(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融ガス化炉（１）内で、金属担体から溶融銑鉄（９）または溶融鋼前生成物を製造するために、炭素含有材料及び酸素または酸素含有ガスを供給し、前記金属担体を、還元ガスを同時に生成しながら前記炭素含有材料の層（４）内で溶融させて溶融金属を製造する方法において、
最初に前記炭素含有材料を乾燥させ、その後、投入される前記粉炭（１６）及び前記炭塵（１３）を高温状態でビチューメン（２０）と混合し、次いで冷間状態でブリケット状の炭材生成を行い、こうして生成されたブリケット状の炭材（２５）を冷間状態で前記溶融ガス化炉（１）へ投入し、かつ該溶融ガス化炉内で衝撃的に加熱をして溶融金属を製造することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記、金属担体は部分還元海綿鉄または還元海綿鉄（３）であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記炭素含有材料は部分的に粉炭（１６）と炭塵（１３）とから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記金属担体を、最終還元工程の後に、還元ガスを同時に生成しながら前記炭素含有材料の層（４）内で溶融させて溶融金属を製造することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
投入される前記炭素含有材料（１１）の乾燥中に、及び／または乾燥後に、前記粉炭（１６）及び前記炭塵（１３）を分離し、高温状態でさらなる処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記粉炭（１６）及び前記炭塵（１３）と分離して生成される塊状の炭素含有材料（１７）を前記溶融ガス化炉（１）へ直接投入することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
粒子サイズが８ｍｍ以下の粉炭（１６）を前記炭素含有材料から分離することを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記粉炭（１６）及び前記炭塵（１３）を、１００℃以下の温度で前記ビチューメン（２０）と混合することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記粉炭（１６）及び前記炭塵（１３）を、７５〜８０℃の温度で前記ビチューメン（２０）と混合することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
軟化点が８０℃以下のビチューメン（２０）を投入することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
軟化点が７５℃以下７５℃以下のビチューメン（２０）を投入することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項または数項に記載の方法。
【請求項１２】
前記混合工程で熱を供給することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記炭素含有材料として最大３０％までの石油コークスを投入することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
投入される前記炭素含有材料を残留水分５％以下にまで乾燥させることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記粉炭（１６）と前記炭塵（１３）とから生成された前記ブリケット状の炭材（２５）からブリケット状の炭材片を分離し、前記ブリケット状の炭材生成工程に再投入することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記粉炭（１６）及び前記炭塵（１３）から生成された前記ブリケット状の炭材（２５）を、ブリケット状の炭材生成工程中に、及び／またはブリケット状の炭材生成工程後に、３０℃以下にまで冷却することを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
灰分が１０〜２５％である粉炭（１６）及び炭塵（１３）を投入することを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
揮発成分が１８〜３５％である粉炭（１６）及び炭塵（１３）を投入することを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
石炭乾燥工程を出る際の温度の前記粉炭（１６）及び前記炭塵（１３）を、同温度のビチューメン（２０）と混合することを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
混合される前記粉炭（１６）、前記炭塵（１３）及びビチューメン（２０）の混合時の温度は、７０℃から最高で１００℃であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
混合される前記粉炭（１６）、前記炭塵（１３）及びビチューメン（２０）の混合時の温度は、７５〜８５℃であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記ビチューメン（２０）として、通常道路工事用に使用されるアスファルトを利用することを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１から２２のいずれか１項に記載の方法を実施するために、溶融ガス化炉（１）と、金属担体のために設けられ前記溶融ガス化炉（１）内に開口している供給管路（２）と、酸素または酸素含有ガスのため及び炭素含有材料のために設けられた供給管路（５，６ａ，６ｂ）と、前記溶融ガス化炉（１）から分岐し該溶融ガス化炉（１）内で生成された還元ガスのために設けられた排出管路（７）と、銑鉄（９）及びスラグ（１０）のために前記溶融ガス化炉（１）に設けられた出銑口（８，８ａ）と、を備えているプラントにおいて、
投入される炭素含有材料（１１）を乾燥させるための乾燥手段（１２）が設けられ、該乾燥手段（１２）の下流には混合機（１９）が接続され、さらに該混合機（１９）には粉炭（１６）及び炭塵（１３）からブリケット状の炭材を生成するためのブリケット状の炭材生成手段（２４）が接続され、該ブリケット状の炭材生成手段（２４）は前記溶融ガス化炉（１）に接続されていることを特徴とするプラント。
【請求項２４】
前記金属担体は部分還元海綿鉄または還元海綿鉄であることを特徴とする請求項２３に記載のプラント。
【請求項２５】
前記炭素含有材料は部分的に粉炭（１６）と炭塵（１３）とから構成されていることを特徴とする請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
投入される前記炭素含有材料（１１）から前記粉炭（１６）及び前記炭塵（１３）を分離する分離手段（１５）を備えていることを特徴とする請求項２３から２５のいずれか一項に記載のプラント。
【請求項２７】
塊状の炭素含有材料（１７）を直接前記溶融ガス化炉（１）に投入するための供給管路（６ａ）を備えていることを特徴とする請求項２３から２６のいずれか一項に記載のプラント。
【請求項２８】
混合機（１９）を加熱するための蒸気発生装置（２３）を備えていることを特徴とする請求項２３から２７のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項２９】
前記冷間でのブリケット状の炭材生成手段（２４）と前記溶融ガス化炉（１）との間に、ブリケット状の炭材片を分離するための手段（２６）を備えていることを特徴とする請求項２３から２８のいずれか１項に記載のプラント。
【発明の詳細な説明】
本発明は、金属担体、特に部分還元海綿鉄あるいは還元海綿鉄から溶融ガス化炉内で溶融銑鉄（liquid pig iron）または溶融鋼前生成物（liquid steel pre-products）を製造する方法に関するものである。少なくとも部分的に粉炭及び炭塵から構成された炭素含有材料と、酸素または酸素含有ガスとを供給し、金属担体を炭素含有材料の層内で、還元ガスを同時に生成しながら溶融する。この溶融は、場合によっては先行する最終還元段階の後で行ってもよい。本発明はまた、前記方法を実施するためのプラントに関するものである。
粉炭及び炭塵のような粒状炭素含有材料を溶融ガス化炉へ投入する際に生じる１つの問題は、溶融ガス化炉内に存在するガス流のために、粒状炭素含有材料が直ちに再び炉外へ排出されてしまうことである。このことは粒状鉱石を投入する場合にも当てはまる。この問題を回避するために、例えばオーストリア国特許第401,777号公報は、炭素担体を粒状鉱石及び／または鉱石ダストと共にダスト燃焼器を介してガス化溶融炉へ、より詳しくはガス化溶融炉の下部領域へ供給する技術を提案している。この工程によれば化学量的素反応燃焼（substoichiometric combustion）が起こる。この技術の１つの欠点は、炭素担体が、溶融ガス化炉内における固体炭素担体からなる層の形成に寄与できないことである。
粉炭を溶融ガス化炉の上部領域に投入し、そこで粉炭を反応させてコークスに変化させ、このコークスを還元ガスと共に排出し、還元ガスを分離し、次いで粒状材料と共に燃焼器を介して溶融ガス化炉に供給する方法が社内的に知られている。しかし、この方法も炭素含有材料からなる層の形成に寄与しない。
上記のような層は通常、塊状石炭から形成され、熱的に高い安定性を有していなければならない。石炭火力発電所の作業者の要求に支配されている石炭市場の発展により、今日普及している炭塵燃焼器に対しては粉炭が優遇的に推奨されているという状況にある。以前は当たり前と考えられ塊状石炭の投入を必要としていた優れた燃焼状態は、今日、石炭使用者の市場では小さい役割しか果たしていない。その結果として、市場において粉炭がかなりの割合を占めており、それはおよそ５０〜７０％にまで及んでいる。
そのような石炭を溶融ガス化炉に投入する際には、まず始めに粉炭をふるいにかける。わずかな粗大粒すなわち塊状石炭のみが溶融ガス化炉投入用として利用可能である。微粒子は他の用途に利用される。
本発明の目的は、溶融ガス化炉内の炭素含有材料からなる層の形成に寄与させるという方法で、微粒子もまた有効に利用できるようにして、塊状炭素含有材料の投入コストを削減可能とすることである。
本発明によれば、この目的は、乾燥工程の後、投入される粉炭及び炭塵を高温状態でビチューメンと共に混合し、次いで冷間状態でブリケット状の炭材生成を行い、こうして生成されたブリケット状の炭材を冷間状態の溶融ガス化炉に投入し、このブリケット状の炭材を溶融ガス化炉内で衝撃加熱することによって達成される。
驚くべきことに、こうして生成されたブリケット状の炭材は、塊状炭素含有材料をも凌ぐ優れた熱的安定性を示すことが判った。ブリケット状の炭材は、溶融ガス化炉の約１０００℃という温度による熱衝撃が作用してもわずかにしか分解しない。これは結合剤として使用されるビチューメンの特性による。ビチューメンは所定の高温で迅速に溶融し、こうして石炭粒子間に有益な架橋効果をもたらす。ここで必須要件となるのは、ビチューメンが所定の高温においてガスを含有しないこと、加えてパン生地のような一様性と結合力とを維持することである。
独国特許第24 07 780号公開公報によれば、処理された高級な石炭、特に無煙炭粉炭及び／または非瀝青炭粉炭の混合物からなる坑口炭練炭か、または、投入石炭として粉炭を用い高度に空気抜きされたビチューメンを結合剤として用いて例えば家庭用ストーブに利用される燃焼用のブリケット状の炭材を生成し、これを投入する技術が公知である。場合によってはそれらに酸化処理、低温炭素結合処理、またはコークス化処理といった熱処理を施して高炉投入用にも適したものとすることができる。しかし、これらのブリケット状の炭材は、本発明によるブリケット状の炭材とは異なる要求に応えるものである。本発明のブリケット状の炭材に求められるのは、溶融ガス化炉へ投入され突然の温度衝撃を受けても破裂しないことである。それに対し、独国特許第24 07 780号公開公報に記載のブリケット状の炭材では、高炉への投入に耐える高い安定性を示すことが重要である。
この公知の方法によれば、高度に空気抜きされたビチューメンを２００℃まで加熱し、粉炭と混合した後、約８５℃でブリケット状の炭材を生成する。この公知のブリケット状の炭材では、コークス成形器の上部によってコークスの網状組織が形成され、それによって高い安定性が得られる。
好ましい実施形態によれば、投入される炭素含有材料の乾燥中に、及び／または乾燥後に、粉炭及び炭塵を分離し、高温状態でさらなる処理を施す。
好ましい実施形態に従って粉炭及び炭塵を分離して生成される塊状の炭素含有材料は溶融ガス化炉へ直接投入する。
好ましくは、粒子サイズが８ｍｍ以下の粉炭は炭素含有材料から分離する。
欧州特許第0 315 825号公報から冒頭に述べたタイプの方法が公知である。この方法によれば、破砕後の石炭を、石灰、糖蜜、ピッチ、またはタールといった結合剤と混合し粒状化して溶融ガス化炉へ供給する。しかし本発明では、粒状化ではなくブリケット状の炭材生成を行う。ブリケット状の炭材はこの粒状化石炭より高い熱的機械的安定性を示す。欧州特許第0 315 825号公報記載の方法のさらなる欠点は、粉炭の破砕がかなりのエネルギを必要とすることである。本発明では、炭素含有材料を破砕するのではなく粉炭及び炭塵を分離するだけなので、このような欠点は回避される。
オーストリア国特許第376 241号公報によれば、溶融ガス化炉から還元ガスによって運び出された塵状炭素から形成された固形物を還元ガスから分離して塊状化し、こうして形成された塊状物すなわち成形コークスを溶融ガス化炉に再利用する方法が公知である。しかし本発明とは異なり、この方法では、投入される炭素含有材料が塊状化されることはなく、粉炭を大規模に投入することはできない。
オーストリア国特許第376 241号公報記載の方法のさらなる欠点は、塊状化手段が塵状炭素用高温集塵機の直後に配置されていて建設にかなりの費用がかかることである。
本発明によれば、投入される炭素含有材料から粉炭及び炭塵を分離しビチューメンと混合してブリケット状の炭材を生成する。このブリケット状の炭材生成手段は炭素含有材料の乾燥手段の下流に配置される。このように配置することによって、乾燥後の粉炭及び炭塵が有する熱を、ビチューメンとの混合及びブリケット状の炭材生成に好適に利用することができる。ブリケット状の炭材生成に対して追加的な熱エネルギ供給は不要である。
本方法の好ましい実施形態によれば、粉炭及び炭塵を１００℃以下の温度で、好ましくは７５〜８０℃の温度でビチューメンと混合する。有利には、軟化点が８０℃以下、好ましくは７５℃以下のビチューメンを供給する。
ビチューメンを確実に軟化させるために、場合によっては混合工程で追加的に熱を供給してもよい。
本発明による方法の好ましい実施形態では、炭素含有材料として最大３０％までの石油コークスを投入するが、これは十分な熱的安定性を有してはいない。それにもかかわらず、本発明による方法を実施して得られるブリケット状の炭材は十分な熱的安定性を示すものとなる。
好ましくは、投入される炭素含有材料を残留水分が５％以下になるまで乾燥させる。
変形形態として、粉炭と炭塵とから生成されたブリケット状の炭材からブリケット状の炭材片を分離し、ブリケット状の炭材生成工程に再投入してもよい。
粉炭及び炭塵から生成されたブリケット状の炭材を、ブリケット状の炭材生成工程中に、及び／またはブリケット状の炭材生成工程後に、３０℃以下にまで冷却することが望ましい。ブリケット状の炭材は特に高温に対して安定性を示し、その結果、特に溶融ガス化炉に投入される際の熱衝撃に対して安定である。
本発明によれば、灰分が１０〜２５％である石炭を投入する。その結果、本発明による方法は、部分還元または完全還元された金属鉱石を溶融ガス化炉内で溶融することによって得られる溶融金属を低コストで生産可能であるという特に優れた経済性を実現できる。なぜなら、冒頭で述べたように、炭素含有材料の微粒子部分を利用した副産物としてブリケット状の炭材が得られ、ブリケット状の炭材生成に使用されるものと全く同一の炭素含有材料が溶融ガス化炉へ投入されるからである。
さらに本発明によれば、投入される石炭の揮発成分は１８〜３５％である。従って高級な石炭を使用する必要はない。
好ましくは、石炭乾燥工程を出る際の温度の粉炭及び炭塵を、略同温度のビチューメンと混合する。ここで、混合される材料の混合時の温度は７０℃から最高で１００℃、好ましくは７５〜８５℃である。このことによって、経済的な温度制御と共にビチューメンの良好な結合効果が保証される。加えて、ブリケット状の炭材生成の前に、石炭から生成される混合物、炭塵、及びビチューメンを冷却する必要性は全くないか、あってもわずかである。
本発明による方法のさらなる利点は、ビチューメンとして、通常道路工事用に使用されるビチューメン（アスファルト）を利用できることである。従ってビチューメンに関して特別な要求はない。
本発明による方法を実施するためのプラントは、溶融ガス化炉と、金属担体特に部分還元海綿鉄または還元海綿鉄のために設けられ溶融ガス化炉内に開口している供給管路と、酸素または酸素含有ガスのため及び少なくとも部分的に粉炭と炭塵とから形成された炭素含有材料および比較的大きい粉炭のために設けられた供給管路と、溶融ガス化炉から分岐し溶融ガス化炉内で生成された還元ガスのために設けられた排出管路と、銑鉄及びスラグのために溶融ガス化炉に設けられた栓とを備え、さらに、投入される炭素含有材料を乾燥させるための乾燥手段が設けられ、乾燥手段の下流には混合機が接続され、混合機には粉炭及び炭塵からブリケット状の炭材を生成するためのブリケット状の炭材生成手段が接続され、ブリケット状の炭材生成手段は溶融ガス化炉に流動接続されていることを特徴としている。
好ましい実施形態によれば、上記プラントは、投入される炭素含有材料から粉炭及び炭塵を分離する分離手段を備えている。
他の好ましい実施形態によれば、上記プラントは、塊状の炭素含有材料を直接溶融ガス化炉に投入するための供給管路を備えている。
さらに、混合機を加熱するための蒸気発生装置を備えていると好ましい。
また、冷間でのブリケット状の炭材生成手段と溶融ガス化炉との間に、ブリケット状の炭材片を分離するための手段を備えていることが望ましい。
以下、好ましい実施形態を示す図を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図において符号１は溶融ガス化炉を示す。溶融ガス化炉１には、供給管路２を通じて少なくとも部分的に還元された海綿鉄３を投入する。この海綿鉄３は最終還元されたものでもよい。海綿鉄３は溶融ガス化炉１内で融解する。詳しく言えば、炭素含有材料の層４を通過しながら融解する。溶融ガス化炉１はさらに、酸素または酸素含有ガスのための供給管路５と、炭素含有材料のための供給管路６ａ，６ｂと、溶融ガス化炉１内で発生する還元ガスのための排出管路７と、溶融銑鉄９及び溶融スラグ１０にための出銑口８，８ａとを備えている。
投入される炭素含有材料１１は第１乾燥手段１２内で乾燥させる。こうして生じる炭塵１３は抜き出して、第２乾燥手段１４内でさらに処理する。第１乾燥手段１２から約６０℃の高温状態で排出された炭素含有材料を、例えばふるいのような分離手段１５に送り、塊状の炭素含有材料１７から粉炭１６を分離する。例えば粒子サイズ８ｍｍ以下の粉炭１６を分離する。
塊状の炭素含有材料１７は供給管路６ｂを通じて直接溶融ガス化炉１に供給する。その一方で粉炭１６は貯蔵容器１８へ送り、そこから混合機１９へ送り、そこで粉炭１６と、ビチューメンタンク２１から供給されるビチューメン２０とを混合する。混合機１９には、第２乾燥手段１４からも炭塵１３を供給する。炭塵１３は中間の粉炭貯蔵容器２２に保持する。
混合機１９は、蒸気発生装置２３で発生する蒸気を用いて約７５〜８０℃に加熱する。このようにして、供給されるビチューメン２０の軟化点を確実に越えるようにする。しかし、粉炭１６の有する熱がビチューメン２０を軟化させるために十分であり、蒸気の形で追加的にエネルギを供給しなくてもよい可能性もある。
供給されるビチューメン２０は、道路工事に使用され軟化点が７５℃以下である通常の残留アスファルトでよい。その例としては、全世界で調達可能な、例えばオーストリア規格番号Ｂ３６１０にあるＢ７０タイプのビチューメン（アスファルト）がある。その仕様は以下の通りである。
軟化点（リング-ボール法）（オーストリア規格Ｃ９２１２）：47〜54℃
25℃針入度（オーストリア規格Ｃ９２１４）：50〜80ｍｍ×10-1
粉炭１６、炭塵１３、及びビチューメン２０の混合物は、次いで冷間でのブリケット状の炭材生成手段２４を用いて、温度７０〜７５℃の冷間でブリケット状の炭材生成工程にかける。このブリケット状の炭材生成工程に追加的な熱エネルギは必要ない。こうして生成されたブリケット状の炭材２５は最終的に、溶融ガス化炉１に投入するための必要サイズに満たないブリケット状の炭材片を分離する手段２６に送り込む。この手段２６は同時に冷却手段としても機能する。この工程ではブリケット状の炭材２５を３０℃以下の温度にまで冷却する。
溶融ガス化炉１に投入するための必要サイズに満たないブリケット状の炭材片はブリケット状の炭材生成工程で再利用する。まずそれらブリケット状の炭材片を収集容器２７に送り、そこから粉炭１６用の貯蔵容器１８に送り込む。
供給管路６ａを通じてブリケット状の炭材２５を溶融ガス化炉１に供給すると、そこでブリケット状の炭材２５は熱衝撃にさらされる。驚くべきことに、ブリケット状の炭材２５は極めて高い熱的安定性を示すことが判った。その安定性は以下の例で明示するように、塊状の炭素含有材料の熱的安定性をも凌ぐものである。
南アフリカ産及びオーストラリア産の坑口炭を本発明に従って乾燥させてふるいにかけ、塊状石炭、炭塵、粉炭に分けた。炭塵及び粉炭は本発明によるブリケット状の炭材生成工程にかけた。こうして生成したブリケット状の炭材の熱的安定性をそれぞれの塊状石炭の熱的安定性と比較した。
熱的安定性は、粒子サイズ１０〜１６ｍｍの石炭片を熱処理し、熱処理後の粒子をふるいにかけて決定した。粒子サイズ１０ｍｍ以上の部分と粒子サイズ２ｍｍ以下の部分とをそれぞれ重量測定し、熱処理にかけられた重量に対するパーセンテージを表記した。その結果は表１に要約した。
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粒子サイズ１０ｍｍ以上の部分が多く、粒子サイズ２ｍｍ以下の部分が少ないほど、熱的安定性が高いと言える。表１から明らかであるように、本発明による方法で生成されたブリケット状の炭材の熱的安定性は、対応する塊状石炭の熱的安定性よりかなり高い。
本発明による方法を実施することによって、粉炭及び炭塵から生成され高い熱的安定性を示すブリケット状の炭材が得られ、それらを支障無く溶融ガス化炉に投入することができる。約１０００℃という溶融ガス化炉の温度による衝撃が作用してもブリケット状の炭材の分解は極めて少ない。こうして、粉炭及び炭塵を経済的に溶融ガス化炉へ投入することが可能になる。言い換えれば、粉炭及び炭塵から生成されるブリケット状の炭材は溶融ガス化炉内で炭素担体の層の形成に寄与し、それによって塊状の炭素含有材料を投入することに関して、かなりのコスト削減が可能になる。
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