(57)【要約】【課題】還元ガスおよび加炭ガスを連続的に供給して炭素が付加された還元鉄を製造するときに、還元ガスによる酸化鉄の還元反応が加炭ガスによって抑制されることを防ぐことが可能な還元鉄製造装置および還元鉄製造方法を提供する。【解決手段】酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造装置１は、還元ガス導入口８よりも下側に設けられ、還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うための炭素を含有する加炭ガスを空間部５内部に導入するための加炭ガス導入口９を有する本体２と、還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガス取入口１３を有し、当該加炭ガス取入口１３を通して空間部５内部の加炭ガスを含むガスを空間部５の外部へ排出する加炭ガス排出部３とを備えている。【選択図】図１
2017020113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造装置であって、
前記還元鉄製造装置の本体であって、前記原料が収容可能な縦長の空間部と、前記空間部の上側に形成され、前記原料を前記空間部に投入するための原料投入口と、前記空間部の下側に形成され、前記空間部内部の前記還元鉄を外部に排出するための還元鉄排出口と、前記原料投入口よりも下側に設けられ、前記還元ガスを前記空間部内部に導入するための還元ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも下側に設けられ、前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うための炭素を含有する加炭ガスを前記空間部内部に導入するための加炭ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも上側に形成され、前記空間部内部のガスを前記空間部の外部へ排出する上部ガス排出口とを有する本体と、
前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記本体の外部へ排出するための加炭ガス排出部と
を備えており、
前記加炭ガス排出部は、
前記空間部内部において前記還元ガス導入口の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された前記加炭ガスを含むガスを取り入れるための加炭ガス取入口と、
前記本体の外部に配置された当該加炭ガスを含むガスを当該外部へ排出するための加炭ガス排出口と、
前記加炭ガス取入口と前記加炭ガス排出口との間を連通してこれらの間の前記加炭ガスを含むガスの流通を許容する排出路と
を形成する、
還元鉄製造装置。
【請求項２】
前記加炭ガス取入口は、前記還元ガス導入口よりも下側に位置する、
請求項１に記載の還元鉄製造装置。
【請求項３】
前記加炭ガス取入口は、前記加炭ガス導入口よりも下側に位置する、
請求項２に記載の還元鉄製造装置。
【請求項４】
前記加炭ガス排出部は、前記空間部内部の前記還元鉄排出口付近に配置され、
当該加炭ガス排出部は、前記還元鉄を前記空間部の垂直方向に延びる中心線から離れる方向へ整流する中空の整流部と、前記本体の側壁を貫通して当該整流部を前記空間部内部に支持する中空の支持部とを有し、
前記加炭ガス取入口は、前記整流部に形成され、
前記加炭ガス排出口は、前記支持部における前記本体の外部に位置する部分に形成され、
前記排出路は、前記整流部および支持部の内部空間によって形成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
【請求項５】
前記加炭ガス排出部は、水平方向に延びて前記本体の側壁を貫通する直管状の部材によって構成され、
前記加炭ガス取入口は、前記直管状の部材の周壁に形成され、
前記加炭ガス排出口は、前記直管状の部材における前記本体の外部に位置する部分に形成され、
前記排出路は、前記直管状の部材の内部空間によって形成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
【請求項６】
前記加炭ガス排出部は、垂直方向に延びて前記本体の天壁を貫通する直管状の部材よって構成され、
前記加炭ガス取入口は、前記直管状の部材の下端に形成され、
前記加炭ガス排出口は、前記直管状の部材の上部における前記本体の外部に位置する部分に形成され、
前記排出路は、前記直管状の部材の内部空間によって形成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
【請求項７】
前記加炭ガス取入口は、前記空間部の垂直方向に延びる中心線上に配置されている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
【請求項８】
前記加炭ガス取入口は、前記空間部を構成する前記本体の内周面に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
【請求項９】
前記加炭ガス取入口は、下向きに開口している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
【請求項１０】
酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造方法であって、
前記原料を、還元鉄製造用の縦長の空間部の内部へ投入する工程と、
前記空間部に還元ガスを導入して当該還元ガスによって前記酸化鉄を還元して還元鉄を生成する工程と、
前記還元ガスの導入位置よりも低い位置において前記空間部に炭素を含む加炭ガスを導入して当該加炭ガスによって前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うとともに、前記還元ガスの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記空間部の外部へ排出する工程と、
を含むことを特徴とする
還元鉄製造方法。
【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して還元鉄を製造する還元鉄製造装置および還元鉄製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鉱石などの原料に含まれる酸化鉄を還元して鉄を取り出すために、従来では竪型炉（シャフト炉）を用いた直接還元製鉄プロセスが行われる。
【０００３】
特許文献１〜２に記載されるシャフト炉は、縦長の空間部と、当該空間部の上部に形成された鉄鉱石などの原料の原料投入口と、当該空間部の下部に形成された還元処理後の還元鉄を排出する還元鉄排出口を有する。
【０００４】
さらに、シャフト炉は、原料投入口と還元鉄排出口との間に設けられ、酸化鉄を還元する能力を持った還元ガス（例えば、水素や一酸化炭素など）を空間部に供給する還元ガス導入口と、空間部の上部に形成され、当該空間部内部のガスを外部へ排出するガス排出口を有する。ガス排出口には、排気用のポンプが設けられる。
【０００５】
上記のシャフト炉では、鉄鉱石などの原料が当該シャフト炉の上部の原料投入口から空間部へ投入され、空間部内部が原料で密になった状態で、還元ガス導入口から空間部に供給された還元ガスによって鉄鉱石に含まれる酸化鉄が還元されて還元鉄が製造され、還元鉄はシャフト炉の下部の還元鉄排出口から排出される。空間部内部の還元処理後のガスは、空間部上部のガス排出口からポンプによって強制的に空間部から排出される。
【０００６】
近年、シャフト炉では、還元鉄が製造された後に、還元鉄に炭素を添加する加炭処理を行って成分調整をするために、炭素を含む加炭ガス（メタンなど）をシャフト炉に供給することが行われている。加炭ガスを空間部に導入するための加炭ガス導入口は、還元ガス導入口の高さよりも低い位置に配置され、これにより、還元ガスによる還元処理によって得られた還元鉄に対して加炭ガスを吹き付けて加炭処理を施すことが可能である。
【０００７】
空間部内部に導入された還元ガスおよび加炭ガス、ならびに空間部内部の処理で発生したガスは、空間部内部を上昇して、空間部上部のガス排出口から空間部の外部へ強制的に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５３−１６０６号公報
【特許文献２】特公昭５７−１９１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、シャフト炉内の空間部に還元ガスおよび加炭ガスの２種類のガスを導入した場合、加炭ガスがシャフト炉の空間部を上昇して、還元ガス導入口の高さまで到達したときに、当該加炭ガスが、還元ガス導入口から供給される還元ガスが空間部内部で分散することを阻害するおそれがある。
【００１０】
例えば、加炭ガスが空間部を上昇して還元ガス導入口の高さの位置において空間部の中心部（具体的には、空間部の水平断面における中心部）付近に集まっている場合には、還元ガスは当該中心部付近に到達しにくくなり、当該中心部付近における酸化鉄の還元反応が部分的に抑制される。その結果、空間部内部で均一な条件で還元反応が行われないことによって、還元鉄の還元率のばらつきが生じるおそれがある。とくに空間部内部が原料で密になった状態では、還元ガスおよび加炭ガスを空間部内部に送り込むことが難しいので、空間部内部で加炭ガスが存在する領域と還元ガスが存在する領域とが分離しやすくなる。
【００１１】
また、還元ガスによる酸化鉄の還元反応は、シャフト炉の空間部内部の温度が高い方が促進される傾向があるが、加炭ガスの温度（３００度程度）は還元ガスの温度（７００〜９００度程度）よりも通常低いので、加炭ガスが集まる空間部内部の場所では温度が上昇しにくくなり、還元反応が抑制される。
【００１２】
とくに、近年、シャフト炉の大型化、すなわち、炉径を大きくすることが求められているが、炉径が大きくなると、さらに還元ガスがシャフト炉の中心部に到達しにくくなって、上記の現象が顕著に発生する。したがって、炉径を大きくしても、還元ガスがシャフト炉の中心部領域に届く割合を増やすことが重要な課題となっている。
【００１３】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、還元ガスおよび加炭ガスを連続的に供給して炭素が付加された還元鉄を製造するときに、還元ガスによる酸化鉄の還元反応が加炭ガスによって抑制されることを防ぐことが可能な還元鉄製造装置および還元鉄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】
【００１４】
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造装置であって、前記還元鉄製造装置の本体であって、前記原料が収容可能な縦長の空間部と、前記空間部の上側に形成され、前記原料を前記空間部に投入するための原料投入口と、前記空間部の下側に形成され、前記空間部内部の前記還元鉄を外部に排出するための還元鉄排出口と、前記原料投入口よりも下側に設けられ、前記還元ガスを前記空間部内部に導入するための還元ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも下側に設けられ、前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うための炭素を含有する加炭ガスを前記空間部内部に導入するための加炭ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも上側に形成され、前記空間部内部のガスを前記空間部の外部へ排出する上部ガス排出口とを有する本体とを備えており、前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記本体の外部へ排出するための加炭ガス排出部とを備えており、前記加炭ガス排出部は、前記空間部内部において前記還元ガス導入口の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された前記加炭ガスを含むガスを取り入れるための加炭ガス取入口と、前記本体の外部に配置された当該加炭ガスを含むガスを当該外部へ排出するための加炭ガス排出口と、前記加炭ガス取入口と前記加炭ガス排出口との間を連通してこれらの間の前記加炭ガスを含むガスの流通を許容する排出路とを形成する、ことを特徴とする。
【００１５】
かかる構成によれば、還元鉄製造装置は、空間部内部の加炭ガスを含むガスを本体の外部へ排出する加炭ガス排出部を備えている。この加炭ガス排出部は、空間部内部において還元ガス導入口の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガス取入口を通して空間部内部の加炭ガスを含むガスを取り入れ、排出路を通して本体の外部に配置された加炭ガス排出口から本体の外部へ排出することが可能である。これにより、還元ガス導入口から本体の空間部に導入された還元ガスは、当該還元ガスの分散の阻害要因である加炭ガスが低減することによって空間部内部で均一に分散することが可能になり、空間部内部で均一な条件で還元反応が行うことが可能になる。その結果、還元鉄の還元率のばらつきを抑えることが可能である。
【００１６】
前記加炭ガス取入口は、前記還元ガス導入口よりも下側に位置するのが好ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、還元ガス導入口よりも下側の位置で、加炭ガス取入口を通して、加炭ガスを空間部の外部へ排出することが可能になる。これにより、還元ガスの分散に対する加炭ガスの阻害をさらに低減することが可能になり、還元ガスの空間部内部における分散の均一性を向上させることが可能である。
【００１８】
さらに、前記加炭ガス取入口は、前記加炭ガス導入口よりも下側に位置するのが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、加炭ガス導入口よりも下側の位置で、加炭ガス取入口を通して、加炭ガスを多く含んだガスを空間部の外部へ排出することが可能になる。その結果、還元ガスの分散に対する加炭ガスの阻害をより一層低減することが可能になり、還元ガスの空間部内部における分散の均一性をさらに向上させることが可能である。
【００２０】
また、前記加炭ガス排出部は、前記空間部内部の前記還元鉄排出口付近に配置され、当該加炭ガス排出部は、前記還元鉄を前記空間部の垂直方向に延びる中心線から離れる方向へ整流する中空の整流部と、前記本体の側壁を貫通して当該整流部を前記空間部内部に支持する中空の支持部とを有し、前記加炭ガス取入口は、前記整流部に形成され、前記加炭ガス排出口は、前記支持部における前記本体の外部に位置する部分に形成され、前記排出路は、前記整流部および支持部の内部空間によって形成されているのが好ましい。
【００２１】
かかる構成によれば、前記加炭ガス排出部は、空間部内部の還元鉄を空間部の垂直方向に延びる中心線から離れる方向へ整流する中空の整流部を有しているので、空間部内部の加炭ガスを含むガスを本体の外部へ排出する加炭ガス排出部本来の機能を発揮しながら、当該整流部によって還元鉄の流れを還元鉄排出口付近で整える整流インサートとしての機能を発揮することが可能である。これにより、整流インサートを備えた還元鉄製造装置の部品点数の増加を抑えることが可能である。
【００２２】
さらに、前記加炭ガス排出部は、水平方向に延びて前記本体の側壁を貫通する直管状の部材によって構成され、前記加炭ガス取入口は、前記直管状の部材の周壁に形成され、前記加炭ガス排出口は、前記直管状の部材における前記本体の外部に位置する部分に形成され、前記排出路は、前記直管状の部材の内部空間によって形成されていてもよい。
【００２３】
かかる構成によれば、直管状の部材からなる加炭ガス排出部が水平方向に延びて本体の側壁を貫通し、加炭ガス取入口が当該直管状の部材の周壁に形成されているので、空間部内部の加炭ガスを含むガスを当該加炭ガス排出部を通して本体の側部から本体の外部へ排出することが可能であり、当該ガスの排出を本体の天壁よりも低い位置で行うことが可能であり、当該ガスの排出用の配管の設置が容易になる。
【００２４】
さらに、前記加炭ガス排出部は、垂直方向に延びて前記本体の天壁を貫通する直管状の部材よって構成され、前記加炭ガス取入口は、前記直管状の部材の下端に形成され、前記加炭ガス排出口は、前記直管状の部材の上部における前記本体の外部に位置する部分に形成され、前記排出路は、前記直管状の部材の内部空間によって形成されていてもよい。
【００２５】
かかる構成によれば、直管状の部材からなる加炭ガス排出部が垂直方向に延びて本体の天壁を貫通し、加炭ガス取入口が直管状の部材の下端に形成されているので、前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを当該加炭ガス排出部を通して本体の上部から前記空間部の外部へ排出することが可能である。これにより、本体の側方周囲において加炭ガス排出部の設置スペースが不要になり、しかも、空間部内部において加炭ガス排出部が水平方向で占める面積を低減することが可能である。
【００２６】
さらに、前記加炭ガス取入口は、前記空間部の垂直方向に延びる中心線上に配置されているのが好ましい。
【００２７】
かかる構成によれば、空間部の中心部付近を上昇する加炭ガスを加炭ガス取入口によって効果的に空間部外部へ排出することが可能になり、還元ガスは、空間部の中心部付近に到達しやすくなる。よって、還元ガスの空間部内部における均一な分散を確実に行うことが可能になり、空間部内部で均一な条件で還元反応を確実に行うことが可能になる。その結果、還元鉄の還元率のばらつきを確実に抑えることが可能である。
【００２８】
また、前記加炭ガス取入口は、前記空間部を構成する前記本体の内周面に配置されていてもよい。
【００２９】
かかる構成によれば、加炭ガス取入口は、空間部を構成する本体の内周面に配置されているので、配置が容易であり、加炭ガス取入口の個数や大きさを増やすことも容易である。また、加炭ガス排出部が空間部内部に占めるスペースが低減されるので、加炭ガス排出部が空間部内部の原料の流れを阻害するおそれが低減される。
【００３０】
また、前記加炭ガス取入口は、下向きに開口しているのが好ましい。
【００３１】
かかる構成によれば、加炭ガス取入口に還元鉄が入り込むおそれを回避することが可能である。
【００３２】
さらに、本発明の還元鉄製造方法は、酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造方法であって、前記原料を、還元鉄製造用の縦長の空間部の内部へ投入する工程と、前記空間部に還元ガスを導入して当該還元ガスによって前記酸化鉄を還元して還元鉄を生成する工程と、前記還元ガスの導入位置よりも低い位置において前記空間部に炭素を含む加炭ガスを導入して当該加炭ガスによって前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うとともに、前記還元ガスの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記空間部の外部へ排出する工程と、を含むことを特徴とする。
【００３３】
この製造方法によれば、還元ガスの導入位置よりも低い位置において空間部に炭素を含む加炭ガスを導入して当該加炭ガスによって還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うとともに、還元ガスの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて空間部内部の加炭ガスを含むガスを前記空間部の外部へ排出する。これにより、還元ガス導入口から本体の空間部に導入された還元ガスは、当該還元ガスの分散の阻害要因である加炭ガスが低減することによって空間部内部で均一に分散することが可能になり、空間部内部で均一な条件で還元反応が行うことが可能になる。その結果、還元鉄の還元率のばらつきを抑えることが可能である。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、本発明の還元鉄製造装置および還元鉄製造方法によれば、還元ガスおよび加炭ガスを連続的に供給して炭素が付加された還元鉄を製造するときに、還元ガスによる酸化鉄の還元反応が加炭ガスによって抑制されることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態である還元鉄製造装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１の還元鉄製造装置を用いて還元鉄を製造した場合のシャフト炉高さｈと炉中心軸における還元ガス割合ａとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の変形例である還元鉄製造装置の全体構成を示す断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図４の還元鉄製造装置を用いて還元鉄を製造した場合のシャフト炉高さｈと炉中心軸における還元ガス割合ａとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の他の変形例である還元鉄製造装置の全体構成を示す断面図である。
【図８】図７の還元鉄製造装置を用いて還元鉄を製造した場合のシャフト炉高さｈと炉中心軸における還元ガス割合ａとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、図面を参照しながら本発明の還元鉄製造装置および還元鉄製造方法の実施形態についてさらに詳細に説明する。
【００３７】
図１〜２に示される還元鉄製造装置１は、酸化鉄を含む原料Ｐａに還元ガスＧｒを与えることにより当該酸化鉄を還元して還元鉄Ｐｂを生成し、さらに当該還元鉄Ｐｂに炭素を含む加炭ガスＧｃを与えることにより還元鉄Ｐｂに炭素を添加することにより、炭素が添加された還元鉄Ｐｂを製造する装置である。この還元鉄製造装置１は、本体２と、加炭ガス排出部３とを備えている。加炭ガス排出部３は、空間部５内部の加炭ガスを含むガスＧｅ２を本体２の外部へ排出するためのものである。当該加炭ガス排出部３が本体２内部において還元ガスＧｒの導入位置の高さ以下の位置で加炭ガスＧｃの一部を本体２外部に排出することにより、本体２内部における還元ガスＧｒの均一な分散が達成される。還元鉄製造装置１の具体的な構成は以下のとおりである。
【００３８】
本体２は、既存のシャフト炉（竪型炉）が用いられる。具体的には、本体２は、縦長の炉であり、例えば、筒状の側壁２ａと、当該側壁２ａの上端を塞ぐ天壁２ｂとを有しており、縦長でかつ下方に開放された筒体で構成されている。
【００３９】
本体２は、原料Ｐａが収容可能な縦長の空間部５と、当該空間部５に連通する開口として、原料投入口６と、還元鉄排出口７と、還元ガス導入口８と、加炭ガス導入口９と、上部ガス排出口１０と、を有する。
【００４０】
原料投入口６は、粒状の原料Ｐａ（例えば、粒状のペレット）を空間部５に投入するための投入口である。原料投入口６は、空間部５の上側に形成され、例えば、本体２の天壁２ｂを貫通して複数の管が貫通して形成されている。原料Ｐａは、原料投入口６を通して空間部５の内部に密に充填される。
【００４１】
還元鉄排出口７は、空間部５内部の還元鉄Ｐｂ（例えば、粒状のペレット）を当該空間部５の外部に排出するための排出口である。還元鉄排出口７は、空間部５の下側に形成され、例えば、本体２の側壁２ａの下端に開口する下向きの開口によって形成されている。
【００４２】
還元ガス導入口８は、還元ガスＧｒを空間部５内部に導入するための導入口である。還元ガス導入口８は、原料投入口６よりも下側に設けられている。還元ガス導入口８は、例えば、本体２の側壁２ａに少なくとも１つ、具体的には、側壁２ａに沿って等間隔に複数個所に形成されている。還元ガス導入口８には、図示されない還元ガス供給用のポンプが接続されている。還元ガス導入口８から空間部５内部に導入された還元ガスＧｒによって、空間部５内部の原料Ｐａに含まれる酸化鉄が還元されて還元鉄Ｐｂが生成される。
【００４３】
加炭ガス導入口９は、加炭ガスＧｃを空間部５内部に導入するための導入口である。加炭ガスＧｃは、上記の酸化鉄の還元反応で得られた還元鉄Ｐｂに炭素を加える加炭処理を行うためのガスであり、炭素を含有する。加炭ガス導入口９は、還元ガス導入口８よりも下側に設けられている。加炭ガス導入口９も、上記還元ガス導入口８と同様に、例えば、本体２の側壁２ａに少なくとも１つ、具体的には、側壁２ａに複数個所に形成されている。加炭ガス導入口９には、図示されない加炭ガス供給用のポンプが接続されている。
【００４４】
上部ガス排出口１０は、空間部５内部のガスＧｅ１を空間部５の外部へ排出する排出口である。上部ガス排出口１０は、還元ガス導入口８よりも上側に形成され、例えば、原料投入口６近くの本体２の側壁２ａに形成されている。上部ガス排出口１０には、図示されない排気用のポンプが接続されている。上記の空間部５内部のガスＧｅ１は、例えば、空間部５内部に導入された還元ガスＧｒおよび加炭ガスＧｃ、ならびに空間部５内部の処理で発生したガスなどを含んでおり、ガスＧｅ１は、空間部５内部を上昇して、上部ガス排出口１０から空間部５の外部へ強制的に排出される。
【００４５】
加炭ガス排出部３は、空間部５内部の加炭ガスを含むガスＧｅ２を本体２の外部へ排出するために、加炭ガス取入口１３と、加炭ガス排出口１４と、排出路２４とを形成する。加炭ガス取入口１３は、加炭ガスを含むガスＧｅ２を取り入れるための開口であり、還元ガス導入口８の高さ以下の位置に配置されている。加炭ガス排出口１４は、当該加炭ガスを含むガスを本体２の外部へ排出するための開口であり、本体２の外部に配置されている。排出路２４は、加炭ガス取入口１３と加炭ガス排出口１４との間を連通してこれらの間の加炭ガスを含むガスの流通を許容する。
【００４６】
本実施形態の加炭ガス排出部３は、空間部５内部の還元鉄排出口７付近に配置され、還元鉄Ｐｂの流れを還元鉄排出口７付近で整える整流用インサートとして機能するように構成されている。具体的には、この加炭ガス排出部３は、還元鉄Ｐｂを空間部５の垂直方向に延びる中心線Ｃから離れる方向へ整流する中空の整流部１１と、本体２の側壁２ａを貫通して当該整流部１１を空間部５内部に支持する中空の支持部１２とを有する。
【００４７】
整流部１１は、中空体であり、上方に突出する円錐状の上部分と下方に突出する円錐状の下部分とを垂直方向に重ね合わせた形状、すなわち、上端から下へ向かうにつれて横幅が大きくなり、最大の横幅になった位置からさらに下へ向かうにつれて横幅が小さくなる形状であり、いわば紡錘形状を有する。空間部５の内部を下降する粒状の還元鉄Ｐｂは、整流部１１の上部分によって空間部５の径外方向へ分散され、空間部５の垂直方向に延びる中心線Ｃから離れる方向へ整流される。その後、還元鉄Ｐｂは、当該整流部１１の下部分とシャフト炉からなる本体２の内壁との間に形成された環状の隙間を通って還元鉄排出口７から排出される。
【００４８】
本実施形態の加炭ガス取入口１３は、整流部１１に形成され、具体的には、整流部１１の下端部において下向きに開口するように形成されている。この加炭ガス取入口１３は、還元ガス導入口８および加炭ガス導入口９の両方よりも下側に位置している。しかも、加炭ガス取入口１３は、空間部５の垂直方向に延びる中心線Ｃ上に配置されている。
【００４９】
加炭ガス取入口１３の高さ位置は、還元ガス導入口８の高さ位置と同じかそれより低ければよい。このような高さ位置であれば、加炭ガス取入口１３を通して、還元ガス導入口８の高さ以下の位置で空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを空間部５の外部へ排出し、それによって、還元ガスＧｒが空間部５内部で分散することを加炭ガスＧｃによって阻害されることを低減することが可能である。
【００５０】
中空の支持部１２は、中空のパイプなどからなり、整流部１１の周囲に複数個所配置されている。
【００５１】
加炭ガス排出口１４は、これらの支持部１２における本体２の外部に位置する部分（具体的には、外側端部）に形成されている。加炭ガス排出口１４は、図示されない排気用のポンプに接続されている。
【００５２】
整流部１１の内部空間と支持部１２の内部空間とは連通している。これらの整流部１１および支持部１２の内部空間によって、加炭ガス取入口１３と加炭ガス排出口１４との間を連通して加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２の流通を許容する排出路２４が形成されている。
【００５３】
なお、加炭ガス取入口１３は、加炭ガス導入口９から空間部５内部に導入された加炭ガスＧｃが当該加炭ガス取入口１３に到達するまでに還元鉄Ｐｂに炭素を添加する反応を完了するための距離を確保するために、加炭ガス導入口９から当該距離以上離れた位置に配置されているのが好ましい。
【００５４】
上記のシャフト炉からなる本体２の空間部５の内部では、鉄鉱石などの原料Ｐａは、空間部５上部の原料投入口６から空間部５内部に投入され、当該空間部５の内部を当該原料Ｐａが密集した状態で徐々に下降して、還元処理および加炭処理が施された後に還元鉄Ｐｂとして空間部５下部の還元鉄排出口７から排出される。一方、空間部５の内部に供給された還元ガスＧｒは、空間部５の内部を上昇して空間部５の上部の上部ガス排出口１０から他のガスとともに排気ガスＧｅ１として外部へ排出される。すなわちシャフト炉（本体２）内では、下降する原料Ｐａと上昇する還元ガスＧｒとがいわば対向流を形成するので、当該原料Ｐ１と還元ガスＧｒとの間で効率的な熱交換を実現している。
【００５５】
つぎに、上記構成を有する還元鉄製造装置１を用いた還元鉄製造方法について説明する。
【００５６】
本実施形態の還元鉄製造方法では、酸化鉄を含む原料Ｐａに還元ガスＧｒを与えることにより当該酸化鉄を還元して還元鉄Ｐｂを生成し、さらに当該還元鉄Ｐｂに炭素を含む加炭ガスＧｃを与えることにより還元鉄Ｐｂに炭素を添加することにより、炭素が添加された還元鉄Ｐｂを製造する。
【００５７】
具体的には、まず、酸化鉄を含む原料Ｐａを、還元鉄製造用のシャフト炉からなる本体２の縦長の空間部５の内部へ投入する。具体的には、原料Ｐａを原料投入口６から空間部５の内部に投入する。空間部５の内部は、原料Ｐａである酸化鉄を含む鉄鉱石などのペレットが満たされた状態になっている。原料Ｐａは、空間部５の内部を満たした状態で、空間部５の下側の還元鉄排出口７から還元鉄Ｐｂが排出されるにしたがって、空間部５の内部を徐々に下降していく。
【００５８】
そして、原料Ｐａが空間部５の内部に満たされた状態で、空間部５に水素（Ｈ２）や一酸化炭素（ＣＯ）などの還元ガスＧｒを還元性導入口８から導入する。還元ガスＧｒは、酸化鉄の還元反応が可能な温度（５００〜６００度）以上の温度（例えば、７００〜９００度）の状態で、ポンプなどによって圧力（例えば０．３〜０．４ＭＰａ程度）をかけて原料Ｐａが満たされた空間部５の内部に供給される。当該還元ガスＧｒによって、酸化鉄（具体的にはＦｅ２Ｏ３）は還元されて、還元鉄Ｐｂ（例えば、重量比ではＦｅが９０％以上のもの）が生成される。
【００５９】
このとき、還元ガスＧｒの導入位置（すなわち、還元ガス導入口８）よりも低い位置（すなわち、加炭ガス導入口９）において空間部５に炭素を含む加炭ガスＧｃを導入して当該加炭ガスＧｃによって還元鉄Ｐｂに炭素を加える加炭処理を行う。
【００６０】
加炭ガスＧｃは、炭素を含むガスであり、例えば、メタン（ＣＨ４）などが加炭ガスＧｃとして用いられる。加炭ガスＧｃは、上記の還元ガスＧｒの温度よりも低い温度（例えば３００度程度）の状態で、ポンプなどによって圧力（例えば０．３〜０．４ＭＰａ程度）をかけて原料Ｐａが満たされた空間部５の内部に供給される。
【００６１】
上記のように加炭処理を行うとともに、還元ガスＧｒの導入位置よりも低い位置にある加炭ガス取入口１３から空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを空間部５の外部へ排出する。このように空間部５内部の加炭ガスＧｃが減少することによって、還元ガスＧｒの分散に対する加炭ガスＧｃの阻害が低減する。よって、還元ガス導入口８から本体２の空間部５に導入された還元ガスＧｒは、空間部５内部で均一に分散することが可能になり、空間部５内部で均一な条件で還元反応が行うことが可能になる。その結果、還元鉄Ｐｂの還元率のばらつきを抑えることが可能である。
【００６２】
加炭処理によって炭素が添加された還元鉄Ｐｂは、空間部５の下側の還元鉄排出口７から順次排出される。
【００６３】
以上のように、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を加炭ガス取入口１３から抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合と、当該ガスＧｅ２を抜かないで還元鉄製造方法を実施した場合とを数値流体解析（解析手法は後段で詳述する）を用いて比較した結果を図３のグラフに示す。この図３のグラフは、以下の表１に示されるガス条件の下で数値流体解析を行った結果が示されている。
【００６４】
【表１】
2017020113.tif 000003
【００６５】
上記の図３のグラフによれば、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を加炭ガス取入口１３から所定の圧力（０．３５ＭＰａ）で抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合（曲線Ｌ１２）の炉中心軸（具体的には、図１の空間部５の中心線Ｃ）における還元ガス割合ａは、当該加炭ガス取入口１３からガスＧｅ２を抜かない場合（曲線Ｌ１１）と比較して、シャフト炉（すなわち、本体２）の高さｈの全体にわたって、約４倍程度向上していることがわかる。
【００６６】
（本実施形態の特徴）
（１）
本実施形態の還元鉄製造装置１は、空間部５内部の加炭ガスを含むガスＧｅ２を本体２の外部へ排出するための加炭ガス排出部３を備えている。この加炭ガス排出部３は、空間部５内部において還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガスを含むガスＧｅ２を取り入れるための加炭ガス取入口１３と、本体２の外部に配置された当該加炭ガスを含むガスＧｅ２を当該外部へ排出するための加炭ガス排出口１４と、加炭ガス取入口１３と加炭ガス排出口１４との間を連通してこれらの間の加炭ガスを含むガスＧｅ２の流通を許容する排出路２４とを形成する。
【００６７】
さらに、本実施形態の還元鉄製造方法は、還元ガスＧｒの導入位置よりも低い位置において空間部５に炭素を含む加炭ガスＧｃを導入して当該加炭ガスＧｃによって還元鉄Ｐｂに炭素を加える加炭処理を行うとともに、還元ガスＧｒの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを空間部５の外部へ排出する工程を含む。
【００６８】
これらの本実施形態の還元鉄製造装置１および還元鉄製造方法によれば、加炭ガス排出部３は、空間部５内部において還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガス取入口１３を通して、空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを取り入れ、排出路２４を通して本体２の外部に配置された加炭ガス排出口１４から本体２の外部へ排出することが可能である。したがって、還元ガスＧｒの導入位置の高さ以下の位置で加炭ガス取入口１３から空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを空間部５の外部へ排出するので、還元ガス導入口８から本体２の空間部５に導入された還元ガスＧｒは、当該還元ガスＧｒの分散の阻害要因である加炭ガスＧｃが低減することによって空間部５内部で均一に分散することが可能になり、空間部５内部で均一な条件で還元反応が行うことが可能になる。その結果、還元鉄Ｐｂの還元率のばらつきを抑えることが可能である。これにより、空間部５を大きくしても加炭ガス排出部３の加炭ガス排出機能によって還元ガスＧｒの均一な分散が担保されているので、シャフト炉からなる本体２の大型化が可能になり、それによって還元鉄の生産性の増大可能になる。
【００６９】
（２）
本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、還元ガス導入口８よりも下側に位置するので、当該加炭ガス取入口１３を通して、加炭ガスＧｃを空間部５の外部へ排出することが可能になる。これにより、還元ガスの分散に対する加炭ガスＧｃの阻害をさらに低減することが可能になり、還元ガスＧｒの空間部５内部における分散の均一性を向上させることが可能である。
【００７０】
（３）
本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス取入口１３が加炭ガス導入口９よりも下側に位置するので、当該加炭ガス取入口１３を通して、加炭ガスＧｃを多く含んだガスを空間部５の外部へ排出することが可能になる。その結果、還元ガスＧｒの分散に対する加炭ガスＧｃの阻害をより一層低減することが可能になり、還元ガスＧｒの空間部５内部における分散の均一性をさらに向上させることが可能である。
【００７１】
（４）
本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス排出部３は、空間部５内部の還元鉄Ｐｂを空間部５の垂直方向に延びる中心線Ｃから離れる方向へ整流する中空の整流部１１を有しているので、空間部５内部の加炭ガスを含むガスＧｅ２を本体２の外部へ排出する加炭ガス排出部本来の機能を発揮しながら、当該整流部１１によって還元鉄Ｐｂの流れを還元鉄排出口７付近で整える整流用インサートとしての機能を発揮することが可能である。これにより、整流インサートを備えた還元鉄製造装置１の部品点数の増加を抑えることが可能である。
【００７２】
（５）
本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス取入口１３は、空間部５の中心線Ｃ上に配置されている。これにより、空間部５の中心部付近を上昇する加炭ガスＧｃを加炭ガス取入口１３によって効果的に空間部５外部へ排出することが可能になり、還元ガスＧｒは、空間部５の中心部付近に到達しやすくなる。よって、還元ガスＧｒの空間部５内部における均一な分散を確実に行うことが可能になり、空間部５内部で均一な条件で還元反応を確実に行うことが可能になる。その結果、還元鉄Ｐｂの還元率のばらつきを確実に抑えることが可能である。
【００７３】
しかも、空間部５の中心付近の加炭ガスＧｃを加炭ガス取入口１３から空間部５の外部へ排出するので、空間部５を大きくしても空間部５の中心付近へ還元ガスＧｒが到達しやすくなり、還元ガスＧｒの均一な分散が確実に達成される。これにより、本体２（具体的には、シャフト炉）の大型化が可能になり、それによって還元鉄の生産性の増大可能になる。
【００７４】
（６）
本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス取入口１３は、下向きに開口しているので、加炭ガス取入口１３に還元鉄Ｐｂが入り込んで当該加炭ガス取入口１３を詰まらせるおそれを回避することが可能である。
【００７５】
（７）
本実施形態の還元鉄製造装置１では、加炭ガスＧｃを炉外に排出するために、図１に示されるように、整流用インサートして機能する整流部１１を有する加炭ガス排出部３が用いられている。この加炭ガス排出部３の下端には、加炭ガス取入口１３が設けられている。したがって、加炭ガス導入口９から炉内に導入された加炭ガスＧｃは、炉内を下降して当該排出部３の下端の加炭ガス取入口１３から当該排出部３の内部に取り入れられ、当該排出部３を通して、炉外に排出される。加炭ガスＧｃは、加炭ガス取入口１３に向けて下降する間に、還元ガスＧｒと混合し、それとともに還元ガスＧｒおよび還元鉄Ｐｂからの熱を吸収して７００℃以上に加熱される。これにより、還元ガスＧｒに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）から炭素（Ｃ）が分離する反応、および加炭ガスＧｃに含まれるメタン（ＣＨ４）が炭素と水素（Ｃ＋２Ｈ２）に分離する反応が促進される。その結果、還元鉄Ｐｂの炭素含有量（すなわちカーボン量）を増やすことが可能である。また、加炭ガスＧｃは上記のように炉内で加熱されるので、炉外で加熱するための熱交換器などが不要になる。
【００７６】
以下、上記のカーボン量増加のメカニズムについて詳細に説明する。
【００７７】
図１に示される本体２を構成するシャフト炉内で進行しているカーボン発生反応は、主に表２に示された３種の反応である。
【００７８】
【表２】
2017020113.tif 000004
【００７９】
表２に示されたブドアール（Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ）反応およびベッグス（Ｂｅｇｇｓ）反応は、いずれも発熱反応であり、５００℃〜７５０℃程度の中低温域で進行し、６００〜７００℃の温度域では特に迅速に進行する。ここでいう「ベッグス（Ｂｅｇｇｓ）反応」とは、Ｈ２およびＣＯの混成ガスによる浸炭反応であって、一酸化炭素から炭素および二酸化炭素を生成する反応のことをいう。
【００８０】
メタンクラッキング（Ｍｅｔｈａｎｅ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ）反応は、吸熱反応であり、５００℃以上の温度域で進行し、７００℃以上の高温域で特に迅速に進行する。よって、還元鉄を高カーボン化するためには６００〜７００℃程度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）がリッチな中低温ガス、もしくは７００℃以上のメタン（ＣＨ４）がリッチな高温ガスと長時間接触させることが望ましい。ただし、ＣＯおよびＨ２によるガス還元速度は温度が低下するにつれて遅くなるため、前者のＣＯおよびＨ２がリッチな中低温ガスを還元ガスとして用いると必要な滞留時間が増大する。そのために還元炉を大型化する必要がある。また、後者の７００℃以上のＣＨ４がリッチな高温ガスと接触させる方法においては、７００℃以上のＣＨ４ガスを作成することに大きな障害がある。なぜならば、ＣＨ４ガスを加熱するための熱交換器を構成する鉄材（ステンレス材等のクロム含有材も含む）近傍でカーボン生成が起こると炭化反応（Ｆｅ→Ｆｅ３Ｃ、Ｃｒ→Ｃｒ２３Ｃ６）が進行し、鉄材(あるいはクロム含有材)が腐食されるためである。(このような鉄の炭化反応による腐食を浸炭反応、クロムの炭化反応による粒界腐食をメタルダスティングと呼ぶ)。よって、シャフト炉外部で熱交換器等を用いてメタンの温度を７００℃以上にすることは難しく、シャフト炉内の固体（還元鉄など）の顕熱を用いて７００℃以上に上昇させる必要がある。
【００８１】
カーボン量を向上させるためにはブドアール反応、ベッグス反応およびメタンクラッキング反応のうちいずれかの反応が優位に進行する環境にする必要がある。しかし、いずれの反応を用いる場合であっても、カーボン量をより増加させるためにはガス中の水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）の含有率を下げる必要がある。なぜならば、表３に示されるように、９００℃以上の高温の環境下では、カーボンを消失する反応であるソリューションロス（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｌｏｓｓ）反応およびウォーターガス（Ｗａｔｅｒ  Ｇａｓ）反応が活性化して、カーボンの増加を阻害するためである。７００℃程度の中低温域ではこれらのカーボン消失反応の進行速度は緩やかであるが、より高いカーボン量を得るためには、中低温域においても水蒸気および二酸化炭素を除去する方が望ましい。ソリューションロス反応およびウォーターガス反応は、それぞれブドアール反応およびベッグス反応の逆反応であり、吸熱反応である。
【００８２】
【表３】
2017020113.tif 000005
【００８３】
そこで、還元鉄のカーボン量を向上させるための方法として、シャフト炉の中央部あるいは底部に、還元ガス（ＣＯ＋Ｈ２）および加炭ガス（例えば、ＣＨ４を主成分とする天然ガス）を混合したガスを供給することが考えられる。この方法では、上記の還元ガスおよび加炭ガスの混合比を調整することにより、７００℃程度で、しかも、ブドアール反応およびベッグス反応の発熱量とメタンクラッキング反応の吸熱量が釣り合う条件に調整する。これによって、それぞれの反応が進行しても７００℃程度の温度を保つことが可能となり、ブドアール反応、ベッグス反応、およびメタンクラッキング反応が全て良好に進行する条件となる。その結果、還元鉄の大幅なカーボン量の増加が可能になると考えられる。
【００８４】
例えば、還元ガス（ＣＯ＋Ｈ２）および加炭ガス（ＣＨ４を主成分とする天然ガス）を混合して、７００℃程度でシャフト炉に供給する場合を考える。この時、初期の段階では、ＣＨ４を用いたメタンクラッキング反応（吸熱反応）が進行することで７００℃未満まで炉内のガスの温度が低下する。しかし、炉内のガスの温度が６００℃台となるとブドアール反応およびベッグス反応（発熱反応）が（メタンクラッキング反応よりも）優位となるため、発熱により環境温度は７００℃まで戻ろうとする。すなわち、ブドアール反応およびベッグス反応を進行させるのに十分な低温ガスであり、なおかつ、メタンクラッキング反応が進行するのに十分な高温ガスを作成することが可能となる。これにより、還元ガスと加炭ガスの混合ガスの流量を増やすことで、製品となる還元鉄中のカーボン量を大幅に増加させることが可能である。
【００８５】
ここで、ガスの種類による還元鉄のカーボン量の違いを比較するために、３種類のガス、すなわち、還元ガスのみ、天然ガスのみ、およびこれら還元ガスおよび天然ガスの混合ガスを、それぞれシャフト炉に導入して還元鉄と反応させた場合で比較する。なお、還元ガスのみ、天然ガスのみ、およびこれら還元ガスおよび天然ガスの混合ガスのそれぞれの組成は、表６〜８の初期状態に示される通りである。
【００８６】
上記の３つの反応（ブドアール反応、ベッグス反応、およびメタンクラッキング反応）によって還元鉄に生成されるカーボン量（すなわち、生成カーボン量）は、平衡組成から検討される。すなわち、還元ガス、天然ガス、還元ガスと天然ガスとの混合ガスを放置した際に最終的に得られる生成カーボン量を、平衡定数から算出できる。なお、平衡組成を計算するにあたっては全ての化学種が含まれるようにブドアール反応、ベッグス反応、およびメタンクラッキング反応が平衡となる時の組成を求めた。また、圧平衡定数のフィッティング式は表４の式が用いられる。
【００８７】
【表４】
2017020113.tif 000006
【００８８】
シャフト炉を用いた直接還元製鉄プロセス（例えば、Ｍｉｄｒｅｘ（登録商標）プロセス）における炭化ガスの典型的な条件である７００℃、０．２５ＭＰａでの還元ガス、天然ガス、還元ガスと天然ガスの混合ガスについて生成するカーボン量を計算した結果を表５に示す。
【００８９】
【表５】
2017020113.tif 000007
【００９０】
上記３種のガスについては、公平性を考慮し、ガス量は一律１０００Ｎｍ３とした。また、それぞれのガスについての個別の計算結果については、表６〜８に示した。
【００９１】
【表６】
2017020113.tif 000008
【００９２】
【表７】
2017020113.tif 000009
【００９３】
【表８】
2017020113.tif 000010
【００９４】
表５に示されるように、還元ガスのみの場合ではブドアール反応およびベッグス反応（発熱反応）により、７００℃以上まで温度が上昇するため、すぐにブドアール反応、ベッグス反応が進行しなくなり、生成カーボン量は１．９ｋｍｏｌにしかならない。また、天然ガスのみの場合についてもメタンクラッキング反応（吸熱反応）により、６００℃以下まで温度が低下するため、すぐにメタンクラッキング反応が進行しなくなり、生成カーボン量は５．８ｋｍｏｌにしかならない。一方、還元ガスと天然ガスを流量比１：１で混合した混合ガスではブドアール反応とベッグス反応による発熱量とメタンクラッキング反応による吸熱量が相殺しあうため、平衡時でも温度が６１５℃であり、平衡状態においてもなお、ブドアール反応、ベッグス反応およびメタンクラッキング反応が進行する温度を保っている。したがって、この混合ガスにおいてはではブドアール反応およびベッグス反応（発熱反応）が優位に進行しながらも、メタンクラッキング反応（吸熱反応）も促進されるので、生成カーボン量が１４．７ｋｍｏｌまで大幅に増加する。以上より、還元ガスと天然ガスの混合ガスを還元鉄と接触させることによって、カーボン量を増加させることが可能であることを、定量的に確認できた。
【００９５】
本実施形態の還元鉄製造装置１では、図１に示されるように、整流インサートして機能する加炭ガス排出部３の下端の加炭ガス取入口１３からシャフト炉（図１の本体２）の内部のガスを抜き出すことにより、上記の還元ガスと加炭ガスとの混合を行うことが可能である。すなわち、加炭ガス導入口９から供給された加炭ガス（例えばＣＨ４を主成分とする天然ガス）と還元ガス導入口８から供給された還元ガスは、シャフト炉の底部で混合されながら上記の加炭ガス取入口１３を通して炉外へ抜き出される。このとき、炉内に導入される還元ガスおよび加炭ガスのそれぞれの温度および流量、ならびに加炭ガス排出部３から抜き出されるガスの流量を調整することによって、シャフト炉底部で混合されたガスの温度および組成をブドアール反応、ベッグス反応、およびメタンクラッキング反応の全てが同時に進行するガスを作成することが可能である。これは、還元ガスと加炭ガスを混合してシャフト炉底部に供給する方法と同じように還元鉄のカーボン量の増加の効果が可能である。しかも、当該カーボン量の調整を行うことが可能になる。
【００９６】
（変形例）
（Ａ）
上記実施形態では、本発明の加炭ガス排出部の一例として、図１に示される還元鉄Ｐｂの流れを整える整流用インサートとして機能する整流部１１を有する加炭ガス排出部３を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の加炭ガス排出部は、還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガス取入口と、当該加炭ガス取入口を通して空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを本体２の外部へ排出するための排出路および加炭ガス排出口とを有する加炭ガス排出部であれば、いかなる形態であってもよい。
【００９７】
例えば、本発明の還元鉄製造装置１の変形例として、図４〜５に示されるように、従来より用いられる整流用インサート２３（具体的には、上記の整流部１１および支持部１２を有する外部から閉じられた中空体の構造（すなわち、上記加炭ガス取入口１３および加炭ガス排出口１４を有していない構造））とは別に、加炭ガス排出部１５は、水平方向に延びて本体２の側壁２ａを貫通する直管状の部材によって構成されていてもよい。図４〜５に示される還元鉄製造装置１のその他の構成は、図１〜２に示される還元鉄製造装置１の構成と同じである。
【００９８】
加炭ガス排出部１５は、還元ガス導入口８と加炭ガス導入口９との間の高さ位置に配置されている。
【００９９】
直管状の部材によって構成された加炭ガス排出部１５は、上記の加炭ガス排出部３（図１参照）と同様に、加炭ガス取入口１６と、加炭ガス排出口１７と、排出路２５とを形成する。
【０１００】
すなわち、図４〜５に示される加炭ガス取入口１６は、加炭ガス排出部１５を構成する直管状の部材の周壁において下向きに開口するように形成されている。加炭ガス取入口１６は、上記の加炭ガス取入口１３（図１参照）と同様に、還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置されている。具体的には、この加炭ガス取入口１６は、還元ガス導入口８よりも下側に位置している。しかも、加炭ガス取入口１６は、空間部５の中心線Ｃ上に配置されている。
【０１０１】
加炭ガス排出口１７は、加炭ガス排出部１５を構成する直管状の部材における本体２の外部に位置する部分（具体的には、外側の両端部）に形成されている。加炭ガス排出口１７は、図示されない排気用のポンプに接続されている。
【０１０２】
排出路２５は、加炭ガス排出部１５を構成する直管状の部材の内部空間によって形成されている。加炭ガス取入口１６から加炭ガス排出部１５の内部に導入された加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２は、加炭ガス排出部１５の内部の排出路２５を通って、当該加炭ガス排出部１５の両端の加炭ガス排出口１７を通して本体２の外部へ排出される。
【０１０３】
図４〜５の変形例によれば、直管状の部材からなる加炭ガス排出部１５が水平方向に延びて本体２の側壁２ａを貫通し、加炭ガス取入口１６が当該直管状の部材の周壁に形成されているので、加炭ガス排出部１５を通して空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を本体２の側部から本体２の外部へ排出することが可能である。よって、当該ガスの排出を本体２の天壁よりも低い位置で行うことが可能であり、当該ガスＧｅ２の排出用の配管の設置が容易になる。
【０１０４】
また、図４の加炭ガス排出部１５は、上記図１の加炭ガス排出部３と同様に、上記の特徴（１）〜（２）および（５）〜（６）の作用効果も奏することが可能である。
【０１０５】
図４〜５に示される横方向に延びるパイプからなる加炭ガス排出部１５を採用した変形例についても、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を加炭ガス取入口１３から抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合と、当該ガスＧｅ２を抜かないで還元鉄製造方法を実施した場合とを数値流体解析（解析手法は後段で詳述する）を用いて比較した結果を図６のグラフに示す（ガス条件は上記の表１参照）。
【０１０６】
上記の図６のグラフによれば、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を図４に示される加炭ガス取入口１６から所定の圧力（０．３ＭＰａ）で抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合（曲線Ｌ２２）の炉中心軸における還元ガス割合ａは、当該加炭ガス取入口１６から抜かない場合（曲線Ｌ２１）と比較して、シャフト炉（本体２）の高さｈの全体にわたって、約２〜３倍程度向上していることがわかる。
【０１０７】
（Ｂ）
本発明の還元鉄製造装置１の他の変形例として、図７に示されるように、加炭ガス排出部１８は、垂直方向に延びて本体２の天壁２ｂを貫通する直管状の部材によって構成されていてもよい。図７に示される還元鉄製造装置１のその他の構成は、図１〜２に示される還元鉄製造装置１の構成と同じである。
【０１０８】
直管状の部材によって構成された加炭ガス排出部１８は、上記の加炭ガス排出部３（図１参照）と同様に、加炭ガス取入口１９と、加炭ガス排出口２０と、排出路２６とを形成する。この加炭ガス排出部１８は、本体２の天壁２ｂを貫通して空間部５の中心線Ｃに沿って配置されている。
【０１０９】
加炭ガス取入口１９は、加炭ガス排出部１８を構成する直管状の部材の下端に形成されている。加炭ガス取入口１９は、空間部５の中心線Ｃ上において還元ガス導入口８と加炭ガス導入口９との間の高さ位置に配置されている。
【０１１０】
加炭ガス排出口２０は、加炭ガス排出部１８を構成する直管状の部材の上部における本体２の外部に位置する部分（具体的には、上端）に形成されている。加炭ガス排出口２０は、図示されない排気用のポンプに接続されている。排出路２６は、当該直管状の部材の内部空間によって形成されている。
【０１１１】
加炭ガス取入口１９から加炭ガス排出部１８内部に導入された加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２は、加炭ガス排出部１８の排出路２６を通って、当該加炭ガス排出部１５の上端の加炭ガス排出口２０を通して本体２の外部へ排出される。
【０１１２】
図７の変形例によれば、直管状の部材からなる加炭ガス排出部１８が垂直方向に延びて本体２の天壁２ｂを貫通し、加炭ガス取入口１９が直管状の部材の下端に形成されているので、加炭ガス排出部１８を通して空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを本体２の上部から空間部５の外部へ排出することが可能である。これにより、本体２の側方周囲において加炭ガス排出部１８の設置スペースが不要になり、しかも、空間部５内部において加炭ガス排出部１８が水平方向で占める面積を低減することが可能である。
【０１１３】
また、図７の加炭ガス排出部１８は、上記図１の加炭ガス排出部３と同様に、上記の特徴（１）〜（２）および（５）〜（６）の作用効果も奏することが可能である。
【０１１４】
図７に示される縦方向に延びるパイプからなる加炭ガス排出部１８を採用した変形例についても、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を加炭ガス取入口１９から抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合と、当該ガスＧｅ２を抜かないで還元鉄製造方法を実施した場合とを数値流体解析（解析手法は後段で詳述する）を用いて比較した結果を図８のグラフに示す（ガス条件は上記の表１参照）。
【０１１５】
上記の図８のグラフによれば、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を図７に示される加炭ガス取入口１９から所定の圧力（０．３５ＭＰａ）で抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合（曲線Ｌ３２）の炉中心軸における還元ガス割合ａは、当該加炭ガス取入口１９から抜かない場合（曲線Ｌ３１）と比較して、シャフト炉（本体２）の高さｈの全体にわたって、約２〜３倍程度向上していることが分かる。
【０１１６】
（Ｃ）
また、本発明のさらに他の変形例として、加炭ガス排出部の加炭ガス取入口は、空間部５を構成する本体２の内周面に配置されていてもよい。この構成によれば、加炭ガス取入口１３は、空間部５を構成する本体２の内周面に配置されているので、配置が容易であり、加炭ガス取入口の個数や大きさを増やすことも容易である。また、加炭ガス排出部が空間部５内部に占めるスペースが低減されるので、加炭ガス排出部が空間部５内部の原料Ｐａの流れを阻害するおそれが低減される。
【０１１７】
（Ｄ）
なお、加炭ガス取入口は、複数配置してもよいが、少なくとも空間部５の中心線Ｃ上に１つ配置されているのが好ましい。
【０１１８】
（数値解析の手法についての説明）
上記の実施形態では、図３、図６および図８のグラフに示される炉中心軸における還元ガス割合ａを求めるために、以下のようなシャフト炉を対象とする数値流体解析を用いた。
【０１１９】
＜数値流体解析の一般論＞
物質には固体・液体・気体の３つの状態が存在するが、このうち液体と気体を合わせて流体と呼ぶ。数値流体解析は数値解析によって流体の流れを解くことである。流体の流れとは流体の物理的な運動のことである。通常の流体の運動はナビエ・ストークス方程式と呼ばれる支配方程式で記述され、これを質量保存則である連続の式と合わせて解くことで解析的・数値的に解を得ることができる。ただし解析的に解を得られる場合は限られており、工業的な複雑形状においては数値的に解を得ることが必要となる。今回のシャフト炉を対象とした数値流体解析では数値的に解を得ることとし、商用の流体解析ソフトで広く使われる手法である有限体積法をベースとした解析手法により数値解析を実施した。
【０１２０】
＜粒子充填層を対象とした流体解析＞
シャフト炉内部は、炉上部から供給される鉄鉱石で充填された粒子充填層になっている。粒子充填層における流体解析において、以下の２点が重要ポイントとなる。
【０１２１】
○圧力損失式
充填層に流体を通過させると、流体は粒子から抗力を受けて圧力が低下する。この圧力損失を与える必要がある。厚さＬの充填層を空塔速度ｕ０（＝流量／断面積）で流体が流れるときの層両端での圧力差ΔＰについて、Ｅｒｇｕｎ式と呼ばれる代表的な式を以下に示す。
【０１２２】
【数１】
2017020113.tif 000011
【０１２３】
今回の検討でも上式を用いる。
【０１２４】
○乱流モデル
充填層におけるガス混合はガスの乱流拡散に起因するため、充填層内の流体解析では乱流モデルの選定が重要となる。乱流モデルにはさまざまなものが開発されているが、その多くは空間部の乱流特性を再現するために開発されたモデルであり、充填層内の乱流挙動を再現できるモデルを選択する必要がある。
【０１２５】
乱流モデルは大別すると、「レイノルズ平均ナビエ・ストークスモデル（ＲＡＮＳ）」、「ラージエディシミュレーション（ＬＥＳ）」、および「直接数値シミュレーション（ＤＮＳ）」の3種類がある。定性的にはＲＡＮＳは精度が低いが計算負荷も低く、ＤＮＳは精度は高いが計算負荷も高いという傾向がある。工業的な検討には時間平均の挙動がわかれば十分なこと、計算時間や計算機リソースに制限があることから、今回はＲＡＮＳの中で広く使われる乱流モデルである標準ｋ−εモデルの改良版であるｋ−ｌｍモデルを用いる。
【０１２６】
ｋ−ｌｍモデルは通常の空間領域では標準ｋ−εモデル・充填層部では以下のようにモデルを変更することを特徴としている。
【０１２７】
ｋ（乱流運動エネルギー）：生成項にガス‐充填層間の相互作用による乱流エネルギーの生成速度Ｇを追加する。
【０１２８】
【数２】
2017020113.tif 000012
【０１２９】
ここで、γ：空隙率、ｄｐ：粒子径、μｇ：ガス粘性係数、ρｇ：ガス密度である。
【０１３０】
ｌｍ（混合距離）：充填構造を反映し、定数Ｃｌｍと空隙率・粒子径を用いて以下の式で定義する。
【０１３１】
【数３】
2017020113.tif 000013
【０１３２】
ε（乱流エネルギー散逸速度）：輸送方程式を適用せず、充填構造を反映した混合距離と乱流運動エネルギーを用いて以下のように定義する。
【０１３３】
【数４】
2017020113.tif 000014
【０１３４】
ｋ−ｌｍモデルではＣｋ、Ｃｌｍという２つの定数を与える必要があるが、今回の検討ではＣｋ：０．０４１３、Ｃｌｍ：７．６３として計算した。
【符号の説明】
【０１３５】
１  還元鉄製造装置
２  本体（シャフト炉）
３、１５、１８  加炭ガス排出部
５  空間部
６  原料投入口
７  還元鉄排出口
８  還元ガス導入口
９  加炭ガス導入口
１０  上部ガス排出口
１３、１６、１９  加炭ガス取入口
【図１】
2017020113.tif 000015
【図２】
2017020113.tif 000016
【図３】
2017020113.tif 000017
【図４】
2017020113.tif 000018
【図５】
2017020113.tif 000019
【図６】
2017020113.tif 000020
【図７】
2017020113.tif 000021
【図８】
2017020113.tif 000022