JP2004300578A - 金属製造用還元性ガス形成剤 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属酸化物を含む鉱石を、炭素および／または水素（あるいはさらにこれらの化合物）を含む還元性ガスと接触させて反応させる、金属の製造プロセスにおいて、廃棄プラスティックの有効利用を図る。
【解決手段】 プラスティックを流動化した状態で、冶金学的竪型炉の炉風の流れに注入するにあたり、少なくとも箔状物を含むプラスティックが大きな比表面積の特定塊形状粒で、その粒径が、殆ど１から１０ｍｍの領域にあり、該特定塊形状粒は熱的グラインドにより、機械的・熱的ストレスの組み合わせにより割れ目（複数）が入った状態に形成されることによって大きな比表面積に形成して還元性ガス形成剤を得る。
【効果】 プラスティック特定塊形状粒は、高炉に注入したとき完全にガス化され、廃棄プラスチックを許容できる費用でリサイクル利用して金属を製造できる。
【選択図】 なし

Description

本発明は金属鉱石から金属を製造するための、特に鉄鉱石から銑鉄を製造するためのプロセスに関し、特にそれに用いる還元性ガス形成剤に関するものである。

かかるプロセスでは、金属酸化物を含む鉱石が、炭素および／または水素（および多分それらの化合物）を含む還元ガスと接触反応させる。通常、主に金属酸化物からなる鉱石（鉄の酸化物以外であっても）は、金属が抽出される前に、還元プロセスにかける必要がある。この還元は、炭素あるいは可能なら水素またはこれらの化合物の助けで行なわれ、これらは、還元ガス中に含まれ、金属鉱石に作用するために用いられる。その後、還元された金属鉱石は溶融プロセスにかけられる。還元に必要なガスは、還元および溶融プロセス自体の領域で得られる。炭素を含む物質（例えば、コークス、石炭、油、または天然ガス）が、すでに還元され、加熱された金属の領域に加えられ、酸素や、空気からの酸素の添加により、分解され、炭素含有ガスへの変換が行なわれ、これは上述の還元のために供給される。

この点で、従来の高炉プロセスが知られている。高炉の中では、金属鉱石の還元と、還元ガスの製造と、さらには金属の液体状態への最終的な溶解とが、上部から底部に渡って連続的に行なわれる。高炉プロセスでは、鉄鉱石や可能なら混合物に、コークスが炭素キャリアとして加えられる。また、より良い高炉プロセスの制御、およびコークスを節約するために、ランスを通して高炉内に油または粉状の石炭が注入され、これらはコークスの消費を減少させている。この付加的に注入される材料、油または粉状（pulverized）の石炭はきれいにかつ十分なガス化を確実にするため、細かく粉砕した状態で導入されなければならない。高炉への粉状の石炭の注入についての概要は、非特許文献に記載されている。
シュタール ウント アイゼン（Ｓｔａｈｌ ｕｎｔ Ｅｉｓｅｎ）、発行日１２．１．８１の１０１（１９８１）３５−３８頁 シュタール ウント アイゼン（Ｓｔａｈｌ ｕｎｔ Ｅｉｓｅｎ）、発行日２５．２．８５のNｏ．４の１０５（１９８５）の２１１−２２０頁 ＤＥ−Ａ−２９３５５４４ ＤＥ−Ａ−４１０４２５２

粉砕された粉（powder）の注入は、特に油の価格高騰中に増加した。実験は、より大きい粒径を用いて幾つかのプラントでおこなわれたが、利用できる約１０msの短時間の注入中に、例えば粉状の石炭の完全なガス化といった良い結果は、０．１ｍｍより小さい粒径でのみ得られたにすぎない。
油または粉状の石炭を注入する代わりに、例えば廃棄物、使用した紙、わら、かっ炭および使用した木、プラスティック、ゴム、類似の材料を導入する提案はすでになされている（ＤＥ−Ａ−２９ ３５ ５４４）。対応する実験や結果がない中で、高炉にどのようにして物が導入されるべきかの仮説が立てられた。また、ＤＥ−Ａ−４１ ０４ ２５２においては、この種の炭素含有廃棄物が、羽口を通して微細粒または粉の形で高炉に注入することが提案され、沈澱スラッジ（流動可能なダスト）がサンプルとして与えられた。また、このプロセスにおいて、注入される物が微細粒であるべき必要性が強調された。

最初に述べた公知のプロセスから始まるが（出発し）、本発明の目的はプラスティック廃棄物を有機的にまたは無機的に汚染されていても、還元ガス用の成分として利用することにある。プラスティック廃棄物は常に大量に手に入り、無駄な処分の問題である。大低の場合、固体の形で、しばしば大変汚染されたパッケージ廃棄物として、またはプラスティック製品の製造中に得られるスクラップあるいは似た廃棄物として手に入る。例えば、プラスティック容器廃棄物は、（この廃棄はまだ大きな未解決な問題である）、粉砕された形態で羽口領域に導入される。
プラスティック残余（廃棄物）を高炉プロセスの還元剤の源として用い、それによりこれらを材料的に利用することは、すでに提案されてきた。既知の方法では、重ねた押出プロセス中で混合されたプラスティック廃棄物は、温度作用および剪断によって、低分子物質に分解され、高炉の炉風流れ中に、重油に置き換えて注入することができるとしている。しかし、いわゆるプラスティックの液化のための分解押出（degradative extrusion）は、装置とプロセス技術において要求される手段であり、これは全プロセスをより難しく、高価なものにする。加えて、このプロセス方法は、プラスティック廃棄物中の金属、有機、および無機の汚染物によって敏感に妨害される。
すでに述べたように、竪型炉、特に高炉の領域の炉風流れ中への、油または粉砕された石炭を注入する既知方法においては、利用できる短時間にすすの形成なしに完全なガス化を確実に行うために、材料は大変細かく粉砕されて注入される必要がある。もし、石炭粒子の最大粒径が約０．１ｍｍでなく、より大きければ、不十分な結果となる。
この理由は、主に、石炭中の揮発性成分が比較的少ないことにあり、個々の粒子の破壊およびそれゆえに反応表面のさらなる増加が十分な寸法にまで進むことができないためである。油の注入にとっても、実際は揮発性の組成からなるが、粒径を０．１ｍｍよりかなり小さく微粒化することが、また必要となる。
最も精密な結論としては、化学的組成が大変油に近いプラスティックであっても、竪型炉の中での十分に速い反応を行わせるためには、同等の粒径の粉に粉砕されなければならない。特に熱可塑性のプラスティックを、そのような細かい粉にひく（細かくグラインドする）ことは不可能である。なぜなら、大変微細にグラインドされると、この材料（微細にグラインドされた粒子）は、ねばねばする（即ち、付着性を示す）からである。このようなプラスティックは低温に冷却し、もろくして、この状態でこれをグラインドすることも考えられてきた。しかし、本方法は、費用の理由から採用できない。

従って、本発明は、鉱石を還元性ガスと接触させて反応させる金属の製造プロセスであって、プラスティックを流動化した状態で冶金学的炉に注入する形式の金属の製造プロセスに用いる還元性ガス形成剤を、許容できる費用で提供することを課題とする。

プラスティックを冶金学的竪型炉の炉風流れに注入するとき、プラスティック（例えば、包装容器や箔状プラスティックなど）に機械的・熱的ストレスの組み合わせをおよぼすべく、細かく砕き（粉砕し）かつ温度的にひいた後で（即ち、熱的グラインドした後の状態において）、プラスティックが、より大きな粒子サイズ（即ち、下記の「特定塊形状」）を有するよう形成されていると大変いい結果が得られる。すなわち、特定塊形状粒が主にほとんど１から１０ｍｍ、特に５ｍｍの領域にいると大変良好な結果が得られることが、驚くべきことに見出だされた。本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。即ち、本発明によれば、金属酸化物を含む鉱石を、炭素および／または水素（あるいはさらにこれらの化合物）を含む還元性ガスと接触させて反応させる、金属の製造プロセスにおいて、流動化した状態で、冶金学的竪型炉の炉風の流れに注入される還元性形成剤であって、少なくとも箔状プラスティックを含むプラスティックが大きな比表面積の塊形状粒に形成され、その粒径が、殆ど１から１０ｍｍの領域にあり、該塊形状粒は、微細にグラインドされたプラスティック粒子がねばねばするよう熱的にグラインドされて、機械的・熱的ストレスの組み合わせにより割れ目（複数）が入った状態に形成されることによって大きな比表面積に形成されたものであること（但し単なる粉砕一次粒子を除く）（以下「特定塊形状」という）を特徴とする金属製造用還元性ガス形成剤が提供される。なお、高炉の場合、一般的には、還元性ガスは、既述のとおり、炭素および／または炭化水素を含む固体物から前もって得られる。

作用

かかる粒径は大きな費用なしに得ることができるが、この粒径は、同時にプラスティックプロセス、流体化および計量(metering)の領域においても爆発の危険性が無く、例えば粉砕された石炭が注入される場合と同様であって、流動化ガスとして不活性ガスが不要となり、圧縮空気を使用できるというを利点を有する。特に、注入されるプラスティックが、大きな比表面積を有する特定塊形状の場合、良い結果が得られる。なお、そのプラスティックスが０．３５より大きいバルク密度を有する場合、有利であることが見出されているが、肝要なのは特定塊形状の特異な性状である。
このプラスティックの驚くべき挙動の理由は、粉砕（熱的グラインド）後の、この材料の（特定塊形状の）特異性によるものである。化学的に近い組成の油の場合、形成された緻密な小滴は、体積に対する表面積の比率は大変不利なものであり、それゆえに小さい粒径の場合のみ十分な反応性を有するが、プラスティックの場合、所定の粉砕プロセス（即ち、熱的グラインド）により（その過程で）、機械的、熱的ストレスの組み合わせにより割れ目（複数）が入った状態に形成される（ねばねばして塊形状になる）ことによって、比表面積が増加された（即ち、大きな比表面積の）特定塊形状になり、部分的な粉砕後であっても（即ち、完全に細く粉砕しなくても）材料は、優れた反応性を示す。
これにより、シングルステップ還元プロセスを用いることで、少し費用のかかる上記所定の粉砕プロセス（熱的グラインド）で処理の後、プラスティックまたは廃棄プラスティックは、高炉プロセスにおいて、大変有用な還元剤として用いられることがわかり、このことにより、石炭（ないしコークス）が節約できるのみならず、プラスティック廃棄物が有用に利用される。
冶金学的竪型炉が高炉の場合、上記のプラスティック（特定塊形状）粒子は空気ノズルまたは羽口で調整され、ランスを通って空気流中に流動体の形で注入される。この目的のために、すべてのランスで流動体プラスティック粒子が供給されるか、あるいは幾つかのランスで流動体プラスティック粒子が供給され、他方他は今までのように油または石炭が供給される。プラスティック粒子を供給するランスおよび油または石炭を供給するランスは均一に羽口の周囲に互いに分散させられて配置されるのが有利である。

ランスにおける注入圧力は、高炉中の圧力より高い０．５×１０^５から１．５×１０^５ Ｐａであることが好ましい。ランスでの流速は速いので、溶融または初期の溶融による、炉の内部からの熱の後方輻射によるランス中でのプラスティックの焼結を避けることができ、かかる流速とランスの断面積との関係は、好ましくは２００００から４００００ ｌ／（ｓｅｃ．ｍ）の間で、特に２５０００ ｌ／（ｓｅｃ．ｍ）が好ましい。このファクターの観察は、高炉の羽口で、粉状(pulverized)石炭または油がランスの中に注入された時に必要である。なぜならば、これらの物は、溶けず、その結果、焼結の危険性が無いためである。

高炉の混合炉風温度は、通常１０００から１２５０℃の領域にある。低すぎる温度は、プラスティックの不十分な、遅すぎるガス化の原因となる。混合炉風温度はそれゆえに１１００℃より上が好ましい。

プラスティックの注入量は、広い範囲で変えても良い。しかし、特異なプラスティック特定塊形状の特別な性質ゆえに、例えば油の注入量よりも多いほうが良い。もしプラスティックの注入量が７０ ｋｇ／ｔ ＰＩ（ＰＩは銑鉄）より多い時、良好なガス化を確実にするためには、酸素が炉風に加えられる。７０ ｋｇ／ｔ 銑鉄より多いｋｇ／ｔ 銑鉄毎に、０．０５から０．１％の酸素を、好ましくは、０．０８％の酸素を加えることが有利であることを見出されている。

プラスティックの測定および流体化は、異なった方法で行っても良い。一つの方法は、プラスティック粒子が連続して流体化され、分離した（独立の）装置で測定することからなる。この解決方法は、測定装置が、例えば、スクリューによって測定する機械的装置あるいはセル状の輪（ホイール）によって測定する装置のような単純な方法で実現できる利点がある。他の方法は、プラスティック粒子が、流体化および測定を兼ねる装置で、流体化、測定されることからなる。しかし、変動する炉の圧力のため、この解決方法は、注入圧力が炉の圧力に加えられる方法による速い動作制御ループを必要とする。特に、単純な解決方法は気密性のあるベイ・ホイール・ロック(bay wheel lock ロータリーフィーダの一種)の使用にある。

より有利な発明の具体例は、従属請求項に記載の特徴から明らかになるであろう。その引照をもって記載を略すが、必要に応じ参照されたい。

本発明は、添付図面に示す具体例によって、詳細に説明される。
図１に、炉床、円周のまわりに均等に配置された複数のノズルまたは羽口２０（図３参照）、および熱風炉４で加熱された炉風３が供給されるバッフルパイプ２からなる下部を有する従来構造の高炉１を示す。炉風３は酸素３ａ（酸素）に富まされる。明解にするため、羽口２０のみを示す。

羽口２０の幾つかあるいは全てには、追加の燃料を注入するための手段として、１つあるいはそれ以上のランス１８が準備される。これは、粉状に砕いた石炭または油の高炉で知られており、これにより高炉１の高効率化およびコークスの節約が達成された。羽口組み立ての通常の羽口２０の数は、たとえば３２であり、それぞれの羽口の直径は、例えば１４０ｍｍである。粉状に砕いた石炭または油の供給は、通常、典型的な直径が、１２または８ｍｍの２つのランスで行なわれる。本具体例では、全ての羽口２０が、流動性プラスティック供給用に単に１つのランス１８を有し、その直径は２８ｍｍである。

羽口組み立てにおいて、全てのランス１８にプラスティックが供給されるか、あるいは羽口２０の混合供給が用いられる、即ち、いくつかの羽口は、例えば油用の２つのランスを持ち、他の羽口２０は、プラスティック供給用の１つのランス１８を備える。しかし、プラスティック用ランス１８および油用のランスの分布は、互いに羽口組み立ての円周の回りに均等であることが有用である。

本具体例で、プラスティックのプロセスが以下のように行なわれる。
プラスティック・プロセッシング・プラント６からサイロ７に、大きい比表面積を有する、粒径が１から１０ｍｍ、好ましくは５ｍｍの特定塊形状に粉砕・形成されたプラスティックが供給される。結果的に、バルク密度が０．３５より大きい特定塊形状のプラスティックの使用が良いことが分かった。この目的のために適したプラスティックは、マグ型包装容器または似た物品であり、例えばプラスティック箔は、粉砕した時、バルク密度が小さいため、注入前または注入中に十分な注入を可能にするために特別な方法が必要とされる。

図１に、プラスティック特定塊形状粒が目の粗いふるい１４を通して導入される注入容器８を示し、パイプ１２および１３を通ったブロア１１による流動性ガスの注入により流体化される。体積約３ｍ^３の注入器にとって、約２−２５ｍ^３／１時間の流動性ガスが必要となる。流動性プラスティックは最終的には分離した測定装置９、例えばスクリューにより測定する機械的装置またはセル状の輪（セルホイール）によって測定する装置により測定され、羽口組み立ての対応するランス１８に、パイプ１０を通して均一に供給される。プラスティック粒子の輸送は、流動性蒸気中の輸送によって行なわれる。即ち、例えば、１ｋｇの流動性ガスに対し、５から３０ｋｇのプラスティック比のような高い割合で輸送される。本具体例では、プラスティック特定塊形状粒の粒径が１から１０ｍｍであり、爆発の危険性が無いため、圧縮空気が流動性ガスとして用いられる。

プラスティックの注入量は、広い範囲で（例えば銑鉄１ｔあたり、プラスティック３０から１５０ｋｇ）変化させてよい。また油に比べて、同様の良いガス化を行うためには、１．５倍以上の量のプラスティックの注入が必要なことが見出だされた。もしプラスティックの注入量が７０ｋｇ／ｔ銑鉄より多い場合、良好なガス化を確実にするためには、既に述べたような酸素が炉風に加えられる。７０ｋｇ／ｔ銑鉄の値より多い銑鉄１ｔ当たりのプラスティックの毎ｋｇごとに、炉風は０．０５−０．１％の酸素、好ましくは０．０８％の酸素を富むのがよい。良好なガス化のためには、ホット・ブラスト・ストーブ４からの混合炉風温度は１１００℃より高い温度である。ランス１８での注入圧力は好ましくは、高炉１中の圧力より高い０．５×１０^５から１０^５×Ｐａである。

粉状の石炭や油と異なって、プラスティックはより高温で溶けるため、注入ランス１８を離れる前に、高炉からの後方熱輻射により焼結される危険がある。この理由から、漂ったプラスティック粒子を有するガスの流速は、溶融または初期の溶融を避け、それにより後方熱輻射によるランス１８中での焼結を避けるために、ランス１８の断面積に比べて十分高くなければならない。流速とランス１８の断面積の適当な関係は、２００００から４００００ ｌ／（ｓｅｃ．ｍ）、好ましくは２５０００ ｌ／（ｓｅｃ．ｍ）の領域である。もし、この値が低すぎれば、焼結の危険性があり、もし高すぎればランス１８の過剰に早い摩耗を生じる。さらに、すべての輸送パイプ、特にランス１８の接合１８ａの領域においては、輸送路の不連続や折れ曲がりを避けなければならず、１ｍより小さいカーブの半径も避けなければならない。

図１による配置において、測定は、分離した（独立の）測定装置９で行なわれる。他の解決方法を図２に示すが、流体化および測定が１つの操作で行なわれるように構成することができる。本目的のために、注入器の底部に測定装置として働くボールバルブ１９が配置されている。良好なセッティングは、圧力と流動性ガスの調整により行なわれる。しかし、本解決方法は、高炉１の内部の様々な圧力に従って、注入器８の上部パイプ１３への圧縮空気の供給の正確かつ迅速な調整が必要となる。それゆえに、この目的のために、高炉１の適当な位置に圧力センサを置き、パイプ１３のバルブが正確な測定を得るために、コントロール・ループ１７により、素速く再調整する。

プラスティック粒子の流体化および測定は、気密性のベイ・ホイール・ロックによっても得ることができる。この場合、注入器８は省略される。
［発明の効果］

本発明の基本構成（請求項１）により機械的・熱的ストレスの組み合わせにより割れ目（複数）が入った状態に形成されることによって大きな比表面積に形成された特定塊形状のプラスティックを流動化した状態で炉風の流れに注入してすることにより、羽口で短時間に容易にガス化でき、爆発の危険性もなく金属を鉱石から製造するプロセスに用いる還元性ガス形成剤を許容できる費用で実現したものであり、プラスティック廃棄物を有効利用することに大いに資するものである。
各従属請求項の特徴により、さらに好ましい形態と対応する利点が得られる。

適切な流体化プラスティック供給用装置および適切な加熱した炉風供給用装置を含む高炉の模式図である。 他の具体例である。 流体化プラスティックを羽口または高炉のノズルの中へ注入するための羽口、ランスの配置を示す。

符号の説明

１ 高炉、８ 注入器、１８ ランス、１９ ボールバルブ（流動化及び計量装置）、２０ 羽口

Claims (1)

1. 金属酸化物を含む鉱石を、炭素および／または水素（あるいはさらにこれらの化合物）を含む還元性ガスと接触させて反応させる、金属の製造プロセスにおいて、流動化した状態で、冶金学的竪型炉の炉風の流れに注入される還元性ガス形成剤であって、
   少なくとも箔状プラスティックを含むプラスティックが大きな比表面積の塊形状粒に形成され、その粒径が、殆ど１から１０ｍｍの領域にあり、該塊形状粒は、微細にグラインドされたプラスティック粒子がねばねばするよう熱的にグラインドされて、機械的・熱的ストレスの組み合わせにより割れ目（複数）が入った状態に形成されることによって大きな比表面積に形成されたものであること（但し単なる粉砕一次粒子を除く）を特徴とする金属製造用還元性ガス形成剤。
   

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