(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉からトップガスを回収する工程、
前記トップガスの少なくとも一部をリサイクル工程へ供給する工程、及び
前記リサイクル工程でリサイクルされたトップガスを前記高炉中へ送り戻す工程、から構成される高炉操作方法であって、
前記リサイクル工程が、
回収トップガスを改質装置へ送り込む操作、
前記改質装置へ揮発性炭素含有物質を送り込む操作、
１１００〜１３００℃の範囲内の温度で、前記改質装置中において前記揮発性炭素含有物質のフラッシュガス化を進行させ、それによって前記揮発性炭素含有物質の脱揮発性炭素物質及び合成ガスを生成させる操作、及び
前記揮発性炭素含有物質から生成させた脱揮発性炭素物質及び合成ガスと、前記回収トップガスを反応させる操作から成ることを特徴とする前記高炉操作方法。
【請求項２】
前記揮発性炭素含有物質が固体状態で前記改質装置中へ送り込まれ、前記揮発性炭素含有物質が改質装置中へ入ることによって脱揮発性炭素物質及び合成ガスへ変換されることを特徴とする請求項１項記載の方法。
【請求項３】
前記揮発性炭素含有物質は、改質装置中へ入ってから、秒当たり１０００℃を超える加熱速度で加熱されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記回収トップガスが、前記改質装置中において、あるいはその上流において、１１００〜１３００℃の範囲内の温度まで加熱されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記回収トップガスが、前記改質装置中において、あるいはその上流において、１２５０℃まで加熱されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記回収トップガスが、前記改質装置の上流において、熱ストーブ、円礫ヒーター、あるいはいずれかの高温熱交換器中で加熱されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記回収トップガスが前記改質装置中において加熱されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記回収トップガスが、少なくとも１個のプラズマトーチを用いて、あるいは回収トップガス流中への酸素注入によって、前記改質装置中において加熱されることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記揮発性炭素含有物質が、揮発分含量が２５％以上である石炭から成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記揮発性炭素含有物質が、揮発分含量が５０％以上であるプラスチック材から成ることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記揮発性炭素含有物質の熱カロリー値が１５ＭＪ／ｋｇ以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記揮発性炭素含有物質が、前記改質装置中へ注入される前に、破砕され、及び又は除湿されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記リサイクルされたトップガスが高炉の炉床羽口レベルにおいて前記高炉中へ注入により戻されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記リサイクルされたトップガスが、リサイクルされたトップガスの第一流と第二流に分流され、リサイクルされたトップガスの前記第一流が高炉の炉床羽口レベルにおいて前記高炉中へ注入により戻され、及びリサイクルされたトップガスの前記第二流が溶融ゾーン上方から高炉中へ注入により戻されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
脱揮発性炭素物質が、リサイクルされたトップガスの前記第二流からリサイクルされたトップガスの前記第一流へ運び移されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
リサイクルされたトップガスの前記第二流から前記第一流への移動がサイクロンを用いて実施されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高炉操作方法、特にトップガスのリサイクルに関する。本発明はさらに、高炉設置、特にトップガスリサイクル設備を有する高炉設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
数年来、全世界的ＣＯ２排出の減少に寄与すべく、高炉からのＣＯ２排出を減ずる試みが為されている。
【０００３】
主に、コークス使用量を減ずるため、高炉からトップガスを回収し、その回収トップガスを高炉中へ注入して還元工程を促進させる技術が提唱されている。回収したトップガスをＣＯ２リッチなガスとして分離して何らかの使用に供しあるいは貯蔵し、及びＣＯ２低含有ガスとして分離してコークスの還元を行うために高炉中へ注入し戻す装置が提案されている。
【０００４】
トップガスは、ＵＳ３，８８４，６７７に示唆されているように、例えば化石燃料をトップガスに添加して部分的にＣＯ２及びスチームに変換してＣＯ及び水素を生成させる方法などを用いてＣＯ２含量を減ずることにより改質可能である。このプロセスではトップガスを極めて高温、すなわち１８００〜２０００℃の範囲内で加熱し化石燃料と反応させてＣＯ２を分解させることが必要とされる。必要な温度を得るためにトップガスの一部を燃焼させることが必要とされる。
【０００５】
今日より一般に受け入れられているトップガス中ＣＯ２含量の低減方法は、例えばＵＳ６，４７８，８４１に示されているようなプレッシャースウィング吸着（ＰＳＡ）法あるいは真空圧スウィング吸着（ＶＰＳＡ）法である。ＰＳＡ／ＶＰＳＡ設備によればＣＯ及びＨ２リッチな第一ガス流とＣＯ２及びＨ２Ｏリッチな第二ガス流が生成される。第一ガス流は還元ガスとして用いられ、高炉中へ注入により戻される。第二ガス流は設備から取り除かれ、残存熱カロリーを取り出した後に廃棄される。この廃棄は、論争となるものではあるが、ＣＯ２リッチなガスを貯蔵用の地下ポケット中へポンプ注入することによって行われる。さらに、ＰＳＡ／ＶＰＳＡ設備によれば、トップガス中のＣＯ２含量を約３５〜５％減少させることが可能だが、これら設備の購入、維持、操作コストは非常に高額であり、また広い空間も必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は高炉のより改善された操作方法を提供することを目的とする。この目的は請求項１記載の方法によって達成される。本発明はさらに、より改善された高炉設備を提供することを目的とする。この目的は請求項１７記載の設備によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、高炉からトップガスを回収する工程、トップガスの少なくとも一部をリサイクル工程へ供給する工程、及びリサイクルされたトップガスを高炉中へ送り戻す工程から構成される高炉操作方法を提供する。本発明の重要な観点によれば、前記リサイクル工程は、回収されたトップガスを改質装置へ送り込む工程、揮発性炭素含有物質を改質装置へ送り込む工程、前記改質装置中において温度１１００〜１３００℃で前記揮発性炭素含有物質のフラッシュガス化を進行させる工程、及びこれにより、前記揮発性炭素含有物質の脱揮発炭素質物質及び合成ガスを回収されたトップガスと反応させる工程から構成される。
【０００８】
回収トップガスと脱揮発性炭素物質及び合成ガスを混合することにより、トップガス中のＣＯ２含量を減ずることが可能であり、他方合成ガスにより有効ガス容積を増大させることが可能である。実際、揮発性炭素含有物質が、回収されたトップガスが中へ送り込まれる改質装置中に入ると、揮発性炭素含有物質は改質装置中の高温によって、フラッシュガス化あるいは部分的脱揮発を受ける。フラッシュガス化により、合成ガスの形で遊離される揮発性炭素含有物質の揮発分含量は、同じ揮発性炭素含有物質について標準的に予め定められた含量よりもかなり高い。実際、揮発分が３５％である揮発性石炭の場合、５０％以上の揮発分をフラッシュガス化により取り出すことが可能である。一般的に、標準所定量の１．５倍まで揮発分含量を高めることが可能である。遊離される揮発分含量が高いほど合成ガスはより多く生成され、それに次いでガス容積も増大する。同時に、脱離蒸発した炭素質物質の残存炭素がトップガス中のＣＯ２と反応して反応式ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯに従って、ＣＯ２がＣＯへ変換される。この過程を経て、ＣＯ２のかなりの量がＣＯに変換される。
【０００９】
ＰＳＡ／ＶＰＳＡ設備により得られる場合と同様なＣＯ２低減が達成可能である。すなわち、ＣＯ２含量を３５〜４０％から４〜８％に減ずることが可能である。  しかしながら本発明方法を実施するために必有な設備はＰＳＡ／ＶＰＳＡ設備よりかなり安価であり、設備が安価に取得できるばかりか、その維持及び操作も低コストで実施可能である。
【００１０】
さらに、回収したトップガスの一部だけが改質され、及び高炉中へ注入し戻されるので、回収トップガスの残存分を設備から取り出して他の目的、特にその熱カロリーを利用する目的に使用できる。回収トップガスの熱カロリー値はＰＳＡ／ＶＰＳＡ設備のＣＯ２含有ガスの熱カロリー値よりもかなり高い。改質装置中のガス容積が増大することにより、該装置から取り出し可能な熱カロリー値リッチなトップガス量も増大する。
【００１１】
改質装置へ送り込む揮発性炭素含有物質は好ましくは固体状態とされることに注意すべきである。揮発性炭素含有物質は、改質装置中へ入れられると直ぐに脱揮発性炭素物質及び合成ガスに変換される。
【００１２】
揮発性炭素含有物質は、改質装置中に入れられると直ぐに、好ましくは秒当たり１０００℃、より好ましくは秒当たり５０００℃を超える加熱速度で加熱される。加熱速度は改質装置中に持ち込まれる揮発性炭素含有物質の粒径によって異なることに注意すべきである。粒径が約１００μmの場合における加熱速度は秒当たり約１００００℃の温度域内である。
【００１３】
回収されたトップガスは、有利な態様として、１１００〜１３００℃の範囲内の温度まで、好ましくは約１２５０℃まで加熱される。
【００１４】
トップガスは、改質装置の上流において、例えばカウパー等の熱ストーブ、円礫ヒーター、あるいはいずれかの高温熱交換器中で加熱することが可能である。あるいは、トップガスは、例えば改質装置それ自体内で加熱することも可能である。
【００１５】
回収トップガスの加熱は、改質装置中、あるいは熱ストーブ中、あるいはそれらの間において、回収トップガス中へ酸素を送り込むことによって行える。別法として、回収トップガスの加熱を改質装置に取り付けた少なくとも１個のプラズマトーチを用いて行うことも可能である。
【００１６】
さらに、改質装置の上流の熱ストーブ中、あるいは円礫ヒーター中においてトップガスをまず加熱し、次いで改質装置中において回収トップガスをさらに加熱することも可能である。この付加的加熱により、改質装置中の温度を上昇させ、及び揮発性炭素含有物質の脱離蒸発とＣＯ２のＣＯへの変換を増加させることが可能である。その結果として、より多くのガスが生成され、該ガス中の残存ＣＯ２が希釈される。しかし、もっと重要なことは、この加熱によってＣＯ２の変換率が高まり、それによって改質装置から出るガス中のＣＯ２量が低下することである。熱ストーブあるいは円礫ヒーターを、例えば高炉から取り出された熱カロリー値の高いトップガスを用いて加熱することも可能である。
【００１７】
本発明において、揮発性炭素含有物質は、その熱カロリー値が１５ＭＪ／ｋｇ以上であり、かつ揮発性石炭、揮発性プラスチック材、あるいはそれらの混合物から成ると理解される。しかしながら、他の種類の揮発性炭素含有物質を考慮することも可能である。
【００１８】
好ましくは、揮発性石炭は揮発分が２５％以上含まれる石炭であると理解される。有利な態様として、揮発分を３０％以上含む高揮発性石炭が用いられる。改質装置へ注入される揮発性石炭には、例えば揮発分が約３５％含まれている。揮発分の％は可能な限り高い方が好ましく、上記％表示は揮発分含量の上限を示すことを意図したものではないことに注意すべきである。また、改質装置から出る改質済みトップガスによって運ばれる石炭粒子によって高炉中へ送り込まれる半成コークスが生成されることにも注意すべきである。半成コークスが付加的に導入されることにより、上端部から高炉中へ送り込まれるコークス量を減ずることが可能となる。
【００１９】
好ましくは、前記揮発性プラスチック材は揮発分が５０％以上含まれるプラスチック材であると理解される。このプラスチック材には自動車のシュレッダー残渣が含まれていてもよい。揮発分の％は可能な限り高い方が好ましく、上記％表示は揮発分含量の上限を示すことを意図したものではないことに注意すべきである。
【００２０】
有利な態様として、揮発性炭素含有物質は、改質装置における揮発性炭素含有物質の脱離蒸発を容易化するため、改質装置中へ注入される前に破砕され及び又は乾燥される。
【００２１】
本発明の一実施態様では、改質装置から出るトップガスは高炉の炉床羽口レベルから高炉中へ注入により戻される。
【００２２】
本発明の別の実施態様では、改質装置から出るトップガスはリサイクルされたトップガスの第一流と第二流に分流され、リサイクルされたトップガスの第一流は高炉の炉床羽口レベルからシャフト炉中へ注入により戻され、及びリサイクルされたトップガスの第二流は溶融ゾーン上方の高炉の一部分から高炉中へ注入により戻される。
【００２３】
炭素含有粒子（脱揮発性炭素物質）は、好ましくはリサイクルされたトップガスの第二流からリサイクルされたトップガスの第一流へ運び移される。かかる炭素含有粒子のリサイクルされたトップガスの第二流から第一流への移動は、例えばサイクロンを用いて実施される。実際のところ、高炉のシャフトの条件によって微粒子を導入することができないため、好ましくは第二流から炭素含有粒子を取り出して第一流へ導入し、そこで高炉の炉床中へ炭素含有粒子が注入され、燃焼される。
【００２４】
本発明はさらに、高炉を含む高炉設備、及び高炉からトップガスを回収し、トップガスの少なくとも一部をリサイクル工程へ供給し、及びリサイクルされたトップガスを高炉中へ送り戻すトップガスリサイクル設備にも関する。本発明の重要な観点に従って、このトップガスリサイクル設備は、上記方法を実施するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従った、高炉及びトップガスリサイクル設備から構成される高炉設備の概略図である。
【発明を実施するための手段】
【００２６】
以下に、本発明の好ましい実施態様について添付図面を参照しながら実施例を用いて説明する。
図１に、高炉１２及びトップガスリサイクル設備１４から構成される高炉設備１０を概略的に示す。高炉１２の上端部１６から通常コークスと鉄鉱石が充填され、他方高炉１２の下端部２２から通常燃料２４及び酸素２６が供給される。下端部２２において、高炉１２から銑鉄２８及びスラグ３０が取り出される。高炉自体の操作に関しては周知なため説明は行わない。
【００２７】
トップガスリサイクル設備１４には、高炉からのトップガスの回収手段、回収トップガスの処理手段、及び高炉中へのトップガス注入手段が含まれる。以下にトップガスリサイクル設備１４について詳細に説明する。
【００２８】
高炉トップガスは高炉１２の上端部１６から回収され、まずダスト又は異物を減らすためのガス浄化装置３２を通して送り出される。
【００２９】
ガス浄化装置３２を通過させた後、トップガスは第一分配弁３４へ送られ、そこで所定量のガスだけがトップガスリサイクル設備１４中に残されて高炉１２中へ注入によって戻される。過剰トップガス３６は高炉設備１０から外へ放出させて他用途に利用することが可能である。特に、過剰トップガス３６は他の設備の加熱に利用可能である。
【００３０】
所定量のトップガスが、第一分配弁３４からカウパーヒーター３８を通して送られ、このヒーター中でトップガスは１１００〜１３００℃の範囲内の温度まで、好ましくは１２５０℃まで加熱される。
【００３１】
次いで、加熱されたトップガスは改質装置４０へ送られ、この改質装置中において該トップガスが処理される。加熱されたトップガスとは別に、高揮発性炭素含有物質４２が改質装置４０中へ注入される。トップガスリサイクルモードでは、高炉トップガスには通常３５〜４０％のＣＯ２が含まれる。トップガスは高温であるため、高揮発性炭素含有物質４２からは合成ガスの形で揮発分が放出され、後に脱揮発性炭素物質が残り、この脱揮発性炭素物質がトップガスのＣＯ２と、主に反応式ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯに従って反応する。この過程を経て、かなりの量のＣＯ２をＣＯへ変換することが可能である。出願人は、この方法により上記ＣＯ２含量３５〜４０％を４〜８％まで減じられると計算した。
【００３２】
好ましい実施態様によれば、改質装置４０をさらに加熱させて、揮発性炭素含有物質の脱揮発及びＣＯ２のＣＯへの変換が容易化される。全数のうちの１つが符号４４で示されているプラズマトーチを、例えば付加的加熱手段として備えることも可能である。また、この付加的加熱を与える他の手段として、カウパーヒーター３８、改質装置４０あるいはそれらの間に、改質されたトップガス流中へ酸素を送り込むための酸素供給管（図示せず）を少なくとも１個備える方法もある。
【００３３】
上記方法によれば、単にトップガス中のＣＯ量が増加されるだけでなく、水素（Ｈ２）量も増加される。実際には、前記揮発性炭素含有物質のフラッシュガス化により生成される合成ガスによって有効ガス容積も増加される。この改質装置４０中におけるガス容積の増加により、第一分配弁３４は、改質装置４０から出る改質済みトップガス量が高炉１２中へ吹き込み戻される所定ガス量と一致するように制御される。
【００３４】
揮発性炭素含有物質が揮発性石炭である場合、改質装置４０から出る改質済みトップガスによっていっしょに運ばれる炭素含有粒子、あるいは石炭粒子によって高炉中へ送り込まれる半成コークスが生成される。添加還元剤（改質済みトップガス及び半成コークス）を投入することにより、高炉１２の上端部１６から高炉１２中送り込まれるコークス量を減ずることが可能である。
【００３５】
改質装置４０の下流には、改質装置４０から出る改質済みトップガスを改質済みトップガスの第一流４８と改質済み第二流５０に分流する第二分配弁４６が配置される。
【００３６】
この第一流４８は、高炉１２の炉床中の羽口（図示せず）を通って高炉１２へ向かって戻される。第二流５０は投入物の溶融ゾーンの直ぐ上方にある高炉１２の棚へと流れ込む。
【００３７】
第二流５０が高炉１２中へ流れ込む前にサイクロン５２を通過する方向へ向けられ、サイクロン５２によって第二流５０から炭素含有粒子の相当部分が取り除かれる。サイクロン５２内部では、炭素含有粒子はサイクロンの外壁領域の方へ向けられ、同時に中心部分にあるガスの炭素含有粒子含量は減少する。この中心部分からのガスは第二流５０中に保持され、高炉１２の棚中へ流れ込む。他方炭素含有粒子はサイクロンの外壁領域から第一流４８へ向かって流れる。それゆえ、第一流４８には炭素含有粒子リッチな改質済みトップガスが含まれ、他方第二流５０には炭素含有粒子の少ない改質済みトップガスが含まれる。実際、高炉の上方部分中の条件によって微粒子の注入が不可能となっているため、高炉の棚中へ注入されるガスの炭素含量は好ましくは低含量とされる。
【符号の説明】
【００３８】
１０：高炉設備
１２：高炉
１４：トップガスリサイクル設備
１６：上端部
１８：コークス充填
２０：鉄鉱石充填
２２：下端部
２４：燃料
２６：酸素
２８：銑鉄
３０：スラグ
３２：ガス浄化装置
３４：第一分配弁
３６：過剰トップガス
３８：カウパーヒーター
４０：改質装置
４２：高揮発性炭素含有物質
４４：プラズマトーチ
４６：第二分配弁
４８：改質済みトップガス第一流
５０：改質済みトップガス第二流
５２：サイクロン
【図１】
0005564056.tif 000002