(57)【要約】【課題】還元鉄を製造するための還元炉内に適正なクーリングガスの供給を行うことが可能な方法を提供する。【解決手段】  提供される方法は、還元炉１０内で酸化鉄と還元ガスとを接触させて還元鉄を生成する工程と、還元炉１０の炉頂ガスを調整して生成されるプロセスガスを改質器４０に供給して改質ガスを生成する工程と、改質ガスを還元ガスとして還元炉１０に供給する工程と、還元炉１０の冷却領域１８を含む循環路に沿って天然ガスを含むクーリングガスを循環させるとともに天然ガスを補給するクーリングガス循環工程と、循環するクーリングガスの一部を抜き出して改質器４０に供給されるガスに混合するクーリングガス混合工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄を還元して還元鉄を製造するための方法であって、
還元炉内で前記酸化鉄をその塔頂から降下させながら還元ガスと接触させることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を生成し、当該還元鉄を当該還元炉の底部から排出する還元鉄生成工程と、
前記還元炉の炉頂ガスを抜き出してその含有水分量の調節及び除塵処理を行うことによりプロセスガスを生成し、少なくとも当該プロセスガスを改質器内に供給することにより当該改質器内で改質ガスを生成する改質ガス生成工程と、
生成された改質ガスを前記還元ガスとして前記還元炉に供給する還元ガス供給工程と、
前記還元炉の下部に設定された冷却領域を含む循環路に沿って天然ガスを含むクーリングガスを循環させるとともにその循環路に天然ガスを補給するクーリングガス循環工程と、
前記循環路に沿って循環するクーリングガスの一部を抜き出し、その抜出したガスを前記改質器の運転のために当該改質器に供給されるガスである改質器用ガスに混合するクーリングガス混合工程と、を含む、還元鉄の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガス循環工程は、前記クーリングガスの循環路にクーリングガス冷却器を設けて循環する当該クーリングガスを前記クーリングガス冷却器により冷却することを含む、還元鉄の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガス混合工程では、前記クーリングガス冷却器の上流側の位置から前記クーリングガスが抜き出される、還元鉄の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガス混合工程は、前記循環路から抜き出された前記クーリングガスを前記プロセスガスに混合することを含む、還元鉄の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の還元鉄の製造方法であって、前記改質ガス生成工程は前記プロセスガスを予熱器により予熱してから前記改質器に導入することを含み、前記クーリングガス混合工程は前記予熱器により予熱される前の前記プロセスガスに前記クーリングガスを混合することを含む、還元鉄の製造方法。
【請求項６】
請求項２記載の還元鉄の製造方法であって、前記改質ガス生成工程は前記プロセスガスを予熱器により予熱してから前記改質器に導入することを含み、前記クーリングガス混合工程は前記予熱器により予熱される前の前記プロセスガスに前記クーリングガス冷却器の上流側のクーリングガスを混合することを含む、還元鉄の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガス混合工程は、前記クーリングガス循環路から抜き出したクーリングガスを前記プロセスガスに混合する前に除塵処理することを含む、還元鉄の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガス混合工程は、前記クーリングガス循環路から抜き出したクーリングガスを前記プロセスガスに混合する前に冷却処理することを含む、還元鉄の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガスの冷却処理は当該クーリングガスへの水の添加によって行われ、前記クーリングガス混合工程は、前記還元炉に導入される前記改質ガスの組成を測定することと、その測定された組成に基いて前記クーリングガスに対する前記水の添加量を調節することと、をさらに含む、還元鉄の製造方法。
【請求項１０】
請求項８記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガスの冷却処理は当該クーリングガスへの水の添加によって行われ、前記クーリングガス混合工程は、前記プロセスガスの水分濃度を検出することと、その検出された水分濃度を目標値に近づけるように前記クーリングガスに対する前記水の添加量を調整することと、をさらに含む、還元鉄の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれかに記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガス混合工程は、抜き出された前記クーリングガスを前記改質器に供給される燃料ガスに混合することを含む、還元鉄の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の還元鉄の製造方法であって、前記クーリングガス混合工程は、前記クーリングガス循環路から抜き出したクーリングガスを前記燃料ガスに混合する前に除塵処理することを含む、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、還元ガスを用いて酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、還元鉄を製造する方法として、シャフト炉と呼ばれる竪型の還元炉に原料である酸化鉄と水素及び一酸化炭素を含む還元ガスとを供給して当該酸化鉄を還元し、これにより直接還元鉄を製造する方法が注目されている。この方法では、還元ガスの原料となる原料ガスとして天然ガスなどが用いられる。当該原料ガスは、改質器内で加熱されて改質され、これにより前記還元ガスが生成される。当該還元ガスは、還元炉に導入され、還元炉の上部から供給されるペレットに含まれる酸化鉄と接触して当該酸化鉄を還元する。このようにして前記還元炉内で製造された還元鉄は還元炉の下部の排出口から順次排出される。前記酸化鉄の還元に寄与した後のガスは前記還元炉の炉頂から排出され、炉頂ガス調整器に導入されて集塵および冷却処理される。集塵および冷却された後のガスの一部は、改質ガスの原料として改質器に送られるプロセスガスや、改質器の燃焼室に送られる燃料ガスとして再利用される。
【０００３】
前記還元炉の下部には冷却領域が設定され、当該冷却領域にクーリングガスが供給される。このクーリングガスは、生成された還元鉄を前記冷却領域において冷却するとともにその再酸化及び脱炭を防ぎ、これにより、当該製品還元鉄の品質を高く保つことを目的とするガスである。かかる目的から前記クーリングガスには一般に天然ガスが用いられる。当該天然ガスは、熱容量の大きなメタンを多分に含むとともに、還元鉄の再酸化や脱炭の要因となる酸素をほとんど含有しない点でクーリングガスに好適である。一方、このクーリングガスは、酸化鉄の還元に寄与するためのものではないため、当該クーリングガスを前記還元炉内の冷却領域を含む循環路に沿って循環させることによる当該クーリングガスの再利用が行われる。前記循環路には、クーリングガス供給源からクーリングガスが適宜補給されるとともに、当該クーリングガスを集塵処理及び冷却処理するためのクーリングガス用湿式集塵冷却機が設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５４３７７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記クーリングガスの循環路は基本的にループであるが、前記還元炉内では当該循環路の上下の空間とつながっているので、循環を繰り返すうちにその循環ガスの成分が変動する。具体的には、前記クーリングガスの循環の継続に伴ってその循環ガスにおける天然ガスの含有率が低下する。当該成分を維持するには、前記循環路に多くの天然ガスを補給すればよいが、当該補給が過多であると、余剰のクーリングガスが還元ゾーンに進入して当該還元ゾーンの温度を低下させ、還元反応に悪影響を与えるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、還元炉内で酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造するための方法であって、前記還元炉内に適正なクーリングガスの供給を行うことが可能な方法を提供することにある。
【０００７】
提供されるのは、酸化鉄を還元して還元鉄を製造するための方法であって、還元炉内で酸化鉄をその塔頂から降下させながら還元ガスと接触させることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を生成し、当該還元鉄を当該還元炉の底部から排出する還元鉄生成工程と、前記還元炉の炉頂ガスを抜き出してその含有水分量の調節及び除塵処理を行うことによりプロセスガスを生成し、少なくとも当該プロセスガスを改質器内に供給することにより当該改質器内で改質ガスを生成する改質ガス生成工程と、生成された改質ガスを前記還元ガスとして前記還元炉に供給する還元ガス供給工程と、前記還元炉の下部に設定された冷却領域を含む循環路に沿って天然ガスを含むクーリングガスを循環させるとともにその循環路に天然ガスを補給するクーリングガス循環工程と、前記循環路に沿って循環するクーリングガスの一部を抜き出し、その抜出したガスを前記改質器の運転のために当該改質器に供給されるガスである改質器用ガスに混合するクーリングガス混合工程と、を含む。前記改質器用ガスとしては、例えば、前記プロセスガスや、燃料ガスが挙げられる。
【０００８】
この方法によれば、前記クーリングガスの循環路に多めのクーリングガスを補給し、その適量を前記循環路から抜き出すことにより、循環するクーリングガスの成分を安定させることができる。しかも、抜き出した適量のクーリングガス、すなわち還元炉内の冷却領域で還元鉄と熱交換することにより昇温したクーリングガス、を前記改質器に供給される改質器用ガスと混合することにより、当該クーリングガスを前記改質器用ガスの一部として利用することが可能である。
【０００９】
前記クーリングガスを構成する天然ガスには一般に硫黄が含まれるが、当該硫黄を前記還元炉内の還元鉄に吸着させることにより当該クーリングガス中の硫黄含有量を低減させることが可能である。このようにして硫黄が除去されたクーリングガスが前記改質器用ガスに混合されることにより、当該改質器用ガスの硫黄濃度を低下させることができる。特に、当該改質器用ガスに対してこれに添加されるクーリングガスの割合が大きい場合には、当該改質器用ガスの前処理である硫黄削減処理の省略または簡略化が可能になる。
【００１０】
前記クーリングガス循環工程は、前記クーリングガスの循環路にクーリングガス冷却器を設けて循環する当該クーリングガスを前記クーリングガス冷却器により冷却することを含むのが、好ましい。この場合、前記クーリングガス混合工程では、前記クーリングガス冷却器の上流側の位置から前記クーリングガスが抜き出されることが好ましく、このことは前記クーリングガス冷却器の熱負荷の軽減を可能にする。例えば、当該クーリングガス冷却器が前記クーリングガスに水を添加するスクラバを含む場合、その水の添加量の節減が可能になる。
【００１１】
前記クーリングガス混合工程は、前記循環路から抜き出された前記クーリングガスを前記プロセスガスに混合することを含むのが、好ましい。このことは、当該プロセスガスの必要量の削減を可能にする。ここで、「クーリングガスをプロセスガスに混合する」とは、当該クーリングガスを炉頂ガス調整器から導出されるプロセスガスのみと混合するものに限定する趣旨ではなく、当該プロセスガスとこれに補給される天然ガスとにより構成されて前記改質器に供給されるフィードガスに前記クーリングガスを混合することも含む。この場合も、前記フィードガス中に含まれる前記プロセスガスと前記クーリングガスとが混合されることに変わりはない。
【００１２】
ただし、前記改質ガス生成工程が前記プロセスガスを予熱器により予熱してから前記改質器に導入することを含む場合、前記クーリングガス混合工程は前記予熱器により予熱される前の前記プロセスガスに前記クーリングガスを混合することを含むのが、好ましい。この混合は、前記クーリングガスのもつ熱すなわち前記還元鉄の顕熱を利用して前記プロセスガスに含まれる水分を蒸発させることを可能にし、当該水分に起因する関連機器（例えば前記予熱器内の配管やダクト）の腐食の防止を可能にする。この効果は、前記クーリングガス循環路中に前記クーリングガス冷却器が設けられる場合、そのクーリングガス冷却器の上流側の高温ガスを前記プロセスガスに混合することにより、さらに顕著となる。
【００１３】
前記クーリングガス混合工程は、前記クーリングガス循環路から抜き出したクーリングガスを前記プロセスガスに混合する前に冷却処理及び／又は粉塵処理することを含むのが、好ましい。前記冷却処理は、前記クーリングガスのもつ熱が下流側の圧縮機（例えば前記クーリングガス循環路中に設けられる循環用圧縮機や前記プロセスガスの圧縮のために用いられるプロセスガス用圧縮機）にダメージを与えることを抑止し、前記粉塵処理は、前記クーリングガスに含まれる粉塵がその下流側の設備（例えば前記クーリングガス圧縮機や前記プロセスガス圧縮機）の作動不良を引き起こすことを防ぐ。
【００１４】
前記クーリングガスの冷却処理が当該クーリングガスへの水の添加によって行われる場合、前記クーリングガス混合工程は、前記還元炉に導入される前記改質ガスの組成（例えば当該改質ガスにおける水素濃度と一酸化炭素濃度との比）を測定することと、その測定された組成に基いて前記クーリングガスに対する前記水の添加量を調節することと、を含むことが、より好ましい。これらのことは、前記クーリングガスの冷却のための水を有効に利用して前記還元炉に導入される前記改質ガスの組成を適正化することを可能にする。
【００１５】
あるいは、前記クーリングガス混合工程が、前記プロセスガスの水分濃度を検出することと、その検出された水分濃度を目標値に近づけるように前記クーリングガスに対する前記水の添加量を調整することも、有効である。前記水分濃度の検出は、例えば、前記プロセスガスの温度及び圧力を測定することと、当該プロセスガスの温度及び圧力に基いて前記水分濃度を推定演算することにより、容易に行うことが可能である。
【００１６】
前記クーリングガス混合工程は、あるいは、抜き出された前記クーリングガスを前記改質器に供給される燃料ガスに混合することを含んでもよい。このことは、当該燃料ガスの必要量の節減を可能にする。この場合も、当該クーリングガスは当該改質器に供給される前に除塵処理されるのが好ましい。この除塵処理は、前記クーリングガスに含まれる粉塵が前記改質器のバーナにダメージを与えることを防ぐ。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明によれば、還元炉内で酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造するための方法であって、前記還元炉内に適正なクーリングガスの供給を行うことが可能な方法が、提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示すフローシートである。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示すフローシートである。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示すフローシートである。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示すフローシートである。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示すフローシートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示す。このシステムは、大きく還元セクションＳｒｄと改質セクションＳｒｆとに分けられる。前記還元セクションＳｒｄでは、原料である酸化鉄に還元ガスを接触させて当該酸化鉄を還元することにより還元鉄を製造することが行われる。前記改質セクションＳｒｆでは、プロセスガスの生成及びその改質により改質ガスを生成してこれを前記還元ガスとして前記還元セクションＳｒｄに供給することが行われる。
【００２１】
前記還元セクションＳｒｄは、還元炉１０と、クーリングガス循環部２０と、クーリングガス移送部３０と、を含む。
【００２２】
前記還元炉１０は、酸化鉄を主成分とするペレットの供給を受ける炉頂部１２と、前記還元ガスの供給を受ける中間部１３と、還元炉１０内で生成された還元鉄を排出する炉底部１４と、を含む。前記炉頂部１２には、前記ペレットの供給のためのペレットフィードホッパー１６が接続されるとともに、炉頂ガスの一部を抜き出して前記還元セクションＳｒｆに移送するための炉頂ガス移送ライン１７が接続される。
【００２３】
前記クーリングガス循環部２０は、前記還元炉１０の下部に設定された冷却領域１８を通るように設定された循環路に沿ってクーリングガスを循環させるものであり、具体的には、前記冷却領域１８の下端にクーリングガスを供給するとともにその供給位置よりも上側の位置で当該還元炉１０から還元鉄との熱交換により温度の上昇したクーリングガスを抜き出して循環させる。前記クーリングガス移送部３０は前記クーリングガス循環部２０を循環するクーリングガスの一部を抜き出して前記改質セクションＳｒｆに移送し、前記プロセスガスに混合する。当該クーリングガス循環部２０及びクーリングガス移送部３０については後に詳述する。
【００２４】
前記改質セクションＳｒｆは、改質器４０と、ガス供給部５０と、予熱器６０と、を有する。
【００２５】
前記改質器４０は、前記プロセスガスに天然ガスを混合したフィードガス及び燃料ガスの供給を受けて当該プロセスガスの改質を行う。具体的には、当該改質器４０は、前記フィードガスを受け入れる改質器本体４２と、前記燃料ガスを燃焼させるバーナ４４と、を含み、当該燃料ガスの燃焼により発生した熱で前記改質器本体４２内のフィードガスを加熱することにより改質を行う。前記改質器本体４２は、前記フィードガスの改質により生成された改質ガスを排出する改質ガス排出口を有し、当該還元ガス排出口は還元ガス供給ライン４６を介して前記還元炉１０の前記中間部１３に接続されている。
【００２６】
前記還元ガス供給ライン４６の途中部分には、改質ガス冷却器４８が接続されている。当該改質ガス冷却器４８は、例えばスプレー水冷却器からなり、前記改質器４０から排出される改質ガスであって前記還元ガス供給ライン４６を流れる改質ガスの一部を抜き出して冷却してから当該還元ガス供給ライン４６に戻すことにより、前記還元炉１０内に前記還元ガスとして供給される改質ガスの温度を調整する。また、還元ガス供給ライン４６には適宜、還元ガスの成分の調整のためのメタンガスの供給が行われる。
【００２７】
前記改質器４０の燃焼排ガス側は、シールガス冷却器７０に接続されている。シールガス冷却器７０は、前記改質器４０から抜き出される高温の燃焼排ガスを冷却することにより、適当な温度をもつ酸素成分の少ないシールガスを製造する。このシールガスは、還元炉内への空気の侵入を防止するためのガスとして用いられる。
【００２８】
前記ガス供給部５０は、前記改質器４０に改質器用ガスである前記フィードガス及び前記燃料ガスを供給するものであり、炉頂ガス調整器５２と、プロセスガス圧縮機５３と、燃焼用空気圧縮機５４と、を含む。
【００２９】
前記炉頂ガス調整器５２は、前記還元炉１０の炉頂部１２から前記炉頂ガス抜出ライン１７を通じて送られる前記炉頂ガスを受け入れてその水分含有量の調整及び除塵処理を行う。この実施の形態に係る炉頂ガス調整器５２は、前記炉頂ガスに対して水を噴霧するスクラバにより構成されている。当該炉頂ガス調整器５２は、プロセスガス供給ライン５５及び燃料ガス供給ライン５６を介して前記改質器４０の改質器本体４２及びバーナ４４にそれぞれ接続されており、当該炉頂ガス調整器５２内のガスが前記プロセスガス供給ライン５５及び燃料ガス供給ライン５６を通じてそれぞれプロセスガス及び燃料ガスとして前記炉頂ガス調整器５２から導出される。
【００３０】
前記プロセスガス圧縮機５３は、前記プロセスガス供給ライン５５の途中に設けられ、前記炉頂ガス調整器５２内のガスを昇圧して前記プロセスガスとして吐出する。このプロセスガスは、適当な量の天然ガスの補給を受けた後、当該天然ガスとともにフィードガスとして前記改質器４０に改質ガスの原料として供給される。前記燃焼用空気圧縮機５４は、燃焼用空気を圧縮して前記バーナ４４に供給する。
【００３１】
前記予熱器６０は、前記改質器４０において発生する熱を利用して改質器用ガス、すなわち、前記フィードガス及び前記燃焼用空気、を予熱するための熱交換器である。具体的には、当該予熱器６０は、前記フィードガス（前記プロセスガス圧縮機５３により圧縮されたプロセスガス及びこれに補給された天然ガス）及び前記燃焼用空気圧縮機５４により圧縮された燃焼用空気を前記改質器４０から排出される高温の排ガスと熱交換させることにより、当該フィードガス及び当該燃焼用空気の予熱を行う。
【００３２】
次に、前記クーリングガス循環部２０及び前記クーリングガス移送部３０の詳細について説明する。
【００３３】
前記クーリングガス循環部２０は、クーリングガス循環ライン２２と、クーリングガス冷却器２４と、循環用圧縮機２６と、を含む。
【００３４】
前記クーリングガス循環ライン２２は、前記還元炉１０の下部に設定された冷却領域１８の上端位置から昇温後のクーリングガスを抜き出して当該冷却領域１８の下端位置に再供給するためのクーリングガスのクーリングガス循環路を形成するクーリングガス用配管である。換言すれば、当該クーリングガス循環路は、前記還元炉１０内の冷却領域１８を含む循環路である。
【００３５】
前記クーリングガス冷却器２４は、前記クーリングガス循環ライン２２の途中に設けられ、前記還元炉１０から抜き出された高温のクーリングガスを冷却し、集塵機能を有する。このクーリングガス冷却器２４は、例えば、前記クーリングガスに水を噴霧するスクラバにより構成される。
【００３６】
前記循環用圧縮機２６は、前記クーリングガス冷却器２４の下流側に設けられ、当該クーリングガス冷却器２４により冷却された後のクーリングガスを圧縮して前記還元炉１０内の冷却領域１８に再供給する。前記クーリングガス循環ライン２２には、前記循環用圧縮機２６の下流側の位置で適宜、天然ガスが補給される。
【００３７】
前記クーリングガス移送部３０は、クーリングガス移送ライン３２と、移送用圧縮機３４と、調温装置３５と、除塵装置３６と、を含む。
【００３８】
前記クーリングガス移送ライン３２は、前記クーリングガス循環ライン２２を流れるクーリングガスを適量抜き出して前記改質セクションＳｒｆに移送しかつ前記プロセスガスに混合するためのクーリングガス用配管である。この実施の形態に係るクーリングガス移送ライン３２の上流端は前記クーリングガス循環ライン２２のうち前記クーリングガス冷却器２４の上流側の部位つまり前記還元炉１０と前記クーリングガス冷却器２４との間の部位に接続され、当該クーリングガス移送ライン３２の下流端は、前記プロセスガス供給ライン５５のうち前記プロセスガス圧縮機５３の下流側の部位、詳しくは当該プロセスガス圧縮機５３と前記予熱器６０との間の部位、に接続されている。つまり、当該クーリングガス移送ライン３２は、前記クーリングガス循環ライン２２において前記クーリングガス冷却器２４により冷却される前のクーリングガスを抜き出して前記プロセスガス圧縮機５３により圧縮された後のプロセスガスに混合することが可能となるように、配管されている。
【００３９】
前記移送用圧縮機３４は、前記クーリングガス移送ライン３２の途中に設けられ、前記クーリングガス循環ライン２２から抜き出されたクーリングガスを圧縮して前記プロセスガス供給ライン５５における前記プロセスガス圧縮機５３の下流側に供給する。前記調温装置３５及び前記除塵装置３６は、前記クーリングガス移送ライン３２において前記移送用圧縮機３４の上流側の位置に設けられ、当該移送用圧縮機３４に送られるクーリングガスの冷却処理及び除塵処理をそれぞれ行う。この実施の形態に係る前記調温装置３５は、前記クーリングガスに対して水を噴霧する調温塔により構成され、当該水の噴霧量の調節によって当該クーリングガスの温度が適当な温度に調整される。前記除塵装置３６は、例えばサイクロンにより構成され、前記クーリングガス中に含まれる粉塵（前記ペレットから発生する粉体を含む）を当該クーリングガスから除去して回収する。
【００４０】
次に、このシステムにおいて行われる還元鉄の製造方法を説明する。この方法は、次のプロセス、すなわち１）酸化鉄の還元による還元鉄の生成、２）プロセスガスを含むフィードガスの改質による改質ガスの生成、３）生成された改質ガスをベースとする還元ガスの還元炉への供給、４）クーリングガスの循環、及び５）余剰クーリングガスの抜出及びそのプロセスガスへの混合を含む。
【００４１】
１）酸化鉄の還元による還元鉄の生成
還元セクションＳｒｄにおいて、還元炉１０の炉頂部１２に接続されたペレットフィードホッパー１６から当該炉頂部１２に適宜ペレットが供給されるとともに、当該還元炉１０の中間部分１３に還元ガス（改質器４０により生成された改質ガスをベースとする還元用ガス）が供給される。前記ペレットにその主成分として含まれる酸化鉄は、前記還元ガスと還元炉１０内で接触し、これにより還元されて還元鉄となる。具体的には、前記還元ガスは水素及び一酸化炭素を含み、これらが前記酸化鉄と反応して当該酸化鉄を還元し、これにより還元鉄が生成される。生成された還元鉄は、還元炉１０の下部に設定された冷却領域１８であって前記クーリングガスが供給される領域を通過することにより冷却され、前記還元炉１０の炉底部１４から炉外に排出される。
【００４２】
２）フィードガスの改質による還元ガスの生成
還元セクションＳｒｆのガス供給部５０は、プロセスガスの生成と、当該プロセスガスを含むフィードガス及び燃料ガスの改質器４０への供給と、を行う。当該改質器４０は、前記フィードガスを受け入れるとともに、前記燃料ガスを燃焼させて前記フィードガスを加熱することにより改質ガスを生成する。この改質ガスは前記還元炉１０の中間部分１３に前記還元ガスとして供給される。
【００４３】
具体的には、前記ガス供給部５０の炉頂ガス調整器５２は、前記還元炉１０の炉頂部１２から前記炉頂ガス移送ライン１７を通じて送られた炉頂ガスを受け入れ、これに水を噴霧することによりその水分含有量を調整するとともに除塵処理を行う。この炉頂ガス調整器５２内のガスの一部は、プロセスガスとしてプロセスガス供給ライン５５に抜き出され、プロセスガス圧縮機５３により圧縮されて前記改質器４０の改質器本体４２に向けて圧送される。このプロセスガスには適宜天然ガスが補給され、当該プロセスガスはその補給された天然ガスとともにフィードガスとして前記改質器本体４２に供給される。
【００４４】
また、前記炉頂ガス調整器５２内のガスの一部は、燃料ガス供給ライン５６を通じて燃料ガスとして前記改質器４０のバーナ４４に供給される。前記プロセスガス供給ライン５５には適宜天然ガスが補給され、前記バーナ４４には燃焼用空気圧縮機５４から適宜燃焼用空気が補給される。また、前記プロセスガス５５に天然ガスを混合したフィードガス及び前記燃焼用空気圧縮機５４から補給される燃焼用空気はそれぞれ予熱器６０において改質器４０の排ガスと熱交換することにより予熱される。
【００４５】
前記改質器４０では、改質器本体４２が前記プロセスガスを含む前記フィードガスを受け入れるとともに、バーナ４４が前記燃料ガスを燃焼させることにより前記改質器本体４２内のフィードガスを加熱してその改質を行う。具体的には、改質器本体４２内で前記フィードガス中の炭化水素（主としてメタン）と二酸化炭素及び水とが改質反応することにより水素及び一酸化炭素が生じる。このようにして当該水素及び一酸化炭素を豊富に含む改質ガスが生成される。
【００４６】
３）還元炉への還元ガスの供給
前記改質ガスは還元ガス供給ライン４６を通じて前記還元炉１０の中間部分１３に還元ガスとして給送される。その途中、当該改質ガスの一部は改質ガス冷却器４８に分流して水の噴霧を受けてから前記還元ガス供給ライン４６に戻され、これにより前記還元炉１０に供給される還元ガスの温度が調整されるとともに適宜メタンガスが補給される。
【００４７】
４）クーリングガスの循環
クーリングガス循環部２０は、前記還元炉１０内に設定された冷却領域１８を含む循環路に沿ってクーリングガスを循環させることにより、当該冷却領域１８へのクーリングガスの供給を行う。
【００４８】
具体的には、前記クーリングガス循環ライン２０のクーリングガス循環ライン２２を通じて前記冷却領域１８の下端に供給されたクーリングガスは、当該冷却領域１８を上昇しながら当該冷却領域１８を通過するように下降する還元鉄と熱交換することにより、例えば４００°Ｃ程度まで昇温される一方、前記還元鉄の温度を下げる。換言すれば、当該クーリングガスは前記冷却領域１８における温度を還元鉄の冷却に適した温度範囲に抑えるための媒体として寄与する。
【００４９】
前記のように昇温され冷却領域１８の上端から炉外に導出されたクーリングガスは前記クーリングガス循環ライン２２中のクーリングガス冷却器２４により冷却されてから循環用圧縮機２６により圧縮され、補給天然ガスとともに前記冷却領域１８にクーリングガスとして再供給される。前記クーリングガス冷却器２４は、このように、前記循環用圧縮機２６に送られるクーリングガスを事前に循環用圧縮機２６の運転可能温度まで冷却することにより、当該循環用圧縮機２６の熱によるダメージを軽減する。
【００５０】
前記クーリングガス循環ライン２２に補給される天然ガスの量は多めに設定され、その余剰分が前記クーリングガス循環ライン２２からクーリングガス移送ライン３２を通じて抜き出される。このような多めの天然ガスの補給及び余剰のクーリングガスの抜出が、クーリングガス循環ライン２２を循環するクーリングガスの成分をメタンの多い成分に安定させる。
【００５１】
５）余剰クーリングガスの抜出及び利用
前記のように、クーリングガス循環ライン２２を流れるクーリングガスの余剰分はクーリングガス移送ライン３２に分流し、移送用圧縮機３４により圧縮されてから前記改質セクションＳｒｆのプロセスガス供給ライン５５に送られる。当該圧縮は、前記プロセスガス圧縮機５３により圧縮された後のプロセスガスに前記クーリングガスを合流させることが可能となる圧力まで当該クーリングガスを昇圧させるように、行われる。
【００５２】
この実施の形態では、前記移送用圧縮機３４に送られるクーリングガスが調温装置３５及び除塵装置３６によって事前に冷却処理及び除塵処理される。具体的には、この実施の形態に係る調温装置３５は調温塔であり、前記クーリングガスに対して水を噴霧することによりその温度を降下させる。前記除塵装置３６は、例えばサイクロンからなる場合、前記クーリングガスを旋回させてその遠心力により当該クーリングガスから粉塵（前記ペレットから発生する粉体を含む）を分離、除去する。前記冷却処理は、前記移送用圧縮機３４の熱的ダメージを抑え、前記除塵処理は、前記粉塵が前記移送用圧縮機３４の作動不良を生じさせることを防ぐ。
【００５３】
このようにクーリングガス移送ライン３２に沿って移送されるクーリングガスは、前記プロセスガス供給ライン５５を流れるプロセスガスと混合される。当該クーリングガスは、プロセスガスと同様に天然ガスを多分に含むため、前記プロセスガスに補給されるべき天然ガスの量の節減を可能にする。特に、前記クーリングガス移送ライン３２を流れるクーリングガスの移送量が多い場合には、前記天然ガスの補給を不要にすることも可能である。
【００５４】
前記炉頂ガス調整器５２から導出されるプロセスガスの温度は一般に約７０〜８０°Ｃであって当該プロセスガスは一部ミスト（水滴）を含むが、予熱前の前記プロセスガスへの前記クーリングガスの混合は、当該クーリングガスの保有する熱、換言すれば、前記還元炉１０内でクーリングガスが受け取った還元鉄の顕熱、を有効に利用して、当該プロセスガス中の水分を蒸発させ、あるいは予熱前のプロセスガス中に含まれる水蒸気の再凝縮を防ぎ、これにより、当該水分に起因する関連設備（例えば予熱器６０の配管やダクト）の腐食を有効に抑止することを可能にする。
【００５５】
また、前記各所において補給される天然ガスは一般に硫黄を含むが、前記クーリングガスを構成する天然ガスに含まれる硫黄を前記還元炉１０内の前記還元鉄に吸着させることによって当該クーリングガスの硫黄含有量の低減が可能である。このようにして硫黄成分が除去されたクーリングガスが前記プロセスガスに混合されることにより、当該プロセスガスの硫黄濃度が低減する。前記硫黄は、例えば改質器本体４２の触媒毒となるので、プロセスガスの硫黄含有量の低減は効果的である。しかも、前記プロセスガスに対してこれに添加されるクーリングガスの割合が比較的大きい場合には、当該プロセスガスに補給される天然ガスの前処理である硫黄削減処理の省略または簡略化が可能になる。
【００５６】
また、前記クーリングガス循環ライン２２において前記クーリングガス冷却器２４よりも上流側の位置で適量のクーリングガスを抜き出すことは、前記クーリングガス冷却器２４の熱負荷の軽減を可能にする。特に、前記クーリングガス冷却器２４がスクラバである場合には水に与える熱負荷の軽減が可能であり、このことは、慢性的に水不足の地域で還元鉄の製造を行う場合に特に効果的となる。
【００５７】
ここで、前記適量のクーリングガスは前記天然ガスが補給された後のプロセスガスすなわち前記フィードガスに混合されてもよい。あるいは、当該適量のクーリングガスは予熱器６０により予熱された後のフィードガスに混合されてもよい。しかし、前記予熱器６０により予熱される前のプロセスガス（前記天然ガスの補給を受けてフィードガスを構成するプロセスガスも含む）に前記クーリングガスを混合することは、前記のように当該クーリングガスの保有する熱を利用してプロセスガス中の水分を蒸発させるという効果を生じさせるとともに、当該クーリングガスも予熱器６０で予熱されるため熱回収の観点からも好ましい。
【００５８】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示す。このシステムは、図１に示されるシステムに対してガス分析計４７、制御器３３及び流量調節弁３７が付加されたものである。前記ガス分析計４７は、前記還元ガス供給ライン４６を通じて前記還元炉１０に供給される還元ガスの組成、具体的には当該還元ガスの水素濃度及び一酸化炭素濃度を測定し、これを電気信号に変換して前記制御器３３に入力する。制御器３３は、前記電気信号に基いて前記還元ガス中の水素濃度と一酸化炭素濃度の比（Ｈ２／ＣＯ）を演算し、当該比を予め設定された目標値（還元炉１０内での還元反応に適した比：一般には約１．５）に近づけるためのフィードバック制御を行うべく、前記流量調節弁３７に指令信号を入力する。流量調節弁３７は、前記指令信号に応じてその開度を変化させるように作動する。このようにして、前記ガス分析計４７により測定される組成（Ｈ２／ＣＯ）を適正にするように前記調温装置３５に供給される水の流量つまり余剰クーリングガスに対する水の噴霧量が調節される。
【００５９】
つまり、この第２の実施の形態に係る還元鉄の製造方法は、第１の実施の形態に係る還元鉄の製造方法に含まれるプロセスに加え、還元炉１０に導入される還元ガスの組成を測定することと、その測定された組成に基いて調温装置３５における水の添加量を調節することと、を含む。これらのことは、余剰クーリングガスの冷却のために供給される水を有効に利用して前記還元炉に導入される還元ガスの組成を適正化することを可能にする。
【００６０】
なお、この効果は、前記還元炉１０に供給される改質ガスの成分組成ではなく前記炉頂ガス調整器５２から導出されるプロセスガスの温度及び圧力を測定し、これに基いて当該プロセスガスに含まれる水分量を算定することによっても、成立し得る。還元炉１０内の反応に所望の熱バランスを与えるには、前記のように還元炉１０に供給される還元ガス中の水素濃度と一酸化炭素濃度との比（Ｈ２／ＣＯ）を適正化することが重要であるが、循環するＣＯ２の量は制御できないので、改質器４０に供給される水の量を調節することが、前記比を制御する上で有効である。
【００６１】
図３は、このような観点により創出された第３の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示すものである。このシステムでは、図２に示されるシステムの前記ガス分析計４７に代え、炉頂ガス調整器５２からプロセスガス圧縮機５３を通じて排出される圧縮プロセスガスの温度及び圧力をそれぞれ測定するガス温度計４７Ｔ及びガス圧力計４７Ｐと、測定された温度及び圧力に基いて前記圧縮プロセスガスの推定Ｈ２Ｏ濃度を演算し、その演算したＨ２Ｏ濃度を当該Ｈ２Ｏ濃度の目標値に近づけるフィードバック制御を行うように流量調節弁３７を操作するＨ２Ｏ濃度制御器３３Ｈと、が設けられる。
【００６２】
前記プロセスガス中の水分は、炉頂ガス調整器５２が前記スクラバのような湿式冷却である場合にその下流側のプロセスガス圧縮機５３の吐出側で飽和状態となり、よって当該吐出側ではプロセスガスにほぼ飽和量の水蒸気が含まれていると推定できる。従って、前記Ｈ２Ｏ濃度制御器は、前記推定に基づき、前記プロセスガスの温度及び圧力に基いて当該プロセスガスのＨ２Ｏ濃度を推定演算することが可能であり、その演算したＨ２Ｏ濃度とその目標値との対比に基づくフィードバック制御、具体的には流量調節弁３７の操作による調温装置３５での水の供給流量の調節、によって、前記プロセスガスのＨ２Ｏ濃度を適正化することが可能である。
【００６３】
なお、前記プロセスガスの水分濃度の検出のための手段は、前記の温度及び圧力の測定と、その温度及び圧力に基づく水分濃度の推定演算との組み合わせに限定されない。当該検出は例えば専用の水分濃度センサによって直接行われてもよい。
【００６４】
前記プロセスガスの温度は予め設定された適正な温度範囲内に制御されることが好ましい。当該制御は、スクラバからなる炉頂ガス調整器５２において炉頂ガスに供給される冷却水の温度を調節することにより可能である。例えば、図３に示すように、前記システムが前記冷却水を貯留する冷却水タンク７２と、この冷却水タンク７２内の冷却水を冷却するように回転する冷却ファン７４と、この冷却ファン７４を駆動するモータ７６と、を具備する場合、前記プロセスガスの温度が高温側の許容温度を超える場合に前記冷却ファン７４の回転数を上昇させるように前記モータ７６に指令を入力することにより、前記プロセスガスの温度を適正な範囲まで低下させることが可能である。この制御は、プロセスガスの温度に基づくものに限られず、例えば冷却水そのものの温度の測定に基いて行われてもよい。前記冷却水の冷却手段も前記冷却ファン７４に限られず、例えば当該冷却水と他の冷媒との熱交換により行われてもよい。
【００６５】
以上説明した第２及び第３の実施の形態に係る方法がそれぞれ前記第１の実施の形態に係る方法により得られる効果を同様に得ることが可能であることは、いうまでもない。
【００６６】
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示す。このシステムは、クーリングガス移送ライン３２による余剰クーリングガスの移送先がプロセスガス圧縮機５３の下流側ではなく上流側（つまり炉頂ガス調整器５２とプロセスガス圧縮機５３との間）である点で、図１に示されるシステムと相違する。この場合、前記余剰クーリングガスの昇圧は不要であるため、図１に示される移送用圧縮機３４の省略が可能である。
【００６７】
この第４の実施の形態では、余剰クーリングガスの量にも依るが、前記プロセスガス圧縮機５３に吸入されるガスの温度が上昇するため、これに十分耐え得る仕様をもつ圧縮機を選定することが好ましい。また、この第４の実施の形態においても、前記クーリングガス移送ライン３２には調温装置３５及び除塵装置３６が設けられることが、好ましい。これらによる冷却処理及び除塵処理は、前記プロセスガス圧縮機５３の熱によるダメージの抑止及び余剰クーリングガスに含まれる粉塵に起因するプロセスガス圧縮機５３の作動不良の防止を可能にする。
【００６８】
この第４の実施の形態においても、前記第１の実施の形態により得られる効果が同様に得られる。また、図４に示されるシステムに図２に示されるガス分析計４７（または図３に示されるガス温度計４７Ｔ及びガス圧力計４７Ｐ）、制御器３３（またはＨ２Ｏ濃度制御器３３Ｈ）及び流量調節弁３７を設けて調温装置３５における水の噴霧量を調節することにより、第２の実施の形態と同様に、より適正なシステムの運転を実現することが可能である。
【００６９】
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る還元鉄の製造のためのシステムを示す。この第５の実施の形態は、クーリングガス移送ライン３２による余剰クーリングガスの移送先がプロセスガス供給ライン５５ではなく燃料ガス供給ライン５６であること、つまり、当該余剰クーリングガスを改質器４０に供給される改質器用ガスのうちのプロセスガスではなく燃料ガスに混合すること、において前記第１〜第４の実施の形態と相違する。この場合も、前記第４の実施の形態と同様、余剰クーリングガスの昇圧は不要であるため、図１に示される移送用圧縮機の省略が可能である。さらに、第１〜第３の実施の形態に含まれる調温装置３５も不要であるが、余剰クーリングガスに含まれる粉塵に起因するバーナ４４の作動不良を防ぐためには前記第１〜第４の実施の形態と同様にクーリングガス移送ライン３２に前記クーリングガスの除塵処理を行う除塵装置３６が設けられることが、好ましい。
【００７０】
このように燃料ガスに適量のクーリングガスを混合することは、当該燃料ガスとして補給すべき天然ガスの量の節減を可能にする。また、当該適量のクーリングガスを燃料ガスに混合することとプロセスガスに混合することとが同じシステムにおいて同時に行われてもよい。
【００７１】
前記第１〜第５の実施の形態に含まれる調温装置３５は、適宜省略が可能である。その場合、当該調温装置３５に代えてガス遮断用のダンパーをクーリングガス移送ライン３２に設け、運転異常による過度の昇温時には前記ダンパーを閉めて高温のクーリングガスが移送用圧縮機３４に至るのを阻止することにより、当該移送用圧縮機３４の保護が可能である。この場合、当該移送用圧縮機３４を停止させてその空運転を防ぐことが、より好ましい。また、前記ダンパーも省略して前記移送用圧縮機３４の非常停止のみが実行されてもよい。
【００７２】
前記第１〜第５の実施の形態では、前記クーリングガス冷却器２４により冷却される前のクーリングガスが抜き出されて改質器用ガスに混合されるが、当該クーリングガス冷却器２４により冷却された後のクーリングガスが改質器用ガスに混合されてもよい。例えば、図１〜図５に示されるクーリングガス移送ライン３２に代え、システムのうちクーリングガス循環ライン２２における循環用圧縮機２６の下流側の部位と前記プロセスガス供給ライン５５におけるプロセスガス圧縮機５３の下流側の部位とを接続するクーリングガス移送ラインが設けられて当該循環用圧縮機２６が吐出するクーリングガスが圧縮後のプロセスガスに導入されてもよい。ただし、前記のようにクーリングガス冷却器２４の上流側で適量のクーリングガスを抜き出すことは、当該クーリングガス冷却器２４の熱負荷を下げる（当該クーリングガス冷却器２４がスクラバの場合には水の噴霧量を削減する）ことを可能にするとともに、クーリングガスの保有する熱を利用してプロセスガス中の水分を蒸発させることができる利点がある。
【００７３】
前記第１〜第５の実施の形態に含まれるクーリングガスの多めの補給及び適量のクーリングガスの抜出しによって循環クーリングガスの成分を安定させるという効果は、抜き出した適量のクーリングガスの移送先にかかわらず成立する。例えば、当該適量のクーリングガスが還元ガス供給ライン４６を流れる還元ガスに混合される態様であっても、前記の効果すなわち循環クーリングガスの成分を安定させるという効果は得ることが可能である。換言すれば、本発明は、前記のクーリングガスの成分の安定化という効果に加え、クーリングガスの循環路から抜き出した適量のクーリングガスを改質器用ガスに混合することによって、改質器の運転のために補給しなければならない天然ガスの必要量を節減できるという効果をさらに得ることを可能にするものである。
【符号の説明】
【００７４】
１０    還元炉
１２    還元炉の炉頂部
１３    還元炉の中間部分
１４    還元炉の炉底部
１６    ペレットフィードホッパー
１７    炉頂ガス移送ライン
１８    冷却領域
２０    クーリングガス循環部
２２    クーリングガス循環ライン
２４    クーリングガス冷却器
２６    循環用圧縮機
３０    クーリングガス移送部
３２    クーリングガス移送ライン
３３    制御器
３３Ｈ  濃度制御器
３４    移送用圧縮機
３５    調温装置
３６    除塵装置
３７    流量調節弁
４０    改質器
４２    改質器本体
４４    バーナ
４６    還元ガス供給ライン
４７    ガス分析計
４７Ｐ  ガス圧力計
４７Ｔ  ガス温度計
４８    改質ガス冷却器
５０    ガス供給部
５２    炉頂ガス調整器
５３    プロセスガス圧縮機
５４    燃焼用空気圧縮機
５５    プロセスガス供給ライン
５６    燃料ガス供給ライン
６０    予熱器
【図１】
2017082312.tif 000003
【図２】
2017082312.tif 000004
【図３】
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【図４】
2017082312.tif 000006
【図５】
2017082312.tif 000007