(57)【要約】【課題】  製鉄所における二酸化炭素排出削減を図り、かつ製鉄副生成ガスに含まれる二酸化炭素の改質を図り産業上有用性のある一酸化炭素量の増大を図る。【解決手段】  製鉄炉１では、鉄鉱石やスクラップなどの鉄原料５１から粗鋼５６を製造する過程で二酸化炭素を多く含む副生成ガス５４を発生する。このガスをガスホルダ７、圧縮機２を介して、石炭や廃棄物などの炭素を含む固体化合物５２をガス化するガス改質炉４に供給する。供給された副生成ガスに含まれる二酸化炭素は、ガス改質炉４内で発生するチャーにより還元され一酸化炭素に転換される。それにより副生成ガスの発熱量を増大させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉や転炉などの製鉄炉と、
石炭、可燃廃棄物及びその副生成物である炭素を含有する化合物の少なくとも一つを酸素と反応させて、部分燃焼により一酸化炭素などの改質ガスを生成するガス改質炉と、を備え、
前記製鉄炉から発生する二酸化炭素を含む製鉄副生成ガスを前記ガス改質炉に供給して、二酸化炭素の一部を前記ガス改質炉で得られるチャーにより一酸化炭素に還元することを特徴とする製鉄副生成ガスの改質方法。
【請求項２】
請求項１において、前記製鉄炉から発生する製鉄副生成ガスを、ガスホルダおよび圧縮機を介して前記ガス改質炉に供給する製鉄副生成ガスの改質方法。
【請求項３】
請求項１において、前記ガス改質炉に供給される製鉄副生成ガスは、その中の二酸化炭素がガス改質炉内で一酸化炭素に改質されつつ、ガス改質炉で発生した高温ガスとの直接接触により高温ガスを冷却することを特徴とする製鉄副生成ガスの改質方法。
【請求項４】
粗鋼生産時に二酸化炭素や一酸化炭素を含む製鉄副生成ガスを排出する製鉄炉と、
前記製鉄副生成ガスを一時的に貯留して、製鉄副生成ガスを組成や流量、圧力を安定した状態で送出可能にするガスホルダと、
石炭、可燃廃棄物、可燃廃棄物の副生成物の少なくとも一つを酸素や空気などにより部分燃焼させて一酸化炭素などの改質ガスやチャーを生成するガス改質炉とを備え、
前記製鉄炉の製鉄副生成ガスの送出ラインが前記ガスホルダを介して前記ガス改質炉に接続されて、前記製鉄副生成ガスを前記ガス改質炉に供給するガス供給ラインが形成されていることを特徴とする製鉄副生成ガスの改質システム。
【請求項５】
請求項４において、前記製鉄炉・ガス改質炉間の前記製鉄副生成ガスの供給ラインにガス圧力を高めるための圧縮機を設けている製鉄副生成ガスの改質システム。
【請求項６】
請求項４において、前記ガス改質炉の後段に該ガス改質炉から送出される改質ガスを脱塵し硫化水素などの硫黄分を除去するガス精製装置を設けた製鉄副生成ガスの改質システム。
【請求項７】
請求項４において、前記ガス改質炉の後段に該ガス改質炉から送出される改質ガスに含まれる二酸化炭素を分離除去する装置を設け、除去後の改質ガスを燃料や化学原料に供する製鉄副生成ガスの改質システム。
【請求項８】
請求項４において、前記ガス改質炉の後段に該ガス改質炉から送出される改質ガスに含まれる水素を分離回収する装置を設け、水素及び水素除去後のガスをそれぞれ燃料に供するようにした製鉄副生成ガスの改質システム。
【請求項９】
請求項４において、前記ガス改質炉の後段に該ガス改質炉から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素を分離回収する装置を設け、一酸化炭素を化学原料に利用し、一酸化炭素を除去した後のガスは燃料に利用する製鉄副生成ガスの改質システム。
【請求項１０】
請求項４において、前記ガス改質炉の後段に該ガス改質炉から送出される改質ガスに含まれる水素と一酸化炭素をそれぞれ分離回収する装置を設け、水素を燃料として、一酸化炭素を化学原料に利用する製鉄副生成ガスの改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄プロセスの副生成ガスを改質する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄プロセスでは、鉄鉱石やスクラップ鉄などの鉄原料が、石炭や有機性廃棄物と共に高炉や転炉などの製鉄炉に投入される。有機性廃棄物とは、例えば廃タイヤチップ、廃プラスチック等のように炭素分や水素分を含有する物質である。炉内には、酸素や空気などを供給して、前記投入された石炭や有機性廃棄物の炭素や水素の一部を燃焼させることにより、鉄原料を溶解、還元して鉄を生産する。
【０００３】
製鉄炉内では、炭化水素が部分的に燃焼し、一酸化炭素や水素、炭化水素（タール等）を含有するガスが生じる。このガスは、鉄原料に含まれる酸化鉄を還元することによって酸化し、二酸化炭素や水蒸気となる。なお、一酸化炭素や水素、炭化水素ガスの全てが二酸化炭素と水蒸気に転換する訳ではなく、一部は残って製鉄炉から副生成ガスとして排出される。副生成ガスには、可燃性ガスが含まれるが、発熱量が低い場合もある。そこで、該ガスを有効利用する様々な検討が実施されている。
【０００４】
特許文献１には、製鉄所内のコークス炉や高炉、転炉などから生成する副生成ガスから水素を採取し、高発熱量のガスと低発熱量のガスを調合するなどして、製鉄所内外の様々な機器に利用する方法などが考案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２２４９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のように、コークス炉、高炉、転炉など複数の炉を有する製鉄所では、様々な組成や発熱量の副生成ガスが排出される。従って、ガスを調合して適正な発熱量として利用することが可能であり、有効である。しかし、例えば、転炉のみしか有しないような小規模の製鉄所では、１種類の副生成ガスしか排出されない。この副生成ガスの発熱量が低く、利用先が限定されるような場合は、副生成ガスから窒素や二酸化炭素などの非可燃性ガスを分離して、副生成ガスの発熱量を向上させ、分離した非可燃性ガスについては、別途何らかの用途に利用する方法が考えられる。
【０００７】
この方法は、製鉄所内に窒素や二酸化炭素を使用する装置がある場合や、販売先がある場合には有効であると考えられる。しかし、利用先がない場合には成立しない。二酸化炭素は、二酸化炭素排出削減の地球環境問題対策の観点からすれば、大気放出を避けて、製鉄所内で利用することが望まれる。
【０００８】
本発明の目的は、製鉄副生成ガス中に含まれる非可燃性ガスである二酸化炭素を製鉄所内で有効利用し、しかも、二酸化炭素を改質して可燃性ガスで化学材料としても有用である一酸化炭素を得ることのできる製鉄副生成ガスの改質方法およびシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明における製鉄副生成ガスの改質方法及びシステムは、基本的には、製鉄炉（例えば高炉や転炉）とガス改質炉とを備え、製鉄炉から発生する二酸化炭素を含む製鉄副生成ガスをガス改質炉に供給する。
【００１０】
ガス改質炉とは、製鉄炉とは別置の改質ガス生成用の炉であり、石炭、及び可燃廃棄物及び／又はその副生成物である炭素を含有する化合物を酸素と反応させて、部分燃焼により一酸化炭素、水素などの改質ガス（可燃性ガス）を生成するものである。ガス改質炉の部分燃焼時に改質ガスのほかに炭素分を多く含むチャー（炭素を含有する固体化合物）が発生する。
【００１１】
これにより、ガス改質炉中に送られた製鉄副生成ガスに含まれる二酸化炭素の一部がガス改質炉で得られるチャーにより、Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯによって反応し一酸化炭素に還元される。それにより、副生成ガスの発熱量が向上する。製鉄炉からガス改質炉に送られる副生成ガスは、ガス改質炉の運転圧力以上に高めて送られることが好ましい。
【００１２】
さらに付記的には、次のような構成が提案される。
【００１３】
製鉄炉で生じた副生成ガスは、ガス改質炉のガス出口付近に供給すると、ガス改質炉内で発生した高温ガスを冷却し、それによってガス改質炉の壁面への灰の付着を抑制することができる。
【００１４】
さらに、上記製鉄副生成ガス（特に二酸化炭素）をガス改質炉で還元させて一酸化炭素（改質ガス）を増量させた後に、ガス改質炉から排出される改質ガスに含まれる煤塵や硫黄分などを除去する構成を提案する。
【００１５】
また、上記のようにしてガス改質炉から排出される改質ガスに含まれている二酸化炭素を除去して、更に改質ガスの有用成分（一酸化炭素、水素など）の分圧を高めて、燃料や化学原料として供する構成を提案する。
【００１６】
また、上記のように一酸化炭素が増量した改質後の副生成ガスから、水素や一酸化炭素をそれぞれ分離し、水素は燃料として、一酸化炭素は化学原料に供する構成を提案する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、製鉄（鉄鋼）炉で生じる副生成ガスの二酸化炭素の大気排出削減を図り、しかもその副生成ガスを改質して一酸化炭素を増量でき、発熱量も向上し、副生成ガスの用途を拡大することができる。また、ガス改質炉を安定に運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
製鉄プロセスでは、鉄鉱石やスクラップ鉄などの鉄原料を石炭などの炭素分や水素分を含有する物質の部分燃焼により還元して粗鋼を得る。通常、製鉄炉の排ガス（副生成ガス）中に一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）、炭化水素ガスなどの可燃性ガスを含有するが、発熱量が低く、利用先が制限される場合がある。そのため、本発明では、副生成ガス改質炉を設けて、該改質炉内で石炭を部分燃焼して得られる活性チャーにより副生成ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）を還元して一酸化炭素に改質し、発熱量を向上させる。
【００１９】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図１は本発明の一実施例による製鉄副生成ガス改質方法及びシステムの構成を示している。
【００２０】
全体的には、製鉄炉１、ガスホルダ７、圧縮機２、石炭ホッパ３、ガス改質炉４が主な構成要素である。製鉄炉１は、例えば高炉、転炉などが使用される。製鉄炉１には、鉄原料（例えば鉄鉱石やスクラップ）５１、石炭５２、空気または酸素富化空気５３が供給され、粗鋼５６を生産する。なお、製鉄炉の燃料として、廃タイヤ、廃プラスチックなどの炭素含有化合物を加えてもよい。製鉄プロセスでは、二酸化炭素を多く、また一酸化炭素や水素、炭化水素ガスも含む副生成ガス５４が発生し排出される。
【００２１】
副生成ガス５４をガスホルダ７に一時的に貯留した後、圧縮機２により、ガス改質炉４以上の圧力に高めた後、副生成ガスノズル５を介してガス改質炉４に供給される。一方、ガス改質炉４には、石炭ホッパ３から石炭５２’と共に酸素５７が石炭ノズル６を介して供給される。
【００２２】
なお、ガスホルダ７は、製鉄炉１からの副生成ガス５４を一時的に貯留して、組成や流量、圧力などを一定に取り出せるようにする。
【００２３】
ガス改質炉については、特にその構造を限定するものではない。その基本的な構造自体は、既存の石炭ガス化炉を適用すればよく、詳細説明は省略する。基本的には、改質炉に石炭投入用の石炭ノズル６と副生成ガスノズル５を備え、内部に石炭を部分燃焼させて一酸化炭素や水素に富むガスを発生させる高温炉を有し、上部に改質炉の生成ガスの出口があり、下部に石炭中の灰分を溶融しスラグとして排出するスラグ排出孔（図示省略）を有する。
【００２４】
石炭は酸素と共に石炭ノズル６を介して改質炉内に供給される。改質炉では、石炭は酸素により一部が燃焼してガス化反応を生じ、一酸化炭素や水素に富むガスを発生する。石炭中の炭素の一部は固体として残ったままとなる。これをチャーと称する。
【００２５】
ガス改質炉４内では、石炭５２’が酸素５７により部分燃焼し、１６００℃程度の高温となり、かつ、一酸化炭素、水素、メタンなどを含むガスと炭素分を多く含むチャーが発生する。高温のチャーは、副生成ガスノズル５より供給された副生成ガス５４と接触する。ここで、副生成ガス５４中の二酸化炭素は、チャーにより還元され、一酸化炭素に転換（改質）し、更に、チャー中の炭素分が酸化して一酸化炭素に転換する。これは、次の化学式で表される。
[化２]
ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯ
ａＣ＋ｂＯ２→ｃＣＯ＋ｄＣＯ２
以上の反応を経て、一酸化炭素が多く含まれる改質ガス５５がガス化改質炉４より取り出される。改質ガス中の一酸化炭素が増量するため、発熱量が向上する。副生成ガスは、改質炉出口部に導入することにより、灰の冷却や壁面のシール効果により灰の付着を抑制する。
【００２６】
図２は、本発明の副生成ガスの改質方法を実施した場合aの石炭ガス（ガス改質炉から排出されるガス）中に含まれる二酸化炭素濃度と、比較例ｂの石炭ガス中の二酸化濃度を比較した図である。図３は、本発明の副生成ガスの改質方法を実施した場合aと比較例ｂとの改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を比較した図である。比較例ｂは、製鉄副生成ガスをガス改質炉４に導入せずにガス改質炉の出口下流で石炭ガスと合流（混合）させた例である。図２の横軸には、比較例ａ，ｂの製鉄副生成ガスに対する石炭ガスの割合を示し、縦軸には、排出される二酸化炭素濃度を示す。図３の横軸も図２同様であり、縦軸に一酸化炭素濃度を示す。
【００２７】
製鉄副生成ガスには二酸化炭素が多く含まれるため、その副生成ガスと石炭ガスを比較例ｂのように単に混合させただけでは、図２に示すように、全体のガス中の二酸化炭素が増加する。本発明の場合ａは、改質方法を適用することにより、二酸化炭素の一部を石炭から発生したチャーにより、還元することができるため、排出される全体のガス中の二酸化炭素濃度は低下し、二酸化炭素の排出削減の効果を有する。
【００２８】
また、本発明の場合ａによれば、図３に示すように、製鉄副生成ガス中の二酸化炭素が還元し、一酸化炭素に転換することにより、比較例ｂに比べて、全体のガス中の一酸化炭素濃度は増加する。その結果、本発明の改質ガスは、全体のガスの発熱量が増加するため、ガスの用途拡大に供することができる。
【００２９】
なお、製鉄副生成ガス中の二酸化炭素のうち改質炉で一酸化炭素に還元されるのは一部であるので、全体のガス中の一酸化濃度は、図３に示すように、二酸化炭素の投入量が多くなるにつれて低下する傾向がある。しかし、一酸化炭素濃度は、要求濃度維持できれば良いので、その要求濃度を満たせば、製鉄副生成ガスをガス改質炉に投入しても何ら問題はない。例えば、あるプロセスで６５％の濃度が欲しい場合、本発明は、石炭ガスは６０vol％で足りるのに対して、比較例ｂでは、石炭ガスは７０vol％必要となる。したがって、本発明によれば、要求一酸化炭素濃度に対して石炭使用量を減らすことができ、原料削減のメリットを有する。
【００３０】
図４は、本発明の第２実施例を示すもので、基本的な構成は第１実施例と同様であるが、本実施例では、さらに構成要素を付加したものである。上記した第１実施例の内容は、本実施例でも同じである。相違点は、改質ガス精製装置として、ガス改質炉４の下流に脱塵装置８と脱硫装置９を設けた点にある。
【００３１】
上記改質ガス５５は、煤塵などの粉体固形物や、石炭５２などに含まれていた硫黄分を含有している。上記改質ガス５５をサイクロンやフィルタなどの脱塵装置８により脱塵し、更に脱硫装置９で硫黄分を除去して改質後の副生成ガス５８を得る。これによりクリーンなガスを得ることができ、燃料などとして利用することができる。
【００３２】
図５は、本発明の第３の実施例を示す構成図である。本実施例も、基本的な構成は第１実施例と同様であるが、本実施例では、さらに構成要素を付加したものである。上記した第１実施例の内容は、本実施例でも同じである。相違点は、ガス改質炉４の下流に脱塵装置８と二酸化炭素分離装置１２を設けた点にある。
【００３３】
改質ガス５５含まれる煤塵などの粉体固形物を脱塵装置８により脱塵し、脱塵後のガスを二酸化炭素分離装置１２に導入して二酸化炭素６４を分離し、ドライアイスなどとして利用することができる。二酸化炭素除去後のガス６５は、発熱量が向上しているため、燃料などとして利用するのに適している。
【００３４】
図６は、本発明の第４の実施例を示す構成図である。本実施例も、基本的な構成は第１実施例と同様であるが、本実施例では、さらに構成要素を付加したものである。上記した第１実施例の内容は、本実施例でも同じである。相違点は、ガス改質炉４の下流に脱塵装置８と水素分離装置１０を設けた点にある。
【００３５】
改質ガス５５含まれる煤塵などの粉体固形物を脱塵装置８により脱塵し、脱塵後のガスを水素分離装置１０に導入して水素ガス５９を分離し、水素燃料などとして利用することができる。水素ガス除去後の改質ガス６０は、可燃性である一酸化炭素が含まれているので、燃料などとして利用することができる。水素分離装置１０には、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）などを用いることができる。
【００３６】
図７は、本発明の第５の実施例を示す構成図である。本実施例も、基本的な構成は第１実施例と同様であるが、本実施例では、さらに構成要素を付加したものである。上記した第１実施例の内容は、本実施例でも同じである。相違点は、ガス改質炉４の下流に脱塵装置８と一酸化炭素分離装置１１を設けた点にある。
【００３７】
改質ガス５５含まれる煤塵などの粉体固形物を脱塵装置８により脱塵し、脱塵後のガスを一酸化炭素分離装置１１に導入して一酸化炭素６１を分離する。一酸化炭素は、化学原料などとして利用することができる。一酸化炭素除去後のガス６２は、水素ガスを含有しているために、燃料などとして利用することができる。一酸化炭素分離装置１１にはＰＳＡなどを用いることができる。
【００３８】
図８は、本発明の第６の実施例を示す構成図である。本実施例も、基本的な構成は第１実施例と同様であるが、本実施例では、さらに構成要素を付加したものである。上記した第１実施例の内容は、本実施例でも同じである。相違点は、ガス改質炉４の下流に脱塵装置８と水素分離装置１０と一酸化炭素分離装置１１を設けた点にある。
【００３９】
改質ガス５５に含まれる煤塵などの粉体固形物を脱塵装置８により脱塵し、脱塵後のガスを水素分離装置１０に導入して水素ガス５９を分離し、水素燃料などとして利用することができる。水素除去後のガス６０を更に一酸化炭素分離装置１１に導入して一酸化炭素６１を分離し、化学原料（例えば酢酸）などとして利用することができる。
【００４０】
上記いずれの実施例においても、製鉄所における二酸化炭素排出削減を図り、かつ製鉄副生成ガスに含まれる二酸化炭素の改質を図り、産業上有用性のある一酸化炭素量の増大を図ることができる。上記実施例では、ガス改質炉４で、石炭のみをガス化しているが、その他、廃タイヤ、廃プラスチック等の炭素を含む固体化合物をガス化してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施例による製鉄副生成ガス改質方法及びシステムの構成を示した図。
【図２】本発明の製鉄副生成ガスの改質方法を実施した場合ａと比較例ｂとの、石炭ガス中に含まれる二酸化炭素濃度の比較を示した図。
【図３】本発明の製鉄副生成ガスの改質方法を実施した場合ａと比較例ｂとの、石炭ガス中に含まれる一酸化炭素濃度の比較を示した図。
【図４】本発明の第２実施例に係る製鉄副生成ガスの改質方法及びシステムの構成を示した図。
【図５】本発明の第３実施例に係る製鉄副生成ガスの改質方法及びシステムの構成を示した図。
【図６】本発明の第４実施例に係る製鉄副生成ガスの改質方法及びシステムの構成を示した図。
【図７】本発明の第５実施例に係る製鉄副生成ガスの改質方法及びシステムの構成を示した図。
【図８】本発明の第６実施例に係る製鉄副生成ガスの改質方法及びシステムの構成を示した図。
【符号の説明】
【００４２】
１：製鉄炉、２：圧縮機、３：石炭ホッパ、４：ガス改質炉、５：副生成ガスノズル、６：石炭ノズル、７：ガスホルダ、８：脱塵装置、９：脱硫装置、１０：水素分離装置、１１：一酸化炭素分離装置、１２：二酸化炭素除去装置、５１：鉄原料、５２：石炭、５３：空気または酸素富化空気、５４：副生成ガス、５５：改質ガス、５６：粗鋼、５７：酸素、５８：精製後の改質ガス、５９：水素、６０：水素除去後の改質ガス、６１：一酸化炭素、６２：一酸化炭素除去後の改質ガス、６３：水素及び一酸化炭素除去後のガス、６４：二酸化炭素、６５：二酸化炭素除去後のガス。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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