JP7415133B2 - Carbon dioxide reduction method - Google Patents
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Description
本発明は、二酸化炭素の還元方法に関する。
The present invention relates to a method for reducing carbon dioxide.
鉄鋼業は、エネルギー多消費産業であり、高炉法一貫製鉄プロセスにおける廃熱のうち約4割が、未利用廃熱である。未利用廃熱のうち、回収されやすいが従来は利用されていない熱源として、コークス炉から発生する高温のコークス炉ガス(Cokes Oven Gas:COG)の顕熱がある。従来、高温のコークス炉ガスの顕熱は、ほとんど利用されずに、冷却後のガスを処理して利用するケースが殆どであった。一方、近年、二酸化炭素の排出量削減が問題となっている中、鉄鋼業は、二酸化炭素の大量排出業種であるため、大量の二酸化炭素を固定化・有価化する技術の開発が注目されている。 The steel industry is an energy-intensive industry, and approximately 40% of the waste heat from the integrated blast furnace steelmaking process is unused waste heat. Among the unused waste heat, sensible heat of high-temperature coke oven gas (COG) generated from a coke oven is a heat source that is easily recovered but has not been used in the past. Conventionally, the sensible heat of high-temperature coke oven gas has hardly been utilized, and in most cases the gas has been processed and utilized after cooling. On the other hand, as the reduction of carbon dioxide emissions has become an issue in recent years, the steel industry is an industry that emits a large amount of carbon dioxide, so the development of technology to fix large amounts of carbon dioxide and make it valuable has been attracting attention. There is.
例えば、以下の特許文献1では、コークス炉の炭化室に二酸化炭素を供給し、コークス炉での顕熱を利用してコークス炉ガスを増量させる方法が開示されている。かかる特許文献1によれば、供給する二酸化炭素は、COG発生量の0.1~10%である。特許文献1では、COG中のタールや炭化水素の炭素質に対する比率(CO2/C)に換算すると、0.002~0.2相当の二酸化炭素を供給することで、石炭の乾留過程で発生する高温の粉末コークスや付着カーボンと、二酸化炭素と、が反応するブドワール反応(CO2+C→2CO)が進行するとされている。
For example,
上記特許文献1と同様に、コークス炉で二酸化炭素を反応させてCOGを増量させる方法として、以下の特許文献2には、コークス炉に二酸化炭素と微粉炭を供給する方法が開示されている。かかる引用文献2では、微粉炭を同時に供給することで、ブドワール反応による二酸化炭素の変換率を高めることができるとされ、また、供給する二酸化炭素を500℃に加熱するとされている。
Similar to
更に、以下の特許文献3及び特許文献4では、コークス炉の炭化室の炉頂空間の内壁に付着したカーボンを除去するために、CO2やH2Oを含有したコークス炉の燃焼室で発生する燃焼排ガスの一部(3.5又は80Nm3/h・窯。CO2はその25%)を炭化室に供給することで、炉頂空間の内壁に付着したカーボンを除去しつつ、コークス炉ガスとして回収できるとされている。
Furthermore, in the following
また、以下の特許文献5では、コークスの乾式急冷において二酸化炭素を利用して、ブドワール反応による吸熱反応でコークスを冷却しつつ、二酸化炭素を一酸化炭素に変換させるとともに、更に、変換した一酸化炭素を回収してコークス炉の炭化室の加熱に利用することが開示されている。 In addition, in Patent Document 5 below, carbon dioxide is used in the dry quenching of coke to cool the coke through an endothermic reaction by the boudoir reaction, convert carbon dioxide into carbon monoxide, and further convert the converted monoxide into carbon monoxide. It is disclosed that carbon is recovered and used for heating the carbonization chamber of a coke oven.
一方、触媒を用いて高温のCOGと二酸化炭素を反応させる方法は、本発明者らによって、例えば、以下の特許文献6~特許文献8などで開示されている。本発明者らは、ニッケル及びマグネシウムに、第3成分として様々な金属成分やアルミナ等を混合した成分からなるタール含有ガス改質用触媒を用いて、タールを含有したCOGやバイオマスガス化ガスを改質する方法を開示している。例えば、以下の特許文献6及び特許文献7には、ニッケル、マグネシウム、アルミニウムを含む酸化物からなるタール含有ガス改質用触媒が開示されている。また、以下の特許文献8には、ニッケル、マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、アルミニウムを含む酸化物からなるタール含有ガス改質用触媒が開示されている。いずれの触媒においても、COG中に含まれる水素の増幅を主眼においており、COG中に含まれる水蒸気や二酸化炭素に加え、外部から水蒸気や二酸化炭素のいずれかを更に添加して、タールの改質活性の向上を図っている。
On the other hand, a method of reacting high-temperature COG and carbon dioxide using a catalyst is disclosed by the present inventors, for example, in the following
しかしながら、上記特許文献1~特許文献5に開示されている技術では、コークス炉のみで二酸化炭素を反応させるため、二酸化炭素を供給しすぎると、一酸化炭素に変換されない未反応の二酸化炭素の残留量が多くなってしまう。そのため、本発明者らによる検討によれば、COGに対して最大でも10%の二酸化炭素までしか供給できないという問題があった。加えて、上記特許文献2では、二酸化炭素の供給量や供給範囲について言及されておらず、また、供給される二酸化炭素の加熱に必要なエネルギー(二酸化炭素の排出)が考慮されているかについても、言及されていない。
However, in the technologies disclosed in
このように、上記特許文献1~特許文献5に開示されている技術では、供給した二酸化炭素の反応率が制限されるため、多量の二酸化炭素を供給できなかった。
As described above, in the techniques disclosed in
また、上記特許文献6~特許文献8に開示されている技術に関して、タールの改質反応は吸熱反応であり、外部から水蒸気や二酸化炭素を追加して反応を進行させるためには、新たなエネルギーが必要である。ここで、上記反応では、反応の進行に伴って二酸化炭素が発生するが、上記特許文献6~特許文献8では、二酸化炭素の発生量等については言及されていない。本発明者らは、上記特許文献6~特許文献8に記載された触媒のみでのCOGと二酸化炭素の反応について更なる検討を行った結果、反応に必要なエネルギーを考慮した場合に、二酸化炭素の排出量の削減について更なる改善の余地があることが明らかとなった。
Furthermore, regarding the technologies disclosed in
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、投入エネルギーを差し引いたとしても、コークス炉ガスをより一層カロリーアップすることが可能な、二酸化炭素の還元方法を提供することにある。
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to use carbon dioxide, which can further increase the calorie content of coke oven gas even after subtracting the input energy. The goal is to provide a method of giving back.
本発明者らは、上記課題を解決するために、コークス炉と触媒とを利用した多量の二酸化炭素の還元方法について、鋭意検討した。その結果、以下の(a)、(b)に示した、2つの新たな知見を得ることができた。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied a method for reducing a large amount of carbon dioxide using a coke oven and a catalyst. As a result, we were able to obtain two new findings shown in (a) and (b) below.
(a)二酸化炭素をコークス炉の炭化室に供給することで、炭化室内の石炭や石炭の乾留で発生したタール及び水素と、二酸化炭素と、が反応し、二酸化炭素が一酸化炭素に変換すると共に、COGの体積が増幅する。
(b)炭化室から出てきてすぐの、未反応の二酸化炭素を含む高温のCOGを、触媒を用いて反応させることで、COG中のタールや炭化水素と二酸化炭素とが反応して一酸化炭素に変換し、COGの体積が更に増幅する。
(a) By supplying carbon dioxide to the coking chamber of a coke oven, the carbon dioxide reacts with the coal or tar and hydrogen generated by carbonization of coal in the coking chamber, converting carbon dioxide into carbon monoxide. At the same time, the volume of COG increases.
(b) By using a catalyst to react the high-temperature COG containing unreacted carbon dioxide immediately after it comes out of the carbonization chamber, the tar and hydrocarbons in the COG react with carbon dioxide, resulting in monoxide oxidation. It is converted into carbon, and the volume of COG is further amplified.
本発明者らは、以上(a)、(b)に示したような2つの新たな知見により、二酸化炭素の反応率を向上させつつ、COGのカロリーを増加できることに想到した。すなわち、コークス炉内での反応と触媒での反応とを組み合わせることで、反応に必要な新たなエネルギーによる二酸化炭素の発生も含め、効率的に二酸化炭素を変換して、COGのカロリーを向上できることが明らかとなった。 Based on the two new findings shown in (a) and (b) above, the present inventors came up with the idea that it is possible to increase the calories of COG while improving the reaction rate of carbon dioxide. In other words, by combining the reaction inside the coke oven and the reaction on the catalyst, it is possible to efficiently convert carbon dioxide and increase the calorie content of COG, including the generation of carbon dioxide using the new energy required for the reaction. became clear.
このような二酸化炭素の還元方法によるCOGは、室温の二酸化炭素を反応温度まで上昇させるエネルギー、及び、吸熱反応に必要なエネルギーの双方を差し引いても、COGのカロリーを、より一層向上させることができる。
上記のような知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
COG produced by such a carbon dioxide reduction method can further improve the calorie content of COG even after subtracting both the energy required to raise room temperature carbon dioxide to the reaction temperature and the energy required for the endothermic reaction. can.
The gist of the present invention, which was completed based on the above findings, is as follows.
(1)コークス炉の石炭が充填された炭化室に対して二酸化炭素を供給し、当該二酸化炭素を前記炭化室内に存在する炭素成分及び水素と反応させて一酸化炭素に変換するコークス炉内反応工程と、前記炭化室に供給された前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスを、触媒が設けられた触媒炉へと供給し、前記二酸化炭素の未反応分を一酸化炭素に改質する触媒改質工程と、を含み、前記炭化室には、前記石炭から製造されたコークスを排出する排出口と、前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスが排出される上昇管と、が設けられており、前記コークス炉の炭化室に供給される前記二酸化炭素は、前記上昇管よりも前記排出口側の所定の位置から前記炭化室の内部へと供給され、前記炭化室に充填される前記石炭に対して、充填に先立ってギ酸を含有させる、二酸化炭素の還元方法。
(2)コークス炉の石炭が充填された炭化室に対して二酸化炭素を供給し、当該二酸化炭素を前記炭化室内に存在する炭素成分及び水素と反応させて一酸化炭素に変換するコークス炉内反応工程と、前記炭化室に供給された前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスを、触媒が設けられた触媒炉へと供給し、前記二酸化炭素の未反応分を一酸化炭素に改質する触媒改質工程と、を含み、前記炭化室には、前記石炭から製造されたコークスを排出する排出口と、前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスが排出される上昇管と、が設けられており、前記コークス炉の炭化室に供給される前記二酸化炭素は、前記上昇管よりも前記排出口側の所定の位置から前記炭化室の内部へと供給され、前記炭化室に充填される前記石炭に対して、充填に先立ってCa成分を含有させる、二酸化炭素の還元方法。
(3)コークス炉の石炭が充填された炭化室に対して二酸化炭素を供給し、当該二酸化炭素を前記炭化室内に存在する炭素成分及び水素と反応させて一酸化炭素に変換するコークス炉内反応工程と、前記炭化室に供給された前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスを、触媒が設けられた触媒炉へと供給し、前記二酸化炭素の未反応分を一酸化炭素に改質する触媒改質工程と、を含み、前記炭化室には、前記石炭から製造されたコークスを排出する排出口と、前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスが排出される上昇管と、が設けられており、前記コークス炉の炭化室に供給される前記二酸化炭素は、前記上昇管よりも前記排出口側の所定の位置から前記炭化室の内部へと供給され、前記炭化室に前記石炭を充填後に、前記充填した石炭の表層にCa含有物を設置する、二酸化炭素の還元方法。
(4)前記炭化室に対して供給される前記二酸化炭素は、前記コークス炉ガス中の炭素成分に対するモル比で、0.2超2.0以下である、(1)~(3)の何れか1つに記載の二酸化炭素の還元方法。
(5)前記触媒炉へと供給される前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスの空間速度は、250h-1以上2000h-1以下である、(1)~(4)の何れか1つに記載の二酸化炭素の還元方法。
(6)前記触媒改質工程において、前記触媒炉に対して、前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスとともに更に二酸化炭素を供給する、(1)~(5)の何れか1つに記載の二酸化炭素の還元方法。
(7)前記触媒炉に対して供給される前記二酸化炭素は、前記コークス炉ガス中の炭素成分に対するモル比で、0.1以上1.0以下である、(6)に記載の二酸化炭素の還元方法。
(8)前記二酸化炭素は、前記炭化室の炉頂空間へと供給される、(1)~(7)の何れか1つに記載の二酸化炭素の還元方法。
(9)前記炭化室に充填される前記石炭の灰を蛍光X線分析法により測定した際に、得られた灰組成中におけるCaO及びMgOの濃度が、合計で3質量%以上である、(1)~(8)の何れか1つに記載の二酸化炭素の還元方法。
(10)前記炭化室に充填される前記石炭の灰を蛍光X線分析法により測定した際に、得られた灰組成中におけるFe2O3の濃度が、5質量%以上である、(1)~(9)の何れか1つに記載の二酸化炭素の還元方法。
(1) A coke oven reaction in which carbon dioxide is supplied to a coking chamber filled with coal in a coke oven, and the carbon dioxide is reacted with carbon components and hydrogen present in the coking chamber to convert it into carbon monoxide. and supplying the coke oven gas containing the unreacted carbon dioxide supplied to the carbonization chamber to a catalyst furnace provided with a catalyst, and reforming the unreacted carbon dioxide into carbon monoxide. a catalytic reforming step, the carbonization chamber includes an outlet for discharging coke produced from the coal, and a riser pipe for discharging coke oven gas containing unreacted carbon dioxide; is provided, and the carbon dioxide supplied to the carbonization chamber of the coke oven is supplied into the carbonization chamber from a predetermined position closer to the discharge port than the riser pipe, and A method for reducing carbon dioxide, wherein the coal to be filled contains formic acid prior to charging .
(2) A coke oven reaction in which carbon dioxide is supplied to a coking chamber filled with coal in a coke oven, and the carbon dioxide is reacted with carbon components and hydrogen present in the coking chamber to convert it into carbon monoxide. and supplying the coke oven gas containing the unreacted carbon dioxide supplied to the carbonization chamber to a catalyst furnace provided with a catalyst, and reforming the unreacted carbon dioxide into carbon monoxide. a catalytic reforming step, the carbonization chamber includes an outlet for discharging coke produced from the coal, and a riser pipe for discharging coke oven gas containing unreacted carbon dioxide; is provided, and the carbon dioxide supplied to the carbonization chamber of the coke oven is supplied into the carbonization chamber from a predetermined position closer to the discharge port than the riser pipe, and is filled into the carbonization chamber. A method for reducing carbon dioxide, wherein the coal is made to contain a Ca component before being charged.
(3) A coke oven reaction in which carbon dioxide is supplied to a coke oven filled with coal, and the carbon dioxide is reacted with carbon components and hydrogen present in the coke oven to convert it into carbon monoxide. and supplying the coke oven gas containing the unreacted carbon dioxide supplied to the carbonization chamber to a catalyst furnace provided with a catalyst, and reforming the unreacted carbon dioxide into carbon monoxide. a catalytic reforming step, the carbonization chamber includes an outlet for discharging coke produced from the coal, and a riser pipe for discharging coke oven gas containing unreacted carbon dioxide; The carbon dioxide supplied to the carbonization chamber of the coke oven is supplied into the carbonization chamber from a predetermined position closer to the discharge port than the riser, and the carbon dioxide is supplied to the carbonization chamber from a predetermined position closer to the discharge port than the riser pipe. A method for reducing carbon dioxide, which comprises, after filling coal, installing a Ca-containing material on the surface layer of the filled coal.
( 4 ) Any of (1) to (3) , wherein the carbon dioxide supplied to the carbonization chamber has a molar ratio of more than 0.2 to 2.0 with respect to the carbon component in the coke oven gas. The method for reducing carbon dioxide according to
( 5 ) Any one of (1) to (4), wherein the coke oven gas containing unreacted carbon dioxide supplied to the catalytic furnace has a space velocity of 250 h -1 or more and 2000 h -1 or less. The method for reducing carbon dioxide described in .
( 6 ) In any one of (1) to ( 5 ), in the catalytic reforming step, carbon dioxide is further supplied to the catalytic furnace together with coke oven gas containing unreacted carbon dioxide. The carbon dioxide reduction method described.
( 7 ) The carbon dioxide according to ( 6 ), wherein the carbon dioxide supplied to the catalytic furnace has a molar ratio of 0.1 to 1.0 with respect to the carbon component in the coke oven gas. Reduction method.
( 8 ) The method for reducing carbon dioxide according to any one of (1) to ( 7 ), wherein the carbon dioxide is supplied to the furnace top space of the carbonization chamber.
( 9 ) When the ash of the coal filled in the carbonization chamber is measured by X-ray fluorescence analysis, the total concentration of CaO and MgO in the resulting ash composition is 3% by mass or more, ( The method for reducing carbon dioxide according to any one of 1) to ( 8 ).
( 10 ) When the ash of the coal filled in the carbonization chamber is measured by X-ray fluorescence analysis, the concentration of Fe 2 O 3 in the obtained ash composition is 5% by mass or more, (1 ) to ( 9 ). The method for reducing carbon dioxide according to any one of (9).
以上説明したように本発明によれば、コークス炉及びCOGの顕熱と、触媒とを利用して、常温の二酸化炭素を大量に還元し、COGをより一層カロリーアップすることが可能となる。特に、常温の二酸化炭素を反応温度まで加熱するエネルギーと吸熱反応に必要な新たに投入するエネルギーとを差し引いたとしても、COGをより一層カロリーアップすることが可能となる。 As explained above, according to the present invention, it is possible to reduce a large amount of carbon dioxide at room temperature by using the sensible heat of a coke oven and COG, and a catalyst, thereby further increasing the calorie content of COG. In particular, even if the energy for heating carbon dioxide at room temperature to the reaction temperature and the newly input energy required for the endothermic reaction are subtracted, it is possible to further increase the calorie content of COG.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Note that, in this specification and the drawings, components having substantially the same functional configurations are designated by the same reference numerals and redundant explanation will be omitted.
本発明の実施形態に係る二酸化炭素の還元方法では、コークス炉の炭化室に二酸化炭素を供給し、コークス炉の炭化室内に充填された石炭及び石炭の乾留で発生するタール及び水素と、二酸化炭素と、を反応させることで、二酸化炭素を一酸化炭素に変換する。また、本発明の実施形態に係る二酸化炭素の還元方法では、未反応の二酸化炭素を含んだ高温のコークス炉ガス(COG)を更に触媒で改質し、炭化水素と二酸化炭素との反応により、二酸化炭素を一酸化炭素へと変換する。また、コークス炉の炭化室内では、上記の反応が進行する過程で、炭化室内の石炭からコークスが製造される。 In the method for reducing carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, carbon dioxide is supplied to the carbonization chamber of a coke oven, and coal filled in the carbonization chamber of the coke oven, tar and hydrogen generated by carbonization of the coal, and carbon dioxide By reacting with, carbon dioxide is converted to carbon monoxide. In addition, in the carbon dioxide reduction method according to the embodiment of the present invention, high temperature coke oven gas (COG) containing unreacted carbon dioxide is further reformed with a catalyst, and by the reaction between hydrocarbons and carbon dioxide, Converts carbon dioxide to carbon monoxide. Further, in the carbonization chamber of the coke oven, coke is produced from the coal in the carbonization chamber as the above reaction progresses.
(コークス製造設備について)
<コークス製造設備の全体構成について>
以下では、まず、本実施形態に係る二酸化炭素の還元方法で用いられるコークス製造設備の全体的な構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係るコークス製造設備の構成を模式的に示した説明図である。
(About coke manufacturing equipment)
<About the overall configuration of coke manufacturing equipment>
Below, first, the overall configuration of coke manufacturing equipment used in the carbon dioxide reduction method according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of coke production equipment according to the present embodiment.
本実施形態に係るコークス製造設備1は、図1に模式的に示したように、コークス炉10と、コークス炉の下流側に設けられた触媒炉20と、を備える。
As schematically shown in FIG. 1, the
コークス炉10の内部(より詳細には、コークス炉10に設けられた炭化室の内部)には、石炭が充填される。充填された石炭は、コークス炉10内で乾留されることでコークスとなる。また、石炭がコークスとなる過程で、メタン等の炭化水素及びタールを含むCOG(コークス炉内改質COG)が発生する。本実施形態に係るコークス製造設備1では、コークス炉10の内部に、二酸化炭素を供給することで、COGや水素と二酸化炭素とを反応させて、二酸化炭素を一酸化炭素に還元する。ここで、コークス炉10内に供給される二酸化炭素の供給量は、二酸化炭素供給制御機構の一例としての制御弁30により制御される。
The inside of the coke oven 10 (more specifically, the inside of the carbonization chamber provided in the coke oven 10) is filled with coal. The filled coal becomes coke by being carbonized in the
また、本実施形態に係るコークス製造設備1では、コークス炉10の下流に位置する近傍の位置に、炭化水素を改質する改質触媒が設けられた触媒炉20が設けられている。コークス炉10で発生したコークス炉内改質COGは、触媒炉20へと供給される。コークス炉内改質COG中には、炭化水素及びタール等の成分の他に、コークス炉10の内部で未反応となった二酸化炭素も含まれている。このようなコークス炉内改質COGが触媒炉20の内部に供給されることで、コークス炉内改質COG中のタール及び炭化水素と、二酸化炭素と、が改質触媒を介して反応し、未反応の二酸化炭素が一酸化炭素へと還元される。その結果、コークス炉10内へと供給された二酸化炭素の還元率を更に向上させることができる。また、未反応の二酸化炭素が一酸化炭素へと還元された後のCOGは、触媒改質COGとして、触媒炉20の外部に排出される。
Further, in the
ここで、本実施形態に係るコークス製造設備1では、触媒炉20内における二酸化炭素の還元反応をより効率良く進行させるために、触媒炉20に供給されるコークス炉内改質COGに対して、更に二酸化炭素を供給することが好ましい。ここで、コークス炉内改質COGに供給される二酸化炭素の供給量は、二酸化炭素供給制御機構の一例としての制御弁40により制御されることが好ましい。
Here, in the
また、制御弁30及び制御弁40の状態は、CPU、ROM、RAM等を有する制御装置50によって制御される。制御装置50は、予め検証を行うことで特定したコークス炉10内での反応の進行度合い(すなわち、反応率)等に適合するように、予め設定された設定値に基づき、制御弁30を制御してもよいし、コークス炉10の内部における反応率を把握しながら、制御弁30の状態を動的に制御してもよい。また、制御装置50は、予め検証を行うことで特定したコークス炉10内での反応率や触媒炉20内での反応率等に適合するように、予め設定された設定値に基づき、制御弁40を制御してもよいし、コークス炉10や触媒炉20の内部における反応率を把握しながら、制御弁40の状態を動的に制御してもよい。かかる制御装置50は、特に限定されるものではなく、各種のコンピュータやサーバ等の情報処理装置であってもよいし、各種のプロセスコンピュータであってもよい。
Further, the states of the
以上、本実施形態に係るコークス製造設備1の全体構成について、簡単に説明した。以下では、図2及び図3を参照しながら、本実施形態に係るコークス製造設備におけるコークス炉及び触媒炉の構成と、かかるコークス炉及び触媒炉で実施される二酸化炭素の還元方法について、より詳細に説明する。
The overall configuration of the
<コークス炉及び触媒炉の構成例について>
以下では、まず、図2を参照しながら、本実施形態に係るコークス製造設備1におけるコークス炉及び触媒炉について、具体的な構成の一例を説明する。図2は、本実施形態に係るコークス製造設備のうちコークス炉及び触媒炉の構成の一例を模式的に示した説明図である。
<Example of configuration of coke oven and catalytic furnace>
Hereinafter, an example of a specific configuration of a coke oven and a catalyst furnace in the
本実施形態に係るコークス炉10において、炭化室101の内部空間には、例えば炭化室101の上部に設けられた複数の石炭挿入口103から、石炭が充填される。また、石炭が充填された後の炭化室101の上部には、空隙が残存しており、かかる空隙を炉頂空間105ともいう。通常、コークス炉10におけるコークスの製造効率を上げるために、炉頂空間105がなるべく小さくなるように、石炭が炭化室101内に充填されることが多い。例えば、特開2004-124001号公報には、炭化室の高さは、通常6m~7m前後であり、石炭を充填する高さは、天井から300mm~350mm程度低いレベルである旨が開示されている。
In the
炭化室101内に充填された石炭は、コークス炉10の燃焼室(図示せず。)で発生した熱により乾留されて、コークスとなる。製造されたコークスは、炭化室101に設けられた排出口107から(より詳細には、排出口107に設けられた炉蓋109を解放することで生じる開口部から)、炉外へと排出される。また、コークスが製造される過程で発生した、タール及び炭化水素を含むCOG(コークス炉内改質COG)111は、炭化室101の排出口107とは逆側に設けられた上昇管113から、コークス炉10の外部へと排出される。
The coal filled in the
ここで、本実施形態に係るコークス製造設備1及び二酸化炭素の還元方法では、コークス炉10の炭化室101の内部に対して、二酸化炭素が供給される。供給された二酸化炭素は、炭化室101の内部において、石炭の乾留で発生したタール及び水素、並びに、石炭そのものと反応して、一酸化炭素へと還元される。
Here, in the
コークス炉10の炭化室101内では、二酸化炭素と、石炭及び石炭の乾留で発生した付着カーボン、タール、水素と、が反応する、以下の式101に示したブドワール反応や、二酸化炭素とタールとが反応する、以下の式103に示した炭化水素(特に、タール)のドライリフォーミング反応や、二酸化炭素と水素とが反応する、以下の式105に示したような逆シフト反応が進行する。これらの反応により、炭化室101内に供給された二酸化炭素が一酸化炭素へと還元される。
In the
CO2+C → 2CO ・・・(式101)
CO2+1/nCnHm → 2CO+(m/2n)H2 ・・・(式103)
CO2+H2 → CO+H2O ・・・(式105)
CO 2 +C → 2CO...(Formula 101)
CO 2 +1/nC n H m → 2CO+(m/2n)H 2 (Formula 103)
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O (Formula 105)
また、炭化室101へと供給される二酸化炭素は、その全てが一酸化炭素へと還元されないことも多く、未反応の二酸化炭素は、発生したコークス炉内改質COG111とともに、上昇管113から炉外へと排出される。
In addition, the carbon dioxide supplied to the
炭化室101へと供給される二酸化炭素の量(供給量)は、炭化室101内における上記のような3種類の反応の反応度合い(反応率)に応じて制御される。炭化室101内における反応率に応じて、炭化室101へと供給される二酸化炭素の量が制御されるということは、換言すれば、後段に設けられる触媒炉20へと供給されるCOG(コークス炉内改質COG)111の空間速度(Space Velocity:SV)に応じて、炭化室101へと供給される二酸化炭素の量が制御されるということでもある。
The amount of carbon dioxide (supply amount) supplied to the
炭化室101への二酸化炭素の供給量は、石炭の乾留で発生するCOG中のタールやメタン等の炭化水素の炭素成分に対するモル比(CO2/C)で、0.2超であることが好ましい。モル比(CO2/C)を0.2超とすることで、二酸化炭素の処理量を向上させて、COGのカロリー増加の効果をより一層充分に得ることが可能となる。モル比(CO2/C)は、二酸化炭素の還元量をより多くし、かつ、COGのカロリーもより増幅させるという観点から、0.5以上であることがより好ましく、0.7以上であることが更に好ましい。
The amount of carbon dioxide supplied to the
一方、上記のモル比(CO2/C)は、2.0以下であることが好ましい。モル比(CO2/C)を2.0以下とすることで、供給する二酸化炭素を反応温度まで昇温させるエネルギー、及び、吸熱反応を補償するエネルギーを抑制して、これらのエネルギーを差し引いたとしても、反応後のCOGのカロリーを反応前よりもより確実に増加させることが可能となる。もし、反応後のCOGのカロリーが反応前よりも小さくなってしまう場合には、後段の触媒反応工程における触媒量を増やして、反応量を増加させることが重要となるために、より多くのコストが生じてしまう。モル比(CO2/C)は、二酸化炭素の還元量をより多くし、かつ、COGのカロリーもより増幅させるという観点から、1.5以下であることが好ましく、1.3以下であることが更に好ましい。 On the other hand, the above molar ratio (CO 2 /C) is preferably 2.0 or less. By setting the molar ratio (CO 2 /C) to 2.0 or less, the energy to raise the temperature of the supplied carbon dioxide to the reaction temperature and the energy to compensate for the endothermic reaction are suppressed, and these energies are subtracted. Even so, it is possible to more reliably increase the calories of COG after the reaction than before the reaction. If the calorie of COG after the reaction is smaller than before the reaction, it will be important to increase the amount of catalyst in the subsequent catalytic reaction step to increase the amount of reaction, which will result in higher costs. will occur. The molar ratio (CO 2 /C) is preferably 1.5 or less, and 1.3 or less, from the viewpoint of increasing the amount of carbon dioxide reduction and further amplifying the calories of COG. is even more preferable.
二酸化炭素は、上記式105に示したような逆シフト反応により、水素とも反応するが、COGの組成において炭化水素及び水素の割合はほぼ決まっているため、二酸化炭素と炭素との比を上記のように決定しておけば、二酸化炭素と水素との比も概ね決定することができる。なお、COG中には、実際には水蒸気も含まれるため、炭化水素のスチームリフォーミングも進行している。
Carbon dioxide also reacts with hydrogen through a reverse shift reaction as shown in
ここで、先だって言及したように、通常、コークスの製造効率を上げるために、炉頂空間105がなるべく小さくなるように石炭が充填される。そのため、上記の反応をより確実に進行させるために、炭化室101内への二酸化炭素の供給位置については、石炭やCOG中のタールとの接触時間が長くなるようにする(換言すれば、炭化室101内の滞留時間が長くなるようにする)ことが好ましい。かかる観点から、二酸化炭素は、COGの流れの上流側から供給することが好ましく、例えば、上昇管113よりも排出口107側の所定の位置から、炭化室101の内部へと供給されることが好ましい。
Here, as mentioned earlier, in order to increase coke manufacturing efficiency, coal is usually filled so that the
コークス炉10の炭化室101における押出方向(図2における上昇管113から排出口107に向かう方向、炉長方向ともいう。)には、プッシャーサイド(押出側、上昇管113が位置する側)とコークサイド(排出側、排出口107が位置する側)のそれぞれに炉蓋109が設けられ、石炭や発生するCOGが炭化室101から漏洩しないようにされている。例えば、これら炉蓋109のうち、発生したCOGが流入する上昇管113と反対側に位置する炉蓋109に、図2に模式的に示したような二酸化炭素供給口115を設け、二酸化炭素を供給してもよい。二酸化炭素供給口115は、各炭化室の炉蓋109に1ヶ所以上備えることが好ましく、高さ方向に数ヶ所に分けてもよい。特に、炉蓋109の低い位置から供給する方が、コークス炉10の炭化室101内での二酸化炭素の滞留時間が長くなり、効率的に反応できるので、より好ましい。二酸化炭素供給口115は、炉蓋以外にも、コークス炉で発生したCOGが流れる炉頂空間105に、供給ノズルを配置する等して設けてもよい。
In the
炭化室101内は、通常、1000~1200℃程度の温度で石炭が乾留されており、炉頂空間105は、通常、温度が800~1000℃程度の範囲内となる状態にある。より高い温度であるほど、二酸化炭素の還元が進行しやすいため、かかる観点からも、炭化室101の低い位置から二酸化炭素を供給することが、より好ましい。
Inside the
本実施形態に係るコークス製造設備1では、コークス炉10の上昇管113の出側近傍、かつ、COGにガス冷却が施される位置(図2におけるドライメーン117)の手前の位置に対し、炭化水素の改質触媒が設けられた触媒炉(触媒反応炉)20が設けられている。上昇管113近傍に触媒炉20を設けることで、コークス炉10から排出される、上記のような高温の状態にあるCOGの顕熱を、触媒反応に有効に利用することができる。
In the
触媒炉20に用いられる触媒としては、一般的な炭化水素の改質触媒であれば、特に限定されるものではなく、公知の各種の炭化水素改質触媒を用いることが可能である。ただし、COG中に含まれる0.2~0.3体積%という高濃度の硫化水素に耐性を有する、耐硫黄被毒性の炭化水素改質触媒を用いることが好ましい。このような耐硫黄被毒性の炭化水素改質触媒として、例えば、上記特許文献4~特許文献6に開示されている触媒を挙げることができる。触媒の形状及び反応形式は、特に限定されるものではない。ただし、コークス炉内改質COG111中のタールが熱分解して炭素析出を起こしやすいため、固定床式であれば、粉末形状よりも、ペレット、タブレット、リング、ハニカム等に成形することが好ましい。また、流動床式であれば、平均粒径が150μm以下に粉砕した粉末触媒を用いることが好ましい。
The catalyst used in the
なお、触媒炉20では、上記式103に示した炭化水素のドライリフォーミングにおける、タールやメタン等の炭化水素と二酸化炭素との反応に加えて、以下の式107に示したような、一酸化炭素と水蒸気とが反応するシフト反応が主に進行する。
In addition, in the
CO+H2O → CO2+H2 ・・・(式107) CO+ H2O → CO2 + H2 ... (Formula 107)
コークス炉内改質COG111中に含まれる二酸化炭素を、より確実に一酸化炭素へと還元するためには、上記式107に示したシフト反応の進行を抑えることが好ましい。そのためには、コークス炉10内で発生するコークス炉内改質COG111中の水蒸気量を少なくすればよい。そこで、事前にCMC(Coal Moisture Control)、又は、DAPS(Dry-cleaned and Agglomerated Precompaction System)で乾燥した石炭を、コークス炉10の炭化室101に充填することが好ましい。
In order to more reliably reduce the carbon dioxide contained in the coke oven reformed
本実施形態において、触媒炉20での反応温度は、650℃以上であることが好ましい。反応温度を650℃以上とすることで、触媒の改質活性を保持しながら、二酸化炭素をより効率的に還元することが可能となる。触媒炉20での反応温度は、より好ましくは700℃以上である。一方、触媒炉20での反応温度は、850℃以下であることが好ましい。反応温度を850℃以下とすることで、加熱に要するエネルギーが過剰となるのをより確実に抑制し、かつ、二酸化炭素の更なる発生をより確実に防止することができる。触媒炉20での反応温度は、より好ましくは800℃以下である。約800℃のコークス炉内改質COG111の顕熱を利用して、なるべく吸熱反応のエネルギー分だけを補償することが、余分な二酸化炭素の発生に繋がらず、更に好ましい。
In this embodiment, the reaction temperature in the
触媒反応工程での空間速度SVは、250h-1以上であることが好ましい。空間速度SVを250h-1以上とすることで、設備の大型化に伴う設備コストの増大を、より確実に防止することができる。空間速度SVは、より好ましくは500h-1以上である。一方、触媒反応工程での空間速度SVは、2000h-1以下であることが好ましい。タール改質反応では、タールが分解して炭素析出が発生しやすく、空間速度SVが大きい程、炭素析出は顕著となる傾向にある。しかしながら、空間速度SVを2000h-1以下とすることで、かかる炭素析出をより確実に抑制しながら、タール改質反応を進行させることが可能となる。空間速度SVは、より好ましくは1000h-1以下である。なお、空間速度SVは、ガス流速(Nm3/h)/触媒体積(m3)により算出することができる。 The space velocity SV in the catalytic reaction step is preferably 250 h −1 or more. By setting the space velocity SV to 250 h −1 or more, it is possible to more reliably prevent an increase in equipment cost due to an increase in equipment size. The space velocity SV is more preferably 500 h −1 or more. On the other hand, the space velocity SV in the catalytic reaction step is preferably 2000 h −1 or less. In the tar reforming reaction, tar decomposes and carbon precipitation tends to occur, and the larger the space velocity SV, the more conspicuous the carbon precipitation tends to be. However, by setting the space velocity SV to 2000 h -1 or less, it becomes possible to proceed with the tar reforming reaction while suppressing such carbon precipitation more reliably. The space velocity SV is more preferably 1000 h −1 or less. Note that the space velocity SV can be calculated by gas flow rate (Nm 3 /h)/catalyst volume (m 3 ).
コークス炉10の炭化室101における二酸化炭素の還元処理において、炭化室101に供給した二酸化炭素の一部と、発生したコークス炉内改質COG111中の炭化水素の一部とが反応する。そのため、モル比(CO2/C)=0.5でコークス炉10の炭化室101内に二酸化炭素を供給した場合、触媒反応前のコークス炉内改質COG111において、モル比(CO2/C)=0.3程度に変化する。また、モル比(CO2/C)=1.0でコークス炉10の炭化室101に二酸化炭素を供給した場合、触媒反応前のコークス炉内改質COG111において、モル比(CO2/C)=0.5程度に変化する。
In the carbon dioxide reduction process in the
触媒炉20内における二酸化炭素の処理量をより一層増加させるために、図1及び図2に示したように、触媒前に二酸化炭素を更に追加供給することが好ましい。触媒前に追加で供給する二酸化炭素の量は、石炭の乾留で発生するコークス炉内改質COG111中のタール及びメタン等の炭化水素の炭素成分に対して、モル比(CO2/C)で0.1以上とすることが好ましい。追加供給する二酸化炭素のモル比(CO2/C)を0.1以上とすることで、触媒炉20内における二酸化炭素の処理量をより確実に増加させることが可能となる。追加供給する二酸化炭素の量は、より好ましくは、モル比(CO2/C)で、0.2以上である。
In order to further increase the throughput of carbon dioxide in the
また、触媒前に追加で供給する二酸化炭素の量は、石炭の乾留で発生するコークス炉内改質COG111中のタール及びメタン等の炭化水素の炭素成分に対して、モル比(CO2/C)で1.0以下とすることが好ましい。追加供給する二酸化炭素のモル比(CO2/C)を1.0以下とすることで、二酸化炭素の昇温に要するエネルギー及び吸熱反応を補償するエネルギーの双方が過剰となるのをより確実に抑制し、かつ、触媒反応後の未反応の二酸化炭素の量をより確実に防止することができる。その結果、プロセスからの二酸化炭素の排出量の削減とCOGのカロリー増幅を、より確実に実現することが可能となる。追加供給する二酸化炭素の量は、より好ましくは、モル比(CO2/C)で、0.7以下である。 In addition, the amount of carbon dioxide additionally supplied before the catalyst is determined based on the molar ratio (CO 2 /C ) is preferably 1.0 or less. By setting the molar ratio (CO 2 /C) of additionally supplied carbon dioxide to 1.0 or less, it is more certain that both the energy required to raise the temperature of carbon dioxide and the energy to compensate for the endothermic reaction become excessive. In addition, the amount of unreacted carbon dioxide after the catalytic reaction can be more reliably prevented. As a result, it becomes possible to more reliably reduce carbon dioxide emissions from the process and increase the calorie content of COG. The amount of additionally supplied carbon dioxide is more preferably 0.7 or less in molar ratio (CO 2 /C).
本実施形態に係る触媒炉20では、以上のようにして、コークス炉内改質COG111中に含まれる未反応の二酸化炭素が、触媒反応により一酸化炭素へと還元される。これにより、本実施形態に係るコークス製造設備1では、コークス炉及びCOGの顕熱と、触媒とを利用して、常温の二酸化炭素を大量に還元し、COGをより一層カロリーアップすることが可能となる。特に、常温の二酸化炭素を反応温度まで加熱するエネルギーと吸熱反応に必要な新たに投入するエネルギーとを差し引いたとしても、COGをより一層カロリーアップすることが可能となる。
In the
なお、一見、二酸化炭素をより大量に還元するために、触媒炉を設けることなく、コークス炉の炭化室内に供給する二酸化炭素の量を増やせば良いようにも考えうる。しかしながら、先だって言及したように、通常、コークス炉の炭化室における炉頂空間は小さいために、大量の二酸化炭素をコークス炉の炭化室に供給してしまうと、二酸化炭素の炭化室内での滞留時間を充分に取ることができず、炭化室内で二酸化炭素が充分に反応しなくなって、COGのカロリーは低下してしまう。そこで、本実施形態に係るコークス製造設備1では、コークス炉10の後段に触媒炉20を設けて、未反応の二酸化炭素を効率良く還元することで、コークス炉10の炭化室101に供給した二酸化炭素の反応量を相乗的に増加させている。また、触媒炉20を設けることで、発生するCOGの体積も大きく増加するため、COGのカロリーアップを実現することが可能となっている。
At first glance, in order to reduce a larger amount of carbon dioxide, it may be possible to increase the amount of carbon dioxide supplied into the carbonization chamber of the coke oven without providing a catalytic furnace. However, as mentioned earlier, the top space in the coking chamber of a coke oven is usually small, so if a large amount of carbon dioxide is supplied to the coking chamber of a coke oven, the residence time of carbon dioxide in the coking chamber will be Since carbon dioxide cannot be taken in sufficient amount, carbon dioxide does not react sufficiently in the carbonization chamber, and the calorie content of COG decreases. Therefore, in the
このようにして、コークス炉内改質COG111中に含まれる二酸化炭素は、効率良く一酸化炭素へと還元され、二酸化炭素の含有量が削減された触媒改質COG119が、触媒炉20の外部に排出される。排出された触媒改質COG119は、ドライメーン117により回収され、例えばアンモニア水の噴霧等が行われることで、冷却される。
In this way, the carbon dioxide contained in the reformed
[モル比(CO2/C)について]
ここで、石炭の乾留で発生するCOG中のタールやメタン等の炭化水素の炭素成分のモル量は、以下のようにして特定することができる。まず、二酸化炭素を供給する前において、コークス炉10の炭化室101から発生するCOG(コークス炉内改質COG)を採取して、ガスクロマトグラフィーを用いて、COGのガス組成を分析しておく。あわせて、JIS Z 8808(排ガス中のダスト濃度の測定方法)に準拠した補集法により採取したCOG中タールで、補集に使用した溶剤を蒸発除去して得られるタール重量を、液体補集-重量法により分析する。また、JIS M 8819(石炭類及びコークス類-機器分析装置による元素分析方法)により、採取したタール中の炭素、水素等を定量分析する。かかる方法により、コークス炉10の炭化室101から排出されるCOG中に含まれるタール濃度を、測定しておく。これにより、石炭の乾留で発生するCOG中のタールやメタン等の炭化水素の炭素成分のモル量を、特定することができる。その上で、コークス炉10の炭化室101、又は、触媒炉20に供給する二酸化炭素のモル量を制御することで、上記モル比(CO2/C)の値を、所望の値に制御することができる。
[About molar ratio (CO 2 /C)]
Here, the molar amount of carbon components of hydrocarbons such as tar and methane in COG generated by carbonization of coal can be specified as follows. First, before supplying carbon dioxide, COG generated from the
また、事後的にモル比(CO2/C)の値を測定する場合においても、上記と同様にして、炭素成分のモル量、及び、供給された二酸化炭素のモル量を別個に測定することで、実現されているモル比(CO2/C)の値を特定することが可能となる。 Also, when measuring the value of the molar ratio (CO 2 /C) after the fact, the molar amount of the carbon component and the molar amount of the supplied carbon dioxide should be measured separately in the same manner as above. It becomes possible to specify the value of the realized molar ratio (CO 2 /C).
[各種測定方法について]
COG、コークス炉内改質COG、触媒改質COGの各カロリーは、各工程で採取したガスをガスクロマトグラフィーで分析して、ガス濃度を把握し、可燃性ガス(H2、CH4、CO)の濃度と各工程でのガス流量(Nm3/h)から、各工程のガスカロリー(MJ/h)が計算できる。ガス流速は、例えばピトー管式の流速計によって簡便に測定することが可能である。より正確には、JIS Z 8808に準拠して測定したガス組成と水分量から、標準状態のガス密度(kg/Nm3)を算出し、K型熱電対等によって測定したガス温度を用いて、高温状態でのガス密度(kg/m3)に換算する。続いて、ピトー管と微差圧マノスターゲージを用いた流通ガスの動圧と静圧から流速(m/s)を求め、配管の断面積(m2)と併せて、ガス流量(Nm3/h)を求めることができる。
[About various measurement methods]
Each calorie of COG, coke oven reformed COG , and catalytic reformed COG is determined by analyzing the gas collected in each process using gas chromatography to understand the gas concentration , ) and the gas flow rate (Nm 3 /h) at each step, the gas calorie (MJ/h) for each step can be calculated. The gas flow rate can be easily measured using, for example, a Pitot tube type current meter. More precisely, the standard state gas density (kg/Nm 3 ) is calculated from the gas composition and moisture content measured in accordance with JIS Z 8808, and the gas temperature measured with a K-type thermocouple is used to calculate the high temperature. Convert to gas density (kg/m 3 ) in the state. Next, the flow velocity (m/s) is determined from the dynamic pressure and static pressure of the circulating gas using a Pitot tube and a slight differential pressure Manostar gauge, and the gas flow rate ( Nm 3 /h) can be obtained.
一方、室温の二酸化炭素を反応温度まで上昇させるエネルギーは、供給する室温のCO2流量(Nm3/h)と、ガス組成を把握しているCO2混合前の高温のCOGやコークス炉内改質COGの流量(Nm3/h)と、が混合した際の低下温度を計算し、得られた計算結果から、反応温度まで上昇させるエネルギーを求めることができる。また、吸熱反応に必要なエネルギーは、反応温度まで上昇された、二酸化炭素供給後のCOG、又は、コークス炉内改質COGや二酸化炭素供給後のコークス炉内改質COGのガス組成と、反応によって変化したガス組成と、から、キルヒホッフの法則によって反応熱(吸熱)を推定でき、かかる吸熱を反応温度まで上昇させるエネルギーとして求めることができる。 On the other hand, the energy to raise room temperature carbon dioxide to the reaction temperature is determined by the supplied room temperature CO 2 flow rate (Nm 3 /h), the high temperature COG before CO 2 mixing whose gas composition is known, and the coke oven renovation. The flow rate (Nm 3 /h) of pure COG and the temperature drop when mixed are calculated, and from the obtained calculation result, the energy required to raise the temperature to the reaction temperature can be determined. In addition, the energy required for the endothermic reaction depends on the gas composition of COG raised to the reaction temperature after supplying carbon dioxide, COG reformed in a coke oven, or reformed COG in a coke oven after supplying carbon dioxide. The reaction heat (endotherm) can be estimated from the gas composition changed by Kirchhoff's law, and the energy to raise the endotherm to the reaction temperature can be determined.
二酸化炭素供給前のCOGのカロリーをE0、コークス炉内改質COGのカロリーをECO、触媒改質COGのカロリーをECAT、コークス炉内反応工程における室温の二酸化炭素を反応温度まで上昇させるエネルギーをe1、及び、吸熱反応に必要なエネルギーをe2、触媒改質工程における二酸化炭素を反応温度まで上昇させるエネルギーをe3、及び、吸熱反応に必要なエネルギーをe4とする。コークス炉内反応工程における正味のカロリーECO NETは、ECO NET=ECO-(e1+e2)と表すことができ、触媒改質工程における正味のカロリーECAT NETは、ECAT NET=ECAT-(e3+e4)と表すことができる。更に、コークス炉内反応工程における反応前後のカロリー比は、ECO NET/E1で計算することができ、触媒改質工程も含めた反応前後のカロリー比は、ECAT NET/E1で計算することができる。本発明でのカロリー比(ECAT NET/E1)は、好ましくは、1.1超であり、より好ましくは1.2以上である。また、カロリー比は、高いほど様々な用途にエネルギー源として利用できるので、上限値について特に制約はない。 The calorie of COG before carbon dioxide supply is E 0 , the calorie of COG reformed in the coke oven is E CO , the calorie of catalytically reformed COG is E CAT , and carbon dioxide at room temperature in the reaction process in the coke oven is raised to the reaction temperature. The energy is e 1 , the energy required for the endothermic reaction is e 2 , the energy for raising carbon dioxide to the reaction temperature in the catalytic reforming step is e 3 , and the energy required for the endothermic reaction is e 4 . The net calorie E CO NET in the coke oven reaction process can be expressed as E CO NET = E CO - (e 1 + e 2 ), and the net calorie E CAT NET in the catalytic reforming process can be expressed as E CAT NET = It can be expressed as E CAT -(e 3 +e 4 ). Furthermore, the calorie ratio before and after the reaction in the coke oven reaction process can be calculated by E CO NET /E 1 , and the calorie ratio before and after the reaction, including the catalytic reforming process, can be calculated by E CAT NET /E 1 . can do. The calorie ratio (E CAT NET /E 1 ) in the present invention is preferably more than 1.1, more preferably 1.2 or more. Further, since the higher the calorie ratio is, the more it can be used as an energy source for various purposes, there is no particular restriction on the upper limit value.
以上、図2を参照しながら、本実施形態に係るコークス製造設備1におけるコークス炉及び触媒炉について、具体的な構成の一例を詳細に説明した。
An example of a specific configuration of the coke oven and catalyst furnace in the
<二酸化炭素の還元方法について>
続いて、図1及び図2に示したようなコークス製造設備1を用いた、二酸化炭素の還元方法の流れについて、図3を参照しながら簡単に説明する。図3は、本実施形態に係る二酸化炭素の還元方法の流れの一例を示した流れ図である。
<About carbon dioxide reduction method>
Next, the flow of a method for reducing carbon dioxide using the
図3に示したように、以上説明したようなコークス製造設備1で実施される二酸化炭素の還元方法は、コークス炉10におけるコークス炉内反応工程(ステップS101)と、触媒炉20における触媒改質工程(ステップS103)と、を含む。
As shown in FIG. 3, the method of reducing carbon dioxide carried out in the
コークス炉内反応工程(ステップS101)は、コークス炉10の石炭が充填された炭化室101に対して二酸化炭素を供給し、かかる二酸化炭素を、炭化室101内に存在する炭素成分及び水素と反応させて一酸化炭素に変換する工程である。
In the coke oven reaction step (step S101), carbon dioxide is supplied to the
また、触媒改質工程(ステップS103)は、コークス炉10の炭化室101に供給された二酸化炭素の未反応分を含むCOG(コークス炉内改質COG)111を、触媒が設けられた触媒炉20へと供給し、コークス炉内改質COG111に含まれる二酸化炭素を、一酸化炭素に改質する工程である。
In addition, in the catalytic reforming step (step S103), COG (in-coke oven reformed COG) 111 containing unreacted carbon dioxide supplied to the
ここで、上記コークス炉内反応工程、及び、触媒改質工程の詳細については、上記説明と同様であるため、以下では詳細な説明は省略する。 Here, the details of the coke oven reaction step and the catalytic reforming step are the same as those described above, and therefore detailed description will be omitted below.
以上、図3を参照しながら、図1及び図2に示したようなコークス製造設備1を用いた、二酸化炭素の還元方法の流れについて、簡単に説明した。
The flow of the carbon dioxide reduction method using the
<用いられる石炭について>
次に、コークス炉10の炭化室101内に充填される石炭について、簡単に説明する。
コークス炉10の炭化室101に充填する石炭の灰組成分析は、任意の方法が利用可能であるが、本実施形態に係るコークス製造設備1及び二酸化炭素の還元方法を実施する上で求められる精度で分析を行うにあたっては、蛍光X線分析を用いることが簡便である。通常、周期表の第二周期までの軽元素(水素、ヘリウム、窒素、酸素を除く。)については、蛍光X線分析では正確な成分分析が難しいが、石炭中の灰組成については、そのような軽元素は含まれないため、問題ない。なお、ICP発光分析を用いても、測定誤差範囲内で同様の結果を得ることができる。いずれの測定法を用いた場合であっても、各元素の価数や存在状態を決定することはできないため、各元素を酸化物換算した質量比を、各石炭の組成として扱うこととなる。
<About the coal used>
Next, the coal to be filled into the
Any method can be used to analyze the ash composition of the coal to be filled into the
石炭は、世界各地の炭鉱から採掘されたものを使用可能である。石炭をコークス炉10の炭化室101に充填するに先立ち、先だって言及したように、使用する石炭を、CMC、又は、DAPSにより乾燥しておくことが好ましい。
Coal can be mined from coal mines all over the world. Prior to charging coal into the
いずれの石炭の灰組成分析においても、アルカリ土類金属の中では、CaO及びMgOが検出される。これらの2成分は、二酸化炭素の吸着能が高いため、二酸化炭素の反応性をより向上させることができる。 In the ash composition analysis of any coal, CaO and MgO are detected among the alkaline earth metals. Since these two components have a high carbon dioxide adsorption ability, they can further improve carbon dioxide reactivity.
コークス炉に充填する石炭の灰組成において、蛍光X線測定で分析した際の灰組成中におけるCaO及びMgOの濃度(CaO及びMgOへの換算値)は、合計で3質量%以上であることが好ましい。CaO及びMgOの濃度が合計で3質量%以上となることで、二酸化炭素の反応性をより向上させることが可能となる。二酸化炭素の反応性をより一層向上させるために、蛍光X線測定で分析した際の灰組成中におけるCaO及びMgOの濃度は、合計で6質量%以上であることが、より好ましい。 In the ash composition of coal to be charged into a coke oven, the concentration of CaO and MgO (converted to CaO and MgO) in the ash composition when analyzed by fluorescent X-ray measurement is 3% by mass or more in total. preferable. When the total concentration of CaO and MgO is 3% by mass or more, it becomes possible to further improve the reactivity of carbon dioxide. In order to further improve the reactivity of carbon dioxide, it is more preferable that the total concentration of CaO and MgO in the ash composition when analyzed by X-ray fluorescence is 6% by mass or more.
Ca成分及びMg成分の一例であるCa及びMgの酸化物は、使用する石炭に元来含まれていても良く、また、コークス炉10の炭化室101に充填する前に、事前混合しても良い。事前混合する際は、酸化物、水酸化物、炭酸化物等の化合物を、粉末又はスラリー状にして、石炭に混合すればよい。
Ca and Mg oxides, which are examples of Ca and Mg components, may be originally contained in the coal used, or may be pre-mixed before being charged into the
上記のようなCa成分及びMg成分として、例えば、CaO、Ca(OH)2、CaCO3のような各種のCa含有物や、MgO、Mg(OH)2、MgCO3のような各種のMg含有物等を挙げることができる。 Examples of the above Ca component and Mg component include various Ca-containing substances such as CaO, Ca(OH) 2 and CaCO 3 and various Mg-containing substances such as MgO, Mg(OH) 2 and MgCO 3 . I can list things.
また、上記のようなCa含有物は、炭化室101に充填された石炭の上に設置、載置、濃縮されてもよく、充填後の石炭層の上にCa含有物を追加で充填してもよく、あるいは、スラリーを充填された石炭に噴霧してもよい。上記のようにすることで、炭化室101に導入した二酸化炭素とCOGやタールとが直接反応しやすくなるため、好ましい。追加で充填するCa含有物の量は、特に制限するものではない。ただし、発生したCOGや炭化室101に導入した二酸化炭素の炉頂空間105での流通性の確保や、コークスの品質性確保の観点から、Ca含有物の充填層の高さは、5~150mmとすることが好ましい。
Further, the Ca-containing material described above may be installed, placed, and concentrated on top of the coal filled in the
Ca含有物は、好ましくはCaを主成分とする化合物であり、特に好ましくはCaO、Ca(OH)2、CaCO3等を挙げることができる。炭化室101内の温度では、Ca(OH)2やCaCO3は、分解してCaOに変化しうる。一方、共存するガスに水蒸気や二酸化炭素が存在していることから、以下の式109や式111に示したような反応が進行するため、乾留中は、Caが様々な化合物に変化していると考えられる。
The Ca-containing substance is preferably a compound containing Ca as a main component, and particularly preferably CaO, Ca(OH) 2 , CaCO 3 and the like can be mentioned. At the temperature within the
CaO+H2O → Ca(OH)2 ・・・(式109)
CaO+CO2 → CaCO3 ・・・(式111)
CaO+H 2 O → Ca(OH) 2 ... (Formula 109)
CaO+CO 2 → CaCO 3 ... (Formula 111)
更に、コークス炉10の炭化室101に充填する石炭の灰組成分析において、蛍光X線測定で分析した際の灰組成中におけるFe2O3の濃度は、5質量%以上であることが好ましい。Fe2O3は、使用する石炭に元来含まれていても良く、また、コークス炉10の炭化室101に充填する前に、事前混合してもよい。事前混合する鉄源は、鉄鉱石であってもよい。ただし、一般的な室炉コークス炉では、1150℃以上の乾留温度では、使用されている珪石煉瓦の主成分であるシリカと鉄とが反応して低融点のファイヤライトを生成し、珪石煉瓦の損傷を招く可能性がある。そのため、Fe2O3の濃度を灰組成分析の50質量%以下にすること、又は、乾留温度を1100℃程度に抑えること、の少なくとも何れかを実施することが、より好ましい。
Furthermore, in the ash composition analysis of the coal filled in the
また、コークス炉10の炭化室101に石炭を充填する前に、石炭に対して、ギ酸を添加することが好ましい。ギ酸を添加すると、炭化室101内で石炭が乾留される際に、ギ酸が二酸化炭素と水素とに分解する。二酸化炭素は、反応して一酸化炭素に還元されることで、COGのカロリー増加に寄与できる。また、水素が増えることで、上記式105の逆シフト反応がより進行しやすくなるため、二酸化炭素の還元効率をより向上させることができる。
Moreover, it is preferable to add formic acid to the coal before filling the
添加するギ酸の量は、特に限定されるものではなく、任意の量とすればよい。例えば、炭化室101の一窯に充填する石炭量が約30tである場合、事前にDAPSで水分量を10質量%から2質量%に乾燥させた石炭約27.6tに対し、無水ギ酸約2.4tを添加してもよい(すなわち、乾燥除去した水分と同量のギ酸を添加してもよい。)。この場合、ギ酸が分解して生じる二酸化炭素は、2.3t-CO2であり、石炭の乾留で発生するCOG中のタールやメタンなどの炭化水素の炭素に対して、モル比(CO2/C)=0.18の二酸化炭素に相当する。
The amount of formic acid to be added is not particularly limited, and may be any amount. For example, when the amount of coal to be filled in one furnace of the
用いるギ酸は、無水であれば事前乾燥させた石炭に効率的にギ酸を含有させることができる。また、日本では水溶液中のギ酸が90%未満の場合は、毒物及び劇物取締法に規定される劇物に該当しない。更に、水溶液中のギ酸の濃度が78%未満である場合には、消防法に規定される危険物に該当しないことから、使用する工場等の状況に応じて、ギ酸水溶液の濃度を変更することも可能である。ただし、水溶液中のギ酸濃度を低くしすぎると、水分量が多くなりすぎるため、事前に乾燥させた石炭に再び水分を添加することになり、エネルギーの無駄となってしまう。 If the formic acid used is anhydrous, it can be efficiently incorporated into pre-dried coal. Furthermore, in Japan, if the formic acid content in an aqueous solution is less than 90%, it does not fall under the category of a deleterious substance as stipulated in the Poisonous and Deleterious Substances Control Law. Furthermore, if the concentration of formic acid in the aqueous solution is less than 78%, it does not fall under the category of hazardous materials stipulated in the Fire Service Act, so the concentration of the formic acid aqueous solution should be changed depending on the conditions of the factory, etc. where it is used. is also possible. However, if the concentration of formic acid in the aqueous solution is too low, the amount of water will become too large, and water will have to be added to the previously dried coal, resulting in a waste of energy.
ギ酸の添加量は、炭化室101に充填する石炭とギ酸との総計が30t程度にすれば、コークスの生産性も損なうことが無く、好ましい。無水ギ酸の場合、石炭:ギ酸=30t:0t~25t:5tの範囲とすることが好ましい。ギ酸の分解は発熱反応であるため、ギ酸が多いほど分解時の発熱を、石炭の乾留や二酸化炭素の還元に利用することが可能となる。
The amount of formic acid to be added is preferably about 30 tons in total for the coal and formic acid filled in the
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to examples. The conditions in the examples are examples of conditions adopted to confirm the feasibility and effects of the present invention, and the present invention is based on these conditions. The examples are not limited. The present invention can adopt various conditions as long as the purpose of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention.
(実施例1)
図1及び図2に示したようなコークス炉と触媒炉とを組み合わせた製造設備を利用して、二酸化炭素を還元し、COGのカロリーを増量した。コークス炉の炭化室に対し、石炭を約30t充填し、炭化室の両隣の燃焼室から約1100℃で加熱して、乾留を開始した。石炭中の灰分組成分析を行ったところ、アルカリ土類金属に関して、CaO、MgOの濃度がそれぞれ7.2質量%、3.1質量%であり、Fe2O3濃度が8.5質量%であった。乾留によりCOGが約436Nm3/hの量で発生し、ガス組成(体積%)は、H2約50%であり、CH4約30%であり、残部はN2であった。また、タールが136kg/hで発生した。このときのガスカロリーは、ドライベースで7024MJ/hであった。
(Example 1)
Carbon dioxide was reduced to increase the calorie content of COG using a manufacturing facility that combines a coke oven and a catalytic furnace as shown in FIGS. 1 and 2. Approximately 30 tons of coal was filled into the carbonization chamber of a coke oven, and carbonization was started by heating at approximately 1100° C. from combustion chambers on both sides of the coke oven. Analysis of the ash content in the coal revealed that, regarding alkaline earth metals, the concentrations of CaO and MgO were 7.2% by mass and 3.1% by mass, respectively, and the concentration of Fe 2 O 3 was 8.5% by mass. there were. COG was generated by carbonization in an amount of about 436 Nm 3 /h, and the gas composition (in volume %) was about 50% H 2 , about 30% CH 4 , and the balance was N 2 . Additionally, tar was generated at a rate of 136 kg/h. The gas calorie at this time was 7024 MJ/h on a dry basis.
ここに、CH4及びタールに含まれる炭素に対して、モル比(CO2/C)=0.5となるように、二酸化炭素を、排出口側の炉蓋から158Nm3/h供給する制御を行った。このとき、コークス炉の炉頂空間の温度は、約950℃であった。更に、コークス炉から排出された未反応の二酸化炭素を含む高温のコークス炉内改質COGを、約800℃に加熱された触媒炉に供給して、空間速度(SV)=500h-1、常圧下で、炭化水素のCO2改質反応を行った。反応前後のガスをサンプリングし、ガスクロマトグラフィーでガス組成を分析して、以下の式201にて、CO2転化率を算出した。 Here, carbon dioxide is controlled to be supplied from the furnace lid on the exhaust port side at a rate of 158 Nm 3 /h so that the molar ratio (CO 2 /C) to CH 4 and carbon contained in the tar is 0.5. I did it. At this time, the temperature in the top space of the coke oven was about 950°C. Furthermore, the high-temperature reformed COG in the coke oven containing unreacted carbon dioxide discharged from the coke oven is supplied to a catalytic furnace heated to about 800°C, and space velocity (SV) = 500 h -1 , normal A hydrocarbon CO 2 reforming reaction was carried out under pressure. The gas before and after the reaction was sampled, the gas composition was analyzed by gas chromatography, and the CO 2 conversion rate was calculated using the following equation 201.
CO2転化率(%)=(反応前CO2体積量-反応後CO2体積量)/(反応前CO2体積量)×100 ・・・(式201) CO 2 conversion rate (%) = (CO 2 volume before reaction - CO 2 volume after reaction) / (CO 2 volume before reaction) × 100 (Formula 201)
また、反応後のガス組成及びガス体積から、反応後COGのカロリーと反応前後のカロリーとの比率を算出した。コークス炉内でのCO2の転化率は40%となり、コークス炉出口でのコークス炉内改質COGの組成(体積%)は、H2 31%、CH4 19%、CO 21%、CO2 16%、残部N2であり、体積は、反応前COGの1.54倍となった。 Furthermore, the ratio between the calorie of the COG after the reaction and the calorie before and after the reaction was calculated from the gas composition and gas volume after the reaction. The conversion rate of CO2 in the coke oven is 40%, and the composition (volume %) of the reformed COG in the coke oven at the outlet of the coke oven is 31% H2 , 19% CH4 , 21% CO, CO2 16%, the balance was N 2 , and the volume was 1.54 times that of COG before reaction.
更に、触媒炉ではCO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成(体積%)は、H2 34%、CH4 15%、CO 33%、CO2 7%、残部N2であり、体積は、反応前COGの1.73倍となった。 Furthermore, the CO 2 conversion rate is 50% in the catalytic furnace, and the composition (volume %) of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace is 34% H 2 , 15% CH 4 , 33% CO , 7% CO 2 , The remainder was N2 , and the volume was 1.73 times that of COG before reaction.
その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで9953MJ/hとなった。ここで、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、コークス炉内及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、1481MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、8472MJ/hとなり、反応前COGの1.21倍となることがわかった。かかる結果から、コークス炉と触媒炉とを組み合わせて、モル比(CO2/C)=0.5とすることで、COGのカロリーを増量できることがわかった。 As a result, the calorie content of COG after the reaction was 9953 MJ/h on a dry basis. Here, we calculated the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 950°C and to compensate for the endothermic reactions in the coke oven and catalyst furnace, and found that it was 1481 MJ/h. became. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 8472 MJ/h, which was 1.21 times that of COG before reaction. From these results, it was found that the calorie content of COG could be increased by combining a coke oven and a catalytic furnace and setting the molar ratio (CO 2 /C) to 0.5.
(実施例2)
実施例1において、CO2をCH4及びタールに含まれる炭素に対して、モル比(CO2/C)=1.0となるように、炉蓋から316Nm3/hで供給する制御を行った以外は、実施例1と同様に実施した。
(Example 2)
In Example 1, CO 2 was controlled to be supplied from the furnace lid at a rate of 316 Nm 3 /h so that the molar ratio (CO 2 /C) to CH 4 and carbon contained in tar was 1.0. The same procedure as in Example 1 was carried out except for the following.
コークス炉内でのCO2の転化率は40%となり、コークス炉出口でのコークス炉内改質COGのガス組成は、H2 25%、CH4 15%、CO 24%、CO2 26%、残りがN2であり、体積は、反応前COGの1.98倍となった。さらに、触媒炉ではCO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 26%、CH4 12%、CO 43%、CO2 11%、残部N2であり、体積は反応前COGの2.31倍となった。その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで12416MJ/hとなった。ここで、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、並びに、コークス炉内及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、2260MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、10156MJ/hとなり、反応前COGの1.45倍となることがわかった。このように、コークス炉と触媒炉とを組み合わせて、モル比(CO2/C)=1とすることで、COGのカロリーを増量できることがわかった。 The conversion rate of CO2 in the coke oven is 40%, and the gas composition of the reformed COG in the coke oven at the outlet of the coke oven is 25% H2 , 15% CH4 , 24% CO, 26 % CO2, The remainder was N2 , and the volume was 1.98 times that of COG before reaction. Furthermore, the CO 2 conversion rate in the catalytic furnace is 50%, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace is 26% H 2 , 12% CH 4 , 43% CO , 11% CO 2 , and the balance is N 2 . The volume was 2.31 times that of COG before reaction. As a result, the calorie of COG after the reaction was 12,416 MJ/h on a dry basis. Here, when we calculated the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 950°C and to compensate for the endothermic reactions inside the coke oven and the catalyst furnace, we found that it was 2260 MJ/ It became h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 10156 MJ/h, which was 1.45 times that of COG before reaction. In this way, it has been found that by combining a coke oven and a catalytic furnace and setting the molar ratio (CO 2 /C) to 1, it is possible to increase the calorie content of COG.
(実施例3)
実施例1において、CO2をCH4及びタールに含まれる炭素に対して、モル比(CO2/C)=1.5となるように、炉蓋から474Nm3/hで供給する制御を行った以外は、実施例1と同様に実施した。
(Example 3)
In Example 1, CO 2 was controlled to be supplied from the furnace lid at 474 Nm 3 /h so that the molar ratio (CO 2 /C) to CH 4 and carbon contained in tar was 1.5. The same procedure as in Example 1 was carried out except for the following.
コークス炉内でのCO2の転化率は25%となり、コークス炉出口のコークス炉内改質COGの組成は、H2 20%、CH4 12%、CO 18.5%、CO2 40.9%、残部がN2であり、体積は、反応前COGの2.33倍となった。更に、触媒炉では、CO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 21.2%、CH4 8.5%、CO 42.4%、CO2 20.3%、残部N2であり、体積は、反応前COGの2.6倍となった。その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで12076MJ/hとなった。ここで、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、並びに、コークス炉内及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、3036MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、9040MJ/hとなり、反応前COGの1.29倍となることがわかった。このように、コークス炉と触媒炉とを組み合わせて、モル比(CO2/C)=1.5とすることで、COGのカロリーを増量できることがわかった。 The conversion rate of CO2 in the coke oven is 25%, and the composition of the reformed COG in the coke oven at the outlet of the coke oven is 20% H2 , 12% CH4 , 18.5% CO, and 40.9 % CO2. %, the remainder was N2 , and the volume was 2.33 times that of COG before reaction. Furthermore, in the catalytic furnace, the CO 2 conversion rate is 50%, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace is 21.2% H 2 , 8.5% CH 4 , 42.4% CO 2 20.3%, the remainder was N 2 , and the volume was 2.6 times that of COG before reaction. As a result, the calorie of COG after reaction was 12076 MJ/h on a dry basis. Here, when we calculated the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 950°C and to compensate for the endothermic reactions inside the coke oven and catalyst furnace, we found that it was 3036 MJ/ It became h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 9040 MJ/h, which was 1.29 times that of COG before reaction. In this way, it was found that by combining a coke oven and a catalytic furnace and setting the molar ratio (CO 2 /C) to 1.5, it was possible to increase the calorie content of COG.
(実施例4)
実施例1において、CO2をCH4及びタールに含まれる炭素に対して、モル比(CO2/C)=2.0となるように、炉蓋から632Nm3/hで供給する制御を行った以外は、実施例1と同様に実施した。
(Example 4)
In Example 1, CO 2 was controlled to be supplied from the furnace lid at a rate of 632 Nm 3 /h so that the molar ratio (CO 2 /C) to CH 4 and carbon contained in tar was 2.0. The same procedure as in Example 1 was carried out except for the following.
コークス炉内でのCO2の転化率は10%となり、コークス炉出口でのコークス炉内改質COGの組成は、H2 18%、CH4 11%、CO 10%、CO2 54%、残部N2であり、体積は、反応前COGの2.68倍となった。更に、触媒炉では、CO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 19%、CH4 7%、CO 42%、CO2 26%、残部N2であり、体積は、反応前COGの2.82倍となった。その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで12076MJ/hとなった。ここで、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、並びに、コークス炉内及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、3815MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、8261MJ/hとなり、反応前COGの1.18倍となることがわかった。このように、コークス炉と触媒炉を組み合わせて、モル比(CO2/C)=2.0とすることで、COGのカロリーを増量できることがわかった。 The conversion rate of CO2 in the coke oven is 10%, and the composition of the reformed COG in the coke oven at the coke oven outlet is 18% H2 , 11% CH4 , 10% CO, 54% CO2 , and the balance. N 2 and the volume was 2.68 times that of COG before reaction. Furthermore, in the catalytic furnace, the CO 2 conversion rate is 50%, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace is 19% H 2 , 7% CH 4 , 42% CO , 26% CO 2 , and the balance N 2 The volume was 2.82 times that of COG before reaction. As a result, the calorie of COG after reaction was 12076 MJ/h on a dry basis. Here, when we calculated the total amount of energy required to heat CO2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 950°C and to compensate for the endothermic reactions inside the coke oven and the catalyst furnace, we found that it was 3815 MJ/ It became h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 8261 MJ/h, which was 1.18 times that of COG before reaction. In this way, it was found that by combining a coke oven and a catalytic furnace and setting the molar ratio (CO 2 /C) to 2.0, it was possible to increase the calorie content of COG.
(実施例5)
実施例1において、触媒反応工程における触媒量を半分にして、触媒炉における空間速度SVを1000h-1とすること以外は、実施例1と同様に行った。
(Example 5)
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that the amount of catalyst in the catalytic reaction step was halved and the space velocity SV in the catalytic furnace was set to 1000 h -1 .
その結果、実施例1における空間速度SV=500h-1での結果と同様に、触媒炉でのCO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 33%、CH4 15%、CO 32%、CO2 8%、残部N2であり、体積は、反応前COGの1.72倍となった。また、反応後COGの正味のカロリーは、8231MJ/hとなり、反応前COGの1.17倍となることがわかった。空間速度SVを1000h-1としても反応性が変わらないことから、設備をコンパクトにすることができ、設備コストの低減につながった。
As a result, the CO 2 conversion rate in the catalytic furnace was 50 % , and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace was H 2 33 %, CH 4 15%, CO 32%,
(比較例1)
図2に示したようなコークス炉のみを有し、かつ、触媒炉は有していない製造設備を利用した以外は、実施例1と同様に実施した。
(Comparative example 1)
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that a manufacturing facility having only a coke oven and no catalyst furnace as shown in FIG. 2 was used.
その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで8624MJ/hとなった。ここで、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、コークス炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、780MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、7844MJ/hとなり、反応前COGの1.12倍となることがわかった。かかる結果から、触媒炉を有していない、コークス炉のみからなる製造設備において、コークス炉に対して二酸化炭素をモル比(CO2/C)=0.5の条件で供給したとしても、COGのカロリーをほとんど増量できないことがわかった。 As a result, the calorie of COG after reaction was 8624 MJ/h on a dry basis. Here, the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 950° C. and to compensate for the endothermic reaction within the coke oven was calculated to be 780 MJ/h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 7844 MJ/h, which was 1.12 times that of COG before reaction. From these results, in a production facility consisting only of a coke oven without a catalytic furnace, even if carbon dioxide is supplied to the coke oven at a molar ratio (CO 2 /C) = 0.5, COG It turns out that it is almost impossible to increase the amount of calories.
(比較例2)
実施例1において、コークス炉の炉蓋からCO2は供給せず、図2に示したように、触媒炉前からのみ二酸化炭素をモル比(CO2/C)=0.5となるように、158Nm3/hで供給する制御を行った以外は、実施例1と同様に実施した。
(Comparative example 2)
In Example 1, CO 2 was not supplied from the lid of the coke oven, and as shown in FIG. 2, carbon dioxide was supplied only from the front of the catalytic furnace at a molar ratio (CO 2 /C) of 0.5. , 158 Nm 3 /h except that the supply was controlled in the same manner as in Example 1.
その結果、触媒炉ではCO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 35.5%、CH4 14.1%、CO 26.6%、CO2 12.0%、残部N2であり、体積は、反応前COGの1.69倍となった。その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで8365MJ/hとなった。ここで、室温のCO2を触媒炉温度800℃まで加熱するエネルギー及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、835MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、7530MJ/hとなり、反応前COGの1.07倍となることがわかった。かかる結果から、触媒炉に対してのみ、モル比(CO2/C)=0.5の条件で二酸化炭素を供給するだけでは、COGのカロリーをほとんど増量できないことがわかった。 As a result, the CO 2 conversion rate was 50% in the catalytic furnace, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace was 35.5% H 2 , 14.1% CH 4 , 26.6% CO 2 12.0%, the remainder was N 2 , and the volume was 1.69 times that of COG before reaction. As a result, the calorie of COG after reaction was 8365 MJ/h on a dry basis. Here, the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a catalyst furnace temperature of 800° C. and to compensate for the endothermic reaction within the catalyst furnace was calculated to be 835 MJ/h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 7530 MJ/h, which was 1.07 times that of COG before reaction. From these results, it was found that the calorie content of COG could hardly be increased by simply supplying carbon dioxide only to the catalytic furnace at a molar ratio (CO 2 /C) of 0.5.
(比較例3)
比較例2において、触媒炉前から、モル比(CO2/C)=1となるように、二酸化炭素を316Nm3/hで供給する制御を行った以外は、比較例2と同様に実施した。
(Comparative example 3)
Comparative Example 2 was carried out in the same manner as Comparative Example 2, except that carbon dioxide was controlled to be supplied at 316 Nm 3 /h from before the catalyst furnace so that the molar ratio (CO 2 /C) = 1. .
その結果、触媒炉ではCO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 25.0%、CH4 13.8%、CO 33.4%、CO2 18.5%、残部N2であり、体積は、反応前COGの1.68倍となった。その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで8664MJ/hとなった。ここで、室温のCO2を触媒炉温度800℃まで加熱するエネルギー及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、1669MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、6995MJ/hとなり、反応前COGの1.00倍となることがわかった。かかる結果から、触媒炉に対してのみ、モル比(CO2/C)=1の条件で二酸化炭素を供給するだけでは、COGのカロリーを増量できないことがわかった。 As a result, the CO 2 conversion rate was 50% in the catalytic furnace, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace was: 25.0% H 2 , 13.8% CH 4 , 33.4% CO 2 18.5%, the balance was N 2 , and the volume was 1.68 times that of COG before reaction. As a result, the calorie of COG after reaction was 8664 MJ/h on a dry basis. Here, when the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to the catalyst furnace temperature of 800° C. and the energy required to compensate for the endothermic reaction within the catalyst furnace was calculated, it was 1669 MJ/h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 6995 MJ/h, which was 1.00 times that of COG before reaction. These results show that it is not possible to increase the calorie content of COG by simply supplying carbon dioxide to the catalytic furnace at a molar ratio (CO 2 /C) of 1.
(実施例6)
実施例1において、触媒炉前から、更に、モル比(CO2/C)=0.5に相当する158Nm3/hの二酸化炭素を供給する制御を行った以外は、実施例1と同様に実施した。
(Example 6)
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that 158 Nm 3 /h of carbon dioxide, which corresponds to a molar ratio (CO 2 /C) = 0.5, was further controlled to be supplied from before the catalyst furnace. carried out.
その結果、触媒炉ではCO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 23.9%、CH4 9.7%、CO 45.1%、CO2 13.0%、残部N2であり、体積は、反応前COGの2.43倍となった。その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで12424MJ/hとなった。ここで、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃及び触媒炉温度800℃まで加熱するそれぞれのエネルギー、並びに、コークス炉内及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、2226MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、10198MJ/hとなり、反応前COGの1.45倍となることがわかった。このように、コークス炉と触媒炉とを組み合わせ、更に、コークス炉前でモル比(CO2/C)=0.5となり、触媒炉前でモル比(CO2/C)=0.5となる二酸化炭素をそれぞれ供給することで、COGのカロリーを更に増量できることがわかった。 As a result, the CO 2 conversion rate in the catalytic furnace was 50%, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace was: 23.9% H 2 , 9.7% CH 4 , 45.1% CO 2 13.0%, the balance was N 2 , and the volume was 2.43 times that of COG before reaction. As a result, the calorie of COG after reaction was 12424 MJ/h on a dry basis. Here, the energy required to heat CO2 at room temperature to the coke oven top space temperature of 950 °C and the catalyst furnace temperature of 800 °C, as well as the energy required to compensate for the endothermic reactions in the coke oven and the catalyst furnace, are The total amount was calculated to be 2226 MJ/h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 10198 MJ/h, which was 1.45 times that of COG before reaction. In this way, a coke oven and a catalytic furnace are combined, and the molar ratio (CO 2 /C) is 0.5 in front of the coke oven, and the molar ratio (CO 2 /C) is 0.5 in front of the catalytic furnace. It was found that the calorie content of COG could be further increased by supplying carbon dioxide.
(実施例7)
実施例2において、触媒炉前から、更にモル比(CO2/C)=0.5に相当する158Nm3/hの二酸化炭素を供給する制御を行った以外は、実施例2と同様に実施した。
(Example 7)
Example 2 was carried out in the same manner as in Example 2, except that 158 Nm 3 /h of carbon dioxide, which corresponds to a molar ratio (CO 2 /C) = 0.5, was further controlled to be supplied from before the catalyst furnace. did.
その結果、触媒炉ではCO2転化率が50%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 20.9%、CH4 7.2%、CO 49.4%、CO2 15.6%、残部N2であり、体積は、反応前COGの2.88倍となった。その結果、反応後のCOGのカロリーは、ドライベースで13872MJ/hとなった。ここで、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃及び触媒炉温度800℃まで加熱するそれぞれのエネルギー、並びに、コークス炉内及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、2831MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、11041MJ/hとなり、反応前COGの1.57倍となることがわかった。これにより、コークス炉と触媒炉とを組み合わせ、更に、コークス炉前でモル比(CO2/C)=1.0となり、触媒炉前でモル比(CO2/C)=0.5となる二酸化炭素をそれぞれ供給することで、COGのカロリーを更に増量できることがわかった。 As a result, the CO 2 conversion rate in the catalytic furnace was 50%, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace was 20.9% H 2 , 7.2% CH 4 , 49.4% CO 2 15.6%, the balance was N 2 , and the volume was 2.88 times that of COG before reaction. As a result, the calorie of COG after the reaction was 13,872 MJ/h on a dry basis. Here, the energy required to heat CO2 at room temperature to the coke oven top space temperature of 950 °C and the catalyst furnace temperature of 800 °C, as well as the energy required to compensate for the endothermic reactions in the coke oven and the catalyst furnace, are The total amount was calculated to be 2831 MJ/h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 11041 MJ/h, which was 1.57 times that of COG before reaction. As a result, a coke oven and a catalytic furnace are combined, and the molar ratio (CO 2 /C) is 1.0 in front of the coke oven, and the molar ratio (CO 2 /C) is 0.5 in front of the catalytic furnace. It was found that the calorie content of COG could be further increased by supplying carbon dioxide respectively.
(実施例8)
実施例2において、触媒炉がコークス炉から約20m離れた場所に設置されていること以外は、実施例2と同様に実施した。
(Example 8)
Example 2 was carried out in the same manner as in Example 2, except that the catalytic furnace was installed at a location approximately 20 m away from the coke oven.
触媒炉がコークス炉から20m離れることで、配管を保温材で断熱しているものの、コークス炉内改質COGの温度が800℃から500℃に低下したため、触媒炉において反応温度まで昇温させるエネルギーを追加で要した。ここで、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、コークス炉内及び触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギー、並びに、500℃のコークス炉内改質COGを触媒炉温度800℃まで加熱するエネルギーの総量を計算したところ、2732MJ/hとなった。従って、反応後COGの正味のカロリーは、9684MJ/hとなり、反応前COGの1.38倍となることがわかった。これより、触媒炉がコークス炉からある程度離隔しても、改質COGのカロリー増量には大きな影響がないことがわかった。 Although the catalytic furnace is 20m away from the coke oven and the piping is insulated with heat insulating material, the temperature of the reformed COG in the coke oven has dropped from 800°C to 500°C, so energy is required to raise the temperature in the catalytic furnace to the reaction temperature. additionally required. Here, the energy required to heat CO2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 950°C, the energy required to compensate for the endothermic reactions in the coke oven and the catalytic furnace, and the reforming in the coke oven at 500°C. The total amount of energy required to heat COG to the catalyst furnace temperature of 800° C. was calculated to be 2732 MJ/h. Therefore, it was found that the net calorie of COG after reaction was 9684 MJ/h, which was 1.38 times that of COG before reaction. From this, it was found that even if the catalytic furnace is separated from the coke oven to some extent, there is no significant effect on the increase in calories of reformed COG.
(実施例9)
実施例1において、DAPSで事前乾燥した石炭約27.6tに対し無水ギ酸を約2.4t含浸させた石炭約30tを、コークス炉の炭化室に充填したこと以外は、実施例1と同様に実施した。
(Example 9)
In Example 1, the process was carried out in the same manner as in Example 1, except that about 30 tons of coal, which had been impregnated with about 2.4 tons of formic anhydride against about 27.6 tons of coal pre-dried with DAPS, was charged into the carbonization chamber of the coke oven. carried out.
その結果、反応後COGの正味のカロリーは、9113MJ/hとなり、反応前COGの1.30倍となることがわかった。これにより、石炭に事前にギ酸を添加することで、COGのカロリーを更に増量できることがわかった。 As a result, it was found that the net calorie of COG after reaction was 9113 MJ/h, which was 1.30 times that of COG before reaction. This revealed that the calorie content of COG could be further increased by adding formic acid to coal in advance.
(実施例10)
実施例1において、触媒反応工程における触媒量を5倍にして、触媒炉における空間速度SVを100h-1とすること以外は、実施例1と同様に行った。
(Example 10)
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that the amount of catalyst in the catalytic reaction step was increased five times and the space velocity SV in the catalytic furnace was set to 100 h -1 .
その結果、実施例1における空間速度SV=500h-1での結果と比べ、触媒炉でのCO2転化率が70%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 36%、CH4 13%、CO 35%、CO2 4%、残部N2であり、体積は、反応前COGの1.77倍となった。また、反応後COGの正味のカロリーは、8278MJ/hとなり、反応前COGの1.18倍となることがわかった。空間速度SVを100h-1とすると、反応性が向上するため、COGのカロリーを増量することができる。ただし、触媒量が5倍であることから、触媒反応器のサイズも5倍になるため、設備コストは増加した。 As a result, compared to the result at space velocity SV = 500 h -1 in Example 1, the CO 2 conversion rate in the catalytic furnace was 70%, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace was 36% H 2 , CH 4 13%, CO 35%, CO 2 4%, balance N 2 , and the volume was 1.77 times that of COG before reaction. Further, it was found that the net calorie of COG after reaction was 8278 MJ/h, which was 1.18 times that of COG before reaction. When the space velocity SV is set to 100 h -1 , the reactivity improves, so the calorie content of COG can be increased. However, since the amount of catalyst is five times as large, the size of the catalytic reactor is also five times as large, resulting in an increase in equipment cost.
(実施例11)
実施例1において、触媒反応工程における触媒量を1/5にして、触媒炉における空間速度SVを2500h-1とすること以外は、実施例1と同様に行った。
(Example 11)
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that the amount of catalyst in the catalytic reaction step was reduced to 1/5 and the space velocity SV in the catalytic furnace was set to 2500 h -1 .
その結果、実施例1における空間速度SV=500h-1での結果と比べ、触媒炉でのCO2転化率が25%となり、触媒炉出口での触媒改質COGの組成は、H2 33%、CH4 17%、CO 27%、CO2 11%、残部N2であり、体積は、反応前COGの1.73倍となった。また、反応後COGの正味のカロリーは、8078MJ/hとなり、反応前COGの1.15倍となることがわかった。空間速度SVを2500h-1とすると、反応性が低下するため、COGのカロリー増量効果は小さいが、触媒量が1/5であることから、設備をコンパクトにすることができ、設備コストの大幅低減につながった。 As a result, compared to the result at space velocity SV = 500 h -1 in Example 1, the CO 2 conversion rate in the catalytic furnace was 25%, and the composition of the catalytically reformed COG at the outlet of the catalytic furnace was 33% H 2 , CH 4 17%, CO 27%, CO 2 11%, balance N 2 , and the volume was 1.73 times that of COG before reaction. Further, it was found that the net calorie of COG after reaction was 8078 MJ/h, which was 1.15 times that of COG before reaction. When the space velocity SV is set to 2500 h -1 , the reactivity decreases, so the effect of increasing the calorie content of COG is small, but since the amount of catalyst is 1/5, the equipment can be made compact and the equipment cost can be reduced significantly. This led to a reduction in
(実施例12)
実施例1において、コークス炉の炭化室に充填した石炭を、当該石炭の灰組成分析値において、アルカリ土類金属に関して、CaO及びMgOの濃度がそれぞれ、2.1質量%、0.6質量%であり、Fe2O3濃度が3.5質量%であったものに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
(Example 12)
In Example 1, in the ash composition analysis of the coal filled in the carbonization chamber of a coke oven, the concentrations of CaO and MgO with respect to alkaline earth metals were 2.1% by mass and 0.6% by mass, respectively. The same procedure as in Example 1 was conducted except that the Fe 2 O 3 concentration was changed to 3.5% by mass.
その結果、コークス炉内では、CO2転化率が10%で進行した。この時、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、1461MJ/hとなった。反応後COGの正味のカロリーは、8171MJ/hとなり、反応前COGの1.16倍となることがわかった。これより、使用する石炭中の灰分組成において、CaO及びMgOの濃度、並びに、Fe2O3の濃度が低かったとしても、コークス炉での反応性が一定程度進行すれば、COGのカロリーを増量できることがわかった。 As a result, the CO 2 conversion rate progressed at 10% in the coke oven. At this time, the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to the coke oven top space temperature of 950° C. and to compensate for the endothermic reaction in the catalyst furnace was calculated to be 1461 MJ/h. It was found that the net calorie of COG after reaction was 8171 MJ/h, which was 1.16 times that of COG before reaction. From this, even if the concentration of CaO and MgO and the concentration of Fe 2 O 3 are low in the ash composition of the coal used, if the reactivity in the coke oven progresses to a certain level, the calorie content of COG can be increased. I found out that it can be done.
(実施例13)
実施例1において、コークス炉の炭化室に充填した石炭を、当該石炭の灰組成分析値において、アルカリ土類金属に関して、CaO及びMgOの濃度がそれぞれ、1.5質量%、0.4質量%であり、Fe2O3濃度が25質量%であったものに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
(Example 13)
In Example 1, in the ash composition analysis of the coal filled in the carbonization chamber of a coke oven, the concentrations of CaO and MgO with respect to alkaline earth metals were 1.5% by mass and 0.4% by mass, respectively. The same procedure as in Example 1 was conducted except that the Fe 2 O 3 concentration was changed to 25% by mass.
その結果、コークス炉内では、CO2転化率が50%進行した。この時、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、1594MJ/hとなった。反応後COGの正味のカロリーは、8406MJ/hとなり、反応前COGの1.20倍となることがわかった。これより、使用する石炭中の灰分組成において、Fe2O3の濃度が高い場合には、コークス炉での反応性が高く、COGのカロリーを増量できることがわかった。 As a result, the CO 2 conversion rate progressed by 50% in the coke oven. At this time, the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 950° C. and to compensate for the endothermic reaction in the catalyst furnace was calculated to be 1594 MJ/h. It was found that the net calorie of COG after reaction was 8406 MJ/h, which was 1.20 times that of COG before reaction. From this, it was found that when the concentration of Fe 2 O 3 in the ash composition of the coal used is high, the reactivity in the coke oven is high and the calorie content of COG can be increased.
(実施例14)
実施例1において、コークス炉の炭化室に充填した石炭を、当該石炭の灰組成分析値において、アルカリ土類金属に関して、CaO及びMgOの濃度がそれぞれ12質量%、3.5質量%であり、Fe2O3濃度が3.1質量%であったものに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
(Example 14)
In Example 1, in the ash composition analysis of the coal filled in the carbonization chamber of a coke oven, the concentrations of CaO and MgO are respectively 12% by mass and 3.5% by mass with respect to alkaline earth metals, The same procedure as in Example 1 was carried out except that the Fe 2 O 3 concentration was changed to 3.1% by mass.
その結果、コークス炉内では、CO2転化率が50%進行した。この時、室温のCO2をコークス炉頂空間温度950℃まで加熱するエネルギー、触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、1594MJ/hとなった。反応後COGの正味のカロリーは、8425MJ/hとなり、反応前COGの1.20倍となることがわかった。これより、使用する石炭中の灰分組成において、CaOの濃度が高い場合には、コークス炉での反応性が高く、COGのカロリーを増量できることがわかった。 As a result, the CO 2 conversion rate progressed by 50% in the coke oven. At this time, the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 950° C. and to compensate for the endothermic reaction in the catalyst furnace was calculated to be 1594 MJ/h. It was found that the net calorie of COG after reaction was 8425 MJ/h, which was 1.20 times that of COG before reaction. From this, it was found that when the concentration of CaO is high in the ash composition of the coal used, the reactivity in the coke oven is high and the calorie content of COG can be increased.
(実施例15)
実施例1において、予め調製した濃度が15%Ca(OH)2水溶液を石炭に散布し、CMCで水分調整した石炭を、コークス炉の炭化室に約30t充填し、炭化室の両隣の燃焼室からの加熱を約1000℃に低温化して、乾留を開始した。当該石炭中の灰分組成分析を行ったところ、アルカリ土類金属に関して、CaO、MgOの濃度がそれぞれ43.8質量%、1.2質量%であり、Fe2O3濃度が3.5質量%であったものに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
(Example 15)
In Example 1, a pre-prepared aqueous solution of Ca(OH) 2 with a concentration of 15% was sprinkled on coal, and about 30 tons of the coal, whose moisture content was adjusted with CMC, was filled into the carbonization chamber of a coke oven. The temperature was lowered to about 1000°C and carbonization was started. Analysis of the ash content in the coal revealed that, regarding alkaline earth metals, the concentrations of CaO and MgO were 43.8% by mass and 1.2% by mass, respectively, and the concentration of Fe 2 O 3 was 3.5% by mass. The same procedure as in Example 1 was carried out except that .
このとき、コークス炉の炉頂空間の温度は約850℃であったが、コークス炉内でのCO2の転化率は40%となった。 At this time, the temperature in the top space of the coke oven was about 850° C., but the conversion rate of CO 2 in the coke oven was 40%.
その結果、室温のCO2をコークス炉頂空間温度850℃まで加熱するエネルギー、触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、1440MJ/hとなった。反応後COGの正味のカロリーは、8513MJ/hとなり、反応前COGの1.21倍となることがわかった。これより、使用する石炭中の灰分組成において、事前にCa成分を添加することで、コークス炉での反応をより低温で進行させることができ、追加のエネルギーを抑えられることから、COGのカロリーをより増量できることがわかった。 As a result, the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 850° C. and to compensate for the endothermic reaction in the catalyst furnace was calculated to be 1440 MJ/h. It was found that the net calorie of COG after reaction was 8513 MJ/h, which was 1.21 times that of COG before reaction. From this, by adding Ca component in advance to the ash composition of the coal used, the reaction in the coke oven can proceed at a lower temperature, and additional energy can be suppressed, so the calories of COG can be reduced. I found out that I can increase the amount even more.
(実施例16)
実施例1において、コークス炉の炭化室に充填した石炭の上に、CaCO3を約700kg充填して、石灰石の層の高さが約100mmとなるようにし、炭化室の両隣の燃焼室からの加熱を約1000℃に低温化して、乾留を開始したものに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
(Example 16)
In Example 1, about 700 kg of CaCO 3 was filled on top of the coal packed in the carbonization chamber of a coke oven, so that the height of the limestone layer was about 100 mm, and the carbonization chamber from the combustion chambers on both sides of the coke oven was The same procedure as in Example 1 was carried out, except that the heating temperature was lowered to about 1000° C. and carbonization was started.
このとき、コークス炉の炉頂空間の温度は約850℃であったが、コークス炉内でのCO2の転化率は50%となった。 At this time, the temperature in the top space of the coke oven was about 850°C, but the conversion rate of CO 2 in the coke oven was 50%.
その結果、室温のCO2をコークス炉頂空間温度850℃まで加熱するエネルギー、触媒炉内での吸熱反応を補償するのに要したエネルギーの総量を計算したところ、1554MJ/hとなった。反応後COGの正味のカロリーは、8504MJ/hとなり、反応前COGの1.21倍となることがわかった。これより、CO2とCOGやタールとの接触が起こる場所に、Caを主成分とする化合物が存在することで、コークス炉での反応をより低温で進行させることができ、追加のエネルギーを抑えられることから、COGのカロリーをより増量できることがわかった。 As a result, the total amount of energy required to heat CO 2 at room temperature to a coke oven top space temperature of 850° C. and to compensate for the endothermic reaction in the catalyst furnace was calculated to be 1554 MJ/h. It was found that the net calorie of COG after reaction was 8504 MJ/h, which was 1.21 times that of COG before reaction. This suggests that the presence of a Ca-based compound in the area where CO2 comes into contact with COG or tar allows the reaction in the coke oven to proceed at a lower temperature, reducing the need for additional energy. It was found that the calorie content of COG could be further increased.
以上示した実施例及び比較例で得られた結果を、以下の表1にまとめるとともに、図4及び図5にグラフとして示した。なお、以下の表1の「備考」欄における「アルカリ土類金属」との表記は、CaO及びMgOの合計濃度を表している。かかる結果から、本発明の実施形態に係るコークス製造設備及び二酸化炭素の還元方法を用いることで、常温の二酸化炭素を大量に還元し、COGをより一層カロリーアップすることが可能となることが明らかとなった。 The results obtained in the Examples and Comparative Examples shown above are summarized in Table 1 below and are shown as graphs in FIGS. 4 and 5. Note that the notation "alkaline earth metal" in the "Remarks" column of Table 1 below represents the total concentration of CaO and MgO. From these results, it is clear that by using the coke manufacturing equipment and the carbon dioxide reduction method according to the embodiment of the present invention, it is possible to reduce a large amount of carbon dioxide at room temperature and further increase the calorie content of COG. It became.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea stated in the claims. It is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.
1 コークス製造設備
10 コークス炉
20 触媒炉
30,40 制御弁
50 制御装置
101 炭化室
103 石炭挿入口
105 炉頂空間
107 排出口
109 炉蓋
111 コークス炉内改質COG
113 上昇管
115 二酸化炭素供給口
117 ドライメーン
119 触媒改質COG
1
113 Rising
Claims (10)
前記炭化室に供給された前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスを、触媒が設けられた触媒炉へと供給し、前記二酸化炭素の未反応分を一酸化炭素に改質する触媒改質工程と、
を含み、
前記炭化室には、前記石炭から製造されたコークスを排出する排出口と、前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスが排出される上昇管と、が設けられており、
前記コークス炉の炭化室に供給される前記二酸化炭素は、前記上昇管よりも前記排出口側の所定の位置から前記炭化室の内部へと供給され、
前記炭化室に充填される前記石炭に対して、充填に先立ってギ酸を含有させる、二酸化炭素の還元方法。 A coke oven reaction step of supplying carbon dioxide to a coking chamber filled with coal in a coke oven, and converting the carbon dioxide into carbon monoxide by reacting with a carbon component and hydrogen present in the coking chamber;
Coke oven gas containing unreacted carbon dioxide supplied to the carbonization chamber is supplied to a catalyst furnace provided with a catalyst, and the unreacted carbon dioxide is reformed into carbon monoxide. Quality process and
including;
The carbonization chamber is provided with an outlet for discharging coke produced from the coal, and a riser pipe for discharging coke oven gas containing unreacted carbon dioxide,
The carbon dioxide supplied to the carbonization chamber of the coke oven is supplied into the carbonization chamber from a predetermined position closer to the discharge port than the riser pipe ,
A method for reducing carbon dioxide, in which the coal to be filled into the carbonization chamber is made to contain formic acid prior to charging .
前記炭化室に供給された前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスを、触媒が設けられた触媒炉へと供給し、前記二酸化炭素の未反応分を一酸化炭素に改質する触媒改質工程と、 Coke oven gas containing unreacted carbon dioxide supplied to the carbonization chamber is supplied to a catalyst furnace provided with a catalyst, and the unreacted carbon dioxide is reformed into carbon monoxide. Quality process and
を含み、including;
前記炭化室には、前記石炭から製造されたコークスを排出する排出口と、前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスが排出される上昇管と、が設けられており、 The carbonization chamber is provided with an outlet for discharging coke produced from the coal, and a riser pipe for discharging coke oven gas containing unreacted carbon dioxide,
前記コークス炉の炭化室に供給される前記二酸化炭素は、前記上昇管よりも前記排出口側の所定の位置から前記炭化室の内部へと供給され、 The carbon dioxide supplied to the carbonization chamber of the coke oven is supplied into the carbonization chamber from a predetermined position closer to the discharge port than the riser pipe,
前記炭化室に充填される前記石炭に対して、充填に先立ってCa成分を含有させる、二酸化炭素の還元方法。 A method for reducing carbon dioxide, in which the coal to be filled into the carbonization chamber is made to contain a Ca component prior to charging.
前記炭化室に供給された前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスを、触媒が設けられた触媒炉へと供給し、前記二酸化炭素の未反応分を一酸化炭素に改質する触媒改質工程と、 Coke oven gas containing unreacted carbon dioxide supplied to the carbonization chamber is supplied to a catalyst furnace provided with a catalyst, and the unreacted carbon dioxide is reformed into carbon monoxide. Quality process and
を含み、including;
前記炭化室には、前記石炭から製造されたコークスを排出する排出口と、前記二酸化炭素の未反応分を含むコークス炉ガスが排出される上昇管と、が設けられており、 The carbonization chamber is provided with an outlet for discharging coke produced from the coal, and a riser pipe for discharging coke oven gas containing unreacted carbon dioxide,
前記コークス炉の炭化室に供給される前記二酸化炭素は、前記上昇管よりも前記排出口側の所定の位置から前記炭化室の内部へと供給され、 The carbon dioxide supplied to the carbonization chamber of the coke oven is supplied into the carbonization chamber from a predetermined position closer to the discharge port than the riser pipe,
前記炭化室に前記石炭を充填後に、前記充填した石炭の表層にCa含有物を設置する、二酸化炭素の還元方法。 A method for reducing carbon dioxide, comprising: filling the carbonization chamber with the coal, and then installing a Ca-containing substance on the surface layer of the filled coal.
Claims 1 to 9, wherein when the ash of the coal filled in the carbonization chamber is measured by X-ray fluorescence analysis, the concentration of Fe 2 O 3 in the obtained ash composition is 5% by mass or more . The method for reducing carbon dioxide according to any one of the above.
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