(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスを吹き込み、金属を精錬する方法であって、
(a) 前記酸素ガスとして、金属酸化膜から成るガス分離膜を有する酸素分離装置により製造された酸素ガスを用いると共に、
(b) 精錬中に発生する排ガスを回収し、ガス圧縮機により圧縮した後、燃焼機の燃料として使用し、
(c) 当該燃焼機を出た燃焼ガスによりガスタービンを駆動し、
(d) 当該ガスタービンにより、少なくとも、前記ガス圧縮機と、前記酸素分離装置と前記燃焼機とに供給する空気を圧縮する空気圧縮機と、発電機とを駆動すること
を特徴とするものであり、さらに、酸素分離装置により分離された酸素の、残りの排ガスが有する熱により、前記酸素分離装置に供給される空気を加熱することを特徴とする金属の精錬方法。
【請求項２】
請求項１に記載の金属の精錬方法であって、空気を加熱したあとの、前記残りの排ガスを、空気と共に前記燃焼機に供給することを特徴とする金属の精錬方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の金属の精錬方法であって、前記酸素分離装置により分離された直後の酸素により、前記炭素材を燃焼させる直前の酸素を加熱することを特徴とする金属の精錬方法
【請求項４】
酸素ガスを吹き込み、金属を精錬する設備であって、金属を精錬する炉から発生する排ガスを加圧する排ガス圧縮機と、空気を加圧する空気圧縮機と、加圧された前記排ガスと加圧された前記空気を混合して燃焼させる燃焼機と、当該燃焼機において前記排ガスの燃焼で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、加圧された前記空気を加熱する加熱装置と、前記加熱装置により加熱された空気から、金属酸化膜から成るガス分離膜を介して酸素を分離する酸素分離装置と、分離された酸素を加圧する酸素圧縮機と、発電機とを有してなり、前記ガスタービンにより、前記排ガス圧縮機、前記空気圧縮機、前記酸素圧縮機及び前記発電機が駆動されると共に、前記加圧された酸素が、炭素材を燃焼させるために吹き込まれるようにされていることを特徴とする金属の精錬装置。
【請求項５】
請求項４に記載の金属の精錬装置であって、前記酸素分離装置により分離された酸素の、残りの排ガスと、前記酸素分離装置に供給される空気との熱交換を行う熱交換器を有してなることを特徴とする金属の精錬装置。
【請求項６】
請求項５に記載の金属の精錬装置であって、前記熱交換器を出た前記排ガスが、空気と共に前記燃焼機に供給されるようにされていることを特徴とする金属の精錬装置。
【請求項７】
請求項４から請求項６のうちいずれか１項に記載の金属の精錬装置であって、前記酸素分離装置により分離された直後の酸素と、前記炭素材を燃焼させる直前の酸素との熱交換を行う熱交換器を有してなることを特徴とする金属の精錬装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属を精錬する際に得られる高カロリーのガスをガスタービン複合サイクル発電システムによる発電用燃料として使用して発電するとともに、この際に発生する高温、高圧のエネルギーを利用し、金属酸化膜から成るガス分離膜を介して酸素ガスを製造して使用する、従来技術よりも著しく経済的な金属の精錬方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄の精錬方法としては種々の方法が知られているが、その精錬コストを低減させるためには種々の課題がある。例えば、今日、資源リサイクルの観点から、大量に発生している鉄スクラップを利用して鋼を生産することが求められている。このような要請に応えて、従来、鉄スクラップをそのまま電気炉、主にアーク電気炉において溶解し鋼を生産している。しかし、この方法では大量の酸素や鋼１ton当たり350〜400kwh程度の高価な電力を消費するため、より経済的な鋼の製造方法が求められている。
【０００３】
そこで、鉄スクラップを予めキュポラにおいて溶解し、得られた溶銑を原料として電気炉で鋼を生産する方法も既に開示されている。特開平６-２８７６２１号公報においては、キュポラなどの竪型炉と、転炉あるいはアーク炉とを組合せて使用する方法が開示されている。また、特開平８-２５７４６号公報や特開平８-２９７７２０号公報においては、キュポラから得られる排ガスを、発電用の燃料として使用できる1500kcal／Nm３以上の高カロリーのものとして回収できるプロセスが提案されている。これは、排ガスを電力として回収することにより、製造原価が安価な溶銑を得ることを目的とするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、鉄をはじめとする金属の精錬をできるだけ低コストで実施するという要請は依然として強く、特開平６-２８７６２１号公報、特開平８-２５７４６号公報や特開平８-２９７７２０号公報に記載される精錬方法よりも、さらに低コストで精錬を行う方法が求められている。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、新規な方法を採用することにより、従来実現できなかったような低コストで、金属の精錬を行うことができる方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する第１の手段は、酸素ガスを吹き込み、金属を精錬する方法であって、
(a) 前記酸素ガスとして、金属酸化膜から成るガス分離膜を有する酸素分離装置により製造された酸素ガスを用いると共に、
(b) 精錬中に発生する排ガスを回収し、ガス圧縮機により圧縮した後、燃焼機の燃料として使用し、
(c) 当該燃焼機を出た燃焼ガスによりガスタービンを駆動し、
(d) 当該ガスタービンにより、少なくとも、前記ガス圧縮機と、前記酸素分離装置と前記燃焼機とに供給する空気を圧縮する空気圧縮機と、発電機とを駆動すること
を特徴とするものであり、さらに、酸素分離装置により分離された酸素の、残りの排ガスが有する熱により、前記酸素分離装置に供給される空気を加熱することを特徴とする金属の精錬方法（請求項１）である。
【０００７】
鉄等の金属（以下、鉄を例として説明する）を経済的に精錬する上で大きな技術的な課題は安価な酸素を提供する技術の確立である。本発明者らは酸素イオンおよび電子の双方を伝導する混合導電性膜を介して空気中から酸素を分離する方法が、有効な酸素製造法であることに着目し、鋭意検討を行った。
【０００８】
このような酸素分離法を使用するためには、酸素分離装置に供給する空気を高圧にしなければならない。本発明者らは、精錬設備から得られる排ガスが高いカロリーを有することに着目し、これを燃料とするガスタービン複合サイクル発電システムに空気圧縮機を導入することにより、排ガスが有するエネルギーを有効に利用して圧縮空気を製造する方法が効率的であることを見出し、本発明をなすに至った。以下、本発明を詳細に説明する。
【０００９】
本発明で使用される複合金属酸化膜は、酸素イオンおよび電子の双方を伝導する混合導電性膜であり、酸素透過速度と膜強度の関連から数十μｍ〜数百μｍの厚さを有するものである。また、図４に示されるように、膜強度補強のために連続貫通孔を有する多孔質材料の支持体を使用することができる。
【００１０】
混合導電性膜としては、ペロブスカイト型金属酸化物、あるいは酸化金属安定化ジルコニア、例えばイットリア安定化ジルコニア、カルシウム安定化ジルコニアなどがある。また、多孔質材料の支持体としては、混合導電性膜とスピネルのような複合金属酸化物を形成しない、かつ熱膨張係数が等しい材料が好ましい。
【００１１】
混合導電性膜の表面積は必要酸素量により適宜決められるが、供給ガスと膜との気・固接触面積を大きくするために膜表面に凹凸をつけることで、比表面積が大きくなり、膜占有面積を小さくすることもできる。膜形状としては、平面膜あるいはチューブ状多孔質支持体の外表面に複合金属酸化物薄膜を形成させたシェルチューブ構造があり、使用目的に応じて膜形状を選択することができる。
【００１２】
また、混合伝導性膜においては膜を挟んだ空気側と酸素側の酸素分圧差が酸素分離の駆動力となる。よって、空気側を加圧するか、酸素側を非透過ガス又は窒素などを用いてパージすることにより、酸素側の酸素分圧を下げるなどの操作を行うことで酸素透過速度を向上させる。このうち、空気を１〜50kg/cm２程度に加圧する方法が一般的に使用されている。また、混合伝導性膜の作用温度は500℃〜1300℃の範囲であるため、原料空気をこの範囲の温度に加熱する必要がある。
【００１３】
このように構成された複合金属酸化膜を有する酸素製造装置を用い、精錬設備の排ガスの高圧燃焼ガスで駆動されたガスタービンで圧縮された空気を原料として酸素を分離して精錬用酸素として使用すると共に、ガスタービンにより電力を製造することができる。また、ガスタービンを駆動するための燃焼器においては、高圧のガスと空気を混合させて燃焼する必要があるが、このための排ガスの圧縮、空気の圧縮も、このガスタービンによって駆動される圧縮機により行うことができる。
【００１４】
本発明に用いられる鉄の精錬設備としては、種々の方法が上げられるが、高いカロリーを持つ排ガスを多量に発生するプロセスが望ましい。例示すると、スクラップを溶解するためのキュポラ、転炉、溶融還元炉などがあげられる。これらに使用する炭素材としては石炭、コークス、プラスチックや種々の廃棄物が好適である。熔銑中の炭素も燃料となることは言うまでもない。
【００１５】
以上のように、複合金属酸化膜を有する酸素製造装置を用い、本手段のような装置構成とすることにより、発電が可能な上に鉄の精錬に必要な酸素を効率的に確保することができる。また、従来の深冷分離法で必要とされていたような、既存酸素製造設備からの新たな配管なしで簡単に酸素を供給することができる。
【００１６】
また、新しく従来の酸素供給設備を設ける場合には、設備的に比較的小規模なオンサイトＰＳＡによる酸素供給を考えた場合でも、数十ｍ２の敷地面積および付帯設備が必要になる。本手段によれば、これに比して設備規模としても非常にコンパクトで、かつ極めて経済的な設備とすることができる。
【００１７】
また、本手段において、製造される酸素を他の設備に供給して、他の設備で用いることができることは言うまでもない。
【００１９】
金属酸化膜から成るガス分離膜による酸素の分離は、高温において行われるので、供給する空気は加熱しなければならず、分離された酸素も、残りのガスも高温である。本手段においては、この残りのガスが有する熱により、前記酸素分離装置に供給される空気を加熱しているので、熱効率を上げることができる。
【００２０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、空気を加熱したあとの、前記残りの排ガスを、空気と共に前記燃焼機に供給することを特徴とするもの（請求項２）である。
【００２１】
前記第１の手段において、前記酸素分離装置に供給される空気を加熱したあとのガスもまだ高温である。本手段においては、このガスを、空気と共に前記燃焼機に供給するようにしているので、熱効率をさらに上げることができる。
【００２２】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記酸素分離装置により分離された直後の酸素により、前記炭素材を燃焼させる直前の酸素を加熱することを特徴とするもの（請求項３）である。
【００２３】
前述のように、前記酸素分離装置により分離された直後の酸素は高温である。よって、この酸素により、前記炭素材を燃焼させる直前の酸素を加熱することにより、炭素材を燃焼させる反応炉等における熱効率を上げることができる。
【００２６】
前記課題を解決するための第４の手段は、酸素ガスを吹き込み、金属を精錬する設備であって、金属を精錬する炉から発生する排ガスを加圧する排ガス圧縮機と、空気を加圧する空気圧縮機と、加圧された前記排ガスと加圧された前記空気を混合して燃焼させる燃焼機と、当該燃焼機において前記排ガスの燃焼で発生した燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、加圧された前記空気を加熱する加熱装置と、前記加熱装置により加熱された空気から、金属酸化膜から成るガス分離膜を介して酸素を分離する酸素分離装置と、分離された酸素を加圧する酸素圧縮機と、発電機とを有してなり、前記ガスタービンにより、前記排ガス圧縮機、前記空気圧縮機、前記酸素圧縮機及び前記発電機が駆動されると共に、前記加圧された酸素が、炭素材を燃焼させるために吹き込まれるようにされていることを特徴とする金属の精錬装置（請求項４）である。
【００２７】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記酸素分離装置により分離された酸素の、残りの排ガスと、前記酸素分離装置に供給される空気との熱交換を行う熱交換器を有してなることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２８】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記熱交換器を出た前記排ガスが、空気と共に前記燃焼機に供給されるようにされていることを特徴とするもの（請求項６）である。
【００２９】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第４の手段から第６の手段のいずれかであって、前記酸素分離装置により分離された直後の酸素と、前記炭素材を燃焼させる直前の酸素との熱交換を行う熱交換器を有してなることを特徴とするもの（請求項７）である。
【００３１】
これら第４の手段から第７の手段によれば、それぞれ前記第１の手段から第３の手段の方法を実現することができ、これらと同じ作用効果を奏することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である、キュポラを使用した鉄の精錬設備を示す概要図である。キュポラ１の上方の装入口２からは鉄スクラップと石炭が投入され、その下方に設けられた羽口３からは高純度の酸素が吹き込まれる。これにより鉄スクラップは精錬され、キュポラ１の出銑口４からは溶銑が取り出される。
【００３３】
炉頂から排出された排ガスは、徐塵器５で徐塵された後、ガス圧縮機６により加圧され、高圧燃焼機７に供給される。一方、空気は空気圧縮機８で加圧された後、その一部が高圧燃焼機７に供給される。高圧燃焼機７では高圧ガスと高圧空気が混合されて燃焼し、その燃焼ガスがガスタービン９に供給されてガスタービン９を駆動する。前記ガス圧縮機６と空気圧縮機８は、共にこのガスタービン９により駆動されている。
【００３４】
加圧された空気の残りは、熱交換器１０で加熱された後、加熱バーナ１１でさらに加熱されて高温となり、酸素製造装置１３に供給される。酸素製造装置１３は、前述のように、複合金属酸化膜を用いたものであり、これを通すことにより高純度の酸素が分離される。分離された酸素は、熱交換器１４に導かれ、キュポラ１に供給される酸素を加熱して自らは低温となった後、酸素圧縮機１５により高圧とされ、高圧酸素ホルダ１６に貯蔵される。そして、熱交換器１４で加熱された後、前述のようにキュポラ１に供給される。酸素圧縮機１５も、ガスタービン９により駆動されている。
【００３５】
このように、ガスタービン９は、ガス圧縮機６、空気圧縮機８、酸素圧縮機９を駆動するが、余った動力は発電機１７を駆動し、電力として回収される。ガスタービン９から排出されるガスはなお高温であるので、蒸気発生器１８に導いて発生する蒸気により蒸気タービン１９を駆動し、それにより発電機２０を駆動させて、ガスの廃熱を電力として回収する。なお、２１は凝縮器である。
【００３６】
酸素製造設備１３から分離された窒素を主成分とするガスは、熱交換器１０で空気を加熱した後、高圧燃焼機７に導かれる空気中に混合される。これにより、当該ガス中の熱が有効に回収される。
なお、生成した酸素は、本システム以外の設備、例えば、他の金属精錬用設備、ごみ焼却炉、活性汚泥処理設備等に供給することも可能である。
【００３７】
以上説明したように、図１に示す装置においては、キュポラ１の排ガスのエネルギーを利用して、酸素の発生と発電による熱回収を行っているので、きわめて低コストで鉄の精錬を行うことができる。
【００３８】
図２は、本発明の実施の形態の１例である、転炉を使用した鋼の精錬設備を示す概要図である。以下の図においては、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略することがある。
【００３９】
転炉２２のランス２３からは高純度の酸素が供給され、溶鋼２４の還元を行う。そのとき発生する排ガスは、排ガス回収装置２５から回収される。図２において示されているその他の設備の構成は図１に示されたものと同じであり、その作用効果も図１の説明において示したものと同じであるので、その説明を省略する。
【００４０】
図３は、本発明の実施の形態の１例である溶融還元炉を使用した鋼の精錬設備を示す概要図である。溶融還元炉２６では、鉄鉱石装入設備２７から鉄鉱石が装入されると共に、石炭装入設備２８から石炭が装入される。そして、ランス２３から高純度の酸素が吹き込まれ、鉄鉱石の溶融還元が行われる。生成された銑鉄は、出銑口４から取り出される。
【００４１】
図２において示されているその他の設備の構成は図１に示されたものと同じであり、その作用効果も図１の説明において示したものと同じであるので、その説明を省略する。
【００４２】
【実施例】
以下、キュポラを用いた本発明の実施例を説明する。使用した設備は図１に示したようなものである。キュポラの操業条件は以下の通りであった。
0003965670.tif 000002
キュポラ１には炉頂からスクラップ85T／Hとコークス30T／Hなどを装入した。酸素はキュポラ下部の羽口から10000Nm３／Hの流量で吹き込み操業を行った。得られた生成物の性状を以下に示す。
１）溶銑：Fe 94.4％、Ｃ 4.5％、Si 0.5％、Mn 0.3％、Ｐ 0.1％、Ｓ 0.07％
温度 1500〔℃〕
２）スラグ：CaO／SiO２ 1.25〔-〕、温度1550〔℃〕
３）排ガス：CO 76.7Vol％、CO２ 0.3Vol％、H２ 22.5Vol％、Ｎ 2 0.6Vol％
低位発熱量2890〔kcal／Nm３〕、温度150〔℃〕
87000Ｎｍ３/Hのキュポラの排ガスは、除塵機５で除塵され、ガス圧縮機６で圧縮されて高圧燃焼器７に導入された。153000Ｎｍ３/Hの空気は空気圧縮機８で圧縮後、一部が酸素製造装置１３からの排ガスにより熱交換器１０で加熱された後、加熱バーナ１１で900℃に加熱され、酸素製造装置７に導入された。
【００４３】
残りの空気は酸素製造装置１３からの排ガスと共に、高圧燃焼器７に導入された。高圧燃焼器７で発生した燃焼ガスによりガスタービン６が駆動されるが、始動時は外部電力で駆動される。なお、酸素製造装置１３で製造された酸素は10000Nm３/Hであり、その純度は99.9％であった。この酸素の温度は600℃であるため、熱交換器１４で、酸素圧縮機１５で圧縮した後のキュポラ用酸素の加熱用熱源として用いられた。
【００４４】
なお、酸素圧縮機１５で圧縮した後の酸素はガスホルダー１３に貯蔵し、キュポラ１に供給されるが、キュポラ以外の用途に用いることも可能である。また、高圧燃焼器７で発生した燃焼ガスは、ガスタービン出口で600℃程度であるため、これを熱源として蒸気発生器１８で回収し、蒸気タービン、凝縮器を用いた発電も可能であった。
以上の操業の結果、酸素の製造原単位は0.2kWh/Nm３程度であり、これにより、溶銑のコストは、従来の方法に比べ、10％低減された。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、精錬用酸素及び電力が併産できることから、経済的に鉄を精錬することが可能となる。従来は、既存の空気分離技術（深冷分離法）により製造された酸素を利用しており、供給酸素を安価に製造するという試みがなされていなかったので、酸素富化のために新たに配管を施工したり、オンサイトＰＳＡを新設するなど設備費がかかっていた。これに対し本発明の設備は、設備規模としても非常にコンパクトで、かつ極めて経済的である。
【００４６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である、キュポラを使用した鉄の精錬設備を示す概要図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例である、転炉を使用した鋼の精錬設備を示す概要図である。
【図３】本発明の実施の形態の１例である溶融還元炉を使用した鋼の精錬設備を示す概要図である。
【図４】金属酸化膜の構造を示した断面図である。
【符号の説明】
１…キュポラ、２…装入口、３…羽口、４…出銑口、５…徐塵器、６…ガス圧縮機、７…高圧燃焼機、８…空気圧縮機、９…ガスタービン、１０…熱交換、１１…加熱バーナ、１３…酸素製造設備、１４…熱交換器、１５…酸素圧縮機、１６…高圧酸素ホルダ、１７…発電機、１８…酸素発生器、１９…蒸気タービン、２０…発電機、２１…凝縮器、２２…転炉、２３…ランス、２４…溶鋼、２５…排ガス回収装置、２６…溶融還元炉、２７…鉄鉱石装入設備、２８…石炭装入設備
【図１】
0003965670.tif 000003
【図２】
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【図３】
0003965670.tif 000005
【図４】
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