(57)【要約】【課題】製鉄所などから排出される排出ガスから、従来設備と比較して小規模な設備で効率的かつ安価に、ＣＣＳに用いるのに好適な高ＣＯ２濃度のＣＯ２含有ガスを生成するためのＣＯ２含有ガスの生成方法を提案する。【解決手段】高炉ガスを発電設備に導入して燃焼させる際に、高炉内に吹込む送風中の酸素濃度を高めることによって得られる高炉ガスを用い、これと酸素濃度を高めた燃焼用酸素含有ガスとを発電設備において燃焼させ、ＣＯ２濃度が４７％以上の燃焼後排ガスを発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉ガスを発電設備に導入して燃焼させる際に、高炉内に吹込む送風中の酸素濃度を高めることによって得られる高炉ガスを用い、これと酸素濃度を高めた燃焼用酸素含有ガスとを発電設備において燃焼させ、ＣＯ２濃度が４７％以上の燃焼後排ガスを発生させることを特徴とするＣＯ２含有ガスの生成方法。
【請求項２】
前記高炉へ吹込む送風中の酸素濃度をＸ％として前記発電設備での燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度をＹ％としたとき、以下の式（１）の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２含有ガスの生成方法：
２２．３／Ｘ＋１４．０／Ｙ≦１        （１）。
【請求項３】
高炉へ吹込む送風中の酸素濃度を４０％以上とし、発電設備での燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度を２５％以上とすることを特徴とする請求項２に記載のＣＯ２含有ガス生成方法。
【請求項４】
前記発電設備の燃焼後排ガス中の水分を脱水設備で除去することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＣＯ２含有ガスの生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高ＣＯ２濃度のＣＯ２含有ガスの生成方法に関するもので、より詳しくは、高炉ガスを利用して高ＣＯ２濃度のＣＯ２含有ガスを生成する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっており、製造業（例えば鉄鋼製造プロセス）においてもＣＯ２排出量の削減が望まれている。すなわち、製鉄所は多量のＣＯ２を排出しており、中でも高炉プロセスは、製鉄所で排出するＣＯ２の約７０％を占めているため、ここでのＣＯ２排出削減の要求も大きい。
【０００３】
一般に、製鉄所の高炉では鉄鉱石を炭素で還元して鉄鋼製品の製造をしていることから、原理的にはＣＯ２の排出を避けることができない。そこで、高炉では、炭素だけでなく水素含有量の高いＬＮＧなどを羽口より炉内に吹込むことにより、高炉の炉頂から排出される炉頂ガス（以下、単に「高炉ガス」という）中の炭酸ガスの量を低減させる炭酸ガス低排出製鉄法の開発が急務となっている（例えば、特許文献１、特許文献２）。また、水素ガスを高炉に直接吹き込んで還元材として利用する方法も知られている（例えば、特許文献３）。
【０００４】
上記のいずれの方法においても、高炉から排出される炭酸ガスの削減量は高々１０％程度であり、政府目標である２６％削減には遠く及ばない。そのため、さらなる炭酸ガス排出量削減のためには、従来方法によらない方法が必要である。
【０００５】
そこで注目を集めているのが、ＣＣＳ（Carbon dioxide Capture and Storage：二酸化炭素隔離貯留技術）と呼ばれる、ＣＯ２を含むガスからＣＯ２を分離・回収して地中に圧入して戻す方法が知られている。このＣＣＳ技術によれば、工業プロセスで発生した排ガス中のＣＯ２を地中に圧入して貯留できるため、化石燃焼を使用しながらもプロセスによる大気中へのＣＯ２排出を削減できると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２４０９０６号公報
【特許文献２】特開２００６−２４１５８６号公報
【特許文献３】特開２００９−２３５４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、こうした既知の工業プロセスにおける排ガス中のＣＯ２濃度は数％〜二十数％と低く、化学吸着法でＣＯ２を分離回収する場合には設備が大規模化してしまう問題があった。また、ＣＯ２の分離効率を高めるためには、分離回収前の高炉ガス中のＣＯ２分圧を０．４７ＭＰａ以上にすることが好ましいといわれている。この程度までにＣＯ２分圧を高めるためには、例えば高炉ガスの燃焼排ガス（ＣＯ２：２５％程度）では、２．０ＭＰａ程度までガスを圧縮する必要がある。しかしながら、現在の日本の法律では、１．０ＭＰａ以上のガスは高圧ガスに分類されるため、その取扱いに制限が加えられ、さらに障害が大きくなる問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、製鉄所の高炉などから排出されるガスから、従来設備と比較して小規模な設備で効率的かつ安価に、そして前記ＣＣＳに用いるのに好適な高ＣＯ２濃度のＣＯ２含有ガスを生成させるためのＣＯ２含有ガスの生成方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、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、高炉羽口から吹込む送風中の酸素濃度と、発電設備において高炉ガスの燃焼に寄与する燃焼用酸素含有ガス中の酸素濃度とを高めることにより、発電設備から発生する燃焼後排ガス中のＣＯ２濃度を高める、以下に述べるような新規なＣＯ２含有ガスの生成方法を開発するに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、高炉ガスを発電設備に導入して燃焼させる際に、高炉内に吹込む送風中の酸素濃度を高めることによって得られる高炉ガスを用い、これを酸素濃度を高めた燃焼用酸素含有ガスを用いる発電設備において燃焼させ、ＣＯ２濃度が４７％以上の燃焼後排ガスを発生させることを特徴とするＣＯ２含有ガスの生成方法である。
【００１１】
なお、前記のように構成される本発明に係るＣＯ２含有ガスの生成方法においては、
（１）前記高炉へ吹込む送風中の酸素濃度をＸ％として前記発電設備での燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度をＹ％としたとき、以下の式（１）の関係を満たすこと：
２２．３／Ｘ＋１４．０／Ｙ≦１        （１）。
（２）高炉へ吹込む送風中の酸素濃度を４０％以上とし、発電設備での燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度を２５％以上とすること、
（３）前記発電設備の燃焼後排ガス中の水分を脱水設備で除去すること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るＣＯ２含有ガスの生成方法によれば、高炉の炉頂から排出される高炉ガスと高酸素濃度の燃焼用酸素含有ガスとを、発電設備に導いてこれらを燃焼させることにより、発電設備から排出させる燃焼後排ガス中のＣＯ２濃度を４７％以上の高濃度とすることができる。そのため、その後、ＣＯ２を分離回収してＣＣＳ技術を利用して地中に圧入する際、例えば化学吸収法を用いる分離回収設備によりそのＣＯ２を回収すれば、従来のＣＯ２分離回収設備と比較して小規模で効率よくかつ安価に、ＣＣＳの利用に供するＣＯ２を分離回収することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のＣＯ２含有ガスの生成方法を適用した設備構成の一例を示す略線図である。
【図２】本発明のＣＯ２含有ガスの生成方法を適用した設備構成の他の例を示す略線図である。
【図３】本発明のＣＯ２含有ガスの生成方法を適用した設備構成のさらに他の例を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜図３は、それぞれ、本発明のＣＯ２含有ガスの生成方法を適用した設備構成の一例を示す図である。図１に示す例において、符号１は高炉、２は高炉１の炉頂からの高炉ガス１１と燃焼用酸素含有ガス１２とを燃焼させて発電し電力を得る発電設備である。本例において、高炉１内に吹込む送風中の酸素濃度を高めることで得られる高炉ガス１１と、酸素濃度を高めた燃焼用酸素含有ガス１２とを、発電設備２に導入してこれらを燃焼させ、発電設備２で得られる燃焼後排ガス中のＣＯ２濃度を４７％以上としたＣＯ２含有ガス１３を発生させる例を示している。図２および図３に示す例では、図１に示した設備構成に加えて脱水設備３を設け、発電設備２からのＣＯ２含有ガス１３中から脱水設備３で水分を除去したＣＯ２含有ガス１４を得ている。
【００１５】
図１〜図３に示す例において、本発明でＣＯ２濃度が４７％以上の高ＣＯ２濃度のＣＯ２含有ガスを生成させるのは、このようにして得られたＣＯ２含有ガス１３、１４のＣＯ２濃度が４７％未満だと、その後、ＣＣＳに供するためにＣＯ２含有ガス１３または１４を分離回収設備４に供給して、ＣＯ２含有ガス１３または１４からＣＯ２を分離回収する際、ＣＯ２含有ガスを１ＭＰａ以上に加圧する必要があり、高圧ガス保安法で定められる高圧ガスに分類されるため、分離回収設備４の所望する十分な小型化を達成できないためである。
【００１６】
以下、図１〜図３に基づき説明した本発明のＣＯ２含有ガスの生成方法について、より詳細に説明する。
【００１７】
本発明では、高炉ガス中のＣＯ２濃度を上げるために、高炉操業において羽口からの送風ガスの酸素濃度を高める。この際、従来の高炉のように送風温度を高温に維持するのは設備上難しいため、送風温度を下げなければならないことが予想される。送風中酸素濃度が増加すると、羽口先の燃焼温度が上昇し、高炉上部は熱量が不足するために、それぞれなんらかの方法で制御する。例えば、羽口先の燃焼温度の制御は水蒸気を吹き込む、炉頂ガスを循環する、などの方法などが好ましい。また、高炉上部の熱量の不足は、還元材比を上げる、炉中段から高温ガスを吹き込むなどの方法が好ましい。
【００１８】
高炉ガスにはＣＯやＨ２などの高エネルギーのガスが含まれるため、通常、高炉ガスのいくらかは所内の燃焼ガスとして用いられ、残りの高炉ガスはエネルギー回収のため発電設備に送られた後、発電に利用される。この発電時に、高炉ガスを燃焼させるために使用される燃焼用酸素含有ガスには空気を用いるが、これを高酸素濃度ガスとすることで、高炉ガス中のＣＯ２濃度を格段に増加させることが可能である。
【００１９】
ただし、燃焼用酸素含有ガスとして空気の代わりに高濃度酸素ガスを使用することで燃焼温度が上昇し、タービンの設計温度を超えてしまう。この際、図１および図２に示す例では、燃焼空間中に水蒸気を混合することで、ガス量が増加して燃焼温度を低下させることが可能である。ここで、水蒸気を利用する理由は、後の工程で分離が容易であること、酸化性雰囲気で不活性であることが挙げられる。ＣＯ２含有ガス１３中の水蒸気（高炉操業時に不可避的に混入する分も含む）は、常温まで冷却することで除外可能であるため、より高濃度のＣＯ２ガスを精製することが可能である。
【００２０】
また、図３に示す例では、発電設備での燃焼時の冷却ガスとして水蒸気の代わりに発電設備から発生するＣＯ２含有排ガス１５を燃焼空間中に混合することで、燃焼温度を低下させることも可能である。これにより、発電設備へ投入する水蒸気の量と発電設備から発生するＣＯ２含有排ガスから分離する水蒸気の量を減らすことができ、かつ高濃度のＣＯ２ガスを精製することが可能である。
【００２１】
高炉ガス燃焼後の燃焼後排ガス中のＣＯ２濃度は、高炉送風中の酸素濃度と高炉ガス燃焼用の燃焼用酸素含有ガス中の酸素濃度に大きく依存する。以下、それらの関係について説明する。
【００２２】
まず、高炉へ吹込む送風中の酸素濃度をＸ％とし、発電設備での燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度をＹ％とする。高炉の一般的な操業として、還元材比５５０ｋｇ／ｔ、還元材中Ｃ：８６ｍａｓｓ％、溶銑中Ｆｅ：９５ｍａｓｓ％、溶銑中Ｃ：４．３ｍａｓｓ％、直接還元Ｃ：９０ｋｇ／ｔ、鉄源は全てＦｅ２Ｏ３を仮定する。原料中に含まれるＮは少量であるので無視する。また、原料水分や送風湿分由来のＨ２Ｏについても、後の脱水工程で取り除かれることを考慮し、無視する。このような操業の場合、溶銑１ｔを製造する際に炉内に装入されるＣは５５０×０．８６＝４７３ｋｇであり、このうち４３ｋｇは溶銑として排出される。そのため、炉頂からは４７３−４３＝４３０ｋｇのＣが排出される。
【００２３】
一方、炉内において、Ｃのガス化は、ソリューションロスを含む直接還元と羽口前における酸素燃焼に大別される。仮定から、炉頂から排出される４３０ｋｇのＣのうち、９０ｋｇは直接還元によりガス化し、３４０ｋｇは羽口にて送風酸素との燃焼によってガス化される。３４０ｋｇのＣをＣＯまで燃焼させるのに、Ｏは３４０×１６／１２＝４５３ｋｇ送風され、すべて炉頂ガスとして排出される。また、鉄源は全てＦｅ２Ｏ３を仮定しているため、鉄源由来のＯは９５０×（３／２）／５５．８４５×１６＝４０８ｋｇ炉内に装入され、すべて炉頂ガスとして排出される。
【００２４】
以上の計算から、溶銑１ｔを製造する際、炉頂からはＣが４３０ｋｇ、Ｏが４５３（送風）＋４０８(鉄源)＝８６１ｋｇ排出される。簡単のため、物質量に変換すると、Ｃは３５．８３ｋｍｏｌ／ｔ−ｐｉｇ、Ｏは５３．８５ｋｍｏｌ／ｔ−ｐｉｇである。この高炉ガスを発電に利用する際、ＣＯをＣＯ２に燃焼させる。そのため、発電に必要なＯの量は、３５．８３×２−５３．８５＝１７．８２ｋｍｏｌである。
【００２５】
ここで、高炉で用いる送風中の酸素濃度Ｘおよび発電設備で用いる燃焼用酸素含有ガスの酸素濃度Ｙを用いて、高炉ガス中に含まれる窒素量を表す。
高炉送風由来の窒素量は、
４５３／１６／２×（１００／Ｘ−１）＝１４．６７×（１００／Ｘ−１）  ｋｍｏｌ
燃焼用酸素含有ガス由来の窒素量は、
１７．８２／２×（１００／Ｙ−１）＝８．９×（１００／Ｙ−１）  ｋｍｏｌ
とそれぞれ計算される。
よって、発電設備での発電後の燃焼後排ガス中のＣＯ２の体積％は、次の式で表される。
３５．８３／（３５．８３＋１４．６７×（１００／Ｘ−１）
＋８．９×（１００／Ｙ−１）×１００
【００２６】
ＣＣＳ用に全圧１ＭＰａ以下でかつＣＣＳに有利なＣＯ２分圧０．４７ＭＰａ以上のガスを製造するためには、発電設備での発電後の燃焼後排ガスのＣＯ２体積％が４７％以上であればよい。そのようなＸ、Ｙは、次の式（１）で表される。
３５．８３／（３５．８３＋１４．６７×（１００／Ｘ−１）
＋８．９×（１００／Ｙ−１）×１００≧４７
すなわち、
２２．３／Ｘ＋１４．０Ｙ≦１          （１）
【００２７】
上記式（１）を満足するように操業し、得られたＣＯ２含有ガス中のＣＯ２濃度を４７％以上と向上させることで、得られたＣＯ２濃度が４７％以上のＣＯ２含有ガスを使用して例えば化学吸収法を用いる分離回収設備によりＣＯ２を回収すれば、従来のＣＯ２分離回収設備と比較して小規模で効率よくかつ安価に、ＣＣＳの利用に供するＣＯ２を分離回収することが可能となる。
【００２８】
ところで、高炉で用いられる送風中の酸素濃度Ｘは、通常の熱風高炉では２１〜２５体積％程度であるが、４０体積％以上といった高酸素濃度の送風を行う酸素高炉も開発されている。このような酸素高炉では熱風炉が不要となるといった設備の簡略化が図れることから、本発明を有効に利用することができる。
【実施例】
【００２９】
高炉ガス発電まで含めた高炉の操業シミュレーションを行い、最終的に得られるＣＯ２含有ガス（燃焼後排ガス）中のＣＯ２濃度を調査した。表１に試験結果を示す。また、最終的に得られるＣＯ２含有ガス（燃焼後排ガス）中ＣＯ２濃度が４７％以上の場合に、ＣＣＳに適した濃度とした。すなわち、燃焼後排ガス中のＣＯ２濃度が４７％未満の場合を×、燃焼後排ガス中のＣＯ２濃度が４７％以上の場合を○として示す。
【００３０】
［表１］
2019158328.tif 000003
【００３１】
表１の結果から、高炉における送風ガス中のＯ２濃度を高めるとともに発電設備における燃焼用酸素含有ガス中のＯ２濃度を高めて、以下の式（１）、
２２．３／Ｘ＋１４．０Ｙ≦１          （１）
を満たすＣＯ２含有ガスの生成方法によれば、ＣＯ２含有ガス中のＣＯ２濃度を４７％以上と向上させることができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のＣＯ２含有ガスの生成方法によれば、高炉に限らず、ＣＯ２を排出するいかなる加熱炉やプロセスでも利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  高炉
２  発電設備
３  脱水設備
４  分離回収設備
１１  高炉ガス
１２  燃焼用酸素含有ガス
１３、１４  ＣＯ２含有ガス
１５  ＣＯ２含有排ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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