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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-04-08
(45)【発行日】2025-04-16
(54)【発明の名称】還元鉄の製造方法及び製造システム
(51)【国際特許分類】
C21B 13/00 20060101AFI20250409BHJP
C21B 13/02 20060101ALI20250409BHJP
C22B 5/12 20060101ALI20250409BHJP
C23C 8/22 20060101ALI20250409BHJP
【ＦＩ】
C21B13/00
C21B13/02
C22B5/12
C23C8/22
【請求項の数】
22
(21)【出願番号】P 2025506060
(86)(22)【出願日】2024-10-04
(86)【国際出願番号】 JP2024035644
【審査請求日】2025-02-03
(31)【優先権主張番号】P 2024010458
(32)【優先日】2024-01-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2024010386
(32)【優先日】2024-01-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２１年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「グリーンイノベーション基金事業／製鉄プロセスにおける水素活用プロジェクト」／水素だけで低品位の鉄鉱石を還元する直接水素還元技術の開発／直接水素還元技術の開発に関する委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100187702
【弁理士】
【氏名又は名称】福地 律生
(74)【代理人】
【識別番号】100162204
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 学
(74)【代理人】
【識別番号】100195213
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 健治
(74)【代理人】
【識別番号】100202441
【弁理士】
【氏名又は名称】岩田 純
(72)【発明者】
【氏名】谷 佳樹
(72)【発明者】
【氏名】冨田 克行
(72)【発明者】
【氏名】水谷 守利
【審査官】中西 哲也
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５５－１２５２１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０５７０２５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０６５２１０７４（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許第５３２０６７６（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２１Ｂ １１／００－１５／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素を含む還元鉄の製造方法であって、酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて金属鉄を得る、還元工程、及び
前記金属鉄を冷却する、冷却工程
を有し、
前記冷却工程が、
前記還元工程後、前記金属鉄に対してメタンガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第１工程、
前記第１工程後、前記金属鉄に対してＣＯガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第２工程、及び
前記第２工程後、前記金属鉄に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３工程
を有する、
還元鉄の製造方法。
【請求項2】
請求項１に記載の還元鉄の製造方法であって、前記還元工程及び前記冷却工程が、シャフト炉内において行われる、
還元鉄の製造方法。
【請求項3】
請求項１に記載の還元鉄の製造方法であって、前記還元工程が、シャフト炉内において行われ、
前記冷却工程が、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置において行われる、
還元鉄の製造方法。
【請求項4】
請求項１に記載の還元鉄の製造方法であって、前記還元工程と前記第１工程とが、シャフト炉内において行われ、
前記第２工程と前記第３工程とが、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置において行われる、
還元鉄の製造方法。
【請求項5】
請求項３に記載の還元鉄の製造方法であって、前記金属鉄を前記シャフト炉から前記冷却装置へと移動させる、移動工程を含む、
還元鉄の製造方法。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか１項に記載の還元鉄の製造方法であって、前記還元ガスが、水素ガスを含む、
還元鉄の製造方法。
【請求項7】
請求項１～５のいずれか１項に記載の還元鉄の製造方法であって、前記還元工程の排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水工程、及び
前記循環ガスと水素ガスとを昇温し、前記循環ガスと前記水素ガスとを含む前記還元ガスを得る、昇温工程
を有する、
還元鉄の製造方法。
【請求項8】
請求項１～５のいずれか１項に記載の還元鉄の製造方法であって、前記第１工程における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
【請求項9】
請求項１～５のいずれか１項に記載の還元鉄の製造方法であって、前記第１工程における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元ガスに付加される、
還元鉄の製造方法。
【請求項10】
請求項１～５のいずれか１項に記載の還元鉄の製造方法であって、前記第２工程における前記金属鉄と前記ＣＯガスとの反応ガスが、前記第１工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
【請求項11】
請求項１～５のいずれか１項に記載の還元鉄の製造方法であって、前記第３工程において前記金属鉄と接触した前記メタンガス又は不活性ガスが、前記第２工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
【請求項12】
炭素を含む還元鉄の製造システムであって、酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて金属鉄を得る、還元部、及び
前記金属鉄を冷却する、冷却部
を有し、
前記冷却部が、
前記還元部によって得られた前記金属鉄に対してメタンガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第１部分、
前記第１部分よりも下流側において、前記金属鉄に対してＣＯガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第２部分、及び
前記第２部分よりも下流側において、前記金属鉄に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３部分
を有する、
還元鉄の製造システム。
【請求項13】
請求項１２に記載の還元鉄の製造システムであって、前記還元部及び前記冷却部が、シャフト炉に設けられる、
還元鉄の製造システム。
【請求項14】
請求項１２に記載の還元鉄の製造システムであって、前記還元部が、シャフト炉に設けられ、
前記冷却部が、前記シャフト炉よりも下流側の冷却装置に設けられる、
還元鉄の製造システム。
【請求項15】
請求項１２に記載の還元鉄の製造システムであって、前記還元部と前記第１部分とが、シャフト炉に設けられ、
前記第２部分と前記第３部分とが、前記シャフト炉よりも下流側の冷却装置に設けられる、
還元鉄の製造システム。
【請求項16】
請求項１４に記載の還元鉄の製造システムであって、前記金属鉄を前記シャフト炉から前記冷却装置へと移動させる、移動装置を備える、
還元鉄の製造システム。
【請求項17】
請求項１２～１６のいずれか１項に記載の還元鉄の製造システムであって、前記還元ガスが、水素ガスを含む、
還元鉄の製造システム。
【請求項18】
請求項１２～１６のいずれか１項に記載の還元鉄の製造システムであって、前記還元部からの排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水装置、及び
前記循環ガスと水素ガスとを昇温し、前記循環ガスと前記水素ガスとを含む前記還元ガスを得る、昇温装置
を有する、還元鉄の製造システム。
【請求項19】
請求項１２～１６のいずれか１項に記載の還元鉄の製造システムであって、前記還元部よりも下流側において、前記第１部分における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスを系外へと排出する、第１冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
【請求項20】
請求項１２～１６のいずれか１項に記載の還元鉄の製造システムであって、前記第１部分における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元ガスへと付加されるように、前記還元部と前記第１部分とが接続されている、
還元鉄の製造システム。
【請求項21】
請求項１２～１６のいずれか１項に記載の還元鉄の製造システムであって、前記第１部分よりも下流側において、前記第２部分における前記金属鉄と前記ＣＯガスとの反応ガスを系外へと排出する、第２冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
【請求項22】
請求項１２～１６のいずれか１項に記載の還元鉄の製造システムであって、前記第２部分よりも下流側において、前記第３部分における前記金属鉄と接触した前記メタンガス又は不活性ガスを系外へと排出する、第３冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は還元鉄の製造方法及び製造システムを開示する。
【背景技術】
【0002】
鉄鋼業界においては、高炉法の代替技術として、還元ガスを用いた直接還元プロセスにより、ＣＯ２排出量を削減することが検討されている。例えば、直接還元プロセスとして、シャフト炉を用いたプロセスが検討されている（例えば、特許文献１及び２）。直接還元プロセスでは、酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて還元鉄（Ｄｉｒｅｃｔ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｒｏｎ：ＤＲＩ）を得る。また、還元鉄の冷却と炭素濃度の増加とを目的として、当該還元鉄に対して冷却ガスを接触させる場合がある。還元鉄の炭素濃度を増加させることで、次工程の溶解・精錬工程における溶解温度が低下し、また、鋼としての強度が確保される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０２１／１９５１６０号
【文献】特開昭６１－０７３８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
還元鉄の製品形態としてはＣｏｌｄ ＤＲＩ（ＣＤＲＩ）、Ｈｏｔ Ｂｒｉｑｕｅｔｔｅｄ Ｉｒｏｎ（ＨＢＩ）、Ｈｏｔ ＤＲＩ（ＨＤＲＩ）の３つが挙げられる。直接還元プロセスによってＣＤＲＩを製造する場合、酸化鉄原料を還元して金属鉄を得た後、当該金属鉄の炭素濃度を増加させつつ冷却する技術が求められる。従来技術においては、直接還元プロセスにより還元鉄を製造する際、還元後に得られる金属鉄の炭素濃度を増加させつつ金属鉄を冷却することについて、改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本願は、上記課題を解決するための手段として、以下の複数の態様を開示する。
＜態様１＞
炭素を含む還元鉄の製造方法であって、
酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて金属鉄を得る、還元工程、及び
前記金属鉄を冷却する、冷却工程
を有し、
前記冷却工程が、
前記還元工程後、前記金属鉄に対してメタンガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第１工程、
前記第１工程後、前記金属鉄に対してＣＯガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第２工程、及び
前記第２工程後、前記金属鉄に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３工程
を有する、
還元鉄の製造方法。
＜態様２＞
態様１の還元鉄の製造方法であって、
前記還元工程及び前記冷却工程が、シャフト炉内において行われる、
還元鉄の製造方法。
＜態様３＞
態様１の還元鉄の製造方法であって、
前記還元工程が、シャフト炉内において行われ、
前記冷却工程が、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置において行われる、
還元鉄の製造方法。
＜態様４＞
態様１の還元鉄の製造方法であって、
前記還元工程と前記第１工程とが、シャフト炉内において行われ、
前記第２工程と前記第３工程とが、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置において行われる、
還元鉄の製造方法。
＜態様５＞
態様３又は４の還元鉄の製造方法であって、
前記金属鉄を前記シャフト炉から前記冷却装置へと移動させる、移動工程を含む、
還元鉄の製造方法。
＜態様６＞
態様１～５のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記還元ガスが、水素ガスを含む、
還元鉄の製造方法。
＜態様７＞
態様１～６のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記還元工程の排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水工程、及び
前記循環ガスと水素ガスとを昇温し、前記循環ガスと前記水素ガスとを含む前記還元ガスを得る、昇温工程
を有する、
還元鉄の製造方法。
＜態様８＞
態様１～７のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記第１工程における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
＜態様９＞
態様１～８のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記第１工程における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元ガスに付加される、
還元鉄の製造方法。
＜態様１０＞
態様１～９のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記第２工程における前記金属鉄と前記ＣＯガスとの反応ガスが、前記第１工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
＜態様１１＞
態様１～１０のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記第３工程において前記金属鉄と接触した前記メタンガス又は不活性ガスが、前記第２工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
＜態様１２＞
炭素を含む還元鉄の製造システムであって、
酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて金属鉄を得る、還元部、及び
前記金属鉄を冷却する、冷却部
を有し、
前記冷却部が、
前記還元部によって得られた前記金属鉄に対してメタンガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第１部分、
前記第１部分よりも下流側において、前記金属鉄に対してＣＯガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第２部分、及び
前記第２部分よりも下流側において、前記金属鉄に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３部分
を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様１３＞
態様１２の還元鉄の製造システムであって、
前記還元部及び前記冷却部が、シャフト炉に設けられる、
還元鉄の製造システム。
＜態様１４＞
態様１２の還元鉄の製造システムであって、
前記還元部が、シャフト炉に設けられ、
前記冷却部が、前記シャフト炉よりも下流側の冷却装置に設けられる、
還元鉄の製造システム。
＜態様１５＞
態様１２の還元鉄の製造システムであって、
前記還元部と前記第１部分とが、シャフト炉に設けられ、
前記第２部分と前記第３部分とが、前記シャフト炉よりも下流側の冷却装置に設けられる、
還元鉄の製造システム。
＜態様１６＞
態様１４又は１５の還元鉄の製造システムであって、
前記金属鉄を前記シャフト炉から前記冷却装置へと移動させる、移動装置を備える、
還元鉄の製造システム。
＜態様１７＞
態様１２～１６のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記還元ガスが、水素ガスを含む、
還元鉄の製造システム。
＜態様１８＞
態様１２～１７のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記還元部からの排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水装置、及び
前記循環ガスと水素ガスとを昇温し、前記循環ガスと前記水素ガスとを含む前記還元ガスを得る、昇温装置
を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様１９＞
態様１２～１８のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記還元部よりも下流側において、前記第１部分における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスを系外へと排出する、第１冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様２０＞
態様１２～１９のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記第１部分における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元ガスへと付加されるように、前記還元部と前記第１部分とが接続されている、
還元鉄の製造システム。
＜態様２１＞
態様１２～２０のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記第１部分よりも下流側において、前記第２部分における前記金属鉄と前記ＣＯガスとの反応ガスを系外へと排出する、第２冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様２２＞
態様１２～２１のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記第２部分よりも下流側において、前記第３部分における前記金属鉄と接触した前記メタンガス又は不活性ガスを系外へと排出する、第３冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様１＞
炭素を含む還元鉄の製造方法であって、
酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて金属鉄を得る、還元工程、及び
前記金属鉄を冷却する、冷却工程
を有し、
前記冷却工程が、
前記還元工程後、前記金属鉄に対してメタンガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第１工程、
前記第１工程後、前記金属鉄に対してＣＯガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第２工程、及び
前記第２工程後、前記金属鉄に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３工程
を有する、
還元鉄の製造方法。
＜態様２＞
態様１の還元鉄の製造方法であって、
前記還元工程及び前記冷却工程が、シャフト炉内において行われる、
還元鉄の製造方法。
＜態様３＞
態様１の還元鉄の製造方法であって、
前記還元工程が、シャフト炉内において行われ、
前記冷却工程が、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置において行われる、
還元鉄の製造方法。
＜態様４＞
態様１の還元鉄の製造方法であって、
前記還元工程と前記第１工程とが、シャフト炉内において行われ、
前記第２工程と前記第３工程とが、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置において行われる、
還元鉄の製造方法。
＜態様５＞
態様３又は４の還元鉄の製造方法であって、
前記金属鉄を前記シャフト炉から前記冷却装置へと移動させる、移動工程を含む、
還元鉄の製造方法。
＜態様６＞
態様１～５のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記還元ガスが、水素ガスを含む、
還元鉄の製造方法。
＜態様７＞
態様１～６のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記還元工程の排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水工程、及び
前記循環ガスと水素ガスとを昇温し、前記循環ガスと前記水素ガスとを含む前記還元ガスを得る、昇温工程
を有する、
還元鉄の製造方法。
＜態様８＞
態様１～７のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記第１工程における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
＜態様９＞
態様１～８のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記第１工程における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元ガスに付加される、
還元鉄の製造方法。
＜態様１０＞
態様１～９のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記第２工程における前記金属鉄と前記ＣＯガスとの反応ガスが、前記第１工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
＜態様１１＞
態様１～１０のいずれかの還元鉄の製造方法であって、
前記第３工程において前記金属鉄と接触した前記メタンガス又は不活性ガスが、前記第２工程よりも下流側において系外に排出される、
還元鉄の製造方法。
＜態様１２＞
炭素を含む還元鉄の製造システムであって、
酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて金属鉄を得る、還元部、及び
前記金属鉄を冷却する、冷却部
を有し、
前記冷却部が、
前記還元部によって得られた前記金属鉄に対してメタンガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第１部分、
前記第１部分よりも下流側において、前記金属鉄に対してＣＯガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第２部分、及び
前記第２部分よりも下流側において、前記金属鉄に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３部分
を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様１３＞
態様１２の還元鉄の製造システムであって、
前記還元部及び前記冷却部が、シャフト炉に設けられる、
還元鉄の製造システム。
＜態様１４＞
態様１２の還元鉄の製造システムであって、
前記還元部が、シャフト炉に設けられ、
前記冷却部が、前記シャフト炉よりも下流側の冷却装置に設けられる、
還元鉄の製造システム。
＜態様１５＞
態様１２の還元鉄の製造システムであって、
前記還元部と前記第１部分とが、シャフト炉に設けられ、
前記第２部分と前記第３部分とが、前記シャフト炉よりも下流側の冷却装置に設けられる、
還元鉄の製造システム。
＜態様１６＞
態様１４又は１５の還元鉄の製造システムであって、
前記金属鉄を前記シャフト炉から前記冷却装置へと移動させる、移動装置を備える、
還元鉄の製造システム。
＜態様１７＞
態様１２～１６のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記還元ガスが、水素ガスを含む、
還元鉄の製造システム。
＜態様１８＞
態様１２～１７のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記還元部からの排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水装置、及び
前記循環ガスと水素ガスとを昇温し、前記循環ガスと前記水素ガスとを含む前記還元ガスを得る、昇温装置
を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様１９＞
態様１２～１８のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記還元部よりも下流側において、前記第１部分における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスを系外へと排出する、第１冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様２０＞
態様１２～１９のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記第１部分における前記金属鉄と前記メタンガスとの反応ガスが、前記還元ガスへと付加されるように、前記還元部と前記第１部分とが接続されている、
還元鉄の製造システム。
＜態様２１＞
態様１２～２０のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記第１部分よりも下流側において、前記第２部分における前記金属鉄と前記ＣＯガスとの反応ガスを系外へと排出する、第２冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
＜態様２２＞
態様１２～２１のいずれかの還元鉄の製造システムであって、
前記第２部分よりも下流側において、前記第３部分における前記金属鉄と接触した前記メタンガス又は不活性ガスを系外へと排出する、第３冷却ガス排出口を有する、
還元鉄の製造システム。
【発明の効果】
【0006】
本開示の還元鉄の製造方法及び製造システムによれば、直接還元プロセスにおいて、金属鉄の炭素濃度を増加させつつ、金属鉄を冷却することができる。本開示の還元鉄の製造方法及び製造システムによれば、例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】還元鉄の製造方法及び製造システムの一例について説明するための概略図である。
【図2】還元鉄の製造方法及び製造システムの一例について説明するための概略図である。
【図3】還元鉄の製造方法及び製造システムの一例について説明するための概略図である。
【図4】還元鉄の製造方法及び製造システムの一例について説明するための概略図である。
【図5】還元鉄の製造方法及び製造システムの一例について説明するための概略図である。
【図6】還元鉄の製造方法及び製造システムの一例について説明するための概略図である。
【図7】還元鉄の製造方法及び製造システムの一例について説明するための概略図である。
【図8】Ｃａｓｅ １～４の各々について、シャフト炉の冷却部に導入されるガスの種類及び導入位置を説明するための概略図である。
【図9】実施例１について、シャフト炉及び冷却塔の各々に導入されるガスの種類及び導入位置を説明するための概略図である。
【図10】実施例２について、シャフト炉及び冷却塔の各々に導入されるガスの種類及び導入位置を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本開示の還元鉄の製造方法及び製造システムの一実施形態について説明する。ただし、本開示の還元鉄の製造方法及び製造システムは以下の実施形態に限定されるものではない。尚、本願において、「酸化鉄原料」とは、還元工程前の酸化鉄を含む原料をいう。「金属鉄」とは、還元工程後、冷却工程が終了するまでの中間生成物をいい、炭化等によって炭素濃度が高められたものについても、便宜上「金属鉄」と呼ぶ。「還元鉄」とは、冷却工程後に得られる製品をいう。また、本願において「下流側」とは、還元鉄の製造工程における下流側をいう。すなわち、酸化鉄原料から金属鉄を経て炭素を含む還元鉄を製造する場合における、酸化鉄原料側が上流側であり、炭素を含む還元鉄側が下流側である。
【0009】
１．還元鉄の製造方法
図１～７に示されるように、一実施形態に係る炭素を含む還元鉄の製造方法は、
酸化鉄原料１０に対して還元ガスを接触させて金属鉄２０を得る、還元工程Ｓ１、及び、
金属鉄２０を冷却する、冷却工程Ｓ２を有する。
ここで、冷却工程Ｓ２は、
還元工程Ｓ１後、金属鉄２０に対してメタンガスを接触させて、金属鉄２０を炭化する、第１工程Ｓ２１、
第１工程Ｓ２１後、金属鉄２０に対してＣＯガスを接触させて、金属鉄２０を炭化する、第２工程Ｓ２２、及び、
第２工程Ｓ２２後、金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスと接触させる、第３工程Ｓ２３を有する。
図１～７に示されるように、一実施形態に係る炭素を含む還元鉄の製造方法は、
酸化鉄原料１０に対して還元ガスを接触させて金属鉄２０を得る、還元工程Ｓ１、及び、
金属鉄２０を冷却する、冷却工程Ｓ２を有する。
ここで、冷却工程Ｓ２は、
還元工程Ｓ１後、金属鉄２０に対してメタンガスを接触させて、金属鉄２０を炭化する、第１工程Ｓ２１、
第１工程Ｓ２１後、金属鉄２０に対してＣＯガスを接触させて、金属鉄２０を炭化する、第２工程Ｓ２２、及び、
第２工程Ｓ２２後、金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスと接触させる、第３工程Ｓ２３を有する。
【0010】
１．１ 還元工程
還元工程Ｓ１においては、酸化鉄原料１０に対して還元ガスが接触される。これにより、還元反応が生じ、金属鉄２０が得られる。図１～７に示されるように、還元工程Ｓ１は、例えば、シャフト炉１００内において行われてもよい。或いは、還元工程Ｓ１は、シャフト炉１００以外の還元装置（例えば、流動層やロータリーキルン）において行われてもよい。特に、還元工程Ｓ１がシャフト炉１００内において行われる場合に、高い効果が期待できる。
還元工程Ｓ１においては、酸化鉄原料１０に対して還元ガスが接触される。これにより、還元反応が生じ、金属鉄２０が得られる。図１～７に示されるように、還元工程Ｓ１は、例えば、シャフト炉１００内において行われてもよい。或いは、還元工程Ｓ１は、シャフト炉１００以外の還元装置（例えば、流動層やロータリーキルン）において行われてもよい。特に、還元工程Ｓ１がシャフト炉１００内において行われる場合に、高い効果が期待できる。
【0011】
１．１．１ 酸化鉄原料
酸化鉄原料１０は、酸化鉄を含む。酸化鉄原料１０は、例えば、鉄鉱石ペレット、鉄鉱石、及び、焼結鉱、から選ばれる１種又は２種以上であってもよい。酸化鉄原料１０は、酸化鉄以外に、例えば、二酸化ケイ素及び酸化アルミニウムのうちの一方又は両方を含んでいてもよい。酸化鉄原料１０は、粒度分布を有するものであってもよいし、均一な粒子径を有するものであってもよい。酸化鉄原料１０の平均粒子径は、例えば、５．０ｍｍ以上３０．０ｍｍ以下であってもよく、１０．０ｍｍ以上１５．０ｍｍ以下であってもよい。尚、「原料の粒子径」とは、原料の篩径を意味し、かつ、「原料の平均粒子径」とは、原料の粒子径の加重平均値を意味する。具体的には、原料の平均粒子径は、以下の通りにして測定する。すなわち、ＪＩＳ Ｚ ８８１５：１９９５に記載の乾式ふるい分け試験によって質量基準の粒子径分布を得て、各篩の最大粒径と最小粒径の平均値を代表粒径として、質量で加重平均することによって、原料の平均粒子径を測定することができる。酸化鉄原料１０は、ペレット等に成形されたものであってもよいし、粉体状であってもよいし、塊状であってもよいし、これら以外の形状であってもよい。
酸化鉄原料１０は、酸化鉄を含む。酸化鉄原料１０は、例えば、鉄鉱石ペレット、鉄鉱石、及び、焼結鉱、から選ばれる１種又は２種以上であってもよい。酸化鉄原料１０は、酸化鉄以外に、例えば、二酸化ケイ素及び酸化アルミニウムのうちの一方又は両方を含んでいてもよい。酸化鉄原料１０は、粒度分布を有するものであってもよいし、均一な粒子径を有するものであってもよい。酸化鉄原料１０の平均粒子径は、例えば、５．０ｍｍ以上３０．０ｍｍ以下であってもよく、１０．０ｍｍ以上１５．０ｍｍ以下であってもよい。尚、「原料の粒子径」とは、原料の篩径を意味し、かつ、「原料の平均粒子径」とは、原料の粒子径の加重平均値を意味する。具体的には、原料の平均粒子径は、以下の通りにして測定する。すなわち、ＪＩＳ Ｚ ８８１５：１９９５に記載の乾式ふるい分け試験によって質量基準の粒子径分布を得て、各篩の最大粒径と最小粒径の平均値を代表粒径として、質量で加重平均することによって、原料の平均粒子径を測定することができる。酸化鉄原料１０は、ペレット等に成形されたものであってもよいし、粉体状であってもよいし、塊状であってもよいし、これら以外の形状であってもよい。
【0012】
シャフト炉１００内において還元工程Ｓ１が行われる場合、当該シャフト炉１００の原料供給口１００ａを介してシャフト炉１００内に上記の酸化鉄原料１０が供給及び充填され、充填層が形成され得る。充填層の充填率は、特に限定されるものではなく、シャフト炉を用いた従来の還元鉄の製造方法における充填率と同様であってもよい。充填層は、シャフト炉１００の内部において下向きに移動する。すなわち、シャフト炉１００の内部においては、酸化鉄原料１０が実質的に充満した状態で、落下等によって徐々に下方に移動する。充填層における一つの原料粒子に着目した場合、当該原料粒子は、下に向かって一定の速度で連続的に移動していてもよいし、落下と停止とを繰り返して断続的に移動していてもよい。充填層における一つの原料粒子に着目した場合、当該原料粒子の下向きの平均移動速度は、特に限定されるものではない。例えば、上記の原料の供給量（供給速度）に応じて、平均移動速度が調整され得る。充填層を下向きに移動させる際は、棚吊り防止のために、バーデンフィーダ（burden feeder）等が用いられてもよい。
【0013】
１．１．２ 還元ガス
還元ガスの種類は、酸化鉄原料１０の還元が可能なものであればよく、特に限定されるものではない。特に、還元ガスが水素ガスを含む場合に、本開示の技術による一層顕著な効果が期待できる。水素ガスは、例えば、水の電気分解によって得られたもの、合成ガス（石炭、バイオマスを水蒸気、空気、酸素でガス化（部分酸化）したガス）から分離（例えば、膜分離）して得られたもの、天然ガスを水蒸気や二酸化炭素等で改質したガスから分離して得られたもの、又は、乾留ガス（石炭、バイオマスを無酸素状態で加熱したガス）から分離して得られたもの等であってよい。還元ガスは、水素ガスのほか、水素以外のガスを含んでいてもよい。水素以外のガスとしては、ＣＯガスや不活性ガスやＣＯ２ガスや水蒸気等が挙げられる。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。還元ガスが水素ガスを含む場合、還元ガスの水素濃度は、例えば、４０体積％以上１００体積％以下、５０体積％以上１００体積％以下、６０体積％以上１００体積％以下、７０体積％以上１００体積％以下、又は、８０体積％以上１００体積％以下であってもよい。還元ガスの供給温度（酸化鉄原料１０に接触する直前の温度）は、酸化鉄との還元反応が生じる温度であればよく、例えば、７００℃以上であってもよい。還元ガスの温度は、好ましくは８００℃以上１１００℃以下である。
還元ガスの種類は、酸化鉄原料１０の還元が可能なものであればよく、特に限定されるものではない。特に、還元ガスが水素ガスを含む場合に、本開示の技術による一層顕著な効果が期待できる。水素ガスは、例えば、水の電気分解によって得られたもの、合成ガス（石炭、バイオマスを水蒸気、空気、酸素でガス化（部分酸化）したガス）から分離（例えば、膜分離）して得られたもの、天然ガスを水蒸気や二酸化炭素等で改質したガスから分離して得られたもの、又は、乾留ガス（石炭、バイオマスを無酸素状態で加熱したガス）から分離して得られたもの等であってよい。還元ガスは、水素ガスのほか、水素以外のガスを含んでいてもよい。水素以外のガスとしては、ＣＯガスや不活性ガスやＣＯ２ガスや水蒸気等が挙げられる。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス等が挙げられる。還元ガスが水素ガスを含む場合、還元ガスの水素濃度は、例えば、４０体積％以上１００体積％以下、５０体積％以上１００体積％以下、６０体積％以上１００体積％以下、７０体積％以上１００体積％以下、又は、８０体積％以上１００体積％以下であってもよい。還元ガスの供給温度（酸化鉄原料１０に接触する直前の温度）は、酸化鉄との還元反応が生じる温度であればよく、例えば、７００℃以上であってもよい。還元ガスの温度は、好ましくは８００℃以上１１００℃以下である。
【0014】
シャフト炉１００内において還元工程Ｓ１が行われる場合、還元ガスは、シャフト炉１００の側壁から炉の内部へと供給され得る。還元ガスを供給する方式は特に限定されない。例えば、シャフト炉１００の側壁に設けられた還元ガス供給口１１０ａに配管等を接続して、当該配管等を介して外部から炉の内部へと還元ガスを供給することができる。
【0015】
１．１．３ 金属鉄
還元工程Ｓ１においては、酸化鉄原料１０に含まれる酸化鉄の少なくとも一部が還元されることで、金属鉄２０を含む固体反応物が得られる。固体反応物には、金属鉄２０の他、還元されずに残存した酸化鉄、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどが含まれていてもよい。還元直後の金属鉄２０の温度は、例えば、７００℃以上であってもよい。還元直後の金属鉄２０の温度の上限については、特に制限はなく、後述の冷却工程Ｓ２を実施可能な温度であればよい。還元直後の金属鉄２０の温度は、例えば、１１００℃以下であってもよい。
還元工程Ｓ１においては、酸化鉄原料１０に含まれる酸化鉄の少なくとも一部が還元されることで、金属鉄２０を含む固体反応物が得られる。固体反応物には、金属鉄２０の他、還元されずに残存した酸化鉄、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどが含まれていてもよい。還元直後の金属鉄２０の温度は、例えば、７００℃以上であってもよい。還元直後の金属鉄２０の温度の上限については、特に制限はなく、後述の冷却工程Ｓ２を実施可能な温度であればよい。還元直後の金属鉄２０の温度は、例えば、１１００℃以下であってもよい。
【0016】
シャフト炉１００内において還元工程Ｓ１が行われる場合、金属鉄２０を含む固体反応物は、シャフト炉１００の下部（還元ガスの供給位置よりも下方）に設けられた排出口１００ｂから回収され得る。
【0017】
１．１．４ シャフト炉
還元工程Ｓ１がシャフト炉１００内において行われる場合、当該シャフト炉１００の炉体の形状は、公知のシャフト炉の炉体の形状と同様であってよい。例えば、シャフト炉１００の炉体は、炉頂部と、炉底部と、炉頂部及び炉底部の間の側壁を構成する筒状部（円筒状部）とを有するものであってよい。この場合、筒状部が、胴部と、胴部よりも下方に設けられた縮径部とを有していてもよく、縮径部において上から下に向かって炉の内径が縮小していてもよい。シャフト炉１００は、内部において原料の充填層を下向きに移動させる際、充填層の棚吊りを防止するためのバーデンフィーダ等を備えていてもよい。また、シャフト炉１００は、還元ガス供給口１１０ａよりも下方において、各種冷却ガスを供給するための供給口１２１ａ、１２２ａ、１２３ａや、各種冷却ガスを排出するための排出口１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂを備えていてもよい。各種冷却ガスの供給口は、炉の側壁に設けられていてもよいし、炉の側壁よりも内側に設けられていてもよい。各種冷却ガスの排出口は、炉の側壁に設けられていてもよい。また、シャフト炉１００は、炉上部又は炉頂部に原料供給口１００ａを備えていてもよく、炉下部又は炉底部に金属鉄又は還元鉄を回収するための排出口１００ｂを備えていてもよい。
還元工程Ｓ１がシャフト炉１００内において行われる場合、当該シャフト炉１００の炉体の形状は、公知のシャフト炉の炉体の形状と同様であってよい。例えば、シャフト炉１００の炉体は、炉頂部と、炉底部と、炉頂部及び炉底部の間の側壁を構成する筒状部（円筒状部）とを有するものであってよい。この場合、筒状部が、胴部と、胴部よりも下方に設けられた縮径部とを有していてもよく、縮径部において上から下に向かって炉の内径が縮小していてもよい。シャフト炉１００は、内部において原料の充填層を下向きに移動させる際、充填層の棚吊りを防止するためのバーデンフィーダ等を備えていてもよい。また、シャフト炉１００は、還元ガス供給口１１０ａよりも下方において、各種冷却ガスを供給するための供給口１２１ａ、１２２ａ、１２３ａや、各種冷却ガスを排出するための排出口１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂを備えていてもよい。各種冷却ガスの供給口は、炉の側壁に設けられていてもよいし、炉の側壁よりも内側に設けられていてもよい。各種冷却ガスの排出口は、炉の側壁に設けられていてもよい。また、シャフト炉１００は、炉上部又は炉頂部に原料供給口１００ａを備えていてもよく、炉下部又は炉底部に金属鉄又は還元鉄を回収するための排出口１００ｂを備えていてもよい。
【0018】
１．２ 冷却工程
還元工程Ｓ１を行った直後の金属鉄２０の温度は、例えば、約７００℃～９００℃である。冷却工程Ｓ２においては、このような高温の金属鉄２０に対してガスを接触させることで、金属鉄２０を冷却するとともに、金属鉄２０を炭化する。すなわち、炭素を含む還元鉄３０が得られる。このように、金属鉄２０を炭化して炭素を含む還元鉄３０を得ることで、次工程の溶解・精錬工程における溶解温度が低下し、また、鋼としての強度が確保される。
還元工程Ｓ１を行った直後の金属鉄２０の温度は、例えば、約７００℃～９００℃である。冷却工程Ｓ２においては、このような高温の金属鉄２０に対してガスを接触させることで、金属鉄２０を冷却するとともに、金属鉄２０を炭化する。すなわち、炭素を含む還元鉄３０が得られる。このように、金属鉄２０を炭化して炭素を含む還元鉄３０を得ることで、次工程の溶解・精錬工程における溶解温度が低下し、また、鋼としての強度が確保される。
【0019】
冷却工程Ｓ２においては、（１）メタンガスによる金属鉄２０の炭化及び冷却に続いて、（２）ＣＯガスによる金属鉄２０の炭化が行われ、その後、（３）メタンガス又は不活性ガスによる金属鉄２０の冷却が行われる。本発明者の知見によると、メタンガスによる炭素析出反応は、７００℃以上の高温領域で進行し易く、かつ、吸熱反応である。一方で、ＣＯガスによる炭素析出反応は、４００℃以上６００℃以下において最も進行し易く、かつ、発熱反応である。冷却工程Ｓ２においては、還元工程Ｓ１により得られた高温の金属鉄２０に対して、まずは、メタンガスを接触させることで、炭素析出反応である吸熱反応が適切かつ効率的に進行する。また、比熱の大きなメタンガスとの接触による物理的な吸熱に加えて、炭素析出時の吸熱反応によって、金属鉄２０の温度が、ＣＯガスによる炭素析出反応に好適な温度にまで低下し易い。このように温度が低下した金属鉄２０に対してＣＯガスを接触させることで、炭素析出反応である発熱反応が適切かつ効率的に進行し、最終的に得られる還元鉄３０に含まれる炭素の濃度をさらに大きく上昇させることができる。この際、金属鉄２０の温度が下降してもよいし、上昇してもよい。例えば、ＣＯガスの温度が低い場合、発熱反応による温度上昇よりも、ＣＯガスとの接触による温度低下が優位となり、金属鉄２０の温度が低下する。その後、金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させることで、再酸化し難い温度にまで、金属鉄２０の温度を低下させることができ、炭素を含む還元鉄３０（例えば、炭素を含むＣＤＲＩ）が得られる。以上の通り、冷却工程Ｓ２においては、（１）メタンガスによる炭化、及び、（２）ＣＯガスによる炭化をこの順に経ることで、各々のガスを単独で接触させる場合と比較して、還元鉄３０中の炭素濃度が上昇する。当該（１）及び（２）によって炭素濃度が十分に上昇するため、（３）メタンガス又は不活性ガスによる冷却は、炭素析出を伴う必要はない。ただし、（３）メタンガス又は不活性ガスによる冷却が、炭素析出を伴うものであってもよい。
【0020】
還元工程Ｓ１がシャフト炉内において行われる場合、冷却工程Ｓ２はシャフト炉内で行われてもよいし、シャフト炉外で行われてもよい。すなわち、図１に示されるように、還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２が、シャフト炉１００内において行われてもよい。或いは、図２に示されるように、還元工程Ｓ１がシャフト炉１００内において行われ、冷却工程Ｓ２がシャフト炉１００よりも下流側に設けられた冷却装置２００において行われてもよい。或いは、図３に示されるように、還元工程Ｓ１と冷却工程Ｓ２の第１工程Ｓ２１とが、シャフト炉１００内において行われ、冷却工程Ｓ２の第２工程Ｓ２２と第３工程Ｓ２３とが、シャフト炉１００よりも下流側に設けられた冷却装置２００において行われてもよい。設備費等を抑える観点からは、還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２が、シャフト炉１００内において行われることが好ましい。一方で、冷却工程Ｓ２の一部又は全部が冷却装置２００において行われる場合、冷却装置２００における排出ガスが、シャフト炉１００へと侵入することを回避できる。例えば、還元工程Ｓ１と冷却工程Ｓ２の第１工程Ｓ２１とが、シャフト炉１００内において行われ、冷却工程Ｓ２の第２工程Ｓ２２と第３工程Ｓ２３とが、シャフト炉１００よりも下流側に設けられた冷却装置２００において行われる場合、第２工程Ｓ２２からの排出ガス（ＣＯガスやＣＯ２ガスを含む）が、第１工程Ｓ２１へと侵入することが回避される。これにより、第１工程Ｓ２１における炭素析出反応をより効率的に進行させることができる。また、還元工程Ｓ２１からの排ガスの循環処理（水素回収）が容易となる。さらに、第２工程Ｓ２２からＣＯ２を効率的に回収することもできる。図２及び３に示されるように、シャフト炉１００の下流側に設けられた冷却装置２００において冷却工程の一部又は全部が行われる場合、還元鉄の製造方法は、金属鉄２０をシャフト炉１００から冷却装置２００へと移動させる、移動工程を含んでいてもよい。具体的には、シャフト炉１００の排出口１００ｂから回収された金属鉄２０が、冷却装置２００の金属鉄供給口２００ａへと移動され得る。冷却工程Ｓ２の一部又は全部がシャフト炉１００よりも下流側に設けられた冷却装置２００において行われる場合、当該冷却装置２００の具体例としては、冷却塔が挙げられる。冷却装置２００への金属鉄２０の供給速度に特に制限はない。冷却装置２００内に供給された金属鉄２０は、冷却装置２００内で充填層を形成してもよいし、気流中で浮遊した状態であってもよい。特に、冷却装置２００内に供給された金属鉄２０が冷却装置２００内で充填層を形成する場合に、より高い効果が期待できる。
【0021】
冷却工程Ｓ２は、第１工程Ｓ２１、第２工程Ｓ２２及び第３工程Ｓ２３を有する。尚、本実施形態においては、冷却工程Ｓ２の終了時点における還元鉄３０の温度が、冷却工程Ｓ２の開始時点における金属鉄２０の温度よりも低下していればよく、冷却工程Ｓ２の途中において、金属鉄２０の温度が上昇してもよい。例えば、第２工程Ｓ２２において、金属鉄２０とＣＯガスとの発熱反応が生じ、金属鉄２０の温度が上昇してもよい。
【0022】
１．２．１ 第１工程
第１工程Ｓ２１は、上記（１）と対応する。すなわち、第１工程Ｓ２１においては、上記の還元工程Ｓ１後、金属鉄２０に対してメタンガスが接触され、金属鉄２０が炭化される。金属鉄２０は、部分的に炭化される。還元工程Ｓ１がシャフト炉内において行われる場合、第１工程Ｓ２１はシャフト炉内で行われてもよいし、シャフト炉外（例えば、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置）で行われてもよい。第１工程Ｓ２１において、メタンガスと接触する際の金属鉄２０の温度は、メタンガスによる炭素析出反応が進行し得る限りにおいて、特に限定されるものではない。第１工程Ｓ２１においては、例えば、７００℃以上の金属鉄２０に対してメタンガスを接触させることで、上述のメタンガスによる炭素析出反応を一層適切に進行させることができ、かつ、金属鉄２０を適切に冷却することができる。第１工程Ｓ２１において、メタンガスと接触される金属鉄２０の温度の上限について、特に制限はない。メタンガスと接触される金属鉄２０の温度は、例えば、１１００℃以下であってもよい。第１工程Ｓ２１においてメタンガスと接触される金属鉄２０の温度は、メタンガスによる炭素析出反応を特に顕著に進行させることができる観点から、７１０℃以上１１００℃以下、７３０℃以上１１００℃以下、７５０℃以上１１００℃以下、７７０℃以上１１００℃以下、７９０℃以上１１００℃以下、８１０℃以上１１００℃以下、７００℃以上１０７０℃以下、７００℃以上１０４０℃以下、７００℃以上１０００℃以下、７００℃以上９７０℃以下、７００℃以上９４０℃以下、７００℃以上９００℃以下、７１０℃以上１０７０℃以下、７３０℃以上１０４０℃以下、７５０℃以上１０００℃以下、７７０℃以上９７０℃以下、７９０℃以上９４０℃以下、又は、８１０℃以上９００℃以下であってもよい。なお、第１工程Ｓ２１における「金属鉄２０の温度」とは、シャフト炉または冷却塔の半径方向の平均温度である。還元工程Ｓ１と第１工程Ｓ２１とが同じ装置（例えば、シャフト炉）で行われる場合は、第１工程Ｓ２１における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置（高さ位置）Ｐ１は、還元工程Ｓ１の還元ガスが吹き込まれる位置（高さ位置）Ｐ２よりも下流（下方）であって、当該位置Ｐ２から１ｍ以内にある位置（高さ位置）とする。或いは、還元工程Ｓ１と第１工程Ｓ２１とが別の装置で行われる（例えば、還元工程Ｓ１がシャフト炉で行われ、第１工程Ｓ２１がシャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置で行われる）場合は、第１工程Ｓ２１における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置Ｐ１は、第１工程２１が行われる装置の金属鉄供給口から下流（下方）に１ｍ以内にある位置とする。半径方向における金属鉄２０の平均温度は、例えば、シャフト炉または冷却塔の半径方向に棒状の部材を設置し、当該部材に複数の熱電対を設けて、半径方向に複数の温度を計測することにより、特定することができる。すなわち、第１工程Ｓ２１がシャフト炉内で行われる場合は、当該シャフト炉の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。また、第１工程Ｓ２１が冷却塔内で行われる場合は、当該冷却塔の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。ここで、例えば、測定した地点間の温度が半径方向において線形に分布するものと仮定すると、半径方向の温度分布Ｔ（ｒ）は、ｒの一次関数の組み合わせで表現できる。このとき、平均温度Ｔａｖｅは、温度をＮ点で測定したとすると、測定地点ｉ（ｉ＝１～Ｎ）の半径をｒｉとして、下記式によって定義される。尚、ｒ０、ｒＮ＋１に対応するのは、炉の中心（ｒ０＝０）と炉壁（ｒＮ＋１＝Ｒ）の位置であり、その地点の温度は外挿により求めることとする。このような方法によれば、半径方向に温度分布が生じていても、複数の計測温度を平均することで、半径方向の平均温度として特定することができる。熱電対の個数は特に限定されないが、例えば、５点以上配置されていることが好ましい。第１工程Ｓ２１において、金属鉄２０と接触するメタンガスの温度は、特に限定されるものではない。メタンガスの温度は、例えば、２５℃以上６００℃以下であってもよい。
第１工程Ｓ２１は、上記（１）と対応する。すなわち、第１工程Ｓ２１においては、上記の還元工程Ｓ１後、金属鉄２０に対してメタンガスが接触され、金属鉄２０が炭化される。金属鉄２０は、部分的に炭化される。還元工程Ｓ１がシャフト炉内において行われる場合、第１工程Ｓ２１はシャフト炉内で行われてもよいし、シャフト炉外（例えば、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置）で行われてもよい。第１工程Ｓ２１において、メタンガスと接触する際の金属鉄２０の温度は、メタンガスによる炭素析出反応が進行し得る限りにおいて、特に限定されるものではない。第１工程Ｓ２１においては、例えば、７００℃以上の金属鉄２０に対してメタンガスを接触させることで、上述のメタンガスによる炭素析出反応を一層適切に進行させることができ、かつ、金属鉄２０を適切に冷却することができる。第１工程Ｓ２１において、メタンガスと接触される金属鉄２０の温度の上限について、特に制限はない。メタンガスと接触される金属鉄２０の温度は、例えば、１１００℃以下であってもよい。第１工程Ｓ２１においてメタンガスと接触される金属鉄２０の温度は、メタンガスによる炭素析出反応を特に顕著に進行させることができる観点から、７１０℃以上１１００℃以下、７３０℃以上１１００℃以下、７５０℃以上１１００℃以下、７７０℃以上１１００℃以下、７９０℃以上１１００℃以下、８１０℃以上１１００℃以下、７００℃以上１０７０℃以下、７００℃以上１０４０℃以下、７００℃以上１０００℃以下、７００℃以上９７０℃以下、７００℃以上９４０℃以下、７００℃以上９００℃以下、７１０℃以上１０７０℃以下、７３０℃以上１０４０℃以下、７５０℃以上１０００℃以下、７７０℃以上９７０℃以下、７９０℃以上９４０℃以下、又は、８１０℃以上９００℃以下であってもよい。なお、第１工程Ｓ２１における「金属鉄２０の温度」とは、シャフト炉または冷却塔の半径方向の平均温度である。還元工程Ｓ１と第１工程Ｓ２１とが同じ装置（例えば、シャフト炉）で行われる場合は、第１工程Ｓ２１における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置（高さ位置）Ｐ１は、還元工程Ｓ１の還元ガスが吹き込まれる位置（高さ位置）Ｐ２よりも下流（下方）であって、当該位置Ｐ２から１ｍ以内にある位置（高さ位置）とする。或いは、還元工程Ｓ１と第１工程Ｓ２１とが別の装置で行われる（例えば、還元工程Ｓ１がシャフト炉で行われ、第１工程Ｓ２１がシャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置で行われる）場合は、第１工程Ｓ２１における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置Ｐ１は、第１工程２１が行われる装置の金属鉄供給口から下流（下方）に１ｍ以内にある位置とする。半径方向における金属鉄２０の平均温度は、例えば、シャフト炉または冷却塔の半径方向に棒状の部材を設置し、当該部材に複数の熱電対を設けて、半径方向に複数の温度を計測することにより、特定することができる。すなわち、第１工程Ｓ２１がシャフト炉内で行われる場合は、当該シャフト炉の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。また、第１工程Ｓ２１が冷却塔内で行われる場合は、当該冷却塔の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。ここで、例えば、測定した地点間の温度が半径方向において線形に分布するものと仮定すると、半径方向の温度分布Ｔ（ｒ）は、ｒの一次関数の組み合わせで表現できる。このとき、平均温度Ｔａｖｅは、温度をＮ点で測定したとすると、測定地点ｉ（ｉ＝１～Ｎ）の半径をｒｉとして、下記式によって定義される。尚、ｒ０、ｒＮ＋１に対応するのは、炉の中心（ｒ０＝０）と炉壁（ｒＮ＋１＝Ｒ）の位置であり、その地点の温度は外挿により求めることとする。このような方法によれば、半径方向に温度分布が生じていても、複数の計測温度を平均することで、半径方向の平均温度として特定することができる。熱電対の個数は特に限定されないが、例えば、５点以上配置されていることが好ましい。第１工程Ｓ２１において、金属鉄２０と接触するメタンガスの温度は、特に限定されるものではない。メタンガスの温度は、例えば、２５℃以上６００℃以下であってもよい。
【数1】
【0023】
第１工程Ｓ２１においては、メタンガスによる炭素析出反応によって金属鉄２０の炭化が進行すればよく、金属鉄２０に対してメタンガスとともにその他のガスが接触されてもよい。言い換えれば、第１工程Ｓ２１において金属鉄２０と接触するガスは、メタンガスを含むものであればよい。第１工程Ｓ２１において金属鉄２０と接触するガスは、メタンガス以外に、水素ガス、窒素ガス、ＣＯガス、ＣＯ２ガス、水蒸気等を含んでいてもよい。第１工程Ｓ２１において金属鉄２０と接触するガスは、例えば、天然ガスであってもよい。尚、上述の通り、第１工程Ｓ２１においては、メタンガスによる炭素析出反応（吸熱反応）によって、金属鉄２０の温度を低下させる。第１工程Ｓ２１においては、このようなメタンガスによる吸熱反応が優位に進行する限りにおいて、金属鉄２０に対して接触するガスの一部に、発熱反応を伴うもの（例えば、ＣＯガス）が含まれていてもよい。ただし、第１工程Ｓ２１において金属鉄２０と接触するガスがＣＯガスを含む場合、当該ＣＯガスの体積割合はメタンガスの体積割合よりも小さい。また、第１工程Ｓ２１において金属鉄２０と接触するガスが複数種類のガスからなる場合、例えば、各々のガスの体積割合のうちメタンガスの体積割合が最も大きい。第１工程Ｓ２１において金属鉄２０と接触するガスは、例えば、メタンガスを５０体積％以上、６０体積％以上、又は、７０体積％以上含む。
【0024】
第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスは、メタンガス及び水素ガスを含み得る。当該反応ガスは、排出ガスとして系外に排出されて燃料として利用されてもよいし、上述の還元ガスの一部として利用されてもよい。例えば、図１～６に示されるように、第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスは、還元工程Ｓ１よりも下流側において系外に排出されてもよい。或いは、図７に示されるように、第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスは、上述の還元ガスに付加されてもよく、言い換えれば、第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスが還元工程Ｓ１へと供給されてもよい。特に、第１工程Ｓ２１における反応ガスが、上述の還元ガスに付加されることで、還元ガスの使用量を削減しつつ、効率的な操業が可能となる。
【0025】
１．２．２ 第２工程
第２工程Ｓ２２は、上記（２）と対応する。すなわち、第２工程Ｓ２２においては、第１工程Ｓ２１後、金属鉄２０に対してＣＯガスが接触され、金属鉄２０が炭化される。金属鉄２０は、部分的に炭化される。還元工程Ｓ１がシャフト炉内において行われる場合、第２工程Ｓ２２はシャフト炉内で行われてもよいし、シャフト炉外（例えば、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置）で行われてもよい。尚、第１工程Ｓ２１がシャフト炉外で行われる場合、第２工程Ｓ２２も必然的にシャフト炉外で行われることとなる。第２工程Ｓ２１において、ＣＯガスと接触する際の金属鉄２０の温度は、ＣＯガスによる炭素析出反応が進行し得る限りにおいて、特に限定されるものではない。第２工程Ｓ２２においては、例えば、４００℃以上６００℃以下の金属鉄２０に対してＣＯガスを接触させることで、上述のＣＯガスによる炭素析出反応を一層適切に進行させることができる。第２工程Ｓ２２においてＣＯガスと接触される金属鉄２０の温度は、ＣＯガスによる炭素析出反応を特に顕著に進行させることができる観点から、４１０℃以上６００℃以下、４２０℃以上６００℃以下、４３０℃以上６００℃以下、４４０℃以上６００℃以下、４５０℃以上６００℃以下、４００℃以上５９０℃以下、４００℃以上５８０℃以下、４００℃以上５７０℃以下、４００℃以上５６０℃以下、４００℃以上５５０℃以下、４１０℃以上５９０℃以下、４２０℃以上５８０℃以下、４３０℃以上５７０℃以下、４４０℃以上５６０℃以下、又は、４５０℃以上５５０℃以下であってもよい。なお、第２工程Ｓ２２における「金属鉄２０の温度」とは、前記第１工程Ｓ２１と同様に、シャフト炉または冷却塔の半径方向の平均温度である。すなわち、第２工程Ｓ２２がシャフト炉内で行われる場合は、当該シャフト炉の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。また、第２工程Ｓ２２が冷却塔内で行われる場合は、当該冷却塔の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。第１工程Ｓ２１と第２工程Ｓ２２とが同じ装置（例えば、シャフト炉）で行われる場合は、第２工程Ｓ２２における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置（高さ位置）Ｐ３は、第１工程Ｓ２１のメタンガスが吹き込まれる位置（高さ位置）Ｐ４よりも下流（下方）であって、当該位置Ｐ４から１ｍ以内にある位置（高さ位置）とする。或いは、第１工程Ｓ２１と第２工程Ｓ２２とが別の装置で行われる（例えば、第１工程Ｓ２１がシャフト炉で行われ、第２工程Ｓ２２がシャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置で行われる）場合は、第２工程Ｓ２２における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置Ｐ３は、第２工程２２が行われる装置の金属鉄供給口から下流（下方）に１ｍ以内にある位置とする。第２工程Ｓ２２において、金属鉄２０と接触するＣＯガスの温度は、特に限定されるものではない。ＣＯガスの温度は、例えば、２５℃以上４００℃以下であってもよい。ＣＯガスの温度が当該範囲内である場合、発熱反応による温度上昇よりも、ＣＯガスとの接触による温度低下が優位となり、第２工程Ｓ２２において金属鉄２０の温度が低下する。
第２工程Ｓ２２は、上記（２）と対応する。すなわち、第２工程Ｓ２２においては、第１工程Ｓ２１後、金属鉄２０に対してＣＯガスが接触され、金属鉄２０が炭化される。金属鉄２０は、部分的に炭化される。還元工程Ｓ１がシャフト炉内において行われる場合、第２工程Ｓ２２はシャフト炉内で行われてもよいし、シャフト炉外（例えば、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置）で行われてもよい。尚、第１工程Ｓ２１がシャフト炉外で行われる場合、第２工程Ｓ２２も必然的にシャフト炉外で行われることとなる。第２工程Ｓ２１において、ＣＯガスと接触する際の金属鉄２０の温度は、ＣＯガスによる炭素析出反応が進行し得る限りにおいて、特に限定されるものではない。第２工程Ｓ２２においては、例えば、４００℃以上６００℃以下の金属鉄２０に対してＣＯガスを接触させることで、上述のＣＯガスによる炭素析出反応を一層適切に進行させることができる。第２工程Ｓ２２においてＣＯガスと接触される金属鉄２０の温度は、ＣＯガスによる炭素析出反応を特に顕著に進行させることができる観点から、４１０℃以上６００℃以下、４２０℃以上６００℃以下、４３０℃以上６００℃以下、４４０℃以上６００℃以下、４５０℃以上６００℃以下、４００℃以上５９０℃以下、４００℃以上５８０℃以下、４００℃以上５７０℃以下、４００℃以上５６０℃以下、４００℃以上５５０℃以下、４１０℃以上５９０℃以下、４２０℃以上５８０℃以下、４３０℃以上５７０℃以下、４４０℃以上５６０℃以下、又は、４５０℃以上５５０℃以下であってもよい。なお、第２工程Ｓ２２における「金属鉄２０の温度」とは、前記第１工程Ｓ２１と同様に、シャフト炉または冷却塔の半径方向の平均温度である。すなわち、第２工程Ｓ２２がシャフト炉内で行われる場合は、当該シャフト炉の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。また、第２工程Ｓ２２が冷却塔内で行われる場合は、当該冷却塔の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。第１工程Ｓ２１と第２工程Ｓ２２とが同じ装置（例えば、シャフト炉）で行われる場合は、第２工程Ｓ２２における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置（高さ位置）Ｐ３は、第１工程Ｓ２１のメタンガスが吹き込まれる位置（高さ位置）Ｐ４よりも下流（下方）であって、当該位置Ｐ４から１ｍ以内にある位置（高さ位置）とする。或いは、第１工程Ｓ２１と第２工程Ｓ２２とが別の装置で行われる（例えば、第１工程Ｓ２１がシャフト炉で行われ、第２工程Ｓ２２がシャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置で行われる）場合は、第２工程Ｓ２２における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置Ｐ３は、第２工程２２が行われる装置の金属鉄供給口から下流（下方）に１ｍ以内にある位置とする。第２工程Ｓ２２において、金属鉄２０と接触するＣＯガスの温度は、特に限定されるものではない。ＣＯガスの温度は、例えば、２５℃以上４００℃以下であってもよい。ＣＯガスの温度が当該範囲内である場合、発熱反応による温度上昇よりも、ＣＯガスとの接触による温度低下が優位となり、第２工程Ｓ２２において金属鉄２０の温度が低下する。
【0026】
第２工程Ｓ２２においては、ＣＯガスによる炭素析出反応によって金属鉄２０の炭化が進行すればよく、金属鉄２０に対してＣＯガスとともにその他のガスが接触されてもよい。言い換えれば、第２工程Ｓ２２において金属鉄２０と接触するガスは、ＣＯガスを含むものであればよい。第２工程Ｓ２２において金属鉄２０と接触するガスは、ＣＯガス以外に、窒素ガス、水素ガス、ＣＯ２ガス等を含んでいてもよい。第２工程Ｓ２２において金属鉄２０と接触するガスは、例えば、転炉ガス（ＬＤＧ）であってもよい。尚、第２工程Ｓ２２において金属鉄２０と接触するガスがメタンガスを含む場合、当該メタンガスの体積割合はＣＯガスの体積割合よりも小さい。また、第２工程Ｓ２２において金属鉄２０と接触するガスが複数種類のガスからなる場合、例えば、各々のガスの体積割合のうちＣＯガスの体積割合が最も大きい。第２工程Ｓ２２において金属鉄２０と接触するガスは、例えば、ＣＯガスを５０体積％以上、６０体積％以上、又は、７０体積％以上含む。
【0027】
第２工程Ｓ２２における金属鉄２０とＣＯガスとの反応ガスは、ＣＯガス及びＣＯ２ガスを含み得る。当該反応ガスは、系外に排出されて燃料として利用されてもよいし、上述の第１工程Ｓ２１における冷却ガスの一部として利用されてもよい。特に、図１～７に示されるように、第２工程Ｓ２２における金属鉄２０とＣＯガスとの反応ガスが、第１工程Ｓ２１よりも下流側において系外に排出されることで、メタンガスによる吸熱反応をより適切に進行させることができ、効率的な操業が可能となる。
【0028】
１．２．３ 第３工程
第３工程Ｓ２３は、上記（３）と対応する。すなわち、第３工程Ｓ２３においては、第２工程Ｓ２２後、金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスが接触される。還元工程Ｓ１がシャフト炉内において行われる場合、第３工程Ｓ２３はシャフト炉内で行われてもよいし、シャフト炉外（例えば、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置）で行われてもよい。尚、第２工程Ｓ２２がシャフト炉外で行われる場合、第３工程Ｓ２３も必然的にシャフト炉外で行われることとなる。上述の通り、第２工程Ｓ２２における炭素析出反応は、発熱反応であることから、第２工程Ｓ２２の直後の金属鉄２０の温度は、ＣＤＲＩとして適切な温度となり難い。言い換えれば、第２工程Ｓ２２の直後の金属鉄２０は、再酸化し易い状態にある。第２工程Ｓ２２の後に第３工程Ｓ２３を行うことで、金属鉄２０の温度が、ＣＤＲＩとして適切な温度にまで低下し得る。第３工程Ｓ２３において、メタンガス又は不活性ガスと接触する際の金属鉄２０の温度は、特に限定されるものではない。第３工程Ｓ２３においては、例えば、４００℃未満の金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させることで、金属鉄２０の温度をＣＤＲＩとして適切な温度にまで低下させるとよい。なお、第３工程Ｓ２３における「金属鉄２０の温度」とは、前記第１工程Ｓ２１や第２工程Ｓ２２と同様に、シャフト炉または冷却塔の半径方向の平均温度である。すなわち、第３工程Ｓ２３がシャフト炉内で行われる場合は、当該シャフト炉の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。また、第３工程Ｓ２３が冷却塔内で行われる場合は、当該冷却塔の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。第２工程Ｓ２２と第３工程Ｓ２３とが同じ装置（例えば、シャフト炉）で行われる場合は、第３工程Ｓ２３における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置（高さ位置）Ｐ５は、第２工程Ｓ２２のＣＯガスが吹き込まれる位置（高さ位置）Ｐ６よりも下流（下方）であって、当該位置Ｐ６から１ｍ以内にある位置（高さ位置）とする。或いは、第２工程Ｓ２２と第３工程Ｓ２３とが別の装置で行われる（例えば、第２工程Ｓ２２がシャフト炉で行われ、第３工程Ｓ２３がシャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置で行われる）場合は、第３工程Ｓ２３における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置Ｐ５は、第３工程２３が行われる装置の金属鉄供給口から下流（下方）に１ｍ以内にある位置とする。第３工程Ｓ２３において、金属鉄２０と接触するメタンガス又は不活性ガスの温度は、特に限定されるものではない。メタンガス又は不活性ガスの温度は、例えば、２５℃以上１００℃以下であってもよい。
第３工程Ｓ２３は、上記（３）と対応する。すなわち、第３工程Ｓ２３においては、第２工程Ｓ２２後、金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスが接触される。還元工程Ｓ１がシャフト炉内において行われる場合、第３工程Ｓ２３はシャフト炉内で行われてもよいし、シャフト炉外（例えば、シャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置）で行われてもよい。尚、第２工程Ｓ２２がシャフト炉外で行われる場合、第３工程Ｓ２３も必然的にシャフト炉外で行われることとなる。上述の通り、第２工程Ｓ２２における炭素析出反応は、発熱反応であることから、第２工程Ｓ２２の直後の金属鉄２０の温度は、ＣＤＲＩとして適切な温度となり難い。言い換えれば、第２工程Ｓ２２の直後の金属鉄２０は、再酸化し易い状態にある。第２工程Ｓ２２の後に第３工程Ｓ２３を行うことで、金属鉄２０の温度が、ＣＤＲＩとして適切な温度にまで低下し得る。第３工程Ｓ２３において、メタンガス又は不活性ガスと接触する際の金属鉄２０の温度は、特に限定されるものではない。第３工程Ｓ２３においては、例えば、４００℃未満の金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させることで、金属鉄２０の温度をＣＤＲＩとして適切な温度にまで低下させるとよい。なお、第３工程Ｓ２３における「金属鉄２０の温度」とは、前記第１工程Ｓ２１や第２工程Ｓ２２と同様に、シャフト炉または冷却塔の半径方向の平均温度である。すなわち、第３工程Ｓ２３がシャフト炉内で行われる場合は、当該シャフト炉の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。また、第３工程Ｓ２３が冷却塔内で行われる場合は、当該冷却塔の半径方向に設置された複数の熱電対によって、半径方向における金属鉄２０の平均温度を特定する。第２工程Ｓ２２と第３工程Ｓ２３とが同じ装置（例えば、シャフト炉）で行われる場合は、第３工程Ｓ２３における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置（高さ位置）Ｐ５は、第２工程Ｓ２２のＣＯガスが吹き込まれる位置（高さ位置）Ｐ６よりも下流（下方）であって、当該位置Ｐ６から１ｍ以内にある位置（高さ位置）とする。或いは、第２工程Ｓ２２と第３工程Ｓ２３とが別の装置で行われる（例えば、第２工程Ｓ２２がシャフト炉で行われ、第３工程Ｓ２３がシャフト炉よりも下流側に設けられた冷却装置で行われる）場合は、第３工程Ｓ２３における「金属鉄２０の温度」を測定する際の位置Ｐ５は、第３工程２３が行われる装置の金属鉄供給口から下流（下方）に１ｍ以内にある位置とする。第３工程Ｓ２３において、金属鉄２０と接触するメタンガス又は不活性ガスの温度は、特に限定されるものではない。メタンガス又は不活性ガスの温度は、例えば、２５℃以上１００℃以下であってもよい。
【0029】
第３工程Ｓ２３においては、メタンガス又は不活性ガスによる金属鉄２０の冷却が進行すればよく、金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスとともにその他のガスが接触されてもよい。言い換えれば、第２工程Ｓ２２において金属鉄２０と接触するガスは、メタンガス又は不活性ガスを含むものであればよい。第３工程Ｓ２３において金属鉄２０と接触するガスは、メタンガス又は不活性ガス以外に、水素ガス、水蒸気等を含んでいてもよい。第３工程Ｓ２３において金属鉄２０と接触するガスがメタンガスを含む場合、金属鉄２０の温度にもよるが、金属鉄２０をさらに炭化できる場合がある。第３工程Ｓ２３における不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス等の金属鉄２０に対して実質的に反応しないガスが挙げられる。第３工程Ｓ２３において金属鉄２０と接触するガスが複数種類のガスからなる場合、例えば、各々のガスの体積割合のうちメタンガスの体積割合又は不活性ガスの体積割合が最も大きい。第３工程Ｓ２３において金属鉄２０と接触するガスは、例えば、メタンガスを５０体積％以上、６０体積％以上、又は、７０体積％以上含むか、或いは、不活性ガスを５０体積％以上、６０体積％以上、又は、７０体積％以上含むか、或いは、メタンガスと不活性ガスとを合計で５０体積％以上、６０体積％以上、又は、７０体積％以上含む。
【0030】
第３工程Ｓ２３においてメタンガスを採用した場合、第３工程Ｓ２３の排出ガスは、メタンガス及び水素ガスを含み得る。当該排出ガスは、系外に排出されて燃料として利用されてもよいし、上述の還元ガスの一部として利用されてもよいし、上述の第１工程Ｓ２１におけるガスの一部として利用されてもよいし、上述の第２工程Ｓ２２におけるガスの一部として利用されてもよい。一方、第３工程Ｓ２３において不活性ガスを採用した場合、第３工程Ｓ２３の排出ガスは、不活性ガスを含み得る。当該排出ガスは、系外に排出されてもよいし、第３工程Ｓ２３における不活性ガスとして再利用されてもよい。例えば、図１～７に示されるように、第３工程Ｓ２３において金属鉄２０と接触したメタンガス又は不活性ガスは、第２工程Ｓ２２よりも下流側において系外に排出されてもよい。
【0031】
１．３ 還元鉄
以上の還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２を経て、炭素を含む還元鉄３０（例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩ）が製造される。炭素を含む還元鉄３０は、炭素及び鉄の他、還元されずに残存した酸化鉄、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどが含まれていてもよい。還元鉄３０の炭素含有量は、例えば、０質量％超５質量％以下であってもよい。第３工程Ｓ２３の直後の還元鉄３０の温度（第３工程Ｓ２３の出側における還元鉄３０の温度）は、例えば、１５０℃以下、又は、８０℃以下であってもよい。還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２がシャフト炉１００内において行われる場合、還元鉄３０は、例えば、シャフト炉１００の下部に設けられた排出口１００ｂから回収され得る。冷却工程Ｓ２の一部又は全部が冷却装置２００において行われる場合、還元鉄３０は、例えば、冷却装置２００の下部に設けられた排出口２００ｂから回収され得る。
以上の還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２を経て、炭素を含む還元鉄３０（例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩ）が製造される。炭素を含む還元鉄３０は、炭素及び鉄の他、還元されずに残存した酸化鉄、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどが含まれていてもよい。還元鉄３０の炭素含有量は、例えば、０質量％超５質量％以下であってもよい。第３工程Ｓ２３の直後の還元鉄３０の温度（第３工程Ｓ２３の出側における還元鉄３０の温度）は、例えば、１５０℃以下、又は、８０℃以下であってもよい。還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２がシャフト炉１００内において行われる場合、還元鉄３０は、例えば、シャフト炉１００の下部に設けられた排出口１００ｂから回収され得る。冷却工程Ｓ２の一部又は全部が冷却装置２００において行われる場合、還元鉄３０は、例えば、冷却装置２００の下部に設けられた排出口２００ｂから回収され得る。
【0032】
１．４ 脱水工程及び昇温工程
本実施形態に係る還元鉄の製造方法は、上述した還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２に加えて、その他の工程を備えていてもよい。例えば、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、還元工程Ｓ１の排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水工程Ｓ３を有するものであってもよい。また、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、還元工程Ｓ１の排出ガスを昇温し、又は、当該排出ガスを脱水して得られた循環ガスを昇温する、昇温工程Ｓ４を有するものであってもよい。また、当該昇温工程Ｓ４は、還元工程Ｓ１の排出ガス又は当該排出ガスを脱水して得られた循環ガスと、水素ガスとを昇温し、排出ガス及び循環ガスのうちの一方又は両方と水素ガスとを含む還元ガスを得る工程であってもよい。また、上述の脱水工程Ｓ３と昇温工程Ｓ４とが組み合わされてもよい。例えば、図４に示されるように、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、還元工程Ｓ１の排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水工程Ｓ３、及び、循環ガスと水素ガスとを昇温し、循環ガスと水素ガスとを含む還元ガスを得る、昇温工程Ｓ４を有するものであってもよい。
本実施形態に係る還元鉄の製造方法は、上述した還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２に加えて、その他の工程を備えていてもよい。例えば、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、還元工程Ｓ１の排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水工程Ｓ３を有するものであってもよい。また、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、還元工程Ｓ１の排出ガスを昇温し、又は、当該排出ガスを脱水して得られた循環ガスを昇温する、昇温工程Ｓ４を有するものであってもよい。また、当該昇温工程Ｓ４は、還元工程Ｓ１の排出ガス又は当該排出ガスを脱水して得られた循環ガスと、水素ガスとを昇温し、排出ガス及び循環ガスのうちの一方又は両方と水素ガスとを含む還元ガスを得る工程であってもよい。また、上述の脱水工程Ｓ３と昇温工程Ｓ４とが組み合わされてもよい。例えば、図４に示されるように、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、還元工程Ｓ１の排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水工程Ｓ３、及び、循環ガスと水素ガスとを昇温し、循環ガスと水素ガスとを含む還元ガスを得る、昇温工程Ｓ４を有するものであってもよい。
【0033】
１．４．１ 脱水工程
脱水工程Ｓ３においては、還元工程Ｓ１の排出ガスが脱水され、循環ガスが得られる。脱水は公知の脱水装置１３０によって行われればよい。還元工程Ｓ１においては、還元ガスと酸化鉄原料１０との反応によって、水が生成し得る。一方で、還元工程Ｓ１において、還元ガスは、必ずしも、その１００％が利用されるわけではない。すなわち、還元工程Ｓ１の排出ガスには、水とともに還元ガスが残ることとなる。このような排出ガスについて、脱水を行うことで、還元ガスを含む循環ガスが得られる。
脱水工程Ｓ３においては、還元工程Ｓ１の排出ガスが脱水され、循環ガスが得られる。脱水は公知の脱水装置１３０によって行われればよい。還元工程Ｓ１においては、還元ガスと酸化鉄原料１０との反応によって、水が生成し得る。一方で、還元工程Ｓ１において、還元ガスは、必ずしも、その１００％が利用されるわけではない。すなわち、還元工程Ｓ１の排出ガスには、水とともに還元ガスが残ることとなる。このような排出ガスについて、脱水を行うことで、還元ガスを含む循環ガスが得られる。
【0034】
１．４．２ 昇温工程
脱水工程Ｓ３により得られた循環ガスは、還元ガスを含むものの、その量が十分ではない。また、脱水工程Ｓ３により得られた循環ガスは温度が低いことから、還元工程Ｓ１にそのまま利用することは効率的でない。そのため、昇温工程Ｓ４においては、例えば、循環ガスと水素ガスとを昇温して、循環ガスと水素ガスとを含む還元ガスを得る。言い換えれば、循環ガスとともにメイクアップガスとしての水素ガスが、昇温及び混合されることで、還元ガスが得られる。昇温工程Ｓ４においては、循環ガスと水素ガスとを昇温した後で混合してもよいし、循環ガスと水素ガスとを混合した後で昇温してもよい。水素ガスは、水の電気分解や、合成ガス（石炭やバイオマスを水蒸気改質や部分燃焼して得られるガス）からの膜分離等によって得られたものであってよい。昇温工程Ｓ３は、公知の昇温装置（加熱装置）１４０によって行われればよい。
脱水工程Ｓ３により得られた循環ガスは、還元ガスを含むものの、その量が十分ではない。また、脱水工程Ｓ３により得られた循環ガスは温度が低いことから、還元工程Ｓ１にそのまま利用することは効率的でない。そのため、昇温工程Ｓ４においては、例えば、循環ガスと水素ガスとを昇温して、循環ガスと水素ガスとを含む還元ガスを得る。言い換えれば、循環ガスとともにメイクアップガスとしての水素ガスが、昇温及び混合されることで、還元ガスが得られる。昇温工程Ｓ４においては、循環ガスと水素ガスとを昇温した後で混合してもよいし、循環ガスと水素ガスとを混合した後で昇温してもよい。水素ガスは、水の電気分解や、合成ガス（石炭やバイオマスを水蒸気改質や部分燃焼して得られるガス）からの膜分離等によって得られたものであってよい。昇温工程Ｓ３は、公知の昇温装置（加熱装置）１４０によって行われればよい。
【0035】
１．５ 水素ガス分離工程
図５に示されるように、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、第１工程Ｓ２１の排出ガスに含まれる水素ガスを分離する、水素ガス分離工程を有していてもよい。これにより、例えば、第１工程Ｓ２１の排出ガスに含まれる水素ガスとメタンガスとを分離することができる。排出ガスから分離された水素ガスは、例えば、上記の還元ガスの一部として利用され得る。また、排出ガスから分離されたメタンガスは、例えば、上記の第１工程Ｓ２１におけるメタンガスの一部として利用され得る。水素ガス分離工程は、公知の水素ガス分離装置４００により実施可能である。水素ガス分離装置４００の構成は、特に限定されるものではない。
図５に示されるように、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、第１工程Ｓ２１の排出ガスに含まれる水素ガスを分離する、水素ガス分離工程を有していてもよい。これにより、例えば、第１工程Ｓ２１の排出ガスに含まれる水素ガスとメタンガスとを分離することができる。排出ガスから分離された水素ガスは、例えば、上記の還元ガスの一部として利用され得る。また、排出ガスから分離されたメタンガスは、例えば、上記の第１工程Ｓ２１におけるメタンガスの一部として利用され得る。水素ガス分離工程は、公知の水素ガス分離装置４００により実施可能である。水素ガス分離装置４００の構成は、特に限定されるものではない。
【0036】
１．６ ＣＯ２ガス分離工程
図６に示されるように、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、第２工程Ｓ２２の排出ガスに含まれるＣＯ２ガスを分離する、ＣＯ２ガス分離工程を備えていてもよい。これにより、例えば、第２工程Ｓ２２の排出ガスに含まれるＣＯ２ガスとＣＯガスとを分離することができる。排出ガスから分離されたＣＯガスは、例えば、上記の第２工程Ｓ２２におけるＣＯガスとして利用され得る。また、排出ガスから分離されたＣＯ２ガスは、系外へと排出され、ＣＯ２回収装置等によって回収され得る。ＣＯ２ガス分離工程は、公知のＣＯ２ガス分離装置５００により実施可能である。ＣＯ２ガス分離装置５００の構成は、特に限定されるものではない。
図６に示されるように、一実施形態に係る還元鉄の製造方法は、第２工程Ｓ２２の排出ガスに含まれるＣＯ２ガスを分離する、ＣＯ２ガス分離工程を備えていてもよい。これにより、例えば、第２工程Ｓ２２の排出ガスに含まれるＣＯ２ガスとＣＯガスとを分離することができる。排出ガスから分離されたＣＯガスは、例えば、上記の第２工程Ｓ２２におけるＣＯガスとして利用され得る。また、排出ガスから分離されたＣＯ２ガスは、系外へと排出され、ＣＯ２回収装置等によって回収され得る。ＣＯ２ガス分離工程は、公知のＣＯ２ガス分離装置５００により実施可能である。ＣＯ２ガス分離装置５００の構成は、特に限定されるものではない。
【0037】
１．７ その他の事項
上述の通り、一実施形態に係る還元鉄の製造方法においては、還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２が、シャフト炉１００内において行われてもよい。この場合、例えば、第１工程Ｓ２１が、シャフト炉１００内の還元工程Ｓ１よりも下部において行われる。この場合、図７に示されるように、第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスが、そのまま炉内を上昇して還元工程Ｓ１における還元ガスに付加され、還元に利用され得る。また、図１～７に示されるように、第２工程Ｓ２２における金属鉄２０とＣＯガスとの反応ガスは、第１工程Ｓ２１よりも下流側において、系外に排出されてもよい。これらの構成によって、第２工程Ｓ２２から排出されるＣＯガスやＣＯ２ガスが、還元工程Ｓ１から排除される。すなわち、還元工程Ｓ１の排出ガス中へのＣＯガス及びＣＯ２ガスの混入がなくなり、還元工程Ｓ１の排出ガスが、還元ガス（例えば、水素ガス）及び水蒸気のみとなり易い。このような排出ガスに対して脱水工程Ｓ３を行うことで、還元ガスとして再利用できる。なお、第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスにはメタンガスが残留するが、当該メタンガスは還元帯で分解され得る。また、当該メタンガスは、還元帯において他のガスと合流して希釈される。すなわち、還元工程Ｓ１の排出ガスにはメタンガスがほとんど含まれず、含まれていたとしても１体積％程度である。そのため、循環にともなう炭素含有ガスの濃縮の影響はほとんどない。言い換えれば、通常の還元ガスの部分的な系外排出工程のみで対応可能であって、排出ガスの循環使用に際する特別な脱ＣＯ２工程等は不要である。
上述の通り、一実施形態に係る還元鉄の製造方法においては、還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２が、シャフト炉１００内において行われてもよい。この場合、例えば、第１工程Ｓ２１が、シャフト炉１００内の還元工程Ｓ１よりも下部において行われる。この場合、図７に示されるように、第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスが、そのまま炉内を上昇して還元工程Ｓ１における還元ガスに付加され、還元に利用され得る。また、図１～７に示されるように、第２工程Ｓ２２における金属鉄２０とＣＯガスとの反応ガスは、第１工程Ｓ２１よりも下流側において、系外に排出されてもよい。これらの構成によって、第２工程Ｓ２２から排出されるＣＯガスやＣＯ２ガスが、還元工程Ｓ１から排除される。すなわち、還元工程Ｓ１の排出ガス中へのＣＯガス及びＣＯ２ガスの混入がなくなり、還元工程Ｓ１の排出ガスが、還元ガス（例えば、水素ガス）及び水蒸気のみとなり易い。このような排出ガスに対して脱水工程Ｓ３を行うことで、還元ガスとして再利用できる。なお、第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスにはメタンガスが残留するが、当該メタンガスは還元帯で分解され得る。また、当該メタンガスは、還元帯において他のガスと合流して希釈される。すなわち、還元工程Ｓ１の排出ガスにはメタンガスがほとんど含まれず、含まれていたとしても１体積％程度である。そのため、循環にともなう炭素含有ガスの濃縮の影響はほとんどない。言い換えれば、通常の還元ガスの部分的な系外排出工程のみで対応可能であって、排出ガスの循環使用に際する特別な脱ＣＯ２工程等は不要である。
【0038】
本開示の製造方法においては、図１～７に示される形態が組み合わされてもよい。例えば、図１～３に示される製造方法において、図４に示されるような脱水工程Ｓ４や昇温工程Ｓ５が行われてもよく、図５に示されるような水素ガス分離工程が行われてもよく、図６に示されるＣＯ２ガス分離工程が行われてもよく、図７に示されるように第１工程Ｓ２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスが、そのまま炉内を上昇して還元工程Ｓ１における還元ガスに付加されてもよく、これらの組み合わせが行われてもよい。
【0039】
２．還元鉄の製造システム
本開示の技術は、炭素を含む還元鉄の製造システムとしての側面も有する。すなわち、図１～７に示されるように、一実施形態に係る炭素を含む還元鉄の製造システムは、
酸化鉄原料１０に対して還元ガスを接触させて金属鉄２０を得る、還元部１１０、及び
金属鉄２０を冷却する、冷却部１２０
を有する。ここで、冷却部１２０は、
還元部１１０によって得られた金属鉄２０に対してメタンガスを接触させて、金属鉄２０を炭化する、第１部分１２１、
第１部分１２１よりも下流側において、金属鉄２０に対してＣＯガスを接触させて、金属鉄２０を炭化する、第２部分１２２、及び
第２部分１２２よりも下流側において、金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３部分１２３を有する。
本開示の技術は、炭素を含む還元鉄の製造システムとしての側面も有する。すなわち、図１～７に示されるように、一実施形態に係る炭素を含む還元鉄の製造システムは、
酸化鉄原料１０に対して還元ガスを接触させて金属鉄２０を得る、還元部１１０、及び
金属鉄２０を冷却する、冷却部１２０
を有する。ここで、冷却部１２０は、
還元部１１０によって得られた金属鉄２０に対してメタンガスを接触させて、金属鉄２０を炭化する、第１部分１２１、
第１部分１２１よりも下流側において、金属鉄２０に対してＣＯガスを接触させて、金属鉄２０を炭化する、第２部分１２２、及び
第２部分１２２よりも下流側において、金属鉄２０に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３部分１２３を有する。
【0040】
本実施形態においては、還元部１１０において上記の還元工程Ｓ１が行われ、冷却部１２０において上記の冷却工程Ｓ２が行われる。還元部１１０及び冷却部１２０の構成については、各々、還元工程Ｓ１及び冷却工程Ｓ２を実行可能に構成されていればよい。図１～５に示されるように、還元部１１０は、還元ガスを供給するための還元ガス供給口１１０ａと、還元反応後のガスを排出するための排出口１１０ｂとを備え得る。また、第１部分１２１は、メタンガスを含む冷却ガスを供給するための第１冷却ガス供給口１２１ａと、第１部分１２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスを排出するための第１冷却ガス排出口１２１ｂとを備え得る。また、第２部分１２２は、ＣＯガスを含む冷却ガスを供給するための第２冷却ガス供給口１２２ａと、第２部分１２２における金属鉄２０とＣＯガスとの反応ガスを排出するための第２冷却ガス排出口１２２ｂとを備え得る。さらに、第３部分１２３は、メタンガス又は不活性ガスを含む冷却ガスを供給するための第３冷却ガス供給口１２３ａと、第３部分１２３において金属鉄２０と接触したメタンガス又は不活性ガスを排出するための第３冷却ガス排出口１２３ｂとを備え得る。還元部１１０と冷却部１２０とは、一体であってもよいし、別体であってもよい。例えば、図１に示されるように、還元部１１０及び冷却部１２０が、シャフト炉１００に設けられてもよい。或いは、図２に示されるように、還元部１１０が、シャフト炉１００に設けられ、冷却部１２０が、シャフト炉１００よりも下流側の冷却装置２００に設けられてもよい。或いは、図３に示されるように、還元部１１０と冷却部の第１部分１２１がシャフト炉１００に設けられ、冷却部の第２部分１２２と第３部分１２３とが、シャフト炉１００よりも下流側の冷却装置２００に設けられてもよい。図２及び３に示されるように、シャフト炉１００の下流側に冷却装置２００が設けられる場合、還元鉄の製造システムは、金属鉄２０をシャフト炉１００から冷却装置２００へと移動させる、移動装置３００を備えていてもよい。移動装置３００の具体例としては、コンベア、台車等が挙げられる。設備費等を抑える観点からは、還元部１１０及び冷却部１２０が、シャフト炉１００に設けられることが好ましい。還元鉄の製造システムにおいて、冷却装置２００が設けられる場合、当該冷却装置２００の具体例としては、冷却塔が挙げられる。
【0041】
還元部１１０には、還元ガス供給口１１０ａを介して、還元ガスが供給され得る。また、冷却部１２０の第１部分１２１には、第１冷却ガス供給口１２１ａを介して、メタンガスが供給され得る。また、第２部分１２２には、第２冷却ガス供給口１２２ａを介して、ＣＯガスが供給され得る。さらに、第３部分１２３には、第３冷却ガス供給口１２３ａを介して、メタンガス又は不活性ガスが供給され得る。各々のガスの供給系統については、特に限定されるものではなく、例えば、ガス源と供給口とが配管等で接続されればよい。還元ガスの種類等については、上述の通りである。還元ガスは、例えば、水素ガスを含むものであってもよい。冷却部１２０に供給されるガスの種類等については、上述の通りである。
【0042】
本実施形態に係る還元鉄の製造システムは、上述した還元部１１０及び冷却部１２０に加えて、その他の構成を備えていてもよい。例えば、一実施形態に係る還元鉄の製造システムは、還元部１１０の排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水装置１３０を有するものであってもよい。また、一実施形態に係る還元鉄の製造システムは、還元部１１０の排出ガスを昇温し、又は、当該排出ガスを脱水して得られた循環ガスを昇温する、昇温装置１４０を有するものであってもよい。また、当該昇温装置１４０は、還元部１１０の排出ガス又は当該排出ガスを脱水して得られた循環ガスと、水素ガスとを昇温し、排出ガス及び循環ガスのうちの一方又は両方と水素ガスとを含む還元ガスを製造する装置であってもよい。また、上述の脱水装置１３０と昇温装置１４０とが組み合わされてもよい。例えば、図４に示されるように、一実施形態に係る製造システムは、還元部１１０からの排出ガスを脱水して循環ガスを得る、脱水装置１３０、及び、循環ガスと水素ガスとを昇温し、循環ガスと水素ガスとを含む還元ガスを得る、昇温装置１４０を備えていてもよい。脱水装置１３０及び昇温装置１４０は、各々、上記の脱水工程Ｓ３及び昇温工程Ｓ４を行うためのものである。詳細については上述の通りである。
【0043】
還元部１１０や冷却部１２０からの排出ガス系統についても、上述の通りである。例えば、図１～６に示されるように、一実施形態に係る製造システムは、還元部１１０よりも下流側において、第１部分１２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガスを系外へと排出する、第１冷却ガス排出口１２１ｂを有していてもよい。或いは、図７に示されるように、一実施形態に係る製造システムは、第１部分１２１における金属鉄２０とメタンガスとの反応ガス（上述の第１工程Ｓ２１における反応ガスに相当）が、還元ガスに付加されるように、還元部１１０と第１部分１２１とが接続されていてもよい。また、一実施形態に係る製造システムは、第１部分１２１よりも下流側において、第２部分１２２における金属鉄とＣＯガスとの反応ガス（上述の第２工程Ｓ２２における反応ガスに相当）を排出する、第２冷却ガス排出口１２２ｂを有していてもよい。また、一実施形態に係る製造システムは、第２部分１２２よりも下流側において、第３部分１２３における金属鉄２０と接触したメタンガス又は不活性ガスを系外へと排出する、第３冷却ガス排出口１２３ｂを有していてもよい。
【0044】
還元部１１０や冷却部１２０の各々における金属鉄２０の温度についても、上述の通りである。例えば、一実施形態に係る製造システムは、第１部分１２１において、メタンガスと接触する金属鉄２０の温度が７００℃以上９００℃以下であってもよい。また、一実施形態に係る製造システムは、第２部分１２２において、ＣＯガスと接触する金属鉄２０の温度が、４００℃以上６００℃以下であってもよい。また、一実施形態に係る製造システムは、第３部分１２３において、メタンガス又は不活性ガスと接触する金属鉄２０の温度が、４００℃未満であっていてもよい。
【0045】
また、本開示の製造システムにおいて、還元部１１０としてシャフト炉１００が採用される場合、シャフト炉頂圧は特に限定されないが、ゲージ圧で０ＭＰａ以上０．８ＭＰａ以下の範囲であってよい。圧力は、例えば、シャフト炉頂に設けた圧力計を用いて測定できる。
【0046】
また、本開示の製造システムにおいて、冷却部１２０として冷却塔が採用される場合、冷却塔頂部圧は特に限定されないが、ゲージ圧で０ＭＰａ以上０．８ＭＰａ以下の範囲であってよい。圧力は、例えば、冷却塔頂部に設けた圧力計を用いて測定できる。
【0047】
【0048】
３．効果
以上の通り、本実施形態に係る製造方法及び製造システムによれば、酸化鉄原料１０の還元によって金属鉄２０を得たうえで、（１）メタンガスによる金属鉄２０の炭化及び冷却が行われ、続いて、（２）ＣＯガスによる金属鉄２０の炭化が行われ、その後、（３）メタンガス又は不活性ガスによる金属鉄２０の冷却が行われることにより、炭素を含む還元鉄３０（例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩ）を効率的に製造することができる。
以上の通り、本実施形態に係る製造方法及び製造システムによれば、酸化鉄原料１０の還元によって金属鉄２０を得たうえで、（１）メタンガスによる金属鉄２０の炭化及び冷却が行われ、続いて、（２）ＣＯガスによる金属鉄２０の炭化が行われ、その後、（３）メタンガス又は不活性ガスによる金属鉄２０の冷却が行われることにより、炭素を含む還元鉄３０（例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩ）を効率的に製造することができる。
【実施例】
【0049】
以下、実施例を示しつつ本発明についてさらに説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱せず、その目的を達する限りにおいては、種々の条件を採用可能とするものである。以下の実施例においては、数値シミュレーションにより、還元鉄の炭化量が高められる条件を検討した。本実施例における数値シミュレーションは、下記非特許文献１に記載の高炉数学モデルを応用して開発されたシャフト炉数学モデルに対して、下記非特許文献２に（７）、（９）、（１０）として記載された反応を追加したものにより行った。
非特許文献１：西岡ら、「高炉数学モデルの開発」、新日鉄住金技報 第４１０号（２０１８）
非特許文献２：Hamzeh Hamadeh et al., "Detailed Modeling of the Direct Reduction of Iron Ore in a Shaft Furnace", Materials 2018, 11(10), 1865 (https://doi.org/10.3390/ma11101865)
非特許文献１：西岡ら、「高炉数学モデルの開発」、新日鉄住金技報 第４１０号（２０１８）
非特許文献２：Hamzeh Hamadeh et al., "Detailed Modeling of the Direct Reduction of Iron Ore in a Shaft Furnace", Materials 2018, 11(10), 1865 (https://doi.org/10.3390/ma11101865)
【0050】
１．シャフト炉にて還元工程及び冷却工程を行う場合についての検討
１．１ シミュレーション方法
シャフト炉における操業を想定した数値シミュレーションを行った。まず、シャフト炉内に投入された酸化鉄ペレットに対し、９５０℃のＨ２を吹き込み、還元反応を進行させた。還元反応終了直後の金属鉄の温度は、８５８℃であった。その後、Ｃａｓｅ ２及びＣａｓｅ ４（実施例）については、金属鉄に対して２５℃のＣＨ４を吹込み、炭素析出を行うと同時に金属鉄を冷却した。その後、ＣＨ４吹込み口よりも下部から、２５℃のＣＯガスを吹き込み、ＣＯの炭素析出を進行させた。その後、Ｃａｓｅ １、Ｃａｓｅ ２、Ｃａｓｅ ３及びＣａｓｅ ４の各々について、さらに下部からＣＨ４を吹込み、ＣＤＲＩとしての目標温度まで低下させた。
１．１ シミュレーション方法
シャフト炉における操業を想定した数値シミュレーションを行った。まず、シャフト炉内に投入された酸化鉄ペレットに対し、９５０℃のＨ２を吹き込み、還元反応を進行させた。還元反応終了直後の金属鉄の温度は、８５８℃であった。その後、Ｃａｓｅ ２及びＣａｓｅ ４（実施例）については、金属鉄に対して２５℃のＣＨ４を吹込み、炭素析出を行うと同時に金属鉄を冷却した。その後、ＣＨ４吹込み口よりも下部から、２５℃のＣＯガスを吹き込み、ＣＯの炭素析出を進行させた。その後、Ｃａｓｅ １、Ｃａｓｅ ２、Ｃａｓｅ ３及びＣａｓｅ ４の各々について、さらに下部からＣＨ４を吹込み、ＣＤＲＩとしての目標温度まで低下させた。
【0051】
１．２ 計算条件
図８に、Ｃａｓｅ １～４の各々について、シャフト炉の冷却部に導入されるガスの種類及び導入位置を示す。尚、図８に示される構造は、シャフト炉の中心軸を通り、かつ、中心軸に沿った断面における炉内構造を、シャフト炉の中心軸を境に右半分と左半分とに分けた場合における、当該左半分の構造である。Ｃａｓｅ ２及びＣａｓｅ ４については、図８における還元帯が還元工程Ｓ１に相当し、遷移帯が冷却工程Ｓ２の第１工程Ｓ２１に相当し、冷却帯の上部が冷却工程Ｓ２の第２工程Ｓ２２に相当し、冷却帯の下部が冷却工程Ｓ２の第３工程Ｓ２３に相当する。Ｃａｓｅ ２及びＣａｓｅ ４において、第１工程Ｓ２１の排出ガスは、そのまま還元工程Ｓ１に導入した。また、第２工程Ｓ２２の排出ガスは、第１工程Ｓ２１よりも下流側において系外に抜き出した。また、第３工程Ｓ２３の排出ガスは、そのまま第２工程Ｓ２２の冷却ガスとして用いた。
図８に、Ｃａｓｅ １～４の各々について、シャフト炉の冷却部に導入されるガスの種類及び導入位置を示す。尚、図８に示される構造は、シャフト炉の中心軸を通り、かつ、中心軸に沿った断面における炉内構造を、シャフト炉の中心軸を境に右半分と左半分とに分けた場合における、当該左半分の構造である。Ｃａｓｅ ２及びＣａｓｅ ４については、図８における還元帯が還元工程Ｓ１に相当し、遷移帯が冷却工程Ｓ２の第１工程Ｓ２１に相当し、冷却帯の上部が冷却工程Ｓ２の第２工程Ｓ２２に相当し、冷却帯の下部が冷却工程Ｓ２の第３工程Ｓ２３に相当する。Ｃａｓｅ ２及びＣａｓｅ ４において、第１工程Ｓ２１の排出ガスは、そのまま還元工程Ｓ１に導入した。また、第２工程Ｓ２２の排出ガスは、第１工程Ｓ２１よりも下流側において系外に抜き出した。また、第３工程Ｓ２３の排出ガスは、そのまま第２工程Ｓ２２の冷却ガスとして用いた。
【0052】
Ｃａｓｅ １～４の詳細については、以下の通りである。
Ｃａｓｅ １（比較例）：第１工程Ｓ２１及び第２工程Ｓ２２が行われず、第３工程Ｓ２３においてＣＨ４が１４００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれることで、第３工程Ｓ２３の出側の還元鉄の温度がＣＤＲＩとしての目標温度まで低下されるものとした。シャフト炉頂の圧力は０．０４ＭＰａ（ゲージ圧）とした。
Ｃａｓｅ ２（実施例）：第１工程Ｓ２１においてＣＨ４が３００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれ、第２工程Ｓ２２においてＣＯが７００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれ、第３工程Ｓ２３においてＣＨ４が１５００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれることで、第３工程Ｓ２３の出側の還元鉄の温度がＣＤＲＩとしての目標温度まで低下されるものとした。シャフト炉頂の圧力は０．０４ＭＰａ（ゲージ圧）とした。
Ｃａｓｅ ３（比較例）：シャフト炉頂の圧力を０．７ＭＰａ（ゲージ圧）に変更したこと以外は、Ｃａｓｅ １と同様とした。
Ｃａｓｅ ４（実施例）：第１工程Ｓ２１においてＣＨ４が３００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれ、第２工程Ｓ２２においてＣＯが５００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれ、第３工程Ｓ２３においてＣＨ４が１８５０Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれることで、第３工程Ｓ２３の出側の還元鉄の温度がＣＤＲＩとしての目標温度まで低下されるものとした。シャフト炉頂の圧力は０．７ＭＰａ（ゲージ圧）とした。
Ｃａｓｅ １（比較例）：第１工程Ｓ２１及び第２工程Ｓ２２が行われず、第３工程Ｓ２３においてＣＨ４が１４００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれることで、第３工程Ｓ２３の出側の還元鉄の温度がＣＤＲＩとしての目標温度まで低下されるものとした。シャフト炉頂の圧力は０．０４ＭＰａ（ゲージ圧）とした。
Ｃａｓｅ ２（実施例）：第１工程Ｓ２１においてＣＨ４が３００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれ、第２工程Ｓ２２においてＣＯが７００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれ、第３工程Ｓ２３においてＣＨ４が１５００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれることで、第３工程Ｓ２３の出側の還元鉄の温度がＣＤＲＩとしての目標温度まで低下されるものとした。シャフト炉頂の圧力は０．０４ＭＰａ（ゲージ圧）とした。
Ｃａｓｅ ３（比較例）：シャフト炉頂の圧力を０．７ＭＰａ（ゲージ圧）に変更したこと以外は、Ｃａｓｅ １と同様とした。
Ｃａｓｅ ４（実施例）：第１工程Ｓ２１においてＣＨ４が３００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれ、第２工程Ｓ２２においてＣＯが５００Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれ、第３工程Ｓ２３においてＣＨ４が１８５０Ｎｍ３／ｍｉｎの流量にて吹き込まれることで、第３工程Ｓ２３の出側の還元鉄の温度がＣＤＲＩとしての目標温度まで低下されるものとした。シャフト炉頂の圧力は０．７ＭＰａ（ゲージ圧）とした。
【0053】
１．３ 計算結果１
下記表１に、Ｃａｓｅ １及びＣａｓｅ ２の計算結果を示す。
下記表１に、Ｃａｓｅ １及びＣａｓｅ ２の計算結果を示す。
【0054】
【表1】
【0055】
表１の結果から以下のことが分かる。尚、Ｃａｓｅ １及び２のいずれについても、製品還元鉄における還元率が９３～９４％であり、高い還元率が確保された。
Ｃａｓｅ １（比較例）では、還元鉄が冷却された状態で排出されるものの、十分な炭化量が得られなかった。
Ｃａｓｅ ２（実施例）では、排出される還元鉄の炭化量（炭素濃度）が高く、かつ、排出温度に関しても実用上十分低い温度まで低下できた。
Ｃａｓｅ １（比較例）では、還元鉄が冷却された状態で排出されるものの、十分な炭化量が得られなかった。
Ｃａｓｅ ２（実施例）では、排出される還元鉄の炭化量（炭素濃度）が高く、かつ、排出温度に関しても実用上十分低い温度まで低下できた。
【0056】
下記表２に、Ｃａｓｅ ３及びＣａｓｅ ４の計算結果を示す。
【0057】
【表2】
【0058】
表２の結果から以下のことが分かる。尚、Ｃａｓｅ ３及びＣａｓｅ ４のいずれについても、製品還元鉄における還元率が９３～９４％であり、高い還元率が確保された。
Ｃａｓｅ ３（比較例）では、還元鉄が冷却された状態で排出されるものの、十分な炭化量が得られなかった。
Ｃａｓｅ ４（実施例）では、排出される還元鉄の炭化量（炭素濃度）が高く、かつ、排出温度に関しても実用上十分低い温度まで低下できた。
Ｃａｓｅ ３（比較例）では、還元鉄が冷却された状態で排出されるものの、十分な炭化量が得られなかった。
Ｃａｓｅ ４（実施例）では、排出される還元鉄の炭化量（炭素濃度）が高く、かつ、排出温度に関しても実用上十分低い温度まで低下できた。
【0059】
１．４ 計算結果２
Ｃａｓｅ ２において、第１工程Ｓ２１後の金属鉄の温度が４００～６００℃程度となるように、第１工程Ｓ２１で吹き込まれるＣＨ４の量を変えた場合（Ｃａｓｅ ５～１１）について、排出される還元鉄の炭化量等を調べた。Ｃａｓｅ ５～１１について、第１工程Ｓ２１で吹き込まれるＣＨ４の流量は、以下の通りである。計算条件及び計算結果を表３に示す。
Ｃａｓｅ ２において、第１工程Ｓ２１後の金属鉄の温度が４００～６００℃程度となるように、第１工程Ｓ２１で吹き込まれるＣＨ４の量を変えた場合（Ｃａｓｅ ５～１１）について、排出される還元鉄の炭化量等を調べた。Ｃａｓｅ ５～１１について、第１工程Ｓ２１で吹き込まれるＣＨ４の流量は、以下の通りである。計算条件及び計算結果を表３に示す。
【0060】
【表3】
【0061】
表３に示されるように、第１工程後の金属鉄の温度が４００℃以上６００℃以下、好ましくは４５０℃以上５５０℃以下である場合、最終的に得られる還元鉄の炭素濃度が特に高くなることが分かる。尚、Ｃａｓｅ ５～１１のいずれについても、製品還元鉄における還元率が９２～９４％であり、高い還元率が確保された。
【0062】
１．５ 計算結果３
Ｃａｓｅ ２において、第１工程Ｓ２１後の金属鉄の温度が４００～６００℃程度となるように、第１工程Ｓ２１で吹き込まれるＣＨ４の量を変え、かつ、第３工程Ｓ２３においてＣＨ４に替えて窒素ガス（流量：１７００Ｎｍ３／ｍｉｎ）を用いた場合（Ｃａｓｅ １２～１５）についても同様の計算を行った。計算条件及び計算結果を表４に示す。
Ｃａｓｅ ２において、第１工程Ｓ２１後の金属鉄の温度が４００～６００℃程度となるように、第１工程Ｓ２１で吹き込まれるＣＨ４の量を変え、かつ、第３工程Ｓ２３においてＣＨ４に替えて窒素ガス（流量：１７００Ｎｍ３／ｍｉｎ）を用いた場合（Ｃａｓｅ １２～１５）についても同様の計算を行った。計算条件及び計算結果を表４に示す。
【0063】
【表4】
【0064】
表４に示されるように、第３工程Ｓ２３において窒素ガス等の不活性ガスを用いた場合であっても、最終的に得られる還元鉄の炭素濃度はほとんど低下しない。尚、Ｃａｓｅ １２～１５のいずれについても、製品還元鉄における還元率が９２～９４％であり、高い還元率が確保された。
【0065】
２．シャフト炉にて還元工程を行い冷却塔にて冷却工程を行う場合についての検討
２．１ シミュレーション条件１
２．１．１ 比較例１
比較例１に係るシミュレーション条件は、上記Ｃａｓｅ １と同様である。すなわち、まず、シャフト炉内に投入された酸化鉄ペレットに対し、９５０℃のＨ２を吹き込み、還元反応を進行させた。還元反応終了直後の金属鉄の温度は、８５８℃であった。その後、金属鉄に対して２５℃のＣＨ４を吹込み、炭素析出を行うと同時に金属鉄を冷却し、製品である還元鉄を得た。シャフト炉頂圧は０．０４ＭＰａ（ゲージ圧）とした。ＣＨ４の供給量、製品還元鉄の温度、炭素濃度については、下記表５に示される通りである。
２．１ シミュレーション条件１
２．１．１ 比較例１
比較例１に係るシミュレーション条件は、上記Ｃａｓｅ １と同様である。すなわち、まず、シャフト炉内に投入された酸化鉄ペレットに対し、９５０℃のＨ２を吹き込み、還元反応を進行させた。還元反応終了直後の金属鉄の温度は、８５８℃であった。その後、金属鉄に対して２５℃のＣＨ４を吹込み、炭素析出を行うと同時に金属鉄を冷却し、製品である還元鉄を得た。シャフト炉頂圧は０．０４ＭＰａ（ゲージ圧）とした。ＣＨ４の供給量、製品還元鉄の温度、炭素濃度については、下記表５に示される通りである。
【0066】
２．１．２ 実施例１
シャフト炉と冷却塔とを組み合わせて操業を行った場合を想定した数値シミュレーションを行った。図９に、シャフト炉及び冷却塔の各々に導入されるガスの種類及び導入位置を示す。尚、図９に示される構造は、シャフト炉や冷却塔の中心軸を通り、かつ、中心軸に沿った断面における炉内構造を、シャフト炉や冷却塔の中心軸を境に右半分と左半分とに分けた場合における、当該左半分の構造である。まず、シャフト炉内に投入された酸化鉄ペレットに対し、９５０℃のＨ２を吹き込み、還元反応を進行させた。還元反応終了直後の金属鉄の温度は、８５８℃であった。その後、金属鉄に対して２５℃のＣＨ４を吹込み、炭素析出を行うと同時に金属鉄を冷却した。シャフト炉の出側における金属鉄の温度は５３３．６℃であった。シャフト炉におけるＣＨ４の供給量については、下記表５に示される通りである。続いて、シャフト炉の出側から回収された金属鉄を冷却塔の頂部から投入し、頂部よりも下流側において２５℃のＣＯを吹き込み、炭素析出を行い、それよりもさらに下流側において、２５℃のＣＨ４を吹込み、金属鉄を冷却し、製品である還元鉄を得た。シャフト炉頂圧及び冷却塔頂部圧は０．０４ＭＰａ（ゲージ圧）とした。冷却塔におけるＣＯ及びＣＨ４の供給量、製品還元鉄の温度、炭素濃度については、下記表５に示される通りである。
シャフト炉と冷却塔とを組み合わせて操業を行った場合を想定した数値シミュレーションを行った。図９に、シャフト炉及び冷却塔の各々に導入されるガスの種類及び導入位置を示す。尚、図９に示される構造は、シャフト炉や冷却塔の中心軸を通り、かつ、中心軸に沿った断面における炉内構造を、シャフト炉や冷却塔の中心軸を境に右半分と左半分とに分けた場合における、当該左半分の構造である。まず、シャフト炉内に投入された酸化鉄ペレットに対し、９５０℃のＨ２を吹き込み、還元反応を進行させた。還元反応終了直後の金属鉄の温度は、８５８℃であった。その後、金属鉄に対して２５℃のＣＨ４を吹込み、炭素析出を行うと同時に金属鉄を冷却した。シャフト炉の出側における金属鉄の温度は５３３．６℃であった。シャフト炉におけるＣＨ４の供給量については、下記表５に示される通りである。続いて、シャフト炉の出側から回収された金属鉄を冷却塔の頂部から投入し、頂部よりも下流側において２５℃のＣＯを吹き込み、炭素析出を行い、それよりもさらに下流側において、２５℃のＣＨ４を吹込み、金属鉄を冷却し、製品である還元鉄を得た。シャフト炉頂圧及び冷却塔頂部圧は０．０４ＭＰａ（ゲージ圧）とした。冷却塔におけるＣＯ及びＣＨ４の供給量、製品還元鉄の温度、炭素濃度については、下記表５に示される通りである。
【0067】
２．１．３ 実施例２
図１０に示されるように、冷却塔のＣＯの供給位置とＣＨ４の供給位置との間においてＣＨ４による冷却排ガスを１００％抜き出したこと以外は、実施例１と同様にシミュレーションを行った。冷却塔におけるＣＯ及びＣＨ４の供給量、製品還元鉄の温度、炭素濃度については、下記表１に示される通りである。
図１０に示されるように、冷却塔のＣＯの供給位置とＣＨ４の供給位置との間においてＣＨ４による冷却排ガスを１００％抜き出したこと以外は、実施例１と同様にシミュレーションを行った。冷却塔におけるＣＯ及びＣＨ４の供給量、製品還元鉄の温度、炭素濃度については、下記表１に示される通りである。
【0068】
２．２ 計算結果
下記表５に、比較例１、実施例１及び２の各々の計算結果を示す。尚、比較例１、実施例１及び２のいずれについても、製品還元鉄の還元率は９３％以上であった。
下記表５に、比較例１、実施例１及び２の各々の計算結果を示す。尚、比較例１、実施例１及び２のいずれについても、製品還元鉄の還元率は９３％以上であった。
【0069】
【表5】
【0070】
表５に示される結果から、以下のことが分かる。
比較例１のように、シャフト炉において酸化鉄原料の還元及びメタンガスによる金属鉄の冷却が行われただけでは、製品還元鉄の炭素濃度を十分に高めることができない。これに対し、実施例１、２のように、シャフト炉において酸化鉄原料の還元及び金属鉄の冷却が行われ、引き続き、シャフト炉とは別に設けられた冷却塔において、ＣＯガスによる金属鉄の炭化が行われ、さらに、冷却装置の下流側で、メタンガスによる金属鉄の冷却が行われることで、製品還元鉄の炭素濃度を向上させることができる。すなわち、炭素を含む還元鉄（例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩ）が効率的に製造され得る。特に、実施例２のように、冷却塔のＣＯの供給位置とＣＨ４の供給位置との間においてＣＨ４による冷却排ガスを抜き出すことで、製品還元鉄の炭素濃度が一層向上する。また、実施例１、２のように、シャフト炉と冷却塔とが別々に設けられることで、冷却塔における排ガスが、シャフト炉へと侵入することを回避できる。
比較例１のように、シャフト炉において酸化鉄原料の還元及びメタンガスによる金属鉄の冷却が行われただけでは、製品還元鉄の炭素濃度を十分に高めることができない。これに対し、実施例１、２のように、シャフト炉において酸化鉄原料の還元及び金属鉄の冷却が行われ、引き続き、シャフト炉とは別に設けられた冷却塔において、ＣＯガスによる金属鉄の炭化が行われ、さらに、冷却装置の下流側で、メタンガスによる金属鉄の冷却が行われることで、製品還元鉄の炭素濃度を向上させることができる。すなわち、炭素を含む還元鉄（例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩ）が効率的に製造され得る。特に、実施例２のように、冷却塔のＣＯの供給位置とＣＨ４の供給位置との間においてＣＨ４による冷却排ガスを抜き出すことで、製品還元鉄の炭素濃度が一層向上する。また、実施例１、２のように、シャフト炉と冷却塔とが別々に設けられることで、冷却塔における排ガスが、シャフト炉へと侵入することを回避できる。
【0071】
２．３ シミュレーション条件２
比較例２は、上記Ｃａｓｅ ３と同じ条件であり、すなわち、シャフト炉頂圧を０．７ＭＰａ（ゲージ圧）とした以外は比較例１と同じ条件である。実施例３は、シャフト炉頂圧を０．７ＭＰａ（ゲージ圧）とした以外は実施例１と同じ条件である。実施例４は、シャフト炉頂圧及び冷却塔頂部圧を０．７ＭＰａ（ゲージ圧）とした以外は実施例１と同じ条件である。
比較例２は、上記Ｃａｓｅ ３と同じ条件であり、すなわち、シャフト炉頂圧を０．７ＭＰａ（ゲージ圧）とした以外は比較例１と同じ条件である。実施例３は、シャフト炉頂圧を０．７ＭＰａ（ゲージ圧）とした以外は実施例１と同じ条件である。実施例４は、シャフト炉頂圧及び冷却塔頂部圧を０．７ＭＰａ（ゲージ圧）とした以外は実施例１と同じ条件である。
【0072】
２．４ 計算結果
下記表６に、比較例２、実施例３及び４の各々の計算結果を示す。尚、比較例２、実施例３及び４のいずれについても、製品還元鉄の還元率は９３％以上であった。
下記表６に、比較例２、実施例３及び４の各々の計算結果を示す。尚、比較例２、実施例３及び４のいずれについても、製品還元鉄の還元率は９３％以上であった。
【0073】
【表6】
【0074】
表６に示される結果から、以下のことが分かる。
比較例２のように、シャフト炉において酸化鉄原料の還元及びメタンガスによる金属鉄の冷却が行われただけでは、製品還元鉄の炭素濃度を十分に高めることができない。これに対し、実施例３、４のように、シャフト炉において酸化鉄原料の還元及び金属鉄の冷却が行われ、引き続き、シャフト炉とは別に設けられた冷却塔において、ＣＯガスによる金属鉄の炭化が行われ、さらに、冷却装置の下流側で、メタンガスによる金属鉄の冷却が行われることで、製品還元鉄の炭素濃度を向上させることができる。すなわち、炭素を含む還元鉄（例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩ）が効率的に製造され得る。また、実施例３、４のように、シャフト炉と冷却塔とが別々に設けられることで、冷却塔における排ガスが、シャフト炉へと侵入することを回避できる。
比較例２のように、シャフト炉において酸化鉄原料の還元及びメタンガスによる金属鉄の冷却が行われただけでは、製品還元鉄の炭素濃度を十分に高めることができない。これに対し、実施例３、４のように、シャフト炉において酸化鉄原料の還元及び金属鉄の冷却が行われ、引き続き、シャフト炉とは別に設けられた冷却塔において、ＣＯガスによる金属鉄の炭化が行われ、さらに、冷却装置の下流側で、メタンガスによる金属鉄の冷却が行われることで、製品還元鉄の炭素濃度を向上させることができる。すなわち、炭素を含む還元鉄（例えば、炭素濃度が高められたＣＤＲＩ）が効率的に製造され得る。また、実施例３、４のように、シャフト炉と冷却塔とが別々に設けられることで、冷却塔における排ガスが、シャフト炉へと侵入することを回避できる。
【0075】
尚、冷却塔においてＣＨ４に替えて窒素ガスを用いた場合についても同様の計算を行ったところ、当該計算結果は、表５に示される結果と同様の傾向となった。すなわち、冷却塔において窒素ガス等の不活性ガスを用いても、最終的に得られる還元鉄の炭素濃度の低下は少ない。
【0076】
３．まとめ
以上の結果から、以下の還元工程と冷却工程とを経ることで、炭素を含む還元鉄を効率的に製造することができるといえる。
以上の結果から、以下の還元工程と冷却工程とを経ることで、炭素を含む還元鉄を効率的に製造することができるといえる。
【0077】
還元工程において、酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて金属鉄を得る。冷却工程において、前記金属鉄を冷却する。ここで、冷却工程は、前記還元工程後、前記金属鉄に対してメタンガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第１工程、前記第１工程後、前記金属鉄に対してＣＯガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第２工程、及び、前記第２工程後、前記金属鉄に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３工程を有する。
【符号の説明】
【0078】
１０ 酸化鉄原料
２０ 金属鉄
３０ 炭素を含む還元鉄
１００ シャフト炉
１００ａ 原料供給口
１００ｂ 排出口
１１０ 還元部
１１０ａ 還元ガス供給口
１１０ｂ 還元ガス排出口
１２０ 冷却部
１２１ 第１部分
１２１ａ 第１冷却ガス供給口
１２１ｂ 第１冷却ガス排出口
１２２ 第２部分
１２２ａ 第２冷却ガス供給口
１２２ｂ 第２冷却ガス排出口
１２３ 第３部分
１２３ａ 第３冷却ガス供給口
１２３ｂ 第３冷却ガス排出口
２００ 冷却装置
２０ 金属鉄
３０ 炭素を含む還元鉄
１００ シャフト炉
１００ａ 原料供給口
１００ｂ 排出口
１１０ 還元部
１１０ａ 還元ガス供給口
１１０ｂ 還元ガス排出口
１２０ 冷却部
１２１ 第１部分
１２１ａ 第１冷却ガス供給口
１２１ｂ 第１冷却ガス排出口
１２２ 第２部分
１２２ａ 第２冷却ガス供給口
１２２ｂ 第２冷却ガス排出口
１２３ 第３部分
１２３ａ 第３冷却ガス供給口
１２３ｂ 第３冷却ガス排出口
２００ 冷却装置
【要約】
直接還元プロセスにおいて、還元工程後の金属鉄の炭素濃度を増加させつつ、金属鉄を冷却して、炭素を含む還元鉄を製造する技術を開示する。本開示の炭素を含む還元鉄の製造方法は、酸化鉄原料に対して還元ガスを接触させて金属鉄を得る、還元工程、及び、前記金属鉄を冷却する、冷却工程を有する。前記冷却工程は、前記還元工程後、前記金属鉄に対してメタンガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第１工程と、前記第１工程後、前記金属鉄に対してＣＯガスを接触させて、前記金属鉄を炭化する、第２工程と、前記第２工程後、前記金属鉄に対してメタンガス又は不活性ガスを接触させる、第３工程とを有する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
