JP5646226B2 - 製鉄所におけるガス分離回収設備の操業方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高炉ガスから二酸化炭素を分離回収するために、製鉄所内に設置されるガス分離回収設備の操業方法に関する。
製鉄所で発生する高炉ガスには、水素や一酸化炭素などのように燃料に適したガス成分が含まれているが、一方で窒素が５０〜５５体積％程度、二酸化炭素が２０〜２３体積％程度含まれているため、体積当たりの熱量は７００kcal／Ｎｍ３程度しかない。このため、高炉ガスを燃料として用いる場合には、高炉ガス単独では熱量が不十分であることから、他の熱量の高い副生ガスや天然ガスを混合することで、体積当たりの熱量を高めて使用することが多い。
以上のことから、高炉ガスを燃料として有効利用するためには、高炉ガスから窒素や二酸化炭素を分離除去し、ガスの体積当りの熱量を高めることが好ましい。また、昨今の二酸化炭素排出削減の要請から、製鉄所において高炉ガスから二酸化炭素を効率的かつ経済的に分離回収する技術やシステムが求められている。
以上のことから、高炉ガスを燃料として有効利用するためには、高炉ガスから窒素や二酸化炭素を分離除去し、ガスの体積当りの熱量を高めることが好ましい。また、昨今の二酸化炭素排出削減の要請から、製鉄所において高炉ガスから二酸化炭素を効率的かつ経済的に分離回収する技術やシステムが求められている。
特許文献１には、高炉ガスから効率的かつ経済的に二酸化炭素を分離回収するために、二酸化炭素の分離回収に化学吸収法を用いるとともに、二酸化炭素を吸収した吸収液を加熱して二酸化炭素を分離させるプロセス（吸収液再生プロセス）に、製鉄所で発生する５００℃以下の低品位排熱を利用する方法が示されている。
しかし、特許文献１の方法を製鉄所に実際に適用する場合、排熱が発生する設備から吸収液再生設備に排熱（スチーム）を導くための大規模な配管設備を設置する必要がある。例えば、粗鋼生産１０００万トンクラスの製鉄所では、年間約２０００万トンの炭酸ガスが発生している。その２割にあたる４００万トンの炭酸ガスを高炉ガスから化学吸収法で分離回収しようとする場合、吸収液再生用の水蒸気を１２０℃で供給するためには、直径数ｍの配管が必要となり、設備的な負担が大きい。しかも、製鉄所内には既に多くの大径配管が配置されており、さらに新たな大径配管を設置することは設置場所などの面で制約も多く、事実上、設置は非常に難しい。
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、設備的な制約を受けることなく、高炉ガスから二酸化炭素を効率的かつ経済的に分離回収することができるガス分離回収設備の操業方法を提供することにある。
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、設備的な制約を受けることなく、高炉ガスから二酸化炭素を効率的かつ経済的に分離回収することができるガス分離回収設備の操業方法を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決するために、高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する設備として、ガス分離回収プロセスのエネルギー源に電力を使用する物理吸着法（圧力スイング吸着法）による設備を採用するとともに、それに使用する電力の少なくとも一部として、製鉄所内で発生した排熱（例えば、燃焼排熱、スラグ顕熱など）を利用して発電された電力を用いることにより、設備的な制約を受けることなく、高炉ガスから二酸化炭素を効率的かつ経済的に分離回収できるようにするものである。さらに、製鉄所内で使用する酸素（主に高炉や転炉などに供給する酸素）を製造する深冷分離式の酸素製造設備で発生した液化窒素の一部を利用した発電を行い、その電力を上記ガス分離回収プロセスに使用することにより、高炉ガスから二酸化炭素をより経済的に分離回収できるようにするものである。さらに、上記液化窒素を二酸化炭素の液化に利用することにより、二酸化炭素の液化回収まで行いつつ、製鉄所内のエネルギーをより効率的にかつバランス良く利用できるようにするものである。すなわち、本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］ 製鉄所内において高炉ガスから二酸化炭素を分離回収するガス分離回収設備の操業方法であって、
圧力スイング吸着法によるガス分離回収設備（Ａ）で高炉ガスから二酸化炭素を分離回収するとともに、そのガス分離回収プロセスに、製鉄所内の発電設備（Ｂ）において製鉄所内で発生した排熱を利用して発電された電力を用いるとともに、
製鉄所内で使用する酸素を製造するための深冷分離式の酸素製造設備（Ｃ）で発生した液化窒素の一部を貯蔵タンク（Ｄ）に貯蔵しておき、発電設備（Ｂ）で発電する電力に不足が生じた場合に、貯蔵タンク（Ｄ）から取り出された液化窒素を熱交換器（Ｅ）で昇温させてガス化し、その窒素ガスを駆動ガスとして膨張タービン（Ｆ）で発電を行い、その電力をガス分離回収設備（Ａ）のガス分離回収プロセスに用い、
ガス分離回収設備（Ａ）で分離回収された二酸化炭素を液化設備（Ｇ）で液化し、この二酸化炭素の液化に当たっては、貯蔵タンク（Ｄ）から取り出された液化窒素を二酸化炭素冷却用の冷媒として液化設備（Ｇ）に供給するとともに、該液化設備（Ｇ）で二酸化炭素と熱交換することでガス化した窒素を、熱交換器（Ｅ）に熱媒として供給することを特徴とする、製鉄所におけるガス分離回収設備の操業方法。
圧力スイング吸着法によるガス分離回収設備（Ａ）で高炉ガスから二酸化炭素を分離回収するとともに、そのガス分離回収プロセスに、製鉄所内の発電設備（Ｂ）において製鉄所内で発生した排熱を利用して発電された電力を用いるとともに、
製鉄所内で使用する酸素を製造するための深冷分離式の酸素製造設備（Ｃ）で発生した液化窒素の一部を貯蔵タンク（Ｄ）に貯蔵しておき、発電設備（Ｂ）で発電する電力に不足が生じた場合に、貯蔵タンク（Ｄ）から取り出された液化窒素を熱交換器（Ｅ）で昇温させてガス化し、その窒素ガスを駆動ガスとして膨張タービン（Ｆ）で発電を行い、その電力をガス分離回収設備（Ａ）のガス分離回収プロセスに用い、
ガス分離回収設備（Ａ）で分離回収された二酸化炭素を液化設備（Ｇ）で液化し、この二酸化炭素の液化に当たっては、貯蔵タンク（Ｄ）から取り出された液化窒素を二酸化炭素冷却用の冷媒として液化設備（Ｇ）に供給するとともに、該液化設備（Ｇ）で二酸化炭素と熱交換することでガス化した窒素を、熱交換器（Ｅ）に熱媒として供給することを特徴とする、製鉄所におけるガス分離回収設備の操業方法。
［2］上記［1］の操業方法において、酸素製造設備（Ｃ）での酸素製造プロセスに、夜間電力、発電設備（Ｂ）で発電された電力、膨張タービン（Ｆ）で発電された電力のうちの１つ以上を用いることを特徴とする、製鉄所におけるガス分離回収設備の操業方法。
本発明によれば、高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する設備として、ガス分離回収プロセスのエネルギー源に電力を使用する物理吸着法（圧力スイング吸着法）による設備を採用するとともに、それに使用する電力として、製鉄所内で発生した排熱を利用して発電された電力を用いるため、化学吸収法のような大規模な配管設備を設置することなく、製鉄所内のエネルギーを有効利用して高炉ガスから二酸化炭素を効率的かつ経済的に分離回収することができる。
さらに、製鉄所内で使用する酸素を製造する深冷分離式の酸素製造設備で発生した液化窒素の一部を利用した発電を行い、その電力を上記ガス分離回収プロセスに使用することにより、高炉ガスから二酸化炭素をより経済的に分離回収することができる。また、製鉄所内の設備で発生する排熱が操業条件などによって変動し、その排熱を利用した発電量に変動が生じても、酸素製造設備で発生した液化窒素（冷熱）の一部を備蓄利用することで、電力の需給調整を行うことができる。
さらに、上記液化窒素を二酸化炭素の液化に利用することにより、二酸化炭素の液化回収まで行いつつ、製鉄所内のエネルギーをより効率的にかつバランス良く利用することができる。
さらに、上記液化窒素を二酸化炭素の液化に利用することにより、二酸化炭素の液化回収まで行いつつ、製鉄所内のエネルギーをより効率的にかつバランス良く利用することができる。
図１は、本発明の操業方法の一実施形態を示すものであり、図中の設備はいずれも製鉄所内に設置されたものである。なお、図において実線と破線は流体の供給路を示し、一点鎖線は電力の供給路を示す。
図１において、１は高炉、２は高炉送風設備、３は燃焼排熱などの排熱が発生する設備であり、燃焼排熱が発生する設備３としては、例えば、加熱炉、焼結炉などが挙げられる。
Ａは、高炉ガスから二酸化炭素を分離回収するガス分離回収設備であり、本発明では、圧力スイング吸着法によるガス分離回収設備を用いる。このガス分離回収設備Ａは、吸着剤が充填された吸着塔内に高炉ガスを導入して吸着剤に二酸化炭素を吸着させた後、吸着塔内を減圧することにより二酸化炭素を吸着剤から脱離（脱着）させ、分離回収するものであり、公知の設備を用いてもよい。このガス分離回収設備Ａにおけるガス分離回収プロセスのエネルギー源は電力である。
図１において、１は高炉、２は高炉送風設備、３は燃焼排熱などの排熱が発生する設備であり、燃焼排熱が発生する設備３としては、例えば、加熱炉、焼結炉などが挙げられる。
Ａは、高炉ガスから二酸化炭素を分離回収するガス分離回収設備であり、本発明では、圧力スイング吸着法によるガス分離回収設備を用いる。このガス分離回収設備Ａは、吸着剤が充填された吸着塔内に高炉ガスを導入して吸着剤に二酸化炭素を吸着させた後、吸着塔内を減圧することにより二酸化炭素を吸着剤から脱離（脱着）させ、分離回収するものであり、公知の設備を用いてもよい。このガス分離回収設備Ａにおけるガス分離回収プロセスのエネルギー源は電力である。
Ｂは、設備３（例えば、加熱炉）で発生した燃焼排熱を利用して発電を行う発電設備であり、本実施形態では、設備３から排出された高温排ガスの顕熱で蒸気を発生させる熱交換器４と、その蒸気を駆動流体として発電を行う蒸気タービン５などで構成されている。製鉄所内には、発電に利用可能な燃焼排熱が発生する設備３が存在しており、このような設備３で発生した燃焼排熱を利用して発電を行う発電設備Ｂを１つ以上設置する。
発電に利用する排熱は、燃焼排熱に限られるものではない。例えば、高温スラグや赤熱コークスなどの顕熱、コークス炉ガスの顕熱などでもよく、その場合には、設備３は、それらの顕熱源から熱を回収する設備などであってもよい。
また、発電設備Ｂは、蒸気タービンによる発電に限らず、例えば、カリーナ・サイクル／ランキン・サイクルを応用した発電、熱電素子による発電など、任意の発電方式のものでよい。
発電に利用する排熱は、燃焼排熱に限られるものではない。例えば、高温スラグや赤熱コークスなどの顕熱、コークス炉ガスの顕熱などでもよく、その場合には、設備３は、それらの顕熱源から熱を回収する設備などであってもよい。
また、発電設備Ｂは、蒸気タービンによる発電に限らず、例えば、カリーナ・サイクル／ランキン・サイクルを応用した発電、熱電素子による発電など、任意の発電方式のものでよい。
本発明では、ガス分離回収設備Ａにおけるガス分離回収プロセス用の電力の少なくとも一部として、上記発電設備Ｂで発電された電力を用いる。また、不足する電力は、外部供給電力（電力会社などから購入する電力、製鉄所内の自家発電設備による電力など）や後述する膨張タービンＦで発電される電力などを適宜用いる。
以上のように高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する設備として物理吸着法（圧力スイング吸着法）による設備を採用するとともに、それに使用する電力の少なくとも一部として、製鉄所内で発生した排熱を利用して発電された電力を用いることにより、化学吸収法のような大規模な配管設備を設置することなく、製鉄所内のエネルギーを有効利用して高炉ガスから二酸化炭素を効率的かつ経済的に分離回収することができる。
以上のように高炉ガスから二酸化炭素を分離回収する設備として物理吸着法（圧力スイング吸着法）による設備を採用するとともに、それに使用する電力の少なくとも一部として、製鉄所内で発生した排熱を利用して発電された電力を用いることにより、化学吸収法のような大規模な配管設備を設置することなく、製鉄所内のエネルギーを有効利用して高炉ガスから二酸化炭素を効率的かつ経済的に分離回収することができる。
さらに、本発明の好ましい実施形態では、製鉄所内で使用する酸素を製造する深冷分離式の酸素製造設備で発生した液化窒素の一部を取り出してこれを貯蔵し、必要に応じてこの液化窒素を利用した発電を行い、その電力を上記ガス分離回収プロセスに使用する。
Ｃは、製鉄所内で使用する酸素（主に高炉や転炉などに供給する酸素）を製造するための深冷分離式の酸素製造設備である。この酸素製造設備Ｃは、圧縮された原料空気を深冷した後、精留塔で精留して成分分離することにより酸素を製造するものであり、精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液化窒素を精留塔に還流させるようにしている。この酸素製造設備Ｃは、公知の設備を用いてもよい。酸素製造設備Ｃで製造された酸素は、高炉１などの製鉄所内の設備に供給される。
Ｃは、製鉄所内で使用する酸素（主に高炉や転炉などに供給する酸素）を製造するための深冷分離式の酸素製造設備である。この酸素製造設備Ｃは、圧縮された原料空気を深冷した後、精留塔で精留して成分分離することにより酸素を製造するものであり、精留塔から取り出された窒素ガスの一部を液化し、この液化窒素を精留塔に還流させるようにしている。この酸素製造設備Ｃは、公知の設備を用いてもよい。酸素製造設備Ｃで製造された酸素は、高炉１などの製鉄所内の設備に供給される。
酸素製造設備Ｃで発生した液化窒素の一部を取り出し、これを貯蔵タンクＤに貯蔵しておく。そして、この貯蔵タンクＤから必要に応じて適宜取り出された液化窒素を、熱交換器Ｅで昇温させてガス化し、その窒素ガスを駆動ガスとして膨張タービンＦで発電を行い、その電力をガス分離回収設備Ａのガス分離回収プロセスに用いる。
以上のように、製鉄所内で使用する酸素を製造する深冷分離式の酸素製造設備Ｃで発生した液化窒素の一部を利用した発電を行い、その電力をガス分離回収設備Ａのガス分離回収プロセスに使用することにより、高炉ガスからの二酸化炭素の分離回収をより経済的に行うことができる。また、製鉄所内の設備３から発生する排熱は、操業条件によって増減することがあり、このような排熱量の変動が生じると発電設備Ｂでの発電量も変動することになるが、このような場合でも、酸素製造設備Ｃで発生した液化窒素（冷熱）の一部を備蓄利用することで、電力の需給調整が可能になる。
以上のように、製鉄所内で使用する酸素を製造する深冷分離式の酸素製造設備Ｃで発生した液化窒素の一部を利用した発電を行い、その電力をガス分離回収設備Ａのガス分離回収プロセスに使用することにより、高炉ガスからの二酸化炭素の分離回収をより経済的に行うことができる。また、製鉄所内の設備３から発生する排熱は、操業条件によって増減することがあり、このような排熱量の変動が生じると発電設備Ｂでの発電量も変動することになるが、このような場合でも、酸素製造設備Ｃで発生した液化窒素（冷熱）の一部を備蓄利用することで、電力の需給調整が可能になる。
酸素製造設備Ｃの酸素製造プロセスでは、夜間電力、前記発電設備Ｂで発電された電力、前記膨張タービンＦで発電された電力のうちの１つ以上を用いることが好ましく、上記実施形態では、このような安価な電力で発生した冷熱（液化窒素）を備蓄利用できるので、経済性をより高めることができる。
なお、酸素製造設備Ｃで製造される酸素量を多くし、これを高炉に供給した場合、高炉送風中の酸素富化率が上昇し、高炉ガス中の二酸化炭素濃度が上昇するが、本発明が二酸化炭素の分離回収に採用する圧力スイング吸着法は、二酸化炭素濃度が高い混合ガスから二酸化炭素を分離回収するのに特に有利な方法である。
なお、酸素製造設備Ｃで製造される酸素量を多くし、これを高炉に供給した場合、高炉送風中の酸素富化率が上昇し、高炉ガス中の二酸化炭素濃度が上昇するが、本発明が二酸化炭素の分離回収に採用する圧力スイング吸着法は、二酸化炭素濃度が高い混合ガスから二酸化炭素を分離回収するのに特に有利な方法である。
さらに、本発明の好ましい実施形態では、高炉ガスから分離回収された二酸化炭素を液化することで、二酸化炭素の液化回収を行うとともに、上記のように貯蔵された液化窒素を二酸化炭素の液化に利用する。
すなわち、ガス分離回収設備Ａで分離回収された二酸化炭素を液化設備Ｇで液化して回収する。液化設備Ｇでは、二酸化炭素を加圧して液化するが、図２の二酸化炭素の状態図に示されるように、二酸化炭素を液化するにはマイナス数十℃に冷却した方が有利である（より小さい加圧で液化できる）。そこで、貯蔵タンクＤから取り出された液化窒素を二酸化炭素冷却用の冷媒として液化設備Ｇに供給し、二酸化炭素を固体とならない程度（マイナス数十℃）に冷却する。
すなわち、ガス分離回収設備Ａで分離回収された二酸化炭素を液化設備Ｇで液化して回収する。液化設備Ｇでは、二酸化炭素を加圧して液化するが、図２の二酸化炭素の状態図に示されるように、二酸化炭素を液化するにはマイナス数十℃に冷却した方が有利である（より小さい加圧で液化できる）。そこで、貯蔵タンクＤから取り出された液化窒素を二酸化炭素冷却用の冷媒として液化設備Ｇに供給し、二酸化炭素を固体とならない程度（マイナス数十℃）に冷却する。
また、液化設備Ｇで二酸化炭素と熱交換することでガス化した窒素を、前記熱交換器Ｅに熱媒として供給する。この熱媒により液化窒素が昇温してガス化し、上述したようにこの窒素ガスが膨張タービンＦに供給される。膨張タービンＦを通過した窒素ガスは適当な設備でプロセスガスとして使用される。また、熱交換器Ｅを通過した窒素ガスは、製鉄所内で通常の窒素ガスとして用いることが可能である。
以上のように、貯蔵タンクＤに貯蔵された液化窒素を二酸化炭素の液化に利用することにより、二酸化炭素の液化回収まで行いつつ、製鉄所内のエネルギーをより効率的にかつバランス良く利用できる。
以上のように、貯蔵タンクＤに貯蔵された液化窒素を二酸化炭素の液化に利用することにより、二酸化炭素の液化回収まで行いつつ、製鉄所内のエネルギーをより効率的にかつバランス良く利用できる。
１ 高炉
２ 高炉送風設備
３ 設備
４ 熱交換器
５ 蒸気タービン
Ａ ガス分離回収設備
Ｂ 発電設備
Ｃ 酸素製造設備
Ｄ 貯蔵タンク
Ｅ 熱交換器
Ｆ 膨張タービン
Ｇ 液化設備
２ 高炉送風設備
３ 設備
４ 熱交換器
５ 蒸気タービン
Ａ ガス分離回収設備
Ｂ 発電設備
Ｃ 酸素製造設備
Ｄ 貯蔵タンク
Ｅ 熱交換器
Ｆ 膨張タービン
Ｇ 液化設備
Claims (2)
- 製鉄所内において高炉ガスから二酸化炭素を分離回収するガス分離回収設備の操業方法であって、
圧力スイング吸着法によるガス分離回収設備（Ａ）で高炉ガスから二酸化炭素を分離回収するとともに、そのガス分離回収プロセスに、製鉄所内の発電設備（Ｂ）において製鉄所内で発生した排熱を利用して発電された電力を用いるとともに、
製鉄所内で使用する酸素を製造するための深冷分離式の酸素製造設備（Ｃ）で発生した液化窒素の一部を貯蔵タンク（Ｄ）に貯蔵しておき、発電設備（Ｂ）で発電する電力に不足が生じた場合に、貯蔵タンク（Ｄ）から取り出された液化窒素を熱交換器（Ｅ）で昇温させてガス化し、その窒素ガスを駆動ガスとして膨張タービン（Ｆ）で発電を行い、その電力をガス分離回収設備（Ａ）のガス分離回収プロセスに用い、
ガス分離回収設備（Ａ）で分離回収された二酸化炭素を液化設備（Ｇ）で液化し、この二酸化炭素の液化に当たっては、貯蔵タンク（Ｄ）から取り出された液化窒素を二酸化炭素冷却用の冷媒として液化設備（Ｇ）に供給するとともに、該液化設備（Ｇ）で二酸化炭素と熱交換することでガス化した窒素を、熱交換器（Ｅ）に熱媒として供給することを特徴とする、製鉄所におけるガス分離回収設備の操業方法。 - 酸素製造設備（Ｃ）での酸素製造プロセスに、夜間電力、発電設備（Ｂ）で発電された電力、膨張タービン（Ｆ）で発電された電力のうちの１つ以上を用いることを特徴とする、請求項１に記載の製鉄所におけるガス分離回収設備の操業方法。
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