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図面 (2)

課題

製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した1つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全て分離することが可能で、かつオフガス発生量と使用量の変動を吸収できて、燃料性状を安定化させることができて、オフガスを製鉄所内燃料ガスの1つとして利用できるようにする。

解決手段

製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した1つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その燃料ガスから水素ガス8aを全てまたは一部分離した残りであるオフガス8bを、可燃性廃棄物高温還元雰囲気により熱分解ガス化溶融するガス化溶融炉7で発生するガス7aと混合し、該混合ガス60aを製鉄所内燃料として利用する。

概要

背景

従来より、製鉄所副生ガス、例えばコークス炉ガスCOG)を、水素PSA(Pressure Swing Adsorption )プラントに導入して、コークス炉ガスから燃料電池用に水素を分離する技術は知られている(例えば特許文献1参照)。

概要

製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した1つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全て分離することが可能で、かつオフガス発生量と使用量の変動を吸収できて、燃料性状を安定化させることができて、オフガスを製鉄所内燃料ガスの1つとして利用できるようにする。製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した1つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その燃料ガスから水素ガス8aを全てまたは一部分離した残りであるオフガス8bを、可燃性廃棄物高温還元雰囲気により熱分解ガス化溶融するガス化溶融炉7で発生するガス7aと混合し、該混合ガス60aを製鉄所内燃料として利用する。

目的

このため、燃料電池用に水素を多量かつ安価に製造できる水素製造プロセスが望まれていた

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
3件

この技術が所属する分野

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請求項1

製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した1つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その燃料ガスから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガスを、可燃性廃棄物高温還元雰囲気により熱分解ガス化溶融するガス化溶融炉で発生するガスと混合し、該混合ガス製鉄所内燃料として利用することを特徴とする製鉄所副生ガス利用方法

請求項2

オフガスを、ガスホルダを介在させた配管網を通してガス化溶融炉ガスと混合することを特徴とする請求項1記載の製鉄所副生ガスの利用方法。

請求項3

オフガスを、ガス化溶融炉ガスと混合する前に昇圧することを特徴とする請求項2記載の製鉄所副生ガスの利用方法。

請求項4

オフガスとガス化溶融炉ガスとの混合によって、除去した水素分をガス化溶融炉ガスにて補填し、水素を分離する前のガス相当の模擬ガスとした後、該模擬ガスを、水素を分離する前のガスの配管へ接続することで、製鉄所内燃料として利用することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の製鉄所副生ガスの利用方法。

請求項5

ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、高炉ガスコークス炉ガス転炉ガス都市ガスプロパンガス、及び窒素、の中から選択されるガスと混合することを特徴とする請求項1記載の製鉄所副生ガスの利用方法。

請求項6

ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、製鉄所で使用される各種燃料ガスの中から選択した低カロリーガス、または高カロリーガスと混合し、該混合ガスを製鉄所内燃料として利用することを特徴とする請求項1記載の製鉄所副生ガスの利用方法。

請求項7

ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、都市ガス、プロパンガス、及びコークス炉ガス、の中から選択される単一または複数種のガスと、あるいは高炉ガスまたは窒素のいずれか一方もしくは両方と、混合することを特徴とする請求項6記載の製鉄所副生ガスの利用方法。

技術分野

0001

本発明は、製鉄所副生ガス、特にコークス炉で発生するガスと、例えば使用済みプラスチックなどの可燃性廃棄物高温還元雰囲気により熱分解ガス化溶融するガス化溶融炉で発生するガスを有効に利用する方法に関する。

0002

従来より、製鉄所副生ガス、例えばコークス炉ガスCOG)を、水素PSA(Pressure Swing Adsorption )プラントに導入して、コークス炉ガスから燃料電池用に水素を分離する技術は知られている(例えば特許文献1参照)。

0003

このようなものにおいて、水素PSAプラントにて水素を分離した残りであるオフガスは、一般に水素PSAプラントよりも上流側に戻されてCOGに混入されることで、利用される。

0004

また従来より、例えば使用済みプラスチックなどの可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉も知られている(例えば特許文献2参照)。

0005

このガス化溶融炉は、周知のように高温の炉内において、使用済みプラスチック、建設廃材(紙くず、木くず繊維くず)、シュレッダーダスト廃棄家電廃車)、汚泥燃えがら動植物性残さ等の可燃性廃棄物を送風酸素と反応させ、炉上部温度を800〜1000℃とし、高温・還元雰囲気により熱分解・ガス化させ、可燃性ガス化溶融炉ガスとして回収するものである。

背景技術

0006

【特許文献1】
特開平11−9934号公報
【特許文献2】
特開平9−60830号公報

0007

しかしながら、前記のように水素PSAプラントにて水素を分離した残りであるオフガスを、COGに混入することで、再利用するようにしたものにあっては、以下のような問題が存在する。
すなわち、COGとオフガスとの混合ガス中の水素濃度がCOGの燃焼性に変化が出ない程度までしかオフガスを混入させることができず、オフガス混入量制約水素製造能力が決定されてしまう。つまり、COGの燃焼性に変化が出ない程度までしかCOGから水素を分離することができない。

0008

なお、水素を分離することができるガスはCOGに限定されるわけでなく、ガス化溶融炉ガスや製鉄所で使用される他の水素含有燃料ガスの中から選択することもできる。しかしながら、COG中の水素濃度は45〜60%、他の水素含有燃料ガス、例えばガス化溶融炉ガス中の水素濃度は20〜45%であり、水素製造原料ガスとしてはCOGの方が有利である。このようなCOGの有利性は、ガス化溶融炉ガス以外の、製鉄所で使用される他の水素含有燃料ガスとの比較においても同様である。また、ガス性状の変動もCOGは変化が緩やかであるが、例えばガス化溶融炉ガスは廃棄物性状に左右され、瞬時に組成が変動するので、水素プラント運転管理が難しい。

0009

一方、オフガスをそのまま製鉄所の副生ガスとして使用する場合は、以下のような問題が存在する。
すなわち、水素分離後のオフガスは発熱量が大きくなるので、現状の製鉄所副生ガスとは発熱量が異なる。このため、専用の配管網が必要となり、加熱炉など炉設備バーナ改造が必要となる

0010

また、製鉄所の副生ガスで高カロリーガスはCOGのみで、COGの加熱炉など鉄鋼プロセス使用量が増大すると、発電所重油都市ガスまたはLPGなど、外部から高カロリー燃料購入し、COG不足分を補填する必要があった。このため、燃料電池用に水素を多量かつ安価に製造できる水素製造プロセスが望まれていた。

発明が解決しようとする課題

0011

本発明の技術的課題は、製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した1つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全て分離することが可能で、かつオフガスの発生量と使用量の変動を吸収できて、燃料性状を安定化させることができて、オフガスを製鉄所内燃料ガスの1つとして利用できるようにすることにある。

0012

本発明の請求項1に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した1つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その燃料ガスから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガスを、可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉で発生するガスと混合し、この混合ガスを製鉄所内燃料として利用することを特徴としている。

0013

また、請求項2に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、オフガスを、ガスホルダを介在させた配管網を通してガス化溶融炉ガスと混合することを特徴としている。

0014

また、請求項3に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、オフガスを、ガス化溶融炉ガスと混合する前に昇圧することを特徴としている。

0015

また、請求項4に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、オフガスとガス化溶融炉ガスとの混合によって、除去した水素分をガス化溶融炉ガスにて補填し、水素を分離する前のガス相当の模擬ガスとした後、該模擬ガスを、水素を分離する前のガスの配管へ接続することで、製鉄所内燃料として利用することを特徴としている。

0016

また、請求項5に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、高炉ガス、コークス炉ガス、転炉ガス、都市ガス、プロパンガス、及び窒素、の中から選択されるガスと混合することを特徴としている。

0017

また、請求項6に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、製鉄所で使用される各種燃料ガスの中から選択した低カロリーガス、または高カロリーガスと混合し、この混合ガスを製鉄所内燃料として利用することを特徴としている。

課題を解決するための手段

0018

また、請求項7に係る製鉄所副生ガスの利用方法は、ガス化溶融炉ガスと混合しきれなかった残りのオフガスを、都市ガス、プロパンガス、及びコークス炉ガス、の中から選択される単一または複数種のガスと、あるいは高炉ガスまたは窒素のいずれか一方もしくは両方と、混合することを特徴としている。

0019

以下、図示実施形態に基づき本発明の製鉄所副生ガスの利用方法を説明する。図1は本発明を適用した製銑・製鋼一貫製鉄所における燃料の流れを示す図である。

0020

図において、1は操業時に高炉ガス(BFG)1aを副生する高炉、2は操業時にコークス炉ガス(COG)2aを副生するコークス炉、3は操業時に転炉ガス(LDG)3aを副生する転炉である。高炉ガス(BFG)1aは、鉄鉱石還元する際に発生するCO,CO2,H2,N2から成る約3,350kJ/m3の可燃性ガスであり、ほぼ連続的に発生する。コークス炉ガス(COG)2aは、石炭乾留する際に発生するH2,CH4,COから成る約20,100kJ/m3の可燃性ガスであり、ほぼ連続的に発生する。COG中には水素が45〜60%含まれている。転炉ガス(LDG)3aは、銑鉄を鋼に改質する際に発生するCO,CO2 から成る約8,400kJ/m3 の可燃性ガスであり、間欠的に発生する。つまり転炉の吹練によりガスの発生がつねに変動する。

0021

4aは外部購入燃料である都市ガスまたはプロパンガス(LPG)、5aは窒素(N2) 、6は外部購入燃料である重油6aの供給源である重油タンクである。都市ガスまたはLPGは、主に高炉の休風等により高炉ガスや転炉ガスが発生しない場合に使用され、N2 は高カロリーの都市ガスまたはLPGの希釈に用いられる。重油は発電所の燃料として供給される。

0022

7はガス化溶融炉であって、高温の炉内において、使用済みプラスチック、建設廃材(紙くず、木くず、繊維くず)、シュレッダーダスト(廃棄家電、廃車)、汚泥、燃えがら、動植物性残さ等の可燃性廃棄物を送風酸素と反応させ、炉上部温度を800〜1000℃とし、高温・還元雰囲気により熱分解・ガス化させ、可燃性のガス化溶融炉ガス7aとして回収するもので、発生ガスの性状は約8,000〜11,000kJ/m3であり、炉下部においては、コークス及び炭素燃焼により、灰分を溶融し、出滓口より排出するものである。

0023

11,12,13,14は各炉で発生する可燃ガス(燃料ガス)を無害化・燃焼放散するための燃焼放散塔すなわちフレアスタックであり、通常は使用しないが、各炉の起動・停止時のガス成分不安定時や、各炉に対応して設けられた後述のホルダ備蓄ベルが上限をオーバーした時などに使用される。

0024

21は高炉ガス(BFG)を一時貯蔵バッファとして機能するBFGホルダ、22はコークス炉ガス(COG)を一時貯蔵しバッファとして機能するCOGホルダ、23は転炉ガス(LDG)を一時貯蔵しバッファとして機能するLDGホルダ、24はガス化溶融炉ガスを一時貯蔵しバッファとして機能するガス化溶融炉ガスホルダである。これら各ホルダ21〜24は内部ガス圧力が65kPa と低圧に保持されている。

0025

8はCOG配管における後述の模擬COG配管接続部よりも上流側に分岐管を介して接続されたPSA(Pressure Swing Adsorption )からなる水素製造プラントであり、水素を含むガス(COG)を通すと、水素以外の重い分子のもの(余分な成分)が吸着され、軽い水素だけがすり抜けていく、いわゆる吸着分離方式により高純度水素ガス8aを精製する装置である。水素製造プラント8では、水素を分離するために、昇圧(8気圧)の必要があるため、入り口にコンプレッサ51を配置し、コンプレッサ51によってCOGを0.8MPaに昇圧している。一方、COGから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガス8bの圧力は、水素製造プラント8内での圧力損失を除く0.7MPaである。またCOGから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガス8bは、油シールの低圧乾式ホルダからなる7kPaのガス圧に保持されたオフガスホルダ25に一時貯蔵されるようになっている。このため、水素製造プラント8でCOGから水素ガス8aを分離した残りのオフガス8bの圧力を減圧するための膨張タービン52が、水素製造プラント8の出口、つまり水素製造プラント8とオフガスホルダ25をつなぐオフガス配管系内に設置されている。また膨張タービン52は、圧力エネルギを無駄にしないために、動力回収する機能も有している。つまり、膨張タービン52は、図には示していないが圧縮しているコンプレッサ51と連結され、コンプレッサ51の圧縮動作に必要な動力を低減している。なお、発電機で電力回収するなど他の動力回収の手法の採用も可能である。

0026

31,32,33はBFG配管、COG配管、及びLDG配管にそれぞれ配置された昇圧機すなわちブロワで、これらブロワ31〜33は、それぞれのガスの圧力を約65kPa から約120kPa に昇圧して、後述するガスミキサーに供給する機能を有する。34はガス化溶融炉ガス配管網内においてガス化溶融炉ガスホルダ24と直列に配置された昇圧機すなわちブロワである。ブロワ34をガス化溶融炉ガスホルダ24に対して直列に接続したのは、既述したようにガス化溶融炉7では種々の可燃性廃棄物からガス化溶融炉ガス7aを回収するので、ガス発生量が一定でなく圧力変動を生じるため、ガス混合器前に昇圧機を配置して、後述するガスミキサーや模擬COGミキサーに供給するガス化溶融炉ガス圧力を安定化させる必要があるからである。35はオフガス配管網内においてオフガスホルダ25と直列に配置された昇圧機すなわちブロワであり、オフガスの圧力を約65kPa から約120kPa に昇圧して、後述するガスミキサーや模擬COGミキサーに供給する機能を有する。

0027

すなわち、ガス化溶融炉ガス配管とオフガス配管は、それぞれブロワ34,35の下流側で二股に分かれ、それぞれに二股部のガス流路切り替えるための流量調整可能な切替弁61,62と63,64が設けられており、それぞれの二股の一方の流路が模擬COGミキサー60に接続され、それぞれの二股の他方の流路がガスミキサー9に接続されている。そして、通常は切替弁61,62と63,64によって模擬COGミキサー60側に繋がるガス化溶融炉ガス配管網とオフガス配管網が形成されるようになっている。

0028

水素製造プラント8にてCOG2aから水素分8aを取り出すとオフガス8bの燃焼性、特に燃焼速度が低下する。模擬COGミキサー60は、オフガス8bに、除去した水素分をガス化溶融炉ガス7aで補填することで、COG相当のガスにするために設けられたものであり、混合後のガスカロリーをCOG相当の4000〜5000kcal/Nm3 で調整し、または水素濃度で調整し、もしくは燃焼速度で調整する機能を有する。そして、このようにCOG相当のガスに調整された混合ガスである模擬COG60aは、COG配管におけるCOGホルダ22よりも上流側に戻されて、製鉄所内燃料として、あるいは後述のMXG製造原料ガスとして利用されるようになっている。そして、通常は模擬COG製造を最大にし、混合しきれないオフガス8bまたはガス化溶融炉ガス7aは、単独でガスミキサー9に送り、これもMXG製造原料ガスとして有効活用するようにしている。これにより、既存のCOG関連インフラを大幅改造することなく使用できるようにしている。

0029

ガスミキサー9には、各ブロワ31〜35により昇圧されたガス(BFG、COG、LDG、余剰ガス溶融炉ガス、余剰オフガス)と、都市ガス(又はLPG)と、窒素(N2) とが送り込まれ、発熱量変動を吸収するために、オフガス8bに、前記ガスの中から選択した低カロリーガス、あるいは高カロリーガスを混合することで燃料性状(▲1▼発熱量、▲2▼ウオペインデックスW.I.、▲3▼A0/√γ)を安定させたミックスガス(MXG)9aとして製鉄所内の各工場、つまり製銑工場41、製鋼工場42、鋼板工場43、鋼管条鋼の工場44や発電所45へ供給されるようになっている。つまり、ガスミキサー9は、▲1▼発熱量が一定となるように、オフガスに、低カロリーガス、あるいは高カロリーガスを混合する、又は▲2▼ウオッペインデックスW.I.すなわち(発熱量/√ガス密度)が一定となるように、オフガス8bに、低カロリーガス、あるいは高カロリーガスを混合する、又は▲3▼A0/√γつまり(理論空気量/√ガス密度)が一定となるように、オフガス8bに、低カロリーガス、あるいは高カロリーガスを混合することで、燃料性状を安定させる機能を有する。なお、ここでガスミキサー9に送り込まれるCOGとは、コークス炉2で発生したCOG2a単独はもちろんのこと、模擬COG60a単独、あるいはCOG2aと模擬COG60aの混合ガスを含むものである。

0030

ここで、製鉄所で一般に使用される各種燃料ガスすなわちBFG、COG、LDG、都市ガス(又はLPG)、および窒素(N2) の中から選択される低カロリーガスとは、高炉ガス(BFG)または窒素(N2) を指し、高カロリーガスとは、都市ガス(又はLPG)またはコークス炉ガス(COG)を指す。したがって、燃料性状を安定させる具体的手法は、オフガスのカロリーに応じて、高炉ガス(BFG)または窒素(N2) のいずれか一方もしくは両方と、あるいは都市ガス(又はLPG)またはコークス炉ガス(COG)のいずれか一方もしくは両方と、混合する形態となる。

0031

そして、高カロリーガスとしてコークス炉ガス(COG)を、低カロリーガスとして高炉ガス(BFG)を、優先的に使用することで、外部購入燃料である都市ガス(又はLPG)や窒素(N2)の量を削減することができる。

0032

発電所45には、ミックスガス(MXG)9a以外に、高炉ガス(BFG)1a、コークス炉ガス(COG)2a、及び転炉ガス(LDG)3aが直接供給可能になっている。これは各ガスの発生量の変動を吸収するためのもので、ガスミキサー9への供給後に余剰のガスがあった場合、これを発電燃料として使用している。また、外部購入燃料である重油6aも供給可能になっている。そして、各燃料種に応じたバーナを有するボイラ及びタービンが設置されている。つまり、発電所45では、ミックスガス(MXG)の他に、高炉ガス(BFG)、コークス炉ガス(COG)、及び転炉ガス(LDG)を燃料ガスとしているが、通常は不足分として重油を供給して発電している。なお、バーナとして燃料の発熱量変動に耐用性がある管状火炎バーナを採用すれば、使用するバーナの数を減らせることは言うまでもない。

0033

本実施形態のように、水素濃度が高いCOGから水素ガスを分離して取り出し、COGから水素を除去したオフガス8bは、水素分をガス化溶融炉ガスで補填し、COG相当のCOG模擬ガスにしてCOG配管内に戻して、製鉄所内燃料として、あるいは後述のMXG製造原料ガスとして利用したり、余剰オフガスを単独でガスミキサー9に送り、これもMXG製造原料ガスとして有効活用するようにしているので、COGから水素ガスを全て分離することも可能となり、効率良く水素を製造することができて、燃料電池用の安価な水素供給の実現が可能となる。

0034

また、COGから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガス8bを、製鉄所の各副生ガスと組合せて使用することにより、無駄なくエネルギが利用でき、エネルギコスト削減が可能となる。

0035

さらに、高炉休風時にオフガス8bを利用することで、都市ガスやLPGの使用量を削減することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0036

なお、本実施形態では水素製造プラント8を、水素を豊富に含む(45〜60%)COGの配管系に接続して、COGから効率よく水素ガス8aを回収し、その水素ガスを分離した残りのオフガス8bを製鉄所燃料として利用するようにしたものを例に挙げて説明したが、これに限るものでなく、製鉄所で使用される他の種類の水素を含む燃料ガスから水素ガスを精製し、その水素ガスを分離した残りのオフガスを製鉄所燃料として利用するようにしてもよく、その場合でも所期の目的は達成できる。

図面の簡単な説明

0037

以上述べたように、本発明によれば、製鉄所で使用される各種の水素含有燃料ガスの中から選択した1つの燃料ガス中に含まれる水素ガスを全てまたは一部分離して水素ガスを製造するとともに、その各種燃料ガスから水素ガスを全てまたは一部分離した残りであるオフガスを、可燃性廃棄物を高温還元雰囲気により熱分解・ガス化溶融するガス化溶融炉で発生するガスと混合し、この混合ガスを製鉄所内燃料として利用するようにしたので、燃料電池用の安価な水素供給の実現が可能となった。

図1
本発明の製鉄所副生ガスの利用方法を適用した製銑・製鋼一貫製鉄所における燃料の流れを示す図である。
【符号の説明】
1高炉
1a高炉ガス(BFG)
2コークス炉
2aコークス炉ガス(COG)
3転炉
3a転炉ガス(LDG)
4a都市ガス(又はLPG)
5a窒素(N2)
8水素製造プラント
8a 水素ガス
8b オフガス
9ガスミキサー
9aミックスガス(MXG)
25 オフガスホルダ(ガスホルダ)
35ブロワ(昇圧手段)
60模擬COGミキサー
60a 模擬COG

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