(57)【要約】【課題】製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した１つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全て分離することが可能で、かつオフガスの発生量と使用量の変動を吸収できて、燃料性状を安定化させることができて、オフガスを製鉄所内燃料ガスの１つとして利用できるようにする。【解決手段】製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した１つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その燃料ガスから水素ガス８ａを全てまたは一部分離した残りであるオフガス８ｂを、可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉７で発生するガス７ａと混合し、該混合ガス６０ａを製鉄所内燃料として利用する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した１つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その燃料ガスから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガスを、可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉で発生するガスと混合し、該混合ガスを製鉄所内燃料として利用することを特徴とする製鉄所副生ガスの利用方法。
【請求項２】
オフガスを、ガスホルダを介在させた配管網を通してガス化溶融炉ガスと混合することを特徴とする請求項１記載の製鉄所副生ガスの利用方法。
【請求項３】
オフガスを、ガス化溶融炉ガスと混合する前に昇圧することを特徴とする請求項２記載の製鉄所副生ガスの利用方法。
【請求項４】
オフガスとガス化溶融炉ガスとの混合によって、除去した水素分をガス化溶融炉ガスにて補填し、水素を分離する前のガス相当の模擬ガスとした後、該模擬ガスを、水素を分離する前のガスの配管へ接続することで、製鉄所内燃料として利用することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の製鉄所副生ガスの利用方法。
【請求項５】
ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、高炉ガス、コークス炉ガス、転炉ガス、都市ガス、プロパンガス、及び窒素、の中から選択されるガスと混合することを特徴とする請求項１記載の製鉄所副生ガスの利用方法。
【請求項６】
ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、製鉄所で使用される各種燃料ガスの中から選択した低カロリーガス、または高カロリーガスと混合し、該混合ガスを製鉄所内燃料として利用することを特徴とする請求項１記載の製鉄所副生ガスの利用方法。
【請求項７】
ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、都市ガス、プロパンガス、及びコークス炉ガス、の中から選択される単一または複数種のガスと、あるいは高炉ガスまたは窒素のいずれか一方もしくは両方と、混合することを特徴とする請求項６記載の製鉄所副生ガスの利用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製鉄所副生ガス、特にコークス炉で発生するガスと、例えば使用済みプラスチックなどの可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉で発生するガスを有効に利用する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、製鉄所副生ガス、例えばコークス炉ガス（ＣＯＧ）を、水素ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  ）プラントに導入して、コークス炉ガスから燃料電池用に水素を分離する技術は知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このようなものにおいて、水素ＰＳＡプラントにて水素を分離した残りであるオフガスは、一般に水素ＰＳＡプラントよりも上流側に戻されてＣＯＧに混入されることで、利用される。
【０００４】
また従来より、例えば使用済みプラスチックなどの可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉も知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
このガス化溶融炉は、周知のように高温の炉内において、使用済みプラスチック、建設廃材（紙くず、木くず、繊維くず）、シュレッダーダスト（廃棄家電、廃車）、汚泥、燃えがら、動植物性残さ等の可燃性廃棄物を送風酸素と反応させ、炉上部温度を８００〜１０００℃とし、高温・還元雰囲気により熱分解・ガス化させ、可燃性のガス化溶融炉ガスとして回収するものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−９９３４号公報
【特許文献２】
特開平９−６０８３０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のように水素ＰＳＡプラントにて水素を分離した残りであるオフガスを、ＣＯＧに混入することで、再利用するようにしたものにあっては、以下のような問題が存在する。
すなわち、ＣＯＧとオフガスとの混合ガス中の水素濃度がＣＯＧの燃焼性に変化が出ない程度までしかオフガスを混入させることができず、オフガス混入量制約で水素製造能力が決定されてしまう。つまり、ＣＯＧの燃焼性に変化が出ない程度までしかＣＯＧから水素を分離することができない。
【０００８】
なお、水素を分離することができるガスはＣＯＧに限定されるわけでなく、ガス化溶融炉ガスや製鉄所で使用される他の水素含有燃料ガスの中から選択することもできる。しかしながら、ＣＯＧ中の水素濃度は４５〜６０％、他の水素含有燃料ガス、例えばガス化溶融炉ガス中の水素濃度は２０〜４５％であり、水素製造原料ガスとしてはＣＯＧの方が有利である。このようなＣＯＧの有利性は、ガス化溶融炉ガス以外の、製鉄所で使用される他の水素含有燃料ガスとの比較においても同様である。また、ガス性状の変動もＣＯＧは変化が緩やかであるが、例えばガス化溶融炉ガスは廃棄物性状に左右され、瞬時に組成が変動するので、水素プラントの運転管理が難しい。
【０００９】
一方、オフガスをそのまま製鉄所の副生ガスとして使用する場合は、以下のような問題が存在する。
すなわち、水素分離後のオフガスは発熱量が大きくなるので、現状の製鉄所副生ガスとは発熱量が異なる。このため、専用の配管網が必要となり、加熱炉など炉設備でバーナ改造が必要となる
【００１０】
また、製鉄所の副生ガスで高カロリーガスはＣＯＧのみで、ＣＯＧの加熱炉など鉄鋼プロセス使用量が増大すると、発電所で重油、都市ガスまたはＬＰＧなど、外部から高カロリー燃料を購入し、ＣＯＧ不足分を補填する必要があった。このため、燃料電池用に水素を多量かつ安価に製造できる水素製造プロセスが望まれていた。
【００１１】
本発明の技術的課題は、製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した１つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全て分離することが可能で、かつオフガスの発生量と使用量の変動を吸収できて、燃料性状を安定化させることができて、オフガスを製鉄所内燃料ガスの１つとして利用できるようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した１つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その燃料ガスから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガスを、可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉で発生するガスと混合し、この混合ガスを製鉄所内燃料として利用することを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、オフガスを、ガスホルダを介在させた配管網を通してガス化溶融炉ガスと混合することを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、オフガスを、ガス化溶融炉ガスと混合する前に昇圧することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、オフガスとガス化溶融炉ガスとの混合によって、除去した水素分をガス化溶融炉ガスにて補填し、水素を分離する前のガス相当の模擬ガスとした後、該模擬ガスを、水素を分離する前のガスの配管へ接続することで、製鉄所内燃料として利用することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、高炉ガス、コークス炉ガス、転炉ガス、都市ガス、プロパンガス、及び窒素、の中から選択されるガスと混合することを特徴としている。
【００１７】
また、請求項６に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、製鉄所で使用される各種燃料ガスの中から選択した低カロリーガス、または高カロリーガスと混合し、この混合ガスを製鉄所内燃料として利用することを特徴としている。
【００１８】
また、請求項７に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、都市ガス、プロパンガス、及びコークス炉ガス、の中から選択される単一または複数種のガスと、あるいは高炉ガスまたは窒素のいずれか一方もしくは両方と、混合することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図示実施形態に基づき本発明の製鉄所副生ガスの利用方法を説明する。図１は本発明を適用した製銑・製鋼一貫製鉄所における燃料の流れを示す図である。
【００２０】
図において、１は操業時に高炉ガス（ＢＦＧ）１ａを副生する高炉、２は操業時にコークス炉ガス（ＣＯＧ）２ａを副生するコークス炉、３は操業時に転炉ガス（ＬＤＧ）３ａを副生する転炉である。高炉ガス（ＢＦＧ）１ａは、鉄鉱石を還元する際に発生するＣＯ，ＣＯ２，Ｈ２，Ｎ２から成る約３，３５０ｋＪ／ｍ３の可燃性ガスであり、ほぼ連続的に発生する。コークス炉ガス（ＣＯＧ）２ａは、石炭を乾留する際に発生するＨ２，ＣＨ４，ＣＯから成る約２０，１００ｋＪ／ｍ３の可燃性ガスであり、ほぼ連続的に発生する。ＣＯＧ中には水素が４５〜６０％含まれている。転炉ガス（ＬＤＧ）３ａは、銑鉄を鋼に改質する際に発生するＣＯ，ＣＯ２  から成る約８，４００ｋＪ／ｍ３  の可燃性ガスであり、間欠的に発生する。つまり転炉の吹練によりガスの発生がつねに変動する。
【００２１】
４ａは外部購入燃料である都市ガスまたはプロパンガス（ＬＰＧ）、５ａは窒素（Ｎ２）  、６は外部購入燃料である重油６ａの供給源である重油タンクである。都市ガスまたはＬＰＧは、主に高炉の休風等により高炉ガスや転炉ガスが発生しない場合に使用され、Ｎ２  は高カロリーの都市ガスまたはＬＰＧの希釈に用いられる。重油は発電所の燃料として供給される。
【００２２】
７はガス化溶融炉であって、高温の炉内において、使用済みプラスチック、建設廃材（紙くず、木くず、繊維くず）、シュレッダーダスト（廃棄家電、廃車）、汚泥、燃えがら、動植物性残さ等の可燃性廃棄物を送風酸素と反応させ、炉上部温度を８００〜１０００℃とし、高温・還元雰囲気により熱分解・ガス化させ、可燃性のガス化溶融炉ガス７ａとして回収するもので、発生ガスの性状は約８，０００〜１１，０００ｋＪ／ｍ３であり、炉下部においては、コークス及び炭素の燃焼により、灰分を溶融し、出滓口より排出するものである。
【００２３】
１１，１２，１３，１４は各炉で発生する可燃ガス（燃料ガス）を無害化・燃焼放散するための燃焼放散塔すなわちフレアスタックであり、通常は使用しないが、各炉の起動・停止時のガス成分不安定時や、各炉に対応して設けられた後述のホルダの備蓄レベルが上限をオーバーした時などに使用される。
【００２４】
２１は高炉ガス（ＢＦＧ）を一時貯蔵しバッファとして機能するＢＦＧホルダ、２２はコークス炉ガス（ＣＯＧ）を一時貯蔵しバッファとして機能するＣＯＧホルダ、２３は転炉ガス（ＬＤＧ）を一時貯蔵しバッファとして機能するＬＤＧホルダ、２４はガス化溶融炉ガスを一時貯蔵しバッファとして機能するガス化溶融炉ガスホルダである。これら各ホルダ２１〜２４は内部ガス圧力が６５ｋＰａ  と低圧に保持されている。
【００２５】
８はＣＯＧ配管における後述の模擬ＣＯＧ配管接続部よりも上流側に分岐管を介して接続されたＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  ）からなる水素製造プラントであり、水素を含むガス（ＣＯＧ）を通すと、水素以外の重い分子のもの（余分な成分）が吸着され、軽い水素だけがすり抜けていく、いわゆる吸着分離方式により高純度水素ガス８ａを精製する装置である。水素製造プラント８では、水素を分離するために、昇圧（８気圧）の必要があるため、入り口にコンプレッサ５１を配置し、コンプレッサ５１によってＣＯＧを０．８ＭＰａに昇圧している。一方、ＣＯＧから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガス８ｂの圧力は、水素製造プラント８内での圧力損失を除く０．７ＭＰａである。またＣＯＧから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガス８ｂは、油シールの低圧乾式ホルダからなる７ｋＰａのガス圧に保持されたオフガスホルダ２５に一時貯蔵されるようになっている。このため、水素製造プラント８でＣＯＧから水素ガス８ａを分離した残りのオフガス８ｂの圧力を減圧するための膨張タービン５２が、水素製造プラント８の出口、つまり水素製造プラント８とオフガスホルダ２５をつなぐオフガス配管系内に設置されている。また膨張タービン５２は、圧力エネルギを無駄にしないために、動力回収する機能も有している。つまり、膨張タービン５２は、図には示していないが圧縮しているコンプレッサ５１と連結され、コンプレッサ５１の圧縮動作に必要な動力を低減している。なお、発電機で電力回収するなど他の動力回収の手法の採用も可能である。
【００２６】
３１，３２，３３はＢＦＧ配管、ＣＯＧ配管、及びＬＤＧ配管にそれぞれ配置された昇圧機すなわちブロワで、これらブロワ３１〜３３は、それぞれのガスの圧力を約６５ｋＰａ  から約１２０ｋＰａ  に昇圧して、後述するガスミキサーに供給する機能を有する。３４はガス化溶融炉ガス配管網内においてガス化溶融炉ガスホルダ２４と直列に配置された昇圧機すなわちブロワである。ブロワ３４をガス化溶融炉ガスホルダ２４に対して直列に接続したのは、既述したようにガス化溶融炉７では種々の可燃性廃棄物からガス化溶融炉ガス７ａを回収するので、ガス発生量が一定でなく圧力変動を生じるため、ガス混合器前に昇圧機を配置して、後述するガスミキサーや模擬ＣＯＧミキサーに供給するガス化溶融炉ガス圧力を安定化させる必要があるからである。３５はオフガス配管網内においてオフガスホルダ２５と直列に配置された昇圧機すなわちブロワであり、オフガスの圧力を約６５ｋＰａ  から約１２０ｋＰａ  に昇圧して、後述するガスミキサーや模擬ＣＯＧミキサーに供給する機能を有する。
【００２７】
すなわち、ガス化溶融炉ガス配管とオフガス配管は、それぞれブロワ３４，３５の下流側で二股に分かれ、それぞれに二股部のガス流路を切り替えるための流量調整可能な切替弁６１，６２と６３，６４が設けられており、それぞれの二股の一方の流路が模擬ＣＯＧミキサー６０に接続され、それぞれの二股の他方の流路がガスミキサー９に接続されている。そして、通常は切替弁６１，６２と６３，６４によって模擬ＣＯＧミキサー６０側に繋がるガス化溶融炉ガス配管網とオフガス配管網が形成されるようになっている。
【００２８】
水素製造プラント８にてＣＯＧ２ａから水素分８ａを取り出すとオフガス８ｂの燃焼性、特に燃焼速度が低下する。模擬ＣＯＧミキサー６０は、オフガス８ｂに、除去した水素分をガス化溶融炉ガス７ａで補填することで、ＣＯＧ相当のガスにするために設けられたものであり、混合後のガスカロリーをＣＯＧ相当の４０００〜５０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３  で調整し、または水素濃度で調整し、もしくは燃焼速度で調整する機能を有する。そして、このようにＣＯＧ相当のガスに調整された混合ガスである模擬ＣＯＧ６０ａは、ＣＯＧ配管におけるＣＯＧホルダ２２よりも上流側に戻されて、製鉄所内燃料として、あるいは後述のＭＸＧ製造原料ガスとして利用されるようになっている。そして、通常は模擬ＣＯＧ製造を最大にし、混合しきれないオフガス８ｂまたはガス化溶融炉ガス７ａは、単独でガスミキサー９に送り、これもＭＸＧ製造原料ガスとして有効活用するようにしている。これにより、既存のＣＯＧ関連インフラを大幅改造することなく使用できるようにしている。
【００２９】
ガスミキサー９には、各ブロワ３１〜３５により昇圧されたガス（ＢＦＧ、ＣＯＧ、ＬＤＧ、余剰ガス化溶融炉ガス、余剰オフガス）と、都市ガス（又はＬＰＧ）と、窒素（Ｎ２）  とが送り込まれ、発熱量変動を吸収するために、オフガス８ｂに、前記ガスの中から選択した低カロリーガス、あるいは高カロリーガスを混合することで燃料性状（▲１▼発熱量、▲２▼ウオッペインデックスＷ．Ｉ．、▲３▼Ａ０／√γ）を安定させたミックスガス（ＭＸＧ）９ａとして製鉄所内の各工場、つまり製銑工場４１、製鋼工場４２、鋼板工場４３、鋼管や条鋼の工場４４や発電所４５へ供給されるようになっている。つまり、ガスミキサー９は、▲１▼発熱量が一定となるように、オフガスに、低カロリーガス、あるいは高カロリーガスを混合する、又は▲２▼ウオッペインデックスＷ．Ｉ．すなわち（発熱量／√ガス密度）が一定となるように、オフガス８ｂに、低カロリーガス、あるいは高カロリーガスを混合する、又は▲３▼Ａ０／√γつまり（理論空気量／√ガス密度）が一定となるように、オフガス８ｂに、低カロリーガス、あるいは高カロリーガスを混合することで、燃料性状を安定させる機能を有する。なお、ここでガスミキサー９に送り込まれるＣＯＧとは、コークス炉２で発生したＣＯＧ２ａ単独はもちろんのこと、模擬ＣＯＧ６０ａ単独、あるいはＣＯＧ２ａと模擬ＣＯＧ６０ａの混合ガスを含むものである。
【００３０】
ここで、製鉄所で一般に使用される各種燃料ガスすなわちＢＦＧ、ＣＯＧ、ＬＤＧ、都市ガス（又はＬＰＧ）、および窒素（Ｎ２）  の中から選択される低カロリーガスとは、高炉ガス（ＢＦＧ）または窒素（Ｎ２）  を指し、高カロリーガスとは、都市ガス（又はＬＰＧ）またはコークス炉ガス（ＣＯＧ）を指す。したがって、燃料性状を安定させる具体的手法は、オフガスのカロリーに応じて、高炉ガス（ＢＦＧ）または窒素（Ｎ２）  のいずれか一方もしくは両方と、あるいは都市ガス（又はＬＰＧ）またはコークス炉ガス（ＣＯＧ）のいずれか一方もしくは両方と、混合する形態となる。
【００３１】
そして、高カロリーガスとしてコークス炉ガス（ＣＯＧ）を、低カロリーガスとして高炉ガス（ＢＦＧ）を、優先的に使用することで、外部購入燃料である都市ガス（又はＬＰＧ）や窒素（Ｎ２）の量を削減することができる。
【００３２】
発電所４５には、ミックスガス（ＭＸＧ）９ａ以外に、高炉ガス（ＢＦＧ）１ａ、コークス炉ガス（ＣＯＧ）２ａ、及び転炉ガス（ＬＤＧ）３ａが直接供給可能になっている。これは各ガスの発生量の変動を吸収するためのもので、ガスミキサー９への供給後に余剰のガスがあった場合、これを発電燃料として使用している。また、外部購入燃料である重油６ａも供給可能になっている。そして、各燃料種に応じたバーナを有するボイラ及びタービンが設置されている。つまり、発電所４５では、ミックスガス（ＭＸＧ）の他に、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、及び転炉ガス（ＬＤＧ）を燃料ガスとしているが、通常は不足分として重油を供給して発電している。なお、バーナとして燃料の発熱量変動に耐用性がある管状火炎バーナを採用すれば、使用するバーナの数を減らせることは言うまでもない。
【００３３】
本実施形態のように、水素濃度が高いＣＯＧから水素ガスを分離して取り出し、ＣＯＧから水素を除去したオフガス８ｂは、水素分をガス化溶融炉ガスで補填し、ＣＯＧ相当のＣＯＧ模擬ガスにしてＣＯＧ配管内に戻して、製鉄所内燃料として、あるいは後述のＭＸＧ製造原料ガスとして利用したり、余剰オフガスを単独でガスミキサー９に送り、これもＭＸＧ製造原料ガスとして有効活用するようにしているので、ＣＯＧから水素ガスを全て分離することも可能となり、効率良く水素を製造することができて、燃料電池用の安価な水素供給の実現が可能となる。
【００３４】
また、ＣＯＧから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガス８ｂを、製鉄所の各副生ガスと組合せて使用することにより、無駄なくエネルギが利用でき、エネルギコスト削減が可能となる。
【００３５】
さらに、高炉休風時にオフガス８ｂを利用することで、都市ガスやＬＰＧの使用量を削減することが可能となる。
【００３６】
なお、本実施形態では水素製造プラント８を、水素を豊富に含む（４５〜６０％）ＣＯＧの配管系に接続して、ＣＯＧから効率よく水素ガス８ａを回収し、その水素ガスを分離した残りのオフガス８ｂを製鉄所燃料として利用するようにしたものを例に挙げて説明したが、これに限るものでなく、製鉄所で使用される他の種類の水素を含む燃料ガスから水素ガスを精製し、その水素ガスを分離した残りのオフガスを製鉄所燃料として利用するようにしてもよく、その場合でも所期の目的は達成できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した１つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その各種燃料ガスから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガスを、可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉で発生するガスと混合し、この混合ガスを製鉄所内燃料として利用するようにしたので、燃料電池用の安価な水素供給の実現が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製鉄所副生ガスの利用方法を適用した製銑・製鋼一貫製鉄所における燃料の流れを示す図である。
【符号の説明】
１  高炉
１ａ  高炉ガス（ＢＦＧ）
２  コークス炉
２ａ  コークス炉ガス（ＣＯＧ）
３  転炉
３ａ  転炉ガス（ＬＤＧ）
４ａ  都市ガス（又はＬＰＧ）
５ａ  窒素（Ｎ２）
８  水素製造プラント
８ａ  水素ガス
８ｂ  オフガス
９  ガスミキサー
９ａ  ミックスガス（ＭＸＧ）
２５  オフガスホルダ（ガスホルダ）
３５  ブロワ（昇圧手段）
６０  模擬ＣＯＧミキサー
６０ａ  模擬ＣＯＧ
【図１】
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