JP7605376B2 - 還元鉄の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、還元鉄の製造方法に関する。

近年、製鉄所においては、地球環境問題や化石燃料枯渇問題を背景として、省エネルギー化が強く求められている。鉄の原料は主に酸化鉄であり、製鉄所では、この酸化鉄を還元する還元プロセスが必須となる。世界的に最も普及している一般的な還元プロセスは、高炉である。高炉では、羽口においてコークスや微粉炭と熱風（１２００℃程度に加熱した空気）中の酸素とが反応する。この反応により、還元ガスとなるＣＯおよびＨ_２が生成し、これらの還元ガスにより炉中の鉄鉱石等の還元を行う。近年の高炉操業技術の向上により、還元材比（溶銑１ｔを製造するあたりのコークスおよび微粉炭の使用量）は５００ｋｇ／ｔ程度まで低減されており、還元材比はすでにほぼ下限に達している。そのため、これ以上の大幅な還元材比の低減は期待できない。

一方、天然ガスが産出される地域では、竪型の還元炉（以下、シャフト炉ともいう）により還元鉄を製造する方法もよく用いられている。この方法では、還元炉に、酸化鉄原料として、焼結鉱、ペレット等の塊成化した鉄鉱石（以下、単に酸化鉄ともいう）を充填する。そして、還元炉に、ＣＯおよびＨ_２を含む還元ガスを吹き込んで酸化鉄を還元し、還元鉄を製造する。この方法では、還元ガスの原料ガスとして、天然ガスなどが用いられる。この原料ガスは、炉頂ガスとともに、改質装置内で加熱・改質される。これにより、還元ガスが生成する。ここで、炉頂ガスは、還元炉において酸化鉄の還元に供した後のガスであり、一般的に、還元炉の炉頂から排出される。生成した還元ガスは還元炉に吹き込まれ、還元炉の上部から供給される酸化鉄と反応する。そして、酸化鉄が還元され、還元鉄となる。ついで、還元鉄は、還元炉の還元ガスが吹き込まれる位置よりも下部の領域において冷却された後、還元炉下部から排出される。

また、上述したように、酸化鉄の還元に供した後のガスである炉頂ガスが、還元炉、例えば、炉頂から排出される。そして、炉頂ガスは、集塵・冷却ののち、一部は改質ガスの原料として改質装置に送給される。また、残りの炉頂ガスは、改質装置の燃料ガスとして用いられる。この方法では、改質装置の燃料ガスとして用いられた炉頂ガスは、通常、系外に排出される。

このような還元鉄製造プロセスとして、例えば、特許文献１には、還元炉の排ガスと天然ガスとを改質装置にて改質して主にＣＯとＨ_２からなる還元ガスを生成し、この還元ガスを還元炉に吹込み還元炉内の酸化鉄を還元し、還元鉄を製造する方法が記載されている。

また、特許文献２には、コークス炉ガスとＣＯ_２を除去した還元炉の炉頂ガスとを改質して還元ガスを製造し、それを還元炉に吹き込むことにより、還元鉄を製造する方法が記載されている。

特開２０１７－８８９１２号公報 特許第６１９０５２２号

特許文献１に記載の方法では、還元ガスの製造のために外部から供給された天然ガスを用いる。そのため、高炉よりは低位ではあるものの、ある程度のＣＯ_２排出が避けられないという問題がある。

また、特許文献２に記載の方法は、製鉄所内で生成されるコークス炉ガスまたは転炉ガスを用いて還元ガスを製造するものである。ここで、鉄鋼一貫製鉄所では、コークス炉ガスや転炉ガスは加熱炉や焼鈍炉などの下工程の燃料ガスとして必要となる。そのため、コークス炉ガスや転炉ガスを還元鉄製造プロセスに転用してしまうと、下工程において燃料ガス不足を引き起こすことになる。その結果、下工程の燃料ガスの不足分を補償するために、天然ガスを外部から供給することになる。すなわち、特許文献２に記載の方法でも、省エネルギー化とＣＯ_２排出量の削減とは同時には実現することができず、課題の残るものであった。

本発明は、上記の現状に鑑みなされたものであって、省エネルギー化とＣＯ_２排出量の削減とを同時に実現し得る、還元鉄の製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、省エネルギー化とＣＯ_２排出量の削減とを同時に実現すべく検討を重ね、炉頂ガスを循環して再利用する系を開発した。
すなわち、発明者らは、
還元炉へ還元ガスを吹込む、吹込み工程と、
還元炉において、還元ガスにより酸化鉄を還元して還元鉄を得る、還元工程と、
還元炉から排出される炉頂ガスを第１の炉頂ガスと第２の炉頂ガスとに分配する、分配工程と、
第１の炉頂ガスを用いて電解反応により再生一酸化炭素ガスを生成する、生成工程と、
再生一酸化炭素ガスおよび第２の炉頂ガスを混合したガスを加熱し、還元ガスとする、加熱工程と、
を有する、炉頂ガスの循環・再利用系（以下、単に循環系ともいう）を開発した。

また、発明者らはさらに検討を重ね、以下の知見を得た。
・上記の循環系において、生成工程での電解反応（すなわち、第１の炉頂ガスに含まれるＣＯ_２を電気分解によりＣＯに改質する反応）によるＣＯ_２転化率η_Ｃ［－］（以下、単にＣＯ_２転化率ともいう）に応じて、分配工程、生成工程および加熱工程に導入するガス量を制御する。
・これにより、余分なエネルギーを投入することなく、すなわち、一層の省エネルギー化とＣＯ_２排出量の削減とを同時に実現しながら、高い操業安定性の下、還元鉄を製造できる。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。

１．酸化鉄を還元炉へ充填する、充填工程と、
前記還元炉へ還元ガスを吹込む、吹込み工程と、
前記還元炉において、前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を得る、還元工程と、
前記還元炉から排出される炉頂ガスを第１の炉頂ガスと第２の炉頂ガスとに分配する、分配工程と、
前記第１の炉頂ガスを用いて電解反応により再生一酸化炭素ガスを生成する、生成工程と、
前記再生一酸化炭素ガスおよび前記第２の炉頂ガスを混合した混合ガスを加熱し、前記還元ガスとする、加熱工程と、
を有し、
前記生成工程での電解反応によるＣＯ_２転化率η_Ｃ［－］に応じて、前記分配工程、前記生成工程および前記加熱工程に導入するガス量を制御する、還元鉄の製造方法。

２．次式（１）を満足するように、前記分配工程、前記生成工程および前記加熱工程に導入するガス量を制御する、前記１に記載の還元鉄の製造方法。

ここで、
Ｗ_ＣＯ２：分配工程に導入する炉頂ガスに含まれるＣＯ_２量［Ｎｍ^３／ｔ］
Ｖ_ＣＯ２：加熱工程に導入するガスに含まれるＣＯ_２量［Ｎｍ^３／ｔ］
である。

３．前記分配工程において、前記炉頂ガスを、分離二酸化炭素ガスと残部ガスとに分離し、
前記分離二酸化炭素ガスを前記第１の炉頂ガスとして分配し、
前記残部ガスを前記第２の炉頂ガスとして分配する、前記１または２に記載の還元鉄の製造方法。

本発明によれば、還元鉄の製造に際し、高い操業安定性の下、一層の省エネルギー化とＣＯ_２排出量の削減とを同時に実現した操業を行うことが可能になる。

従前の還元鉄の製造プロセスを示す図である。 本発明の一実施形態に従う還元鉄の製造方法による還元鉄の製造プロセスの一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に従う還元鉄の製造方法について説明する。

まず、従前の還元鉄の製造プロセス（以下、従前の製造プロセスともいう）について説明する。図１は、従前の製造プロセスの一例の概略構成を示す図である。図中、符号１は還元炉、１ａは酸化鉄、１ｂは還元鉄、３は除塵装置、４は脱水装置、５は天然ガス供給部、６は空気供給部、７は改質装置、９は還元ガス吹込み装置である。

従前の製造プロセスの一例では、還元炉の上部から酸化鉄を装入し、徐々に降下させる。そこへ、還元炉の中部から高温の還元ガスを吹き込むことで酸化鉄を還元する。そして、還元炉の下部から還元鉄が排出される。この際、還元炉の上部からは、主にＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏを含む炉頂ガスが排出される。この炉頂ガスは、除塵装置にて除塵され、一部は、原料ガスとして水分調整して改質装置に送給される。改質装置には、水分調整された炉頂ガスとともに、炭化水素を含むガス、例えば、天然ガス供給部から天然ガスが供給される。ついで、改質装置では、供給されたガスが加熱される。そして、改質反応がおこり、主にＣＯおよびＨ_２を含む高温の還元ガスが生成する。そして、この還元ガスが、還元炉に吹き込まれる。また、炉頂ガスの残りの部分は、脱水ののち、改質装置の燃焼室にて加熱用燃料として用いられる。加熱用燃料として燃焼した後の炉頂ガスは、通常、ＣＯ_２を含んだまま系外へ排出される。なお、当該従前の製造プロセスの一例により還元鉄を製造すると、還元鉄を１ｔ製造するにあたりおよそ１ｔ強のＣＯ_２が循環系外に排出される。

一方、本発明の一実施形態に従う還元鉄の製造方法では、例えば、図２に示すように、炉頂ガス分配部において、還元炉から排出される炉頂ガスを第１の炉頂ガスと第２の炉頂ガスとに分配する。ついで、一酸化炭素生成装置において、第１の炉頂ガスを用いて電解反応により再生一酸化炭素ガスを生成する。ついで、再生一酸化炭素ガスおよび第２の炉頂ガスを混合して混合ガスとする。ついで、加熱装置において混合ガスを加熱する。そして、この加熱した混合ガスを還元ガスとして、還元ガス吹込み装置から還元炉へ吹き込む。図中、符号１０は水蒸気供給部、１１は一酸化炭素生成装置、１２は加熱装置、１３は熱源、１４は炉頂ガス分配部である。
以下、本発明の一実施形態に従う還元鉄の製造方法の各工程について、説明する。なお、充填工程、吹込み工程および還元工程については、常法に従い、例えば、上記した従前の製造プロセスと同様にして行えばよいので、ここでは説明を省略する。

・分配工程
分配工程では、例えば、炉頂ガス分配部において、還元炉から排出される炉頂ガスを第１の炉頂ガスと第２の炉頂ガスとに分配する。また、炉頂ガスの分配および流量制御手段は特に限定されず、常法に従えばよい。例えば、マスフローコントローラーなどを用いればよい。

分配工程では、炉頂ガスをそのままの組成で分配してもよい。また、例えば、以下のように、ＣＯ_２などの特定のガス種を分離して分配してもよい。すなわち、炉頂ガスを、分離二酸化炭素ガスと残部ガスとに分離（ＣＯ_２分離）し、分離二酸化炭素ガスを第１の炉頂ガスとして、残部ガスを第２の炉頂ガスとしてそれぞれ分配してもよい。

ここで、ＣＯ_２分離の方法は特に限定されず、化学吸収法や物理吸収法、吸着分離法、膜分離法、深冷分離法、酸素燃焼法、化学ループ燃焼法など種々の方法を用いることができる。なかでも特にアミン吸収法に代表される化学吸収法、ＰＳＡ法に代表される吸着分離法は、古くから化学プラントや工業ＣＯ_２生産などで使用実績がある。また、これらの方法は、ＣＯ_２濃度：９９体積％以上となるガスの回収実績も有する。そのため、これらの方法が好ましい。なお、分離二酸化炭素ガスにおけるＣＯ_２濃度は、好ましくは９０体積％以上である。分離二酸化炭素ガスにおけるＣＯ_２濃度は、１００体積％であってもよい。

また、第２の炉頂ガスとして分配される残部ガスの組成は、分離されるＣＯ_２の量によって変化するが、例えば、ＣＯ：５～７０体積％、ＣＯ_２：０～２５体積％、Ｈ_２：２５～７５体積％、Ｈ_２Ｏ：０～５０体積％、残部：０～３０体積％である。

なお、分配工程において炉頂ガスをそのままの組成で第１の炉頂ガスと第２の炉頂ガスとに分配した場合、上記の分配工程と後述する生成工程の間に、任意に、第１の炉頂ガスおよび第２の炉頂ガスからＣＯ_２などの特定のガス種を分離する分離工程を有していてもよい。
例えば、上記のように、第１の炉頂ガスを、分離二酸化炭素ガスと残部ガスとに分離（ＣＯ_２分離）し、分離二酸化炭素ガスを生成工程において第１の炉頂ガスとして使用してもよい。上記の残部ガスは、そのまま第２の炉頂ガスに合流させてもよい。

また、分配工程に導入する炉頂ガスの流量を制御する観点から、炉頂ガスの一部を、加熱装置などの加熱用燃料として使用してもよい。例えば、加熱装置の燃焼室において、炉頂ガスの一部を、酸素供給装置から供給される酸素、一例としては、ＣＯ_２フリー電力で駆動する深冷分離プロセスによって生成される純酸素を用いて、燃焼させる。また、燃焼後の炉頂ガスを、必要に応じて脱水してから元のラインに戻してもよい。

・生成工程
生成工程では、例えば、一酸化炭素生成装置において、上記の分配工程で分配した第１の炉頂ガスを用いて電解反応により再生一酸化炭素ガスを生成する。なお、ＣＯは、例えば、第１の炉頂ガスに含まれるＣＯ_２を電気分解することにより、次式（ｉ）の反応式に従って生成する。
ＣＯ_２ → ＣＯ＋１／２Ｏ_２ ・・・（ｉ）

また、第１の炉頂ガスにＨ_２Ｏが含まれる場合や第１の炉頂ガスとともに水蒸気を導入する場合には、Ｈ_２Ｏについても、ＣＯ_２と同時に、電気分解することが好ましい。この場合、次式（ｉｉ）の反応式に従ってＨ_２が生成する。
Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ ・・・（ｉｉ）
なお、上掲式（ｉ）および（ｉｉ）に従うＣＯ_２およびＨ_２Ｏの電気分解を同時に行うことを、以下、共電解反応ともいう。

すなわち、還元炉では、ＣＯおよびＨ_２が酸化鉄の還元反応に消費されてＣＯ_２およびＨ_２Ｏとなる。そのため、還元炉に吹き込む還元ガスの組成と還元炉から排出される炉頂ガスの組成を比較すると、ＣＯおよびＨ_２は減少し、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏは増加する。そのため、上記の循環系において還元ガスの組成を一定の範囲に保持する観点からは、共電解反応を行って、ＣＯに加え、Ｈ_２についても、変動分を調整することが好ましい。

ＣＯ_２およびＨ_２Ｏの電気分解条件などについては特に限定されず、常法に従えばよい。

また、第１の炉頂ガスの組成は、上記の分配工程または分離工程で得られる分離二酸化炭素ガスを使用する場合、当該分離二酸化炭素ガスと同じ組成となる。分配工程において炉頂ガスをそのままの組成で分配し、分離工程も経ない場合、第１の炉頂ガスの組成は、基本的に、分配工程に導入される炉頂ガスの組成と同じである。この場合の第１の炉頂ガスの組成は、例えば、ＣＯ：５～５０体積％、ＣＯ_２：５～３０体積％、Ｈ_２：５～８０体積％、Ｈ_２Ｏ：０～３５体積％、残部：０～２０体積％である。後述する第２の炉頂ガスの組成も同様である。

なお、生成工程では、第１の炉頂ガスに加えて、ＣＯ_２を含有する任意の他のガス（以下、他のガスともいう）を用いることもできる。他のガスとしては、例えば、製鉄プロセスにおいて副生するガス、具体的には、高炉ガス（ＢＦＧ）やコークス炉ガス（ＣＯＧ）が挙げられる。また、他のガスを、第１の炉頂ガスとともに、上記の分離工程に導入し、分離二酸化炭素ガスと残部ガスとに分離してから、分離二酸化炭素ガスを生成工程に供給してもよい。

また、生成工程では、循環系全体の物質収支を考慮しつつ、第１の炉頂ガスとともに水蒸気を導入してもよい。水蒸気は、例えば、第１の炉頂ガスの流通ラインに供給してから一酸化炭素生成装置に導入してもよいし、独立したラインから、直接、一酸化炭素生成装置に導入してもよい。水蒸気は、上記の循環系外から供給してもよいし、脱水装置で脱水したＨ_２Ｏを再利用してもよい。

加えて、電気分解の効率の観点からは、以下の態様が好ましい。すなわち、上記の分配工程において、炉頂ガスを、分離二酸化炭素ガスと残部ガスとに分離（ＣＯ_２分離）する。そして、分離二酸化炭素ガスを、第１の炉頂ガスとして生成工程に導入するとともに、水蒸気を生成工程に導入する。なお、残部ガスは、第２の炉頂ガスとする。

一酸化炭素生成装置として使用する電気分解装置は、特に限定されず、一般的に使用されている装置を用いることができる。また、電気分解に使用する電力も、特に限定されない。電気分解に使用する電力は、特には、ＣＯ_２フリーの電力、例えば、太陽光発電や風力発電により供給された電力を用いることが好ましい。

なお、Ｈ_２Ｏが後述する加熱工程に多量に導入されることは好ましくない。よって、循環系全体の物質収支を考慮しつつ、後述する加熱工程に先立って、再生一酸化炭素ガスを、適宜、脱水装置により脱水することが好ましい。

また、再生一酸化炭素ガスの組成は、特に限定されるものではない。Ｈ_２Ｏを除いた再生一酸化炭素ガス、例えば、上記の脱水装置により脱水した後の再生一酸化炭素ガスにおいて、その組成は、ＣＯ：１～６０体積％、Ｈ_２：４０～９９体積％、残部：０～３０体積％である。

なお、一酸化炭素が生成する際の副産物として得られる酸素は、上記の循環系内のガスから分離される。すなわち、通常、一酸化炭素生成装置内において、既に、循環系内のガス（再生一酸化炭素ガス）と酸素とは分離されている。そのため、酸素の分離装置を設ける特段の必要はないが、これは分離装置の設置を制限するものではない。分離した酸素は大気へ放出しても構わないが、上記の循環系におけるガス加熱時の燃焼用酸素や、製鉄所内外の他プロセスにおける所要酸素の補填など、適宜、別の用途に利用することが望ましい。

・加熱工程
加熱工程では、再生一酸化炭素ガスおよび第２の炉頂ガスを混合したガス（以下、混合ガスともいう）を加熱して還元ガスを得る。再生一酸化炭素ガスおよび第２の炉頂ガスの混合は、図２のように加熱装置の上流側で行ってもよいし、これらのガスをそれぞれ独立したラインから、直接、加熱装置に供給して加熱装置内で行ってもよい。なお、図２では、脱水装置と加熱装置の間の再生一酸化炭素ガスの流通ラインに第２の炉頂ガスを供給する態様を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば、一酸化炭素生成装置と脱水装置の間の再生一酸化炭素ガスの流通ラインに、第２の炉頂ガスを供給してもよい。

なお、還元ガス（混合ガス）のガス組成は、例えば、ＣＯ：１～６０体積％、Ｈ_２：４０～９９体積％、残部：０～３０体積％である。

還元ガス（混合ガス）の加熱温度や加熱手段は、特に限定されず、常法に従えばよい。例えば、還元ガス（混合ガス）の加熱温度は、７５０～１１００℃を例示できる。

また、加熱装置の熱源として、例えば、太陽光、風力、地熱エネルギーなどのグリーンエネルギーを用いることにより、原理的にＣＯ_２排出をゼロとすることができる。

ついで、還元ガスは、吹込み工程を経て還元炉に導入される。例えば、還元ガス吹込み装置を用いて還元炉に導入される。そして、還元炉内で、還元ガスにより酸化鉄が還元され、還元鉄が得られる。一方、酸化鉄の還元に供した後の還元ガスが、炉頂ガスとして還元炉から排出される。

また、上記の分配工程に先だって、炉頂ガスの除塵および脱水の少なくとも一方を行うことが好ましい。除塵に使用する除塵装置には、任意の除塵装置を用いることができる。また、脱水に使用する脱水装置には、任意の脱水装置を用いることができる。なお、除塵および脱水の順序は特に限定されるものではない。図２に示した例では、炉頂ガスについて、除塵装置により除塵した後、脱水装置により脱水し、その後、炉頂ガスを第１の炉頂ガスと第２の炉頂ガスとに分配している。

・分配工程、生成工程および加熱工程に導入するガス量の制御
そして、本発明の一実施形態に従う還元鉄の製造方法では、ＣＯ_２転化率に応じて、分配工程、生成工程および加熱工程に導入（供給）するガス量を制御することが重要である。これにより、還元炉に吹き込む還元ガスの組成、特には、還元ガスに含まれるＣＯ量に対するＨ_２量の比であるＨ_２／ＣＯ（以下、還元ガスのＨ_２／ＣＯともいう）を安定化させることが可能となる。これにより、高い操業安定性の下、一層の省エネルギー化とＣＯ_２排出量の削減とを同時に実現した操業、具体的には、ＣＯ_２の循環系外への排出や循環系外からのＣＯ供給を行うことなく、還元ガスの組成を一定の範囲に保持した安定的な操業を継続して行うことが可能になる。

ここで、ＣＯ_２転化率は、電気分解反応により、生成工程に導入される第１の炉頂ガスに含まれるＣＯ_２がＣＯに転化される割合を示すものである。例えば、ＣＯ_２転化率は、次式により、算出することができる。
ＣＯ_２転化率η_Ｃ［－］＝１－（生成工程でのＣＯの生成後に排出される再生一酸化炭素ガスに含まれるＣＯ_２量［Ｎｍ^３／ｔ］）÷（生成工程に導入される第１の炉頂ガスに含まれるＣＯ_２量［Ｎｍ^３／ｔ］）
なお、ＣＯ_２転化率は、主に、生成工程で使用する反応器自体、例えば、反応器で使用する電極や電解質に用いる材料の種類や量、表面積や厚さに加え、反応器の温度や反応器に供給する電力量によって調整することが可能である。また、水蒸気など第１の炉頂ガス以外にも生成工程に導入されるガスがある場合には、当該ガスに含まれるＣＯ_２量も（生成工程に導入される第１の炉頂ガスに含まれるＣＯ_２量［Ｎｍ^３／ｔ］）に含めるものとする。
また、Ｎｍ^３／ｔおよびｋｇ／ｔは、還元鉄（ＤＲＩ）を１ｔ製造するあたりの原単位である。

そして、例えば、次式（１）を満足するように、分配工程、生成工程および加熱工程に導入するガス量を制御することが好適である。

ここで、
Ｗ_ＣＯ２：分配工程に導入する炉頂ガスに含まれるＣＯ_２量［Ｎｍ^３／ｔ］
Ｖ_ＣＯ２：加熱工程に導入するガスに含まれるＣＯ_２量［Ｎｍ^３／ｔ］
である。
なお、Ｖ_ＣＯ２は、加熱工程に導入するガスに含まれるＣＯ_２量の合計である。加熱工程に導入するガスは、基本的に、再生一酸化炭素ガスおよび第２の炉頂ガス（またはこれらの混合ガス）である。

上掲式（１）の左辺は、（Ｗ_ＣＯ２－Ｖ_ＣＯ２）／Ｗ_ＣＯ２と書き直すことができ、分配工程に導入するＣＯ_２のうち、ＣＯに転化されるＣＯ_２の割合を表すものといえる。ここで、上掲式（１）を満足しない場合、生成工程でのＣＯ_２からＣＯへの転化量が十分ではなく、循環系内でＣＯ_２が余剰となる。その結果、健全な物質収支の下で安定した操業を行うためには、ＣＯ_２の循環系外への排出が必要となる場合がある。

以上のことから、上掲式（１）を満足するように、分配工程、生成工程および加熱工程に導入するガス量を制御することが好適である。

なお、上掲式（１）の左辺は、１－Ｖ_ＣＯ２／Ｗ_ＣＯ２＋０．０１５とすることがより好適である。また、上掲式（１）の左辺は、１－Ｖ_ＣＯ２／Ｗ_ＣＯ２＋０．０３とすることがさらに好適である。

また、分配工程、生成工程および加熱工程に導入するガス量は、上掲式（１）を満足すれば、一定であっても、任意のタイミングで変更してもよい。また、設備起動時の分配工程、生成工程および加熱工程に導入するガス量は、例えば、過去の運転履歴などから決定し、その後の操業状況に応じて、適宜、分配工程、生成工程および加熱工程に導入するガス量を変更して制御すればよい。

さらに、本発明の一実施形態に従う還元鉄の製造方法で用いる酸化鉄原料は、例えば、鉄鉱石である。具体例としては、塊状の鉄鉱石（塊鉱石）、ペレット（粉状の鉄鉱石を球状に固めたもの）等が挙げられる。酸化鉄原料として用いる鉄鉱石の品位、すなわち、鉄の含有量は、特に限定されないが、シャフト炉で還元する観点から、一般的には、６５質量％以上が好ましい。

加えて、本発明の一実施形態に従う還元鉄の製造方法では、特に、直接還元製鉄法として、シャフト炉を用いる方法を説明した。ただし、還元炉の種類は、これに限定されず、流動層、ロータリーキルン、回転炉床炉（ＲＨＦ）などを用いる方法であってもよい。なお、生産効率、稼働率および操業安定性が高いことから、還元炉としては、シャフト炉が好ましい。また、世界で稼働している直接還元炉の大半は、シャフト炉方式のＭｉｄｒｅｘ（登録商標）およびＨｙｌ（登録商標）である。

以下、実施例について説明する。
図２に示す循環系において、表１に記載の条件に従って還元鉄の製造を行った。いずれの条件でも、操業期間は２８日間とした。表１では、還元鉄を１ｔ製造するあたりの原単位により操業諸元を記載している。例えば、還元鉄を１ｔ製造する際に酸化鉄ペレットを１３００ｋｇ使用する場合、酸化鉄ペレットの使用量を１３００ｋｇ／ｔと表す。３０００ｔ／日の還元鉄の製造を行う場合には、この量を３０００倍すれば１日当たりの諸元となる。

ここで、いずれの条件でも、充填工程では、原料となる酸化鉄ペレットを１３９４ｋｇ／ｔの条件で還元炉に充填した。吹込み工程では、還元炉の中部から９８０℃に加熱した還元ガスを吹き込んで、酸化鉄ペレットを還元し、還元鉄を得た。そして、還元炉から排出された炉頂ガスを除塵した後、物質収支が釣り合うように適宜脱水した。ついで、炉頂ガスを分配工程に導入し、第１の炉頂ガスと第２の炉頂ガスとに分配した。分配工程では、炉頂ガス分配部に導入される炉頂ガスを、適宜、物質収支が釣り合うように、分離二酸化炭素ガスと残部ガスとに分離（ＣＯ_２分離）した。そして、分離二酸化炭素ガスを第１の炉頂ガスとして、適量の水蒸気を加えたうえで、一酸化炭素生成装置に導入した。ついで、一酸化炭素生成装置において、共電解反応により再生一酸化炭素ガスを生成した。生成した再生一酸化炭素ガスを適宜脱水した後、再生一酸化炭素ガスと第２の炉頂ガスとを混合し、混合ガスとした。ついで、混合ガスを加熱装置に導入し、加熱装置において混合ガスを加熱して還元ガスを得た。なお、表１の加熱工程の導入ガス合計量は、混合ガス、すなわち、再生一酸化炭素ガスと第２の炉頂ガスの合計量である。Ｗ_Ｈ２は、分配工程に導入する炉頂ガスに含まれるＨ_２量である。Ｖ_Ｈ２は、加熱工程に導入するガス（再生一酸化炭素ガスと第２の炉頂ガス）に含まれるＨ_２量である。また、上記および表１に記載した以外の条件は、常法に従うものとした。

発明例ではいずれも、２８日間の全操業期間にわたり、省エネルギー化を実現するうえで極めて有利となる図２に示す循環系、すなわち、炉頂ガスを循環して再利用する系において、健全な物質収支の下で安定的に操業を行うことができた。また、当該循環系からのＣＯ_２排出量もゼロにすることができた。
一方、生成工程でのＣＯ_２転化率に応じたガス量の制御を行わなかった比較例ではいずれも、操業期間の途中で、還元ガスの組成を一定の範囲に保持することできなくなって還元炉内の反応が不安定化し、やむなく操業の中断に至った。

１ 還元炉
１ａ 酸化鉄
１ｂ 還元鉄
３ 除塵装置
４ 脱水装置
５ 天然ガス供給部
６ 空気供給部
７ 改質装置
９ 還元ガス吹込み装置
１０ 水蒸気供給部
１１ 一酸化炭素生成装置
１２ 加熱装置
１３ 熱源
１４ 炉頂ガス分配部

Claims (2)

1. 酸化鉄を還元炉へ充填する、充填工程と、
   前記還元炉へ還元ガスを吹込む、吹込み工程と、
   前記還元炉において、前記還元ガスにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を得る、還元工程と、
   前記還元炉から排出される炉頂ガスを第１の炉頂ガスと第２の炉頂ガスとに分配する、分配工程と、
   前記第１の炉頂ガスを用いて電解反応により再生一酸化炭素ガスを生成する、生成工程と、
   前記再生一酸化炭素ガスおよび前記第２の炉頂ガスを混合した混合ガスを加熱し、前記還元ガスとする、加熱工程と、
   を有し、
   前記生成工程での電解反応によるＣＯ_２転化率η_Ｃ［－］に応じて、次式（１）を満足するように、前記分配工程、前記生成工程および前記加熱工程に導入するガス量を制御する、還元鉄の製造方法。
   

   

   ここで、
   Ｗ _ＣＯ２ ：分配工程に導入する炉頂ガスに含まれるＣＯ _２ 量［Ｎｍ ^３ ／ｔ］
   Ｖ _ＣＯ２ ：加熱工程に導入するガスに含まれるＣＯ _２ 量［Ｎｍ ^３ ／ｔ］
   である。
2. 前記分配工程において、前記炉頂ガスを、分離二酸化炭素ガスと残部ガスとに分離し、
   前記分離二酸化炭素ガスを前記第１の炉頂ガスとして分配し、
   前記残部ガスを前記第２の炉頂ガスとして分配する、請求項１に記載の還元鉄の製造方法。

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