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WO2018012003A1 - 還元鉄製造装置および還元鉄製造方法 - Google Patents

還元鉄製造装置および還元鉄製造方法 Download PDF

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Publication number
WO2018012003A1
WO2018012003A1 PCT/JP2016/085187 JP2016085187W WO2018012003A1 WO 2018012003 A1 WO2018012003 A1 WO 2018012003A1 JP 2016085187 W JP2016085187 W JP 2016085187W WO 2018012003 A1 WO2018012003 A1 WO 2018012003A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
reduced iron
carburizing
space
carburizing gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2016/085187
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
勝哉 秋山
陽司 田窪
範昭 水谷
基秀 前田
悠介 茂渡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2016139230A external-priority patent/JP2017020113A/ja
Application filed by Kobe Steel Ltd filed Critical Kobe Steel Ltd
Publication of WO2018012003A1 publication Critical patent/WO2018012003A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/02—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F27B1/10—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
    • F27B1/16—Arrangements of tuyeres

Definitions

  • the present invention relates to a reduced iron production apparatus and a reduced iron production method for producing reduced iron by reducing iron oxide using a reducing gas.
  • a direct reduction iron making process using a vertical furnace is performed to reduce iron oxide contained in raw materials such as iron ore and to extract iron.
  • the shaft furnace described in Patent Documents 1 and 2 includes a vertically long space, a raw material charging port for raw materials such as iron ore formed in the upper part of the space, and a reduction treatment formed in the lower part of the space. It has a reduced iron discharge port for discharging later reduced iron.
  • the shaft furnace has a reducing gas inlet and a gas outlet.
  • the reducing gas inlet is provided between the raw material inlet and the reduced iron outlet, and supplies a reducing gas (for example, hydrogen or carbon monoxide) having the ability to reduce iron oxide to the space.
  • the gas discharge port is formed in the upper part of the space part and discharges the gas inside the space part to the outside.
  • An exhaust pump is provided at the gas outlet.
  • raw materials such as iron ore are fed into the space from the raw material inlet at the top of the shaft furnace.
  • the iron oxide contained in the iron ore is reduced by the reducing gas supplied from the reducing gas inlet to the space to produce reduced iron.
  • Reduced iron is discharged from the reduced iron discharge port at the bottom of the shaft furnace.
  • the gas after the reduction treatment inside the space is forcibly discharged from the space by a pump from the gas discharge port at the top of the space.
  • a carburizing process for adding carbon to the reduced iron is performed, and a carburizing gas containing carbon (such as methane) is supplied to the shaft furnace in order to adjust the components.
  • a carburizing gas containing carbon such as methane
  • the carburizing gas inlet for introducing the carburizing gas into the space is arranged at a position lower than the height of the reducing gas inlet.
  • the carburizing gas rises up the space in the shaft furnace and reaches the height of the reducing gas inlet. At that time, the carburizing gas may inhibit the reducing gas supplied from the reducing gas inlet from being dispersed inside the space.
  • the carburizing gas rises up the space and is concentrated near the center of the space (specifically, the center of the horizontal section of the space) at the height of the reducing gas inlet
  • the reducing gas is less likely to reach the vicinity of the center.
  • the reduction reaction of iron oxide in the vicinity of the central part is partially suppressed.
  • variation in the reduction rate of reduced iron occurs due to the reduction reaction not being performed under uniform conditions inside the space.
  • the reduction reaction of iron oxide with reducing gas tends to be promoted when the temperature inside the space of the shaft furnace is higher.
  • the temperature of the carburizing gas about 300 degrees
  • the temperature of the reducing gas about 700 to 900 degrees
  • the temperature does not easily rise at the place inside the space where the carburizing gas gathers, and the reduction reaction Is suppressed.
  • JP-A 53-1606 Japanese Patent Publication No.57-19164
  • An object of the present invention is to provide a reduced iron production apparatus and a reduced iron production method capable of preventing the reduction reaction from being suppressed by the carburizing gas.
  • the present invention provides a reduced iron production apparatus for producing reduced iron by reducing the iron oxide by providing a reducing gas to a raw material containing iron oxide, the reduced iron production A main body of the apparatus, which is a vertically long space capable of accommodating the raw material, formed on the upper side of the space, and a raw material inlet for introducing the raw material into the space, and a lower side of the space
  • a reduced iron discharge port for discharging the reduced iron inside the space part to the outside, and provided below the raw material input port, for introducing the reducing gas into the space part A reducing gas inlet, and a carbonized gas provided below the reducing gas inlet and containing carbon for performing a carburizing process for adding carbon to the reduced iron is introduced into the space portion.
  • Carburizing gas inlet and the reduction And a main body having an upper gas discharge port that discharges the gas inside the space portion to the outside of the space portion, and includes the carburized gas inside the space portion.
  • a carburizing gas discharge part for discharging gas to the outside of the main body, and the carburizing gas discharge part has a height equal to or lower than the height of the reducing gas inlet inside the space part.
  • the reduced iron production method of the present invention is a reduced iron production method for producing reduced iron by reducing the iron oxide by providing a reducing gas to the raw material containing iron oxide, wherein the raw material is produced by reducing iron. From the introduction of the reducing gas into the space, the step of introducing reducing gas into the space and reducing the iron oxide by the reducing gas to produce reduced iron, and the introduction position of the reducing gas A carbonization gas containing carbon in the space portion at a lower position, and performing a carburizing process for adding carbon to the reduced iron by the carburizing gas, and a height at a position lower than the introduction position of the reducing gas. Discharging the gas containing the carburized gas inside the space at the same or lower height, to the outside of the space.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. It is a graph which shows the relationship between the height h of the shaft furnace at the time of manufacturing reduced iron using the reduced iron manufacturing apparatus of FIG. 1, and the reducing gas ratio a in the central axis of the said shaft furnace. It is sectional drawing which shows the whole structure of the reduced iron manufacturing apparatus which is a modification of this invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 4. It is a graph which shows the relationship between the height h of the shaft furnace at the time of manufacturing reduced iron using the reduced iron manufacturing apparatus of FIG.
  • the reduced iron production apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 2 generates reduced iron Pb by reducing the iron oxide by supplying the reducing gas Gr to the raw material Pa containing iron oxide, and further adding carbon to the reduced iron Pb. It is an apparatus for producing reduced iron Pb to which carbon is added by adding carbon to the reduced iron Pb by supplying the containing carburizing gas Gc.
  • the reduced iron manufacturing apparatus 1 includes a main body 2 and a carburized gas discharge unit 3.
  • the carburizing gas discharge part 3 is a component for discharging the gas Ge2 containing the carburizing gas inside the space part 5 to the outside of the main body 2.
  • the carburizing gas discharge unit 3 discharges a part of the carburizing gas Gc to the outside of the main body 2 at a position equal to or lower than the height of the introduction position of the reducing gas Gr inside the main body 2. Thereby, uniform distribution of the reducing gas Gr in the main body 2 is achieved.
  • the specific configuration of the reduced iron manufacturing apparatus 1 is as follows.
  • the main body 2 uses an existing shaft furnace (vertical furnace).
  • the main body 2 is a vertically long furnace, and is constituted by, for example, a cylindrical body that is vertically long and opened downward.
  • the main body 2 has a cylindrical side wall 2a and a top wall 2b that closes the upper end of the side wall 2a.
  • the main body 2 includes a vertically long space 5 that can accommodate the raw material Pa, a raw material charging port 6, a reduced iron discharge port 7, a reducing gas introducing port 8, and a carburizing gas as an opening communicating with the space 5. It has an introduction port 9 and an upper gas discharge port 10.
  • the raw material inlet 6 is an inlet for introducing granular raw material Pa (for example, granular pellets) into the space 5.
  • the raw material inlet 6 is formed at an upper position in the space 5, and is formed, for example, through a plurality of tubes through the top wall 2 b of the main body 2.
  • the raw material Pa is densely filled into the space 5 through the raw material inlet 6.
  • the reduced iron discharge port 7 is a discharge port for discharging reduced iron Pb (for example, granular pellets) inside the space portion 5 to the outside of the space portion 5.
  • the reduced iron discharge port 7 is formed at a lower position in the space 5, and is formed by, for example, a downward opening that opens at the lower end of the side wall 2 a of the main body 2.
  • the reducing gas inlet 8 is an inlet for introducing the reducing gas Gr into the space 5.
  • the reducing gas inlet 8 is provided below the raw material inlet 6.
  • at least one reducing gas introduction port 8 is formed on the side wall 2a of the main body 2, specifically, at a plurality of locations along the side wall 2a at equal intervals.
  • the reducing gas Gr is supplied to the reducing gas inlet 8 using a pump.
  • a mixed gas of gas Ge1 and natural gas forcedly discharged from the upper gas discharge port 10 of the main body 2 by an exhaust pump P1 described later is reformed by a reformer outside the main body 2.
  • a reducing gas Gr is generated.
  • the reducing gas Gr is supplied into the main body 2 from the reducing gas inlet 8 using the pressure of the pump P1.
  • the reducing gas Gr introduced into the space part 5 from the reducing gas inlet 8 iron oxide contained in the raw material Pa inside the space part 5 is reduced to generate reduced iron Pb.
  • the carburizing gas inlet 9 is an inlet for introducing the carburizing gas Gc into the space 5.
  • the carburizing gas Gc is a gas for performing a carburizing process of adding carbon to the reduced iron Pb obtained by the above-described reduction reaction of iron oxide, and contains carbon.
  • the carburizing gas inlet 9 is provided below the reducing gas inlet 8.
  • the carburizing gas introduction port 9 is formed, for example, at least one on the side wall 2 a of the main body 2, specifically, at a plurality of locations on the side wall 2 a.
  • the carburizing gas introduction port 9 is supplied with the carburizing gas Gc using a pump.
  • the carburizing gas Gc is generated.
  • the reducing gas Gc is supplied into the main body 2 from the carburizing gas inlet 9 using the pressure of the pump P2.
  • the upper gas discharge port 10 is a discharge port for discharging the gas Ge1 inside the space portion 5 to the outside of the space portion 5.
  • the upper gas discharge port 10 is formed above the reducing gas introduction port 8 and is formed, for example, on the side wall 2 a of the main body 2 near the raw material input port 6.
  • An exhaust pump P ⁇ b> 1 is connected to the upper gas discharge port 10.
  • the gas Ge1 inside the space portion 5 includes, for example, the reducing gas Gr and the carburized gas Gc introduced into the space portion 5, the gas generated by the processing inside the space portion 5, and the gas Ge1 is Then, the interior of the space portion 5 is lifted and forcibly discharged from the upper gas discharge port 10 to the outside of the space portion 5.
  • the carburizing gas discharge unit 3 is configured to discharge the gas Ge2 containing the carburizing gas inside the space part 5 to the outside of the main body 2, the carburizing gas inlet 13, the carburizing gas discharge port 14, and the discharge path 24. And form.
  • the carburizing gas inlet 13 is an opening for taking in the gas Ge2 containing the carburizing gas, and is arranged at a position below the height of the reducing gas inlet 8.
  • the carburizing gas discharge port 14 is an opening for discharging the gas containing the carburizing gas to the outside of the main body 2, and is disposed outside the main body 2.
  • the discharge path 24 communicates between the carburizing gas inlet 13 and the carburizing gas outlet 14 and allows the gas including the carburizing gas between them to flow.
  • the carburized gas discharge part 3 of this embodiment is arrange
  • this carburizing gas discharge part 3 penetrates the side wall 2a of the main body 2 and the hollow rectification part 11 which rectifies the reduced iron Pb in the direction away from the center line C extending in the vertical direction of the space part 5. And a plurality of hollow support portions 12 that support the flow straightening portion 11 inside the space portion 5.
  • the rectifying unit 11 is a hollow body, and has a shape in which a conical upper portion projecting upward and a conical lower portion projecting downward are vertically overlapped, that is, the lateral width increases from the top to the bottom. Thus, the width becomes smaller as it goes further downward from the position where the maximum width is reached, so to speak, it has a spindle shape.
  • the granular reduced iron Pb descending inside the space part 5 is dispersed in the radially outward direction of the space part 5 by the upper part of the rectification part 11 and rectified in a direction away from the center line C extending in the vertical direction of the space part 5. The Thereafter, the reduced iron Pb is discharged from the reduced iron discharge port 7 through an annular gap formed between the lower portion of the rectifying unit 11 and the inner wall of the main body 2 including the shaft furnace.
  • the carburizing gas inlet 13 of the present embodiment is formed in the rectifying unit 11, and specifically, is formed so as to open downward at the lower end of the rectifying unit 11.
  • the carburizing gas inlet 13 is located below both the reducing gas inlet 8 and the carburizing gas inlet 9.
  • the carburizing gas intake 13 is disposed on the center line C extending in the vertical direction of the space 5.
  • the height position of the carburizing gas inlet 13 may be the same as or lower than the height position of the reducing gas inlet 8. If it is such a height position, the gas containing the carburizing gas Gc inside the space part 5 is discharged to the outside of the space part 5 through the carburizing gas inlet 13 at a position below the height of the reducing gas inlet 8. Is possible. Thereby, it is possible to reduce the inhibition of the reducing gas Gr from being dispersed in the space 5 by the carburizing gas Gc.
  • Each of the plurality of hollow support portions 12 includes a hollow pipe or the like.
  • the plurality of support parts 12 are distributed at a plurality of locations around the rectification part 11. For example, as shown in FIGS. 1 and 2, the pair of support portions 12 are disposed on both sides of the rectifying portion 11.
  • the carburizing gas discharge port 14 is formed in a portion (specifically, an outer end portion) located outside the main body 2 in these support portions 12.
  • the carburizing gas discharge port 14 is connected to an exhaust pump P2.
  • the internal space of the rectifying unit 11 and the internal space of the support unit 12 are in communication.
  • the discharge path 24 which connects between the carburizing gas inlet 13 and the carburizing gas discharge port 14, and permits distribution
  • the carburizing gas inlet 13 is disposed at a position separated from the carburizing gas inlet 9 by the distance or more.
  • a raw material Pa such as iron ore is introduced into the space part 5 from a raw material inlet 6 at the top of the space part 5, and the interior of the space part 5 is
  • the raw material Pa gradually descends in a dense state, and after being subjected to reduction treatment and carburization treatment, it is discharged as reduced iron Pb from the reduced iron discharge port 7 below the space portion 5.
  • the reducing gas Gr supplied to the inside of the space portion 5 rises inside the space portion 5 and is discharged to the outside as the exhaust gas Ge1 together with other gases from the upper gas discharge port 10 at the top of the space portion 5. . That is, in the shaft furnace (main body 2), the descending raw material Pa and the rising reducing gas Gr form a counter flow, so that efficient heat exchange is realized between the raw material Pa and the reducing gas Gr. Yes.
  • the reduced iron Pb is generated by reducing the iron oxide by giving the reducing gas Gr to the raw material Pa containing iron oxide, and further, the carburized gas containing carbon in the reduced iron Pb.
  • the reduced iron Pb is generated by reducing the iron oxide by giving the reducing gas Gr to the raw material Pa containing iron oxide, and further, the carburized gas containing carbon in the reduced iron Pb.
  • the raw material Pa containing iron oxide is put into the vertically long space portion 5 of the main body 2 made of a shaft furnace for producing reduced iron.
  • the raw material Pa is introduced into the space 5 from the raw material inlet 6.
  • the interior of the space 5 is filled with pellets such as iron ore containing iron oxide as the raw material Pa.
  • the raw material Pa gradually falls in the space part 5 as the reduced iron Pb is discharged from the reduced iron discharge port 7 on the lower side of the space part 5 in a state where the inside of the space part 5 is filled. .
  • a reducing gas Gr such as hydrogen (H 2 ) or carbon monoxide (CO) is introduced into the space portion 5 from the reducing inlet 8 while the raw material Pa is filled in the space portion 5.
  • the reducing gas Gr is at a pressure (for example, about 0.3 to 0.4 MPa) by the pump P1 or the like at a temperature (for example, 700 to 900 degrees) or higher that allows a reduction reaction of iron oxide (500 to 600 degrees). )
  • a reducing gas Gr To be supplied into the space 5 filled with the raw material Pa.
  • iron oxide specifically, Fe 2 O 3
  • reduced iron Pb for example, Fe having a weight ratio of 90% or more
  • the carburizing gas Gc containing carbon is introduced into the space 5 at a position (that is, the carburizing gas inlet 9) lower than the position where the reducing gas Gr is introduced (that is, the reducing gas inlet 8). Carburizing treatment for adding carbon to the reduced iron Pb with the carbon gas Gc is performed.
  • the carburizing gas Gc is a gas containing carbon.
  • methane (CH 4 ) or the like is used as the carburizing gas Gc.
  • the carburizing gas Gc is filled with the raw material Pa by applying pressure (for example, about 0.3 to 0.4 MPa) by the pump P2 or the like in a state where the temperature is lower than the temperature of the reducing gas Gr (for example, about 300 degrees). Supplied to the inside of the space portion 5.
  • the reduction of the carburizing gas Gc inside the space 5 reduces the inhibition of the carburizing gas Gc with respect to the dispersion of the reducing gas Gr. Therefore, the reducing gas Gr introduced into the space portion 5 of the main body 2 from the reducing gas inlet 8 can be uniformly dispersed inside the space portion 5, and the reduction reaction is performed under uniform conditions inside the space portion 5. It becomes possible to do. As a result, it is possible to suppress variation in the reduction rate of the reduced iron Pb.
  • the reduced iron Pb to which carbon is added by the carburizing process is sequentially discharged from the reduced iron discharge port 7 below the space 5.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of comparison using numerical fluid analysis (analysis method will be described in detail later). The graph of FIG. 3 shows the results of numerical fluid analysis performed under the gas conditions shown in Table 1 below.
  • the reduced iron manufacturing apparatus 1 of the present embodiment includes the carburizing gas discharge unit 3 for discharging the gas Ge2 including the carburizing gas inside the space 5 to the outside of the main body 2.
  • the carburizing gas discharge unit 3 includes a carburizing gas inlet 13 for taking in a gas Ge2 containing a carburizing gas disposed at a height equal to or lower than the height of the reducing gas inlet 8 inside the space 5.
  • a carburizing gas outlet 14 for discharging the gas Ge2 including the carburizing gas disposed outside the main body 2 to the outside, and between the carburizing gas inlet 13 and the carburizing gas outlet 14.
  • a discharge passage 24 that allows the flow of the gas Ge2 containing the carburized gas between them.
  • the reduced iron production method of the present embodiment introduces the carbonized gas Gc containing carbon into the space 5 at a position lower than the introduction position of the reducing gas Gr, and carbon is added to the reduced iron Pb by the carbonized gas Gc. While performing the added carburizing process, the gas containing the carburizing gas Gc inside the space part 5 is discharged to the outside of the space part 5 at the same height as the position lower than the introduction position of the reducing gas Gr or lower than that. The process of carrying out.
  • the carburized gas discharge unit 3 is disposed at a height equal to or lower than the height of the reducing gas inlet 8 inside the space 5.
  • the gas containing the carburizing gas Gc inside the space portion 5 is taken in through the carburizing gas intake port 13, and discharged from the carburizing gas discharge port 14 arranged outside the main body 2 through the discharge path 24 to the outside of the main body 2. Is possible. Therefore, the gas containing the carburizing gas Gc inside the space part 5 is discharged to the outside of the space part 5 from the carburizing gas inlet 13 at a position equal to or lower than the introduction position of the reducing gas Gr.
  • the reducing gas Gr introduced into the space portion 5 of the main body 2 from the reducing gas introduction port 8 is made uniform in the space portion 5 by reducing the carburizing gas Gc that is an inhibiting factor for dispersion of the reducing gas Gr. It becomes possible to disperse, and the reduction reaction can be performed under uniform conditions inside the space 5. As a result, it is possible to suppress variation in the reduction rate of the reduced iron Pb. Thereby, even if the space part 5 is enlarged, uniform dispersion
  • the carburizing gas inlet 13 is located below the reducing gas inlet 8
  • the carburizing gas Gc is passed through the carburizing gas inlet 13 through the space portion. 5 can be discharged to the outside.
  • the inhibition of the carburizing gas Gc with respect to the dispersion of the reducing gas can be further reduced, and the uniformity of the dispersion of the reducing gas Gr in the space 5 can be improved.
  • the carburizing gas inlet 13 is located below the carburizing gas inlet 9, the carburizing gas Gc is increased through the carburizing gas inlet 13.
  • the contained gas can be discharged to the outside of the space 5.
  • the inhibition of the carburizing gas Gc with respect to the dispersion of the reducing gas Gr can be further reduced, and the uniformity of the dispersion of the reducing gas Gr in the space 5 can be further improved.
  • the carburizing gas discharge unit 3 is a hollow rectifier that rectifies the reduced iron Pb inside the space 5 in a direction away from the center line C extending in the vertical direction of the space 5. Part 11. Therefore, the carburizing gas discharge part 3 performs reduced iron by the rectification part 11 while exhibiting the original function of the carburizing gas discharge part that discharges the gas Ge2 containing the carburizing gas inside the space part 5 to the outside of the main body 2. It is possible to exert a function as a rectifying insert for adjusting the flow of Pb near the reduced iron discharge port 7. Thereby, it is possible to suppress the increase in the number of parts of the reduced iron manufacturing apparatus 1 provided with the rectifying insert.
  • the carburized gas intake 13 is disposed on the center line C of the space portion 5.
  • the carburizing gas Gc rising near the center of the space part 5 to the outside of the space part 5 effectively by the carburizing gas inlet 13, and the reducing gas Gr Easier to reach near the center. Therefore, it is possible to reliably perform the uniform dispersion of the reducing gas Gr inside the space portion 5, and it is possible to reliably perform the reduction reaction under the uniform conditions inside the space portion 5.
  • the carburized gas Gc near the center of the space part 5 is discharged from the carburized gas inlet 13 to the outside of the space part 5. Therefore, even if the space part 5 is enlarged, the reducing gas Gr easily reaches the vicinity of the center of the space part 5, and uniform distribution of the reducing gas Gr is reliably achieved. This makes it possible to increase the size of the main body 2 (specifically, the shaft furnace), thereby increasing the productivity of reduced iron.
  • the carburizing gas discharging unit 3 having the rectifying unit 11 that functions as a rectifying insert. Is used.
  • a carburizing gas inlet 13 is provided at the lower end of the carburizing gas discharge unit 3. Therefore, the carburizing gas Gc introduced into the furnace from the carburizing gas inlet 9 descends in the furnace and is taken into the exhaust part 3 from the carburizing gas inlet 13 at the lower end of the exhaust part 3. Then, it is discharged out of the furnace through the discharge unit 3.
  • the carburizing gas Gc is mixed with the reducing gas Gr while descending toward the carburizing gas inlet 13, and at the same time absorbs heat from the reducing gas Gr and the reduced iron Pb and is heated to 700 ° C. or higher. .
  • C carbon monoxide
  • CH 4 methane
  • the carbon generation reaction proceeding in the shaft furnace constituting the main body 2 shown in FIG. 1 is mainly the three types of reactions shown in Table 2.
  • the “Beggs reaction” referred to here is a carburization reaction using a mixed gas of H 2 and CO, and refers to a reaction that generates carbon and carbon dioxide from carbon monoxide.
  • the methane cracking reaction is an endothermic reaction and proceeds in a temperature range of 500 ° C. or higher, and particularly rapidly in a high temperature range of 700 ° C. or higher. Therefore, in order to increase the carbon content of reduced iron (that is, to increase the amount of carbon in the reduced iron), a medium / low temperature gas rich in carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) of about 600 to 700 ° C. or 700 It is desirable to make contact with a high-temperature gas rich in methane (CH 4 ) at a temperature of 0 ° C. or higher for a long time.
  • CO carbon monoxide
  • H 2 hydrogen
  • the solution loss reaction and the water gas reaction are inverse reactions of the Butard reaction and the Beggs reaction, respectively, and are endothermic reactions.
  • a reducing gas (CO + H 2 ) and a carburizing gas for example, natural gas mainly containing CH 4
  • a carburizing gas for example, natural gas mainly containing CH 4
  • the mixing ratio of the reducing gas and the carburizing gas is adjusted to about 700 ° C., and the heat generation amount of the Buddhar reaction and the Beggs reaction is balanced with the endothermic amount of the methane cracking reaction.
  • the amount of carbon produced in reduced iron by the above three reactions (Budard reaction, Beggs reaction, and methane cracking reaction) (that is, the amount of produced carbon) is examined from the equilibrium composition. That is, it is possible to calculate from the equilibrium constant the amount of produced carbon that is finally obtained when the reducing gas, natural gas, or a mixed gas of reducing gas and natural gas is allowed to stand.
  • the composition at the time when the Butard reaction, Beggs reaction, and methane cracking reaction were in equilibrium was determined so that all chemical species were included.
  • the equation in Table 4 is used as the fitting equation for the pressure equilibrium constant.
  • the temperature rises to 700 ° C. or more due to the Boudal reaction and the Beggs reaction (exothermic reaction), so the Buard reaction and the Beggs reaction do not proceed immediately, and the amount of carbon produced Is only 1.9 kmol.
  • the temperature is lowered to 600 ° C. or lower due to the methane cracking reaction (endothermic reaction), so that the methane cracking reaction does not proceed immediately and the amount of generated carbon is only 5.8 kmol.
  • the shaft furnace (main body 2 in FIG. 1) from the carburizing gas inlet 13 at the lower end of the carburizing gas discharge unit 3 that functions as a rectifying insert. It is possible to mix the above-mentioned reducing gas and carburizing gas by extracting the gas inside. That is, the carburizing gas supplied from the carburizing gas inlet 9 (for example, natural gas mainly composed of CH 4 ) and the reducing gas supplied from the reducing gas inlet 8 are mixed at the bottom of the shaft furnace while being mixed. The carburized gas inlet 13 is extracted outside the furnace.
  • the carburizing gas supplied from the carburizing gas inlet 9 for example, natural gas mainly composed of CH 4
  • the reducing gas supplied from the reducing gas inlet 8 are mixed at the bottom of the shaft furnace while being mixed.
  • the carburized gas inlet 13 is extracted outside the furnace.
  • the gas mixed at the bottom of the shaft furnace is adjusted by adjusting the temperature and flow rate of the reducing gas and the carburizing gas introduced into the furnace and the flow rate of the gas extracted from the carburizing gas discharge unit 3. It is possible to create a gas in which the Buddhar reaction, Beggs reaction, and methane cracking reaction all proceed simultaneously. This is effective in increasing the carbon content of the reduced iron as in the method of mixing the reducing gas and the carburizing gas and supplying them to the shaft furnace bottom. In addition, the carbon amount can be adjusted.
  • the carburized gas discharge part 3 having the rectifying part 11 functioning as a rectifying insert for adjusting the flow of the reduced iron Pb shown in FIG. 1 is taken as an example.
  • the carburizing gas discharge part of the present invention includes a carburizing gas inlet disposed at a height equal to or lower than the height of the reducing gas inlet 8, and the carburizing inside the space part 5 through the carburizing gas inlet. Any form may be used as long as it is a carburizing gas discharge part having a discharge path for discharging gas including gas Gc to the outside of the main body 2 and a carburizing gas discharge port.
  • a conventional rectifying insert 23 (specifically, the rectifying portion 11 and the support portion 12 described above are included).
  • the carburizing gas discharge part 15 extends in the horizontal direction.
  • the main body 2 may be constituted by a straight tubular member that penetrates the side wall 2a.
  • Other configurations of the reduced iron manufacturing apparatus 1 shown in FIGS. 4 to 5 are the same as the configurations of the reduced iron manufacturing apparatus 1 shown in FIGS.
  • the carburizing gas discharge part 15 is arranged at a height position between the reducing gas inlet 8 and the carburizing gas inlet 9.
  • the carburizing gas discharge part 15 comprised by the straight tubular member is the same as the carburizing gas discharge part 3 (refer FIG. 1), the carburizing gas inlet 16, the carburizing gas outlet 17, and discharge
  • a path 25 is formed.
  • the carburizing gas inlet 16 shown in FIGS. 4 to 5 is formed so as to open downward on the peripheral wall of the straight tubular member constituting the carburizing gas discharge part 15.
  • the carburizing gas inlet 16 is arranged at a height equal to or lower than the height of the reducing gas inlet 8 as in the case of the carburizing gas inlet 13 (see FIG. 1).
  • the carburized gas inlet 16 is located below the reducing gas inlet 8.
  • the carburizing gas intake 16 is disposed on the center line C of the space portion 5.
  • the carburizing gas discharge port 17 is formed in a portion (specifically, both ends on the outside) of the straight tubular member constituting the carburizing gas discharge unit 15 located outside the main body 2.
  • the carburizing gas discharge port 17 is connected to an exhaust pump P2.
  • the discharge path 25 is formed by an internal space of a straight tubular member constituting the carburized gas discharge portion 15.
  • the gas Ge2 including the carburizing gas Gc introduced from the carburizing gas inlet 16 into the carburizing gas discharge unit 15 passes through the discharge passage 25 inside the carburizing gas discharge unit 15 and discharges the carburizing gas. It is discharged to the outside of the main body 2 through the carburizing gas discharge ports 17 at both ends of the portion 15.
  • the carburizing gas discharge portion 15 made of a straight tubular member extends in the horizontal direction and penetrates the side wall 2a of the main body 2, and the carburizing gas intake 16 is the straight tubular member. Therefore, the gas Ge2 including the carburizing gas Gc inside the space 5 can be discharged from the side portion of the main body 2 to the outside of the main body 2 through the carburizing gas discharge portion 15. Therefore, it is possible to discharge the gas at a position lower than the top wall of the main body 2, and it is easy to install a pipe for discharging the gas Ge2.
  • the carburizing gas discharge section 15 of FIG. 4 has the above-described features (1) to (2) and (5) to (6) as in the case of the carburizing gas discharge section 3 of FIG. It is possible to play.
  • the modified iron adopting the carburizing gas discharge unit 15 formed of a pipe extending in the lateral direction is also used to reduce the above-mentioned reduced iron while removing the gas Ge2 containing the carburizing gas Gc from the carburizing gas inlet 13.
  • the graph of FIG. 6 shows the result of comparison between the case where the manufacturing method is carried out and the case where the reduced iron production method is carried out without removing the gas Ge2 using numerical fluid analysis (the analysis method will be described in detail later). Shown (see Table 1 above for gas conditions).
  • the reduced iron production method is performed while extracting the gas Ge2 containing the carburized gas Gc from the carburized gas inlet 16 shown in FIG. 4 at a predetermined pressure (0.3 MPa).
  • a predetermined pressure 0.3 MPa
  • the reducing gas ratio a at the furnace center axis is over the entire height h of the shaft furnace (main body 2) as compared with the case where the carburizing gas intake 16 is not withdrawn (curve L21). It can be seen that the improvement is about 2 to 3 times.
  • the carburized gas discharge portion 18 is formed by a straight tubular member that extends in the vertical direction and penetrates the top wall 2 b of the main body 2. It may be configured.
  • the other configuration of the reduced iron manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 7 is the same as that of the reduced iron manufacturing apparatus 1 shown in FIGS.
  • the carburizing gas discharge part 18 comprised by the straight tubular member is the same as the carburizing gas discharge part 3 (refer FIG. 1), the carburizing gas intake port 19, the carburizing gas discharge port 20, and discharge
  • a path 26 is formed.
  • the carburized gas discharge portion 18 passes through the top wall 2 b of the main body 2 and is disposed along the center line C of the space portion 5.
  • the carburizing gas intake 19 is formed at the lower end of a straight tubular member constituting the carburizing gas discharge part 18.
  • the carburizing gas inlet 19 is disposed at a height position between the reducing gas inlet 8 and the carburizing gas inlet 9 on the center line C of the space 5.
  • the carburizing gas discharge port 20 is formed in a portion (specifically, an upper end) located outside the main body 2 in the upper part of the straight tubular member constituting the carburizing gas discharge unit 18.
  • the carburizing gas discharge port 20 is connected to an exhaust pump P2.
  • the discharge path 26 is formed by the internal space of the straight tubular member.
  • the gas Ge2 including the carburizing gas Gc introduced from the carburizing gas inlet 19 into the carburizing gas discharge unit 18 passes through the discharge path 26 of the carburizing gas discharge unit 18 and is supplied to the carburizing gas discharge unit 15. It is discharged to the outside of the main body 2 through the carburizing gas discharge port 20 at the upper end.
  • the carburizing gas discharge portion 18 made of a straight tubular member extends in the vertical direction and penetrates the top wall 2 b of the main body 2, and the carburizing gas inlet 19 is the lower end of the straight tubular member. Therefore, the gas containing the carburizing gas Gc inside the space part 5 can be discharged from the upper part of the main body 2 to the outside of the space part 5 through the carburizing gas discharge part 18. This eliminates the need for an installation space for the carburizing gas discharge portion 18 around the side of the main body 2, and further reduces the area occupied by the carburizing gas discharge portion 18 in the horizontal direction inside the space portion 5. is there.
  • the carburizing gas discharge section 18 of FIG. 7 also has the functions and effects (1) to (2) and (5) to (6) as in the case of the carburizing gas discharge section 3 of FIG. It is possible.
  • FIG. 8 is a graph showing the result of comparing the case where the reduced iron production method is carried out without removing the gas Ge2 using numerical fluid analysis (the analysis method will be described in detail later). (See Table 1 above for gas conditions).
  • the above reduced iron production method is carried out while extracting the gas Ge2 containing the carburizing gas Gc from the carburizing gas inlet 19 shown in FIG. 7 at a predetermined pressure (0.35 MPa).
  • the reducing gas ratio a at the furnace center axis is over the entire height h of the shaft furnace (main body 2) as compared with the case where the reduction gas is not removed from the carburizing gas inlet 19 (curve L31). It can be seen that the improvement is about 2 to 3 times.
  • the carburizing gas inlet of the carburizing gas discharge unit may be disposed on the inner peripheral surface of the main body 2 constituting the space 5.
  • the carburizing gas inlets 13 are arranged on the inner peripheral surface of the main body 2 constituting the space portion 5, so that the arrangement is easy, and the number and size of the carburizing gas inlets are reduced. It is easy to increase.
  • the space which a carburizing gas discharge part occupies inside the space part 5 is reduced, a possibility that the carburizing gas discharge part may inhibit the flow of the raw material Pa inside the space part 5 is reduced.
  • the carburetor gas intakes may be disposed, it is preferable that at least one carburetor gas intake port is disposed on the center line C of the space portion 5.
  • a substance has three states: solid, liquid, and gas. Among these, the liquid and gas are collectively referred to as a fluid.
  • Computational fluid analysis is solving fluid flow by numerical analysis.
  • a fluid flow is a physical movement of a fluid.
  • Ordinary fluid motion is described by a governing equation called the Navier-Stokes equation, which can be solved analytically and numerically by solving it together with a continuity equation that is a law of conservation of mass.
  • Navier-Stokes equation which can be solved analytically and numerically by solving it together with a continuity equation that is a law of conservation of mass.
  • numerical solution was obtained, and numerical analysis was carried out by an analysis method based on the finite volume method, which is a method widely used in commercial fluid analysis software.
  • Turbulent model Since gas mixing in the packed bed is caused by turbulent diffusion of gas, it is important to select a turbulent model for fluid analysis in the packed bed. Various turbulence models have been developed, but most of them are models that were developed to reproduce the turbulent characteristics of the space. Select a model that can reproduce the turbulent behavior in the packed bed. There is a need.
  • the turbulence model is roughly divided into three types: “Reynolds average Navier-Stokes model (RANS)”, “Large eddy simulation (LES)”, and “Direct numerical simulation (DNS)”.
  • RANS has low accuracy but low calculation load
  • DNS has high accuracy but high calculation load. Since it is sufficient to know the behavior of time average for industrial studies, and the calculation time and computer resources are limited, this time, we will improve the standard k- ⁇ model, which is a turbulent model widely used in RANS. A version of the k-lm model is used.
  • the k-lm model is characterized in that the standard k- ⁇ model is changed in the normal space region and the model is changed as follows in the packed bed portion.
  • ⁇ porosity
  • d p particle diameter
  • ⁇ g gas viscosity coefficient
  • ⁇ g gas density
  • the reduced iron production apparatus of the present embodiment is an apparatus for producing reduced iron by reducing the iron oxide by giving a reducing gas to a raw material containing iron oxide, and is a main body of the reduced iron production apparatus, A vertically long space that can accommodate the raw material, an upper side formed in the space, a raw material inlet for charging the raw material into the space, and a lower side in the space, the space A reduced iron discharge port for discharging the reduced iron inside to the outside, a reducing gas inlet port provided below the raw material charging port, for introducing the reducing gas into the space, and A carburizing gas inlet for introducing a carburizing gas containing carbon for performing a carburizing process to add carbon to the reduced iron, into the space portion, provided below the reducing gas inlet; Formed above the reducing gas inlet And a main body having an upper gas discharge port for discharging the gas inside the space portion to the outside of the space portion, and discharges the gas containing the carburized gas inside the space portion to the outside of the main body.
  • the carburizing gas discharge part is provided, and the carburizing gas discharge part is disposed at a height equal to or lower than the height of the reducing gas inlet inside the space part.
  • the reduced iron manufacturing apparatus includes the carburizing gas discharge unit that discharges the gas containing the carburizing gas inside the space part to the outside of the main body.
  • This carburizing gas discharge part has a carburizing gas inlet arranged at a height equal to or lower than the height of the reducing gas inlet inside the space. It is possible to take in the gas containing the carburizing gas inside the space through this carburizing gas inlet and discharge it to the outside of the main body from the carburizing gas discharge port arranged outside the main body through the discharge path.
  • the reducing gas introduced into the space portion of the main body from the reducing gas inlet can be uniformly dispersed inside the space portion by reducing the carburizing gas that is an obstacle to the dispersion of the reducing gas.
  • the reduction reaction can be performed under uniform conditions inside the space. As a result, it is possible to suppress variation in the reduction rate of reduced iron.
  • the carburizing gas inlet is located below the reducing gas inlet.
  • the carburizing gas inlet is located below the carburizing gas inlet.
  • a gas containing a large amount of the carburizing gas can be discharged to the outside of the space through the carburizing gas inlet at a position below the carburizing gas inlet.
  • the inhibition of the carburizing gas with respect to the dispersion of the reducing gas can be further reduced, and the uniformity of the dispersion of the reducing gas inside the space can be further improved.
  • the said carburizing gas discharge part is arrange
  • a hollow support portion that penetrates the side wall of the main body and supports the rectification portion inside the space portion, and the carburizing gas intake is formed in the rectification portion.
  • the carburizing gas discharge port is formed in a portion of the support portion located outside the main body, and the discharge path is formed by an internal space of the rectification portion and the support portion.
  • the carburizing gas discharge part has the hollow rectification part that rectifies the reduced iron inside the space part in a direction away from the center line extending in the vertical direction of the space part. Therefore, the rectifying insert that adjusts the flow of reduced iron near the reduced iron discharge port by the rectifying unit while demonstrating the original function of the carburizing gas discharging unit that discharges the gas containing the carburizing gas inside the space to the outside of the main body It is possible to exert the function as. Thereby, it is possible to suppress the increase in the number of parts of the reduced iron manufacturing apparatus provided with the rectifying insert.
  • the carburizing gas discharge portion is configured by a straight tubular member extending in a horizontal direction and penetrating the side wall of the main body, and the carburizing gas intake is formed on a peripheral wall of the straight tubular member,
  • the carburizing gas discharge port may be formed in a portion of the straight tubular member located outside the main body, and the discharge path may be formed by an internal space of the straight tubular member.
  • the carburizing gas discharge portion made of a straight tubular member extends in the horizontal direction and penetrates the side wall of the main body, and the carburizing gas intake is formed on the peripheral wall of the straight tubular member. Therefore, it is possible to discharge the gas containing the carburizing gas inside the space part from the side part of the main body to the outside of the main body through the carburizing gas discharge part, and the discharge of the gas is lower than the top wall of the main body. This makes it easy to install piping for discharging the gas.
  • the carburizing gas discharge portion is configured by a straight tubular member extending in a vertical direction and penetrating the top wall of the main body, and the carburizing gas intake is formed at a lower end of the straight tubular member,
  • the carburizing gas discharge port may be formed in a portion of the upper portion of the straight tubular member located outside the main body, and the discharge path may be formed by an internal space of the straight tubular member.
  • the carburizing gas discharge portion made of a straight tubular member extends in the vertical direction and penetrates the top wall of the main body, and the carburizing gas intake is formed at the lower end of the straight tubular member. Therefore, it is possible to discharge the gas containing the carburized gas inside the space part from the upper part of the main body to the outside of the space part through the carburized gas discharge part. Thereby, the installation space of the carburizing gas discharge part becomes unnecessary around the side of the main body. Moreover, it is possible to reduce the area occupied by the carburized gas discharge part in the horizontal direction inside the space part.
  • the carburizing gas intake is disposed on a center line extending in the vertical direction of the space portion.
  • the carburizing gas intake may be disposed on an inner peripheral surface of the main body constituting the space portion.
  • the carburizing gas inlet is disposed on the inner peripheral surface of the main body constituting the space portion, the carburizing gas inlet is easily arranged. It is also easy to increase the number and size of the carburizing gas intakes. Moreover, since the space which a carburizing gas discharge part occupies inside a space part is reduced, a possibility that the carburizing gas discharge part may inhibit the flow of the raw material inside a space part is reduced.
  • the carburized gas intake port is opened downward.
  • the reduced iron production method of the present embodiment is a reduced iron production method for producing reduced iron by reducing the iron oxide by supplying a reducing gas to the raw material containing iron oxide, wherein the raw material is reduced to reduced iron.
  • a step of introducing into a vertically long space for manufacturing; a step of introducing a reducing gas into the space and reducing the iron oxide by the reducing gas to generate reduced iron; and a position of introducing the reducing gas A carbonization gas containing carbon is introduced into the space at a lower position, and the carbonization is performed by adding carbon to the reduced iron by the carburizing gas, and at a position lower than the introduction position of the reducing gas. And discharging the gas containing the carburized gas inside the space part to the outside of the space part at a height equal to or lower than that of the space part.
  • a carburizing process is performed in which a carburizing gas containing carbon is introduced into the space at a position lower than the introduction position of the reducing gas, and carbon is added to the reduced iron by the carburizing gas.
  • the gas containing the carburized gas inside the space is discharged to the outside of the space at the same height as or lower than the height of the position where the reducing gas is introduced.

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Abstract

還元ガスおよび加炭ガスを連続的に供給して炭素が付加された還元鉄を製造するときに、還元ガスによる酸化鉄の還元反応が加炭ガスによって抑制されることを防ぐことが可能な還元鉄製造装置（１）および還元鉄製造方法を提供する。還元鉄製造装置（１）は、酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより酸化鉄を還元して還元鉄を製造する。還元鉄製造装置（１）は、本体（２）と、加炭ガス排出部（３）とを備えている。本体（２）は、還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うための炭素を含有する加炭ガスを空間部（５）内部に導入するための加炭ガス導入口（９）を有する。加炭ガス導入口（９）は、還元ガス導入口（８）よりも下側に設けられている。加炭ガス排出部（３）は、還元ガス導入口（８）の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガス取入口（１３）を有し、当該加炭ガス取入口（１３）を通して空間部（５）内部の加炭ガスを含むガスを空間部（５）の外部へ排出する。

Description

還元鉄製造装置および還元鉄製造方法
　本発明は、還元ガスを用いて酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造装置および還元鉄製造方法に関する。
　鉄鉱石などの原料に含まれる酸化鉄を還元して鉄を取り出すために、従来では竪型炉（シャフト炉）を用いた直接還元製鉄プロセスが行われる。
　特許文献１～２に記載されるシャフト炉は、縦長の空間部と、当該空間部の上部に形成された鉄鉱石などの原料の原料投入口と、当該空間部の下部に形成された還元処理後の還元鉄を排出する還元鉄排出口を有する。
　さらに、シャフト炉は、還元ガス導入口と、ガス排出口とを有する。還元ガス導入口は、原料投入口と還元鉄排出口との間に設けられ、酸化鉄を還元する能力を持った還元ガス（例えば、水素や一酸化炭素など）を空間部に供給する。ガス排出口は、空間部の上部に形成され、当該空間部内部のガスを外部へ排出する。ガス排出口には、排気用のポンプが設けられる。
　上記のシャフト炉では、鉄鉱石などの原料が当該シャフト炉の上部の原料投入口から空間部へ投入される。空間部内部が原料で密になった状態で、還元ガス導入口から空間部に供給された還元ガスによって鉄鉱石に含まれる酸化鉄が還元されて還元鉄が製造される。還元鉄は、シャフト炉の下部の還元鉄排出口から排出される。空間部内部の還元処理後のガスは、空間部上部のガス排出口からポンプによって強制的に空間部から排出される。
　近年、シャフト炉では、還元鉄が製造された後に、還元鉄に炭素を添加する加炭処理を行って成分調整をするために、炭素を含む加炭ガス（メタンなど）をシャフト炉に供給することが行われる。加炭ガスを空間部に導入するための加炭ガス導入口は、還元ガス導入口の高さよりも低い位置に配置される。これにより、還元ガスによる還元処理によって得られた還元鉄に対して加炭ガスを吹き付けて加炭処理を施すことが可能である。
　空間部内部に導入された還元ガスおよび加炭ガス、ならびに空間部内部の処理で発生したガスは、空間部内部を上昇して、空間部上部のガス排出口から空間部の外部へ強制的に排出される。
　しかし、シャフト炉内の空間部に還元ガスおよび加炭ガスの２種類のガスを導入した場合、加炭ガスがシャフト炉の空間部を上昇して、還元ガス導入口の高さまで到達する。そのときに、当該加炭ガスが、還元ガス導入口から供給される還元ガスが空間部内部で分散することを阻害するおそれがある。
　例えば、加炭ガスが空間部を上昇して還元ガス導入口の高さの位置において空間部の中心部（具体的には、空間部の水平断面における中心部）付近に集まっている場合には、還元ガスは当該中心部付近に到達しにくくなる。これにより、当該中心部付近における酸化鉄の還元反応が部分的に抑制される。その結果、空間部内部で均一な条件で還元反応が行われないことによって、還元鉄の還元率のばらつきが生じるおそれがある。とくに空間部内部が原料で密になった状態では、還元ガスおよび加炭ガスを空間部内部に送り込むことが難しいので、空間部内部で加炭ガスが存在する領域と還元ガスが存在する領域とが分離しやすくなる。
　また、還元ガスによる酸化鉄の還元反応は、シャフト炉の空間部内部の温度が高い方が促進される傾向がある。しかし、加炭ガスの温度（３００度程度）は還元ガスの温度（７００～９００度程度）よりも通常低いので、加炭ガスが集まる空間部内部の場所では温度が上昇しにくくなり、還元反応が抑制される。
　とくに、近年、シャフト炉の大型化、すなわち、炉径を大きくすることが求められている。炉径が大きくなると、さらに還元ガスがシャフト炉の中心部に到達しにくくなって、上記の現象が顕著に発生する。したがって、炉径を大きくしても、還元ガスがシャフト炉の中心部領域に届く割合を増やすことが重要な課題となっている。
特開 昭５３－１６０６号公報 特公 昭５７－１９１６４号公報
　本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、還元ガスおよび加炭ガスを連続的に供給して炭素が付加された還元鉄を製造するときに、還元ガスによる酸化鉄の還元反応が加炭ガスによって抑制されることを防ぐことが可能な還元鉄製造装置および還元鉄製造方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するためのものとして、本発明は、酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造装置であって、前記還元鉄製造装置の本体であって、前記原料が収容可能な縦長の空間部と、前記空間部における上側に形成され、前記原料を前記空間部に投入するための原料投入口と、前記空間部における下側に形成され、前記空間部内部の前記還元鉄を外部に排出するための還元鉄排出口と、前記原料投入口よりも下側に設けられ、前記還元ガスを前記空間部内部に導入するための還元ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも下側に設けられ、前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うための炭素を含有する加炭ガスを前記空間部内部に導入するための加炭ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも上側に形成され、前記空間部内部のガスを前記空間部の外部へ排出する上部ガス排出口とを有する本体とを備えており、前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記本体の外部へ排出するための加炭ガス排出部とを備えており、前記加炭ガス排出部は、前記空間部内部において前記還元ガス導入口の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された前記加炭ガスを含むガスを取り入れるための加炭ガス取入口と、前記本体の外部に配置された当該加炭ガスを含むガスを当該外部へ排出するための加炭ガス排出口と、前記加炭ガス取入口と前記加炭ガス排出口との間を連通してこれらの間の前記加炭ガスを含むガスの流通を許容する排出路とを形成する、ことを特徴とする。
　さらに、本発明の還元鉄製造方法は、酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造方法であって、前記原料を、還元鉄製造用の縦長の空間部の内部へ投入する工程と、前記空間部に還元ガスを導入して当該還元ガスによって前記酸化鉄を還元して還元鉄を生成する工程と、前記還元ガスの導入位置よりも低い位置において前記空間部に炭素を含む加炭ガスを導入して当該加炭ガスによって前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うとともに、前記還元ガスの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記空間部の外部へ排出する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の実施形態である還元鉄製造装置の全体構成を示す断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図１の還元鉄製造装置を用いて還元鉄を製造した場合のシャフト炉の高さｈと当該シャフト炉の中心軸における還元ガス割合ａとの関係を示すグラフである。 本発明の変形例である還元鉄製造装置の全体構成を示す断面図である。 図４のＶ－Ｖ線断面図である。 図４の還元鉄製造装置を用いて還元鉄を製造した場合のシャフト炉の高さｈと当該シャフト炉の中心軸における還元ガス割合ａとの関係を示すグラフである。 本発明の他の変形例である還元鉄製造装置の全体構成を示す断面図である。 図７の還元鉄製造装置を用いて還元鉄を製造した場合のシャフト炉の高さｈと当該シャフト炉の中心軸における還元ガス割合ａとの関係を示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら本発明の還元鉄製造装置および還元鉄製造方法の実施形態についてさらに詳細に説明する。
　図１～２に示される還元鉄製造装置１は、酸化鉄を含む原料Ｐａに還元ガスＧｒを与えることにより当該酸化鉄を還元して還元鉄Ｐｂを生成し、さらに当該還元鉄Ｐｂに炭素を含む加炭ガスＧｃを与えることにより還元鉄Ｐｂに炭素を添加することにより、炭素が添加された還元鉄Ｐｂを製造する装置である。この還元鉄製造装置１は、本体２と、加炭ガス排出部３とを備えている。加炭ガス排出部３は、空間部５内部の加炭ガスを含むガスＧｅ２を本体２の外部へ排出するための構成要素である。当該加炭ガス排出部３は、本体２内部において還元ガスＧｒの導入位置の高さ以下の位置で加炭ガスＧｃの一部を本体２外部に排出する。これにより、本体２内部における還元ガスＧｒの均一な分散が達成される。還元鉄製造装置１の具体的な構成は以下のとおりである。
　本体２は、既存のシャフト炉（竪型炉）が用いられる。具体的には、本体２は、縦長の炉であり、例えば、縦長でかつ下方に開放された筒体で構成されている。具体的には、本体２は、筒状の側壁２ａと、当該側壁２ａの上端を塞ぐ天壁２ｂとを有している。
　本体２は、原料Ｐａが収容可能な縦長の空間部５と、当該空間部５に連通する開口として、原料投入口６と、還元鉄排出口７と、還元ガス導入口８と、加炭ガス導入口９と、上部ガス排出口１０と、を有する。
　原料投入口６は、粒状の原料Ｐａ（例えば、粒状のペレット）を空間部５に投入するための投入口である。原料投入口６は、空間部５における上側の位置に形成され、例えば、本体２の天壁２ｂを貫通して複数の管が貫通して形成されている。原料Ｐａは、原料投入口６を通して空間部５の内部に密に充填される。
　還元鉄排出口７は、空間部５内部の還元鉄Ｐｂ（例えば、粒状のペレット）を当該空間部５の外部に排出するための排出口である。還元鉄排出口７は、空間部５における下側の位置に形成され、例えば、本体２の側壁２ａの下端に開口する下向きの開口によって形成されている。
　還元ガス導入口８は、還元ガスＧｒを空間部５内部に導入するための導入口である。還元ガス導入口８は、原料投入口６よりも下側に設けられている。還元ガス導入口８は、例えば、本体２の側壁２ａに少なくとも１つ、具体的には、側壁２ａに沿って等間隔に複数個所に形成されている。還元ガス導入口８には、ポンプを用いて還元ガスＧｒが供給される。例えば、後述の排気用のポンプＰ１によって本体２の上部ガス排出口１０から強制的に排出されたガスＧｅ１と天然ガスとの混合ガスが、本体２の外部の改質器によって改質されることにより、還元ガスＧｒが生成される。この還元ガスＧｒは、上記のポンプＰ１の圧力を利用して還元ガス導入口８から本体２の内部に供給される。還元ガス導入口８から空間部５内部に導入された還元ガスＧｒによって、空間部５内部の原料Ｐａに含まれる酸化鉄が還元されて還元鉄Ｐｂが生成される。
　加炭ガス導入口９は、加炭ガスＧｃを空間部５内部に導入するための導入口である。加炭ガスＧｃは、上記の酸化鉄の還元反応で得られた還元鉄Ｐｂに炭素を加える加炭処理を行うためのガスであり、炭素を含有する。加炭ガス導入口９は、還元ガス導入口８よりも下側に設けられている。加炭ガス導入口９も、上記還元ガス導入口８と同様に、例えば、本体２の側壁２ａに少なくとも１つ、具体的には、側壁２ａに複数個所に形成されている。加炭ガス導入口９には、ポンプを用いて加炭ガスＧｃが供給される。例えば、後述の排気用のポンプＰ２によって加炭ガス排出部３の加炭ガス排出口１４から強制的に排出された加炭ガスを含むガスＧｅ２と天然ガスとを混合することにより、加炭ガスＧｃが生成される。この還元ガスＧｃは、上記のポンプＰ２の圧力を利用して加炭ガス導入口９から本体２の内部に供給される。
　上部ガス排出口１０は、空間部５内部のガスＧｅ１を空間部５の外部へ排出する排出口である。上部ガス排出口１０は、還元ガス導入口８よりも上側に形成され、例えば、原料投入口６近くの本体２の側壁２ａに形成されている。上部ガス排出口１０には、排気用のポンプＰ１が接続されている。上記の空間部５内部のガスＧｅ１は、例えば、空間部５内部に導入された還元ガスＧｒおよび加炭ガスＧｃ、ならびに空間部５内部の処理で発生したガスなどを含んでおり、ガスＧｅ１は、空間部５内部を上昇して、上部ガス排出口１０から空間部５の外部へ強制的に排出される。
　加炭ガス排出部３は、空間部５内部の加炭ガスを含むガスＧｅ２を本体２の外部へ排出するために、加炭ガス取入口１３と、加炭ガス排出口１４と、排出路２４とを形成する。加炭ガス取入口１３は、加炭ガスを含むガスＧｅ２を取り入れるための開口であり、還元ガス導入口８の高さ以下の位置に配置されている。加炭ガス排出口１４は、当該加炭ガスを含むガスを本体２の外部へ排出するための開口であり、本体２の外部に配置されている。排出路２４は、加炭ガス取入口１３と加炭ガス排出口１４との間を連通してこれらの間の加炭ガスを含むガスの流通を許容する。
　本実施形態の加炭ガス排出部３は、空間部５内部の還元鉄排出口７付近に配置され、還元鉄Ｐｂの流れを還元鉄排出口７付近で整える整流用インサートとして機能するように構成されている。具体的には、この加炭ガス排出部３は、還元鉄Ｐｂを空間部５の垂直方向に延びる中心線Ｃから離れる方向へ整流する中空の整流部１１と、本体２の側壁２ａを貫通して当該整流部１１を空間部５内部に支持する複数の中空の支持部１２とを有する。
　整流部１１は、中空体であり、上方に突出する円錐状の上部分と下方に突出する円錐状の下部分とを垂直方向に重ね合わせた形状、すなわち、上端から下へ向かうにつれて横幅が大きくなり、最大の横幅になった位置からさらに下へ向かうにつれて横幅が小さくなる形状であり、いわば紡錘形状を有する。空間部５の内部を下降する粒状の還元鉄Ｐｂは、整流部１１の上部分によって空間部５の径外方向へ分散され、空間部５の垂直方向に延びる中心線Ｃから離れる方向へ整流される。その後、還元鉄Ｐｂは、当該整流部１１の下部分とシャフト炉からなる本体２の内壁との間に形成された環状の隙間を通って還元鉄排出口７から排出される。
　本実施形態の加炭ガス取入口１３は、整流部１１に形成され、具体的には、整流部１１の下端部において下向きに開口するように形成されている。この加炭ガス取入口１３は、還元ガス導入口８および加炭ガス導入口９の両方よりも下側に位置している。しかも、加炭ガス取入口１３は、空間部５の垂直方向に延びる中心線Ｃ上に配置されている。
　加炭ガス取入口１３の高さ位置は、還元ガス導入口８の高さ位置と同じかそれより低ければよい。このような高さ位置であれば、加炭ガス取入口１３を通して、還元ガス導入口８の高さ以下の位置で空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを空間部５の外部へ排出することが可能である。それによって、還元ガスＧｒが空間部５内部で分散することを加炭ガスＧｃによって阻害されることを低減することが可能である。
　複数の中空の支持部１２のそれぞれは、中空のパイプなどからなる。複数の支持部１２は、整流部１１の周囲において、複数個所に分散して配置されている。例えば、図１～２に示されるように、一対の支持部１２は、整流部１１の両側に配置されている。
　加炭ガス排出口１４は、これらの支持部１２における本体２の外部に位置する部分（具体的には、外側端部）に形成されている。加炭ガス排出口１４は、排気用のポンプＰ２に接続されている。
　整流部１１の内部空間と支持部１２の内部空間とは連通している。これらの整流部１１および支持部１２の内部空間によって、加炭ガス取入口１３と加炭ガス排出口１４との間を連通して加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２の流通を許容する排出路２４が形成されている。
　なお、加炭ガス導入口９から空間部５の内部に導入された加炭ガスＧｃが当該加炭ガス取入口１３に到達するまでに還元鉄Ｐｂに炭素を添加する反応を完了するための距離を確保するために、加炭ガス取入口１３は、加炭ガス導入口９から当該距離以上離れた位置に配置されているのが好ましい。
　上記のシャフト炉からなる本体２の空間部５の内部では、鉄鉱石などの原料Ｐａは、空間部５上部の原料投入口６から空間部５内部に投入され、当該空間部５の内部を当該原料Ｐａが密集した状態で徐々に下降して、還元処理および加炭処理が施された後に還元鉄Ｐｂとして空間部５下部の還元鉄排出口７から排出される。一方、空間部５の内部に供給された還元ガスＧｒは、空間部５の内部を上昇して空間部５の上部の上部ガス排出口１０から他のガスとともに排気ガスＧｅ１として外部へ排出される。すなわちシャフト炉（本体２）内では、下降する原料Ｐａと上昇する還元ガスＧｒとがいわば対向流を形成するので、当該原料Ｐａと還元ガスＧｒとの間で効率的な熱交換を実現している。
　つぎに、上記構成を有する還元鉄製造装置１を用いた還元鉄製造方法について説明する。
　本実施形態の還元鉄製造方法では、酸化鉄を含む原料Ｐａに還元ガスＧｒを与えることにより当該酸化鉄を還元して還元鉄Ｐｂを生成し、さらに当該還元鉄Ｐｂに炭素を含む加炭ガスＧｃを与えることにより還元鉄Ｐｂに炭素を添加することにより、炭素が添加された還元鉄Ｐｂを製造する。
　具体的には、まず、酸化鉄を含む原料Ｐａを、還元鉄製造用のシャフト炉からなる本体２の縦長の空間部５の内部へ投入する。具体的には、原料Ｐａを原料投入口６から空間部５の内部に投入する。空間部５の内部は、原料Ｐａである酸化鉄を含む鉄鉱石などのペレットが満たされた状態になっている。原料Ｐａは、空間部５の内部を満たした状態で、空間部５の下側の還元鉄排出口７から還元鉄Ｐｂが排出されるにしたがって、空間部５の内部を徐々に下降していく。
　そして、原料Ｐａが空間部５の内部に満たされた状態で、空間部５に水素（Ｈ２）や一酸化炭素（ＣＯ）などの還元ガスＧｒを還元性導入口８から導入する。還元ガスＧｒは、酸化鉄の還元反応が可能な温度（５００～６００度）以上の温度（例えば、７００～９００度）の状態で、ポンプＰ１などによって圧力（例えば０．３～０．４ＭＰａ程度）をかけて原料Ｐａが満たされた空間部５の内部に供給される。当該還元ガスＧｒによって、酸化鉄（具体的にはＦｅ２Ｏ３）は還元されて、還元鉄Ｐｂ（例えば、重量比ではＦｅが９０％以上のもの）が生成される。
　このとき、還元ガスＧｒの導入位置（すなわち、還元ガス導入口８）よりも低い位置（すなわち、加炭ガス導入口９）において空間部５に炭素を含む加炭ガスＧｃを導入して当該加炭ガスＧｃによって還元鉄Ｐｂに炭素を加える加炭処理を行う。
　加炭ガスＧｃは、炭素を含むガスであり、例えば、メタン（ＣＨ４）などが加炭ガスＧｃとして用いられる。加炭ガスＧｃは、上記の還元ガスＧｒの温度よりも低い温度（例えば３００度程度）の状態で、ポンプＰ２などによって圧力（例えば０．３～０．４ＭＰａ程度）をかけて原料Ｐａが満たされた空間部５の内部に供給される。
　上記のように加炭処理を行うとともに、還元ガスＧｒの導入位置よりも低い位置にある加炭ガス取入口１３から空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を空間部５の外部へ排出する。このように空間部５内部の加炭ガスＧｃが減少することによって、還元ガスＧｒの分散に対する加炭ガスＧｃの阻害が低減する。よって、還元ガス導入口８から本体２の空間部５に導入された還元ガスＧｒは、空間部５内部で均一に分散することが可能になり、空間部５内部で均一な条件で還元反応が行うことが可能になる。その結果、還元鉄Ｐｂの還元率のばらつきを抑えることが可能である。
　加炭処理によって炭素が添加された還元鉄Ｐｂは、空間部５の下側の還元鉄排出口７から順次排出される。
　以上のように、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を加炭ガス取入口１３から抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合と、当該ガスＧｅ２を抜かないで還元鉄製造方法を実施した場合とを数値流体解析（解析手法は後段で詳述する）を用いて比較した結果を図３のグラフに示す。この図３のグラフは、以下の表１に示されるガス条件の下で数値流体解析を行った結果が示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記の図３のグラフによれば、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を加炭ガス取入口１３から所定の圧力（０．３５ＭＰａ）で抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合（曲線Ｌ１２）の炉中心軸（具体的には、図１の空間部５の中心線Ｃ）における還元ガス割合ａは、当該加炭ガス取入口１３からガスＧｅ２を抜かない場合（曲線Ｌ１１）と比較して、シャフト炉（すなわち、本体２）の高さｈの全体にわたって、約４倍程度向上していることがわかる。
　（本実施形態の特徴）
　（１）
　上記のように、本実施形態の還元鉄製造装置１は、空間部５内部の加炭ガスを含むガスＧｅ２を本体２の外部へ排出するための加炭ガス排出部３を備えている。この加炭ガス排出部３は、空間部５内部において還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガスを含むガスＧｅ２を取り入れるための加炭ガス取入口１３と、本体２の外部に配置された当該加炭ガスを含むガスＧｅ２を当該外部へ排出するための加炭ガス排出口１４と、加炭ガス取入口１３と加炭ガス排出口１４との間を連通してこれらの間の加炭ガスを含むガスＧｅ２の流通を許容する排出路２４とを形成する。
　さらに、本実施形態の還元鉄製造方法は、還元ガスＧｒの導入位置よりも低い位置において空間部５に炭素を含む加炭ガスＧｃを導入して当該加炭ガスＧｃによって還元鉄Ｐｂに炭素を加える加炭処理を行うとともに、還元ガスＧｒの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを空間部５の外部へ排出する工程を含む。
　これらの本実施形態の還元鉄製造装置１および還元鉄製造方法によれば、加炭ガス排出部３は、空間部５内部において還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガス取入口１３を通して、空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを取り入れ、排出路２４を通して本体２の外部に配置された加炭ガス排出口１４から本体２の外部へ排出することが可能である。したがって、還元ガスＧｒの導入位置の高さ以下の位置で加炭ガス取入口１３から空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを空間部５の外部へ排出する。そのため、還元ガス導入口８から本体２の空間部５に導入された還元ガスＧｒは、当該還元ガスＧｒの分散の阻害要因である加炭ガスＧｃが低減することによって空間部５内部で均一に分散することが可能になり、空間部５内部で均一な条件で還元反応が行うことが可能になる。その結果、還元鉄Ｐｂの還元率のばらつきを抑えることが可能である。これにより、空間部５を大きくしても加炭ガス排出部３の加炭ガス排出機能によって還元ガスＧｒの均一な分散が担保されている。そのため、シャフト炉からなる本体２の大型化が可能になり、それによって還元鉄の生産性の増大可能になる。
　（２）
　本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス取入口１３が還元ガス導入口８よりも下側に位置するので、当該加炭ガス取入口１３を通して、加炭ガスＧｃを空間部５の外部へ排出することが可能になる。これにより、還元ガスの分散に対する加炭ガスＧｃの阻害をさらに低減することが可能になり、還元ガスＧｒの空間部５内部における分散の均一性を向上させることが可能である。
　（３）
　本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス取入口１３が加炭ガス導入口９よりも下側に位置するので、当該加炭ガス取入口１３を通して、加炭ガスＧｃを多く含んだガスを空間部５の外部へ排出することが可能になる。その結果、還元ガスＧｒの分散に対する加炭ガスＧｃの阻害をより一層低減することが可能になり、還元ガスＧｒの空間部５内部における分散の均一性をさらに向上させることが可能である。
　（４）
　本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス排出部３は、空間部５内部の還元鉄Ｐｂを空間部５の垂直方向に延びる中心線Ｃから離れる方向へ整流する中空の整流部１１を有している。そのため、加炭ガス排出部３は、空間部５内部の加炭ガスを含むガスＧｅ２を本体２の外部へ排出する加炭ガス排出部本来の機能を発揮しながら、当該整流部１１によって還元鉄Ｐｂの流れを還元鉄排出口７付近で整える整流用インサートとしての機能を発揮することが可能である。これにより、整流インサートを備えた還元鉄製造装置１の部品点数の増加を抑えることが可能である。
　（５）
　本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス取入口１３は、空間部５の中心線Ｃ上に配置されている。これにより、空間部５の中心部付近を上昇する加炭ガスＧｃを加炭ガス取入口１３によって効果的に空間部５外部へ排出することが可能になり、還元ガスＧｒは、空間部５の中心部付近に到達しやすくなる。よって、還元ガスＧｒの空間部５内部における均一な分散を確実に行うことが可能になり、空間部５内部で均一な条件で還元反応を確実に行うことが可能になる。その結果、還元鉄Ｐｂの還元率のばらつきを確実に抑えることが可能である。
　しかも、空間部５の中心付近の加炭ガスＧｃを加炭ガス取入口１３から空間部５の外部へ排出する。そのため、空間部５を大きくしても空間部５の中心付近へ還元ガスＧｒが到達しやすくなり、還元ガスＧｒの均一な分散が確実に達成される。これにより、本体２（具体的には、シャフト炉）の大型化が可能になり、それによって還元鉄の生産性の増大可能になる。
　（６）
　本実施形態の還元鉄製造装置１によれば、加炭ガス取入口１３は、下向きに開口しているので、加炭ガス取入口１３に還元鉄Ｐｂが入り込んで当該加炭ガス取入口１３を詰まらせるおそれを回避することが可能である。
　（７）
　本実施形態の還元鉄製造装置１では、加炭ガスＧｃを炉外に排出するために、図１に示されるように、整流用インサートして機能する整流部１１を有する加炭ガス排出部３が用いられている。この加炭ガス排出部３の下端には、加炭ガス取入口１３が設けられている。したがって、加炭ガス導入口９から炉内に導入された加炭ガスＧｃは、炉内を下降して当該排出部３の下端の加炭ガス取入口１３から当該排出部３の内部に取り入れられ、当該排出部３を通して、炉外に排出される。加炭ガスＧｃは、加炭ガス取入口１３に向けて下降する間に、還元ガスＧｒと混合し、それとともに還元ガスＧｒおよび還元鉄Ｐｂからの熱を吸収して７００℃以上に加熱される。これにより、還元ガスＧｒに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）から炭素（Ｃ）が分離する反応、および加炭ガスＧｃに含まれるメタン（ＣＨ４）が炭素と水素（Ｃ＋２Ｈ２）に分離する反応が促進される。その結果、還元鉄Ｐｂの炭素含有量（すなわちカーボン量）を増やすことが可能である。また、加炭ガスＧｃは上記のように炉内で加熱されるので、炉外で加熱するための熱交換器などが不要になる。
　以下、上記のカーボン量増加のメカニズムについて詳細に説明する。
　図１に示される本体２を構成するシャフト炉内で進行しているカーボン発生反応は、主に表２に示された３種の反応である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示されたブドアール（Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ）反応およびベッグス（Ｂｅｇｇｓ）反応は、いずれも発熱反応であり、５００℃～７５０℃程度の中低温域で進行し、６００～７００℃の温度域では特に迅速に進行する。ここでいう「ベッグス（Ｂｅｇｇｓ）反応」とは、Ｈ２およびＣＯの混成ガスによる浸炭反応であって、一酸化炭素から炭素および二酸化炭素を生成する反応のことをいう。
　メタンクラッキング（Ｍｅｔｈａｎｅ　Ｃｒａｃｋｉｎｇ）反応は、吸熱反応であり、５００℃以上の温度域で進行し、７００℃以上の高温域で特に迅速に進行する。よって、還元鉄を高カーボン化する（すなわち、還元鉄のカーボン量を増やす）ためには６００～７００℃程度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）がリッチな中低温ガス、もしくは７００℃以上のメタン（ＣＨ４）がリッチな高温ガスと長時間接触させることが望ましい。ただし、ＣＯおよびＨ２によるガス還元速度は温度が低下するにつれて遅くなるため、前者のＣＯおよびＨ２がリッチな中低温ガスを還元ガスとして用いると必要な滞留時間が増大する。そのために還元炉を大型化する必要がある。また、後者の７００℃以上のＣＨ４がリッチな高温ガスと接触させる方法においては、７００℃以上のＣＨ４ガスを作成することに大きな障害がある。なぜならば、ＣＨ４ガスを加熱するための熱交換器を構成する鉄材（ステンレス材等のクロム含有材も含む）近傍でカーボン生成が起こると炭化反応（Ｆｅ→Ｆｅ３Ｃ、Ｃｒ→Ｃｒ２３Ｃ６）が進行し、鉄材(あるいはクロム含有材)が腐食されるためである。(このような鉄の炭化反応による腐食を浸炭反応、クロムの炭化反応による粒界腐食をメタルダスティングと呼ぶ)。よって、シャフト炉外部で熱交換器等を用いてメタンの温度を７００℃以上にすることは難しく、シャフト炉内の固体（還元鉄など）の顕熱を用いて７００℃以上に上昇させる必要がある。
　カーボン量を向上させるためにはブドアール反応、ベッグス反応およびメタンクラッキング反応のうちいずれかの反応が優位に進行する環境にする必要がある。しかし、いずれの反応を用いる場合であっても、カーボン量をより増加させるためにはガス中の水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）の含有率を下げる必要がある。なぜならば、表３に示されるように、９００℃以上の高温の環境下では、カーボンを消失する反応であるソリューションロス（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｌｏｓｓ）反応およびウォーターガス（Ｗａｔｅｒ　Ｇａｓ）反応が活性化して、カーボンの増加を阻害するためである。７００℃程度の中低温域ではこれらのカーボン消失反応の進行速度は緩やかであるが、より高いカーボン量を得るためには、中低温域においても水蒸気および二酸化炭素を除去する方が望ましい。ソリューションロス反応およびウォーターガス反応は、それぞれブドアール反応およびベッグス反応の逆反応であり、吸熱反応である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　そこで、還元鉄のカーボン量を向上させるための方法として、シャフト炉の中央部あるいは底部に、還元ガス（ＣＯ＋Ｈ２）および加炭ガス（例えば、ＣＨ４を主成分とする天然ガス）を混合したガスを供給することが考えられる。この方法では、上記の還元ガスおよび加炭ガスの混合比を調整することにより、７００℃程度で、しかも、ブドアール反応およびベッグス反応の発熱量とメタンクラッキング反応の吸熱量が釣り合う条件に調整する。これによって、それぞれの反応が進行しても７００℃程度の温度を保つことが可能となり、ブドアール反応、ベッグス反応、およびメタンクラッキング反応が全て良好に進行する条件となる。その結果、還元鉄の大幅なカーボン量の増加が可能になると考えられる。
　例えば、還元ガス（ＣＯ＋Ｈ２）および加炭ガス（ＣＨ４を主成分とする天然ガス）を混合して、７００℃程度でシャフト炉に供給する場合を考える。この時、初期の段階では、ＣＨ４を用いたメタンクラッキング反応（吸熱反応）が進行することで７００℃未満まで炉内のガスの温度が低下する。しかし、炉内のガスの温度が６００℃台となるとブドアール反応およびベッグス反応（発熱反応）が（メタンクラッキング反応よりも）優位となるため、発熱により環境温度は７００℃まで戻ろうとする。すなわち、ブドアール反応およびベッグス反応を進行させるのに十分な低温ガスであり、なおかつ、メタンクラッキング反応が進行するのに十分な高温ガスを作成することが可能となる。これにより、還元ガスと加炭ガスの混合ガスの流量を増やすことで、製品となる還元鉄中のカーボン量を大幅に増加させることが可能である。
　ここで、ガスの種類による還元鉄のカーボン量の違いを比較するために、３種類のガス、すなわち、還元ガスのみ、天然ガスのみ、およびこれら還元ガスおよび天然ガスの混合ガスを、それぞれシャフト炉に導入して還元鉄と反応させた場合で比較する。なお、還元ガスのみ、天然ガスのみ、およびこれら還元ガスおよび天然ガスの混合ガスのそれぞれの組成は、表６～８の初期状態に示される通りである。
　上記の３つの反応（ブドアール反応、ベッグス反応、およびメタンクラッキング反応）によって還元鉄に生成されるカーボン量（すなわち、生成カーボン量）は、平衡組成から検討される。すなわち、還元ガス、天然ガス、還元ガスと天然ガスとの混合ガスを放置した際に最終的に得られる生成カーボン量を、平衡定数から算出できる。なお、平衡組成を計算するにあたっては全ての化学種が含まれるようにブドアール反応、ベッグス反応、およびメタンクラッキング反応が平衡となる時の組成を求めた。また、圧平衡定数のフィッティング式は表４の式が用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　シャフト炉を用いた直接還元製鉄プロセス（例えば、Ｍｉｄｒｅｘ（登録商標）プロセス）における炭化ガスの典型的な条件である７００℃、０．２５ＭＰａでの還元ガス、天然ガス、還元ガスと天然ガスの混合ガスについて生成するカーボン量を計算した結果を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　上記３種のガスについては、公平性を考慮し、ガス量は一律１０００Ｎｍ３とした。また、それぞれのガスについての個別の計算結果については、表６～８に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　表５に示されるように、還元ガスのみの場合ではブドアール反応およびベッグス反応（発熱反応）により、７００℃以上まで温度が上昇するため、すぐにブドアール反応、ベッグス反応が進行しなくなり、生成カーボン量は１．９ｋｍｏｌにしかならない。また、天然ガスのみの場合についてもメタンクラッキング反応（吸熱反応）により、６００℃以下まで温度が低下するため、すぐにメタンクラッキング反応が進行しなくなり、生成カーボン量は５．８ｋｍｏｌにしかならない。一方、還元ガスと天然ガスを流量比１：１で混合した混合ガスではブドアール反応とベッグス反応による発熱量とメタンクラッキング反応による吸熱量が相殺しあうため、平衡時でも温度が６１５℃であり、平衡状態においてもなお、ブドアール反応、ベッグス反応およびメタンクラッキング反応が進行する温度を保っている。したがって、この混合ガスにおいてはではブドアール反応およびベッグス反応（発熱反応）が優位に進行しながらも、メタンクラッキング反応（吸熱反応）も促進されるので、生成カーボン量が１４．７ｋｍｏｌまで大幅に増加する。以上より、還元ガスと天然ガスの混合ガスを還元鉄と接触させることによって、カーボン量を増加させることが可能であることを、定量的に確認できた。
　本実施形態の還元鉄製造装置１では、図１に示されるように、整流インサートして機能する加炭ガス排出部３の下端の加炭ガス取入口１３からシャフト炉（図１の本体２）の内部のガスを抜き出すことにより、上記の還元ガスと加炭ガスとの混合を行うことが可能である。すなわち、加炭ガス導入口９から供給された加炭ガス（例えばＣＨ４を主成分とする天然ガス）と還元ガス導入口８から供給された還元ガスは、シャフト炉の底部で混合されながら上記の加炭ガス取入口１３を通して炉外へ抜き出される。このとき、炉内に導入される還元ガスおよび加炭ガスのそれぞれの温度および流量、ならびに加炭ガス排出部３から抜き出されるガスの流量を調整することによって、シャフト炉底部で混合されたガスの温度および組成をブドアール反応、ベッグス反応、およびメタンクラッキング反応の全てが同時に進行するガスを作成することが可能である。これは、還元ガスと加炭ガスを混合してシャフト炉底部に供給する方法と同じように還元鉄のカーボン量の増加の効果が可能である。しかも、当該カーボン量の調整を行うことが可能になる。
　（変形例）
　上記の実施形態では、本発明の加炭ガス排出部の一例として、図１に示される還元鉄Ｐｂの流れを整える整流用インサートとして機能する整流部１１を有する加炭ガス排出部３を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の加炭ガス排出部は、還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガス取入口と、当該加炭ガス取入口を通して空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを本体２の外部へ排出するための排出路および加炭ガス排出口とを有する加炭ガス排出部であれば、いかなる形態であってもよい。
　例えば、本発明の還元鉄製造装置１の変形例として、図４～５に示されるように、従来より用いられる整流用インサート２３（具体的には、上記の整流部１１および支持部１２を有する外部から閉じられた中空体の構造（すなわち、上記加炭ガス取入口１３および加炭ガス排出口１４を有していない構造））とは別に、加炭ガス排出部１５は、水平方向に延びて本体２の側壁２ａを貫通する直管状の部材によって構成されていてもよい。図４～５に示される還元鉄製造装置１のその他の構成は、図１～２に示される還元鉄製造装置１の構成と同じである。
　加炭ガス排出部１５は、還元ガス導入口８と加炭ガス導入口９との間の高さ位置に配置されている。
　直管状の部材によって構成された加炭ガス排出部１５は、上記の加炭ガス排出部３（図１参照）と同様に、加炭ガス取入口１６と、加炭ガス排出口１７と、排出路２５とを形成する。
　すなわち、図４～５に示される加炭ガス取入口１６は、加炭ガス排出部１５を構成する直管状の部材の周壁において下向きに開口するように形成されている。加炭ガス取入口１６は、上記の加炭ガス取入口１３（図１参照）と同様に、還元ガス導入口８の高さと同じまたはそれより低い高さに配置されている。具体的には、この加炭ガス取入口１６は、還元ガス導入口８よりも下側に位置している。しかも、加炭ガス取入口１６は、空間部５の中心線Ｃ上に配置されている。
　加炭ガス排出口１７は、加炭ガス排出部１５を構成する直管状の部材における本体２の外部に位置する部分（具体的には、外側の両端部）に形成されている。加炭ガス排出口１７は、排気用のポンプＰ２に接続されている。
　排出路２５は、加炭ガス排出部１５を構成する直管状の部材の内部空間によって形成されている。加炭ガス取入口１６から加炭ガス排出部１５の内部に導入された加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２は、加炭ガス排出部１５の内部の排出路２５を通って、当該加炭ガス排出部１５の両端の加炭ガス排出口１７を通して本体２の外部へ排出される。
　図４～５の変形例によれば、直管状の部材からなる加炭ガス排出部１５が水平方向に延びて本体２の側壁２ａを貫通し、加炭ガス取入口１６が当該直管状の部材の周壁に形成されているので、加炭ガス排出部１５を通して空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を本体２の側部から本体２の外部へ排出することが可能である。よって、当該ガスの排出を本体２の天壁よりも低い位置で行うことが可能であり、当該ガスＧｅ２の排出用の配管の設置が容易になる。
　また、図４の加炭ガス排出部１５は、上記図１の加炭ガス排出部３と同様に、当該上記の特徴（１）～（２）および（５）～（６）の作用効果も奏することが可能である。
　図４～５に示される横方向に延びるパイプからなる加炭ガス排出部１５を採用した変形例についても、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を加炭ガス取入口１３から抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合と、当該ガスＧｅ２を抜かないで還元鉄製造方法を実施した場合とを数値流体解析（解析手法は後段で詳述する）を用いて比較した結果を図６のグラフに示す（ガス条件は上記の表１参照）。
　上記の図６のグラフによれば、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を図４に示される加炭ガス取入口１６から所定の圧力（０．３ＭＰａ）で抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合（曲線Ｌ２２）の炉中心軸における還元ガス割合ａは、当該加炭ガス取入口１６から抜かない場合（曲線Ｌ２１）と比較して、シャフト炉（本体２）の高さｈの全体にわたって、約２～３倍程度向上していることがわかる。
　本発明の還元鉄製造装置１の他の変形例として、図７に示されるように、加炭ガス排出部１８は、垂直方向に延びて本体２の天壁２ｂを貫通する直管状の部材によって構成されていてもよい。図７に示される還元鉄製造装置１のその他の構成は、図１～２に示される還元鉄製造装置１の構成と同じである。
　直管状の部材によって構成された加炭ガス排出部１８は、上記の加炭ガス排出部３（図１参照）と同様に、加炭ガス取入口１９と、加炭ガス排出口２０と、排出路２６とを形成する。この加炭ガス排出部１８は、本体２の天壁２ｂを貫通して空間部５の中心線Ｃに沿って配置されている。
　加炭ガス取入口１９は、加炭ガス排出部１８を構成する直管状の部材の下端に形成されている。加炭ガス取入口１９は、空間部５の中心線Ｃ上において還元ガス導入口８と加炭ガス導入口９との間の高さ位置に配置されている。
　加炭ガス排出口２０は、加炭ガス排出部１８を構成する直管状の部材の上部における本体２の外部に位置する部分（具体的には、上端）に形成されている。加炭ガス排出口２０は、排気用のポンプＰ２に接続されている。排出路２６は、当該直管状の部材の内部空間によって形成されている。
　加炭ガス取入口１９から加炭ガス排出部１８内部に導入された加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２は、加炭ガス排出部１８の排出路２６を通って、当該加炭ガス排出部１５の上端の加炭ガス排出口２０を通して本体２の外部へ排出される。
　図７の変形例によれば、直管状の部材からなる加炭ガス排出部１８が垂直方向に延びて本体２の天壁２ｂを貫通し、加炭ガス取入口１９が直管状の部材の下端に形成されているので、加炭ガス排出部１８を通して空間部５内部の加炭ガスＧｃを含むガスを本体２の上部から空間部５の外部へ排出することが可能である。これにより、本体２の側方周囲において加炭ガス排出部１８の設置スペースが不要になり、しかも、空間部５内部において加炭ガス排出部１８が水平方向で占める面積を低減することが可能である。
　また、図７の加炭ガス排出部１８は、上記図１の加炭ガス排出部３と同様に、上記の特徴（１）～（２）および（５）～（６）の作用効果も奏することが可能である。
　図７に示される縦方向に延びるパイプからなる加炭ガス排出部１８を採用した変形例についても、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を加炭ガス取入口１９から抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合と、当該ガスＧｅ２を抜かないで還元鉄製造方法を実施した場合とを数値流体解析（解析手法は後段で詳述する）を用いて比較した結果を図８のグラフに示す（ガス条件は上記の表１参照）。
　上記の図８のグラフによれば、加炭ガスＧｃを含むガスＧｅ２を図７に示される加炭ガス取入口１９から所定の圧力（０．３５ＭＰａ）で抜きながら上記の還元鉄製造方法を実施した場合（曲線Ｌ３２）の炉中心軸における還元ガス割合ａは、当該加炭ガス取入口１９から抜かない場合（曲線Ｌ３１）と比較して、シャフト炉（本体２）の高さｈの全体にわたって、約２～３倍程度向上していることが分かる。
　また、本発明のさらに他の変形例として、加炭ガス排出部の加炭ガス取入口は、空間部５を構成する本体２の内周面に配置されていてもよい。この構成によれば、加炭ガス取入口１３は、空間部５を構成する本体２の内周面に配置されているので、配置が容易であり、加炭ガス取入口の個数や大きさを増やすことも容易である。また、加炭ガス排出部が空間部５内部に占めるスペースが低減されるので、加炭ガス排出部が空間部５内部の原料Ｐａの流れを阻害するおそれが低減される。
　なお、加炭ガス取入口は、複数配置してもよいが、少なくとも空間部５の中心線Ｃ上に１つ配置されているのが好ましい。
　（数値解析の手法についての説明）
　上記の実施形態では、図３、図６および図８のグラフに示される炉中心軸における還元ガス割合ａを求めるために、以下のようなシャフト炉を対象とする数値流体解析を用いた。
　＜数値流体解析の一般論＞
　物質には固体・液体・気体の３つの状態が存在するが、このうち液体と気体を合わせて流体と呼ぶ。数値流体解析は数値解析によって流体の流れを解くことである。流体の流れとは流体の物理的な運動のことである。通常の流体の運動はナビエ・ストークス方程式と呼ばれる支配方程式で記述され、これを質量保存則である連続の式と合わせて解くことで解析的・数値的に解を得ることができる。ただし解析的に解を得られる場合は限られており、工業的な複雑形状においては数値的に解を得ることが必要となる。今回のシャフト炉を対象とした数値流体解析では数値的に解を得ることとし、商用の流体解析ソフトで広く使われる手法である有限体積法をベースとした解析手法により数値解析を実施した。
　＜粒子充填層を対象とした流体解析＞
　シャフト炉内部は、炉上部から供給される鉄鉱石で充填された粒子充填層になっている。粒子充填層における流体解析において、以下の２点が重要ポイントとなる。
　○圧力損失式
　充填層に流体を通過させると、流体は粒子から抗力を受けて圧力が低下する。この圧力損失を与える必要がある。厚さＬの充填層を空塔速度ｕ０（＝流量／断面積）で流体が流れるときの層両端での圧力差ΔＰについて、Ｅｒｇｕｎ式と呼ばれる代表的な式を以下に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 今回の検討でも上式を用いる。
　○乱流モデル
　充填層におけるガス混合はガスの乱流拡散に起因するため、充填層内の流体解析では乱流モデルの選定が重要となる。乱流モデルにはさまざまなものが開発されているが、その多くは空間部の乱流特性を再現するために開発されたモデルであり、充填層内の乱流挙動を再現できるモデルを選択する必要がある。
　乱流モデルは大別すると、「レイノルズ平均ナビエ・ストークスモデル（ＲＡＮＳ）」、「ラージエディシミュレーション（ＬＥＳ）」、および「直接数値シミュレーション（ＤＮＳ）」の3種類がある。定性的にはＲＡＮＳは精度が低いが計算負荷も低く、ＤＮＳは精度は高いが計算負荷も高いという傾向がある。工業的な検討には時間平均の挙動がわかれば十分なこと、計算時間や計算機リソースに制限があることから、今回はＲＡＮＳの中で広く使われる乱流モデルである標準ｋ－εモデルの改良版であるｋ－ｌｍモデルを用いる。
　ｋ－ｌｍモデルは通常の空間領域では標準ｋ－εモデル・充填層部では以下のようにモデルを変更することを特徴としている。
　ｋ（乱流運動エネルギー）：生成項にガス‐充填層間の相互作用による乱流エネルギーの生成速度Ｇを追加する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　ここで、γ：空隙率、ｄｐ：粒子径、μｇ：ガス粘性係数、ρｇ：ガス密度である。
　ｌｍ（混合距離）：充填構造を反映し、定数Ｃｌｍと空隙率・粒子径を用いて以下の式で定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　ε（乱流エネルギー散逸速度）：輸送方程式を適用せず、充填構造を反映した混合距離と乱流運動エネルギーを用いて以下のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　ｋ－ｌｍモデルではＣｋ、Ｃｌｍという２つの定数を与える必要があるが、今回の検討ではＣｋ：０．０４１３、Ｃｌｍ：７．６３として計算した。
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
　本実施形態の還元鉄製造装置は、酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する装置であって、前記還元鉄製造装置の本体であって、前記原料が収容可能な縦長の空間部と、前記空間部における上側に形成され、前記原料を前記空間部に投入するための原料投入口と、前記空間部における下側に形成され、前記空間部内部の前記還元鉄を外部に排出するための還元鉄排出口と、前記原料投入口よりも下側に設けられ、前記還元ガスを前記空間部内部に導入するための還元ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも下側に設けられ、前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うための炭素を含有する加炭ガスを前記空間部内部に導入するための加炭ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも上側に形成され、前記空間部内部のガスを前記空間部の外部へ排出する上部ガス排出口とを有する本体とを備えており、前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記本体の外部へ排出するための加炭ガス排出部とを備えており、前記加炭ガス排出部は、前記空間部内部において前記還元ガス導入口の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された前記加炭ガスを含むガスを取り入れるための加炭ガス取入口と、前記本体の外部に配置された当該加炭ガスを含むガスを当該外部へ排出するための加炭ガス排出口と、前記加炭ガス取入口と前記加炭ガス排出口との間を連通してこれらの間の前記加炭ガスを含むガスの流通を許容する排出路とを形成する、ことを特徴とする。
　かかる構成によれば、還元鉄製造装置は、空間部内部の加炭ガスを含むガスを本体の外部へ排出する加炭ガス排出部を備えている。この加炭ガス排出部は、空間部内部において還元ガス導入口の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された加炭ガス取入口を有している。この加炭ガス取入口を通して空間部内部の加炭ガスを含むガスを取り入れ、排出路を通して本体の外部に配置された加炭ガス排出口から本体の外部へ排出することが可能である。これにより、還元ガス導入口から本体の空間部に導入された還元ガスは、当該還元ガスの分散の阻害要因である加炭ガスが低減することによって空間部内部で均一に分散することが可能になり、空間部内部で均一な条件で還元反応が行うことが可能になる。その結果、還元鉄の還元率のばらつきを抑えることが可能である。
　前記加炭ガス取入口は、前記還元ガス導入口よりも下側に位置するのが好ましい。
　かかる構成によれば、還元ガス導入口よりも下側の位置で、加炭ガス取入口を通して、加炭ガスを空間部の外部へ排出することが可能になる。これにより、還元ガスの分散に対する加炭ガスの阻害をさらに低減することが可能になり、還元ガスの空間部内部における分散の均一性を向上させることが可能である。
　さらに、前記加炭ガス取入口は、前記加炭ガス導入口よりも下側に位置するのが好ましい。
　かかる構成によれば、加炭ガス導入口よりも下側の位置で、加炭ガス取入口を通して、加炭ガスを多く含んだガスを空間部の外部へ排出することが可能になる。その結果、還元ガスの分散に対する加炭ガスの阻害をより一層低減することが可能になり、還元ガスの空間部内部における分散の均一性をさらに向上させることが可能である。
　また、前記加炭ガス排出部は、前記空間部内部の前記還元鉄排出口付近に配置され、当該加炭ガス排出部は、前記還元鉄を前記空間部の垂直方向に延びる中心線から離れる方向へ整流する中空の整流部と、前記本体の側壁を貫通して当該整流部を前記空間部内部に支持する中空の支持部とを有し、前記加炭ガス取入口は、前記整流部に形成され、前記加炭ガス排出口は、前記支持部における前記本体の外部に位置する部分に形成され、前記排出路は、前記整流部および支持部の内部空間によって形成されているのが好ましい。
　かかる構成によれば、前記加炭ガス排出部は、空間部内部の還元鉄を空間部の垂直方向に延びる中心線から離れる方向へ整流する中空の整流部を有している。そのため、空間部内部の加炭ガスを含むガスを本体の外部へ排出する加炭ガス排出部本来の機能を発揮しながら、当該整流部によって還元鉄の流れを還元鉄排出口付近で整える整流インサートとしての機能を発揮することが可能である。これにより、整流インサートを備えた還元鉄製造装置の部品点数の増加を抑えることが可能である。
　さらに、前記加炭ガス排出部は、水平方向に延びて前記本体の側壁を貫通する直管状の部材によって構成され、前記加炭ガス取入口は、前記直管状の部材の周壁に形成され、前記加炭ガス排出口は、前記直管状の部材における前記本体の外部に位置する部分に形成され、前記排出路は、前記直管状の部材の内部空間によって形成されていてもよい。
　かかる構成によれば、直管状の部材からなる加炭ガス排出部が水平方向に延びて本体の側壁を貫通し、加炭ガス取入口が当該直管状の部材の周壁に形成されている。そのため、空間部内部の加炭ガスを含むガスを当該加炭ガス排出部を通して本体の側部から本体の外部へ排出することが可能であり、当該ガスの排出を本体の天壁よりも低い位置で行うことが可能であり、当該ガスの排出用の配管の設置が容易になる。
　さらに、前記加炭ガス排出部は、垂直方向に延びて前記本体の天壁を貫通する直管状の部材よって構成され、前記加炭ガス取入口は、前記直管状の部材の下端に形成され、前記加炭ガス排出口は、前記直管状の部材の上部における前記本体の外部に位置する部分に形成され、前記排出路は、前記直管状の部材の内部空間によって形成されていてもよい。
　かかる構成によれば、直管状の部材からなる加炭ガス排出部が垂直方向に延びて本体の天壁を貫通し、加炭ガス取入口が直管状の部材の下端に形成されている。そのため、前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを当該加炭ガス排出部を通して本体の上部から前記空間部の外部へ排出することが可能である。これにより、本体の側方周囲において加炭ガス排出部の設置スペースが不要になる。しかも、空間部内部において加炭ガス排出部が水平方向で占める面積を低減することが可能である。
　さらに、前記加炭ガス取入口は、前記空間部の垂直方向に延びる中心線上に配置されているのが好ましい。
　かかる構成によれば、空間部の中心部付近を上昇する加炭ガスを加炭ガス取入口によって効果的に空間部外部へ排出することが可能になる。還元ガスは、空間部の中心部付近に到達しやすくなる。よって、還元ガスの空間部内部における均一な分散を確実に行うことが可能になり、空間部内部で均一な条件で還元反応を確実に行うことが可能になる。その結果、還元鉄の還元率のばらつきを確実に抑えることが可能である。
　また、前記加炭ガス取入口は、前記空間部を構成する前記本体の内周面に配置されていてもよい。
　かかる構成によれば、加炭ガス取入口は、空間部を構成する本体の内周面に配置されているので、当該加炭ガス取入口の配置が容易である。また、加炭ガス取入口の個数や大きさを増やすことも容易である。また、加炭ガス排出部が空間部内部に占めるスペースが低減されるので、加炭ガス排出部が空間部内部の原料の流れを阻害するおそれが低減される。
　また、前記加炭ガス取入口は、下向きに開口しているのが好ましい。
　かかる構成によれば、加炭ガス取入口に還元鉄が入り込むおそれを回避することが可能である。
　さらに、本実施形態の還元鉄製造方法は、酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造方法であって、前記原料を、還元鉄製造用の縦長の空間部の内部へ投入する工程と、前記空間部に還元ガスを導入して当該還元ガスによって前記酸化鉄を還元して還元鉄を生成する工程と、前記還元ガスの導入位置よりも低い位置において前記空間部に炭素を含む加炭ガスを導入して当該加炭ガスによって前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うとともに、前記還元ガスの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記空間部の外部へ排出する工程と、を含むことを特徴とする。
　この製造方法によれば、還元ガスの導入位置よりも低い位置において空間部に炭素を含む加炭ガスを導入して当該加炭ガスによって還元鉄に炭素を加える加炭処理を行う。それとともに、還元ガスの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて空間部内部の加炭ガスを含むガスを前記空間部の外部へ排出する。これにより、還元ガス導入口から本体の空間部に導入された還元ガスは、当該還元ガスの分散の阻害要因である加炭ガスが低減することによって空間部内部で均一に分散することが可能になる。そのため、空間部内部で均一な条件で還元反応が行うことが可能になる。その結果、還元鉄の還元率のばらつきを抑えることが可能である。
 

Claims (10)

  1. 　酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造装置であって、
    　前記還元鉄製造装置の本体であって、前記原料が収容可能な縦長の空間部と、前記空間部における上側に形成され、前記原料を前記空間部に投入するための原料投入口と、前記空間部における下側に形成され、前記空間部内部の前記還元鉄を外部に排出するための還元鉄排出口と、前記原料投入口よりも下側に設けられ、前記還元ガスを前記空間部内部に導入するための還元ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも下側に設けられ、前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うための炭素を含有する加炭ガスを前記空間部内部に導入するための加炭ガス導入口と、前記還元ガス導入口よりも上側に形成され、前記空間部内部のガスを前記空間部の外部へ排出する上部ガス排出口とを有する本体と、
    　前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記本体の外部へ排出するための加炭ガス排出部と
    を備えており、
    　前記加炭ガス排出部は、
    　前記空間部内部において前記還元ガス導入口の高さと同じまたはそれより低い高さに配置された前記加炭ガスを含むガスを取り入れるための加炭ガス取入口と、
    　前記本体の外部に配置された当該加炭ガスを含むガスを当該外部へ排出するための加炭ガス排出口と、
    　前記加炭ガス取入口と前記加炭ガス排出口との間を連通してこれらの間の前記加炭ガスを含むガスの流通を許容する排出路と
    を形成する、
    還元鉄製造装置。
  2. 前記加炭ガス取入口は、前記還元ガス導入口よりも下側に位置する、
    請求項１に記載の還元鉄製造装置。
  3. 前記加炭ガス取入口は、前記加炭ガス導入口よりも下側に位置する、
    請求項２に記載の還元鉄製造装置。
  4. 前記加炭ガス排出部は、前記空間部内部の前記還元鉄排出口付近に配置され、
    　当該加炭ガス排出部は、前記還元鉄を前記空間部の垂直方向に延びる中心線から離れる方向へ整流する中空の整流部と、前記本体の側壁を貫通して当該整流部を前記空間部内部に支持する中空の支持部とを有し、
    　前記加炭ガス取入口は、前記整流部に形成され、
    　前記加炭ガス排出口は、前記支持部における前記本体の外部に位置する部分に形成され、
    　前記排出路は、前記整流部および支持部の内部空間によって形成されている、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
  5. 　前記加炭ガス排出部は、水平方向に延びて前記本体の側壁を貫通する直管状の部材によって構成され、
    　前記加炭ガス取入口は、前記直管状の部材の周壁に形成され、
    　前記加炭ガス排出口は、前記直管状の部材における前記本体の外部に位置する部分に形成され、
    　前記排出路は、前記直管状の部材の内部空間によって形成されている、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
  6. 　前記加炭ガス排出部は、垂直方向に延びて前記本体の天壁を貫通する直管状の部材よって構成され、
    　前記加炭ガス取入口は、前記直管状の部材の下端に形成され、
    　前記加炭ガス排出口は、前記直管状の部材の上部における前記本体の外部に位置する部分に形成され、
    　前記排出路は、前記直管状の部材の内部空間によって形成されている、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
  7. 　前記加炭ガス取入口は、前記空間部の垂直方向に延びる中心線上に配置されている、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
  8. 　前記加炭ガス取入口は、前記空間部を構成する前記本体の内周面に配置されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
  9. 　前記加炭ガス取入口は、下向きに開口している、請求項１～３のいずれか１項に記載の還元鉄製造装置。
  10. 　酸化鉄を含む原料に還元ガスを与えることにより前記酸化鉄を還元して還元鉄を製造する還元鉄製造方法であって、
    　前記原料を、還元鉄製造用の縦長の空間部の内部へ投入する工程と、
    　前記空間部に還元ガスを導入して当該還元ガスによって前記酸化鉄を還元して還元鉄を生成する工程と、
    　前記還元ガスの導入位置よりも低い位置において前記空間部に炭素を含む加炭ガスを導入して当該加炭ガスによって前記還元鉄に炭素を加える加炭処理を行うとともに、前記還元ガスの導入位置よりも低い位置の高さと同じまたはそれよりも低い高さにおいて前記空間部内部の前記加炭ガスを含むガスを前記空間部の外部へ排出する工程と、
    を含むことを特徴とする
    還元鉄製造方法。
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