特表 2025-500259 鉄燃料を製造するための方法

(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】鉄燃料を製造するための方法

(51)【国際特許分類】

   C22B 5/14 20060101AFI20241226BHJP

【ＦＩ】

C22B5/14

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024536043

(86)(22)【出願日】2022-12-23

(85)【翻訳文提出日】2024-06-14

(86)【国際出願番号】 NL2022050757

(87)【国際公開番号】W WO2023121465

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】2030295

(32)【優先日】2021-12-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】NL

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524168714

【氏名又は名称】リニューアブル アイロン フューエル テクノロジー ビー． ブイ．

(74)【代理人】

【識別番号】100143764

【弁理士】

【氏名又は名称】森村 靖男

(72)【発明者】

【氏名】シーパース， レックス

(72)【発明者】

【氏名】バーヘイゲン， マーカス ウィリアム ペトリュス

【テーマコード（参考）】

4K001

【Ｆターム（参考）】

4K001AA07

4K001AA09

4K001AA10

4K001AA16

4K001AA19

4K001AA20

4K001BA05

4K001CA09

4K001GA09

4K001HA09

(57)【要約】

本発明は、金属酸化物を含む原料を還元することによって金属酸化物を含む原料から鉄燃料を製造するための方法に関する。本発明の目的は、粒度分布および比表面積を有する特定の粉末形態の鉄を製造することであり、この鉄粉は鉄燃料燃焼の出発物質として使用される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属酸化物を含む原料を還元することによって前記金属酸化物を含む原料から鉄燃料を製造するための方法であって、
金属酸化物を含む原料を流動床ユニットに供給するステップであって、前記金属酸化物を含む原料が少なくとも１０μｍ、好ましくは少なくとも２０μｍ、最大３００μｍ、好ましくは最大２００μｍのザウター平均粒径を有する、ステップと、
前記流動床ユニットを通って還元ガスを流すことによって、前記金属酸化物を含む原料を還元するステップであって、前記流動床ユニットが、３ａｔｍから１３ａｔｍ、好ましくは４ａｔｍから１２ａｔｍの範囲の圧力、４００℃から８００℃、好ましくは４００℃から７００℃の範囲の温度、および５ｃｍ／ｓから２００ｃｍ／ｓ、好ましくは１０ｃｍ／ｓから１５０ｃｍ／ｓの範囲の前記流動床ユニット内での還元ガス速度の条件下で運転される、ステップと、
前記流動床ユニットから部分的に消費された還元ガスを除去するステップと、
前記部分的に消費された還元ガスを新鮮な還元ガスと混合し、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの前記混合物を前記流動床ユニットに戻すステップと、
鉄燃料を含む流れを前記流動床ユニットから除去するステップであって、前記流動床から除去される前記鉄燃料が、少なくとも１０μｍ、好ましくは少なくとも２０μｍ、最大２００μｍ、好ましくは最大１５０μｍのザウター平均粒径を有する、ステップとを含み、
鉄燃料を含む前記流れを前記流動床ユニットから除去する前記ステップが、
鉄燃料を含む前記流れを容器に輸送し、圧力下にある間の鉄燃料を含む前記流れを冷却するサブステップであって、冷却中に前記鉄燃料から水分を除去するために不活性ガス流が適用されるサブステップと、
前記容器の前記圧力を周囲圧力まで低下させるサブステップと、
こうして得られた前記鉄燃料を貯蔵するサブステップとを含む、方法。

【請求項2】

前記流動床ユニットから部分的に消費された還元ガスを除去する前記ステップが、前記部分的に消費された還元ガスから粗固形物を分離し、これらの粗固形物を前記流動床ユニットに戻すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記粗固形物を分離する前記ステップの後に、前記部分的に消費された還元ガスおよび／または部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの前記混合物から微細固形物を分離することをさらに含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記流れを前記流動床ユニットに戻す前に、前記部分的に消費された還元ガス、および部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの前記混合物、またはそれらの組合せの群から選択される流れから水を除去するステップをさらに含む、請求項１から３のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項5】

前記水が、凝縮、吸着、吸収および膜濾過、またはそれらの組合せの群から選択される１つまたは複数のプロセスを介して、前記部分的に消費された還元ガスから除去される、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記流動床ユニットに前記金属酸化物を含む原料を供給する前に、前記物質を予熱および／または乾燥することをさらに含む、請求項１から５のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項7】

前記予熱温度が４０℃から１０００℃の範囲である、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記金属酸化物を含む原料を前記流動床ユニットに供給する前記ステップが、前記金属酸化物を含む原料を前記流動床ユニット内に広がる圧力まで加圧するステップをさらに含む、請求項１から７のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項9】

前記流動床ユニットからの前記部分的に消費された還元ガスと、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの前記混合物との間の熱交換のステップをさらに含み、前記熱交換が、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの前記混合物を前記流動床ユニットに戻す前に行われる、請求項１から８のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項10】

部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの前記混合物を前記流動床ユニットに戻す前に、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの前記混合物を予熱することをさらに含む、請求項１から９のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項11】

前記金属酸化物を含む原料が、鉄の酸化物と、金属、例えばニッケル、マンガン、銅、鉛およびコバルト、炭素および硫酸塩、またはそれらの混合物などの不可避の不純物とからなる、請求項１から１０のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項12】

前記流動床ユニットが、直列に配置された複数の流動床ユニットを含む、請求項１から１１のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項13】

前記新鮮な還元ガスが、少なくとも５０体積％の量の水素を含む、請求項１から１２のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項14】

圧力下にある間の鉄燃料を含む前記流れが、前記鉄燃料の凝集が生じる点よりも低い温度まで冷却される、請求項１から１３のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【請求項15】

鉄燃料を含む前記流れを輸送する前記ステップと、圧力下にある間の鉄燃料を含む前記流れを冷却する前記ステップとが同時に行われる、請求項１から１４のいずれか１つまたは複数に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属酸化物を含む原料から鉄燃料を製造するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

還元剤として水素混合物を用いる鉄鉱石還元は工業的に証明されており、このようなものとしてよく知られている。工業的実施の例は、直接還元プロセスに関する。これらのプロセスにおける投入物質は主に、粒径、形態および組成に関して広範囲の異なる特性を有する鉄鉱石である。さらに、これらのプロセスは、還元後の粒子形態に対する要件が比較的に厳しくなく、鉄に炭素を添加する浸炭ステップを含む、（通常は液体）製鋼用に設計されている。このような製鋼プロセスでは、酸化鉄および水素が反応装置に輸送され、そこで酸化鉄が鉄に還元される。生成される鉄は反応装置から出て、その後輸送され貯蔵される。排ガス中に存在する固形物は、気固分離操作で分離され、反応装置に戻される。排ガスは、反応中に生成される水蒸気を除去するためのガス分離操作にかけられる。反応装置排ガス中の未使用の水素は、反応装置の入口にリサイクルされる。これらの製鋼プロセスは、燃料源としての鉄の使用に基づいていない。

【0003】

米国特許第４，０８２，５４５号明細書は、鉄鉱石の直接還元のためのプロセスであって、複数の流動床を確立することと、鉄鉱石を複数の流動床に連続して通過させることによって鉄鉱石を加熱して漸進的に還元することと、流動床は還元ガスを下から通過させることにより流動化することと、各床から部分的に消費された還元ガスを除去することと、部分的に消費された還元ガスを冷却および洗浄してそこからほぼすべての固形物を除去することと、洗浄されたガスを加熱することと、加熱された流動ガスを床に再び供給することとを含むプロセスに関する。

【0004】

米国特許出願公開第２０１６／３４８１９９号明細書は、金属酸化物を含む原料を還元するための方法であって、少なくとも第１および第２の流動床ユニット内で還元ガスによって金属酸化物を含む原料を還元することと、流動床ユニットを通って流動方向と逆に還元ガスを金属酸化物を含む原料に流すことと、少なくとも２つの流動床ユニット内での金属酸化物を含む原料の還元中に使用される還元ガスを第１の流動床ユニットから排出ガスとして除去することと、排出ガスの少なくとも一部を少なくとも１つのリサイクルガス圧縮機で圧縮して高温リサイクルガスを生成することと、次いで、低温リサイクルガスを生成するように少なくとも１つのアフタークーラ内で高温リサイクルガスを冷却することと、製品ガスを生成するように低温リサイクルガスからＣＯ_２を少なくとも部分的に除去することと、製品ガスを還元ガスと混合することと、オプションとして、加熱デバイス内で予熱した後、金属酸化物を含む原料を、少なくとも１つの送出タンクからの推進ガスによって、パイプラインを介して第１の流動床ユニット内に搬送することとを含む方法に関する。

【0005】

米国特許第３，２８８，５９０号明細書は、希相懸濁条件下で主に水素を含む還元ガスを用いて粒状固形物形態の酸化鉄を連続的に還元する方法であって、酸化鉄をすべて１００メッシュにパスするように、約２００メッシュの平均粒径を有するまで粉砕することと、１１ａｔｍ～３５ａｔｍの圧力下で還元ガスを４８０～．の範囲の温度に加熱することと、ガスをほぼ垂直な反応ゾーンを通って上方に、１．５ｍ／ｓから７．６ｍ／ｓの範囲の速度で通過させることと、酸化鉄を少なくとも約４８０℃に予熱することと、微細に分割された予熱された酸化鉄を、上昇カラム内の条件下でガス１立方メートル当たり金属酸化物８０ｋｇ～２４０ｋｇの範囲の平均固形物密度を維持する率で還元ガスの上昇カラムに連続的に供給することと、反応ゾーンの流出物から、ほぼ固形物を含まないガスおよび還元鉄微粉を別々に除去することであって、反応ゾーンは、次の段階の上昇流に相互接続される、ある段階の上部からのガスの下降流を達成するように相互接続されている段階を形成する一連の垂直チャンバからなる、除去することとを含む方法に関する。

【0006】

米国特許第４，４２０，３３２号明細書は、還元鉄の製造と、重油の熱分解とを同時に実施する方法であって、微細鉄鉱石と重油を流動床熱分解反応装置に導入し、５００℃～６００℃の範囲の温度で重油を熱分解して熱分解生成物および炭素質副生成物質にするステップを含む方法に関する。微細鉄鉱石は、平均直径が約１０マイクロメートル～３０マイクロメートルの粒子の形態であり、炭素質物質の堆積物を有する微細鉄鉱石は、第１の流動床還元炉に導入され、流動状態でそこに吹き込まれる高温の還元ガスと接触して、微細鉄鉱石を８００℃～１０００℃の範囲の温度で還元鉄に還元し、排気ガスを形成する。分解ガス、軽油および残留油は、分留システムにおいて熱生成物から蒸留によって分離され、還元鉄の一部はガス改質器に移送され、ここで、移送された還元鉄の流動床がガス改質器内に形成され、分解ガスまたは残留油は、ガス改質器内で流動される還元鉄との接触によって水素および一酸化炭素を主成分とする還元ガスに改質される。

【0007】

国際公開第００／０１８５６号は、主に水素および／または一酸化炭素で構成される還元ガスを用いて移動床還元反応装置の還元ゾーン内で酸化鉄含有粒子を金属鉄含有粒子に還元するための方法であって、酸化鉄含有粒子を還元ゾーンの第１のレベルに導入して、還元ゾーンの下部に粒子の移動床を形成し、反応装置の排出ゾーンまで下方に広めることと、移動床の第１のレベルより下で還元ガスを注入して、その上に移動床還元サブゾーンを画定することと、流動床の上部からオーバーフローした金属鉄含有粒子微粉を反応装置から回収することと、排出ゾーン内の非流動移動床から還元金属鉄含有粒子を回収することと、還元ゾーン内の流動床の上方から消費された還元／流動化ガスを回収することとを含む方法に関する。

【0008】

米国特許第３，３０３，０１７号明細書は、各々が別個のサイクロン気固分離器によって供給される、複数の円錐形ガス分配器を通して流動床に流動化ガスを導入することであって、流動床は、各々が別個のサイクロン気固分離器によって供給される、少なくとも２つの円錐形ガス分配器を含み、サイクロンは内部に配置され、円錐形ガス分配器にガスを直接供給する、導入することからなる、流動床での直接還元により鉄鉱石を還元するプロセスに関する。

【0009】

金属酸化物を含む原料を還元することによって金属酸化物を含む原料から鉄燃料を製造するための本プロセスの欠点は、これらのプロセスが鉄燃料燃焼の目的に使用される特定の粉末形態の鉄を製造することができないことである。ここでのネガティブな問題の１つは、プロセス中に粒子凝集が起こることである。もう１つのネガティブな問題は、生成される物質が自然発火性であることである。粒子の凝集と自然発火性物質の形成の両方が、鉄燃料燃焼における出発物質として特定の粉末形態の鉄を使用するための障壁となる。

【0010】

「自然発火性」という用語は、物質の特性として理解されるべきである。より詳細には、物質は、５４℃以下の空気中で、または空気と接触してから５分以内に自然発火する場合、自然発火性として認定される。これは、物質の比表面積が高いため、酸化の着火温度が極めて低いことに起因する。着火温度が十分に低いとき、大気条件下での自己点火が起こり得る。還元後の鉄粒子の自然発火性は、物質の高い表面積が得られる流動床還元において深刻な問題であると報告されている。再酸化の傾向は、還元温度に依存する。研究によると、金属微細粉末の表面積は一般に還元温度と共に減少することが示されている。

【0011】

「凝集または固着」という用語もまた、物質の特性として理解されるべきである。粒子の固着は、酸化鉄の還元において遭遇する最も深刻な問題と見なされている。流動床還元では、これは粒子床の脱流動化をもたらすため、特に問題である。そして、粒子床が脱流動化すると、酸化鉄の還元プロセスは継続することができなくなる。固着の問題に影響を及ぼす要因は、例えば、温度、メタライゼーション比、ガス流量、還元雰囲気および粒子特性である。一般に、固着は臨界温度を超えて観察され、金属鉄の出現後にのみ発生する。後者は、多くの場合、メタライゼーション比が高くなると、粒子の固着傾向を高める鉄ウィスカーが形成されることが原因であると考えられている。固着を防止する方法の例としては、低い還元温度を適用することが挙げられる。生成物が粒径に関する所望の要件を満たさなくなるため、凝集は、生成物の品質の低下につながる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】米国特許第４，０８２，５４５号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１６／３４８１９９号明細書

【特許文献3】米国特許第３，２８８，５９０号明細書

【特許文献4】米国特許第４，４２０，３３２号明細書

【特許文献5】国際公開第００／０１８５６号

【特許文献6】米国特許第３，３０３，０１７号明細書

【発明の概要】

【0013】

本発明の目的は、粒度分布および比表面積を有する特定の粉末形態の鉄を製造することであり、この鉄粉は鉄燃料燃焼の出発物質として使用される。

【0014】

よって、本発明は、請求項１に記載の内容にしたがって、金属酸化物を含む原料を還元することによって金属酸化物を含む原料から鉄燃料を製造するための方法に関する。

【0015】

本発明者らは、特定のプロセス設計特徴を適用することにより、粒子の凝集および自然発火性を制限することができることを見出した。このようにして生成される鉄粉は、鉄燃料燃焼の出発物質として使用されることになる。

【0016】

流動床内の条件は、床が典型的には発泡流動床であるようなものである。発泡流動床では、ガス率は最小流動化率を上回る。最小流動化率の状況では、一部の場所では、すべての粒子に上方に加えられる力は粒子重量に等しく、粒子は懸濁され、ガス率は最小流動化率と呼ばれる。率の余分な増加は、システム内で上方に急速に流れる、すなわち発泡流動床として知られるガスの泡を生成する。表面ガス速度を高めると、発泡流動床から乱流流動床レジームへの移行が生じる。

【0017】

鉄の燃焼により、様々な異なる種類の酸化鉄、ヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）およびマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）が得られる。これらの物質は、電気および／または合成ガス、一酸化炭素、メタンまたは水素を含むガス状還元剤によって還元することができる。水素による酸化鉄の還元中に起こる化学プロセスは、平衡反応によって説明される。

【0018】

【0019】

【0020】

【0021】

鉄（酸化物）は、プロセス中に溶融状態に達しないため、直接還元とも呼ばれる。化学反応は、プロセスが固形反応物とガス状反応物との間の反応を含むことを示す。高炉での鋼製造に従来使用されている水素による還元と一酸化炭素による還元との間の重要な違いは、水素による還元が吸熱性であることである。これは、一定の還元温度を保証するためにシステムにエネルギーを加えなければならないことを意味する。本発明によれば、システムへのエネルギーの付加は、投入物質を予熱することによって、またはシステム設計に加熱の形態を組み込むことによって行うことができる。本発明によると、ガスと固形物を接触させる目的で流動床反応装置が使用される。本システムは、本明細書で後述する特定のプロセス条件で運転する。

【0022】

本方法によれば、鉄燃料を含む流れは容器に輸送される。このような容器は、２つまたはそれ以上の容器が存在する構造、例えば、並列に配置された容器からなるシステムとして理解されるべきであることは明らかである。流動床ユニットについても状況は同じである。いくつかの流動床ユニットが並列または直列に配置されてもよく、本方法は決して特定の数の流動床ユニットに限定されないことは明らかである。

【0023】

一例では、流動床ユニットから部分的に消費された還元ガスを除去するステップは、部分的に消費された還元ガスから粗固形物を分離し、これらの粗固形物を流動床ユニットに戻すステップをさらに含む。

【0024】

一例では、鉄燃料を製造するための方法は、粗固形物を分離するステップの後に、部分的に消費された還元ガスから微細固形物を分離することをさらに含む。

【0025】

一例では、鉄燃料を製造するための方法は、部分的に消費された還元ガスを流動床ユニットに戻す前に、部分的に消費された還元ガスから水を除去するステップをさらに含む。

【0026】

一例では、鉄燃料を製造するための方法は、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスの混合物を流動床ユニットに戻す前に、混合物から水を除去するステップをさらに含む。

【0027】

一例では、水を除去する上述のステップは両方とも、鉄燃料を製造するための方法において適用することができる。

【0028】

一例では、水は、凝縮、吸着、吸収および膜濾過、またはそれらの組合せの群から選択される１つまたは複数のプロセスを介して、部分的に消費された還元ガスから除去される。

【0029】

一例では、鉄燃料を製造するための方法は、流動床ユニットに金属酸化物を含む原料を供給する前に、当該原料を予熱および／または乾燥させることをさらに含み、予熱温度は、好ましくは４０から１０００℃の範囲内である。

【0030】

一例では、金属酸化物を含む原料を流動床ユニットに供給するステップは、金属酸化物を含む原料を流動床ユニット内に広がる圧力まで加圧するステップをさらに含む。

【0031】

一例では、鉄燃料を製造するための方法は、流動床ユニットからの部分的に消費された還元ガスと、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの混合物との間の熱交換のステップをさらに含み、熱交換は、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの混合物を流動床ユニットに戻す前に行われる。

【0032】

一例では、鉄燃料を製造するための方法は、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの混合物を流動床ユニットに戻す前に、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの混合物を予熱することをさらに含む。

【0033】

流動床ユニットは、好ましくは、少なくとも３ａｔｍ、最大１３ａｔｍ、より好ましくは少なくとも４ａｔｍ、最大１２ａｔｍの圧力、少なくとも４００℃、最大８００℃、より好ましくは少なくとも４００℃、最大７００℃の温度、および少なくとも５ｃｍ／ｓ、最大２００ｃｍ／ｓ、より好ましくは少なくとも１０ｃｍ／ｓ、最大１５０ｃｍ／ｓの流動床ユニット内での還元ガス速度の条件下で運転される。反応装置の温度は、外部加熱源によって制御されてもよい。

【0034】

別の例では、方法は、
金属酸化物を含む原料を流動床ユニットに供給するステップと、
流動床ユニットを通って還元ガスを流すことによって、金属酸化物を含む原料を還元するステップであって、流動床ユニットが、１ａｔｍおよび１５ａｔｍの範囲の圧力、３００℃および１０００℃の範囲の温度、および０，９ｃｍ／ｓおよび２７０ｃｍ／ｓの範囲の流動床ユニット内での還元ガス速度の条件下で運転される、ステップと、
流動床ユニットから部分的に消費された還元ガスを除去するステップと、
部分的に消費された還元ガスを新鮮な還元ガスと混合し、部分的に消費された還元ガスと新鮮な還元ガスとの混合物を流動床ユニットに戻すステップと、
流動床ユニットから鉄燃料を含む流れを除去するステップと、
鉄燃料を含む流れを流動床ユニットから除去するステップであって、
鉄燃料を含む流れを容器に輸送するサブステップと、
容器の圧力を周囲圧力まで低下させるサブステップと、
鉄燃料を含む流れを冷却するサブステップとを含むステップ、を含む。

【0035】

一例では、圧力下にある間の鉄燃料を含む流れは、鉄燃料の凝集が生じる点よりも低い温度まで冷却される。

【0036】

一例では、鉄燃料を含む流れを輸送するステップと、圧力下にある間の鉄燃料を含む流れを冷却するステップとが同時に行われる。

【0037】

金属酸化物を含む原料は、鉄の酸化物と、金属、例えばニッケル、マンガン、銅、鉛およびコバルト、炭素および硫酸塩、またはそれらの混合物などの不可避の不純物とからなる。

【0038】

一例では、流動床ユニットは、直列に配置された複数の流動床ユニットを含む。

【0039】

一例では、新鮮な還元ガスは、少なくとも５０体積％の量の水素を含む。

【0040】

流動床から除去される鉄燃料は、少なくとも１０μｍ、好ましくは少なくとも２０μｍ、最大２００μｍ、好ましくは最大１５０μｍのザウター平均粒径を有する。

【0041】

金属酸化物を含む原料は、少なくとも１０μｍ、好ましくは少なくとも２０μｍ、最大３００μｍ、好ましくは最大２００μｍのザウター平均粒径を有する。

【0042】

図面は、本発明による、本発明による方法の一例を概略的に示す。本方法は、本明細書に開示の特定の例に限定されない。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】鉄燃料を製造するための方法の一例である。

【図2】鉄燃料を製造するための方法の別の例である。

【図3】鉄燃料を製造するための方法の別の例である。

【発明を実施するための形態】

【0044】

金属酸化物を含む原料１０、好ましくは鉄、ニッケル、マンガン、銅、鉛もしくはコバルトの酸化物またはそれらの混合物は、金属酸化物を含む原料１０の流動床ユニット１１を通って流れる還元ガス２８によって少なくとも部分的に還元され、またはより特異的に還元される。金属酸化物を含む原料１０は、貯蔵部１と、金属酸化物を含む原料すなわち酸化鉄の輸送、予熱ユニット３、ロックホッパー５、固形物予熱７および固形物供給９からなる前処理を受けることができる。貯蔵部１に由来する金属酸化物を含む原料は、オプションの予熱ユニット３に輸送される。原料が加熱される場合、加熱された流れ４は、ロックホッパー５に送られる。ロックホッパー５の機能は、加圧環境に金属酸化物粒子を導入して、固形物を高圧で流動床ユニット１１に導入することを可能にすることである。ロックホッパー５の追加の機能は、その流動化による出発物質の凝集を防止することである。加えて、ロックホッパー５の機能は、金属酸化物粒子の中および間に存在するガス状酸素をパージして、酸素が流動床ユニット１１にほぼ入らないことを確実にすることである。一実施形態では、ロックホッパー５に由来する供給６は、オプションの予熱ユニット７に送られる。このような処理の後、供給８は、固形物供給ユニット９に送られる。ユニット９の機能は、流動床ユニット１１に金属酸化物粒子１０を投与供給することである。予熱ユニット７は、ユニット９に組み込まれていてもよい。流動床ユニット１１において、金属酸化物粒子を還元剤、すなわち水素含有ガスと接触させ、それによって金属酸化物粒子を金属粒子に変換する。流動床ユニット１１はまた、反応温度を制御するための加熱ユニット３０を含むことができる。流動床ユニット１１内に存在する粒子床を出るガス流からの粗粒子は、ガス流から分離され、こうして分離された粗粒子は、流動床ユニット１１内に存在する粒子床に戻される。流動床ユニット１１を出るガス流１２は、熱交換器１４に送られる。熱交換器１４において、ガス流１２のエネルギーは、水素ガス流２７のエネルギーと交換される。したがって、機能熱交換器１４は、最終的に流動床ユニット１１に入る水素ガス流２７を予熱しながら粗粒子分離から排出されるガス流１２を冷却し、それによってシステム全体のエネルギー効率を高める。熱交換器１５に由来するガス流１５は、分離器ユニット１６に送られる。分離器ユニット１６の機能は、熱交換器１４を出るガス流１５から微細粒子を分離して排出することである。微細粒子１７は排出され、保管される。補給水素ガス流２０が、ガス流２１と組み合わされる。水素ガス流１９は、水素ガス流２０になるように、圧縮機１８内で圧縮され得る。組み合わされた水素ガス流、すなわち水素ガス流２０と水素ガス流２１は、水および他の不純物を含む可能性があり、水および他の不純物は水除去ユニット２２内で除去され、得られる流れ２４は排出される。水除去ユニット２２の機能は、ガス流２１を冷却してガス流２１からの水蒸気を凝縮させることだけではなく、リサイクルされるガス流から凝縮水を分離して排出することでもある。水除去ユニット２２に由来するガス流２６は、圧縮機２５に送られ、こうして圧縮されたガス流２７は、熱交換器１４に送られる。圧縮機２５の機能は、システム全体にわたる圧力降下を克服し、流動床ユニット１１内でガス速度を生成するようにリサイクルガスを加圧することである。加熱されたガス流２８は、流動床ユニット１１に送られる。流動床ユニット１１に由来する生成物流２９は、ロックホッパーユニット３１に送られる。ロックホッパーユニット３１は、複数の機能、すなわち、生成物流２９を含む粒子を不活性ガスで冷却することにより、粒子の付着や凝集を防止し、粒子が外気にさらされた際の酸化を防ぐ機能を有する。生成物が粒径に関する所望の要件を満たさなくなるため、凝集は、生成物の品質の低下につながる。周囲空気との接触もまた、製品品質の低下につながる。加えて、ロックホッパーユニット３１には、冷却中にロックホッパーシステム自体内での固着を防止するために、鉄粒子を流動化させるための不活性ガス流が提供されてもよい。さらに、ロックホッパーユニット３１において、鉄粒子流２９の圧力は、システム圧から大気圧に戻される。生成物流２９はまた、水素ガスを含む可能性があり、水素および水の残りの部分がフラッシングされる。生成物流２９からの水素の除去は、流動床ユニット１１の外側で反応が起こらないことを確実にし、下流操作の安全な稼働を可能にする。鉄粒子含有流３２は、鉄燃料貯蔵部３３に貯蔵される。乾燥粒子３２は、貯蔵容器３３内で鉄粒子が水によって酸化したり、結露の結果として鉄粒子が詰まったりするリスクなしに、安全な貯蔵を確実にすることに留意されたい。

【0045】

図２によるプロセススキームは、流動床ユニット１１の周囲の状況を除いて、図１に示すものと同様である。金属酸化物粒子１０は流動床ユニット１１に供給され、粗粒子と水素との混合流３５は分離器１３に送られる。分離器１２において、粗粒子の流れ３８は、流動床ユニット１１にリサイクルされる。流動床ユニット１１に由来する水素および微細粒子を含むガス流１２は、熱交換器１４に送られる。熱交換器１４において、ガス流１２のエネルギーは、水素ガス流２７のエネルギーと交換される。したがって、熱交換器１４の機能は、最終的に流動床ユニット１１に入る水素ガス流２７を予熱しながら粗粒子分離から排出されるガス流１２を冷却し、それによってシステム全体のエネルギー効率を高めることである。加熱されたガス流２８は、流動床ユニット１１に送られ、水素ガス流３４になるように、ヒーター３０によってさらに加熱され得る。残りのすべてのプロセスユニットおよび流れは、図１に関連して上述したものと同様である。

【0046】

図３によるプロセススキームは、流動床ユニット１１の排出部位の状況を除いて、図２に示すものと同様である。流動床ユニット１１に由来する生成物流２９は、周囲空気にさらされるときに粒子の固着／凝集を防止し、粒子の酸化を防止するために、好ましくは不活性ガスで粒子含有生成物流２９を冷却するためにユニット３９に送られる。生成物が粒径に関する所望の要件を満たさなくなるため、凝集は、生成物の品質の低下につながる。周囲空気との接触もまた、製品品質の低下につながる。こうして冷却された流れ４０はロックホッパーユニット３１に送られ、ユニット３１にはまた、冷却中にロックホッパーシステム自体内での固着を防止するために、鉄粒子を流動化させるための不活性ガス流が提供されてもよい。さらに、ロックホッパーユニット３１において、鉄粒子流４０の圧力は、システム圧から大気圧に戻される。鉄粒子含有流３２は、鉄燃料貯蔵部３３に貯蔵される。乾燥粒子３２は、貯蔵容器３３内で鉄粒子が水によって酸化したり、結露の結果として鉄粒子が詰まったりするリスクなしに、安全な貯蔵を確実にすることに留意されたい。

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】