層優れたエネルギー効率で、直接還元鉄を製造することができる。【００２６】
本発明の直接還元鉄の製造方法では、減圧工程の前に、石炭ガスを除塵する除塵工程を有することが好ましい。【００２７】
除塵工程で石炭ガスに同伴されるダスト分を十分に除去することによって、石炭ガスに含まれるチャー及び灰分等が配管や各種設備の内壁に付着することを抑制することができる。そして、石炭ガスに含まれる灰分やダスト分を十分に除去することによって、長期間にわたって一層安定して製造を継続することができる。【００２８】
減圧工程の前に、石炭ガスに含まれる固形分を、石炭ガスから乾式で除去する第１の集塵工程を備えていてもよい。これによって、減圧部に固形分が持ち込まれることを抑制して、安定運転を長期間に亘って継続して行うことができる。また、乾式であることから、石炭ガスの顕熱を一層有効利用することができる。【００２９】
減圧工程の前に、石炭ガスに含まれる固形分を、石炭ガスから湿式で除去する第２の集塵工程を備えていてもよい。これによって、石炭ガスに含まれる固形分の一種である塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）を溶解させて、石炭ガスから排除することができる。【００３０】
反応工程の前に、排出ガスから排出ガスに含まれる固形分を除去する第３の集塵工程を備えることが好ましい。これによって、固形分が反応工程に流入するのを抑制して、操業の一層の安定化を図ることができる。【００３１】
本発明の直接還元鉄の製造方法では、供給工程における、循環ガスと合流する際の石炭ガスの温度が５００〜９００℃であることが好ましい。このような温度範囲とすることによって、石炭ガスの顕熱を有効利用しつつ、石炭ガスに含まれるチャー及び灰分等が流路や除塵器等の各種設備の内壁に付着することを抑制することができる。【００３２】
本発明の直接還元鉄の製造方法は、循環ガスを用いて、石炭ガス化炉に石炭を供給する石炭供給工程を有していてもよい。従来は、石炭ガス化炉への石炭の供給には、二酸化炭素又は窒素などの不活性ガスが使用されてきた。これらの不活性ガスは、石炭ガス中の還元性ガス（一酸化炭素，水素）の濃度を低減させるだけはなく、これらを除去する装置が必要であった。これに対し、脱ＣＯ２設備で二酸化炭素が低減された循環ガスを用いて、石炭ガス化炉に石炭を供給することによって、石炭ガスにおける二酸化炭素の濃度を十分に低減するとともに水素濃度を高くすることができる。したがって、直接還元炉における酸化鉄の還元反応の反応速度が一層高くなり、エネルギー効率を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、還元性ガスの供給源として石炭ガス化炉を用いた場合に、酸化鉄の還元反応の速度を十分に速くしつつ、石炭ガスのエネルギーを有効利用することによって、優れたエネルギー効率で直接還元鉄を製造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ができる。また、本発明は、酸化鉄の還元反応の速度を十分に速くしつつ、石炭ガスのエネルギーを有効利用することによって、エネルギー効率に優れる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】
【００３４】
【図１】本発明の直接還元鉄の製造装置の一実施形態の構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の直接還元鉄の製造装置の別の実施形態の構成の概略を示す図である。
【図３】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構成の概略を示す図である。
【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構成の概略を示す図である。
【図５】本発明の直接還元鉄の製造装置の一実施形態の構成の概略を示す図である。
【図６】反応ガスのＨ２／ＣＯの値と、シフト反応器において必要とされる触媒量及び水性ガスシフト反応の平衡温度との関係を示すグラフである。
【図７】反応ガスのＨ２／ＣＯの値と、シフト反応器において必要とされる触媒量及び水性ガスシフト反応の平衡温度との関係を示すグラフである。
【図８】比較例１の装置構成の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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。
【００３６】
図１は、本実施形態における直接還元鉄の製造装置１００の構成の概略を示す図である。本実施形態の直接還元鉄の製造装置１００は、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１０と、酸化鉄原料３２を、石炭ガス及び循環ガスを含む還元性ガスで還元して、直接還元鉄３４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出ガスを排出する直接還元炉３０と、水性ガスシフト反応によって、排出ガスから、排出ガスよりも水素濃度が高い反応ガスを生成するシフト反応器２５と、反応ガスに含まれる二酸化炭素を吸収して、反応ガスよりも二酸化炭素濃度が低減された循環ガスを生成する脱ＣＯ２設備２８と、循環ガスを加熱する加熱器２９と、を備える。
【００３７】
石炭ガス化炉１０には、石炭の供給部として石炭を供給する流路１２と、空気等の酸素含有ガスを供給するガス流路１３とが連結される。石炭は、搬送ガスを用いて流路１２を経由して石炭ガス化炉１０に供給される。流路１２から石炭ガス化炉１０に供給された石炭は、ガス化して一酸化炭素及び水素を主成分とする石炭ガスを生成する。この石炭ガスは、これらの主成分の他に、二酸化炭素及び水等を含んでいてもよい。また、搬送ガスに窒素などの不活性ガスを用いた場合、石炭ガスには、当該不活性ガスが含まれる。本明細書における流路及びガス流路としては、通常の管又はライニング管が用いられる。
【００３８】
石炭ガス化炉１０で生成した石炭ガスは、石炭ガス化炉１０の出口において、例えば９５０〜１２００℃の温度、及び２〜６ＭＰａの圧力を有する。石炭ガスの顕熱を有効利用するため、石炭ガス化炉１０の下流側には、石炭ガスの温度調整部１４が設けられている。温度調整部１４としては、ボイラーが挙げられる。温度調整部１４はボイラーに限定されるものではない。石炭ガスの温度調整は、脱ＣＯ２設備からの循環ガスを石炭ガス化炉１０に導入することによって行ってもよい。
【００３９】
温度調整部１４は、石炭ガス化炉１０と除塵器１５との間の石炭ガスのガス流路に設けられている。石炭ガスは、温度調整部１４において、石炭ガスに同伴されるチャーが後段の除塵器１５及び熱交換器１６の内壁に付着しない程度の温度にまで冷却される。このような温度として、好ましくは１０００℃以下である。一方、石炭ガスの顕熱を有効利用する観点から、石炭ガスの温度は、好ましくは６００℃以上である。
【００４０】
石炭ガス化炉１０で生成した石炭ガスは、通常、チャー及び灰分などの同伴物を含む。このような同伴物は、温度調整部１４の下流側に設けられた除塵器１５において除去することができる。温度調整部１４において石炭ガスが冷却されているため、除塵器１５の内壁へのチャーの付着が抑制される。これによって、除塵器１５において、石炭ガスの同伴物を効率よく除去することができる。除塵器１５で石炭ガスから同伴物を除去することによって、除塵器１５の下流側に設けられる熱交換器１６、集塵機１８及び減圧部１９の閉塞を十分に抑制することができる。除塵器１５としては、例えば、サイクロン、セラミックフィルター、又は金属焼結フィルター等を用いることができる。熱交換器１６は、自己熱交換型熱交換器であることが好ましい。減圧部１９は、減圧タービン１９Ａである。
【００４１】
除塵器１５で除塵された石炭ガスは、熱交換器１６において、減圧タービン１９Ａから出てくる石炭ガスと熱交換して、例えば３００℃以下に冷却される。石炭ガスの冷却温度は、減圧タービン１９Ａでの効率及び石炭ガスに含まれる塩化アンモニウムの濃度等を考慮して適宜選択することが好ましい。熱交換器１６で熱交換した石炭ガスは、集塵機１８においてさらに除塵される。このように、減圧タービン１９Ａの上流側に集塵機１８を設けることによって、ダスト等の混入による減圧タービン１９Ａの不具合を十分に抑制することができる。集塵機１８は、除塵器１５では捕捉できない小さいサイズの固形分を石炭ガスから除去する。集塵機１８としては、電気集塵機及びセラミックフィルターなどを用いることができる。
【００４２】
集塵機１８で除塵された石炭ガスは、減圧タービン１９Ａに導入され、例えば３ＭＰａから１ＭＰａに減圧される。減圧タービン１９Ａでは、石炭ガスの圧力エネルギーが電力に変換される。減圧タービン１９Ａによって減圧された石炭ガスは、熱交換器１６において、減圧タービン１９Ａの上流側を流れる石炭ガスと熱交換される。このようにして、石炭ガスの自己熱回収が行われる。この自己熱回収によって、熱交換器１６の出口側の石炭ガスは、例えば、５００〜９００℃まで加熱される。
【００４３】
このようにして加熱された石炭ガスは、ガス流路１７を経由して、加熱器２９で加熱された循環ガスと連結部５１において合流する。連結部５１では、熱交換器１６で加熱された石炭ガスのガス流路１７と、加熱器２９と直接還元炉３０との間のガス流路２１とが、ガスの流通が可能なように連結されている。合流後、石炭ガスは循環ガスとともに、還元性ガスとして、直接還元炉３０に供給される。石炭ガスと循環ガスとが合流する方法は特に限定されず、加熱器２９から直接還元炉３０にガスを流通させるガス流路２１と、石炭ガスが流通するガス流路１７とが連通するように接続すればよい。ガス流路１７，２１としては、通常の管又はライニング管を用いることができる。
【００４４】
連結部５１で石炭ガスと循環ガスとが合流する際における、循環ガスに対する石炭ガスの体積比は、例えば、０．５〜１．５である。なお、本明細書におけるガスの体積及び体積比は、全て標準状態（０℃、１気圧）基準の値である。石炭ガスと循環ガスが合流する際における石炭ガスの温度は、好ましくは５００〜９００℃であり、より好ましくは、６００〜８００℃である。このような温度範囲とすることによって、石炭ガスの顕熱を有効利用しつつ、除塵器１５、並びに、温度調整部１４、減圧弁１９Ｂ及び連結部５１のそれぞれを連結するガス流路の内壁へのチャーの付着を十分に抑制することができる。
【００４５】
石炭ガスと循環ガスとが合流して得られる還元性ガスの温度は、直接還元炉３０への供給時において、好ましくは８００〜１１００℃であり、より好ましくは８５０〜１０５０℃である。このような温度範囲とすることによって、直接還元炉３０での還元反応を一層円滑に進行させることができる。
【００４６】
還元性ガスが流通するガス流路２１において、連結部５１の下流側に、還元性ガスの温度及び成分を連続的に測定する分析器を設けるとともに、ガス流路２１に酸素を導入する酸素導入管を設けてもよい。還元性ガスの成分及び温度を監視しながら、還元性ガスに対して酸素を導入することによって、還元性ガスの一部を燃焼させて、還元性ガスの温度及び組成を調整することができる。
【００４７】
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原料３２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。酸化鉄原料３２は、直接還元炉３０において、７５０〜１０５０℃に加熱されつつガス流路２１から導入される還元性ガスと接触する。これによって、酸化鉄は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３４は、直接還元炉３０の底部から排出される。
【００４８】
直接還元炉３０に導入される還元性ガスは、還元性ガスを構成する循環ガスの水素濃度が十分に高いことから、酸化鉄原料３２の還元反応を十分に速く進行させることができる。還元性ガスの水素濃度は、還元反応を十分に速く進行させる観点から、好ましくは４０体積％以上であり、より好ましくは４５体積％以上である。同様の観点から、還元性ガスにおける一酸化炭素に対する水素の体積比は、好ましくは１以上である。
【００４９】
直接還元炉３０から排出される排出ガスは、ガス流路２２を経由して熱交換器２３に導入される。この排出ガスは、酸化鉄の還元によって生じた二酸化炭素、一酸化炭素及び水、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の出口における排出ガスの温度は、例えば３００〜５００℃である。この排出ガスは、熱交換器２３によって、例えば２００〜３５０℃に冷却される。熱交換器２３の下流側には、集塵機２４が設けられる。これによって、下流側にあるシフト反応器２５を長期間安定して運転することが可能となる。集塵機２４としては、電気集塵機及びセラミックフィルターなどを用いることができる。この集塵機２４によって、排出ガスに含まれる固形分が除去される。
【００５０】
集塵機２４の下流側には、シフト反応器２５が設けられる。シフト反応器２５入口におけるガスの含塵濃度は、好ましくは５ｍｇ／ｍ３以下である。シフト反応器２５では、触媒により、下記式（１）で示す水性ガスシフト反応が進行する。これによって、排出ガスに含まれる一酸化炭素及び水から、二酸化炭素及び水素が生成する。この反応によって、ガス中の水素濃度及び一酸化炭素に対する水素の体積比を高めることができる。具体的には、シフト反応器２５に導入される前の排出ガスの一酸化炭素に対する水素の体積比は１〜２であるのに対し、水性ガスシフト反応によって得られる、シフト反応器２５の出口における反応ガスの一酸化炭素に対する水素の体積比は、３〜６とすることができる。
【００５１】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２      （１）
【００５２】
シフト反応器２５の上流側には、循環ガスに水蒸気を導入する水蒸気導入部６０を設けてもよい。循環ガスに水蒸気を導入することによって、式（１）の水性ガスシフト反応の平衡温度が上がるため、シフト反応器２５に導入される排出ガスの温度を高くすることができる。これによって、式（１）の水性ガスシフト反応の反応速度が早くなるため、シフト反応器２５の触媒量を低減することができる。
【００５３】
シフト反応器２５で得られる反応ガスは、直接還元炉３０内の還元反応及び水性ガスシフト反応によって生じる二酸化炭素を含有する。このため、反応ガスの二酸化炭素濃度は、排出ガスの二酸化炭素濃度よりも高くなる。反応ガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部は、シフト反応器２５の下流側に設けられる脱ＣＯ２設備２８で除去される。このようにシフト反応器２５の下流側に二酸化炭素を除去する脱ＣＯ２設備２８を設けていることから、効率的に二酸化炭素を除去することができる。
【００５４】
シフト反応器２５と脱ＣＯ２設備２８との間のガス流路には、シフト反応器２５側から、冷却洗浄器２６及びガス圧縮機２７がこの順で設けられている。冷却洗浄器２６では、反応ガスを冷却して反応ガスに含まれる水分とダストを除去する。このような冷却洗浄器２６としては、例えばベンチュリースクラバー等を用いることができる。冷却洗浄器２６及びガス圧縮機２７によって、反応ガスの圧力及び温度を、脱ＣＯ２設備２８での処理に適した範囲に調整する。
【００５５】
脱ＣＯ２設備２８としては、気液接触によって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。この場合、脱ＣＯ２設備２８の入口における反応ガスの温度は、例えば４０℃前後である。
【００５６】
脱ＣＯ２設備２８によって二酸化炭素が除去されたガス（循環ガス）は、加熱器２９で、例えば８００〜１１００℃に加熱される。加熱器２９としては、燃焼器と高温熱交換器とを組み合わせた加熱装置を用いることができる。循環ガスは、ガス流路２０を経由して加熱器２９で加熱された後、加熱器２９と直接還元炉３０との間でガスを流通させるガス流路２１と、石炭ガスのガス流路１７とが連結された連結部５１において、石炭ガスと合流する。このようにして得られた、循環ガスと石炭ガスとを含む還元性ガスは、ガス流路２１を通って直接還元炉３０に導入される。
【００５７】
脱ＣＯ２設備２８と加熱器２９との間で循環ガスを流通させるガス流路２０には、石炭供給用の流路１２と連通するように、ガス流路４２が連結されている。脱ＣＯ２設備２８で得られた循環ガスの少なくとも一部は、このガス流路４２を経由して流路１２に供給されることによって、石炭を搬送する搬送ガスとして機能する。ガス流路４２には、ガス圧縮機４０を設ける。これによって、循環ガスの圧力を石炭の搬送に適した圧力にまで昇圧することができる。
【００５８】
冷却洗浄器２６、シフト反応器２５及び脱ＣＯ２設備２８において、二酸化炭素及び水の濃度が低減され且つ水素の濃度が高められた循環ガスを、石炭を搬送する搬送ガスとして用いることによって、石炭ガスに含まれる、還元反応に寄与しないガス成分の流通量が低減されるとともに、酸化鉄の還元反応が促進されて、直接還元鉄の製造装置１００全体の運転のエネルギー効率をさらに向上することができる。また、循環ガスを精製するための各設備を小型化することができる。
【００５９】
本実施形態の直接還元鉄の製造装置１００によれば、直接還元炉３０で発生するガスに含まれる二酸化炭素を脱ＣＯ２設備２８で低減することに加えて、シフト反応器２５において一酸化炭素と水から水素を生成させている。このため、循環ガスに含まれる水素ガスの比率を十分に高くすることができる。これによって、石炭ガスの水素濃度が低くても、連結部５１で石炭ガスと循環ガスとが合流した後の還元性ガスの水素濃度を高めることが可能となり、直接還元炉３０において還元反応を十分に速く進行させることができる。
【００６０】
本実施形態の直接還元鉄の製造装置１００では、直接還元炉３０で発生するガスをシフト反応器２５に流通させることによって、循環ガス中の水素濃度を高めている。一方、酸化鉄を還元するためのガスの供給源として、石炭ガス化炉１０を用いている。この石炭ガス化炉１０で生成する石炭ガスを、シフト反応器及び脱ＣＯ２設備に流通させずに、循環ガスと合流させて直接還元炉３０に導入することができる。石炭ガス化炉１０から発生する石炭ガスを高温に維持することが可能であるため、石炭ガスを、加熱器２９を経由せずに直接還元炉３０に供給することができる。これによって、加熱器２９の小型化を図りつつ、石炭ガスの顕熱を有効利用することが可能となり、優れたエネルギー効率で、直接還元鉄を製造することができる。
【００６１】
脱ＣＯ２設備２８では、ガス中の二酸化炭素の濃度を低減するために、ガスの温度をある程度の温度まで冷却する。直接還元鉄の製造装置１００では、この脱ＣＯ２設備２８の上流側にシフト反応器２５を設けている。このため、直接還元鉄の製造装置全体として、ガスの加熱及び冷却の繰り返し回数を低減するとともに、石炭ガスの圧力エネルギーを有効活用して、優れたエネルギー効率で直接還元鉄を製造することができる。
【００６２】
石炭ガス化炉１０で生成される石炭ガスは、例えば数百ｐｐｍの濃度でＮＨ４Ｃｌを含有する。ＮＨ４Ｃｌは、３４０℃以上で気体（ＮＨ３及びＨＣｌ）に分解されるものの、３４０℃未満の温度では固体として析出する場合がある。ＮＨ４Ｃｌの析出温度は、ＮＨ４Ｃｌの濃度に依存する。例えば、ＮＨ４Ｃｌの濃度が５００ｐｐｍの場合、ＮＨ４Ｃｌは約２０５℃で析出し、ＮＨ４Ｃｌの濃度が１００ｐｐｍの場合、ＮＨ４Ｃｌは約１６５℃で析出する。
【００６３】
ＮＨ４Ｃｌの析出量を低減する観点から、熱交換器１６、集塵機１８、及び減圧タービン１９Ａにおける石炭ガスの温度は、１７０℃以上に維持することが好ましく、２１０℃以上に維持することがより好ましい。
【００６４】
集塵機１８は、電気集塵機及びセラミックフィルターなど、固形分を乾式で除去する乾式集塵機であってもよい。これによって、石炭ガスの温度を高く維持することが可能となり、温度の低下に伴うＮＨ４Ｃｌ析出を抑制することができる。
【００６５】
図２は、別の実施形態である直接還元鉄の製造装置２００の構成の概略を示す図である。直接還元鉄の製造装置２００は、除塵器１５の下流側に設けられる集塵機として、湿式集塵機１８Ａを備える。湿式集塵機１８Ａ以外の構成は、直接還元鉄の製造装置１００と同じである。除塵器１５を通過した石炭ガスは、熱交換器１６Ａで減圧タービン１９Ａに導入される石炭ガス、及び減圧タービン１９Ａを出た石炭ガスと熱交換した後、湿式集塵機１８Ａに導入される。
【００６６】
湿式集塵機１８Ａには、湿式集塵機１８Ａに水を供給する水供給部６２と、湿式集塵機１８Ａから水を排出する水排出部６４が接続されている。湿式集塵機１８Ａでは、石炭ガスの温度が例えば１００〜１５０℃に低下し、ＮＨ４Ｃｌが析出する。ここで、湿式集塵機１８Ａでは、水供給部６２から供給される水で析出したＮＨ４Ｃｌを溶解して除去することができる。ＮＨ４Ｃｌ水溶液は、水排出部６４から外部に排出される。
【００６７】
図３は、さらに別の実施形態である直接還元鉄の製造装置３００の構成の概略を示す図である。直接還元鉄の製造装置３００は、直接還元炉３０から排出された排出ガスを冷却するために、熱交換器２３Ｂを備える。ここで、排出ガスは、ガス圧縮機２７から出てきた排出ガスと熱交換して、例えば２００〜３００℃に冷却される。熱交換器２３Ｂは、自己熱交換型熱交換器であることが好ましい。
【００６８】
直接還元鉄の製造装置３００は、湿式集塵機２４Ｂを備える。熱交換器２３Ｂで冷却された排出ガスは、湿式集塵機２４Ｂに導入される。湿式集塵機２４Ｂには、湿式集塵機２４Ｂに水を供給する水供給部６２と、湿式集塵機２４Ｂから水を排出する水排出部６４が接続されている。湿式集塵機２４Ｂでは、排出ガスの温度が例えば１００〜１５０℃に低下し、ＮＨ４Ｃｌが析出する。ここで、湿式集塵機２４Ｂでは、水供給部６２から供給される水で析出したＮＨ４Ｃｌを溶解して除去することができる。ＮＨ４Ｃｌ水溶液は、水排出部６４から外部に排出される。このように湿式集塵機２４Ｂを備えることによって、石炭ガスから直接還元鉄の製造装置３００内に持ち込まれるＮＨ４Ｃｌを製造装置３００の外部に排出することができる。
【００６９】
湿式集塵機２４ＢでＮＨ４Ｃｌが除去された排出ガスは、ガス圧縮機２７に導入される。排出ガスは、ガス圧縮機２７で、例えば０．６から１ＭＰａに昇圧された後、熱交換器２３Ｂに導入されて、直接還元炉３０から排出された排出ガスと熱交換する。熱交換によって、ガス圧縮機２７で昇圧された排出ガスは、例えば２２０〜３５０℃に昇温される。すなわち、排出ガスは、熱交換器２３Ｂ及びガス圧縮機２７によって、シフト反応器２５での処理に適した温度範囲及び圧力範囲に調整される。直接還元鉄の製造装置３００の上記以外の構成は、直接還元鉄の製造装置１００と同様である。
【００７０】
図４は、さらに別の実施形態である直接還元鉄の製造装置４００の構成の概略を示す図である。本実施形態の直接還元鉄の製造装置４００は、石炭ガス化炉１０から石炭ガスを連結部５１の間の構成が直接還元鉄の製造装置１００と異なっている。直接還元鉄の製造装置４００は、直接還元鉄の製造装置１００と同様に、石炭ガス化炉１０と除塵器１５との間の石炭ガスのガス流路に温度調整部１４が設けられている。石炭ガスは、温度調整部１４において、石炭ガスに同伴されるチャーが後段の除塵器１５の内壁に付着しない程度の温度にまで冷却される。
【００７１】
直接還元鉄の製造装置４００は、減圧部１９として減圧弁１９Ｂを有する。除塵器１５で石炭ガスから同伴物を除去することによって、除塵器１５の下流側に設けられる減圧弁１９Ｂの閉塞を十分に抑制することができる。石炭ガスは、減圧弁１９Ｂによって、例えば３ＭＰａから１ＭＰａに減圧される。減圧弁１９Ｂによって減圧された石炭ガスは、加熱器２９で加熱された循環ガスと連結部５１において合流する。このような構成とすることによって、石炭ガスが有する顕熱を十分有効に活用することができる。その他の構成は、直接還元鉄の製造装置１００と同様である。
【００７２】
本発明の直接還元鉄の製造方法の一実施形態は、上述の直接還元鉄の製造装置１００，２００，３００，４００を用いて行うことができる。本実施形態の直接還元鉄の製造方法は、
石炭ガス化炉１０において、石炭と酸素含有ガスとを加熱して石炭をガス化し、主成分として一酸化炭素及び水素を含む石炭ガスを得る石炭ガス化工程と、
直接還元炉３０で、酸化鉄原料３２を、循環ガス及び石炭ガスを含む還元性ガスで還元して、直接還元鉄３４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出ガスを得る還元工程と、
水性ガスシフト反応によって、上記排出ガスに含まれる一酸化炭素と水とから水素と二酸化炭素を生成させて反応ガスを得る反応工程と、
反応ガスに含まれる二酸化炭素を低減して、反応ガスよりも二酸化炭素の濃度が低い循環ガスを生成する脱ＣＯ２工程と、
循環ガスを加熱器２９で加熱する加熱工程と、
減圧部１９で石炭ガスを減圧する減圧工程と、
加熱工程で加熱した循環ガスと石炭ガスとを、連結部５１において合流させて還元性ガスとし、直接還元炉３０に循環ガスと石炭ガスとを含む還元性ガスを供給する供給工程と、を備える。
【００７３】
酸化鉄の還元反応を十分に速く進行させる観点から、供給工程において直接還元炉３０に供給される還元性ガスの一酸化炭素に対する水素の体積比は、好ましくは１以上である。還元性ガスにおける、一酸化炭素に対する水素の体積比は、直接還元鉄の製造装置１００全体のエネルギー効率を考慮すると、好ましくは２未満である。減圧工程は、減圧部１９として減圧タービン１９Ａを用いて石炭ガスを減圧して発電する発電工程であってもよい。
【００７４】
石炭ガス化工程と供給工程との間に、除塵器１５によって石炭ガスを除塵する除塵工程と、減圧タービン１９Ａに供給される石炭ガスと、減圧タービンから排出される石炭ガスとを熱交換させる熱交換工程を設けてもよい。これによって、石炭ガス化炉１０で生成された石炭ガスに同伴される灰分やダストを十分に除去しつつ、石炭ガスの自己熱回収を行うことによって石炭ガスの顕熱を有効に利用することができる。したがって、一層高いエネルギー効率で、直接還元鉄を製造することができる。
【００７５】
減圧工程（発電工程）では、石炭ガスを減圧タービン１９Ａに導入する前に、石炭ガスから固形分を除去する除塵工程と、集塵機１８又は湿式集塵機１８Ａを用いて石炭ガスの固形分を除去する集塵工程Ａを行うことが好ましい。これによって、減圧タービン１９Ａにおける閉塞等の不具合の発生が抑制されて、長期間にわたって安定して運転を継続することができる。集塵工程Ａでは、除塵工程では捕捉できないような小さいサイズの固形分を石炭ガスから除去することができる。集塵工程Ａを、直接還元鉄の製造装置２００のように湿式集塵機１８Ａによって行えば、石炭ガスに由来するＮＨ４Ｃｌを製造装置２００から外部に排除することができる。
【００７６】
還元工程と反応工程の間に、集塵機２４又は湿式集塵機２４Ｂを用いて、排出ガスに含まれる固形分を除去する集塵工程Ｂを有することが好ましい。これによって、シフト反応器２５における閉塞等の不具合の発生が抑制されて、長期間にわたって安定して運転を継続することができる。湿式集塵機２４Ｂによれば、石炭ガスに由来するＮＨ４Ｃｌを排除することができる。
【００７７】
脱ＣＯ２工程で得られた循環ガスによって、石炭ガス化炉１０に石炭を搬送する石炭供給工程を有することが好ましい。このように、二酸化炭素及び水の濃度が低減され且つ水素の濃度が高められた循環ガスを、石炭を搬送する搬送ガスとして用いることによって、還元反応に寄与しないガス成分の流通量が低減されるとともに、酸化鉄の還元反応が促進されて、直接還元鉄の製造装置１００，２００，３００，４００全体の運転を効率化することができる。また、循環ガスを精製するための各設備を小型化することができる。
【００７８】
表１及び表２に、本実施形態の直接還元鉄の製造方法における運転状態の一例を示す。表１及び表２に示す位置番号は、図５の符号と一致している。表１及び表２に示すガス流量は、直接還元炉３０で直接還元鉄３４を１トン製造する場合における、標準状態の値である。
【００７９】
【表１】
2014088067.tif 000003
【００８０】
表１に示すとおり、この例では、減圧タービン１９Ａの前後において、石炭ガスの圧力が３ＭＰａから１ＭＰａに変化しており、石炭ガスの圧力エネルギーが有効利用されている（位置１０−３と位置１０−４）。また、減圧タービンから排出された石炭ガスは、熱交換器１６において熱回収し、７００℃まで温度上昇している。（位置１０−５）。このように、連結部５１で循環ガスと合流する石炭ガスは、高い温度を有している。このため、加熱工程で加熱することなく、供給工程において、循環ガスとともに還元性ガスとして直接還元炉３０に供給することができる。
【００８１】
【表２】
2014088067.tif 000004
【００８２】
シフト反応器２５の出口側（位置２０−３）において、反応ガスの水素濃度は、十分に高くなっている。このように水素濃度を十分に高くすることによって、酸化鉄の還元反応を十分に速くすることができる。
【００８３】
表２に示すとおり、脱ＣＯ２設備２８によって、循環ガス中の二酸化炭素の濃度が十分に低減されている（位置２０−４，２０−５，４０−１）。このように、二酸化炭素が十分に低減されるとともに、水素濃度が高められた循環ガスを、酸化鉄の還元に用いることによって、還元反応の速度を十分に速くすることができる。また、この循環ガスの一部を、石炭搬送用のガスとして用いることによって、直接還元鉄の製造装置１００全体の運転を効率化することができる。
【００８４】
石炭ガス化炉１０で発生する還元性ガスのＨ２／ＣＯの体積比は、０．７１である（表１の位置１０−１等参照）。ここで、直接還元炉３０に導入される還元性ガスのＨ２／ＣＯの値（体積基準）は、反応効率を向上させる観点から高い方が好ましい。Ｈ２／ＣＯの値を高くするためには、シフト反応器２５の出口（位置２０−３）で得られる反応ガスのＨ２／ＣＯの値を高くする必要がある。ところが、反応ガスのＨ２／ＣＯの値が大きくなるにつれて、式（１）に示す水性ガスシフト反応の平衡温度が低下して反応速度が小さくなる傾向にある。
【００８５】
図６は、直接還元鉄を２５０トン／時間製造する場合において、横軸にシフト反応器２５の出口（位置２０−３）で得られる反応ガスのＨ２／ＣＯの値をとり、左縦軸にシフト反応器２５において必要とされる触媒量をとり、右縦軸に式（１）に示す水性ガスシフト反応の平衡温度をとったものである。図６中、曲線１は、反応ガスのＨ２／ＣＯの値と式（１）の反応の平衡温度との関係を示している。図６中、曲線２は、表１，２に示す運転条件の下、反応ガスのＨ２／ＣＯの値とシフト反応器２５において必要とされる触媒量との関係を示している。
【００８６】
図６に示すとおり、シフト反応器２５の出口（位置２０−３）における反応ガスのＨ２／ＣＯの値を高くすると、必要な触媒量が増加する傾向にある。触媒量を低減する観点から、シフト反応器２５の出口（位置２０−３）における反応ガスのＨ２／ＣＯの値を、例えば３．５以下とすることによって、触媒量を低減することができる。
【００８７】
シフト反応器２５の手前又は入口側で、排出ガスに水蒸気を添加することが好ましい。これによって、水性ガスシフト反応の平衡温度が上昇するので、シフト反応器２５に導入される排出ガスの温度を高くすることができる。排出ガスの温度を高くすることによって、水性ガスシフト反応の反応速度が大きくなることから、シフト反応器２５の触媒量を低減することができる。
【００８８】
図７は、直接還元鉄を２５０トン／時間製造する場合において、横軸にシフト反応器２５の出口（位置２０−３）で得られる反応ガスのＨ２／ＣＯの値をとり、左縦軸にシフト反応器２５において必要とされる触媒量をとり、右縦軸に式（１）に示す水性ガスシフト反応の平衡温度をとったものである。図７中、曲線１は、シフト反応器２５の上流側に配置された水蒸気導入部６０から水蒸気を１０ｔｏｎ／時間の流量で加えたこと以外は、図６と同じ運転条件における、反応ガスのＨ２／ＣＯの値と式（１）の反応の平衡温度との関係を示している。図７中、曲線２は、シフト反応器２５の上流側に配置された水蒸気導入部６０から水蒸気を１０ｔｏｎ／時間の流量で加えたこと以外は、図６と同じ運転条件における、反応ガスのＨ２／ＣＯの値とシフト反応器２５において必要とされる触媒量との関係を示している。
【００８９】
図６，７に示す結果から明らかなように、シフト反応器２５の出口（位置２０−３）において、Ｈ２／ＣＯの値が３．５である反応ガスを得る場合に、排出ガスに水蒸気を添加することによって、シフト反応器２５の触媒量を６３０ｍ３から４１０ｍ３まで減らすことができる。
【００９０】
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、直接還元鉄の製造装置１００では、石炭ガス化炉１０で生成する石炭ガスを、石炭ガス化炉１０と除塵器１５との間に設けられた温度調整部１４の熱源とすることによって冷却している。石炭ガスの温度調整は温度調整部１４に限定されるものではなく、例えば、石炭ガス化炉１０に冷却用のガスを吹き込むことによって行ってもよい。冷却用のガスとしては、脱ＣＯ２後の循環ガスを用いることができる。
【実施例】
【００９１】
本発明の内容を、実施例及び比較例を参照してさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【００９２】
（実施例１）
図５に示す直接還元鉄の製造装置を用いて、直接還元鉄を製造する際に、必要な石炭の量をシミュレーションによって求めた。酸化鉄含有原料として用いた鉄鉱石及び石炭の性状は、表３に示すとおりとした。シミュレーションによって求めた各ガスの温度、性状、及び石炭原単位を表３に纏めて示す。【００９３】
（実施例２，３）
図５における位置１０−５における石炭ガスの温度が、表３の値になるようにシミュレーションを行ったこと以外は、実施例１と同様にして直接還元鉄を製造するシミュミレーションを行った。シミュレーションによって求めたガスの温度、性状、及び石炭原単位を表３に纏めて示す。【００９４】
（比較例１）
図８に示す従来の直接還元鉄の製造装置を用いて、直接還元鉄を製造する際に、必要な石炭の量をシミュレーションによって求めた。酸化鉄含有原料として用いた鉄鉱石及び石炭の性状は、表３に示すとおりとした。シミュレーションによって求めた各ガスの温度、性状、及び石炭原単位を表３に纏めて示す。この直接還元鉄の製造装置による直接還元鉄の製造方法の手順は以下のとおりとした。【００９５】
図８の直接還元鉄の製造装置においては、石炭及び空気を、それぞれガス流路１１２及びガス流路１１３から、石炭ガス化炉１１０に供給した。石炭ガス化炉１１０で生成した、一酸化炭素及び水素を含む石炭ガスは、スクラバー１５０で冷却洗浄された後、シフト反応器１２５に導入した。シフト反応器１２５において、水性ガスシフト反応が進行し、一酸化炭素と水から、水素と二酸化炭素が生成した。シフト反応器を出た石炭ガスは、再びスクラバー１５２で冷却洗浄された後、ガス流路５４を経由して脱ＣＯ２設備８０に導入された。脱ＣＯ２設備８０では、二酸化炭素の一部が除去された。その後、脱ＣＯ２設備８０を出た還元性ガスは、ガス圧縮機１４６で昇圧された後、ガス流路１４８及び熱交換器１２３を経由して、加熱器１５８に導入された。加熱器１５８で所定の温度に加熱された還元性ガスは、ガス流路１６０を経由して直接還元炉１３０に導入された。【００９６】
直接還元炉１３０では、上方から鉄鉱石１３２を導入した。直接還元炉１３０において、鉄鉱石は、加熱されながら還元性ガスと接触した。これによって、鉄鉱石に含まれる酸化鉄が還元されて、直接還元鉄１３４が得られた。直接還元炉１３０から発生する、二酸化炭素及び水、並びに未反応の一酸化炭素及び水素を含む排出ガスは、ガス流路１２２を経由して熱交換器１２３で還元性ガスと熱交換した後、スクラバー１２４で冷却及び洗浄された。冷却及び洗浄された排出ガスは、ガス流路１３６を経由してガス圧縮機１３８及びガス圧縮機１４２で昇圧された後、ガス流路１４４においてシフト反応器１２５からの石炭ガスと合流した。合流後のガスは、脱ＣＯ２設備８０に導入された。【００９７】
【表３】
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【００９８】
表３における「石炭原単位」は、直接還元炉で直接還元鉄（ＤＲＩ）を１トン製造するのに必要な石炭の量（ｋｇ）であり、「発電量」は、減圧タービン１９Ａによる発電量である。表３中の「石炭ガスの圧力１」及び「石炭ガスの圧力２」は、それぞれ、図５における「位置１０−３」及び「位置１０−４」における圧力である。また、「石炭ガスの温度」は、図５における位置１０−５及び図３における位置６０−１における温度である。図５における位置１０−５の温度は、石炭ガスが循環ガスに合流する際の石炭ガスの温度に等しい。表３中の「石炭ガスのＨ２／ＣＯ」は、これらの位置における石炭ガスの一酸化炭素に対する水素の体積比である。【００９９】
表３中の「循環ガスの温度」は、図５における位置２０−５及び図８における位置６０−３における温度である。表３中の「還元性ガスの温度」は、図５における位置３０−１及び図８における位置６０−４における温度である。表３中の「還元性ガスのＨ２／ＣＯ」は、これらの位置における還元性ガスの一酸化炭素に対する水素の体積比である。【０１００】
表３に示す結果から、実施例１〜３に示す直接還元鉄の製造方法によれば、比較例１に比べて石炭原単位を約７〜１６％削減できることが確認された。また、実施例１〜３に示す直接還元鉄の製造方法によれば、減圧タービンを用いることによって、石炭ガスの圧力エネルギーを有効利用できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明によれば、酸化鉄の還元反応の反応速度を十分に速くしつつ、石炭ガスのエネルギーを有効利用することによって、優れたエネルギー効率で直接還元鉄を製造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ができる。また、本発明によれば、酸化鉄の還元反応の反応速度を十分に速くしつつ、石炭ガスのエネルギーを有効利用することによって、エネルギー効率に優れる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】
【０１０２】
１０，１１０…石炭ガス化炉、１６…熱交換器、１８，２４…集塵機、１９…減圧部、１９Ａ…減圧タービン、１９Ｂ…減圧弁、２０，２１，４２…ガス流路、１４…温度調整部、１５…除塵器、２３，２３Ｂ…熱交換器、２５…シフト反応器、２６…冷却洗浄器、２７，４０…ガス圧縮機、２８，８０…脱ＣＯ２設備、２９，１５８…加熱器、３０，１３０…直接還元炉、３２，１３２…酸化鉄原料、３４，１３４…直接還元鉄、５１…連結部、６０…水蒸気導入部、６２…水供給部、６４…水排出部、１００，２００，３００，４００…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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【図８】
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【国際調査報告】
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