JP7780899B2 - Carbon recovery type manganese alloy manufacturing method and manufacturing device - Google Patents
Carbon recovery type manganese alloy manufacturing method and manufacturing deviceInfo
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Description
本発明は、マンガン系合金の製造過程で発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料して合成燃料を製造して炭素回収する炭素回収型マンガン系合金の製造方法とその製造装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for producing manganese alloys with carbon recovery, in which carbon monoxide contained in by-product gases generated during the production of manganese alloys is used as a raw material to produce synthetic fuel and recover the carbon.
マンガン系合金、例えば、フェロマンガンは、高炉又は電気炉にマンガン鉱石とコークス等の還元材を投入して加熱することで鉱石中のマンガンや鉄を還元することによって製造される。高炉法では熱源及び還元材としてコークスを用いるが、電炉法では熱源は電力として還元材にコークスを用いるというのが基本的な考え方である。 Manganese-based alloys, such as ferromanganese, are produced by heating manganese ore and a reducing agent such as coke in a blast furnace or electric furnace to reduce the manganese and iron in the ore. While the blast furnace method uses coke as both the heat source and the reducing agent, the basic concept of the electric furnace method is that electricity is used as the heat source and coke as the reducing agent.
従来、マンガン系合金製造では、マンガン系合金をいかに効率よく製造するかという視点で技術開発が行われてきた。例えば、スラグ中に残存するマンガンを更に還元して抽出するためにケイ素を含有する合金鉄や金属アルミニウムなどの還元材を投入する技術が、特許文献1や特許文献2に開示されている。また、高炉や電炉にマンガン鉱石を直接投入するのではなく、高炉法や電炉法で発生する一酸化炭素COガスやコークスで予めマンガン鉱石を予備還元してから高炉や電炉に投入する技術が、特許文献3~6に開示されている。 Traditionally, technological development in the production of manganese-based alloys has focused on how to produce them as efficiently as possible. For example, Patent Documents 1 and 2 disclose technologies that add reducing agents such as silicon-containing ferroalloys or metallic aluminum to further reduce and extract the manganese remaining in the slag. Furthermore, Patent Documents 3 to 6 disclose technologies that, rather than directly adding manganese ore to a blast furnace or electric furnace, pre-reduce manganese ore with carbon monoxide (CO) gas or coke generated in the blast furnace or electric furnace process before adding it to the blast furnace or electric furnace.
上述のように、マンガン系合金の製造では、これまで効率よく製造する技術開発は行われてきたが、発生する副生ガスは、上述のように、鉱石の予備還元に利用する、或いは発電の燃料として利用する、ということのみであった。 As mentioned above, technological developments have been made to efficiently produce manganese alloys, but the by-product gases that are generated have only been used for the pre-reduction of ore or as fuel for power generation, as mentioned above.
しかしながら、特許文献1~5やそれ以外のマンガン系合金の製造に関する先行技術文献をみても、CO2排出削減を目的として技術開発は行われておらず、それに関する記載も示唆もない。従来のマンガン系合金の製造に関する技術開発では高効率にすることで間接的に多少のCO2排出削減はなされているが、CO2排出削減の観点から発生する副生ガスの炭素を回収するという取り組みは全くなされていなかった。 However, Patent Documents 1 to 5 and other prior art documents related to the production of manganese-based alloys do not describe or suggest any technological development aimed at reducing CO2 emissions. Conventional technological developments related to the production of manganese-based alloys have indirectly reduced CO2 emissions to some extent by increasing efficiency, but no efforts have been made to recover carbon from the by-product gases generated from the perspective of reducing CO2 emissions.
地球温暖化問題に対するカーボンニュートラルやCO2ゼロエミッションを意識したマンガン系合金の製造に関する技術開発が必要であるとの考えに至った。 We came to the conclusion that it is necessary to develop technology for manufacturing manganese-based alloys that are carbon neutral and have zero CO2 emissions in order to address the issue of global warming.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、マンガン系合金の製造において、CO2排出削減を可能にする炭素回収型マンガン系合金の製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide a carbon recovery type manganese-based alloy production method and production apparatus that enable a reduction in CO2 emissions in the production of manganese-based alloys.
従来の電炉法によるマンガン系合金の製造において発生する副生ガスには45%~65%の一酸化炭素COが含まれるので、上述のように、マンガン鉱石の予備還元や発電の燃料として使用されている。しかしながら、これらの副生ガスの利用では炭素を固定・回収するものでなく、二酸化炭素CO2として排出されるものである。 The by-product gases generated in the production of manganese alloys using conventional electric furnace methods contain 45% to 65% carbon monoxide (CO), and as mentioned above, are used as fuel for the preliminary reduction of manganese ore and for power generation. However, the use of these by-product gases does not fix or capture carbon, and instead the carbon is emitted as carbon dioxide (CO2 ) .
本発明者らは、副生ガスに含まれるCOを原料として合成燃料とすることで炭素を回収するという発想に至った。しかしながら、現状の副生ガスにはCOが含まれるもののその含有量は多くても65%に留まっており、効率よく合成燃料を製造するには更に高濃度COが必要である。そこで、発明者らは更に検討を重ね、マンガン系合金の製造における排ガス中のCO生成メカニズムを考えることで好ましくは80%以上の高濃度COを含む排ガス(副生ガス)とする方法を見出した。具体的には、マンガン鉱石をマンガン酸化度1.0~1.1にしたマンガン鉱石由来原料を用いてマンガン系合金を製造すると、その排ガスにはCOが高濃度で含有することを見出し、本発明を完成した。 The inventors came up with the idea of recovering carbon by using the CO contained in by-product gas as a raw material to produce synthetic fuel. However, while current by-product gas contains CO, the content is at most 65%, and an even higher concentration of CO is required to efficiently produce synthetic fuel. Therefore, the inventors conducted further research and, by considering the mechanism of CO generation in exhaust gas during the production of manganese-based alloys, discovered a method to produce exhaust gas (by-product gas) containing a high concentration of CO, preferably 80% or more. Specifically, they discovered that when manganese-based alloys are produced using manganese ore-derived raw materials with a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1, the exhaust gas contains a high concentration of CO, leading to the completion of this invention.
(1)マンガン酸化度1.0~1.1であるマンガン鉱石由来原料と炭材を電気炉に投入して精錬を行い、次いでスラグ・メタル分離を行う工程(A)と前記電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料して合成燃料を製造する工程(B)を組み合わせたことを特徴とする炭素回収型マンガン系合金の製造方法。 (1) A method for producing a carbon-recovery manganese alloy, comprising the steps of: (A) feeding a manganese ore-derived raw material having a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1 and a carbonaceous material into an electric furnace for refining, followed by slag-metal separation; and (B) producing a synthetic fuel using carbon monoxide contained in the by-product gas generated from the electric furnace as a raw material.
(2)前記マンガン鉱石由来原料が、マンガン鉱石を水素若しくは一酸化炭素、又は水素と一酸化炭素の両方で還元して、マンガン酸化度1.0~1.1にしたものであることを特徴とする(1)記載の炭素回収型マンガン系合金の製造方法。 (2) The method for producing a carbon-recovery manganese-based alloy according to (1), wherein the manganese ore-derived raw material is obtained by reducing manganese ore with hydrogen or carbon monoxide, or with both hydrogen and carbon monoxide, to a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1.
(3)前記一酸化炭素の一部又は全てが、電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の炭素回収型マンガン系合金の製造方法。 (3) A method for producing a carbon-recovery manganese alloy according to (1) or (2), wherein some or all of the carbon monoxide is carbon monoxide contained in a by-product gas generated from an electric furnace.
(4)前記炭材の一部又は全てが、グリーンカーボンであることを特徴とする(1)~(3)のいずれかに記載の炭素回収型マンガン系合金の製造方法。 (4) A method for producing a carbon-recovery manganese-based alloy according to any one of (1) to (3), wherein some or all of the carbonaceous material is green carbon.
(5)前記マンガン鉱石由来原料と炭材を含む造粒物を前記電気炉に投入することを特徴とする(1)~(4)のいずれかに記載の炭素回収型マンガン系合金の製造方法。 (5) A method for producing a carbon-recovery manganese alloy according to any one of (1) to (4), characterized in that granules containing the manganese ore-derived raw material and carbonaceous material are charged into the electric furnace.
(6)前記工程(A)で副生する溶融スラグに、ケイ素を含有する合金鉄若しくは金属アルミニウムを含む還元材、又はケイ素を含有する合金鉄と金属アルミニウムを含む還元材の両方を投入して、前記溶融スラグ中に含まれるマンガン酸化物の少なくとも一部を還元してマンガン系合金鉄を製造する工程(C)、を含むことを特徴とする(1)~(5)のいずれかに記載の炭素回収型マンガン系合金の製造方法。 (6) A method for producing a manganese-based alloy with carbon recovery according to any one of (1) to (5), characterized by including step (C) of adding a reducing agent containing a silicon-containing ferroalloy or metallic aluminum, or both a silicon-containing ferroalloy and a reducing agent containing metallic aluminum, to the molten slag by-produced in step (A) to reduce at least a portion of the manganese oxide contained in the molten slag to produce a manganese-based ferroalloy.
(7)マンガン酸化度1.0~1.1であるマンガン鉱石由来原料と炭材を電気炉に投入して精錬を行い、次いでスラグ・メタル分離を行う手段(A)と前記電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料して合成燃料を製造する手段(B)を組み合わせたことを特徴とする炭素回収型マンガン系合金の製造装置。 (7) A carbon-recovery manganese alloy manufacturing apparatus characterized by combining a means (A) for feeding manganese ore-derived raw material with a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1 and carbonaceous material into an electric furnace for refining, followed by slag-metal separation, and a means (B) for producing synthetic fuel using carbon monoxide contained in the by-product gas generated from the electric furnace as a raw material.
(8)前記マンガン鉱石由来原料が、マンガン鉱石を水素若しくは一酸化炭素、又は水素と一酸化炭素の両方で還元して、マンガン酸化度1.0~1.1にしたものであることを特徴とする(9)記載の炭素回収型マンガン系合金の製造装置。 (8) The carbon recovery type manganese alloy manufacturing apparatus according to (9), wherein the manganese ore-derived raw material is obtained by reducing manganese ore with hydrogen or carbon monoxide, or with both hydrogen and carbon monoxide, to a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1.
(9)前記一酸化炭素の一部又は全てが、電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素であることを特徴とする(7)又は(8)記載の炭素回収型マンガン系合金の製造装置。 (9) The carbon recovery type manganese alloy manufacturing apparatus according to (7) or (8), wherein some or all of the carbon monoxide is carbon monoxide contained in a by-product gas generated from an electric furnace.
(10)前記炭材の一部又は全てが、グリーンカーボンであることを特徴とする(7)~(9)のいずれかに記載の炭素回収型マンガン系合金の製造装置。 (10) A carbon recovery type manganese alloy manufacturing apparatus according to any one of (7) to (9), characterized in that some or all of the carbonaceous material is green carbon.
(11)前記マンガン鉱石由来原料と炭材を含む造粒物を前記電気炉に投入することを特徴とする(7)~(10)のいずれかに記載の炭素回収型マンガン系合金の製造装置。 (11) The carbon recovery type manganese alloy manufacturing apparatus according to any one of (7) to (10), characterized in that granulated material containing the manganese ore-derived raw material and carbonaceous material is fed into the electric furnace.
(12)前記工程(A)で副生する溶融スラグに、ケイ素を含有する合金鉄若しくは金属アルミニウムを含む還元材、又はケイ素を含有する合金鉄と金属アルミニウムを含む還元材の両方を投入して、前記溶融スラグ中に含まれるマンガン酸化物の少なくとも一部を還元してマンガン系合金鉄を製造する工程(C)、を含むことを特徴とする(7)~(11)のいずれかに記載の炭素回収型マンガン系合金の製造装置。 (12) A carbon-recovery manganese alloy manufacturing apparatus according to any one of (7) to (11), characterized by including a step (C) of adding a reducing agent containing a silicon-containing ferroalloy or metallic aluminum, or both a silicon-containing ferroalloy and a reducing agent containing metallic aluminum, to the molten slag by-produced in the step (A) to reduce at least a portion of the manganese oxide contained in the molten slag to produce a manganese-containing ferroalloy.
本発明により、マンガン系合金の製造における副生ガス中の一酸化炭素CO濃度を高くできるので合成燃料も効率よく製造できるとういう作用効果を奏する。また、マンガン系合金の製造で排出する炭素を回収できるという作用効果を奏する。 This invention has the effect of increasing the carbon monoxide (CO) concentration in the by-product gas during the production of manganese-based alloys, thereby enabling the efficient production of synthetic fuels. It also has the effect of recovering carbon emitted during the production of manganese-based alloys.
従来の電炉法によるマンガン系合金の製造では、マンガン鉱石中のマンガンや鉄を還元する炭材としてコークスが使用されている。電炉に投入されたコークスは、主として次のような反応に利用されうることを本発明者らは見出した。 In conventional electric furnace manufacturing of manganese-based alloys, coke is used as a carbonaceous material to reduce the manganese and iron in manganese ore. The inventors have discovered that the coke added to an electric furnace can be used primarily in the following reactions:
MnO2(マンガン鉱石) + CO → MnO + CO2・・・・(式1)
MnO + C(コークス) → Mn + CO・・・・(式2)
MnO2 + C → Mn + CO2 ・・・・(式1)+(式2) ・・・(式3)
1/2Fe2O3 + 3/4C → Fe + 3/4CO2 ・・・・(式4)
C + CO2 → 2CO ・・・・(式5)
そして、投入したコークスは、マンガン鉱石(酸化鉄を含む)をマンガン系合金(例えば、フェロマンガン)にまで還元すると、二酸化炭素CO2になって電気炉内から排出される。しかしながら、現実は次の反応ためにコークスが投入されているので、前記二酸化炭素CO2とコークスCがソリューション・ロス反応(ブードアBoudouard反応)を起こし、コークスがマンガン鉱石の還元以外にも消費される。したがって、従来の電炉法によるマンガン系合金の製造における副生ガスは二酸化炭素CO2となるのが理論的であるが、実際にはソリューション・ロス反応によって生成する一酸化炭素COが含まれる。よって、前記副生ガスに含まれる一酸化炭素COの濃度が、平衡論や速度論的に決まるので、最大65%程度であることに本発明者らは着想した。
MnO 2 (manganese ore) + CO → MnO + CO 2 (Equation 1)
MnO + C (coke) → Mn + CO (Equation 2)
MnO 2 + C → Mn + CO 2 ...(Formula 1) + (Formula 2)...(Formula 3)
1/2Fe 2 O 3 + 3/4C → Fe + 3/4CO 2 ... (Formula 4)
C + CO 2 → 2CO (Formula 5)
The coke introduced reduces manganese ore (containing iron oxide) to a manganese-based alloy (e.g., ferromanganese), and then turns into carbon dioxide CO2 , which is then discharged from the electric furnace. However, in reality, the coke is introduced for the next reaction, and the carbon dioxide CO2 and the coke C undergo a solution-loss reaction (Boudouard reaction), resulting in the coke being consumed for purposes other than the reduction of the manganese ore. Therefore, while the by-product gas produced in the conventional electric furnace process theoretically contains carbon dioxide CO2 , in reality, it also contains carbon monoxide CO, which is produced by the solution-loss reaction. Therefore, the inventors came up with the idea that the concentration of carbon monoxide CO contained in the by-product gas is determined by equilibrium theory and kinetics, and is therefore limited to a maximum of approximately 65%.
本発明者らは、マンガン鉱石の還元反応を更に詳細に検討し、4価のマンガン(MnO2相当)から2価のマンガン(MnOに相当)への還元は一酸化炭素COでも還元できるが、2価のマンガン(MnOに相当)からゼロ価のマンガン(金属Mn)への還元は一酸化炭素COではできず、還元できるのは炭素Cである(図1)ことから、次のような発明に到達した。 The present inventors have further investigated the reduction reaction of manganese ore in detail and found that tetravalent manganese (equivalent to MnO2 ) can be reduced to divalent manganese (equivalent to MnO) using carbon monoxide (CO), but divalent manganese (equivalent to MnO) cannot be reduced to zerovalent manganese (metallic Mn) using carbon monoxide (CO) and can only be reduced by carbon (C) (Figure 1). Based on this, the present inventors have arrived at the following invention.
すなわち、マンガン鉱石中のマンガンイオンを好ましくは2価のマンガン(MnO)に予め還元した還元マンガン鉱石を用いて電気炉でマンガン系合金(フェロマンガン)を製造すると、電炉に投入した炭材は、(式2)の反応に従って金属マンガン(フェロマンガン)に還元するとともに一酸化炭素COを発生することになる。即ち、電気炉内では、(式1)の反応が起こらないので、発生するガスは、(式2)の反応によって生成する一酸化炭素COが主となる。よって、これまでの電気炉内のように二酸化炭素CO2が発生することがないので、(式5)のソリューション・ロス反応が起こらない。即ち、電気炉から排出するガスは、一酸化炭素COが殆どになり二酸化炭素CO2はゼロに近いものになる。 That is, when a manganese alloy (ferromanganese) is produced in an electric furnace using reduced manganese ore in which the manganese ions in the manganese ore have been reduced in advance, preferably to divalent manganese (MnO), the carbonaceous material introduced into the electric furnace is reduced to metallic manganese (ferromanganese) according to the reaction of (Equation 2) and carbon monoxide (CO) is generated. That is, since the reaction of (Equation 1) does not occur in an electric furnace, the gas generated is mainly carbon monoxide (CO) generated by the reaction of (Equation 2). Therefore, carbon dioxide (CO2 ) is not generated as in conventional electric furnaces, and the solution loss reaction of (Equation 5) does not occur. That is, the gas discharged from the electric furnace is mostly carbon monoxide (CO), with nearly no carbon dioxide ( CO2) .
以上のような電気炉操業にすることで、発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素COを高濃度にすることができるので、前記副生ガスを用いると効率よく合成燃料を製造することができる。また、効率よく合成燃料を製造できるということは、効率よく炭素回収できるということでもある。一実施形態によれば、副生ガスに含まれる一酸化炭素CO濃度は、80%以上、84%以上、87%以上、あるいは90%以上である。現実的には、99%以下、あるいは、98%以下となる。 By operating the electric furnace in the manner described above, the carbon monoxide (CO) contained in the by-product gas generated can be increased in concentration, allowing synthetic fuel to be produced efficiently using the by-product gas. Furthermore, efficient synthetic fuel production also means efficient carbon recovery. According to one embodiment, the carbon monoxide (CO) concentration contained in the by-product gas is 80% or more, 84% or more, 87% or more, or 90% or more. In reality, it is 99% or less, or 98% or less.
よって、本発明の炭素回収型マンガン系合金の製造方法は、マンガン酸化度1.0~1.1であるマンガン鉱石由来原料と炭材を電気炉に投入して精錬を行い、次いでスラグ・メタル分離を行う工程(A)と前記電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料して合成燃料を製造する工程(B)を組み合わせたものである。 Therefore, the method for producing a carbon-recovery manganese alloy of the present invention combines process (A) of refining a manganese ore-derived raw material with a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1 and a carbonaceous material in an electric furnace, followed by slag/metal separation, with process (B) of producing a synthetic fuel using carbon monoxide contained in the by-product gas generated from the electric furnace as a raw material.
本発明において、前記マンガン鉱石由来原料は、マンガン酸化度1.0~1.1の範囲にしたものであればどのような方法でも構わない。例えば、マンガン鉱石を還元して前記マンガン鉱石由来原料とするものであるが、その還元材としては、石炭、コークス、炭化水素(LNG、LPG、等)、水素、一酸化炭素、等が挙げられる。中でも、前記マンガン鉱石由来原料が、マンガン鉱石を水素若しくは一酸化炭素、又は水素と一酸化炭素の両方で還元して、マンガン酸化度1.0~1.1にしたものが好ましい。これらで還元してマンガン鉱石由来原料を作製すると、排出CO2を低減できる。排出CO2低減の観点でより好ましいのは、水素を用いて前記マンガン鉱石由来原料を作製するものである。 In the present invention, the manganese ore-derived raw material may be prepared by any method as long as it has a manganese oxidation degree in the range of 1.0 to 1.1. For example, the manganese ore-derived raw material is prepared by reducing manganese ore, and examples of the reducing agent include coal, coke, hydrocarbons (LNG, LPG, etc.), hydrogen, and carbon monoxide. Among these, the manganese ore-derived raw material is preferably prepared by reducing manganese ore with hydrogen or carbon monoxide, or with both hydrogen and carbon monoxide, to a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1. When the manganese ore-derived raw material is prepared by reduction with these materials, CO2 emissions can be reduced. From the viewpoint of reducing CO2 emissions, it is more preferable to prepare the manganese ore-derived raw material using hydrogen.
また、前記マンガン鉱石由来原料を一酸化炭素COを使用して作製する場合には、前記一酸化炭素の一部又は全てが、電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素であるのが好ましい。このようにすると、エネルギー効率が高くなる。 Furthermore, when the manganese ore-derived raw material is produced using carbon monoxide (CO), it is preferable that some or all of the carbon monoxide be carbon monoxide contained in the by-product gas generated from the electric furnace. This will increase energy efficiency.
よって、マンガン鉱石から前記マンガン鉱石由来原料を作製する工程を含むのがより好ましい。 Therefore, it is more preferable to include a step of producing the manganese ore-derived raw material from manganese ore.
ここで、マンガン酸化度(Mn酸化度)について説明する。組成式MnOxで表わした際にxの値がマンガン酸化度であり、例えば、マンガン酸化度x=2はMnO2であり、マンガン酸化度x=1はMnOとなる。よって、マンガン鉱石や還元マンガン鉱石のマンガン酸化度は、全マンガン量の値(Mn%、JIS M8232マンガン鉱石-マンガン定量方法)とマンガン酸化物の有効酸素の値(MnO2%、JIS M8233 マンガン鉱石-活性酸素定量方法)からMnOxのxを求めて、マンガン酸化度とする。 Here, the manganese oxidation degree (Mn oxidation degree) will be explained. When expressed as the composition formula MnOx, the value of x is the manganese oxidation degree; for example, a manganese oxidation degree of x=2 is MnO2 , and a manganese oxidation degree of x=1 is MnO. Therefore, the manganese oxidation degree of manganese ore or reduced manganese ore is determined by finding x of MnOx from the total manganese amount (Mn%, JIS M8232 Manganese ore - Manganese determination method) and the available oxygen value of manganese oxide ( MnO2 %, JIS M8233 Manganese ore - Active oxygen determination method), and this is taken as the manganese oxidation degree.
前記マンガン鉱石由来原料のマンガン酸化度は1.0~1.1である。マンガン酸化度を1.0にするのが理想的には最も好ましいが、現実的には1.1以下でも十分本発明の効果が得られる。1.1を超えると、副生ガスに含まれる一酸化炭素COの含有量が少なくなり過ぎて二酸化炭素CO2の含有量が多くなり過ぎて、副生ガスから合成燃料を製造するには効率が悪い。前記マンガン酸化度のより好ましい範囲は、1.0~1.05である。 The manganese oxidation degree of the manganese ore-derived raw material is 1.0 to 1.1. Ideally, a manganese oxidation degree of 1.0 is most preferable, but in reality, the effects of the present invention can be sufficiently obtained even with a manganese oxidation degree of 1.1 or less. If the manganese oxidation degree exceeds 1.1, the carbon monoxide (CO) content in the by-product gas becomes too low and the carbon dioxide (CO2 ) content becomes too high, resulting in inefficient production of synthetic fuel from the by-product gas. A more preferable range of the manganese oxidation degree is 1.0 to 1.05.
マンガン鉱石由来原料を作製するためのマンガン鉱石の水素還元に関し、水素を含有する条件であればよく、より好ましくは、還元材における水素の占める割合が50%以上であり、更により好ましくは70%以上であり、更により好ましくは70%超であり、更により好ましくは90%以上である。CO2発生源となる還元材を含まない或いは該還元材が不純物レベルであるのが最も好ましい。 Regarding the hydrogen reduction of manganese ore to produce a manganese ore-derived raw material, any conditions containing hydrogen are acceptable, and more preferably, the proportion of hydrogen in the reducing agent is 50% or more, even more preferably 70% or more, even more preferably more than 70%, and even more preferably 90% or more. Most preferably, no reducing agent that generates CO2 is included, or the reducing agent contains only impurity levels.
また、還元材以外には、窒素、水蒸気、CO2、アルゴン、ヘリウム、酸素、窒素酸化物、等が含まれていても構わない。水素還元における水素の含有量は、マンガン鉱石を目的の酸化度に還元できるものであれば、十分であるが、例えば、1%以上10%以下でも構わない、或いは、5%以下や4%以下でも構わない。 In addition to the reducing agent, the mixture may contain nitrogen, water vapor, CO 2 , argon, helium, oxygen, nitrogen oxides, etc. The hydrogen content in the hydrogen reduction is sufficient as long as it can reduce the manganese ore to the desired oxidation level, but it may also be, for example, 1% or more and 10% or less, or 5% or less, or 4% or less.
マンガン鉱石を還元してマンガン鉱石由来原料を作製するのに必要な加熱は、マンガン鉱石を還元できる温度まで加熱できればよく、とのような加熱方法でも良いが、二酸化炭素CO2排出量を少なくできる加熱方法がより好ましい。例えば、該加熱が電気加熱である方が二酸化炭素CO2排出量を少なくできるという視点から好ましい。また、該加熱が水素燃焼による加熱である方が二酸化炭素CO2排出量を少なくできるという視点と水素供給と同時にできるという視点から好ましい。前記加熱は、マンガン鉱石を還元できる温度まででよいが、例えば、750℃以上1250℃以下の温度で還元できる。温度が高いほど素早く還元できるが、1250℃を超えるとマンガン鉱石が焼結や部分溶融によって固まってしまい取り扱いが困難になる場合がある。一方、750℃未満では、還元が不十分であったり還元に時間がかかり過ぎたりする場合がある。より好ましい温度は、800℃以上1200℃以下である。この際、1000℃超、1050℃以上、1080℃以上でもよく、その場合、部分溶融させずに短時間で還元できるという効果がある。 The heating required to reduce manganese ore to produce a manganese ore-derived raw material may be any heating method capable of heating the manganese ore to a temperature at which the manganese ore can be reduced. However, a heating method capable of reducing carbon dioxide (CO2 ) emissions is preferred. For example, electric heating is preferred from the viewpoint of reducing carbon dioxide (CO2 ) emissions. Furthermore, heating by hydrogen combustion is preferred from the viewpoint of reducing carbon dioxide (CO2 ) emissions and being able to be performed simultaneously with hydrogen supply. The heating may be performed to a temperature at which the manganese ore can be reduced. For example, reduction can be performed at a temperature of 750°C or higher and 1250°C or lower. The higher the temperature, the faster the reduction. However, at temperatures exceeding 1250°C, the manganese ore may solidify due to sintering or partial melting, making it difficult to handle. On the other hand, at temperatures below 750°C, reduction may be insufficient or take too long. A more preferred temperature is 800°C or higher and 1200°C or lower. In this case, the temperature may be higher than 1000°C, 1050°C or higher, or 1080°C or higher, and in this case, there is an effect that reduction can be carried out in a short time without causing partial melting.
また、マンガン鉱石に少量含まれる酸化鉄(例えば、Fe2O3)は、前記マンガン鉱石由来原料とした場合には金属鉄Feに還元されているのが好ましい。その理由は、酸化鉄は一酸化炭素COでも還元されて金属鉄になり二酸化炭素CO2を生成するので、僅かであるが副生ガスに含まれる二酸化炭素の割合が増加するためである。また、電気炉中で二酸化炭素CO2と炭材とのソリューション・ロス反応も起こり、炭材の利用率も低下する。即ち、僅かであるが、前記反応で消費される分だけ炭材を多く必要とする。 Furthermore, iron oxide (e.g., Fe2O3 ) contained in small amounts in manganese ore is preferably reduced to metallic iron ( Fe) when used as the manganese ore-derived raw material. This is because iron oxide can also be reduced by carbon monoxide (CO) to metallic iron, producing carbon dioxide (CO2 ) , which increases the proportion of carbon dioxide contained in the by-product gas, albeit slightly. Furthermore, a solution loss reaction between carbon dioxide (CO2 ) and the carbonaceous material occurs in the electric furnace, reducing the utilization rate of the carbonaceous material. In other words, an increased amount of carbonaceous material is required to compensate for the amount consumed in the reaction, albeit slightly.
以上のような方法で作製したマンガン鉱石由来原料は、炭材とともに電気炉に投入して精錬を行い、次いでスラグ・メタル分離して、マンガン系合金を製造する。前記電気炉は、従来のサブマージドアーク炉又はそれと同等の電気炉でよく、主に電力によって炉内を加熱し、主に炭材によってマンガン鉱石由来原料から金属マンガン(マンガン系合金)への還元に使用される。電気炉内で精錬が進行すれば、溶融スラグと溶融マンガン系合金が形成され、それらの比重差で溶融マンガン系合金は炉底に溶融スラグはその上に配置されるために、タップのタイミングやタップ口の高さの違い等によって、電気炉内からスラグとメタルが分離されて排出される。このように炭材を使用して製造されるマンガン系合金は、炭素を含有するフェロマンガンが得られ、用途に合わせてその後脱炭する場合がある。 The manganese ore-derived raw material prepared by the above method is placed in an electric furnace together with carbonaceous material for refining, followed by separation of slag and metal to produce a manganese-based alloy. The electric furnace may be a conventional submerged arc furnace or an equivalent. It is heated primarily by electricity and is used primarily by carbonaceous material to reduce the manganese ore-derived raw material to metallic manganese (manganese-based alloy). As refining progresses in the electric furnace, molten slag and molten manganese-based alloy are formed. Due to the difference in their specific gravities, the molten manganese-based alloy is positioned at the bottom of the furnace and the molten slag is positioned above it. Depending on the timing of the tapping and the height of the tapping opening, the slag and metal are separated and discharged from the electric furnace. Manganese-based alloys produced using carbonaceous material in this way yield carbon-containing ferromanganese, which may then be decarburized depending on the intended use.
一実施形態によれば、前記電気炉で得られるスラグに30質量%前後のマンガンを含有させるように操業する。そのスラグの一部又は全てを溶融酸化物電解で精錬を行い、次いでスラグ・メタル分離を行う工程を設けてもよい。前記溶融酸化物電解は、還元マンガン鉱石を溶融させ、その溶融体に陽極と陰極の2つ電極を接するようにして2価マンガンからゼロ価マンガン(金属マンガン)に還元できる電圧を印加して溶融状態の金属マンガン(マンガン系合金)を電解製造する方法である。ここで、還元マンガン鉱石を溶融する熱源も電力加熱とすることができ、前記電極間に流れる電流から生じるジュール熱を利用する、或いは、別途熱源を用意することもできる。このように炭材を使用しないで製造されるマンガン系合金は、炭素を殆ど含有しないフェロマンガンや金属マンガンが得られる。 According to one embodiment, the electric furnace is operated so that the slag produced contains approximately 30% manganese by mass. A process may be added in which some or all of the slag is refined by molten oxide electrolysis, followed by slag-metal separation. Molten oxide electrolysis involves melting reduced manganese ore, placing two electrodes (an anode and a cathode) in contact with the molten material, and applying a voltage sufficient to reduce divalent manganese to zerovalent manganese (metallic manganese), thereby producing molten metallic manganese (manganese-based alloy). The heat source for melting the reduced manganese ore can be electric heating, utilizing Joule heat generated by the current flowing between the electrodes, or a separate heat source can be used. Manganese-based alloys produced in this way without using carbonaceous materials result in ferromanganese or metallic manganese that contains almost no carbon.
また、前記電気炉で得られるスラグに、ケイ素を含有する合金鉄若しくは金属アルミニウムを含む還元材、又はケイ素を含有する合金鉄と金属アルミニウムを含む還元材の両方を投入して、前記溶融スラグ中に含まれるマンガン酸化物の少なくとも一部を還元してマンガン系合金鉄を製造する工程を含むようにすると、スラグ中に残存するマンガンを回収できるので、より生産性が良くなる。このように炭材を使用しないでMn含有スラグから製造されるマンガン系合金は、炭素を殆ど含有しないフェロマンガンや金属マンガンが得られる。 Furthermore, if the process includes a step of producing a manganese-based ferroalloy by adding a reducing agent containing a silicon-containing ferroalloy or metallic aluminum, or both a silicon-containing ferroalloy and metallic aluminum, to the slag obtained in the electric furnace to reduce at least a portion of the manganese oxide contained in the molten slag, the manganese remaining in the slag can be recovered, thereby improving productivity. In this way, manganese-based alloys produced from Mn-containing slag without using carbonaceous materials can produce ferromanganese or metallic manganese that contains almost no carbon.
前記工程(A)の電気炉で使用する炭材は、従来のコークスを使用しても良いが、その一部又は全てをグリーンカーボンすることでより二酸化炭素CO2削減効果が向上する。前記グリーンカーボンには、バイオカーボン(木炭、竹炭、等の生物由来炭材)、廃プラ利用コークス、再生可能エネルギーで合成した水素と二酸化炭素から得られる燃料由来の炭材、再生可能エネルギーを利用して合成したグリーンコークス等である。特に、二酸化炭素を固定して得られる生物由来のバイオカーボン(バイオコークス)を電気炉で用い、更に、副生ガスから合成燃料が製造されると、二酸化炭素を排出しないというだけでなく(カーボンニュートラル)、二酸化炭素を固定化する(カーボンネガティブ)というプロセスになる。 The carbonaceous material used in the electric furnace in step (A) may be conventional coke, but using green carbon in part or in whole can further improve the carbon dioxide (CO2 ) reduction effect. Examples of green carbon include biocarbon (biologically derived carbonaceous materials such as charcoal and bamboo charcoal), coke made from waste plastics, fuel-derived carbonaceous materials obtained from hydrogen and carbon dioxide synthesized using renewable energy, and green coke synthesized using renewable energy. In particular, when biocarbon (biocoke) obtained by fixing carbon dioxide is used in an electric furnace and synthetic fuel is produced from by-product gas, the process not only does not emit carbon dioxide (carbon neutral) but also fixes carbon dioxide (carbon negative).
また、前記炭材は、その一部又は全てをマンガン鉱石由来原料と一緒に造粒して炭材内装ペレットとして電気炉に投入してもよい。前記のような炭材内装ペレットとすることで、電気炉内の還元反応やガス抜けがより良好になり安定操業しやすく炭材原単位がよくなる場合がある。 In addition, some or all of the carbonaceous material may be granulated together with manganese ore-derived raw materials and charged into an electric furnace as carbonaceous material-containing pellets. By forming such carbonaceous material-containing pellets, the reduction reaction and gas release within the electric furnace may be improved, making operation more stable and improving the carbonaceous material consumption rate.
更に、マンガン系合金の製品破砕屑や原料マンガン鉱石の落鉱粉を前記炭材内装ペレットに含ませてもよい。上述の炭材内装ペレットは、グリーンカーボンを用いるときにはより効果的であり、炭材内装ペレットに使用する炭材はグリーンカーボンである方がグリーンカーボンをより効率的に還元剤として作用させることができる。 Furthermore, crushed manganese alloy product chips or raw manganese ore fines may be included in the carbonaceous composite pellets. The above-mentioned carbonaceous composite pellets are more effective when green carbon is used, and using green carbon as the carbonaceous material in the carbonaceous composite pellets allows the green carbon to act more efficiently as a reducing agent.
炭材内装ペレットとする造粒方法は、通常の方法を採用できる、例えば、ペレット法、ブリケット法、押出し成形法、等が挙げられる。よって、マンガン鉱石由来原料と炭材、必要に応じて結合材や製品破砕屑等も加え得て造粒して炭材内装ペレットを作製する工程を含むのがより好ましい。 Conventional methods can be used to produce carbonaceous composite pellets, such as pelleting, briquetting, and extrusion molding. Therefore, it is more preferable to include a step of granulating manganese ore-derived raw material, carbonaceous material, and optionally adding binders and crushed product debris, to produce carbonaceous composite pellets.
前記工程(A)の電気炉内に造滓剤(スラグ調整剤)を投入することができる。造滓剤は、スラグの粘度・酸素ポテンシャル・塩基度等の性質を制御できるものであるが、例えば、石灰、消石灰、Na2CO3、CaCl2、MgCO2、等である。 A slag former (slag adjuster) can be added to the electric furnace in step (A) to control the viscosity, oxygen potential, basicity, and other properties of the slag, and examples of such slag formers include lime, slaked lime , Na2CO3 , CaCl2 , and MgCO2 .
前記電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料して合成燃料を製造する工程(B)では、合成燃料を製造できる方法であれば、どのような方法を用いても構わない。本発明における合成燃料とは、一酸化炭素から合成される炭化水素である。例えば、水素H2と各種触媒を用いた合成法がある。ニッケルNi系触媒を用いてメタンを製造する、銅Cu系触媒(Cu/ZnO,Cu/ZrO2)を用いてメタノールを製造する、更にメタノールの脱水によるジメチルエーテルDMEを製造する、Fischer-Tropsch(FT)合成によるガソリンやディーゼル燃料を製造する、等が挙げられる。尚、FT合成にも触媒が使用され、Co、Fe、Ru系触媒がある。 In step (B) of producing a synthetic fuel using carbon monoxide contained in the by-product gas generated from the electric furnace as a raw material, any method may be used as long as it can produce a synthetic fuel. The synthetic fuel in the present invention is a hydrocarbon synthesized from carbon monoxide. Examples of such methods include synthesis using hydrogen (H2 ) and various catalysts. Examples include the production of methane using a nickel (Ni)-based catalyst, the production of methanol using a copper (Cu)-based catalyst (Cu/ZnO, Cu/ ZrO2 ), the production of dimethyl ether (DME) by dehydration of methanol, and the production of gasoline or diesel fuel by Fischer-Tropsch (FT) synthesis. Catalysts are also used in FT synthesis, including Co, Fe, and Ru-based catalysts.
前記合成燃料に使用される水素H2は、どのようなものでも良いが、CO2排出削減の観点からは、グレー水素よりはブルー水素やターコイズ水素、ブルー水素やターコイズ水素よりはグリーン水素の方がより好ましい。その他にも、イエロー水素、ブラウン水素、ホワイト水素、等も利用できる。ここで、グレー水素とは、化石燃料(例えば、天然ガスと水蒸気を反応させ水素H2と二酸化炭素CO2を生成する)から生成する水素である。 Any type of hydrogen (H2 ) can be used for the synthetic fuel, but from the perspective of reducing CO2 emissions, blue hydrogen or turquoise hydrogen is preferable to gray hydrogen, and green hydrogen is preferable to blue hydrogen or turquoise hydrogen. Other types of hydrogen that can be used include yellow hydrogen, brown hydrogen, and white hydrogen. Here, gray hydrogen is hydrogen produced from fossil fuels (for example, by reacting natural gas with steam to produce hydrogen ( H2) and carbon dioxide ( CO2 )).
ブルー水素とは、グレー水素同様に化石燃料から生成する水素であるが、生成した二酸化炭素CO2を回収・地中貯留などでCO2排出をゼロとしたものである。ターコイズ水素とは、メタンCH4の熱分解による水素H2である。メタンに含まれる炭素Cは、カーボンナノチューブなど固体の炭素Cとして固定される。ターコイズ水素を製造する高温反応炉は、再生可能エネルギー起源電力を利用する。イエロー水素とは、原子力発電による電力を用いて水H2Oを電気分解し水素H2と酸素O2を生成して得られる水素H2である。CO2排出はゼロであるが核廃棄物が発生する。ブラウン水素とは、石炭から生成する水素H2である。グレー水素でもあるが、グレー水素より多くのCO2を排出する。ホワイト水素とは、他の製品を生産(例えば製鉄など)する工程で副産物として生成する水素H2である。よって、生産量はコントロールできない。グリーン水素とは、再生可能エネルギー起源電力より水H2Oを水素H2と酸素O2に電気分解して二酸化炭素CO2排出ゼロで合成した水素H2である。 Like gray hydrogen, blue hydrogen is hydrogen produced from fossil fuels, but CO2 emissions are reduced to zero by capturing and geologically storing the carbon dioxide produced. Turquoise hydrogen is hydrogen ( H2 ) produced by the thermal decomposition of methane (CH4 ) . The carbon (C) contained in methane is fixed as solid carbon (C) in carbon nanotubes and other materials. The high-temperature reactors used to produce turquoise hydrogen use renewable energy. Yellow hydrogen is produced by electrolyzing water ( H2O ) using nuclear power to produce hydrogen (H2 ) and oxygen ( O2 ) . This method produces zero CO2 emissions but generates nuclear waste. Brown hydrogen is hydrogen ( H2) produced from coal. It is also gray hydrogen, but emits more CO2 than gray hydrogen. White hydrogen is hydrogen ( H2) produced as a by-product in the production of other products (such as steelmaking). Therefore, production volume cannot be controlled. Green hydrogen is hydrogen (H2 ) synthesized using renewable energy-derived electricity by electrolyzing water ( H2O ) into hydrogen ( H2) and oxygen (O2 ) with zero carbon dioxide (CO2 ) emissions.
前記合成燃料を製造する工程の前段階に、副生ガスの脱イオウ工程、脱塩素する工程、又は、それらの両方を有する方がより好ましい。 It is more preferable to include a desulfurization process, a dechlorination process, or both of these processes for the by-product gas prior to the process for producing the synthetic fuel.
以上のようなマンガン系合金を製造する方法を達成するマンガン系合金の製造装置としては、マンガン酸化度1.0~1.1であるマンガン鉱石由来原料と炭材を電気炉に投入して精錬を行い、次いでスラグ・メタル分離を行う手段(A)と前記電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料して合成燃料を製造する手段(B)を備えることになる。 The manganese-based alloy manufacturing apparatus that achieves the above-described method for producing manganese-based alloys includes a means (A) for feeding manganese ore-derived raw materials with a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1 and carbonaceous material into an electric furnace for refining, followed by slag/metal separation, and a means (B) for producing synthetic fuel using carbon monoxide contained in the by-product gas generated from the electric furnace as a raw material.
更に、前記手段(A)で副生する溶融スラグに、ケイ素を含有する合金鉄若しくは金属アルミニウムを含む還元材、又はケイ素を含有する合金鉄と金属アルミニウムを含む還元材の両方を投入して、前記溶融スラグ中に含まれるマンガン酸化物の少なくとも一部を還元してマンガン系合金鉄を製造する手段(C)、を含むのがより好ましい。
更に、マンガン鉱石を還元して、マンガン酸化度1.0~1.1であるマンガン鉱石由来原料を作製する手段(D)を含むのがより好ましい。また、マンガン鉱石由来原料と炭材を含む炭材内装ペレットを作製する造粒手段(E)を含むのがより好ましい。
It is more preferable that the method further comprises a means (C) for producing a manganese-based ferroalloy by adding a reducing agent containing a silicon-containing ferroalloy or metallic aluminum, or both a silicon-containing ferroalloy and a reducing agent containing metallic aluminum, to the molten slag by-produced in the means (A) to reduce at least a portion of the manganese oxide contained in the molten slag.
It is more preferable that the apparatus further includes a means (D) for reducing manganese ore to produce a manganese ore-derived raw material having a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1, and a granulating means (E) for producing carbonaceous material-containing pellets containing the manganese ore-derived raw material and a carbonaceous material.
以下に、本発明の実施例を示す。 The following is an example of the present invention.
(マンガン鉱石由来原料の作製)
ガボン産マンガン鉱石(コミログ社)、南アフリカ産マンガン鉱石(アソマン社)等のマンガン鉱石を加熱して水素還元させて、マンガン酸化度1.0~1.1であるマンガン鉱石由来原料を作製する例を示す。
(Production of manganese ore-derived raw materials)
This example shows the production of manganese ore-derived raw material with a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1 by heating and hydrogen-reducing manganese ore such as manganese ore from Gabon (Comilog) and manganese ore from South Africa (Assoman).
流動床炉、シャフト炉、ロータリーキルン炉、等の加熱でき、マンガン鉱石を還元できる工業的な炉を応用する。実験的には、管状炉でマンガン鉱石を加熱して水素ガスを供給してマンガン鉱石を還元し、還元マンガン鉱石とする。1例として、ガボン産マンガン鉱石(MnO2を含む)をアルミナボートに入れて管状炉に装入し、4%水素/窒素ガスを流しながら1100℃で5時間加熱して、マンガン鉱石由来原料が得られる。得られるマンガン鉱石由来原料のマンガン酸化度を上述の測定方法(JIS M8232、JIS M8233)に基づいて測定し算出すると、マンガン酸化度1.05となる。南アフリカ産マンガン鉱石(アソマン社)を用いても同様の結果になる。前記水素ガスの代わりに10%一酸化炭素/窒素ガスで同様の試験をしてもマンガン鉱石由来原料が得られる。マンガン酸化度は1.05となる。また、マンガン鉱石と8質量%コークスとを混合させて、窒素ガスで同様の試験をしてもマンガン鉱石由来原料が得られる。マンガン酸化度は、1.0となる。 Industrial furnaces capable of heating and reducing manganese ore, such as fluidized bed furnaces, shaft furnaces, and rotary kilns, were used. Experimentally, manganese ore was heated in a tubular furnace and reduced with hydrogen gas to produce reduced manganese ore. As an example, Gabonese manganese ore (containing MnO2 ) was placed in an alumina boat and charged into a tubular furnace. It was then heated at 1100°C for 5 hours while flowing 4% hydrogen/nitrogen gas, yielding a manganese ore-derived raw material. The manganese oxidation degree of the resulting manganese ore-derived raw material was measured and calculated according to the above-mentioned measurement methods (JIS M8232 and JIS M8233), resulting in a manganese oxidation degree of 1.05. Similar results were obtained using South African manganese ore (Assoman). A similar test was also performed using 10% carbon monoxide/nitrogen gas instead of hydrogen gas, yielding a manganese ore-derived raw material. The manganese oxidation degree was 1.05. Furthermore, when manganese ore is mixed with 8% by mass of coke and subjected to a similar test using nitrogen gas, a manganese ore-derived raw material is obtained. The manganese oxidation degree is 1.0.
また、4%水素/窒素混合ガスを流しながら前記マンガン鉱石の熱質量分析を行うと、図2にようにマンガンが還元されることによる質量減が確認できる。750℃以上に加熱すれば、水素還元できることが分かる。水素還元の温度を上げればマンガン鉱石を還元し易くなって、例えば、マンガン鉱石の還元処理時間が短くなるが水素還元の温度が高すぎると還元マンガン鉱石が互いにくっついて(焼結や融着固化)固まってしまうので取扱難くなる場合がある。前記のことから、水素還元の温度は1250℃以下が好ましく、より好ましいのは1200℃以下である。水素還元の水素濃度は、上記にように4%で十分であるが、更に4%以上としてより効率よく還元してもよい。反対に1%程度の水素濃度でも十分還元できるが、マンガン鉱石の処理量に対応して水素含有ガスを供給するので1%未満では大量の水素含有ガスを供給することになり現実的でなくなる場合がある。 Furthermore, when thermogravimetric analysis was performed on the manganese ore while flowing a 4% hydrogen/nitrogen mixed gas, a mass loss due to manganese reduction was confirmed, as shown in Figure 2. It was found that hydrogen reduction was possible when the ore was heated to 750°C or higher. Increasing the hydrogen reduction temperature makes it easier to reduce manganese ore, shortening the reduction process time, for example. However, if the hydrogen reduction temperature is too high, the reduced manganese ore may stick together (sintering or fusion solidification) and solidify, making it difficult to handle. For these reasons, the hydrogen reduction temperature is preferably 1250°C or lower, and more preferably 1200°C or lower. As mentioned above, a hydrogen concentration of 4% is sufficient for hydrogen reduction, but it may be increased to 4% or higher for more efficient reduction. Conversely, a hydrogen concentration of around 1% is sufficient for reduction, but because hydrogen-containing gas is supplied in accordance with the amount of manganese ore being processed, a concentration of less than 1% would require a large amount of hydrogen-containing gas to be supplied, which may be impractical.
より工業的なマンガン鉱石由来原料の作製例としては、外熱式ロータリーキルンを用いたマンガン鉱石の水素還元の実験がある。4%水素/窒素の混合ガスを導入して前記マンガン鉱石を前記試験キルンで加熱して水素還元することで、マンガン鉱石由来原料が得られる。例えば、1100℃で3時間処理してマンガン酸化度1.1のマンガン鉱石由来原料が得られる。前記マンガン鉱石量に対して前記水素含有ガスの導入量、加熱温度と加熱時間を調整することで、マンガン鉱石由来原料のマンガン酸化度を可変できる。マンガン鉱石由来原料のマンガン酸化度が大きいほど水素還元処理が短時間であったり水素使用量が少なくてよかったりするが、CO2削減効果が小さくなる。反対に、還元マンガン鉱石のマンガン酸化度が小さくなって1.0又は1.0に近づけるほどCO2削減効果が大きく、副生ガス中のCO濃度が高くなる。 A more industrial example of manganese ore-derived raw material production involves experiments on hydrogen reduction of manganese ore using an externally heated rotary kiln. A 4% hydrogen/nitrogen mixed gas was introduced into the test kiln, and the manganese ore was heated and hydrogen-reduced in the test kiln to obtain a manganese ore-derived raw material. For example, a manganese ore-derived raw material with a manganese oxidation degree of 1.1 was obtained by treating the manganese ore at 1100°C for 3 hours. The manganese oxidation degree of the manganese ore-derived raw material can be varied by adjusting the amount of hydrogen-containing gas introduced, the heating temperature, and the heating time relative to the amount of manganese ore. A higher manganese oxidation degree of the manganese ore-derived raw material shortens the hydrogen reduction treatment time and reduces the amount of hydrogen required, but reduces the CO2 reduction effect. Conversely, as the manganese oxidation degree of the reduced manganese ore decreases toward 1.0 or closer to 1.0, the CO2 reduction effect increases and the CO concentration in the by-product gas increases.
より工業的なマンガン鉱石由来原料のもう一つ作製例としては、内燃式ロータリーキルンを用い、マンガン鉱石とコークスを投入して還元する実験がある。内燃バーナーの燃料/空気比を1.0以下(0.96)にしてコークスを7質量%入れて1100℃で4時間処理することで、マンガン鉱石由来原料が得られる。マンガン酸化度は、1.08である。前記コークスをバイオコークスにしても同様の結果となる。また、前記内燃バーナーの燃料をバイオ燃料にしても同様の結果となる。 Another example of a more industrial production of manganese ore-derived raw material involves an experiment in which manganese ore and coke are added and reduced in an internal combustion rotary kiln. The fuel/air ratio of the internal combustion burner is set to 1.0 or less (0.96), and 7% by mass of coke is added. Treatment is carried out at 1100°C for four hours to obtain manganese ore-derived raw material. The manganese oxidation degree is 1.08. Similar results are obtained when the coke is replaced with bio-coke. Furthermore, similar results are obtained when the fuel for the internal combustion burner is replaced with biofuel.
(マンガン鉱石由来原料からマンガン系合金の作製)
次に、マンガン鉱石由来原料(マンガン酸化度=1.1)を炭材で還元してマンガン系合金を作製する実験を説明する。工業的には、サブマージドアーク炉又はそれと同等の機能を有する電気炉を用いてマンガン鉱石由来原料を炭材で還元することになるが、ここでは、以下の実験を説明する。
(Manufacturing manganese alloys from manganese ore-derived raw materials)
Next, an experiment will be described in which a manganese ore-derived raw material (manganese oxidation degree = 1.1) is reduced with a carbonaceous material to produce a manganese-based alloy. In industrial practice, a submerged arc furnace or an electric furnace with equivalent functions is used to reduce a manganese ore-derived raw material with a carbonaceous material, but here, the following experiment will be described.
上記のマンガン鉱石由来原料と炭材としてコークスを100kVAジロー炉(単相アーク炉)にて精錬し、タップしてマンガン系合金(フェロマンガン)の溶湯とスラグを分離して取り出すことで、マンガン系合金が得られる。前記ジロー炉は解放炉なので発生する一酸化炭素CO(二酸化炭素CO2)量は計測できないが、マンガン鉱石由来原料から炭材で還元してマンガン系合金を作製できること、原料とするマンガン鉱石由来原料の酸素含有量(マンガン酸化度)がマンガン鉱石に比べて小さいので炭材量が少なくて済むことからCO2削減効果を確認できる。得られるマンガン系合金(フェロマンガン)は、JIS G 2301を満足するものである。 A manganese-based alloy is obtained by refining the manganese ore-derived raw material and coke as a carbonaceous material in a 100 kVA Giraud furnace (single-phase arc furnace), then tapping to separate and remove the molten manganese alloy (ferromanganese) from the slag. Because the Giraud furnace is an open furnace, the amount of carbon monoxide ( CO ) generated cannot be measured. However, the manganese ore-derived raw material can be reduced with a carbonaceous material to produce a manganese-based alloy. Furthermore, the manganese ore-derived raw material has a lower oxygen content (manganese oxidation degree) than the manganese ore, so less carbonaceous material is required. The resulting manganese-based alloy (ferromanganese) satisfies JIS G 2301.
また、マンガン鉱石由来原料(マンガン酸化度=1.05)と、炭材とするコークスを混合して耐火物容器に入れ、縦型管状炉で不活性キャリアーガス(窒素N2やアルゴンAr)を流通しながら1490℃に電気加熱して、発生してくる一酸化炭素CO濃度を測定する。比較としてマンガン鉱石を使って同様の実験行って比較することで、前記マンガン鉱石由来原料を使用した方が一酸化炭素CO濃度が高く二酸化炭素CO2濃度が低くなる。 In addition, a manganese ore-derived raw material (manganese oxidation degree = 1.05) and coke as a carbonaceous material were mixed and placed in a refractory container, and electrically heated to 1490°C in a vertical tubular furnace while circulating an inert carrier gas (nitrogen N2 or argon Ar), and the concentration of carbon monoxide (CO) generated was measured. For comparison, a similar experiment was performed using manganese ore, and it was found that the use of the manganese ore-derived raw material resulted in a higher carbon monoxide (CO) concentration and a lower carbon dioxide (CO2 ) concentration.
(副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料した合成燃料の合成)
副生ガスに含まれる一酸化炭素COと水素H2を原料して合成燃料を合成するのは、例えば、GTL(Gas to Liquids)の工程で合成ガス(H2+CO)から合成燃料を合成する装置などで実績あるので、本発明の副生ガスでも合成燃料を製造できるのは明確である。また、CO + 2H2 → 1/nCnH2n + H2O の反応で合成されるものであるから、一酸化炭素COの濃度(分圧)が大きいほど合成燃料を製造しやすいことが分かる。
(Synthesis of synthetic fuel using carbon monoxide contained in by-product gas as raw material)
The synthesis of synthetic fuel using carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2 ) contained in by-product gas as raw materials has been proven, for example, in devices that synthesize synthetic fuel from synthesis gas ( H2 + CO) in the GTL (Gas to Liquids) process, so it is clear that synthetic fuel can also be produced using the by-product gas of the present invention. Furthermore, since synthetic fuel is synthesized through the reaction CO + 2H2 → 1/ nCnH2n + H2O , it can be seen that the higher the concentration (partial pressure) of carbon monoxide (CO), the easier it is to produce synthetic fuel.
実験的には、前記実験で発生させた一酸化炭素COと更に水素H2を加えて、Ni系触媒(メタン製造)、Cu系触媒(メタノール製造)、Co系触媒(FT合成)、等の触媒を施した反応管を通して、ガスクロマトグラフ等で生成物を分析して合成燃料の生成を確認できる。 In experiments, carbon monoxide (CO) generated in the above experiment and hydrogen ( H2 ) are added, and the mixture is passed through a reaction tube equipped with a catalyst such as a Ni-based catalyst (methane production), a Cu-based catalyst (methanol production), or a Co-based catalyst (FT synthesis). The product is then analyzed using a gas chromatograph or similar device, allowing the production of synthetic fuel to be confirmed.
以上を踏まえ、本発明の実施形態の一つの例を図3に示す。マンガン酸化度1.0~1.1にしたマンガン鉱石由来原料と炭材を電気炉で還元反応させて高炭素フェロマンガンを製造する。その際に、スラグと副生ガスCOが発生するが、副生ガスのCOは別途用意したH2と合成装置を通して合成燃料を製造する。 Based on the above, an example of an embodiment of the present invention is shown in Figure 3. High-carbon ferromanganese is produced by reducing a manganese ore-derived raw material with a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1 and a carbonaceous material in an electric furnace. During this process, slag and a by-product gas, CO, are generated, and the by-product gas, CO, is passed through a separately prepared synthesis device with H2 to produce synthetic fuel.
図4には、実施形態のもう一つ別の例を示す。マンガン鉱石をH2又は/及びCOでガス還元炉を通してマンガン鉱石由来原料を作製する、次いで該マンガン鉱石由来原料と炭材を電気炉で還元反応させて高炭素フェロマンガンを製造する。その際に、スラグと副生ガスCOが発生するが、副生ガスのCOは別途用意したH2と合成装置を通して合成燃料を製造する。 Another example of the embodiment is shown in Figure 4. Manganese ore is passed through a gas reduction furnace with H2 and/or CO to produce a manganese ore-derived raw material, and then the manganese ore-derived raw material and a carbonaceous material are subjected to a reduction reaction in an electric furnace to produce high-carbon ferromanganese. During this process, slag and a by-product gas, CO, are generated, and the by-product gas, CO, is passed through a separately prepared synthesis device to produce synthetic fuel.
本発明によれば、炭素回収型マンガン系合金の製造を実現でき、大きなCO2削減効果を可能出来るものであり、地球温暖化抑制に貢献でき、カーボンニュートラルやCO2ゼロエミッションという要求に応えるものある。 According to the present invention, it is possible to realize the production of carbon recovery type manganese alloys, which can achieve a significant CO2 reduction effect, contribute to the suppression of global warming, and meet the demands for carbon neutrality and zero CO2 emissions.
Claims (12)
前記電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料として合成燃料を製造する工程(B)を有することを特徴とする炭素回収型マンガン系合金の製造方法。 A method for producing a carbon-recovery manganese-based alloy, comprising: a step (A) of refining a manganese ore-derived raw material having a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1 and a carbonaceous material in an electric furnace, followed by slag-metal separation; and a step (B) of producing a synthetic fuel using carbon monoxide contained in a by-product gas generated from the electric furnace as a raw material.
前記電気炉から発生する副生ガスに含まれる一酸化炭素を原料として合成燃料を製造する手段(B)を備えることを特徴とする炭素回収型マンガン系合金の製造装置。 An apparatus for producing a carbon-recovery manganese alloy, comprising: means (A) for feeding a manganese ore-derived raw material having a manganese oxidation degree of 1.0 to 1.1 and a carbonaceous material into an electric furnace to perform refining, and then separating the slag from the metal; and means (B) for producing a synthetic fuel using carbon monoxide contained in a by-product gas generated from the electric furnace as a raw material.
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