JP2018053060A - 炭素質燃料のガス化方法、製鉄所の操業方法およびガス化ガスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭素質燃料を高い収率でガス化できる炭素質燃料のガス化方法、炭素質燃料から高い収率でガス化ガスを製造できるガス化ガスの製造方法、および、炭素質燃料を高い収率でガス化して用いる製鉄所の操業方法を提供する。【解決手段】 ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤とに加え、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給することにより、もしくは、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給することにより、この課題を解決する。【選択図】 図１

Description

本発明は、石炭などの炭素質燃料をガス化する、炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法、および、製鉄所の操業方法に関する。

石炭などの炭素質燃料をガス化して高発熱量の生成ガスに変換する方法は、過去、多くの技術が開示されてきた。

例えば、特許文献１には、石炭ガス化炉で生成した生成ガスの一部を抜出して、抜き出した生成ガスを酸素で燃焼させてＣＯ₂とＨ₂Ｏに変換し、このＣＯ₂とＨ₂Ｏとの混合ガスを石炭ガス化炉に石炭を供給する搬送ガスとする石炭ガス化設備が開示されている。
特許文献１の石炭ガス化設備では、このような構成を有することにより、Ｎ₂で石炭を搬送する場合と比較して、生成ガスの燃焼熱を高めている。

また、特許文献２には、純酸素を供給するガス化炉であって、ガス化炉に製鋼炉から発生するＣＯ₂を含む製鉄副生ガスを供給して、石炭ガス化で生成するチャーと製鉄副生ガス中のＣＯ₂との反応により生成するＣＯによって、生成ガスを改質して発熱量を増加させる方法が開示されている。

特開２０００−３５５６９３号公報 特開２００７−９０６９号公報

しかしながら、上記従来技術には、以下のような問題がある。
特許文献１に記載の設備は、ガス化炉で生成した生成ガスの一部を抜出して酸素で燃焼させてＣＯ₂とＨ₂Ｏに変換し、このＣＯ₂とＨ₂Ｏ混合ガスを石炭の搬送ガスとする。
そのため、搬送ガスとしてガス化炉内に供給されるＣＯ₂とＨ₂Ｏの比率を任意に制御することができない。その結果、下記の式（１）および式（２）の各反応量を制御して、生成ガスを高い収率で製造することができない。
Ｃ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ （１）
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂ （２）

また、特許文献２に記載の方法は、製鉄副生ガス中のＣＯ₂およびガス化炉で得られるチャーによって、上記式（１）によって生成ガスを改質する方法であり、製鉄副生ガス中のＣＯ₂濃度に依存して改質効率が決まる方法である。
そのため、生成ガスを高い収率で製造することができない問題点を有することは、特許文献１に記載の設備と同じである。

したがって本発明の目的は、炭素質燃料を高い収率でガス化できる炭素質燃料のガス化方法、炭素質燃料から高い収率でガス化ガスを製造できるガス化ガスの製造方法、および、炭素質燃料を高い収率でガス化して利用する製鉄所の操業方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するため検討を重ねた結果、炭素質燃料のガス化において、ガス化炉に、空気、酸素富化空気、酸素から選ばれる酸化剤に加え、製鉄副生ガスおよび過剰なスチームを供給することが有効であることを見出した。
また、本発明者らは、炭素質燃料のガス化において、ガス化炉に、空気、酸素富化空気、酸素から選ばれる酸化剤に加え、製鉄副生ガスに過剰なスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスを供給することも有効であることも見出した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。

すなわち、本発明の炭素質燃料のガス化方法の第１の態様は、炭素質燃料をガス化するにあたり、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給することを特徴とする炭素質燃料のガス化方法を提供する。

また、本発明の炭素質燃料のガス化方法の第２の態様は、炭素質燃料をガス化するにあたり、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給することを特徴とする炭素質燃料のガス化方法を提供する。

このような本発明の炭素質燃料のガス化方法において、前記製鉄副生ガスが、高炉ガス、シャフト炉ガスおよび冶金炉発生排ガスから選ばれる１種以上であるのが好ましい。
また、前記製鉄副生ガスは、ＣＯ濃度が５ｖｏｌ％以上で、Ｎ₂濃度が６０ｖｏｌ％以下であるのが好ましい。
さらに、前記炭素質燃料が、泥炭、褐炭および亜瀝青炭から選ばれる１種以上であるのが好ましい。

また、本発明のガス化ガスの製造方法の第１の態様は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給して、前記炭素質燃料をガス化することを特徴とするガス化ガスの製造方法を提供する。

また、本発明のガス化ガスの製造方法の第２の態様は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給して、前記炭素質燃料をガス化することを特徴とするガス化ガスの製造方法を提供する。

また、本発明の製鉄所の操業方法の第１の発明の第１の態様は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給することにより、前記炭素質燃料をガス化して、生成したガスを製鉄所のエネルギーの少なくとも一部として用いることを特徴とする製鉄所の操業方法を提供する。

また、本発明の製鉄所の操業方法の第１の発明の第２の態様は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給することにより、前記炭素質燃料をガス化して、生成したガスを製鉄所のエネルギーの少なくとも一部として用いることを特徴とする製鉄所の操業方法を提供する。

また、本発明の製鉄所の操業方法の第２の発明の第１の態様は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給することにより、前記炭素質燃料をガス化して、生成したガスを酸化鉄の還元材の少なくとも一部として用いることを特徴とする製鉄所の操業方法を提供する。

さらに、本発明の製鉄所の操業方法の第２の発明の第２の態様は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給することにより、前記炭素質燃料をガス化して、生成したガスを酸化鉄の還元材の少なくとも一部として用いることを特徴とする製鉄所の操業方法を提供する。

本発明の炭素質燃料のガス化方法およびガス化ガスの製造方法によれば、炭素質燃料を高い収率でガス化することができ、炭素質燃料のガス化を低コストで行い、生成ガス（ガス化ガス）を安価に製造できる。また、本発明の製鉄所の操業方法によれば、炭素質燃料を高い収率でガス化して、生成したガスを製鉄所のエネルギー源や酸化鉄の還元に用いることにより、製鉄所における操業コストを低減できる。

本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法および製鉄所の操業方法の一例を説明するための概念図である。 本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法および製鉄所の操業方法の別の例を説明するための概念図である。

以下、本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法、および、製鉄所の操業方法について、添付の図面に示される好適例を基に詳細に説明する。

図１および図２に、本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法、および、製鉄所の操業方法を説明するための概念図を示す。図１は、本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法および製鉄所の操業方法の第１の態様に対応するものであり、図２は、本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法および製鉄所の操業方法の第２の態様に対応するものである。
なお、本発明の製鉄所の操業方法の第１の発明は、図１あるいは図２に示す方法で生成した生成ガスを、製鉄所におけるエネルギーの少なくとも一部として用いるものであり、本発明の製鉄所の操業方法の第２の発明は、図１あるいは図２に示す方法で生成した生成ガスを、製鉄所での酸化鉄の還元における還元材の少なくとも一部として用いるものである。
本発明は、このような構成を有することにより、石炭等の炭素質燃料をガス化して生成した生成ガス（ガス化ガス）を、高収率で製造できる。

以下の説明では、本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法および製鉄所の操業方法の第１の態様を、まとめて『本発明の第１の態様』とも言う。また、本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法および製鉄所の操業方法の第２の態様を、まとめて『本発明の第２の態様』とも言う。

本発明は、石炭等の炭素質燃料をガス化するものである。
本発明の第１の態様においては、炭素質燃料が供給されるガス化炉１０に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤とに加え、製鉄副生ガスおよび過剰のスチーム（水蒸気）とを供給することにより、炭素質燃料をガス化する。
また、本発明の第２の態様においては、ガス化炉１０に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤とに加え、製鉄副生ガスに過剰のスチームを供給してシフト変性することによって生成したシフト変性製鉄副生ガスとを供給することにより、炭素質燃料をガス化する。
以下の説明では、『製鉄副生ガスおよびスチーム』と『シフト変性製鉄副生ガス』とを区別する必要がない場合には、両者を『ガス化剤』とも言う。

図１に示す本発明の第１の態様において、ガス化炉１０には、炭素質燃料を供給するための原料供給管１２、製鉄副生ガスおよびスチームを供給するためのガス化剤供給管１４、酸化剤を供給するための酸化剤供給管１６、灰分を排出するための排出口１８、および、生成ガスを回収するための回収管２０が設けられる。回収管２０には、サイクロン２４が接続され、サイクロン２４の固形分の排出口は、連結管２６によってガス化炉１０に接続されている。
他方、図２に示す本発明の第２の態様においては、ガス化炉１０のガス化剤供給管１４に、シフト変性器３０が接続され、このシフト変性器３０に、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームが供給され、シフト変性器３０でシフト変性した製鉄副生ガス（シフト変性製鉄副生ガス）が、ガス化剤供給管１４からガス化炉１０に供給される。

本発明において、ガス化炉１０には制約はない。従って、ガス化炉１０は、固定床式、流動床式、噴流床式などの各種形式のガス化炉を用いることができる。従って、例えば、流動層式ガス化炉であれば、一般的な気泡流動層の他に、高速流動層、外部循環流動層、内部循環流動層など、公知の各種形式の流動層ガス化炉を用いることができる。

ガス化原料となる炭素質燃料は、図示しない供給器によって所定量が切り出されて、原料供給管１２からガス化炉１０内に、連続的あるいは断続的に定量供給される。
ガス化原料となる炭素質燃料としては、石炭、バイオマス、廃タイヤや廃プラスチック等の廃棄物類等、公知の各種の炭素質燃料を用いることができる。
中でも、炭素質燃料は、泥炭、褐炭、亜瀝青炭から選ばれる１種以上であるのが好ましい。泥炭や褐炭や亜瀝青炭は、比較的ガス化し易い炭素質燃料であると共に、比較的安価で、かつ、大量に存在する資源であるため、好ましく用いられる。

ガス化炉１０として、流動床式のガス化炉等を用いる場合には、炭素質燃料は、ガス化炉１０の内部で適正に流動化して、ガス化炉１０の内部で均一に分布するよう、粒径を０．１〜１０ｍｍに粉砕・分級するのが好ましく、粒径を０．５〜８ｍｍの範囲に粉砕・分級するのがより好ましい。
炭素質燃料の粒径が０．１ｍｍより細かいと、炭素質燃料が飛散してしまう可能性があり、さらに、酸化剤および／またはガス化剤の送風動力が大きくなってしまう可能性が有る。炭素質燃料の粒径が１０ｍｍより大きいと、炭素質燃料が流動化しなくなり、生成ガス収率が低下するため、好ましくない。

本発明においては、炭素質燃料は、図１および図２に示すように、ガス化剤（製鉄副生ガス、あるいは、シフト変性製鉄副生ガス）よりも上部に供給することが好ましい。これにより、炭素質燃料が効率良くガス化剤と接触し、高い収率で生成ガスが得られる。

本発明において、炭素質燃料の供給方式には制約はなく、乾式供給でもよく、水スラリー等を用いる湿式供給でもよい。
炭素質燃料の供給量にも制約はなく、ガス化炉の大きさや供給できる製鉄副生ガス、あるいは、シフト変性製鉄副生ガスの量等に応じて、炭素質燃料のガス化を適正に行える供給量を、適宜、設定すればよい。

また、本発明においては、炭素質燃料を直接流動化させるため、流動媒体を用いてもよい。
流動媒体を用いる場合は、アルミナ粉、マグネシア粉、生石灰粉、石灰石粉、珪砂などガス化反応条件下で安定なものであれば、任意の流動媒体を用いることができる。流動媒体を用いる場合は、粒径を２０〜２０００μｍに揃えるのが好ましく、粒径を３０〜１０００μｍに揃えるのがより好ましい。流動媒体の粒径が２０μｍ未満の場合は、ガス化炉１０から飛散する流動媒体が多くなってしまい、コスト高になる可能性がある。流動媒体の粒径が２０００μｍより大きい場合は、酸化剤等の供給量によっては、安定した流動層を形成できない可能性がある。

酸化剤は、酸化剤供給管１６から供給される。
酸化剤としては、空気、酸素富化空気、酸素から選ぶことができる。なお、本発明において、酸素とは純酸素のことを意味する。なお、酸素富化空気については、酸素濃度に特別な制約はない。
また、酸化剤の供給量は、ガス化炉の大きさ、炭素質燃料の供給量や種類などに応じて、適宜、選択すればよい。

前述のように、図１に示す本発明の第１の態様において、ガス化剤供給管１４には、製鉄副生ガスおよび過剰なスチームが供給される。なお、過剰なスチームとは、後述する式（３）において、製鉄副生ガスに含まれるＣＯに対して過剰の量という意味である。
製鉄副生ガスには、ＣＯおよびＨ₂Ｏが含まれる。また、ガス化炉１０内は、高温である。従って、製鉄副生ガスおよびスチームをガス化炉１０に供給すると、ガス化炉１０内が高温で、かつ、スチームが存在することから、ガス化炉１０の内部で式（３）のシフト反応が進行し、製鉄副生ガスに含有されるＣＯおよびＨ₂Ｏから、ＣＯ₂およびＨ₂が生成する。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ ・・・ 式（３）
従って、ガス化炉１０内は、結果的に、シフト変性で生成されたＣＯ₂およびＨ₂に加え、過剰に添加したスチームの余剰分のＨ₂Ｏが供給された場合と同様の状態となる。

他方、前述のように、図２に示す本発明の第２の態様において、ガス化剤供給管１４にはシフト変性器３０が接続される。
図２に示す例において、シフト変性器３０に製鉄副生ガスおよび過剰のスチームが、共に公知の方法で流量を調節されて供給される。なお、必要に応じて、製鉄副生ガス、もしくは、水蒸気、もしくは、製鉄副生ガスと水蒸気との混合ガスを予熱してもよい。
また、ガス化剤供給管１４すなわちガス化炉１０には、シフト変性器３０でシフト変性された製鉄副生ガス（シフト変性製鉄副生ガス）が供給される。

シフト変性器３０に製鉄副生ガスおよび過剰のスチームが供給されると、シフト変性器３０内において、前述の式（３）のシフト反応が進行して、製鉄副生ガスに含有されるＣＯおよびＨ₂ＯからＣＯ₂およびＨ₂が生成する。
従って、シフト変性製鉄副生ガスには、シフト変性で生成されたＣＯ₂およびＨ₂に加え、過剰に添加したスチームの余剰分のＨ₂Ｏが含まれる。
すなわち、前述の図１に示す例と同様、図２に示す例においても、ガス化炉１０には、ＣＯ₂、Ｈ₂およびＨ₂Ｏが供給される。

なお、シフト変性器３０には制約はなく、固定床反応器、流動床反応器など、シフト変性反応を行うことができる公知の反応器を用いることができる。
シフト変性器３０には、通常、市販のシフト触媒が充填される。なお、シフト触媒としては低温シフト触媒と高温シフト触媒とが有るが、本発明では、そのどちらも用いることができる。

シフト反応は比較的反応速度の速い反応であるので、図１に示す本発明の第１の態様のように、ガス化炉１０に製鉄副生ガスおよびスチームを供給し、ガス化炉内部でシフト反応を進行させることが可能である。
しかしながら、ガス化炉１０の滞留時間を長くできないような場合、および／または、シフト反応を厳密に制御したい場合などには、図２に示す本発明の第２の態様のように、シフト変性器３０を外部に設置して、シフト変性器３０に製鉄副生ガスおよび過剰のスチームを供給して、シフト変性器３０で生成したシフト変性製鉄副生ガスをガス化炉１０に供給するのが好ましい。

前述のように、図１に示す本発明の第１の態様においては、ガス化炉１０に製鉄副生ガスおよび過剰のスチームを供給することで、ガス化炉１０内にはＣＯ₂、Ｈ₂およびＨ₂Ｏが供給された状態となる。また、図２に示す本発明の第２の態様においては、ガス化炉１０にはＣＯ₂、Ｈ₂およびＨ₂Ｏを含むシフト変性製鉄副生ガスが供給される。
さらに、ガス化炉１０には、酸化剤供給管１６から、空気、酸素富化空気および酸素から選択される酸化剤が供給される。
前述のように、ガス化原料である炭素質燃料は原料供給管１２から、連続的あるいは断続的に、ガス化炉１０の内部に定量供給される。ガス化炉１０の内部に供給された炭素質燃料は、ＣＯ₂、Ｈ₂およびＨ₂Ｏと、酸化剤とによって、ガス化される。

ガス化炉１０内においては、ＣＯ₂およびＨ₂に加え、Ｈ₂Ｏや、生成したＨ₂と酸化剤との反応で生成したにＨ₂Ｏよって、下記の式（４）〜式（７）のような各種の改質反応や、式（８）のような水素化分解反応で、炭素質燃料のガス化が進行すると考えられる。なお、下記の式では、炭素質燃料の分解で生成した炭化水素を、ＣＨ₄およびＣ₂Ｈ₆で代表している。
Ｃ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ ・・・ 式（４）
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂ ・・・ 式（５）
ＣＨ₄＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ＋２Ｈ₂ ・・・ 式（６）
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂ ・・・ 式（７）
Ｃ₂Ｈ₆＋Ｈ₂ → ２ＣＨ₄ ・・・ 式（８）

ここで、本発明の第１の態様においては、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームをガス化炉１０に供給することにより、ガス化炉１０内において式（３）のシフト反応が生じる。また、本発明の第２の態様においては、製鉄副生ガスをシフト変性して生成したシフト変性製鉄副生ガスをガス化炉１０に供給する。従って、本発明においては、ガス化炉１０には、製鉄副生ガスのシフト変性によって生成されるＨ₂が供給される。
そのため、本発明では、特に上記式（８）に示される水素化分解反応が好適に進行し、生成ガスとはならない常温で液体や固体の炭素数の大きな炭化水素が、水素化分解反応によって、炭素数が４（ブタン）以下の常温で気体の炭化水素となる。
その結果、本発明によれば、炭素質燃料を高い収率でガス化することができる。

さらに、本発明においては、炭素質燃料のガス化に製鉄副生ガスを用いる。
そのため、本発明によれば、製鉄所において副次的に発生した製鉄副生ガスを、そのまま用いることができるので、非常に効率がよく、また、炭素質燃料のガス化に用いるガス化剤を安価にできる。

製鉄副生ガスは、ＣＯ濃度が５ｖｏｌ％以上で、Ｎ₂濃度が６０ｖｏｌ％以下であるのが好ましい。
製鉄副生ガスのＣＯ濃度を５ｖｏｌ％以上とすることにより、シフト変性によって得られるガス化剤中のＨ₂およびＣＯ₂の濃度を充分に高くして、生成ガス収率を向上できる。また、製鉄副生ガスのＮ₂濃度を６０ｖｏｌ％以下とすることにより、充分な気体燃料の燃焼熱を得られると共に、シフト反応速度も向上できる。
製鉄副生ガスの具体例としては、上述した好ましいガス組成の観点から、特に高炉ガスやシャフト炉ガス（一般的なガス組成は、ＣＯ：１０〜３０ｖｏｌ％、ＣＯ₂：１０〜３０ｖｏｌ％、Ｎ₂：３０〜５５ｖｏｌ％、Ｈ₂：０〜１０ｖｏｌ％）が好ましい。
また、製鉄副生ガスとしては、高炉ガスやシャフト炉ガス以外のＣＯを含有する製鉄副生ガスを用いてもよいが、上述した好適範囲のガス組成を有するものが好ましい。このような製鉄副生ガスとしては、転炉ガスなどの冶金炉発生排ガスを好適に用いることができる。これ以外にも、製鉄所内の燃焼炉から排出される排ガスも利用可能である。
以上のような製鉄副生ガスは、１種を単独で若しくは２種以上を混合して用いることができる。

他方、スチームは、本発明を実施する工場等の設備内の蒸気配管からスチームを供給するのが、最も簡便である。あるいは、水を気化して、ガス化炉１０専用のスチームとして供給してもよい。
スチームの圧力には制約はなく、低圧、中圧、高圧の各種のスチームが使用できる。また、スチームは、飽和スチームであっても、過飽和スチームであってよい。

本発明において、炭素質燃料と反応するＨ₂、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの濃度に制約はない。
すなわち、本発明の第１の態様においては、ガス化炉１０に供給する製鉄副生ガスおよびスチームに起因するＨ₂、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの濃度に制約はない。また、本発明の第２の態様においては、シフト変性製鉄副生ガスに含まれるＨ₂、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの濃度に制約はない。

ここで、生成ガスの収率を確保する一方で、生成ガス中のＣＯ₂の残留を抑えるなどの観点から、Ｈ₂Ｏ濃度は５〜７０ｖｏｌ％程度であるのが好ましい。また、生成ガスの収率を確保する観点から、Ｈ₂濃度およびＣＯ₂濃度は、共に、３ｖｏｌ％以上であるのが好ましい。また、同様の観点から、炭素質燃料と反応するＨ₂、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの好ましい組成は、Ｈ₂Ｏ：２０〜７０ｖｏｌ％、Ｈ₂：５〜４０ｖｏｌ％、ＣＯ₂：５〜４０ｖｏｌ％である。
従って、本発明の第１の態様においては、上記の各成分の濃度を実現できるように、ガス化炉１０に供給する製鉄副生ガスとスチームとの量比を調節するのが好ましい。また、本発明の第２の態様においては、シフト変性製鉄副生ガスにおけるＨ₂、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの濃度が上記の範囲を満たすように、シフト変性器３０に供給する製鉄副生ガスとスチームとの量比を調節するのが好ましい。
なお、ガス化剤、および、ガス化剤に起因してガス化炉１０内で生成されるガスには、これらの成分の他に、他の成分（例えば、Ｎ₂など）が含まれることを妨げない。

また、本発明において、ガス化炉１０への製鉄副生ガスおよびスチーム、あるいは、ガス化炉１０へのシフト変性製鉄副生ガスの供給量には制約はなく、ガス化炉１０の大きさや炭素質燃料の供給量等に応じて、炭素質燃料のガス化を適正に行える供給量を、適宜、設定すればよい。

図１および図２に示される例においては、酸化剤とガス化剤とを、別々の供給管（供給管）から供給している。本発明は、これに限定はされず、酸化剤とガス化剤とを同じ供給管から供給してもよい。
しかしながら、製鉄副生ガスあるいはシフト変性製鉄副生ガスと、酸化剤とを、同じ供給管から供給すると、供給管内で製鉄副生ガスあるいはシフト変性製鉄副生ガスが酸化されてしまうため、好ましく無い。従って、少なくとも製鉄副生ガスあるいはシフト変性製鉄副生ガスと、酸化剤とは、別々の供給管から供給するのが好ましい。

さらに、酸化剤は、ガス化剤よりも下方からガス化炉１０に供給するのが好ましい。
前述のように、炭素質燃料は、ガス化剤よりも上部に供給することが好ましい。また、本発明においては、通常、酸化剤の供給量は、ガス化剤の供給量よりも多い。加えて、ガス化炉１０内における生成ガスの流れは、下方から上方である。
そのため、供給量の多い酸化剤を、ガス化剤よりも下方から供給することにより、ガスの流速によって炭素質燃料の流動性を好適に確保できると共に、炭素質燃料、ガス化剤および酸化剤を効率良く混合して、ガス化を促進できる。

なお、本発明の第１の態様においては、製鉄副生ガスとスチームとを、別々の供給管から供給してもよい。さらに、スチームは、酸化剤と共に供給しても配管内で酸化することは無いので、本発明の第１の態様においては、スチームと酸化剤とを、同じ供給管から供給してもよい。

本発明において、炭素質燃料のガス化反応温度にも制約は無いが、ガス化反応温度は６００〜１５００℃が好ましく、８００〜１２００℃がより好ましい。
反応温度を６００℃以上とすることにより、生成ガスの収率を向上できると共に、高粘性のタール状物質の副生も防止して、配管の閉塞などのトラブルの発生を防止できる。また、反応温度を１５００℃以下とすることにより、燃焼熱の高い生成ガスを得ることができる。さらに、反応温度を１５００℃以下とすることにより、ガス化炉に投入する熱源の量を抑制して、コストを低減できる点でも好ましい。
ガス化炉の加熱方法にも制約はなく、外熱式ヒーターを用いる方法、ガス化炉を被覆するジャケットに加熱媒体を供給して加熱する方法等、炭素質燃料のガス化におけるガス化炉の加熱に利用されている公知の方法で行えばよい。

ガス化炉１０における炭素質燃料のガス化による生成ガス（ガス化ガス）は、回収管２０から排出される。
ガス化炉１０（回収管２０）の下流には、サイクロン２４が設けられる。炭素質燃料のガス化によって生成したチャーや未反応の炭素質燃料と、生成ガスとが、サイクロン２４によって分離される。サイクロン２４の固形分の排出口は、連結管２６によってガス化炉１０に接続されており、生成ガス収率を高くするために、生成ガスから分離されたチャーや未反応の炭素質燃料は、連結管２６からガス化炉１０に戻される。

なお、サイクロン２４はガス化炉１０の内部に設置しても、図示例のようにガス化炉１０の外部に設置しても良い。また、直列多段のサイクロンとして、チャーなどの分離効率を高めてもよい。
さらに、サイクロン２４の下流にバグフィルターなどの集塵機を設置して、分離効率を高めてもよい。サイクロン２４の下流に配置された集塵機によって分離したチャーや未反応の炭素質燃料も、通常、生成ガス収率を高くするためにガス化炉に戻される。

炭素質燃料のガス化で生成する、炭素質燃料由来の灰分は、通常、ガス化炉の下部の排出口１８から排出される。

本発明のガス化ガスの製造方法は、本発明の炭素質燃料のガス化方法と同様の処理を行って、ガス化ガスを製造するものである。
具体的には、本発明のガス化ガスの製造方法は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤とに加え、第１の態様においては、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームを供給して、第２の態様においては、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスを供給して、炭素質燃料をガス化する、ガス化ガスの製造方法である。
後に実施例でも示すが、本発明によれば、炭素質燃料から、高い収率で生成ガスを得ることができる。そのため、本発明のガス化ガスの製造方法によれば、高い収率でガス化ガスを製造して、ガス化ガスの製造コストを低減できる。

また、本発明の製鉄所の操業方法の第１の発明は、本発明の炭素質燃料のガス化方法と同様の処理を行って生成したガスを、製鉄所のエネルギーの少なくとも一部として用いるものである。
具体的には、本発明の製鉄所の操業方法の第１の発明は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤とに加え、第１の態様においては、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームを供給することにより、第２の態様においては、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスを供給することにより、炭素質燃料をガス化して、炭素質燃料のガス化によって生成したガスを、製鉄所のエネルギーの少なくとも一部として用いる、製鉄所の操業方法である。
本発明による生成ガスは、燃料ガスとして広範囲の用途を持っているが、前述のように製鉄副生ガスを用いるため、製鉄所内におけるエネルギー源として利用することが合理的である。具体的には、自家発電設備用燃料、鉄鉱石焼結用燃料ガス、高炉熱風炉用燃料ガス、あるいは、種々の副生ガスを混合して製造するミックスガスの原料ガス等を挙げることができる。
後に実施例でも示すが、本発明によれば、炭素質燃料から、高い収率で生成ガスを得ることができる。そのため、本発明の製鉄所の操業方法の第１の発明によれば、製鉄所で使用するエネルギーのコストを低減できる。

さらに、本発明の製鉄所の操業方法の第２の発明は、本発明の炭素質燃料のガス化方法と同様の処理を行って生成したガスを、酸化鉄の還元材の少なくとも一部として用いるものである。
具体的には、本発明の製鉄所の操業方法の第２の発明は、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤とに加え、第１の態様においては、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームを供給することにより、第２の態様においては、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスを供給することにより、炭素質燃料をガス化して、炭素質燃料のガス化によって生成したガスを、酸化鉄の還元材の少なくとも一部として用いる、製鉄所の操業方法である。
本発明による生成ガスは、ＣＯ、Ｈ₂、炭素数１〜４の炭化水素を含むガスである。そのため、この生成ガスは、高炉やシャフト炉等に投入する酸化鉄の還元材として利用することもできる。ここで、酸化鉄とは、鉄鉱石の他に、高炉や転炉等で発生する酸化鉄を含有するダストやスラッジ類も含まれる。
後に実施例でも示すが、本発明によれば、炭素質燃料から、高い収率で生成ガスを得ることができる。そのため、本発明の製鉄所の操業方法の第２の発明によれば、製鉄所における酸化鉄の還元コストを低減できる。

以上、本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法および製鉄所の操業方法について詳細に説明したが、本発明は、上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。

本発明の炭素質燃料のガス化方法、ガス化ガスの製造方法および製鉄所の操業方法について、より詳細に説明する。
なお、本発明は、以下の実施例に限定されないのは、もちろんである。

［実施例１］
乾式供給によって石炭を１〜３ｔｏｎ／ｈ供給できる流動層ガス化試験炉を準備した。なお、本設備は小型の試験炉のため、生成ガスは、分析のためのサンプリング以外は、既設の商業ガス化炉のガス精製設備で処理した。
ガス化試験炉には、酸化剤として、純酸素が供給できるようになっている。また、それとは別の、純酸素の供給配管より上部に位置した配管で、高炉ガス（組成 ＣＯ：２２％、Ｈ₂：５％、ＣＯ₂：２３％、Ｎ₂：５０％）と、工場内の低圧スチーム（圧力３．５ｋｇＧ）とをガス化炉に供給できるようになっている。

用いた石炭は中国製であり、発熱量が２７１００ｋＪ／ｋｇ、工業分析の結果、固有水分が７．５質量％、固定炭素が５１．３質量％、揮発分が３２．３質量％、灰分が８．９質量％であった。

石炭の供給速度を１ｔｏｎ／ｈとし、純酸素の供給量を４０２Ｎｍ³／ｈ、高炉ガスの供給量を１３０ｄｒｙ−Ｎｍ³／ｈ、スチームの供給量を９４ｋｇ／ｈ、ガス化温度を１０００℃として、流動媒体は使用せずに、石炭を直接流動化させ、石炭のガス化実験を行った。
その結果、ＣＯ：６４ｖｏｌ％、Ｈ₂：２５ｖｏｌ％、ＣＨ₄：８ｖｏｌ％、Ｎ₂：３ｖｏｌ％の組成の生成ガス（低位燃焼熱：３２５０ｋｃａｌ／Ｎｍ³）を、炭素基準で８６％の収率で得られた。
石炭流動層に高炉ガスとスチームとを供給したことによって、高い収率で生成ガスを製造できた。

なお、炭素基準の生成ガス収率は、以下のようにして求めた。
本発明において、ガス化炉（流動層ガス化試験装置）に供給する炭素源は、炭素質燃料と、製鉄副生ガスである。前述のように、実施例１においては、炭素質燃料として石炭を用い、製鉄副生ガスとして高炉ガス用いている。
なお、酸化剤として空気あるいは酸素富化空気を用いる場合には、酸化剤にもＣＯ₂に起因する炭素が含まれるが、此処に含まれる炭素は、非常に微量な誤差レベルであるので無視してよい。

ガス化炉に供給する炭素質燃料の供給量をＡｋｇ／ｈ、炭素質燃料の炭素濃度をｘｗｔ％とすると、炭素質燃料による炭素のガス化炉への供給量β［ｋｍｏｌ／ｈ］は、下記式で算出できる。なお、下記式において、『１２』は炭素の原子量である。
β［ｋｍｏｌ／ｈ］＝（Ａ／１２）×（ｘ／１００）
また、ガス化炉に供給する製鉄副生ガスの供給量をＢＮｍ³／ｈ、製鉄副生ガスのＣＯ₂濃度をｙｖｏｌ％とすると、製鉄副生ガスによる炭素のガス化炉への供給量γ［ｋｍｏｌ／ｈ］は、下記式で算出できる。なお、下記式において、『２２．４』は１ｍｏｌの気体の体積（Ｌ）である。
γ［ｋｍｏｌ／ｈ］＝（Ｂ／２２．４）×（ｙ／１００）
すなわち、β＋γ［ｋｍｏｌ／ｈ］が、ガス化炉に供給する炭素の量となる。

一方、ガス化炉で生成される生成ガスの量をＣＮｍ³／ｈとする。
前述のように、生成ガスには、炭素化合物として、ＣＯ、ＣＯ₂、炭素数１の炭化水素（Ｃ₁）、炭素数２の炭化水素（Ｃ₂）、炭素数３の炭化水素（Ｃ₃）および炭素数４の炭化水素（Ｃ₄）が含まれる。ここで、生成ガス中におけるＣＯの含有量をＺ₁ｖｏｌ％、同ＣＯ₂の含有量をＺ₂ｖｏｌ％、同Ｃ₁の含有量をＺ₃ｖｏｌ％、同Ｃ₂の含有量をＺ₄ｖｏｌ％、同Ｃ₃の含有量をＺ₅ｖｏｌ％、同Ｃ₄の含有量をＺ₆ｖｏｌ％とすると、生成ガス中の炭素の量α［ｋｍｏｌ／ｈ］は、下記式となる。なお、下記式において、『２２．４』は１ｍｏｌの気体の体積（Ｌ）である。
α［ｋｍｏｌ／ｈ］＝
｛Ｃ×［（Ｚ₁＋Ｚ₂＋Ｚ₃＋２Ｚ₄＋３Ｚ₅＋４Ｚ₆）／１００］｝／２２．４

ここで、本発明においては、ガス化炉で生成される生成ガスの中には、製鉄副生ガスに起因する炭素も含まれる。これに応じて、生成ガス中の炭素の量αから、製鉄副生ガス分の炭素の供給量γを減算して、下記式によって炭素基準の生成ガス収率［％］を算出する。
生成ガス収率［％］＝［（α−γ）／（β＋γ）］／１００

［実施例２］
純酸素の供給量を３５６Ｎｍ³／ｈ、高炉ガスの供給量を８３ｄｒｙ−Ｎｍ³／ｈ、スチームの供給量を６０ｋｇ／ｈとした以外は、実施例１と同様にして石炭のガス化実験を行った。
その結果、ＣＯ：６５ｖｏｌ％、Ｈ₂：２４ｖｏｌ％、ＣＨ₄：８ｖｏｌ％、Ｎ₂：３ｖｏｌ％の組成の生成ガス（低位燃焼熱：３３１０ｋｃａｌ／Ｎｍ³）が、炭素基準で７５％の収率で得られた。
供給した高炉ガスを減らしたので、生成ガス収率がやや低下すると共に、高炉ガス由来のＮ₂が減少した分、低位燃焼熱が僅かに高くなった。

［実施例３］
純酸素の供給量を３３９Ｎｍ³／ｈ、ガス化温度を９００℃とした以外は、実施例１と同様にして石炭のガス化実験を行った。
その結果、ＣＯ：６４ｖｏｌ％、Ｈ₂：１９ｖｏｌ％、ＣＨ₄：１３ｖｏｌ％、Ｎ₂：４ｖｏｌ％の組成の生成ガス（低位燃焼熱：３５３０ｋｃａｌ／Ｎｍ³）が、炭素基準で８２％の収率で得られた。

［実施例４］
純酸素の供給量を３０１Ｎｍ³／ｈ、ガス化温度を９００℃とした以外は、実施例２と同様にして石炭のガス化実験を行った。
その結果、ＣＯ：ｖｏｌ６６％、Ｈ₂：ｖｏｌ１８％、ＣＨ₄：ｖｏｌ１３％、Ｎ₂：３ｖｏｌ％なる組成の生成ガス（低位燃焼熱：３５７０ｋｃａｌ／Ｎｍ３）が、炭素基準で７１％の収率で得られた。
実施例３に比べ、供給した高炉ガスを減らしたので、生成ガス収率がやや低下すると共に、高炉ガス由来のＮ₂が減少した分、低位燃焼熱が僅かに高くなった。

［比較例１］
純酸素の供給量を２７９Ｎｍ³／ｈとし、高炉ガスおよびスチームは供給しなかった以外は、実施例１と同様にして石炭のガス化実験を行った。
その結果、ＣＯ：６９ｖｏｌ％、Ｈ₂：２２ｖｏｌ％、ＣＨ₄：９ｖｏｌ％、Ｎ₂：０ｖｏｌ％なる組成の生成ガス（低位燃焼熱：３４００ｋｃａｌ／Ｎｍ³）が、炭素基準で５６％の収率で得られた。
本例では、高炉ガスおよびスチームを供給しなかったため、生成ガス収率が大きく低下した。これは、実施例１において高炉ガスおよびスチームから生成された水素が、本例では発生しないために、炭化水素の水素化分解が促進されないためである。なお、実施例１，２に比べ、低位燃焼熱が僅かに高くなったが、これは、高炉ガスに由来するＮ₂が無いので、生成ガス中にＮ₂が含まれないためである。

［比較例２］
純酸素の供給量を２３７Ｎｍ³／ｈとし、高炉ガスおよびスチームは供給しなかった以外は、実施例３と同様にして石炭のガス化実験を行った。
その結果、ＣＯ：７１ｖｏｌ％、Ｈ₂：１６ｖｏｌ％、ＣＨ₄：１３ｖｏｌ％、Ｎ₂：０ｖｏｌ％なる組成の生成ガス（低位燃焼熱：３６６０ｋｃａｌ／Ｎｍ³）が、炭素基準で５２％の収率で得られた。
比較例１と同様、高炉ガスおよびスチームを供給しなかったため、生成ガス収率が大きく低下した。これは、比較例１と同様に、高炉ガスおよびスチームから生成された水素が、本例では発生しないために、炭化水素の水素化分解が促進されないためである。
実施例１〜４、ならびに、比較例１および２より、ガス化炉に高炉ガスおよびスチームを供給することの効果を確認できた。

鉄鋼業や発電業などで使用する燃料ガスの生成や製鉄所における酸化鉄の還元に好適に利用可能である。

１０ ガス化炉
１２ 原料供給管
１４ ガス化剤供給管
１６ 酸化剤供給管
１８ 排出口
２０ 回収管
２４ サイクロン
２６ 連結管
３０ シフト変性器

Claims (11)

1. 炭素質燃料をガス化するにあたり、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給することを特徴とする炭素質燃料のガス化方法。
2. 炭素質燃料をガス化するにあたり、ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給することを特徴とする炭素質燃料のガス化方法。
3. 前記製鉄副生ガスが、高炉ガス、シャフト炉ガスおよび冶金炉発生排ガスから選ばれる１種以上である請求項１または２に記載の炭素質燃料のガス化方法。
4. 前記製鉄副生ガスは、ＣＯ濃度が５ｖｏｌ％以上で、Ｎ₂濃度が６０ｖｏｌ％以下である請求項１〜３のいずれかに記載の炭素質燃料のガス化方法。
5. 前記炭素質燃料が、泥炭、褐炭および亜瀝青炭から選ばれる１種以上である請求項１〜４のいずれかに記載の炭素質燃料のガス化方法。
6. ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給して、前記炭素質燃料をガス化することを特徴とするガス化ガスの製造方法。
7. ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給して、前記炭素質燃料をガス化することを特徴とするガス化ガスの製造方法。
8. ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給することにより、前記炭素質燃料をガス化して、生成したガスを製鉄所のエネルギーの少なくとも一部として用いることを特徴とする製鉄所の操業方法。
9. ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給することにより、前記炭素質燃料をガス化して、生成したガスを製鉄所のエネルギーの少なくとも一部として用いることを特徴とする製鉄所の操業方法。
10. ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスおよび過剰のスチームとを供給することにより、前記炭素質燃料をガス化して、生成したガスを酸化鉄の還元材の少なくとも一部として用いることを特徴とする製鉄所の操業方法。
11. ガス化炉に、炭素質燃料と、空気、酸素富化空気および酸素から選ばれる酸化剤と、製鉄副生ガスに過剰のスチームを添加してシフト変性したシフト変性製鉄副生ガスとを供給することにより、前記炭素質燃料をガス化して、生成したガスを酸化鉄の還元材の少なくとも一部として用いることを特徴とする製鉄所の操業方法。