JP2009521604A - 溶鉄製造装置 - Google Patents

Abstract

本発明による溶鉄製造装置は、ｉ）鉄鉱石を還元及び焼成して還元体に変換する１つ以上の流動還元炉、ｉｉ）還元体が装入され、内部に酸素を取り込んで溶鉄を製造する溶融ガス化炉、及びｉｉｉ）溶融ガス化炉から排出される還元ガスを流動還元炉に供給する還元ガス供給管を含み、流動還元炉は、流動還元炉の内部にガスを吹き込んで、停滞層を除去するガス吹き込み装置を含む。

Description

本発明は、粉鉱を利用した溶融還元製鉄工程において、粉鉱が流動還元炉の下部と内壁の間に積もって停滞層を形成することによってガスの流れを妨害して反応効率を低下させる現象を抑制する、溶鉄製造装置に関する。

鉄鋼産業は、自動車、造船、家電、建設などの産業全体に基礎素材を供給する核心基幹産業であって、人類の発展と共に歩んできた最も歴史の古い産業の１つである。鉄鋼産業の中枢的な役割を担う製鉄所では、原料として鉄鉱石及び石炭を利用して溶融状態の銑鉄である溶鉄を製造した後、これから鋼鉄を製造して、各需要先に供給している。

現在、全世界の鉄生産量の６０％程度が１４世紀に開発された高炉法によって生産されている。高炉法は、焼結過程を経た鉄鉱石及び有煙炭を原料として製造されたコークスなどを高炉に共に入れて、酸素を吹き込んで鉄鉱石を鉄に還元して、溶鉄を製造する方法である。

溶鉄生産設備の大半をなしている高炉法は、その反応特性上、一定水準以上の強度を有し、炉内の通気性確保を保証することができる粒度を有した原料を要求するので、前記のように、燃料及び還元剤として使用する炭素源としては特定の原料炭を加工処理したコークスに依存し、鉄源としては一連の塊状化工程を経た焼結鉱に主に依存している。

それによって、現在の高炉法では、コークス製造設備及び焼結設備などの原料予備処理設備が必要であるので、高炉以外の付帯設備を構築する必要があるだけでなく、付帯設備で発生する諸般の環境汚染物質に対する環境汚染防止設備を設置する必要があるので、投資費用が多大で、製造原価が急激に上昇する問題点がある。

このような高炉法の問題点を解決するために、世界各国の製鉄所では、燃料及び還元剤として一般炭を直接使用し、鉄源として全世界の鉱石生産量の８０％以上を占める粉鉱を直接使用して、溶鉄を製造する溶融還元製鉄法の開発に多くの努力を注いでいる。

溶融還元製鉄法は、予備還元及び最終還元からなる２段階還元法が主流である。従来の溶鉄製造装置は、気泡流動層が形成される流動還元炉、及びこれに連結されて石炭充填層が形成される溶融ガス化炉からなる。常温の粉鉱及び副原料は、流動還元炉に装入されて予備還元される。

流動還元炉には、溶融ガス化炉から高温の還元ガスが供給されるので、常温の粉鉱及び副原料が高温の還元ガスと接触して昇温する。これと同時に、常温の粉鉱及び副原料は、９０％以上還元され、３０％以上焼成されて、溶融ガス化炉内に装入される。

一方、流動還元工程で流動還元炉内に装入された粉鉱は、溶融ガス化炉から供給される還元ガスによって上昇及び下降する工程を経る。各粒子の大きさや密度などの特性によって一定の高さまで上昇し、大半はガスの流れが殆どない流動還元炉の内壁に沿って再び下降するようになる。

ここで、操業上の急激なガス流変動などの多様な理由によって反応器の周辺流の形成が円滑でない場合、下降した粉鉱が再び上昇することができずに流動還元炉の下部及び内壁の間に積もって層を形成する。

前記のように、流動還元炉の下部及び内壁の間に形成された層を停滞層という。特に、不安定な操業が続いたり、またはガス流変動の衝撃が非常に大きかったりする場合には、停滞層を形成する粉鉱が再び上昇することができずに流動還元炉の内部で粉鉱及びガスの流れを妨害するようになる。

前記のように停滞層によって形成された粉鉱及びガスの非正常的な流れは、停滞層をより成長させる。停滞層の成長は粉鉱及びガスの流れをさらに妨害し、悪循環の原因となるため、流動還元炉の正常的な機能を大きく悪化させる。

本発明は、粉鉱の流動還元工程で、非正常的な停滞層の形成を抑制することができる溶鉄製造装置を提供する。

本発明の一実施例による溶鉄製造装置は、ｉ）鉄鉱石を還元及び焼成して還元体に変換する１つ以上の流動還元炉、ｉｉ）還元体を装入して、内部に酸素を吹き込んで溶鉄を製造する溶融ガス化炉、及びｉｉｉ）溶融ガス化炉から排出する還元ガスを流動還元炉に供給する還元ガス供給管を含む。流動還元炉は、流動還元炉の内部にガスを吹き込んで、停滞層を除去するガス吹き込み装置を含む。

この時、ガス吹き込み装置は、ガスを互いに異なる２つ以上の方向に吹き込むことができる。

また、ガス吹き込み装置は、ｉ）ガスを流動還元炉の内部に供給するガス供給管、及びｉｉ）ガス供給管に連結されて、互いに異なる方向にガスを吹き込む、分配ノズルを含む。

また、ガス吹き込み装置は、ｉ）ガス供給管と垂直に形成される第１分配ノズル、ｉｉ）ガス供給管及び第１分配ノズルと垂直に形成される第２分配ノズル及びガス供給管、及びｉｉｉ）第２分配ノズルと垂直に形成される第３分配ノズルを含む。

また、ガス吹き込み装置は、ガス供給管から流動還元炉の下部方向に傾いて形成される下方分配ノズルを含む。

また、流動還元炉は、その下部に還元ガスが通過して分散される分散板を含み、ガス吹き込み装置は、分散板の上部に設置される。

また、複数のガス吹き込み装置は、予め設定された距離で離隔して流動還元炉を囲んで配列される。

また、流動還元炉は、ｉ）流動還元炉の一面に備えられた、粉鉱が装入される粉鉱装入口、及びｉｉ）他の面に備えられた、粉鉱が排出される粉鉱排出口を含む。ガス吹き込み装置は、ｉ）分散板の上部に配置されて、流動還元炉の下部に形成される停滞層を除去する複数の第１ガス吹き込み装置、ｉｉ）第１ガス吹き込み装置より上部に配置され、粉鉱装入口の下部に配置されて、粉鉱の装入を円滑にする複数の第２ガス吹き込み装置、及びｉｉｉ）第２ガス吹き込み装置より上部に配置され、粉鉱排出口の下部に配置されて、粉鉱を分散させる複数の第３ガス吹き込み装置を含む。

また、流動還元炉は、その内部で粉鉱を捕集するための１つ以上のサイクロンをさらに含み、第３ガス吹き込み装置は、サイクロンの下端部の高さと実質的に同じ高さに設置される。

また、ガスは、窒素、還元ガス、及び溶鉄製造装置で生成された副生ガスからなる群より１つ以上のガスを含む。

本発明の一実施例による溶鉄製造装置では、粉鉱を利用した流動還元工程で、流動還元炉に停滞層が形成されるのが抑制されて、粉鉱及びガスの流れを均一に維持することができる。

また、粉鉱を流動還元炉に円滑に装入することができ、サイクロンから排出される粉鉱を効果的に分散させることができる。

本発明の態様を、図１〜５を参照して以下に説明する。このような実施例は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されることはない。

図１は本発明の実施例による溶鉄製造装置１００の概略図である。図１に示した溶鉄製造装置１００の構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されることはない。したがって、これを他の構造に変形することもでき、その他の装置を含むこともできる。

図１に示したように、溶鉄製造装置１００は、大別して還元炉である流動還元炉１０、溶融ガス化炉３０、及び還元ガス供給管４０を含む。

また、溶鉄製造装置１００は、流動還元炉１０と溶融ガス化炉３０の間に連結された塊成体製造装置５０、高温均配圧装置６０、及び保管槽６１をさらに含むことができる。それ以外にも、溶鉄製造装置１００は、溶鉄製造に必要なその他の装置をさらに含むことができる。

流動還元炉１０は、その内部に流動層が形成され、流動層の粉鉱などを還元して還元体に変換するように順次に連結されている。各流動還元炉１０は、溶融ガス化炉３０の石炭充填層から排出された還元ガスを、還元ガス供給管４０を通じて供給される。流動還元炉１０は、還元ガスが流入して流れるようにし、鉄鉱石を通過させて還元体に変換する。

一方、複数の流動還元炉備えられる。図１では、一例として予熱還元炉１０ａ、第１予備還元炉１０ｂ、第２予備還元炉１０ｃ、及び最終還元炉１０ｄを含む。

塊成体製造装置５０は、溶融ガス化炉３０内での通気性の確保のために還元体を塊成化する。塊成体製造装置５０は、装入ホッパー（ｈｏｐｐｅｒ）５２、一対のロール５４、破砕機５６、そして還元体保管槽５８を含む。それ以外にも、塊成体製造装置５０は、必要に応じてその他の装置を含むことができる。

装入ホッパー５２は、鉄含有混合体を還元した還元体を保管する。一対のロール５４は、還元体をプレスして、塊成化された還元体に製造する。破砕機５６は、塊成化された還元体を適当な大きさに破砕する。還元体保管槽５８は、破砕した還元体を一時的に保管する。

高温均配圧装置６０は、塊成体製造装置５０及び溶融ガス化炉３０の間に位置する。高温均配圧装置６０は、圧力調節のために、溶融ガス化炉３０の上部に設置される。溶融ガス化炉３０の内部は高圧であるので、高温均配圧装置６０が圧力を均一に調節して、破砕された還元体を溶融ガス化炉３０に容易に装入されるようにする。保管槽６１は、還元体を一時的に保管する。

溶融ガス化炉３０には、塊状炭材、例えば塊炭または微粉炭を成型した成型炭を供給して、石炭充填層を形成する。溶融ガス化炉３０に投入された塊状炭材は、石炭充填層の上部での熱分解反応と下部での酸素による燃焼反応によってガス化される。ガス化反応によって溶融ガス化炉３０で発生する高温還元ガスは、最終還元炉１０ｄの後端に連結されている還元ガス供給管４０を通じて流動還元炉１０に順次に供給されて、還元剤及び流動化ガスとして利用される。

本発明の一実施例による溶鉄製造装置１００の流動還元炉１０について、以下でより詳細に説明する。図２は図１の流動還元炉１０を拡大して示した断面図である。

図２に示したように、流動還元炉１０の一面には、これと隣接する流動還元炉（図示せず）の粉鉱排出口（図示せず）と連結される粉鉱装入口１２が形成され、これによって粉鉱が装入される。

また、流動還元炉１０の他の一面には、隣接する他の流動還元炉（図示せず）の粉鉱装入口（図示せず）と連結される粉鉱排出口１４が形成され、粉鉱を他の流動還元炉１０に装入させるようにする。

また、流動還元炉１０の内側下部には、分散板１６が形成され、流動還元炉１０の内部でガス及び粉鉱の均一な流れを形成するようにする。

一方、前記分散板１６の上部には、複数のガス吹き込み装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃが形成される。

本発明の一実施例で、前記ガス吹き込み装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、流動還元炉１０の下部、つまり分散板１６のすぐ上に配置される第１ガス吹き込み装置１８ａ、粉鉱装入口１２の周辺、一例として粉鉱装入口１２のすぐ下に配置される第２ガス吹き込み装置１８ｂ、及び粉鉱排出口１４の周辺、一例として粉鉱排出口１４のすぐ下に配置される第３ガス吹き込み装置１８ｃを含む。

このようなガス吹き込み装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、粉鉱の下降流が集中する領域ではその間隔を狭くし、粉鉱の下降流が弱い領域ではその間隔を広くして、設置することができる。

図２の拡大円は、各ガス吹き込み装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃが流動還元炉１０を囲むように配置された形態を、上から見渡した形態で示した図面である。図２の拡大円に示したように、第１ガス吹き込み装置１８ａは、分散板１６の上部に予め設定された距離で離隔して流動還元炉１０を囲んで配置される。流動還元炉１０には、１２個の第１ガス吹き込み装置１８ａが図２に点線で示された高さに備えられる。

第１ガス吹き込み装置１８ａは、流動還元炉１０の停滞層が最も頻繁に形成される高さに配置され、形成された停滞層を除去して、停滞層が再度形成されるのを防止する。

また、第２ガス吹き込み装置１８ｂは、粉鉱装入口１２の下部に互いに一定の間隔をおいて流動還元炉１０を囲んで配置される。本実施例の流動還元炉１０には、３つの第２ガス吹き込み装置１８ｂが図２に点線で示された高さに備えられる。第２ガス吹き込み装置１８ｂは、粉鉱装入口１２付近で流動還元炉１０の内部にガスを吹き込んで、粉鉱の装入を円滑にする。

また、第３ガス吹き込み装置１８ｃは、粉鉱排出口１４の下部に互いに一定の間隔をおいて流動還元炉１０を囲んで配置される。本発明の実施例による流動還元炉１０には、４つの第２ガス吹き込み装置１８ｂが図２に点線で示された高さに備えられる。第３ガス吹き込み装置１８ｃは、流動還元炉１０に設置されるサイクロン１９の下端部と実質的に同一な高さに配置されて、サイクロンから排出される粉鉱をより円滑に分散させる。つまり、第３ガス吹き込み装置１８ｃは、サイクロン１９の下端部と同一な高さ、またはこれに近い高さに配置される。一方、このようなガス吹き込み装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃの配列方法及び個数は、本実施例に限定されず、多様な条件によってこれを異ならせて使用することもできる。

以下では、前記ガス吹き込み装置１８ａ、１８ｂ、１８ｃの形状を、図面を参照してより詳細に説明する。図３及び図４は、各々本発明の第１変形例及び第２変形例によるガス吹き込み装置を示した図面である。

このようなガス吹き込み装置の構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明はこれに限定されることがない。また、ノズルを除いたガス吹き込み装置の詳細な構造は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に導き出すことができるので、ここではその詳細な説明は省略する。

図３及び図４に示したように、本実施例のガス吹き込み装置は、２つ以上の異なる方向にガスを吹き込むように構成できる。したがって、各方向に吹き込まれるガスによって流動還元炉１０の下部で停滞層がより効果的に除去されて、粉鉱装入炉で粉鉱の装入がより円滑になって、粉鉱がより効果的に分散される。

より具体的には、図３に示したように、第１変形例によるガス吹き込み装置は、流動還元炉１０の外部からガスを供給するガス供給管１８０とガス供給管１８０から延長される第１分配ノズル１８２、第２分配ノズル１８４、及び第３吹き込みノズル１８６を含む。この場合、各分配ノズル１８２、１８４、１８６は、互いに垂直になるように形成されて、より広い領域にガスを吹き込むようになる。

一方、図４に示したように、第２変形例によるガス吹き込み装置は、ガス供給管１８０から下方に延長されて形成される下部ノズル１８８を含む。このように、下部ノズル１８８から下降する粉鉱に向かってガスを吹き込んで、粉鉱が流動還元炉１０の下部に積もって停滞層が形成されるのをより効果的に防止するようになる。

一方、このようなガス吹き込み装置は、窒素または流動還元工程で使用される還元ガスと溶鉄製造装置で生成された副生ガスなどを再活用して、これらのガスのうち１つ以上のガスを混合して使用することができる。

以下では、内部停滞層形成抑制効果を確認するための実験例について説明する。このような実験例は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明はこれに限定されない。

実験例
本実験例では、ガス吹き込み装置を総計２３個設置した。つまり、分散板の上部３５０ｍｍの高さに１６個、１１００ｍｍの高さに３個、１４００ｍｍの高さに４個を設置して、流動還元炉の操業中温度を測定した。一方、比較例では、ガス吹き込み装置を設置しない流動還元炉での温度を測定した。

図５には、前記実験例と比較例で測定した温度の変化を測定した結果を示した。図面を参照すれば、実験例による流動還元炉での温度は、操業が進められることによって一定の比率で温度が上昇し、一定の温度を維持し、操業が終了することによって一定の比率で温度が下降した。

反面、比較例の場合には、初期操業が進行する場合、実験例と同様に一定で温度が上昇した。しかし、一定の時間が経過した後、操業が終了する前に、実験例の温度より徐々に低くなって温度偏差が発生し、操業が終了した後には、温度が下降するが、一定の時間が経過した後で、実験例の流動還元炉より温度が高くなった。

つまり、ガス吹き込み装置を設置した実験例の場合、操業中に停滞層が形成されず、粉鉱及びガスの流れが均一に維持されて、各位置による温度偏差がほとんど発生しなかった。反面、比較例の場合、停滞層の形成によって粉鉱及びガスの流れが不均一になって、位置による温度偏差が発生し、停滞層の保温効果によって操業終了後に実験例より高い温度を示す。

このような結果から、流動還元炉に設置したガス吹き込み装置から吹き込まれるガスによって停滞層の形成が抑制されたことを確認することができる。

本発明を前記の記載によって説明したが、本発明は、特許請求の範囲の概念及び範囲を逸脱しない限り、多様な修正及び変形が可能であることが、本発明が属する技術分野の当業者には簡単に理解される。

本発明の実施例による溶鉄製造装置の概略図である。 本発明の実施例による流動還元炉の断面図である。 本発明の実施例によるガス吹き込み装置の部分斜視図である。 本発明の実施例によるガス吹き込み装置の部分斜視図である。 本発明の実験例と比較例による流動還元炉の操業中温度変化を示したグラフである。

符号の説明

１０ 流動還元炉
１２ 粉鉱装入口
１４ 粉鉱排出口
１６ 分散板
１８ ガス吹き込み装置
１００ 溶鉄製造装置
１８０ ガス供給管
１８２ 第１吹き込みノズル
１８４ 第２吹き込みノズル
１８６ 第３吹き込みノズル
１８８ 下部ノズル
１９ サイクロン
３０ 溶融ガス化炉
４０ 還元ガス供給管
５０ 塊成体製造装置
５２ 装入ホッパー
５４ 一対のロール
５６ 破砕機
５８ 還元体保管槽
６０ 高温均配圧装置
６１ 保管槽

Claims (10)

1. 鉄鉱石を還元及び焼成して還元体に変換する１つ以上の流動還元炉、
   前記還元体を装入して、内部に酸素を吹き込み溶鉄を製造する溶融ガス化炉、及び
   前記溶融ガス化炉から排出される還元ガスを前記流動還元炉に供給する還元ガス供給管、
   を含み、
   前記流動還元炉は、前記流動還元炉の内部にガスを吹き込んで、停滞層を除去するガス吹き込み装置、
   を含む、溶鉄製造装置。
2. 前記ガス吹き込み装置は、前記ガスを互いに異なる２つ以上の方向に吹き込む、請求項１に記載の溶鉄製造装置。
3. 前記ガス吹き込み装置は、
   前記ガスを前記流動還元炉の内部に供給するガス供給管、及び
   前記ガス供給管に連結されて、互いに異なる方向に前記ガスを吹き込む、複数の分配ノズル、
   を含む、請求項２に記載の溶鉄製造装置。
4. 前記ガス吹き込み装置は、
   前記ガス供給管と垂直に形成される第１分配ノズル、
   前記ガス供給管及び前記第１分配ノズルと垂直に形成される第２分配ノズル、及び
   前記ガス供給管及び前記第２分配ノズルと垂直に形成される第３分配ノズル、
   を含む、請求項３に記載の溶鉄製造装置。
5. 前記ガス吹き込み装置は、前記ガス供給管から前記流動還元炉の下部方向に傾いて形成される下方分配ノズルを含む、請求項３に記載の溶鉄製造装置。
6. 前記流動還元炉は、その下部に前記還元ガスが通過して分散される分散板を含み、前記ガス吹き込み装置は、前記分散板の上部に設置される、請求項１に記載の溶鉄製造装置。
7. 複数の前記ガス吹き込み装置が、予め設定された距離だけ離隔して前記流動還元炉を囲んで配列される、請求項６に記載の溶鉄製造装置。
8. 前記流動還元炉は、
   前記流動還元炉の一面に備えられた、前記粉鉱が装入される粉鉱装入口、及び
   他の一面に備えられた、前記粉鉱が排出される粉鉱排出口
   を含み、
   前記ガス吹き込み装置は、
   前記分散板の上部に配置されて、前記流動還元炉の下部に形成される前記停滞層を除去する複数の第１ガス吹き込み装置、
   前記第１ガス吹き込み装置より上部に配置され、前記粉鉱装入口の下部に配置されて、前記粉鉱の装入を円滑にする複数の第２ガス吹き込み装置、及び
   前記第２ガス吹き込み装置より上部に配置され、前記粉鉱排出口の下部に配置されて、前記粉鉱を分散させる複数の第３ガス吹き込み装置、
   を含む、請求項７に記載の溶鉄製造装置。
9. 前記流動還元炉は、その内部に前記粉鉱を捕集するための１つ以上のサイクロンをさらに含み、前記第３ガス吹き込み装置は、前記サイクロンの下端部の高さと実質的に同一な高さに設置される、請求項８に記載の溶鉄製造装置。
10. 前記ガスは、窒素、前記還元ガス、及び前記溶鉄製造装置で生成された副生ガスからなる群より１つ以上のガスを含む、請求項１に記載の溶鉄製造装置。

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