金属酸化物の処理方法
【課題】金属酸化物の溶融還元に使用した還元排ガスで金属酸化物を予備加熱して金属酸化物の溶融還元のために必要とする熱エネルギー量を低減することが出来る様に改良された処理方法を提供する。
【解決手段】底部に分離室を備え且つ２つの還元ガス供給口を有する筒状容器から成る旋廻燃焼装置と、旋廻燃焼装置の分離室上部に接続されたロータリーキルンと、筒状容器頂部に接続されたサイクロンから構成される処理装置を使用し、ロータリーキルンに金属酸化物を導入して予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロンに導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離し、分離された金属酸化物を筒状容器に導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、底部の分離室にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスをロータリーキルンに供給する。
【解決手段】底部に分離室を備え且つ２つの還元ガス供給口を有する筒状容器から成る旋廻燃焼装置と、旋廻燃焼装置の分離室上部に接続されたロータリーキルンと、筒状容器頂部に接続されたサイクロンから構成される処理装置を使用し、ロータリーキルンに金属酸化物を導入して予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロンに導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離し、分離された金属酸化物を筒状容器に導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、底部の分離室にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスをロータリーキルンに供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属酸化物の処理方法に関し、詳しくは、製鉄または製鋼工程で発生する金属含有廃棄物などに含まれる金属酸化物を還元して金属成分を分離・回収する金属酸化物の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄または製鋼工程で発生する金属含有廃棄物は、鉄、亜鉛などの有価金属の酸化物を多量に含んでいる。有価金属を回収するために、金属含有廃棄物を粉状化して還元溶解処理する方法が行われている。例えば、金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する金属酸化物の処理方法であって、処理装置として、２つの還元ガス供給口を有する筒状の旋廻燃焼装置と、当該旋廻燃焼装置の底部に接続された分離室と、当該分離室の上部空間に接続されたロータリーキルンと、前記旋廻燃焼装置の頂部に接続されたサイクロンとから構成され、且つ、前記の各還元ガス供給口が、旋廻燃焼装置に対して互いに逆方向の渦流を生ずる様に装置の縦方向に間隔を設けて配置された処理装置を使用し、粉末状の金属酸化物を還元ガスと共に旋廻燃焼装置の頂部から導入して旋廻燃焼装置内で溶融還元し、分離室にてスラッグを分離して溶融金属を回収する方法が知られている。
【特許文献１】特許第３０５４１９１号公報
【０００３】
しかしながら、上述の方法では、金属酸化物を溶融還元するに多大な熱エネルギーを必要として経済的でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の実情に鑑みなされたものであり、その目的は、金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する金属酸化物の処理方法であって、金属酸化物の溶融還元に使用した還元排ガスで金属酸化物を予備加熱して金属酸化物の溶融還元のために必要とする熱エネルギー量を低減し、しかも、斯かる場合に懸念される旋廻燃焼装置の大型化の問題を回避することが出来る様に改良された処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、種々検討を重ねた結果、前記の従来技術の装置を改良し、分離室の上部空間に予備加熱炉を接続し、前記旋廻燃焼装置の頂部にサイクロンを接続し、そして、予備加熱炉に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロンに導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離し、分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置に導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、分離室にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを前記予備加熱炉に供給することにより、上記の目的を容易に達成し得るとの知見を得た。
【０００６】
本発明は、上記の知見に基づき完成されたものであり、その要旨は、金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する金属酸化物の処理方法であって、金属酸化物として粉末状の金属酸化物を使用し、処理装置として、２つの還元ガス供給口を有する筒状の旋廻燃焼装置と、当該旋廻燃焼装置の底部に接続された分離室と、当該分離室の上部空間に接続された予備加熱炉と、前記旋廻燃焼装置の頂部に接続されたサイクロンとから構成され、且つ、前記の各還元ガス供給口が、旋廻燃焼装置に対して互いに逆方向の渦流を生ずる様に装置の縦方向に間隔を設けて配置された処理装置を使用し、予備加熱炉に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロンに導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離し、分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置に導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、分離室にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを前記予備加熱炉に供給する金属酸化物の処理方法に存する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、還元排ガスの熱の有効利用を図ることが出来、金属酸化物を溶融還元するために必要な熱エネルギー量を低減することが出来、しかも、斯かる場合に懸念される旋廻燃焼装置の大型化の問題を回避することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る金属酸化物の処理方法を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る金属酸化物の処理方法の好ましい態様を示すフロー図である。
【０００９】
先ず、本発明で使用する金属酸化物の処理装置について説明する。金属酸化物の処理装置は、２つの還元ガス供給口（１２）を有する筒状の旋廻燃焼装置（１）と、当該旋廻燃焼装置の底部に接続された分離室（１１）と、当該分離室の上部空間に接続された予備加熱炉（２）と、旋廻燃焼装置（１）の頂部に接続されたサイクロン（３）とから構成され、且つ、前記の各還元ガス供給口（１２）が旋廻燃焼装置（１）に対して互いに逆方向の渦流を生ずる様に装置の縦方向に間隔を設けて配置される。
【００１０】
旋廻燃焼装置（１）は、高温の還元ガスによって金属酸化物を溶融還元して所要の金属を生成するためのものであり、通常は、円筒状、例えば下端側が一部逆円錘台の外形を有する筒状の容器にて構成される。旋廻燃焼装置（１）の頂部には上記のサイクロン（３）が連結され、旋廻燃焼装置（１）の底部は上記の分離室（１１）に接続される。そして、旋廻燃焼装置（１）の上部には、当該旋廻燃焼装置へ高温の還元ガスを供給するための還元ガス供給口（１２）が少なくとも２箇所設けられる。
【００１１】
基本的には、還元ガス供給口（１２）は、供給された還元ガスが旋廻燃焼装置（１）内において上下で互いに逆方向の渦流を生ずる様に、平面視して旋廻燃焼装置（１）の、例えば、平行な位置にある接線に略沿った状態で、且つ、縦方向に間隔をあけて、例えば、旋廻燃焼装置（１）の筒状容器の直径の１／４〜１倍程度離間して取り付けられる。これにより、一方向の渦流の場合における欠点、すなわち、旋廻燃焼装置（１）内に反気流が生じて上昇気流となるため、金属酸化物が下降せず、旋廻燃焼装置（１）の内壁に付着して閉塞する欠点が解消される。なお、各ガス供給口（１２）には、還元ガス供給ライン（５４）を通じて還元ガスが供給される様になされている。
【００１２】
旋廻燃焼装置（１）の底部に連結される分離室（１１）は、溶融金属からスラッグを分離除去するためのものである。分離室（１１）の底部には、分離され且つスラッグが含まれない溶融金属を取り出す溶融金属抜出し口（５５）が設けられ、分離室（１１）の高さの中間部には、分離されたスラッグを排出するスラッグ排出口（５６）が設けられ、そして、分離室（１１）の上部空間には、旋廻燃焼装置（１）から導入された還元排ガスを抜き出して上記の予備加熱炉（２）に供給する還元排ガスライン（５７）が設けられる。
【００１３】
予備加熱炉（２）は、原料である金属酸化物を上記の還元排ガスで予備加熱するために使用されるものである。予備加熱炉としては、ロータリーキルン、回転床炉などを使用することが出来る。予備加熱炉（２）の一端側には、上記の還元排ガスライン（５７）と原料としての金属酸化物を供給する金属酸化物供給口（５１）とが接続され、また、予備加熱炉（２）の他端側には、加熱された金属酸化物と還元排ガスとの混合流体を取り出して上記のサイクロン（３）に供給する混合流体ライン（５２）が設けられる。
【００１４】
旋廻燃焼装置（１）の頂部に連結されるサイクロン（３）は、上記の混合流体を金属酸化物と還元排ガスとに分離するためのものである。周知の通り、サイクロン（３）は、略下半部が逆円錘台状の外形に構成され、遠心力を利用して被処理物を固形成分と気体成分に分離するために使用される。サイクロン（３）の下端部は、分離され且つ加熱された金属酸化物を旋廻燃焼装置（１）に供給するため、当該旋廻燃焼装置の頂部に接続され、また、サイクロン（３）の上端には、分離された還元排ガスを吸引する吸気ライン（５３）が接続される。
【００１５】
本発明の好ましい態様において、上記の吸気ライン（５３）はガス改質装置（４）へ接続され、サイクロン（３）によって分離排出される還元排ガスがガス改質装置（４）によって改質する様になさている。ガス改質装置（４）は、還元排ガスを合成ガスに変換する装置であり、水分供給ライン（６１）を通じて水および／または水蒸気が供給される様に構成される。そして、ガス改質装置（４）で生成された合成ガスは、合成ガス移送ライン（６２）を通じてバグフィルター等の集塵器（８）に供給され、微粉が除去された合成ガスは、合成ガスライン（６３）を通じ、合成ガスを利用する他のプロセスへ送気される様になされている。
【００１６】
なお、ガス改質装置（４）から集塵器（８）へ至る上記の合成ガス移送ライン（６２）には、合成ガスを冷却するため、冷却媒体として空気が供給される熱交換器（７１）と、必要に応じて、水冷式の冷却器（７２）とが介装される。また、図示しないが、熱交換器（７１）にて加熱された高温の空気は、還元ガス供給ライン（５４）によって旋廻燃焼装置（１）に供給される還元ガスの生成の空気として利用される様になされている。なお、符号（９）は、還元排ガスを吸引するブロワーを示す。
【００１７】
次に、本発明に係る金属酸化物の処理方法について説明する。本発明の処理方法は、金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する方法である。
【００１８】
そして、本発明においては、上述の処理装置を使用し、予備加熱炉（２）に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロン（３）に導入して還元排ガスから金属酸化物を分離し、分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置（１）に導入して溶融還元することが重要である。
【００１９】
本発明では、金属酸化物として粉末状の金属酸化物を使用する。金属酸化物としては、高炉、焼結炉、転炉、電気炉からの集塵ダスト、圧延工程からのスケール、酸洗工程からのスラッジ等の製鉄・製鋼工程にて発生する鉄含有廃棄物；銅カラミ等の製銅にて発生する金属酸化物；鉄鉱石、ラテライト鉱石、ニッケル鉱石、マンガン鉱石等の鉱石、廃触媒などが挙げられる。
【００２０】
先ず、本発明においては、予備加熱炉（２）に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱する。すなわち、金属酸化物供給ライン（５１）を通じて金属酸化物を予備加熱炉（２）に導入し、且つ、分離室（１１）に接続される還元排ガスライン（５７）から供給される還元排ガスによって金属酸化物を予備加熱する。
【００２１】
予備加熱炉（２）に導入される金属酸化物の量は、処理装置の能力見合いであるが、通常１０〜１００，０００ｋｇ／Ｈｒである。また、金属酸化物の予備加熱温度は、予備加熱炉（２）に供給される還元排ガスの温度および流量と属酸化物の量とによって決定されるが、通常１，２００〜１，４００℃である。金属酸化物の予備加熱温度が高すぎる場合は、金属酸化物が溶融して巨大粒子が形成される恐れがある。
【００２２】
予備加熱炉（２）においては、金属酸化物と共に還元材および造滓剤を導入してもよい。還元材としては、微粉炭、微粉コークス等が挙げられる。造滓剤としては、石灰石（ＣａＣＯ3）、ドロマイト(ＣａＣＯ3＋ＭｇＣＯ3）、生石灰（ＣａＯ）および焼成ドロマイト（ＣａＯ＋ＭｇＯ）等が挙げられる。
【００２３】
上記の様に金属酸化物を予備加熱することにより、旋廻燃焼装置（１）において金属酸化物の溶融還元に必要とする熱エネルギー量を低減させることが出来る。また、金属酸化物と共に還元材および造滓剤を導入した場合は、予備加熱炉及びサイクロンにおいて金属酸化物を予備的に固相還元することが出来ため、旋廻燃焼装置（１）における還元ガス量を軽減することも出来る。しかも、造滓剤の導入により、後述の分離室（１１）における分離が一層容易になる。
【００２４】
次いで、金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロン（３）に導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離する。すなわち、予備加熱炉（２）から混合流体ライン（５２）通じて金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロン（３）に導入して還元排ガスから金属酸化物を分離する。
【００２５】
次いで、上記のサイクロン（３）で分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置（１）の頂部から導入して高温の還元ガスによって溶融還元する。高温の還元ガスは、金属酸化物を溶融還元するためのガスであり、旋廻燃焼装置（１）内において互いに逆方向の渦流を形成する様に、還元ガス供給ライン（５４）を通じて各還元ガス供給口（１２）から旋廻燃焼装置（１）内に噴射される。そして、サイクロン（３）から供給された金属酸化物は、上述の高温の還元ガスの渦流によって十分に攪拌されて均一な懸濁状態となり、還元ガスと接触して還元され金属になり、落下しながら溶融する。
【００２６】
旋廻燃焼装置（１）内の温度は、適切な溶融還元を行なう観点から、通常１，３００〜１，６００℃である。旋廻燃焼装置（１）内の温度が１，３００℃未満の場合は、金属酸化物が溶融還元されないことがある。また、温度が１，６００℃を超える場合は、温度が高い割には金属酸化物の溶融還元への寄与率が小さく不経済である。また、旋廻燃焼装置（１）に導入される高温の還元ガスの導入量は、旋廻燃焼装置（１）に導入される固体成分（金属酸化物、還元材、造滓剤）に対する量として、通常０．８〜１．０Ｎｍ３／ｋｇ−固体成分である。
【００２７】
高温の還元ガスは、水素および／または一酸化炭素を含有するガスである。そして、還元ガスは、気体、液体または固体の化石燃料、廃プラスチック、廃ゴム、ＡＳＲ（Automobile Shredder Residue 、シュレッダー・ダストとも呼ばれる）等の可燃性廃棄物を燃焼することにより製造される。
【００２８】
上述のように、還元排ガスがサイクロン（３）により分離されるため、小型の旋廻燃焼装置（１）で金属酸化物を溶融還元することが出来る。
【００２９】
次いで、分離室（１１）にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを上記の予備加熱炉（２）に供給する。すなわち、旋廻燃焼装置（１）にて溶融還元して得られた溶融金属とスラッグは、旋廻燃焼装置（１）の底部に接続された分離室（１１）で溶融金属とスラッグとに分離される。そして、分離室（１１）の底部に存在し、且つ、スラッグが含まれない溶融金属は、分離室（１１）底部の溶融金属抜出しライン（５５）から取り出される。
【００３０】
また、溶融金属の表面部分に存在するスラッグは、分離槽（１１）の高さの中間部に設けられているスラッグ排出ライン（５６）から取り出される。そして、旋廻燃焼装置（１）から送気された還元排ガスは、分離槽（１１）の上部空間から還元排ガスライン（５７）を通じて抜き出され、上記の予備加熱炉（２）に供給される。なお、分離槽（１１）は、溶融した金属が固化しない温度に維持される。
【００３１】
旋廻燃焼装置（１）からの還元排ガスの送気は、後述のブロアー（９）によって行われる。なお、旋廻燃焼装置（１）から予備加熱炉（２）乃至サイクロン（３）までの圧力は、配管などの圧力損失により若干の正圧になる。
【００３２】
溶融金属抜出しライン（５５）から取り出された溶融金属は、造滓剤を添加して受鍋（図示せず）で加熱処理し、比重差を利用して下側の溶融金属と上側の鉱滓とに分離する精製処理をしてもよい。受鍋での加熱処理により、最終的に不純物のより少ない溶融金属、例えば、高純度の金属鉄を得ることが出来る。得られた高純度の金属鉄は、上記の加熱処理に引き続く酸素曝気処理し、炭素含量を低減させることも出来る。
【００３３】
本発明の好ましい態様において、サイクロン（３）によって分離排出される高温の還元排ガスに水または水蒸気を添加してガスの改質を行う。すなわち、サイクロン（３）で分離された、主として炭酸ガスを含有する還元排ガスは、通常１，０００〜１，２００℃の高温であるため、吸気ライン（５３）を通じてガス改質装置（４）に供給し、水分供給ライン（６１）を通じて供給される水および／または水蒸気と接触させることにより、容易に合成ガスに変換することが出来る。なお、供給する水および／又はスチームの量は、還元排ガスを合成ガスに改質出来る量であれば、特に制限はない。
【００３４】
合成ガス生成反応は吸熱反応であるが、ガス改質装置（４）で生成した合成ガスは、８００〜１，２００℃の高温であるので、冷却媒体として空気が供給される熱交換器（７１）及び、必要に応じて、水冷式の冷却器（７２）により冷却される。熱交換により加熱された空気は、還元ガスの生成のための燃焼用空気として利用することが出来る。
【００３５】
冷却された合成ガスは、合成ガス移送ライン（６２）を通じてバグフィルター等の集塵器（８）に供給されて微粉が除去される。得られた合成ガスは、化学工業用原料として利用する他のプロセスへ送られる。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明を、実施例により更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００３７】
実施例１
原料としての高炉から排出される高炉ダスト、焼結ドロマイト及び微粉炭を図１に示す金属酸化物の処理方法のフローにより以下の要領にて処理をした。
【００３８】
上述の原料を金属酸化物供給ライン（５１）から予備加熱炉（２）としてのロータリーキルンに供給して予備加熱を行った。原料の使用量および成分組成を表１に示、ロータリーキルンでの予備加熱処理の操作条件を表２示し、予備加熱処理された金属酸化物の量およびその組成を表３に示す。
【００３９】
次いで、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロン（３）に導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離した。サイクロン（３）での分離処理の操作条件を表２示す。
【００４０】
分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置（１）の頂部から導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、次いで、分離室（１１）にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを上記のロータリーキルンに供給した。旋廻燃焼装置（１）での溶融還元処理および分離室（１１）での溶融金属の分離処理の操作条件を表２示し、分離室（１１）から得られた生成物の量およびその組成を表３に示す。
【００４１】
別に、サイクロン（３）によって分離排出され、吸気ライン（５３）からガス改質装置（４）に供給された還元排ガスは、水および／又はスチームと接触させて合成ガスを生成した。次いで、冷却媒体として空気が供給される熱交換器（７１）及び水冷式の冷却器（７２）で合成ガスを冷却した後、集塵器（８）に供給して微粉を除去し、合成ガスを得た。なお、ブロアー（９）による合成ガスの吸引により、系の雰囲気は１０ｍｍＨｇの負圧であった。ガス改質装置でのガス改質処理、合成ガス冷却処理および集塵装置での微粉の除去処理の操作条件および合成ガスの量とその組成を表４に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４】
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】金属酸化物の処理の工程図
【符号の説明】
【００４７】
１：旋廻燃焼装置
２：ロータリーキルン
３：サイクロン
４：ガス改質装置
８：集塵装置
９：ブロアー
１１：分離室
１２：ガス供給口
７１：熱交換器
７２：冷却器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属酸化物の処理方法に関し、詳しくは、製鉄または製鋼工程で発生する金属含有廃棄物などに含まれる金属酸化物を還元して金属成分を分離・回収する金属酸化物の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄または製鋼工程で発生する金属含有廃棄物は、鉄、亜鉛などの有価金属の酸化物を多量に含んでいる。有価金属を回収するために、金属含有廃棄物を粉状化して還元溶解処理する方法が行われている。例えば、金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する金属酸化物の処理方法であって、処理装置として、２つの還元ガス供給口を有する筒状の旋廻燃焼装置と、当該旋廻燃焼装置の底部に接続された分離室と、当該分離室の上部空間に接続されたロータリーキルンと、前記旋廻燃焼装置の頂部に接続されたサイクロンとから構成され、且つ、前記の各還元ガス供給口が、旋廻燃焼装置に対して互いに逆方向の渦流を生ずる様に装置の縦方向に間隔を設けて配置された処理装置を使用し、粉末状の金属酸化物を還元ガスと共に旋廻燃焼装置の頂部から導入して旋廻燃焼装置内で溶融還元し、分離室にてスラッグを分離して溶融金属を回収する方法が知られている。
【特許文献１】特許第３０５４１９１号公報
【０００３】
しかしながら、上述の方法では、金属酸化物を溶融還元するに多大な熱エネルギーを必要として経済的でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の実情に鑑みなされたものであり、その目的は、金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する金属酸化物の処理方法であって、金属酸化物の溶融還元に使用した還元排ガスで金属酸化物を予備加熱して金属酸化物の溶融還元のために必要とする熱エネルギー量を低減し、しかも、斯かる場合に懸念される旋廻燃焼装置の大型化の問題を回避することが出来る様に改良された処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、種々検討を重ねた結果、前記の従来技術の装置を改良し、分離室の上部空間に予備加熱炉を接続し、前記旋廻燃焼装置の頂部にサイクロンを接続し、そして、予備加熱炉に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロンに導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離し、分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置に導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、分離室にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを前記予備加熱炉に供給することにより、上記の目的を容易に達成し得るとの知見を得た。
【０００６】
本発明は、上記の知見に基づき完成されたものであり、その要旨は、金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する金属酸化物の処理方法であって、金属酸化物として粉末状の金属酸化物を使用し、処理装置として、２つの還元ガス供給口を有する筒状の旋廻燃焼装置と、当該旋廻燃焼装置の底部に接続された分離室と、当該分離室の上部空間に接続された予備加熱炉と、前記旋廻燃焼装置の頂部に接続されたサイクロンとから構成され、且つ、前記の各還元ガス供給口が、旋廻燃焼装置に対して互いに逆方向の渦流を生ずる様に装置の縦方向に間隔を設けて配置された処理装置を使用し、予備加熱炉に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロンに導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離し、分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置に導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、分離室にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを前記予備加熱炉に供給する金属酸化物の処理方法に存する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、還元排ガスの熱の有効利用を図ることが出来、金属酸化物を溶融還元するために必要な熱エネルギー量を低減することが出来、しかも、斯かる場合に懸念される旋廻燃焼装置の大型化の問題を回避することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る金属酸化物の処理方法を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る金属酸化物の処理方法の好ましい態様を示すフロー図である。
【０００９】
先ず、本発明で使用する金属酸化物の処理装置について説明する。金属酸化物の処理装置は、２つの還元ガス供給口（１２）を有する筒状の旋廻燃焼装置（１）と、当該旋廻燃焼装置の底部に接続された分離室（１１）と、当該分離室の上部空間に接続された予備加熱炉（２）と、旋廻燃焼装置（１）の頂部に接続されたサイクロン（３）とから構成され、且つ、前記の各還元ガス供給口（１２）が旋廻燃焼装置（１）に対して互いに逆方向の渦流を生ずる様に装置の縦方向に間隔を設けて配置される。
【００１０】
旋廻燃焼装置（１）は、高温の還元ガスによって金属酸化物を溶融還元して所要の金属を生成するためのものであり、通常は、円筒状、例えば下端側が一部逆円錘台の外形を有する筒状の容器にて構成される。旋廻燃焼装置（１）の頂部には上記のサイクロン（３）が連結され、旋廻燃焼装置（１）の底部は上記の分離室（１１）に接続される。そして、旋廻燃焼装置（１）の上部には、当該旋廻燃焼装置へ高温の還元ガスを供給するための還元ガス供給口（１２）が少なくとも２箇所設けられる。
【００１１】
基本的には、還元ガス供給口（１２）は、供給された還元ガスが旋廻燃焼装置（１）内において上下で互いに逆方向の渦流を生ずる様に、平面視して旋廻燃焼装置（１）の、例えば、平行な位置にある接線に略沿った状態で、且つ、縦方向に間隔をあけて、例えば、旋廻燃焼装置（１）の筒状容器の直径の１／４〜１倍程度離間して取り付けられる。これにより、一方向の渦流の場合における欠点、すなわち、旋廻燃焼装置（１）内に反気流が生じて上昇気流となるため、金属酸化物が下降せず、旋廻燃焼装置（１）の内壁に付着して閉塞する欠点が解消される。なお、各ガス供給口（１２）には、還元ガス供給ライン（５４）を通じて還元ガスが供給される様になされている。
【００１２】
旋廻燃焼装置（１）の底部に連結される分離室（１１）は、溶融金属からスラッグを分離除去するためのものである。分離室（１１）の底部には、分離され且つスラッグが含まれない溶融金属を取り出す溶融金属抜出し口（５５）が設けられ、分離室（１１）の高さの中間部には、分離されたスラッグを排出するスラッグ排出口（５６）が設けられ、そして、分離室（１１）の上部空間には、旋廻燃焼装置（１）から導入された還元排ガスを抜き出して上記の予備加熱炉（２）に供給する還元排ガスライン（５７）が設けられる。
【００１３】
予備加熱炉（２）は、原料である金属酸化物を上記の還元排ガスで予備加熱するために使用されるものである。予備加熱炉としては、ロータリーキルン、回転床炉などを使用することが出来る。予備加熱炉（２）の一端側には、上記の還元排ガスライン（５７）と原料としての金属酸化物を供給する金属酸化物供給口（５１）とが接続され、また、予備加熱炉（２）の他端側には、加熱された金属酸化物と還元排ガスとの混合流体を取り出して上記のサイクロン（３）に供給する混合流体ライン（５２）が設けられる。
【００１４】
旋廻燃焼装置（１）の頂部に連結されるサイクロン（３）は、上記の混合流体を金属酸化物と還元排ガスとに分離するためのものである。周知の通り、サイクロン（３）は、略下半部が逆円錘台状の外形に構成され、遠心力を利用して被処理物を固形成分と気体成分に分離するために使用される。サイクロン（３）の下端部は、分離され且つ加熱された金属酸化物を旋廻燃焼装置（１）に供給するため、当該旋廻燃焼装置の頂部に接続され、また、サイクロン（３）の上端には、分離された還元排ガスを吸引する吸気ライン（５３）が接続される。
【００１５】
本発明の好ましい態様において、上記の吸気ライン（５３）はガス改質装置（４）へ接続され、サイクロン（３）によって分離排出される還元排ガスがガス改質装置（４）によって改質する様になさている。ガス改質装置（４）は、還元排ガスを合成ガスに変換する装置であり、水分供給ライン（６１）を通じて水および／または水蒸気が供給される様に構成される。そして、ガス改質装置（４）で生成された合成ガスは、合成ガス移送ライン（６２）を通じてバグフィルター等の集塵器（８）に供給され、微粉が除去された合成ガスは、合成ガスライン（６３）を通じ、合成ガスを利用する他のプロセスへ送気される様になされている。
【００１６】
なお、ガス改質装置（４）から集塵器（８）へ至る上記の合成ガス移送ライン（６２）には、合成ガスを冷却するため、冷却媒体として空気が供給される熱交換器（７１）と、必要に応じて、水冷式の冷却器（７２）とが介装される。また、図示しないが、熱交換器（７１）にて加熱された高温の空気は、還元ガス供給ライン（５４）によって旋廻燃焼装置（１）に供給される還元ガスの生成の空気として利用される様になされている。なお、符号（９）は、還元排ガスを吸引するブロワーを示す。
【００１７】
次に、本発明に係る金属酸化物の処理方法について説明する。本発明の処理方法は、金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する方法である。
【００１８】
そして、本発明においては、上述の処理装置を使用し、予備加熱炉（２）に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロン（３）に導入して還元排ガスから金属酸化物を分離し、分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置（１）に導入して溶融還元することが重要である。
【００１９】
本発明では、金属酸化物として粉末状の金属酸化物を使用する。金属酸化物としては、高炉、焼結炉、転炉、電気炉からの集塵ダスト、圧延工程からのスケール、酸洗工程からのスラッジ等の製鉄・製鋼工程にて発生する鉄含有廃棄物；銅カラミ等の製銅にて発生する金属酸化物；鉄鉱石、ラテライト鉱石、ニッケル鉱石、マンガン鉱石等の鉱石、廃触媒などが挙げられる。
【００２０】
先ず、本発明においては、予備加熱炉（２）に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱する。すなわち、金属酸化物供給ライン（５１）を通じて金属酸化物を予備加熱炉（２）に導入し、且つ、分離室（１１）に接続される還元排ガスライン（５７）から供給される還元排ガスによって金属酸化物を予備加熱する。
【００２１】
予備加熱炉（２）に導入される金属酸化物の量は、処理装置の能力見合いであるが、通常１０〜１００，０００ｋｇ／Ｈｒである。また、金属酸化物の予備加熱温度は、予備加熱炉（２）に供給される還元排ガスの温度および流量と属酸化物の量とによって決定されるが、通常１，２００〜１，４００℃である。金属酸化物の予備加熱温度が高すぎる場合は、金属酸化物が溶融して巨大粒子が形成される恐れがある。
【００２２】
予備加熱炉（２）においては、金属酸化物と共に還元材および造滓剤を導入してもよい。還元材としては、微粉炭、微粉コークス等が挙げられる。造滓剤としては、石灰石（ＣａＣＯ3）、ドロマイト(ＣａＣＯ3＋ＭｇＣＯ3）、生石灰（ＣａＯ）および焼成ドロマイト（ＣａＯ＋ＭｇＯ）等が挙げられる。
【００２３】
上記の様に金属酸化物を予備加熱することにより、旋廻燃焼装置（１）において金属酸化物の溶融還元に必要とする熱エネルギー量を低減させることが出来る。また、金属酸化物と共に還元材および造滓剤を導入した場合は、予備加熱炉及びサイクロンにおいて金属酸化物を予備的に固相還元することが出来ため、旋廻燃焼装置（１）における還元ガス量を軽減することも出来る。しかも、造滓剤の導入により、後述の分離室（１１）における分離が一層容易になる。
【００２４】
次いで、金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロン（３）に導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離する。すなわち、予備加熱炉（２）から混合流体ライン（５２）通じて金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロン（３）に導入して還元排ガスから金属酸化物を分離する。
【００２５】
次いで、上記のサイクロン（３）で分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置（１）の頂部から導入して高温の還元ガスによって溶融還元する。高温の還元ガスは、金属酸化物を溶融還元するためのガスであり、旋廻燃焼装置（１）内において互いに逆方向の渦流を形成する様に、還元ガス供給ライン（５４）を通じて各還元ガス供給口（１２）から旋廻燃焼装置（１）内に噴射される。そして、サイクロン（３）から供給された金属酸化物は、上述の高温の還元ガスの渦流によって十分に攪拌されて均一な懸濁状態となり、還元ガスと接触して還元され金属になり、落下しながら溶融する。
【００２６】
旋廻燃焼装置（１）内の温度は、適切な溶融還元を行なう観点から、通常１，３００〜１，６００℃である。旋廻燃焼装置（１）内の温度が１，３００℃未満の場合は、金属酸化物が溶融還元されないことがある。また、温度が１，６００℃を超える場合は、温度が高い割には金属酸化物の溶融還元への寄与率が小さく不経済である。また、旋廻燃焼装置（１）に導入される高温の還元ガスの導入量は、旋廻燃焼装置（１）に導入される固体成分（金属酸化物、還元材、造滓剤）に対する量として、通常０．８〜１．０Ｎｍ３／ｋｇ−固体成分である。
【００２７】
高温の還元ガスは、水素および／または一酸化炭素を含有するガスである。そして、還元ガスは、気体、液体または固体の化石燃料、廃プラスチック、廃ゴム、ＡＳＲ（Automobile Shredder Residue 、シュレッダー・ダストとも呼ばれる）等の可燃性廃棄物を燃焼することにより製造される。
【００２８】
上述のように、還元排ガスがサイクロン（３）により分離されるため、小型の旋廻燃焼装置（１）で金属酸化物を溶融還元することが出来る。
【００２９】
次いで、分離室（１１）にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを上記の予備加熱炉（２）に供給する。すなわち、旋廻燃焼装置（１）にて溶融還元して得られた溶融金属とスラッグは、旋廻燃焼装置（１）の底部に接続された分離室（１１）で溶融金属とスラッグとに分離される。そして、分離室（１１）の底部に存在し、且つ、スラッグが含まれない溶融金属は、分離室（１１）底部の溶融金属抜出しライン（５５）から取り出される。
【００３０】
また、溶融金属の表面部分に存在するスラッグは、分離槽（１１）の高さの中間部に設けられているスラッグ排出ライン（５６）から取り出される。そして、旋廻燃焼装置（１）から送気された還元排ガスは、分離槽（１１）の上部空間から還元排ガスライン（５７）を通じて抜き出され、上記の予備加熱炉（２）に供給される。なお、分離槽（１１）は、溶融した金属が固化しない温度に維持される。
【００３１】
旋廻燃焼装置（１）からの還元排ガスの送気は、後述のブロアー（９）によって行われる。なお、旋廻燃焼装置（１）から予備加熱炉（２）乃至サイクロン（３）までの圧力は、配管などの圧力損失により若干の正圧になる。
【００３２】
溶融金属抜出しライン（５５）から取り出された溶融金属は、造滓剤を添加して受鍋（図示せず）で加熱処理し、比重差を利用して下側の溶融金属と上側の鉱滓とに分離する精製処理をしてもよい。受鍋での加熱処理により、最終的に不純物のより少ない溶融金属、例えば、高純度の金属鉄を得ることが出来る。得られた高純度の金属鉄は、上記の加熱処理に引き続く酸素曝気処理し、炭素含量を低減させることも出来る。
【００３３】
本発明の好ましい態様において、サイクロン（３）によって分離排出される高温の還元排ガスに水または水蒸気を添加してガスの改質を行う。すなわち、サイクロン（３）で分離された、主として炭酸ガスを含有する還元排ガスは、通常１，０００〜１，２００℃の高温であるため、吸気ライン（５３）を通じてガス改質装置（４）に供給し、水分供給ライン（６１）を通じて供給される水および／または水蒸気と接触させることにより、容易に合成ガスに変換することが出来る。なお、供給する水および／又はスチームの量は、還元排ガスを合成ガスに改質出来る量であれば、特に制限はない。
【００３４】
合成ガス生成反応は吸熱反応であるが、ガス改質装置（４）で生成した合成ガスは、８００〜１，２００℃の高温であるので、冷却媒体として空気が供給される熱交換器（７１）及び、必要に応じて、水冷式の冷却器（７２）により冷却される。熱交換により加熱された空気は、還元ガスの生成のための燃焼用空気として利用することが出来る。
【００３５】
冷却された合成ガスは、合成ガス移送ライン（６２）を通じてバグフィルター等の集塵器（８）に供給されて微粉が除去される。得られた合成ガスは、化学工業用原料として利用する他のプロセスへ送られる。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明を、実施例により更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００３７】
実施例１
原料としての高炉から排出される高炉ダスト、焼結ドロマイト及び微粉炭を図１に示す金属酸化物の処理方法のフローにより以下の要領にて処理をした。
【００３８】
上述の原料を金属酸化物供給ライン（５１）から予備加熱炉（２）としてのロータリーキルンに供給して予備加熱を行った。原料の使用量および成分組成を表１に示、ロータリーキルンでの予備加熱処理の操作条件を表２示し、予備加熱処理された金属酸化物の量およびその組成を表３に示す。
【００３９】
次いで、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロン（３）に導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離した。サイクロン（３）での分離処理の操作条件を表２示す。
【００４０】
分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置（１）の頂部から導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、次いで、分離室（１１）にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを上記のロータリーキルンに供給した。旋廻燃焼装置（１）での溶融還元処理および分離室（１１）での溶融金属の分離処理の操作条件を表２示し、分離室（１１）から得られた生成物の量およびその組成を表３に示す。
【００４１】
別に、サイクロン（３）によって分離排出され、吸気ライン（５３）からガス改質装置（４）に供給された還元排ガスは、水および／又はスチームと接触させて合成ガスを生成した。次いで、冷却媒体として空気が供給される熱交換器（７１）及び水冷式の冷却器（７２）で合成ガスを冷却した後、集塵器（８）に供給して微粉を除去し、合成ガスを得た。なお、ブロアー（９）による合成ガスの吸引により、系の雰囲気は１０ｍｍＨｇの負圧であった。ガス改質装置でのガス改質処理、合成ガス冷却処理および集塵装置での微粉の除去処理の操作条件および合成ガスの量とその組成を表４に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４】
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】金属酸化物の処理の工程図
【符号の説明】
【００４７】
１：旋廻燃焼装置
２：ロータリーキルン
３：サイクロン
４：ガス改質装置
８：集塵装置
９：ブロアー
１１：分離室
１２：ガス供給口
７１：熱交換器
７２：冷却器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する金属酸化物の処理方法であって、金属酸化物として粉末状の金属酸化物を使用し、処理装置として、２つの還元ガス供給口を有する筒状の旋廻燃焼装置と、当該旋廻燃焼装置の底部に接続された分離室と、当該分離室の上部空間に接続された予備加熱炉と、前記旋廻燃焼装置の頂部に接続されたサイクロンとから構成され、且つ、前記の各還元ガス供給口が、旋廻燃焼装置に対して互いに逆方向の渦流を生ずる様に装置の縦方向に間隔を設けて配置された処理装置を使用し、予備加熱炉に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロンに導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離し、分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置に導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、分離室にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを前記予備加熱炉に供給することを特徴とする金属酸化物の処理方法。
【請求項２】
予備加熱炉に還元材を導入して予備加熱炉及びサイクロンにおいて金属酸化物を固相還元する請求項１に記載の処理方法。
【請求項３】
サイクロンで分離された還元排ガスに水または水蒸気を添加してガスの改質を行う請求項２に記載の処理方法。
【請求項１】
金属酸化物を溶融還元し、得られた溶融金属をスラッグから分離して回収する金属酸化物の処理方法であって、金属酸化物として粉末状の金属酸化物を使用し、処理装置として、２つの還元ガス供給口を有する筒状の旋廻燃焼装置と、当該旋廻燃焼装置の底部に接続された分離室と、当該分離室の上部空間に接続された予備加熱炉と、前記旋廻燃焼装置の頂部に接続されたサイクロンとから構成され、且つ、前記の各還元ガス供給口が、旋廻燃焼装置に対して互いに逆方向の渦流を生ずる様に装置の縦方向に間隔を設けて配置された処理装置を使用し、予備加熱炉に金属酸化物を導入し且つ後述の還元排ガスによって予備加熱し、得られた金属酸化物と還元排ガスとの混合流体をサイクロンに導入して金属酸化物と還元排ガスとに分離し、分離された金属酸化物を旋廻燃焼装置に導入して高温の還元ガスによって溶融還元し、分離室にて溶融金属をスラッグから分離して回収すると共に還元排ガスを前記予備加熱炉に供給することを特徴とする金属酸化物の処理方法。
【請求項２】
予備加熱炉に還元材を導入して予備加熱炉及びサイクロンにおいて金属酸化物を固相還元する請求項１に記載の処理方法。
【請求項３】
サイクロンで分離された還元排ガスに水または水蒸気を添加してガスの改質を行う請求項２に記載の処理方法。
【図１】
【公開番号】特開２００６−２１９３（Ｐ２００６−２１９３Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１７７９６３（Ｐ２００４−１７７９６３）
【出願日】平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【出願人】（５９８０９８４６７）株式会社 メッツコーポレーション (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【出願人】（５９８０９８４６７）株式会社 メッツコーポレーション (10)
【Ｆターム（参考）】
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