JP6881483B2

JP6881483B2 - Ｃｏ２含有ガスの生成方法

Info

Publication number: JP6881483B2
Application number: JP2019027501A
Authority: JP
Inventors: 雄基川尻; 泰平野内; 功一 ▲高▼橋; 純仁小澤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: JP2019158328A

Description

本発明は、高ＣＯ_２濃度のＣＯ_２含有ガスの生成方法に関するもので、より詳しくは、高炉ガスを利用して高ＣＯ_２濃度のＣＯ_２含有ガスを生成する技術に関するものである。

近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっており、製造業（例えば鉄鋼製造プロセス）においてもＣＯ_２排出量の削減が望まれている。すなわち、製鉄所は多量のＣＯ_２を排出しており、中でも高炉プロセスは、製鉄所で排出するＣＯ_２の約７０％を占めているため、ここでのＣＯ_２排出削減の要求も大きい。

一般に、製鉄所の高炉では鉄鉱石を炭素で還元して鉄鋼製品の製造をしていることから、原理的にはＣＯ_２の排出を避けることができない。そこで、高炉では、炭素だけでなく水素含有量の高いＬＮＧなどを羽口より炉内に吹込むことにより、高炉の炉頂から排出される炉頂ガス（以下、単に「高炉ガス」という）中の炭酸ガスの量を低減させる炭酸ガス低排出製鉄法の開発が急務となっている（例えば、特許文献１、特許文献２）。また、水素ガスを高炉に直接吹き込んで還元材として利用する方法も知られている（例えば、特許文献３）。

上記のいずれの方法においても、高炉から排出される炭酸ガスの削減量は高々１０％程度であり、政府目標である２６％削減には遠く及ばない。そのため、さらなる炭酸ガス排出量削減のためには、従来方法によらない方法が必要である。

そこで注目を集めているのが、ＣＣＳ（Carbon dioxide Capture and Storage：二酸化炭素隔離貯留技術）と呼ばれる、ＣＯ_２を含むガスからＣＯ_２を分離・回収して地中に圧入して戻す方法が知られている。このＣＣＳ技術によれば、工業プロセスで発生した排ガス中のＣＯ_２を地中に圧入して貯留できるため、化石燃焼を使用しながらもプロセスによる大気中へのＣＯ_２排出を削減できると考えられる。

特開平３−２４０９０６号公報特開２００６−２４１５８６号公報特開２００９−２３５４８２号公報

しかしながら、こうした既知の工業プロセスにおける排ガス中のＣＯ_２濃度は数％〜二十数％と低く、化学吸着法でＣＯ_２を分離回収する場合には設備が大規模化してしまう問題があった。また、ＣＯ_２の分離効率を高めるためには、分離回収前の高炉ガス中のＣＯ_２分圧を０．４７ＭＰａ以上にすることが好ましいといわれている。この程度までにＣＯ_２分圧を高めるためには、例えば高炉ガスの燃焼排ガス（ＣＯ_２：２５％程度）では、２．０ＭＰａ程度までガスを圧縮する必要がある。しかしながら、現在の日本の法律では、１．０ＭＰａ以上のガスは高圧ガスに分類されるため、その取扱いに制限が加えられ、さらに障害が大きくなる問題があった。

本発明の目的は、製鉄所の高炉などから排出されるガスから、従来設備と比較して小規模な設備で効率的かつ安価に、そして前記ＣＣＳに用いるのに好適な高ＣＯ_２濃度のＣＯ_２含有ガスを生成させるためのＣＯ_２含有ガスの生成方法を提案することにある。

発明者らは、従来技術が抱えている前述の課題を解決し、前記の目的を実現するために、高炉羽口から吹込む送風中の酸素濃度と、発電設備において高炉ガスの燃焼に寄与する燃焼用酸素含有ガス中の酸素濃度とを高めることにより、発電設備から発生する燃焼後排ガス中のＣＯ_２濃度を高める、以下に述べるような新規なＣＯ_２含有ガスの生成方法を開発するに至った。

即ち、本発明は、高炉ガスを発電設備に導入して燃焼させる際に、高炉内に吹込む送風中の酸素濃度を高めることによって得られる高炉ガスを用い、これを酸素濃度を高めた燃焼用酸素含有ガスを用いる発電設備において燃焼させ、ＣＯ_２濃度が４７％以上の燃焼後排ガスを発生させることを特徴とするＣＯ_２含有ガスの生成方法である。

なお、前記のように構成される本発明に係るＣＯ_２含有ガスの生成方法においては、
（１）前記高炉へ吹込む送風中の酸素濃度をＸ％として前記発電設備での燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度をＹ％としたとき、以下の式（１）の関係を満たすこと：
２２．３／Ｘ＋１４．０／Ｙ≦１（１）。
（２）高炉へ吹込む送風中の酸素濃度を４０％以上とし、発電設備での燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度を２５％以上とすること、
（３）前記発電設備の燃焼後排ガス中の水分を脱水設備で除去すること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

本発明に係るＣＯ_２含有ガスの生成方法によれば、高炉の炉頂から排出される高炉ガスと高酸素濃度の燃焼用酸素含有ガスとを、発電設備に導いてこれらを燃焼させることにより、発電設備から排出させる燃焼後排ガス中のＣＯ_２濃度を４７％以上の高濃度とすることができる。そのため、その後、ＣＯ_２を分離回収してＣＣＳ技術を利用して地中に圧入する際、例えば化学吸収法を用いる分離回収設備によりそのＣＯ_２を回収すれば、従来のＣＯ_２分離回収設備と比較して小規模で効率よくかつ安価に、ＣＣＳの利用に供するＣＯ_２を分離回収することが可能となる。

本発明のＣＯ_２含有ガスの生成方法を適用した設備構成の一例を示す略線図である。本発明のＣＯ_２含有ガスの生成方法を適用した設備構成の他の例を示す略線図である。本発明のＣＯ_２含有ガスの生成方法を適用した設備構成のさらに他の例を示す略線図である。

図１〜図３は、それぞれ、本発明のＣＯ_２含有ガスの生成方法を適用した設備構成の一例を示す図である。図１に示す例において、符号１は高炉、２は高炉１の炉頂からの高炉ガス１１と燃焼用酸素含有ガス１２とを燃焼させて発電し電力を得る発電設備である。本例において、高炉１内に吹込む送風中の酸素濃度を高めることで得られる高炉ガス１１と、酸素濃度を高めた燃焼用酸素含有ガス１２とを、発電設備２に導入してこれらを燃焼させ、発電設備２で得られる燃焼後排ガス中のＣＯ_２濃度を４７％以上としたＣＯ_２含有ガス１３を発生させる例を示している。図２および図３に示す例では、図１に示した設備構成に加えて脱水設備３を設け、発電設備２からのＣＯ_２含有ガス１３中から脱水設備３で水分を除去したＣＯ_２含有ガス１４を得ている。

図１〜図３に示す例において、本発明でＣＯ_２濃度が４７％以上の高ＣＯ_２濃度のＣＯ_２含有ガスを生成させるのは、このようにして得られたＣＯ_２含有ガス１３、１４のＣＯ_２濃度が４７％未満だと、その後、ＣＣＳに供するためにＣＯ_２含有ガス１３または１４を分離回収設備４に供給して、ＣＯ_２含有ガス１３または１４からＣＯ_２を分離回収する際、ＣＯ_２含有ガスを１ＭＰａ以上に加圧する必要があり、高圧ガス保安法で定められる高圧ガスに分類されるため、分離回収設備４の所望する十分な小型化を達成できないためである。

以下、図１〜図３に基づき説明した本発明のＣＯ_２含有ガスの生成方法について、より詳細に説明する。

本発明では、高炉ガス中のＣＯ_２濃度を上げるために、高炉操業において羽口からの送風ガスの酸素濃度を高める。この際、従来の高炉のように送風温度を高温に維持するのは設備上難しいため、送風温度を下げなければならないことが予想される。送風中酸素濃度が増加すると、羽口先の燃焼温度が上昇し、高炉上部は熱量が不足するために、それぞれなんらかの方法で制御する。例えば、羽口先の燃焼温度の制御は水蒸気を吹き込む、炉頂ガスを循環する、などの方法などが好ましい。また、高炉上部の熱量の不足は、還元材比を上げる、炉中段から高温ガスを吹き込むなどの方法が好ましい。

高炉ガスにはＣＯやＨ_２などの高エネルギーのガスが含まれるため、通常、高炉ガスのいくらかは所内の燃焼ガスとして用いられ、残りの高炉ガスはエネルギー回収のため発電設備に送られた後、発電に利用される。この発電時に、高炉ガスを燃焼させるために使用される燃焼用酸素含有ガスには空気を用いるが、これを高酸素濃度ガスとすることで、高炉ガス中のＣＯ_２濃度を格段に増加させることが可能である。

ただし、燃焼用酸素含有ガスとして空気の代わりに高濃度酸素ガスを使用することで燃焼温度が上昇し、タービンの設計温度を超えてしまう。この際、図１および図２に示す例では、燃焼空間中に水蒸気を混合することで、ガス量が増加して燃焼温度を低下させることが可能である。ここで、水蒸気を利用する理由は、後の工程で分離が容易であること、酸化性雰囲気で不活性であることが挙げられる。ＣＯ_２含有ガス１３中の水蒸気（高炉操業時に不可避的に混入する分も含む）は、常温まで冷却することで除外可能であるため、より高濃度のＣＯ_２ガスを精製することが可能である。

また、図３に示す例では、発電設備での燃焼時の冷却ガスとして水蒸気の代わりに発電設備から発生するＣＯ_２含有排ガス１５を燃焼空間中に混合することで、燃焼温度を低下させることも可能である。これにより、発電設備へ投入する水蒸気の量と発電設備から発生するＣＯ_２含有排ガスから分離する水蒸気の量を減らすことができ、かつ高濃度のＣＯ_２ガスを精製することが可能である。

高炉ガス燃焼後の燃焼後排ガス中のＣＯ_２濃度は、高炉送風中の酸素濃度と高炉ガス燃焼用の燃焼用酸素含有ガス中の酸素濃度に大きく依存する。以下、それらの関係について説明する。

まず、高炉へ吹込む送風中の酸素濃度をＸ％とし、発電設備での燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度をＹ％とする。高炉の一般的な操業として、還元材比５５０ｋｇ／ｔ、還元材中Ｃ：８６ｍａｓｓ％、溶銑中Ｆｅ：９５ｍａｓｓ％、溶銑中Ｃ：４．３ｍａｓｓ％、直接還元Ｃ：９０ｋｇ／ｔ、鉄源は全てＦｅ_２Ｏ_３を仮定する。原料中に含まれるＮは少量であるので無視する。また、原料水分や送風湿分由来のＨ_２Ｏについても、後の脱水工程で取り除かれることを考慮し、無視する。このような操業の場合、溶銑１ｔを製造する際に炉内に装入されるＣは５５０×０．８６＝４７３ｋｇであり、このうち４３ｋｇは溶銑として排出される。そのため、炉頂からは４７３−４３＝４３０ｋｇのＣが排出される。

一方、炉内において、Ｃのガス化は、ソリューションロスを含む直接還元と羽口前における酸素燃焼に大別される。仮定から、炉頂から排出される４３０ｋｇのＣのうち、９０ｋｇは直接還元によりガス化し、３４０ｋｇは羽口にて送風酸素との燃焼によってガス化される。３４０ｋｇのＣをＣＯまで燃焼させるのに、Ｏは３４０×１６／１２＝４５３ｋｇ送風され、すべて炉頂ガスとして排出される。また、鉄源は全てＦｅ_２Ｏ_３を仮定しているため、鉄源由来のＯは９５０×（３／２）／５５．８４５×１６＝４０８ｋｇ炉内に装入され、すべて炉頂ガスとして排出される。

以上の計算から、溶銑１ｔを製造する際、炉頂からはＣが４３０ｋｇ、Ｏが４５３（送風）＋４０８(鉄源)＝８６１ｋｇ排出される。簡単のため、物質量に変換すると、Ｃは３５．８３ｋｍｏｌ／ｔ−ｐｉｇ、Ｏは５３．８５ｋｍｏｌ／ｔ−ｐｉｇである。この高炉ガスを発電に利用する際、ＣＯをＣＯ_２に燃焼させる。そのため、発電に必要なＯの量は、３５．８３×２−５３．８５＝１７．８２ｋｍｏｌである。

ここで、高炉で用いる送風中の酸素濃度Ｘおよび発電設備で用いる燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度Ｙを用いて、高炉ガス中に含まれる窒素量を表す。
高炉送風由来の窒素量は、
４５３／１６／２×（１００／Ｘ−１）＝１４．６７×（１００／Ｘ−１）ｋｍｏｌ
燃焼用酸素含有ガス由来の窒素量は、
１７．８２／２×（１００／Ｙ−１）＝８．９×（１００／Ｙ−１）ｋｍｏｌ
とそれぞれ計算される。
よって、発電設備での発電後の燃焼後排ガス中のＣＯ_２の体積％は、次の式で表される。
３５．８３／（３５．８３＋１４．６７×（１００／Ｘ−１）
＋８．９×（１００／Ｙ−１）×１００

ＣＣＳ用に全圧１ＭＰａ以下でかつＣＣＳに有利なＣＯ_２分圧０．４７ＭＰａ以上のガスを製造するためには、発電設備での発電後の燃焼後排ガスのＣＯ_２体積％が４７％以上であればよい。そのようなＸ、Ｙは、次の式（１）で表される。
３５．８３／（３５．８３＋１４．６７×（１００／Ｘ−１）
＋８．９×（１００／Ｙ−１）×１００≧４７
すなわち、
２２．３／Ｘ＋１４．０Ｙ≦１（１）

上記式（１）を満足するように操業し、得られたＣＯ_２含有ガス中のＣＯ_２濃度を４７％以上と向上させることで、得られたＣＯ_２濃度が４７％以上のＣＯ_２含有ガスを使用して例えば化学吸収法を用いる分離回収設備によりＣＯ_２を回収すれば、従来のＣＯ_２分離回収設備と比較して小規模で効率よくかつ安価に、ＣＣＳの利用に供するＣＯ_２を分離回収することが可能となる。

ところで、高炉で用いられる送風中の酸素濃度Ｘは、通常の熱風高炉では２１〜２５体積％程度であるが、４０体積％以上といった高酸素濃度の送風を行う酸素高炉も開発されている。このような酸素高炉では熱風炉が不要となるといった設備の簡略化が図れることから、本発明を有効に利用することができる。

高炉ガス発電まで含めた高炉の操業シミュレーションを行い、最終的に得られるＣＯ_２含有ガス（燃焼後排ガス）中のＣＯ_２濃度を調査した。表１に試験結果を示す。また、最終的に得られるＣＯ_２含有ガス（燃焼後排ガス）中ＣＯ_２濃度が４７％以上の場合に、ＣＣＳに適した濃度とした。すなわち、燃焼後排ガス中のＣＯ_２濃度が４７％未満の場合を×、燃焼後排ガス中のＣＯ_２濃度が４７％以上の場合を○として示す。

［表１］

表１の結果から、高炉における送風ガス中のＯ_２濃度を高めるとともに発電設備における燃焼用酸素含有ガス中のＯ_２濃度を高めて、以下の式（１）、
２２．３／Ｘ＋１４．０Ｙ≦１（１）
を満たすＣＯ_２含有ガスの生成方法によれば、ＣＯ_２含有ガス中のＣＯ_２濃度を４７％以上と向上させることができることがわかる。

本発明のＣＯ_２含有ガスの生成方法によれば、高炉に限らず、ＣＯ_２を排出するいかなる加熱炉やプロセスでも利用することができる。

１高炉
２発電設備
３脱水設備
４分離回収設備
１１高炉ガス
１２燃焼用酸素含有ガス
１３、１４ＣＯ_２含有ガス
１５ＣＯ_２含有排ガス

Claims

高炉ガスを発電設備に導入して燃焼させる際に、高炉内に吹込む送風中の酸素濃度を４０％以上に高めることによって得られる高炉ガスを用い、これと酸素濃度を２５％以上と高めた燃焼用酸素含有ガスとを発電設備において、高炉送風由来の酸素及び燃焼用酸素含有ガス由来の酸素が、炉頂から排出されるＣと完全に反応するように燃焼させ、ＣＯ_２濃度が４７％以上の燃焼後排ガスを発生させることを特徴とするＣＯ_２含有ガスの生成方法。
前記発電設備の燃焼後排ガス中の水分を脱水設備で除去することを特徴とする請求項１に記載のＣＯ_２含有ガスの生成方法。