(57)【要約】【課題】本発明の課題は、低コストで運転可能な炉への送風方法、および、送風装置を提供することである。【解決手段】本発明の送風方法は、送風機を用いて炉に送風する送風方法であって、空気圧縮機Ａから圧送される空気を、酸素分離膜を有する酸素分離装置に供給して、前記酸素分離膜を透過した、該空気よりも酸素濃度が高い透過ガスと、前記酸素分離膜を透過しなかった、該空気よりも窒素濃度が高い不透過ガスと、に分離する工程と、前記透過ガスを前記送風機の出側に供給して、前記透過ガスと前記送風機から送り出される空気とを混合し、得られた酸素富化空気を前記炉に供給する工程と、前記不透過ガスを、圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する圧力回収装置に送る工程と、を備え、前記空気圧縮機Ａの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用する。【選択図】図１
2018172720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送風機を用いて炉に送風する送風方法であって、
空気圧縮機Ａから圧送される空気を、酸素分離膜を有する酸素分離装置に供給して、前記酸素分離膜を透過した、該空気よりも酸素濃度が高い透過ガスと、前記酸素分離膜を透過しなかった、該空気よりも窒素濃度が高い不透過ガスと、に分離する工程と、
前記透過ガスを前記送風機の出側に供給して、前記透過ガスと前記送風機から送り出される空気とを混合し、得られた酸素富化空気を前記炉に供給する工程と、
前記不透過ガスを、圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する圧力回収装置に送る工程と、を備え、
前記空気圧縮機Ａの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用する、送風方法。
【請求項２】
前記空気圧縮機Ａ、および、前記空気圧縮機Ａとは異なる空気圧縮機Ｂを用いて、前記酸素分離装置に空気を圧送し、
前記空気圧縮機Ｂの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用しない、請求項１に記載の送風方法。
【請求項３】
前記空気圧縮機Ａと前記空気圧縮機Ｂとが並列に配置され、
前記空気圧縮機Ａおよび前記空気圧縮機Ｂから圧送された空気を共に前記酸素分離装置に供給する、請求項２に記載の送風方法。
【請求項４】
前記空気圧縮機Ａと前記空気圧縮機Ｂとが直列に配置され、
前記空気圧縮機Ａから圧送された空気を、前記空気圧縮機Ｂを経由して、前記酸素分離装置に供給する、請求項２に記載の送風方法。
【請求項５】
前記炉が、高炉である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の送風方法。
【請求項６】
空気を圧送する空気圧縮機Ａと、
酸素分離膜を有し、前記空気圧縮機Ａから圧送される空気を、前記酸素分離膜を透過した、該空気よりも酸素濃度が高い透過ガスと、前記酸素分離膜を透過しなかった、該空気よりも窒素濃度が高い不透過ガスと、に分離する酸素分離装置と、
炉に送風する送風機であって、前記透過ガスが出側に供給され、該透過ガスを含む酸素富化空気を炉に供給する送風機と、
前記不透過ガスを回収し、前記不透過ガスの圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する圧力回収装置と、を備え、
前記空気圧縮機Ａの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用する、送風装置。
【請求項７】
前記酸素分離装置に空気を圧送する、前記空気圧縮機Ａとは異なる空気圧縮機Ｂを更に備え、
前記空気圧縮機Ｂの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用しない、請求項６に記載の送風装置。
【請求項８】
前記空気圧縮機Ａと前記空気圧縮機Ｂとが並列に配置され、
前記空気圧縮機Ａおよび前記空気圧縮機Ｂから圧送された空気を共に前記酸素分離装置に供給する、請求項７に記載の送風装置。
【請求項９】
前記空気圧縮機Ａと前記空気圧縮機Ｂとが直列に配置され、
前記空気圧縮機Ａから圧送された空気を、前記空気圧縮機Ｂを経由して、前記酸素分離装置に供給する、請求項７に記載の送風装置。
【請求項１０】
前記炉が、高炉である、請求項６〜９のいずれか１項に記載の送風装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉への送風方法および送風装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉（特に、高炉）の操業では、高温の空気（熱風）が炉に設けられた空気の吹き込み口（高炉の場合、「羽口」という。）から炉内に吹き込まれる。従来、吹き込み口（特に、羽口）から炉内に吹き込まれる熱風には、炉への送風用の空気に酸素を加えて得られる酸素富化空気（通常、酸素濃度が２２〜３０体積％程度）を加熱したものが用いられる。
上記の酸素富化空気の調製は、例えば、深冷分離法などによって高濃度酸素（通常、酸素濃度９９体積％以上）を添加して実施される。しかしながら、深冷分離法による酸素の製造は、酸素製造設備の設置コスト、および、これを駆動するためのエネルギーコストが高いという問題がある。
このような問題に対して、特許文献１では、酸素分離膜（複合金属酸化膜）を備えた酸素分離装置を用いて、空気よりも窒素濃度が高い不透過ガスと、空気よりも酸素濃度が高い透過ガスと、に分離して、透過ガス（空気から分離した酸素）を炉への送風用の空気と混合することで、酸素富化空気を得る方法が開示されている。また、特許文献１では、不透過ガス（空気から分離した窒素）を有効利用すべく、不透過ガスを微粉炭製造設備に吹き込む方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１３１６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１では、送風機の空気供給側に透過ガスを供給する方法（いわゆる低圧法）、および、送風機の空気吹き出し側に透過ガスを供給する方法（いわゆる高圧法）が開示されている。
しかしながら、特許文献１にも記載されているように、高圧法においては、透過ガスを加圧するための専用の空気圧縮機（例えば、ポンプ）を設ける必要があり（特許文献１の段落［００２４］を参照）、これの駆動に使用する電力コストが生じたりするという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、高圧法で酸素富化空気を炉に送風する場合に、低コストで運転可能な炉への送風方法、および、送風装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、鋭意検討した結果、以下の構成により上記目的を達成できることを見出した。
【０００７】
［１］
送風機を用いて炉に送風する送風方法であって、
空気圧縮機Ａから圧送される空気を、酸素分離膜を有する酸素分離装置に供給して、前記酸素分離膜を透過した、該空気よりも酸素濃度が高い透過ガスと、前記酸素分離膜を透過しなかった、該空気よりも窒素濃度が高い不透過ガスと、に分離する工程と、
前記透過ガスを前記送風機の出側に供給して、前記透過ガスと前記送風機から送り出される空気とを混合し、得られた酸素富化空気を前記炉に供給する工程と、
前記不透過ガスを、圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する圧力回収装置に送る工程と、を備え、
前記空気圧縮機Ａの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用する、送風方法。
［２］
前記空気圧縮機Ａ、および、前記空気圧縮機Ａとは異なる空気圧縮機Ｂを用いて、前記酸素分離装置に空気を圧送し、
前記空気圧縮機Ｂの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用しない、［１］に記載の送風方法。
［３］
前記空気圧縮機Ａと前記空気圧縮機Ｂとが並列に配置され、
前記空気圧縮機Ａおよび前記空気圧縮機Ｂから圧送された空気を共に前記酸素分離装置に供給する、［２］に記載の送風方法。
［４］
前記空気圧縮機Ａと前記空気圧縮機Ｂとが直列に配置され、
前記空気圧縮機Ａから圧送された空気を、前記空気圧縮機Ｂを経由して、前記酸素分離装置に供給する、［２］に記載の送風方法。
［５］
前記炉が、高炉である、［１］〜［４］のいずれか１つに記載の送風方法。
［６］
空気を圧送する空気圧縮機Ａと、
酸素分離膜を有し、前記空気圧縮機Ａから圧送される空気を、前記酸素分離膜を透過した、該空気よりも酸素濃度が高い透過ガスと、前記酸素分離膜を透過しなかった、該空気よりも窒素濃度が高い不透過ガスと、に分離する酸素分離装置と、
炉に送風する送風機であって、前記透過ガスが出側に供給され、該透過ガスを含む酸素富化空気を炉に供給する送風機と、
前記不透過ガスを回収し、前記不透過ガスの圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する圧力回収装置と、を備え、
前記空気圧縮機Ａの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用する、送風装置。
［７］
前記酸素分離装置に空気を圧送する、前記空気圧縮機Ａとは異なる空気圧縮機Ｂを更に備え、
前記空気圧縮機Ｂの駆動力として前記不透過ガスの圧力を使用しない、［６］に記載の送風装置。
［８］
前記空気圧縮機Ａと前記空気圧縮機Ｂとが並列に配置され、
前記空気圧縮機Ａおよび前記空気圧縮機Ｂから圧送された空気を共に前記酸素分離装置に供給する、［７］に記載の送風装置。
［９］
前記空気圧縮機Ａと前記空気圧縮機Ｂとが直列に配置され、
前記空気圧縮機Ａから圧送された空気を、前記空気圧縮機Ｂを経由して、前記酸素分離装置に供給する、［７］に記載の送風装置。
［１０］
前記炉が、高炉である、［６］〜［９］のいずれか１つに記載の送風装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高圧法で酸素富化空気を炉に送風する場合に、低コストで運転可能な炉への送風方法、および、送風装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の送風装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の送風装置に供給された空気の流れの一例を示す概略図である。
【図３】本発明の送風装置の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の送風装置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の送風方法は、送風機を用いて炉に送風する送風方法であって、空気圧縮機Ａから圧送される空気を、酸素分離膜を有する酸素分離装置に供給して、上記酸素分離膜を透過した、上記空気よりも酸素濃度が高い透過ガスと、上記酸素分離膜を透過しなかった、上記空気よりも窒素濃度が高い不透過ガスと、に分離する工程と、上記透過ガスを上記送風機の出側に供給して、上記透過ガスと上記送風機から送り出される空気とを混合し、得られた酸素富化空気を上記炉に供給する工程と、上記不透過ガスを、圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する圧力回収装置に送る工程と、を備え、上記空気圧縮機Ａの駆動力として上記不透過ガスの圧力を使用する。
また、本発明の送風装置は、空気を圧送する空気圧縮機Ａと、酸素分離膜を有し、上記空気圧縮機Ａから圧送される空気を、上記酸素分離膜を透過した、上記空気よりも酸素濃度が高い透過ガスと、上記酸素分離膜を透過しなかった、上記空気よりも窒素濃度が高い不透過ガスと、に分離する酸素分離装置と、炉に送風する送風機であって、上記透過ガスが出側に供給され、上記透過ガスを含む酸素富化空気を炉に供給する送風機と、上記不透過ガスを回収し、上記不透過ガスの圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する圧力回収装置と、を備え、上記空気圧縮機Ａの駆動力として上記不透過ガスの圧力を使用する。
【００１１】
以下、本発明の送風方法および送風装置の好適な実施形態を、図１を参照して具体的に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されない。
【００１２】
図１は、本発明の送風装置の一実施形態である送風装置１００を示す概略図である。
図１に示すように、空気１（以下、「原料空気１」ともいう。）は、空気圧縮機１０Ａ、および、空気圧縮機１０Ａとは異なる空気圧縮機１０Ｂに供給される。
図１の例では、空気圧縮機１０Ａおよび空気圧縮機１０Ｂは、原料空気１の流れ方向（原料空気１の供給方向）に対して、並列に配置されている。
空気圧縮機１０Ａに供給された原料空気１および空気圧縮機１０Ｂに供給された原料空気１は共に圧送されて、酸素分離装置２０に供給される。
空気圧縮機１０Ａは、後述する不透過ガス３の圧力を利用して、原料空気１を圧縮する。なお、空気圧縮機１０Ａは、不透過ガス３の圧力とともに、図示しない発電機などから供給される電力を補助的に使用して原料空気１の圧縮を実施してもよい。
空気圧縮機１０Ｂは、後述する不透過ガス３の圧力を使用せず、原料空気１を圧縮する。具体的には、空気圧縮機１０Ｂは、例えば図示しない発電機などから供給される電力を利用して、原料空気１を圧縮する。
空気圧縮機１０Ａおよび空気圧縮機１０Ｂによって加圧された原料空気１の圧力は、８００〜２０００ＫＰａが好ましく、１０００〜１５００ＫＰａがより好ましい。
【００１３】
酸素分離装置２０に供給された原料空気１は、酸素分離装置２０内に設置された酸素分離膜２２を透過した、酸素濃度が原料空気１よりも高い透過ガス２と、酸素分離膜２２を透過しなかった、窒素濃度が原料空気１よりも高い不透過ガス３と、に分離する。
酸素分離膜２２の材質は、酸素濃度が空気よりも高い透過ガス２と、窒素濃度が原料空気１よりも高い不透過ガス３と、を得られるのであれば特に限定されないが、その具体例としては、複合金属酸化膜（例えば、ペロブスカイト型金属酸化物、酸化金属安定化ジルコニア）、ポリイミドなどの高分子膜、ゼオライト膜が挙げられる。
透過ガス２の酸素濃度は、通常２５〜５０体積％であり、３０〜４０体積％が好ましい。
【００１４】
図２は、酸素分離装置２０に供給された原料空気１の流れを示す概略図である。所定の圧力まで加圧された原料空気１を、酸素分離膜２２を備えた酸素分離装置２０に導入すると、酸素分離膜２２を介して圧力差が生じるので、原料空気１の一部が酸素分離膜２２を透過する。このとき、酸素の透過速度が窒素の透過速度を上回ると、酸素分離膜２２を透過したガスから透過ガス２が得られる。一方、不透過側からは、不透過ガス３が得られる。
【００１５】
原料空気１から分離した不透過ガス３は、圧力回収装置３０に供給される。圧力回収装置３０は、供給された不透過ガス３の圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する。
不透過ガス３の圧力（すなわち、圧力回収装置３０を用いて得られる運動エネルギー）は、空気圧縮機１０Ａの駆動力として使用される。これにより、空気圧縮機１０Ａが駆動して、空気圧縮機１０Ａに供給された原料空気１が圧縮する。
圧力回収装置３０の具体例としては、タービン（例えば、軸流タービン）が挙げられる。
圧力回収装置３０と空気圧縮機１０Ａとは、同軸に配置されているのが好ましい。これにより、不透過ガス３の圧力によって圧力回収機構３０（例えば、タービン）が駆動すると、同軸に配置された空気圧縮機１０Ａが圧力回収機構３０と連動して、原料空気１が圧縮される。
【００１６】
原料空気１から分離した透過ガス２は、送風機４０における空気４（以下、「送風空気４」ともいう。）の出側（すなわち、送風機４０の送風空気４の吹き出し側）に供給される。これにより、透過ガス２と送風空気４とが混合して、酸素富化空気５が得られる。
送風装置１００によれば、空気圧縮機１０Ａが、不透過ガス３の圧力を動力源とする圧力回収装置３０によって駆動するため、送風装置１００の省電力化が達成される。
【００１７】
酸素富化空気５は、送風機４０によって、熱風炉５０に供給される。酸素富化空気５は、熱風炉５０によって昇温された後、高炉６０内に吹き込まれる。このようにして、高炉６０の操業に必要な酸素富化空気５が高炉６０内に供給されて、高炉６０の操業が実施される。
熱風炉４０による昇温は、酸素富化空気５が９００〜１２５０℃になるまで実施されるのが好ましい。
酸素富化空気５の酸素濃度は、２３〜３５体積％が好ましく、２５〜２９体積％がより好ましい。
【００１８】
図１では、高炉６０を用いた例を示したが、これに限定されず、本発明の送風方法および送風装置は、焼結炉にも適用できる。
【００１９】
図１の送風装置１００は、２つの空気圧縮機が並列に配置された場合を示すものであるが、これに限定されず、２つの空気圧縮機が直列に配置されていてもよい。
以下、２つの空気圧縮機が直列に配置された本発明の送風装置について、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の送風装置の一実施形態である送風装置２００を示す概略図である。なお、図３中、図１と同一の符号を付したものについては図１と同義であるので、その説明を省略する場合がある。
【００２０】
図３の送風装置２００において、空気圧縮機１１０Ａと空気圧縮機１１０Ｂとが、原料空気１の流れ方向（原料空気１の供給方向）に対して、直列に配置されている。より具体的には、空気圧縮機１１０Ａは、原料空気１の流れ方向に対して、空気圧縮機１１０Ｂの上流側に配置されている。空気圧縮機１１０Ａから圧送された原料空気１は、空気圧縮機１１０Ｂを経由して、酸素分離装置２０に供給される。
【００２１】
空気圧縮機１１０Ａは、図１の空気圧縮機１０Ａと同様に、不透過ガス３の圧力を利用して、原料空気１を圧縮する。なお、空気圧縮機１１０Ａは、不透過ガス３の圧力とともに、図示しない発電機などから供給される電力を補助的に使用して原料空気１の圧縮を実施してもよい。
空気圧縮機１１０Ｂは、図１の空気圧縮機１０Ｂと同様に、不透過ガス３の圧力を使用せず、原料空気１を圧縮する。具体的には、空気圧縮機１１０Ｂは、例えば図示しない発電機などから供給される電力を利用して、原料空気１を圧縮する。
【００２２】
圧力回収装置を利用して駆動する空気圧縮機は、電力等を動力源とする空気圧縮機よりも、原料空気を圧縮するための力が弱い傾向にある。このような場合、図３に示すように、空気圧縮機１１０Ａを空気圧縮機１１０Ｂの上流側に配置すれば、原料空気１を段階的に加圧できるため、原料空気１をスムーズに供給でき、エネルギーロスを小さくできるという利点がある。
【００２３】
図１および図３の例では、空気圧縮機を２つ備えた送風装置を示したが、これに限定されず、本発明においては、空気圧縮機を１つ備えた送風装置を用いてもよい。
以下、空気圧縮機を１つ備えた本発明の送風装置について、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の送風装置の一実施形態である送風装置３００を示す概略図である。なお、図４中、図１と同一の符号を付したものについては図１と同義であるので、その説明を省略する場合がある。
【００２４】
図４の送風装置３００は、図１の空気圧縮機１０Ｂが設置されておらず、１つの空気圧縮機２１０（図１の空気圧縮機１０Ａに対応）が設置されている以外は、図１の送風装置１００と同様である。
空気圧縮機２１０は、図１の空気圧縮機１０Ａと同様に、不透過ガス３の圧力を利用して、原料空気１を圧縮する。なお、空気圧縮機２１０は、不透過ガス３の圧力とともに、図示しない発電機などから供給される電力を補助的に使用して原料空気１の圧縮を実施してもよい。
図４の送風装置３００についても、図１の空気圧縮機１０Ａと同様に、空気圧縮機２１０が、不透過ガス３の圧力を動力源とする圧力回収装置３０によって駆動するため、送風装置１００の省電力化が達成される。
【００２５】
図１、図３および図４の送風装置は、いずれも、不透過ガス３の圧力が原料空気１を供給する空気圧縮機の駆動力として利用されているが、不透過ガス３の圧力（圧力回収装置３０によって得られた運動エネルギー）は、透過ガス２の圧縮にも利用してもよい。
具体的には、酸素分離装置２０の透過ガス２の出側に設けられた空気圧縮機（図示せず）を用いて、透過ガス２を送風機４０の出側に圧送し、透過ガス２の出側に設けられた空気圧縮機（図示せず）の駆動力としても不透過ガス３の圧力を使用する態様である。
【実施例】
【００２６】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されない。
【００２７】
＜実施例１＞
実施例１では、図１の送風装置１００を用いて、不透過ガス３の圧力エネルギーを３０％回収して操業した。
なお、図１の送風装置１００の操業条件は、以下の通りである。
【００２８】
（酸素分離膜の性能）
透過係数：６．５×１０−１０［ｍｏｌ・ｍ／（ｍ２・ｓｅｃ・ｋＰａ）］
分離係数：１０
膜面積：２５０［ｍ２］
膜厚：５．０×１０−７［ｍ］
（原料空気の条件）
流量：３２０００［Ｎｍ３／ｈ］
圧力：１３７１［ｋＰａ］
（透過ガスの条件）
流量：２２０００［Ｎｍ３／ｈ］
圧力：５０１［ｋＰａ］
酸素濃度：４０［体積％］
【００２９】
＜比較例１＞
比較例１では、不透過ガス３の圧力エネルギーを利用しなかった以外は、実施例１と同様の条件にて、図１の送風装置１００を操業した。
【００３０】
＜電力費の評価結果＞
実施例１および比較例１について電力費の概算を行ったところ、実施例１の電力費は、比較例１の電力費（１００％）に対して、７４％であった。
【００３１】
＜実施例２＞
実施例２では、図３の送風装置２００を用いた以外は、実施例１と同様にして、図３の送風装置２００を操業した。
その結果、実施例２の電力費は、実施例１の電力費よりも少なく、具体的には、比較例１の電力費（１００％）に対して、６８％であった。
【符号の説明】
【００３２】
１：空気（原料空気）
２：透過ガス
３：不透過ガス
４：空気（送風空気）
５：酸素富化空気
１０Ａ、１０Ｂ、１１０Ａ、１１０Ｂ、２１０：空気圧縮機
２０：酸素分離装置
２２：酸素分離膜
３０：圧力回収装置
４０：送風機
５０：熱風炉
６０：高炉
１００、２００、３００：送風装置
【図１】
2018172720.tif 000003
【図２】
2018172720.tif 000004
【図３】
2018172720.tif 000005
【図４】
2018172720.tif 000006