ブラスト炉ガスの再循環及び炭化水素の添加を伴う銑鉄の溶融方法

专利摘要:
還元領域を有する、酸素で動作するブラスト炉（１）又は溶融還元設備における銑鉄の溶融方法であって、前記還元領域から排出された浄化された生ガス（ＧＧ、ＥＧ）は、炭化水素を添加されて、前記還元領域に再循環される。本発明によると、浄化された前記生ガス（ＧＧ、ＥＧ）は炭化水素と混合され、かつ、８００℃を超える再循環ガス（ＲＥＺＧ）を生成するために還元ガス（ＲＥＤＧ）と混合される。前記還元ガスは１０００℃を超える温度を有し、９０体積％を超える酸素含有量の酸素ガスを用いた炭化水素の部分的酸化によって生成される。前記再循環ガス（ＲＥＺＧ）は、自動変換プロセスの後、前記還元領域に再循環される。
公开号:JP2011514443A
申请号:JP2010546232
申请日:2009-01-29
公开日:2011-05-06
发明作者:クルト・ヴィーダー；ヨハン・ヴルム；ロベルト・ミルナー
申请人:シーメンス・ファオアーイー・メタルズ・テクノロジーズ・ゲーエムベーハー・ウント・コ；
IPC主号:C21B5-00

专利说明:

[0001] 本発明は、請求項１の前段に記載の銑鉄溶融方法に関する。]
背景技術

[0002] 先行技術からは、様々な銑鉄溶融方法が知られている。特許文献１には、コークスを節約し、プラントの効率を高めるために、ブラスト炉において、天然ガス又はコークス炉ガスなどの様々な炭素含有ガスが、羽口を介して、又は朝顔部において注入されることが記載されている。熱風によって動作する従来のブラスト炉からブラスト炉ガスを注入することは、二酸化炭素及び窒素の含有量が多く、水素の含有量が少ないので、経済的ではない。]
[0003] 特許文献２には、ブラスト炉からのブラスト炉ガスの、下から燃料供給を行う外部の反応系における炭化水素燃料での変換と、そのブラスト炉への再循環とが記載されている。このとき、加熱器を下から加熱するために余分にエネルギーが必要になるということ、ならびに、高温熱交換器のために非常に大きなエネルギーが必要になるということが欠点である。さらに、加熱の間に、還元ガス中の一酸化炭素及び水素による「メタルダスティング腐食」が欠点として生じる。]
[0004] 特許文献３には、熱風ではなく酸素で動作するブラスト炉のブラスト炉ガスの再循環について記載されている。ブラスト炉ガスを浄化した後、二酸化炭素が除去され、朝顔部又は炉床の羽口を介してブラスト炉に導入される。さらに特許文献４にも、酸素によるブラスト炉の動作、ブラスト炉ガスの再循環、ならびにＣＯ２除去設備の使用について記載されている。特許文献５には、熱風によるブラスト炉の動作、ブラスト炉ガスの再循環、ならびに二酸化炭素及び窒素の除去について記載されている。しかしながら、これらの実施形態においては、ブラスト炉ガスから二酸化炭素及び窒素を除去するために、多額の投資費用及び運転費用が生じるという重大な欠点と、還元ガスを加熱する必要があるので、やはりメタルダスティング腐食の問題が生じるという重大な欠点とが存在する。さらに、ＣＯ２除去後の残留ガスは、発熱量が小さいので、利用もしくは後処理されねばならない。このとき、さらに二酸化炭素がブラスト炉ガス中に排出されるが、当該二酸化炭素が再び還元ガスに変換されることはないので、ＣＯ２の排出という不利益につながる。それゆえに、残留ガスにおける還元剤が余計に失われる。]
[0005] 同一の欠点は、最も近い先行技術と考えられる特許文献６に記載された方法においても生じている。当該文献には、酸素で動作するブラスト炉及び再循環されたブラスト炉ガスにおいて炭化水素を添加する銑鉄の製造方法が記載されている。しかしやはり、前もって二酸化炭素を除去する必要がある。]
先行技術

[0006] 英国特許第８８３９９８号明細書
独国特許出願公開第１９３９３５４号明細書
独国特許発明第２２６１７６６号明細書
独国特許発明第３７０２８７５号明細書
国際公開第２００４／０５２５１０号パンフレット
独国特許出願公開第１０２００４０３６７６７号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0007] したがって、本発明の目的は、改善された銑鉄溶融方法によってこれらの欠点を回避すること、及び、特に負担になる二酸化炭素及び／又は窒素の除去を必要としないような方法を提供することにある。それによって、ＣＯ２の除去による残留ガスの発生が回避され、投資費用及び運転費用に係るプラントの全体費用が削減されることになる。]
課題を解決するための手段

[0008] この目的は、請求項１の手段によって実現される。請求項１は、還元領域を有する、酸素で動作するブラスト炉又は溶融還元設備における、銑鉄の溶融方法に関する。還元領域から排出された浄化された生ガスは、炭化水素を添加されて、還元領域に再循環される。本発明においては、還元領域から排出された浄化された生ガスは、炭化水素と混合される。次に、この気体混合物は還元ガスと混合される。当該還元ガスは１０００℃を超える温度を有しており、９０体積％を超える酸素含有量の酸素ガスを用いた炭化水素の部分的酸化によって生成される。当該ステップにおいて再循環ガスは、後続の自動変換プロセスに必要な温度にまで達する。次に、浄化された生ガスに含有される炭化水素は、やはり含有される気体成分である二酸化炭素及び水で変換された後、還元領域に再循環される。このとき、変換プロセスによって、再循環ガスは約８００℃にまで冷却される。]
[0009] 還元領域は、ブラスト炉の場合はブラスト炉内部にあり、溶融還元設備の場合は溶融ガス化炉内ならびに単独の還元シャフト内にある。]
[0010] 請求項２から請求項７は、本発明の有利な実施形態を示している。それによると、例えば自動変換プロセスは、対応する触媒が充填された変換機によって加速され得る。再循環ガスのブラスト炉の反応室内への特に有利な再循環は、例えば羽口を介して、羽口より上の面において、又はブラスト炉のシャフト内において行われる。ここでは、羽口を介して再循環ガスを再循環する際に、粉炭を注入しても良い。さらに、浄化された生ガスに供給される炭化水素は、一般式ＣｎＨｍの炭化水素又は当該炭化水素の混合物であり得る。生ガスに関しては、熱回収を行うか、又は生ガスを浄化するために乾式除塵を行っても良い。]
[0011] 以下に本発明を様々な実施例を基に、図を用いて詳細に説明する。]
図面の簡単な説明

[0012] 本発明に係るブラスト炉における銑鉄の溶融方法の適用に関するダイアグラムである。
本発明に係る溶融還元設備における銑鉄の溶融方法の適用に関するダイアグラムである。]
[0013] 図１を用いて、本発明に係る方法の第１の実施形態を説明する。図１はブラスト炉１を示している。ブラスト炉１内では、酸化鉄の還元によって鉄が得られる。このために、原材料、特に酸化鉄を含有する装入物、アグレゲート（ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ）、ならびにコークスが、傾斜巻上げ機２又は急傾斜ベルトコンベヤ２によって、ブラスト炉１のベルホッパ３に搬送され、ブラスト炉１の内部に導入される。ブラスト炉１は冶金反応炉とみなすことができる。当該炉内では、装入物のカラムが対向流において、例えば注入された酸素と反応する。当該酸素は、羽口４を介して導入される。コークスの炭素をガス化することによって、反応のために必要な熱と、装入物のカラムを貫流し、酸化鉄を還元する一酸化炭素とが生じる。ベルホッパ３からブラスト炉１の底部に至るまでの間に、様々な物理化学的プロセスが行われるので、一般的に、ブラスト炉１内部の様々な領域も、溶融領域、浸炭領域、還元領域などのように区別される。以下、これらの領域を包括し、当該実施例において還元領域と総称する。次に、ブラスト炉１の底部では、銑鉄の流れ５とスラグの流れ６とが得られる。これらの流れは、定期的に取り出される。] 図１
[0014] ここではブラスト炉ガスとも称される、還元領域において生成される生ガスＲＧは、ブラスト炉１のシャフト上端部において排出され、除塵機７において乾式除塵が行われ、ブラスト炉ガス洗浄器８において浄化される。したがってこの場合、浄化された生ガスは、浄化されたブラスト炉ガスＧＧとも称される。ブラスト炉ガスには、一酸化炭素の他に、二酸化炭素、ならびに水素及び水蒸気も含まれており、また、場合によっては少量の窒素も含まれる。一般に、浄化されたブラスト炉ガスＧＧは、部分的にブラスト炉１に再循環され、還元剤として用いられる。浄化されたブラスト炉ガスＧＧのさらなる部分は、発電のために発電所９で用いても良いし、焼鈍炉及び再熱炉の加熱に用いても良いし、あるいはコークス炉の下から供給するガスとして用いても良い。]
[0015] 図１には、さらに、本発明に係る方法を実施するために必要な燃焼室１０及び変換機１１が示されている。燃焼室１０内では、例えば天然ガスなどの炭化水素が、９０体積％を超える酸素を含有する酸素ガスによって、化学量論的状態下で酸化される。このとき、ＣＨ４（およびさらなる高級炭化水素）の大部分は部分的に酸化され、わずかな部分のみが燃焼し、非常にわずかな部分のみが全く反応しない。化学反応は以下のように要約される：
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
ＣＨ４→ＣＨ４] 図１
[0016] したがって、燃焼室１０の下流では、主にＨ２とＣＯとから成る、約１５００℃の還元ガスＲＥＤＧが生じる。]
[0017] 浄化されたブラスト炉ガスＧＧは、まず圧縮機１２において圧縮され、一般式ＣｎＨｍの炭化水素又は当該炭化水素の混合物、例えば天然ガスなど、と混合された後、燃焼室１０からの還元ガスＲＥＤＧと均一に混合される。以下、こうして生成されたガスを再循環ガスＲＥＺＧと称する。このとき、温度分布を均一に調整するために、十分な混合領域又は混合室が必要になる。この混合によって、還元ガスＲＥＤＧの初期温度は低下し、再循環ガスＲＥＺＧの温度は約１０００℃に達する。好ましくないブードアー（Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ）平衡の場合の炭素分離を防ぐためには、いずれにしても再循環ガスＲＥＺＧの温度は８００℃を超える必要がある。]
[0018] 次に、再循環ガスＲＥＺＧは変換機１１を通過する。変換機１１は、触媒を充填した容器又は管である。炭化水素を含有するガスの変換が行われ、ガスの品質は、ＣＯ２及びＨ２Ｏの含有量に対してＣＯ及びＨ２の含有量が増加することによって著しく改善される。変換機１１で行われる反応は、以下のように要約される：
ＣｎＨｍ＋ｎＣＯ２→２ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ２
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ２]
[0019] 変換プロセスによって、再循環ガスＲＥＺＧはさらに約８００℃にまで冷却される。次に、再循環ガスＲＥＺＧは羽口４を介して羽口４より上の面に導入されるか、あるいはブラスト炉１のシャフトに導入される。]
[0020] 図２には、溶融還元設備の枠内における、本発明に係る方法のさらなる実施例が示されている。この種類の設備は、例えばＣＯＲＥＸ（登録商標）法などによって液体銑鉄を製造するために用いられる。ここでは、ブラスト炉プロセスとは異なり、ブラスト炉用コークスは不要である。本発明に係る方法は、例えばＦＩＮＥＸ（登録商標）法などのその他の製造プロセスにも適用可能ではあるが、図２に示されたＣＯＲＥＸ（登録商標）法に基づいて、本発明に係る方法を以下に説明する。] 図２
[0021] 図示された方法は、２段階の溶融還元法（Ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）である。当該方法では、第１のステップにおいて、銑鉄の鉱石が海綿鉄に還元され、第２のステップにおいて、最終還元、溶融、及び銑鉄への浸炭が行われる。溶融プロセスに必要なエネルギーは、石炭のガス化によって供給される。このとき、大量の一酸化炭素と水素とが生ガスとして生じるが、当該ガスを還元ガスとして用いることができる。]
[0022] 図２から明らかなように、まず塊鉱、シンター、ペレット又はそれらの混合物が還元シャフト１３内に導入され、対向流において還元プロセスガスＧＰＧで還元される。還元シャフト１３を通過した後、この第１段階の最終生産物は、排出スクリュー１４を経由して、その下方に配置された溶融ガス化炉１５内に搬送される。還元シャフト１３内で発生した生ガスＲＧは、還元シャフト１３から排出され、洗浄器１９内で浄化される。還元ガスの部分流量は、浄化及び冷却の後、溶融ガス化炉１５から排出されたプロセスガスＰＧのための冷却ガスＫＧとして用いられる。調整ガスとして生じる還元ガスは、冷却及び浄化の後、生ガスＲＧと混合される。] 図２
[0023] 溶融ガス化炉１５内では、残留還元及び海綿鉄の溶融の他に、必要な冶金学的金属反応及びスラグ反応が行われる。次に、ブラスト炉の場合のように、溶融ガス化炉１５から銑鉄の流れ５とスラグの流れ６とが得られる。これらの流れは、定期的に取り出される。]
[0024] 溶融ガス化炉１５に石炭が導入されるが、当該石炭は、石炭貯蔵シャフト１７から石炭搬送スクリュー１６を経由して搬送される。石炭が脱水及び脱ガスされた後、溶融ガス化炉１５内にはまず低温炭化コークスから成る固定床が形成され、次に当該固定床は酸素でガス化される。発生する高温のプロセスガスＰＧは約１０００℃となり、主にＣＯとＨ２とから構成されるゆえに還元効果を有し、細塵を含んでいる。当該プロセスガスＰＧは、冷却ガスＫＧと混合することによって冷却され、例えば高温サイクロンなどのサイクロン１８において脱塵され、最後に浄化されたプロセスガスＧＰＧとして還元シャフト１３に供給される。過剰ガスは、さらなる洗浄器１９内で浄化される。還元ガスの部分流量は冷却ガスＫＧとして用いられる。サイクロン１８からの分離した粉塵の流れＳＦは、再び溶融ガス化炉１５内に導入され、材料的に用いられるか、もしくは酸素でガス化される。]
[0025] さらに図２においても、本発明に係る方法を実施するために必要な燃焼室１０と変換機１１とが示されている。燃焼室１０内では、例えば天然ガスなどの炭化水素が、９０体積％を超える酸素を含有する酸素ガスによって、化学量論的条件化で酸化される。ここでも、上述のように化学反応が行われる。燃焼室１０の下流では、主にＨ２とＣＯとから成る、約１５００℃の還元ガスＲＥＤＧが生じる。] 図２
[0026] この場合において送出ガスＥＧと称される浄化された生ガスは、まず圧縮機１２において圧縮され、一般式ＣｎＨｍの炭化水素又は当該炭化水素の混合物、例えば天然ガスなど、と混合された後、燃焼室１０からの還元ガスＲＥＤＧと均一に混合される。以下、こうして生成されたガスを再循環ガスＲＥＺＧと称する。すでに述べたように、温度分布を均一に調整するために、十分な混合領域又は混合室が必要になる。この混合によって、還元ガスＲＥＤＧの初期温度は低下し、再循環ガスＲＥＺＧの温度は約１０００℃に達する。好ましくないブードアー平衡の場合の炭素分離を防ぐためには、いずれにしても再循環ガスＲＥＺＧの温度は８００℃を超える必要がある。]
[0027] 次に、再循環ガスＲＥＺＧは変換機１１を通過する。変換機１１は、触媒を充填した容器又は管である。炭化水素を含有するガスの変換が行われ、ガスの品質は、ＣＯ２及びＨ２Ｏの含有量に対してＣＯ及びＨ２の含有量が増加することによって著しく改善される。変換機１１における反応は、やはり前記実施例のように行われる。]
[0028] 変換プロセスによって、再循環ガスＲＥＺＧはさらに約８００℃まで冷却される。次に、再循環ガスＲＥＺＧは、粗く浄化されたプロセスガスＧＰＧ及び還元シャフト１３に供給されるか、もしくは酸素ノズルを介して溶融ガス化炉１５に導入される。]
[0029] この再循環及び高級炭化水素での変換によって、先行技術に対して多くの利点がもたらされる。費用のかかるＣＯ２及び／又はＮ２の除去が不要なので、その他の方法に比べて投資費用を節減できるとともに、ＣＯ２の除去による残留ガスの発生を回避できる。そうでない場合には、当該残留ガスの利用又は後処理が必要になる。ブラスト炉ガスからのＣＯ２は高級炭化水素（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０など）で変換され、再び還元に用いられるので、一般的にＣＯ２の排出量はより少なくなる。さらに、変換機１１の下から供給する燃料ガスが不要なので、変換に必要な熱の生成に際する効率、及びブラスト炉への注入に際する効率が上昇する。]
[0030] さらに、燃焼室１０とブラスト炉に通じる対応する配管系とを一列に配置でき、距離が非常に小さく保たれるので、加熱、変換、及び搬送に際する、ＣＯを含有する還元ガスによるメタルダスティング腐食が削減される。]
[0031] さらなる利点は、火炎温度の集中的な低下による管路の冷却にある。火炎温度の低下は、コークスと、依然として存在する非常に少量のＨ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＨ４との吸熱反応によるものである：
[式１]]
実施例

[0032] しかしながら、濃度が低いゆえに過度に冷却されることはないので、単に天然ガス又はオイルを注入するときよりもはるかに多くの量をブラスト炉１に導入することができる。さらに、再循環ガスＲＥＺＧからの還元剤（ＣＯ、Ｈ２）の再循環及び炭素含有ガスでの変換によって、還元剤としての石炭及び石炭ブリケットを節約する可能性が与えられる。したがって、本発明に係る方法は、設備全体の運転費用を明らかに低下させることができる。]
[0033] １ブラスト炉
２ 傾斜巻上げ機、急傾斜ベルトコンベヤ
３ベルホッパ
４羽口
５銑鉄の流れ
６スラグの流れ
７除塵機
８ブラスト炉ガス洗浄器
９発電
１０燃焼室
１１変換機
１２圧縮機
１３還元シャフト
１４排出スクリュー
１５溶融ガス化炉
１６石炭搬送スクリュー
１７ 石炭貯蔵シャフト
１８サイクロン
１９ 洗浄器
ＥＧ送出ガス
ＧＧ ブラスト炉ガス
ＧＰＧ還元プロセスガス
ＫＧ冷却ガス
ＰＧプロセスガス
ＲＥＤＧ還元ガス
ＲＥＺＧ再循環ガス
ＲＧ生ガス
ＳＦ粉塵の流れ]

权利要求:

請求項1
還元領域を有する、酸素で動作するブラスト炉（１）又は溶融還元設備における銑鉄の溶融方法であって、前記還元領域から排出された浄化された生ガス（ＧＧ、ＥＧ）が、炭化水素を添加されて、前記還元領域に再循環される方法において、浄化された前記生ガス（ＧＧ、ＥＧ）は炭化水素と混合され、かつ、８００℃を超える再循環ガス（ＲＥＺＧ）を生成するために還元ガス（ＲＥＤＧ）と混合され、前記還元ガスは１０００℃を超える温度を有しており、９０体積％を超える酸素含有量の酸素ガスを用いた炭化水素の部分的酸化によって生成され、前記再循環ガス（ＲＥＺＧ）は、自動的変換プロセスにしたがって、前記還元領域に再循環されることを特徴とする方法。
請求項2
前記自動変換プロセスは、対応する触媒が充填された変換機（１１）において行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
請求項3
前記再循環ガス（ＲＥＺＧ）は、前記ブラスト炉（１）の前記還元領域に再循環するために、羽口（４）を介して、前記羽口（４）より上の面において、又は前記ブラスト炉（１）のシャフト内に導入されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
請求項4
前記再循環ガス（ＲＥＺＧ）の再循環は、前記羽口（４）を介して、粉炭の注入を伴って行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
請求項5
浄化された前記生ガス（ＧＧ、ＥＧ）に供給される炭化水素は、一般式ＣｎＨｍの炭化水素又は前記炭化水素の混合物であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
請求項6
前記生ガス（ＲＧ）からの熱回収が行われることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
請求項7
前記生ガス（ＲＧ）の浄化のために、前記生ガス（ＲＧ）の乾式脱塵が行われることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。