WO2023074061A1 - メタンガス生成装置の操業方法、高炉の操業方法、メタンガスの製造方法、溶銑の製造方法およびメタンガス生成装置 - Google Patents

メタンガス生成装置の操業方法、高炉の操業方法、メタンガスの製造方法、溶銑の製造方法およびメタンガス生成装置 Download PDF

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methane
blast furnace
methane gas
concentration
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功一 ▲高▼橋
泰平 野内
佑介 柏原
雄基 川尻
祐哉 守田
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • Y02P10/143—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions of methane [CH4]

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a methane gas generator, a method for operating a blast furnace, a method for producing methane gas, a method for producing hot metal, and a methane gas generator. Regarding.
  • blowing gas In a general blast furnace, hot air (air heated to about 1200° C.) is blown into the blast furnace from tuyeres as blowing gas. As a result, oxygen in the hot air reacts with coke and pulverized coal as reducing agents to generate carbon monoxide (CO) gas and hydrogen (H 2 ) gas. The iron ore charged into the blast furnace is reduced by these carbon monoxide gas and hydrogen gas. In addition, carbon dioxide is generated in the iron ore reduction reaction. Blowing gas is gas blown into the blast furnace from the tuyeres. The blast gas also serves to gasify pulverized coal and coke in the blast furnace.
  • CO carbon monoxide
  • H 2 hydrogen
  • Blowing gas is gas blown into the blast furnace from the tuyeres.
  • the blast gas also serves to gasify pulverized coal and coke in the blast furnace.
  • methane is synthesized using carbon monoxide and carbon dioxide contained in by-product gases emitted from blast furnaces, etc., and hydrogen as raw materials, and is used as a reducing agent for blast furnaces. Methods for recycling have been proposed.
  • a blast furnace operating method characterized by having a step (D) of blowing the gas that has passed through (C) into the blast furnace is disclosed.
  • Patent Document 2 describes "A method of operating a blast furnace, which comprises a step of generating recycled methane gas from by-product gas discharged from the blast furnace, and blowing gas and a reducing agent into the blast furnace from the tuyeres of the blast furnace. and a blowing step, wherein oxygen gas is used as the blowing gas, and the regenerated methane gas is used as at least part of the reducing agent.
  • methane can be synthesized from CO/CO 2 gas and hydrogen gas in the blast furnace gas and used as a reducing agent, so these are effective methods for reducing CO 2 .
  • a catalyst such as nickel to speed up the reaction, but the catalyst deteriorates when exposed to high temperatures and reacts. Efficiency goes down.
  • the methane synthesis reaction from CO/CO 2 gas and hydrogen gas is a highly exothermic reaction, so the synthesis reaction is carried out while controlling the temperature using a powerful cooling mechanism such as a shell and tube.
  • blast furnaces only have a timing for regular maintenance once every one to three months, and other than that, they operate continuously day and night. is difficult.
  • the present invention provides a method of operating a methane gas generator that enables control of the deterioration rate of the catalyst by appropriately adjusting the operating conditions of the blast furnace and the methane gas generator, and
  • An object of the present invention is to provide a method of operating a blast furnace.
  • the inventors have developed a novel method of operating a methane gas generator and a method of operating a blast furnace as described below. reached.
  • the raw material gas further contains hydrogen gas, and based on the comparison, adjusting the flow ratio of the hydrogen gas introduced into the methane gas synthesis reactor in the step of generating the methane gas, from [1] to [ 3]
  • a methane gas generator for generating methane gas from raw material gas including blast furnace gas, a methane gas synthesis reactor that generates methane gas from the raw material gas; a methane concentration measuring device for obtaining the methane concentration in the generated methane gas; a control device that adjusts the conditions for generating the methane gas based on a comparison between the methane concentration and a predetermined methane concentration target value;
  • a methane gas generator comprising:
  • the present invention it is possible to provide a method of operating a methane gas generator and a method of operating a blast furnace that make it possible to control the deterioration rate of the catalyst by appropriately adjusting the operating conditions of the blast furnace and the methane gas generator. can be done.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a blast furnace and blast furnace incidental equipment such as a methane gas generator used in a method for operating a methane gas generator according to an embodiment of the present invention
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a blast furnace and blast furnace incidental equipment such as a methane gas generator used in a method for operating a methane gas generator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a blast furnace and blast furnace incidental equipment such as a methane gas generator used in a method for operating a methane gas generator according to an embodiment of the present invention; BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a blast furnace and blast furnace incidental equipment such as a methane gas generator used in a method for operating a methane gas generator according to an embodiment of the present invention; BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a blast furnace and blast furnace incidental equipment such as a methane gas generator used in a method for operating a methane gas generator according to an embodiment of the present invention
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a blast furnace and blast furnace incidental equipment such as a methane gas generator used in a method for operating a methane gas generator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a blast furnace and blast furnace incidental equipment such as a methane gas generator used in a method for operating a methane gas generator according to an embodiment of the present invention
  • the operating method of this methane gas generator includes the steps of generating methane gas from raw material gas including blast furnace gas discharged from the blast furnace, the steps of determining the methane concentration in the methane gas, the methane concentration and a predetermined methane concentration target value. and adjusting the conditions for producing methane gas based on the comparison.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor can be adjusted to control the deterioration rate of the catalyst due to the reaction heat of the methane synthesis reaction. As a result, it becomes possible to meet the catalyst life required by the operation schedule of the blast furnace.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a blast furnace and ancillary equipment such as a methane gas generator to which the blast furnace operating method and the methane gas generator operating method according to the present embodiment can be applied.
  • ancillary equipment such as a methane gas generator to which the blast furnace operating method and the methane gas generator operating method according to the present embodiment can be applied.
  • 1 is a blast furnace
  • 2 is a tuyere
  • 3 is a methane gas generator
  • 4 is a gas injection device
  • 7 is a burner.
  • the blast furnace referred to here includes a shaft-type reducing furnace and the like.
  • raw materials such as sintered ore, lump ore, pellets (hereinafter also referred to as “ore raw materials”), coke, etc. are introduced from the throat of the blast furnace 1 into the furnace. charged (not shown).
  • these ore raw materials and coke are also referred to as “blast furnace raw materials”.
  • a blowing gas and a reducing agent are blown into the blast furnace 1 from tuyeres 2 installed in the lower part of the blast furnace.
  • the reducing agent injected into the blast furnace 1 from the tuyere 2 is also called the injected reducing agent to distinguish it from coke.
  • the raw ore charged into the blast furnace 1 is reduced and melted by carbon monoxide gas and hydrogen gas generated by the reaction between the blowing gas and the reducing agent, and hot metal is produced. Carbon dioxide is generated in the reduction reaction of this ore raw material. This carbon dioxide is discharged from the throat of the blast furnace 1 as a by-product gas together with carbon monoxide, hydrogen, and the like that have not reacted with the ore raw material.
  • blast furnace gas By-product gas (hereinafter also referred to as "blast furnace gas") discharged from the throat of the blast furnace 1 is expanded and cooled when the pressure returns to normal pressure, whereby water vapor is condensed and condensed water is produced.
  • the equipment incidental to the blast furnace may have a dehydrator for dehydrating the condensed water.
  • a raw material gas containing at least part of the blast furnace gas is introduced into the methane gas generator 3 .
  • carbon monoxide and carbon dioxide contained in the blast furnace gas are reacted with hydrogen to generate methane (CH 4 ) gas.
  • methane gas obtained by reacting blast furnace gas is also referred to as regenerated methane gas.
  • the hydrogen used to generate the regenerated methane gas may be supplied from inside or outside the steelworks. When producing hydrogen gas in a steelworks, it is preferable to produce it by a production method that generates as little carbon dioxide as possible. Such a production method includes, for example, electrolysis of water.
  • the equipment incidental to the blast furnace may have a dehydrator for dehydrating the condensed water.
  • the gas injection device 4 is connected with the methane gas generator 3 .
  • the gas blowing device 4 has a methane gas supply unit for introducing recycled methane gas as a blowing reducing material into the tuyeres 2 and a blowing gas supply unit for introducing blowing gas into the tuyeres 2 of the blast furnace 1 .
  • the other blown reducing materials may also be introduced into the methane gas supply unit.
  • a separate reducing agent supply unit for circulating pulverized coal or waste plastics may be provided in addition to the methane gas supply unit.
  • the external methane gas supply line may be connected to the methane gas supply portion of the gas blowing device 4, or the external methane gas supply line may be connected to the other reducing agent supply portion described above.
  • external methane gas includes, for example, methane gas derived from fossil fuels.
  • Recycled methane gas may be generated from part of the blast furnace gas, and the surplus blast furnace gas may be supplied to the steelworks. Furthermore, when there is a surplus in the regenerated methane gas, the surplus may be supplied into the steelworks.
  • the amount of oxygen gas and reducing agent to be blown and other operating conditions are not particularly limited, and may be appropriately determined according to the capacity of the blast furnace and the like.
  • part of the blast furnace gas is partially burned by the burner 7 to a temperature of about 800° C. to 1000° C., and then preheated gas is blown into the blast furnace shaft. is preferred.
  • the methane gas generator 3 has a methane gas synthesis reactor 11 and a methane concentration measuring device 13 .
  • the methane gas generator 3 may further have a flow ratio adjuster 12 as shown in FIG.
  • the methane gas synthesis reactor 11 generates regenerated methane gas from raw material gas including blast furnace gas.
  • the flow ratio adjuster 12 is an example of a control device that adjusts the conditions for generating methane gas, and adjusts the flow ratio of raw material gas such as blast furnace gas introduced into the methane gas synthesis reactor 11 .
  • the methane concentration measuring device 13 obtains the methane concentration in the generated methane gas.
  • the methane gas generator 3 has a blast furnace gas intake section and a hydrogen gas intake section. When adding ammonia to generate hydrogen from the ammonia, the methane gas generator 3 does not need to have the hydrogen gas intake section.
  • the carbon monoxide and carbon dioxide contained in the blast furnace gas are reacted with the hydrogen contained in the hydrogen gas to generate regenerated methane gas.
  • a catalyst such as Ni is used in the methane gas synthesis reactor 11 in order to increase the reaction rate, but these catalysts have the problem of degrading phenomena such as sintering at high temperatures, resulting in a decrease in the reaction rate. Since the methane synthesis reaction is accompanied by a large amount of heat generation, it is extremely important to properly cool the methane gas synthesis reactor 11 in the methane synthesis.
  • a shell-and-tube heat exchanger or the like is used as a method for cooling the methane gas synthesis reactor 11.
  • the methane concentration in the generated methane gas is obtained, and the methane gas generation conditions are determined based on the comparison between the methane concentration and a predetermined methane concentration target value. to adjust.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 can be adjusted, and the deterioration rate of the catalyst due to the reaction heat of the methane synthesis reaction can be controlled. As a result, it becomes possible to meet the catalyst life required by the operation schedule of the blast furnace.
  • the methane gas generation conditions to be adjusted include the flow rate ratio of blast furnace gas introduced into the process of generating methane gas, the flow rate ratio of hydrogen gas introduced into the process of generating methane gas, the reaction rate of the methane synthesis reaction, and the inequality in the raw material gas. Examples include the concentration of the active gas, the amount of ammonia added to the source gas, and the like. These production conditions can be adjusted singly or in combination.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 is adjusted to a predetermined methane concentration based on a comparison between the methane concentration in the methane gas and a predetermined methane concentration target value.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 is adjusted to a predetermined concentration based on a comparison between the methane concentration in the methane gas and a predetermined methane concentration target value.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 is increased so that high-concentration methane can be injected into the blast furnace.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 is lowered and instead the concentration of unreacted gas and inert gas is reduced. is increased to moderate the temperature rise of the methane gas synthesis reactor 11 .
  • the life of the catalyst can be extended to a timing suitable for operation requirements such as repair timing of the blast furnace.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 is the predetermined methane concentration and the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 based on the comparison between the methane concentration in the methane gas and a predetermined methane concentration target value. is preferably within ⁇ 10% of the predetermined methane concentration, more preferably within ⁇ 5%.
  • a specific method for adjusting the methane concentration in the methane gas is not particularly limited.
  • the flow rate ratio adjuster 12 adjusts the flow rate ratio of the blast furnace gas introduced into the methane gas generator 3 in the step of generating methane gas based on the comparison between the methane concentration and a predetermined target value of the methane concentration. to adjust the methane concentration in the methane gas.
  • the flow rate ratio of blast furnace gas and hydrogen that can mix blast furnace gas and hydrogen gas to synthesize 100% methane is defined as the "theoretical ratio", and the flow rate ratio of blast furnace gas is set.
  • the methane gas generator 3 is operated under generation conditions in which the blast furnace gas or hydrogen gas is in excess of the theoretical ratio. At this time, excess CO/CO 2 gas or hydrogen gas remains in the generated regenerated methane gas, so that the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 can be lowered.
  • the flow ratio of the hydrogen gas introduced into the methane gas generator 3 may be adjusted in the step of generating methane gas.
  • the methane concentration in the methane gas can be adjusted.
  • the flow ratio adjuster 12 is used to adjust the flow ratio of the blast furnace gas introduced into the methane gas synthesis reactor 11 .
  • the flow rate ratio of blast furnace gas and hydrogen that can mix blast furnace gas and hydrogen gas to synthesize 100% methane is defined as the “theoretical ratio”, and the flow rate ratio of hydrogen gas is set.
  • the methane gas generator 3 is operated under generation conditions in which the blast furnace gas or hydrogen gas is in excess of the theoretical ratio. At this time, excess CO/CO 2 gas or hydrogen gas remains in the generated regenerated methane gas, so that the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 can be lowered.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 may be adjusted by adjusting the reaction rate of the methane synthesis reaction based on the comparison between the methane concentration and a predetermined methane concentration target value.
  • the reaction rate of the methane synthesis reaction is adjusted based on the comparison between the methane concentration obtained by the methane concentration measuring device 13 and a predetermined target value of the methane concentration. For example, by reducing the reaction rate of the methane synthesis reaction and operating such that part of the blast furnace gas and hydrogen gas remains unreacted, unreacted CO, CO 2 and hydrogen gas remain in the regenerated methane gas. As a result, the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 decreases.
  • a method for reducing the reaction rate of the methane synthesis reaction is not particularly limited.
  • the number of parallel methane gas synthesis reactors 11 may be reduced to reduce the residence time of the raw material gas in the methane gas synthesis reactor 11, thereby lowering the reaction rate of the methane synthesis reaction.
  • the methane gas synthesis reactor 11 is composed of 10 reactors, the 10 reactors are connected in parallel, and each reactor is configured so that the raw material gas can be individually introduced or stopped by a valve. By opening and closing the valve, the number of reactors into which the raw material gas is introduced can be adjusted, thereby adjusting the parallel number of the methane gas synthesis reactors 11 .
  • the concentration of methane in the methane gas synthesis reactor 11 may be adjusted by adding an inert gas to the source gas and adjusting the concentration of the inert gas in the source gas.
  • inert gas is added to at least one of the blast furnace gas and the hydrogen gas based on the comparison between the methane concentration obtained by the methane concentration measuring device 13 and a predetermined target value of the methane concentration. is added to adjust the concentration of the inert gas in the source gas.
  • At least one of nitrogen, helium, and argon can be used as the inert gas mixed with the raw material gas. These inert gases can be added to the source gas singly or in combination.
  • the method of adding the inert gas to the raw material gas is not particularly limited.
  • an inert gas may be added to the blast furnace gas or hydrogen gas to adjust the inert gas concentration in the raw material gas.
  • an inert gas may be added to the blast furnace gas to adjust the inert gas concentration, or the inert gas in the blast furnace gas may be mixed with the blast furnace gas discharged from another blast furnace. Concentration may be adjusted.
  • an inert gas may be added to the hydrogen gas to adjust the inert gas concentration in the hydrogen gas.
  • hydrogen gas generated by electrolysis or natural gas reforming may be mixed with an inert gas such as nitrogen, or nitrogen and hydrogen generated when CO2 is separated from blast furnace gas.
  • the off-gas may be used to adjust the inert gas concentration in the hydrogen gas.
  • the amount of ammonia to be added to the raw material gas may be adjusted based on a comparison between the methane concentration and a predetermined target value for the methane concentration. Thereby, the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 can be adjusted. Ammonia is decomposed into nitrogen and hydrogen within the methane gas synthesis reactor 11 .
  • the methane gas synthesis reactor 11 itself is separately provided with an inflow hole for injecting an inert gas, and the inert gas, blast furnace gas from another blast furnace, or ammonia is directly flowed into the methane gas synthesis reactor 11, and the methane gas synthesis reactor is These gases may be mixed within 11 .
  • the amount of ammonia flowing into the methane gas synthesis reactor 11 is determined based on a comparison between the methane concentration obtained by the methane concentration measuring device 13 and a predetermined target value of the methane concentration. By adjusting, the amount of ammonia to be added to the raw material gas is adjusted.
  • the operating conditions of the blast furnace 1 may be adjusted based on a comparison between the methane concentration in the methane gas and a predetermined methane concentration target value.
  • the blast furnace gas discharged from the blast furnace 1 is used as raw material gas for generating methane gas.
  • the composition of the blast furnace gas discharged is adjusted, and the methane gas generation conditions are adjusted. can be adjusted.
  • the operating conditions of the blast furnace 1 that are adjusted based on the comparison between the methane concentration in the methane gas and a predetermined target value for the methane concentration are not particularly limited.
  • the operating conditions of the blast furnace 1 to be adjusted include the inert gas concentration in the blown gas, the amount of inert gas blown, the amount of ammonia blown, and the like.
  • the inert gas concentration in the blast gas blown into the blast furnace 1 is adjusted based on the comparison between the methane concentration in the methane gas and a predetermined methane concentration target value.
  • the oxygen concentration in the blast gas is adjusted, and the inert gas concentration in the blast furnace gas can be adjusted. In one example, as shown in FIG.
  • a blowing device other than the gas blowing device 4 is further provided, and the gas blown from the blowing device is blown based on the comparison between the methane concentration in the methane gas and a predetermined target value of the methane concentration. You can adjust the loading amount.
  • Gases blown from the blowing device include inert gases, ammonia, and mixtures thereof.
  • the inert gas is blown from the blowing device 14 based on the comparison between the methane concentration obtained by the methane concentration measuring device 13 and a predetermined target value of the methane concentration. Adjust the filling amount.
  • FIG. 6 the inert gas is blown from the blowing device 14 based on the comparison between the methane concentration obtained by the methane concentration measuring device 13 and a predetermined target value of the methane concentration. Adjust the filling amount. In one example, as shown in FIG.
  • the amount of ammonia blown from the blowing device 14 is determined based on the comparison between the methane concentration obtained by the methane concentration measuring device 13 and a predetermined target value of the methane concentration. Adjust the filling amount.
  • the inert gas concentration in the blast furnace gas is adjusted by adjusting the injection amount of the gas blown from the injection device 14 based on the comparison between the methane concentration in the methane gas and a predetermined methane concentration target value. can do.
  • a gas containing an inert gas such as nitrogen or air is used as the carrier gas for powder injection, and the amount of the carrier gas is increased or decreased to increase or decrease the amount of the tuyere.
  • the amount of inert gas blown from the port 2 may be adjusted.
  • a target value for the methane concentration used for comparison with the methane concentration is predetermined.
  • the target value of methane concentration suitable for adjusting the catalyst life differs from equipment to equipment, and cannot be determined indiscriminately. Therefore, it is preferable to predetermine an appropriate methane concentration target value for each facility.
  • the target value of the methane concentration may be changed over time. For example, an ideal time-varying pattern of methane concentration in synthetic methane gas may be created from actual operation data or the like, and the time-varying pattern may be used as the target value of methane concentration.
  • the time change of the methane concentration in the regenerated methane gas produced is monitored, the time change of the methane concentration is compared with the time change pattern of the target value of the methane concentration, and the methane gas generation conditions are determined based on the comparison. Just adjust. For example, if the rate of decrease in methane gas concentration decreases faster than the time change pattern of the ideal methane concentration target value, it is considered that the deterioration of the catalyst is progressing, and the methane gas concentration is decreased to achieve the ideal methane concentration. Operation control may be performed so as to approach the time change pattern of .
  • the method of obtaining the methane concentration in the generated methane gas is not particularly limited.
  • the methane concentration in the methane gas at the exit side of the methane gas synthesis reactor 11 can be determined using the methane concentration measuring device 13 .
  • the type of the methane concentration measuring device 13 is not particularly limited, and a known measuring device can be applied. For example, a measuring device using a gas chromatograph can be used.
  • the methane concentration in the methane gas does not have to be determined by direct analysis.
  • the substance balance calculation can be performed without directly analyzing the methane concentration in the produced methane gas.
  • the methane concentration in the methane gas may be obtained by
  • the regenerated methane gas synthesized in the methane gas synthesis reactor may be produced by the amount to be blown into the blast furnace 1 and the surplus blast furnace gas may be used as a heat source for other equipment, or as shown in FIG.
  • the excess recycled methane gas may be used in other facilities or sold externally by producing more than the amount to be injected into the blast furnace 1 . If the flow rate ratio of blast furnace gas and hydrogen gas, which are the raw material gases of the methane gas synthesis reactor, is the same, the theoretical maximum temperature in the methane gas synthesis reactor 11 does not change, so the flow rate ratio of blast furnace gas and hydrogen gas was kept constant. By increasing the flow rate of the gas, surplus regenerated methane gas can be produced.
  • the methane concentration in the methane gas generated using the raw material gas containing the blast furnace gas is obtained, and the methane concentration is determined in advance.
  • the conditions for generating the methane gas are adjusted based on the comparison with the target value of the methane concentration obtained.
  • the methane concentration in the methane gas synthesis reactor 11 is adjusted, catalyst deterioration due to methane synthesis reaction heat is controlled, and the catalyst life required by the operation schedule of the blast furnace 1 can be met.
  • the diluent gas introduced into the methane gas synthesis reactor 11 is blast furnace gas containing CO, CO 2 , H 2 and N 2 , hydrogen gas, inert gas, etc., and these are blown into the blast furnace together with the synthesized methane. Since it functions as a tuyere tip temperature adjusting gas and a reducing gas when it is used as a diluent gas for the methane gas synthesis reactor 11, it can be used without waste.
  • FIGS 1 to 7 schematically show the blast furnace and blast furnace ancillary equipment used in the examples of the present invention.
  • an oxygen blast furnace that blows pure oxygen is assumed as the blast furnace, except for invention examples 20 to 22 in which the inert gas concentration in the blowing gas is changed.
  • Regenerated methane gas is produced in a methane gas synthesis reactor from part of the blast furnace gas and hydrogen gas supplied from the outside, and the methane gas is injected as a reducing agent from the tuyeres of the blast furnace.
  • a part of the blast furnace gas generated from the blast furnace flows into the methane gas synthesis reactor again as a raw material for methane synthesis.
  • Invention examples 1 to 7 are examples of blast furnace operation using the blast furnace and blast furnace incidental equipment shown in FIG.
  • the methane gas generation conditions were adjusted so that the reaction rate of the methane gas synthesis reactor was 100%, and the flow rate ratio between the blast furnace gas and the hydrogen gas was such that the methane concentration in the regenerated methane gas produced was 100%.
  • the inert gas contained in the blast furnace gas is only derived from trace nitrogen contained in the coke, and the inert gas concentration in the blast furnace gas is almost zero.
  • the hydrogen gas is also pure hydrogen with zero inert gas concentration. Therefore, the inert gas concentration in the regenerated methane gas becomes almost zero.
  • the maximum temperature that can occur in the methane gas synthesis reactor can be considered as the post-reaction temperature under adiabatic conditions in which the cooling of the methane gas synthesis reactor is zero. Temperature can be evaluated. When the theoretical maximum temperature in the methane gas synthesis reactor was calculated under the conditions of Invention Example 1, it was 1412°C.
  • Invention Examples 2 to 6 show operation examples in which the methane concentration in the regenerated methane gas was lowered by adjusting the flow ratio of the blast furnace gas, and the temperature inside the methane gas synthesis reactor was lowered.
  • Table 1 shows the operating conditions of the blast furnace and the methane gas synthesis reactor, and the theoretical maximum temperature of the reactor calculated by thermal mass balance calculation in each invention example. The calculation method of the theoretical maximum temperature by thermo-matter balance calculation will be explained. From the principle of thermodynamics, the molar flow rates of atoms such as C, H, and O are the same before and after the methane gas synthesis reaction, and the enthalpy flow rates before and after the reaction are also the same.
  • the molar flow rate of each component contained in the regenerated methane gas that is, the molar flow rate of methane, hydrogen, etc.
  • the temperature of the regenerated methane gas assuming that the reactor was not cooled at all that is, the theoretical maximum temperature can be calculated.
  • This calculation requires thermodynamic data such as the standard enthalpy of formation and specific heat of each component contained in raw material gases such as methane and hydrogen, and regenerated methane gas.
  • the thermodynamic data NIST Chemistry webbook, etc., which have been published may be used.
  • Invention Examples 2 to 4 are examples of operation when hydrogen gas is excessive by adjusting the flow rate ratio of blast furnace gas. In invention examples 2 to 4, the ratio of hydrogen gas to blast furnace gas was increased in this order. In Invention Examples 2 to 4, the reaction rate of the methane gas synthesis reactor was set to 100%. In Invention Example 1, the methane concentration in the regenerated methane gas is approximately 100% by volume, whereas in Invention Examples 2 to 4, the methane concentration in the regenerated methane gas is 61.9% by volume, 39.2% by volume, and 13.1% by volume. could lower it.
  • Invention examples 5 to 7 are examples of operation when the blast furnace gas flow ratio is adjusted to make the blast furnace gas excessive.
  • the ratio of blast furnace gas to hydrogen gas was increased in this order.
  • the reaction rate of the methane gas synthesis reactor was set to 100% in all cases.
  • the methane concentration in the regenerated methane gas was almost 100%, whereas in Invention Examples 5 to 7, the methane concentrations in the regenerated methane gas were 78.6% by volume, 54.7% by volume, and 26.9% by volume.
  • Invention Examples 8-10 are examples of blast furnace operation using the blast furnace and blast furnace incidental equipment shown in FIG. In these invention examples, the number of parallel methane gas synthesis reactors was reduced to reduce the residence time of the raw material gas in the methane gas synthesis reactors, thereby lowering the reaction rate of the methane gas synthesis reactors.
  • Table 2 shows the operating conditions of the blast furnace and the methane gas synthesis reactor at this time, and the theoretical maximum temperature of the reactor calculated by thermal mass balance calculation.
  • Invention Examples 11 to 16 are examples of blast furnace operation using the blast furnace and blast furnace incidental equipment shown in FIG. These invention examples show operation examples in which inert gas is mixed with blast furnace gas and hydrogen gas to increase the inert gas concentration of blast furnace gas and hydrogen gas.
  • Table 3 shows the operating conditions of the blast furnace and the methane gas synthesis reactor at this time, and the theoretical maximum temperature of the reactor calculated by thermal mass balance calculation.
  • Invention Examples 11 to 13 show operation examples in which nitrogen is added as an inert gas to the blast furnace gas to increase the inert gas concentration in the raw material gas.
  • the concentration of nitrogen in the blast furnace gas was increased in this order.
  • the inert gas concentrations in the blast furnace gas were 23.4% by volume, 52.1% by volume, and 96.3% by volume (the blast furnace gas concentrations were 76.6% by volume, 47.9% by volume, respectively). %, 3.7% by volume).
  • the reaction rate of the methane gas synthesis reactor was 100% in any example.
  • the methane concentration in the regenerated methane gas could be lowered to 72.4% by volume, 43.4% by volume and 3.6% by volume, respectively.
  • the theoretical maximum temperature decreased as the methane concentration decreased, and the theoretical maximum temperature in Invention Examples 11 to 13 decreased from 1412°C in Invention Example 1 to 1316°C, 1128°C and 230°C, respectively. From these results, it was confirmed that the theoretical maximum temperature of the methane gas synthesis reactor can be controlled by adjusting the concentration of the inert gas in the raw material gas, and the deterioration rate of the catalyst can also be controlled.
  • Invention Examples 14 to 16 show examples of operations in which nitrogen is added as an inert gas to hydrogen gas to increase the inert gas concentration in the raw material gas.
  • the concentration of nitrogen relative to hydrogen gas was increased in this order.
  • the inert gas concentrations in hydrogen gas were 7.6% by volume, 29.5% by volume, and 43.2% by volume, respectively (hydrogen gas concentrations were 92.4% by volume, 70.5% by volume, 56.8% by volume).
  • the reaction rate of the methane gas synthesis reactor was 100% in all cases.
  • the methane concentration in the regenerated methane gas could be lowered to 72.4% by volume, 22.3% by volume, and 3.6% by volume, respectively.
  • Invention Examples 17-19 are examples of blast furnace operation using the blast furnace and blast furnace incidental equipment shown in FIG. Invention Examples 17 to 19 show operation examples in which ammonia gas is flowed in addition to blast furnace gas and hydrogen gas as raw material gases for the methane gas synthesis reactor.
  • Table 4 shows the operating conditions of the blast furnace and the methane gas synthesis reactor in each invention example, and the theoretical maximum temperature of the reactor calculated by thermal mass balance calculation.
  • Invention Example 17 is an operation example using blast furnace gas, hydrogen gas, and ammonia as raw material gases for the methane gas synthesis reactor. In this operation example, the blast furnace gas and the hydrogen gas flow rate are adjusted in consideration of the amount of hydrogen gas generated by the decomposition of ammonia in the reactor. No gas remains.
  • Invention Example 18 is an operation example in which hydrogen generated by the decomposition reaction of ammonia gas is used as a substitute for all raw material hydrogen gas in the methane synthesis reaction, and only blast furnace gas and ammonia are made to flow into the methane gas synthesis reactor as raw material gases. and the influx of hydrogen gas is zero.
  • Invention Example 19 is an operation example in which an excess amount of ammonia is fed into the methane gas synthesis reactor.
  • Invention Examples 20-22 are examples of blast furnace operation using the blast furnace and blast furnace incidental equipment shown in FIG. In these invention examples, the inert gas concentration in the blown gas is increased.
  • Table 5 shows the operating conditions of the blast furnace and the methane gas synthesis reactor, and the theoretical maximum temperature of the reactor calculated by thermal mass balance calculation.
  • the oxygen concentration in the blown gas was lowered in this order. That is, in Inventive Examples 20 to 22, the operation of increasing the nitrogen concentration in the blown gas was performed in this order.
  • Invention Example 1 the inert gas concentration in the blast furnace gas was almost zero, but as the nitrogen concentration in the blast gas increased, the nitrogen concentration in the blast furnace gas increased to 11.6 volumes %, 31.6% by volume, and 57.8% by volume.
  • the methane concentration in the regenerated methane gas decreased as the nitrogen concentration in the blown gas increased, and the methane concentrations in the regenerated methane gas in Invention Examples 20 to 22 were 86.1% by volume and 66.0% by volume, respectively. , 40.0% by volume.
  • Invention Examples 23-24 are examples of blast furnace operation using the blast furnace and blast furnace incidental equipment shown in FIG. In these invention examples, nitrogen gas is blown as an inert gas from the blowing lance of the tuyere to increase the amount of the inert gas blown into the tuyere.
  • Table 6 shows the operating conditions of the blast furnace and the methane gas synthesis reactor of these invention examples, and the theoretical maximum temperature of the reactor calculated by thermal mass balance calculation.
  • Invention Examples 25 and 26 are examples of blast furnace operation using the blast furnace and blast furnace incidental equipment shown in FIG. In these invention examples, ammonia is blown from the tuyeres.
  • Table 7 shows the operating conditions of the blast furnace and the methane gas synthesis reactor, and the theoretical maximum temperature of the reactor calculated by thermal mass balance calculation.
  • Blast Furnace 2 Tuyere 3: Methane Gas Generator 4: Gas Blowing Device 7: Burner 11: Methane Gas Synthesis Reactor 12: Flow Ratio Adjuster 13: Methane Concentration Measuring Device 14: Blowing Device

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Abstract

高炉、およびメタンガス生成装置の操業条件を適正に調整することで、触媒の劣化速度を制御することを可能とするメタンガス生成装置の操業方法および高炉の操業方法を提供すること。高炉から排出される高炉ガスを含む原料ガスからメタンガス合成反応器を用いてメタンガスを生成する工程と、前記メタンガス中のメタン濃度を求める工程と、前記メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて前記メタンガスの生成条件を調整する工程と、を有する、メタンガス生成装置の操業方法。

Description

メタンガス生成装置の操業方法、高炉の操業方法、メタンガスの製造方法、溶銑の製造方法およびメタンガス生成装置
　本発明は、メタンガス生成装置の操業方法、高炉の操業方法、メタンガスの製造方法、溶銑の製造方法およびメタンガス生成装置に関する。
に関する。
　近年、地球環境問題を背景として、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量削減が強く求められている。そのため、製鉄所内に設けられた高炉の操業においても、低還元材比（低ＲＡＲ）操業を行うことが求められている。
　一般的な高炉では、羽口から送風ガスとして熱風（１２００℃程度に加熱した空気）を高炉内に吹込む。これにより、熱風中の酸素と、還元材となるコークスや微粉炭とが反応し、一酸化炭素（ＣＯ）ガスや水素（Ｈ２）ガスが生成する。これらの一酸化炭素ガスや水素ガスによって、高炉内に装入した鉄鉱石が還元される。また、この鉄鉱石の還元反応において、二酸化炭素が発生する。なお、送風ガスは、羽口から高炉内に吹込まれるガスである。送風ガスは、高炉内において微粉炭やコークスをガス化する役割も果たす。
　このような高炉の操業における二酸化炭素の排出量削減技術として、高炉等から排出される副生ガスに含まれる一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを原料としてメタンを合成し、高炉の還元材として再生利用する方法が提案されている。
　例えば、特許文献１には、「ＣＯ２および／またはＣＯを含む混合ガスからＣＯ２および／またはＣＯを分離回収する工程（Ａ）と、該工程（Ａ）で分離回収されたＣＯ２および／またはＣＯに水素を添加し、ＣＯ２および／またはＣＯをＣＨ４に変換する工程（Ｂ）と、該工程（Ｂ）を経たガスからＨ２Ｏを分離除去する工程（Ｃ）と、該工程（Ｃ）を経たガスを高炉内に吹込む工程（Ｄ）を有することを特徴とする高炉の操業方法。」が開示されている。
　また、特許文献２には、「高炉の操業方法であって、高炉から排出される副生ガスから再生メタンガスを生成する工程と、前記高炉の羽口から前記高炉内に送風ガスおよび還元材を吹込む工程と、を有し、前記送風ガスとして酸素ガスを用い、かつ、前記還元材の少なくとも一部に前記再生メタンガスを用いる、高炉の操業方法」が開示されている。
特開２０１１－２２５９６９号公報 国際公開２０２１／１０６５７８号
　特許文献１および２の方法を用いれば高炉ガス中のＣＯ／ＣＯ２ガスと水素ガスとからメタンを合成して還元材として利用できるので、これらはＣＯ２削減に効果的な方法である。一方で、ＣＯ／ＣＯ２ガスと水素ガスとからメタンを合成するためにはニッケルなどの触媒を用いて反応を高速化することが必須であるが、触媒は高温にさらされると劣化して反応効率が落ちてしまう。特にＣＯ／ＣＯ２ガスおよび水素ガスからのメタン合成反応は大きな発熱を伴う反応となるため、シェルアンドチューブのような強力な冷却機構を用いて温度を制御しながら合成反応を行うこととなる。しかしながら、合成反応器を完全に均一に温度制御することはかなり難しく、局所的にホットスポットが発生して触媒が劣化してしまうことは避けられない。加えて、高炉では１～３か月に１度程度しか定期修理をするタイミングがなく、それ以外は昼夜連続運転を行っており、触媒が劣化したとしても設備を停止させて触媒交換作業を行うことは困難である。
　本発明は、このような課題を解決するために、高炉、およびメタンガス生成装置の操業条件を適正に調整することで、触媒の劣化速度を制御することを可能とするメタンガス生成装置の操業方法および高炉の操業方法を提供することを目的とする。
　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鋭意研究した結果、発明者らは、以下に述べる新規なメタンガス生成装置の操業方法および高炉の操業方法を開発するに至った。
［１］　高炉から排出される高炉ガスを含む原料ガスからメタンガス合成反応器を用いてメタンガスを生成する工程と、
　前記メタンガス中のメタン濃度を求める工程と、
　前記メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて前記メタンガスの生成条件を調整する工程と、を有する、メタンガス生成装置の操業方法。
［２］　前記比較に基づいて、前記メタンガスを生成する工程で生成されるメタンガスのメタン濃度を調整する、前記［１］に記載のメタンガス生成装置の操業方法。
［３］　前記比較に基づいて、前記メタンガスを生成する工程において前記メタンガス合成反応器に導入する前記高炉ガスの流量比率を調整する、前記［１］または［２］に記載のメタンガス生成装置の操業方法。
［４］　前記原料ガスはさらに水素ガスを含み、前記比較に基づいて、前記メタンガスを生成する工程において前記メタンガス合成反応器に導入する前記水素ガスの流量比率を調整する、前記［１］から［３］のいずれかに記載のメタンガス生成装置の操業方法。
［５］　前記比較に基づいて、前記メタンガスを生成する工程におけるメタン合成反応の反応率を調整する、前記［１］から［４］のいずれかに記載のメタンガス生成装置の操業方法。
［６］　前記原料ガスはさらに不活性ガスを含み、前記比較に基づいて前記原料ガス中の該不活性ガス濃度を調整する、前記［１］から［５］のいずれかに記載のメタンガス生成装置の操業方法。
［７］　前記比較に基づいて前記原料ガスに添加するアンモニアの量を調整する、前記［１］から［６］のいずれかに記載のメタンガス生成装置の操業方法。
［８］　前記［１］から［７］のいずれかに記載のメタンガス生成装置の操業方法を用いる高炉の操業方法であって、
　前記高炉に高炉原料を装入する工程と、
　前記高炉に送風ガスおよび還元材を吹込む工程と、
　前記高炉から前記高炉ガスを排出する工程と、
を有し、前記還元材の少なくとも一部に前記メタンガスを用いる、高炉の操業方法。
［９］　前記比較に基づいて、高炉の操業条件を調整する、前記［８］に記載の高炉の操業方法。
［１０］　前記比較に基づいて前記送風ガス中の不活性ガス濃度を調整する、前記［９］に記載の高炉の操業方法。
［１１］　前記高炉にさらに不活性ガスを吹込み、前記比較に基づいて該不活性ガスの吹込み量を調整する、前記［９］または［１０］に記載の高炉の操業方法。
［１２］　前記高炉にさらにアンモニアを吹込み、前記比較に基づいて該アンモニアの吹込み量を調整する、前記［９］から［１１］のいずれかに記載の高炉の操業方法。
［１３］　前記［１］から［７］のいずれかに記載のメタンガス生成装置の操業方法を用いた、メタンガスの製造方法。
［１４］　前記［８］から［１２］のいずれかに記載の高炉の操業方法を用いた、溶銑の製造方法。
［１５］　高炉ガスを含む原料ガスからメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、
　前記原料ガスからメタンガスを生成するメタンガス合成反応器と、
　生成された前記メタンガス中のメタン濃度を取得するメタン濃度測定器と、
　前記メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて前記メタンガスの生成条件を調整する制御装置と、
を備える、メタンガス生成装置。
　本発明によれば、高炉、およびメタンガス生成装置の操業条件を適正に調整することで、触媒の劣化速度を制御することを可能とするメタンガス生成装置の操業方法および高炉の操業方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法に用いる高炉、およびメタンガス生成装置などの高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法に用いる高炉、およびメタンガス生成装置などの高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法に用いる高炉、およびメタンガス生成装置などの高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法に用いる高炉、およびメタンガス生成装置などの高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法に用いる高炉、およびメタンガス生成装置などの高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法に用いる高炉、およびメタンガス生成装置などの高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法に用いる高炉、およびメタンガス生成装置などの高炉附帯設備の一例を模式的に示す図である。
　以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
　本メタンガス生成装置の操業方法は、高炉から排出される高炉ガスを含む原料ガスからメタンガスを生成する工程と、メタンガス中のメタン濃度を求める工程と、メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいてメタンガスの生成条件を調整する工程と、を有する。これにより、メタンガスを生成する工程において、メタンガス合成反応器内のメタン濃度を調整し、メタン合成反応の反応熱による触媒の劣化速度を制御することができる。その結果、高炉の操業スケジュールなどにより求められる触媒寿命に対応できるようになる。
　図１は、本実施形態に係る高炉操業方法およびメタンガス生成装置の操業方法が適用できる高炉、およびメタンガス生成装置などの高炉附帯設備の一例を示す模式図である。本発明の一実施形態に従う高炉の操業方法およびメタンガス生成装置の操業方法を図１に示す高炉に適用した場合を例として説明する。図中、符号１は高炉、２は羽口、３はメタンガス生成装置、４はガス吹込み装置、７はバーナーである。なお、ここでいう高炉には、シャフト型還元炉なども含むものとする。
　本発明の一実施形態に従う高炉の操業方法では、高炉１の炉口部から炉内へ原料となる焼結鉱や塊鉱石、ペレット（以下、「鉱石原料」とも記載する。）やコークスなどが装入される（図示せず）。以下、これら鉱石原料やコークスなどを「高炉原料」とも称する。また、高炉下部に設置された羽口２から高炉１内へ、送風ガスと還元材とが吹込まれる。なお、羽口２から高炉１内へ吹込む還元材を、コークスと区別するため、吹込み還元材ともいう。そして、送風ガスと還元材との反応により生じた一酸化炭素ガスや水素ガスによって、高炉１内に装入した鉱石原料が還元、溶融され、溶銑が製造される。この鉱石原料の還元反応において、二酸化炭素が発生する。この二酸化炭素は、鉱石原料と反応しなかった一酸化炭素や水素などとともに、副生ガスとして、高炉１の炉口部から排出される。
　高炉の炉頂部は通常２．５気圧程度の高圧条件となっている。この高炉１の炉口部から排出される副生ガス（以下、「高炉ガス」とも記載する。）が常圧に戻る際の膨張冷却により水蒸気が凝縮し、凝縮水が生成する。高炉附帯設備は、この凝縮水を脱水する脱水装置を有していてもよい。
　次いで、高炉ガスの少なくとも一部を含む原料ガスをメタンガス生成装置３に導入する。そして、メタンガス生成装置３において、高炉ガスに含まれる一酸化炭素および二酸化炭素と、水素とを反応させてメタン（ＣＨ4）ガスを生成する。ここで、高炉ガスを反応させて得たメタンガスを再生メタンガスとも称する。なお、再生メタンガスの生成に使用する水素は、製鉄所内や外部から供給すればよい。製鉄所内で水素ガスを製造する場合、二酸化炭素を極力発生しない製法により製造することが好ましい。そのような製法として、例えば、水の電気分解などが挙げられる。ついで、再生メタンガスを常温まで冷却することにより、再生メタンガス中の水蒸気が凝縮され、凝縮水が生成する。高炉附帯設備は、この凝縮水を脱水する脱水装置を有していてもよい。
　次いで、再生メタンガスを、ガス吹込み装置４に導入する。ガス吹込み装置４はメタンガス生成装置３と接続される。ガス吹込み装置４は、吹込み還元材となる再生メタンガスを羽口２に導入するメタンガス供給部、および、送風ガスを高炉１の羽口２に導入する送風ガス供給部を有する。
　その他の吹込み還元材を使用する場合、メタンガス供給部に、その他の吹込み還元材も一緒に導入してもよい。その他の吹込み還元材として微粉炭や廃プラスチックを用いる場合には、メタンガス供給部とは別に、微粉炭や廃プラスチックを流通させる別の還元材供給部を設けてもよい。
　羽口２から高炉１内に吹込むメタンガス（以下、吹込みメタンガスともいう）の全量を再生メタンガスとする必要はなく、製鉄所の操業に合わせて、別のラインから供給されるメタンガス（外部メタンガスともいう）を使用してもよい。この場合、ガス吹込み装置４のメタンガス供給部に外部メタンガスの供給ラインを接続してもよいし、上記した別の還元材供給部に外部メタンガスの供給ラインを接続してもよい。なお、外部メタンガスとしては、例えば、化石燃料由来のメタンガスなどが挙げられる。
　高炉ガスの一部から再生メタンガスを生成し、高炉ガスの余剰分を製鉄所内に供給してもよい。さらに、再生メタンガスに余剰分がある場合には、その余剰分を製鉄所内に供給してもよい。なお、酸素ガスおよび還元材の吹込み量やその他の操業条件は、特に限定されず、高炉の容量などに応じ、適宜決定すればよい。
　なお、送風ガス中の酸素濃度が増加すると、高炉１の上部における装入物の昇温が不十分となる場合がある。この場合には、図１に示すように、高炉ガスの一部を、８００℃～１０００℃程度となるようにバーナー７により部分燃焼させた後、高炉シャフト部に吹込む予熱ガス吹込みを行うことが好ましい。
　［メタンガス生成装置］
　一例において、メタンガス生成装置３は、メタンガス合成反応器１１とメタン濃度測定器１３を有する。メタンガス生成装置３は、図１に示すように、流量比調整器１２をさらに有していてもよい。メタンガス合成反応器１１は、高炉ガスを含む原料ガスから再生メタンガスを生成する。流量比調整器１２は、メタンガスの生成条件を調整する制御装置の一例であり、メタンガス合成反応器１１に導入される高炉ガス等の原料ガスの流量比率を調整する。メタン濃度測定器１３は、生成されたメタンガス中のメタン濃度を求める。また、メタンガス生成装置３は、一例においては、高炉ガス取入れ部と、水素ガス取入れ部とを有する。なお、アンモニアを添加して当該アンモニアから水素を生成する場合には、メタンガス生成装置３は水素ガス取入れ部を有さなくてもよい。
　メタンガス合成反応器１１内においては、高炉ガスに含まれる一酸化炭素および二酸化炭素と、水素ガスに含まれる水素とを反応させて再生メタンガスを生成する。メタンガス合成反応器１１では反応速度を高めるためにＮｉ等の触媒を用いるが、これら触媒は高温になるとシンタリング等の劣化現象がおこり反応速度が低下してしまう問題がある。メタン合成反応は大きな発熱を伴う反応であるので、メタン合成においてはメタンガス合成反応器１１の冷却を適正に行うことが極めて重要である。メタンガス合成反応器１１の冷却方法としては、例えばシェルアンドチューブ式の熱交換器などが用いられる。しかしながら、熱交換効率の良い熱交換器を用いたとしても、例えば触媒充填の不均一性や冷却水路への異物の混入などを完全に回避することは困難であり、これらによりメタンガス合成反応器１１内の全域を完全に均一冷却できるとは限らない。したがって、ある程度のホットスポット発生は避けられず、当該ホットスポットにより触媒の劣化がおこってしまうため、ある頻度で触媒交換を行うための操業停止、補修作業が必要となる。一方で、高炉は昼夜停止せず連続運転しているプロセスであり、生産を止めて行う大規模な補修作業は１か月～３か月に１度程度しかない。したがって、メタン合成と高炉とを連動させるプロセスにおいては、メタン合成触媒が劣化したタイミングでメタンガス合成反応器１１を停止させるのは効率が悪く、高炉の大規模補修タイミングまで触媒の寿命を延命して操業を続け、高炉の停止タイミングと合わせてメタンガス合成反応器１１内の触媒を交換することが理想的である。
　そこで、本実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法においては、生成されたメタンガス中のメタン濃度を求め、該メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいてメタンガスの生成条件を調整する。これにより、メタンガスを生成する工程において、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を調整し、メタン合成反応の反応熱による触媒の劣化速度を制御することができる。その結果、高炉の操業スケジュールなどにより求められる触媒寿命に対応できるようになる。調整するメタンガスの生成条件としては、メタンガスを生成する工程に導入する高炉ガスの流量比率、メタンガスを生成する工程に導入する水素ガスの流量比率、メタン合成反応の反応率、原料ガス中の該不活性ガスの濃度、原料ガスに添加するアンモニアの量等が挙げられる。これら生成条件は、単独で、あるいは組み合わせて調整することができる。
　一例においては、メタンガス中のメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、予め定められたメタン濃度になるようにメタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を調整する。このように、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を予め定められた濃度に調整することにより、メタンガス合成反応器１１内の原料ガスおよびメタンガスが適正に希釈され、合成ガス中のメタン濃度とメタンガス合成反応器１１における触媒の温度上昇とを要求される条件に合わせて適正にコントロールすることができる。例えば、高炉の生産性を追求したいときはメタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を高めて高炉に高濃度メタンを吹込めるようにする。一方、触媒が想定より早く劣化してしまい、高炉の補修まで触媒機能を維持できそうもないときは、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を低くして代わりに未反応ガスや不活性ガス濃度を高めてメタンガス合成反応器１１の温度上昇を緩和する。これにより、高炉の補修タイミングなど操業要求に適したタイミングまで触媒の寿命を延長できる。
　メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度は、メタンガス中のメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、予め定められたメタン濃度とメタンガス合成反応器１１内のメタン濃度との差が、予め定められたメタン濃度の±１０％以内となるように調整することが好ましく、±５％以内となるように調整することがより好ましい。
　メタンガス中のメタン濃度を調整する具体的な方法は特に限定されない。一例においては、メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、流量比調整器１２がメタンガスを生成する工程においてメタンガス生成装置３に導入する高炉ガスの流量比率を調整して、メタンガス中のメタン濃度を調整する。メタンガス中のメタン濃度を下げる場合、一例においては、高炉ガスと水素ガスとを混合してメタン１００％が合成できるような高炉ガスと水素の流量比率を「理論比」とし、高炉ガスの流量比率を、高炉ガスまたは水素ガスが該理論比よりも過剰となる生成条件にてメタンガス生成装置３を操業する。この時、生成された再生メタンガス中には過剰となったＣＯ／ＣＯ２ガスもしくは水素ガスが残存するので、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を下げることができる。
　メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、メタンガスを生成する工程においてメタンガス生成装置３に導入する水素ガスの流量比率を調整してもよい。メタンガスを生成する工程においてメタンガス生成装置３に導入する水素ガスの流量比率を調整することで、メタンガス中のメタン濃度を調整することができる。一例においては、流量比調整器１２を用いて、メタンガス合成反応器１１に導入する高炉ガスの流量比率を調整する。メタンガス中のメタン濃度を下げる場合、一例においては、高炉ガスと水素ガスとを混合してメタン１００％が合成できるような高炉ガスと水素の流量比率を「理論比」とし、水素ガスの流量比率を、高炉ガスまたは水素ガスが該理論比よりも過剰となる生成条件にてメタンガス生成装置３を操業する。この時、生成された再生メタンガス中には過剰となったＣＯ／ＣＯ２ガスもしくは水素ガスが残存するので、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を下げることができる。
　メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、メタン合成反応の反応率を調整することで、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を調整してもよい。一例においては、図２に示すように、メタン濃度測定器１３にて求めたメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づき、メタン合成反応の反応率を調整する。例えば、メタン合成反応の反応率を低下させて、高炉ガス、水素ガスの一部を未反応で残留させるように操業することで、再生メタンガス中に未反応のＣＯ、ＣＯ２、水素ガスが残存することになり、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度が低下する。メタン合成反応の反応率を低下させる方法は、特に限定されない。例えば、メタンガス合成反応器１１の並列数を減らしてメタンガス合成反応器１１内における原料ガスの滞留時間を減らし、これによりメタン合成反応の反応率を低下させてもよい。メタンガス合成反応器１１が１０基の反応器から構成される場合には、これら１０基を並列につなぎ、それぞれの反応器に対し個別にバルブで原料ガスを導入したり止めたりできるように構成しておき、当該バルブの開閉により、原料ガスを導入する反応器数を調整することでメタンガス合成反応器１１の並列数を調整できる。
　さらに、原料ガスに不活性ガスを添加し、原料ガス中の不活性ガスの濃度を調整することで、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を調整してもよい。一例においては、図３に示すように、メタン濃度測定器１３にて求めたメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づき、高炉ガスおよび水素ガスの少なくとも一方に不活性ガスを添加して、原料ガス中の不活性ガスの濃度を調整する。原料ガスに混合する不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、およびアルゴンの少なくとも一つが挙げられる。これら不活性ガスは、単独であるいは複数組み合わせて、原料ガスに添加することができる。原料ガスに不活性ガスを添加する方法は、特に限定されない。例えば、高炉ガスや水素ガスに不活性ガスを添加し、原料ガス中の不活性ガス濃度を調整してもよい。具体的には、高炉ガスに対して不活性ガスを添加して不活性ガス濃度を調整してもよいし、別の高炉から排出された高炉ガスと混合して、高炉ガス中の不活性ガス濃度を調整してもよい。同様に、水素ガスに対して不活性ガスを添加して、水素ガス中の不活性ガス濃度を調整してもよい。この場合、電気分解や天然ガス改質により生成された水素ガスに窒素などの不活性ガスを混合させてもよいし、また、高炉ガスからＣＯ２分離した際に発生する、窒素、水素を含むオフガスを用いて、水素ガス中の不活性ガス濃度を調整してもよい。
　メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、原料ガスに添加するアンモニアの量を調整してもよい。これにより、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度を調整することができる。なお、アンモニアは、メタンガス合成反応器１１内で窒素と水素とに分解される。
　また、メタンガス合成反応器１１自体に別途不活性ガス流入用の流入孔を設け、メタンガス合成反応器１１に直接、不活性ガス、他の高炉の高炉ガスもしくはアンモニアを流入させて、メタンガス合成反応器１１内でこれらのガスを混合してもよい。一例においては、図４に示すように、メタン濃度測定器１３にて求めたメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づき、メタンガス合成反応器１１に流入させるアンモニアの量を調整することで、原料ガスに添加するアンモニアの量を調整する。
　高炉ガスや水素ガスを過剰にする方法、および反応率を下げる方法によりメタンガスの生成条件を調整する場合、希釈ガスとなる高炉ガスや水素ガスに含まれるＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２などの未反応ガスが再生メタンガス中に含まれる。これら未反応ガスは、高炉内で無駄なく有効活用できる。合成された再生メタンガスは還元材として高炉１の羽口２から吹込まれることとなるが、ＣＯ、水素ガスはそのまま高炉内で還元ガスとして機能する。また、ＣＯ２ガスも高温の羽口前空間においてコークスと反応してＣＯガスに変化するので、ガス化反応時の熱ロスは生じるもののＣＯガスの場合と同様に炉内で還元ガスとして機能する。
　次に、高炉１の操業条件を調整してメタンガス中のメタン濃度を調整する方法について説明する。メタンガス中のメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、高炉１の操業条件を調整してもよい。上述したように、高炉１から排出される高炉ガスは、メタンガスを生成する原料ガスとして用いられる。メタンガス中のメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、高炉１の操業条件を調整することで、排出される高炉ガスの組成等を調整し、メタンガスの生成条件を調整することができる。
　メタンガス中のメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて調整する高炉１の操業条件は特に限定されない。調整する高炉１の操業条件としては、送風ガス中の不活性ガス濃度、不活性ガスの吹込み量、アンモニアの吹込み量等が挙げられる。
　一例においては、メタンガス中のメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、高炉１へ吹込む送風ガス中の不活性ガス濃度を調整する。高炉１の羽口２から吹込む送風ガス中の不活性ガス濃度を調整することで、送風ガス中の酸素濃度が調整され、高炉ガス中の不活性ガス濃度を調整することができる。一例においては、図５に示すように、メタン濃度測定器１３にて求めたメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づき、高炉１の羽口２から吹込む送風ガス中の不活性ガス濃度を調整する。例えば、高炉１の羽口２から吹込む送風ガス中の不活性ガス濃度を低下させることで、送風ガス中の酸素濃度が高くなり、高炉ガス中の不活性ガス濃度を低下させることができる。このように、送風ガス中の不活性ガス濃度を調整することで高炉ガス中の不活性ガス濃度が調整され、これにより、メタンガス合成反応器１１に導入される不活性ガス濃度を調整することができる。
　さらに、ガス吹込み装置４とは別の吹込み装置をさらに設け、メタンガス中のメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、当該吹込み装置から吹込むガスの吹込み量を調整してもよい。吹込み装置から吹込むガスとしては、不活性ガス、アンモニア、およびこれらの混合物が挙げられる。一例においては、図６に示すように、メタン濃度測定器１３にて求めたメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づき、吹込み装置１４から吹込む不活性ガスの吹込み量を調整する。また、一例においては、図７に示すように、メタン濃度測定器１３にて求めたメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づき、吹込み装置１４から吹込むアンモニアの吹込み量を調整する。メタンガス中のメタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて、吹込み装置１４から吹込むガスの吹込み量を調整することで、高炉ガス中の不活性ガス濃度を調整することができる。羽口２から微粉炭などの粉体吹込みを行う操業の場合は、粉体吹込みのキャリアガスに窒素、空気などの不活性ガスを含むガスを用い、キャリアガス量を増減させることで羽口２から吹込む不活性ガスの量を調整してもよい。
　メタン濃度との比較に用いるメタン濃度の目標値は、予め定められている。触媒寿命を調整するために適したメタン濃度の目標値は設備ごとに異なるので、一概には定められない。よって、適正なメタン濃度の目標値を設備毎に予め定めることが好ましい。また、メタン濃度の目標値は経時的に変化させてもよい。例えば、操業実績データなどから理想的な合成メタンガス中メタン濃度の時間変化パターンを作成し、該時間変化パターンをメタン濃度の目標値としてもよい。例えば、生成された再生メタンガス中のメタン濃度の時間変化を監視し、該メタン濃度の時間変化を、メタン濃度の目標値の時間変化パターンと比較して、該比較に基づいてメタンガスの生成条件を調整すればよい。例えば、メタンガス濃度の低下速度が理想的なメタン濃度の目標値の時間変化パターンよりも早く低下していく場合は触媒の劣化が進んでいると考えてメタンガス濃度を下げて、理想的なメタン濃度の時間変化パターンに近づけていくような操業制御を行えばよい。
　生成されたメタンガス中のメタン濃度を求める方法は、特に限定されない。例えば、図１に示すように、メタン濃度測定器１３を用いてメタンガス合成反応器１１の出側におけるメタンガス中のメタン濃度を求めることができる。メタン濃度測定器１３の種類も特に限定されず、公知の測定器を適用することができるが、例えば、ガスクロマトグラフを用いた測定器とすることができる。また、メタンガス中のメタン濃度は直接分析により求めなくてもよい。メタンガス合成反応器１１中の反応率をほかの計測値、例えばメタンガス合成反応器１１の温度や圧損などから推定できる場合は、生成されたメタンガス中のメタン濃度を直接分析せずに、物質バランス計算によってメタンガス中のメタン濃度を求めてもよい。
　メタンガス合成反応器で合成する再生メタンガスは、高炉１に吹込む分だけ製造して余剰の高炉ガスを他設備の熱源などに利用するようにしてもよいし、図１に示すように再生メタンガスを高炉１に吹込む分以上に製造して、余剰の再生メタンガスを他設備で使用したり外販したりしてもよい。メタンガス合成反応器の原料ガスである高炉ガスと水素ガスとの流量比が同一であればメタンガス合成反応器１１内の理論最大温度は変わらないので、高炉ガスと水素ガスの流量比を一定としたままガスの流量を増大させることで、余剰の再生メタンガスを製造することができる。
　以上説明したように、本実施形態に係るメタンガス生成装置の操業方法および高炉の操業方法では、高炉ガスを含む原料ガスを用いて生成されたメタンガス中のメタン濃度を求め、該メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて前記メタンガスの生成条件を調整する。これにより、メタンガス合成反応器１１内のメタン濃度が調整されてメタン合成反応熱による触媒劣化が制御され、高炉１の操業スケジュールなどにより求められる触媒寿命に対応できるという効果が得られる。さらに、メタンガス合成反応器１１に導入する希釈ガスはＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２およびＮ２等を含む高炉ガス、水素ガス、不活性ガスであり、これらは合成されたメタンともに高炉内に吹込まれた際に羽口先温度調整ガスや還元ガスとして機能するので、メタンガス合成反応器１１の希釈ガスとしての役割を果たしたのちも無駄なく使用できるという効果が得られる。
　図１～７に本発明の実施例にて用いた高炉および高炉附帯設備を模式的に示す。本実施例においては、送風ガス中の不活性ガス濃度を変えた発明例２０～２２を除き、高炉として、純酸素を送風する酸素高炉を想定している。高炉ガスの一部と外部から供給した水素ガスとからメタンガス合成反応器で再生メタンガスを製造し、該メタンガスを高炉の羽口から還元材として吹込む。そして高炉から発生した高炉ガスの一部は、再びメタン合成の原料としてメタンガス合成反応器に流入するフローが基本構成となっている。
　発明例１～７は、図１に示した高炉および高炉附帯設備を用いた高炉操業例である。発明例１においては、メタンガス合成反応器の反応率は１００％、高炉ガスと水素ガスとの流量比は製造される再生メタンガス中のメタン濃度が１００％となるようにメタンガスの生成条件を調整した例である。この条件では、高炉ガスに含まれる不活性ガスはコークスに含まれている微量窒素に由来するものだけであり、高炉ガス中の不活性ガス濃度はほぼゼロである。水素ガスも不活性ガス濃度ゼロの純水素である。したがって再生メタンガス中の不活性ガス濃度はほぼゼロになる。このとき、メタンガス合成反応器内で発生しうる最大温度は、メタンガス合成反応器の冷却をゼロとした断熱条件下の反応後温度と考えることができるので、反応前後の熱物質バランス計算によってホットスポット温度を評価することができる。発明例１の条件でメタンガス合成反応器内における理論最大温度を計算すると、１４１２℃であった。
　メタンガス合成反応器の運転条件を調整してこの理論最大温度を低下させることができれば、メタンガス合成反応器内のホットスポット温度が低下し、触媒寿命を延長することができる。このため、以降の発明例では、予め定められたメタン濃度の目標値に調整することで、メタンガス合成反応器内の理論最大温度を制御できるか否かを確認した。
［発明例２～６］
　発明例２～６は、高炉ガスの流量比率を調整することで再生メタンガス中メタン濃度を低下させ、メタンガス合成反応器内の温度を低下させた操業例を示している。各発明例において、高炉およびメタンガス合成反応器の操業条件と、熱物質バランス計算により算出した反応器の理論最大温度とを表１に示す。
　熱物質バランス計算による理論最大温度の算出方法を説明する。熱力学の原理から、メタンガス合成反応前後ではＣ、Ｈ、Ｏなどの各原子のモル流量が同一、かつ反応前後のエンタルピー流量も同一となる。したがって、まず、メタンガス合成反応器に流入する原料ガスのＣ、Ｈ、Ｏなどの各原子モル流量と反応率とから再生メタンガスに含まれる各成分のモル流量、すなわちメタン、水素などのモル流量をそれぞれ算出できる。続いて、算出された再生メタンガスの組成、流量に対して、反応前後でエンタルピー流量が同一になるという原理を用いることで、反応器の冷却が全く行われなかったと仮定した場合の再生メタンガスの温度、すなわち理論最大温度を算出できる。この計算にはメタンや水素など原料ガス、再生メタンガスに含まれる各成分の標準生成エンタルピーや比熱などの熱力学データが必要となるが、これは例えば米国国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）がＷｅｂ公開している熱力学データＮＩＳＴ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｗｅｂｂｏｏｋなどを用いればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　発明例２～４は高炉ガスの流量比率を調整して水素ガスを過剰とした場合の操業例である。発明例２～４においては、この順で高炉ガスに対する水素ガスの比率を増加させた。発明例２～４では、メタンガス合成反応器の反応率はいずれも１００％とした。発明例１では再生メタンガス中メタン濃度がほぼ１００体積％であるのに対し、発明例２～４では再生メタンガス中メタン濃度を６１．９体積％、３９．２体積％、１３．１体積％に低下させることができた。メタン濃度の低下に伴い理論最大温度が低下していき、発明例２～４における理論最大温度は、発明例１の１４１２℃から、それぞれ１２７５℃、１１０８℃、６３６℃まで低下した。これらの結果から、水素ガスの流量比率を高めることでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒の劣化速度を制御することができることが確認された。
　発明例５～７は高炉ガスの流量比率を調整して高炉ガスを過剰とした場合の操業例である。発明例５～７においては、この順で水素ガスに対する高炉ガスの比率を増加させた。発明例５～７ではメタンガス合成反応器の反応率はどのケースも１００％とした。発明例１では再生メタンガス中のメタン濃度がほぼ１００％であるのに対し、発明例５～７では再生メタンガス中のメタン濃度を７８．６体積％、５４．７体積％、２６．９体積％に低下させることができた。メタン濃度の低下に伴い理論最大温度が低下していき、発明例５～７における理論最大温度は、発明例１の１４１２℃から、それぞれ１３２０℃、１１６２℃、８３０℃まで低下した。これらの結果から、高炉ガスの流量比率を調整することでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒の劣化速度を制御できることが確認された。
［発明例８～１０］
　発明例８～１０は、図２に示した高炉および高炉附帯設備を用いた高炉操業例である。これら発明例においては、メタンガス合成反応器の並列数を減らしてメタンガス合成反応器内における原料ガスの滞留時間を減らしてメタンガス合成反応器の反応率を下げた。この時の高炉およびメタンガス合成反応器の操業条件と、熱物質バランス計算により算出した反応器の理論最大温度を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　発明例８～１０においては、この順でメタン合成反応の反応率を低下させた。再生メタンガス中のメタン濃度は反応率の低下に伴い下がっていき、発明例８～１０における再生メタンガス中のメタン濃度は、６６．３体積％、４６．８体積％、１８．１体積％となった。メタン濃度の低下に伴い理論最大温度も低下し、発明例８～１０における理論最大温度は、発明例１の１４１２℃から、それぞれ１２８６℃、１１５７℃、７４４℃まで低下した。これらの結果から、メタンガス合成反応器の反応率を調整することでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒の劣化速度を制御できることが確認された。
［発明例１１～１６］
　発明例１１～１６は、図３に示した高炉および高炉附帯設備を用いた高炉操業例である。これら発明例においては、高炉ガス、水素ガスに不活性ガスを混合して、高炉ガス、水素ガスの不活性ガス濃度を上げた操業例を示している。この時の高炉およびメタンガス合成反応器の操業条件と、熱物質バランス計算により算出した反応器の理論最大温度を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　発明例１１～１３は高炉ガスに不活性ガスとして窒素を添加して原料ガス中の不活性ガス濃度を上げた操業例を示している。発明例１１～１３においては、この順で高炉ガスに対する窒素の濃度を増加させた。発明例１１～１３において、高炉ガス中の不活性ガス濃度は、それぞれ２３．４体積％、５２．１体積％、９６．３体積％（高炉ガス濃度は７６．６体積％、４７．９体積％、３．７体積％）であった。メタンガス合成反応器の反応率はどの例においても１００％とした。発明例１１～１３では再生メタンガス中メタン濃度を、それぞれ７２．４体積％、４３．４体積％、３．６体積％に低下させることができた。メタン濃度の低下に伴い理論最大温度が低下していき、発明例１１～１３における理論最大温度は発明例１の１４１２℃から、それぞれ１３１６℃、１１２８℃、２３０℃まで低下した。これらの結果から、原料ガス中の不活性ガス濃度を調整することでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒の劣化速度を制御できることが確認された。
　発明例１４～１６は水素ガスに不活性ガスとして窒素を添加して原料ガス中の不活性ガス濃度を上げた操業例を示している。発明例１４～１６においては、この順で水素ガスに対する窒素の濃度を増加させた。発明例１４～１６において、水素ガス中不活性ガス濃度はそれぞれ７．６体積％、２９．５体積％、４３．２体積％（水素ガス濃度は９２．４体積％、７０．５体積％、５６．８体積％）であった。メタンガス合成反応器の反応率はどのケースも１００％とした。発明例１４～１６では、再生メタンガス中メタン濃度を、それぞれ７２．４体積％、２２．３体積％、３．６体積％に低下させることができた。メタン濃度の低下に伴い理論最大温度が低下していき、発明例１４～１６における理論最大温度は発明例１の１４１２℃から、それぞれ１３１６℃、８４２℃、２３０℃まで低下した。これらの結果から、原料ガス中の不活性ガス濃度を調整することでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒の劣化速度を制御できることが確認された。
［発明例１７～１９］
　発明例１７～１９は、図４に示した高炉および高炉附帯設備を用いた高炉操業例である。発明例１７～１９においては、メタンガス合成反応器の原料ガスとして、高炉ガスおよび水素ガスに加えてアンモニアガスを流入させた操業例を示している。各発明例における高炉およびメタンガス合成反応器の操業条件と、熱物質バランス計算により算出した反応器の理論最大温度を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　発明例１７は、メタンガス合成反応器の原料ガスとして高炉ガス、水素ガス、アンモニアを用いた操業例である。この操業例では、アンモニアが反応器内で分解して生じる水素ガス分を考慮して高炉ガス、水素ガス流量を調整してあるので、反応後の再生メタンガス中にはＣＯ／ＣＯ２ガスおよび水素ガスは残留しないようになっている。発明例１８は、アンモニアガスの分解反応によって生じる水素により、メタン合成反応の原料水素ガスを全て代替するようにした操業例であり、高炉ガス、アンモニアのみを原料ガスとしてメタンガス合成反応器に流入させており、水素ガスの流入はゼロである。発明例１９は、アンモニアを過剰にメタンガス合成反応器に投入した操業例であり、この場合は、水素ガスの投入量をゼロにしても水素が余り、結果として合成後の再生メタンガス中に水素が残留した。発明例１７～１９のどの条件においても、アンモニアの分解反応によって生じた窒素が再生メタンガス中に残るので、この窒素によりメタン濃度が低下した。発明例１７～１９において、再生メタンガス中メタン濃度は７２．４体積％、４１．７体積％、３５．３体積％であった。メタン濃度の低下に伴い理論最大温度が低下していき、発明例１７～１９における理論最大温度は発明例１の１４１２℃から、それぞれ１１７１℃、５７４℃、４８２℃まで低下した。これらの結果から、原料ガスへのアンモニアガスの添加量を調整することでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒の劣化速度を制御できることが確認された。
［発明例２０～２２］
　発明例２０～２２は、図５に示した高炉および高炉附帯設備を用いた高炉操業例である。これら発明例においては、送風ガス中の不活性ガス濃度を上げている。これらの発明において、高炉およびメタンガス合成反応器の操業条件と、熱物質バランス計算により算出した反応器の理論最大温度を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　発明例２０～２２においては、この順で送風ガス中の酸素濃度を低下させた。すなわち、発明例２０～２２においては、この順で送風ガス中の窒素濃度を上げていく操作を行った。発明例１では高炉ガス中の不活性ガス濃度はほぼゼロであったが、送風ガス中の窒素濃度の増加にともない、発明例２０～２２においては、高炉ガス中の窒素濃度は１１．６体積％、３１．６体積％、５７．８体積％と増加していった。この結果、再生メタンガス中メタン濃度は送風ガス中の窒素濃度の増加に伴って低下していき、発明例２０～２２における再生メタンガス中メタン濃度は、それぞれ８６．１体積％、６６．０体積％、４０．０体積％となった。これに伴い理論最大温度も低下していき、発明例２０～２２における理論最大温度は、発明例１の１４１２℃から、それぞれ１３６７℃、１２７２℃、１１１５℃まで低下した。これらの結果から、高炉の送風ガス中の不活性ガス濃度を調整することでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒の劣化速度を制御できることが確認された。
［発明例２３～２４］
　発明例２３、２４は、図６に示した高炉および高炉附帯設備を用いた高炉操業例である。これら発明例においては、羽口の吹込みランスから不活性ガスとして窒素ガスを吹込んで、羽口に吹込む不活性ガス量を増加させている。これら発明例の高炉およびメタンガス合成反応器の操業条件と、熱物質バランス計算により算出した反応器の理論最大温度を表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　発明例２３、２４においては、この順で高炉羽口に吹込む窒素ガス量を増加させた。発明例１では高炉ガス中の不活性ガス濃度はほぼゼロであったが、窒素ガスの吹込み量の増加にともない、発明例２３、２４における高炉ガス中の窒素濃度はそれぞれ１１．６体積％、３１．６体積％と増加していった。この結果、再生メタンガス中メタン濃度は送風ガス中の窒素濃度の増加に伴って低下していき、発明例２３、２４において、再生メタンガス中メタン濃度はそれぞれ８６．１体積％、６６．０体積％となった。これに伴い理論最大温度も低下していき、発明例２３、２４における理論最大温度は発明例１の１４１２℃から、それぞれ１３６７℃、１２７２℃まで低下した。これらの結果から、高炉の羽口に吹込む不活性ガスの量を調整することでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒の劣化速度を制御できることが確認された。
［発明例２５、２６］
　発明例２５、２６は、図７に示した高炉および高炉附帯設備を用いた高炉操業例である。これら発明例においては、羽口からアンモニアを吹込んでいる。これらの発明例において、高炉およびメタンガス合成反応器の操業条件と、熱物質バランス計算により算出した反応器の理論最大温度を表７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
  
　発明例２５、２６においては、この順で高炉の羽口に吹込むアンモニア量を増加させた。発明例１では高炉ガス中の不活性ガス濃度はほぼゼロであったが、アンモニアの吹込み量の増加にともない、発明例２５、２６における高炉ガス中の窒素濃度は８．３体積％、１０．６体積％と増加していった。この結果、再生メタンガス中のメタン濃度は送風ガス中の窒素濃度の増加にともない低下していき、発明例２５、２６において、再生メタンガス中のメタン濃度は８９．６体積％、８６．９体積％となった。これに伴い理論最大温度も低下していき、発明例２５、２６における理論最大温度は発明例１の１４１２℃から、それぞれ１３８１℃、１３７２℃まで低下した。これらの結果から、高炉の羽口に吹込むアンモニアの量を調整することでメタンガス合成反応器の理論最大温度を制御でき、触媒寿命を制御できることが確認された。
　１：高炉
　２：羽口
　３：メタンガス生成装置
　４：ガス吹込み装置
　７：バーナー
　１１：メタンガス合成反応器
　１２：流量比調整器
　１３：メタン濃度測定器
　１４：吹込み装置

Claims (15)

  1. 　高炉から排出される高炉ガスを含む原料ガスからメタンガス合成反応器を用いてメタンガスを生成する工程と、
    　前記メタンガス中のメタン濃度を求める工程と、
    　前記メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて前記メタンガスの生成条件を調整する工程と、を有する、メタンガス生成装置の操業方法。
  2. 　前記比較に基づいて、前記メタンガスを生成する工程で生成されるメタンガスのメタン濃度を調整する、請求項１に記載のメタンガス生成装置の操業方法。
  3. 　前記比較に基づいて、前記メタンガスを生成する工程において前記メタンガス合成反応器に導入する前記高炉ガスの流量比率を調整する、請求項１または２に記載のメタンガス生成装置の操業方法。
  4. 　前記原料ガスはさらに水素ガスを含み、前記比較に基づいて、前記メタンガスを生成する工程において前記メタンガス合成反応器に導入する前記水素ガスの流量比率を調整する、請求項１から３のいずれか１項に記載のメタンガス生成装置の操業方法。
  5. 　前記比較に基づいて、前記メタンガスを生成する工程におけるメタン合成反応の反応率を調整する、請求項１から４のいずれか１項に記載のメタンガス生成装置の操業方法。
  6. 　前記原料ガスはさらに不活性ガスを含み、前記比較に基づいて前記原料ガス中の該不活性ガス濃度を調整する、請求項１から５のいずれか１項に記載のメタンガス生成装置の操業方法。
  7. 　前記比較に基づいて前記原料ガスに添加するアンモニアの量を調整する、請求項１から６のいずれか１項に記載のメタンガス生成装置の操業方法。
  8. 　請求項１から７のいずれか１項に記載のメタンガス生成装置の操業方法を用いる高炉の操業方法であって、
    　前記高炉に高炉原料を装入する工程と、
    　前記高炉に送風ガスおよび還元材を吹込む工程と、
    　前記高炉から前記高炉ガスを排出する工程と、
    を有し、前記還元材の少なくとも一部に前記メタンガスを用いる、高炉の操業方法。
  9. 　前記比較に基づいて、高炉の操業条件を調整する、請求項８に記載の高炉の操業方法。
  10. 　前記比較に基づいて前記送風ガス中の不活性ガス濃度を調整する、請求項９に記載の高炉の操業方法。
  11. 　前記高炉にさらに不活性ガスを吹込み、前記比較に基づいて該不活性ガスの吹込み量を調整する、請求項９または１０に記載の高炉の操業方法。
  12. 　前記高炉にさらにアンモニアを吹込み、前記比較に基づいて該アンモニアの吹込み量を調整する、請求項９から１１のいずれか１項に記載の高炉の操業方法。
  13. 　請求項１から７のいずれか１項に記載のメタンガス生成装置の操業方法を用いた、メタンガスの製造方法。
  14. 　請求項８から１２のいずれか１項に記載の高炉の操業方法を用いた、溶銑の製造方法。
  15. 　高炉ガスを含む原料ガスからメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、
    　前記原料ガスからメタンガスを生成するメタンガス合成反応器と、
    　生成された前記メタンガス中のメタン濃度を取得するメタン濃度測定器と、
    　前記メタン濃度と予め定められたメタン濃度の目標値との比較に基づいて前記メタンガスの生成条件を調整する制御装置と、
    を備える、メタンガス生成装置。
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