JP2013100582A - 製鉄用原料の改質方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製鉄用原料改質のための燃料コストを抑制することができると共にＣＯ_２の発生の抑制にも有効で、還元性の良好な高炉原料や焼結原料を安価に提供することができる技術を確立する。
【解決手段】酸化鉄含有製鉄用原料に対し、未処理コークス炉ガスを接触させることにより、そのコークス炉ガスのもつ顕熱を用いて該コークス炉ガス中に含まれる還元性ガス成分により、該製鉄用原料を予備還元して改質製鉄用原料とする方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鉱石や焼結鉱等の製鉄用原料の改質方法に関し、特に、高炉操業に当たって低還元材比操業や低ＣＯ_２操業を行なうときに有用な改質された製鉄用原料を得る方法についての提案である。

近年、鉄鋼業の分野では、地球温暖化対策などの観点から、低還元材比高炉操業や低ＣＯ_２高炉操業、あるいは低凝結材比焼結操業などが行なわれている。それは、鉄鋼業の場合、発生ＣＯ_２の約７割強が高炉や焼結機から排出されているという事情があり、とりわけ高炉におけるＣＯ_２排出量の削減は喫緊の課題となっている。

一般に、高炉におけるＣＯ_２排出量の削減は、その高炉で使用される還元材（コークスや微粉炭、重油、天然ガス等）使用量の削減によって実現できると考えられている。しかしながら、その還元材の使用量を削減しようとすると、原理的には送風量の低下をもたらし、ひていはガス顕熱量が減少して高炉上部における還元の遅れを招き、酸化鉄含有原料の粉化を増進させることが判っている。その他、還元材使用量の削減は、亜鉛化合物の析出による荷下がりの悪化等を招くだけでなく、炉頂温度が水蒸気の露点を下回るような場合において、水分の凝集を招くと同時に硫黄酸化物等の溶解を招いて、排ガス処理系設備の腐食を促進するといった問題も生じさせる。

こうした各種の問題を解決するため、従来、例えば特許文献１には、高炉炉頂部から排出される炉頂ガスの一部を、加熱した後にシャフト部から吹き込んで還流させるという、高炉炉頂ガス吹き込み方法を提案している。

また、特許文献２においては、ヘマタイト鉱石を予備還元してマグネタイト鉱石とし、これを塊成化して高炉原料として供する方法を開示している。この方法によれば、還元粉化しにくいマグネタイト鉱石の塊成鉱を用いることになるため、炉内の発生粉を抑制して安定した高炉操業が可能になるとしている。

特開２００８-２１４７３５０号公報 特開２０００-３３６４１０号公報

上記特許文献１が提案している「高炉炉頂ガス循環吹き込み方法」については、低酸素富化送風時の循環ガス量が小さいときには炉上部温度の回復を助けるものの、高酸素富化送風時においては循環ガス量が大幅に増加することになるため、排ガス処理設備や吹き込み設備が巨大化するという課題がある。また、この方法については、１００〜２００℃の循環ガスを５００℃以上にまで加熱するためのエネルギーが別途必要になる。即ち、重油やＬＮＧの燃焼による間接加熱法、あるいは循環ガスそのものに酸素を混合して燃焼させなければならないという課題がある。

要するに、この特許文献１に開示の方法は、第１に、重油やＬＮＧを使用することによるＣＯ_２発生量の増加やコストの上昇といった問題が生じる。第２に、高炉から発生するガスは、一般に、製鉄所内で燃料として使用されているが、高炉ガスのカロリー減少分のエネルギーを外部から供給する必要が生じ、却ってＣＯ_２の発生の増大やコスト上昇といった問題が発生する。

また、特許文献２に開示の方法については、上述したように、ヘマタイト鉱石を予備還元してマグネタイトの塊成鉱として高炉原料として供する方法であるが、予備還元や塊成化の手法については具体的に示されていない。とくに、予備還元炉を用いて、予備還元を実施する場合、外部から加熱・還元用のエネルギーを投入することが必須となり、やはりＣＯ_２発生量の増大やコストの上昇を招くといった問題が発生する。

そこで、本発明の目的は、製鉄用原料改質のための設備や燃料のコストを抑制することができると共に、ＣＯ_２の発生を抑制する上でも有効で、還元性の良好な高炉原料や焼結原料を安価に提供することができる技術を提案することにある。

本発明は、従来技術が抱えている上述した課題を解決すべく開発されたものである。即ち、上記課題を解決するために、本発明では、製鉄所内で副生するエネルギーを活用して、高炉原料のような製鉄用原料を改質することにした。例えば、このようにして得られる改質高炉原料を高炉操業時に使用することにより、高炉炉内上部における還元性を改善して還元粉化を根本的に解消することで、低還元材比の下においても安定した高炉操業を行なえるようにしたのである。

具体的には、高炉原料などを改質処理などを当たって、この処理を外部の一般的な燃料、例えばＬＮＧなどに頼るのではなく製鉄所内で副次的に発生する未精製コークス炉ガスを利用する点に特徴を有する方法である。即ち、本発明は、未処理コークス炉ガスの顕熱を利用して製鉄用原料の加熱を行なうと共にその未処理コークス炉ガス中の還元ガス成分によって原料を予備還元する方法である。

この点、上記未処理コークス炉ガスというのは一般に、それの顕熱や還元ガス成分が直接的に利用されることは少なく、一般には、未利用のままに放散されていることが多い。そこで、本発明では、このガスのもつ顕熱ならびに還元ガス成分を有効に利用することにより、外部からの加熱・還元用の燃料（エネルギー）の使用を節約しようとするものである。

このような着想の下に開発された本発明は、酸化鉄含有製鉄用原料に対し、未処理コークス炉ガスを接触させることにより、そのコークス炉ガスのもつ顕熱を用い、かつその未処理コークス炉ガス中に含まれる還元性ガス成分を用いることにより、該製鉄用原料を予備還元して改質製鉄用原料を得ることを特徴とする製鉄用原料の改質方法である。

また、上記本発明に係る改質方法において、
（１）前記改質製鉄用原料は、その表面に主にタール質、例えばタール由来の炭素材料が被覆されたものであること、
（２）前記未処理コークス炉ガスは、タールやコークス粉の冷却分離処理、アンモニアや軽油、ナフタリン、硫化水素、その他の不純物を除去する精製処理の前の段階の高温のガスであること、
（３）上記製鉄用原料と未処理コークス炉ガスとは、竪型移動式充填槽内において、槽出側のガス温が３００℃以上の温度となるように接触させること、
（４）上記製鉄用原料は、高炉原料または焼結原料であること、
がより具体的な課題解決手段となる。

上記のような構成を有する本発明によれば、特に、低還元材比高炉操業や低ＣＯ_２高炉操業を行なう場合において不可避に発生する、炉内ガスの低下による高炉炉内上部の低温化を防止することができる。従って、従来、上記低還元材比高炉操業などを行なうと、還元粉化（Ｆｅ_２Ｏ_３がＦｅ_３Ｏ_４に還元される際に進行する粉化）を起こす温度域（５００〜７００℃）が広がるという課題を、高価な新規エネルギーに頼ることなく、製鉄所内で発生（副生）するため安価に入手できる高温の未処理コークス炉ガスの利用によって、これを解消することができる。しかも、このとき、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）含有製鉄用原料（以下、「鉱石」の例で述べる）を同時に予備還元することができるから、高炉炉上部における前記還元粉化作用を効果的に防ぐことができるようになる。

また、本発明で使用する未処理コークス炉ガスは、このガス中の還元性ガスの主成分が主に水素であるため、上記予備還元時にＣＯ_２を殆んど発生することがなく、それ故に、従来、予備還元の段階までに発生していたＣＯ_２をほぼ全量削減することができ、環境にやさしい技術を提供できる。

また、本発明の改質方法によれば、未処理コークス炉ガス中に含まれるタール分が鉱石等の表面に析出してこれを被覆し、該鉱石表面に炭材（カーボン）の皮膜を形成することになる。その結果、製鉄用原料（酸化鉄：Ｆｅ_２Ｏ_３）と炭材とは高炉内での還元時に近接配置された状態となり、このことにより、高炉内での還元時に還元速度を向上させることができる。そのため、本発明方法に基づいて製造された製鉄用原料を高炉等の原料として使用した場合、還元性の大幅な改善が期待できる。

さらに、本発明によれば、製鉄用原料が焼結原料である場合には、この焼結原料の表面を覆うカーボンの皮膜が焼結機上で燃焼し、近接配置されている酸化鉄に直接、効率的に伝熱し、原料中に含まれる結晶水も事前に分離されるから、これらが相乗的に作用して粉コークス等の凝結材使用量の削減に大きく寄与する。

本発明の実施例で用いたカーボン被覆鉱石製造試験の試験方法を説明する図である。 本発明の一実施例を示す略線図である。 改質製鉄用原料の構造例を示す断面図である。

本発明は、従来、あまり有効に活用されて来なかったコークス炉から発生する高温のガス、即ちコークス炉ガス、特に未処理コークス炉ガス（冷却分離や精製の処理をしていない段階のコークス炉ガス）を、主にＦｅ_２Ｏ_３を含む鉄鉱石などの高炉原料や焼結原料などからなる製鉄用原料に一定時間（≧１ｈｒ）接触させることにより、コークス炉上昇管を経て排出されるコークス炉ガスのもつ顕熱（６００〜８００℃程度）を利用して、該製鉄用原料を予備還元すると同時に炭材を被覆形成する方法である。

コークス炉ガスは、一般に、コークス炉を出たあとに冷却されて、タール分が除去されると共に、アンモニアや軽油の回収、ナフタリンや硫化水素等の除去、ダスト、コークス粉等の微粒子、ＢＴＴ成分などの不純物が除去されて精製コークス炉ガスとなるのが普通である。この点、本発明で使用する未処理コークス炉ガスというのは、上述した冷却−精製工程を経たものではなく、コークス炉上昇管から発生した未処理のガス（生ガス）のことである。

一般に、精製したコークス炉ガスの場合、主成分として、水素を５０〜６０ｖｏｌ．％、その他、メタン（ＣＨ_４）：２７〜３３ｖｏｌ．％、ＣＯ：５〜８ｖｏｌ．％、Ｃ_２Ｈ_４：３〜５ｖｏｌ．％、Ｎ_２：２〜５ｖｏｌ．％、ＣＯ２：２〜３ｖｏｌ．％含む還元性のガスである。これは未精製のコークス炉ガスについても基本的には同じ成分組成および性質を具えていると云うことができる。

従って、このコークス炉ガスを上記製鉄用原料中のＦｅ_２Ｏ_３と接触させると、主に、該製鉄用原料はこのガス中の上記水素ガスによって還元され、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＦｅＯになる。即ち、該製鉄用原料（Ｆｅ_２Ｏ_３）は、コークス炉ガス中の還元性ガスの主成分である水素によって高速で還元され、Ｆｅ_３Ｏ_４もしくはＦｅＯ（改質製鉄用原料）になる。このようにして得られる改質製鉄用原料は、この段階において既に、還元粉化を起こして一部が粉化しているため、高炉内での還元粉化量を低減させることができる。なお、還元粉化によって発生する微粉については、これを篩により除去して焼結原料として利用できる他、一定の粒径（≧５ｍｍ）以上のものは、改質製鉄用原料として高炉で使用する。

本発明において使用する鉱石類などの製鉄用原料とは、各種鉄鉱石類や焼結鉱、ペレットなどを対象としているが、Ｆｅ_２Ｏ_３を主成分とするものを出発原料として使用することが望ましい。それは、予備還元の作用効果が顕れやすいからである。

かかる鉱石類と未処理コークス炉ガスとを接触させる方法としては、コークス炉上昇管からコークス炉ガスの一部を分岐させて取り出し、これを製鉄用原料を充填した図１に示すような竪型移動式充填槽、もしくは鉱石粉を担体とした流動層を用いることができる。ただし、鉱石粉の粒径が大きい場合（＞５ｍｍ）、流動層では鉱石粉を流動させるために大きなガス流量が必要となるため、この場合は、前者の移動式充填槽の方がより好適である。

上記移動式充填槽の場合、還元反応をより高速に起こさせるためには高温にすることが必要になる。例えば、該充填槽内に充填される鉱石等の温度は５００℃以上、より好ましくは８００℃以上の温度となるようにコークス炉ガス供給量を調整することが望ましい。この点について、槽内への充填物（鉱石）の温度を高温に保持するためには、ガス通過方向における鉱石充填層の厚みを、小さくする方が有利であり、例えば、直交流接触式移動槽（「移動層工学 実際と基礎」北海道大学図書刊行会）などの利用が好ましい。

また、上記移動式充填槽を用いて本発明の改質製鉄原料を製造する場合、未精製コークス炉ガス中に含まれる液化タールによる該充填槽、とくにその通気スリットならびにその付帯設備の閉塞を防止するために、槽出側ガス温度が３００℃以上を維持できるようにすることが望ましい。ただし、排出される鉱石類表面にはカーボンが付着しており、空気と接触すると着火の危険性があるので、槽の出側では酸素を遮断した雰囲気下において、２００℃以下の温度にまで冷却することが望ましい。

このようにして製造された改質製鉄用原料である予備還元鉱石類は、篩により微粉（−５ｍｍ）を除去し、その後、通常の高炉原料と同じようにして高炉内等に装入して使用することができる。なお、上記の篩分け処理時に発生した微粉については、焼結工程における焼結原料として用いることができ、微粉表面に付着した炭素、もしくは充填槽で鉱石等の表面に付着したタール由来物質、コークス粉等の炭素材料は、粉鉱石を焼結させるときの熱源（凝結材）として機能する。

このようにして得られた高炉原料等の改質製鉄用原料は、図３に示すように、各原料粒子表面（Ｍ）もしくは、特に粒子が細かい場合などでは複数個まとまった状態で、それぞれが炭素材料（以下、「炭材」という）によって個別の粒子毎に（ａ）または擬似粒子（ｂ）を囲むように被覆されたものとなる。なお、図中のｐは閉気孔を示す。

このような未処理コークス炉ガス由来の炭材が被覆された粒子、即ち、改質製鉄用原料は、その炭材が酸化鉄含有製鉄用原料等の表面に直に（被覆）配置された近接状態になる。このように炭材と酸化鉄含有製鉄用原料とが近接配置されたものでは、還元反応が速くかつ少ないエネルギーで行なわれる。即ち、酸化鉄と炭材とが近接（被覆）していると、酸化鉄側では、Ｆｅ_２Ｏ_３とＣＯとが反応して、ＦｅとＣＯ_２となる発熱性還元反応が起き、一方、炭材側ではＣＯ_２とＣとが吸熱性のブドワール反応（ガス化反応）が起きるが、酸化鉄と炭材とが近接していると、これらの反応、即ち発熱反応である還元反応と吸熱反応であるガス化反応とが速い速度で繰り返される結果、製鉄化効率が上昇すると共に、外部からの熱エネルギーの供給量も少なくてすむようになる。

図１は、本発明に係る製鉄用原料の改質方法を製鉄所で適用する例を説明する略線図である。この適用例では、製鉄所のコークス炉１の上昇管１ａから発生する高温（６００〜８００℃）の未処理コークス炉ガス２を、酸化鉄含有高炉原料３を充填した移動式充填槽４の側壁部から槽内に導入する。上記高温の未処理コークス炉ガスは、充填槽４本体の側部を囲むガス室４ａから槽内に連通する通気スリット５を通って高炉原料充填層内を通過し、このとき、該コークス炉ガス２の有する顕熱により酸化鉄含有高炉原料３を加熱すると同時に、コークス炉ガス中の還元性ガス（主に水素）が酸化鉄含有高炉原料３を還元する。

所定の時間（２〜５ｈｒ）加熱−還元処理された原料３は、予備還元（Ｆｅ_２Ｏ_３→Ｆｅ_２Ｏ_４、ＦｅＯ）されて、還元率：約３０％程度となるものの、同時に予め還元粉化されて微粉が発生する。そこでこの微粉を篩６で除去し、その後、高炉原料７として高炉に、また、微粉８については焼結原料として焼結機で使用する。

本発明における効果を検証するため、実験用電気乾留装置を用いて以下の実験を行った。なお、この実験では、乾留缶に、製鉄所のコークス炉と同等の条件で配合した石炭約１７ｋｇを装入し、その乾留缶の上部に配置した通気容器中に、製鉄用原料鉱石として６．３ｍｍの篩で微粉を除去した焼結鉱を１５ｋｇ装入し、これを１０５０℃−６時間の条件で乾留処理することにより、該焼結鉱に対して石炭乾留ガスを継続的に接触させ、炭素分を析出させた。そして、乾留終了後は、窒素雰囲気中で１００℃以下になるまで冷却し、炭素被覆焼結鉱を得た。

なお、上記実験用電気乾留装置は、図２に示すように、所定重量の石炭２２を装入できる乾留缶２１内の上部に、金網で作成した籠形の通気容器２３を嵌め入れ、その通気容器２３中に所定重量の鉱石類を充填して鉱石層２４を形成したものである。そして、この装置を、図示を省略した電気式加熱炉内で保持して乾留処理すると、石炭２２から乾留ガス（未処理コークス炉ガス相当）が発生し、このガスが鉱石層２４の中を通過する際に、該乾留ガス中のタール分が炭素として析出することにより、鉱石類の表面に付着して炭素皮膜が形成されるようになる。

ところで、実験後に得られた乾留処理後の焼結鉱（試料）を分析したところ、表１に示すように、本発明方法に適合する実施例については、還元率が約２２％であり、Ｆｅ_２Ｏ_３はほぼ全量Ｆｅ_３Ｏ_４もしくはＦｅＯに還元されていた。しかし、比較例（未処理コークス炉ガス：乾留ガスを用いない例）では全く予備還元が進んでおらず、還元率は０％のままであった。

また、試験後の試料を篩分けし、微粉を除去した後に還元粉化試験を行ったところ、本発明適合例である実施例は、還元粉化指数（ＲＤＩ）が２８％と大幅に改善されており、これは比較例の３８％に比べると大きな差になっていることが確認でき、本発明の効果が確かめられた。

本発明の改質方法に係る技術は、高炉原料や焼結原料だけでなく、回転炉炉床炉用原料やキュポラ形竪型還元炉、その他の溶解炉用の原料のための改質方法としても有用である。

１ コークス炉
１ａ コークス炉の上昇管
２ コークス炉ガス（未処理）
３ 酸化鉄含有高炉原料
４ 移動式充填槽
５ 通気スリット
６ 篩
７ 高炉原料
８ 微粉炭
９ コークス炉ガス（装置通過後）
２１ 乾留缶
２２ 石炭
２３ 通気容器
２４ 鉱石層

Claims (5)

1. 酸化鉄含有製鉄用原料に対し、未処理コークス炉ガスを接触させることにより、そのコークス炉ガスのもつ顕熱を用い、かつその未処理コークス炉ガス中に含まれる還元性ガス成分を用いることにより、該製鉄用原料を予備還元して改質製鉄用原料を得ることを特徴とする製鉄用原料の改質方法。
2. 前記改質製鉄用原料は、その表面に主にタール質の炭素材料が被覆されたものであることを特徴とする請求項１に記載の製鉄用原料の改質方法。
3. 前記未処理コークス炉ガスは、タールやコークス粉の冷却分離処理、アンモニアや軽油、ナフタリン、硫化水素、その他の不純物を除去する精製処理の前の段階の高温のガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の製鉄用原料の改質方法。
4. 上記製鉄用原料と未処理コークス炉ガスとは、竪型移動式充填槽内において、槽出側のガス温が３００℃以上の温度となるように接触させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の製鉄用原料の改質方法。
5. 上記製鉄用原料は、高炉原料または焼結原料であること特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の製鉄用原料の改質方法。

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