JP2010150937A - ガスタービンコンバインド発電設備の運転方法及び製鉄所でのエネルギー運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製鉄所で発生する副生ガスを燃焼させて発電するガスタービンコンバインド発電設備において、供給する燃料の発熱量及び総熱量を高い状態に維持し、それにより、従来に比べて高い発電効率で発電する。
【解決手段】 本発明のガスタービンコンバインド発電設備の運転方法は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料として発電するガスタービンコンバインド発電設備の運転方法において、製鉄所での副生ガスの使用量よりも発生量の方が多い副生ガスの余剰時に、余剰の副生ガスの少なくとも一部を、反応器１３で液化可能燃料に転換し且つ液化して貯蔵容器１５にて液体燃料として貯蔵し、製鉄所での副生ガスの使用量が発生量よりも多いときには、貯蔵した前記液体燃料を気化器１８で気化して気体燃料となし、該気体燃料を、ガスタービンコンバインド発電設備１での燃料として製鉄所で発生する副生ガスと併用する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料として発電するガスタービンコンバインド発電設備の運転方法に関し、また、前記ガスタービンコンバインド発電設備により製鉄所の電力を供給したときの製鉄所でのエネルギー運用方法に関するものである。

製鉄所においては、コークス炉、高炉、転炉などの設備から副生ガスと呼ばれるガスが発生し、このガスには、水素、一酸化炭素、メタンといった燃料として利用可能な成分が含有されており、従って、これらの副生ガスは、その大部分が加熱炉や発電所などで燃焼によって発生する熱を利用する用途に使用されている。但し、これらの副生ガス中には窒素や二酸化炭素といった不活性成分が含まれるために、体積あたりの熱量は７００〜４５００kcal／Ｎｍ³であり、一般的な燃料ガスであるプロパンガスや天然ガスに比べて低いことが特徴である。

従来、これらの副生ガスを燃料として発電するには、これらの副生ガスをボイラーに導き、ボイラー内で燃焼させて高圧蒸気を発生させ、次いで、得られた蒸気で発電機のタービンを駆動し、その駆動力を用いて発電する方法が一般的であった。この蒸気タービン式発電設備では、燃料種に応じたバーナをボイラーに設置することにより、多様な燃料が使用できるため、蒸気発生に必要な燃料の総熱量が低下した際には、総熱量の不足分を重油などの補助燃料で簡単に補え、副生ガスによる燃料の変動に対応した運転が容易であった。しかし、その反面、蒸気タービン式発電設備では、燃焼から蒸気発生までの過程におけるエネルギー損失が大きく、発電効率（発電で得た電力エネルギー／供給した燃料の燃焼エネルギー）は、４０％程度が限界であり、通常、３７％程度であった。

そこで、近年では、発電効率を向上させるために、燃焼のエネルギーをガスタービン発電で回収するとともに、その燃焼排ガス顕熱で蒸気を発生させて、蒸気タービンで発電する、所謂「ガスタービンコンバインド発電」が実用化されている（例えば、特許文献１を参照）。図１に、ガスタービンコンバインド発電設備の１例を示す。図１において、符号１はガスタービンコンバインド発電設備、２はガスタービン、３は蒸気タービン、４は発電機、５は燃料ガス圧縮機、６は空気圧縮機、７は燃焼器、８は排ガスボイラー、９は２つの歯車からなる変速機であり、ガスタービン２、蒸気タービン３及び発電機４が同軸上に配置されている。

このガスタービンコンバインド発電設備１では、燃料ガス圧縮機５を出た高温高圧の燃料ガスと、空気圧縮機６を出た高温高圧の空気とを、燃焼器７に導入して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを発生させる。この高温高圧の燃焼ガスを、ガスタービン２に導いてガスタービン２を回転駆動させ、これにより発電機４を回転駆動させて発電する。また、ガスタービン２から排気された排ガスを排ガスボイラー８に導き、そこで蒸気を発生させ、この蒸気を、蒸気タービン３に供給して蒸気タービン３を回転駆動させ、これにより発電機４を回転駆動させて発電する。

即ち、ガスタービンコンバインド発電設備１は、燃料ガスの燃焼によって発生する高温高圧の燃焼ガスで発電機４を回転駆動させるとともに、この燃焼ガスの排熱を利用して生成させた蒸気で発電機４を回転駆動させて発電する設備であり、ガスタービン２及び蒸気タービン３の２つのタービンを有することから、蒸気タービン式発電設備に比べて発電効率が高く、５０％以上の発電効率を得ることが可能な設備である。

製鉄所では、従来の蒸気タービン式発電設備による発電量と所内での電力消費量とがほぼ均衡しているのが現状であり、発電方式を高効率のガスタービンコンバインド発電設備に切り替えることによって、発電用として使用している副生ガスの消費量を増加させることなく、発電量のみを１０％以上増加できることから、この増加分を他の産業や民生用向けに活用できれば、社会的に大きな省エネルギー効果が得られることになる。
特開平２−１１９６３９号公報

しかしながら、製鉄所において、副生ガスを燃料とするガスタービンコンバインド発電設備で高い発電効率を維持して発電するためには、以下の解決すべき問題点がある。

即ち、製鉄所において発電に使用される副生ガスは、その製鉄所の加熱炉などで燃料として使われた残りの副生ガスであり、副生ガス発生工場の負荷変動の影響を受けるとともに、副生ガスを使用する工場での負荷変動の影響も受けるため、その発熱量及び総熱量ともに大きく変動することが否めない。図２に、ガスタービンコンバインド発電設備における運転負荷と発電効率との関係を示すように、ガスタービンコンバインド発電設備では、運転負荷が低下すると発電効率が大きく低下するので、高い発電効率を維持するためには高負荷運転を維持することが不可欠になる。尚、図２は、発熱量が９００〜１０００kcal／Ｎｍ³程度の副生ガスを燃料としたときの発電効率であり、発熱量の高いＬＮＧを燃料とした場合には、発電効率の最大値は５５％以上に達することが知られている。

また、ガスタービンコンバインド発電設備では、装置の構成上、気体燃料を液体燃料に変更するなど、多様な燃料を使用することが困難であり、また、燃料ガス発熱量に許容される変動範囲が設計値の±１０％以内であり、狭いという制約もある。

このように、燃料の発熱量及び総熱量が安定して供給される場合に限って、前述した高効率の発電を維持できることから、この高効率発電に供する燃料は、発熱量及び総熱量の変動が抑制されていることが極めて重要となる。

一方、製鉄所には、発生する副生ガスを貯蔵するために数万〜数十万ｍ³の容積を有するガスホルダーが設置されているが、副生ガスの発生量及び消費量は、ともに時々刻々と変動しており、その調整のために、このようなガスホルダーをもってしても調整可能時間は３０分に満たず、高効率発電を維持するには容量が不足する。

以上説明したように、製鉄所には、高い発電効率で発電可能なガスタービンコンバインド発電設備が設置されているにも拘わらず、上記のような理由から、発電用として使用可能な副生ガスの発熱量及び総熱量のばらつきの下限値近傍での発電を余儀なくされ、発電効率は４５％程度であるのが実情であった。

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、製鉄所で発生する副生ガスを燃焼させて発電するガスタービンコンバインド発電設備において、供給する燃料の発熱量及び総熱量を高い状態に維持し、それにより、従来に比べて高い発電効率で発電することのできるガスタービンコンバインド発電設備の運転方法を提供するとともに、発電効率を高くしたガスタービンコンバインド発電設備を用いて製鉄所の電力を供給したときの製鉄所での最適のエネルギー運用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の発明に係るガスタービンコンバインド発電設備の運転方法は、製鉄所で発生する副生ガスを燃料として発電するガスタービンコンバインド発電設備の運転方法であって、製鉄所での副生ガスの使用量よりも発生量の方が多い副生ガスの余剰時に、余剰の副生ガスの少なくとも一部を、液化可能燃料に転換し且つ液化して液体燃料として貯蔵し、製鉄所での副生ガスの使用量が発生量よりも多いときには、貯蔵した前記液体燃料を気化して気体燃料となし、該気体燃料を、ガスタービンコンバインド発電設備での燃料として製鉄所で発生する副生ガスと併用することを特徴とする。

第２の発明に係るガスタービンコンバインド発電設備の運転方法は、第１の発明において、前記液体燃料は、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルのうちの何れか１種または２種以上であることを特徴とする。

第３の発明に係る製鉄所でのエネルギー運用方法は、第１または第２の発明に記載のガスタービンコンバインド発電設備の運転方法で発電される電力を製鉄所の各設備に供給し、余剰の電力を用いて二酸化炭素地中貯蔵のための電力または鉄スクラップ溶解のための電力として利用することを特徴とする。

第４の発明に係る製鉄所でのエネルギー運用方法は、第１または第２の発明に記載のガスタービンコンバインド発電設備の運転方法で発電される電力を製鉄所の各設備に供給し、余剰の電力分に相当する発電を中止し、この発電量に必要な副生ガスの熱量に相当する副生ガスを高炉に吹き込むことを特徴とする。

本発明によれば、副生ガスの余剰時に、余剰の副生ガスの少なくとも一部を、液化可能燃料に改質し且つ液化して液体燃料として貯蔵し、製鉄所での副生ガスの使用量が発生量よりも多いときには、貯蔵した前記液体燃料を気化して気体燃料となし、該気体燃料を、ガスタービンコンバインド発電設備での燃料として、製鉄所で発生する副生ガスと併用するので、ガスタービンコンバインド発電設備に供給される燃料の発熱量及び総熱量は高い状態に維持され、それにより、ガスタービンコンバインド発電設備は、高負荷運転を維持することが可能となり、従来に比べて高い発電効率で発電することが実現される。

また、ガスタービンコンバインド発電設備の発電効率が上昇することで、製鉄所の電力をガスタービンコンバインド発電設備による発電量のみで補うことができ、余剰の電力の有効活用によって二酸化炭素の削減が推進される。

以下、本発明を具体的に説明する。

製鉄所に設置されるコークス炉、高炉及び転炉での操業時に、水素、一酸化炭素、メタンといった燃料ガスを含有する副生ガスが副産物として発生する。コークス炉から発生する副生ガスを「コークス炉ガス」、高炉から発生する副生ガスを「高炉ガス」、転炉から発生する副生ガスを「転炉ガス」と称している。これらの副生ガスの発熱量は、窒素や二酸化炭素などの不活性成分の含有量によって異なり、不活性成分の含有量が最も多い高炉ガスの発熱量が７００〜９００kcal／Ｎｍ³、転炉ガス及びコークス炉ガスの発熱量は２０００kcal／Ｎｍ³以上となり、水素やメタンを含有するコークス炉ガスの発熱量は４５００kcal／Ｎｍ³以上に達することもある。

従来、これらの副生ガスは、所定の混合比率で混合されるなどして、発熱量が調整された後に、製鉄所での加熱炉の燃料ガス、溶銑や溶鋼を保持・搬送するための取鍋などの容器のバーナ加熱用ガスとして使用され、残りの副生ガスが、ガスタービンコンバインド発電設備に供給され、発電用燃料として使用されている。

副生ガスの発生量は、副生ガス発生工場の負荷変動により変化し、また、発電用以外の副生ガスの使用量は、使用する工場での負荷変動により変化するので、ガスタービンコンバインド発電設備に供給される副生ガスの発熱量及び総熱量ともに大きく変動する。製鉄所には、数万〜数十万ｍ³の容積を有するガスホルダーが用いられているが、このようなガスホルダーをもってしても調整可能時間は３０分にも満たない。更に、多数のガスホルダーを設置すれば、調整可能時間は延長するが、巨大なガスホルダーを多数有することは、設置面積が限られるなどして現実的ではない。

また、ガスタービンコンバインド発電設備では、装置の構成上、気体燃料を液体燃料に変更するなど、多様な燃料を使用することが不可能であり、また、燃料ガス発熱量に許容される変動範囲が設計値の±１０％以内と狭いという制約もある。燃料ガスの発熱量が許容値を外れた場合には、最悪、運転停止に至る。

このような理由から、ガスタービンコンバインド発電設備での発電を安定させるために、従来、燃料である副生ガスの発熱量及び総熱量が安定して確保できる範囲内で、ガスタービンコンバインド発電設備の運転負荷が設定されていた。つまり、ガスタービンコンバインド発電設備の運転負荷は、副生ガスの発生量から加熱炉などでの使用量を差し引いた後の余剰分のばらつき（山谷）の下限値近傍に基づいて設定されていた。換言すれば、副生ガスの余剰時にはガスホルダーで貯蔵できずに、やむなく、燃焼させた後に大気に放散される副生ガスが存在していた。

本発明では、余剰時における燃焼させた後に大気に放散する副生ガスを無くするべく、副生ガスの余剰時には、副生ガスの成分の一部を、液体貯蔵可能な燃料に転換し、液化して体積を減少させて液体燃料として貯蔵し、副生ガスの使用量が発生量よりも多くなる時期には、貯蔵した液体燃料を気化させて気体燃料とし、この気体燃料を、ガスタービンコンバインド発電設備での燃料として、副生ガスと併用することとした。このようにすることで、ガスタービンコンバインド発電設備の運転負荷を、副生ガスの発生量から加熱炉などでの使用量を差し引いた後の余剰分のばらつき（山谷）の平均値近傍に設定すること、つまり、運転負荷を、従来に比較して大幅に高くすることが可能となる。また、副生ガスを液化して貯蔵するので、ガスホルダーを設置する場合に比較して狭いスペースでの対処が可能となる。

副生ガスの液化・貯蔵は、例えば、以下の如く実施することができる。図３に、本発明の実施形態例であり、副生ガスから液化貯蔵可能な燃料を合成し且つ液化する装置及び液化した燃料をガスタービンコンバインド発電設備に供給する工程図の１例を示す。

製鉄所での副生ガスは、コークス炉ガスａ、転炉ガスｂ、高炉ガスｃからなり、これらは所定量の混合比率で混合されたのち、副生ガス搬送ラインにより製鉄所内を輸送される。この副生ガス搬送ラインから副生ガスの一部が、交互に使用される２つのフィルター１０によってダスト、タール、ミストなどが除去され、その後、脱硫装置１１に導入される。脱硫後のガスは、減圧時のエネルギーを利用できるコンプレッサー１２により昇圧されて反応器１３に導入される。

反応器１３では、副生ガス中の水素及び一酸化炭素が液化貯蔵可能な化合物に転換される。液化貯蔵可能な化合物の代表例としては、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）、エタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）、ジメチルエーテル（ＣＨ₃ＯＣＨ₃）が挙げられる。下記の（１）式にメタノールの生成反応を、下記の（２）式にジメチルエーテルの生成反応を示す。
２Ｈ₂＋ＣＯ→ＣＨ₃ＯＨ …（１）
３Ｈ₂＋３ＣＯ→ＣＨ₃ＯＣＨ₃＋ＣＯ₂ …（２）
これ以外にも、メタノールが反応して生成する直鎖パラフィンや直鎖オレフィンなど、二酸化炭素よりも高温、低圧で液化する化合物であれば何れも適用可能であり、これらの混合物であってもよい。これらの製造方法は従来公知の手法を何れも適用可能であるが、一例としては触媒反応を利用するものがあり、反応条件として高圧、高温を必要とするが工業的には適用しやすい手法である。

反応器１３から排出されるガスは、コンプレッサー１２（減圧器によるエネルギー回収機構付き）により減圧されて凝縮器１４に導入され、凝縮器１４にて液化貯蔵可能な燃料は凝縮し、それ以外のガス成分（残余ガス）と分離される。凝縮した液化貯蔵可能な燃料は、液体燃料として貯蔵容器１５に貯蔵される。

一方、残余ガスは、ガスホルダー１７からガスタービンコンバインド発電設備１へ副生ガスを送るための副生ガス搬送ライン２０に戻されるが、凝縮器１４から直接副生ガス搬送ライン２０に戻しても、また、凝縮器１４から炭酸ガス分離装置１６を一旦経由して副生ガス搬送ライン２０に戻しても、どちらでも構わない。残余ガスを、炭酸ガス分離装置１６に導入して、炭酸ガスｄとそれ以外のガス成分ｅとに分離した場合には、炭酸ガス濃度が低減され、熱量の増大したガス成分ｅをガスタービンコンバインド発電設備１へ供給することができ、これにより副生ガス搬送ライン２０の副生ガスの熱量は通常以上に維持され、ガスタービンコンバインド発電設備１の負荷運転に及ぼす影響を少なくすることができる。

炭酸ガス分離装置１６には従来公知の手法が適用可能であり、化学吸収法、物理吸着法（ＰＳＡ法）、膜分離法など何れも適用可能であるが、凝縮器１４から排出される残余ガス中の二酸化炭素濃度が相対的に高いことから（濃縮されるだけではなく、例えば、（２）式で示されるように、反応器１３で二酸化炭素が新たに形成される場合もある）、膜分離法を適用した場合にはより経済的である。

ガスタービンコンバインド発電設備１では、前述したように、その運転負荷を、副生ガスの発生量から加熱炉などでの使用量を差し引いた後の余剰分のばらつき（山谷）の平均値近傍に設定した運転が可能であり、また、そのように運転することが好ましく、その場合には、余剰分がばらつき（山谷）の谷の範囲となる期間は燃料が不足する。

ガスタービンコンバインド発電設備１での燃料が不足する期間は、貯蔵容器１５に貯蔵した液体燃料を、気化器１８に導入して気化させ、気体燃料として前記副生ガス搬送ライン２０へ供給する。この場合、気体燃料を直接副生ガス搬送ライン２０へ供給してもよく、また、混合反応器１９で触媒の存在下で気体燃料を副生ガスと混合し、副生ガス中の二酸化炭素と反応させ、一酸化炭素と水素とに改質した後に、副生ガス搬送ライン２０へ供給してもどちらでも構わない。但し、ガスタービンコンバインド発電設備１では、燃料ガス発熱量の許容変動範囲が設計値の±１０％以内の狭い範囲に制約されており、気体燃料を直接副生ガス搬送ライン２０へ供給した場合には、気体燃料と副生ガスとでガス種が異なることから、この制約を外れる懸念があるが、混合反応器１９で一酸化炭素と水素とに改質した場合には、同一のガス種になるので、この制約は容易に回避できる。

即ち、気体燃料が、エタノール、ジメチルエーテルのうちの何れかである場合、触媒の存在下で、気体燃料を副生ガスと混合すると、副生ガスには二酸化炭素が含有されており、副生ガス中の二酸化炭素と気体燃料とが反応して、一酸化炭素及び水素が形成される。気体気体燃料がジメチルエーテルの場合の反応式を下記の（３）式に示す。
ＣＨ₃ＯＣＨ₃＋ＣＯ₂→３ＣＯ＋３Ｈ₂ …（３）
製鉄所で発生する副生ガスの可燃性成分の主体は水素及び一酸化炭素であり、また、気体燃料が改質されて生成するガスが水素及び一酸化炭素であるので、燃料ガスの発熱量の調整は、混合比を調整するだけでよく、容易に所定の範囲に調整可能となる。

ガスタービンコンバインド発電設備１は、このようにして副生ガス搬送ライン２０から供給される燃料ガスを使用して発電する。以下、図１を参照して、ガスタービンコンバインド発電設備の運転方法を説明する。尚、図１は、本発明を実施したガスタービンコンバインド発電設備の構成を示す概略図である。

副生ガス搬送ライン２０から供給される燃料ガスを燃料ガス圧縮機５に導入し、この燃料ガス圧縮機５により燃料ガスの温度及び圧力を高める。そして、高温高圧化された燃料ガスを燃焼器７に供給する。また、燃焼用の空気を空気圧縮機６に導入し、この空気圧縮機６により高温高圧の空気を得る。この高温高圧化された空気を燃焼器７に供給する。高温高圧化された燃料ガスは、高温高圧化された空気によって燃焼器７で燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスをガスタービン２に導いてガスタービン２を回転駆動させ、これにより発電機４を回転駆動させて発電する。

また、ガスタービン２から排気された排ガスを排ガスボイラー８に導き、そこで蒸気を発生させ、この蒸気を、蒸気タービン３に供給して蒸気タービン３を回転駆動させ、これにより発電機４を回転駆動させて発電する。このように、ガスタービンコンバインド発電設備１では、ガスタービン２、蒸気タービン３、発電機４、空気圧縮機６が同軸上に配置されており、そのために発電が効率的に行われる。

以上説明したように、本発明によれば、製鉄所副生ガスの余剰時に、余剰の副生ガスの少なくとも一部を、液化可能燃料に改質し且つ液化して液体燃料として貯蔵しておき、製鉄所での副生ガスの使用量が発生量よりも多いときには、貯蔵した前記液体燃料を気化して気体燃料となし、該気体燃料を、ガスタービンコンバインド発電設備での燃料として製鉄所で発生する副生ガスと併用するので、ガスタービンコンバインド発電設備に供給される燃料の発熱量及び総熱量は高い状態に維持され、それにより、ガスタービンコンバインド発電設備は、高負荷運転を維持することが可能となり、従来に比べて高い発電効率で発電することが実現される。

ところで、本発明を適用することで、ガスタービンコンバインド発電設備の発電効率が向上する。本発明者等の検討によれば、製鉄所下工程の鋼材加熱炉などにおいては、従前通り、高炉ガスに増熱用としてコークス炉ガス及び転炉ガスが混合された、所定の発熱量を有するガスを使用し、それ以外の副生ガスをガスタービンコンバインド発電設備の燃料ガスとして発電することで、発電効率が大幅に向上することから、その発電量は製鉄所の各設備で使用する電力量を十分に上回ることが分かっている。つまり、本発明を適用することで、ガスタービンコンバインド発電設備のみの発電量で十分に製鉄所の各設備の電力を供給可能となることが分かっている。

この余剰の電力の有効利用の方法としては、近年の地球温暖化防止対策の一環として、ＣＯ₂地中貯蔵のための電力として使用する、または、電気炉における鉄スプラップ溶解用電力として活用することが好ましい。尚、製鉄所での鉄源としては、通常、高炉にて鉄鉱石を還元して製造される溶銑と鉄スクラップとが使用されているが、高炉での溶銑の製造には、鉄鉱石を還元し且つ溶融するための多大なエネルギーを要するのに対し、鉄スクラップは溶解熱のみを必要としており、鉄スクラップを利用した場合には、鉄鉱石の還元熱分のエネルギー使用量を少なくすることができるという利点、つまり、省エネルギー及びＣＯ₂削減という利点が得られるからである。

また、余剰の電力を発電せずに、この余剰の電力を発電するために必要な副生ガスの熱量に相当する副生ガスを、還元剤として高炉に吹き込むことも可能である。製鉄所で発生する副生ガスには、一酸化炭素及び水素が含有されており、これらが鉄鉱石の還元剤として機能する。

即ち、高炉では炉頂から、主原料である鉄鉱石、還元剤及び燃料であるコークス、及び造滓剤である石灰石などを装入し、下部側壁に設けた羽口から１０００℃以上に加熱された熱風を吹き込んで鉄鉱石を還元して溶銑を製造している。鉄鉱石は、炉内を降下する間に、コークスの燃焼熱及び熱風によって加熱されるとともに、コークスや微粉炭の燃焼によって生成するＣＯで還元される。この還元反応は、「ＦｅＯｎ＋ｎＣＯ→Ｆｅ＋ｎＣＯ₂」で表され、「間接還元」と呼ばれている。また、コークス或いは微粉炭と直接反応することでも還元されている。この還元反応は、「ＦｅＯｎ＋ｎＣ→Ｆｅ＋ｎＣＯ」で表され、「直接還元」と呼ばれている。

羽口から高炉ガスなどの副生ガスを熱風とともに炉内に吹き込むことにより、副生ガスに含有されるＣＯ及びＨ₂により、鉄鉱石は還元される。従って、この副生ガス供給量に相当する当量分の還元剤を削減することができる。この場合、高炉の熱効率を高める上で、副生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。

年間の副生ガスによる発生熱量が２５兆kcal（コークス炉ガス：９兆kcal、高炉ガス１４兆kcal、転炉ガス２兆kcal）である年間粗鋼生産量が１１５０万トン規模の製鉄所において、前述した図１に示すガスタービンコンバインド発電設備を設置した。また、この製鉄所には、前述した図３に示す、副生ガスから液化燃料を合成して貯蔵し、且つ液化燃料を気化してガスタービンコンバインド発電設備に供給する設備が設置されている。

製鉄所内の加熱炉などの発電以外の年間の副生ガス使用量は、実績から１４兆kcalであるので、差分（＝25−14）の年間１１兆kcalの副生ガスを使用した場合に運転負荷が１００％となるように、ガスタービンコンバインド発電設備を設計した。また、ガスタービンコンバインド発電設備で使用する燃料ガスの発熱量は１０５０kcal／Ｎｍ³に設定した。この発熱量は、発熱量が８２５kcal／Ｎｍ³の高炉ガスと、発熱量が４２５０kcal／Ｎｍ³のコークス炉ガスとの混合ガス（コークス炉ガスの配合量＝６．６体積％）に相当する。

加熱炉などの発電以外の副生ガス使用量は、年間１４兆kcalであるが、常に、この年間１４兆kcalのペースで使用するわけではなく、１日のうちでもこのペースに対して±１５％程度の変動がある。そこで、副生ガスの発生量の方が加熱炉や発電所での使用量よりも多い期間は、前述した（２）式により、副生ガスをジメチルエーテルに液化し、貯蔵容器に貯蔵した。

一方、副生ガスの使用量が発生量よりも多くなる期間は、貯蔵容器に貯蔵したジメチルエーテルを気化器で気化させ、気化させたジメチルエーテルを、混合反応器で副生ガスと混合し、前述した（３）式により、水素及び一酸化炭素に改質し、この改質したガスをガスタービンコンバインド発電設備に供給して発電した。

その結果、発熱量が１０５０kcal／Ｎｍ³の燃料ガスを常に安定してガスタービンコンバインド発電設備に供給することができ、ガスタービンコンバインド発電設備の運転負荷を約１００％に維持することが実現された。これにより、発電効率は４８％となった。

これに対して、比較のために実施した、副生ガスをジメチルエーテルなどの液化燃料として貯蔵しない場合には、加熱炉などの発電以外の副生ガス使用量が変動し、ガスタービンコンバインド発電設備への燃料ガスが不足することから、ガスタービンコンバインド発電設備の運転負荷を１００％に維持することはできず、運転負荷は７０％程度にしかならなかった。この場合の発電効率は約４５％であった。

このように、本発明を適用することにより、ガスタービンコンバインド発電設備の運転負荷を約１００％に上昇且つ維持することができ、これにより、発電効率を約５％上昇させることが可能となり、効率的な発電が実現できた。

年間粗鋼生産量が１０００万トンの製鉄所において、本発明を適用した場合の検討結果を説明する。検討の前提条件として、製鉄所で発生する副生ガスを、製鉄所下工程の鋼材加熱炉などで所定通り使用し、それ以外の副生ガスを、ガスタービンコンバインド発電設備の燃料ガスとした。副生ガスは、ジメチルエーテルに液化して貯蔵することとした。当然ながら、ＬＮＧやＬＰＧなどの購入エネルギーの使用はゼロとした。表１に、この製鉄所のエネルギーバランスを示す。

製鉄所に投入されるエネルギーは、原料炭及びコークスからなる還元剤であり、１０００万トン／年の粗鋼生産に対して、年間４７．８兆kcalの還元剤が投入され、この還元剤から、副生ガスとして、７．８兆kcalのコークス炉ガス、１２．２兆kcalの高炉ガス、１．７兆kcalの転炉ガスが発生し、これらの副生ガスが回収される。一方、投入されるエネルギーのうち、還元反応熱は１６．５兆kcal、高炉や転炉などの炉体からの放散熱は９．６兆kcalであり、これらはエネルギーとしては回収されない。

実績に則ると、回収した副生ガスのうち、１２．２兆kcal分の副生ガスは、製鉄所下工程の鋼材加熱炉などに使用されることから、ガスタービンコンバインド発電設備には、９．５兆kcal分の副生ガスが供給されることになる。

本発明を適用した場合（本発明例）には、この９．５兆kcal分の副生ガスを燃料として、５０％の発電効率で発電可能と設定した。また、比較のために、従来の蒸気タービン型の発電所で発電する場合（比較例）も検討した。蒸気タービン型の発電所の発電効率は実績に則り３７％とした。表２に、この製鉄所の電力バランスを示す。

本発明例においては、９．５兆kcal分の副生ガスから、年間あたり５４．１億kWhの電力が得られる結果となった。製鉄所の年間電力使用量は、実績に則ると４４．３億kWhであるので、年間あたり９．８億kWhの電力が余剰として発生する結果となった。

この余剰の電力を、ＣＯ₂地中貯蔵のための電力として使用する、或いは、電気炉での鉄スクラップの溶解用電力として使用可能であることが分かった。また、余剰の電力を発電しない場合には、余剰の電力を発電するに必要な副生ガスが使用されずに余り、この副生ガスを、高炉に還元用ガスとして吹き込むことが可能であることが分かった。

一方、比較例では、発電所の発電効率が３７％であり、本発明例と同一量のエネルギーを投入したにも拘わらず、年間あたり４０．９億kWhの電力が得られるのみであり、年間あたり３．４億kWh分の電力が不足し、外部からこの相当分の電力を購入しなければならない結果となった。

本発明を実施したガスタービンコンバインド発電設備の構成を示す概略図である。 ガスタービンコンバインド発電設備における運転負荷と発電効率との関係を示す図である。 本発明の実施形態例を示す図である。

符号の説明

１ ガスタービンコンバインド発電設備
２ ガスタービン
３ 蒸気タービン
４ 発電機
５ 燃料ガス圧縮機
６ 空気圧縮機
７ 燃焼器
８ 排ガスボイラー
９ 変速機
１０ フィルター
１１ 脱硫装置
１２ コンプレッサー
１３ 反応器
１４ 凝縮器
１５ 貯蔵容器
１６ 炭酸ガス分離装置
１７ ガスホルダー
１８ 気化器
１９ 混合反応器
２０ 副生ガス搬送ライン

Claims (4)

1. 製鉄所で発生する副生ガスを燃料として発電するガスタービンコンバインド発電設備の運転方法であって、製鉄所での副生ガスの使用量よりも発生量の方が多い副生ガスの余剰時に、余剰の副生ガスの少なくとも一部を、液化可能燃料に転換し且つ液化して液体燃料として貯蔵し、製鉄所での副生ガスの使用量が発生量よりも多いときには、貯蔵した前記液体燃料を気化して気体燃料となし、該気体燃料を、ガスタービンコンバインド発電設備での燃料として製鉄所で発生する副生ガスと併用することを特徴とする、ガスタービンコンバインド発電設備の運転方法。
2. 前記液体燃料は、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルのうちの何れか１種または２種以上であることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンコンバインド発電設備の運転方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスタービンコンバインド発電設備の運転方法で発電される電力を製鉄所の各設備に供給し、余剰の電力を用いて二酸化炭素地中貯蔵のための電力または鉄スクラップ溶解のための電力として利用することを特徴とする、製鉄所でのエネルギー運用方法。
4. 請求項１または請求項２に記載のガスタービンコンバインド発電設備の運転方法で発電される電力を製鉄所の各設備に供給し、余剰の電力分に相当する発電を中止し、この発電量に必要な副生ガスの熱量に相当する副生ガスを高炉に吹き込むことを特徴とする、製鉄所でのエネルギー運用方法。

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