JP5797276B2

JP5797276B2 - 褐炭を用いて直接還元鉄及び高温金属あるいはいずれかを生産するための方法及びシステム

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Publication number: JP5797276B2
Application number: JP2013544761A
Authority: JP
Inventors: 理彦鉄本; アストリア，トッド
Original assignee: ミドレックステクノロジーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: MY173460A; TWI465574B; US8999033B2; UA106940C2; RU2013132532A; TW201231678A; KR20130122642A; EP2652159A4; EP2652159B1; WO2012082966A1; ZA201304021B; JP2014504335A; CN103261447A; RU2546263C2; NZ611213A; EP2652159A1; US20120152061A1; KR101501756B1; CN103261447B

Description

本発明は、一般に、例えば、亜炭及び亜瀝青炭等の褐炭を用いて直接還元鉄及び高温金属あるいはいずれかを生産するための方法及びシステムに関する。この方法及びシステムは、高効率で発電するために利用することができ、前記直接還元鉄及び高温金属あるいはいずれかは、エネルギを蓄積するために利用することができ、運搬が容易である点で有利である。

亜炭は、全炭素含有率が約２５〜３５％であり、水分含有率は約６６％に達することがあり、灰分含有率は約６〜１９％であり、エンタルピは、無水無灰（ＤＡＦ）ベースで約１０〜２０ＭＪ／ｋｇ（すなわち、米トンあたり約９百万〜１７百万Ｂｔｕ）である。これに対し、瀝青炭では、全炭素含有率が約６０〜８０％であり、灰分含有率は約６〜１２％であり、熱量は、ＤＡＦベースで約２４〜３５ＭＪ／ｋｇである。亜瀝青炭の場合、全炭素含有率、灰分含有率、及び熱量は、亜炭と瀝青炭との間であり、１５〜３０％程度の水分を含んでいる。なお、これらの含有率の範囲は例示しているだけであって、（本明細書を通じた使用において）なんら限定的なものではない。亜炭は揮発性物質の含有率が高いので、他のより高級な石炭よりも、ガス、液状石油製品に転換させることが容易である。しかし、亜炭は水分含有率が高く、自然発火しやすいので、輸送、貯蔵が難しくなる。

亜炭は、エネルギ密度が小さいため、運搬するのに非効率であり、他のより高級な石炭と比較すると、世界市場で広く売買はされていない。亜炭は、炭鉱の近くに建設される発電所の燃料として使用されることが多い。オーストラリアのラトローブバレーやテキサス州にあるルミナント社のモンティセロプラントは、炭鉱の近くに位置する亜炭燃焼発電所の例である。

亜炭は、脱揮したとしても、コークスのように、溶鉱炉で利用されるほど十分な強度を有しない。亜炭は固定炭素があまり多くないため、直接還元（ＤＲ）及び他の製鉄プロセスにおいて、金属酸化物含有材料とともに凝集させた炭素質材料として利用することが難しい。

亜瀝青炭は亜炭と類似しており、一般的な水分含有率は約２０〜３０％である。亜瀝青炭もまた、水分含有率が高いために、他のより高級な石炭よりもエネルギ密度が小さい。また、亜瀝青炭は、脱揮したとしても、コークスのように、溶鉱炉で利用されるほど十分な強度を有しない。

このように、従来のＤＲＩ及び高温金属あるいはいずれかを生産するための方法及びシステムは、一般に、コークス又は他の高品位石炭を使用し、亜炭（すなわち褐炭）、亜瀝青炭等は使用されない。亜炭は、局地的な低効率の発電に利用されるのみである。このような発電が低効率であるのは、石炭のエネルギの一部を、亜炭及び亜瀝青炭を乾燥させる目的で、水分を蒸発させるために使用しなければならないためである。

しかし、本発明の方法及びシステムによれば、亜炭、亜瀝青炭等を使用して、効果的かつ効率的に発電し、またＤＲＩ及び高温金属あるいはいずれかを生産することができる。それにより、エネルギの蓄積と容易な運搬が可能となる。

関連出願の相互参照
本特許出願、特許は、「褐炭を用いて直接還元鉄及び高温金属あるいはいずれかを生産するための方法及びシステム」と称する、２０１０年１２月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／４２３，１７３号の優先権を主張し、そのすべての内容を本願に参照として援用する。また、本特許出願、特許は、「材料リサイクル機能を有する、溶融金属を生産するための電気炉」と称する、２０１１年１１月２９日に出願された、同時に係属している米国特許出願第１３／３０５，８７６号の一部継続出願であり、そのすべての内容を本願に参照として援用する。

本発明の一実施例では、高含水率炭素質材料を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産する方法であって、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスからのエネルギで前記高含水率炭素質材料を乾燥させることと、前記高含水率炭素質材料を乾燥させた炭素質材料を分解蒸溜することと、分解蒸溜して得られた前記炭素質材料を乾式急冷（ドライクエンチ（ｄｒｙｑｕｅｎｃｈ））することと、直接還元又は高温金属生産あるいはその両方のプロセスにおいて使用するのに適した凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料とともに、前記乾式急冷した炭素質材料から得た炭素質材料を凝集させることを含む方法が提供される。あるいは、本方法は、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記高含水率炭素質材料を乾燥させることを含む。あるいは、本発明は、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記高含水率炭素質材料を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は、前記分解蒸溜の前に、酸素含有量が低いガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は、前記分解蒸溜の前に、発電設備からのオフガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させることを含む。この方法は又、前記高含水率炭素質材料の一部により発電することをさらに含む。この方法は又、前記凝集ステップの前に、酸素含有量が低いガスをリサイクルすることをさらに含む。好ましくは、前記高含水率炭素質材料は、褐炭、亜炭、及び亜瀝青炭のうちの一つを含む。好ましくは、前記高含水率炭素質材料は、少なくとも２０％の水分を含み、その水分含有率が５％以下となるまで乾燥させる。あるいは、この方法は又、発電するために前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料のうちガス化された部分を利用することと、前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料の残りの部分を、前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスにおいて、還元剤として利用することをさらに含む。あるいは、前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスは、時間経過とともに、原材料のベッド又は層が所定の特性を有するように、炉から原料の一部を選択的に取り除くための、前記炉の底部に設けた１以上の開口部を有する、凝集体から溶融金属を生産するための、還元及び溶融炉あるいはいずれかの炉を用いるものを含む。あるいは、前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスは、炉内に二次燃焼バーナからの酸素含有ガスを供給しつつ前記凝集体から溶融金属を生産するために還元及び溶融炉あるいはいずれかの炉を利用し、それにより凝集体層から発生する一酸化炭素含有ガスを燃焼させることと、前記凝集体層を熱還元するために、前記二次燃焼バーナからの放射熱を利用することを含む。

本発明の他の実施例では、高含水率炭素質材料を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するシステムであって、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスからのエネルギで前記高含水率炭素質材料を乾燥させるための手段と、前記高含水率炭素質材料を乾燥させた炭素質材料を分解蒸溜するための手段と、分解蒸溜して得られた前記炭素質材料を乾式急冷するための手段と、直接還元又は高温金属生産あるいはその両方のプロセスにおいて使用するのに適した凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料とともに、前記乾式急冷した炭素質材料から得た炭素質材料を凝集させる手段を含むシステムが提供される。あるいは、本システムは、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記高含水率炭素質材料を乾燥させる手段を含む。あるいは、本システムは、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記高含水率炭素質材料を乾燥させる手段を含む。あるいは、本システムは、前記分解蒸溜の前に、酸素含有量が低いガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させる手段を含む。あるいは、本システムは、前記分解蒸溜の前に、発電設備からのオフガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させる手段を含む。このシステムは又、前記高含水率炭素質材料の一部により発電する手段をさらに含む。このシステムは又、前記凝集ステップの前に、酸素含有量が低いガスをリサイクルする手段をさらに含む。好ましくは、前記高含水率炭素質材料は、褐炭、亜炭、及び亜瀝青炭のうちの一つを含む。好ましくは、前記高含水率炭素質材料は、少なくとも２０％の水分を含み、前記高含水率炭素質材料を乾燥させるための手段によってその水分含有率が５％以下となるまで乾燥させる。あるいは、このシステムは又、発電するために前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料のうちガス化された部分を利用する手段と、前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料の残りの部分を、前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスにおいて、還元剤として利用する手段をさらに含む。あるいは、前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスは、時間経過とともに、原材料のベッド又は層が所定の特性を有するように、炉から原料の一部を選択的に取り除くための、前記炉の底部に設けた１以上の開口部を有する、凝集体から溶融金属を生産するための、還元及び溶融炉あるいはいずれかの炉を用いるものを含む。あるいは、前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスは、炉内に二次燃焼バーナからの酸素含有ガスを供給しつつ前記凝集体から溶融金属を生産するために還元及び溶融炉あるいはいずれかの炉を利用し、それにより凝集体層から発生する一酸化炭素含有ガスを燃焼させることと、前記凝集体層を熱還元するために、前記二次燃焼バーナからの放射熱を利用することを含む。

本発明のさらなる実施例では、亜炭、亜瀝青炭等を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産する方法であって、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスのエネルギで前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることあるいは酸素含有量が低いガスにより前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させること、前記亜炭又は亜瀝青炭を蒸溜すること、前記蒸溜ステップから得られる炭素質材料を乾式急冷すること、及び直接還元又は高温金属生産あるいはその両方のプロセスにおいて使用するのに適した凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料とともに前記炭素質材料を凝集させることを含む方法が提供される。あるいは、本方法は、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることを含む。本方法は又、前記乾式急冷ステップと前記乾燥ステップとの間で、酸素含有量が低いガスをリサイクルすることをさらに含む。あるいは、本方法は、発電設備からのオフガスにより前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることをさらに含む。

本発明のさらなる実施例では、亜炭、亜瀝青炭等を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するシステムであって、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスからのエネルギで前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させる手段あるいは酸素含有量が低いガスにより前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させる手段、前記亜炭又は亜瀝青炭を蒸溜する手段、前記蒸溜ステップから得られる炭素質材料を乾式急冷する手段、及び直接還元又は高温金属生産あるいはその両方のプロセスにおいて使用するのに適した凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料とともに前記炭素質材料を凝集させる手段を含むシステムが提供される。あるいは、本システムは、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させる手段を含む。あるいは、本システムは、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させる手段を含む。本システムは又、前記乾式急冷ステップと前記乾燥ステップとの間で、酸素含有量が低いガスをリサイクルする手段をさらに含む。あるいは、本システムは、発電設備からのオフガスにより前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させる手段をさらに含む。

本発明のさらなる実施例では、亜炭、亜瀝青炭等を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産する方法であって、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスのエネルギで前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させること、あるいは酸素含有量が低いガスにより前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させること、あるいは前記亜炭又は亜瀝青炭の一部により発電すること、前記亜炭又は亜瀝青炭の一部を用いて炭素質材料を生産すること、及び直接還元又は高温金属生産あるいはその両方のプロセスにおいて使用するのに適した凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料とともに前記炭素質物質を凝集させることを含む方法が提供される。本方法は又、前記亜炭又は亜瀝青炭の少なくとも一部を蒸溜すること、及び前記蒸溜ステップから得られる前記炭素質材料を乾式急冷することを含む。あるいは、本方法は、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることを含む。本方法は又、前記乾式急冷ステップと前記乾燥ステップとの間で、酸素含有量が低いガスをリサイクルすることをさらに含む。本方法は又、発電設備からのオフガスにより前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることをさらに含む。

本発明のさらなる実施例では、高含水率炭素質材料を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産する方法であって、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスのエネルギで前記高含水率炭素質材料を乾燥させること、あるいは、前記高含水率炭素質材料の一部により発電すること、前記高含水率炭素質材料の一部を用いて炭素質材料を生産すること、及び直接還元又は高温金属生産あるいはその両方のプロセスにおいて使用するのに適した凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料とともに前記炭素質物質を凝集させることを含む方法が提供される。前記高含水率炭素質材料は、少なくとも２０％の水分を含む。本方法は又、前記高含水率炭素質材料の少なくとも一部を蒸溜すること、及び前記蒸溜ステップから得られる炭素質材料を乾式急冷することを含む。あるいは、本方法は、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記高含水率炭素質材料を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記高含水率炭素質材料を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は、発電設備からのオフガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させることを含む。

本発明のさらなる実施例では、亜炭、亜瀝青炭等を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産する方法であって、前記亜炭又は亜瀝青炭を蒸溜すること、前記蒸溜ステップから得られる炭素質材料を乾式急冷すること、及び直接還元又は高温金属生産あるいはその両方のプロセスにおいて使用するのに適した凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料とともに前記炭素質物質を凝集させることを含む方法が提供される。本方法は又、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスのエネルギで前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は、酸素含有量が低いガスにより前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は又、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることを含む。あるいは、本方法は又、直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることを含む。本方法は又、前記乾式急冷ステップと前記乾燥ステップとの間で、酸素含有量が低いガスをリサイクルすることをさらに含む。あるいは、本方法は又、発電設備からのオフガスにより前記亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させることをさらに含む。

本発明は、それに限定されることのない実施例として種々の図面を参照して説明および記載されており、類似の方法ステップあるいはシステム部品には、適宜同様の参照符号を用いる。

図１は、本発明の一実施例による褐炭ＤＲＩ、高温金属生産システムを示す模式図である。

オフガス区域１０では、キルン、還元加熱炉（ＲＨＦ）、及び溶解炉区域１４等に配置されている溶解炉１２あるいはいずれか等の、加熱、還元、及び溶融炉あるいはいずれかからの高温オフガスのエネルギを利用して、亜炭、亜瀝青炭等がまず所定の水分含有率まで自然発火を防止しつつ予備乾燥される。このプロセスは、石炭予備乾燥容器１６内で実施される。高温オフガスからのエネルギは、直接的に（すなわち高温オフガスが石炭に接触する。）又は間接的に（すなわち、高温オフガスは、熱伝達面、及び他の適当な熱伝達媒体あるいはいずれかにより、石炭から分離されている。）利用される。直接乾燥法では、石炭は、（例えば、ＭＩＤＲＥＸ（登録商標）プロセスで使用されるのと類似の容器等の、シャフト炉形容器内で、流動床、コンベア形乾燥機等を通じて）高温オフガスと接触する。しかし、石炭を乾燥させすぎた場合、石炭の燃焼による問題を引き起こすほど十分な酸素を、高温オフガスが含んでいることがあり得る。この場合、石炭の間接乾燥が、適当な設備設計（例えば、容器又はキルンの内部で、煙道ガスはチューブ内を流れ、石炭は設備の外殻側に入れておく等）を用いて行われることがある。この間接乾燥の場合、石炭は低酸素含有雰囲気に保持することができ、高温オフガスからのエネルギを、なお石炭を予備乾燥させるために利用することができる。考えられる問題は、部分的に乾燥した亜炭又は亜瀝青炭のマテリアルハンドリングにある。部分的に乾燥した亜炭又は亜瀝青炭の燃焼の問題、あるいはばらの状態でのマテリアルハンドリング（ｂｕｌｋｍａｔｅｒｉａｌｈａｎｄｌｉｎｇ）の問題が生じる場合には、予備乾燥ステップを省略し、他の間接乾燥法を適用することができる。この場合、すべての乾燥は、（次の段落に記載しているように）低酸素含有率の条件下で動作するユニットにおいて完了することができる。低酸素含有率ガスは、高温オフガスからのエネルギで部分的に加熱され、リサイクルされる。

予備乾燥された亜炭、亜瀝青炭等は、次いで、亜炭又は亜瀝青炭を、発電区域２０での高効率発電のため十分な程度に乾燥させる二次乾燥システム１８（例えば、ＭＩＤＲＥＸ（登録商標）プロセスで使用されるのと類似の容器等の、シャフト炉形容器、ロータリキルン、流動床、コンベア形乾燥機等）に供給される。この二次乾燥システム１８は、例えば、石炭乾燥及び準備区域２２に配置される。亜炭、亜瀝青炭等は、水分含有率約５％以下まで乾燥される場合がある。このような発電は、加熱、還元、及び溶融炉あるいはいずれかの炉からの廃熱が水分を除去するのに用いられ、水分を蒸発させるための潜熱、又は煙道ガス内の水蒸気によって運ばれる顕熱へのエネルギ損失がないので、高効率である。亜炭又は亜瀝青炭の自然発火を防止するために、二次乾燥システム１８における乾燥媒体として、低酸素含有率ガスが利用される。あるいは、チューブを有するキルン等による間接乾燥を用いてもよい。マテリアルハンドリングの問題で亜炭又は亜瀝青炭を予備乾燥することができない場合、これが稼働している唯一の石炭乾燥ユニットである。

二次乾燥システム１８からの乾燥された亜炭又は亜瀝青炭は、ロータリキルン又は回転路床炉あるいはその両方等である分解蒸留施設２４に供給される。分解蒸留施設２４からの揮発可燃ガスは、燃焼させられるか、又は後燃焼室２６に供給されて発電に適した高温ガス又は蒸気を生成するために利用される。

亜炭又は亜瀝青炭を使用する既存の発電プラントは、その発電プラントのオフガスによって加熱される予備乾燥システムも有する。しかし、発電プラントからのオフガスは、亜炭又は亜瀝青炭を適切に乾燥させるのに十分なエネルギを有しない。言い換えれば、発電に利用可能なはずのエネルギを消費することで、亜炭又は亜瀝青炭を適切に乾燥することができる。したがって、発電効率は低くなる。

次に、蒸溜施設２４からの高温炭素質材料は、以降の処理ステップで使用することができるように炭素質材料を冷却するドライクエンチシステム２８（例えば、ＭＩＤＲＥＸプロセスで使用されるのと類似の容器のようなシャフト炉形容器、ロータリキルン、流動床、コンベア形乾燥機等）に供給される。低酸素含有ガスが、高温炭素質材料を冷却するために使用される。蒸溜された炭素質材料を冷却後、高温の低酸素含有ガスが、前記した二次乾燥システム１８で亜炭又は亜瀝青炭を乾燥するために利用される。次いで、低酸素含有ガスは、ドライクエンチシステム２８にリサイクル可能となるように調整される。

本発明では、蒸溜された炭素質材料から除去されたエネルギをリサイクルするために、加熱、還元、及び溶融炉１２あるいはそのいずれかの炉からの廃熱を利用して亜炭又は亜瀝青炭の水分を大部分除去するので、システム全体としての高エネルギ効率を達成することができる。オフガス、亜炭又は亜瀝青炭乾燥区域、及び発電区域に対する熱収支及び物質収支が有利である。

本発明の他の利点は、スラブ、ビレット、及びブルームあるいはそのいずれか等を生産するために処理することができる還元された金属及び高温金属あるいはそのいずれかを製造するために、還元剤として蒸溜した炭素質材料を利用していることである。蒸溜された炭素質材料は、加熱、還元、及び溶融炉あるいはそのいずれかの炉で用いる場合、石炭（特に亜炭又は亜瀝青炭の直接利用）と比較して有利な点がいくつかある。その利点には、凝集体の炭素質材料混合比が低くなること、未加工で還元された凝集体の物理的性質が向上すること、加熱、還元、及び溶融炉あるいはそのいずれかの炉の生産性が高くなること、低水素含有率に起因するオフガスシステムにおける低温腐食発生のおそれが低くなることがある。

亜炭又は亜瀝青炭からのエネルギは、金属生産物の中に「貯蔵」され、亜炭又は亜瀝青炭よりも容易に運搬することができる。

本発明の方法及びシステムによれば、脱揮され冷却された炭素質材料は、ボーリングドラム又はハンマーミル形粉砕機等の粉砕システム３０に供給される。次いで、粉砕された炭素質材料は、原材料ハンドリング区域３２にある酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニッケル、ブラスト炉ダスト、塩基性酸素転炉ダスト、電気アーク炉ダスト等の、しかしこれらに限定されない金属酸化物含有材料とともに凝集化される。凝集体は、必要であれば、ペレット乾燥機３４で乾燥され、次いで還元及び溶融あるいはそのいずれかのために加熱炉１２に供給される。加熱炉１２は、回転路床炉、電気アーク炉（ＥＡＦ）、サブマージアーク炉、溶解炉等を含むが、これらに限定されることはない。還元及び溶解炉は、例えば、譲受人が共通している米国特許出願第１３／３０５，８７６号、国際公開第ＷＯ２００９／１３１１４８号等に記載されているもの等とすることができる。

このように、本発明は、発電施設を加熱、還元、及び溶融炉と組合せ、亜炭又は亜瀝青炭を容易に輸送できる金属生産物に効率的に変換することを可能とする。

発電施設は、加熱、還元、及び溶融炉あるいはそのいずれかからの廃棄オフガスのエネルギから利益を受ける。亜炭又は亜瀝青炭を乾燥させて、高効率の発電を可能とするからである。

加熱、還元、及び溶融炉あるいはそのいずれかは、還元剤として蒸溜された炭素質材料を利用することで、また発電施設から電力を受け入れることにより利益を享受する。

本発明によれば、すべての必要なエネルギは、亜炭又は亜瀝青炭によって供給することができる。しかし、熱損失が比較的大きい、石炭の揮発性物質の量が少ない、といったいずれにしても熱回収をより大きくしなければならない等のより小規模の施設などでの特殊な場合においては、石炭だけで全所要エネルギを賄うために、熱効率をはるかに高めなければならない。そうでなければ、プラントには、バッテリリミットの外部から供給される天然ガス又は電力といった別の熱源が必要になる。このような場合、再生バーな又は再生炉を利用することもできる。例えば、このような再生バーナは、加熱、還元、及び溶融炉、あるいはそのいずれかからの高温オフガスによって加熱することができる。あるいは、再生バーナは、亜炭又は亜瀝青炭等の蒸溜システムからのエネルギの一部によって加熱することができる。

ここでまた、本発明の種々の実施例に関して使用される溶解炉は、例えば、本願と同一譲受人に係る米国特許出願第１３／３０５，８７６号、国際公開第２００９／１３１１４８号公報等に記載されているもの等とすることができる。この炉は、例えば不傾式電気炉である。炉は、例えば、上下から見て断面形状がほぼ矩形であるアーク炉である。原材料装入シュート及び排出ガスダクトが、前記炉の上部壁に、あるいはこれを貫通して接続されている。ヒータとして機能する電極は、前記炉の上部壁を貫通して挿入されている。これらの電極は、それぞれ、炉の内部に電極を導入し、あるいは炉の内部から電極を引き出すために使用される電極昇降装置に結合されることが好ましい。原材料装入シュートは炉の両側壁に隣接して設けられ、電極は炉の中心線近くに設けられる。複数の原材料装入シュート及び電極は、炉の長手方向に沿って間隔をあけて配置することができる。二次燃焼バーナもまた、炉の上部壁を貫通して挿入されている。複数の排出ガスダクト及び二次燃焼バーナは、炉の長手方向に沿って間隔をあけて配置することができる。好ましくは、二次燃焼後に生成される酸化性排出ガスが、電極へ向かって流れ、それにより電極への損傷を軽減するため、排出ガスダクトを、電極よりも原材料装入シュートの近くに配置する。

炉の上部壁は、階段状の構成あるいはいずれかの側で原材料装入シュートから電極への斜面を有することが好ましい。階段状構成の各ステップは、実質的に水平な踏み面と、実質的に鉛直な蹴上げ部とを含む。二次燃焼バーナは、酸素含有ガスが凝集体層の近傍に効果的に噴射されるように、実質的に鉛直な蹴上げ部を貫通して実質的に水平な構成で設けられる。なお、二次燃焼バーナはまた、実質的に水平な踏み面を貫通して実質的に鉛直な構成で設けることができる。

炉の側壁、底壁には、中心線の近くでかつ原材料装入シュートから離れた位置（すなわち、原材料ベッドから離れた位置）に、金属取り出し孔及びスラグ取り出し孔が、溶融金属及び溶融スラグの取り出しを容易にするために設けられている。なお、金属取り出し孔及びスラグ取り出し孔は、炉の下方部分であれば、どのような所望の場所に設けてもよい。これらの孔は、炉の底の中心に設けることができる。電極は、所望の熱効率を有する三相交流型で、製鋼電気アーク炉で通常使用されるものが好適である。一例としては、それぞれが単相の３対の電極から構成される、６本の電極を配列したものを用いることができる。溶融動作を実施している間は、各電極の先端部を、好ましくは、原材料ベッドの上に配置される凝集体層の内部に沈めるか、又は溶融スラグの内部に沈めている。この結果、放射熱及び抵抗熱の効果により溶融が促進されるとともに、原材料ベッドによって保護されない炉の内面への損傷を最小限とすることができる。

本発明によれば、炉の下方部分は、原材料層及び凝集体層の下の種々の位置に配置される複数の排出ホッパを有する。これらの排出ホッパは、炉内の材料の流れ及び溶融領域の位置が制御できるように、炉から（凝集体及び微粉を含む）所定量の原材料を排出させるために、処理中に、又はオフラインで選択的に作動させる。この排出動作は、排出ホッパの下に配置されるスライドゲート及びスクリューコンベアを用いて実施される。各排出ホッパで複数のスライドゲートを使用する場合、１以上のスライドゲートを一度に開けることによって、炉の特定の部分から材料を排出することができる。

稼働中、炉の連続稼動が適正に維持されるように、炉内の材料の流れと溶融領域の位置を制御する必要がある。このため、排出ホッパを使用することに加え、原材料装入シュートには、伸縮可能とされているか、あるいは鉛直方向に調整可能な供給ポートを含む外方シュートが設けられる。各原材料装入シュートは、原材料を貯蔵するためのホッパと、ホッパに接続されている内方シュートと、内方シュート上を伸縮可能、あるいは鉛直方向に調整可能な外方シュートとを有する。凝集体層の安息角に応じて、凝集体層の下方部分は、外方シュート及び供給ポートを鉛直方向に移動させることにより、所望の位置で生じるように調整することができる。

このように、本発明は、微粉の分離及び蓄積又はそのいずれかに起因する原材料ベッド及び層の安息角の変化及び崩壊角の変化とは関係なく、凝集体層の下方部分を調整するためのシステム及び方法を提供する。供給点から溶融領域まで材料が安定して流れることによって、長期間の稼働が確立され維持される。この運転は、特に微粉が供給点の下方から除去される場合、著しく効果的である。供給ホッパに投入する直前で凝集体を選別したとしても、少量の微粉が炉内に入ることは避けられない。これらの微粉は、供給点でそのまま分離し、あるいは蓄積しがちである。この材料は、化学的には装入材料に類似しているか、あるいは部分的に還元されている。部分的に還元されているとしても、その材料は、通常酸化剤と還元剤との間で良好なバランスを有しており、通常リサイクルが可能である。この再生された材料をリサイクルする方法としては、凝集設備に投入する新たな供給材料に、その再生材料を単純に混入する方法があり、この場合、新規設備は必要でない。この再生された材料をリサイクルする他の方法としては、再生材料を、炉の取り出し側と反対側に位置する新規の供給ホッパ及び供給シュートに導く方法がある。ここでも、炉の好適な形状は矩形であり、耐火物は、４つの側面のうちの２つにＤＲＩを供給することで保護される。炉の取り出し側は、取り出し孔のところで高温金属及びスラグ又はいずれかの流れを良好にしておかなければならないため，炉の取り出し側を、ＤＲＩ層を維持することによって保護することは困難である。したがって、炉の取り出し側は、水冷によって保護することが望ましい。代替策としては、再生材料を炉の取り出し側に供給することでも、耐火物を保護し、水冷の場合に比較して熱損失を低減することが可能である。

除去された材料の量が多すぎる場合、炉には、例えば、材料供給のための２つの側面と同量の予備還元領域が必要となるであろう。しかし、除去材料の量は、新規の供給よりもはるかに少なく、部分的に還元されるかも知れない。そこで、新規のリサイクルホッパの下にあるスラグ及び高温金属層の上に堆積を作ることにより、リサイクルされる材料を溶融させることが可能である。

このタイプの電気溶融炉についての一つの重要な点は、泡状スラグが発生することである。泡状スラグは、一部は、還元反応から発生されるガスによって生成される。材料を、１対の電極の間のような電極に隣接している領域にリサイクルしてもよい。この場合、結果として還元反応によるＣＯガスと泡状スラグが発生する。脱硫作用が良好となるように、リサイクルされた材料にＣａＯを加えてもよい。ＣａＯの代わりに石灰岩（ＣａＣＯ_３）又はドロマイト（ＣａＣＯ_３及びＭｇＣＯ_３）をリサイクルした材料に加えると、生成されるＣＯ_２により泡状スラグが発生する場合がある。石灰岩又はドロマイトは、また、リサイクルした材料とは別個に炉に装入することができる。

本発明につき、好適な実施形態とその特定の実施例に関して例示し、記載したが、本技術分野の通常の技能を有する者には、他の実施形態、実施例により類似の機能を実施することができ、それとともに、または別個に類似の結果を得ることが可能であることは容易に理解できるであろう。このような等価な実施形態、実施例は本発明の範囲内であり、またそれから予期されるものであり、以下の請求の範囲によって包含されることを意図するものである。

Claims

高含水率炭素質材料を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産する方法であって、
直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスからのエネルギで前記高含水率炭素質材料を乾燥させることと、
前記高含水率炭素質材料を乾燥させた炭素質材料を分解蒸溜することと、
前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料を乾式急冷（ドライクエンチ（ｄｒｙｑｕｅｎｃｈ））することと、
凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料を用いて、前記乾式急冷した炭素質材料から炭素質物質を凝集させることと、
直接還元プロセス又は高温金属生産プロセスあるいはその両方において、前記凝集体を利用することと、
を含む方法。
請求項１の方法であって、
直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記高含水率炭素質材料を乾燥させることをさらに含む方法。
請求項１の方法であって、
直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記高含水率炭素質材料を乾燥させることをさらに含む方法。
請求項１の方法であって、
酸素含有量が低いガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させることをさらに含む方法。
請求項１の方法であって、
前記高含水率炭素質材料の一部により発電することをさらに含む方法。
請求項５の方法であって、
発電設備からのオフガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させることをさらに含む方法。
請求項１の方法であって、
前記高含水率炭素質材料は、褐炭、亜炭、及び亜瀝青炭のうちの一つを含む方法。
請求項１の方法であって、
前記高含水率炭素質材料は少なくとも２０％の水分を含み、当該高含水率炭素質材料を、その水分含有率が５％以下となるまで乾燥させることをさらに含む方法。
請求項１の方法であって、
動力を発生させるために前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料のうちガス化された部分を利用することと、前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料の残りの部分を、前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスにおいて、還元剤として利用する方法。
請求項１の方法であって、
前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスは、
炉内に二次燃焼バーナからの酸素含有ガスを供給しつつ前記凝集体から溶融金属を生産するための還元溶融炉を利用し、それにより凝集体層から発生する一酸化炭素含有ガスを燃焼させることと、
前記凝集体層を熱還元するために、前記二次燃焼バーナからの放射熱を利用することを含む方法。
高含水率炭素質材料を用いて直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するためのシステムであって、
直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉からの高温オフガスからのエネルギで前記高含水率炭素質材料を乾燥させるための手段と、
前記高含水率炭素質材料を乾燥させた炭素質材料を分解蒸溜するための手段と、
前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料を乾式急冷するための手段と、
凝集体を形成するために、金属酸化物を含む材料を用いて、前記乾式急冷した炭素質材料から炭素質物質を凝集させるための手段と、
直接還元プロセス又は高温金属生産プロセスあるいはその両方において、前記凝集体を利用するための手段と、
を含むシステム。
請求項１１のシステムであって、
直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより直接前記高含水率炭素質材料を乾燥させるための手段をさらに含むシステム。
請求項１１のシステムであって、
前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するための炉から出る高温オフガスにより間接的に前記高含水率炭素質材料を乾燥させるための手段をさらに含むシステム。
請求項１１のシステムであって、
酸素含有量が低いガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させるための手段をさらに含むシステム。
請求項１１のシステムであって、
前記高含水率炭素質材料の一部により発電するための手段をさらに含むシステム。
請求項１５のシステムであって、
発電設備からのオフガスにより前記高含水率炭素質材料を乾燥させるための手段をさらに含むシステム。
請求項１１のシステムであって、
前記高含水率炭素質材料は、褐炭、亜炭、及び亜瀝青炭のうちの一つを含むシステム。
請求項１１のシステムであって、
前記高含水率炭素質材料は少なくとも２０％の水分を含み、前記高含水率炭素質材料を乾燥させるための手段が、当該高含水率炭素質材料を、その水分含有率が５％以下となるまで乾燥させることをさらに含むシステム。
請求項１１のシステムであって、
動力を発生させるために前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料のうちガス化された部分を利用し、前記分解蒸溜して得られた前記炭素質材料の残りの部分を、前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスにおいて、還元剤として利用するための手段をさらに含むシステム。
請求項１１のシステムであって、
前記直接還元鉄又は高温金属あるいはその両方を生産するプロセスは、
炉内に二次燃焼バーナからの酸素含有ガスを供給しつつ前記凝集体から溶融金属を生産するための還元溶融炉を利用し、それにより凝集体層から発生する一酸化炭素含有ガスを燃焼させることと、
前記凝集体層を熱還元するために、前記二次燃焼バーナからの放射熱を利用することを含むシステム。