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JPS5811484B2 - 還元鉄の製造方法 - Google Patents
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JPS5811484B2 - 還元鉄の製造方法 - Google Patents

還元鉄の製造方法

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JPS5811484B2
JPS5811484B2 JP55170226A JP17022680A JPS5811484B2 JP S5811484 B2 JPS5811484 B2 JP S5811484B2 JP 55170226 A JP55170226 A JP 55170226A JP 17022680 A JP17022680 A JP 17022680A JP S5811484 B2 JPS5811484 B2 JP S5811484B2
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gas
furnace
reduced iron
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシャフト炉で鉄鉱石と還元ガスを接触させて還
元鉄を製造する方法に関し、詳しくは鉄鉱石と還元ガス
を接触させて鉄鉱石を還元する設備としてシャフト炉を
用い、また気体状炭化水素化合物から還元ガスを製造す
る設備としてスチームリフオーマを用い、しかもシャフ
ト炉に供給する還元ガスの一部または全部を加熱する手
段を備えた直接還元プラントによる還元鉄の製造方法に
関する。
かかる還元鉄の製造方法において、シャフト炉の単位容
積あたりの還元鉄の製造速度(以下、シャフト炉の生産
性という)の向上、および還元鉄の単位量を生産するの
に要する還元ガス量を少なくする(以下、ガス利用率の
向上という)ことは、直接還元プラントの経済性を左右
する問題として関係者の努力している所である。
一般に、シャフト炉の生産性およびガス利用率は、シャ
フト炉の操業温度および操業圧力が高いほど向上する。
通常、工業的に採用されているシャフト炉の操業温度は
シャフト炉への供給ガス温度として750℃〜900℃
であり、シャフト炉の操業圧力はシャフト炉炉頂部で1
ata〜4ataである。
しかし、シャフト炉の操業許容温度は被処理鉄鉱石の粘
着温度によって左右される。
もし粘着温度の低い性状の鉱石を、その粘着温度以上の
温度で操業すると、シャフト炉内において被処理鉄鉱石
が結合し合って塊状物を形成し、この塊状物の形成が激
しい場合はシャフト炉の正常操業が不可能となる。
一方、シャフト炉の操業圧力は、操業圧力を上げればシ
ャフト炉をはじめ関連設備の耐圧強度を大きくする必要
があるとともに、シャフト炉への鉄鉱石の供給装置およ
び還元鉄の排出装置における還元ガスの系外リークの防
止が困難となるという設備技術上の問題、これに加えて
操業圧力を上げればシャフト炉内における還元ガスから
のカーボン析出が激しくなる問題からの制約があり、操
業圧力を必要以上に大きくすることはできない。
シャフト炉の操業温度および操業圧力の他に、シャフト
炉の生産性およびガス利用率に関与する操業要因として
還元ガス組成がある。
還元ガスの組成は、通常、水素(H2)および一酸化炭
素(CO)を主成分とし、これに少量の水蒸気(H20
)、炭酸ガス(CO2)、メタン(CH4>および窒素
(N2)などが含まれている。
還元ガスはシャフト炉内において鉄鉱石と接触して、例
えば次の反応により鉄鉱石を還元する。
Fe2O3+3H2=2Fe+3H20 Fe2O3+3CO=2Fe+3C02 すなわち、鉄鉱石は還元ガス中のH2およびCOによっ
て還元されて還元鉄となるとともに、H20およびCO
2をそれぞれ生成する。
このため還元ガス中のH2およびCO,濃度はできるだ
け高(、H20およびCO2濃度はできるだけ低い方が
鉄鉱石の還元速度が速くなるとともに、より少量の還元
ガス量でより多くの鉄鉱石を還元できることになる。
このことは還元ガス中のH2およびCO濃度が高く、H
20およびCO2濃度が低い方がシャフト炉の生産性お
よびガス利用率が向上することを意味する。
しかし、還元ガス中のH2およびCO濃度を高くし、H
20およびCO2濃度を低くした還元ガスでシャフト炉
の操業をした場合には、シャフト炉内でのカーボン析出
が激しくなる難問に遭遇する。
シャフト炉内におけるカーボン析出が多量に発生する場
合はシャフト炉内の還元ガス流通抵抗が増大し、シャフ
ト炉への還元ガスの供給動力の増大およびシャフト炉内
圧の増大にともなう設備上の不都合が生じ、時としてシ
ャフト炉の正常操業ができな(なる。
シャフト炉内におけるカーボン析出は主として次のBo
udouard反応によるといわれ、2CO=C十C0
2 還元ガス中のCO2及びH20濃度(以下、酸化度とい
う)が低いほどカーボン析出が多くなり、また通常のシ
ャフト炉の操業温阜範囲である750℃〜900℃では
温度が低いほど、また操業圧力が高いほどカーボン析出
が多くなる。
また、カーボン析出が多くなることは上記反応式から明
かな如く、還元ガスの無駄な消費及び還元ガス中の酸化
度の増大につながる。
このため、特に粘着温度の低い性状の鉄鉱石を直接還元
処理するような場合は、還元ガスの酸化度を高くした操
業すなわち還元炉の生産性及びガス利用率を犠牲にした
不経済な操業しかできないのが実情であった。
本発明の目的とするところは、従来、シャフト炉内にお
けるカーボン析出抑制のため還元ガスの酸化度を高くし
た操業を行い、シャフト炉の生産性及びガス利用率を犠
牲にしていた問題点を一掃し、低酸化度の還元ガスでシ
ャフト炉内におけるカーボン析出の問題なく高効率の還
元鉄の製造を可能にする還元鉄の製造方法を提供するこ
とにある。
すなわち本発明は、還元炉としてシャフト炉を使用し、
気体状炭化水素化合物から還元ガスを製造する設備とし
てスチームリフオーマを使用し、かつ上記シャフト炉に
供給する還元ガスの1部または全量を加熱する設備を備
えた直接還元プラントにおいて、上記シャフト炉入口の
還元ガス中の硫化水素(H2S)濃度が10容量ppm
以上、好ましくは10容量ppm〜100容量ppmに
なるように、H2Sまたは還元ガス中においてH2Sを
生成する物質を還元ガス系内に系外から添加供給する、
好ましくは還元ガスが上記還元ガスの加熱設備で加熱さ
れる以前の該還元ガス中に投入することにより、直接還
元プラントの経済性を左右するシャフト炉の生産性及び
ガス利用率を改善するとともに、直接還元プラントの操
業を困難ならしめていたシャフト炉内におけるカーボン
析出及び還元ガス加熱設備におけるカーボン析出を抑制
することを特徴とする還元鉄の製造方法に関するもので
ある。
以下、添付図面等を参照して本発明方法を詳細に説明す
る。
第1図は本発明方法の実施態様を従来の方
法と比較して説明するための直接還元プラントの1系統
図である。
第1図において、1は還元ガスを製造するためのスチー
ムリフオーマを示し、化学工業分野等で広く使用されて
いるものである。
該スチームリフオーマ1内にはガス状炭化水素原料をリ
フォーミンクするための触媒が充填されたリフオーミン
クチューブ2が設置されており、炭化水素原料供給管3
から供給される炭化水素原料は水蒸気供給管4から供給
される水蒸気と混合されてリフオーミンクチューブ2内
に導入され、リフオーミンクチューブ2内において炭化
水素原料は水蒸気と反応し還元ガスとなる。
また、炭酸ガス(CO□)は炭化水素原料と反応して還
元ガスを生成するためリフオーミンクチューブ2に供給
管4から供給される水蒸気の1部の代用として使用でき
、炭化水素原料および水蒸気とともにリフオーミンクチ
ューブに供給することができる。
リフオーミンクに必要な熱は燃料供給管5から供給され
る燃料と、必要なら導管13から供給される炉頂ガスの
一部を燃焼させて補給される。
スチームリフオーマ1で製造された還元ガスは導管6を
通り、導管21から循環されてくる再生還元ガスと混合
された後、導管7を通してシャフト炉8に供給される。
シャフト炉8に供給された還元ガスは、ラインBから鉱
石供給装置9を介して供給され、シャフト炉8内を流下
してくる鉄鉱石と向流接触し、その鉄鉱石を還元する。
すなわち、還元ガス中のH2およびCOの1部は鉄鉱石
を還元してそれぞれH2OおよびCO2となる。
鉄鉱石を還元した後の還元ガスは炉頂ガスとして炉頂ガ
ス抜出し管11を通してスクラバ12内に導入される。
また、還元ガスによって還元された鉄鉱石は製品還元鉄
として製品排出装置10によりラインCから系外に取出
される。
スクラバ12内に導入された炉頂ガスはスクラバ12内
において水で洗浄され、該ガス中に含まれる鉄鉱石の微
粉などの粉塵および水蒸気の大半が除去される。
スクラバ12をでた炉頂ガスの1部は還元ガスとして再
使用するため、ガス循環コンプレッサー15により導管
16を通してCo2除去装置17に供給され、炉頂ガス
中に含まれるCO2および硫化水素(H2S)などの酸
性ガスの大半がCO2除去装置17で除去される。
CO□除去装置17としては工業的に広く使用されてい
るモノエタノールアミンの水溶液を吸収液として使用す
るMEA法、K2CO3とジェタノールアミンの混合水
溶液を吸収液として使用するペンフィールド法などが使
用できる。
CO2除去装置17でCO2、H2Sなどの酸性ガスを
除去された炉頂ガスは、再生還元ガスとして還元ガス加
熱炉20に導管18を通して供給される。
再生還元ガスは還元ガス加熱炉20において燃料供給管
22から供給される燃料と、導管14から供給される炉
頂ガスの一部の燃焼熱で加熱され、導管21へ抜出され
、スチームリフオーマ1から導管6を通って送られてく
る還元ガスとともにシマフト炉8に供給される。
以上の直接還元プラントにおいて、前述した如くシャフ
ト炉8内におけるカーボン析出を防止するため、従来は
シャフト炉8に供給される還元ガス中の酸化度を調節す
る必要があり、その酸化度の調節はC02除去装置17
のバイパス管19を通して炉頂ガスの一部を還元ガス中
に直接循環させるか、または還元ガス中に直接水蒸気あ
るいは炭酸ガスなどを吹込んで調節していた。
このように還元ガス中の酸化度を上げることはシャフト
炉8の生産性およびガス利用率を犠牲にすることである
ことは前述の通りである。
なお、還元ガス加熱炉の加熱管管壁におけるカーボン析
出を抑制する方法として、従来、例えば特公昭54−4
0203号で提案されているように、硫黄分を含有する
炭化水素化合物、例えば重油のような原料を部分酸化法
で処理して得られた還元ガスを使用した直接還元プラン
トにおいて、その還元ガス中の硫黄分を除去するために
設けられた脱硫設備での硫黄分除去率を変えることによ
って還元ガス中に成る程度の硫黄分を含有させてカーボ
ン析出を抑制子る方法が知られている。
この方法は、脱硫設備の洗浄液量または滞留時間を変え
ることによって該脱硫設備での硫黄分除去率を変えて還
元ガス中の硫黄分濃度を調節するものであり、この方法
によれば脱硫設備において本来除去されるべき炭酸ガス
などの酸性ガスの除去率も硫黄分の除去率に応じて変動
することになる。
すなわち、この方法で還元ガス中に硫黄分を含有させる
とすれば、おのずと還元ガス中の酸化度を上昇させるこ
とになり、前記した本発明の1つの目的であるシャフト
炉の生産性及びガス利用率を向上させる目的に反する。
一方、スチームリフオーマを採用した直接還元プラント
においては、還元ガス中の原料炭化水素ガス中に硫黄分
を含有させることは後述するように不可能である。
そこで本発明では還元ガス中の酸化度を全く上昇させる
ことなく系外から還元ガス中に硫黄分を投入して還元ガ
ス中に硫黄分を含有させることによりシャフト炉の生産
性及びガス利用率を向上させるとともに還元炉内におけ
るカーボン析出を抑制しようとするもので、好ましくは
系外から投入する硫黄分の投入位置を還元ガス加熱炉の
上流位置とすることにより、該加熱炉の加熱管壁でのカ
ーボン析出も同時に抑制比ようとするものである。
すなわち本発明では還元ガスとして酸化度の低いものを
用い、これに系外からH2Sまたは還元ガス中でH2S
を生成する物質を導入し、シャフト炉に吹込まれる還元
ガス中にH2Sを10容量ppm以上、好ましくは10
容量ppm〜100容量ppmの濃度で含有させるもの
で、これにより、従来シャフト炉内でのカーボン析出が
激しいため使用できなかった酸化度の低い還元ガスを使
用して、鉄鉱石の還元操作を何らカーボン析出による問
題なく遂行させ、加えて鉄鉱石の還元速度を著るしく向
上させるものである。
この時、還元ガスが還元ガス加熱炉で加熱される以前、
詳しくは還元ガスが還元ガス加熱炉で加熱され、還元ガ
ス温度が500℃に到達する以前の還元ガス中にH2S
またはH2S生成物質を含有させれば、従来還元ガスの
加熱操作時に問題となっていた還元ガス加熱管壁でのカ
ーボン析出をも抑制できる(なお、500℃以下の加熱
ではカーボン析出は殆んどない)。
第1図で説明すると、例えば導入管AからH2Sまたは
C82、(NH4)2Sの如き還元ガス雰囲気中におい
て容易にH2Sを生成するような物質をシャフト炉8人
口の還元ガス中のH2S濃度が10容量ppm以上、好
ましくは10容量ppm〜100容量ppmになるよう
に、還元ガス中に投入することにより、 (1)鉄鉱石の還元操作時にシャフト炉8内におけるカ
ーボン析出の問題のため使用不可能とされていた低酸化
度の還元ガスを使用した鉄鉱石の還元操作が可能となり
、シャフト炉8の生産性及びガス利用率を著るしく向上
させる、 (2)還元ガス加熱炉20の加熱管壁におけるカーボン
析出を抑制できる、 のである。
還元ガス中にH2Sを含有させる手段として、系外から
還元ガス系内にH2SまたはC82、(NH4)28な
どの硫黄含有物質を投入する理由は、還元ガス製造設備
として使用されるスチームン リフオーマ1はリフオー
ミング触媒が硫黄分によって被毒されて触媒の活性が低
下し還元ガスの製造に重大な支障をきたす観点から、通
常該還元ガスの原料ガス中に許容される硫黄分濃度は約
10容量ppm以下と制限されており、原料炭化水素中
に硫黄分を含有させて本発明の目的を達成することは事
実上不可能であり、また鉄鉱石の還元時に鉄鉱石中の硫
黄分と還元ガス中のH2が反応して生成するH2Sを利
用することは、該H2SがCO2とともにCO2除去装
置17において除去されてしまうため、炉頂ガスの1部
をCO2除去装置17をバイパスさせて還元ガス中に循
環させる必要が生じ、このことは前記特公昭54−40
203号の方法と同様に必然的に還元ガス中の酸化度を
上昇させることになり、本発明の目的を達成することが
できなくなるからである。
事実、還元ガス製造設備としてスチームリフオーマを採
用した直接還元プラントにおいては、リフオーミング触
媒の被毒防止上、あるいは製品還元鉄中の硫黄分濃度上
昇による製品品位低下防止の面から、従来還元ガス中に
は極力硫黄分を含有させないように努力されていた。
しかし本発明方法によれば、リフオーミング触媒を硫黄
分によって被毒させることは全(なく、また還元ガス中
のH2S濃度100容量ppm以下においては製品還元
鉄中の硫黄分濃度を実質上上昇させることはない。
還元ガス中のH2S濃度を100容量ppm以上にする
ことは製品還元鉄中の硫黄分濃度を上昇させる危険があ
り、また必要以上にH2S濃度を上げることは還元ガス
系内に投入する硫黄含有物質の量が多くなり経済的観点
から好ましくない。
また、第1図に例示したように導管Aを通して還元ガス
が加熱設備20で加熱され還元ガス温度が約500℃に
なる以前に投入すれば、以上の効果のほかに前記した如
く還元ガス加熱炉20の加熱管板面でのカーボン析出抑
制効果をも奏し得るのである。
以上の説明から明らかな如く、本発明ではガス循環コン
プレッサ15を通った炉頂ガスは全てCO2除去装置1
7に導き、該ガス中のCO2はほぼ完全に除去してしま
うことが望ましい。
従って従来のバイパス管19は不要である。
還元ガス中のH2S濃度を調節するために還元ガス系内
に投入する硫黄含有物質は、工業的に入手が容易でかつ
取扱いが容易なH2S自体、あるいは還元ガス雰囲気中
において容易にH2Sを生成する物質であればよく、該
物質としては工業的に入手が容易でかつ取扱いが容易な
C82および(NH4)28などが適当である。
本発明方法は第1図に示すフローの直接還元プラントの
他に次のようなプラントにも適用できる例えば第1図の
フローにおいてスチームリフオーマ1出口の還元ガスラ
イン6内に冷却器を設けて還元ガスをいったん冷却し、
スチームリフオーマ1出口の還元ガス中に含有される水
分の大半を除去した後、再度加熱炉で加熱昇温させた還
元ガスをシャフト炉8に供給するような直接還元プラン
ト、またはスチームリフオーマ1出口に冷却器を設けて
還元ガスをいったん冷却し、還元ガス中に含有される水
分の大半を除去した後の還元ガスを管18から循環され
てくる再生還元ガスとともに加熱炉20で加熱昇温させ
た後、シャフト炉8に供給するような直接還元プラント
等に対しても本発明方法を適用させることができる。
次に、第1図に示す直接還元プラントの工業化を計るこ
とを目的に小型試験設備による還元鉄の製造実験を行っ
た。
実験に使用した設備の系統図を第2図に示す。
実験は鉄鉱石の充填容積が約12.51の角型シャフト
炉108を使用し、シャフト炉108中の還元鉄の切出
しはシャフルパー130を往復動させてシャフト炉10
8の還元帯域から切出し、鉄鉱石は還元鉄の切出し量に
応じてラインBから鉱石供給装置109を用いてシャフ
ト炉108内に供給した。
炉頂ガスは水洗塔112で水洗した後、その1部を定容
量ガスコンプレッサー115でモノエタノールアミン洗
浄塔117に導入して炉頂ガス中の酸性ガスの大半を除
去した後、恒圧恒温に調節された水槽131に導入し、
還元ガス中の水分濃度を調節した。
また、流量調節装置133で所定量に調節されたCH4
ガス及び流量調節装置134で所定量に調節された水蒸
気をスチームリフオーマ101に導入して還元ガスを製
造し、電気炉120の出口に投入し、電気炉120で加
熱された再生還元ガスとともにシャフト炉108に供給
する。
水槽131内の圧力は圧力調節装置132で調節し、シ
ャフト炉108の操業圧力は水洗塔112内の圧力が一
定になるように圧力調節装置135で調節した。
鉄鉱石としては次のものを使用した。
鉄鉱石:スウェーデン国産(商品名 MPRペレット) 鉱石組成:全鉄濃度 67.9 重量%FeO濃度
1.1〃 全脈石濃度 2.85 〃 硫黄分濃度 0.007 〃 燐分濃度 0.015〃 結合水濃度 0.1.7 〃 鉱石粒度:篩分析で31.5mm以下6.3mm以上の
球状ペレット 実験例 1 従来と同様の方法でシャフト炉108へ吹込む還元ガス
中に硫黄分を含有させることな(、単に還元ガス中の酸
化度を高くした実験を行った。
実験条件および結果は次の通りであった。
還元ガス温度:802℃〜806℃ シャフト炉操業圧カニ1.45ata〜1.5ata還
元ガス組成:H250,0vo1% 還元ガス組成:CO35,9vo1% CO22,8〃 H2Q 9.4 〃 CH41,9〃 還元ガス使用量:228ONm/を還元鉄シャフト炉の
生産性:4.5を還元鉄7m3d製品還元鉄組成:金属
化率 92.28%硫黄分濃度 0.006% シャフト炉内の圧力損失:810mmH2O/m〜83
5mmH2O/m また実験終了後、還元ガスの加熱炉として使用した電気
炉120の加熱管を開放点検した結果、加熱管壁面に少
量のカーボンが付着していた。
実験例 2 従来の方法で、還元ガス中に硫黄分を添加せず還元ガス
中の酸化度を低くした実験を行った。
実験条件は次の通りとした。
還元ガス温度:803℃〜805℃ シャフト炉操業圧カニ1.45ata〜1−5ata還
元ガス組成:H2538vO1% Co 40.47 CO20,5〃 H2O3,2〃 CH42,1〃 この条件での実験は、実験開始数時間後にシャフト炉1
08人口の圧力が高くなり、またシャフト炉108内で
鉄鉱石の棚鈎りが発生し、シャフト炉108内への鉄鉱
石装入が不可能となった。
また還元ガス加熱炉120の加熱管壁面に相蟲量のカー
ボンが付着していた。
実験例 3 本発明方法の効果を確認するため還元ガスの加熱炉とし
て使用した電気炉1200Å口でラインAからH2Sを
注入した実験を行った。
実験条件および結果は次の通りであった。
還元ガス温度:801℃〜807℃ シャフト炉操業圧カニ1.45ata〜1.5ata還
元ガス組成:H256,7vo1% CO38,5〃 CO20,7〃 H2O2,6〃 CH41,5〃 H2S 10.5vol ppm 還元ガス使用量:197ONm3/を還元鉄シャフト炉
の生産性:6.8を還元鉄/m3d製品還元鉄組成:金
属化率 91.6%硫黄分濃度 0.006% シャフト炉の圧力損失:625〜630mmH2O/m
また還元ガス加熱炉120の管壁にはごくわずかなカー
ボンが付着している程度であった。
実験例 4 実験例3と同様に本発明方法を確認するための実験を行
った。
実験条件および結果は次の通りであった。
還元ガス温度:804℃〜806℃ シャフト炉操業圧カニ1.45ata〜1.5ata還
元ガス組成:H256,3vO1% CO39,0〃 CO20,6〃 H2O2,5〃 CH41,6〃 H2S 97volppm 還元ガス使用量:213ONm″/を還元鉄シャフト炉
の生産性ニア、4を還元鉄/m2d製品還元鉄組成:金
属化率 92.1%硫黄分濃度 0.007% シャフト炉の圧力損失:632〜641mmH2O/m
また、還元ガス加熱炉120管壁へのカーボン付着はほ
とんど認められなかった。
以上の実験例からも明らかな如く、本発明方法によれば
還元鉄の単位量を生産するのに要する還元ガス量が低減
でき(ガス利用率の向上)、シャフト炉の単位容積あた
りの還元鉄生産量(シャフト炉の生産性)が向上し、加
えてシャフト炉の圧力損失の低減すなわちシャフト炉内
におけるカーボン析出が少なくなる。
また、還元ガス加熱炉の加熱管壁面でのカーボン析出も
抑制される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法の一実施態様例を従来法と比較して
説明するための系統図、第2図は実験例で使用したテス
トプラントの系統図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 鉄鉱石を還元する設備としてシャフト炉を使用し、
    気体状炭化水素化合物から還元ガスを製造する設備とし
    てスチームリフオーマを使用し、かつ前記シャフト炉に
    供給する還元ガスの少なくとも一部を加熱する設備を備
    えた直接還元プラントにおいて、前記シャフト炉入口の
    還元ガス中の硫化水素濃度が10容量ppmないし10
    ,0容量ppmになるように、硫化水素または還元ガス
    中において硫化水素を生成する物質を還元ガス系内に系
    外より添加供給することを特徴とする還元鉄の製造方法
JP55170226A 1980-12-04 1980-12-04 還元鉄の製造方法 Expired JPS5811484B2 (ja)

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