JP6288139B2 - スラグ保有熱を用いた炭酸ガス再生システム - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼製造プロセス等で排出されるスラグの保有熱を利用してＣＯ_２を可燃ガスとして再生利用する炭酸ガス再生システムに関する。

加熱炉等の高温設備を有する工業プロセスにおいて、温室効果ガス削減のために、燃焼排ガスなどオフガスに含まれるＣＯ_２排出量の削減が求められている。特に、鉄鉱石を炭素で還元して銑鉄を製造する高炉においては、銑鉄１トン当たり約２トンのＣＯ_２が排出されるため、国内全体のＣＯ_２排出量に占める割合が大きい。かようなＣＯ_２を分離回収するためには、現状でＣＯ_２１トン当たり２ＧＪ以上のエネルギーが必要とされるため、エネルギーコスト面での負荷が非常に大きい。

一方、上記のような工業プロセスでは未利用のまま捨てられている排熱もある。例えば、鉄鋼製造プロセスで未利用のまま排出されているスラグの保有熱は、銑鉄１トン当たり約０．５ＧＪの大きさを有することから、このスラグの保有熱を回収できれば大幅なＣＯ_２削減効果が期待できる。

スラグの保有熱を回収する方法として、特許文献１には、溶融スラグを粒径１０ｍｍ程度の粒状に滴下して流動層内に炭材と共に装入し、燃焼排ガスや高炉ガス等のＣＯ_２を含むガスを吹き込んでガス改質する方法が記載されている。

また、特許文献２には、冷却ロールで凝固させたスラグを充填層内に装入してＣＯ_２またはＨ_２Ｏを吹き込み、充填層上部に設けた炭材の多段流動層においてガス改質を行う方法が記載されている。

さらに、特許文献３には、同様に冷却ロールで凝固させたスラグを充填層内に装入してＣＯ_２またはＨ_２Ｏを吹き込み、凝固スラグの顕熱および凝固スラグ中のＦｅまたはＦｅＯにより、ガス改質を行う方法が記載されている。

特開昭５５−１５４３１０号公報 特開昭５６−８８４９４号公報 特開２００９−２２７４９４号公報 特開昭５６−１４９５８１号公報

上記した各特許文献に記載の方法によれば、スラグ保有熱を用いてＣＯおよびＨ_２などの改質ガスを得ることが出来る。
しかしながら、特許文献１および特許文献２では、改質ガスの具体的な運用方法については示されていない。
また、特許文献３では、最終的に蒸気として熱回収および熱利用する方法について示されているとはいえ、例えば製鉄所などでは排熱回収という形で蒸気を多く製造しており、運用によっては蒸気が余剰となるケースもあるためメリットは限定的である。

図１に、ＣＯ−ＣＯ_２ガスのＢｏｕｄｏｕａｒｄ平衡図を示すが、同図に示したとおり、ＣＯ−ＣＯ_２混合ガスは高温になるほどＣＯが安定となる。上記した改質ガスは高温であるため、ＣＯ濃度の高いガスとして得られるが、ガス温度が低下すると次式に示す炭素析出反応によりＣＯの一部がＣＯ_２およびＣとなって煤が発生し、熱利用設備側で汚れや閉塞などのトラブルを生じる場合がある。
２ＣＯ（ｇ）→Ｃ（ｓ）＋ＣＯ_２（ｇ）

本発明は、上記の諸問題を有利に解決するもので、未利用のまま排出されていたスラグの保有熱を有効に活用して、ＣＯ_２排出量の削減と省エネルギーを達成すると共に、熱利用設備側での汚れや閉塞などのトラブルの発生もない、炭酸ガス再生システムを提案することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．高炉等から発生する排ガスまたは該排ガスからＣＯ_２を分離して得られるＣＯ_２ガスの少なくとも何れかのＣＯ_２含有ガスを供給可能なガス供給装置と、
内部に高温凝固スラグの充填層をそなえ、この高温凝固スラグ充填層に、該ガス供給装置で得られたＣＯ_２含有ガスを導いて、その改質を行うスラグ熱回収装置と、
該スラグ熱回収装置にて得られた改質ガスと、該改質ガスより低温である冷ガスを混合するガス混合装置と、
をそなえることを特徴とする、スラグ保有熱を用いた炭酸ガス再生システム。

２．前記高温凝固スラグが、鋳滓機で得られたものであることを特徴とする、前記１に記載の炭酸ガス再生システム。

３．前記スラグ熱回収装置内へ、高温スラグと共に炭材を混合装入可能な炭材装入装置をさらにそなえることを特徴とする、前記１または２に記載の炭酸ガス再生システム。

４．前記冷ガスとして、前記改質ガスよりも発熱量の小さい可燃性ガスを用いることを特徴とする、前記１〜３のいずれかに記載の炭酸ガス再生システム。

５．前記ガス混合装置の上流側および下流側の両方または何れか一方に熱交換器を設け、該熱交換器に供給する熱媒体により前記改質ガスを冷却することを特徴とする、前記１〜４のいずれかに記載の炭酸ガス再生システム。

６．前記熱交換器の熱媒体として、前記ＣＯ_２含有ガスを用いることを特徴とする、前記５に記載の炭酸ガス再生システム。

７．前記ガス混合装置により得られた混合ガスを、加熱炉等の燃焼用ガスとして用いることを特徴とする、前記１〜６のいずれかに記載の炭酸ガス再生システム。

本発明によれば、鉄鋼製造プロセス等で排出されるＣＯ_２を、当該プロセスにおいて排出される未利用排熱により再生利用することが出来るため、ＣＯ_２排出削減および省エネルギーの両面において極めて有用である。
また、本発明によれば、熱利用設備側で従来懸念された、煤に起因した汚れや閉塞などのトラブルが発生することもない。

ガス温度とＣＯ／ＣＯ_２割合を示すＢｏｕｄｏｕａｒｄ平衡図である。 本発明に従う炭酸ガス再生システムの構成図である。 本発明に従う他の炭酸ガス再生システムの構成図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
図２に、本発明に従う炭酸ガス再生システムの好適例を示す。図中、符号１がガス供給装置、２が熱回収装置、３がガス混合装置である。

ガス供給装置１では、高炉等から発生する排ガス、またはこの排ガスからＣＯ_２を分離して得られるＣＯ_２ガスの何れかあるいはこれらを混合したガスを、ＣＯ_２含有ガスとして、送風機４を介して熱回収装置２に供給する。

熱回収装置２には、その内部に、高温凝固スラグの充填層２１が形成されていて、このスラグ充填層２１内に上記したＣＯ_２含有ガスを導入する。その結果、導入されたＣＯ_２含有ガスはスラグの保有熱によってＣＯガスを含む可燃ガスに改質される。

スラグ熱回収装置の充填層は、移動層方式、バッチ処理方式の何れも適用可能である。また、熱回収方式は、図２では向流熱回収方式の場合を示しているが、並流熱回収方式など別の方式も適用可能である。そして、充填層の下部からＣＯ_２含有ガスを吹き込み、高温のスラグ顕熱によって、次式により、ＣＯ_２ガスをＣＯガスに改質する。
Ｆｅ＋ＣＯ_２→ＦｅＯ＋ＣＯ
３ＦｅＯ＋ＣＯ_２→Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ
２ＦｅＯ＋２ＣａＯ＋ＣＯ_２→２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３＋ＣＯ

上記のようにして得られた改質ガスは、ガス混合装置に導かれ、ここで改質ガスよりも低温の冷ガスと混合されたのち、燃焼ガスとして加熱炉等に供給される。

上述したように、本発明では、加熱炉等から発生する排ガス中のＣＯ_２ガスを、高温凝固スラグの保有熱を用いて、ＣＯガスを含む改質ガスにすると共に、得られる改質ガスを低温の冷ガスと混合して燃焼ガスとして再利用する。
加熱炉等から発生する排ガス中には、通常１０〜２０％程度のＣＯ_２ガスが含まれる。この排ガス中のＣＯ_２ガスを、高温用ブロワ等のガス供給装置を用いてスラグ熱回収装置に供給する。スラグ熱回収装置は、例えば特許文献４のように、スラグ連続凝固装置と向流充填層熱回収装置を組み合わせた設備を用いることで高温ガスを得ることが出来る。ここで、ガス供給装置にＣＯ_２ガスを分離する機能を付与しておけば、スラグ熱回収装置に導入するガスのＣＯ_２濃度を高くすることができるため、より効率的にガスの改質を行うことが出来る。

なお、上記したＣＯガスからの炭素析出反応は、反応速度が遅いため、ガス温度が低い場合には反応はほとんど進行しない。ＣＯガスからの炭素析出反応が生じるのは、ＦｅＯ等の強い触媒作用を持つ触媒の存在下でも６５０〜１０００Ｋ程度の温度範囲（例えば「鉄鋼製錬（日本金属学会）ｐ３６５ご参照）である。よって、改質ガスを冷ガスと混合して６５０Ｋを下回る程度まで急冷することで、上記したような炭素の析出を抑えることが出来る。

ここに、高温の凝固スラグは、例えば図２に示したような、鋳滓機５によって容易に得ることができる。
同図に示したとおり、鋳滓機５は、連続して搬送される複数の鋳型１１を有しており、スラグ鍋１２から溶融スラグＭがスラグ樋１３を介して鋳型１１に供給されると、コンベア１４により搬送され、この搬送の間に鋳型１１中の溶融スラグが冷却されて板状の凝固スラグＳが鋳造される。こうして鋳造された凝固スラグＳは、鋳滓機５の末端で鋳型１１を反転させることにより、鋳型１１から離脱されて熱回収装置２内に供給される。
また、鋳滓機５により鋳造された凝固スラグＳは、破砕機１５により破砕することが好ましい。破砕された凝固スラグＳ’は、破砕前よりも大きな表面積を有しているため、後の熱回収行程において、凝固スラグＳの熱を効率的に回収することができるからである。

また、本発明では、スラグ熱回収装置内へ、高温の凝固スラグＳと共に炭材を混合装入可能な炭材装入装置６を設けることができる。
スラグ熱回収装置に装入されるスラグ温度は、高くても１２００℃程度であるため、ＣＯ_２ガス改質は熱分解反応ではなく、特許文献３に記載されるように、スラグ中のＦｅ，ＦｅＯ等含有成分の酸化により進行する。ここで、Ｆｅ，ＦｅＯの含有量が少ないスラグを用いた場合には、上記の反応が十分に進まない。しかしながら、かような場合には、付加的に炭材を混合装入することにより、前掲図１に示したＢｏｕｄｏｕａｒｄ平衡反応（次式参照のこと）によりＣＯ濃度を高めることができる。
Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ

ここで、スラグ熱回収装置内に装入される炭材を急速に昇温させるためには、装入される凝固スラグと炭材を均一に混合させることが望ましい。即ち、均一混合させることにより、高温凝固スラグからの輻射熱と接触伝熱との相乗効果で装入炭材が急速加熱されるため効率が良い。よって、炭材装入装置６は、スラグ熱回収装置２のスラグ装入口近傍に設けることが好ましく、これにより、凝固スラグと炭材とを均一に混合して装入することが可能となる。
なお、装入する炭材はスラグの熱で改質されるため熱バランスを考慮する必要がある。そのため、スラグ装入量に対して炭材装入量が過剰にならないように、炭材装入装置にはロータリーフィーダー等の供給量調整機構を設けることが好ましい。

さらに、本発明では、冷ガスとして、改質ガスよりも発熱量の小さい可燃性ガスを用いることが好ましい。
即ち、改質ガスを単純に希釈する形ではなく、他の可燃性ガスの発熱量を増加する形で用いる。例えば製鉄所において高炉から発生する副生ガス（以下、高炉ガス）は、ＣＯ濃度が２０％程度と低いため発熱量が小さい。しかしながら、ＣＯ濃度の高い改質ガスに高炉ガスを冷ガスとして混合することにより、高炉ガスよりも大きい発熱量を有する混合ガスを得ることが出来る。

そして、本発明では、ガス混合装置３により得られた混合ガスを、そのまま加熱炉等の燃焼用ガスとして直接利用することができる。

また、本発明では、図３に示すように、ガス混合装置３の上流側および下流側の両方または何れか一方に熱交換器７を設け、この熱交換器７の熱媒体により、上記の改質ガスを効果的に冷却することもできる。図３は、熱交換器７をガス混合装置３の上流側に設けた場合である。
例えば、上記Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ平衡図によれば、１０００Ｋ以上ではＣＯガスが安定であるため、１０００Ｋまでは熱交換器で熱回収を行うことが出来る。そして、炭素析出が生じやすい１０００Ｋ未満の温度域で冷ガスと混合してガスを急冷する。急冷後の混合ガスは、急冷時の各ガス温度およびガス混合比に応じた顕熱を有するため、急冷後の混合ガスからも熱回収を行うことが出来る。

さらに、本発明では、上記の熱交換器７の熱媒体として、前記したＣＯ_２含有ガスを用いることができる。
スラグ熱回収装置内でのＣＯ_２ガス改質反応は、高温ほど反応速度が速くなる。そのため、スラグ熱回収装置に吹き込む前のＣＯ_２含有ガスを、スラグ熱回収装置にて得られる高温の改質ガスの顕熱を用いて予熱するのである。

上述したように、本発明では、ガス混合装置３により得られた混合ガスを、熱交換器７を介して加熱炉等の燃焼用ガスとして用いることもできる。
ガス混合装置で急冷された混合ガスは低温であるため、混合ガスの顕熱を熱交換器で効率良く回収するためには伝熱面積の大きい大型の熱交換器が必要となる。一方、混合ガスをそのまま燃焼用ガスとして用いれば、混合ガスの顕熱を、熱交換器を介さずにそのまま全て利用することが出来る。混合ガスを燃焼ガスとして用いるためには、保温機能の高いガス配管を用いると共に、加熱炉のレイアウトが前記スラグ熱回収装置と近接していることが望ましい。例えば製鉄プロセスにおいては、スラグを大量に発生する高炉の近傍に熱風炉を有するため、前記のような方法で得た混合ガスを熱風炉の燃焼ガスとして用いれば、熱風炉の消費エネルギーを削減することが出来る。

なお、改質ガスは、熱交換器にて一部顕熱をＣＯ_２ガスの予熱に用いた後、例えば高炉ガスと混合して急冷され、高炉ガスよりも発熱量の大きい混合ガスとすることができる。従って、この混合ガスを、保温機能を有するガス配管を通して混合直後の保有顕熱を維持したまま加熱炉まで運搬し、加熱炉の燃焼ガスとして用いることは有利である。

１ ガス供給装置
２ 熱回収装置
３ ガス混合装置
４ 送風機
５ 鋳滓機
６ 炭材装入装置
７ 熱交換器
１１ 鋳型
１２ スラグ鍋
１３ スラグ樋
１４ コンベア
１５ 破砕機

Claims (7)

1. 高炉等から発生する排ガスまたは該排ガスからＣＯ₂を分離して得られるＣＯ₂ガスの少なくとも何れかのＣＯ₂含有ガスを供給可能なガス供給装置と、
   内部に高温凝固スラグの充填層をそなえ、この高温凝固スラグ充填層に、該ガス供給装置で得られたＣＯ₂含有ガスを導いて、その改質を行うスラグ熱回収装置と、
   該スラグ熱回収装置にて得られた改質ガスと、該改質ガスより低温である冷ガスを混合して、６５０Ｋを下回る温度まで急冷するガス混合装置と、
   をそなえることを特徴とする、スラグ保有熱を用いた炭酸ガス再生システム。
2. 前記高温凝固スラグが、鋳滓機で得られたものであることを特徴とする、請求項１に記載の炭酸ガス再生システム。
3. 前記スラグ熱回収装置内へ、高温凝固スラグと共に炭材を混合装入可能な炭材装入装置をさらにそなえることを特徴とする、請求項１または２に記載の炭酸ガス再生システム。
4. 前記冷ガスとして、前記改質ガスよりも発熱量の小さい可燃性ガスを用いることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の炭酸ガス再生システム。
5. 前記ガス混合装置の上流側および下流側の両方または何れか一方に熱交換器を設け、該熱交換器に供給する熱媒体により前記改質ガスを冷却することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の炭酸ガス再生システム。
6. 前記熱交換器の熱媒体として、前記ＣＯ₂含有ガスを用いることを特徴とする、請求項５に記載の炭酸ガス再生システム。
7. 前記ガス混合装置により得られた混合ガスを、加熱炉等の燃焼用ガスとして用いることを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載の炭酸ガス再生システム。

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