CN101978078A - 高炉煤气的分离方法 - Google Patents

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Abstract

高炉煤气的分离方法，其具有：生成氧气浓度至少为25体积％以上的富氧化空气的工序，由设置在高炉下部的风口将所述富氧化空气吹入高炉内的工序，和从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性高炉煤气的工序。

Description

高炉煤气的分离方法
技术领域
本发明涉及一种从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中所含的二氧化碳和氮气而用作燃料气体还原气体或还原气体的方法。
背景技术
在集约化钢铁厂中，由还原铁矿石而制造熔化生铁的高炉的炉顶排出的高炉煤气可以有效用作热风炉燃料气体、焦炉燃料气体和发电用燃料气体。
但是，高炉煤气的组成为一氧化碳：21.1～26.2体积％、二氧化碳：19.3～23.2体积％、氢气：2.9～5.3体积％、氮气：52.5～59.2体积％，可燃性气体成分少，其发热量低，为3031～3784kJ(723～903kcal/Nm3)(参照第4版钢铁便览(CD-ROM)No.1第2卷制铁·制钢，2002年7月30日发行，表42-5·7(2000))，如果单独用作燃料气体，则燃烧气体温度降低而不适用于高温用途。这是由于，氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体成分少，而且由这些燃料成分燃烧产生的热量消耗于作为可燃性气体成分以外的惰性气体成分的氮气或二氧化碳的加热而导致的。因此，与同高炉煤气一样作为炼铁厂的副产物气体的焦炉煤气或转炉煤气等具有2000kcal/Nm3以上的发热量的高热量副产物气体混合，用于上述用途。将高炉煤气与焦炉煤气和/或转炉煤气混合的气体称为混合气体或M气体。
在炼铁厂的副产物气体的产生量中，高炉煤气的产生量与其它副产物气体相比非常多，为了将其利用，消耗大量的焦炉煤气或转炉煤气作为增热用气体。特别是在近年，由于高炉的作业是由吹入重油转变为吹入微粉碳，因此高炉煤气的产生量有增大的倾向。随着高炉煤气产生量增大，增热用高热量副产物气体的消耗量增加，以往，在炼铁厂下游工序的钢材加热炉中使用的高热量副产物气体的不足逐渐成为令人担心的情况。作为高热量副产物气体的代替，使用LPG或LNG等购入燃料。
因此，提出了多个将高炉煤气改性，以提高发热量，形成可以单独使用的方法。
在日本特开2004-309067号公报中提出了，从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去二氧化碳，制造900kcal/Nm3以上的发热量的改性高炉煤气，将该改性高炉煤气代替高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、LPG气体的任意一种或两种以上的一部分或全部的方法。另外，在日本特开2004-309067号公报中还提出了，将上述改性高炉煤气作为铁矿石还原用的还原气体在还原炉中加以利用的方法。
在日本特开昭55-113814号公报中提出了，将从高炉煤气中除去二氧化碳而制造的改性高炉煤气加热后吹入高炉而循环使用的方法。
另外，在日本特开昭62-193622号公报中提出了，使用氧化铝类吸附剂和多孔性聚苯乙烯分别选择性吸附高炉煤气中的二氧化碳和氮气，制造一氧化碳和氢气的富燃料气体的方法。
但是，在上述现有技术中，存在以下问题。
在日本特开2004-309067号公报和日本特开昭55-113814号公报中，仅从高炉煤气中分离除去了二氧化碳，未除去高炉煤气中约占50体积％的氮气，改性后的发热量充其量为1050kcal/Nm3左右，发热量的增加少，通过改性所表现出的效果少。
日本特开昭62-193622号公报公开了由高炉煤气除去二氧化碳和氮气来制造一氧化碳和氢气的富燃料气体，但在日本特开昭62-193622号公报的实施例中一氧化碳和氢气的富燃料气体的发热量不足1000kcal/Nm3，很难说充分地除去了二氧化碳和氮气。另外，在分离除去二氧化碳和氮气之前，高炉煤气的氮气含量高达55％，存在应当处理的高炉煤气量多，用于分离除去二氧化碳和氮气的费用高的问题。该问题在日本特开2004-309067号公报和日本特开昭55-113814号公报中也相同。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高炉煤气的分离方法，其可以以少的费用有效地从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离二氧化碳和氮气。
为了实现上述目的，本发明提供以以下为主旨的高炉煤气的分离方法。
[1].高炉煤气的分离方法，其具有：
生成氧气浓度至少为25体积％以上的富氧化空气的工序；
由设置在高炉下部的风口将所述富氧化空气吹入高炉内的工序；和
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性高炉煤气的工序。
[2].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述富氧化空气为25～96体积％。
[3].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述改性高炉煤气具有1060～2950kcal/Nm3的发热量。
[4].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其中，
所述富氧化空气为25～96体积％，且
所述改性高炉煤气具有1060～2950kcal/Nm3的发热量。
[5].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述生成富氧化空气的工序为，
准备配置了氮气吸附量随着压力的增加或温度的降低而增加的氮气吸收用吸附剂的、可以轴心为中心转动的圆筒形容器，
对于所述氮气吸收用吸附剂，由各自相反侧的方向供给压力或温度不同的干燥的空气，
对于压力相对升高的空气或温度相对降低的空气实施脱氮处理，
对于压力相对降低的空气或温度相对升高的空气实施富氮化，
由此，进行压力相对升高的空气或温度相对降低的空气的富氧化。
[6].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述生成改性高炉煤气的工序包括利用胺法分离除去二氧化碳的工序和利用PSA法分离除去氮气的工序。
[7].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述生成改性高炉煤气的工序包括利用PSA法分离除去二氧化碳的工序和利用PSA法分离除去氮气的工序。
[8].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述生成改性高炉煤气的工序包括利用炼铁厂的排热从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气。
[9].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将所述改性高炉煤气作为选自加热炉、均热炉、退火炉、保温炉中的至少一个的燃料气体使用的工序。
[10].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有：
将所述改性高炉煤气作为选自加热炉、均热炉、退火炉、保温炉中的至少一个的燃料气体使用的工序；和
向高炉中吹入焦炉煤气的工序。
[11].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将所述改性高炉煤气吹入高炉中而循环使用的工序。
[12].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将所述改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机，并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序。
[13].根据[1]所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将所述改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机，并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序，
所述生成改性高炉煤气的工序包括利用由所述燃气轮机联合发电设备的运转方法得到的电力，并利用炼铁厂的排热，从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气。
[14].根据[12]所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将在所述燃气轮机联合发电设备的运转方法中发电的电力供给至炼铁厂的各设备，并使用剩余的电力作为用于二氧化碳地下储存的电力或用于废铁熔化的电力利用的工序。
[15].根据[12]所述的高炉煤气的分离方法，其进一步将在所述燃气轮机联合发电设备的运转方法中发电的电力供给至炼铁厂的各设备，中止相当于剩余电力部分的发电，向高炉中吹入与该发电量所必需的改性高炉煤气的热量相当的高炉煤气或改性高炉煤气。
[16].高炉煤气的分离方法，其具有：
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性高炉煤气的工序；和
将所述改性高炉煤气吹入高炉中而循环使用的工序。
[17].高炉煤气的分离方法，其具有：
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性高炉煤气的工序；和
将所述改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机，并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序。
附图说明
图1是本发明优选的转动式富氧化空气制造装置的简要透视图。
图2是构成图1所示的转动式富氧化空气制造装置的一部分的第1圆筒型容器和第2圆筒型容器的简要透视图。
图3是定性地表示沸石的氮气吸附量与压力的关系的图。
图4是定性地表示沸石的氮气吸附量与压力和温度的关系的图。
图5是表示实施实施方式3的燃气轮机联合发电设备的结构的概要图。
具体实施方式
实施方式1
实施方式1的高炉煤气的分离方法的特征在于，由设置在高炉下部的风口将氧气浓度为25体积％以上的富氧化空气吹入高炉内而实施高炉作业，以该高炉作业回收由高炉炉顶排出的高炉煤气，从回收的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气。以下，具体地说明实施方式1。
说明在从高炉煤气中分离除去二氧化碳和氮气时的气体成分和发热量。在表1中示出了，例如，从含有氢气(以下，也称为“H2”)4.4体积％、氮气(以下，也称为“N2”)49.9体积％、一氧化碳(以下，也称为“CO”)23.6体积％、二氧化碳(以下，也称为“CO2”)22.1体积％的高炉煤气中只完全地除去二氧化碳时(改性高炉煤气1)，以及除去二氧化碳和氮气时(改性高炉煤气2)的气体成分和发热量。在改性高炉煤气2中，二氧化碳和氮气分别基于可以除去90％(CO2：22.1体积％→2.2体积％，N2：49.9体积％→5.0体积％)进行计算。体积比是高炉煤气的体积为1.0时体积的比例。
表1
Figure BPA00001229423600071
如表1所示，直接产生的高炉煤气的发热量为825kcal/Nm3，在从该高炉煤气中只完全分离出二氧化碳时(改性高炉煤气1)，可燃性气体成分的增加部分约达8体积％，可燃性气体成分的合计量只有36体积％左右，发热量为1062kcal/Nm3，发热量的增加部分少。与此相对，在将二氧化碳和氮气分别分离除去90％时(改性高炉煤气2)，可燃性气体成分的合计量达到约80体积％，发热量增加到2346kcal/Nm3。
实施方式1的目标之一在于，减少高炉煤气增热用的高热量副产物气体的消费量，为此，必须将高炉煤气用作可以单独使用的高热量气体，因此，在实施方式1中，从高炉煤气中分离除去二氧化碳和氮气。此时，根据二氧化碳和氮气的除去率，发热量发生变化，但优选除去二氧化碳和氮气以得到1060kcal/Nm3以上的发热量。应予说明，改性高炉煤气的发热量越高越优选，更优选除去二氧化碳和氮气以得到1500kcal/Nm3以上的发热量。考虑到高炉煤气的组成，发热量的上限为2950kcal/Nm3左右。
其中，作为进一步提高改性高炉煤气的发热量的方法，可以在炼铁厂容许的范围内(例如，在以往基础使用量的范围内)混合焦炉煤气或转炉煤气。
在实施方式1中，从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离/除去气体中的二氧化碳和氮气的方法不需要特别规定。二氧化碳或氮气可以用化学吸收法、物理吸收法、膜分离法、吸附法等任何方法分离/除去。例如，作为分离二氧化碳的方法，可以使用胺法、膜分离法、PSA法等。作为氮气的分离方法，可以使用膜分离法、PSA法等。其中，不是同时分离除去二氧化碳和氮气，而是两阶段分离，即在除去任意一种后再除去残留的另外一种。其中，来自高炉煤气的二氧化碳和氮气的分离所耗费的动力等能量源，从节能和减少二氧化碳产量等的观点考虑，优选利用由高炉炉体的冷却水、转炉煤气的冷却水、加热炉排气等炼铁厂的排热回收的能源。对于二氧化碳的分离，由于胺法与其它方法相比可以廉价地分离且可以大型化，因此在设备规模大时是有利的，但由于不能同时分离氮气，因此形成两阶段分离结构，在第二阶段实施氮气分离。另外，在膜分离法、PSA法中，根据使用的材料的不同分离特性不同，因此形成两阶段分离结构时分离率提高，而且可燃性气体成分的损失率也降低。因此，优选的是，第一阶段的二氧化碳的分离使用可以廉价地扩大设备规模的胺法，或者可以廉价地进行处理、且作为中小规模的设备具有实际效果的PSA法，第二阶段的氮气分离使用PSA法的方法。如上所述，二氧化碳和氮气的分离/除去的标准只要使分离/除去后的改性高炉煤气的发热量为1060kcal/Nm3以上，更优选为1500kcal/Nm3以上即可。考虑到高炉煤气的组成，发热量的上限为2950kcal/Nm3左右。
这样，从高炉煤气中分离/除去二氧化碳和氮气而制造的高炉改性煤气，可以作为各种加热炉的燃料气体、热风炉燃料气体、焦炉燃料气体和发电用燃料气体而有效利用。
在实施方式1中，回收由高炉炉顶排出的高炉煤气，并从回收的高炉煤气中分离/除去二氧化碳和氮气，但在由设置在高炉下部的风口吹入空气时，排出的高炉煤气中含有55体积％左右的氮气，另外，由于氮气含量多，因此高炉煤气的产生量变多。为了抑制由以大量的高炉煤气为分离处理对象引起的成本上升和由分离处理大量含有的氮气引起的成本上升，在实施方式1中，由风口将含有25体积％以上的氧气的富氧化空气吹入高炉中，随着高炉煤气中所含的氮气减少，高炉煤气的产生量减少。在吹入富氧化空气时，吹入与吹入空气时的氧气吹入量相同的氧气即可，吹入量与吹入空气时相比减少。应予说明，为了减少高炉煤气中所含的氮气，富氧化空气中的氧气浓度越高越优选，优选含有30体积％以上的氧气，更优选含有35体积％以上的氧气。如果考虑到氧气制造的成本，则优选为96体积％以下。从高炉作业上考虑，达到70体积％左右的氧气浓度是充分的。当然，由于炼铁厂内的氧气供需平衡，因此可以使用纯氧气。但是，为了通过分离空气使氧气浓度为96％以上，除了氮气以外，还必须分离氩气，因此需要分离能源。
吹入高炉内的空气中的氮气不参与反应，供给量直接由炉顶排出，因此，通过将富氧化空气吹入高炉内，与空气相比氮气含量减少，因此高炉煤气中的氮气含量减少，且高炉煤气产生量减少。由此，作为分离处理对象的高炉煤气量减少，且排出的高炉煤气中的氮气浓度减少，由此使二氧化碳和氮气的分离高效化。
另外，在排出氮气浓度为54体积％的高炉煤气的高炉作业中，在代替空气吹入氧气浓度为25体积％的富氧化空气时，高炉煤气中的氮气含量约为48体积％，氮气量减少约20体积％。在代替空气吹入氧气浓度为30体积％的富氧化空气时，高炉煤气中的氮气含量约为42体积％，氮气量减少约38体积％。在代替空气吹入氧气浓度为35体积％的富氧化空气时，高炉煤气中的氮气含量约为36体积％，氮气量减少约50体积％。进一步，在吹入氧气浓度为50体积％的富氧化空气时，高炉煤气中的氮气含量约为24体积％。
在实施例方式1中，吹入氧气浓度为25体积％的富氧化空气的理由，是为了使排出的高炉煤气中的氮气含量如上大幅地降低。
作为富氧化空气的制造方法，可以使用深冷分离装置、膜分离装置、转动式富氧化空气制造装置等，用哪种方法进行制造都可以，但在制造氧气浓度达到50体积％左右的氧气浓度相对较低的富氧化空气时，优选采用可以廉价且节能地制造富氧化空气的转动式富氧化空气制造装置。深冷分离装置适用于大量制造，但在成本上不适用于低氧气浓度的富氧化空气的制造。
以下，对于转动式富氧化空气制造装置进行说明。图1是在实施方式1中使用的转动式富氧化空气制造装置的简要透视图，图2是构成图1所示的转动式富氧化空气制造装置的一部分的第1圆筒形容器和第2圆筒形容器的简要透视图，图2A表示第1圆筒形容器，图2B表示第2圆筒形容器。
如图1所示，在管体13的内部，配置可以通过电动机(未示出)以轴心2a为中心转动的第1圆筒形容器2，并且夹持该第1圆筒形容器2、且与轴心2a的方向相对地配置第2圆筒形容器3和第3圆筒形容器4。第2圆筒形容器3和第3圆筒形容器4的轴心方向与第1圆筒形容器2的轴心2a相同，可以通过电动机(未示出)以轴心2a为中心转动。此时，这些第1～第3圆筒形容器可以利用同一电动机转动，另外，还可以分别利用各自的电动机转动，这两种情况都可以。在利用各自的电动机转动时转速也可以分别不同。另外，在图1中，转动方向相同，但也可以不同。
如图2A所示，第1圆筒形容器2的内部被由轴心2a放射状伸出的分隔板8分隔成多个，分隔的各部位用金属丝、网(未示出)等包围，并填充氮气吸收用吸附剂5。另外，还可以将在表面涂布了氮气吸收用吸附剂5的蜂巢结构体配置于分隔的各部位。作为氮气吸收用吸附剂5，优选使用氮气吸收能力优良的沸石。应予说明，沸石是指结晶性无机氧化物，具体而言，是由结晶性硅酸盐、结晶性硅铝酸盐、结晶性金属硅酸盐、结晶性铝磷酸盐、结晶性金属铝磷酸盐等构成的结晶性微孔性物质。另外，分隔版8还作为用于确保第1圆筒形容器2的刚性的加强材料起作用。
如图2B所示，第2圆筒形容器3的内部构造与第1圆筒形容器2的内部构造相同，被分隔板8分隔的各部位用金属丝、网(未示出)等包围，并填充水分吸收用吸附剂6。另外，还可以将在表面涂布了水分吸收用吸附剂6的蜂巢结构体配置于分隔的各部位。虽然未示出，但第3圆筒形容器4的内部构造也与第2圆筒形容器3的内部构造相同，在被分隔板8分隔的各部位配置水分吸收用吸附剂7。作为水分吸收用吸附剂6和水分吸收用吸附剂7，可以使用硅胶等惯用的水分吸收用吸附剂。
在管体13的内部，在夹持第1圆筒形容器2、第2圆筒形容器3和第3圆筒形容器4而通过管体13中心线的位置设置分离板14，通过分离板14在管体13内部形成两个流路。即，在图1中，供给至左侧下段的第1空气供给流路9的空气按顺序通过第2圆筒形容器3、第1圆筒形容器2、第3圆筒形容器4，由右侧下段的第1空气排出流路11排出。另一方面，在图1中，供给至右侧上段的第2空气供给流路10的空气按顺序通过第3圆筒形容器4、第1圆筒形容器2、第2圆筒形容器3，由左侧上段的第2空气排出流路12排出。
在该转动式富氧化空气制造装置1中，使空气这样向相反方向流动是必要条件。其中，第1圆筒形容器2、第2圆筒形容器3和第3圆筒形容器4以轴心2a为中心连续地或断续地转动，因此，由第1空气供给流路9供给的空气不是全部由第1空气排出流路11排出，同样的，由第2空气供给流路10供给的空气不是全部由第2空气排出流路12排出，而是一部分空气相互混合，但在该转动式富氧化空气制造装置1中，混合一部分空气也没问题。
第1空气供给流路9、第2空气供给流路10、第1空气排出流路11和第2空气排出流路12分别以配管(未示出)连接，通过这些配管，向第1空气供给流路9和第2空气供给流路10供给空气，另外，通过这些配管，将由第1空气排出流路11和第2空气排出流路12排出的空气导入规定场所。
使用这样构成的转动式富氧化空气制造装置1，如下由空气制造富氧化空气。
首先，对于用作氮气吸收用吸附剂5的沸石的氮气吸收能力进行说明。图3是定性地表示沸石的氮气吸附量与压力的关系的图，图4是定性地表示沸石的氮气吸附量与压力和温度的关系的图。
如图3所示，沸石具有压力越高氮气吸附量越增加的性质，如果在压力P1的氛围气下使空气与沸石接触，则沸石吸附氮气至吸附量为C1值为止。这样，空气的氮气减少，仅发生与氮气减少部分相当的富氧化。另一方面，在压力P2下，由于沸石的氮气吸附量降低至C2值，因此吸附至C1值的沸石如果与压力P2的空气接触，则放出吸附的氮气，沸石的吸附量由C1值降低至C2值。氮气放出后空气的氮气含量增加，发生富氮化。
即，通过使压力不同的空气与沸石接触，根据通过压力差确定的氮气吸附量的差，发生压力相对较高的空气的富氧化，另一方面，发生压力相对较低的空气的富氮化。通过使压力不同的空气交替与沸石接触，沸石反复进行氮气的吸附与放出，氮气吸附量不是以饱和状态直接储存，而是半永久地发生富氧化。
另外，如图4所示，沸石根据温度不同而氮气吸附量也不同，即使压力固定，随着温度降低，氮气吸附量增加。即，如果使压力为固定值P3，使比温度T2低的温度T1的空气与沸石接触，则沸石吸收氮气至吸附量为C3值为止。这样，空气的氮气减少，发生与氮气减少部分相当的富氧化。另一方面，由于在温度T2下，沸石的氮气吸附量降低至C4值，因此如果沸石与温度T2的空气接触，则放出吸附的氮气，沸石的吸附量由C3值降低至C4值。氮气放出后空气的氮气含量增加，发生富氮化。
即，通过使温度不同的空气与沸石接触，根据通过温度差确定的氮气吸附量的差，发生温度相对较低的空气的富氧化，另一方面，发生温度相对较高的空气的富氮化。通过使温度不同的空气交替与沸石接触，沸石反复进行氮气的吸附与放出，氮气吸附量不是以饱和状态直接储存，而是半永久地发生富氧化。
此时，由图4可知，通过升高富氧化侧的空气的压力且降低温度，可以使沸石的氮气吸附量的差更大，有效地进行富氧化。
接着，说明利用这样的沸石的氮气吸附能力，由空气制造富氧化空气的方法。
即，在图1中，一边使第1圆筒形容器2、第2圆筒形容器3和第3圆筒形容器4以轴心2a为中心连续地或断续地转动，一边使由第1空气供给流路9供给的空气的压力比由第2空气供给流路10供给的空气的压力高，或者，使由第1空气供给流路9供给的空气的温度比由第2空气供给流路10供给的空气的温度低，或者，使由第1空气供给流路9供给的空气与由第2空气供给流路10供给的空气相比压力高且温度低，由第1空气供给流路9和第2空气供给流路10供给空气。供给的空气的压力调节，例如可以通过调整用于鼓入空气的鼓风机的排出压力等进行，供给的空气的温度调节，例如可以通过设置于供给配管的加热器等进行调节。
由第1空气供给流路9供给的空气，与在第2圆筒形容器3上配置的水分吸收用吸附剂6接触而除去水分(称为“脱水处理”)，脱水处理后的空气与在第1圆筒形容器2上配置的氮气吸收用吸附剂5接触。其中，由第1空气供给流路9供给的空气与由第2空气供给流路10供给的空气相比，压力高，或者温度低，或者压力高并且温度低，因此通过包含沸石等的氮气吸收用吸附剂5吸附氮气，氮气减少，发生富氧化(称为“脱氮气处理”)。脱氮气处理也称为“富氧化处理”。
另一方面，由第2空气供给流路10供给的空气，与在第3圆筒形容器4上配置的水分吸收用吸附剂7接触而实施脱水处理，脱水处理后的空气流入第1圆筒形容器2，与在第1圆筒形容器2上配置的氮气吸收用吸附剂5接触。由第2空气供给流路10供给的空气与由第1空气供给流路9供给的空气相比，压力低，或者温度高，或者压力低并且温度高，因此通过与该空气接触，包含沸石等的氮气吸收用吸附剂5的氮气吸附量降低，氮气吸附量的相差部分氮气放入由第2空气供给流路10供给的空气中。这样，由第2空气供给流路10供给的空气的氮气浓度增加(称为“富氮化处理”)。通过这样，氮气吸收用吸附剂5的氮气吸附量不是以饱和状态直接储存，而是连续地完成氮气的吸附/放出。
之后，由第2空气供给流路10供给的、富氮化处理后的空气，流入第2圆筒形容器3，与水分吸收用吸附剂6接触。水分吸收用吸附剂6与由第1空气供给流路9供给的空气接触，吸附该空气中所含的水分，但由于从第2空气供给流路10供给的空气是已经通过在第3圆筒形容器4上配置的水分吸收用吸附剂7除去了水分的干燥状态的空气，因此吸附于水分吸收用吸附剂6上的水分放入由第2空气供给流路10供给的空气中，该空气的水分浓度上升(称为“富水分化处理”)。即，水分吸收用吸附剂6的水分吸附量不是以饱和状态直接储存，而是连续地完成水分的吸附/放出。
同样的，由第1空气供给流路9供给的、进行了脱氮气处理即富氧化处理的空气，流入第3圆筒形容器4，与水分吸收用吸附剂7接触。水分吸收用吸附剂7与由第2空气供给流路10供给的空气接触，吸附该空气中所含的水分，但由于从第1空气供给流路9供给的空气是已经通过在第2圆筒形容器3上配置的水分吸收用吸附剂6除去了水分的干燥状态的空气，因此吸附于水分吸收用吸附剂7中的水分放入由第1空气供给流路9供给的空气中。即，水分吸收用吸附剂7的水分吸附量不是以饱和状态直接储存，而是连续地完成水分的吸附/放出。
第1圆筒形容器2、第2圆筒形容器3和第3圆筒形容器4的转速根据各吸附剂的吸附能力设定即可，以使各吸附剂的吸附量在未达到饱和吸附量时转动180度(半圈)。
这样，在实施方式1中优选的转动式富氧化空气制造装置1中，夹持着氮气吸收用吸附剂5而在其两侧配置水分吸收用吸附剂6和水分吸收用吸附剂7，对于这些吸附剂，由各相反侧的方向供给空气，因此由各自相反侧的方向不断向氮气吸收用吸附剂5输送干燥的空气，氮气吸收用吸附剂5不受水分影响，由供给的空气吸收氮气，同时将吸收的氮气放入由相反侧供给的空气中。另外，水分吸附用吸附剂6和水分吸附用吸收剂7交替地反复进行水分吸附和放出。这样，氮气吸收用吸附剂5、水分吸收用吸附剂6和水分吸收用吸附剂7的吸附量具有以下优良的特征：不会以饱和状态直接储存，而可以长时间连续地制造富氧化空气。
应予说明，在上述说明的转动式富氧化空气制造装置1中，在各自分离的圆筒形容器中配置氮气吸收用吸附剂5、水分吸附用吸附剂6和水分吸附用吸收剂7，但可以使圆筒形容器为1个，在该1个圆筒形容器的内部，按顺序配置水分吸附用吸附剂6、氮气吸收用吸附剂5、水分吸附用吸收剂7，另外，在管体13的内部配置圆筒形容器，同时在管体13的内部配置空气流路，但也可以在管体13的内部只配置圆筒形容器，空气的流路是独立的配管。
这样，通过使用转动式富氧化空气制造装置1制造富氧化空气，与通过深冷分离装置制造纯氧气并将该纯氧气与空气混合而制造富氧化空气的情况相比，可以大幅减少电力原单位。
如以上说明，根据实施方式1，由于实施将氧气浓度为25体积％以上的富氧化空气吹入高炉内的高炉作业，因此产生的高炉煤气的氮气含量降低，并且随着氮气含量减少高炉煤气的产生量减少，这样，作为处理对象的高炉煤气量减少，并且应当分离除去的氮气量减少，因此不仅能廉价且高效地从高炉煤气中分离除去氮气，还能廉价且高效地分离除去二氧化碳。另外，由于从高炉煤气中除去二氧化碳和氮气，因此可以得到发热量为现有的高炉煤气的2倍以上的2000kcal/Nm3以上的改性高炉煤气，促进高炉煤气的有效利用。
实施方式2
实施方式2的高炉煤气的分离方法的特征在于，从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的CO2和N2，制造与所述高炉煤气相比发热量提高的改性高炉煤气，将该改性高炉煤气吹入高炉中而循环使用。
根据实施方式2，由于从高炉煤气中除去CO2和N2，因此可以得到发热量是现有高炉煤气的2倍以上的1060kcal/Nm3以上(优选为1500kcal/Nm3以上，更优选为2000kcal/Nm3以上)的改性高炉煤气。在将该改性高炉煤气吹入高炉时，改性高炉煤气作为还原剂起作用，可以减少该部分的还原剂，即焦炭或微粉炭的供给量。另外，在用作加热炉或均热炉等的燃料气体时，由于燃烧后的排气量减少，因而由排气向体系外带出的热量减少，能减少燃料使用量。另外，在吹入高炉时或用作加热炉或均热炉等的燃料气体时，也可以减少新使用的还原剂或燃料气体，由此减少炼铁厂中的CO2产生量。这样，通过实施方式2，能带来环境上和工业上的有益效果。
以下，具体地说明实施方式2。
首先，说明在从高炉煤气中分离除去CO2和N2时的气体成分和发热量。在表2中示出了，从含有H24.4体积％、N249.9体积％、CO  23.6体积％、CO222.1体积％的高炉煤气中只除去CO2时，以及除去CO2和N2时的气体成分和发热量。应予说明，CO2和N2分别基于可以除去90％(CO2：22.1体积％→2.2体积％，N2：49.9体积％→5.0体积％)进行计算。体积比是高炉煤气的体积为1.0时体积的比例。
表2
Figure BPA00001229423600171
如表2所示，直接产生的高炉煤气的发热量为825kcal/Nm3，在从该高炉煤气中只分离出CO2时，可燃性气体成分的增加部分约达7体积％，可燃性气体成分的合计量只有35体积％左右，发热量为1031kcal/Nm3，发热量的增加部分少。与此相对，在分离除去了CO2和N2时，可燃性气体成分的合计量达到约80体积％，发热量增加到2346kcal/Nm3。
本发明的目标之一在于，减少高炉煤气增热用的高热量副产物气体的消费量，为此，必须将高炉煤气用作可以单独使用的高热量气体，因此，本发明以利用由高炉煤气分离除去CO2和N2的高热量改性高炉煤气为前提。此时，根据CO2和N2的除去率，发热量发生变化，但优选除去CO2和N2以得到2000kcal/Nm3以上的发热量。
即，本发明的特征在于，从高炉煤气中分离除去CO2和N2，制造与高炉煤气相比发热量提高的改性高炉煤气，将该改性高炉煤气吹入高炉而循环使用，或者作为在加热炉、均热炉、退火炉、保温炉中的任意一种或两种以上的燃料气体使用。
在本发明中，对从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的CO2和N2的方法没有特别规定，例如，作为CO2的分离方法，可以使用胺法、膜分离法、PSA法等，作为N2的分离方法，可以使用膜分离法、PSA法等。但是，优选不同时分离除去CO2和N2，而是两阶段分离，即在除去任意一种后再除去残留的另外一种。其中，来自高炉煤气的CO2和N2的分离所耗费的动力等能量源，从节能和减少二氧化碳产量等的观点考虑，优选利用由高炉炉体的冷却水、转炉排气的冷却水、加热炉排气等炼铁厂的排热回收的能源。
对于CO2分离，由于胺法与其它方法相比可以廉价地分离且可以大型化，因此在设备规模大时是有利的，但由于不能同时分离氮气，因此形成两阶段分离结构，在第二阶段实施N2分离。另外，在膜分离法、PSA法中，根据使用的材料的不同分离特性不同，因此形成两阶段分离结构时分离率提高，而且可燃性气体成分的损失率也降低。因此，优选的是，第一阶段的CO2分离使用可以廉价地扩大设备规模的胺法，或者可以廉价地进行处理、且作为中小规模的设备具有实际效果的PSA法，第二阶段的N2分离使用PSA法的方法。
在本发明中，将从高炉煤气除去CO2和N2而制造的改性高炉煤气吹入高炉而循环使用，或者在加热炉、均热炉、退火炉、保温炉中作为燃料气体使用，首先，对在高炉中循环使用的情况进行说明。
在高炉中，由炉顶装入作为主原料的铁矿石、作为还原剂和燃料的焦炭、以及作为造渣剂的石灰石等，由设置在下部侧壁的风口将加热至1000℃以上的热风吹入，还原铁矿石而制造熔化生铁。存在由风口吹入重油的情况，但是近年来一般吹入廉价的微粉炭。在热风中，通常富化1～2体积％的氧气。
铁矿石在炉内下降期间，被焦炭的燃烧热和热风加热，同时被由焦炭或微粉炭燃烧生成的CO还原。该还原反应以“FeOn+nCO→Fe+nCO2”表示，称为“间接还原”。另外，与焦炭或微粉炭直接反应也可以被还原。该还原反应以“FeOn+nC→Fe+nCO”表示，称为“直接还原”。
在本发明中，由风口将除去了CO2和N2的改性高炉煤气与热风一起吹入炉内。改性高炉煤气以CO为主要成分，进一步含有10体积％左右的H2，通过该改性高炉煤气中的CO和H2将铁矿石还原。因此，可以减少与改性高炉煤气的供给量相当的当量份的还原剂，具体而言可以减少由风口吹入的微粉炭。焦炭也是还原剂，但由于焦炭具有确保炉内的通气性的作用和效果，因此在减少焦炭时一定要留意这一点。在提高高炉的热效率上，优选将改性高炉煤气与热风同样地加热至1000℃左右后供给至炉内。
向炉内的热风的供给量必须减少微粉炭等还原剂的燃烧所耗费的相当量，因此，根据微粉炭等还原剂的供给量的减少量，减少向炉内的热风的供给量。由此，减少热风的鼓风动力。另外，通过减少向炉内的热风的供给量，还表现出以下效果：由炉顶排出的高炉煤气中的N2含量减少，排出的高炉煤气的发热量增加。回收排出的该高炉煤气，并从回收的高炉煤气中分离除去CO2和N2，将得到的改性高炉煤气由风口吹入高炉，循环使用。
通过进行这样的操作方式，不需要使用以往使用的微粉炭，由此可以减少CO2的产生量。例如，在使用焦炭和微粉炭作为还原剂和燃料且其中微粉炭所占的比例为20质量％左右的高炉中，通过循环使用除去了CO2和N2的分离改性高炉煤气，实现由该高炉排出的CO2减少约30％。
接着，对于使用改性高炉煤气作为在加热炉、均热炉、退火炉、保温炉中的燃料气体的情况进行说明。此时，优选使用的改性高炉煤气的发热量为2000kcal/Nm3以上。
由于改性高炉煤气的发热量为2000kcal/Nm3以上，因此不需要增热用的高热量副产物气体(焦炉煤气、转炉煤气)或者LPG或LNG等购入燃料，只使用改性高炉煤气作为加热炉、均热炉、退火炉、保温炉的燃料气体。此时，在将混合了焦炉煤气等的高炉煤气作为燃料气体的装置中，可以不需要改变装置的样式而只切换燃料气体进行应对。
通过使用改性高炉煤气作为加热炉、均热炉、退火炉、保温炉等的燃料气体，通过燃料气体中所含的CO2和N2向体系外带出的热量(排热)减少，用于加热的燃料气体的使用量减少。由此，加热炉、均热炉、退火炉、保温炉等中的CO2的排出量减少。
如以上说明，通过本发明，不仅能减少炼铁厂中的CO2的产生量，而且可以减少微粉炭或燃料气体，在环境上和工业上带来有益的效果。
实施方式3
高炉煤气与焦炉煤气和/或转炉煤气混合的气体称为混合气体或M气体。应予说明，在炼铁厂的副产物气体的产生量中，高炉煤气的产生量与其它副产物气体相比极多，将高炉煤气混合气体化的理由是为了将该高炉煤气有效地利用。
将该混合气体作为燃料气体利用的燃气轮机联合发电设备的例子如图5所示。在图5中，标记101为燃气轮机，102为蒸汽轮机，103为发电机，104为燃料气体压缩机，105为空气压缩机，106为燃烧器，107为排气锅炉，108为由2个齿轮组成的变速器。如图5所示，燃气轮机联合发电设备是将燃气轮机101、蒸汽轮机102、发电机103配置在同一轴上而构成的。燃气轮机联合发电设备由于与现有的蒸汽轮机式的发电设备相比发电效率高，因此在集约化钢铁厂或垃圾焚烧设备等中广泛采用。
在该燃气轮机联合发电设备中，将由燃料气体压缩机104导出的高温高压的燃料气体和由空气压缩机105导出的高温高压的空气导入燃烧器106中使其燃烧，产生高温高压的燃烧气体。将该高温高压的燃烧气体导入燃气轮机101中驱动燃气轮机101转动，由此驱动发电机103转动而进行发电。另外，将由燃气轮机101排出的排气导入排气锅炉107，由此，使蒸汽产生，将该蒸汽供给蒸汽轮机102来驱动蒸汽轮机102转动，由此驱动发电机103转动而进行发电。即，以由燃料气体的燃烧产生的高温高压的燃烧气体驱动发电机103转动，并且以利用该燃烧气体的排热生成的蒸汽驱动发电机3转动而进行发电的设备。
实施方式3的目的在于，提供在使炼铁厂产生的副产物气体燃烧进行发电的燃气轮机联合发电设备中，与以往相比可以提高发电效率的燃气轮机联合发电设备的运转方法，同时提供在使用发电效率提高了的燃气轮机联合发电设备供给炼铁厂的电力时，在炼铁厂的最合适的能源利用方法。
为了实现上述目的，实施方式3的燃气轮机联合发电设备的运转方法的特征在于，从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而制造与上述高炉煤气相比发热量提高的改性高炉煤气，将该改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机，并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电。
根据实施方式3，由于将分离/除去了惰性气体成分的、与高炉煤气相比发热量提高的改性高炉煤气用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体，因此可以减少燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机的动力，增加与该动力减少部分相当的量的发电量，结果，与以往相比发电效率大幅提高得以实现。另外，由于燃气轮机联合发电设备的发电效率提高，因而可以只用燃气轮机联合发电设备产生的发电量补充炼铁厂的电力，通过剩余电力的有效利用推进二氧化碳的减少。
以下，具体地说明实施方式3。
对于以炼铁厂产生的副产物气体为燃料气体的燃气轮机联合发电设备，为了提高发电效率而进行了研究，结果发现，目前用作燃料气体的、包含副产物气体的混合气体的发热量降低，因此，燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机的负荷增大，消耗大量的动力。因此可知，通过提高燃料气体的发热量，燃料气体压缩机的负荷减少并且动力减少，提高了与动力减少部分相当的部分的发电量。
因此，研究在燃气轮机联合发电设备中提高使用的燃料气体的发热量。如上所述，在炼铁厂产生的副产物气体中，焦炉煤气和转炉煤气与高炉煤气相比具有约3倍以上的发热量，如果单独使用焦炉煤气和转炉煤气，则容易实现目的，但产生不能确保产生量最多的高炉煤气的用途，高炉煤气产生浪费的问题。另外，实际情况是，如果降低混合气体中的高炉煤气的配合比例，焦炉煤气和转炉煤气的配合比例相应地升高，则可以提高混合气体的发热量，但焦炉煤气和转炉煤气的产生量存在限制，而且焦炉煤气和转炉煤气在以往的炼铁厂下游工序的钢材加热炉中用作高炉煤气增热用，没有多余的剩余。
考虑这些情况，在实施方式3中，将从高炉煤气中分离/除去了惰性气体成分的改性高炉煤气作为燃气轮机联合发电设备的燃料气体。
表3中示出了，从含有氢气(以下，也称为“H2”)4.4体积％、氮气(以下，也称为“N2”)49.9体积％、一氧化碳(以下，也称为“CO”)23.6体积％、二氧化碳(以下，也称为“CO2”)22.1体积％的高炉煤气中只完全地除去二氧化碳时(改性高炉煤气1)，以及除去二氧化碳和氮气时(改性高炉煤气2)的气体成分和发热量。应予说明，改性高炉煤气2的二氧化碳和氮气分别基于可以除去90％(CO2：22.1体积％→2.2体积％，N2：49.9体积％→5.0体积％)进行计算。体积比是高炉煤气的体积为1.0时体积的比例。
表3
Figure BPA00001229423600231
如表3所示，直接产生的高炉煤气的发热量为825kcal/Nm3，在从该高炉煤气中只完全分离出二氧化碳时(改性高炉煤气1)，可燃性气体成分的增加部分约达8体积％，可燃性气体成分的合计量只有36体积％左右，发热量为1062kcal/Nm3，发热量的增加部分少。与此相对，在将二氧化碳和氮气分别分离除去90％时(改性高炉煤气2)，可燃性气体成分的合计量达到约80体积％，发热量增加到2346kcal/Nm3。
由这些结果可知，只分离/除去二氧化碳时，与以往的燃气轮机联合发电设备的操作没有大的区别，改善效果少，因此在实施方式3中，将从高炉煤气中分离/除去了二氧化碳和氮气的高热量的改性高炉煤气用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体。此时，根据二氧化碳和氮气的除去率，发热量发生变化，但为了提高发电效率，优选除去二氧化碳和氮气以得到至少1060kcal/Nm3以上的发热量。应予说明，改性高炉煤气的发热量越高越优选，更优选除去二氧化碳和氮气以得到至少1500kcal/Nm3以上的发热量。
其中，作为进一步提高改性高炉煤气的发热量的方法，可以在炼铁厂容许的范围内(例如，在以往基础使用量的范围内)混合焦炉煤气或转炉煤气，这在实施方式3的范围内。
实施方式3是基于这些研究结果而完成的发明，其特征在于，从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而制造与上述高炉煤气相比发热量提高的改性高炉煤气，将该改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机，并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电。
在实施方式3中，对从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离/除去气体中的二氧化碳和氮气的方法没有特别规定，例如，作为二氧化碳的分离方法，可以使用胺法、膜分离法、PSA法等，作为氮气的分离方法，可以使用膜分离法、PSA法等。但是，优选不同时分离除去二氧化碳和氮气，而是两阶段分离，即在除去任意一种后再除去残留的另外一种。其中，来自高炉煤气的CO2和N2的分离所耗费的动力等能量源，从节能和减少二氧化碳产量等的观点考虑，优选利用由高炉炉体的冷却水、转炉排气的冷却水、加热炉排气等炼铁厂的排热回收的能源。另外，通过应用实施方式3，可以期待燃气轮机联合发电设备的发电效率提高，电力供给产生富余，因此还可以利用该富余的电力进行从高炉煤气中分离二氧化碳和氮气。
对于二氧化碳的分离，由于胺法与其它方法相比可以廉价地分离且可以大型化，因此在设备规模大时是有利的，但由于不能同时分离氮气，因此形成两阶段分离结构，在第二阶段实施氮气分离。另外，在膜分离法、PSA法中，根据使用的材料的不同分离特性不同，因此形成两阶段分离结构时分离率提高，而且可燃性气体成分的损失率也降低。因此，优选的是，第一阶段的二氧化碳的分离使用可以廉价地扩大设备规模的胺法，或者可以廉价地进行处理、且作为中小规模的设备具有实际效果的PSA法，第二阶段的氮气分离使用PSA法的方法。如上所述，二氧化碳和氮气的分离/除去的标准只要使分离/除去后的改性高炉煤气的发热量为1060kcal/Nm3以上，更优选为1500kcal/Nm3以上即可。
这样，将从高炉煤气中分离/除去了二氧化碳和氮气而制造的改性高炉煤气用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体。以下，参照图5，说明燃气轮机联合发电设备的运转方法。应予说明，图5是表示实施实施方式3的燃气轮机联合发电设备的结构的概要图。
将改性高炉煤气作为燃料气体导入燃料气体压缩机104，通过该燃料气体压缩机104提高改性高炉煤气的温度和压力。然后，将高温高压化的改性高炉煤气供给至燃烧器106。或者，将燃烧用空气导入空气压缩机105，由该空气压缩机105得到高温高压的空气。将该高温高压化的空气供给至燃烧器106。高温高压化的改性高炉煤气通过高温高压化的空气在燃烧器106中燃烧，生成高温高压的燃烧气体。将该燃烧气体导入燃气轮机1来驱动燃气轮机1转动，由此驱动发电机103转动而进行发电。
另外，将由燃气轮机1排出的排气导入排气锅炉107，由此，使蒸汽产生，将该蒸汽供给蒸汽轮机102来驱动蒸汽轮机102转动，由此驱动发电机103转动而进行发电。
在燃气轮机联合发电设备中，将燃气轮机101、蒸汽轮机102、发电机103配置在同一轴上，因此能有效地进行发电。并且，在实施方式3中，由于使用发热量提高的改性高炉煤气作为燃料气体，即，由于使用分离/除去了惰性气体成分的改性高炉煤气，因此，不需要以往将混合气体作为燃料气体时在燃料气体压缩机104中使惰性气体成分升温/加压所耗费的动力，与该部分相当的动力减少，发电量增加。
在发电量为300MW级的燃气轮机联合发电设备中，燃料气体压缩机104中的动力减少部分可以达到40MW以上，发电量可以增加10％以上。燃料气体压缩机104与燃气轮机1、蒸汽轮机102和发电机103等不配置在同一轴上，并且通过变速器108连接，因此在燃料气体压缩机104中使用的动力量可以通过调节变速器108而容易地调节。
如以上说明，根据实施方式3，由于将分离/除去了惰性气体成分的、发热量高的改性高炉煤气用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体，因此可以使燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机的动力减少，增加了与该动力减少部分相当的量的发电量。
在实施方式3中，将从高炉煤气中分离/除去了二氧化碳和氮气的改性高炉煤气用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体。为了提高该二氧化碳和氮气的分离效率，优选将富氧化空气而非空气吹入高炉，预先减少高炉煤气中所含的氮气，同时减少高炉煤气的产生量。
即，在实施方式3中，回收由高炉炉顶排出的高炉煤气，并从回收的高炉煤气中分离除去二氧化碳和氮气，但在由设置在高炉下部的风口吹入空气时，在排出的高炉煤气中含有55体积％左右的氮气，另外，由于氮气的含量多，因此高炉煤气的产生量变多。为了抑制由以大量的高炉煤气为分离处理对象引起的成本上升和由分离处理大量含有的氮气引起的成本上升，在实施方式3中，优选例如由风口将含有30体积％以上的氧气的富氧化空气吹入高炉中，随着高炉煤气所含的氮气减少，高炉煤气的产生量减少。在吹入富氧化空气时，吹入与吹入空气时的氧气吹入量相同的氧气即可，吹入量与吹入空气时相比减少。
吹入高炉内的空气中的氮气不参与反应，供给量直接由炉顶排出，因此，通过将富氧化空气吹入高炉内，与空气相比氮气含量减少，因此高炉煤气中的氮气含量减少，且高炉煤气产生量减少。由此，作为分离处理对象的高炉煤气量减少，且排出的高炉煤气中的氮气浓度减少，由此使二氧化碳和氮气的分离高效化。
另外，在排出氮气浓度为54体积％的高炉煤气的高炉作业中，在代替空气吹入氧气浓度为30体积％的富氧化空气时，高炉煤气中的氮气含量约为42体积％，氮气量减少约38体积％。在吹入氧气浓度为50体积％的富氧化空气时，高炉煤气中的氮气含量约为24体积％，在实施方式3中，吹入富氧化空气的理由，如上所述是为了使排出的高炉煤气中的氮气含量大幅地降低。
作为富氧化空气的制造方法，可以使用深冷分离装置、膜分离装置、转动式富氧化空气制造装置等，用哪种方法进行制造都可以，但在制造氧气浓度达到40体积％左右的氧气浓度比较低的富氧化空气时，优选采用可以廉价且节能地制造富氧化空气的转动式富氧化空气制造装置。深冷分离装置适用于大量制造，但在成本上不适用于低氧气浓度的富氧化空气的制造。
通过使用转动式富氧化空气制造装置制造富氧化空气，与通过深冷分离装置制造纯氧气并将该纯氧气与空气混合而制造富氧化空气的情况相比，可以大幅减少电力原单位。
但是，通过应用实施方式3，燃气轮机联合发电设备的发电效率提高。根据本发明人的研究可知，在炼铁厂下游工序的钢材加热炉中，与以往相同，与高炉煤气一起，使用作为高炉煤气增热用的焦炉煤气和转炉煤气，将由除此之外的高炉煤气得到的、分离/除去了二氧化碳和氮气的改性高炉煤气作为燃气轮机联合发电设备的燃料气体进行发电，由此发电效率大幅提高，因此其发电量充分地超过在炼铁厂的各设备中使用的电力量。即可知，通过应用实施方式3，只以改性高炉煤气为燃料气体的燃气轮机联合发电设备的发电量就可以充分供给炼铁厂的各设备的电力。
作为有效利用剩余电力的方法，作为近年来防止地球变暖的对策的一环，优选作为用于CO2地下储存的电力使用，或者，优选作为电炉中的废铁熔化用电力利用。应予说明，作为铁源，使用由高炉还原铁矿石而制造的熔化生铁和废铁，但在高炉的熔化生铁的制造中，相对于用于还原且熔融铁矿石所需要大量的能源，废铁只需要熔解热，在利用废铁时，具有可以减少铁矿石的还原热部分的能源使用量的优点，即得到节能和减少CO2的优点。
另外，还可以不将剩余的电力发电，而向高炉吹入与用于发电该剩余的电力所需的改性高炉煤气的热量相当的高炉煤气或改性高炉煤气作为还原剂。在高炉煤气和改性高炉煤气中，含有一氧化碳和氢气，它们作为铁矿石的还原剂起作用。
即，在高炉中，由炉顶装入作为主原料的铁矿石、作为还原剂和燃料的焦炭、和作为造渣剂的石灰石等，由设置在下部侧壁的风口将加热至1000℃以上的热风吹入，还原铁矿石而制造熔化生铁。铁矿石在炉内下降期间，被焦炭的燃烧热和热风加热，同时被由焦炭或微粉炭燃烧生成的CO还原。该还原反应以“FeOn+nCO→Fe+nCO2”表示，称为“间接还原”。另外，与焦炭或微粉炭直接反应也可以被还原。该还原反应以“FeOn+nC→Fe+nCO”表示，称为“直接还原”。
通过由风口将改性高炉煤气或高炉煤气与热风一起吹入炉内，由在改性高炉煤气或高炉煤气中所含的CO和H2还原铁矿石。因此，可以减少与改性高炉煤气和高炉煤气的供给量相当的当量份的还原剂。此时，在提高高炉的热效率上，优选将改性高炉煤气和高炉煤气与热风同样地加热至500℃以上后供给至炉内。
另外，通过在炼铁厂内的加热设备中优先使用高发热量高炉煤气，燃料发热量调节用焦炉煤气出现富余。还可以将产生富余的焦炉煤气吹入高炉。
实施例1
在发电量为300MW规模的图1所示的燃气轮机联合发电设备中，对于使用上述表1所示的、分离/除去了90％二氧化碳和氮气的改性高炉煤气2(发热量：2346kcal/Nm3)作为燃料气体的情况(实施方式3例)，和使用发热量为825kcal/Nm3的高炉煤气和发热量为4250kcal/Nm3的焦炉煤气的混合气体(发热量：1050kcal/Nm3，焦炉煤气的配合量：6.6体积％)作为燃料气体的情况(现有例)，比较发电量。
其结果如表4所示，在发明例中，燃料气体压缩机的动力与现有例相比减少30MW，得到30MW份的发电量。由此，发电效率由49％提高至53％，可以有效地发电。
表4
Figure BPA00001229423600291
实施例2
在每年粗钢产量为1000万吨的炼铁厂中，说明使用实施方式3时的研究结果。作为研究的前提条件，将在炼铁厂产生的副产物气体在炼铁厂下游工序的钢材加热炉等中按规定使用，将除此之外的高炉煤气改性为上述表1所示的改性高炉煤气2，作为燃气轮机联合发电设备的燃料气体。考虑到高炉作业的变动对高炉煤气产生量的变化的影响，预计燃气轮机联合发电设备的发电效率略低于50％。当然，LNG或LPG等购入能源的使用为零。该炼铁厂的能源收支如表5所示。另外，在表5中，作为比较例，还一并示出了用蒸汽轮机发电的现有的发电厂设置的炼铁厂的能源收支。现有发电厂的发电效率的实际结果为37％。
表5
Figure BPA00001229423600301
在炼铁厂投入的能源是包含原料炭和焦炭的还原剂，相对于1000万吨/年的粗钢生成，每年投入47.8兆kal的还原剂，由该还原剂产生7.8兆kal的焦炉煤气、12.2兆kal的高炉煤气、1.7兆kal的转炉煤气，将这些副产物气体回收。另一方面，在投入的能源中，还原反应热为16.5兆kal，来自高炉或转炉等炉体的放热为9.6兆kal，它们不能作为能源回收。
根据实际结果，在回收的副产物气体中，由于12.2兆kal份的副产物气体用于炼铁厂下游工序的钢材加热炉等，因此，在发电厂中，本发明例和比较例都供给9.5兆kal份的副产物气体。
在本发明例中，从9.5兆kal份的全部高炉煤气中，除去二氧化碳和氮气，制造改性高炉煤气，将其作为燃气轮机联合发电设备的燃料气体。结果，发电效率为50％，每年的得到55.2亿kWh的电力。炼铁厂的每年电力使用量，依照实际结果为44.3亿kWh，因此结果是每年产生10.9亿kWh的剩余电力。
可知，该剩余电力可以作为用于CO2地下储存的电力使用，或者可以作为电炉的废铁熔化用电力使用。另外可知，在不将剩余电力发电时，发电剩余电力所需的高炉煤气不使用而剩余，可以将该高炉煤气或将该高炉煤气改性的改性高炉煤气作为还原用气体吹入高炉。另一方面，在比较例中，将高炉煤气和焦炉煤气的混合气体9.5兆kal份供给蒸汽轮机型发电厂，但发电厂的发电效率为37％，尽管投入与本发明例相同量的能源，但每年只得到40.9亿kWh的电力，每年有3.4kWh份的电力不足，结果必须由外部购入该相当部分的电力。

Claims (17)

1.高炉煤气的分离方法，其具有：
生成氧气浓度至少为25体积％以上的富氧化空气的工序；
由设置在高炉下部的风口将所述富氧化空气吹入高炉内的工序；和
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性高炉煤气的工序。
2.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述富氧化空气为25～96体积％。
3.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述改性高炉煤气具有1060～2950kcal/Nm3的发热量。
4.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其中，
所述富氧化空气为25～96体积％，且
所述改性高炉煤气具有1060～2950kcal/Nm3的发热量。
5.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述生成富氧化空气的工序为，
准备配置了氮气吸附量随着压力的增加或温度的降低而增加的氮气吸收用吸附剂的、可以轴心为中心转动的圆筒形容器，
对于所述氮气吸收用吸附剂，由各自相反侧的方向供给压力或温度不同的干燥的空气，
对于压力相对升高的空气或温度相对降低的空气实施脱氮处理，
对于压力相对降低的空气或温度相对升高的空气实施富氮化，
由此，进行压力相对升高的空气或温度相对降低的空气的富氧化。
6.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述生成改性高炉煤气的工序包括利用胺法分离除去二氧化碳的工序和利用PSA法分离除去氮气的工序。
7.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述生成改性高炉煤气的工序包括利用PSA法分离除去二氧化碳的工序和利用PSA法分离除去氮气的工序。
8.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其中，所述生成改性高炉煤气的工序包括利用炼铁厂的排热从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气。
9.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将所述改性高炉煤气作为选自加热炉、均热炉、退火炉、保温炉中的至少一个的燃料气体使用的工序。
10.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有：
将所述改性高炉煤气作为选自加热炉、均热炉、退火炉、保温炉中的至少一个的燃料气体使用的工序；和
向高炉中吹入焦炉煤气的工序。
11.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将所述改性高炉煤气吹入高炉中而循环使用的工序。
12.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将所述改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机，并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序。
13.根据权利要求1所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将所述改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机，并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序，
所述生成改性高炉煤气的工序包括利用由所述燃气轮机联合发电设备的运转方法得到的电力，并利用炼铁厂的排热，从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气。
14.根据权利要求12所述的高炉煤气的分离方法，其进一步具有将在所述燃气轮机联合发电设备的运转方法中发电的电力供给至炼铁厂的各设备，并使用剩余的电力作为用于二氧化碳地下储存的电力或用于废铁熔化的电力利用的工序。
15.根据权利要求12所述的高炉煤气的分离方法，其进一步将在所述燃气轮机联合发电设备的运转方法中发电的电力供给至炼铁厂的各设备，中止相当于剩余电力部分的发电，向高炉中吹入与该发电量所必需的改性高炉煤气的热量相当的高炉煤气或改性高炉煤气。
16.高炉煤气的分离方法，其具有：
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性高炉煤气的工序；和
将所述改性高炉煤气吹入高炉中而循环使用的工序。
17.高炉煤气的分离方法，其具有：
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性高炉煤气的工序；和
将所述改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机，并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序。
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