JP6575499B2 - 製鉄プロセスにおける酸素供給装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、製鉄プロセスにおける酸素供給装置およびその方法に関する。

製鉄プロセスでは、転炉における成分調整のために、高純度の酸素が必須である。酸素を製造する方法としては、深冷分離、吸着分離、膜分離などが挙げられる。一般に、高純度の酸素は、深冷分離で精製する。深冷分離とは空気を冷却、液化して沸点の差を用いて分離する方法である。深冷分離では１００％に近い高純度の酸素が得られる。

また、近年では、コークス燃料を低減するために、高炉への酸素の吹き込みが行われている。そのため、製鉄プロセスにおける高炉への酸素の吹き込み量は、年々増える傾向にある。例えば、従来の製鉄プロセスにおける酸素供給装置１００として、図３に示すように、深冷分離によって高純度の酸素を製造する高純度酸素供給手段１０１と、製造された高純度の酸素を圧縮する酸素圧縮機１０２を備えるものがある。酸素供給装置１００は、高純度酸素供給手段１０１によって高純度の酸素を製造し、当該高純度の酸素を、酸素圧縮機１０２を介して高炉と転炉の両方に供給している。

なお、上記した転炉への酸素の吹き込みについては例えば特許文献１、２、高炉への酸素の吹き込みについては例えば特許文献３、４、吸着分離による酸素の製造方法については例えば特許文献５、膜分離による酸素の製造方法については例えば特許文献６において、それぞれ紹介されている。

特開２００５−６８５３２号公報 特開２００１−２００３０９号公報 特開２００１−２３４２１３号公報 特開２００１−１３１６１６号公報 特開２００５−８７９４１号公報 特開２００６−１９２４１７号公報

しかしながら、上記した従来の酸素供給装置では、高炉向けの酸素も従来から存在する深冷分離装置を用いて製造している。すなわち、転炉に吹き込む酸素のみならず、高炉に吹き込む酸素についても、深冷分離によって製造している。深冷分離では１００％に近い高純度の酸素が得られる代わりに、原料となる空気の圧縮に大きな動力を必要とする。しかし、高炉への酸素の吹き込みは、高炉の酸素負荷率の上昇が目的であるため、１００％に近い高純度の酸素である必要はない。そのため、深冷分離を用いた高炉向けの酸素の供給は、装置全体のエネルギー効率が低下するという問題があった。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、製鉄プロセスにおける酸素供給装置およびその方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を達成するため鋭意研究を行った結果、次の知見を得た。

酸素供給装置における酸素の製造方法として、深冷分離に代えて吸着分離、膜分離などを用いる場合、ある程度の純度の酸素を小さな動力で製造することが可能である。高炉プロセス用の酸素供給源は、それほど高い純度の酸素を必要としないため、吸着分離、膜分離でも支障はない。しかし、転炉プロセス用の酸素供給源は、高純度の酸素を必要とするため、吸着分離、膜分離では必要な酸素純度要求を満足できない。

そこで、本発明では、深冷分離で高純度の酸素を製造する場合、深冷分離の原料空気中の酸素純度を高めることができれば、より少ない動力で同量の高純度の酸素を得ることができることを知見した。すなわち、本発明は、吸着分離または膜分離を用いて少ない動力である程度の純度の酸素を製造し、その製造した酸素の一部を原料として深冷分離を用いて高純度の酸素を製造することを特徴とする。

本発明は前述の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。
［１］ 吸着分離または膜分離によって原料空気から低純度の酸素を生成する低純度酸素生成手段と、
生成された前記低純度の酸素を少なくとも２方向へ分岐させる分岐手段と、
前記分岐手段により分岐された一方の前記低純度の酸素を、低純度の酸素が要求される低純度酸素使用設備に対して供給する低純度酸素供給手段と、
前記分岐手段により分岐された他方の前記低純度の酸素をさらに深冷分離し、高純度の酸素を生成する高純度酸素生成手段と、
生成された前記高純度の酸素を、高純度の酸素が要求される高純度酸素使用設備に対して供給する高純度酸素供給手段とを備えることを特徴とする製鉄プロセスにおける酸素供給装置。
［２］ さらに、前記高純度酸素生成手段によって生成された前記高純度の酸素を、必要に応じて前記低純度酸素使用設備に対して供給するバックアップ手段を備えることを特徴とする［１］に記載の製鉄プロセスにおける酸素供給装置。
［３］ 前記バックアップ手段は、前記高純度酸素供給手段による前記高純度の酸素の供給量が、前記高純度酸素使用設備における基準酸素使用量を超える場合、前記高純度の酸素を前記低純度酸素使用設備に対して供給することを特徴とする［２］に記載の製鉄プロセスにおける酸素供給装置。
［４］ 吸着分離または膜分離によって原料空気から低純度の酸素を生成する低純度酸素生成ステップと、
生成された前記低純度の酸素を少なくとも２方向へ分岐させる分岐ステップと、
前記分岐ステップにより分岐された一方の前記低純度の酸素を、低純度の酸素が要求される低純度酸素使用設備に対して供給する低純度酸素供給ステップと、
前記分岐ステップにより分岐された他方の前記低純度の酸素をさらに深冷分離し、高純度の酸素を生成する高純度酸素生成ステップと、
生成された前記高純度の酸素を、高純度の酸素が要求される高純度酸素使用設備に対して供給する高純度酸素供給ステップとを含むことを特徴とする製鉄プロセスにおける酸素供給方法。
［５］ さらに、前記高純度酸素生成ステップによって生成された前記高純度の酸素を、必要に応じて前記低純度酸素使用設備に対して供給するバックアップステップを含むことを特徴とする［４］に記載の製鉄プロセスにおける酸素供給方法。
［６］ 前記バックアップステップは、前記高純度酸素供給ステップによる前記高純度の酸素の供給量が、前記高純度酸素使用設備における基準酸素使用量を超える場合、前記高純度の酸素を前記低純度酸素使用設備に対して供給することを特徴とする［５］に記載の製鉄プロセスにおける酸素供給方法。

本発明によれば、高炉向けの酸素の製造動力を低減できる。さらに、吸着分離または膜分離によってある程度純度を高めた酸素から、深冷分離によって高純度の酸素を生成するので、例えば原料空気から深冷分離によって高純度の酸素を生成する方法に比べて、転炉向けの酸素の製造動力を低減できる。このため、酸素供給装置全体のエネルギー効率を向上できる。

図１は、本発明の実施形態に係る製鉄プロセスにおける酸素供給装置を概略的に示す図である。 図２は、本発明の別の実施形態に係る製鉄プロセスにおける酸素供給装置を概略的に示す図である。 図３は、従来技術に係る製鉄プロセスにおける酸素供給装置を概略的に示す図である。

以下、本発明の製鉄プロセスにおける酸素供給装置およびその方法について詳細に説明する。

まず、本発明における酸素供給装置について説明する。図１は、本発明の実施形態における酸素供給装置１の概略を示す図である。

図１に示すように、酸素供給装置１は、原料空気から生成した酸素を高炉および転炉に供給するものである。転炉とは、高純度の酸素が要求される高純度酸素使用設備である。高炉とは、低純度の酸素が要求される低純度酸素使用設備である。なお、本発明では、高純度の酸素とは、例えば酸素の純度が９０％を超える場合を意味する。低純度の酸素とは、前述の高純度の酸素と比較して相対的に純度が低いことを意味し、純度が極端に低いことを意味するものではない。低純度の酸素は、空気中の酸素（２０％程度）よりも純度が高ければよい。

酸素供給装置１は、低純度酸素生成手段１０と、分岐手段１１と、低純度酸素供給手段１２と、高純度酸素生成手段１３と、高純度酸素供給手段１４と、酸素圧縮機１５を備える。

低純度酸素生成手段１０は、吸着分離または膜分離によって原料空気から低純度の酸素を生成する。低純度酸素生成手段１０では、少なくとも、高炉で必要とされる基準酸素使用量と転炉で必要とされる基準酸素使用量とを合わせた合計酸素使用量の酸素を生成できればよい。

分岐手段１１は、低純度酸素生成手段１０の下流側に配設され、低純度酸素生成手段１０によって生成された低純度の酸素を、少なくとも２方向へ分岐させる。生成された低純度の酸素は、分岐手段１１を介して、高炉側および転炉側に送られる。分岐手段１１は、例えば、酸素流量調整弁であり、高炉および転炉へ供給する酸素使用量がそれぞれ目標値（基準酸素使用量）となるように、酸素流量調整弁で制御する。

低純度酸素供給手段１２は、分岐手段１１により分岐された低純度の酸素を、酸素用配管を用いて、高炉に対して供給する。低純度酸素供給手段１２は、高炉に対して、当該高炉における基準酸素使用量以上の低純度の酸素を供給すればよい。

高純度酸素生成手段１３は、分岐手段１１により分岐された低純度の酸素をさらに深冷分離し、高純度の酸素を生成する。高純度酸素生成手段１３は、分岐手段１１と転炉の間に配設される。

高純度酸素供給手段１４は、高純度酸素生成手段１３によって生成された高純度の酸素を、酸素用配管を用いて、転炉に対して供給する。高純度酸素供給手段１４は、転炉に対して、当該転炉における基準酸素使用量以上の高純度の酸素を供給すればよい。なお、仮に、供給量が基準酸素使用量を上回る場合、余剰分の高純度の酸素を、後述する図２に示すバックアップ手段１６により、高炉に対して供給するようにしてもよい。

酸素圧縮機１５は、低純度酸素生成手段１０によって生成された低純度の酸素および高純度酸素生成手段１３によって生成された高純度の酸素を、それぞれ圧縮する。なお、高炉へ供給する酸素の圧力を高めるため、分岐手段１１と高炉の間に高炉送風機（図示せず）を配設し、高炉に対して空気と混合して送風してもよい。

ここで、図２を用いて、本発明の酸素供給装置１の別の実施形態について説明する。なお、図２に示す酸素供給装置１は、上述の図１に示した各構成に加えて、さらにバックアップ手段１６を備える。バックアップ手段１６以外の構成は、図１と同様のため同じ符号を付し、各構成の説明は省略する。

高炉や転炉の炉況は常に変化しており、この変化に対応して酸素の必要量も変化している。そのため、製鉄プロセスにおける酸素使用量の変動により、転炉に供給される酸素が転炉の基準酸素使用量を上回る場合がある。この余剰分の高純度の酸素は、大気放出されることなく高炉に対して供給できれば、さらにエネルギー効率の向上が可能である。また、酸素の放散量も低減できる。なお、上述のとおり、高炉向けの酸素濃度は、低純度以上であればよいため、転炉向けの酸素を利用することには問題はない。

バックアップ手段１６は、高純度酸素生成手段１３によって生成された高純度の酸素の余剰分を、必要に応じて高炉に対して供給する。バックアップ手段１６は、高純度酸素供給手段１４に設けた酸素圧縮機１５と転炉の間に設けることが好ましい。バックアップ手段１６は、高純度酸素供給手段１４により転炉に供給される高純度の酸素の供給量が、転炉の基準酸素使用量を超える（上回る）場合、高純度酸素生成手段１３によって生成された高純度の酸素の余剰分を、高炉に対して供給する。これにより、製鉄プロセスにおける酸素使用量の変動を、低純度酸素供給手段１２と高純度酸素供給手段１４の両方で吸収することができる。

図２に示すように、バックアップ手段１６は、高純度酸素供給手段１４の酸素圧縮機１５と転炉との間に流量調整弁１６ａを設け、流量調整弁１６ａにより、転炉の基準酸素使用量以下となるように供給量を制御する。これにより余剰分の酸素は、高炉に対して供給される。例えば、高純度酸素生成手段１３からの高純度の酸素供給量が８０ｋＮｍ^３／ｈであり、転炉の基準酸素使用量が５０ｋＮｍ^３／ｈである場合、余剰分の３０ｋＮｍ^３／ｈがバックアップ手段１６により高炉に対して供給される。

以上の構成により、本発明の酸素供給装置１は、高炉および転炉における必要な酸素純度要求を満足し、かつ、装置全体でのエネルギー効率を向上させることができる。すなわち、吸着分離や膜分離によって高炉向けの酸素の製造動力を低減し、かつ、吸着分離や膜分離した酸素をさらに深冷分離することによって転炉向けの酸素の製造動力を低減するため、従来の酸素供給装置よりも少ない動力で酸素を供給できる。

次に、本発明の酸素供給装置１を用いた酸素供給方法について説明する。

本発明の酸素供給方法は、吸着分離または膜分離によって原料空気から低純度の酸素を生成する低純度酸素生成ステップと、生成された低純度の酸素を少なくとも２方向へ分岐させる分岐ステップと、分岐ステップにより分岐された一方の低純度の酸素を、低純度の酸素が要求される低純度酸素使用設備に対して供給する低純度酸素供給ステップと、分岐ステップにより分岐された他方の低純度の酸素をさらに深冷分離し、高純度の酸素を生成する高純度酸素生成ステップと、生成された高純度の酸素を、高純度の酸素が要求される高純度酸素使用設備に対して供給する高純度酸素供給ステップと、を含むことを特徴とする。さらに、高純度酸素生成ステップによって生成された高純度の酸素を、必要に応じて低純度酸素使用設備に対して供給するバックアップステップを含むことが好ましい。さらに、バックアップステップは、高純度酸素供給ステップによる高純度の酸素の供給量が、高純度酸素使用設備における基準酸素使用量を超える場合、高純度の酸素を低純度酸素使用設備に対して供給することが好ましい。

まず、低純度酸素生成手段１０が、原料空気を吸引し、吸引した原料空気から吸着分離または膜分離によって低純度の酸素を生成する（低純度酸素生成ステップ）。生成される酸素は、少なくとも、高炉で必要とされる基準酸素使用量と転炉で必要とされる基準酸素使用量とを合わせた合計酸素使用量である。

続いて、分岐手段１１が、この低純度の酸素を高炉用および転炉用に分岐する（分岐ステップ）。分岐される酸素量は、予め設定された高炉の基準酸素使用量および転炉の基準酸素使用量に応じて調整される。

続いて、高炉側では、低純度酸素供給手段１２が、分岐された低純度の酸素を、酸素用配管によって、高炉に対して供給する（低純度酸素供給ステップ）。分岐された低純度の酸素は、酸素圧縮機１５によって圧縮された後、高炉へ供給される。

一方、転炉側では、高純度酸素生成手段１３が、分岐された低純度の酸素をさらに深冷分離して、高純度の酸素を生成する（高純度酸素生成ステップ）。続いて、高純度酸素供給手段１４が、生成された高純度の酸素を転炉に対して供給する（高純度酸素供給ステップ）。この高純度の酸素は、酸素圧縮機１５によって圧縮された後、転炉へ供給される。

なお、酸素放出を低減するため、必要に応じて次の処理を続けてもよい。高純度酸素供給ステップに続いて、高純度酸素生成手段１３によって生成された高純度の酸素を、必要に応じて低純度酸素使用設備に対して供給する（バックアップステップ）。バックアップステップでは、高純度の酸素の供給量が転炉の基準酸素使用量を超える（上回る）場合、余剰分の高純度の酸素を、バックアップ手段１６により高炉に対して供給する。

以下、本発明の酸素供給装置１を実施例により詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。ここでは、低純度酸素生成手段として、例えば吸着分離を用いる。

吸着分離が生成する低純度の酸素の量を１３０，０００Ｎｍ^３／ｈとする。そのうち、高炉向け酸素の使用量（高炉の基準酸素使用量）は５０，０００Ｎｍ^３／ｈであり、転炉向け酸素の使用量（高炉の基準酸素使用量）は８０，０００Ｎｍ^３／ｈである。また、深冷分離の電力原単位を０．３５ｋＷｈ／Ｎｍ^３とし、吸着分離の電力原単位を０．２ｋＷｈ／Ｎｍ^３とする。さらに、深冷分離で生成される酸素純度を９９％とし、吸着分離で生成される酸素純度を９０％とする。なお、空気中の酸素濃度は２１％とする。

この条件のもと、酸素供給装置１を動作させ、酸素製造にかかる動力を求めた。そして、図２に示した従来の酸素供給装置１００を同じ条件で動作させ、酸素製造にかかる動力を求めた。これらの動力を比較した結果を、以下に示す。
＜従来の酸素供給装置１００＞
・装置全体の動力：
（50,000Nm³/h＋80,000Nm³/h）×100%/99%×0.35kWh/Nm³＝45,960kWh/h・・・（１）
＜本発明の酸素供給装置１＞
・高炉向けの動力：
50,000Nm³/h×100%/90%×0.2kWh/Nm³＝11,111kWh/h・・・（２）
・転炉向けの動力：
(80,000Nm³/h×100%/99%×0.35kWh/Nm³×21%/90%)＋(80,000Nm³/h×99%/90%×0.2kWh/Nm³)＝24,199kWh/h・・・（３）
・装置全体の動力：（２）＋（３）＝35,310kWh/h・・・（４）
＜従来の酸素供給装置１００と本発明の酸素供給装置１の動力差＞
（１）−（４）＝10,650kWh/h
以上より、本発明では、従来の酸素供給装置より、酸素製造にかかる動力を10,650kWh/h削減できた。すなわち、本発明によれば酸素供給装置全体でのエネルギー効率を向上できる。

さらに、本発明では、高純度の酸素の供給量が転炉の基準酸素使用量を超える場合、余剰分の高純度の酸素をバックアップ手段により高炉に対して供給してもよい。
すなわち、バックアップ手段による処理を行うことで、酸素放散を低減できる。これにより、製鉄プロセスにおける酸素使用量の変動を、高炉と転炉の両方で吸収できるため、酸素供給装置全体でのエネルギー効率をさらに向上できる。例えば、高純度の酸素の余剰分を３０，０００Ｎｍ^３／ｈとした場合、酸素製造にかかった動力を有効に利用できる。
・転炉向けの動力：
(30,000Nm³/h×100%/99%×0.35kWh/Nm³×21%/90%)＋(30,000Nm³/h×99%/90%×0.2kWh/Nm³)＝8,597kWh/h

１ 酸素供給装置
１０ 低純度酸素生成手段
１１ 分岐手段
１２ 低純度酸素供給手段
１３ 高純度酸素生成手段
１４ 高純度酸素供給手段
１５ 酸素圧縮機
１６ バックアップ手段
１００ 酸素供給装置
１０１ 高純度酸素供給手段
１０２ 酸素圧縮機

Claims (4)

1. 吸着分離または膜分離によって原料空気から低純度の酸素を生成する低純度酸素生成手段と、
   生成された前記低純度の酸素を少なくとも２方向へ分岐させる分岐手段と、
   前記分岐手段により分岐された一方の前記低純度の酸素を、低純度の酸素が要求される低純度酸素使用設備に対して供給する低純度酸素供給手段と、
   前記分岐手段により分岐された他方の前記低純度の酸素をさらに深冷分離し、高純度の酸素を生成する高純度酸素生成手段と、
   生成された前記高純度の酸素を、高純度の酸素が要求される高純度酸素使用設備に対して供給する高純度酸素供給手段とを備えることを特徴とする製鉄プロセスにおける酸素供給装置。
2. さらに、前記高純度酸素生成手段によって生成された前記高純度の酸素を、前記高純度酸素供給手段による前記高純度の酸素の供給量が、前記高純度酸素使用設備における基準酸素使用量を超える場合、前記高純度の酸素を前記低純度酸素使用設備に対して供給するバックアップ手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の製鉄プロセスにおける酸素供給装置。
3. 吸着分離または膜分離によって原料空気から低純度の酸素を生成する低純度酸素生成ステップと、
   生成された前記低純度の酸素を少なくとも２方向へ分岐させる分岐ステップと、
   前記分岐ステップにより分岐された一方の前記低純度の酸素を、低純度の酸素が要求される低純度酸素使用設備に対して供給する低純度酸素供給ステップと、
   前記分岐ステップにより分岐された他方の前記低純度の酸素をさらに深冷分離し、高純度の酸素を生成する高純度酸素生成ステップと、
   生成された前記高純度の酸素を、高純度の酸素が要求される高純度酸素使用設備に対して供給する高純度酸素供給ステップとを含むことを特徴とする製鉄プロセスにおける酸素供給方法。
4. さらに、前記高純度酸素生成ステップによって生成された前記高純度の酸素を、前記高純度酸素供給ステップによる前記高純度の酸素の供給量が、前記高純度酸素使用設備における基準酸素使用量を超える場合、前記高純度の酸素を前記低純度酸素使用設備に対して供給するバックアップステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の製鉄プロセスにおける酸素供給方法。

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