高炉煤气的分离方法 技术领域 本发明涉及一种从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中所含的二氧化 碳和氮气而用作燃料气体还原气体或还原气体的方法。
背景技术 在集约化钢铁厂中， 由还原铁矿石而制造熔化生铁的高炉的炉顶排出的高炉煤气 可以有效用作热风炉燃料气体、 焦炉燃料气体和发电用燃料气体。
但是， 高炉煤气的组成为一氧化碳 ： 21.1 ～ 26.2 体积％、 二氧化碳 ： 19.3 ～ 23.2 体积％、 氢气 ： 2.9 ～ 5.3 体积％、 氮气 ： 52.5 ～ 59.2 体积％， 可燃性气体成分少， 其发热量 3 低， 为 3031 ～ 3784kJ(723 ～ 903kcal/Nm )( 参照第 4 版钢铁便览 (CD-ROM)No.1 第 2 卷制 铁·制钢， 2002 年 7 月 30 日发行， 表 42-5·7(2000))， 如果单独用作燃料气体， 则燃烧气体 温度降低而不适用于高温用途。这是由于， 氢气、 一氧化碳、 甲烷等可燃性气体成分少， 而 且由这些燃料成分燃烧产生的热量消耗于作为可燃性气体成分以外的惰性气体成分的氮 气或二氧化碳的加热而导致的。因此， 与同高炉煤气一样作为炼铁厂的副产物气体的焦炉 3 煤气或转炉煤气等具有 2000kcal/Nm 以上的发热量的高热量副产物气体混合， 用于上述用
途。将高炉煤气与焦炉煤气和 / 或转炉煤气混合的气体称为混合气体或 M 气体。
在炼铁厂的副产物气体的产生量中， 高炉煤气的产生量与其它副产物气体相比非 常多， 为了将其利用， 消耗大量的焦炉煤气或转炉煤气作为增热用气体。特别是在近年， 由 于高炉的作业是由吹入重油转变为吹入微粉碳， 因此高炉煤气的产生量有增大的倾向。随 着高炉煤气产生量增大， 增热用高热量副产物气体的消耗量增加， 以往， 在炼铁厂下游工序 的钢材加热炉中使用的高热量副产物气体的不足逐渐成为令人担心的情况。 作为高热量副 产物气体的代替， 使用 LPG 或 LNG 等购入燃料。
因此， 提出了多个将高炉煤气改性， 以提高发热量， 形成可以单独使用的方法。
在日本特开 2004-309067 号公报中提出了， 从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离 3 除去二氧化碳， 制造 900kcal/Nm 以上的发热量的改性高炉煤气， 将该改性高炉煤气代替高 炉煤气、 焦炉煤气、 转炉煤气、 LPG 气体的任意一种或两种以上的一部分或全部的方法。另 外， 在日本特开 2004-309067 号公报中还提出了， 将上述改性高炉煤气作为铁矿石还原用 的还原气体在还原炉中加以利用的方法。
在日本特开昭 55-113814 号公报中提出了， 将从高炉煤气中除去二氧化碳而制造 的改性高炉煤气加热后吹入高炉而循环使用的方法。
另外， 在日本特开昭 62-193622 号公报中提出了， 使用氧化铝类吸附剂和多孔性 聚苯乙烯分别选择性吸附高炉煤气中的二氧化碳和氮气， 制造一氧化碳和氢气的富燃料气 体的方法。
但是， 在上述现有技术中， 存在以下问题。
在日本特开 2004-309067 号公报和日本特开昭 55-113814 号公报中， 仅从高炉煤 气中分离除去了二氧化碳， 未除去高炉煤气中约占 50 体积％的氮气， 改性后的发热量充其量为 1050kcal/Nm3 左右， 发热量的增加少， 通过改性所表现出的效果少。
日本特开昭 62-193622 号公报公开了由高炉煤气除去二氧化碳和氮气来制造一 氧化碳和氢气的富燃料气体， 但在日本特开昭 62-193622 号公报的实施例中一氧化碳和氢 气的富燃料气体的发热量不足 1000kcal/Nm3， 很难说充分地除去了二氧化碳和氮气。 另外， 在分离除去二氧化碳和氮气之前， 高炉煤气的氮气含量高达 55％， 存在应当处理的高炉煤 气量多， 用于分离除去二氧化碳和氮气的费用高的问题。该问题在日本特开 2004-309067 号公报和日本特开昭 55-113814 号公报中也相同。 发明内容 本发明的目的在于提供一种高炉煤气的分离方法， 其可以以少的费用有效地从由 高炉炉顶排出的高炉煤气中分离二氧化碳和氮气。
为了实现上述目的， 本发明提供以以下为主旨的高炉煤气的分离方法。
[1]. 高炉煤气的分离方法， 其具有 ：
生成氧气浓度至少为 25 体积％以上的富氧化空气的工序 ；
由设置在高炉下部的风口将所述富氧化空气吹入高炉内的工序 ； 和
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性 高炉煤气的工序。
[2]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其中， 所述富氧化空气为 25 ～ 96 体 积％。
[3]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其中， 所述改性高炉煤气具有 1060 ～ 3 2950kcal/Nm 的发热量。
[4]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其中，
所述富氧化空气为 25 ～ 96 体积％， 且
所述改性高炉煤气具有 1060 ～ 2950kcal/Nm3 的发热量。
[5]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其中， 所述生成富氧化空气的工序为，
准备配置了氮气吸附量随着压力的增加或温度的降低而增加的氮气吸收用吸附 剂的、 可以轴心为中心转动的圆筒形容器，
对于所述氮气吸收用吸附剂， 由各自相反侧的方向供给压力或温度不同的干燥的 空气，
对于压力相对升高的空气或温度相对降低的空气实施脱氮处理，
对于压力相对降低的空气或温度相对升高的空气实施富氮化，
由此， 进行压力相对升高的空气或温度相对降低的空气的富氧化。
[6]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其中， 所述生成改性高炉煤气的工序 包括利用胺法分离除去二氧化碳的工序和利用 PSA 法分离除去氮气的工序。
[7]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其中， 所述生成改性高炉煤气的工序 包括利用 PSA 法分离除去二氧化碳的工序和利用 PSA 法分离除去氮气的工序。
[8]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其中， 所述生成改性高炉煤气的工序 包括利用炼铁厂的排热从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮 气。
[9]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其进一步具有将所述改性高炉煤气作 为选自加热炉、 均热炉、 退火炉、 保温炉中的至少一个的燃料气体使用的工序。
[10]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其进一步具有 ：
将所述改性高炉煤气作为选自加热炉、 均热炉、 退火炉、 保温炉中的至少一个的燃 料气体使用的工序 ； 和
向高炉中吹入焦炉煤气的工序。
[11]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其进一步具有将所述改性高炉煤气 吹入高炉中而循环使用的工序。
[12]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其进一步具有将所述改性高炉煤气 作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机， 并使其在燃气轮机联合发电 设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序。
[13]. 根据 [1] 所述的高炉煤气的分离方法， 其进一步具有将所述改性高炉煤气 作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机， 并使其在燃气轮机联合发电 设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序，
所述生成改性高炉煤气的工序包括利用由所述燃气轮机联合发电设备的运转方 法得到的电力， 并利用炼铁厂的排热， 从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的 二氧化碳和氮气。 [14]. 根据 [12] 所述的高炉煤气的分离方法， 其进一步具有将在所述燃气轮机联 合发电设备的运转方法中发电的电力供给至炼铁厂的各设备， 并使用剩余的电力作为用于 二氧化碳地下储存的电力或用于废铁熔化的电力利用的工序。
[15]. 根据 [12] 所述的高炉煤气的分离方法， 其进一步将在所述燃气轮机联合 发电设备的运转方法中发电的电力供给至炼铁厂的各设备， 中止相当于剩余电力部分的发 电， 向高炉中吹入与该发电量所必需的改性高炉煤气的热量相当的高炉煤气或改性高炉煤 气。
[16]. 高炉煤气的分离方法， 其具有 ：
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性 高炉煤气的工序 ； 和
将所述改性高炉煤气吹入高炉中而循环使用的工序。
[17]. 高炉煤气的分离方法， 其具有 ：
从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而生成改性 高炉煤气的工序 ； 和
将所述改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩 机， 并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电的工序。
附图说明 图 1 是本发明优选的转动式富氧化空气制造装置的简要透视图。
图 2 是构成图 1 所示的转动式富氧化空气制造装置的一部分的第 1 圆筒型容器和 第 2 圆筒型容器的简要透视图。
图 3 是定性地表示沸石的氮气吸附量与压力的关系的图。
图 4 是定性地表示沸石的氮气吸附量与压力和温度的关系的图。 图 5 是表示实施实施方式 3 的燃气轮机联合发电设备的结构的概要图。具体实施方式
实施方式 1
实施方式 1 的高炉煤气的分离方法的特征在于， 由设置在高炉下部的风口将氧气 浓度为 25 体积％以上的富氧化空气吹入高炉内而实施高炉作业， 以该高炉作业回收由高 炉炉顶排出的高炉煤气， 从回收的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气。 以下， 具 体地说明实施方式 1。
说明在从高炉煤气中分离除去二氧化碳和氮气时的气体成分和发热量。在表 1 中 示出了， 例如， 从含有氢气 ( 以下， 也称为 “H2” )4.4 体积％、 氮气 ( 以下， 也称为 “N2” )49.9 体积％、 一氧化碳 ( 以下， 也称为 “CO” )23.6 体积％、 二氧化碳 ( 以下， 也称为 “CO2” )22.1 体积％的高炉煤气中只完全地除去二氧化碳时 ( 改性高炉煤气 1)， 以及除去二氧化碳和氮 气时 ( 改性高炉煤气 2) 的气体成分和发热量。在改性高炉煤气 2 中， 二氧化碳和氮气分别 基于可以除去 90％ (CO2 ： 22.1 体积％→ 2.2 体积％， N2 ： 49.9 体积％→ 5.0 体积％ ) 进行 计算。体积比是高炉煤气的体积为 1.0 时体积的比例。
表1如表 1 所示， 直接产生的高炉煤气的发热量为 825kcal/Nm3， 在从该高炉煤气中只 完全分离出二氧化碳时 ( 改性高炉煤气 1)， 可燃性气体成分的增加部分约达 8 体积％， 可 3 燃性气体成分的合计量只有 36 体积％左右， 发热量为 1062kcal/Nm ， 发热量的增加部分少。 与此相对， 在将二氧化碳和氮气分别分离除去 90％时 ( 改性高炉煤气 2)， 可燃性气体成分 3 的合计量达到约 80 体积％， 发热量增加到 2346kcal/Nm 。
实施方式 1 的目标之一在于， 减少高炉煤气增热用的高热量副产物气体的消费 量， 为此， 必须将高炉煤气用作可以单独使用的高热量气体， 因此， 在实施方式 1 中， 从高炉 煤气中分离除去二氧化碳和氮气。此时， 根据二氧化碳和氮气的除去率， 发热量发生变化， 3 但优选除去二氧化碳和氮气以得到 1060kcal/Nm 以上的发热量。应予说明， 改性高炉煤气 3 的发热量越高越优选， 更优选除去二氧化碳和氮气以得到 1500kcal/Nm 以上的发热量。考 虑到高炉煤气的组成， 发热量的上限为 2950kcal/Nm3 左右。
其中， 作为进一步提高改性高炉煤气的发热量的方法， 可以在炼铁厂容许的范围 内 ( 例如， 在以往基础使用量的范围内 ) 混合焦炉煤气或转炉煤气。
在实施方式 1 中， 从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离 / 除去气体中的二氧化碳
和氮气的方法不需要特别规定。二氧化碳或氮气可以用化学吸收法、 物理吸收法、 膜分离 法、 吸附法等任何方法分离 / 除去。例如， 作为分离二氧化碳的方法， 可以使用胺法、 膜分离 法、 PSA 法等。作为氮气的分离方法， 可以使用膜分离法、 PSA 法等。其中， 不是同时分离除 去二氧化碳和氮气， 而是两阶段分离， 即在除去任意一种后再除去残留的另外一种。其中， 来自高炉煤气的二氧化碳和氮气的分离所耗费的动力等能量源， 从节能和减少二氧化碳产 量等的观点考虑， 优选利用由高炉炉体的冷却水、 转炉煤气的冷却水、 加热炉排气等炼铁厂 的排热回收的能源。对于二氧化碳的分离， 由于胺法与其它方法相比可以廉价地分离且可 以大型化， 因此在设备规模大时是有利的， 但由于不能同时分离氮气， 因此形成两阶段分离 结构， 在第二阶段实施氮气分离。另外， 在膜分离法、 PSA 法中， 根据使用的材料的不同分离 特性不同， 因此形成两阶段分离结构时分离率提高， 而且可燃性气体成分的损失率也降低。 因此， 优选的是， 第一阶段的二氧化碳的分离使用可以廉价地扩大设备规模的胺法， 或者可 以廉价地进行处理、 且作为中小规模的设备具有实际效果的 PSA 法， 第二阶段的氮气分离 使用 PSA 法的方法。如上所述， 二氧化碳和氮气的分离 / 除去的标准只要使分离 / 除去后 的改性高炉煤气的发热量为 1060kcal/Nm3 以上， 更优选为 1500kcal/Nm3 以上即可。考虑到 高炉煤气的组成， 发热量的上限为 2950kcal/Nm3 左右。 这样， 从高炉煤气中分离 / 除去二氧化碳和氮气而制造的高炉改性煤气， 可以作 为各种加热炉的燃料气体、 热风炉燃料气体、 焦炉燃料气体和发电用燃料气体而有效利用。
在实施方式 1 中， 回收由高炉炉顶排出的高炉煤气， 并从回收的高炉煤气中分离 / 除去二氧化碳和氮气， 但在由设置在高炉下部的风口吹入空气时， 排出的高炉煤气中含有 55 体积％左右的氮气， 另外， 由于氮气含量多， 因此高炉煤气的产生量变多。为了抑制由以 大量的高炉煤气为分离处理对象引起的成本上升和由分离处理大量含有的氮气引起的成 本上升， 在实施方式 1 中， 由风口将含有 25 体积％以上的氧气的富氧化空气吹入高炉中， 随 着高炉煤气中所含的氮气减少， 高炉煤气的产生量减少。 在吹入富氧化空气时， 吹入与吹入 空气时的氧气吹入量相同的氧气即可， 吹入量与吹入空气时相比减少。 应予说明， 为了减少 高炉煤气中所含的氮气， 富氧化空气中的氧气浓度越高越优选， 优选含有 30 体积％以上的 氧气， 更优选含有 35 体积％以上的氧气。如果考虑到氧气制造的成本， 则优选为 96 体积％ 以下。从高炉作业上考虑， 达到 70 体积％左右的氧气浓度是充分的。当然， 由于炼铁厂内 的氧气供需平衡， 因此可以使用纯氧气。但是， 为了通过分离空气使氧气浓度为 96％以上， 除了氮气以外， 还必须分离氩气， 因此需要分离能源。
吹入高炉内的空气中的氮气不参与反应， 供给量直接由炉顶排出， 因此， 通过将富 氧化空气吹入高炉内， 与空气相比氮气含量减少， 因此高炉煤气中的氮气含量减少， 且高炉 煤气产生量减少。 由此， 作为分离处理对象的高炉煤气量减少， 且排出的高炉煤气中的氮气 浓度减少， 由此使二氧化碳和氮气的分离高效化。
另外， 在排出氮气浓度为 54 体积％的高炉煤气的高炉作业中， 在代替空气吹入氧 气浓度为 25 体积％的富氧化空气时， 高炉煤气中的氮气含量约为 48 体积％， 氮气量减少约 20 体积％。 在代替空气吹入氧气浓度为 30 体积％的富氧化空气时， 高炉煤气中的氮气含量 约为 42 体积％， 氮气量减少约 38 体积％。在代替空气吹入氧气浓度为 35 体积％的富氧化 空气时， 高炉煤气中的氮气含量约为 36 体积％， 氮气量减少约 50 体积％。进一步， 在吹入 氧气浓度为 50 体积％的富氧化空气时， 高炉煤气中的氮气含量约为 24 体积％。
在实施例方式 1 中， 吹入氧气浓度为 25 体积％的富氧化空气的理由， 是为了使排 出的高炉煤气中的氮气含量如上大幅地降低。
作为富氧化空气的制造方法， 可以使用深冷分离装置、 膜分离装置、 转动式富氧化 空气制造装置等， 用哪种方法进行制造都可以， 但在制造氧气浓度达到 50 体积％左右的氧 气浓度相对较低的富氧化空气时， 优选采用可以廉价且节能地制造富氧化空气的转动式富 氧化空气制造装置。深冷分离装置适用于大量制造， 但在成本上不适用于低氧气浓度的富 氧化空气的制造。
以下， 对于转动式富氧化空气制造装置进行说明。图 1 是在实施方式 1 中使用的 转动式富氧化空气制造装置的简要透视图， 图 2 是构成图 1 所示的转动式富氧化空气制造 装置的一部分的第 1 圆筒形容器和第 2 圆筒形容器的简要透视图， 图 2A 表示第 1 圆筒形容 器， 图 2B 表示第 2 圆筒形容器。
如图 1 所示， 在管体 13 的内部， 配置可以通过电动机 ( 未示出 ) 以轴心 2a 为中心 转动的第 1 圆筒形容器 2， 并且夹持该第 1 圆筒形容器 2、 且与轴心 2a 的方向相对地配置第 2 圆筒形容器 3 和第 3 圆筒形容器 4。第 2 圆筒形容器 3 和第 3 圆筒形容器 4 的轴心方向与 第 1 圆筒形容器 2 的轴心 2a 相同， 可以通过电动机 ( 未示出 ) 以轴心 2a 为中心转动。此 时， 这些第 1 ～第 3 圆筒形容器可以利用同一电动机转动， 另外， 还可以分别利用各自的电 动机转动， 这两种情况都可以。在利用各自的电动机转动时转速也可以分别不同。另外， 在 图 1 中， 转动方向相同， 但也可以不同。
如图 2A 所示， 第 1 圆筒形容器 2 的内部被由轴心 2a 放射状伸出的分隔板 8 分隔 成多个， 分隔的各部位用金属丝、 网 ( 未示出 ) 等包围， 并填充氮气吸收用吸附剂 5。另外， 还可以将在表面涂布了氮气吸收用吸附剂 5 的蜂巢结构体配置于分隔的各部位。作为氮气 吸收用吸附剂 5， 优选使用氮气吸收能力优良的沸石。应予说明， 沸石是指结晶性无机氧化 物， 具体而言， 是由结晶性硅酸盐、 结晶性硅铝酸盐、 结晶性金属硅酸盐、 结晶性铝磷酸盐、 结晶性金属铝磷酸盐等构成的结晶性微孔性物质。另外， 分隔版 8 还作为用于确保第 1 圆 筒形容器 2 的刚性的加强材料起作用。
如图 2B 所示， 第 2 圆筒形容器 3 的内部构造与第 1 圆筒形容器 2 的内部构造相同， 被分隔板 8 分隔的各部位用金属丝、 网 ( 未示出 ) 等包围， 并填充水分吸收用吸附剂 6。另 外， 还可以将在表面涂布了水分吸收用吸附剂 6 的蜂巢结构体配置于分隔的各部位。虽然 未示出， 但第 3 圆筒形容器 4 的内部构造也与第 2 圆筒形容器 3 的内部构造相同， 在被分隔 板 8 分隔的各部位配置水分吸收用吸附剂 7。作为水分吸收用吸附剂 6 和水分吸收用吸附 剂 7， 可以使用硅胶等惯用的水分吸收用吸附剂。
在管体 13 的内部， 在夹持第 1 圆筒形容器 2、 第 2 圆筒形容器 3 和第 3 圆筒形容 器 4 而通过管体 13 中心线的位置设置分离板 14， 通过分离板 14 在管体 13 内部形成两个流 路。即， 在图 1 中， 供给至左侧下段的第 1 空气供给流路 9 的空气按顺序通过第 2 圆筒形容 器 3、 第 1 圆筒形容器 2、 第 3 圆筒形容器 4， 由右侧下段的第 1 空气排出流路 11 排出。另一 方面， 在图 1 中， 供给至右侧上段的第 2 空气供给流路 10 的空气按顺序通过第 3 圆筒形容 器 4、 第 1 圆筒形容器 2、 第 2 圆筒形容器 3， 由左侧上段的第 2 空气排出流路 12 排出。
在该转动式富氧化空气制造装置 1 中， 使空气这样向相反方向流动是必要条件。 其中， 第 1 圆筒形容器 2、 第 2 圆筒形容器 3 和第 3 圆筒形容器 4 以轴心 2a 为中心连续地或断续地转动， 因此， 由第 1 空气供给流路 9 供给的空气不是全部由第 1 空气排出流路 11 排 出， 同样的， 由第 2 空气供给流路 10 供给的空气不是全部由第 2 空气排出流路 12 排出， 而是 一部分空气相互混合， 但在该转动式富氧化空气制造装置 1 中， 混合一部分空气也没问题。
第 1 空气供给流路 9、 第 2 空气供给流路 10、 第 1 空气排出流路 11 和第 2 空气排 出流路 12 分别以配管 ( 未示出 ) 连接， 通过这些配管， 向第 1 空气供给流路 9 和第 2 空气 供给流路 10 供给空气， 另外， 通过这些配管， 将由第 1 空气排出流路 11 和第 2 空气排出流 路 12 排出的空气导入规定场所。
使用这样构成的转动式富氧化空气制造装置 1， 如下由空气制造富氧化空气。
首先， 对于用作氮气吸收用吸附剂 5 的沸石的氮气吸收能力进行说明。图 3 是定 性地表示沸石的氮气吸附量与压力的关系的图， 图 4 是定性地表示沸石的氮气吸附量与压 力和温度的关系的图。
如图 3 所示， 沸石具有压力越高氮气吸附量越增加的性质， 如果在压力 P1 的氛围 气下使空气与沸石接触， 则沸石吸附氮气至吸附量为 C1 值为止。这样， 空气的氮气减少， 仅 发生与氮气减少部分相当的富氧化。 另一方面， 在压力 P2 下， 由于沸石的氮气吸附量降低至 C2 值， 因此吸附至 C1 值的沸石如果与压力 P2 的空气接触， 则放出吸附的氮气， 沸石的吸附量 由 C1 值降低至 C2 值。氮气放出后空气的氮气含量增加， 发生富氮化。 即， 通过使压力不同的空气与沸石接触， 根据通过压力差确定的氮气吸附量的差， 发生压力相对较高的空气的富氧化， 另一方面， 发生压力相对较低的空气的富氮化。 通过使 压力不同的空气交替与沸石接触， 沸石反复进行氮气的吸附与放出， 氮气吸附量不是以饱 和状态直接储存， 而是半永久地发生富氧化。
另外， 如图 4 所示， 沸石根据温度不同而氮气吸附量也不同， 即使压力固定， 随着 温度降低， 氮气吸附量增加。即， 如果使压力为固定值 P3， 使比温度 T2 低的温度 T1 的空气与 沸石接触， 则沸石吸收氮气至吸附量为 C3 值为止。这样， 空气的氮气减少， 发生与氮气减少 部分相当的富氧化。另一方面， 由于在温度 T2 下， 沸石的氮气吸附量降低至 C4 值， 因此如果 沸石与温度 T2 的空气接触， 则放出吸附的氮气， 沸石的吸附量由 C3 值降低至 C4 值。氮气放 出后空气的氮气含量增加， 发生富氮化。
即， 通过使温度不同的空气与沸石接触， 根据通过温度差确定的氮气吸附量的差， 发生温度相对较低的空气的富氧化， 另一方面， 发生温度相对较高的空气的富氮化。 通过使 温度不同的空气交替与沸石接触， 沸石反复进行氮气的吸附与放出， 氮气吸附量不是以饱 和状态直接储存， 而是半永久地发生富氧化。
此时， 由图 4 可知， 通过升高富氧化侧的空气的压力且降低温度， 可以使沸石的氮 气吸附量的差更大， 有效地进行富氧化。
接着， 说明利用这样的沸石的氮气吸附能力， 由空气制造富氧化空气的方法。
即， 在图 1 中， 一边使第 1 圆筒形容器 2、 第 2 圆筒形容器 3 和第 3 圆筒形容器 4 以 轴心 2a 为中心连续地或断续地转动， 一边使由第 1 空气供给流路 9 供给的空气的压力比由 第 2 空气供给流路 10 供给的空气的压力高， 或者， 使由第 1 空气供给流路 9 供给的空气的 温度比由第 2 空气供给流路 10 供给的空气的温度低， 或者， 使由第 1 空气供给流路 9 供给 的空气与由第 2 空气供给流路 10 供给的空气相比压力高且温度低， 由第 1 空气供给流路 9 和第 2 空气供给流路 10 供给空气。供给的空气的压力调节， 例如可以通过调整用于鼓入空
气的鼓风机的排出压力等进行， 供给的空气的温度调节， 例如可以通过设置于供给配管的 加热器等进行调节。
由第 1 空气供给流路 9 供给的空气， 与在第 2 圆筒形容器 3 上配置的水分吸收用 吸附剂 6 接触而除去水分 ( 称为 “脱水处理” )， 脱水处理后的空气与在第 1 圆筒形容器 2 上 配置的氮气吸收用吸附剂 5 接触。其中， 由第 1 空气供给流路 9 供给的空气与由第 2 空气 供给流路 10 供给的空气相比， 压力高， 或者温度低， 或者压力高并且温度低， 因此通过包含 沸石等的氮气吸收用吸附剂 5 吸附氮气， 氮气减少， 发生富氧化 ( 称为 “脱氮气处理” )。脱 氮气处理也称为 “富氧化处理” 。
另一方面， 由第 2 空气供给流路 10 供给的空气， 与在第 3 圆筒形容器 4 上配置的 水分吸收用吸附剂 7 接触而实施脱水处理， 脱水处理后的空气流入第 1 圆筒形容器 2， 与在 第 1 圆筒形容器 2 上配置的氮气吸收用吸附剂 5 接触。由第 2 空气供给流路 10 供给的空 气与由第 1 空气供给流路 9 供给的空气相比， 压力低， 或者温度高， 或者压力低并且温度高， 因此通过与该空气接触， 包含沸石等的氮气吸收用吸附剂 5 的氮气吸附量降低， 氮气吸附 量的相差部分氮气放入由第 2 空气供给流路 10 供给的空气中。这样， 由第 2 空气供给流路 10 供给的空气的氮气浓度增加 ( 称为 “富氮化处理” )。通过这样， 氮气吸收用吸附剂 5 的 氮气吸附量不是以饱和状态直接储存， 而是连续地完成氮气的吸附 / 放出。 之后， 由第 2 空气供给流路 10 供给的、 富氮化处理后的空气， 流入第 2 圆筒形容器 3， 与水分吸收用吸附剂 6 接触。水分吸收用吸附剂 6 与由第 1 空气供给流路 9 供给的空气 接触， 吸附该空气中所含的水分， 但由于从第 2 空气供给流路 10 供给的空气是已经通过在 第 3 圆筒形容器 4 上配置的水分吸收用吸附剂 7 除去了水分的干燥状态的空气， 因此吸附 于水分吸收用吸附剂 6 上的水分放入由第 2 空气供给流路 10 供给的空气中， 该空气的水分 浓度上升 ( 称为 “富水分化处理” )。即， 水分吸收用吸附剂 6 的水分吸附量不是以饱和状 态直接储存， 而是连续地完成水分的吸附 / 放出。
同样的， 由第 1 空气供给流路 9 供给的、 进行了脱氮气处理即富氧化处理的空气， 流入第 3 圆筒形容器 4， 与水分吸收用吸附剂 7 接触。水分吸收用吸附剂 7 与由第 2 空气供 给流路 10 供给的空气接触， 吸附该空气中所含的水分， 但由于从第 1 空气供给流路 9 供给 的空气是已经通过在第 2 圆筒形容器 3 上配置的水分吸收用吸附剂 6 除去了水分的干燥状 态的空气， 因此吸附于水分吸收用吸附剂 7 中的水分放入由第 1 空气供给流路 9 供给的空 气中。即， 水分吸收用吸附剂 7 的水分吸附量不是以饱和状态直接储存， 而是连续地完成水 分的吸附 / 放出。
第 1 圆筒形容器 2、 第 2 圆筒形容器 3 和第 3 圆筒形容器 4 的转速根据各吸附剂的 吸附能力设定即可， 以使各吸附剂的吸附量在未达到饱和吸附量时转动 180 度 ( 半圈 )。
这样， 在实施方式 1 中优选的转动式富氧化空气制造装置 1 中， 夹持着氮气吸收用 吸附剂 5 而在其两侧配置水分吸收用吸附剂 6 和水分吸收用吸附剂 7， 对于这些吸附剂， 由 各相反侧的方向供给空气， 因此由各自相反侧的方向不断向氮气吸收用吸附剂 5 输送干燥 的空气， 氮气吸收用吸附剂 5 不受水分影响， 由供给的空气吸收氮气， 同时将吸收的氮气放 入由相反侧供给的空气中。另外， 水分吸附用吸附剂 6 和水分吸附用吸收剂 7 交替地反复 进行水分吸附和放出。这样， 氮气吸收用吸附剂 5、 水分吸收用吸附剂 6 和水分吸收用吸附 剂 7 的吸附量具有以下优良的特征 ： 不会以饱和状态直接储存， 而可以长时间连续地制造
富氧化空气。
应予说明， 在上述说明的转动式富氧化空气制造装置 1 中， 在各自分离的圆筒形 容器中配置氮气吸收用吸附剂 5、 水分吸附用吸附剂 6 和水分吸附用吸收剂 7， 但可以使圆 筒形容器为 1 个， 在该 1 个圆筒形容器的内部， 按顺序配置水分吸附用吸附剂 6、 氮气吸收用 吸附剂 5、 水分吸附用吸收剂 7， 另外， 在管体 13 的内部配置圆筒形容器， 同时在管体 13 的 内部配置空气流路， 但也可以在管体 13 的内部只配置圆筒形容器， 空气的流路是独立的配 管。
这样， 通过使用转动式富氧化空气制造装置 1 制造富氧化空气， 与通过深冷分离 装置制造纯氧气并将该纯氧气与空气混合而制造富氧化空气的情况相比， 可以大幅减少电 力原单位。
如以上说明， 根据实施方式 1， 由于实施将氧气浓度为 25 体积％以上的富氧化空 气吹入高炉内的高炉作业， 因此产生的高炉煤气的氮气含量降低， 并且随着氮气含量减少 高炉煤气的产生量减少， 这样， 作为处理对象的高炉煤气量减少， 并且应当分离除去的氮气 量减少， 因此不仅能廉价且高效地从高炉煤气中分离除去氮气， 还能廉价且高效地分离除 去二氧化碳。 另外， 由于从高炉煤气中除去二氧化碳和氮气， 因此可以得到发热量为现有的 3 高炉煤气的 2 倍以上的 2000kcal/Nm 以上的改性高炉煤气， 促进高炉煤气的有效利用。 实施方式 2
实施方式 2 的高炉煤气的分离方法的特征在于， 从由高炉炉顶排出的高炉煤气中 分离除去气体中的 CO2 和 N2， 制造与所述高炉煤气相比发热量提高的改性高炉煤气， 将该改 性高炉煤气吹入高炉中而循环使用。
根据实施方式 2， 由于从高炉煤气中除去 CO2 和 N2， 因此可以得到发热量是现有高 3 炉煤气的 2 倍以上的 1060kcal/Nm 以上 ( 优选为 1500kcal/Nm3 以上， 更优选为 2000kcal/ 3 Nm 以上 ) 的改性高炉煤气。在将该改性高炉煤气吹入高炉时， 改性高炉煤气作为还原剂起 作用， 可以减少该部分的还原剂， 即焦炭或微粉炭的供给量。另外， 在用作加热炉或均热炉 等的燃料气体时， 由于燃烧后的排气量减少， 因而由排气向体系外带出的热量减少， 能减少 燃料使用量。 另外， 在吹入高炉时或用作加热炉或均热炉等的燃料气体时， 也可以减少新使 用的还原剂或燃料气体， 由此减少炼铁厂中的 CO2 产生量。这样， 通过实施方式 2， 能带来环 境上和工业上的有益效果。
以下， 具体地说明实施方式 2。
首先， 说明在从高炉煤气中分离除去 CO2 和 N2 时的气体成分和发热量。在表 2 中 示出了， 从含有 H24.4 体积％、 N249.9 体积％、 CO 23.6 体积％、 CO222.1 体积％的高炉煤气 中只除去 CO2 时， 以及除去 CO2 和 N2 时的气体成分和发热量。应予说明， CO2 和 N2 分别基于 可以除去 90％ (CO2 ： 22.1 体积％→ 2.2 体积％， N2 ： 49.9 体积％→ 5.0 体积％ ) 进行计算。 体积比是高炉煤气的体积为 1.0 时体积的比例。
表2
如表 2 所示， 直接产生的高炉煤气的发热量为 825kcal/Nm3， 在从该高炉煤气中只 分离出 CO2 时， 可燃性气体成分的增加部分约达 7 体积％， 可燃性气体成分的合计量只有 35 3 体积％左右， 发热量为 1031kcal/Nm ， 发热量的增加部分少。 与此相对， 在分离除去了 CO2 和 N2 时， 可燃性气体成分的合计量达到约 80 体积％， 发热量增加到 2346kcal/Nm3。
本发明的目标之一在于， 减少高炉煤气增热用的高热量副产物气体的消费量， 为 此， 必须将高炉煤气用作可以单独使用的高热量气体， 因此， 本发明以利用由高炉煤气分离 除去 CO2 和 N2 的高热量改性高炉煤气为前提。此时， 根据 CO2 和 N2 的除去率， 发热量发生变 3 化， 但优选除去 CO2 和 N2 以得到 2000kcal/Nm 以上的发热量。
即， 本发明的特征在于， 从高炉煤气中分离除去 CO2 和 N2， 制造与高炉煤气相比发 热量提高的改性高炉煤气， 将该改性高炉煤气吹入高炉而循环使用， 或者作为在加热炉、 均 热炉、 退火炉、 保温炉中的任意一种或两种以上的燃料气体使用。
在本发明中， 对从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的 CO2 和 N2 的方 法没有特别规定， 例如， 作为 CO2 的分离方法， 可以使用胺法、 膜分离法、 PSA 法等， 作为 N2 的 分离方法， 可以使用膜分离法、 PSA 法等。但是， 优选不同时分离除去 CO2 和 N2， 而是两阶段 分离， 即在除去任意一种后再除去残留的另外一种。其中， 来自高炉煤气的 CO2 和 N2 的分离 所耗费的动力等能量源， 从节能和减少二氧化碳产量等的观点考虑， 优选利用由高炉炉体 的冷却水、 转炉排气的冷却水、 加热炉排气等炼铁厂的排热回收的能源。
对于 CO2 分离， 由于胺法与其它方法相比可以廉价地分离且可以大型化， 因此在设 备规模大时是有利的， 但由于不能同时分离氮气， 因此形成两阶段分离结构， 在第二阶段实 施 N2 分离。另外， 在膜分离法、 PSA 法中， 根据使用的材料的不同分离特性不同， 因此形成两 阶段分离结构时分离率提高， 而且可燃性气体成分的损失率也降低。因此， 优选的是， 第一 阶段的 CO2 分离使用可以廉价地扩大设备规模的胺法， 或者可以廉价地进行处理、 且作为中 小规模的设备具有实际效果的 PSA 法， 第二阶段的 N2 分离使用 PSA 法的方法。
在本发明中， 将从高炉煤气除去 CO2 和 N2 而制造的改性高炉煤气吹入高炉而循环 使用， 或者在加热炉、 均热炉、 退火炉、 保温炉中作为燃料气体使用， 首先， 对在高炉中循环 使用的情况进行说明。
在高炉中， 由炉顶装入作为主原料的铁矿石、 作为还原剂和燃料的焦炭、 以及作为 造渣剂的石灰石等， 由设置在下部侧壁的风口将加热至 1000℃以上的热风吹入， 还原铁矿 石而制造熔化生铁。存在由风口吹入重油的情况， 但是近年来一般吹入廉价的微粉炭。在 热风中， 通常富化 1 ～ 2 体积％的氧气。
铁矿石在炉内下降期间， 被焦炭的燃烧热和热风加热， 同时被由焦炭或微粉炭燃 烧生成的 CO 还原。该还原反应以 “FeOn+nCO → Fe+nCO2” 表示， 称为 “间接还原” 。另外， 与
焦炭或微粉炭直接反应也可以被还原。该还原反应以 “FeOn+nC → Fe+nCO” 表示， 称为 “直 接还原” 。
在本发明中， 由风口将除去了 CO2 和 N2 的改性高炉煤气与热风一起吹入炉内。改 性高炉煤气以 CO 为主要成分， 进一步含有 10 体积％左右的 H2， 通过该改性高炉煤气中的 CO 和 H2 将铁矿石还原。因此， 可以减少与改性高炉煤气的供给量相当的当量份的还原剂， 具 体而言可以减少由风口吹入的微粉炭。焦炭也是还原剂， 但由于焦炭具有确保炉内的通气 性的作用和效果， 因此在减少焦炭时一定要留意这一点。 在提高高炉的热效率上， 优选将改 性高炉煤气与热风同样地加热至 1000℃左右后供给至炉内。
向炉内的热风的供给量必须减少微粉炭等还原剂的燃烧所耗费的相当量， 因此， 根据微粉炭等还原剂的供给量的减少量， 减少向炉内的热风的供给量。 由此， 减少热风的鼓 风动力。另外， 通过减少向炉内的热风的供给量， 还表现出以下效果 ： 由炉顶排出的高炉煤 气中的 N2 含量减少， 排出的高炉煤气的发热量增加。回收排出的该高炉煤气， 并从回收的 高炉煤气中分离除去 CO2 和 N2， 将得到的改性高炉煤气由风口吹入高炉， 循环使用。
通过进行这样的操作方式， 不需要使用以往使用的微粉炭， 由此可以减少 CO2 的产 生量。例如， 在使用焦炭和微粉炭作为还原剂和燃料且其中微粉炭所占的比例为 20 质量％ 左右的高炉中， 通过循环使用除去了 CO2 和 N2 的分离改性高炉煤气， 实现由该高炉排出的 CO2 减少约 30％。
接着， 对于使用改性高炉煤气作为在加热炉、 均热炉、 退火炉、 保温炉中的燃料气 体的情况进行说明。此时， 优选使用的改性高炉煤气的发热量为 2000kcal/Nm3 以上。
由于改性高炉煤气的发热量为 2000kcal/Nm3 以上， 因此不需要增热用的高热量副 产物气体 ( 焦炉煤气、 转炉煤气 ) 或者 LPG 或 LNG 等购入燃料， 只使用改性高炉煤气作为加 热炉、 均热炉、 退火炉、 保温炉的燃料气体。 此时， 在将混合了焦炉煤气等的高炉煤气作为燃 料气体的装置中， 可以不需要改变装置的样式而只切换燃料气体进行应对。
通过使用改性高炉煤气作为加热炉、 均热炉、 退火炉、 保温炉等的燃料气体， 通过 燃料气体中所含的 CO2 和 N2 向体系外带出的热量 ( 排热 ) 减少， 用于加热的燃料气体的使 用量减少。由此， 加热炉、 均热炉、 退火炉、 保温炉等中的 CO2 的排出量减少。
如以上说明， 通过本发明， 不仅能减少炼铁厂中的 CO2 的产生量， 而且可以减少微 粉炭或燃料气体， 在环境上和工业上带来有益的效果。
实施方式 3
高炉煤气与焦炉煤气和 / 或转炉煤气混合的气体称为混合气体或 M 气体。应予说 明， 在炼铁厂的副产物气体的产生量中， 高炉煤气的产生量与其它副产物气体相比极多， 将 高炉煤气混合气体化的理由是为了将该高炉煤气有效地利用。
将该混合气体作为燃料气体利用的燃气轮机联合发电设备的例子如图 5 所示。在 图 5 中， 标记 101 为燃气轮机， 102 为蒸汽轮机， 103 为发电机， 104 为燃料气体压缩机， 105 为空气压缩机， 106 为燃烧器， 107 为排气锅炉， 108 为由 2 个齿轮组成的变速器。如图 5 所 示， 燃气轮机联合发电设备是将燃气轮机 101、 蒸汽轮机 102、 发电机 103 配置在同一轴上而 构成的。燃气轮机联合发电设备由于与现有的蒸汽轮机式的发电设备相比发电效率高， 因 此在集约化钢铁厂或垃圾焚烧设备等中广泛采用。
在该燃气轮机联合发电设备中， 将由燃料气体压缩机 104 导出的高温高压的燃料气体和由空气压缩机 105 导出的高温高压的空气导入燃烧器 106 中使其燃烧， 产生高温高 压的燃烧气体。 将该高温高压的燃烧气体导入燃气轮机 101 中驱动燃气轮机 101 转动， 由此 驱动发电机 103 转动而进行发电。另外， 将由燃气轮机 101 排出的排气导入排气锅炉 107， 由此， 使蒸汽产生， 将该蒸汽供给蒸汽轮机 102 来驱动蒸汽轮机 102 转动， 由此驱动发电机 103 转动而进行发电。即， 以由燃料气体的燃烧产生的高温高压的燃烧气体驱动发电机 103 转动， 并且以利用该燃烧气体的排热生成的蒸汽驱动发电机 3 转动而进行发电的设备。
实施方式 3 的目的在于， 提供在使炼铁厂产生的副产物气体燃烧进行发电的燃气 轮机联合发电设备中， 与以往相比可以提高发电效率的燃气轮机联合发电设备的运转方 法， 同时提供在使用发电效率提高了的燃气轮机联合发电设备供给炼铁厂的电力时， 在炼 铁厂的最合适的能源利用方法。
为了实现上述目的， 实施方式 3 的燃气轮机联合发电设备的运转方法的特征在 于， 从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而制造与上述高炉 煤气相比发热量提高的改性高炉煤气， 将该改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合 发电设备的燃料气体压缩机， 并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发 电。 根据实施方式 3， 由于将分离 / 除去了惰性气体成分的、 与高炉煤气相比发热量提 高的改性高炉煤气用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体， 因此可以减少燃气轮机联合发 电设备的燃料气体压缩机的动力， 增加与该动力减少部分相当的量的发电量， 结果， 与以往 相比发电效率大幅提高得以实现。 另外， 由于燃气轮机联合发电设备的发电效率提高， 因而 可以只用燃气轮机联合发电设备产生的发电量补充炼铁厂的电力， 通过剩余电力的有效利 用推进二氧化碳的减少。
以下， 具体地说明实施方式 3。
对于以炼铁厂产生的副产物气体为燃料气体的燃气轮机联合发电设备， 为了提高 发电效率而进行了研究， 结果发现， 目前用作燃料气体的、 包含副产物气体的混合气体的发 热量降低， 因此， 燃气轮机联合发电设备的燃料气体压缩机的负荷增大， 消耗大量的动力。 因此可知， 通过提高燃料气体的发热量， 燃料气体压缩机的负荷减少并且动力减少， 提高了 与动力减少部分相当的部分的发电量。
因此， 研究在燃气轮机联合发电设备中提高使用的燃料气体的发热量。 如上所述， 在炼铁厂产生的副产物气体中， 焦炉煤气和转炉煤气与高炉煤气相比具有约 3 倍以上的发 热量， 如果单独使用焦炉煤气和转炉煤气， 则容易实现目的， 但产生不能确保产生量最多的 高炉煤气的用途， 高炉煤气产生浪费的问题。另外， 实际情况是， 如果降低混合气体中的高 炉煤气的配合比例， 焦炉煤气和转炉煤气的配合比例相应地升高， 则可以提高混合气体的 发热量， 但焦炉煤气和转炉煤气的产生量存在限制， 而且焦炉煤气和转炉煤气在以往的炼 铁厂下游工序的钢材加热炉中用作高炉煤气增热用， 没有多余的剩余。
考虑这些情况， 在实施方式 3 中， 将从高炉煤气中分离 / 除去了惰性气体成分的改 性高炉煤气作为燃气轮机联合发电设备的燃料气体。
表 3 中示出了， 从含有氢气 ( 以下， 也称为 “H2” )4.4 体积％、 氮气 ( 以下， 也称为 “N2” )49.9 体积％、 一氧化碳 ( 以下， 也称为 “CO” )23.6 体积％、 二氧化碳 ( 以下， 也称为 “CO2” )22.1 体积％的高炉煤气中只完全地除去二氧化碳时 ( 改性高炉煤气 1)， 以及除去
二氧化碳和氮气时 ( 改性高炉煤气 2) 的气体成分和发热量。应予说明， 改性高炉煤气 2 的 二氧化碳和氮气分别基于可以除去 90％ (CO2 ： 22.1 体积％→ 2.2 体积％， N2 ： 49.9 体积％ → 5.0 体积％ ) 进行计算。体积比是高炉煤气的体积为 1.0 时体积的比例。
表3
如表 3 所示， 直接产生的高炉煤气的发热量为 825kcal/Nm3， 在从该高炉煤气中只 完全分离出二氧化碳时 ( 改性高炉煤气 1)， 可燃性气体成分的增加部分约达 8 体积％， 可 3 燃性气体成分的合计量只有 36 体积％左右， 发热量为 1062kcal/Nm ， 发热量的增加部分少。 与此相对， 在将二氧化碳和氮气分别分离除去 90％时 ( 改性高炉煤气 2)， 可燃性气体成分 3 的合计量达到约 80 体积％， 发热量增加到 2346kcal/Nm 。
由这些结果可知， 只分离 / 除去二氧化碳时， 与以往的燃气轮机联合发电设备的 操作没有大的区别， 改善效果少， 因此在实施方式 3 中， 将从高炉煤气中分离 / 除去了二氧 化碳和氮气的高热量的改性高炉煤气用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体。此时， 根据 二氧化碳和氮气的除去率， 发热量发生变化， 但为了提高发电效率， 优选除去二氧化碳和氮 3 气以得到至少 1060kcal/Nm 以上的发热量。 应予说明， 改性高炉煤气的发热量越高越优选， 3 更优选除去二氧化碳和氮气以得到至少 1500kcal/Nm 以上的发热量。
其中， 作为进一步提高改性高炉煤气的发热量的方法， 可以在炼铁厂容许的范围 内 ( 例如， 在以往基础使用量的范围内 ) 混合焦炉煤气或转炉煤气， 这在实施方式 3 的范围 内。
实施方式 3 是基于这些研究结果而完成的发明， 其特征在于， 从由高炉炉顶排出 的高炉煤气中分离除去气体中的二氧化碳和氮气而制造与上述高炉煤气相比发热量提高 的改性高炉煤气， 将该改性高炉煤气作为燃料气体导入燃气轮机联合发电设备的燃料气体 压缩机， 并使其在燃气轮机联合发电设备的燃烧器中燃烧而进行发电。
在实施方式 3 中， 对从由高炉炉顶排出的高炉煤气中分离 / 除去气体中的二氧化 碳和氮气的方法没有特别规定， 例如， 作为二氧化碳的分离方法， 可以使用胺法、 膜分离法、 PSA 法等， 作为氮气的分离方法， 可以使用膜分离法、 PSA 法等。但是， 优选不同时分离除去 二氧化碳和氮气， 而是两阶段分离， 即在除去任意一种后再除去残留的另外一种。其中， 来 自高炉煤气的 CO2 和 N2 的分离所耗费的动力等能量源， 从节能和减少二氧化碳产量等的观 点考虑， 优选利用由高炉炉体的冷却水、 转炉排气的冷却水、 加热炉排气等炼铁厂的排热回 收的能源。 另外， 通过应用实施方式 3， 可以期待燃气轮机联合发电设备的发电效率提高， 电 力供给产生富余， 因此还可以利用该富余的电力进行从高炉煤气中分离二氧化碳和氮气。
对于二氧化碳的分离， 由于胺法与其它方法相比可以廉价地分离且可以大型化，
因此在设备规模大时是有利的， 但由于不能同时分离氮气， 因此形成两阶段分离结构， 在第 二阶段实施氮气分离。另外， 在膜分离法、 PSA 法中， 根据使用的材料的不同分离特性不同， 因此形成两阶段分离结构时分离率提高， 而且可燃性气体成分的损失率也降低。 因此， 优选 的是， 第一阶段的二氧化碳的分离使用可以廉价地扩大设备规模的胺法， 或者可以廉价地 进行处理、 且作为中小规模的设备具有实际效果的 PSA 法， 第二阶段的氮气分离使用 PSA 法 的方法。如上所述， 二氧化碳和氮气的分离 / 除去的标准只要使分离 / 除去后的改性高炉 煤气的发热量为 1060kcal/Nm3 以上， 更优选为 1500kcal/Nm3 以上即可。
这样， 将从高炉煤气中分离 / 除去了二氧化碳和氮气而制造的改性高炉煤气用作 燃气轮机联合发电设备的燃料气体。以下， 参照图 5， 说明燃气轮机联合发电设备的运转方 法。应予说明， 图 5 是表示实施实施方式 3 的燃气轮机联合发电设备的结构的概要图。
将改性高炉煤气作为燃料气体导入燃料气体压缩机 104， 通过该燃料气体压缩机 104 提高改性高炉煤气的温度和压力。然后， 将高温高压化的改性高炉煤气供给至燃烧器 106。或者， 将燃烧用空气导入空气压缩机 105， 由该空气压缩机 105 得到高温高压的空气。 将该高温高压化的空气供给至燃烧器 106。高温高压化的改性高炉煤气通过高温高压化的 空气在燃烧器 106 中燃烧， 生成高温高压的燃烧气体。将该燃烧气体导入燃气轮机 1 来驱 动燃气轮机 1 转动， 由此驱动发电机 103 转动而进行发电。
另外， 将由燃气轮机 1 排出的排气导入排气锅炉 107， 由此， 使蒸汽产生， 将该蒸汽 供给蒸汽轮机 102 来驱动蒸汽轮机 102 转动， 由此驱动发电机 103 转动而进行发电。
在燃气轮机联合发电设备中， 将燃气轮机 101、 蒸汽轮机 102、 发电机 103 配置在同 一轴上， 因此能有效地进行发电。并且， 在实施方式 3 中， 由于使用发热量提高的改性高炉 煤气作为燃料气体， 即， 由于使用分离 / 除去了惰性气体成分的改性高炉煤气， 因此， 不需 要以往将混合气体作为燃料气体时在燃料气体压缩机 104 中使惰性气体成分升温 / 加压所 耗费的动力， 与该部分相当的动力减少， 发电量增加。
在发电量为 300MW 级的燃气轮机联合发电设备中， 燃料气体压缩机 104 中的动力 减少部分可以达到 40MW 以上， 发电量可以增加 10％以上。 燃料气体压缩机 104 与燃气轮机 1、 蒸汽轮机 102 和发电机 103 等不配置在同一轴上， 并且通过变速器 108 连接， 因此在燃料 气体压缩机 104 中使用的动力量可以通过调节变速器 108 而容易地调节。
如以上说明， 根据实施方式 3， 由于将分离 / 除去了惰性气体成分的、 发热量高的 改性高炉煤气用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体， 因此可以使燃气轮机联合发电设备 的燃料气体压缩机的动力减少， 增加了与该动力减少部分相当的量的发电量。
在实施方式 3 中， 将从高炉煤气中分离 / 除去了二氧化碳和氮气的改性高炉煤气 用作燃气轮机联合发电设备的燃料气体。为了提高该二氧化碳和氮气的分离效率， 优选将 富氧化空气而非空气吹入高炉， 预先减少高炉煤气中所含的氮气， 同时减少高炉煤气的产 生量。
即， 在实施方式 3 中， 回收由高炉炉顶排出的高炉煤气， 并从回收的高炉煤气中分 离除去二氧化碳和氮气， 但在由设置在高炉下部的风口吹入空气时， 在排出的高炉煤气中 含有 55 体积％左右的氮气， 另外， 由于氮气的含量多， 因此高炉煤气的产生量变多。为了抑 制由以大量的高炉煤气为分离处理对象引起的成本上升和由分离处理大量含有的氮气引 起的成本上升， 在实施方式 3 中， 优选例如由风口将含有 30 体积％以上的氧气的富氧化空气吹入高炉中， 随着高炉煤气所含的氮气减少， 高炉煤气的产生量减少。 在吹入富氧化空气 时， 吹入与吹入空气时的氧气吹入量相同的氧气即可， 吹入量与吹入空气时相比减少。
吹入高炉内的空气中的氮气不参与反应， 供给量直接由炉顶排出， 因此， 通过将富 氧化空气吹入高炉内， 与空气相比氮气含量减少， 因此高炉煤气中的氮气含量减少， 且高炉 煤气产生量减少。 由此， 作为分离处理对象的高炉煤气量减少， 且排出的高炉煤气中的氮气 浓度减少， 由此使二氧化碳和氮气的分离高效化。
另外， 在排出氮气浓度为 54 体积％的高炉煤气的高炉作业中， 在代替空气吹入氧 气浓度为 30 体积％的富氧化空气时， 高炉煤气中的氮气含量约为 42 体积％， 氮气量减少约 38 体积％。在吹入氧气浓度为 50 体积％的富氧化空气时， 高炉煤气中的氮气含量约为 24 体积％， 在实施方式 3 中， 吹入富氧化空气的理由， 如上所述是为了使排出的高炉煤气中的 氮气含量大幅地降低。
作为富氧化空气的制造方法， 可以使用深冷分离装置、 膜分离装置、 转动式富氧化 空气制造装置等， 用哪种方法进行制造都可以， 但在制造氧气浓度达到 40 体积％左右的氧 气浓度比较低的富氧化空气时， 优选采用可以廉价且节能地制造富氧化空气的转动式富氧 化空气制造装置。深冷分离装置适用于大量制造， 但在成本上不适用于低氧气浓度的富氧 化空气的制造。
通过使用转动式富氧化空气制造装置制造富氧化空气， 与通过深冷分离装置制造 纯氧气并将该纯氧气与空气混合而制造富氧化空气的情况相比， 可以大幅减少电力原单 位。
但是， 通过应用实施方式 3， 燃气轮机联合发电设备的发电效率提高。根据本发明 人的研究可知， 在炼铁厂下游工序的钢材加热炉中， 与以往相同， 与高炉煤气一起， 使用作 为高炉煤气增热用的焦炉煤气和转炉煤气， 将由除此之外的高炉煤气得到的、 分离 / 除去 了二氧化碳和氮气的改性高炉煤气作为燃气轮机联合发电设备的燃料气体进行发电， 由此 发电效率大幅提高， 因此其发电量充分地超过在炼铁厂的各设备中使用的电力量。 即可知， 通过应用实施方式 3， 只以改性高炉煤气为燃料气体的燃气轮机联合发电设备的发电量就 可以充分供给炼铁厂的各设备的电力。
作为有效利用剩余电力的方法， 作为近年来防止地球变暖的对策的一环， 优选作 为用于 CO2 地下储存的电力使用， 或者， 优选作为电炉中的废铁熔化用电力利用。 应予说明， 作为铁源， 使用由高炉还原铁矿石而制造的熔化生铁和废铁， 但在高炉的熔化生铁的制造 中， 相对于用于还原且熔融铁矿石所需要大量的能源， 废铁只需要熔解热， 在利用废铁时， 具有可以减少铁矿石的还原热部分的能源使用量的优点， 即得到节能和减少 CO2 的优点。
另外， 还可以不将剩余的电力发电， 而向高炉吹入与用于发电该剩余的电力所需 的改性高炉煤气的热量相当的高炉煤气或改性高炉煤气作为还原剂。 在高炉煤气和改性高 炉煤气中， 含有一氧化碳和氢气， 它们作为铁矿石的还原剂起作用。
即， 在高炉中， 由炉顶装入作为主原料的铁矿石、 作为还原剂和燃料的焦炭、 和作 为造渣剂的石灰石等， 由设置在下部侧壁的风口将加热至 1000℃以上的热风吹入， 还原铁 矿石而制造熔化生铁。铁矿石在炉内下降期间， 被焦炭的燃烧热和热风加热， 同时被由焦 炭或微粉炭燃烧生成的 CO 还原。该还原反应以 “FeOn+nCO → Fe+nCO2” 表示， 称为 “间接还 原” 。另外， 与焦炭或微粉炭直接反应也可以被还原。该还原反应以 “FeOn+nC → Fe+nCO”表示， 称为 “直接还原” 。
通过由风口将改性高炉煤气或高炉煤气与热风一起吹入炉内， 由在改性高炉煤气 或高炉煤气中所含的 CO 和 H2 还原铁矿石。因此， 可以减少与改性高炉煤气和高炉煤气的 供给量相当的当量份的还原剂。 此时， 在提高高炉的热效率上， 优选将改性高炉煤气和高炉 煤气与热风同样地加热至 500℃以上后供给至炉内。
另外， 通过在炼铁厂内的加热设备中优先使用高发热量高炉煤气， 燃料发热量调 节用焦炉煤气出现富余。还可以将产生富余的焦炉煤气吹入高炉。
实施例 1
在发电量为 300MW 规模的图 1 所示的燃气轮机联合发电设备中， 对于使用上述表 1 所示的、 分离 / 除去了 90％二氧化碳和氮气的改性高炉煤气 2( 发热量 ： 2346kcal/Nm3) 作 为燃料气体的情况 ( 实施方式 3 例 )， 和使用发热量为 825kcal/Nm3 的高炉煤气和发热量为 4250kcal/Nm3 的焦炉煤气的混合气体 ( 发热量 ： 1050kcal/Nm3， 焦炉煤气的配合量 ： 6.6 体 积％ ) 作为燃料气体的情况 ( 现有例 )， 比较发电量。
其结果如表 4 所示， 在发明例中， 燃料气体压缩机的动力与现有例相比减少 30MW， 得到 30MW 份的发电量。由此， 发电效率由 49％提高至 53％， 可以有效地发电。
表4
实施例 2
在每年粗钢产量为 1000 万吨的炼铁厂中， 说明使用实施方式 3 时的研究结果。作 为研究的前提条件， 将在炼铁厂产生的副产物气体在炼铁厂下游工序的钢材加热炉等中按 规定使用， 将除此之外的高炉煤气改性为上述表 1 所示的改性高炉煤气 2， 作为燃气轮机联 合发电设备的燃料气体。考虑到高炉作业的变动对高炉煤气产生量的变化的影响， 预计燃 气轮机联合发电设备的发电效率略低于 50％。 当然， LNG 或 LPG 等购入能源的使用为零。 该 炼铁厂的能源收支如表 5 所示。另外， 在表 5 中， 作为比较例， 还一并示出了用蒸汽轮机发 电的现有的发电厂设置的炼铁厂的能源收支。现有发电厂的发电效率的实际结果为 37％。
表5
在炼铁厂投入的能源是包含原料炭和焦炭的还原剂， 相对于 1000 万吨 / 年的粗钢 生成， 每年投入 47.8 兆 kal 的还原剂， 由该还原剂产生 7.8 兆 kal 的焦炉煤气、 12.2 兆 kal 的高炉煤气、 1.7 兆 kal 的转炉煤气， 将这些副产物气体回收。另一方面， 在投入的能源中， 还原反应热为 16.5 兆 kal， 来自高炉或转炉等炉体的放热为 9.6 兆 kal， 它们不能作为能源 回收。
根据实际结果， 在回收的副产物气体中， 由于 12.2 兆 kal 份的副产物气体用于炼 铁厂下游工序的钢材加热炉等， 因此， 在发电厂中， 本发明例和比较例都供给 9.5 兆 kal 份 的副产物气体。
在本发明例中， 从 9.5 兆 kal 份的全部高炉煤气中， 除去二氧化碳和氮气， 制造改 性高炉煤气， 将其作为燃气轮机联合发电设备的燃料气体。结果， 发电效率为 50％， 每年的 得到 55.2 亿 kWh 的电力。炼铁厂的每年电力使用量， 依照实际结果为 44.3 亿 kWh， 因此结
果是每年产生 10.9 亿 kWh 的剩余电力。
可知， 该剩余电力可以作为用于 CO2 地下储存的电力使用， 或者可以作为电炉的废 铁熔化用电力使用。 另外可知， 在不将剩余电力发电时， 发电剩余电力所需的高炉煤气不使 用而剩余， 可以将该高炉煤气或将该高炉煤气改性的改性高炉煤气作为还原用气体吹入高 炉。另一方面， 在比较例中， 将高炉煤气和焦炉煤气的混合气体 9.5 兆 kal 份供给蒸汽轮机 型发电厂， 但发电厂的发电效率为 37％， 尽管投入与本发明例相同量的能源， 但每年只得到 40.9 亿 kWh 的电力， 每年有 3.4kWh 份的电力不足， 结果必须由外部购入该相当部分的电力。