(57)【要約】【課題】石炭等の炭素質資源をガス化して還元性ガスを製造し、この還元性ガスを用いて還元鉄、水素、電力を効率的に併産する方法を提供する。【解決手段】硫黄分を含有する炭素質原料１５（石炭等）を酸素１６により部分燃焼させて還元性ガス１１を製造し、還元性ガス１１と鉄鉱石２を固体還元炉４中で接触させて鉄鉱石を還元し、硫黄分を含有する固体の還元鉄３を製造すると共に脱硫された還元性ガス１１を製造することを特徴とする炭素質資源の効率的活用方法である。還元性ガス１１に含まれる硫黄分を固体還元炉４内で還元鉄３に移動することによって脱硫された還元性ガス１１を得る。硫黄分を含有する固体の還元鉄３を高炉に投入する。脱硫された還元性ガス１１を水素ガス製造及び／又は複合発電に利用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫黄分を含有する炭素質原料を酸素により部分燃焼させて還元性ガスを製造し、該還元性ガスと鉄鉱石を固体還元炉中で接触させて鉄鉱石を還元し、硫黄分を含有する固体の還元鉄を製造すると共に脱硫された還元性ガスを製造することを特徴とする炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項２】
前記固体還元炉から排出された還元性ガスと、該還元性ガスに同伴して排出された鉄鉱石および還元鉄の微粉とを分離することを特徴とする請求項１に記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項３】
還元性ガスに含まれる硫黄分を還元鉄に移動することによって脱硫された還元性ガスを得ることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項４】
前記炭素質原料が石炭であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項５】
前記炭素質原料が、石炭に加えて、バイオマスと廃プラスチックの一方又は両方を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項６】
前記還元性ガスを製造するガス化炉に引き続いて冷却炉を有し、バイオマスと廃プラスチックの一方又は両方を含む炭素質原料を冷却炉中に投入することを特徴とする請求項５に記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項７】
前記固体還元炉がシャフト炉又は流動層炉であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項８】
前記硫黄分を含有する固体の還元鉄を、高炉に投入することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項９】
前記脱硫された還元性ガスを、水素ガス製造及び／又は複合発電に利用することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【請求項１０】
前記脱硫された還元性ガスに水及び／又は水蒸気を添加し、該還元性ガスの顕熱を熱源として利用して還元性ガス中のＣＯガスをＨ２ガスとＣＯ２ガスに改質し、該ＣＯ２ガスを吸収分離することにより水素ガスを製造することを特徴とする請求項９に記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭等の炭素質資源をガス化して還元性ガスを製造し、この還元性ガスを用いて還元鉄、水素、電力を効率的に併産する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体還元炉内でＣＯガスやＨ２ガスを主成分とする還元性ガスを用いて還元鉄を作る方法が知られている。固体還元炉としてはシャフト炉や流動層が用いられる。図２にシャフト炉を用いた還元方法の一例を示す。還元性ガス発生装置１にて天然ガスを水蒸気で改質してＨ２ガスとＣＯガスを主成分とする７００〜９００℃の還元性ガスを製造し、固体還元炉４内で鉄鉱石２と還元性ガスが直接接触して、ＣＯ、Ｈ２がＣＯ２、Ｈ２Ｏに変化して鉄鉱石中の酸素を除去して還元する。鉄鉱石を還元したガスは、まだ温度が高く、鉄粉ダストを含み、ＣＯ、Ｈ２をまだ含むことから、熱回収装置５で熱回収、集塵装置６で脱塵、ガス冷却装置７で冷却、脱炭酸装置９で脱炭酸された後、ガス加熱炉１０で再加熱されて還元性ガスとして再利用される。
【０００３】
還元性ガスを製造する原料として、天然ガスのかわりに石炭が使用できると好適である。石炭は埋蔵量の豊富さ、供給の安定性、価格の低廉性から長期にわたり安定して使用できるからである。図３には、石炭を原料として還元鉄を製造する方法の一例を示す。還元性ガスの製造には石炭ガス化炉１２が用いられる。石炭１５を粉砕した微粉炭をガス化バーナーから酸素ガス１６（必要に応じて蒸気１７を添加する）とともにガス化炉１２に吹き込んでガス化する。ガス化温度は、石炭中の灰分を溶融して分離するため１４００〜１７００℃の高温で行うのが一般的である。ガス化したガスは、ガス化炉上部を通って冷却炉１３にはいる。石炭中の灰分の大部分は、溶融してガス化炉下部から落下して固化スラグになる。冷却炉１３では、内部に輻射ボイラーを配置して輻射伝熱でガスを冷却し、あるいは冷却炉から排出したガスを熱回収、集塵、冷却した後に冷却炉に吹き込んでガスを冷却する。
【０００４】
特許文献１には、石炭ガス化による還元性ガスの製造と、そのガスを利用して行う鉄鉱石還元を効率的に組み合わせた発明が記載されている。天然ガスから製造した還元性ガスを用いた場合には、還元に使用したガスを熱回収、脱塵、冷却、脱炭酸した後、再加熱して還元性ガスとして再利用していた。それに対し、石炭ガス化による還元性ガスを用いる場合には、還元に使用したガスを図３に示すように還元炉４から排出した還元性ガスの一部を熱回収装置５で熱回収、集塵装置６で脱塵、ガス冷却装置７で冷却、脱炭酸装置９で脱炭酸された後、再加熱せず、冷却炉に吹き込む。ガス化炉でガス化された高温のガスとリサイクルされた低温の還元性ガスが冷却炉で混合され、鉄鉱石還元に好適な７００〜９００℃の温度に調整することができる。
【０００５】
特許文献１に記載の発明において、還元に使用したガスを脱炭酸した後、その一部を系外に取り出すようにしている。石炭をガス化して還元性ガスを製造する場合、石炭中の硫黄が転化した硫化水素ガスが含有される。そのため、系外に抜き出すガスの処理については、ガス中の硫黄を除去する脱硫装置等を必要に応じて設置することが好ましいとしている。
【０００６】
特許文献２には、図４に示すように、石炭をガス化して還元性ガスを含む合成ガスを生成し、前記還元性ガスを利用して鉄鉱石を還元して還元鉄を製造する石炭ガス化直接還元製鉄法が記載されている。石炭ガス化炉ガスに含まれるＨ２Ｓ等の硫黄化合物の還元鉄品質に与える影響を考えると、石炭ガス化炉ガスの脱硫をすることが望ましく、石炭ガス化炉ガスは熱間脱硫を行うことが望ましいとしている。そのため、還元炉の手前に脱硫装置２０を設けている。また、鉄鉱石を還元した４００〜５００℃のガスは、ガス化原料の石炭の乾燥に利用している。
【０００７】
非特許文献１には、石炭ガス化炉ガスで製造したガスを燃料とする石炭ガス化複合発電について記載されている。一例を図５に示す。石炭ガス化還元性ガスは、サイクロンで粗集塵された後に熱回収装置５で熱回収、集塵装置６で脱塵、ガス冷却装置７で冷却を行い、さらに脱硫装置２１での脱硫により清浄化された後に、ガスタービン、蒸気タービンの複合発電装置２２に供される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２１２６２０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４６４２０号公報
【特許文献３】
特開平８−２５３８０１公報
【非特許文献１】
「ガス化複合サイクル発電」  火力原子力発電  Ｖｏｌ．５２，  Ｎｏ．１０  （２００１），  ｐｐ１２４４−１２５２
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
石炭ガス化炉やその周辺設備はその建設費が高いため、石炭ガス化直接還元製鉄あるいは石炭ガス化複合発電を商業化する上での障害となっている。本発明は、設備投資効率を向上して石炭ガス化直接還元製鉄や石炭ガス化複合発電を商業化可能とすることを第１の目的とする。
【００１０】
石炭をガス化したガス中には硫黄分が含まれる。一方、還元製鉄で製造された還元鉄は、一般的に電気炉原料として用いられ、不純物としての硫黄分が低いことが要請される。そのため、石炭ガス化直接還元製鉄においては、特許文献２に記載のように、還元炉の手前にガスの脱硫装置２０を設けることが必要とされる。そのために、脱硫が可能な４００〜５００℃の温度まで一旦冷却して脱硫した後に約９００℃まで再加熱してから還元炉に投入せざるを得なかった。石炭ガス化複合発電においても、非特許文献１に記載のように、複合発電に供される前に脱硫装置２１によってガスの脱硫が行われる。石炭ガス化直接還元製鉄で用いられた還元性ガスを系外に抜き出して再利用するに際しても、特許文献１に記載のようにガス中の硫黄を除去する脱硫装置を設置すると好ましいとされている。このように、石炭ガス化ガスを用いるに際しては必ず脱硫装置の設置が不可欠であり、これが石炭ガス化炉周辺設備の建設費を高める要因となっていた。本発明は、石炭ガス化直接還元製鉄あるいは石炭ガス化複合発電において、脱硫設備の設置を不要とすることを第２の目的とする。併せて、脱硫設備以外の付帯設備についてもその簡素化を図ることを目的とする。
【００１１】
地球温暖化問題への対応は、新エネルギーの開発・実用化、低二酸化炭素発生エネルギーへのシフト、原子力比率の向上、既存一次エネルギーの効率的かつ合理的利用、未利用エネルギーや廃棄物エネルギーの利用等で進められている。特にバイオマスはカーボンニュートラルであり、積極的に利用して石油、石炭等を代替すべき資源であるといえる。また廃プラスチックについても、積極的に利用して石油、石炭等を代替すべき資源であるといえる。本発明は、バイオマスや廃プラスチックを石炭の代替として使用し、二酸化炭素の排出量を削減することを第３の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）硫黄分を含有する炭素質原料１５を酸素１６により部分燃焼させて還元性ガス１１を製造し、還元性ガス１１と鉄鉱石２を固体還元炉４中で接触させて鉄鉱石を還元し、硫黄分を含有する固体の還元鉄３を製造すると共に脱硫された還元性ガス１１を製造することを特徴とする炭素質資源の効率的活用方法。
（２）固体還元炉４から排出された還元性ガス１１と、還元性ガス１１に同伴して排出された鉄鉱石および還元鉄の微粉とを分離することを特徴とする上記（１）に記載の炭素質資源の効率的活用方法。
（３）還元性ガス１１に含まれる硫黄分を還元鉄３に移動することによって脱硫された還元性ガス１１を得ることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の炭素質資源の効率的活用方法。
（４）炭素質原料１５が石炭であることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
（５）炭素質原料１５が、石炭に加えて、バイオマスと廃プラスチックの一方又は両方を含むことを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
（６）還元性ガス１１を製造するガス化炉１２に引き続いて冷却炉１３を有し、バイオマスと廃プラスチックの一方又は両方を含む炭素質原料を冷却炉１３中に投入することを特徴とする上記（５）に記載の炭素質資源の効率的活用方法。
（７）固体還元炉４がシャフト炉又は流動層炉であることを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
（８）前記硫黄分を含有する固体の還元鉄３を、高炉に投入することを特徴とする上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
（９）前記脱硫された還元性ガス１１を、水素ガス製造及び／又は複合発電に利用することを特徴とする上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の炭素質資源の効率的活用方法。
（１０）前記脱硫された還元性ガス１１に水及び／又は水蒸気を添加し、該還元性ガスの顕熱を熱源として利用して還元性ガス中のＣＯガスをＨ２ガスとＣＯ２ガスに改質し、該ＣＯ２ガスを吸収分離することにより水素ガスを製造することを特徴とする上記（９）に記載の炭素質資源の効率的活用方法。
【００１３】
本発明において、硫黄分を含有する炭素質原料、特に石炭を用いて製造した還元性ガス中の硫黄について、還元炉４で還元性ガスから還元鉄に移動し、硫黄分を含有する固体の還元鉄を製造し、結果として還元炉４から排出された還元性ガスは脱硫されてなることを特徴とする。そのため、還元炉４から排出された還元性ガスを水素ガス製造原料や複合発電燃料として利用するに際しても、還元性ガスから硫黄分を除去するための脱硫設備を設置する必要がない。また、還元性ガス中の硫黄分は還元鉄中に移動するので、還元炉投入前の還元性ガスから硫黄分を除去するための脱硫設備も設置する必要がない。
【００１４】
本発明で好ましくは、製造した固体の還元鉄を高炉装入原料として高炉に投入する。高炉はそれ自体で脱硫機能を有しているので、装入された還元鉄中に硫黄が含まれていても、高炉で製造される銑鉄の硫黄分の上昇は極めて僅かである。そのため、本発明によって製造した硫黄分を含有する還元鉄であっても、何ら問題なく製鉄原料として使用することができる。
【００１５】
高炉内で鉄鉱石を還元する還元剤はコークスであり、コークス製造用の石炭には安価な一般炭はほとんど用いることができない。それに対し、石炭ガス化直接還元製鉄には安価な一般炭を用いることが可能である。従って、本発明の石炭ガス化還元製鉄で製造した還元鉄を高炉に装入することにより、全体として製鉄に使用する石炭のコストを低減することが可能になる。
【００１６】
本発明において、炭素質原料をガス化して製造した還元性ガスについて、まず固体還元炉中で鉄鉱石を還元するのに使用し、その後水素ガス製造や複合発電に使用される。そのため、還元性ガスの熱回収装置、集塵装置等を共用することができる。従って、還元製鉄と複合発電を別々に実施する設備に比較し、付帯設備を効率的に使用することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に基づいて本発明の説明を行う。
【００１８】
まず、硫黄分を含有する炭素質原料を酸素により部分燃焼させて還元性ガスを製造するためのガス化炉について説明する。特に炭素質原料が石炭である場合について説明を行うので、石炭ガス化炉１２と呼ぶことがある。
【００１９】
石炭１５を粉砕した微粉炭をガス化バーナーから酸素ガス１６に必要に応じて蒸気１７を加えたガスとともにガス化炉１２に吹き込む。ガス化温度は、石炭中の灰分を溶融して分離するため１４００〜１７００℃の温度とする。これにより、ガス化炉内においてＣＯ、Ｈ２を主成分とする還元性ガスを製造する。生成した還元性ガス１１には、石炭から持ち込まれる硫黄に起因するＨ２Ｓ（一部ＣＯＳ）が５００〜５０００ｐｐｍ含まれる。ガス化したガスは、ガス化炉上部を通って冷却炉１３に入る。石炭中の灰分の大部分は、溶融してガス化炉下部から落下し、水槽で固化スラグになる。
【００２０】
冷却炉１３では、内部に輻射ボイラーを配置して輻射伝熱でガスを冷却し、あるいは冷却炉に生成したガスや還元炉から排出された還元性ガスの一部を熱回収、集塵、ガス冷却したガスの一部を冷却炉に吹き込んでガスを冷却する。冷却炉にバイオマスや廃プラスチックを含む炭素質原料を吹き込む本発明については、後で詳述する。
【００２１】
ガス中には若干の固形分が残存しているために、必要に応じてサイクロン１４にて固形分を除去する。固形分はガス化原料として利用される。還元炉４の形態が流動層であればサイクロンは必要としない。
【００２２】
次に、ガス化炉１２で生成した還元性ガス１１と鉄鉱石２を接触させて鉄鉱石を還元する固体還元炉４について説明する。固体還元炉４としてはシャフト炉や流動層炉を用いることができる。ここではシャフト炉を例にとって説明を行う。
【００２３】
シャフト炉４の内部にはペレット状の鉄鉱石または鉄鉱石塊が充填され、順次シャフト炉４を下降する過程で還元性ガス１１によって還元され、シャフト炉下端から還元鉄３として排出される。シャフト炉４の上端から鉄鉱石２が投入され、シャフト炉内の鉄鉱石を補充する。一方、シャフト炉４の下端から約９００℃の還元性ガス１１が送り込まれ、シャフト炉内を上昇する過程で鉄鉱石と還元性ガスが直接接触し、還元性ガス中のＣＯ、Ｈ２がＣＯ２、Ｈ２Ｏに変化して鉄鉱石中の酸素を除去して還元する。還元性ガスは還元反応を進行させつつシャフト炉内を上昇し、シャフト炉上端から排出される。
【００２４】
シャフト炉下端から送り込む還元性ガスの温度は７００〜９００℃とし、シャフト炉下端における固体（還元鉄、鉄鉱石）の温度も当該ガス温度よりやや低い温度に保たれる。シャフト炉内での還元反応を効率的に行うために上記温度が選定される。シャフト炉内上下方向の温度分布については、上方に行くほど還元性ガス、固体（還元鉄、鉄鉱石）ともに温度が低くなる。シャフト炉上端におけるガスと固体の温度は、固体の流量（ｋｇ／ｈ）と固体の比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ／ｄｅｇ）の積Ｗｓとガスの流量（ｋｇ／ｈ）とガスの比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ／ｄｅｇ）の積Ｗｇとの比（Ｗｓ／Ｗｇ）とシャフト炉下端から送り込む還元性ガスの温度を調整することによって調整することができる。
【００２５】
従来、石炭ガス化直接還元製鉄で製造された還元鉄は、電炉製鋼原料として主に用いられていた。電炉で製造する鋼は低い硫黄含有量とすることが要請されるので、原料としての還元鉄も当然低い硫黄含有量とすることが要請される。
【００２６】
そのため、従来は還元炉に入る前に脱硫設備を設け、還元性ガス中の硫黄分を除去する必要があった。
【００２７】
一方、還元炉前に脱硫設備を設けない場合における炉内での硫黄分の反応について述べる。還元炉内で還元性ガス中のＨ２Ｓが鉄鉱石と反応してＦｅＳとなる反応は、４００〜６００℃の温度範囲で進行する。従来は、この反応の進行を極力阻止するため、シャフト炉内で４００〜６００℃の温度範囲となる領域をできるだけ回避するような温度分布が採用されていた。具体的には、シャフト炉上端における還元性ガス温度を５５０〜７００℃の温度範囲程度としていた。これにより、シャフト炉に送り込む還元性ガス中の硫黄分の５０％程度が還元鉄中に移動し、残りの５０％が還元性ガス中に残存したままで還元炉から排出されていた。
【００２８】
本発明においては、シャフト炉４に送り込む還元性ガス中の硫黄分のできるだけ多くを還元鉄中に移動させる。そのため本発明においては、シャフト炉上端における還元性ガスの温度を４００〜６００℃とする。４００〜５００℃とするとより好ましい。これにより、還元性ガスから還元鉄中に硫黄分が移動する脱硫が進行する４００〜６００℃の温度範囲となる領域を広げることができる。その結果、シャフト炉に送り込む還元性ガス中の硫黄分の９０％程度が還元鉄中に移動し、還元性ガス中に残存したままで還元炉から排出される硫黄分を１０％以下まで抑えることが可能になる。
【００２９】
還元炉４から排出された還元性ガス１１には鉄鉱石及び還元鉄の微粉が同伴する。還元性ガス１１は集塵装置６に導かれ、還元性ガス中の上記微粉は、集塵装置６によって集塵される。ところで、還元炉４の上端から集塵装置６までの間、還元性ガス１１の温度は４００℃以上の高温に保たれ、還元性ガス中に含まれる鉄鉱石や還元鉄の微粉温度も同じ温度に保たれる。この温度は還元性ガスの脱硫をさらに進行させる温度域であるので、還元性ガス中に残存したＨ２Ｓは、集塵装置６に到達するまでの間に還元性ガス中の鉄鉱石や還元鉄微粉に移動し、この微粉が集塵装置６で集塵されるので、集塵装置６を通過した後の還元性ガスの硫黄分をさらに低減することができる。
【００３０】
以上のように、本発明においては、還元性ガスに含まれる硫黄分を還元鉄に移動することによって脱硫された還元性ガスを得ることを特徴とするので、固体還元炉から排出された還元性ガスを脱硫するための脱硫設備を必要としない。
【００３１】
本発明で硫黄分を含有する炭素質原料とは、硫黄分を０．１％以上含有する炭素質原料をいう。硫黄分を含有する炭素質原料の代表例は石炭である。これに、後述するようにバイオマスと廃プラスチックの一方又は両方を含有させることができる。石炭チャーを使用することもできる。これらの炭素質資源を微粉状または粒状にして用いる。ＣＯ、Ｈ２ガスが生成されれば、炭素質資源の種類は問わない。従って各種の炭素質資源が利用できる。
【００３２】
また、本発明で硫黄分を含有する固体の還元鉄とは、硫黄分を０．０３％以上含有する固体の還元鉄をいう。
【００３３】
さらに、脱硫された還元性ガスとは、還元性ガス中の硫黄分が７０ｐｐｍ以下のものをいう。これにより、そのまま、燃焼炉用の燃料として利用することが可能になる。硫黄分が５０ｐｐｍ以下であればより好ましい。これにより、複合発電用燃料として利用することが可能になる。ただし、硫黄分を数％含むような高硫黄石炭を用いる場合には脱硫装置が必要な場合もあるが、その能力は著しく軽減できる。
【００３４】
本発明においては、炭素質原料として、石炭に加えて、バイオマスと廃プラスチックの一方又は両方を含むこととすることができる。本発明では、バイオマスのうちで気流搬送が容易な木質系および農業系バイオマスを対象としている。バイオマスについての定義はＦＡＯ（国連食糧農業機関）の定義に準ずる。即ち、木質系バイオマスとは、ＦＡＯ定義における林業系バイオマスと、廃棄物系バイオマスの一部を指し、製紙廃棄物、製材廃材、除間伐材、薪炭林、庭木、木材などの建設廃材、などが該当する。また農業系バイオマスとは、麦わら、もみがら等の農業系廃棄物および菜種、大豆等の農業系エネルギー作物、などが該当する。これを使用するのは、含有水分が少なく（〜５０質量％）湿分基準の発熱量が高く、気流搬送が可能な粒子に容易に加工できるためである。また廃プラスチックとは、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）等のパラフィン系の高分子化合物やポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を含む物質である。ただし、ＰＶＣは設備の腐食を回避するために極力低減する必要があり、石炭を除く炭素質原料のうちの１０％以下に抑えることが好ましい。バイオマスや廃プラスチックを炭素質原料として用いることにより、石炭の代替として二酸化炭素の排出量を削減することができ、地球温暖化に対応することができる。
【００３５】
バイオマスや廃プラスチックを石炭に加えてガス化炉に送り込むに際しては、粒径を５ｍｍ以下に加工または造粒することが必要である。
【００３６】
前述のとおり、石炭ガス化炉１２において１４００〜１７００℃の温度で石炭のガス化を行って還元性ガスを生成した後、生成した還元性ガスは冷却炉１３へ送られ、冷却炉１３において還元性ガスを１０００℃程度まで冷却する。通常冷却炉１３では、前述のとおり内部に輻射ボイラーを配置して輻射伝熱でガスを冷却し、あるいは冷却炉１３で生成したガスや還元炉から排出された還元性ガスの一部を熱回収、集塵、ガス冷却したガスの一部を冷却炉１３に吹き込んでガスを冷却する。
【００３７】
本発明においては、冷却炉１３にバイオマスや廃プラスチックを含む炭素質原料を吹き込んで冷却を行うと好ましい。冷却炉内の温度領域においても、炭素質原料のガス化を進行させることができ、この反応進行時にガスから熱を奪うので冷却を行うことができる。一方、冷却炉内の温度においては灰分が固化するので、灰分含有量の多い炭素質原料、例えば石炭は冷却炉内に吹き込む炭素質原料としては好ましくない。それに対し、バイオマスや廃プラスチックは灰分の含有量が少なく、冷却炉内に吹き込んでも灰分に起因する問題が発生しないので、冷却炉内に吹き込む炭素質原料としては最も好ましい。即ち、バイオマスと廃プラスチックの一方又は両方を含む炭素質原料を冷却炉中に投入することにより、灰分の問題を起こすことなく、還元性ガスを冷却すると同時に還元性ガスを増産することができる。
【００３８】
以上、固体還元炉としてシャフト炉を用いる場合について説明を行ってきたが、固体還元炉として流動層炉を用いることとしてもよい。複数の流動層還元器を準備し、原料の鉄鉱石粉末を初段の流動層還元器に投入し、順次下段の流動層還元器に送られる。一方、還元性ガスは最終段の流動層還元器の下方から送り込んで還元器内で鉄鉱石粉を流動層化して還元反応を進行させ、鉄鉱石粉の流れとは逆に順次上段の流動層還元器に送られる。
【００３９】
本発明で製造した硫黄分を含有する固体の還元鉄３は、高炉に投入することとすると特に好ましい。前述のとおり、高炉はそれ自体で脱硫機能を有しているので、装入された還元鉄中に硫黄が含まれていても、高炉で製造される銑鉄の硫黄分の上昇は極めて僅かである。そのため、本発明によって製造した硫黄分を含有する還元鉄であっても、何ら問題なく製鉄原料として使用することができるからである。また、高炉装入原料とするので、特許文献３に述べられているように、還元炉における金属化率（金属鉄量／鉄鉱石中の総鉄量×１００（％））は９０％以上である必要はない。本発明においては金属化率は４０〜８０％を狙いとすると好ましい。
【００４０】
また高炉内で鉄鉱石を還元する還元剤はコークスであり、コークス製造用の石炭としては高価な粘結炭が使用され、安価な一般炭の使用割合は制限される。それに対し、石炭ガス化直接還元製鉄には安価な一般炭のみを用いることが可能である。従って、本発明の石炭ガス化還元製鉄で製造した還元鉄を高炉に装入することにより、全体として製鉄に使用する石炭のコストを低減することが可能になる。
【００４１】
本発明で製造した脱硫された還元性ガスを、水素ガス製造及び／又は複合発電に利用することとすると特に好ましい。還元性ガス中の硫黄分が低いので、脱硫設備を通さなくてもこのままの状態で水素ガス製造や複合発電に利用することができる。また、冷却の過程で大部分の水蒸気は除去され、脱炭酸装置を通過することで還元性ガス中のＣＯ２が除去され、ＣＯ及びＨ２を主成分とする還元性ガスとすることができる。このような成分の還元性ガスは、水素ガス製造及び／又は複合発電に用いるガスとして好適である。
【００４２】
本発明において、脱硫された還元性ガスに水及び／又は水蒸気を添加し、該還元性ガスの顕熱を熱源として利用して還元性ガス中のＣＯガスをＨ２ガスとＣＯ２ガスに改質し、該ＣＯ２ガスを吸収分離することにより水素ガスを製造することとすると好ましい。
【００４３】
脱硫された還元性ガスは、還元炉４から排出された時点で４００℃前後以上の高温であり、集塵装置６で集塵を行った後にシフト反応器２４において水や水蒸気を添加すれば、還元性ガスの顕熱を熱源として利用し、触媒反応によりシフト反応を起こさせ、還元性ガス中のＣＯガスをＨ２ガスとＣＯ２ガスに改質することができる。次いで熱回収装置５で還元性ガスを冷却し、さらに脱炭酸装置９を通してＣＯ２ガスを吸収分離すれば、結果として水素ガスを製造することができる。鉄鉱石還元後の還元性ガス中のＣＯ２濃度は２０％以上あり、さらにシフト反応後のＣＯ２は５０％以上の高濃度となるため、アミン吸収法等により高効率でＣＯ２分離が可能である。吸収液の再生に必要な熱はプロセスの熱回収から生成した低圧蒸気、または都市ゴミ等を燃焼させて生成する低圧蒸気を活用することができる。
【００４４】
このようにして製造した水素ガスは、そのまま製鉄所においては鉄鋼製品の熱処理用の還元性ガスとして、また燃料電池用の原料として使用することができる。さらに水素ガスを圧縮して複合発電に供することも可能である。なお、シフト反応を行わない場合でも、ガスを圧縮した後複合発電に供することができる。
【００４５】
即ち、還元炉から排出された還元性ガスの用途としては、還元性ガスをシフト反応−脱炭酸したあとに水素製造または複合発電に用いる方法、還元性ガスを脱炭酸したあとに複合発電に用いる方法、還元性ガスをそのまま複合発電に用いる方法のいずれをも採用することができる。もちろん、還元炉４から排出された還元性ガスの一部又は全部を、冷却炉１３に戻して還元性ガスを冷却すると共に、再度還元炉４における還元性ガスとして用いることとしてもよい。
【００４６】
本発明において、炭素質原料をガス化して製造した還元性ガスについて、まず固体還元炉中で鉄鉱石を還元するのに使用し、その後水素ガス製造や複合発電に使用される。そのため、還元性ガスの熱回収装置、集塵装置等を共用することができる。従って、還元製鉄と複合発電を別々に実施する設備に比較し、付帯設備を効率的に使用することが可能になる。特に設備投資額が高額になる石炭ガス化炉については、還元性ガス製造能力が大きくなるほど還元性ガス製造量あたりの設備投資額が小さくなる。従って、還元製鉄と複合発電とのために別々に石炭ガス化炉を建設する場合に比較し、より大きな規模のひとつの石炭ガス化炉を用いて還元製鉄と複合発電を共に行う本発明は、全体の設備投資効率を向上させることができる。
【００４７】
以上のように、本発明においては、石炭を主成分とする炭素質資源から還元鉄、水素、電力を効率的に併産することができる。
【００４８】
【実施例】
図１に示すように、固体還元炉４としてシャフト炉式還元炉を用い、還元鉄（ＤＲＩ）を製造した。還元性ガス１１は、ガス化炉１２と冷却炉１３を有する２段ガス化炉を用いて製造した。下段のガス化炉１２にインドネシア産亜瀝青炭を平均粒径が５０μｍに粉砕した微粉炭０．６７ｔｏｎ／ｔ−ＤＲＩと酸素５６０Ｎｍ３／ｔ−ＤＲＩを投入して部分燃焼により１５００℃、５ａｔａの条件下でガス化して製造した。更に、上段の冷却炉１３において１５００℃となった高温還元性ガス中に５ｍｍ以下に破砕したバイオマス（建築廃材チップ）０．３ｔｏｎ／ｔ−ＤＲＩを投入して１０００℃に冷却するとともに熱分解させることにより還元性ガス生成量を増加させた。還元性ガス量の２０〜３０％をカーボンニュートラルなバイオマスや廃プラ等で賄うことが可能である。還元性ガス中には３５ｇ／Ｎｍ３の炭素固形分が存在したが、サイクロン１４により５ｇ／Ｎｍ３以下に除塵した後、還元炉４に装入した。
【００４９】
還元炉４においては、金属化率（金属鉄量／鉄鉱石中の総鉄量×１００（％））が８０％になるように、還元性ガス量や還元性ガス温度等の条件を設定した。還元鉄３は焼結鉱とともに高炉に装入されて溶銑の原料に利用することが狙いであることから、６０〜９０％の還元率であれば十分に目的は達成できる。
【００５０】
還元性ガスの量、還元炉入口、出口のガス性状と温度を表１示す。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
還元炉入口における還元性ガス中にはＨ２Ｓが５２０ｐｐｍ（ＣＯＳが２０ｐｐｍ）が含まれていたが、還元炉出口の除塵装置後にはＨ２Ｓは３０ｐｐｍ（ＣＯＳは変化なし）に低減していた。一方、鉄鉱石２には極微量であったＳ分が還元鉄３中には０．１５質量％に上昇しており、還元性ガス中のＳ分が還元鉄に移ったものと確認された。通常、還元鉄中の含有Ｓ分に対する市場の要求レベルは約０．０１５質量％であるが、本実施例においては、還元鉄は脱硫機能を持つ高炉に装入して利用したために、問題なく利用できた。本実施例において、還元炉出口におけるガス温度を４２０℃という温度に設定したため、還元性ガス中のＨ２Ｓが還元鉄と反応し、硫黄分が還元性ガスから還元鉄に移動したものである。
【００５３】
尚、還元炉後の集塵装置６から得られたダスト中のＳ濃度が０．３質量％あった。還元炉４を出た後も４００℃以上の温度が保たれていたことから還元性ガス中の鉄粉と残存Ｈ２Ｓとの反応が継続していたものと判断される。
【００５４】
還元炉４から排出後の還元性ガス１１は、還元炉前に保有していた潜熱の約１／３が還元炉で消費されたに過ぎず、十分に高いエネルギーを保持していた。ここでは、還元性ガス１１がシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２）に有効な４００℃の温度を有していることを利用し、還元性ガス１１を集塵装置６で集塵した後に冷却せずにシフト反応器２４に導入し、ここで水素と炭酸ガスに変換し、水素を分離利用した。その結果、水素は１４００Ｎｍ３／ｔ−ＤＲＩ、ＣＯ２は２．４ｔｏｎ／ｔ−ＤＲＩを回収できた。シフト反応により、ＣＯ２濃度は５０％を越える高濃度となり、アミン法による吸収効率がＣＯ２濃度１０％程度のボイラー排ガスに比べて５〜１０％向上した。今後のＣＯ２固定化技術開発の進展とともに、地球温暖化対策の有望な技術になる可能性があることが判った。分離された水素ガス２５は、製鉄所の熱処理用ガスとして利用した。更に、加圧して複合発電が可能なこと、および本プロセス内で循環し、鉄鉱石還元性ガスに利用できることも確認した。
【００５５】
次に比較例として、還元炉出口における還元性ガス温度を５５０℃とした。これ以外の条件は上記実施例と同様である。還元炉出口の集塵装置後における還元性ガス中のＨ２Ｓは２００ｐｐｍ（ＣＯＳは変化なし）までしか低減していなかった。一方、鉄鉱石には極微量であったＳ分が還元鉄中には０．０８質量％に上昇しており、還元性ガス中のＳの一部が還元鉄に移ったものと確認された。還元炉から排出された還元性ガス中の硫黄分は十分に低減していないので、このままでは水素ガスとしてあるいは複合発電用として用いることができない。一方、還元鉄中の硫黄分も高いので、高炉装入原料として使用することは可能であるが、電炉製鉄用の主原料として使用することは困難である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、還元鉄、水素、電力を効率的に併産できるので、設備投資効率を向上して石炭ガス化直接還元製鉄や石炭ガス化複合発電を商業化可能とすることができる。
【００５７】
本発明はまた、石炭ガス化直接還元製鉄あるいは石炭ガス化複合発電において、脱硫設備の設置を不要とすることができる。
【００５８】
本発明はさらに、バイオマスや廃プラスチックを石炭の代替として使用し、二酸化炭素の排出量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭素質資源の効率的活用方法を示す図である。
【図２】従来の還元鉄製造方法を示す図である。
【図３】従来の還元鉄製造方法を示す図である。
【図４】従来の還元鉄製造方法を示す図である。
【図５】従来の石炭ガス化複合発電方法を示す図である。
【符号の説明】
１  還元性ガス発生装置
２  鉄鉱石
３  還元鉄
４  固体還元炉（シャフト炉）
５  熱回収装置
６  集塵装置
７  ガス冷却装置
８  圧縮機
９  脱炭酸装置
１０  ガス加熱炉
１１  還元性ガス
１２  石炭ガス化炉
１３  冷却炉
１４  サイクロン
１５  炭素質原料（石炭）
１６  酸素
１７  水蒸気
１８  石炭調湿装置
１９  ガス洗浄冷却装置
２０、２１  脱硫装置
２２  発電装置
２３  電力
２４  シフト反応器
２５  水素ガス
２６  炭素質物質
２７  系外排出ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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