JP2018172713A - 炉内に酸素富化空気を送風する送風方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、炉内に酸素富化空気を送風する送風方法であって、酸素分離膜を有する酸素分離装置を用いた新規な送風方法を提供することである。【解決手段】本発明の送風方法は、送風機を用いて炉に送風する送風方法であって、酸素分離膜を有する酸素分離装置に空気を供給して、上記酸素分離膜を透過した、酸素濃度が該空気よりも高い透過ガスを得る工程と、上記透過ガスと、上記送風機に供給される空気または上記送風機から送り出される空気と、を混合して得られる酸素富化空気を、上記炉に供給する工程と、を備え、上記透過ガスの流量および酸素濃度が、上記炉の操業に必要とされる上記酸素富化空気の流量および酸素濃度に基づいて算出される。【選択図】図１

Description

本発明は、炉内に酸素富化空気を送風する送風方法に関する。

炉（特に、高炉）の操業では、高温の空気（熱風）が炉に設けられた空気の吹き込み口（高炉の場合、「羽口」という。）から炉内に吹き込まれる。従来、吹き込み口（特に、羽口）から炉内に吹き込まれる熱風には、炉への送風用の空気に酸素を加えて得られる酸素富化空気（通常、酸素濃度が２２〜３０体積％程度）を加熱したものが用いられる。
上記の酸素富化空気の調製は、例えば、深冷分離法などによって高濃度酸素（通常、酸素濃度９９体積％以上）を添加して実施される。しかしながら、深冷分離法による酸素の製造は、酸素製造設備の設置コスト、および、これを駆動するためのエネルギーコストが高いという問題がある。
このような問題に対して、特許文献１では、酸素分離膜（複合金属酸化膜）を備えた酸素分離装置を用いて、空気から酸素を分離して、これを炉への送風用の空気と混合することで、酸素富化空気を得る方法が開示されている。

特開２００１−１３１６１６号公報

酸素分離装置の運転には、酸素分離膜の性能、供給する空気の流量、供給する空気の圧力、酸素分離膜を透過して得られる透過ガスの流量、酸素分離膜を透過して得られる透過ガスの酸素濃度など、種々の要素を考慮する必要がある。
しかし、上記特許文献１には、酸素分離装置の運転条件が具体的に示されていない。

そこで、本発明は、炉内に酸素富化空気を送風する送風方法であって、酸素分離膜を有する酸素分離装置を用いた新規な送風方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、以下の構成により上記目的を達成できることを見出した。

［１］
送風機を用いて炉に送風する送風方法であって、
酸素分離膜を有する酸素分離装置に空気を供給して、前記酸素分離膜を透過した、酸素濃度が該空気よりも高い透過ガスを得る工程と、
前記透過ガスと、前記送風機に供給される空気または前記送風機から送り出される空気と、を混合して得られる酸素富化空気を、前記炉に供給する工程と、
を備え、
前記透過ガスの流量および酸素濃度が、前記炉の操業に必要とされる前記酸素富化空気の流量および酸素濃度に基づいて算出される、送風方法。
［２］
前記透過ガスの圧力が前記炉内の圧力よりも高い状態で、該透過ガスと前記送風機から送り出された空気とが混合される、［１］に記載の送風方法。
［３］
前記透過ガスの流量および酸素濃度は、前記炉の操業に必要とされる前記酸素富化空気の流量および酸素濃度に基づいて、前記酸素分離膜に供給する前記空気の流量または圧力を変化させることで算出される、［１］または［２］に記載の送風方法。
［４］
前記炉が、高炉である、［１］〜［３］のいずれか１つに記載の送風方法。

本発明によれば、炉内に酸素富化空気を送風する送風方法であって、酸素分離膜を有する酸素分離装置を用いた新規な送風方法を提供できる。

本発明の送風方法を実施する際に使用される設備の一例を示す概略図である。 本発明の送風方法における酸素分離装置に供給された空気の流れの一例を示す概略図である。 本発明の送風方法における酸素分離装置から送り出された透過ガスの流量の調整方法の一例を説明するための概略図である。 空気の流量と透過ガスの流量または酸素濃度との関係の一例を示す図である。 空気の圧力と透過ガスの流量または酸素濃度との関係の一例を示す図である。 分離係数と透過ガスの酸素濃度との関係の一例を示す図である。

本発明の送風方法は、送風機を用いて炉に送風する送風方法であって、酸素分離膜を有する酸素分離装置に空気を供給して、上記酸素分離膜を透過した、酸素濃度が上記空気よりも高い透過ガスを得る工程と、上記透過ガスと、上記送風機に供給される空気または上記送風機から送り出される空気と、を混合して得られる酸素富化空気を、上記炉に供給する工程と、を備える。
また、本発明の送風方法においては、透過ガスの流量および酸素濃度が、上記炉の操業に必要とされる上記酸素富化空気の流量および酸素濃度に基づいて算出される。

以下、本発明の好適な実施形態を、図１を参照して具体的に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されない。

図１は、本発明の送風方法を実施する際に使用される設備の一例を示す概略図である。 図１に示すように、酸素分離装置１０に供給された空気１（以下、「原料空気１」ともいう。）は、酸素分離装置１０内に設置された酸素分離膜１２によって、酸素濃度が原料空気１よりも高い透過ガス２と、窒素濃度が原料空気１よりも高い不透過ガス３と、に分離する。
原料空気１は、図示しないガス供給装置によって、酸素分離装置１０に供給される。ガス供給装置としては、送風機、空気圧縮機などが挙げられ、酸素分離装置１０に供給する際の原料空気１の圧力を調整しやすい点から、空気圧縮機（後述する図２の空気圧縮機１４）が好ましい。

酸素分離膜１２の材質は、酸素濃度が空気よりも高い透過ガス２を得られるのであれば特に限定されないが、その具体例としては、複合金属酸化膜（例えば、ペロブスカイト型金属酸化物、酸化金属安定化ジルコニア）、ポリイミドなどの高分子膜、ゼオライト膜が挙げられる。
透過ガス２の酸素濃度は、通常２５〜５０体積％であり、３０〜４０体積％が好ましい。

原料空気１から分離した透過ガス２は、送風機３０おける空気４（以下、「送風空気４」ともいう。）の供給側、および、送風機３０における送風空気４の送出側の少なくとも一方に送られる。これにより、透過ガス２と送風空気４とが混合して、酸素富化空気５が得られる。
一方で、不透過ガス３は、ガス回収装置２０に貯留される。

透過ガス２を送風機３０の送出側に送る場合（すなわち、透過ガス２と送風機３０から送り出された送風空気４とを混合する場合）、透過ガス２の圧力は、高炉５０の圧力よりも高い状態にあるのが好ましい。これにより、酸素富化空気５を高炉５０内に安定して流入させることができるという利点や、高炉５０内の内容物が送風機３０側に逆流するのを抑制しやすくなるという利点がある。
ここで、透過ガス２の加圧は、通常、酸素分離装置１０の下流側であって送風機３０の上流側に設置した空気圧縮機などによって実施される。そのため、透過ガス２を加圧するための専用の空気圧縮機を設ける必要がある。これに対して、酸素分離装置１０に供給される原料空気１を上述した空気圧縮機（例えば、図２の空気圧縮機１４）を用いて予め圧縮しておけば、原料空気１から分離された透過ガス２も加圧された状態を維持できるので、透過ガス２を加圧するための専用の空気圧縮機の設置を省けるという利点がある。

酸素富化空気５は、図示しないガス供給装置によって、熱風炉４０に送られる。酸素富化空気５は、熱風炉４０によって昇温された後、高炉５０内に吹き込まれる。このようにして、高炉５０の操業に必要な酸素富化空気５が高炉５０内に供給されて、高炉５０の操業が実施される。
熱風炉４０による昇温は、酸素富化空気５が９００〜１２５０℃になるまで実施されるのが好ましい。
酸素富化空気５の酸素濃度は、２３〜３５体積％が好ましく、２５〜２９体積％がより好ましい。

透過ガス２の流量および酸素濃度は、高炉５０の操業に必要とされる酸素富化空気５の流量および酸素濃度に基づいて算出される。
具体的には、例えば、透過ガス２の流量および酸素濃度は、高炉５０の操業に必要とされる酸素富化空気５の流量および酸素濃度に基づいて、酸素分離膜１２に供給する原料空気１の流量または圧力を変化させることで、図示しない制御部（例えばＰＣ）によって算出される。
このとき、透過ガス２の流量および酸素濃度の算出時に使用した、酸素分離膜１２に供給すべき原料空気１の流量および圧力のデータが、制御部に記録される。制御部は、記録されたデータにしたがって、酸素分離装置１０に原料空気１を供給する図示しないガス供給装置を制御する。これにより、所定の圧力および流量の原料空気１が酸素分離装置１０に供給される。

以下において、透過ガス２の流量および酸素濃度の算出方法の好適態様を示す。

＜酸素分離膜１２の分離性能＞
膜面積Ａ（ｍ^２）、膜厚δ（ｍ）の酸素分離膜１２を透過する透過ガス２の透過速度Ｐは、酸素分離膜１２を介した分圧差Δｐ（ｋＰａ）を駆動力として、下式（１）で表すことができる。
Ｐ＝Ｑ・Ａ／δ・Δｐ ・・・（１）
式（１）で定義されるＱ（ｍｏｌ・ｍ／（ｍ^２・ｓｅｃ・ｋＰａ））は透過係数であり、酸素分離膜１２を構成する材料と透過ガス２に含まれる成分との組合せで決まる物性値である。分離対象となる２種類の気体（酸素および窒素）の透過係数ＱをそれぞれＱ_１（酸素の透過係数）、Ｑ_２（窒素の透過係数）として、それらの比αを分離係数と定義する（下式（２））。
α＝Ｑ_１／Ｑ_２ ・・・（２）

＜透過ガス２の酸素濃度の導出＞
図２は、酸素分離装置１０に供給された原料空気１の流れを示す概略図である。空気圧縮機１４により所定の圧力まで加圧された原料空気１を、透過係数Ｑ、分離係数αの酸素分離膜１２を備えた酸素分離装置１０に導入すると、酸素分離膜１２を介して圧力差が生じるので、原料空気１の一部が酸素分離膜１２を透過する。このとき、酸素の透過速度が窒素の透過速度を上回ると、酸素分離膜１２を透過したガスから透過ガス２が得られる。一方、不透過側からは、不透過ガス３が得られる。
酸素分離装置１０へ供給する、原料空気１の流量をＦ_ｆ（Ｎｍ^３／ｈ）、原料空気１の酸素濃度をｘ_ｆ、透過ガス２の酸素濃度をｙ_ｐ、不透過ガス３の流量をＦ_ｏ（Ｎｍ^３／ｈ）、不透過ガス３の酸素濃度をｘ_ｏとすると、酸素分離装置１０の全体における酸素の物質収支は、下式（３）および（４）で表される。
Ｐ＝Ｆ_ｆ−Ｆ_ｏ ・・・（３）
Ｐｙ_ｐ＝Ｆ_ｆｘ_ｆ−Ｆ_ｏｘ_ｏ ・・・（４）

また、酸素分離膜１２における原料空気１を供給する供給側の原料空気１の圧力をｐ_ｈ（ｋＰａ）、酸素分離膜１２における透過ガス２が得られる透過側の透過ガス２の圧力をｐ_ｌ（ｋＰａ）とすると、各成分の透過係数から透過ガス２および不透過ガス３の透過速度は次のように表される。
Ｐｙ_ｐ＝（Ｑ_１Ａ／δ）（ｐ_ｈｘ_ｏ−ｐ_ｌｙ_ｐ） ・・・（５）
Ｐ（１−ｙ_ｐ）＝（Ｑ_２Ａ／δ）［ｐ_ｈ（１−ｘ_ｏ）−ｐ_ｌ（１−ｙ_ｐ）］ ・・・（６）

そして、式（３）〜式（６）の連立方程式を解くことにより、透過ガス２の酸素濃度ｙ_ｐは次のように求められる（下式（７））。

式（７）中のφは、透過ガス２の流量の割合を表し、下式（８）で定義される。
φ＝θ＋γ−γθ ・・・（８）
なお、式（８）中、θおよびγは、下式（９）および（１０）に示す通りである。
θ＝Ｐ／Ｆ_ｆ ・・・（９）
γ＝ｐ_ｌ／ｐ_ｈ ・・・（１０）

＜高炉５０に供給する透過ガス２の流量および酸素濃度の算出＞
高炉５０の操業に要求される酸素富化空気５の流量をａ（Ｎｍ^３／ｈ）、酸素濃度をｂ（体積％）とした場合、酸素分離装置１０から高炉５０に供給すべき透過ガス２の流量Ｙ（Ｎｍ^３／ｈ）は、透過ガス２における酸素濃度ｙ_ｐの関数として次のように表される（下式（１１））。なお、下式（１１）中、２０．９は、空気中の酸素濃度（体積％）を表す。
Ｙ＝ａ×（ｂ−２０．９）÷（１００ｙ_ｐ−２０．９） ・・・（１１）
このとき、送風機３０から送り出される送風空気４の流量Ｚ（Ｎｍ^３／ｈ）は、次のように表される。
Ｚ＝ａ−Ｙ ・・・（１２）

式（１１）に示すように、高炉５０の操業の要求諸元が決定すれば、酸素分離装置１０から高炉５０に供給すべき透過ガス２の流量と酸素濃度との関係は一義的に決定される。
また、式（１１）のａおよびｂに所望の値を代入し、上記のようにして導出された式（７）および式（１１）の連立方程式を解くことで、透過ガス２の流量Ｙおよび酸素濃度ｙ_ｐが求められる。

酸素分離装置１０によって得られる透過ガス２の流量および酸素濃度は、式（１）〜式（１０）に示す通り、酸素分離膜１２の性能（膜厚、膜面積、透過係数、分離係数）と、原料空気１の導入条件（流量、圧力）により決定される。一般に、酸素分離膜の性能は、設備導入段階で決まってしまう。このような酸素分離膜の性能が予め決められている場合、透過ガス２の流量および酸素濃度は、高炉５０から要求される値に基づいて、原料空気１の導入条件を変化させることによって、迅速に決定できる。
本発明の送風方法においては、式（１）〜式（１０）（すなわち、酸素分離膜１２の性能および原料空気１の導入条件）のみならず、式（１１）〜式（１２）（すなわち、高炉５０の操業条件）も組合せることによって、透過ガス２の製造から高炉操業までの設計を一気通貫で行うことができる。本発明によれば、高炉操業の要求に対応した原料空気１の条件の制御方法を明らかにすることができ、さらには設備導入段階においては、必要な酸素分離膜１２の性能を求めることも可能となる。

図１の例では、酸素分離装置１０が１つ設置されている場合を示したが、酸素分離装置１０は、複数設置されていてもよい。
複数設置された酸素分離装置１０のうち、稼働させる酸素分離装置の数は、原料空気１の圧力を固定した場合、例えば次のようにして決定できる。
まず、高炉５０から要求された酸素富化空気５の流量および酸素濃度に合致するように、複数の酸素分離装置１０に供給すべき原料空気１の総流量を決定する。なお、上述したように、原料空気１の圧力は予め設定しておく。
続いて、決定された原料空気１の総流量と、１つの酸素分離装置１０から製造可能な透過ガス２の流量と、の関係から、稼働させる酸素分離装置１０の数を決定する。
そして、決定された数の酸素分離装置１０を稼働させることで、所望の流量および酸素濃度の透過ガス２が得られる。
このような複数の酸素分離装置１０の稼働数を決定する方法は、原料空気１の流入方向に対して、同規模の酸素分離装置１０が複数並列に設置されている場合に有効である。

高炉５０の要求に応じて透過ガス２の流量および酸素濃度を決定し、これに応じた値になるように原料空気１の流量または圧力を調整する際に、原料空気１の流量または圧力が所望の値に安定する（すなわち、定常状態となる）までに、ある程度の時間が必要な場合がある。このような場合、放散弁１６および流量調整弁１８の少なくも一方を設置していれば、原料空気１の流量または圧力が定常状態になるまで、透過ガス２の供給量を調節できる。
図３は、酸素分離装置１０から送り出された透過ガス２の流量の調整方法を説明するための概略図である。
図３に示すように、放散弁１６および流量調整弁１８は、原料空気１から分離した透過ガス２が送風機３０における送風空気４の送出側に送られる場合に（すなわち、透過ガス２と、送風機３０から送り出された送風空気４とを混合する場合に）、透過ガス２と送風機３０とを接続する流路に設置される。透過ガス２は、放散弁１６または流量調整弁１８によって、流量が絞られたり、大気中に排出されたりして、その流量が制御される。

図１では、高炉５０を用いた例を示したが、これに限定されず、本発明の送風方法は、焼結炉にも適用できる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されない。

＜実施例１＞
実施例１では、式（１）〜式（１０）を用いて、原料空気１の流量が透過ガス２の流量Ｙおよび酸素濃度ｙ_ｐに及ぼす影響を導き出した。
具体的には、以下に示す値を式（１）〜式（１０）に代入して、原料空気１の流量Ｆ_ｆと透過ガス２の流量Ｙとの関係、および、原料空気１の流量Ｆ_ｆと透過ガス２の酸素濃度ｙ_ｐとの関係を求め、これを図４に示した。
酸素の透過係数：Ｑ_１＝６．５×１０^−１１［ｍｏｌ・ｍ／（ｍ^２・ｓｅｃ・ｋＰａ）］
分離係数：α＝３．１８
酸素分離膜１２の膜面積：Ａ＝２５０［ｍ^２］
酸素分離膜１２の膜厚：δ＝５．０×１０^−７［ｍ］
原料空気１の圧力：ｐ_ｈ＝１１０１［ｋＰａ］
透過ガス２の圧力：ｐ_ｌ＝１０１［ｋＰａ］

図４に示すように、原料空気１の圧力ｐ_ｈを固定した状態で原料空気１の流量Ｆ_ｆを変化させた場合、透過ガス２の流量Ｙおよび酸素濃度ｙ_ｐの両方が同時に変化することがわかる。
したがって、予め透過ガス２を製造して、透過ガス２と送風空気４とを混合して酸素富化空気５を得る本発明の送風方法によれば（図１参照）、透過ガス２の流量Ｙおよび酸素濃度ｙ_ｐが同時に変化する場合であっても、送風空気４の流量等を調整すれば（式（１１）および式（１２）参照）、高炉５０が要求する流量ａおよび酸素濃度ｂの酸素富化空気５が得られることがわかる。
これに対して、送風機３０から送り出される送風空気４を用いて透過ガス２を得る方法を採用すると（具体的には、酸素分離装置１０が、送風機３０と熱風炉４０との間に設置される場合）、透過ガス２の流量Ｙおよび酸素濃度ｙ_ｐが同時に変化するため、所望の流量ａおよび酸素濃度ｂの酸素富化空気５が得られない場合がある。

＜実施例２＞
実施例２では、式（１）〜式（１０）を用いて、原料空気１の圧力ｐ_ｈが透過ガス２の流量Ｙおよび酸素濃度ｙ_ｐに及ぼす影響を導き出した。
具体的には、以下に示す値を式（１）〜式（１０）に代入して、原料空気１の圧力ｐ_ｈと透過ガス２の流量Ｙとの関係、および、原料空気１の圧力ｐ_ｈと透過ガス２の酸素濃度ｙ_ｐとの関係を求め、これを図５に示した。
酸素の透過係数：Ｑ_１＝６．５×１０^−１１［ｍｏｌ・ｍ／（ｍ^２・ｓｅｃ・ｋＰａ）］
分離係数：α＝３．１８
酸素分離膜１２の膜面積：Ａ＝２５０［ｍ^２］
酸素分離膜１２の膜厚：δ＝５．０×１０^−７［ｍ］
原料空気１の流量：Ｆ_ｆ＝８０００［Ｎｍ^３／ｈ］
透過ガス２の圧力：ｐ_ｌ＝１０１［ｋＰａ］

図５に示すように、原料空気１の流量Ｆ_ｆを固定した状態で原料空気１の圧力ｐ_ｈを変化させた場合、透過ガス２の流量Ｙおよび酸素濃度ｙ_ｐの両方が同時に変化することがわかる。
したがって、予め透過ガス２を製造して、透過ガス２と送風空気４とを混合して酸素富化空気５を得る本発明の送風方法によれば（図１参照）、透過ガス２の流量Ｙおよび酸素濃度ｙ_ｐが同時に変化する場合であっても、送風空気４の流量等を調整すれば（式（１１）および式（１２）参照）、高炉５０が要求する流量ａおよび酸素濃度ｂをもつ酸素富化空気５が得られることがわかる。

＜実施例３＞
実施例３では、酸素分離装置１０に供給する原料空気１の圧力が定常状態になるまで、ある程度時間がかかることを想定して、この場合の透過ガス２の制御方法を導き出した。
具体的には、透過ガス２の酸素濃度を一定に保ちつつ、上記図３に示すように放散弁１６および流量調整弁１８によって透過ガス２の流量を制御した。このとき、高炉５０への酸素富化空気５の流量を一定に保った状態で、原料空気１の圧力が定常状態になるまで、透過ガス２の流量と、送風空気４の流量とを制御する。これにより、原料空気１の圧力が定常状態になるまでの間も、高炉５０へ供給する送風空気の流量および酸素濃度が変動することがなくなり、高炉５０の操業状態を安定に保つことが可能となる。なお、原料空気１の圧力が定常状態になった後に、高炉５０の要求に応じた流量および酸素濃度の透過ガス２を供給すればよい。

＜実施例４＞
実施例４では、透過ガス２を加圧するための専用の空気圧縮機を設けることなく、透過ガス２の圧力ｐ_ｌを高炉５０内の圧力よりも高くするケースを想定し、透過ガス２の圧力を高炉５０内の圧力よりも高くするための酸素分離膜１２の分離係数αを求めた。
具体的には、以下に示す値を式（１）〜式（７）に代入して、透過ガス２の酸素濃度ｙ_ｐの要求に応じた酸素分離膜１２の分離係数αの必要値を求め、透過ガス２の酸素濃度ｙ_ｐと酸素分離膜１２の分離係数αとの関係を図６に示した。
酸素の透過係数：Ｑ_１＝６．５×１０^−１１［ｍｏｌ・ｍ／（ｍ^２・ｓｅｃ・ｋＰａ）］
酸素分離膜１２の膜面積：Ａ＝２５０［ｍ^２］
酸素分離膜１２の膜厚：δ＝５．０×１０^−７［ｍ］
原料空気１の圧力：ｐ_ｈ＝１１０１［ｋＰａ］
原料空気１の流量：Ｆ_ｆ＝８０００［Ｎｍ^３／ｈ］
透過ガス２の圧力：ｐ_ｌ＝５０１［ｋＰａ］

図６に示すように、透過ガス２の酸素濃度ｙ_ｐの目標値が４０体積％であれば、分離係数αが１５程度の酸素分離膜１２を使用すればよいことがわかる。

１：空気（原料空気）
２：透過ガス
３：不透過ガス
４：空気（送風空気）
５：酸素富化空気
１０：酸素分離装置
１２：酸素分離膜
１４：空気圧縮機
１６：放散弁
１８：流量調整弁
２０：ガス回収装置
３０：送風機
４０：熱風炉
５０：高炉

Claims (4)

1. 送風機を用いて炉に送風する送風方法であって、
   酸素分離膜を有する酸素分離装置に空気を供給して、前記酸素分離膜を透過した、酸素濃度が該空気よりも高い透過ガスを得る工程と、
   前記透過ガスと、前記送風機に供給される空気または前記送風機から送り出される空気と、を混合して得られる酸素富化空気を、前記炉に供給する工程と、
   を備え、
   前記透過ガスの流量および酸素濃度が、前記炉の操業に必要とされる前記酸素富化空気の流量および酸素濃度に基づいて算出される、送風方法。
2. 前記透過ガスの圧力が前記炉内の圧力よりも高い状態で、該透過ガスと前記送風機から送り出された空気とが混合される、請求項１に記載の送風方法。
3. 前記透過ガスの流量および酸素濃度は、前記炉の操業に必要とされる前記酸素富化空気の流量および酸素濃度に基づいて、前記酸素分離膜に供給する前記空気の流量または圧力を変化させることで算出される、請求項１または２に記載の送風方法。
4. 前記炉が、高炉である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の送風方法。