JP4234204B2 - 反応炉内へと微粒材料を選択投入するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、反応炉内へと微粒材料を選択投入するための装置であって、上方から材料供給手段が接続されかつ下部領域に流動化ガス供給用のガスダクトが接続されさらに微粒材料搬送用のオーバーフローチューブを備えた流動床用移送管を具備した装置に関するものである。本発明は、また、このタイプの装置を備えたプラントに関するものであり、さらには、この装置の操作方法に関するものである。
上記タイプの装置は、米国特許明細書第４，２７７，２０５号により公知である。この装置は、反応炉断面にわたって分散している複数の供給箇所に連接する複数のオーバーフローチューブを派生している中央部の流動床用移送管を特徴としている。中央部の流動床用移送管は、オーバーフローチューブとともに、反応炉内部において、反応炉内への微粒材料の一様な分散を行い得るよう回転可能に設けられている。反応炉内部の装置は、オーバーフローチューブを回転可能とすることが要求されるけれども、特に反応炉が高温での反応のために使用されていたり腐食性ガス流通を伴って使用されていたりする場合には、回転機構やシール部分の深刻な摩耗が引き起こされる。
公知の装置は、微粒材料を反応炉内へと供給するに際し、断面にわたって一様分散した状態で供給できるだけであって、特定の供給箇所や特定の供給領域へと供給することができない、という欠点を有している。
本発明の目的は、上記欠点や困難性を回避することであって、反応炉内へと微粒材料をスポット的に投入し得るような上記タイプの装置、および、この装置の操作方法を提供することである。特に、反応炉の様々な領域内における特定箇所へと徴粒材料を時間依存的に供給することが、可能とされていなければならない。しかしながら、この場合、装置は、摩耗の問題を避けるためにまた設置コストおよびメンテナンスコストを最小化するために堅固に固定された構成とされている。
本発明の他の目的は、特に銑鉄のような金属融液を製造するためのプラントに対して、微粒成分を少なくとも部分的に備えたとりわけ鉄鉱石のような鉱石とフラックスとからなる供給物質としての微粒状還元物を投入するための装置であって、還元物が、互いに３次元的に接続されていてそのため還元ガスの良好なアクセス性を確保し得るガス透過性の大きな複数領域を形成するような、装置を提供することである。
本発明においては、上記課題は、上記タイプの装置において、反応炉の外部に、互いに独立に駆動状態と非駆動状態を切り換えることができる複数の流動床用移送管を設け、これら通路のオーバーフローチューブを、反応炉の内部に突出させることで解決される。
好ましい実施形態は、装置が、流動床用移送管をなす中央部の流動床用移送管を具備し、この中央部の流動床用移送管からは、それぞれ対応する流動床用移送管に対して接続された少なくとも２つのオーバーフローチューブが派生し、流動床用移送管の各々が、容器によって形成され、容器に対しては、流動化ガス供給用のガスダクトが下部領域に対して接続され、また、容器からは、反応炉内へと連通する少なくとも１つのオーバーフローチューブが派生し、流動化ガスダクトの各々には、微粒材料を局所的に選択投入するために、バルブが設けられていることを特徴としている。
バルブにより、中央部の流動床用移送管の周囲に配置されている複数の流動床用移送管を、個別的にまたはいくつかのものを選択的に、駆動したり駆動解除したりすることができる。微粒材料は、まず最初に、中央部の流動床用移送管内に集積され、中央部の流動床用移送管に流動化ガスを供給することにより、他の流動床用移送管へと搬送される。ある流動床用移送管に対して流動化ガスが供給された場合には、この流動床用移送管から微粒材料を搬出することができ、微粒材料は、オーバーフローチューブを通って反応炉内へと流入することができる。流動化ガスの供給を交互的に行うことにより、材料の流れを変更することができ、したがって、反応炉内における供給箇所または供給領域を変更することができる。さらに、微粒材料は、ガス流量に応じて流入させることができる。よって、バルブは、流量制御バルブとして構成されることが好都合である。
選択投入は、少なくとも２つの、かつ、最大でも８個の、好ましくは３つまたは４つの、流動床用移送管を通して行われることが適切であることがわかっている。
ストランドの形態でオーバーフローチューブから反応炉内へと投入される微粒材料の拡散を防止するためには、オーバーフローチューブの、反応炉内へと開口している端部には、これら下端部から延在するガスジャケットを形成するよう、ガス供給手段が設けられていることが有利である。この場合、オーバーフローチューブは、環状ギャップキャビティを形成する二重ジャケットを備えていて、ガス供給手段が、環状ギャップキャビティ内に開口していることが適切である。
ガスジャケットの形成のためには、好ましくは、オーバーフローチューブの下端部には、環状ギャップ開口が設けられる、あるいは、環状ギャップキャビティを通るガス流の流出のための複数の開口が設けられる。
反応炉の横断面全体にわたっての微粒材料の供給を可能とするためには、流動床用移送管が、中央部の流動床用移送管から距離をもって、好ましくは径方向に対称な配置でもって、配置されることが適切である。
微粒成分を少なくとも部分的に備えたとりわけ鉄鉱石のような鉱石とフラックスとからなる供給物質を原料として、特に銑鉄のような金属融液を製造するためのプラントは、直列接続された少なくとも２つの流動床炉と、溶融ガス化器と、を具備してなり、鉱石は、ある流動床炉から他の流動床炉へと、搬送ダクトを通して一方向に搬送され、還元ガスは、ある流動床炉から他の流動床炉へと、還元ガス連結ダクトを通して、鉱石とは反対方向に搬送され、溶融ガス化器には、鉱石の流通の最後に配置された流動床炉からの還元物を導くための供給ダクトが、微粒材料の選択投人装置を介して接続され、また、溶融ガス化器に対しては、カーボンおよび酸素を供給するためのダクトが接続されているとともに、溶融ガス化器からは、鉱石の流通の最後に配置された流動床炉へと連通する還元ガス搬送ダクトが派生していることを特徴としている。
流動化ガスを供給するためのガスダクトは、有利には、還元ガス搬送ダクトから分岐している。
反応炉内において微粒材料から高度にガス透過性の流動床を形成するためには、好ましくは中央部の流動床用移送管の側方に配置されている複数の流動床用移送管を、交互に駆動する。
好ましい実施形態においては、複数の流動床用移送管の駆動を、反応炉内で起こっているプロセスの観測に基づいて行い、この観測を利用して、反応炉内における、微粒材料の供給位置または供給領域を決定し、その際、微粒材料は、複数の流動床用移送管の特定のスイッチングにより分散される。
以下、本発明を、添付図面に示された実施形態を参照して詳細に説明する。図１は、金属融液を製造するためのプラント全体の例を概略的に示す図であって、有利には本発明による装置が使用されている。図２は、図１の一部を拡大して示す図である。図３は、図２の平面図である。図４は、本発明のさらなる実施形態を拡大して示す図であって、オーバーフローチューブの端部が詳細に示されている。
図１に示すプラントは、直列接続された３つの流動床炉１〜３を備えている。この場合、少なくとも一部が微粒材料であるような、例えば微粒鉱石のような酸化鉄含有微粒材料が、第１流動床炉１へと供給される。第１流動床炉１においては、鉱石供給ダクト４を通して微粒鉱石を供給するとともに、微粒鉱石を予熱して可能であれば予還元を行うという予熱ステージ５が行われる。微粒鉱石は、引き続いて、流動床炉１から、流動床炉２へと、さらには流動床炉３へと、搬送ダクト６を通して搬送される。流動床炉２の内部においては、予還元ステージ７において予還元が行われ、流動床炉３の内部においては、最終還元ステージ８として、微粒鉱石からスポンジ状鉄への最終的な還元すなわち完全な還元が行われる。
還元された微粒還元材料、すなわちスポンジ状鉄は、搬送ダクト９を通して、とりわけ後述するような特定の態様で、溶融ガス化器１０へと供給される。溶融ガス化器１０の内部においては、流動床によって形成された溶融ガス化領域１１において、石炭のような炭素含有物と酸素含有ガスとから、ＣＯとＨ2とを含む還元ガスが生成される。この還元ガスは、微粒鉱石の流れ方向の最後に位置した流動床炉３に対しての還元ガス供給ダクトとして機能するガス供給ダクト１２を通して、流動床炉３内に供給される。
還元ガスは、径方向に対称配置されたいくつかのガス導出ソケットを通して、溶融ガス化器１０から抽出される。
還元ガスは、その後、微粒鉱石の流れに対向して、連結ダクト１３を通して、流動床炉３から流動床炉２へとさらには流動床炉１へと導かれる。そして、還元ガスは、頂部ガス（top gas）として、頂部ガス抽出ダクト１４を通して、流動床炉１から導出される。頂部ガスは、その後、湿式スクラバ１５において、冷却され洗浄される。
溶融ガス化器１０には、固体炭素含有物のための供給ダクト１６と、酸素含有ガスのための供給ダクト１７と、付加的に、室温で液体や気体であるような炭化水素といった炭素含有物のための、および、焼融剤のための供給ダクトと、が設けられている。溶融ガス化器１０の内部においては、溶融した銑鉄または溶融した鉄鋼入力材料と、溶融したスラグとが、溶融ガス化領域１１の下方に集まっており、取出口１８から流出する。
溶融ガス化器１０から出て流動床炉３へと入る還元ガス供給ダクト１２には、高温ガスサイクロンのようなダスト収集手段１９が設けられている。このサイクロン内で分離されたダスト粒子は、リターンダクト２０を通して、溶融ガス化器１０に供給される。ダスト粒子は、搬送手段としての窒素とともに、酸素吹付のなされているバーナー２１を通して、供給される。
還元ガスの温度は、好ましくはガス再循環ダクト２５を設けることにより、調節することができる。ガス再循環ダクト２５は、還元ガス供給ダクト１２から派生しており、還元ガスの一部を、スクラバ２６およびコンプレッサ２７を通して、高温ガスサイクロン１９よりも前の位置において、還元ガス供給ダクト１２へと戻している。
微粒鉱石の予熱温度を調節するために、予熱ステージ５に対しては、つまり、流動床炉１に対しては、空気または酸素といった酸素含有ガスが、ダクト２８を通して供給されている。これにより、予熱ステージ５に対して供給された反応済み還元ガスの、部分的な燃焼が起こる。
本発明においては、微粒スポンジ状鉄は、溶融ガス化器１０の頂部を閉塞しているドーム３０に設けられた、供給手段２９を通して供給される。この供給手段２９は、図２において拡大したスケールで示されている。
供給手段２９は、搬送ダクト９が上方から内部に連通した流動床用移送管をなす中央部の流動床用移送管３１を備えて構成されている。中央部の流動床用移送管３１の下部には、流動床用移送管を形成するためのガス透過性ボトム３２が設けられている。このボトム３２に対しては、流動化ガスが、ガスダクト３３を通して供給されている。ガスダクト３３は、ガス再循環ダクト２５から分岐したダクトである。
中央部の流動床用移送管３１からは、複数のオーバーフローチューブ３４が、この実施形態においては３つのオーバーフローチューブ３４が、ガス透過性ボトムから所定距離だけ離間したところから、派生している。これらオーバーフローチューブ３４は、溶融ガス化器１０の中央上方に配置された中央部の流動床用移送管３１から、対称に径方向に下方に向けて延在している。これらオーバーフローチューブ３４は、さらなる流動床用移送管３５に接続されている。このさらなる流動床用移送管３５は、容器３６によって形成されていて、中央部の流動床用移送管の場合と同様に、下部領域にガス透過性ボトム３２が設けられ、このボトム３２に対しては、流動化ガスを供給するガスダクト３３が接続されている。流動床用移送管３５には、上部領域から派生するオーバーフローダクト３７が設けられている。これらオーバーフローダクト３７は、径方向外方に向けて設置されていて、溶融ガス化器１０のドーム３０を貫通してドーム３０の内部へと突出している。
流動床用移送管３１，３５のいずれかに対して接続されているすべてのガスダクト３３には、バルブ３８が設けられている。これにより、透過性を制御することができて、流動床用移送管３１，３５のそれぞれを個別に駆動したり駆動停止したりすることによって、微粒状高温還元材料に対して当接する部材を機械的に駆動することなく、微粒状還元材料の供給または供給停止を行うことができる。様々な流動床用移送管３５を交互的に駆動することにより、すなわち、様々なオーバーフローチューブ３７から供給を行うことにより、すべてのオーバーフローチューブから連続的に材料供給を行う場合に比べて、より集中的な材料供給を行うことができる。その結果、オーバーフローチューブ３７から溶融ガス化器内に投入されるストランド３９がより高密度でありかつよりコンパクトであることのために、溶融ガス化器１０から搬出される還元ガス１２による、微粒材料の持ち去りを最小化することができる。
オーバーフローチューブ３７の交互的な駆動および駆動停止は、また、溶融ガス化器１０内における周縁部の温度分布の非一様性や、ガス流出口を通るガス流速の非一様性を打ち消すためにも使用することができる。この場合、均一分布の程度を高めるために、プロセスコンピュータによって、複数のオーバーフローチューブ３７のうちの特定のオーバーフローチューブを選択的に駆動するために、プロセスの観測が行われる。
オーバーフローチューブ３７の一次的な駆動および駆動停止は、また、溶融ガス化器１０内におけるレンズ（lenses）形状の微粒状直接還元材料からなる集合体の形成のために使用することもできる。これらレンズ状の集合体は、全面が、脱ガスした石炭粒子（木炭粒子）によって囲まれている、すなわち、付加的にはガス透過領域によって囲まれている。還元ガスは、このような微粒状直接還元材料からなるレンズ内を、全面から十分に拡散することができる。
さらに、流動床用移送管３１，３５と溶融ガス化器１０との間の圧力差を流動床用移送管３１，３５内において除去できることのために、流動床用移送管３１，３５を使用することにより、溶融ガス化器１０内が高圧力であっても、供給を行うことができる。さらに、溶融ガス化器内に供給されるべき材料は、流動化ガスの流速の制御によって、容易に供給することができる。
図４に示された実施形態においては、溶融ガス化器１０の内部へと突出している、オーバーフローチューブ３７の端部領域４０が、二重ジャケットチューブ４１として構成されている。二重ジャケットチューブ４１の外側ジャケット４２と内側ジャケット４３との間には、環状ギャップキャビティ４４が形成されている。このキャビティ４４のうちの、溶融ガス化器１０の外側に位置している端部４５には、冷却ガスのための円形供給ダクト４６が連結されている。冷却ガスとしては、詳細には図示していないものの好ましくはさらに１つのコンプレッサが設けられている分岐ダクト４７を通してガス再循環ダクト２５から分岐した冷却済みの還元ガスが使用される。二重ジャケットチューブ４１のうちの、溶融ガス化器１０の内部空間内へと突出している端部４８には、環状ギャップ開口４９であるか、あるいは、二重ジャケットチューブ４１の長さ方向中央軸５０に対して各々がほぼ平行な中央軸を有した互いに隣接配置された複数の穴であるか、のいずれかが設けられている。これら環状ギャップ開口４９または複数穴を通して、冷却ガスが、溶融ガス化器１０の内部空間内へと流入する。
二重ジャケットチューブ４１の中央内部空間５１からは、スポンジ状鉄が、二重ジャケットチューブ４１の下端部４８において自由落下するストランド３９を形成して投入される。二重ジャケットチューブ４１の下端部４８は、ドーム３０から鉛直方向に離間した箇所でありかつ還元ガスの流速がまだ最大値には至っていないような箇所に配置されている。ストランド３９は、二重ジャケットチューブ４１の下端部４８から流出して、この箇所においてガスジャケット５２を形成している冷却ガスによって取り囲まれており、これにより（横方向の）拡散が防止されている。よって、ガスジャケット５２は、二重ジャケットチューブ４１と同様に、スポンジ状鉄の自由落下に関して、少なくともある長さ部分にわたっては保護カバーを形成している。これにより、スポンジ状鉄をなす微粒子は、比較的高速でもって上方に流れている還元ガス流に乗って持ち去られてしまうことがない。
ガスジャケットの支持効果が弱まることによってストランド３９が拡散するような高さレベル５３においては、還元ガスの流速は、かなり小さい。そのため、微粒子の落下が妨げられることもなく、また、溶融ガス化領域１１をなす流動床内への降下が妨げられることもない。
二重ジャケットチューブからの噴出部分におけるつまり下端部４８における冷却ガスの速度は、還元ガスの最大速度の少なくとも１０倍であって、好ましくは、５０〜１００倍である。
これにより、ガスジャケットの壁を比較的薄く維持することができ、その結果、溶融ガス化器１０に対して戻ってしまう還元ガスの量が、比較的少ない。
冷却ガスを、二重ジャケットチューブ４１のキャビティ４４を通して流通させるとともに、二重ジャケットチューブ４１の下端開口４９から冷却ガスを噴出させることにより、二重ジャケットチューブ４１に対する機械的負荷に対して調節された冷却効果がもたらされる。
冷却ガスによる最大の冷却効果は、自重によって二重ジャケットチューブ４１にかかる機械的負荷が最大であるような領域において、つまり、二重ジャケットチューブ４１が溶融ガス化器１０のドーム３０を貫通している領域において、もたらされている。冷却ガスが二重ジャケットチューブ４１のキャビティ４４を通って前方へと流れることにより、冷却ガスの加熱が、結果的に起こることとなる。このため、冷却ガスの速度が速くなる。この理由によって、比較的短い二重ジャケットチューブ４１を設けるだけで十分である。これは、チューブ４１が短いということのために、流動床のごく近くの上方にまで突出するような非常に長い下向きパイプの場合と比較して、機械的負荷および熱的負荷が、長さが短くなった分だけ小さくなるからである。その結果、本発明による構造は、安定性が非常に高いという特長がある。
冷却効果によって、特殊なセラミクスをベースとした非常に高価な特殊材料や鉄をベースとした超合金を使用する必要がなくなる。それよりもむしろ、高温スチールを材質とした二重ジャケットチューブ４１を使用するだけで十分である。

Claims (12)

1. 溶融ガス化器（１０）内へ微粒材料を選択投入するための装置（２９）であるとともに、材料供給手段（９）が上方から接続されかつ流動化ガス供給用のガスダクト（３３）が下部領域に接続されさらに微粒材料搬送用のオーバーフローチューブ（３４）を備えた流動床用移送管（３１）を具備してなる装置（２９）であって、
   前記溶融ガス化器（１０）の外部に、互いに独立に駆動状態と非駆動状態とを切り換えることができる複数の流動床用移送管（３５）が設けられていて、該流動床用移送管（３５）のオーバーフローチューブ（３７）が、前記溶融ガス化器（１０）の内部に突出していることを特徴とする装置。
2. 前記装置（２９）が、前記流動床用移送管（３１）をなす中央部の流動床用移送管（３１）を具備し、
   該中央部の流動床用移送管（３１）からは、それぞれ対応する流動床用移送管（３５）に対して接続された少なくとも２つのオーバーフローチューブ（３４）が派生し、
   前記流動床用移送管（３５）の各々が、容器（３６）によって形成され、
   該容器（３６）に対しては、下部領域に流動化ガス供給用のガスダクト（３３）が接続され、また、前記容器（３６）からは、前記溶融ガス化器内へと連通する少なくとも１つのオーバーフローチューブ（３７）が派生し、
   前記流動化ガスダクトの各々には、前記微粒材料を局所的に選択投入するために、バルブ（３８）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 設けられている前記流動床向け通路（３５）は、２つ以上かつ８つ以下であることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記流動床用移送管（３５）は、３つまたは４つのものが設けられていることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記オーバーフローチューブのうちの、前記溶融ガス化器（１０）内へと開口している端部の各々には、これら下端部（４８）から延在するガスジャケット（５２）を形成するよう、ガス供給手段（４６，４７）が設けられている（図４）ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 前記オーバーフローチューブ（３７）が、環状ギャップキャビティ（４４）を形成する二重ジャケット（４２，４３）を備え、
   前記ガス供給手段（４６，４７）が、前記環状ギャップキャビティ（４４）内に開口していることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 前記オーバーフローチューブの前記下端部（４８）には、環状ギャップ開口（４９）が設けられている、あるいは、前記環状ギャップキャビティを通るガス流の流出のための複数の開口が設けられていることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記流動床用移送管（３５）は、前記中央部の流動床用移送管（３１）から距離をもって、径方向に対称な配置でもって、配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
9. 微粒成分含む鉄鉱石とフラックスとからなる供給物質を原料として、溶融銑鉄を製造するためのプラントであって、
   直列接続された少なくとも２つの流動床炉（１，２，３）と、溶融ガス化器（１０）と、を具備してなり、
   前記鉄鉱石は、ある流動床炉（１）から他の流動床炉（２，３）へと、搬送ダクト（６）を通して一方向に搬送され、還元ガスは、ある流動床炉（３）から他の流動床炉（２，１）へと、還元ガス連結ダクト（１３）を通して、前記鉄鉱石とは反対方向に搬送され、
   前記溶融ガス化器（１０）には、前記鉄鉱石の流通の最後に配置された前記流動床炉（３）からの還元物を導くための供給ダクト（９）が、請求項１〜８のいずれかに記載の微粒材料の選択投入装置（２９）を介して接続され、
   また、前記溶融ガス化器（１０）に対しては、カーボンおよび酸素を供給するためのダクト（１６，１７）が接続されているとともに、前記溶融ガス化器（１０）からは、前記鉄鉱石の流通の最後に配置された前記流動床炉（３）へと連通する還元ガス搬送ダクト（１２）が派生していることを特徴とするプラント。
10. 前記流動化ガスを供給するための前記ガスダクト（３３）は、還元ガス搬送ダクト（１２）から分岐していることを特徴とする請求項９記載のプラント。
11. 請求項１〜８のいずれかに記載の装置を操作するための方法であって、
    前記中央部の流動床用移送管（３１）の側方に配置された前記複数の流動床用移送管（３５）を、交互に駆動することを特徴とする方法。
12. 前記複数の流動床用移送管（３５）の駆動を、前記溶融ガス化器（１０）内で起こっているプロセスの観測に基づいて行い、
    該観測を利用して、前記溶融ガス化器（１０）内における、微粒材料の供給位置または供給領域を決定し、
    前記微粒材料の分布を、前記複数の流動床用移送管（３５）の制御されたスイッチングによりもたらすことを特徴とする請求項１１記載の方法。

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