(57)【要約】【課題】ＣＯ２排出量を極力増加させずに高炉副生ガスから得られるエネルギーの回収効率を高めることが可能な高炉副生ガスエネルギー回収方法、及び、これを実施するためのシステムを提供する。【解決手段】ガスタービン１０から排気される高温の燃焼ガスｂで空気分離装置７から得られる高濃度の窒素ガスｎと高炉１から得られる副生ガスｇのうち、少なくとも窒素ガスｎを予熱し、且つこれらのガスを混合してガスタービン１０の燃焼室８に導入する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉から得られる副生ガスを燃焼させ、その燃焼ガスでガスタービンを駆動することにより、前記副生ガスのエネルギーを回収する方法であって、
前記ガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで空気分離装置から得られる高濃度の窒素ガスと、高炉から得られる副生ガスのうち、少なくとも窒素ガスを予熱し、且つ、これらのガスを混合してガスタービンの燃焼室に導入するようにしたことを特徴とする高炉副生ガスエネルギー回収方法。
【請求項２】
空気分離装置から得られる高濃度の酸素ガスを、ガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで予熱してから高炉へ供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高炉副生ガスエネルギー回収方法。
【請求項３】
空気分離装置と、
前記空気分離装置で得られる高濃度の窒素ガスと、高炉から得られる副生ガスを混合したガスを燃焼室内で燃焼させ、その燃焼ガスで駆動されるガスタービンと、
前記燃焼室へ導入される窒素ガスと副生ガスのうち、少なくとも窒素ガスをガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで予熱する熱交換器とを備えたことを特徴とする高炉副生ガスエネルギー回収システム。
【請求項４】
空気分離装置から得られる高濃度の酸素ガスをガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで予熱する熱交換器を備え、前記熱交換器を経由して空気分離装置から高炉に酸素ガスが供給されることを特徴とする請求項３記載の高炉副生ガスエネルギー回収システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉から副生されるガスからエネルギーを回収する方法及びシステムに関し、特に、高炉副生ガスを燃料として駆動されるタービンで発電機を回転させて電気エネルギを回収する場合に好適な、高炉副生ガスエネルギー回収方法及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現状の製鉄所においては、高炉から副生されるガスを燃料として、ガス焚ボイラーで蒸気タービンを回し、このタービンに駆動連結された発電機で発電させて副生ガスのエネルギーを電気エネルギーとして回収する設備を備えている。
【０００３】
このような、このような蒸気タービンを用いたエネルギー回収システムにおいては、最新のものでも発電による副生ガスのエネルギー回収熱効率は４０％が限度である。
【０００４】
また、最近は、部分的ではあるが高炉副生ガスを燃料としてガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合サイクルによるエネルギー回収システムも採用されてきている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３８９７１号公報
【０００６】
図３は、現行されている高炉副生ガスを燃料としてガスタービンと蒸気タービンを駆動して発電を行う、高炉副生ガスエネルギー回収方法の一例を示すシステム構成図である。
【０００７】
同図において、高炉Ａ１の炉頂から発生する副生ガスｇは、温度約２００℃、圧力０．３５ＭＰＡ程度であり、混入している粗い塵埃を除去する簡易集塵機Ａ２を通して炉頂圧タービンＡ３に導入され、発電機Ａ４を駆動する。
【０００８】
ここで、高炉Ａ１の炉内に入っている鉄鉱石の脱硫作用によって、副生ガスｇ中の硫黄成分濃度は、低硫黄重油並にまで抑えられているが、炉頂圧タービンＡ３を通過したガスは、その後、ガスタービン用の燃料ガスとして使用される。
【０００９】
副生ガスｇが高温で燃焼すると、その中に含まれる塵埃が溶融してタービン翼に付着してこれを腐食させるため、さらに精密な除塵が必要となる。特に、燃焼温度が１３００℃以上になると、脱硫も必要になる。
【００１０】
そのため、この例では、スクラバー等の湿式集塵装置からなるガス清浄装置Ａ５が設けられている。ガス清浄装置Ａ５を通過した副生ガスｇは大気圧近くまで減圧されているので、ガス圧縮機Ａ６で圧縮されて燃焼室Ａ７に導入される。
【００１１】
一方燃焼室Ａ７には、圧縮機Ａ８で圧縮された空気ａが導入され、これらの混合気がここで燃焼し、燃焼温度約１３５０℃となって膨張した燃焼ガスｂにより、ガスタービンＡ９が駆動される。
【００１２】
ガスタービンＡ９は圧縮機Ａ８とともに発電機Ａ１０を駆動し、副生ガスｇが有していたエネルギーの一部は、ここで電気エネルギーとして回収される。
【００１３】
なお、この例では、燃焼ガスｂの温度が１３５０℃と高温であるため、精密な脱硫が必要であるが、一般的には、脱硫設備を設けることはしないで、タービン入口温度を１１００〜１２００℃程度の範囲に抑えて使用する場合が多い。
【００１４】
一方、ガスタービンＡ９から排気される高温の燃焼ガスｂは、廃熱ボイラーＡ１１を通過した後、煙突Ａ１２から大気中に排出される。
廃熱ボイラーＡ１１においては、前記燃焼ガスｂによって給水ｗが加熱されて水蒸気ｓとなり、蒸気タービンＡ１３に導入されてこれを駆動し、発電機Ａ１４でさらに電気エネルギーが回収される。蒸気タービンＡ１３から排出された蒸気ｓは、復水器Ａ１５へ回収される。
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述した図３に示すような従来の高炉副生ガスエネルギーの回収システムにおいては、現状の高炉操業条件に適合するように設計されているため、設備投資費用を比較的安くできる利点がある。
【００１６】
しかしながら、高炉副生ガスの発熱量は８００Ｋｃａｌ／Ｎｍ３と低く、出来るだけ既存の設備を利用して発電設備投資を抑えようとすると、副生ガスの圧力が低い場合、ガスの比容積が増大するためにガス清浄装置や脱硫装置に大型のものが必要となるので、炉頂圧タービン部分での圧力降下を抑えなければならず、これに見合う範囲での発電性能しか期待できない問題があった。
【００１７】
また、高炉副生ガスを発電用ガスタービンに導入する前に、一度大気圧付近まで減圧させてから再び圧縮機で圧縮するようにしているため、このような従来の高炉副生ガスエネルギーの回収システムにおいては、ガス圧縮のためのエネルギーロスが大きく、液化天然ガスを燃料とする複合発電方式よりも発電熱効率が劣るので、エネルギー回収量の割には発生するＣＯ２の量が多くなり、環境保全上の問題も生じていた。
【００１８】
そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題点を解消し、ＣＯ２排出量を極力増加させずに高炉副生ガスから得られるエネルギーの回収効率を高めることが可能な高炉副生ガスエネルギー回収方法、及び、これを実施するためのシステムを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために提供される本発明の高炉副生ガスエネルギー回収方法は、ガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで空気分離装置から得られる高濃度の窒素ガスと、高炉から得られる副生ガスのうち、少なくとも窒素ガスを予熱し、且つ、これらのガスを混合してガスタービンの燃焼室に導入するようにしたものである。
【００２０】
前記、高炉副生ガスエネルギー回収方法においては、空気分離装置から得られる高濃度の酸素ガスを、ガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで予熱してから高炉へ供給することが望ましい。
【００２１】
また、本発明の高炉副生ガスエネルギー回収システムは、空気分離装置と、前記空気分離装置で得られる高濃度の窒素ガスと、高炉から得られる副生ガスを混合したガスを燃焼室内で燃焼させ、その燃焼ガスで駆動されるガスタービンと、前記燃焼室へ導入される窒素ガスと副生ガスのうち、少なくとも窒素ガスをガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで予熱する熱交換器とを備えたものである。
【００２２】
前記高炉副生ガスエネルギー回収システムにおいては、空気分離装置から得られる高濃度の酸素ガスをガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで予熱する熱交換器を備え、前記熱交換器を経由して空気分離装置から高炉に酸素ガスが供給されるようにしてあることが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の高炉副生ガスエネルギー回収方法の第１の実施形態としてのシステム構成図であって、同図において、高炉１の炉頂から取り出された副生ガスｇは、簡易集塵機２で除塵された後、炉頂圧タービン３に導入される。
ここで、副生ガスｇはその圧力によって炉頂圧タービン３を回転させ、これに駆動連結されている発電機４Ａで発電が行われる。
【００２４】
炉頂圧タービン３を出た副生ガスｇはガス清浄装置５に入り、ここで脱硫が行われ、さらにガス圧縮機６で圧縮された後、後述する空気分離装置７で得られる窒素ガスｎと混合されて燃焼室８へ送り込まれる。
【００２５】
また、前記燃焼室８には、圧縮機９で圧縮された外部の空気ａが導入され、窒素ガスｎで希釈された副生ガスｇがここで空気ａと混合されて燃焼し、高温の燃焼ガスｂが生成されてガスタービン１０を回転させる。ガスタービン１０は圧縮機９とともに発電機４Ｂを駆動して発電を行う。
【００２６】
本実施形態で用いられている空気分離装置７は高圧深冷式のものであり、ここには、圧縮機１１で圧縮された外部の空気ａが導入される。空気分離装置７は空気ａを高濃度の酸素ｏと窒素ｎに分離する。ここで得られた窒素ｎは圧縮機１２でさらに圧縮された後、熱交換器１３に導入される。
【００２７】
熱交換器１３は、ガスタービン１０の高温の燃焼ガスの一部が導入されて、前記窒素ガスｎを予熱する。ここで予熱された窒素ガスｎは、前述したように副生ガスｇと混合されて燃焼室８へ導入される。
【００２８】
燃焼室８に入った窒素ガスｎは、副生ガスの燃焼によって加熱膨張し、副生ガスｇのみの燃焼による場合と比較して、ガスタービン１０を駆動するための燃焼ガスの量が増大し、ガスタービン１０におけるエネルギー回収の熱効率の向上に寄与している。
なお、ガスタービン１０を通過する燃焼ガスｂのうち、窒素ガスｂの占める割合は１／４〜１／３程度である。
【００２９】
また、これに加えて窒素ガスｎは燃焼室８に入る前に、ガスタービン１０の廃熱を利用して予熱されていることもガスタービン１０におけるエネルギー回収の熱効率の向上に寄与している。
【００３０】
また、ガスタービン１０から排出された燃焼ガスの残りは、廃熱ボイラ１４に導入される。廃熱ボイラ１４には、給水予熱器１５で予熱された給水が導入されて、前記燃焼ガスとの熱交換により加熱されて蒸気ｓとなり蒸気タービン１６を駆動して発電機４Ｃにより発電を行う。
蒸気タービン１６から出た蒸気ｓは、復水器１７に入り、再び給水予熱器１５へ送られる。
【００３１】
次に、図２は、本発明の高炉副生ガスエネルギー回収方法の第２の実施形態としてのシステム構成図である。同図において、図１中の番号と同一番号の部分は前述した第１の実施形態と同様に構成されている。
【００３２】
本実施形態のものにおいては、図１に示す炉頂圧タービン３を省き、高炉１から取り出された副生ガスｇをガス清浄装置５を通した後、ガス圧縮機６で圧縮して空気分離装置７から得られた高濃度の窒素ガスに混入し、これらの混合ガスを熱交換器１３で予熱して燃焼室８に送り込んでいる。
【００３３】
また、本実施形態においては、空気分離装置７から得られた高濃度の酸素ガスＯを熱交換器１８を通じてガスタービン１０から排気される燃焼ガスで予熱した後高炉１に供給している。また、高炉１へは、酸素ガスＯと合わせて多量の微粉炭を吹き込んでおり、これにより、発熱量の多い良質の副生ガスｇが得られる。
【００３４】
前述した２つの実施形態を比較すると、予熱した酸素を高炉に供給するようにした後者の方が発電熱効率が３％程度優れており将来性もある。しかしながら、既に高炉にガスタービンによる発電システムを導入してある場合には、既設のガス清浄設備を利用した前者の実施形態の方が設備投資の面からは有利である。
【００３５】
なお、前述した各実施形態においては、高炉から排出される副生ガスを燃焼させ、その燃焼ガスによってガスタービンを駆動し、これで発電機を回転させることにより、副生ガスのエネルギーを電気エネルギーの形で回収しているが、エネルギーを回収する方法はこれに限定するものではなく、ガスタービンから得られる機械的なエネルギーを直接利用してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ガスタービンから排気される高温の燃焼ガスで空気分離装置から得られる高濃度の窒素ガスと、高炉から得られる副生ガスのうち、少なくとも窒素ガスを予熱し且つこれらのガスを混合してガスタービンの燃焼室に導入するようにしているため、エネルギー回収熱効率を高めることができる。
【００３７】
また、回収できるエネルギー量に対する副生ガスの量を少なくできるため、ＣＯ２の発生量を低減することができ、環境の浄化に貢献することができる。
【００３８】
さらに、空気分離装置から得られる高濃度酸素をガスタービンから排気される燃焼ガスで予熱してから高炉へ供給するようにしたことで、発熱量の高い良質の副生ガスが得られ、ガスタービン得られるエネルギーの回収熱効率をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高炉副生ガスエネルギー回収方法の第１の実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の高炉副生ガスエネルギー回収方法の第２の実施形態を示すシステム構成図である。
【図３】現行されている高炉副生ガスを燃料としてガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合サイクルによるエネルギー回収システムの一例を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
１    高炉
２    簡易集塵機
３    炉頂圧タービン
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ  発電機
５    ガス清浄装置
６    ガス圧縮機
７    空気分離装置
８    燃焼室
９    圧縮機
１０    ガスタービン
１１    圧縮機
１２    圧縮機
１３    熱交換器
１４    廃熱ボイラ
１５    給水予熱器
１６    蒸気タービン
１７    復水器
１８    熱交換器
【図１】
2004316534.tif 000003
【図２】
2004316534.tif 000004
【図３】
2004316534.tif 000005