JP3965670B2

JP3965670B2 - Metal refining method

Info

Publication number: JP3965670B2
Application number: JP2001006295A
Authority: JP
Inventors: 敏彦岡田; 信一郎福嶋; 孝思庵屋敷; 純石井; 達郎有山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2021-01-15
Also published as: JP2002213883A

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal-refining method which is markedly economical compared with a conventional art, using oxygen gas being manufactured through a gas-separating membrane consisting of a metal oxide film. SOLUTION: The exhaust gas discharged from a furnace top is pressurized with a gas compressor 6, and is supplied to a high-pressure combustor 7, while for air, its one part is supplied to the high-pressure combustor 7 after pressurization in an air compressor 8, and is mixed with high-pressure gas and burned, and the combustion gas drives a gas turbine 9. Both gas compressor 6 and the air compressor 8 are driven by this gas turbine 9. The remainder of the pressurized air becomes hot, being heated further with a heating burner 11 after being heated with a heat exchanger 10, and is supplied to an oxygen manufacturing unit 13. The oxygen manufacturing unit 13 is one using a composite metal oxide film. The separated oxygen is compressed to a high-pressure by an oxygen compressor 15 and is stored in high pressure oxygen holder 16, and is supplied to a cupola 1. The oxygen compressor 15 is also driven by the gas turbine 9.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属を精錬する際に得られる高カロリーのガスをガスタービン複合サイクル発電システムによる発電用燃料として使用して発電するとともに、この際に発生する高温、高圧のエネルギーを利用し、金属酸化膜から成るガス分離膜を介して酸素ガスを製造して使用する、従来技術よりも著しく経済的な金属の精錬方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄の精錬方法としては種々の方法が知られているが、その精錬コストを低減させるためには種々の課題がある。例えば、今日、資源リサイクルの観点から、大量に発生している鉄スクラップを利用して鋼を生産することが求められている。このような要請に応えて、従来、鉄スクラップをそのまま電気炉、主にアーク電気炉において溶解し鋼を生産している。しかし、この方法では大量の酸素や鋼１ton当たり350〜400kwh程度の高価な電力を消費するため、より経済的な鋼の製造方法が求められている。
【０００３】
そこで、鉄スクラップを予めキュポラにおいて溶解し、得られた溶銑を原料として電気炉で鋼を生産する方法も既に開示されている。特開平６-２８７６２１号公報においては、キュポラなどの竪型炉と、転炉あるいはアーク炉とを組合せて使用する方法が開示されている。また、特開平８-２５７４６号公報や特開平８-２９７７２０号公報においては、キュポラから得られる排ガスを、発電用の燃料として使用できる1500kcal／Nm^３以上の高カロリーのものとして回収できるプロセスが提案されている。これは、排ガスを電力として回収することにより、製造原価が安価な溶銑を得ることを目的とするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鉄をはじめとする金属の精錬をできるだけ低コストで実施するという要請は依然として強く、特開平６-２８７６２１号公報、特開平８-２５７４６号公報や特開平８-２９７７２０号公報に記載される精錬方法よりも、さらに低コストで精錬を行う方法が求められている。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、新規な方法を採用することにより、従来実現できなかったような低コストで、金属の精錬を行うことができる方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する第１の手段は、酸素ガスを吹き込み、金属を精錬する方法であって、
(a) 前記酸素ガスとして、金属酸化膜から成るガス分離膜を有する酸素分離装置により製造された酸素ガスを用いると共に、
(b) 精錬中に発生する排ガスを回収し、ガス圧縮機により圧縮した後、燃焼機の燃料として使用し、
(c) 当該燃焼機を出た燃焼ガスによりガスタービンを駆動し、
(d) 当該ガスタービンにより、少なくとも、前記ガス圧縮機と、前記酸素分離装置と前記燃焼機とに供給する空気を圧縮する空気圧縮機と、発電機とを駆動すること
を特徴とするものであり、さらに、酸素分離装置により分離された酸素の、残りの排ガスが有する熱により、前記酸素分離装置に供給される空気を加熱することを特徴とする金属の精錬方法（請求項１）である。
【０００７】
鉄等の金属（以下、鉄を例として説明する）を経済的に精錬する上で大きな技術的な課題は安価な酸素を提供する技術の確立である。本発明者らは酸素イオンおよび電子の双方を伝導する混合導電性膜を介して空気中から酸素を分離する方法が、有効な酸素製造法であることに着目し、鋭意検討を行った。
【０００８】
このような酸素分離法を使用するためには、酸素分離装置に供給する空気を高圧にしなければならない。本発明者らは、精錬設備から得られる排ガスが高いカロリーを有することに着目し、これを燃料とするガスタービン複合サイクル発電システムに空気圧縮機を導入することにより、排ガスが有するエネルギーを有効に利用して圧縮空気を製造する方法が効率的であることを見出し、本発明をなすに至った。以下、本発明を詳細に説明する。
【０００９】
本発明で使用される複合金属酸化膜は、酸素イオンおよび電子の双方を伝導する混合導電性膜であり、酸素透過速度と膜強度の関連から数十μｍ〜数百μｍの厚さを有するものである。また、図４に示されるように、膜強度補強のために連続貫通孔を有する多孔質材料の支持体を使用することができる。
【００１０】
混合導電性膜としては、ペロブスカイト型金属酸化物、あるいは酸化金属安定化ジルコニア、例えばイットリア安定化ジルコニア、カルシウム安定化ジルコニアなどがある。また、多孔質材料の支持体としては、混合導電性膜とスピネルのような複合金属酸化物を形成しない、かつ熱膨張係数が等しい材料が好ましい。
【００１１】
混合導電性膜の表面積は必要酸素量により適宜決められるが、供給ガスと膜との気・固接触面積を大きくするために膜表面に凹凸をつけることで、比表面積が大きくなり、膜占有面積を小さくすることもできる。膜形状としては、平面膜あるいはチューブ状多孔質支持体の外表面に複合金属酸化物薄膜を形成させたシェルチューブ構造があり、使用目的に応じて膜形状を選択することができる。
【００１２】
また、混合伝導性膜においては膜を挟んだ空気側と酸素側の酸素分圧差が酸素分離の駆動力となる。よって、空気側を加圧するか、酸素側を非透過ガス又は窒素などを用いてパージすることにより、酸素側の酸素分圧を下げるなどの操作を行うことで酸素透過速度を向上させる。このうち、空気を１〜50kg/cm^２程度に加圧する方法が一般的に使用されている。また、混合伝導性膜の作用温度は500℃〜1300℃の範囲であるため、原料空気をこの範囲の温度に加熱する必要がある。
【００１３】
このように構成された複合金属酸化膜を有する酸素製造装置を用い、精錬設備の排ガスの高圧燃焼ガスで駆動されたガスタービンで圧縮された空気を原料として酸素を分離して精錬用酸素として使用すると共に、ガスタービンにより電力を製造することができる。また、ガスタービンを駆動するための燃焼器においては、高圧のガスと空気を混合させて燃焼する必要があるが、このための排ガスの圧縮、空気の圧縮も、このガスタービンによって駆動される圧縮機により行うことができる。
【００１４】
本発明に用いられる鉄の精錬設備としては、種々の方法が上げられるが、高いカロリーを持つ排ガスを多量に発生するプロセスが望ましい。例示すると、スクラップを溶解するためのキュポラ、転炉、溶融還元炉などがあげられる。これらに使用する炭素材としては石炭、コークス、プラスチックや種々の廃棄物が好適である。熔銑中の炭素も燃料となることは言うまでもない。
【００１５】
以上のように、複合金属酸化膜を有する酸素製造装置を用い、本手段のような装置構成とすることにより、発電が可能な上に鉄の精錬に必要な酸素を効率的に確保することができる。また、従来の深冷分離法で必要とされていたような、既存酸素製造設備からの新たな配管なしで簡単に酸素を供給することができる。
【００１６】
また、新しく従来の酸素供給設備を設ける場合には、設備的に比較的小規模なオンサイトＰＳＡによる酸素供給を考えた場合でも、数十ｍ^２の敷地面積および付帯設備が必要になる。本手段によれば、これに比して設備規模としても非常にコンパクトで、かつ極めて経済的な設備とすることができる。
【００１７】
また、本手段において、製造される酸素を他の設備に供給して、他の設備で用いることができることは言うまでもない。
【００１９】
金属酸化膜から成るガス分離膜による酸素の分離は、高温において行われるので、供給する空気は加熱しなければならず、分離された酸素も、残りのガスも高温である。本手段においては、この残りのガスが有する熱により、前記酸素分離装置に供給される空気を加熱しているので、熱効率を上げることができる。
【００２０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、空気を加熱したあとの、前記残りの排ガスを、空気と共に前記燃焼機に供給することを特徴とするもの（請求項２）である。
【００２１】
前記第１の手段において、前記酸素分離装置に供給される空気を加熱したあとのガスもまだ高温である。本手段においては、このガスを、空気と共に前記燃焼機に供給するようにしているので、熱効率をさらに上げることができる。
【００２２】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記酸素分離装置により分離された直後の酸素により、前記炭素材を燃焼させる直前の酸素を加熱することを特徴とするもの（請求項３）である。
【００２３】
前述のように、前記酸素分離装置により分離された直後の酸素は高温である。よって、この酸素により、前記炭素材を燃焼させる直前の酸素を加熱することにより、炭素材を燃焼させる反応炉等における熱効率を上げることができる。
【００２６】
前記課題を解決するための第４の手段は、酸素ガスを吹き込み、金属を精錬する設備であって、金属を精錬する炉から発生する排ガスを加圧する排ガス圧縮機と、空気を加圧する空気圧縮機と、加圧された前記排ガスと加圧された前記空気を混合して燃焼させる燃焼機と、当該燃焼機において前記排ガスの燃焼で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、加圧された前記空気を加熱する加熱装置と、前記加熱装置により加熱された空気から、金属酸化膜から成るガス分離膜を介して酸素を分離する酸素分離装置と、分離された酸素を加圧する酸素圧縮機と、発電機とを有してなり、前記ガスタービンにより、前記排ガス圧縮機、前記空気圧縮機、前記酸素圧縮機及び前記発電機が駆動されると共に、前記加圧された酸素が、炭素材を燃焼させるために吹き込まれるようにされていることを特徴とする金属の精錬装置（請求項４）である。
【００２７】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記酸素分離装置により分離された酸素の、残りの排ガスと、前記酸素分離装置に供給される空気との熱交換を行う熱交換器を有してなることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２８】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記熱交換器を出た前記排ガスが、空気と共に前記燃焼機に供給されるようにされていることを特徴とするもの（請求項６）である。
【００２９】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第４の手段から第６の手段のいずれかであって、前記酸素分離装置により分離された直後の酸素と、前記炭素材を燃焼させる直前の酸素との熱交換を行う熱交換器を有してなることを特徴とするもの（請求項７）である。
【００３１】
これら第４の手段から第７の手段によれば、それぞれ前記第１の手段から第３の手段の方法を実現することができ、これらと同じ作用効果を奏することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である、キュポラを使用した鉄の精錬設備を示す概要図である。キュポラ１の上方の装入口２からは鉄スクラップと石炭が投入され、その下方に設けられた羽口３からは高純度の酸素が吹き込まれる。これにより鉄スクラップは精錬され、キュポラ１の出銑口４からは溶銑が取り出される。
【００３３】
炉頂から排出された排ガスは、徐塵器５で徐塵された後、ガス圧縮機６により加圧され、高圧燃焼機７に供給される。一方、空気は空気圧縮機８で加圧された後、その一部が高圧燃焼機７に供給される。高圧燃焼機７では高圧ガスと高圧空気が混合されて燃焼し、その燃焼ガスがガスタービン９に供給されてガスタービン９を駆動する。前記ガス圧縮機６と空気圧縮機８は、共にこのガスタービン９により駆動されている。
【００３４】
加圧された空気の残りは、熱交換器１０で加熱された後、加熱バーナ１１でさらに加熱されて高温となり、酸素製造装置１３に供給される。酸素製造装置１３は、前述のように、複合金属酸化膜を用いたものであり、これを通すことにより高純度の酸素が分離される。分離された酸素は、熱交換器１４に導かれ、キュポラ１に供給される酸素を加熱して自らは低温となった後、酸素圧縮機１５により高圧とされ、高圧酸素ホルダ１６に貯蔵される。そして、熱交換器１４で加熱された後、前述のようにキュポラ１に供給される。酸素圧縮機１５も、ガスタービン９により駆動されている。
【００３５】
このように、ガスタービン９は、ガス圧縮機６、空気圧縮機８、酸素圧縮機９を駆動するが、余った動力は発電機１７を駆動し、電力として回収される。ガスタービン９から排出されるガスはなお高温であるので、蒸気発生器１８に導いて発生する蒸気により蒸気タービン１９を駆動し、それにより発電機２０を駆動させて、ガスの廃熱を電力として回収する。なお、２１は凝縮器である。
【００３６】
酸素製造設備１３から分離された窒素を主成分とするガスは、熱交換器１０で空気を加熱した後、高圧燃焼機７に導かれる空気中に混合される。これにより、当該ガス中の熱が有効に回収される。
なお、生成した酸素は、本システム以外の設備、例えば、他の金属精錬用設備、ごみ焼却炉、活性汚泥処理設備等に供給することも可能である。
【００３７】
以上説明したように、図１に示す装置においては、キュポラ１の排ガスのエネルギーを利用して、酸素の発生と発電による熱回収を行っているので、きわめて低コストで鉄の精錬を行うことができる。
【００３８】
図２は、本発明の実施の形態の１例である、転炉を使用した鋼の精錬設備を示す概要図である。以下の図においては、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略することがある。
【００３９】
転炉２２のランス２３からは高純度の酸素が供給され、溶鋼２４の還元を行う。そのとき発生する排ガスは、排ガス回収装置２５から回収される。図２において示されているその他の設備の構成は図１に示されたものと同じであり、その作用効果も図１の説明において示したものと同じであるので、その説明を省略する。
【００４０】
図３は、本発明の実施の形態の１例である溶融還元炉を使用した鋼の精錬設備を示す概要図である。溶融還元炉２６では、鉄鉱石装入設備２７から鉄鉱石が装入されると共に、石炭装入設備２８から石炭が装入される。そして、ランス２３から高純度の酸素が吹き込まれ、鉄鉱石の溶融還元が行われる。生成された銑鉄は、出銑口４から取り出される。
【００４１】
図２において示されているその他の設備の構成は図１に示されたものと同じであり、その作用効果も図１の説明において示したものと同じであるので、その説明を省略する。
【００４２】
【実施例】
以下、キュポラを用いた本発明の実施例を説明する。使用した設備は図１に示したようなものである。キュポラの操業条件は以下の通りであった。

キュポラ１には炉頂からスクラップ85T／Hとコークス30T／Hなどを装入した。酸素はキュポラ下部の羽口から10000Nm^３／Hの流量で吹き込み操業を行った。得られた生成物の性状を以下に示す。
１）溶銑：Fe 94.4％、Ｃ 4.5％、Si 0.5％、Mn 0.3％、Ｐ 0.1％、Ｓ 0.07％
温度 1500〔℃〕
２）スラグ：CaO／SiO_２ 1.25〔-〕、温度1550〔℃〕
３）排ガス：CO 76.7Vol％、CO_２ 0.3Vol％、H_２ 22.5Vol％、Ｎ 2 0.6Vol％
低位発熱量2890〔kcal／Nm^３〕、温度150〔℃〕
87000Ｎｍ^３/Hのキュポラの排ガスは、除塵機５で除塵され、ガス圧縮機６で圧縮されて高圧燃焼器７に導入された。153000Ｎｍ^３/Hの空気は空気圧縮機８で圧縮後、一部が酸素製造装置１３からの排ガスにより熱交換器１０で加熱された後、加熱バーナ１１で900℃に加熱され、酸素製造装置７に導入された。
【００４３】
残りの空気は酸素製造装置１３からの排ガスと共に、高圧燃焼器７に導入された。高圧燃焼器７で発生した燃焼ガスによりガスタービン６が駆動されるが、始動時は外部電力で駆動される。なお、酸素製造装置１３で製造された酸素は10000Nm^３/Hであり、その純度は99.9％であった。この酸素の温度は600℃であるため、熱交換器１４で、酸素圧縮機１５で圧縮した後のキュポラ用酸素の加熱用熱源として用いられた。
【００４４】
なお、酸素圧縮機１５で圧縮した後の酸素はガスホルダー１３に貯蔵し、キュポラ１に供給されるが、キュポラ以外の用途に用いることも可能である。また、高圧燃焼器７で発生した燃焼ガスは、ガスタービン出口で600℃程度であるため、これを熱源として蒸気発生器１８で回収し、蒸気タービン、凝縮器を用いた発電も可能であった。
以上の操業の結果、酸素の製造原単位は0.2kWh/Nm^３程度であり、これにより、溶銑のコストは、従来の方法に比べ、10％低減された。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、精錬用酸素及び電力が併産できることから、経済的に鉄を精錬することが可能となる。従来は、既存の空気分離技術（深冷分離法）により製造された酸素を利用しており、供給酸素を安価に製造するという試みがなされていなかったので、酸素富化のために新たに配管を施工したり、オンサイトＰＳＡを新設するなど設備費がかかっていた。これに対し本発明の設備は、設備規模としても非常にコンパクトで、かつ極めて経済的である。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である、キュポラを使用した鉄の精錬設備を示す概要図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例である、転炉を使用した鋼の精錬設備を示す概要図である。
【図３】本発明の実施の形態の１例である溶融還元炉を使用した鋼の精錬設備を示す概要図である。
【図４】金属酸化膜の構造を示した断面図である。
【符号の説明】
１…キュポラ、２…装入口、３…羽口、４…出銑口、５…徐塵器、６…ガス圧縮機、７…高圧燃焼機、８…空気圧縮機、９…ガスタービン、１０…熱交換、１１…加熱バーナ、１３…酸素製造設備、１４…熱交換器、１５…酸素圧縮機、１６…高圧酸素ホルダ、１７…発電機、１８…酸素発生器、１９…蒸気タービン、２０…発電機、２１…凝縮器、２２…転炉、２３…ランス、２４…溶鋼、２５…排ガス回収装置、２６…溶融還元炉、２７…鉄鉱石装入設備、２８…石炭装入設備[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses a high-calorie gas obtained when refining metal as a fuel for power generation by a gas turbine combined cycle power generation system, and uses the high-temperature and high-pressure energy generated at this time, The present invention relates to a metal refining method that produces and uses oxygen gas through a gas separation membrane made of an oxide film and is significantly more economical than the prior art.
[0002]
[Prior art]
Various methods for refining iron are known, but there are various problems in order to reduce the refining cost. For example, today, from the viewpoint of resource recycling, it is required to produce steel using iron scrap generated in large quantities. In response to such demands, conventionally, steel scrap is produced by melting iron scrap as it is in an electric furnace, mainly an arc electric furnace. However, since this method consumes a large amount of oxygen and expensive electric power of about 350 to 400 kwh per ton of steel, a more economical method for producing steel is required.
[0003]
In view of this, a method of previously melting iron scrap in a cupola and producing steel in an electric furnace using the obtained hot metal as a raw material has already been disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-287621 discloses a method of using a vertical furnace such as a cupola in combination with a converter or an arc furnace. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-25746 and 8-297720 propose a process that can recover exhaust gas obtained from cupola as a high-calorie of 1500 kcal / Nm ³ or more that can be used as a fuel for power generation. Has been. The purpose of this is to obtain hot metal with a low manufacturing cost by recovering exhaust gas as electric power.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is still a strong demand for refining metals such as iron at as low a cost as possible, as described in JP-A-6-287621, JP-A-8-25746, and JP-A-8-297720. There is a need for a method of refining at a lower cost than a refining method.
[0005]
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a method capable of performing metal refining at a low cost that could not be realized by adopting a novel method. And
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The first means for solving the above problem is a method of refining metal by blowing oxygen gas,
(a) As the oxygen gas, an oxygen gas produced by an oxygen separator having a gas separation membrane made of a metal oxide film is used,
(b) Collecting exhaust gas generated during refining, compressing it with a gas compressor, and then using it as fuel for the combustor.
(c) The gas turbine is driven by the combustion gas exiting the combustor,
The (d) the gas turbine, at least, one that wherein said gas compressor, an air compressor for compressing air supplied to said oxygen separation device and the combustor, to drive a generator Further, the present invention is a metal refining method (Claim 1) characterized in that the air supplied to the oxygen separator is heated by the heat of the remaining exhaust gas of oxygen separated by the oxygen separator. .
[0007]
A major technical issue in economically refining metals such as iron (hereinafter described as an example of iron) is the establishment of technology that provides inexpensive oxygen. The inventors of the present invention have made extensive studies focusing on the fact that the method of separating oxygen from the air through a mixed conductive film that conducts both oxygen ions and electrons is an effective oxygen production method.
[0008]
In order to use such an oxygen separation method, the air supplied to the oxygen separator must be at a high pressure. The present inventors pay attention to the fact that the exhaust gas obtained from the refining equipment has high calories, and by introducing an air compressor into the gas turbine combined cycle power generation system using this as fuel, the energy of the exhaust gas is effectively utilized. It has been found that a method for producing compressed air by using it is efficient, and the present invention has been made. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0009]
The composite metal oxide film used in the present invention is a mixed conductive film that conducts both oxygen ions and electrons, and has a thickness of several tens to several hundreds of micrometers because of the relationship between the oxygen transmission rate and the film strength. It is. Also, as shown in FIG. 4, a porous material support having continuous through holes can be used to reinforce the membrane strength.
[0010]
Examples of the mixed conductive film include perovskite metal oxides or metal oxide stabilized zirconia such as yttria stabilized zirconia and calcium stabilized zirconia. Further, as the support for the porous material, a material that does not form a mixed metal oxide and a composite metal oxide such as spinel and has the same thermal expansion coefficient is preferable.
[0011]
The surface area of the mixed conductive film is appropriately determined depending on the amount of oxygen required, but by increasing the surface of the film in order to increase the gas / solid contact area between the supply gas and the film, the specific surface area increases and the area occupied by the film increases. Can be reduced. The membrane shape includes a flat tube membrane or a shell tube structure in which a composite metal oxide thin film is formed on the outer surface of a tubular porous support, and the membrane shape can be selected according to the purpose of use.
[0012]
In the mixed conductive membrane, the oxygen partial pressure difference between the air side and the oxygen side sandwiching the membrane is the driving force for oxygen separation. Therefore, the oxygen transmission rate is improved by performing an operation such as lowering the oxygen partial pressure on the oxygen side by pressurizing the air side or purging the oxygen side with a non-permeating gas or nitrogen. Among these, the method of pressurizing air to about 1 to 50 kg / cm ² is generally used. Moreover, since the working temperature of the mixed conductive membrane is in the range of 500 ° C. to 1300 ° C., it is necessary to heat the raw air to a temperature in this range.
[0013]
Using an oxygen production system with a composite metal oxide film constructed in this way, using oxygen compressed by a gas turbine driven by high-pressure combustion gas of exhaust gas from a refining facility as a raw material, oxygen is separated and used as refining oxygen In addition, electric power can be produced by the gas turbine. Further, in a combustor for driving a gas turbine, it is necessary to mix high-pressure gas and air for combustion. For this purpose, compression of exhaust gas and compression of air are also performed by compression driven by this gas turbine. Can be done by machine.
[0014]
Although various methods can be raised as the iron refining equipment used in the present invention, a process that generates a large amount of exhaust gas having high calories is desirable. Illustrative examples include a cupola for melting scrap, a converter, a smelting reduction furnace, and the like. As the carbon material used for these, coal, coke, plastic and various wastes are suitable. Needless to say, the carbon in the hot metal also becomes fuel.
[0015]
As described above, by using an oxygen production apparatus having a composite metal oxide film and adopting an apparatus configuration such as this means, it is possible to efficiently secure oxygen necessary for refining iron while generating electricity. it can. Moreover, oxygen can be easily supplied without a new pipe from an existing oxygen production facility as required in the conventional cryogenic separation method.
[0016]
Furthermore, new in the case of providing the conventional oxygen supply equipment, even when considering the oxygen supply by facilities to relatively small on-site PSA, several tens m ² of land area and associated equipment is required. According to this means, the facility scale can be made very compact and extremely economical as compared with this.
[0017]
Needless to say, in this means, the produced oxygen can be supplied to other equipment and used in other equipment.
[0019]
Since the separation of oxygen by the gas separation membrane made of the metal oxide membrane is performed at a high temperature, the supplied air must be heated, and the separated oxygen and the remaining gas are at a high temperature. In this means, the air supplied to the oxygen separator is heated by the heat of the remaining gas, so that the thermal efficiency can be increased.
[0020]
A second means for solving the problem is the first means , characterized in that the remaining exhaust gas after heating the air is supplied to the combustor together with the air ( Claim 2 ).
[0021]
In the first means , the gas after heating the air supplied to the oxygen separator is still at a high temperature. In this means, since this gas is supplied to the combustor together with air, the thermal efficiency can be further increased.
[0022]
A third means for solving the problem is the first means or the second means , wherein oxygen immediately before burning the carbon material is obtained by oxygen immediately after being separated by the oxygen separator. It is characterized by heating ( Claim 3 ).
[0023]
As described above, the oxygen immediately after being separated by the oxygen separator is at a high temperature. Therefore, by heating the oxygen immediately before burning the carbon material with this oxygen, the thermal efficiency in a reaction furnace or the like for burning the carbon material can be increased.
[0026]
A fourth means for solving the above-mentioned problems is equipment for injecting oxygen gas and refining metal, an exhaust gas compressor for pressurizing exhaust gas generated from a furnace for refining metal, and air compression for pressurizing air A combustor that mixes and combusts the pressurized exhaust gas and the pressurized air, and a gas turbine that is driven by the combustion gas generated by the combustion of the exhaust gas in the combustor. A heating device for heating the air, an oxygen separation device for separating oxygen from the air heated by the heating device through a gas separation membrane made of a metal oxide membrane, and an oxygen compressor for pressurizing the separated oxygen And the gas turbine drives the exhaust gas compressor, the air compressor, the oxygen compressor and the generator, and the pressurized oxygen is carbon. A refining apparatus of a metal, characterized in that it is to be blown in order to burn (claim 4).
[0027]
A fifth means for solving the problem is the fourth means , wherein the heat of the remaining exhaust gas of oxygen separated by the oxygen separation device and the air supplied to the oxygen separation device. It has a heat exchanger which performs exchange ( Claim 5 ).
[0028]
A sixth means for solving the problem is the fifth means , wherein the exhaust gas that has exited the heat exchanger is supplied to the combustor together with air. ( Claim 6 ).
[0029]
A seventh means for solving the problem is any one of the fourth means to the sixth means , wherein oxygen immediately after being separated by the oxygen separation device and immediately before burning the carbon material It has a heat exchanger which performs heat exchange with oxygen (claim 7).
[0031]
According to the fourth means to the seventh means , the methods of the first means to the third means can be realized, respectively, and the same effects can be obtained.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an iron refining facility using a cupola, which is an example of an embodiment of the present invention. Iron scrap and coal are fed from the inlet 2 above the cupola 1 and high-purity oxygen is blown from the tuyere 3 provided below the inlet. Thereby, the iron scrap is refined, and the molten iron is taken out from the outlet 4 of the cupola 1.
[0033]
The exhaust gas discharged from the top of the furnace is gradually dusted by the dust duster 5, then pressurized by the gas compressor 6 and supplied to the high-pressure combustor 7. On the other hand, after the air is pressurized by the air compressor 8, a part of the air is supplied to the high-pressure combustor 7. In the high-pressure combustor 7, high-pressure gas and high-pressure air are mixed and burned, and the combustion gas is supplied to the gas turbine 9 to drive the gas turbine 9. Both the gas compressor 6 and the air compressor 8 are driven by the gas turbine 9.
[0034]
The remainder of the pressurized air is heated by the heat exchanger 10, further heated by the heating burner 11, becomes high temperature, and is supplied to the oxygen production device 13. As described above, the oxygen production apparatus 13 uses a composite metal oxide film, and high purity oxygen is separated by passing through this. The separated oxygen is guided to the heat exchanger 14, heated to the low temperature of the oxygen supplied to the cupola 1, and then increased in pressure by the oxygen compressor 15 and stored in the high-pressure oxygen holder 16. . And after heating with the heat exchanger 14, it is supplied to the cupola 1 as mentioned above. The oxygen compressor 15 is also driven by the gas turbine 9.
[0035]
Thus, the gas turbine 9 drives the gas compressor 6, the air compressor 8, and the oxygen compressor 9, but the surplus power drives the generator 17 and is recovered as electric power. Since the gas discharged from the gas turbine 9 is still hot, the steam turbine 19 is driven by the steam generated by being guided to the steam generator 18, thereby driving the generator 20, and the waste heat of the gas is used as electric power. to recover. Reference numeral 21 denotes a condenser.
[0036]
The gas mainly composed of nitrogen separated from the oxygen production facility 13 is mixed with the air led to the high-pressure combustor 7 after the air is heated by the heat exchanger 10. Thereby, the heat in the gas is effectively recovered.
The produced oxygen can be supplied to equipment other than the present system, for example, other metal refining equipment, waste incinerator, activated sludge treatment equipment, and the like.
[0037]
As described above, in the apparatus shown in FIG. 1, the energy of the exhaust gas from the cupola 1 is used to generate oxygen and recover heat by power generation, so that iron can be refined at a very low cost. it can.
[0038]
FIG. 2 is a schematic diagram showing a steel refining facility using a converter, which is an example of an embodiment of the present invention. In the following drawings, the same components as those shown in the previous drawings may be denoted by the same reference numerals and the description thereof may be omitted.
[0039]
High purity oxygen is supplied from the lance 23 of the converter 22 to reduce the molten steel 24. The exhaust gas generated at that time is recovered from the exhaust gas recovery device 25. The configuration of the other equipment shown in FIG. 2 is the same as that shown in FIG. 1, and the function and effect thereof are also the same as those shown in the description of FIG.
[0040]
FIG. 3 is a schematic diagram showing a steel refining facility using a smelting reduction furnace as an example of an embodiment of the present invention. In the smelting reduction furnace 26, iron ore is charged from the iron ore charging equipment 27 and coal is charged from the coal charging equipment 28. Then, high-purity oxygen is blown from the lance 23, and iron ore is melted and reduced. The generated pig iron is taken out from the tap 4.
[0041]
The configuration of the other equipment shown in FIG. 2 is the same as that shown in FIG. 1, and the function and effect thereof are also the same as those shown in the description of FIG.
[0042]
【Example】
Examples of the present invention using a cupola will be described below. The equipment used is as shown in FIG. The operating conditions of the cupola were as follows.

Cupola 1 was charged with scrap 85T / H and coke 30T / H from the top of the furnace. Oxygen was blown from the tuyere at the bottom of the cupola at a flow rate of 10000 Nm ³ / H. The properties of the obtained product are shown below.
1) Hot metal: Fe 94.4%, C 4.5%, Si 0.5%, Mn 0.3%, P 0.1%, S 0.07%
Temperature 1500 [℃]
2) Slag: CaO / SiO ₂ 1.25 [-], temperature 1550 [° C]
3) _{gas: CO 76.7Vol%, CO 2 0.3Vol} %, H 2 22.5Vol%, N 2 0.6Vol%
Lower heating value 2890 [kcal / Nm ³ ], temperature 150 [° C]
The exhaust gas from the cupola of 87000 Nm ³ / H was removed by the dust remover 5, compressed by the gas compressor 6, and introduced into the high-pressure combustor 7. After 153,000 Nm ³ / H of air is compressed by the air compressor 8, a part of the air is heated by the heat exchanger 10 using the exhaust gas from the oxygen production device 13, and then heated to 900 ° C. by the heating burner 11. Was introduced.
[0043]
The remaining air was introduced into the high-pressure combustor 7 together with the exhaust gas from the oxygen production apparatus 13. The gas turbine 6 is driven by the combustion gas generated in the high-pressure combustor 7, but is driven by external electric power at the start. The oxygen produced by the oxygen production apparatus 13 was 10000 Nm ³ / H, and its purity was 99.9%. Since the temperature of this oxygen was 600 ° C., it was used as a heat source for heating oxygen for cupola after being compressed by the oxygen compressor 15 in the heat exchanger 14.
[0044]
Note that oxygen after being compressed by the oxygen compressor 15 is stored in the gas holder 13 and supplied to the cupola 1. However, it can be used for purposes other than the cupola. Further, since the combustion gas generated in the high-pressure combustor 7 is about 600 ° C. at the gas turbine outlet, it can be recovered by the steam generator 18 using this as a heat source, and power generation using the steam turbine and the condenser is also possible. .
As a result of the above operation, the oxygen production basic unit was about 0.2 kWh / Nm ³ , and as a result, the hot metal cost was reduced by 10% compared to the conventional method.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since refining oxygen and electric power can be produced together, it becomes possible to refining iron economically. Conventionally, oxygen produced by existing air separation technology (deep cold separation method) has been used, and no attempt has been made to produce the supplied oxygen at low cost. And equipment costs such as construction of an onsite PSA. On the other hand, the equipment of the present invention is very compact in terms of equipment scale and extremely economical.
[0046]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an iron refining facility using a cupola, which is an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a steel refining facility using a converter, which is an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a steel refining facility using a smelting reduction furnace as an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a metal oxide film.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cupola, 2 ... Loading port, 3 ... Feather, 4 ... Outlet, 5 ... Slow duster, 6 ... Gas compressor, 7 ... High pressure combustor, 8 ... Air compressor, 9 ... Gas turbine, 10 ... heat exchange, 11 ... heating burner, 13 ... oxygen production equipment, 14 ... heat exchanger, 15 ... oxygen compressor, 16 ... high pressure oxygen holder, 17 ... generator, 18 ... oxygen generator, 19 ... steam turbine, 20 ... Generator, 21 ... Condenser, 22 ... Converter, 23 ... Lance, 24 ... Molten steel, 25 ... Exhaust gas recovery device, 26 ... Smelting reduction furnace, 27 ... Iron ore charging equipment, 28 ... Coal charging equipment

Claims

A method of refining metal by blowing oxygen gas,
(a) As the oxygen gas, an oxygen gas produced by an oxygen separator having a gas separation membrane made of a metal oxide film is used,
(b) Collecting exhaust gas generated during refining, compressing it with a gas compressor, and then using it as fuel for the combustor.
(c) The gas turbine is driven by the combustion gas exiting the combustor,
The (d) the gas turbine, at least, one that wherein said gas compressor, an air compressor for compressing air supplied to said oxygen separation device and the combustor, to drive a generator A method for refining a metal, further comprising heating air supplied to the oxygen separator by heat of oxygen separated by the oxygen separator and remaining exhaust gas.

The metal refining method according to claim 1 , wherein the remaining exhaust gas after air is heated is supplied to the combustor together with air.

3. The metal refining method according to claim 1 or 2 , wherein oxygen immediately before burning the carbon material is heated by oxygen immediately after being separated by the oxygen separator. Refining method

A facility for refining metal by injecting oxygen gas, an exhaust gas compressor that pressurizes exhaust gas generated from a furnace for refining metal, an air compressor that pressurizes air, and the pressurized exhaust gas. A combustor that mixes and burns the air, a gas turbine driven by combustion gas generated by combustion of the exhaust gas in the combustor, a heating device that heats the pressurized air, and the heating device An oxygen separator that separates oxygen from air heated by a gas separation membrane made of a metal oxide membrane, an oxygen compressor that pressurizes the separated oxygen, and a generator. The exhaust gas compressor, the air compressor, the oxygen compressor and the generator are driven by the turbine, and the pressurized oxygen is blown to burn the carbon material. Refining apparatus of the metal, characterized by being.

5. The metal refining apparatus according to claim 4 , further comprising a heat exchanger for exchanging heat between the remaining exhaust gas of oxygen separated by the oxygen separation apparatus and the air supplied to the oxygen separation apparatus. A metal refining device characterized by comprising:

6. The metal refining apparatus according to claim 5 , wherein the exhaust gas exiting the heat exchanger is supplied to the combustor together with air.

The metal refining apparatus according to any one of claims 4 to 6 , wherein heat exchange between oxygen immediately after being separated by the oxygen separation apparatus and oxygen immediately before burning the carbon material is performed. A metal refining apparatus comprising a heat exchanger for performing the following steps.