(57)【要約】      （修正有）【課題】  熱エネルギーロスが少なく、金属原料の溶融還元の高熱を利用し、固体電解質型燃料電池で高効率な発電が可能な溶融還元発電システムを提供する。【解決手段】  金属原料を予備還元する予備還元炉３と該予備還元された金属原料を溶融還元して溶融金属とする溶融還元炉２とを有する溶融還元設備１と、固体電解質を挟んで燃料極と空気極が配置され、燃料極に供給した燃料ガスと空気極に供給した酸化性ガスとを反応させて発電する固体電解質型燃料電池１０とを備え、溶融還元炉から排出される還元性の排ガス５を燃料ガスとして燃料極に供給し、燃料極から反応後に排出される反応排ガス５ｂを予備還元炉３に供給する。このシステムは、さらに熱交換器１６を備え、熱交換器１６は溶融還元炉２から排出され燃料極に供給される還元性排ガス５を冷却したときに得られた熱で、空気極に供給する酸化性ガスとして空気６を加熱する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属原料を予備還元する予備還元炉と該予備還元された金属原料を溶融還元して溶融金属とする溶融還元炉とを有する溶融還元設備と、
固体電解質を挟んで燃料極と空気極が配置され、前記燃料極に供給した燃料ガスと前記空気極に供給した酸化性ガスとを反応させて発電する固体電解質型燃料電池とを備え、
前記溶融還元炉から排出される還元性排ガスを前記燃料ガスとして前記燃料極に供給し、前記燃料極から反応後に排出される反応排ガスを前記予備還元炉に供給することを特徴とする溶融還元発電システム。
【請求項２】
前記システムは、熱交換器をさらに備え、該熱交換器は、前記還元性排ガスを冷却したときに得られた熱で、前記空気極に供給する酸化性ガスを加熱することを特徴とする請求項１に記載の溶融還元発電システム。
【請求項３】
前記溶融還元炉から排出される還元性排ガスを前記燃料極に供給する通路の途中に、前記還元性排ガスを通過させる集塵装置を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の溶融還元発電システム。
【請求項４】
金属原料を予備還元する予備還元炉と該予備還元された金属原料を溶融還元して溶融金属とする溶融還元炉とを有する溶融還元設備と、
固体電解質を挟んで燃料極と空気極が配置され、前記燃料極に供給した燃料ガスと前記空気極に供給した酸化性ガスとを反応させて発電する固体電解質型燃料電池と、を備える溶融還元発電システムの運転方法であって、
前記溶融還元炉から排出される還元性排ガスを熱交換器により冷却して前記燃料極に供給し、前記酸化性ガスを前記熱交換器で前記冷却時に得られた熱で加熱して前記空気極に供給し、前記燃料極から反応後に排出される反応排ガスを前記予備還元炉に供給することを特徴とする溶融還元発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶銑を製造する溶融還元設備と発電設備を複合したシステムに係り、特に、予備還元炉と溶融還元炉とを備える溶融還元設備と固体電解質型燃料電池を使用した発電設備とを組み合わせた溶融還元発電システムと、その運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の溶融還元設備としては、溶融還元炉のガス排出口と集塵機、ブロアーを接続する排ガスダクトの途中に、内装炭ペレットを予備還元して半還元ペレットを製造する予備還元炉を配設し、溶融還元炉で発生する高温の燃焼性ガスを予備還元炉に導入している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献２に記載の溶融還元炉と予備還元炉とを備える排ガスエネルギー回収設備は、溶融還元プラントにて発生する排ガスを、高炉用コンバインドサイクル発電プラントを介してエネルギー回収する設備で、排ガスに窒素等の不活性ガスを継続的に混合することによって、コンバインドサイクル発電プラントに最適なガスエネルギー量になるように調整して、コンバインドサイクル発電プラントへ供給している。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３１０８１３号公報（段落［００１１］）
【特許文献２】特開２００１−５００５９号公報（段落［００１２］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に記載の溶融還元設備は、予備還元炉に導入される燃焼性ガスの温度が高すぎると、予備還元炉内の鉄原料が軟化し、燃焼性ガスの通気性が阻害されてしまうため、溶融還元炉本体から発生する燃焼性ガスを、例えば８００℃以下に冷却する必要があり、大きな熱エネルギーのロスが発生する虞があった。また、特許文献２に記載の技術は、高炉用コンバインドサイクル発電プラントで発電するため、システムが大型化するという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、還元溶解工程で得られる極高温の還元性排ガスを冷却した高温の還元性排ガスと、冷却時に得られる熱で加熱した空気等の酸化性ガスとを使用し、熱エネルギーのロスを最小限にとどめて、固体電解質型燃料電池を稼動させて発電することができる溶融還元発電システムと、その運転方法を提供することにある。また、システムが大型化せず、高効率の発電が可能な溶融還元発電システムと、その運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成すべく、本発明に係る溶融還元発電システムは、鉄鉱石等の金属酸化物を含む金属原料を予備還元する予備還元炉と該予備還元された金属原料を溶融還元して溶融金属とする溶融還元炉とを備える溶融還元設備と、
固体電解質を挟んで燃料極と空気極が配置され、燃料極に供給した燃料ガスと空気極に供給した酸化性ガスとを反応させて発電する固体電解質型燃料電池とを備え、
溶融還元炉から排出される還元性排ガスを燃料ガスとして燃料極に供給し、燃料極から反応後に排出される反応排ガスを予備還元炉に供給することを特徴とする。金属原料は鉄原料のみに限らず、クロム等の他の金属を含むものでもよい。
【０００８】
前記のごとく構成された本発明の溶融還元発電システムは、溶融還元炉から排出される還元性の排ガスを固体電解質型燃料電池の燃料ガスとして使用し、燃料電池で酸化性ガスと反応させて発電した後の還元性を有する反応排ガスを予備還元炉に供給して金属原料の予備還元に使用するため、金属原料の溶融還元と発電とを効率良く行うことができる。また、システムの小型化を達成できる。
【０００９】
本発明に係る溶融還元発電システムの他の態様としては、このシステムは、さらに熱交換器を備え、この熱交換器は溶融還元炉から排出され燃料極に供給される還元性排ガスを冷却したときに得られた熱で、空気極に供給する酸化性ガスを加熱することを特徴とする。この熱交換器で、溶融還元炉から排出される極高温の還元性排ガスを固体電解質型燃料電池の燃料極に供給する際に熱交換器を介して８００〜１０００℃程度の高温状態とし、そのときに得られる熱で空気極に供給する酸化性ガスを加熱する。
【００１０】
このように構成された溶融還元発電システムは、熱交換器で１６００〜１７００℃程度の極高温の還元性排ガスを８００〜１０００℃程度の高温状態とし、そのとき得られる熱エネルギーで空気極に供給する空気等の酸化性ガスを高温状態にできるため、エネルギーの無駄を省いて起動時間を短縮できる。また、燃料電池の燃料極と空気極は共に加熱されるので熱応力の発生が防止され、また不均一な加熱に伴う歪みが防止され、燃料電池の耐久性を向上させることができる。燃料電池で反応後に排出される反応排ガスは予備還元炉に導入されるため、未反応ガスがそのまま大気中に排出されることはなく、環境負荷を軽減できる。また、発電装置部分の小型化と、システムの小型化を達成できる。
【００１１】
本発明に係る溶融還元発電システムのさらに他の態様としては、前記の構成において、前記溶融還元炉から排出される還元性排ガスを燃料極に供給する通路の途中に、還元性排ガスを通過させる集塵装置を備えることを特徴とする。この構成によれば、溶融還元炉より排出される還元性排ガスから微粒子等を集塵することができ、熱交換器や燃料電池に微粒子等が入ることを防止して、耐久性を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明に係る溶融還元発電システムの運転方法は、金属原料を予備還元する予備還元炉と該予備還元された金属原料を溶融還元して溶融金属とする溶融還元炉とを有する溶融還元設備と、
固体電解質を挟んで燃料極と空気極が配置され、燃料極に供給した燃料ガスと空気極に供給した酸化性ガスとを反応させて発電する固体電解質型燃料電池と、を備える溶融還元発電システムの運転方法で、
溶融還元炉から排出される還元性排ガスを熱交換器により冷却して燃料極に供給し、酸化性ガスを熱交換器で冷却時に得られた熱で加熱して空気極に供給し、燃料極から反応後に排出される反応排ガスを予備還元炉に供給することを特徴としている。
【００１３】
前記のように構成された運転方法によれば、溶融還元炉から排出される極高温の還元性排ガスを熱交換器で冷却しながら、燃料電池の空気極に供給する酸化性ガスを前記の熱交換器で加熱でき、熱エネルギーの無駄を省いて起動時間を短縮することができる。燃料極から反応後に排出される反応排ガスは予備還元炉に供給され、大気中に放出されないため、未処理ガスの放出を少なくすることができる。また、燃料極と空気極は共に加熱されて熱膨張するため熱応力が発生せず、燃料電池の耐久性を向上できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、溶融還元設備で溶銑を得る際に発生する還元性排ガスと、熱エネルギーとを有効に利用して、固体電荷質型燃料電池を効率良く運転することができる。このため、発電効率を高めることができ、燃料電池内部の熱応力の発生を防止して燃料電池の耐久性を高めることができる。また、燃料電池から排出される燃料極オフガスを反応排ガスとして予備還元炉に供給して金属原料を予備還元するため、未処理ガスの放出を最小限とすることができる。さらに、システムの小型化を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る溶融還元発電システムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る溶融還元発電システムのシステム構成図、図２は図１のシステムで使用する固体電解質型燃料電池の概略構成図である。図１，２において、本実施形態の溶融還元発電システムは、溶融還元設備１と、固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下、燃料電池という）１０とを備えており、溶融還元設備１は溶融還元炉２と、予備還元炉３とを用いて金属原料として、例えば鉄鉱石などの酸化物を含む鉄原料を溶融状態で還元して、鉄やフェロアロイを得る設備である。
【００１６】
この溶融還元設備１は、溶融還元炉２と予備還元炉３とを組み合わせて使用するもので、溶融還元炉２では炉内に鉱石、石炭などを装入したうえ酸素を吹き込み、溶融状態で鉱石を還元する。このとき溶融還元炉２からは、ＣＯガス、Ｈ２ガスを主成分とする１６００〜１７００℃程度の高温の還元性排ガス５が生成される。従来の溶融還元設備では、この還元性排ガスを冷却して予備還元炉に供給しているが、本実施形態では還元性排ガスを燃料電池１０の燃料極に供給し、酸化性ガスと反応させた後に予備還元炉に供給している。還元性排ガス５は燃焼性を有しており、予備還元炉３は溶融還元炉２から発生する還元性排ガス５中のＣＯガス、Ｈ２ガスで鉄原料等の金属原料を固体状態で予備還元する。
【００１７】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１０は固体酸化物形燃料電池とも呼ばれ、その単電池すなわち単セルは、固体酸化物電解質１１を挟んで燃料極１２および空気極（酸化材として酸素が用いられる場合は酸素極）１３が配置され、燃料極１２、固体酸化物電解質１１、空気極１３の３層ユニットとして構成される。図２が、その構成を概略的に説明する図である。
【００１８】
燃料電池１０は固体電解質１１の一方側に燃料極１２を、他方側に空気極１３を備え、燃料極１２にＣＯガス、Ｈ２ガス等の燃料ガスとして還元性排ガス５を供給し、空気極１３に空気等の酸化性ガスを供給して反応させて発電するものである。すなわち、空気極１３に導入される空気６は空気極で酸化物イオン（Ｏ２−）となり、固体電解質１１を通って燃料極１２に至る。
【００１９】
ここで、酸化物イオンは、燃料極１２に導入される還元性排ガス５と反応して電子を放出し、電気と水等の反応生成物を生成する。生成された電気は、外部の電気負荷７で使用される。空気極１３で反応に利用された空気は空気極オフガス６ｂとして排出され、燃料極１２で利用され反応後に排出される反応排ガスは、燃料極オフガス５ｂとして予備還元炉３に供給される。空気極１３に供給される空気６は、図１に示されるようにブロア２２によって供給される。酸化性ガスは酸素を使用してもよい。
【００２０】
本実施形態の溶融還元発電システムは、前記の溶融還元設備１と、固体電解質型燃料電池１０とを複合して構成したことを特徴とする。溶融還元炉２から排出される還元性の排ガス５を、燃料電池１０の燃料極１２に供給するように、溶融還元炉２と燃料電池１０は配管２０で接続され、ガス通路としての配管２０の途中に集塵装置１５と熱交換器１６が設置されている。集塵装置１５は排ガス中の微粒子を捕集するものであり、熱交換器１６は還元性排ガスの温度を下げて冷却すると共に、冷却時に得られた熱で空気極１３に供給する空気６の温度を昇温するものである。
【００２１】
燃料電池１０の空気極１３には酸化性ガスとして空気６を供給する配管２１が接続され、この配管の開放端部に前記の空気を吹き込むブロア２２が設置されている。配管２１は途中で熱交換器１６を経由して内部を流れる空気６が加熱されるように構成されている。燃料電池１０の燃料極側から出る配管２３は予備還元炉３に接続されており、空気極側から出る配管２４は大気中に解放している。予備還元炉３から溶融還元炉２には点線で示すように、鉄原料が予備還元されて移動するように構成されている。なお、図示していないが、予備還元炉３には鉄原料と、石炭等が投入され、溶融還元炉２からは還元された溶銑がスラグと分離されて取出される。
【００２２】
前記の構成により、燃料電池１０の空気極１３には酸化性ガスとして空気６がブロア２２により供給され、この空気６は途中で熱交換器１６を経由して還元性排ガスを冷却したときに得られる熱で加熱される。燃料電池１０では燃料極１２に供給された高温の還元性排ガス５と、空気極１３に供給された高温の空気６とが反応して発電され、燃料極側から反応後の還元性を有する燃料極オフガス５ｂが排出され、空気極側から空気極オフガス６ｂが排出される。発電された電気は燃料極１２と空気極１３とから出力され、燃料極１２と空気極１３に電気負荷７が接続される。
【００２３】
前記の如く構成された本実施形態の溶融還元発電システムの動作について以下に説明する。まず、予備還元炉３に鉄原料と石炭等を投入し、溶融還元炉２に石炭と造滓材等を投入して溶融還元設備１を稼動させる。この設備の稼動で溶融還元炉２からは還元性の排ガス５が排出される。この還元性排ガス５のガス成分は、例えば一酸化炭素（ＣＯ）が４５．２％、二酸化炭素（ＣＯ２）が２０．１％、水素（Ｈ２）が１６．６％、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が１３．２％、窒素（Ｎ２）が４．９％で、１６００℃の極高温であり、石炭等の投入量にもよるが、例えば４００００Ｎｍ３／ｈの発生量である。
【００２４】
溶融還元設備１の溶融還元炉２から発生されるＣＯガス、Ｈ２ガスを含む極高温の還元性排ガス５は、集塵装置１５で微粒子やごみが除去され、熱交換器１６を介して冷却され燃料電池１０の燃料極１２に供給される。集塵装置１５では還元性排ガス５の微粒子を除去するため、下流側の熱交換器１６や燃料極１２へ微粒子が進入するのを防止している。熱交換器１６では、還元性の排ガス５は温度が下げられ、例えば８００℃程度の高温状態の冷却された還元性排ガス５ａとなる。
【００２５】
一方、ブロア２２から供給された酸化性ガスとしての空気６は熱交換器１６で８００℃程度に加熱されて加熱空気６ａとなり、空気供給路である配管２１から燃料電池内の空気極１３に供給される。燃料電池１０では、還元性排ガス５（５ａ）と空気６とが反応して発電され、例えば３０００ｋＷの電力を出力するとき、反応後の燃料極オフガス５ｂは、一酸化炭素（ＣＯ）が４１．６％、二酸化炭素（ＣＯ２）が２３．７％、水素（Ｈ２）が１５．３％、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が１４．５％、窒素（Ｎ２）が４．９％となり、８００℃程度の高温状態で予備還元炉３に供給され、固体の鉄鉱石等の鉄原料を予備還元し、反応後の空気極オフガス６ｂはそのまま排出される。燃料極オフガス５ｂは予備還元炉３で鉄原料中の酸素で酸化されるため、未反応ガスとして大気中に放出されることはない。
【００２６】
発電された電力は燃料極１２と空気極１３から出力され、外部の電気負荷７に出力される。燃料電池１０では、燃料極１２に供給される還元性排ガス５と、空気極１３に供給される空気６とが略同じ高温状態であり、起動時間を短縮できる。また、両電極が略同じ高温状態で熱応力が発生しにくいため、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。燃料電池１０から反応後に排出された燃料極オフガス５ｂは、予備還元用の排ガスとして予備還元炉３に供給され、内部の鉄鉱石等を固体状態で予備還元する。そして、予備還元された鉄原料は溶融還元炉２に搬送され、十分に還元されてスラグと分離されて溶銑として取出される。予備還元炉３で鉄原料を予備還元した後の排ガスは、図示していないが大気中に放出される。
【００２７】
燃料電池１０の燃料極１２から排出され予備還元炉３に供給される排ガスのガス成分は、次式（１）、（２）に示される条件が必要となる。
ＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ２）＞０．３６  …（１）
Ｈ２  ／（Ｈ２＋Ｈ２Ｏ）＞０．５    …（２）
【００２８】
このような条件の反応後の燃料極オフガス５ｂが予備還元炉３に導入されると、予備還元炉３で鉄原料を効率良く予備還元して、つぎの溶融還元炉２内での工程で鉄原料を確実に還元して溶銑を効率良く形成することができる。
【００２９】
この溶融還元発電システムは、溶融還元炉２から排出される排ガスがＣＯガス、Ｈ２ガスを多量に含む成分で強い還元性を示すものであり、固体電解質型燃料電池１０は、溶融還元炉２から排出されるＣＯガス、Ｈ２ガスを主成分とする還元性排ガス５を用いて発電できるため、還元性排ガス５を有効に使用でき発電効率を高めることができる。また、還元性排ガス５の極高温を利用して空気極１３に供給する空気６等の酸化性ガスを十分に加熱できるため、起動を早めることができると共に、燃料極１２と空気極１３との温度差を少なくして熱応力の発生を抑えることができる。この結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００３０】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、固体電解質型燃料電池は平板型や円筒型のどちらの形式の燃料電池でもよい。また、集塵装置はフィルタを備えたものや、サイクロン型等、適宜のものを適用できる。金属原料として鉄原料の例を示したが、他の金属でもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る溶融還元発電システムの一実施形態のシステム構成図。
【図２】図１のシステムで使用する固体電解質型燃料電池の概略構成図。
【符号の説明】
【００３２】
１：溶融還元設備、２：溶融還元炉、３：予備還元炉、５：還元性排ガス（燃料ガス）、５ａ：冷却された還元性排ガス、５ｂ：燃料極オフガス（反応排ガス）、６：空気（酸化性ガス）、６ａ：加熱された空気、１０：燃料電池（固体電解質型燃料電池）、１１：固体電解質（固体酸化物）、１２：燃料極、１３：空気極、１５：集塵装置、１６：熱交換器、２０：配管（通路）
【図１】
2005166430.tif 000003
【図２】
2005166430.tif 000004