特表 2025-500233 改良された酸化鉄供給装置を用いた、鉄製造用電気分解装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-09

(54)【発明の名称】改良された酸化鉄供給装置を用いた、鉄製造用電気分解装置

(51)【国際特許分類】

   C25C 1/00 20060101AFI20241226BHJP

   C25C 1/06 20060101ALI20241226BHJP

   C25C 7/00 20060101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

C25C1/00 302A

C25C1/06

C25C7/00

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535813

(86)(22)【出願日】2021-12-15

(85)【翻訳文提出日】2024-08-13

(86)【国際出願番号】 IB2021061745

(87)【国際公開番号】W WO2023111640

(87)【国際公開日】2023-06-22

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515214729

【氏名又は名称】アルセロールミタル

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ラブレーヌ・ドュ・モブージュ，エルベ

【テーマコード（参考）】

4K058

【Ｆターム（参考）】

4K058AA13

4K058BA18

4K058BA37

4K058BB04

4K058CA07

4K058CA25

4K058DD06

4K058DD27

4K058EB02

4K058FA04

4K058FA24

4K058FC02

(57)【要約】

本発明は、電気分解反応によって鉄鉱石を還元することを通して鉄を製造するための装置（１）に関するものであり、鉄鉱石を供給する手段は、電解液チャンバ（６）の上流の電解液供給管（３１）中に鉄鉱石粉末（４６）を排出するために設けられた二軸スクリュ供給部（３２）を備える。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気分解反応による鉄鉱石の還元を通して鉄を製造するための装置（１）であって、前記電気分解反応がガスを放出し、装置はケーシング（４）を備え、ケーシング（４）は、ガス透過性アノードプレート（２）と、カソードプレート（３）とを具備し、これらの両方が互いに対向し、かつ電解液チャンバ（６）によって分離されており、
ケーシング（４）は、ガス透過性アノードプレート（２）の、チャンバ（６）とは反対側に沿って延在するガス回収部（８）を備える脱気ユニット（７）をさらに含み、
前記ケーシング（４）には、電解液入口（２４）および電解液出口（２５）を具備する電解液チャンバ（６）内で電解液（５）を循環させるための手段（２４、２５）と、前記電解液チャンバ（６）に鉄鉱石を供給するための手段とが設けられており、
鉄鉱石を前記電解液チャンバ（６）に供給する前記手段は、電解液入口（２４）と流体接続している電解液供給管（３１）中へ鉄鉱石粉末（４６）を排出するように設けられた二軸スクリュ供給部（３２）を備え、
前記二軸スクリュ供給部（３２）は、バレル（４０）の内部に互いに平行な２本のスクリュ（３８、３９）が設けられ、それらの間のシャフト距離（Ａ）を維持し、前記２つのスクリュ（３８、３９）が互いに係合している間、反対方向に回転し、
前記バレル（４０）は、スクリュ回転駆動手段（３４、３７）から電解液供給管（３１）を通って流れる電解液（５）に浸漬された排出開口部（４１）まで延在し、かつバレルは鉄鉱石粉末供給開口部（４４）を備え、前記鉄鉱石粉末供給開口部（４４）は、鉄鉱石粉末供給手段（４５）に接続されている、
装置。

【請求項2】

スクリュ（３８、３９）は、重力による引力に平行に配置される、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

電解液供給管（３１）は、スクリュ（３８、３９）に対して垂直に配置される、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

２本のスクリュ（３８、３９）の表面は滑らかである、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項5】

２本のスクリュ（３８、３９）は、ツイン凹状粗スクリュである、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。

【請求項6】

各スクリュ（３８、３９）のスクリュ直径（Ｄ）とスクリュピッチ（Ｂ）との比は、０，８～１，２の範囲にある、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。

【請求項7】

バレル（４０）の内面は粗面であり、スクリュ（３８、３９）と機械的に接触して配置される、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項8】

バレル（４０）は窒素雰囲気下にある、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項9】

鉄鉱石粉末供給手段は、ピンチバルブ（４５）を備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の装置。

【請求項10】

再生可能エネルギによって供給される、請求項１～９のいずれか一項に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気分解プロセスによって鉄を製造する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、鋼は、２つの主要な製造経路を通じて工業規模で製造されることができる。今日、最も一般的に使用されている製造経路は、酸化鉄を還元するために、還元剤、主にコークスを使用することによって、高炉で銑鉄を製造することである。この方法では、銑鉄１メートルトン当たり約４５０から６００ｋｇのコークスが消費される。この方法は、コークス化プラントにおける石炭からのコークスの製造および銑鉄の製造の両方において、かなりの量のＣＯ_２を放出する。

【0003】

第２の主要経路は、いわゆる「直接還元法」を含む。それらの中には、ブランドＭＩＤＲＥＸ、ＦＩＮＭＥＴ、ＥＮＥＲＧＩＲＯＮ／ＨＹＬ、ＣＯＲＥＸ、ＦＩＮＥＸなどによる方法があり、酸化鉄担体の直接還元により、スポンジ鉄がＨＤＲＩ（高温直接還元鉄）、ＣＤＲＩ（低温直接還元鉄）、またはＨＢＩ（高温ブリケット化鉄）の形態で製造される。ＨＤＲＩ、ＣＤＲＩ、およびＨＢＩの形態のスポンジ鉄は、通常、電気アーク炉でさらに処理される。この第２の経路が前のものよりも少ないＣＯ２を放出するとしても、依然としていくらかを放出し、さらに炭素化石燃料に依存する。

【0004】

したがって、現在の開発は、ＣＯ_２をより少なくまたは全く放出せず、カーボンニュートラルである鉄を製造することを可能にする方法に焦点を当てている。

【0005】

鉄鉱石から鋼を製造する既知の代替方法は、電気化学技術に基づいている。そのような技術では、電流源に接続された２つの電極（アノードおよびカソード）、電解液回路、および電気分解ユニットに入る酸化鉄を備える電気分解ユニットを使用して、酸化鉄から鉄が生成される。アノードおよびカソードは、前記電極間の良好な電気伝導を確実にするために循環電解液に常に浸漬される。電解反応は、カソード上に純鉄プレートおよび気体酸素を生成する。このようにして取得された鉄プレートは、次いで、電気炉内で炭素含有材料およびスクラップなどの他の元素と溶融して鋼を製造し得る。

【0006】

電解液への酸化鉄の連続的かつ自動化された供給は、重要な構成要素である。供給システムは、電解液によるそれらの消費の速度で酸化鉄固体粒子を供給しなければならない。電解液中の酸化鉄含有量の制御が失われると、ファラデー収率が低下し、したがってセルの生産性に悪影響を及ぼす。そのような制御の問題の１つは、特に金属表面に置かれたとき、濡れたときにペースト状かつ粘着性になる酸化鉄のプロペンションに起因する。

【0007】

１つの解決策は、電解液中の懸濁液を供給する前に酸化鉄を液体と撹拌することであるが、これは液体中への空気の取り込みをもたらし、これは大気中の二酸化炭素からの炭酸化によるアルカリ性中和のために回避されるべきである。その上、このような撹拌が手動で行われる場合、この動作は、アルカリ電解液に近接するため危険である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

したがって、本発明の目的は、粉末とのいかなる空気接触を防止しながら、正確に制御された方法で電解液中の酸化鉄粉末を自動的に排出することができる、改良された酸化物供給装置を提供することによって、従来技術の欠点を改善することである。本発明の目的はまた、製造が容易で費用効果の高いそのような装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この目的のために、本発明の装置はケーシングを備え、ケーシングは、ガス透過性アノードプレートと、カソードプレートとを含み、これらの両方が互いに対向し、かつ電解液（電解質）チャンバによって分離されている。ケーシングは、ガス透過性アノードプレートの、チャンバとは反対側に沿って延在するガス回収部を備える脱気ユニットをさらに含み、前記ケーシングには、電解液入口および電解液出口を具備する電解液チャンバ内で電解液を循環させるための手段と、前記電解液チャンバに鉄鉱石を供給するための手段とが設けられており、鉄鉱石を前記電解液チャンバに供給する前記手段は、電解液入口と流体接続している電解液供給管中へ鉄鉱石粉末を排出するように設けられた二軸スクリュ供給部を備え、前記二軸スクリュ供給部は、バレルの内部に互いに平行な２本のスクリュが設けられ、それらの間のシャフト距離Ａを維持し、前記２つのスクリュが互いに係合している間、反対方向に回転し、前記バレルは、スクリュ回転駆動手段から電解液供給管を通って流れる電解液に浸漬された排出開口部まで延在し、かつ、バレルは鉄鉱石粉末供給開口部を備え、前記鉄鉱石粉末供給開口部は鉄鉱石粉末供給手段に接続されている。

【0010】

本発明の装置はまた、技術の個々にまたはすべての可能な組み合わせにより考慮される、以下の任意選択の特性を含んでもよい、すなわち、
－スクリュは、重力による引力に平行に配置され、
－電解液供給管はスクリュに対して垂直に配置され、
－２本のスクリュの表面は滑らかであり、
－２本のスクリュは、ツイン凹状粗スクリュであり、
－各スクリュのスクリュ直径（Ｄ）とスクリュピッチ（Ｂ）との比は、０．８～１．２の間の範囲にあり、
－バレルの内面は粗面であり、スクリュと機械的に接触して配置され、
－バレルは窒素雰囲気下にあり、
－鉄鉱石粉末供給手段はピンチバルブを備え、
－装置は再生可能エネルギによって供給される。

【0011】

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明において、示唆として、決して限定するものではなく、添付の図面を参照することで明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】概略的に示された二軸スクリュ供給部を含む、本発明による装置の長手方向断面図である。

【図2】鉄鉱石粉末を電解液供給管に排出するように配置された、二軸スクリュ供給部の正面図である。

【図3】二軸スクリュ供給部の２つのスクリュの端部の斜視図である。

【図4】互いに係合する二軸スクリュ供給部の、２つのスクリュの正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

最初に、図において、同じ参照符号は、それらが特徴とする図に関係なく、またこれらの要素の形態に関係なく、同じ要素を示すことに留意されたい。同様に、要素が図の１つで具体的に参照されない場合、それらの参照は、それ自体を別の図で参照することによって容易に見つけられ得る。

【0014】

図は、本発明の目的の主に１つの実施形態を表すが、本発明の定義に対応する他の実施形態が存在してもよいことにも留意されたい。

【0015】

本発明は、電気分解反応による、特にヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）および他の酸化鉄または水酸化物を含有する、鉄鉱石の還元を通して鉄金属（Ｆｅ）の製造のために提供される装置１に言及する。前記化学反応は周知であり、以下の式（１）によってヘマタイトの場合に特に記載されている。

【数1】

【0016】

したがって、電気分解反応によってガス－主に酸素－が放出され、それが装置１から抽出されなければならないと考えられる。

【0017】

図１を参照すると、装置１は、電気分解反応が起こる長手方向軸線Ｘに沿って延在するケーシング４を備える。前記ケーシング４は、ベースプレート２０、カバープレート１３、および２つの側面プレート２１によって画定される。加えて、ケーシングは、電解液（電解質）５中に完全に浸漬されるように意図されたガス透過性アノードプレート２と、カソードプレート３とを含み、両方のプレートは互いに対向し、締結手段（この図には図示されていない）を用いて必要な距離に保たれる。ケーシング４はまた、アノードプレート２とカソードプレート３との間で排出チャンバ２２まで長手方向に延在する電解液チャンバ６を含む。装置１は、最終的に、アノードプレート２およびカソードプレート３に接続された電源（図示せず）を備える。

【0018】

一好ましい実施形態では、この電力源は、太陽光、風、雨、潮汐、波、および地熱などの供給源を含む、人間のタイムスケールで自然に補充される、再生可能資源から収集されるエネルギとして定義される再生可能エネルギを使用する。或る実施形態では、産出されるＣＯ２を放出しないため、原子力由来の電力の使用が利用されることができる。これは、鉄製造プロセスのＣＯ２フットプリントをさらに制限する。

【0019】

電気分解反応によって鉄を生成するために、電解液５、好ましくは、例えば、水酸化ナトリウム水溶液のような水性溶液が、装置１が動作している間に電解液チャンバ６内のケーシング４を通って流れる。したがって、装置１は、電解液を循環させるための手段を備えており、この手段は、例えば、ケーシング４で管理され、両方とも電解液チャンバ６に流体接続された入口２４および出口２５に接続された電解液回路を備える。鉄鉱石は、さらに説明するように、入口２４を通って電解液５内の粉末懸濁物として装置１に導入される。

【0020】

電気分解反応中、酸化された鉄は反応（１）により鉄に還元され、還元された鉄はカソードプレート３上に堆積され、一方、ケーシング４の内部でガス状酸素が放出される。このガスは電気絶縁体であるため、電気分解反応の良好な作用を妨げ、ケーシング４の外側に連続的に排気されなければならない。

【0021】

この目的のために、ケーシング４は脱気ユニット７を含み、脱気ユニット７は、電解液チャンバ６とはアノードプレート２の反対側２７に沿って長手方向に延在するガス回収部８を備える。このガス回収部８は、電解液５が充填されるように設けられ、アノードプレート２とカバープレート１３との間に配置される区画である。したがって、前記ガス回収部８は、アノードプレート２を通って漏出するガスを回収するために設けられる。

【0022】

図１に図示されるように、脱気ユニット７はまた、電解液再循環部２８を備え、電解液再循環部２８は、ケーシング４で管理されるガス出口２９までガス回収部８と連続して延在する。電解液再循環部２８は、少なくとも一部が電解液５で満たされるように設けられている。加えて、前記再循環部２８は、電解液チャンバ６と流体接続している。装置１が動作しているとき、再循環部２８は、ガス回収部８から流れる電解液５が、例えば、アノードプレート２に隣接する、電解液チャンバ６に流体接続されたエルボダクト３０を経て電解液チャンバ６に向かって方向転換させることを可能にする。

【0023】

図１に示すように、本発明によれば、鉄鉱石を電解液チャンバ６へ供給する手段は、電解液入口２４と流体接続した電解液供給管３１上に位置された二軸スクリュ供給部３２を備える。二軸スクリュ供給部３２は、電解液供給管３１の壁３３を横断して、鉄鉱石粉末を電解液流５中に排出する。

【0024】

図２を参照すると、二軸スクリュ供給部３２は、互いに平行に設けられた２本の出力シャフト３５、３６を備え、それらの間に一定のシャフト距離を維持し、反対方向に回転するギアボックス３４を備える。ギアボックス３４は、ギアボックス３４に接続された駆動モータ３７から取得されたトルクを、出力シャフト３５、３６を通して２つのスクリュ３８、３９へ伝達する。

【0025】

２つのスクリュ３８、３９の基部は、出力シャフト３５、３６に接続され、基部とは反対側の自由部分４２、４３は、電解液供給管３１を通って流れる電解液５に浸漬される。

【0026】

２つのスクリュ３８、３９は、バレル４０内に平行に設けられ、それらの間のシャフト距離を維持する。したがって、２つのスクリュ３８、３９は、互いに係合しながら、バレル４０の内部で反対方向に回転する。

【0027】

バレル４０は、ギアボックス３４から電解液５に浸漬された排出開口部４１まで延在する。２つのスクリュ３８、３９の自由部分４２、４３は、排出開口部４１に位置されている。バレル４０の寸法は、電解液５の低い自由表面のために、スクリュ３８、３９とバレル４０との間の小さな機械的クリアランスで、２つのスクリュ３８、３９の寸法に適合される。したがって、電解液５は、少なくとも電解液供給管３１の壁３３のレベルまでバレル４０において上昇することができ、それによって乾燥搬送領域および湿潤搬送領域を定義し、非凝集状態で電解液５中に酸化鉄粉末を排出することを可能にする。

【0028】

バレル４０の内面は、反対に回転する２つのスクリュ３８、３９との高い摩擦を提供するように、有利には粗面であり、反対に回転する螺旋で縁取られている。これにより、ブリッジおよびキャビティが形成されるのを防止することが可能である。

【0029】

バレル４０は鉄供給開口部４４を備え、鉄供給開口部４４を通して、反対方向に回転する２つのスクリュ３８、３９の表面上のバレル４０の内部に酸化鉄粉末４６が排出され、したがって酸化鉄粉末４６は排出開口部４１まで搬送される。

【0030】

鉄供給開口部４４は、バルブ４５、例えば、ピンチバルブに接続されており、このバルブ４５を通して酸化鉄粉末４６が鉄供給開口部４４まで供給される。

【0031】

鉄供給開口部４４は、動作時にバレル４０内の電解液の最大レベルより上に位置される。そのような位置は、２本のスクリュ３８、３９によって搬送された後に、穏やかな混合条件で電解液に酸化鉄粉末を分散させることを可能にし、したがって粉末の凝集を回避する。これらの条件は、電解液への最大限の暴露を確実にすることによって粉末の湿潤を達成する。

【0032】

電解液５中に排出される酸化鉄粉末４６の量は、電気分解による酸化鉄の消費速度に応じて指令手段（図示せず）により制御される。

【0033】

バレル４０は気密であり、図示されていない手段によって窒素雰囲気下に維持され、その結果、２本のスクリュによって搬送される乾燥酸化鉄粉末は空気を含まず、したがって電解液とのいかなる空気接触も回避される。

【0034】

二軸スクリュ供給部３２は、有利には、重力による引力に平行に（垂直に）配置されており、それにより酸化鉄粉末を電解液中に搬送するための重力支援に役立つ。

【0035】

有利には、電解液供給管３１は、二軸スクリュ供給部３２に対して垂直であり、次いで水平に配置される。

【0036】

図３および図４を参照すると、２本のスクリュ３８、３９は、最適化された接合のために同一となっている。２本のスクリュ３８、３９は互いに係合し、各スクリュ３８、３９の直径Ｄよりも小さいシャフト距離Ａで互いに平行に維持される。２本のスクリュ３８、３９の表面は滑らかであり、好ましくは電解研磨によって準備される。２本のスクリュ３８、３９を反対方向に回転させることにより、２本のスクリュ３８、３９が、自己洗浄されながら酸化鉄粉末を電解液中に細かく排出することが可能になる。したがって、スクリュの表面は、いかなる粉末の凝集をも回避しながら滑らかなままである。２本のスクリュ３８、３９は、小さなポンピング効果で動作するように共回転しており、したがって空気渦を制限する。好ましくは、２本のスクリュ３８、３９は、ツイン凹状粗スクリュであり、２本のスクリュ３８、３９の根元４７は深い。有利には、各スクリュ（３８、３９）のスクリュ直径（Ｄ）とスクリュピッチ（Ｂ）との比は、０，８～１，２である。この範囲未満では、粉末を圧縮するリスクがあるが、この範囲を超えると、粉末の前進運動に十分な圧力が得られなくなる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】