JP2009257736A

JP2009257736A - 高炉ガスの分離方法

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Publication number: JP2009257736A
Application number: JP2009065736A
Authority: JP
Inventors: Futahiko Nakagawa; 二彦中川
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】高炉炉頂から排出される高炉ガスから、二酸化炭素及び窒素を少ない費用で効率良く分離除去できる高炉ガスの分離方法を提供する。
【解決手段】酸素濃度が少なくとも２５体積％以上の酸素富化空気を生成する工程と、高炉下部に設けられた羽口から前記酸素富化空気を高炉内に吹き込む工程により、高炉ガスの発生量が少なくなるとともに窒素含有量が低下し、高炉ガスから安価に且つ効率よく二酸化炭素及び窒素を除去できる。この場合、前記酸素富化空気は酸素濃度が２５〜９６体積％であること、前記改質高炉ガスは１０６０〜２９５０kcal／Ｎｍ³の発熱量を有すること、また、酸素富化空気は回転式酸素富化空気製造装置１によって製造されたものであることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉炉頂から排出される高炉ガスから、ガス中に含まれる二酸化炭素及び窒素を効率良く分離除去する方法に関するものである。

銑鋼一貫製鉄所において、鉄鉱石を還元して溶銑を製造する高炉の炉頂から排出される高炉ガスは、熱風炉燃料ガス、コークス炉燃料ガス及び発電用燃料ガスとして有効利用されている。

しかしながら高炉ガスは、その組成が、一酸化炭素：２１．１〜２６．２体積％、二酸化炭素：１９．３〜２３．２体積％、水素：２．９〜５．３体積％、窒素：５２．５〜５９．２体積％であり、可燃性ガス成分が少なく、その発熱量が３０３１〜３７８４ｋＪ（７２３〜９０３kcal／Ｎｍ³）と低く（第４版鉄鋼便覧（CD-ROM）Ｎo.１第２巻製銑・製鋼、2002年7月30日発行、表42-5・7(2000)を参照）、単独で燃料ガスとして使用すると、燃焼ガス温度が低くて高温用途には適していない。これは、水素、一酸化炭素、メタンなどの可燃性ガス成分が少ない上に、これらの可燃性ガス成分の燃焼で発生する熱量が可燃性ガス成分以外の不活性ガス成分である窒素や二酸化炭素の加熱に消費されることによるものである。そこで、高炉ガスと同様に製鉄所の副生ガスであるコークス炉ガスや転炉ガスなどの２０００kcal／Ｎｍ³以上の発熱量を有する高カロリー副生ガスと混合して、上記用途に利用している。高炉ガスとコークス炉ガス及び／または転炉ガスと混合したガスは、混合ガス或いはＭガスと呼ばれている。

製鉄所における副生ガスの発生量では、高炉ガスの発生量が他の副生ガスに比べて格段に多く、その利用のために大量のコークス炉ガスや転炉ガスが増熱用ガスとして消費されている。特に近年、高炉の操業は重油吹き込みから微粉炭吹き込みに転換していることから、高炉ガスの発生量が増大する傾向にあり、それに伴って増熱用高カロリー副生ガスの消費量が増加し、従来、製鉄所下工程の鋼材加熱炉で使用していた高カロリーの副生ガスの不足が懸念される事態となりつつある。高カロリーの副生ガスの代替としては、ＬＰＧやＬＮＧなどの購入燃料が使用されることになる。

そこで、高炉ガスを発熱量が高くなるように改質し、単独での利用を可能とする手段が幾つか提案されている。

例えば、特許文献１には、高炉炉頂から排出される高炉ガスから二酸化炭素を分離除去して９００kcal／Ｎｍ³以上の発熱量の改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを、高炉ガス、コークス炉ガス、転炉ガス、ＬＰＧガスの何れか１種または２種以上の一部または全部と代替することが提案されている。また、特許文献１では、前記改質高炉ガスを鉄鉱石還元用の還元ガスとして還元炉において利用することも提案されている。

特許文献２には、高炉ガスから二酸化炭素を除去して製造した改質高炉ガスを、加熱した後に高炉に吹き込んで循環使用することが提案されている。

また、特許文献３には、アルミナ系吸着剤及び多孔性ポリスチレンを用いて高炉ガス中の二酸化炭素及び窒素を夫々選択的に吸着分離させて、一酸化炭素及び水素のリッチガスを製造する方法が提案されている。

特開２００４−３０９０６７号公報特開昭５５−１１３８１４号公報特開昭６２−１９３６２２号公報

しかしながら、上記従来技術には以下の問題点がある。

特許文献１及び特許文献２では、高炉ガスから二酸化炭素だけを分離除去しており、高炉ガスのおよそ５０体積％を占める窒素を除去しておらず、改質後の発熱量は高々１０５０kcal／Ｎｍ³程度であり、発熱量の増加は少なく、改質することによって発現される効果は少ない。

特許文献３は、高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を除去して一酸化炭素及び水素のリッチガスを製造することを開示しているが、特許文献３の実施例における一酸化炭素及び水素リッチガスの発熱量は１０００kcal／Ｎｍ³未満であり、十分に二酸化炭素及び窒素が除去されているとはいいがたい。また、二酸化炭素及び窒素を分離除去する前の高炉ガスの窒素含有量が５５体積％と高く、処理すべき高炉ガス量が多く、二酸化炭素及び窒素を分離除去するための費用が高くなるという問題がある。この問題は、特許文献１及び特許文献２でも同様である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高炉炉頂から排出される高炉ガスから、少ない費用で効率良く二酸化炭素及び窒素を分離することのできる、高炉ガスの分離方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る高炉ガスの分離方法は、酸素濃度が少なくとも２５体積％以上の酸素富化空気を生成する工程と、高炉下部に設けられた羽口から前記酸素富化空気を高炉内に吹き込む工程と、前記高炉の炉頂から排出される高炉ガスからガス中の二酸化炭素及び窒素を分離除去し、改質高炉ガスを生成する工程と、を有することを特徴とするものである。

第２の発明に係る高炉ガスの分離方法は、第１の発明において、前記酸素富化空気は、酸素濃度が２５〜９６体積％であることを特徴とするものである。

第３の発明に係る高炉ガスの分離方法は、第１または第２の発明において、前記改質高炉ガスは、１０６０〜２９５０kcal／Ｎｍ³の発熱量を有することを特徴とするものである。

第４の発明に係る高炉ガスの分離方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、更に、前記改質高炉ガスを、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉のなかから選択された少なくとも一つの燃料ガスとして使用する工程と、コークス炉ガスを前記羽口から高炉内に吹き込む工程と、を有することを特徴とするものである。

第５の発明に係る高炉ガスの分離方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記酸素富化空気を生成する工程は、圧力の増加または温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤が配置された、軸心を中心として回転可能な円筒型容器を有し、前記窒素吸収用吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から、圧力または温度が異なる乾燥した空気を供給し、相対的に圧力を高めた空気または相対的に温度を低くした空気に対して脱窒素処理を施し、相対的に圧力を下げた空気または相対的に温度を高くした空気に対して窒素富化を施し、それによって、相対的に圧力を高くした空気または相対的に温度を低くした空気の酸素富化を行う回転式酸素富化空気製造装置によって酸素富化空気を製造する工程であることを特徴とするものである。

本発明によれば、酸素濃度が２５体積％以上の酸素富化空気を高炉内に吹き込んで高炉操業を実施するので、高炉ガスの発生量が少なくなるのみならず、発生する高炉ガスの窒素含有量が低下し、高炉ガスから安価に且つ効率良く二酸化炭素及び窒素を分離除去することが可能となる。また、高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を除去するので、発熱量が従来の高炉ガスの２倍以上である２０００kcal／Ｎｍ³以上の改質高炉ガスを得ることができ、高炉ガスの有効活用化が促進される。

本発明に好適な回転式酸素富化空気製造装置の概略斜視図である。図１に示す回転式酸素富化空気製造装置の一部分を構成する第１の円筒型容器及び第２の円筒型容器の概略斜視図である。ゼオライトの窒素吸着量と圧力との関係を定性的に示す図である。ゼオライトの窒素吸着量と圧力及び温度との関係を定性的に示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。

先ず、高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を分離除去したときのガス成分及び発熱量を説明する。表１に、例えば、水素（以下、「Ｈ₂」とも記す）を４．４体積％、窒素（以下、「Ｎ₂」とも記す）を４９．９体積％、一酸化炭素（以下、「ＣＯ」とも記す）を２３．６体積％、二酸化炭素（以下、「ＣＯ₂」とも記す）を２２．１体積％含有する高炉ガスから、二酸化炭素のみを完全に除去したとき（改質高炉ガス１）、及び、二酸化炭素と窒素を除去したとき（改質高炉ガス２）のガス成分と発熱量を示す。改質高炉ガス２では、二酸化炭素及び窒素は、それぞれ９０％除去可能（ＣＯ₂：２２．１体積％→２．２体積％、Ｎ₂：４９．９体積％→５．０体積％）として算出している。体積比は、高炉ガスの体積を１．０としたときの体積の比率である。

表１に示すように、発生ままの高炉ガスの発熱量は８２５kcal／Ｎｍ³であり、この高炉ガスから二酸化炭素のみを完全に分離したとき（改質高炉ガス１）には、可燃性ガス成分の増加分はおよそ８体積％に止まり、可燃性ガス成分の合計量は３６体積％程度しかなく、発熱量は１０６２kcal／Ｎｍ³で、発熱量の増加分は少ない。これに対して、二酸化炭素及び窒素をそれぞれ９０％分離除去したとき（改質高炉ガス２）には、可燃性ガス成分の合計量はおよそ８０体積％に達し、発熱量は２３４６kcal／Ｎｍ³まで増加する。

本発明は、高炉ガス増熱用の高カロリー副生ガスの消費量を削減することを目標の１つとしており、そのためには、高炉ガスを、単独での使用を可能とする高カロリーガスとして使用する必要があり、従って、本発明においては、高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を分離除去することを必須条件とする。この場合、二酸化炭素及び窒素の除去率に応じて発熱量は変化するが、１０６０kcal／Ｎｍ³以上の発熱量が得られるように二酸化炭素及び窒素を除去することが好ましい。尚、改質高炉ガスの発熱量は高いほど望ましく、１５００kcal／Ｎｍ³以上の発熱量が得られるように二酸化炭素及び窒素を除去することが更に好ましい。発熱量の上限は、高炉ガスの組成を考慮すれば２９５０kcal／Ｎｍ³程度である。

ここで、改質高炉ガスの発熱量を更に高める手法として、製鉄所内で許容される範囲内で（例えば、従来ベースの使用量の範囲内で）コークス炉ガスや転炉ガスを混合することも可能であり、本発明の範囲内である。

本発明において、高炉炉頂から排出される高炉ガスからガス中の二酸化炭素及び窒素を分離・除去する方法は特に規定する必要はなく、二酸化炭素及び窒素は、化学吸収法、物理吸収法、膜分離法、吸着法などの如何なる方法で分離・除去してもよい。例えば、二酸化炭素の分離方法としては、アミン法、膜分離法、ＰＳＡ法などを用い、窒素の分離方法としては、膜分離法、ＰＳＡ法などを用いることができる。但し、二酸化炭素及び窒素を同時に分離除去するのではなく、２段分離、つまりどちらか一方を除去した後に残りの他の一方を除去することとする。ここで、高炉ガスからの二酸化炭素及び窒素の分離に費やす動力などのエネルギー源は、省エネルギー及び二酸化炭素発生量の削減などの観点から、高炉炉体の冷却水、転炉排ガスの冷却水、加熱炉排ガスなどの製鉄所の排熱から回収したエネルギーを利用することが好ましい。

二酸化炭素の分離に関して、アミン法は、他の方法よりも安価に分離し且つ大形化が可能であることから、設備規模が大きい場合には有利であるが、窒素の同時分離はできないため、２段分離構成とし、２段目に窒素分離を実施する。また、膜分離法、ＰＳＡ法においては、用いる材料により分離特性が異なるため、２段分離構成とした方が、分離率が向上する上に、可燃性ガス成分のロス率も低下する。従って、好ましくは、１段目の二酸化炭素の分離は、安価で設備規模を大きくすることのできるアミン法または安価に処理が可能で中小規模の設備として実績のあるＰＳＡ法を使用し、２段目の窒素の分離は、ＰＳＡ法を使用するものとする。二酸化炭素及び窒素の分離・除去の目安は、前述したように、分離・除去後の改質高炉ガスの発熱量が１０６０kcal／Ｎｍ³以上、更に好ましくは１５００kcal／Ｎｍ³以上となるようにすればよい。発熱量の上限は、前述したように高炉ガスの組成を考慮すれば２９５０kcal／Ｎｍ³程度である。

このようにして、高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を分離・除去して製造した改質高炉ガスは、各種加熱炉の燃料ガス、熱風炉燃料ガス、コークス炉燃料ガス及び発電用燃料ガスなどとして、有効利用することができる。

本発明においては、高炉炉頂から排出される高炉ガスを回収し、回収した高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を分離・除去するが、高炉下部に設けた羽口から空気を吹き込んだ場合、排出される高炉ガスには５５体積％程度の窒素が含有され、また、窒素の含有量が多いことから高炉ガスの発生量が多くなる。多量の高炉ガスを分離処理の対象とすることによるコスト上昇、及び、大量に含まれる窒素を分離処理することによるコスト上昇を抑制するために、本発明では、２５体積％以上の酸素を含有する酸素富化空気を羽口から高炉に吹き込み、高炉ガスに含有される窒素を少なくするとともに、高炉ガスの発生量を少なくする。酸素富化空気を吹き込む場合には、空気を吹き込んだ場合の酸素吹き込み量と同量の酸素を吹き込めばよく、吹き込み量は空気を吹き込んだ場合と比較して少なくなる。尚、高炉ガスに含有される窒素を少なくするためには、酸素富化空気中の酸素濃度は高い方が望ましく、３０体積％以上の酸素を含有することが好ましく、３５体積％以上の酸素を含有することが更に好ましい。酸素富化空気の酸素濃度が２５体積％未満では、窒素の削減量が少なく、効果が小さい。

酸素富化空気の酸素濃度の上限は、酸素製造コストを考慮すれば、９６体積％以下とするのが好ましい。高炉の操業上からは、７０体積％程度までの酸素濃度で十分である。勿論、製鉄所内における酸素の需給バランスから、酸素富化空気として純酸素を用いても良い。しかし、空気から酸素濃度が９６体積％超えの酸素富化空気を分離するためには、窒素以外にアルゴンを分離する必要があり、そのための分離エネルギーが必要になり、経済的でない。

高炉内に吹き込まれた空気中の窒素は反応に寄与せず、供給した量がそのまま炉頂から排出しており、従って、酸素富化空気を高炉内に吹き込むことにより、空気よりも窒素含有量が減少した分、高炉ガス中の窒素含有量が減少し、且つ、高炉ガス発生量が減少する。これにより、分離処理の対象となる高炉ガス量が減少し、且つ排出される高炉ガス中の窒素濃度が減少することにより、二酸化炭素及び窒素の分離が効率化される。

因みに、窒素濃度が５４体積％である高炉ガスが排出される高炉操業において、空気に替えて酸素濃度が２５体積％の酸素富化空気を吹き込んだ場合には、高炉ガス中の窒素含有量はおよそ４８体積％になって、窒素量はおよそ２０体積％削減され、また、空気に替えて酸素濃度が３０体積％の酸素富化空気を吹き込んだ場合には、高炉ガス中の窒素含有量はおよそ４２体積％になって、窒素量はおよそ３８体積％削減される。また更に、空気に替えて酸素濃度が３５体積％の酸素富化空気を吹き込んだ場合には、高炉ガス中の窒素含有量はおよそ３６体積％になって、窒素量はおよそ５０体積％削減され、更に、酸素濃度が５０体積％の酸素富化空気を吹き込んだ場合には、高炉ガス中の窒素含有量はおよそ２４体積％になる。

本発明において、高炉に酸素濃度が２５体積％の酸素富化空気を吹き込む理由は、排出される高炉ガス中の窒素含有量を、上記のように大幅に低減させるためである。

本発明を適用することにより高炉ガスの発熱量が高くなり、製鉄所内下工程の鋼材加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉などにおいて、改質された高発熱量の高炉ガスを優先的に使用することにより、燃料発熱量調整用のコークス炉ガスに余裕がでてくる。従って、余裕が生じたコークス炉ガスを高炉に吹き込むことが可能となる。コークス炉ガスには一酸化炭素のみならず水素やメタンガスが含まれており、水素やメタンガスによる高炉内での鉄鉱石の還元が起こり、水素やメタンガスに相当する当量分のコークス（還元剤）を削減することができる。コークス炉ガスを高炉に吹き込む場合は、コークス炉ガスも熱風と同様に、５００℃以上まで加熱した後に炉内に供給することが好ましい。

酸素富化空気の製造方法としては、深冷分離装置、膜分離装置、回転式酸素富化空気製造装置などを用いることができ、何れの方法で製造しても構わないが、酸素濃度が５０体積％程度までの比較的酸素濃度の低い酸素富化空気を製造する場合には、安価で且つ省エネルギーに酸素富化空気を製造可能な回転式酸素富化空気製造装置を採用することが好ましい。深冷分離装置は、大量製造には向いているが、低酸素濃度の酸素富化空気の製造にはコスト的に不向きである。

以下に、回転式酸素富化空気製造装置について説明する。図１は、本発明で使用した回転式酸素富化空気製造装置の概略斜視図、図２は、図１に示す回転式酸素富化空気製造装置の一部分を構成する第１の円筒型容器及び第２の円筒型容器の概略斜視図であり、（Ａ）が第１の円筒型容器、（Ｂ）が第２の円筒型容器を示している。

図１に示すように、管体１３の内部には、軸心２ａを中心として電動機（図示せず）により回転可能な第１の円筒型容器２が配置され、この第１の円筒型容器２を挟み、軸心２ａの方向に相対して第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４が配置されている。第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４は、その軸心方向を第１の円筒型容器２の軸心２ａと同一とし、軸心２ａを中心として電動機（図示せず）により回転可能となっている。この場合、これらの第１〜第３の円筒型容器を同一の電動機で回転させても、また、それぞれ個別の電動機で回転させてもどちらでも構わない。個別の電動機で回転させる場合に回転数がそれぞれ異なっていても構わない。また、図１では回転方向が同一であるが、異なっていても構わない。

第１の円筒型容器２の内部は、図２（Ａ）に示すように、軸心２ａから放射状に伸びる仕切板８によって複数に仕切られており、仕切られたそれぞれの部位には、金網、ネット（図示せず）などで囲まれて、窒素吸収用吸着剤５が充填されている。また、窒素吸収用吸着剤５を表面に塗布したハニカム構造体を、仕切られたそれぞれの部位に配置するようにしてもよい。窒素吸収用吸着剤５としては、窒素吸収能に優れることからゼオライトを用いることが好ましい。尚、ゼオライトとは、結晶性無機酸化物であり、具体的には、結晶性シリケート、結晶性アルミノシリケート、結晶性メタロシリケート、結晶性アルミノホスフェート、結晶性メタロアルミノホスフェートなどで構成された結晶性マイクロポーラス物質である。また、仕切板８は、第１の円筒型容器２の剛性を確保するための補強材としても機能している。

第２の円筒型容器３の内部構造は、図２（Ｂ）に示すように、第１の円筒型容器２の内部構造と同様であり、仕切板８によって仕切られたそれぞれの部位には、金網、ネットなどで囲まれて、水分吸収用吸着剤６が充填されている。また、水分吸収用吸着剤６を表面に塗布したハニカム構造体を、仕切られたそれぞれの部位に配置するようにしてもよい。図示はしないが第３の円筒型容器４の内部構造も第２の円筒型容器３の内部構造と同一であり、仕切板８によって仕切られたそれぞれの部位には、水分吸収用吸着剤７が配置されている。水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７としては、シリカゲルなどの慣用の水分吸収用吸着剤を使用することができる。

管体１３の内部には、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４を挟んで管体１３の中心線を通る位置に分離板１４が設置されており、分離板１４によって管体１３の内部に２つの流路が形成されている。つまり、図１において、左側下段の第１の空気供給流路９に供給された空気は、第２の円筒型容器３、第１の円筒型容器２、第３の円筒型容器４の順に通過し、右側下段の第１の空気排出流路１１に排出するようになっている。一方、図１において、右側上段の第２の空気供給流路１０に供給された空気は、第３の円筒型容器４、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３の順に通過し、左側上段の第２の空気排出流路１２に排出するようになっている。

この回転式酸素富化空気製造装置１においては、このように空気を逆向き方向に流すことを必須条件としている。但し、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４は軸心２ａを中心として連続的或いは断続的に回転しており、そのために、第１の空気供給流路９から供給された空気の全てが第１の空気排出流路１１から排出するわけではなく、同様に、第２の空気供給流路１０から供給された空気の全てが第２の空気排出流路１２から排出するわけではなく、一部分の空気は相互に混合するが、この回転式酸素富化空気製造装置１においては、一部分の空気の混合は問題としない。

第１の空気供給流路９、第２の空気供給流路１０、第１の空気排出流路１１及び第２の空気排出流路１２には、それぞれ配管（図示せず）が連結されており、これらの配管を介して第１の空気供給流路９及び第２の空気供給流路１０へ空気が供給され、また、これらの配管を介して第１の空気排出流路１１及び第２の空気排出流路１２から排出される空気が所定の場所に導かれる。

このようにして構成される回転式酸素富化空気製造装置１を用い、以下のようにして空気から酸素富化空気を製造する。

先ず、窒素吸収用吸着剤５として用いるゼオライトの窒素吸着能について説明する。図３は、ゼオライトの窒素吸着量と圧力との関係を定性的に示す図で、図４は、ゼオライトの窒素吸着量と圧力及び温度との関係を定性的に示す図である。

図３に示すように、ゼオライトは圧力が高くなるほど窒素吸着量が増加する性質があり、圧力Ｐ₁の雰囲気下で空気をゼオライトに接触させると、ゼオライトは吸着量がＣ₁値となるまで窒素を吸着する。これにより、空気の窒素は減少し、窒素が減少した分に相当するだけ酸素富化が行われる。一方、圧力Ｐ₂ではゼオライトの窒素吸着量はＣ₂値に低下するので、Ｃ₁値まで吸着していたゼオライトは、圧力Ｐ₂の空気に触れると吸着していた窒素を放出し、ゼオライトの吸着量はＣ₁値からＣ₂値まで低下する。窒素が放出された空気の窒素含有量は増加し、窒素富化が行われる。

つまり、ゼオライトに圧力の異なる空気を接触させることで、圧力差により定まる窒素吸着量の差に応じて、相対的に圧力の高い空気の酸素富化が行われ、一方、相対的に圧力の低い空気の窒素富化が行われる。ゼオライトに圧力の異なる空気を交互に接触させることで、ゼオライトは窒素の吸着と放出とを繰り返し行い、窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、半永久的に酸素富化が行われる。

また、図４に示すように、ゼオライトは温度によっても窒素吸着量が異なり、圧力が一定であっても、温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する。つまり、圧力をＰ₃の一定値として、温度Ｔ₂よりも低温の温度Ｔ₁の空気をゼオライトに接触させると、ゼオライトは吸着量がＣ₃値となるまで窒素を吸収する。これにより、空気の窒素は減少し、窒素が減少した分に相当するだけ酸素富化が行われる。一方、温度Ｔ₂ではゼオライトの窒素吸着量はＣ₄値に低下するので、ゼオライトは、温度Ｔ₂の空気に触れると吸着していた窒素を放出し、ゼオライトの吸着量はＣ₃値からＣ₄値まで低下する。窒素が放出された空気の窒素含有量は増加し、窒素富化が行われる。

つまり、ゼオライトに温度の異なる空気を接触させることで、温度差により定まる窒素吸着量の差に応じて、相対的に温度の低い空気の酸素富化が行われ、一方、相対的に温度の高い空気の窒素富化が行われる。ゼオライトに温度の異なる空気を交互に接触させることで、ゼオライトは窒素の吸着と放出とを繰り返し行い、窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、半永久的に酸素富化が行われる。

この場合、酸素富化する側の空気の圧力を高め且つ温度を低くすることで、図４からも伺い知れるように、ゼオライトの窒素吸着量の差はより大きくなり、酸素富化を効率的に行うことが可能となる。

次に、このようなゼオライトの窒素吸着能を利用して、空気から酸素富化空気を製造する方法を説明する。

即ち、図１において、第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４を、軸心２ａを中心として連続的或いは断続的に回転させながら、第１の空気供給流路９から供給する空気の圧力を第２の空気供給流路１０から供給する空気の圧力よりも高くするか、または、第１の空気供給流路９から供給する空気の温度を第２の空気供給流路１０から供給する空気の温度よりも低くするか、または、第１の空気供給流路９から供給する空気を、第２の空気供給流路１０から供給する空気に比べて圧力を高く温度を低くして、第１の空気供給流路９及び第２の空気供給流路１０から空気を供給する。供給する空気の圧力調整は、例えば、空気を送風するための送風機の吐出圧力の調整などによって行い、供給する空気の温度調整は、供給配管にヒーターなどを設置することによって行うことができる。

第１の空気供給流路９から供給された空気は、第２の円筒型容器３に配置された水分吸収用吸着剤６と接触して水分が除去され（「脱水分処理」という）、脱水分処理された空気は、第１の円筒型容器２に配置された窒素吸収用吸着剤５と接触する。ここで、第１の空気供給流路９から供給された空気は、第２の空気供給流路１０から供給された空気に比較して圧力が高い、または温度が低い、または圧力が高く温度が低いので、ゼオライトなどからなる窒素吸収用吸着剤５によって窒素が吸着され、窒素が減少して、酸素富化が行われる（「脱窒素処理」という）。脱窒素処理は「酸素富化処理」ともいう。

一方、第２の空気供給流路１０から供給された空気は、第３の円筒型容器４に配置された水分吸収用吸着剤７と接触して脱水分処理が施され、脱水分処理された空気は第１の円筒型容器２に流入し、第１の円筒型容器２に配置された窒素吸収用吸着剤５と接触する。第２の空気供給流路１０から供給された空気は、第１の空気供給流路９から供給された空気に比較して圧力が低い、または温度が高い、若しくは圧力が低く温度が高いので、この空気と接触することによってゼオライトなどからなる窒素吸収用吸着剤５の窒素吸着量が低下し、窒素吸着量の差分の窒素が第２の空気供給流路１０から供給された空気に放出される。これにより、第２の空気供給流路１０から供給された空気の窒素濃度が増加する（「窒素富化処理」という）。このようにすることで、窒素吸収用吸着剤５は窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して窒素の吸着・放出を遂行する。

その後、第２の空気供給流路１０から供給された、窒素富化処理された空気は、第２の円筒型容器３に流入し、水分吸収用吸着剤６と接触する。水分吸収用吸着剤６は第１の空気供給流路９から供給された空気と接触し、この空気に含まれる水分を吸着しているが、第２の空気供給流路１０から供給された空気は、第３の円筒型容器４に配置された水分吸収用吸着剤７によって既に水分が除去された乾燥状態の空気であるので、水分吸収用吸着剤６に吸着した水分は、第２の空気供給流路１０から供給された空気に放出され、この空気の水分濃度は上昇する（「水分富化処理」という）。つまり、水分吸収用吸着剤６は水分吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して水分の吸着・放出を遂行する。

同様に、第１の空気供給流路９から供給された、脱窒素処理つまり酸素富化処理された空気は、第３の円筒型容器４に流入し、水分吸収用吸着剤７と接触する。水分吸収用吸着剤７は第２の空気供給流路１０から供給された空気と接触して、この空気に含まれる水分を吸着しているが、第１の空気供給流路９から供給された空気は、第２の円筒型容器３に配置された水分吸収用吸着剤６によって既に水分が除去された乾燥状態の空気であるので、水分吸収用吸着剤７に吸着した水分は、第１の空気供給流路９から供給された空気に放出される。つまり、水分吸収用吸着剤７も水分吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して水分の吸着・放出を遂行する。

第１の円筒型容器２、第２の円筒型容器３及び第３の円筒型容器４の回転数は、各吸着剤の吸着量が飽和吸着量に達しないうちに１８０度回転（半回転）するように、各吸着剤の吸着能力に応じて設定すればよい。

このように、本発明に好適な回転式酸素富化空気製造装置１では、窒素吸収用吸着剤５を挟んでその両側に水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７を配置し、これらの吸着剤に対して各々反対側の方向から空気を供給するので、窒素吸収用吸着剤５には常に乾燥した空気がそれぞれ反対側の方向から送られ、窒素吸収用吸着剤５は水分の影響を受けることなく、供給される空気から窒素を吸収するとともに、吸収した窒素を反対側から供給される空気に放出する。また、水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７は水分の吸着及び放出を交互に繰り返して行う。これにより、窒素吸収用吸着剤５、水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７の吸着量は飽和状態のままで留まることはなく、長期間にわたって連続的に酸素富化空気を製造することが可能であるという、優れた特徴を有する。

尚、上記説明の回転式酸素富化空気製造装置１では、窒素吸収用吸着剤５、水分吸収用吸着剤６及び水分吸収用吸着剤７がそれぞれ分離した円筒型容器に配置されているが、円筒型容器を１つとし、その１つの円筒型容器の内部に、水分吸収用吸着剤６、窒素吸収用吸着剤５、水分吸収用吸着剤７の順に配置してもよく、また、円筒型容器を管体１３の内部に配置するとともに、空気の流路を管体１３の内部に配置しているが、円筒型容器のみを管体１３の内部に配置し、空気の流路は独立した配管としてもよい。

このようにして回転式酸素富化空気製造装置１を用いて酸素富化空気を製造することにより、深冷分離装置により純酸素を製造し、この純酸素を空気に混合して酸素富化空気を製造する場合に比較して、電力原単位を大幅に削減することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、酸素濃度が２５体積％以上の酸素富化空気を高炉内に吹き込んで高炉操業を実施するので、発生する高炉ガスの窒素含有量が低下するとともに、窒素含有量が少なくなることに伴って高炉ガス発生量が減少し、これにより、処理対象の高炉ガス量が減少するとともに、分離除去すべき窒素量が減少するので、高炉ガスから窒素のみならず二酸化炭素をも安価に且つ効率良く分離除去することが可能となる。また、高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を除去するので、発熱量が従来の高炉ガスの２倍以上である２０００kcal／Ｎｍ³以上の改質高炉ガスを得ることができ、高炉ガスの有効活用化が促進される。

１回転式酸素富化空気製造装置
２第１の円筒型容器
２ａ軸心
３第２の円筒型容器
４第３の円筒型容器
５窒素吸収用吸着剤
６水分吸収用吸着剤
７水分吸収用吸着剤
８仕切板
９第１の空気供給流路
１０第２の空気供給流路
１１第１の空気排出流路
１２第２の空気排出流路
１３管体
１４分離板

Claims

酸素濃度が少なくとも２５体積％以上の酸素富化空気を生成する工程と、高炉下部に設けられた羽口から前記酸素富化空気を高炉内に吹き込む工程と、前記高炉の炉頂から排出される高炉ガスからガス中の二酸化炭素及び窒素を分離除去し、改質高炉ガスを生成する工程と、を有することを特徴とする、高炉ガスの分離方法。
前記酸素富化空気は、酸素濃度が２５〜９６体積％であることを特徴とする、請求項１に記載の高炉ガスの分離方法。
前記改質高炉ガスは、１０６０〜２９５０kcal／Ｎｍ³の発熱量を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の高炉ガスの分離方法。
更に、前記改質高炉ガスを、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉のなかから選択された少なくとも一つの燃料ガスとして使用する工程と、コークス炉ガスを前記羽口から高炉内に吹き込む工程と、を有することを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の高炉ガスの分離方法。
前記酸素富化空気を生成する工程は、圧力の増加または温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する窒素吸収用吸着剤が配置された、軸心を中心として回転可能な円筒型容器を有し、前記窒素吸収用吸着剤に対してそれぞれ反対側の方向から、圧力または温度が異なる乾燥した空気を供給し、相対的に圧力を高めた空気または相対的に温度を低くした空気に対して脱窒素処理を施し、相対的に圧力を下げた空気または相対的に温度を高くした空気に対して窒素富化を施し、それによって、相対的に圧力を高くした空気または相対的に温度を低くした空気の酸素富化を行う回転式酸素富化空気製造装置によって酸素富化空気を製造する工程であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の高炉ガスの分離方法。