JP5069087B2 - 高炉ガスの利用方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉炉頂から排出される高炉ガスからガス中のＣＯ₂及びＮ₂を分離除去して発熱量の大きな改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを還元ガスまたは燃料ガスとして利用する方法に関するものである。

銑鋼一貫製鉄所において、鉄鉱石を還元して溶銑を製造する高炉の炉頂から排出される高炉ガスは、熱風炉燃料ガス、コークス炉燃料ガス及び発電所用燃料ガスとして有効利用されている。

しかしながら高炉ガスは、その組成が、ＣＯ：２１．１〜２６．２体積％、ＣＯ₂：１９．３〜２３．２体積％、Ｈ₂：２．９〜５．３体積％、Ｎ₂：５２．５〜５９．２体積％であり可燃性ガス成分が少なく、その発熱量が３０３１〜３７８４ｋＪ（７２３〜９０３kcal／Nm³）と低く（第４版鉄鋼便覧（CD-ROM）Ｎo.１第２巻製銑・製鋼、2002年7月30日発行、表42-5・7(2000)を参照）、単独で燃料ガスとして使用すると、燃焼ガス温度が低くて高温用途には適していない。そこで、高炉ガスと同様に製鉄所の副生ガスであるコークス炉ガスや転炉ガスなどの２０００kcal／Nm³以上の発熱量を有する高カロリー副生ガスと混合して、上記用途に利用している。

製鉄所における副生ガスの発生量では、高炉ガスの発生量が他の副生ガスに比べて極めて多く、その利用のために大量のコークス炉ガスや転炉ガスが増熱用ガスとして消費されている。特に近年、高炉の操業は重油吹き込みから微粉炭吹き込みに転換していることから、高炉ガスの発生量が増大する傾向にあり、それに伴って増熱用高カロリー副生ガスの消費量が増加し、従来、製鉄所下工程の鋼材加熱炉で使用していた高カロリーの副生ガスの不足が懸念される事態となりつつある。高カロリーの副生ガスの代替としては、ＬＰＧやＬＮＧなどの購入燃料が使用されることになる。

そこで、高炉ガスを発熱量が高くなるように改質し、単独での利用を可能とする手段が幾つか提案されている。

例えば、特許文献１には、高炉炉頂から排出される高炉ガスからＣＯ₂を分離除去して９００kcal／Nm³以上の発熱量の改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを、熱風炉燃料ガス、コークス炉燃料ガス及び発電用燃料ガスの燃料ガスとして使用されている、高炉ガス、コークス炉ガス、転炉ガス、ＬＰＧガスの何れか１種または２種以上の一部または全部と代替することが提案されている。また、特許文献１では、前記改質高炉ガスを鉄鉱石還元用の還元ガスとして還元炉において利用することも提案されている。

特許文献２には、高炉ガスからＣＯ₂を除去して製造した改質高炉ガスを、加熱した後に高炉に吹き込んで循環使用することが提案されている。

また、特許文献３には、アルミナ系吸着剤及び多孔性ポリスチレンを用いて高炉ガス中のＣＯ₂及びＮ₂を夫々選択的に吸着分離させて、ＣＯ及びＨ₂リッチガスを製造する方法が提案されている。
特開２００４−３０９０６７号公報 特開昭５５−１１３８１４号公報 特開昭６２−１９３６２２号公報

しかしながら、上記従来技術には以下の問題点がある。

特許文献１及び特許文献２では、高炉ガスからＣＯ₂だけを分離除去しており、高炉ガスのおよそ５０体積％を占めるＮ₂を除去しておらず、改質後の発熱量は高々１０５０kcal／Nm³程度であり、発熱量の増加は少なく、改質することによって発現される効果は少ない。

特許文献３は、高炉ガスからＣＯ₂及びＮ₂を除去してＣＯ及びＨ₂リッチガスを製造することを開示しているが、このＣＯ及びＨ₂リッチガスをどのような用途で利用するかが提案されていない。また、特許文献３の実施例におけるＣＯ及びＨ₂リッチガスの発熱量は１０００kcal／Nm³未満であり、十分にＣＯ₂及びＮ₂が除去されているとはいいがたい。

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、高炉炉頂から排出される高炉ガスからガス中のＣＯ₂及びＮ₂を分離除去して製造される発熱量の大きな改質高炉ガスを有効活用する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の発明に係る高炉ガスの利用方法は、高炉炉頂から排出される高炉ガスから１段目でＣＯ ₂ を分離し、２段目でＮ ₂ をＰＳＡ法で分離する２段分離にて、ガス中のＣＯ₂及びＮ₂を分離除去して前記高炉ガスに比較して発熱量を高めた改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを高炉に吹き込んで循環使用することを特徴とするものである。

第２の発明に係る高炉ガスの利用方法は、高炉炉頂から排出される高炉ガスから１段目でＣＯ ₂ を分離し、２段目でＮ ₂ をＰＳＡ法で分離する２段分離にて、ガス中のＣＯ₂及びＮ₂を分離除去して前記高炉ガスに比較して発熱量を高めた改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉のなかの何れか１種または２種以上での燃料ガスとして使用することを特徴とするものである。
また、第３の発明に係る高炉ガスの利用方法は、第１または第２の発明において、前記高炉ガス中のＣＯ ₂ をアミン法で分離することを特徴とするものである。

第４の発明に係る高炉ガスの利用方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記高炉ガス中のＣＯ₂及びＮ₂は、製鉄所の排熱を利用して分離除去されることを特徴とするものである。

第５の発明に係る高炉ガスの利用方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記改質高炉ガスの発熱量は２０００kcal／Nm³以上であることを特徴とするものである。

本発明によれば、高炉ガスからＣＯ₂及びＮ₂を除去するので、発熱量が従来の高炉ガスの２倍以上である２０００kcal／Nm³以上の改質高炉ガスを得ることができ、この改質高炉ガスを高炉に吹き込んだ場合には、改質高炉ガスは還元剤として機能し、その分の還元剤つまりコークスや微粉炭の供給量を削減することができ、また、加熱炉や均熱炉などで燃料ガスとして使用した場合には、燃焼後の排ガス量が減少することにより排ガスにより系外へ持ち去られる熱量が減少し、燃料使用量を削減することができる。また、高炉に吹き込んだ場合もまた加熱炉や均熱炉などで燃料ガスとして使用した場合も、新たに使用する還元剤或いは燃料ガスを削減することができ、それにより製鉄所におけるＣＯ₂発生量が削減される。このように本発明により環境上及び工業上有益な効果がもたらされる。

以下、本発明を具体的に説明する。

先ず、高炉ガスからＣＯ₂及びＮ₂を分離除去したときのガス成分及び発熱量を説明する。表１に、Ｈ₂を４．４体積％、Ｎ₂を４９．９体積％、ＣＯを２３．６体積％、ＣＯ₂を２２．１体積％含有する高炉ガスから、ＣＯ₂のみを除去したとき、及び、ＣＯ₂とＮ₂を除去したときのガス成分と発熱量を示す。尚、ＣＯ₂及びＮ₂は、それぞれ９０％除去可能（ＣＯ₂：２２．１体積％→２．２体積％、Ｎ₂：４９．９体積％→５．０体積％）として算出している。体積比は、高炉ガスの体積を１．０としたときの体積の比率である。

表１に示すように、発生ままの高炉ガスの発熱量は８２５kcal／Nm³であり、この高炉ガスからＣＯ₂のみを分離したときには、可燃性ガス成分の増加分はおよそ７体積％に止まり、可燃性ガス成分の合計量は３５体積％程度しかなく、発熱量は１０３１kcal／Nm³で、発熱量の増加分は少ない。これに対して、ＣＯ₂とＮ₂を分離除去したときには、可燃性ガス成分の合計量はおよそ８０体積％に達し、発熱量は２３４６kcal／Nm³まで増加する。

本発明は、高炉ガス増熱用の高カロリー副生ガスの消費量を削減することを目標としており、そのためには、高炉ガスを、単独での使用を可能とする高カロリーガスとして使用する必要があり、従って、本発明は、高炉ガスからＣＯ₂及びＮ₂を分離除去した高カロリーの改質高炉ガスを利用することを前提とする。この場合、ＣＯ₂及びＮ₂の除去率に応じて発熱量は変化するが、２０００kcal／Nm³以上の発熱量が得られるようにＣＯ₂及びＮ₂を除去することが好ましい。

即ち、本発明は、高炉ガスからＣＯ₂及びＮ₂を分離除去して高炉ガスに比較して発熱量を高めた改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを高炉に吹き込んで循環使用する、或いは、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉のなかの何れか１種または２種以上での燃料ガスとして使用することを特徴とする。

本発明において高炉炉頂から排出される高炉ガスからガス中のＣＯ₂及びＮ₂を分離除去する方法は特に規定する必要はなく、例えば、ＣＯ₂の分離方法としては、アミン法、膜分離法、ＰＳＡ法などを用い、Ｎ₂の分離方法としては、膜分離法、ＰＳＡ法などを用いることができる。但し、ＣＯ₂及びＮ₂を同時に分離除去するのではなく、２段分離、つまりどちらか一方を除去した後に残りの他の一方を除去する。ここで、高炉ガスからのＣＯ₂及びＮ₂の分離に費やす動力などのエネルギー源は、省エネルギー及びＣＯ₂発生量の削減などの観点から、高炉炉体の冷却水、転炉排ガスの冷却水、加熱炉排ガスなどの製鉄所の排熱から回収したエネルギーを利用することが好ましい。

ＣＯ₂分離に関して、アミン法は、他の方法よりも安価に分離し且つ大形化が可能であることから、設備規模が大きい場合には有利であるが、Ｎ₂の同時分離はできないため、２段分離構成とし、２段目にＮ₂分離を実施する。また、膜分離法、ＰＳＡ法においては、用いる材料により分離特性が異なるため、２段分離構成とした方が分離率が向上する上に可燃性ガス成分のロス率も低下する。従って、好ましくは、１段目のＣＯ₂分離は、安価で設備規模を大きくすることのできるアミン法または安価に処理が可能で中小規模の設備として実績のあるＰＳＡ法を使用し、２段目のＮ₂の分離は、ＰＳＡ法を使用することとする。

本発明においては、高炉ガスからＣＯ₂及びＮ₂を除去して製造した改質高炉ガスを、高炉に吹き込んで循環使用するか、或いは、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉で燃料ガスとして使用するが、先ず、高炉で循環使用する場合について説明する。

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。燃料として羽口から重油を吹き込む場合もあるが、近年では安価な微粉炭を吹き込むのが一般的である。熱風には、通常、１〜２体積％の酸素が富化されている。

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によって還元される。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。

本発明では、羽口からＣＯ₂及びＮ₂を除去した改質高炉ガスを熱風とともに炉内に吹き込む。改質高炉ガスはＣＯを主成分とし、更に１０体積％程度のＨ₂を含有しており、この改質高炉ガス中のＣＯ及びＨ₂により、鉄鉱石は還元される。従って、改質高炉ガスの供給量に相当する当量分の還元剤、具体的には羽口から吹き込む微粉炭を削減することができる。コークスも還元剤であるが、コークスは炉内の通気性を確保する作用・効果もあるので、コークスを削減する場合にはこの点に留意する必要がある。高炉の熱効率を高める上で、改質高炉ガスも熱風と同様に１０００℃程度まで加熱した後に炉内に供給することが好ましい。

炉内への熱風の供給量は、微粉炭などの還元剤の燃焼に費やされる相当量を減少する必要があり、従って、微粉炭などの還元剤の供給量の削減量に応じて、炉内への熱風の供給量を削減する。これにより、熱風の送風動力が削減される。また、炉内への熱風の供給量を削減することにより、炉頂から排出される高炉ガス中のＮ₂含有量が減少し、排出される高炉ガスの発熱量が増加するという効果も発現する。排出されるこの高炉ガスを回収し、回収した高炉ガス中のＣＯ₂及びＮ₂を分離除去し、得られた改質高炉ガスを羽口から高炉内に吹き込み、循環して使用する。

このような操業形態を行うことで、従来使用していた微粉炭の使用が不必要となり、それによってＣＯ₂の発生量を削減することが可能となる。例えば、還元剤及び燃料としてコークス及び微粉炭を使用し、これらに占める微粉炭の比率が２０質量％程度の高炉では、ＣＯ₂及びＮ₂を除去した分離改質高炉ガスを循環使用することにより、この高炉から排出されるＣＯ₂のおよそ３０％を削減することが達成される。

次に、改質高炉ガスを加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉で燃料ガスとして使用する場合について説明する。この場合、使用する改質高炉ガスの発熱量は２０００kcal／Nm³以上であることが好ましい。

改質高炉ガスの発熱量は２０００kcal／Nm³以上であるので、増熱用の高カロリー副生ガス（コークス炉ガス、転炉ガス）或いはＬＰＧやＬＮＧなどの購入燃料は不要であり、改質高炉ガスのみを、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉の燃料ガスとして使用する。この場合、高炉ガスにコークス炉ガスなどを混合したものを燃料ガスとしていた装置では、装置の仕様を変えることなく燃料ガスを切り替えるだけで対処することができる。

改質高炉ガスを、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉などの燃料ガスとして使用することにより、燃料ガスに含まれるＣＯ₂及びＮ₂によって系外に持ち去られる熱量（排熱）が減少し、加熱のために使用される燃料ガスの使用量が削減される。これにより、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉などにおけるＣＯ₂の排出量が削減される。

以上説明したように、本発明により製鉄所におけるＣＯ₂発生量が削減されるのみならず、微粉炭や燃料ガスの削減が可能となり、環境上並びに工業上有益な効果がもたらされる。

Claims (5)

1. 高炉炉頂から排出される高炉ガスから１段目でＣＯ ₂ を分離し、２段目でＮ ₂ をＰＳＡ法で分離する２段分離にて、ガス中のＣＯ₂及びＮ₂を分離除去して前記高炉ガスに比較して発熱量を高めた改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを高炉に吹き込んで循環使用することを特徴とする、高炉ガスの利用方法。
2. 高炉炉頂から排出される高炉ガスから１段目でＣＯ ₂ を分離し、２段目でＮ ₂ をＰＳＡ法で分離する２段分離にて、ガス中のＣＯ₂及びＮ₂を分離除去して前記高炉ガスに比較して発熱量を高めた改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを、加熱炉、均熱炉、焼鈍炉、保持炉のなかの何れか１種または２種以上での燃料ガスとして使用することを特徴とする、高炉ガスの利用方法。
3. 前記高炉ガス中のＣＯ ₂ をアミン法で分離することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の高炉ガスの利用方法。
4. 前記高炉ガス中のＣＯ₂及びＮ₂は、製鉄所の排熱を利用して分離除去されることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の高炉ガスの利用方法。
5. 前記改質高炉ガスの発熱量は２０００kcal／Nm³以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の高炉ガスの利用方法。