(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉頂ガスが、プロセスガスと炉頂ガス燃料とに分けられた場合に、
前記プロセスガスを炭化水素と混合し、結果として生じた改質用供給ガスを二酸化炭素及び蒸気改質器内へ供給することにより前記改質用供給ガスを改質して還元ガスを生成することと、
前記炉頂ガス燃料から少なくともいくらかの二酸化炭素を除去するために前記炉頂ガス燃料の少なくとも一部を二酸化炭素洗浄機内へ供給し、前記還元ガスと選択的に混合される希薄二酸化炭素ガスを生成することと、を含み、
前記プロセスガスの前記炉頂ガス燃料に対する比率は、前記改質用供給ガスが供給される前記二酸化炭素及び蒸気改質器において利用可能な熱に応じて定まり、
前記プロセスガスの前記炉頂ガス燃料に対する比率は、前記希薄二酸化炭素ガスが前記還元ガスとの混合について完全に利用される場合に１：１であり、前記希薄二酸化炭素ガスが前記還元ガスとの混合について利用されない場合に２：１である、
炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための方法。
【請求項２】
前記炉頂ガス燃料から少なくともいくらかの二酸化炭素を除去するために、前記二酸化炭素洗浄機内へ前記炉頂ガス燃料の少なくとも一部を供給し、前記二酸化炭素及び蒸気改質器内へ供給される炭化水素を添加した後に改質用燃料ガスを生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プロセスガスと前記炉頂ガス燃料とを圧縮することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記炉頂ガスから蒸気を生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
粉塵を除去するために前記炉頂ガスを洗浄することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記炉頂ガスは還元炉から得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記還元ガスを酸素及び炭化水素と混合してバッスルガスを生成し、前記バッスルガスを還元炉へ供給することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記希薄二酸化炭素ガスを、前記還元ガスと混合する前に、又は燃料として使用する前に、前記希薄二酸化炭素ガスを予熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記二酸化炭素及び蒸気改質器は燃焼ガスをも生産する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃焼ガスから蒸気を生成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
別のガスを予熱するために前記燃焼ガスを使用することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記炉頂ガスと前記還元ガスとが、酸化鉄を金属鉄に変えるための直接還元プロセスから得られ、利用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
炉頂ガスをプロセスガスと炉頂ガス燃料とに分けるための１つ以上の導管と、
前記プロセスガスを炭化水素と混合し、結果として生じた改質用供給ガスを二酸化炭素及び蒸気改質器内へ供給することにより前記改質用供給ガスを改質してさらに還元ガスを生成するための１つ以上の導管と、
前記炉頂ガス燃料から少なくともいくらかの二酸化炭素を除去するために前記炉頂ガス燃料の少なくとも一部を二酸化炭素洗浄機内へ供給し、前記還元ガスと選択的に混合される希薄二酸化炭素ガスを生成するための１つ以上の導管と、を備え、
前記プロセスガスの前記炉頂ガス燃料に対する比率は、前記改質用供給ガスが供給される前記二酸化炭素及び蒸気改質器において利用可能な熱に応じて定まり、
前記プロセスガスの前記炉頂ガス燃料に対する比率は、前記希薄二酸化炭素ガスが前記還元ガスとの混合について完全に利用される場合に１：１であり、前記希薄二酸化炭素ガスが前記還元ガスとの混合について利用されない場合に２：１である、
炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための装置。
【請求項１４】
前記炉頂ガス燃料から少なくともいくらかの二酸化炭素を除去するために、前記二酸化炭素洗浄機内へ前記炉頂ガス燃料の少なくとも一部を供給し、前記二酸化炭素及び蒸気改質器内へ供給される炭化水素を添加した後に改質用燃料ガスを生成するための１つ以上の導管をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記プロセスガスと前記炉頂ガス燃料とを圧縮するための１つ以上のガス圧縮器をさらに備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記炉頂ガスから蒸気を生成するための低圧蒸気ボイラをさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
粉塵を除去するために前記炉頂ガスを洗浄するための湿式洗浄機をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記炉頂ガスは還元炉から得られる、請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
還元炉へ供給されるバッスルガスを生成するために前記還元ガスがその内部で酸素及び炭化水素と混合される１つ以上の導管をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
前記希薄二酸化炭素ガスを、前記還元ガスと混合する前に、又は燃料として使用する前に、前記希薄二酸化炭素ガスを予熱するための予熱器をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
前記二酸化炭素及び蒸気改質器は燃焼ガスをも生産する、請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
前記燃焼ガスから蒸気を生成するための低圧蒸気ボイラをさらに備える、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
別のガスを予熱するべく前記燃焼ガスを使用するための１つ以上の導管をさらに備える請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記炉頂ガスと前記還元ガスとが、酸化鉄を金属鉄に変えるための直接還元プロセスから得られ、利用される、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して酸化鉄を金属鉄に直接還元するための方法及び装置に係わる。より詳しくは、本発明は、そのようなプロセスに関連する使用済みガスから二酸化炭素を分離するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの工業プロセスにおいて、直接還元プロセスにおける炉頂ガス燃料源等の二次的燃料源から二酸化炭素を除去するための効果的かつ効率的な方法が求められている。言い換えると、多くの工業プロセスにおいて、そのままでは廃棄物となる燃料源から二酸化炭素を除去し、排出物の問題を伴わずにその燃料源を一次燃料源として利用することを可能とするための効果的かつ効率的な方法が求められている。政府の方針によりこのような二酸化炭素除去が求められてきたという場合もあり、将来二酸化炭素の排出物管理に対する要請は強まるばかりであろう。直接還元には、酸化鉄鉱石を金属化鉄のペレット、塊状体、又は成形体に還元することが含まれる。その場合、酸化鉄は、水素、又は一酸化炭素あるいはその両方を含むガスによって還元され、副生物として二酸化炭素を生じる。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の一つの例示的な実施例において、炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための方法は、炉頂ガスがプロセスガスと前記炉頂ガス燃料とに分けられた場合、前記プロセスガスを炭化水素と混合し、結果として生じた改質用供給ガスを二酸化炭素及び蒸気改質器内へ供給することにより改質用供給ガスを改質して還元ガスを生成し、前記炉頂ガス燃料から少なくともいくらかの二酸化炭素を除去するために前記炉頂ガス燃料を二酸化炭素洗浄機内へ供給し、前記二酸化炭素及び蒸気改質器内に供給される炭化水素を加えた後に改質用燃料ガスを生成することを含む。前記方法は、前記プロセスガス及び前記炉頂ガス燃料を圧縮することも含む。前記方法は、粉塵を除去すべく前記炉頂ガスを洗浄することをまたさらに含む。前記炉頂ガスは還元炉から得てもよい。前記方法は、前記還元ガスを酸素及び炭化水素と混合してバッスルガスを生成し、前記バッスルガスを前記還元炉内へ供給することをまたさらに含んでもよい。前記二酸化炭素洗浄機はまた、希薄二酸化炭素ガスも生産する。前記方法は、前記希薄二酸化炭素ガスを前記還元ガスと選択的に混合することをまたさらに含む。前記プロセスガスの前記炉頂ガス燃料に対する比率は、前記改質用供給ガスが供給される前記二酸化炭素及び蒸気改質器において利用可能な熱に応じて定まり、前記プロセスガスの前記炉頂ガス燃料に対する比率は、前記希薄二酸化炭素ガスが前記還元ガスとの混合について完全に利用される場合に１：１であり、前記希薄二酸化炭素ガスが前記還元ガスとの混合について利用されない場合に２：１である。前記方法は、前記希薄二酸化炭素ガスを前記還元ガスと混合する前に、又は燃料として使用する前に、前記希薄二酸化炭素ガスを予熱することをまたさらに含んでもよい。前記二酸化炭素及び蒸気改質器はまた、燃焼ガスも生産する。前記方法は、前記燃焼ガスから蒸気を生成することをまたさらに含む。前記方法は別のガスを予熱するために前記燃焼ガスを使用することをまたさらに含んでもよい。前記炉頂ガス及び前記バッスルガスは、酸化鉄を金属鉄へ変える直接還元プロセスから得られ、利用されるとしてもよい。
【０００４】
本発明による別の例示的な実施例において、炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための装置は、炉頂ガスをプロセスガスと前記炉頂ガス燃料とに分けるための１つ以上の導管と、前記プロセスガスを炭化水素と混合し、結果として生じた改質用供給ガスを二酸化炭素及び蒸気改質器内へ供給することにより前記改質用供給ガスを改質して還元ガスを生成するための１つ以上の導管と、前記炉頂ガス燃料から少なくともいくらかの二酸化炭素を除去するために前記炉頂ガス燃料を二酸化炭素洗浄機内へ供給し、前記二酸化炭素及び蒸気改質器内に供給される炭化水素を加えた後に改質用燃料ガスを生成するための１つ以上の導管とを含む。前記装置は、前記プロセスガスと前記炉頂ガス燃料を圧縮するための１つ以上のガス圧縮器も含む。前記装置は、前記炉頂ガスから蒸気を生成するための低圧蒸気ボイラをさらに含む。前記装置は、粉塵を除去すべく前記炉頂ガスを洗浄するための湿式洗浄機をまたさらに含む。前記炉頂ガスは還元炉から得てもよい。前記装置は、前記還元ガスを酸素及び炭化水素と混合してバッスルガスを生成し、前記バッスルガスを前記還元炉内へ供給するための１つ以上の導管をまたさらに含んでもよい。前記二酸化炭素洗浄機はまた、希薄二酸化炭素ガスも生産する。前記装置は、前記希薄二酸化炭素ガスを前記還元ガスと選択的に混合するための１つ以上の導管をまたさらに含む。前記プロセスガスの前記炉頂ガス燃料に対する比率は、前記改質用供給ガスが供給される前記二酸化炭素及び蒸気改質器において利用可能な熱に応じて定まり、前記プロセスガスの前記炉頂ガス燃料に対する比率は、前記希薄二酸化炭素ガスが前記還元ガスとの混合について完全に利用される場合に１：１であり、前記希薄二酸化炭素ガスが前記還元ガスとの混合について利用されない場合に２：１である。前記装置は、前記希薄二酸化炭素ガスを前記還元ガスと混合する前に、又は燃料として使用する前に、前記希薄二酸化炭素ガスを予熱するための予熱器をまたさらに含む。前記二酸化炭素及び蒸気改質器はまた、燃焼ガスも生産する。前記装置は、前記燃焼ガスから蒸気を生成するための低圧蒸気ボイラをまたさらに含む。前記装置は別のガスを予熱すべく前記燃焼ガスを使用するための１つ以上の導管をまたさらに含んでもよい。前記炉頂ガス及び前記バッスルガスは、酸化鉄を金属鉄へ変える直接還元プロセスから得られ、利用されるとしてもよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明による各二酸化炭素分離プロセスは、一次プロセスでは使用されずに廃棄ガスとして放出された一酸化炭素及び水素を再回収することを可能にしつつ、好ましくない排出物を最小限にする効率的なループを提供する。
【０００７】
本発明は、種々の図面を参照して例示するとともに詳細に説明される。図面においては、同一参照番号で、適宜、方法における同一ステップ又は装置の同一構成要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための方法及び装置のプロセス概略図である。
【図２】図２は、本発明の直接還元プロセスのプロセス概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
関連出願の相互参照
本通常特許出願ないし特許は、「炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための方法及び装置」と題する、２００９年４月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／１７０，９９９号の優先権の利益を主張し、その内容を参照として本願に援用する。
【００１０】
図１に関し、本発明の１つの例示的な実施例において、炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための装置１０は、立軸形還元炉１２などを元来含む。この例では、還元炉１２はペレット状、塊状、あるいは成形体状の酸化鉄が所定の速度でその中へ供給される供給ホッパー（図示せず）を含む。ペレット状、塊状、あるいは成形体状の酸化鉄は、重力によって、供給ホッパーから、ガス封止管としての役割も果たす供給管（図示せず）を通じて還元炉１２内へ降下する。還元炉１２の底には、さらにガスの封止管としての役割を果たす排出管（図示せず）が設けられている。振動式電気フィーダなどのような排出物フィーダ（図示せず）が排出管の下に配置されて、ペレット、塊状体、あるいは成形体状の金属鉄を受け取るようになっており、これらにより還元炉１２を通って装入物が重力降下するシステムを確立している。
【００１１】
還元炉１２の中間点あたりには、その中を約７００℃から約１０５０℃の間の温度で高温還元ガスが送り込まれるバッスル−羽口システム（bustle-tuyere system、図示せず）が設けられている。高温還元ガスは還元炉１２の還元領域を通って、ペレット、塊状体、あるいは成形体の流れとは逆の上方に流れて、還元炉１２の上に配置されているガス排気管（図示せず）を通って還元炉１２から出る。供給管はガス排気管の下に延在し、この幾何学的な配置により、使用済みガスが装入ラインから解放されてガス排気管へ自由に流れることを可能にする使用済みガス解放プレナムが形成される。バッスル−羽口システムから入って、ガス排気管へ流れる高温還元ガスは、ペレット、塊状体、あるいは成形体状の酸化鉄を加熱し、ペレット、塊状体、あるいは成形体状の金属鉄へと還元する（つまり、直接還元による）役割を果たす。この高温還元ガスは、ペレット、塊状体、あるいは成形体状の酸化鉄を還元する水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン及び水蒸気を含み、二酸化炭素及び水蒸気を含んだ使用済みガスすなわち炉頂ガスを生成する。
【００１２】
図２に関し、ここで利用している直接還元プロセスは、直前に還元ガスへ添加される、希薄二酸化炭素ガス、天然ガス、及び酸素を調整することによって、バッスルガスが還元炉１２に入る点での還元状態、温度、及び化学的性質を制御している。これらの直接還元プロセスは概ね、「酸化鉄から金属鉄への還元方法」と題する、米国特許第３，７４８，１２０号明細書、「気体還元プロセスにおける酸化鉄還元方法」と題する、米国特許第３，７４９，３８６号明細書、「酸化鉄から金属鉄への還元装置」と題する、米国特許第３，７６４，１２３号明細書、「気体還元プロセスにおける酸化鉄還元方法」と題する、米国特許第３，８１６，１０１号明細書、「金属鉄粒子の製造方法」と題する、米国特許第４，０４６，５５７号明細書、及び「高炉における炭化鉄の製造方法」と題する、米国特許第５，４３７，７０８号明細書に開示されており、これらの全内容を参照して本願に援用する。
【００１３】
還元炉は、装入物が装入された状態で大規模な断熱性反応炉として機能し、バッスルガス注入範囲での平衡反応を促進する。バッスルガスが還元炉１２に入って装入物の間を通ると、ガスはその平衡組成及び平衡温度となるまで反応し、この反応は、還元炉１２の上部にある装入物用熱電対で観測される。
【００１４】
浸炭反応は以下の還元ガス流の各要因に影響される。  
１．初期還元ガスの水素対一酸化炭素比
２．初期還元ガスのメタン含有量
３．初期還元ガスの温度
４．還元ガスへの天然ガスの添加
５．還元ガスへの酸素の添加
６．還元ガスへの希薄二酸化炭素ガスの添加
７．最終バッスルガスの還元剤対酸化剤比
８．最終バッスルガス圧力
【００１５】
通常運転時における初期還元ガスの品質は厳密に管理されており、直接還元プロセスの第一の安定要因となる。還元ガスが還元炉１２へ向かって流れると、最終バッスルガスのメタン含有量の分析に基づいて天然ガスが添加される。これにより初期還元ガスのメタン含有量のあらゆるばらつきを安定して調整することができ、またこれは最終バッスルガスの浸炭能力に影響する。最終バッスルガスの温度を上げ、また鉄鉱石還元プロセスの反応速度を改善するために、還元ガスに酸素が加えられる。
【００１６】
利用される運転条件には、添加天然ガスの予熱、還元ガスのメタン含有量が約１２％以下であること、及び、添加酸素の、流量／トンを約３０Ｎｍ３／ｔ以下とすることを含んでもよい。
【００１７】
直接還元装置の使用中、ガスは還元ガス源４０から出て、第１センサがガス分析を行ってガスの温度を測定する。次に、天然ガス注入口で天然ガスを先のガスと混合する。次に、酸素注入口で酸素を先のガスと天然ガスとの混合物と混合し、これにより、バッスルガスが生成される。バッスルガスが還元炉１２に入る前に、第２のセンサがガス分析を行ってバッスルガスの温度を測定する。
【００１８】
再び図１に関し、本発明によれば、還元炉１２のガス排気管からの炉頂ガスは、別の管（図示せず）を通って低圧蒸気ボイラ１４へ流れる。これにより、下記にてより詳細に説明する二酸化炭素除去ステップ等の、プロセス中の他の部分で使用する蒸気を効率的に生成することを可能にする。ボイラ供給水は低圧蒸気ボイラ１４へ供給され、上記にて示唆しているように、生成された蒸気はプロセスを通して、再循環するか、他で使用される。
【００１９】
次に炉頂ガスは、炉頂ガスを冷却して粉塵を除去するために設けられた、水の流出を伴う、湿式洗浄機２０へ送られる。湿式洗浄機２０は、炉頂ガスがベンチュリ内を下方へ流れ、その後に冷却水と逆方向に充填塔を通って流れる、充填塔を有するベンチュリ（図示せず）等の当業者に知られているどのようなタイプであってもよい。
【００２０】
炉頂ガスは湿式洗浄機２０から出ると、弁（図示せず）の作用によって２つの流れに分けられる。第１の流れは、プロセスガスを表し、第２の流れは炉頂ガス燃料（つまり、廃棄物）を表す。これらの流れの比は、第１の流れに結合されている二酸化炭素及び蒸気改質器２４内で使用可能な熱量によって規定される。この比率は通常一定であり、例示的な比率は１：１（再循環した希薄二酸化炭素ガスを使用した場合）、２：１（再循環した希薄二酸化炭素ガスを使用しない場合）等となる。
【００２１】
湿式洗浄機２０からのプロセスガスは、圧縮器２２へ送られて所望の圧力に圧縮され、その後プロセスガスが天然ガスと混合されるミキサ（図示せず）へ送られる。次にこの改質用供給ガスは二酸化炭素及び蒸気改質器２４へ送られる。二酸化炭素及び蒸気改質器２４は、燃焼によって窒素、二酸化炭素及び水を含んだ加熱燃焼ガスを生成する燃料燃焼バーナー（図示せず）と、複数の触媒改質管（図示せず）とを含む。触媒改質管は、燃焼からの改質用供給ガスと熱を利用して、還元ガスを生成する。この還元ガスは、酸素、天然ガス、及び希薄二酸化炭素ガスが添加されて、バッスルガスとなった後、還元炉１２内に戻される。
【００２２】
湿式洗浄機２０からの炉頂ガス燃料も圧縮器２６へ送られて、二酸化炭素洗浄機２８内へ導入する前に所望の圧力に圧縮される。二酸化炭素洗浄機２８の入力は、炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための装置１０のいずれかの低圧蒸気ボイラ１４，３２から選択的に得られる低圧蒸気であり、二酸化炭素洗浄機２８はボイラ供給水、硫黄、及び二酸化炭素を排出する。ボイラ供給水は、炉頂ガス燃料から二酸化炭素を分離するための装置１０のいずれの低圧蒸気ボイラ１４，３２へ入れてもよい。二酸化炭素洗浄機２８から排出される先とは別のものには希薄二酸化炭素ガスがあり、この希薄二酸化炭素ガスを天然ガスと混合すると、部分的に、二酸化炭素及び蒸気改質器２４に供給される改質燃料ガスとなる。
【００２３】
二酸化炭素洗浄機２８は、ＭＥＡ，ＭＤＥＡ等のどのようなアルカノールアミンを含んでもよく、また、当業者に知られているどのような高温カリウム洗浄システムであってもよい。低圧蒸気は二酸化炭素洗浄機２８内で使用する溶液の再生処理に使用され、ボイラ供給水として排出される。二酸化炭素洗浄プロセス中に、硫黄と二酸化炭素が炉頂ガス燃料から分離される。炉頂ガス燃料から硫黄と二酸化炭素を取り除いたものが、希薄二酸化炭素ガスとして二酸化炭素洗浄機２８から出て行く。希薄二酸化炭素ガスの一部は再び天然ガスと混合されて、改質燃料ガスを生成し、燃料燃焼バーナーを介して二酸化炭素及び蒸気改質器２４へ導入される。残りの希薄二酸化炭素ガスは、再生して還元ガスと混合され、酸素と天然ガスを導入してバッスルガスを生成した後に還元炉１２へ戻される。希薄二酸化炭素ガスの流れの後の部分、あるいは流れ全体を、すでにある還元ガスと混合する前に、又は燃料として使用する前に予熱器３０へ導入してもよい。
【００２４】
本発明の一つの例示的な実施形態において、この希薄二酸化炭素ガス又は還元ガス流は、最終的に還元炉１２へ供給するバッスルガスの約２０％に相当し、また、二酸化炭素及び蒸気改質還元ガス流は最終的に還元炉１２へ供給するバッスルガスの約８０％に相当するが、他の物質の割合もこれらに含まれる。
【００２５】
二酸化炭素及び蒸気改質器２４には、燃焼後に窒素、二酸化炭素、及び水を含んだ燃焼ガスを除去するための燃焼ガス排気管（図示せず）が設けられている。燃焼ガスは、低圧蒸気ボイラ３２を含む、一つ又はいくつかの熱交換器内を流れる。またこれにより、上記にて詳細に説明している二酸化炭素除去ステップなどプロセス中の他のステップでの使用のために、蒸気を効率的に生成することができる。ボイラ供給水は、二酸化炭素洗浄機２８から低圧蒸気ボイラ３２へ供給してもよく、上記にて示唆しているように、生成された蒸気はプロセス中を再循環されるか、他の個所で使用される。低圧蒸気ボイラ３２をオプションの予熱器３０に連結してもよい。
【００２６】
本発明につき、好適な実施形態及びこれらの具体的な実施例を参照して例示及び説明しているが、他の実施形態及び実施例でも類似の機能を果たす及び／又は類似の結果を得ることができることは、当業者にとって容易に理解される。このような同等の実施形態及び実施例は、すべて本発明の精神及び範囲に含まれ、これらに考慮されており、添付の請求の範囲に含まれることを意図する。この点において、本発明の上記詳細な説明は、できる限り非限定かつ無限定なものとして考慮されるべきである。
【図１】
0005465777.tif 000002
【図２】
0005465777.tif 000003