(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の炉で発生した副生ガスを第２の炉に供給する過程で当該副生ガスを精製する副生ガスの精製方法であって、
前記副生ガスを水で洗浄する工程と、
前記水で洗浄された後の前記副生ガスを冷却して、前記副生ガス中に含まれる水分の少なくとも一部を結露させて除去する工程と、
前記水分の少なくとも一部が除去された後の前記副生ガスを加熱する工程と、を含み、
前記第１の炉又は前記第２の炉の少なくとも一方からの排熱を利用して、前記ヒートポンプの圧縮器を駆動させ、
前記副生ガスを冷却して前記水分を除去する工程では、前記副生ガスを前記ヒートポンプの蒸発器で冷却し、
前記副生ガスを加熱する工程では、前記副生ガスを前記ヒートポンプの凝縮器で加熱する、ことを特徴とする副生ガスの精製方法。
【請求項２】
前記副生ガスを加熱する工程では、
前記第１の炉又は前記第２の炉の少なくとも一方からの排熱を利用して、前記副生ガスを加熱することを特徴とする請求項１に記載の副生ガスの精製方法。
【請求項３】
第１の炉で発生した副生ガスを第２の炉に供給する過程で当該副生ガスを精製する副生ガスの精製システムであって、
前記副生ガスを水で洗浄する洗浄手段と、
前記水で洗浄された後の前記副生ガスを冷却して、前記副生ガス中に含まれる水分の少なくとも一部を結露させて除去する冷却除去手段と、
前記水分の少なくとも一部が除去された後の前記副生ガスを加熱する加熱手段と、
凝縮器、蒸発器、および、前記第１の炉又は前記第２の炉の少なくとも一方からの排熱を利用して駆動される圧縮器を有するヒートポンプと、を含み、
前記冷却除去手段は、前記蒸発器で前記副生ガスを冷却し、
前記加熱手段は、前記凝縮器で前記副生ガスを加熱する、ことを特徴とする副生ガスの精製システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、副生ガスの精製方法及び副生ガスの精製システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所で発生する副生ガス、例えば、コークス炉から発生するコークス炉ガス（以下、ＣＯＧ）は、燃焼炉の燃料ガスとして用いられる。ＣＯＧは、その発生時に例えばＮＨ３等の不純物を多く含むため、燃料ガスとして使用される前に、水散布による不純物除去が行われる。そのため、精製後の副生ガス中に含まれる水分の量はほぼ飽和となっている。
ここで、ガス中に含まれる水分の量は当該ガスの温度に依存し、ガスの温度が高いほどガスに含まれる水分の量も多い。このため、温度の上昇する夏場においては、副生ガスに含まれる水分の量が増え、燃料ガスの流量上限が決まっているラインでは、加熱炉の加熱能力不足が発生してしまう。
【０００３】
このような加熱能力不足を防ぐ方法として、特許文献１、２に開示された方法がある。即ち、特許文献１では、ガス温度や大気温度からガス中の飽和水蒸気量を予想して、実ガス流量を求め、その実ガス流量に一致する理論燃焼空気量を求める方法が開示されている。また、特許文献２では、燃焼排ガス中の酸素（Ｏ２）、一酸化炭素（ＣＯ）濃度を計測することにより、補正燃焼空気量を算出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６８７７４号公報
【特許文献２】特公平２−８２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の特許文献１、２に開示された方法は、ガス中に含まれる水分を除去する方法ではない。このため、気温が高い夏場においては、加熱能力不足を防ぐことはできても、ガス中に含まれる水分を加熱するために熱量を余分に必要とする（即ち、ガスを多く消費する）、という課題があった。具体的には、気温が高い夏場には、精製後の副生ガス中に水分が７％程度含まれていた。この水分の影響で、炉温を１０００℃まで昇温するに際し、副生ガス１［Ｎｍ３／ｈｒ］当たり２６［ｋｃａｌ／Ｎｍ３］の熱量が余分に必要であった。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、水分の加熱に費やされる熱量を低減できるようにし、副生ガスを効率良く燃焼できるようにした副生ガスの精製方法及び副生ガスの精製システム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】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る副生ガスの精製方法は、第１の炉で発生した副生ガスを第２の炉に供給する過程で当該副生ガスを精製する副生ガスの精製方法であって、前記副生ガスを水で洗浄する工程と、
前記水で洗浄された後の前記副生ガスを冷却して、前記副生ガス中に含まれる水分の少なくとも一部を結露させて除去する工程と、前記水分の少なくとも一部が除去された後の前記副生ガスを加熱する工程と、を含み、前記第１の炉又は前記第２の炉の少なくとも一方からの排熱を利用して、前記ヒートポンプの圧縮器を駆動させ、前記副生ガスを冷却して前記水分を除去する工程では、前記副生ガスを前記ヒートポンプの蒸発器で冷却し、前記副生ガスを加熱する工程では、前記副生ガスを前記ヒートポンプの凝縮器で加熱する、ことを特徴とする。
【０００７】
このような方法であれば、副生ガスに含まれる水分の量を少なくすることができ、副生ガスに含まれる水分の加熱に費やされる熱量を低減することができる。また、冷却された副生ガスを加熱することにより、副生ガスを引火し易くすることできる。副生ガスに対して、冷却による水分の除去と、その後の加熱とを行うことにより、副生ガスを効率良く燃焼させることができる。なお、「第１の炉」としては、例えば、後述のコークス炉１が該当する。「副生ガス」としては、例えば、後述のコークス炉ガスが該当する。「第２の炉」としては、例えば、後述の加熱炉９に該当する。
【０００８】
また、上記の副生ガスの精製方法において、前記副生ガスを冷却して前記水分を除去する工程では、前記副生ガスを前記ヒートポンプの蒸発器で冷却し、前記副生ガスを加熱する工程では、前記副生ガスを前記ヒートポンプの凝縮器で加熱する。これにより、副生ガスが冷却される際に排出される熱（即ち、ヒートポンプの排熱）を利用して、副生ガスが加熱されるため、ヒートポンプの稼働に伴うエネルギーロスを少なくすることができる。
【０００９】
また、上記の副生ガスの精製方法において、記第１の炉又は前記第２の炉の少なくとも一方からの排熱を利用して、前記ヒートポンプの圧縮器を駆動させる。これにより、第１の炉又は第２の炉からの排熱がヒートポンプの駆動源となるため、ヒートポンプの稼働に伴うエネルギーロスをさらに少なくすることができる。
【００１０】
また、上記の副生ガスの精製方法において、前記副生ガスを加熱する工程では、前記第１の炉又は前記第２の炉の少なくとも一方からの排熱を利用して、前記副生ガスを加熱することを特徴としてもよい。このような方法であれば、水分が除去された後の副生ガスをさらに高温にすることができる。また、第１の炉又は第２の炉からの排熱が熱源となるため、加熱に伴うエネルギーロスを少なくすることができる。
【００１１】
本発明の別の態様に係る副生ガスの精製システムは、第１の炉で発生した副生ガスを第２の炉に供給する過程で当該副生ガスを精製する副生ガスの精製システムであって、前記副生ガスを水で洗浄する洗浄手段と、前記水で洗浄された後の前記副生ガスを冷却して、前記副生ガス中に含まれる水分の少なくとも一部を結露させて除去する冷却除去手段と、前記水分の少なくとも一部が除去された後の前記副生ガスを加熱する加熱手段と、凝縮器、蒸発器、および、前記第１の炉又は前記第２の炉の少なくとも一方からの排熱を利用して駆動される圧縮器を有するヒートポンプと、を含み、前記冷却除去手段は、前記蒸発器で前記副生ガスを冷却し、前記加熱手段は、前記凝縮器で前記副生ガスを加熱する、ことを特徴とする。
【００１２】
このような構成であれば、副生ガスに含まれる水分の量を少なくすることができ、副生ガスに含まれる水分の加熱に費やされる熱量を低減することができる。また、冷却された副生ガスを加熱することにより、副生ガスを引火し易くすることできる。副生ガスに対して、冷却による水分の除去と、その後の加熱とを行うことにより、副生ガスを効率良く燃焼させることができる。なお、「洗浄手段」としては、例えば、後述の洗浄装置３が該当する。「冷却除去手段」としては、例えば、後述の蒸発機７が該当する。「加熱手段」としては、例えば、後述の凝縮機５が該当する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水分の加熱に費やされる熱量を低減することができ、副生ガスを効率良く燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る副生ガスの精製システム１０の構成例を示す図。
【図２】ＣＯＧ中に含まれる水分の量と、飽和水蒸気量との関係を示す図。
【図３】第２実施形態を説明するための図。
【図４】第３実施形態を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成で同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る副生ガスの精製システム１０の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、この精製システム１０は、例えば、コークス炉１から発生したコークス炉ガス（即ち、ＣＯＧ）を加熱炉９に供給する過程で、当該副生ガスに含まれる不純物（例えば、ＮＨ３）を除去して精製するものであり、コークス炉１で発生したＣＯＧを加熱炉９まで導く配管２と、洗浄装置３と、ヒートポンプ８と、を備える。
【００１６】
配管２は、高温のＣＯＧや熱水等に対して耐腐食性を有する材質、例えばＳＵＳ（ステンレススチール）等の金属材料で構成されている。また、洗浄装置３は、配管２内を通ってコークス炉１から流れてきたＣＯＧを水で洗浄（即ち、水洗）するものである。
ヒートポンプ８は、圧縮機４と、凝縮機５と、膨張弁６と、蒸発機７とを有する。蒸発機７は、例えば、水洗されたＣＯＧを冷却して、ＣＯＧに含まれる水分の少なくとも一部を結露（即ち、気相の水分を液相に変化）させて除去する機能を有する。また、凝縮機５はＣＯＧを加熱する機能を有する。
【００１７】
ヒートポンプ８の動作について説明すると、圧縮機４は電気エネルギーによって駆動して、冷媒（例えば、二酸化炭素）を圧縮する。冷媒は圧縮されて高温となる。凝縮機５は、この高温の冷媒を例えば配管２の外側に接触させて、配管２内を流れるＣＯＧを加熱する。また、この加熱により、冷媒はＣＯＧに熱を奪われて凝縮（即ち、液化）する。次に、液化した冷媒は、膨張弁６によって減圧されて低温となる。蒸発機７は、この低温の冷媒を例えば配管２の外側に接触させて、配管２内を流れるＣＯＧを冷却する。また、この冷却により、冷媒はＣＯＧから熱が与えられて蒸発（即ち、気化）する。そして、この気化した冷媒を、圧縮機４が再び圧縮する。
【００１８】
このような精製システム１０において、ＣＯＧの精製プロセスを順に説明する。コークス炉１で発生したＣＯＧが配管２を通って洗浄装置３に到達すると、洗浄装置３はＣＯＧに対して水を散布し、或いは、ＣＯＧを水槽内に通してバブリングする。これにより、ＣＯＧ中に含まれる不純物は水に溶かされて除去されると共に、ＣＯＧ中に含まれる水分の量が増大する。
【００１９】
次に、洗浄後のＣＯＧは、蒸発機７によって冷却される。例えば図２に示すように、洗浄後のＣＯＧは、蒸発機７によって温度Ｔ１［℃］から温度Ｔ２［℃］まで冷却される。ここで、温度Ｔ１［℃］においてＣＯＧ中に含まれる水分の量をＡ［ｇ／ｍ３］とし、温度Ｔ２［℃］における飽和水蒸気量をＢ［ｇ／ｍ３］としたとき、Ａ＞Ｂとなるように、冷却後の温度Ｔ２［℃］を予め決めておく。温度Ｔ１、Ｔ２について一例を挙げると、Ｔ１は室温（例えば、夏場は３０［℃］、冬場は２０［℃］）であり、Ｔ２は０［℃］である。これにより、Ａ−Ｂに相当する量の水分を結露させることができる。結露した水分は不純物を含んでおり、例えば、配管２に設けられたドレーンから排出される。
【００２０】
次に、冷却後のＣＯＧは、凝縮機５によって加熱される。例えば図２に示すように、水分の量がＢまで低減されたＣＯＧは、温度Ｔ２［℃］から所定の温度まで加熱される。ここで、所定の温度とは、温度Ｔ２［℃］よりも高い温度であって、ＣＯＧの発火点（即ち、火源がなくとも発火する最低温度）よりも十分に低い温度のことである。そのような温度の一例として、室温である温度Ｔ１［℃］や、ＣＯＧの引火点（即ち、火炎を近づけたとき、瞬間的に引火する最低温度）などが挙げられる。
【００２１】
このように、所定の温度まで加熱されたＣＯＧ中に含まれる水分の量は、加熱前と変わらず、Ｂ［ｇ／ｍ３］に維持される。そして、水分の量がＢ［ｇ／ｍ３］に維持されたＣＯＧは、加熱炉９に到達し、燃料ガスとして用いられる。加熱炉９において、ＣＯＧに含まれる水分の量はＡ［ｇ／ｍ３］ではなく、それよりも低い値のＢ［ｇ／ｍ３］となっているので、この差分（即ち、Ａ−Ｂ）を加熱するのに要する熱量を削減することができる。
【００２２】
以上説明した第１実施形態は、例えば、ＣＧＬ（連続式溶融亜鉛めっきライン）などの鋼板を生産するラインに適用可能である。その場合は、鋼板を生産する複数のラインの各々で、加熱炉９の配管（即ち、本管）２にヒートポンプ８を設置しておくとよい。これにより、各ラインで、ＣＯＧ中に含まれる水分の量を少なくすることができ、ＣＯＧに含まれる水分の加熱に費やされる熱量を低減することができる。また、水分除去後のＣＯＧを加熱することにより、ＣＯＧを引火し易くすることができる。
【００２３】
このように、コークス炉１で発生したＣＯＧに対して、冷却による水分の除去と、その後の加熱とを行うことにより、各ラインの加熱炉９において、ＣＯＧを効率良く燃焼させることができる。その結果、温度の上昇する夏場においても、加熱炉９における加熱能力不足を防ぎつつ、ＣＯＧの消費量の増大を抑制することができ、鋼板の生産コストを低減することができる。
【００２４】
また、第１実施形態では、ＣＯＧに対する加熱をヒートポンプ８の排熱を利用して行っている。これにより、排熱を利用しない場合と比べて、ヒートポンプ８の稼働に伴うエネルギーロスを少なくすることができるため、生産コストのさらなる低減が可能である。
第１実施形態について、本発明者が行ったシミュレーションでは、加熱炉９の炉内温度が１０００〜１３００［℃］で、空気費が１．１〜１．３の場合、ＣＯＧのガス１［Ｎｍ３／ｈｒ］当たり、２６［ｋｃａｌ／Ｎｍ３］の熱量を削減できる。その効果により、消費熱量が４０００万［ｋｃａｌ／ｈｒ］相当のＣＧＬで、年間数百万のコスト削減が可能である。
【００２５】
（２）第２実施形態
本発明の実施の形態では、コークス炉１や加熱炉９からの排熱を利用して、ヒートポンプを動作するようにしてもよい。例えば図３に示すように、圧縮機４の駆動源として、コークス炉１又は加熱炉９の少なくとも一方からの排熱を利用するようにしてもよい。例えば、加熱炉９からの排熱を利用する場合は、加熱炉９からの排熱によって水を加熱し沸騰させるボイラー（図示せず）を加熱炉９の周囲に設置しておき、このボイラーで発生する蒸気でタービンを回して発電する。また、コークス炉１からの排熱を利用する場合は、コークス炉１の周囲にボイラー（図示せず）を併設しておき、このボイラーで発生する蒸気でタービンを回して発電する。
【００２６】
発電により得られた電気エネルギーにより、圧縮機４を駆動させることが可能であるため、第１実施形態と比較して、ヒートポンプ８の稼働に伴うエネルギーロスをさらに少なくすることができる。なお、この第２実施形態は、第１実施形態と同様、ＣＧＬなどの鋼板を生産するラインに適用可能である。
【００２７】
（３）第３実施形態
また、本発明の実施の形態では、例えば図４に示すように、コークス炉１又は加熱炉９の少なくとも一方からの排熱を利用して、水分除去後のＣＯＧを加熱するようにしてもよい。例えば、水分除去後のＣＯＧが通る配管（本管）２の周囲に、コークス炉１又は加熱炉９からの排ガスが通る配管（図示せず）を配置しておき、この図示しない配管から本管２に排ガスの熱が伝わるようにしておく。或いは、上記のように、コークス炉１又は加熱炉９の周囲にボイラー（図示せず）を設置しておき、このボイラーで加熱された水が上記の図示しない配管を流れることによって、本管２に熱が伝わるようにしてもよい。
【００２８】
このような構成であれば、第１実施形態と比較して、水分除去後のＣＯＧをさらに高温にすることができる。また、コークス炉１又は加熱炉９からの排熱が熱源となるため、ＣＯＧの加熱に伴うエネルギーロスを少なくすることができる。なお、この第３実施形態は、第１、第２実施形態と同様、ＣＧＬなどの鋼板を生産するラインに適用可能である。
【００２９】
（４）その他
なお、上記の第１〜第３実施形態では、本発明の「第１の炉」としてコークス炉ガスを示し、「副生ガス」としてコークス炉ガスを示し、「第２の炉」として加熱炉を示したが、これらはあくまで一例である。「第１の炉」は例えば高炉でもよく、「副生ガス」は例えば高炉ガスでもよく、「第２の炉」は例えば熱処理炉でもよい。また、本発明は、ＣＧＬなどの鋼板を生産するライン以外にも適用可能であり、例えば熱延ラインの加熱炉にも適用可能である。このような場合であっても、上記の第１〜第３実施形態と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００３０】
１     コークス炉
２     配管（本管）
３     洗浄装置
４     圧縮機
５     凝縮機
６     膨張弁
７     蒸発機
８     ヒートポンプ
９     加熱炉
１０   精製システム
【図１】
0005760383.tif 000002
【図２】
0005760383.tif 000003
【図３】
0005760383.tif 000004
【図４】
0005760383.tif 000005