(57)【要約】  様々な実施形態例において、本発明は、清浄な又は未処理の天然ガス、清浄な又は低質コークス炉ガス等を、最小限の処理又は洗浄で、直接還元に適した還元ガス／合成ガスに変換するシステム及び方法を提供する。炭化水素等がＨ2やＣＯに変換される。Ｓは、還元ガス／合成ガスへの変換に影響を与えないが、それは取り除かれるか、もしくは直接還元シャフト炉における鉄のベッドによって洗浄される。炉頂ガスは、継続的にリサイクルしてもよいし、ワンススルーアプローチが採用されてもよい。
2016529383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、
直接還元シャフト炉から炉頂ガス流を供給し、
二酸化炭素除去システムを用いて前記炉頂ガス流から二酸化炭素を除去し、
ガス加熱器において前記炉頂ガス流を加熱して還元ガス流を形成し、前記酸化鉄を前記金属鉄に還元すべく前記還元ガス流を前記直接還元シャフト炉に供給し、
天然ガス流、及びコークス炉ガス流のうちの一つを、合成ガス流として、前記還元ガス流に加える、方法。
【請求項２】
前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを前記合成ガス流として前記還元ガス流に加える前に、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを予熱することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記方法はさらに、熱反応システムにおいて、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを反応させて、前記合成ガス流を生成することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記熱反応システムが、酸素及び燃料を利用する高温酸素バーナー及びノズルを備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記酸素は空気分離プラントから与えられる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料は、前記炉頂ガス流の一部を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つの一部を、燃料として前記ガス加熱器に供給することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記方法はさらに、前記予熱器を、前記炉頂ガス流の一部で燃焼させることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの、前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はそれらいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法はさらに、酸素を前記バッスル改良ガスに加えることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法はさらに、前記炉頂ガス流の顕熱を用いて、ボイラーにおいて蒸気を生成し、前記蒸気を前記二酸化炭素除去システムにおいて利用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法はさらに、前記炉頂ガス流の一部を、燃料として前記ガス加熱器に供給することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、
直接還元シャフト炉から炉頂ガス流を供給し、
二酸化炭素除去システムを用いて前記炉頂ガス流から二酸化炭素を除去し、
サチュレーターを用いて、前記炉頂ガス流及び合成ガス流のうちの一つ又はいずれもから蒸気を取り除き、
ガス加熱器において前記炉頂ガス流を加熱して還元ガス流を形成し、前記酸化鉄を前記金属鉄に還元すべく前記還元ガス流を前記直接還元シャフト炉に供給し、
天然ガス流、及びコークス炉ガス流のうちの一つを、前記合成ガス流として、前記炉頂ガス流に加える、方法。
【請求項１５】
前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを熱交換器において予熱し、前記合成ガス流を生成することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記方法はさらに、熱反応システムにおいて、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを反応させて、前記合成ガス流を生成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱反応システムが、酸素及び燃料を利用する高温酸素バーナー及びノズルを備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸素は空気分離プラントから与えられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料は、前記炉頂ガス流の一部を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２１】
前記方法はさらに、ボイラー及び前記熱交換器における前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの、前記予熱し反応させた一つを冷却し、前記合成ガス流を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つの一部を、燃料として前記ガス加熱器に供給することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記方法はさらに、前記熱交換器が、前記合成ガス流との相互交換により動作することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はそれらいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記方法はさらに、前記炉頂ガスを用いて第１のボイラーにおいて蒸気を生成し、前記二酸化炭素除去システムにおいて前記蒸気を利用することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうち前記予熱し反応させた一つを用いて第２のボイラーにおいて蒸気を生成し、前記二酸化炭素除去システムにおいて前記蒸気を利用することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記方法はさらに、前記炉頂ガス流の一部を燃料として、前記ガス加熱器に供給することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２８】
前記方法はさらに、酸素を前記還元ガス流に加えることを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２９】
酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、
天然ガス流及びコークス炉ガス流のうちの一つを供給し、
前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを熱交換器において予熱し、
前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを熱反応システムにおいて反応させて、還元ガス流を生成し、
前記酸化鉄を前記金属鉄に還元すべく前記還元ガス流を直接還元シャフト炉に供給する、方法。
【請求項３０】
前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記熱反応システムが、酸素及び燃料を利用する高温酸素バーナー及びノズルを備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記酸素は空気分離プラントから与えられる、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記燃料は、前記熱交換器において冷却され、洗浄器において洗浄されている、前記直接還元シャフト炉から生じた前記炉頂ガス流の一部を含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、前記炉頂ガス流との相互交換により、前記熱交換器において予熱されることを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記冷却された／洗浄された炉頂ガスの残部を、発電システム及び製鋼工場のうちの一つ又は複数において利用することを含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、清浄な又は未処理の（すなわちほぼウェルヘッドの）天然ガス（ＮＧ）や、清浄な又は低質コークス炉ガス（ＣＯＧ）等を用いて酸化鉄を金属鉄に還元する新規なシステム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、熱反応システム（ＴＲＳ）を用いて、最小限の処理又は洗浄で、ＮＧ等を改質し、直接還元に適した合成ガス（syngas）を得るようにする。
【背景技術】
【０００２】
酸化鉄を金属鉄へ直接還元（ＤＲ）するための、従来の改質プロセスは、炭化水素（ガスあるいは液体）、過剰の二酸化炭素（ＣＯ2）、硫黄（Ｓ）等といった不純物を除去すべく処理又は洗浄されたＮＧを利用している。大部分の改質器はいくらかのエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、微量のＣ5+を取り扱うことができるが、主として、例えば、メタン（ＣＨ4）を炉頂ガスで改質するように設計されている。Ｓは触媒毒として働き、５から１０ｐｐｍの範囲の低ｐｐｍ量が許容されるのみである。
【０００３】
それゆえ、この分野で未だ必要とされるものは、改質器を、清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ等を、最小限の処理若しくは洗浄で、ＤＲに適した還元ガス／合成ガス（syngas）に変換することができる代替の構成で置き換えるシステム及び方法である。Ｓは還元ガス／合成ガス（syngas）への変換に影響を与えないであろうが、ＤＲシャフト炉内にある鉄のベッド（iron bed）により取り除かれるか、もしくは洗浄されることとなろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
様々な実施形態例において、本発明は、正確には、下記を提供する。すなわち、清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ等を、最小限の処理又は洗浄でＤＲに適した還元ガス／合成ガスに変換することが可能な別の構成要素で置き換えた、改質器に代わるシステム及び方法を提供する。炭化水素等はＨ2及びＣＯに変換される。Ｓは合成ガスへの変換に影響を与えないが、ＤＲシャフト炉内にある鉄のベッドにより取り除かれるか、もしくは洗浄される。高レベルのＳで汚染された直接還元鉄（ＤＲＩ）は電気アーク炉（ＥＡＦ）の原材料としては適さないかもしれないが、例えば、ブラスト炉に対する、金属化原材料としては適しているかもしれない。
【０００５】
一つの実施形態例において、本発明は、酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、直接還元シャフト炉から炉頂ガス流を供給し、二酸化炭素除去システムを用いて前記炉頂ガス流から二酸化炭素を除去し、ガス加熱器において前記炉頂ガス流を加熱して還元ガス流を形成し、前記酸化鉄を前記金属鉄に還元すべく前記還元ガス流を前記直接還元シャフト炉に供給し、天然ガス流、及びコークス炉ガス流のうちの一つを、合成ガス流として、前記還元ガス流に加える。前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む。前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを前記合成ガス流として前記還元ガス流に加える前に、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを予熱することを含む。前記方法はさらに、熱反応システムにおいて、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを反応させて、前記合成ガス流を生成することを含む。前記熱反応システムが、酸素及び燃料を利用する高温酸素バーナー及びノズルを備える。前記酸素は空気分離プラントから与えられる。前記燃料は、前記炉頂ガス流の一部を含む。前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つの一部を、燃料として前記ガス加熱器に供給することを含む。前記方法はさらに、前記予熱器を、前記炉頂ガス流の一部で燃焼させることを含む。前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの、前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む。前記方法はさらに、酸素を前記バッスル改良ガスに加えることを含む。前記方法はさらに、前記炉頂ガス流の顕熱を用いて、ボイラーにおいて蒸気を生成し、前記蒸気を前記二酸化炭素除去システムにおいて利用することを含む。前記方法はさらに、前記炉頂ガス流の一部を、燃料として前記ガス加熱器に供給することを含む。
【０００６】
他の実施形態例において、本発明は、酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、直接還元シャフト炉から炉頂ガス流を供給し、二酸化炭素除去システムを用いて前記炉頂ガス流から二酸化炭素を除去し、サチュレーターを用いて、前記炉頂ガス流及び合成ガス流のうちの一つ又はいずれもから蒸気を取り除き、ガス加熱器において前記炉頂ガス流を加熱して還元ガス流を形成し、前記酸化鉄を前記金属鉄に還元すべく前記還元ガス流を前記直接還元シャフト炉に供給し、天然ガス流、及びコークス炉ガス流のうちの一つを、前記合成ガス流として、前記炉頂ガス流に加える。前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む。前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを熱交換器において予熱し、前記合成ガス流を生成することを含む。前記方法はさらに、熱反応システムにおいて、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを反応させて、前記合成ガス流を生成することを含む。前記熱反応システムが、酸素及び燃料を利用する高温酸素バーナー及びノズルを備える。前記酸素は空気分離プラントから与えられる。前記燃料は、前記炉頂ガス流の一部を含む。前記方法はさらに、ボイラー及び前記熱交換器における前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの、前記予熱し反応させた一つを冷却し、前記合成ガス流を生成することを含む。前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つの一部を、燃料として前記ガス加熱器に供給することを含む。前記方法はさらに、前記熱交換器が、前記合成ガス流との相互交換（cross-exchange）により動作することを含む。前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む。前記方法はさらに、前記炉頂ガスを用いて第１のボイラーにおいて蒸気を生成し、前記二酸化炭素除去システムにおいて前記蒸気を利用することを含む。前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうち前記予熱し反応させた一つを用いて第２のボイラーにおいて蒸気を生成し、前記二酸化炭素除去システムにおいて前記蒸気を利用することを含む。前記方法はさらに、前記炉頂ガス流の一部を燃料として、前記ガス加熱器に供給することを含む。前記方法はさらに、酸素を前記還元ガス流に加えることを含む。
【０００７】
さらに他の実施形態例において、本発明は、酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、天然ガス流及びコークス炉ガス流のうちの一つを供給し、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを熱交換器において予熱し、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを熱反応システムにおいて反応させて、還元ガス流を生成し、前記酸化鉄を前記金属鉄に還元すべく前記還元ガス流を直接還元炉に供給する。前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む。前記熱反応システムが、酸素及び燃料を利用する高温酸素バーナー及びノズルを備える。前記酸素は空気分離プラントから与えられる。前記燃料は、前記熱交換器において冷却され、洗浄器において洗浄されている、前記直接還元炉から生じた前記炉頂ガス流の一部を含む。前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、前記炉頂ガス流との相互交換により、前記熱交換器において予熱されることを含む。前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む。前記冷却された／洗浄された炉頂ガスの残部を、発電システム及び製鋼工場のうちの一つ又は複数において利用することを含む。
【０００８】
様々な図面を参照して、本発明はここに例示され説明される。図面において、同種の参照番号を、必要に応じて、同種の方法ステップ／構成要素を示すために使用する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明に係る、清浄な又は未処理のＮＧを用いて、具体的には清浄な又は未処理のＮＧが、高温ブリケット化鉄（ＨＢＩ）プラント等のような低炭素（すなわち、約１〜２％まで）ＤＲプラントと共に用いられる、酸化鉄を金属鉄に還元する新規なシステム及び方法の一実施形態例を説明する概略図である。
【図２】図２は、本発明に係る、清浄な又は未処理のＮＧを用いて、具体的には清浄な又は未処理のＮＧが高炭素（すなわち、約２％より多い）ＤＲプラントと共に用いられる、酸化鉄を金属鉄に還元する新規なシステム及び方法の他の実施形態例を説明する概略図である。
【図３】図３は、本発明に係る、清浄な又は未処理のＮＧを用いて、酸化鉄を金属鉄に還元する新規なワンススルー（リサイクルしない）システム及び方法の一実施形態例を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで具体的に図１〜図３を参照すると、本発明のシステム及び方法は、当業者に周知の個々の構成要素を含み、利用する。そしてそれゆえ、それらはここでは詳細には図示または説明しない。しかし、これらの個々の構成要素は、様々に組み合わされて全体として進歩性を備えている。その個々の構成要素は、従来のＤＲシャフト炉、ボイラー、冷却器／洗浄器、ＣＯ2除去システム、圧縮器、サチュレーター、ガス加熱器、熱交換器、ガス源（及び／又は適切なガス貯蔵容器）等を含むが、これらに限られるわけではない。
【００１１】
一般的に、ＤＲシャフト炉１１０，２１０，３１０はペレット（pellet）、塊（lump）、凝集体（agglomerate）等の形で鉄鉱石が供給される上部を備える。還元されたペレット、塊、凝集体等は、ＤＲＩとして、ＤＲシャフト炉１１０，２１０，３１０の下部で取り出される。還元ガス／合成ガスの入口１２０，２２０，３２０は材料投入口（feed charge）と生成物排出口（product discharge）の間に位置し、高温還元ガス／合成ガスをＤＲシャフト炉１１０，２１０，３１０に供給する。この高温還元ガス／合成ガスはＣＨ4を含み、ＣＨ4は、従来において、ＤＲシャフト炉１１０，２１０，３１０のガス入口１２０，２２０，３２０の近傍で、高温還元ガス／合成ガスに含まれるＣＯ2や水（Ｈ2Ｏ）によって改質され、さらにＨ2、ＣＯ、及び炭素（Ｃ）を生成する。高温直接還元鉄（ＨＤＲＩ）は改質反応における触媒として作用する。この改質反応の後、Ｈ2、ＣＯを含む高温還元ガス／合成ガスは、酸化鉄を金属鉄に還元し、ＤＲシャフト炉１１０，２１０，３１０から、使用済み還元ガス（すなわち炉頂ガス）として、排出管（offtake pipe）を通じてＤＲシャフト炉１０の頂部で排出される。この炉頂ガス１３０，２３０，３３０はその後回収され、様々な目的にリサイクルすることができる。
【００１２】
上述のように、様々な実施形態例において、本発明は、清浄な（clean）又は未処理の（raw）ＮＧ、もしくは、清浄な又は低質（dirty）ＣＯＧ等を、最小限の処理又は洗浄でＤＲに適した還元ガス／合成ガスに変換することが可能な、従来の改質器を別の構成要素で置き換えた、システム及び方法を提供する。炭化水素その他はＨ2及びＣＯに変換される。Ｓは還元ガス／合成ガスへの変換に影響を与えないが、ＤＲシャフト炉内にある鉄のベッドにより取り除かれるかもしくは洗浄される。炉頂ガスは継続的にリサイクルされてもよいし、ワンススルーアプローチが採用されてもよい。また、高レベルのＳで汚染されたＤＲＩはＥＡＦ原材料としては適さないかもしれないが、例えば、ブラスト炉に対する、金属化原材料として適しているかもしれない。
【００１３】
ここで具体的に図１を参照すると、本発明の一の実施形態例において、システム及び方法１０５は、清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ等をＨＢＩプラント等のような低炭素（約１〜２％まで）のＤＲプラントにおいて用いることにより酸化鉄を金属鉄に還元するために、提供される。この実施形態は清浄な又は未処理のＮＧを、もしくは清浄な又は低質ＣＯＧ等を、ＮＧの場合は約２５０ｍ3／ｔ  ＤＲＩまで、ＣＯＧの場合は５００〜６００ｍ3／ｔ  ＤＲＩまで用いる。リサイクル炉頂ガス１３０はＤＲシャフト炉１１０から取り出され、蒸気の生成、水の除去、冷却、及び／又は洗浄を行う、ボイラー１３２及び冷却器／洗浄器１３４に投入され、約３０℃と約４５℃の間の温度において飽和したリサイクル炉頂ガス１３６が生成する。このリサイクル炉頂ガス１３６はその後、複数の流れに分けられる。第１の流れ１３８は、吸着式ＣＯ2除去ユニット１４０等に投入され、ＣＯ2除去ユニット１４０は、約９５％のＣＯ2及びＳ（Ｈ2Ｓとして）をこの第１の流れ１３８から除去し、ガス加熱器１４２は、第１の流れ１３８を約９００℃と約１１００℃の間の温度まで加熱し、これにより、ＤＲシャフト炉１１０に投入される還元ガス流１４４を供給する。ＤＲシャフト炉１１０に投入される前に、酸素（Ｏ2）１４６を、必要に応じて、還元ガス流１４４に加えてもよい。ＣＯ2除去ユニット１４０は、薄膜式のＣＯ2除去ユニット、圧力変動吸着（ＰＳＡ）ユニット、真空圧力変動吸着（ＶＰＳＡ）ユニット等としてもよい。ボイラー１３２からの蒸気１４８は、吸着式のＣＯ2除去ユニット１４０、又は、発電を含むその他の用途に用いられてもよい。ＣＯ2及び窒素（Ｎ2）はまた、例えば、ガス加熱器の煙道１５０を経由して除去される。第２の流れ１５２はガス加熱器の燃料に用いられる。第３の流れ１５４は、予熱器１５６を燃焼させるために用いられる。圧縮された清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ等の供給１５８は予熱器１５６を通じて処理され、約３００℃と約５００℃との間の温度に予熱される。ＣＯ2及びＮ2１６０の双方は、予熱器１５６を通じて必要に応じて放出される。予熱の前に、ＮＧ又はＣＯＧ１５８の一部は、ガス加熱器の燃料１６２として用いてもよい。有利なこととして、予熱後、ＮＧ又はＣＯＧ１５８の一部は、バッスル（改良）ガス（ＢＧ）１６４としてＤＲシャフト炉１１０に供給されてもよいし、ＮＧ又はＣＯＧ１５８の一部は遷移帯（ＴＺ）ガス１６６としてＤＲシャフト炉１１０に送ってもよい。ＮＧ又はＣＯＧ１５８の残部はＴＲＳ１６８により処理されて、前述した還元ガス流１４４に加えられる合成ガス流１７０を生成する。合成ガス流１７１の一部は、湿分を補充すべくガス加熱器１４２の入口に加えてもよく、これによりガス加熱器１４２中でのＣの生成が妨げられる。好ましくは、合成ガス流１７０は少なくとも約８２％のＨ2及びＣＯからなる。リサイクル炉頂ガス流１３６から生じた燃料１７６は、ＨＯＢ１６８における空気分離プラント１８０等からのＯ2１７８と合流され、高温（すなわち、２０００〜２５００℃）で、ノズル１７４を通じて加速され、ＮＧ又はＣＯＧ１５８と接触して合成ガス流１７０を生成する。ＢＧ及びＴＺガス���おけるＮＧ又はＣＯＧ１５８は、ＤＲシャフト炉１１０におけるベッドの温度に加え、結果として得られるＤＲＩの炭素量のコントロールも可能とする。
【００１４】
ここで、具体的に図２を参照すると、本発明の他の実施形態例において、システム及び方法２０５は、清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ等をＨＢＩプラント等のような高炭素（約２％より高い）のＤＲプラント等において用いることにより酸化鉄を金属鉄に還元するために、提供される。リサイクル炉頂ガス２３０はＤＲシャフト炉２１０から除去され、蒸気の生成、水の除去、冷却、及び／又は洗浄を行う、ボイラー２３２及び冷却器／洗浄器２３４に投入され、約３０℃と約４５℃の間の温度において飽和したリサイクル炉頂ガス２３６となる。このリサイクル炉頂ガス２３６はその後、複数の流れに分けられる。第１の流れ２３８は、吸着式ＣＯ2除去ユニット２４０等に投入され、ＣＯ2除去ユニット２４０は、約９５％のＣＯ2及びＳ（Ｈ2Ｓとして）をこの第１の流れ２３８から除去し、サチュレーター２４１は、この第１の流れ２３８からＨ2Ｏを除去し、ガス加熱器２４２は、第１の流れ２３８を約９００℃と約１１００℃の間の温度まで加熱し、これにより、ＤＲシャフト炉２１０に投入される還元ガス流２４４を供給する。ＤＲシャフト炉２１０に投入される前に、酸素（Ｏ2）２４６を、必要に応じて、還元ガス流２４４に加えてもよい。ＣＯ2除去ユニット２４０は、薄膜式のＣＯ2除去ユニット、ＰＳＡユニット、ＶＰＳＡユニット等としてもよい。ボイラー２３２からの蒸気２４８は、吸着式のＣＯ2除去ユニット２４０、又は、発電を含むその他の用途に用いられてもよい。また、ＣＯ2及びＮ2は、例えば、ガス加熱器の煙道２５０を経由して除去される。第２の流れ２５３はガス加熱器の燃料に用いられる。供給される圧縮された清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ２５８等は熱交換器２５６を通じて処理され、約３００℃と約５００℃との間の温度に予熱される。より詳細には以下に説明するが、熱交換器２５６は、加熱された合成ガス２７０との相互交換により動作するとしてもよい。予熱前に、ＮＧ又はＣＯＧ２５８の一部は、ガス加熱器の燃料２６２として用いられてもよい。予熱前に、ＮＧ又はＣＯＧ１５８の一部は、ＢＧ２６５としてＤＲシャフト炉２１０に送られてもよいし、予熱後のＮＧ又はＣＯＧ２５８の一部はＴＺガス２７５としてＤＲシャフト炉２１０に送ってもよい。ＮＧ又はＣＯＧ２５８の残部はＴＲＳ２６８により処理されて、加熱された合成ガス２７０を生成する。好ましくは、加熱された合成ガス２７０は少なくとも約８２％のＨ2及びＣＯからなり、ＴＲＳ２６８と、ＴＲＳ２６８、ボイラー２８４（これはまた、ＣＯ2除去ユニット２４０において利用する蒸気２８６を生成する）、及び、予熱した又は反応したＮＧ又はＣＯＧの流れを冷却して合成ガス２７０を生成する熱交換器２５６を含むリサイクルループとにより生成される。一般的に、ＴＲＳ２６８はＨＯＢ２７２及びノズル２７４を含む。リサイクル炉頂ガス流２５２から生じた燃料２７６は、ＨＯＢ２７２における空気分離プラント２８０等からのＯ2２７８と合流され、高温（すなわち、２０００〜２５００℃）で、ノズル２７４を通じて加速され、ＮＧ又はＣＯＧ２５８と接触して合成ガス流２７０を生成する。合成ガス流２７０は好ましくは、ＣＯ2除去ユニット２４０とサチュレーター２４１との間で、還元ガス流２４４と合流される。しかし、全ての実施形態例において、合成ガス流２７０（図１では１７０）は、もし高いレベルのＣＯ2及び／又はＳを含んでいれば、予め、ＣＯ2除去ユニット２４０（図１では１４０）の上流に導入し、過剰のＣＯ2及び／又はＨ2Ｓを除去することができることを注記しておく。また、、ＤＲシャフト炉２１０への注入の前に、還元ガス流２４４にＯ2２４６を加えてもよい。本実施形態において、より高い炭素量を含んでいる場合、酸化ガスに対する還元ガスの適切な比率を得るためには、より少ないＨ2Ｏが好ましい。それゆえ、ＴＲＳ２６８から出る際の約１２００℃の温度はボイラー２８４によって約４００〜６００℃に低下し、熱交換器２５６により約２００℃に低下される。サチュレーター２４１はその後、リサイクル炉頂ガス流２３８と合流される際に、約１２％のＨ2Ｏを含む合成ガス流２７０を取り込み、水蒸気の量を約２〜６％までに減少させる。また、ＢＧ及びＴＺガスにおけるＮＧ又はＣＯＧ２５８は、ＤＲシャフト炉２１０におけるベッド（bed）の温度に加え、結果として得られるＤＲＩの炭素量のコントロールも可能とする。
【００１５】
ここで具体的に図３を参照すると、本発明のさらなる実施形態例において、システム及び方法３０５が、清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ等をワンススルー（すなわち、リサイクルしない）をベースとして、提供される。このさらなる実施形態例は、清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ等が、金属鉄の製造及び発電の双方に、また、製鉄工場や、そのような多機能性が望まれる適用範囲でも同様に、利用することができる。圧縮されたＮＧ又はＣＯＧ３３２が供給されると熱交換器３３４を通じて処理され、約３００℃と約５００℃の間の温度に加熱される。使用済みガス流３３６は、熱交換器３３４及び洗浄器３３８において冷却及び／又は洗浄され、結果として生じるガス流は、ＴＲＳ３４２等のための燃料３４０として、及び／又は、発電／製鋼工場バーナー３４４のために用いてもよい。また、加熱されたＮＧ又はＣＯＧ３３２の一部は、ＢＧ改良ガス３４６としてＤＲシャフト炉３１０に送ってもよく、また、加熱されたＮＧ又はＣＯＧ３３２の一部はＴＺガス３４８としてＤＲシャフト炉３１０に送ってもよい。好ましくは、合成ガス／還元ガス３５０は、約５対６の酸化剤対還元剤比からなる。一般的に、ＴＲＳ３４２はＨＯＢ３５２及びノズル３５４を含む。熱交換器３３４から生じた燃料３４０は、例えば、ＨＯＢ３５２において、空気分離プラント３５８等からのＯ2３５６と合流し、高温（すなわち、２０００〜２５００℃）で、ノズル３５４を通じて加速され、圧縮されたＮＧ又はＣＯＧ３３２と接触して合成ガス／還元ガス流３５０を形成する。また、ＢＧ及びＴＺガスにおけるＮＧ又はＣＯＧ３３２の利用は、ＤＲシャフト炉３１０におけるベッドの温度に加え、結果として生じるＤＲＩの炭素量のコントロールも可能とする。
【００１６】
上述したように、様々な実施形態例において、本発明は、最小限の処理又は洗浄で、清浄な又は未処理のＮＧ、清浄な又は低質ＣＯＧ等を、ＤＲに適した還元ガス／合成ガスに変換することが可能な、従来の改質器を別の構成要素で置き換えた、システム及び方法を提供する。炭化水素等はＨ2及びＣＯに変換される。Ｓは、還元ガス／合成ガスへの変換に影響を与えないが、ＤＲシャフト炉における鉄ベッド（iron bed）により除去されるかもしくは洗浄される。また、高濃度のＳで汚染されたＤＲＩはＥＡＦ原材料としては適さないかもしれないが、例えば、ブラスト炉への金属化原材料として適するかもしれない。
【００１７】
本発明は好ましい実施形態及び特定の実施例を参照して図示されて本明細書に説明されているが、当業者には他の実施形態及び実施例も同様の機能を実施する及び／又は同様の結果を得ることは明白であろう。このような全ての同様の実施形態及び実施例は本発明の精神及び範囲内であり、ここで熟考され、下記の請求項に含まれる。
【００１８】
関連出願との相互参照
本通常特許出願／特許は、「コークス炉ガス及び酸素製鋼炉ガスを用いて酸化鉄を金属鉄に還元するシステム及び方法」と題する、２０１０年５月１４日に出願された、出願番号６１／３３４，７８６の米国分割特許出願の利益を主張する、「コークス炉ガス及び酸素製鋼炉ガスを用いて酸化鉄を金属鉄に還元するシステム及び方法」と題する、２０１１年５月１３日に出願された、出願番号１３／１０７，０１３の同時係属中の米国出願の一部継続出願である、「コークス炉ガス及び酸素製鋼炉ガスを用いて酸化鉄を金属鉄に還元するシステム及び方法」と題する、２０１２年１月３１日に出願された、出願番号１３／３６３，０４４の同時係属中の米国特許出願の一部継続出願である、「コークス炉ガス及び酸素製鋼炉ガスを用いて酸化鉄を金属鉄に還元するシステム及び方法」と題する、２０１３年７月３１日に出願された、出願番号１３／９５５，６５４の同時係属中の米国特許出願の一部継続出願であり、これらの内容の全てがここに参照される。
【図１】
2016529383.tif 000003
【図２】
2016529383.tif 000004
【図３】
2016529383.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月21日(2016.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、
直接還元シャフト炉から炉頂ガス流を供給し、
二酸化炭素除去システムを用いて前記炉頂ガス流から二酸化炭素を除去し、
ガス加熱器において前記炉頂ガス流を加熱して還元ガス流を形成し、前記酸化鉄を前記金属鉄に還元すべく前記還元ガス流を前記直接還元シャフト炉に供給し、前記炉頂ガスの一部は燃料として前記ガス加熱器に供給され、
天然ガス流、及びコークス炉ガス流のうちの一つを、合成ガス流として、前記還元ガス流に加える、方法。
【請求項２】
前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを前記合成ガス流として前記還元ガス流に加える前に、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを予熱することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記方法はさらに、熱反応システムにおいて、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを反応させて、前記合成ガス流を生成することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記熱反応システムが、酸素バーナー及びノズルを備え、酸素及び燃料を利用する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記酸素は空気分離プラントから与えられる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料は、前記炉頂ガス流の一部を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記方法はさらに、前記予熱器を、前記炉頂ガス流の一部で燃焼させることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの、前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はそれらいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法はさらに、酸素を前記バッスル改良ガスに加えることを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つの一部を、燃料として前記ガス加熱器に供給することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法はさらに、前記炉頂ガス流の顕熱を用いて、ボイラーにおいて蒸気を生成し、前記蒸気を前記二酸化炭素除去システムにおいて利用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、
直接還元シャフト炉から炉頂ガス流を供給し、
二酸化炭素除去システムを用いて前記炉頂ガス流から二酸化炭素を除去し、
続いて、サチュレータを用いて、前記炉頂ガス流及び合成ガス流のうちの一つ又はいずれもから蒸気を取り除き、
続いて、ガス加熱器において前記炉頂ガス流を加熱して還元ガス流を形成し、酸素を前記還元ガス流に加え、前記酸化鉄を前記金属鉄に還元するために、前記還元ガス流を前記直接還元シャフト炉に供給し、
天然ガス流、及びコークス炉ガス流のうちの一つを、前記合成ガス流として、前記炉頂ガス流に加える、方法。
【請求項１４】
前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法はさらに、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを熱交換器において予熱し、前記合成ガス流を生成することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法はさらに、熱反応システムにおいて、前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを反応させて、前記合成ガス流を生成することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱反応システムが、酸素バーナー及びノズルを備え、酸素及び燃料を利用する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸素は空気分離プラントから与えられる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃料は、前記炉頂ガス流の一部を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法はさらに、ボイラー及び前記熱交換器における前記天然ガス流、及び前記コークス炉ガス流のうちの、前記予熱し反応させた一つを冷却し、前記合成ガス流を生成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記方法はさらに、前記天然ガス及び前記コークス炉ガスのうち前記予熱し反応させた一つを用いて第２のボイラーにおいて蒸気を生成し、前記二酸化炭素除去システムにおいて前記蒸気を利用することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記方法はさらに、前記熱交換器が、前記合成ガス流との相互交換により動作することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガスのうちの前記一つの一部を、燃料として前記ガス加熱器に供給することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２５】
前記方法はさらに、前記炉頂ガス流を用いて第１のボイラーにおいて蒸気を生成し、前記二酸化炭素除去システムにおいて前記蒸気を利用することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２６】
前記方法はさらに、前記炉頂ガス流の一部を燃料として、前記ガス加熱器に供給することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２７】
酸化鉄を金属鉄に還元する方法であって、
天然ガス流及びコークス炉ガス流のうちの一つを供給し、
前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つを熱交換器において予熱し、
前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つを熱反応システムにおいて反応させて、還元ガス流を生成し、
前記酸化鉄を前記金属鉄に還元すべく前記還元ガス流を直接還元炉に供給する、方法。
【請求項２８】
前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、炭化水素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び硫黄のうちの少なくとも一つを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記熱反応システムが、酸素バーナー及びノズルを備え、酸素及び燃料を利用する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記酸素は空気分離プラントから与えられる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記燃料は、前記熱交換器において冷却され、スクラバーにおいて洗浄されている、前記直接還元炉から生じた前記炉頂ガス流の一部を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記一つは、前記炉頂ガス流との相互交換により、前記熱交換器において予熱されることを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記冷却された／洗浄された炉頂ガスの残部を、発電システム及び製鋼工場のうちの少なくとも一つにおいて利用することを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記方法はさらに、前記天然ガス流及び前記コークス炉ガス流のうちの前記予熱された一つの一部を、バッスル改良ガス及び遷移帯ガスのうちの一つ又はいずれもとして前記直接還元シャフト炉に供給することを含む、請求項２７に記載の方法。
【国際調査報告】
2016529383.tif 000006