(57)【要約】【課題】  製鉄所で発生する副生ガスを燃焼ガスとして使用する蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、従来に比べて更に熱効率を高くすることのできる運転方法を提供する。【解決手段】  多孔性蓄熱体３ａ，３ｂを付帯する直火式バーナー２ａ，２ｂを備えた蓄熱型バーナーが複数基配置され、該蓄熱式バーナーを交互に燃焼させるとともに、非燃焼時の直火式バーナーから炉内の燃焼ガスを吸引し、前記蓄熱体に燃焼ガスを導入して燃焼ガス中の熱を蓄熱体に回収し、この回収した熱を燃焼時の直火式バーナーの燃焼用空気の加熱に利用する、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法であって、高炉ガスからガス中の二酸化炭素及び窒素を分離・除去して予め製造した、前記高炉ガスに比較して発熱量を高めた改質高炉ガスを、前記直火式バーナーの燃料ガスとして使用する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性蓄熱体を付帯する直火式バーナーを備えた蓄熱型バーナーが複数基配置され、該蓄熱式バーナーを交互に燃焼させるとともに、非燃焼時の直火式バーナーから炉内の燃焼ガスを吸引し、前記蓄熱体に燃焼ガスを導入して燃焼ガス中の熱を蓄熱体に回収し、この回収した熱を燃焼時の直火式バーナーの燃焼用空気の加熱に利用する、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法であって、高炉ガスからガス中の二酸化炭素及び窒素を分離・除去して予め製造した、前記高炉ガスに比較して発熱量を高めた改質高炉ガスを、前記直火式バーナーの燃料ガスとして使用することを特徴とする、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法。
【請求項２】
前記燃焼用空気として、酸素富化空気を使用することを特徴とする、請求項１に記載の蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法。
【請求項３】
前記酸素富化空気は、軸心を中心として回転可能な円筒型容器と、該円筒型容器に配置された窒素吸収用吸着剤と、該窒素吸収用吸着剤を挟んで前記円筒型容器に相対して配置された一対の水分吸収用吸着剤と、前記円筒型容器に対してそれぞれ反対側の方向から、水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過する空気を供給するための空気供給流路と、該空気供給流路によって供給され、前記円筒型容器を通過した空気を受けるための空気排出流路と、を備えた回転式酸素富化空気製造装置によって製造された酸素富化空気であることを特徴とする、請求項２に記載の蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法。
【請求項４】
前記高炉ガス中の二酸化炭素及び窒素は、製鉄所の排熱を利用して分離・除去されることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法。
【請求項５】
前記改質高炉ガスの発熱量は２０００kcal／Ｎｍ3以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄所で発生する副生ガスを燃焼させて鋳片や鋼材を加熱するための蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法に関し、詳しくは、高炉ガスから窒素及び二酸化炭素を分離・除去した改質高炉ガスを燃料とする、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所においては、熱間圧延のための鋳片の加熱や熱処理のための鋼材の加熱などに多数の加熱炉が使用されている。また、製鉄所においては、コークス炉、高炉、転炉などの設備から副生ガスと呼ばれるガスが発生し、このガスには、水素、一酸化炭素、メタンといった燃料として利用可能な成分が含有されているので、前記加熱炉では、通常、これらの副生ガスを燃料としている。
【０００３】
また近年、コスト削減のみならず地球環境の保全の観点から、省資源、省エネルギーが推進され、前記加熱炉では、熱効率の高い蓄熱式バーナーを有する加熱炉が広く採用されるに至っている（例えば、特許文献１を参照）。この蓄熱式バーナーを有する加熱炉の概略断面図を図１に示す。図１において、符号１は加熱炉本体、２ａ、２ｂは直火式バーナー、３ａ、３ｂは蓄熱体、４ａ、４ｂは燃料遮断弁、５は、燃料空気の供給と燃焼排ガスの吸引とを切り替えるための四方弁、６は燃焼排ガス排気口、７は、鋳片や厚鋼板などの被加熱体である。
【０００４】
この蓄熱式バーナーを有する加熱炉は次のようにして運転される。即ち、一方の直火式バーナー２ａが燃焼状態にある場合に、蓄熱体３ａに供給される燃焼用空気の温度は、常温、例えば３０℃であり、それが蓄熱体３ａにより加熱されて、９００℃程度の予熱空気となって直火式バーナー２ａに供給される。予熱空気は、燃料遮断弁４ａから供給される燃料ガスを燃焼させ、高温の燃焼ガスとなって加熱炉本体１の内部に供給される。また、高温の燃焼ガスの一部は、直火式バーナー２ｂを経て蓄熱体３ｂに吸引され、蓄熱体３ｂを加熱して４００℃程度の燃焼排ガスとして排気される。更に、残余の燃焼ガスは、排気口６から炉外に燃焼排ガスとして排気される。直火式バーナー２ａ、２ｂの切り替えは、燃料遮断弁４ａ、４ｂの切り替え及び燃焼空気及び燃焼排ガス切り替え用の四方弁５の切り替えと連動して行われる。尚、直火式バーナー２ａ、２ｂを切り替える周期（交番周期）は、約１０秒から３０秒程度の高周期で行われるが、これに限定されない。
【０００５】
つまり、蓄熱式バーナーを有する加熱炉は、蓄熱体３ａ、３ｂで燃焼ガスの熱を回収し、その回収した熱で燃焼用空気を予熱するという装置であり、燃焼ガスの熱回収効率を高める上で、蓄熱体３ａ、３ｂは、単位容積あたりの熱交換面積が大きく、且つ、ガス通過面積が大きく、更に、流体通過時の圧力損失の小さな構造体が望ましい。従って、一般的に蓄熱体３ａ、３ｂとしては、セラミック製のハニカム型蓄熱体が用いられている。
【０００６】
ところで、コークス炉、高炉、転炉などの設備から発生する副生ガスには、上記の可燃性ガス成分のほかに不活性ガス成分である二酸化炭素及び窒素が含まれている。特に、製鉄所で最も発生量の多い高炉ガスには、窒素が５０〜５５体積％程度、二酸化炭素が２０〜２３体積％程度含まれており、高炉ガスの発熱量は７００kcal／Ｎｍ3程度で、一般的な燃料ガスであるプロパンガスや天然ガスに比べて発熱量が低い。
【０００７】
高炉ガスを単独で燃料ガスとして使用すると、燃焼ガス温度が低くて高温用途には適していないことから、蓄熱式バーナーを有する加熱炉をはじめとして製鉄所に設置された加熱炉では、増熱のために、コークス炉ガスまたは転炉ガスなどの２０００kcal／Ｎｍ3以上の発熱量を有する高カロリーの副生ガスを高炉ガスに混合したガスが使用されている。この混合されたガスは、混合ガス（「Ｍガス」ともいう）と呼ばれている。但し、コークス炉ガス及び転炉ガスは高炉ガスに比較して発生量が少ないことから、コークス炉ガス及び転炉ガスの配合比率は高々５〜７体積％程度であり、混合ガスの発熱量はせいぜい１０００〜１１００kcal／Ｎｍ3程度で、プロパンガスや天然ガスに比べると大幅に低い。
【０００８】
このような混合ガスを使用する限り、多量の燃焼排ガスが発生し、この燃焼排ガスによって系外に持ち出される熱量ロスは多大であることから、熱効率の高い蓄熱式バーナーを有する加熱炉においても更なる熱効率の改善のためには、燃焼排ガス中の不活性ガス成分を低減することが重要になる。
【０００９】
この観点から、特許文献２には、高炉炉頂から排出される高炉ガスから二酸化炭素を分離除去して９００kcal／Ｎｍ3以上の発熱量の改質高炉ガスを製造し、この改質高炉ガスを、熱風炉燃料ガス、コークス炉燃料ガス及び発電用燃料ガスの燃料ガスとして使用されている、高炉ガス、コークス炉ガス、転炉ガス、ＬＰＧガスの何れか１種または２種以上の一部または全部と代替することが提案されている。
【特許文献１】国際公開第２００１／０１６５２７号
【特許文献２】特開２００４−３０９０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２では高炉ガスから二酸化炭素だけを分離除去しており、高炉ガスのおよそ５０体積％を占める窒素を除去しておらず、燃焼排ガス量の削減量は少なく、高炉ガスを改質することによって発現される効果は少ないといわざるを得ない。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、製鉄所で発生する副生ガスを燃焼ガスとして使用する、蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、従来に比べて更に熱効率を高くすることのできる運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための第１の発明に係る蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法は、多孔性蓄熱体を付帯する直火式バーナーを備えた蓄熱型バーナーが複数基配置され、該蓄熱式バーナーを交互に燃焼させるとともに、非燃焼時の直火式バーナーから炉内の燃焼ガスを吸引し、前記蓄熱体に燃焼ガスを導入して燃焼ガス中の熱を蓄熱体に回収し、この回収した熱を燃焼時の直火式バーナーの燃焼用空気の加熱に利用する、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法であって、高炉ガスからガス中の二酸化炭素及び窒素を分離・除去して予め製造した、前記高炉ガスに比較して発熱量を高めた改質高炉ガスを、前記直火式バーナーの燃料ガスとして使用することを特徴とするものである。
【００１３】
第２の発明に係る蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法は、第１の発明において、前記燃焼用空気として、酸素富化空気を使用することを特徴とするものである。
【００１４】
第３の発明に係る蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法は、第２の発明において、前記酸素富化空気は、軸心を中心として回転可能な円筒型容器と、該円筒型容器に配置された窒素吸収用吸着剤と、該窒素吸収用吸着剤を挟んで前記円筒型容器に相対して配置された一対の水分吸収用吸着剤と、前記円筒型容器に対してそれぞれ反対側の方向から、水分吸収用吸着剤、窒素吸収用吸着剤、水分吸収用吸着剤の順に通過する空気を供給するための空気供給流路と、該空気供給流路によって供給され、前記円筒型容器を通過した空気を受けるための空気排出流路と、を備えた回転式酸素富化空気製造装置によって製造された酸素富化空気であることを特徴とするものである。
【００１５】
第４の発明に係る蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記高炉ガス中の二酸化炭素及び窒素は、製鉄所の排熱を利用して分離・除去されることを特徴とするものである。
【００１６】
第５の発明に係る蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記改質高炉ガスの発熱量は２０００kcal／Ｎｍ3以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、不活性ガス成分である二酸化炭素及び窒素を分離・除去した改質高炉ガスを燃料ガスとして使用するので、燃料ガスから持ち来たされる不活性ガス成分が大幅に減少し、それにより燃焼排ガスの発生量が減少し、燃焼排ガスによって系外に持ち出される熱量が削減され、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の熱効率が大幅に向上する。また、燃焼用空気として酸素富化空気を用いた場合には、更に燃焼排ガスの発生量が減少し、更なる熱効率の向上が達成される。また更に、回転式酸素富化空気製造装置によって製造された酸素富化空気を使用することで、深冷分離法などを用いて酸素富化空気を製造した場合に比較して低コストで加熱操作をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体的に説明する。
【００１９】
製鉄所で発生する副生ガスを燃料ガスとする、蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、熱効率を高めるべく検討した結果、従来、燃料ガスとして使用している副生ガスからなる混合ガスには不活性ガス成分が多く含まれており、そのために、燃焼排ガスの発生量が多く、この燃焼排ガスによって系外に持ち出される熱量が熱効率を下げる原因の１つであることが分かった。つまり、燃料ガスとして使用している混合ガス中の不活性ガス成分を少なくすることにより、熱効率が増加することが分かった。尚、熱効率とは、バーナーにて燃焼する燃料ガスの燃焼熱に対する加熱量の比率（百分率）であり、必要とする加熱量は一定であることから、燃焼排ガスの顕熱を少なくすることにより、燃焼排ガスの顕熱減少分に相当するだけの燃料ガスの燃焼熱を少なくすることができ、その結果熱効率が高くなる。また、混合ガス中の不活性ガス成分を少なくすることは、混合ガスの発熱量を高めることと一致する。
【００２０】
そこで、蓄熱式バーナーで使用する燃料ガスの不活性ガス成分を減少すること、換言すれば燃料ガスの発熱量を高めることを検討した。前述したように、製鉄所で発生する副生ガスのうちで、コークス炉ガス及び転炉ガスは、高炉ガスに比較しておよそ３倍以上の発熱量を有しており、コークス炉ガス及び転炉ガスを単独で使用すれば目的を容易に達成するが、その場合には、最も発生量の多い高炉ガスの用途が確保できず、高炉ガスを無駄にするという問題が発生する。また、混合ガス中の高炉ガスの配合比率を下げ、その分、コークス炉ガス及び転炉ガスの配合比率を高くすれば、混合ガスの発熱量を高めることはできるが、コークス炉ガス及び転炉ガスの発生量は限られ、これ以上の余裕のないのが実情である。
【００２１】
これらを考慮して、本発明では、高炉ガスから不活性ガス成分を分離・除去して製造される改質高炉ガスを、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の燃料ガスとすることとした。
【００２２】
表１に、水素（以下、「Ｈ2」とも記す）を４．４体積％、窒素（以下、「Ｎ2」とも記す）を４９．９体積％、一酸化炭素（以下、「ＣＯ」とも記す）を２３．６体積％、二酸化炭素（以下、「ＣＯ2」とも記す）を２２．１体積％含有する高炉ガスから、二酸化炭素のみを除去したとき、及び、二酸化炭素と窒素を除去したときのガス成分と発熱量を示す。尚、二酸化炭素及び窒素は、それぞれ９０％除去可能（ＣＯ2：２２．１体積％→２．２体積％、Ｎ2：４９．９体積％→５．０体積％）として算出している。体積比は、高炉ガスの体積を１．０としたときの体積の比率である。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１に示すように、発生ままの高炉ガスの発熱量は８２５kcal／Ｎｍ3であり、この高炉ガスから二酸化炭素のみを分離した改質高炉ガスＩでは、窒素が６０体積％を越え、可燃性ガス成分の増加分はおよそ７体積％に止まり、可燃性ガス成分の合計量は３５体積％程度しかない。この場合の発熱量は１０３１kcal／Ｎｍ3で、発熱量の増加分も少ない。これに対して、二酸化炭素と窒素を分離・除去した改質高炉ガスIIでは、不活性ガス成分は２０体積％程度まで減少して、可燃性ガス成分の合計量はおよそ８０体積％に達し、発熱量は２３４６kcal／Ｎｍ3まで増加する。発生ままの高炉ガスでは不活性ガス成分が７０体積％程度であったことを考えると、二酸化炭素及び窒素を分離・除去することにより、不活性ガス成分が大幅に減少することが分かる。
【００２５】
表１に示す改質高炉ガスIIを燃料ガスとして使用することにより、燃焼排ガス量は、発熱量が１０００kcal／Ｎｍ3程度の混合ガスを使用した場合に比較して１／２以下に削減される。
【００２６】
これらの結果から、本発明では、高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を分離・除去した高カロリーの改質高炉ガスを蓄熱式バーナーの燃料ガスとして使用することとした。この場合、燃料ガスとして使用する改質高炉ガス中の二酸化炭素及び窒素は少ないほど望ましいが、熱効率を高めるためには、少なくとも２０００kcal／Ｎｍ3以上の発熱量が得られるように二酸化炭素及び窒素を除去することが好ましい。
【００２７】
本発明において、高炉炉頂から排出される高炉ガスからガス中の二酸化炭素及び窒素を分離・除去する方法は特に規定する必要はなく、例えば、二酸化炭素の分離方法としては、アミン法、膜分離法、ＰＳＡ法などを用い、窒素の分離方法としては、膜分離法、ＰＳＡ法などを用いることができる。但し、二酸化炭素及び窒素を同時に分離除去するのではなく、２段分離、つまりどちらか一方を除去した後に残りの他の一方を除去することとする。
【００２８】
二酸化炭素の分離に関して、アミン法は、他の方法よりも安価に分離し且つ大形化が可能であることから、設備規模が大きい場合には有利であるが、窒素の同時分離はできないため、２段分離構成とし、２段目に窒素分離を実施する。また、膜分離法、ＰＳＡ法においては、用いる材料により分離特性が異なるため、２段分離構成とした方が、分離率が向上する上に、可燃性ガス成分のロス率も低下する。従って、好ましくは、１段目の二酸化炭素の分離は、安価で設備規模を大きくすることのできるアミン法または安価に処理が可能で中小規模の設備として実績のあるＰＳＡ法を使用し、２段目の窒素の分離は、ＰＳＡ法を使用するものとする。二酸化炭素及び窒素の分離・除去の目安は、前述したように、分離・除去後の改質高炉ガスの発熱量が２０００kcal／Ｎｍ3以上となるようにすればよい。
【００２９】
ここで、高炉ガスからの二酸化炭素及び窒素の分離に費やす動力などのエネルギー源は、省エネルギー及び二酸化炭素発生量の削減などの観点から、高炉炉体の冷却水、転炉排ガスの冷却水、加熱炉排ガスなどの製鉄所の排熱から回収したエネルギーを利用することが好ましい。
【００３０】
このようにして高炉ガスから二酸化炭素及び窒素を分離・除去して製造した改質高炉ガスを、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の燃料ガスとして使用する。以下、前述した図１を参照して、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の運転方法を説明する。尚、図１は、本発明を実施した蓄熱式バーナーを有する加熱炉の構成を示す概略図である。
【００３１】
図１に示す蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、加熱炉本体１には、多孔性の蓄熱体３ａを付帯する直火式バーナー２ａを備えた蓄熱型バーナーと、多孔性の蓄熱体３ｂを付帯する直火式バーナー２ｂを備えた蓄熱型バーナーとの一対の蓄熱型バーナーが配置されており、この加熱炉は、直火式バーナー２ａ，２ｂのうち何れか一方を交互に燃焼状態とし、その間、炉内の燃焼ガスを他方の非燃焼状態側に吸引させ、非燃焼状態側の蓄熱体３ａ或いは蓄熱体３ｂで燃焼ガスの排熱を回収し、回収した熱で燃焼用空気を予熱するという装置である。本発明においては、直火式バーナー２ａ，２ｂで使用する燃焼ガスとして、上記の改質高炉ガスを使用する。
【００３２】
即ち、蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、被加熱体７を加熱するにあたり、一方の直火式バーナー２ａが燃焼状態にある場合に、蓄熱体３ａに供給される燃焼用空気の温度は、常温、例えば３０℃であり、それが蓄熱体３ａにより加熱されて、９００℃程度の予熱された空気となって直火式バーナー２ａに供給される。予熱された空気は、燃料遮断弁４ａから供給される燃料ガスを燃焼させ、高温の燃焼ガスとなって加熱炉本体１の内部に供給される。また、高温の燃焼ガスの一部は、直火式バーナー２ｂを経て蓄熱体３ｂに吸引され、蓄熱体３ｂを加熱して燃焼排ガスとして排気される。更に、残余の燃焼ガスは、排気口６から炉外に燃焼排ガスとして排気される。但し、排気口６は必ずしも必要ではなく、燃焼ガスが全て蓄熱体３ａ或いは蓄熱体３ｂに吸収される場合には、排気口６を閉鎖するなどして、系外への燃焼排ガスの流出を防止することが好ましい。直火式バーナー２ａ、２ｂの切り替えは、燃料遮断弁４ａ、４ｂの切り替え及び燃焼空気及び燃焼排ガス切り替え用の四方弁５の切り替えと連動して行われる。尚、直火式バーナー２ａ、２ｂを切り替える周期（交番周期）は、約１０秒から３０秒程度の高周期で行われるが、これに限定されない。
【００３３】
本発明においては、燃焼ガス中の不活性ガス成分が少なく、それに伴って燃焼排ガスの発生量が少なくなり、燃焼排ガスによって系外に持ち去られる熱量が減少し、従来に比べて大幅に熱効率が向上する。
【００３４】
この場合に、更に燃焼排ガスの発生量を減少させる観点から、燃焼用空気として酸素富化空気を使用することが好ましい。
【００３５】
酸素富化空気の製造方法としては、深冷分離装置、膜分離装置、回転式酸素富化空気製造装置などを用いることができ、何れの方法で製造しても構わないが、酸素濃度が４０体積％程度までの比較的酸素濃度の低い酸素富化空気を製造する場合には、安価で且つ省エネルギーで製造可能な回転式酸素富化空気製造装置を採用することが好ましい。深冷分離装置は、大量製造には向いているが、低酸素濃度の酸素富化空気の製造にはコスト的に不向きである。
【００３６】
以下に、回転式酸素富化空気製造装置について説明する。図２は、本発明で使用した回転式酸素富化空気製造装置の概略斜視図、図３は、図２に示す回転式酸素富化空気製造装置の一部分を構成する第１の円筒型容器及び第２の円筒型容器の概略斜視図であり、（Ａ）が第１の円筒型容器、（Ｂ）が第２の円筒型容器を示している。
【００３７】
図２に示すように、管体２３の内部には、軸心１２ａを中心として電動機（図示せず）により回転可能な第１の円筒型容器１２が配置され、この第１の円筒型容器１２を挟み、軸心１２ａの方向に相対して第２の円筒型容器１３及び第３の円筒型容器１４が配置されている。第２の円筒型容器１３及び第３の円筒型容器１４は、その軸心方向を第１の円筒型容器１２の軸心１２ａと同一とし、軸心１２ａを中心として電動機（図示せず）により回転可能となっている。この場合、これらの第１〜第３の円筒型容器を同一の電動機で回転させても、また、それぞれ個別の電動機で回転させてもどちらでも構わない。個別の電動機で回転させる場合に回転数がそれぞれ異なっていても構わない。また、図２では回転方向が同一であるが、異なっていても構わない。
【００３８】
第１の円筒型容器１２の内部は、図３（Ａ）に示すように、軸心１２ａから放射状に伸びる仕切板１８によって複数に仕切られており、仕切られたそれぞれの部位には、金網、ネット（図示せず）などで囲まれて、窒素吸収用吸着剤１５が充填されている。窒素吸収用吸着剤１５としては、窒素吸収能に優れることからゼオライトを用いることが好ましい。尚、ゼオライトとは、結晶性無機酸化物であり、具体的には、結晶性シリケート、結晶性アルミノシリケート、結晶性メタロシリケート、結晶性アルミノホスフェート、結晶性メタロアルミノホスフェートなどで構成された結晶性マイクロポーラス物質である。また、仕切板１８は、第１の円筒型容器１２の剛性を確保するための補強材としても機能している。
【００３９】
第２の円筒型容器１３の内部構造は、図３（Ｂ）に示すように、第１の円筒型容器１２の内部構造と同様であり、仕切板１８によって仕切られたそれぞれの部位には、金網、ネットなどで囲まれて、水分吸収用吸着剤１６が充填されている。図示はしないが第３の円筒型容器１４の内部構造も第２の円筒型容器１３の内部構造と同一であり、仕切板１８によって仕切られたそれぞれの部位には、水分吸収用吸着剤１７が充填されている。水分吸収用吸着剤１６及び水分吸収用吸着剤１７としては、シリカゲルなどの慣用の水分吸収用吸着剤を使用することができる。
【００４０】
管体２３の内部には、第１の円筒型容器１２、第２の円筒型容器１３及び第３の円筒型容器１４を挟んで管体２３の中心線を通る位置に分離板２４が設置されており、分離板２４によって管体２３の内部に２つの流路が形成されている。つまり、図２において、左側下段の第１の空気供給流路１９に供給された空気は、第２の円筒型容器１３、第１の円筒型容器１２、第３の円筒型容器１４の順に通過し、右側下段の第１の空気排出流路２１に排出するようになっている。一方、図２において、右側上段の第２の空気供給流路２０に供給された空気は、第３の円筒型容器１４、第１の円筒型容器１２、第２の円筒型容器１３の順に通過し、左側上段の第２の空気排出流路２２に排出するようになっている。
【００４１】
この回転式酸素富化空気製造装置１１においては、このように空気を逆向き方向に流すことを必須条件としている。但し、第１の円筒型容器１２、第２の円筒型容器１３及び第３の円筒型容器１４は軸心１２ａを中心として連続的或いは断続的に回転しており、そのために、第１の空気供給流路１９から供給された空気の全てが第１の空気排出流路２１から排出するわけではなく、同様に、第２の空気供給流路２０から供給された空気の全てが第２の空気排出流路２２から排出するわけではなく、一部分の空気は相互に混合するが、この回転式酸素富化空気製造装置１１においては、一部分の空気の混合は問題としない。
【００４２】
第１の空気供給流路１９、第２の空気供給流路２０、第１の空気排出流路２１及び第２の空気排出流路２２にはそれぞれ配管（図示せず）が連結されており、これらの配管を介して第１の空気供給流路１９及び第２の空気供給流路２０へ空気が供給され、また、これらの配管を介して第１の空気排出流路２１及び第２の空気排出流路２２から排出される空気が所定の場所に導かれる。
【００４３】
このようにして構成されている回転式酸素富化空気製造装置１１を用い、以下のようにして空気から酸素富化空気を製造する。
【００４４】
先ず、窒素吸収用吸着剤１５として用いるゼオライトの窒素吸着能について説明する。図４は、ゼオライトの窒素吸着量と圧力との関係を定性的に示す図で、図５は、ゼオライトの窒素吸着量と圧力及び温度との関係を定性的に示す図である。
【００４５】
図４に示すように、ゼオライトは圧力が高くなるほど窒素吸着量が増加する性質があり、圧力Ｐ1の雰囲気下で空気をゼオライトに接触させると、ゼオライトは吸着量がＣ1値となるまで窒素を吸着する。これにより、空気の窒素は減少し、窒素が減少した分に相当するだけ酸素富化が行われる。一方、圧力Ｐ2ではゼオライトの窒素吸着量はＣ2値に低下するので、Ｃ1値まで吸着していたゼオライトは、圧力Ｐ2の空気に触れると吸着していた窒素を放出し、ゼオライトの吸着量はＣ1値からＣ2値まで低下する。窒素が放出された空気の窒素含有量は増加し、窒素富化が行われる。
【００４６】
つまり、ゼオライトに圧力の異なる空気を接触させることで、圧力差により定まる窒素吸着量の差に応じて、相対的に圧力の高い空気の酸素富化が行われ、一方、相対的に圧力の低い空気の窒素富化が行われる。ゼオライトに圧力の異なる空気を交互に接触させることで、ゼオライトは窒素の吸着と放出とを繰り返し行い、窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、半永久的に酸素富化が行われる。
【００４７】
また、図５に示すように、ゼオライトは温度によっても窒素吸着量が異なり、圧力が一定であっても、温度の低下に伴って窒素吸着量が増加する。つまり、圧力をＰ3の一定値として、温度Ｔ2よりも低温の温度Ｔ1の空気をゼオライトに接触させると、ゼオライトは吸着量がＣ3値となるまで窒素を吸収する。これにより、空気の窒素は減少し、窒素が減少した分に相当するだけ酸素富化が行われる。一方、温度Ｔ2ではゼオライトの窒素吸着量はＣ4値に低下するので、ゼオライトは、温度Ｔ2の空気に触れると吸着していた窒素を放出し、ゼオライトの吸着量はＣ3値からＣ4値まで低下する。窒素が放出された空気の窒素含有量は増加し、窒素富化が行われる。
【００４８】
つまり、ゼオライトに温度の異なる空気を接触させることで、温度差により定まる窒素吸着量の差に応じて、相対的に温度の低い空気の酸素富化が行われ、一方、相対的に温度の高い空気の窒素富化が行われる。ゼオライトに温度の異なる空気を交互に接触させることで、ゼオライトは窒素の吸着と放出とを繰り返し行い、窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、半永久的に酸素富化が行われる。
【００４９】
この場合、酸素富化する側の空気の圧力を高め且つ温度を低くすることで、図５からも伺い知れるように、ゼオライトの窒素吸着量の差はより大きくなり、酸素富化を効率的に行うことが可能となる。
【００５０】
次に、このようなゼオライトの窒素吸着能を利用して、空気から酸素富化空気を製造する方法を説明する。
【００５１】
即ち、図２において、第１の円筒型容器１２、第２の円筒型容器１３及び第３の円筒型容器１４を、軸心１２ａを中心として連続的或いは断続的に回転させながら、第１の空気供給流路１９から供給する空気の圧力を第２の空気供給流路２０から供給する空気の圧力よりも高くする、または、第１の空気供給流路１９から供給する空気の温度を第２の空気供給流路２０から供給する空気の温度よりも低くする、または、第１の空気供給流路１９から供給する空気を、第２の空気供給流路２０から供給する空気に比べて圧力を高く温度を低くして、第１の空気供給流路１９及び第２の空気供給流路２０から空気を供給する。供給する空気の圧力調整は、例えば、空気を送風するための送風機の吐出圧力の調整などによって行い、供給する空気の温度調整は、供給配管にヒーターなどを設置することによって行うことができる。
【００５２】
第１の空気供給流路１９から供給された空気は、第２の円筒型容器１３に充填された水分吸収用吸着剤１６と接触して水分が除去され（「脱水分処理」という）、脱水分処理された空気は第１の円筒型容器１２に充填された窒素吸収用吸着剤１５と接触する。ここで、第１の空気供給流路１９から供給された空気は、第２の空気供給流路２０から供給された空気に比較して圧力が高い、または温度が低い、または圧力が高く温度が低いので、ゼオライトなどからなる窒素吸収用吸着剤１５によって窒素が吸着され、窒素が減少して、酸素富化が行われる（「脱窒素処理」という）。脱窒素処理は「酸素富化処理」ともいう。
【００５３】
一方、第２の空気供給流路２０から供給された空気は、第３の円筒型容器１４に充填された水分吸収用吸着剤１７と接触して脱水分処理が施され、脱水分処理された空気は第１の円筒型容器１２に流入し、第１の円筒型容器１２に充填された窒素吸収用吸着剤１５と接触する。第２の空気供給流路２０から供給された空気は、第１の空気供給流路１９から供給された空気に比較して圧力が低い、または温度が高い、若しくは圧力が低く温度が高いので、この空気と接触することによってゼオライトなどからなる窒素吸収用吸着剤１５の窒素吸着量が低下し、窒素吸着量の差分の窒素が第２の空気供給流路２０から供給された空気に放出される。これにより、第２の空気供給流路２０から供給された空気の窒素濃度が増加する（「窒素富化処理」という）。このようにすることで、窒素吸収用吸着剤１５は窒素吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して窒素の吸着・放出を遂行する。
【００５４】
その後、第２の空気供給流路２０から供給された、窒素富化処理された空気は、第２の円筒型容器１３に流入し、水分吸収用吸着剤１６と接触する。水分吸収用吸着剤１６は第１の空気供給流路１９から供給された空気と接触し、この空気に含まれる水分を吸着しているが、第２の空気供給流路２０から供給された空気は、第３の円筒型容器１４に充填された水分吸収用吸着剤１７によって既に水分が除去された乾燥状態の空気であるので、水分吸収用吸着剤１６に吸着した水分は、第２の空気供給流路２０から供給された空気に放出され、この空気の水分濃度は上昇する（「水分富化処理」という）。つまり、水分吸収用吸着剤１６は水分吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して水分の吸着・放出を遂行する。
【００５５】
同様に、第１の空気供給流路１９から供給された、脱窒素処理つまり酸素富化処理された空気は、第３の円筒型容器１４に流入し、水分吸収用吸着剤１７と接触する。水分吸収用吸着剤１７は第２の空気供給流路２０から供給された空気と接触して、この空気に含まれる水分を吸着しているが、第１の空気供給流路１９から供給された空気は、第２の円筒型容器１３に充填された水分吸収用吸着剤１６によって既に水分が除去された乾燥状態の空気であるので、水分吸収用吸着剤１７に吸着した水分は、第１の空気供給流路１９から供給された空気に放出される。つまり、水分吸収用吸着剤１７も水分吸着量が飽和状態のままで留まることはなく、連続して水分の吸着・放出を遂行する。
【００５６】
第１の円筒型容器１２、第２の円筒型容器１３及び第３の円筒型容器１４の回転数は、各吸着剤の吸着量が飽和吸着量に達しないうちに１８０度回転（半回転）するように、各吸着剤の吸着能力に応じて設定すればよい。
【００５７】
このように、本発明に好適な回転式酸素富化空気製造装置１１では、窒素吸収用吸着剤１５を挟んでその両側に水分吸収用吸着剤１６及び水分吸収用吸着剤１７を配置し、これらの吸着剤に対して各々反対側の方向から空気を供給するので、窒素吸収用吸着剤１５は水分の影響を受けることなく、供給される空気から窒素を吸収するとともに吸収した窒素を反対側から供給される空気に放出し、また、水分吸収用吸着剤１６及び水分吸収用吸着剤１７は水分の吸着及び放出を交互に繰り返して行い、それにより窒素吸収用吸着剤１５、水分吸収用吸着剤１６及び水分吸収用吸着剤１７の吸着量は飽和状態のままで留まることはなく、長期間にわたって連続的に酸素富化空気を製造することが可能であるという、優れた特徴を有する。この回転式酸素富化空気製造装置１１は、吸着剤が回転しつつ吸着・脱着を交互に繰り返して窒素を除去する装置であり、「回転式吸着分離法」と呼ぶこともできる。
【００５８】
尚、上記説明の回転式酸素富化空気製造装置１１では、窒素吸収用吸着剤１５、水分吸収用吸着剤１６及び水分吸収用吸着剤１７がそれぞれ分離した円筒型容器に充填されているが、円筒型容器を１つとし、その１つの円筒型容器の内部に、水分吸収用吸着剤１６、窒素吸収用吸着剤１５、水分吸収用吸着剤１７の順に配置してもよく、また、円筒型容器を管体２３の内部に配置するとともに、空気の流路を管体２３の内部に配置しているが、円筒型容器のみを管体２３の内部に配置し、空気の流路は独立した配管としてもよい。
【００５９】
図６は、上記構成の回転式酸素富化空気製造装置により酸素富化空気を製造した場合と、深冷分離装置により純酸素を製造し、この純酸素を空気に混合して酸素富化空気を製造した場合とで、使用する電力原単位を比較して示す図である。図６に示すように、酸素富化空気を回転式酸素富化空気製造装置により製造することで電力原単位を大幅に削減することが可能となる。
【００６０】
図７は、蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、二酸化炭素及び窒素を分離率９０％で分離・除去した改質高炉ガスを燃料ガスとして使用した場合、並びに、燃焼用空気として酸素富化空気を使用した場合の熱効率を示す。発熱量が１０００kcal／Ｎｍ3程度の混合ガスを燃料ガスとし、酸素富化されていない空気を燃焼用空気としていた場合には、熱効率はおよそ８２％であったが、燃料ガスとして発熱量が２０００kcal／Ｎｍ3程度の改質高炉ガスを使用することにより熱効率は８６％に向上し、更に、酸素濃度が３０体積％の酸素富化空気を燃焼用空気とすることで、熱効率は８８％に向上することが分かる。因みに、発熱量が１０００kcal／Ｎｍ3程度の混合ガスを燃料ガスとし、酸素濃度が３０体積％の酸素富化空気を燃焼用空気とした場合には、熱効率は８６％程度となる。
【００６１】
以上説明したように、本発明によれば、蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、不活性ガス成分である二酸化炭素及び窒素を分離・除去した改質高炉ガスを燃料ガスとして使用するので、燃料ガスから持ち来たされる不活性ガス成分が大幅に減少し、それにより燃焼排ガスの発生量が減少し、燃焼排ガスによって系外に持ち出される熱量が削減され、蓄熱式バーナーを有する加熱炉の熱効率を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明を実施した蓄熱式バーナーを有する加熱炉の概略図である。
【図２】本発明に好適な回転式酸素富化空気製造装置の概略斜視図である。
【図３】図２に示す回転式酸素富化空気製造装置の一部分を構成する第１の円筒型容器及び第２の円筒型容器の概略斜視図である。
【図４】ゼオライトの窒素吸着量と圧力との関係を定性的に示す図である。
【図５】ゼオライトの窒素吸着量と圧力及び温度との関係を定性的に示す図である。
【図６】酸素富化空気を回転式酸素富化空気製造装置により製造した場合と、深冷分離装置により製造した場合とで、使用する電力原単位を比較して示す図である。
【図７】蓄熱式バーナーを有する加熱炉において、改質高炉ガスを燃料ガスとして使用した場合及び燃焼用空気として酸素富化空気を使用した場合の熱効率を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  加熱炉本体
２ａ  直火式バーナー
２ｂ  直火式バーナー
３ａ  蓄熱体
３ｂ  蓄熱体
４ａ  燃料遮断弁
４ｂ  燃料遮断弁
５  四方弁
６  排気口
７  被加熱体
１１  回転式酸素富化空気製造装置
１２  第１の円筒型容器
１２ａ  軸心
１３  第２の円筒型容器
１４  第３の円筒型容器
１５  窒素吸収用吸着剤
１６  水分吸収用吸着剤
１７  水分吸収用吸着剤
１８  仕切板
１９  第１の空気供給流路
２０  第２の空気供給流路
２１  第１の空気排出流路
２２  第２の空気排出流路
２３  管体
２４  分離板
【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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