JP2019206453A - 製鉄所副生ガスの改質装置及び改質方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】製鉄所において利用されていない顕熱や排熱を利用しつつ、製鉄所の副生ガスを改質して燃料ガスを生成することが可能な製鉄所副生ガスの改質装置及び改質方法を提供する。【解決手段】上記課題は、コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスに含まれる二酸化炭素とからなる原料ガスを反応させて一酸化炭素と水素を生成させる電場印加触媒反応装置と、製鉄所から発生する排熱を熱用途へ供給する排熱供給装置を有し、熱用途が、電場印加触媒反応装置及び原料ガスを加熱する熱交換器のうち少なくとも一つであることを特徴とする、製鉄所副生ガスの改質装置とこの装置を用いた製鉄所副生ガスの改質方法によって解決される。【選択図】図１

Description

本発明は、製鉄所から副生するガスの改質装置及び改質方法に関するものである。
製鉄を行い、鉄鋼製品を作る一連の設備がまとまって存在する製鉄所では、製鉄の原料である鉄鉱石の還元剤として石炭が利用され、その一部は不可避的に副生ガスとして生成される。例えば、コークス炉からはコークス炉ガス、高炉からは高炉ガス、転炉からは転炉ガスと呼ばれる、製鉄プロセスにおける副産物として大量に発生するガス（副生ガス）が各々生成され、これらのガスは単独または混合されて製鉄所内の熱風炉や焼結炉などの燃料として自家消費されたり、発電用燃料として活用されている。一方で、高炉スラグや転炉スラグの顕熱、赤熱コークスの顕熱など製鉄プロセスにおける未利用の顕熱や排熱があり、これらの有効利用が長年の課題になっている。また、鉄鉱石を還元する際には、二酸化炭素や一酸化炭素といった酸化炭素含有ガスが発生するが、発生した酸化炭素含有ガスから酸化炭素をどのように分離・回収するかについても長年の課題になっている。このような複数の課題を解決する取り組みの一例として、メタンを還元剤としたドライリフォーミング法を用いて酸化炭素含有ガスから酸化炭素を分離・回収する方法（特許文献１参照）がある。
特開２０１１−２０２２７１号公報
この特許文献１に開示された技術によれば、メタンと二酸化炭素を反応させて一酸化炭素を水素にするとガスの燃料として発熱量が増す。しかしながら、炭酸ガスによる改質反応の反応温度が８００Ｋと高温なため、ガスの改質反応を行うためには未利用の顕熱や排熱の利用以外にも多大な熱エネルギーを必要としていた。本発明は、このような事情にかんがみてなされたもので、製鉄所において利用されていない顕熱や排熱を利用しつつ、製鉄所の副生ガスを改質して燃料ガスを生成することが可能な製鉄所副生ガスの改質装置及び改質方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討の結果、触媒に電場を印加してドライリフォーミングを行えば反応温度を低下させることができ、コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスに含まれる二酸化炭素とから効率よく一酸化炭素と水素を生成させることができることを見出した。
本発明は、かかる知見に基いてなされたものであり、
コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスに含まれる二酸化炭素とからなる原料ガスを反応させる電場印加触媒反応装置と、製鉄所で発生する排熱を熱用途へ供給する排熱供給装置とを有し、熱用途が、電場印加触媒反応装置及び原料ガスを加熱する熱交換器のうち少なくとも一つであることを特徴とする、製鉄所副生ガスの改質装置と、
コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスに含まれる二酸化炭素とからなる原料ガスを電場印加触媒反応装置で反応させ、一酸化炭素と水素を生成し、製鉄所で発生する排熱を、電場印加触媒反応装置での反応への加熱及び原料ガスの加熱のうちの少なくとも一つに利用するように供給することを特徴とする、製鉄所副生ガスの改質方法を提供するものである。
本発明により、コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスの二酸化炭素から低温で効率よく一酸化炭素と水素を生成させることができ、それによって、ガスの燃料としての発熱量を増加させることができる。
本発明の一実施態様である製鉄所副生ガスの改質装置の概略構成を示す図である。 本発明の別の一実施態様である製鉄所副生ガスの改質装置の概略構成を示す図である。 本発明のさらに別の一実施態様である製鉄所副生ガスの改質装置の概略構成を示す図である。
本発明の改質装置は、電場印加触媒反応装置と電源装置と排熱供給装置よりなる。
電場印加触媒反応装置には、メタンと二酸化炭素を反応させて一酸化炭素と水素を生成させる触媒反応層が内蔵されており、この触媒反応層には電場を印加する電極が設けられている。この反応装置は密閉構造でメタンと二酸化炭素を含有する原料ガスの供給口と、反応によって生成された一酸化炭素と水素を含む燃料ガスの排出口が設けられ、また、排熱供給装置から供給される熱で加熱できるようになっている。そこでは、排熱供給装置から熱が供給され、触媒反応層の電極に電源装置から電場が印加された状態でメタンや二酸化炭素を含む原料ガスが供給されると、ガス改質が行われ、燃料ガスが生成される。下記に、反応式を示す。
反応式 ＣＨ４+ＣＯ２ → ２ＣＯ+２Ｈ２
メタンガス（ＣＨ４）の炭酸ガスによる改質反応は水蒸気改質が有名だが、ここでは、水を使わないので“ドライ”リフォーミングと呼ばれる。
従来のドライリフォーミングは反応温度が８００Ｋと高温であり、また、触媒上への炭素析出、などの問題がある。
本発明で採用したドライリフォーミングでは、触媒に電場を印加しており、反応温度を低下させる効果がある。
電場の印加により、低温でも高い触媒活性を実現できる。また、炭素析出を抑制する効果もある。
排熱供給装置は、電場印加触媒反応装置や熱交換器に熱、特に、製鉄所から発生した排熱を供給する。ドライリフォーミングの際の吸熱分および放散熱を補い、一定の温度を保つ程度の熱を供給する。
電源装置は、電場印加触媒反応装置に内蔵された触媒反応層の電極に電圧をかけるための装置である。
なお、本発明の装置においては、コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスに含まれる二酸化炭素を電場印加触媒反応装置に送る前に必要があれば予め熱交換器などで加熱しておくことができる。この熱は、排熱供給装置から供給することができる。
本発明で使用される製鉄所副生ガスは、コークス炉ガス、転炉ガスまたは高炉ガスである。コークス炉ガスの組成は、メタン２０〜４０モル％程度、通常２５〜３５モル％程度、Ｈ２５０〜６５モル％程度、通常５５〜６０モル％程度、ＣＯ ２〜１５モル％程度、通常５〜１０モル％程度、ＣＯ２ １〜５モル％程度、通常２〜３モル％程度、Ｏ２ ０〜２モル％程度、通常０〜１モル％程度である。転炉ガスの組成は、Ｈ２０.１〜５モル％程度、通常０.５〜３モル％程度、ＣＯ ５０〜８５モル％程度、通常６０〜８０モル％程度、ＣＯ２５〜３０モル％程度、通常１０〜２０モル％程度、Ｏ２０〜２モル％程度、通常０〜１モル％程度である。高炉ガスの組成は、Ｈ２１〜５モル％程度、通常２〜１０モル％程度、ＣＯ １０〜４０モル％程度、通常２０〜３０モル％程度、ＣＯ２ １０〜３０モル％程度、通常１５〜２５モル％程度、Ｏ２ ０〜０.５モル％程度である。
本発明の実施態様である装置の概略を図１〜３に示す。
この装置は、電場印加触媒反応装置、排熱供給装置、電源装置、熱交換器、発電加熱炉からなっている。
メタンを含むコークス炉ガス、ＣＯ２を含む高炉ガス、転炉ガスなどの原料ガスとが、電場印加触媒反応装置に送られる。電場印加触媒反応装置には、電源装置から触媒反応層へ電圧が印加されていて、そこで、ＣＨ４とＣＯ２を反応させてＣＯとＨ２に変換する。この変換反応で発生したＣＯとＨ２を含む燃料ガスは発電加熱炉に送られ、発電用または製鉄所内設備の加熱用の熱源として利用される。
さらに、製鉄所で発生する排熱を供給する排熱供給装置が電場印加触媒反応装置へ熱を供給して所定の温度に加熱する（熱供給１）ことと、原料ガスを加熱する熱交換器へ熱を供給する（熱供給２）こととの少なくとも一つを行うように設けられている。
図１の態様では、排熱供給装置からの熱供給は、電場印加触媒反応装置に対して行われ、図２の態様では、電場印加触媒反応装置と原料ガスを加熱する熱交換器の両方に、そして、図３の態様では原料ガスを加熱する熱交換器に対して行われる。
本発明は、コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスに含まれている二酸化炭素から低温で効率よく一酸化炭素と水素を生成でき、従来、コークス炉ガス等の製鉄所副生ガスを燃料として利用していた場合に比べて発熱量が増加した燃料ガスを得ることができるので、製鉄所等で幅広く利用できる。

Claims (2)

  1. コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスに含まれる二酸化炭素とからなる原料ガスを反応させる一酸化炭素と水素を生成させる電場印加触媒反応装置と、製鉄所で発生する排熱を熱用途へ供給する排熱供給装置とを有し、熱用途が、電場印加触媒反応装置及び原料ガスを加熱する熱交換器のうち少なくとも一つであることを特徴とする、製鉄所副生ガスの改質装置。
  2. コークス炉ガスに含まれるメタンと製鉄所副生ガスに含まれる二酸化炭素とからなる原料ガスを電場印加触媒反応装置で反応させ、一酸化炭素と水素を生成し、製鉄所で発生する排熱を、電場印加触媒反応装置での反応への加熱及び原料ガスの加熱のうちの少なくとも一つに利用するように供給することを特徴とする、製鉄所副生ガスの改質方法。
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