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JP4712082B2 - 石炭ガス化及び直接製鉄方法並びにそのシステム - Google Patents

石炭ガス化及び直接製鉄方法並びにそのシステム Download PDF

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Description

本発明は、石炭を酸化剤と反応させ石炭ガスを発生させる石炭ガス化プロセスと、酸化鉄含有物質と石炭を原料として炭材内装塊成物を作り、これを加熱還元炉で加熱して還元し金属鉄を製造する石炭ベース直接製鉄プロセスとを組み合わせた石炭ガス化及び直接製鉄方法並びにそのシステムに関するものである。
石炭ガス化プロセスは、石炭などの原料を加熱して熱分解し、発生したガスを例えば発電等のエネルギー源として回収するプロセスであり、原料となる石炭をガス化炉に装入し、そのガス化炉に酸素含有ガスおよび高温の蒸気を酸化剤として供給し、ガス化炉内の原料を部分燃焼させ、発生した熱によって未燃焼の原料を熱分解しガス化するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
現在、上記石炭ガス化プロセスの主流は石炭ガス化複合発電であり、この石炭ガス化複合発電によれば、世界中に広く分布し埋蔵量が豊富な石炭資源を利用することができるという利点があり、また、発電効率が高いため発電電力量あたりの二酸化炭素、硫黄酸化物、窒素酸化物等の発生量を低減することができる。
一方、石炭ベース直接製鉄プロセスは、酸化鉄含有物質と還元剤としての石炭を含む原料混合物をペレットまたはブリケット状の塊成化物に予め成形し、この炭材内装塊成化物を回転炉床炉に供給し、上記原料混合物がその回転炉床炉内を移動する間に加熱バーナーによる熱や発生燃料ガスで加熱することにより、原料混合物中の酸化鉄を還元剤で還元し、金属鉄（還元鉄）を得るようになっている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００８−１６３２５７号公報 特開平９−３１０１１１号公報
上記した従来の石炭ガス化プロセスは、プロセス内で発生する排ガスの顕熱を利用して蒸気を製造しており、蒸気を効率良く製造するためには熱交換器における熱媒と冷媒との温度差を大きくとる必要がある。
しかしながら、石炭ガス化炉の排ガス温度若しくは生成ガス温度以上に蒸気（熱媒）温度を高めることはできないことから、熱交換器において所望の温度差が得られない場合には、設備仕様を変更、具体的には熱交換器の伝熱面積を大きくしなければならず、それにより初期設備投資が高くなるという問題がある。また、設備仕様を変更できなければ、熱交換量が少なくなり、プロセスが成り立たなくなる。
また、特に、石炭ガス化炉から発生する生成ガスにはタールが含まれており、これらが熱交換器に析出すると、大きなトラブルを引き起こすことになる。そこで、生成ガスは一旦、冷却されることによりタールが除去されるために、生成ガスの顕熱を熱回収することが難しい。
このように、石炭ガス化プロセスでは生成ガスの顕熱が有効に利用されておらず、熱回収量が少ないことから蒸気温度を高めることができなかった。
他方、石炭ベース直接製鉄プロセスにおいては、蒸気で廃熱を回収しても同一系内で蒸気を使用することがないため、例えば蒸気タービンを使った発電等に利用しているが、単一プロセス内で有効に活用できていない。
本発明は以上のような従来の石炭ガス化プロセスと石炭ベース直接製鉄プロセスにおける課題を考慮してなされたものであり、石炭ベース直接製鉄プロセスで得られる廃熱を利用して石炭ガス化プロセスで生成される蒸気温度を高め、その過熱蒸気を石炭ガス化プロセスの酸化剤として供給し石炭ガス化速度を高めることで、石炭ガス化プロセスのコンパクト化を可能にし、石炭ガス化プロセスに投入する設備投資を少なくすることができ、さらには、直接製鉄プロセスにおける廃熱回収量が増加するように両プロセスで有効に利用することができる、石炭ベースガス化及び直接製鉄方法並びにそのシステムを提供するものである。
ａ．石炭ガス化及び直接製鉄方法
本発明の石炭ガス化及び直接製鉄方法は、石炭ガス化プロセスにおいて排出される排ガスの熱をそのプロセス内の廃熱ボイラーによって回収し、この廃熱ボイラーによって生成され排出される蒸気を、石炭ベース直接製鉄プロセスの排ガス経路に設けられた加熱器に導入することによって過熱し、過熱により得られた過熱蒸気を酸化剤として上記石炭ガス化プロセスの石炭ガス化炉に供給することを要旨とする。
また、本発明の石炭ガス化及び直接製鉄方法は、上記石炭ガス化プロセスにおいて生成された生成ガスを、上記石炭ベース直接製鉄プロセスにおける加熱還元炉に燃料として供給することを要旨とする。
また、本発明の別の石炭ガス化及び直接製鉄方法は、石炭ベース直接製鉄プロセスにおいて排出される排ガスの熱をそのプロセス内の廃熱ボイラーによって回収し、この廃熱ボイラーによって生成され排出される蒸気を、上記石炭ベース直接製鉄プロセスにおける排ガス経路に設けられた加熱器に導入することによって過熱し、過熱により得られた過熱蒸気を酸化剤として石炭ガス化プロセスの石炭ガス化炉に供給することを要旨とする。
本発明の直接製鉄方法とは、高炉法のようにシャフト炉にて銑鉄を作る間接製鉄法とは異なり、回転炉床炉やキルン等を用いバーナ及び発生燃料ガスの燃焼熱により加熱して、鉄、例えば還元鉄や金属粒を作る製鉄法である。上記石炭ベースとは、還元剤として石炭を原料とする意味であるが、固定炭素を含有する原料、例えば廃タイヤなどでもかまわない。
本発明における直接製鉄プロセスには、a) 炭材内装塊成物を回転炉床炉に装入して加熱、還元し、還元鉄として炉外に排出する製造プロセス、及びb) 炭材内装塊成物を回転炉床炉に装入して加熱、還元、溶融して鉄とスラグに分離し、炉内で溶融鉄を粒状に凝集させ、冷却後に排出する製造プロセスが含まれる。
また、本発明の石炭ガス化及び直接製鉄方法では、上記石炭ガス化炉からの排ガス若しくは生成ガスの温度が、上記石炭ベース直接製鉄プロセスの排ガス温度よりも低いことが好ましい。
本発明の石炭ガス化及び直接製鉄方法によれば、石炭ガス化プロセス単独では得られない蒸気温度および流量からなる過熱蒸気を、石炭ガス化炉に酸化剤として供給することができるため、石炭ガス化炉のコンパクト化を図ることが可能になる。
一方、石炭ベース直接製鉄プロセスにおいては、これまで有効に利用することができなかったか若しくは利用率が低かった加熱還元炉からの排熱を有効に利用することが可能になる。
ｂ．石炭ガス化及び直接製鉄システム
本発明の石炭ガス化及び直接製鉄システムは、石炭ガス化炉から排出される排ガスの熱を回収する廃熱ボイラーと、石炭ベース直接製鉄プロセスにおける加熱還元炉の排ガス経路に設けられ、上記廃熱ボイラーによって生成され排出される蒸気を過熱する加熱器と、上記加熱器によって得られた過熱蒸気を酸化剤として上記石炭ガス化炉に供給する過熱蒸気ラインとを備えてなることを要旨とする。
また、本発明の石炭ガス化及び直接製鉄システムは、石炭ベース直接製鉄プロセスにおいて排出される排ガスの熱をそのプロセス内で回収する廃熱ボイラーと、上記石炭ベース直接製鉄プロセスにおける加熱還元炉の排ガス経路に設けられ、上記廃熱ボイラーによって生成され排出される蒸気を過熱する加熱器と、上記加熱器によって得られた過熱蒸気を酸化剤として上記石炭ガス化炉に供給する過熱蒸気ラインとを備えてなることを要旨とする。
本発明の石炭ガス化及び直接製鉄システムによれば、石炭ガス化炉単独のシステムに比べて石炭ガス化炉のコンパクト化を図ることが可能になり、生成ガスの単位面積当たりの発熱量を増やすことができる。また、石炭ベース直接製鉄システムについては、生成ガスの発熱量が増加することでその消費量が低減できるため、そのシステムで発生するＣＯ２を削減することができ、省エネルギーに貢献することができる。
また、両システム内での廃熱回収量を増加させることができ、両システム内での廃熱利用効率を向上させることができる。
本発明の石炭ガス化及び直接製鉄システムにおいて、上記加熱還元炉は、酸化鉄含有物質と石炭ベースからなる還元剤とを含む炭材内装塊成物を加熱して還元する回転炉床炉から構成することができる。
本発明の石炭ガス化及び直接製鉄システムにおいて、上記加熱器は、上記廃熱ボイラーの蒸気ドラムから排出される蒸気を煙管内に導き、その煙管を収納しているケース内に上記加熱還元炉からの排ガスを導いて上記煙管内の蒸気を過熱するスーパーヒーターから構成することができる。
本発明の石炭ガス化及び直接製鉄システムにおいて、上記石炭ベース直接製鉄プロセスまたは上記石炭ガス化プロセスにおける上記廃熱ボイラーの蒸気ドラムと上記加熱器入口とを接続する蒸気接続ラインを設けることができる。
本発明の石炭ガス化及び直接製鉄システムにおいて、上記石炭ガス化炉によって生成された生成ガスを蓄えるガスホルダーを有する場合、このガスホルダーから上記加熱還元炉の燃料供給口に上記生成ガスを供給するように構成することができる。
本発明によれば、石炭ガス化プロセスにおいて生成される蒸気を石炭ベース直接製鉄プロセスからの排熱によってさらに加熱し、過熱蒸気として石炭ガス化プロセスに供給することができるため、石炭ガス化速度が高められ、その結果、石炭ベース直接製鉄プロセスにおける熱回収量が増加し、石炭ガス化プロセスにおける設備投資が低減し、生成ガスの単位面積当たりの発熱量が向上する。
また、石炭ベース直接製鉄プロセスでは、生成ガスの発熱量向上により、エネルギー原単位が低減できるとともに、環境負荷を軽減できる。
さらにまた、両プロセスにおける廃熱回収率と廃熱利用率をそれぞれ向上させることができる。
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る石炭ガス化及び直接製鉄システムの第一実施形態を示す構成図である。
同図において、石炭ガス化及び直接製鉄システムは、石炭ベース直接製鉄プロセスを実行するシステムＡと石炭ガス化プロセスを実行するシステムＢとを組み合わせたものから構成されている。
１．石炭ベース直接製鉄プロセスを実行するシステム
酸化鉄含有物質と石炭（還元剤）が予め混合されペレットまたはブリケットのような塊成化物に成型される。
システムＡにおいて、上記塊成化物は回転炉床炉（加熱還元炉）１に供給され、その回転炉床炉１上に１層、または２層に敷かれ、回転炉床炉１内で１，２５０〜１，４００℃まで加熱されることにより、酸化鉄含有物質中の酸化鉄は石炭により還元されて金属鉄（還元鉄もしくは金属粒）になり、回転炉床炉１外に排出される。
また、回転炉床炉１内において塊成化物より発生したＣＯは回転炉床炉１内で燃焼し、主要な熱源として利用される。なお、回転炉床炉１内に補助的に供給される燃料ガスとしては、ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＯＧ、重油、生成ガスなどが用いられる。
還元過程で発生した排ガスは回転炉床炉１から排ガス経路１ａおよび１ｂを介して熱交換器２に供給された後、さらに例えば冷却器３に供給され、この冷却器３において排ガスが冷却される。なお、上記冷却器３は、ボイラー装置で構成することもでき、ボイラー装置と冷却器との組み合わせで構成することもできる。
上記熱交換器２では、上記排ガスと空気による熱交換が行われ、排ガスは冷却される。加熱された空気は回転炉床炉１の例えば燃焼用空気として使用される。
上記冷却器３から送り出された排ガスは、次に、除塵器４に供給されてダストが除去され、ファン５を介して煙突６から大気に放出される。
上記回転炉床炉１と上記熱交換器２との間に、蒸気を過熱する加熱器としてのスーパーヒーター７が介設されている。
上記スーパーヒーター７は、後述する廃熱ボイラー装置１６の蒸気ドラムから排出される蒸気を煙管内に導き、その煙管を収納しているケース内に回転炉床炉１からの排ガスを導いて上記煙管内を流れる蒸気を過熱するようになっている。
なお、このスーパーヒーター７の動作については、以下のシステムＢと関連して説明する。
２．石炭ガス化プロセスを実行するシステム
システムＢにおいて、燃料としての石炭（微粉炭）が石炭ガス化炉１０に供給され、この石炭ガス化炉１０では空気、酸素、蒸気等の酸化剤によって石炭を部分酸化させガス化するようになっている。
石炭ガス化炉１０で生成された約１，０００℃の生成ガスは、除塵設備１１を通じてガス精製装置としての脱硫設備１２に送られ、廃熱ボイラー装置１３で排熱が回収される。
生成ガスは次いで冷却器１４に供給され、空気と熱交換して冷却され、ガスホルダー１５に蓄えられる。
このガスホルダー１５内に蓄えられた生成ガス（ＣＯ，Ｈ２等）は、回転炉床炉１に燃料ガスとして供給されるようになっている。
一方、石炭ガス化炉１０から排出される約１，１００℃の排ガスは、第２廃熱ボイラー装置１６に供給され、この第２廃熱ボイラー装置１６から排出される排ガスはさらに熱交換器１７に供給され、空気と熱交換して冷却される。熱交換によって加熱された空気は石炭ガス化炉１０の燃焼用空気または酸化剤として使用される。
上記第２廃熱ボイラー装置１６は、石炭ガス化炉１０から排出される排ガスの熱を回収する廃熱ボイラーとして機能する。
上記熱交換器１７から送り出された排ガスは、次に、除塵器１８に供給されてダストが除去され、ファン１９を介して煙突２０から大気に放出される。
３．システムＡとシステムＢを協働させるための構成
図２は上記第２廃熱ボイラー装置１６の拡大図である。
同図において、石炭ガス化炉１０（図１参照）は、第２廃熱ボイラー装置１６の廃熱回収ボイラー１６ａに対し排ガスライン２１を介して接続されている。
廃熱回収ボイラー１６ａ内には伝熱管１６ｂが蛇行して配置されており、蒸気ドラム１６ｃから循環ライン１６ｄおよび循環ポンプ１６ｅを介して上記伝熱管１６ｂの入口に給水されるようになっている。
蒸気ドラム１６ｃから伝熱管１６ｂに給水され、伝熱管１６ｂ内で水が蒸発すると、蒸気は蒸気ライン１６ｆを通じて蒸気ドラム１６ｃに帰還される。
蒸気ドラム１６ｃにて気液分離が行われ、蒸気は蒸気接続ライン２２を通じて上述したスーパーヒーター７（図１参照）に供給される。
なお、蒸気接続ライン２２は、蒸気ドラム１６ｃとスーパーヒーター７の煙管入口（加熱器入口）とを接続している。
スーパーヒーター７は先に説明したように蒸気を過熱し、６００℃に上昇した過熱蒸気を、過熱蒸気ライン２３を通じて酸化剤として石炭ガス化炉１０に供給する（図１参照）。また、上述したように、石炭ガス化炉１０で生成されガスホルダー１５内に蓄えられた生成ガスは、回転炉床炉１に燃料ガスとして供給される。それにより、両システムが協働する。
従来の直接製鉄プロセスにおいては、同じ系内で蒸気を使用することがないため、排ガス顕熱を蒸気で回収しても有効に活用できず、例えば蒸気タービンを使った発電も考えられるが、蒸気タービンによる発電効率を考慮すると、経済的メリットは小さい。
これに対し、本発明では、石炭ガス化プロセスで得られた蒸気を直接製鉄プロセスで得られた高温の排ガスを利用して過熱蒸気とし、石炭ガス化炉に供給するように構成したため、石炭ガス化プロセスにおいては石炭ガス化速度を高めることができ、石炭ガス化炉を小さくすることができることによって設備投資を低減することができる。
また、石炭ガス化を行うにあたり蒸気使用量を低減できることから生成ガス中の発熱量（単位体積当たり）を高めることができ、直接製鉄プロセスで消費する本生成ガス量を低減することができる。
さらに、両システムにおける廃熱回収率の向上と、システム内における利用率向上が図れる。
図３は、本発明に係る石炭ガス化及び直接製鉄システムの第二実施形態を示す構成図である。
なお、同図において図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
図３に示す製造システムが図１に示した製造システムと異なる点は、石炭ガス化炉に対する蒸気の供給経路にある。
システムＡにおいて、熱交換器２の下流側には廃熱ボイラー３′が設けられ、石炭ベース直接製鉄プロセスにて発生する排ガスの熱を蒸気で回収するようになっている。
この廃熱ボイラー３′によって得られた蒸気は、スーパーヒーター７に導かれて過熱され、過熱された過熱蒸気は、過熱蒸気ライン２３を通じ、酸化剤として石炭ガス化炉１０に供給される。
図３の製造システムでは、回転炉床炉１から排出される排ガスは、石炭ガス化炉１０から排出される排ガスのようにタールが含まれていないため、タールの除去を必要とせず廃熱ボイラー３′に供給して蒸気として回収することができ、ガス化剤として石炭ガス化炉１０に供給することができるという利点がある。
なお、一般に、石炭ガス化炉に供給するガス化剤としては、酸素、空気が主流であり、空気よりも純酸素を使用した方が、ガス化の効率をより高めることができる。そこで石炭ガス化炉に酸素製造装置を併設したシステムも存在するが、酸素製造装置を設けた場合、その装置に供給する電力が必要となり、石炭ガス化発電システム系内のタービンによって得られた電力の一部が上記酸素製造装置で消費されることになる。したがって、酸素製造装置を含むシステム全体で考えると、必ずしもエネルギー変換効率が高いとは言えない。
これに対し、本発明は、簡単に得ることができ且つ扱いが容易な蒸気をガス化剤として着目し、石炭ガス化プロセスで得られるものの高温化が難しい蒸気を直接製鉄プロセスにて得られる高温排ガスを利用して過熱蒸気とし、または直接製鉄プロセスで得られる蒸気をその系内で過熱蒸気とし、石炭ガス化炉に供給しているため、酸素製造装置を必要としないエネルギー変換効率の高いシステムを実現している。
本発明に係る石炭ガス化及び直接製鉄システムの第一の実施形態を示す構成図である。 図１に示す第２廃熱ボイラー装置の拡大図である。 本発明に係る石炭ガス化及び直接製鉄システムの第二の実施形態を示す構成図である。
符号の説明
１ 回転炉床炉（加熱還元炉）
１ａ，１ｂ 排ガス経路
２ 熱交換器
３ 冷却器
４ 除塵器
５ ファン
６ 煙突
７ スーパーヒーター（加熱器）
１０ 石炭ガス化炉
１１ 除塵設備
１２ 脱硫設備
１３ 廃熱ボイラー装置
１４ 冷却器
１５ ガスホルダー
１６ 第２廃熱ボイラー装置（廃熱ボイラー）
１６ａ 廃熱回収ボイラー
１６ｂ 伝熱管
１６ｃ 蒸気ドラム
１６ｄ 循環ライン
１６ｅ 循環ポンプ
１６ｆ 蒸気ライン
１７ 熱交換器
１８ 除塵器
１９ ファン
２０ 煙突
２１ 排ガスライン
２２ 蒸気接続ライン
２３ 過熱蒸気ライン

Claims (9)

  1. 石炭ガス化プロセスにおいて排出される排ガスの熱をそのプロセス内の廃熱ボイラーによって回収し、この廃熱ボイラーによって生成され排出される蒸気を、石炭ベース直接製鉄プロセスの排ガス経路に設けられた加熱器に導入することによって過熱し、過熱により得られた過熱蒸気を酸化剤として上記石炭ガス化プロセスの石炭ガス化炉に供給することを特徴とする石炭ガス化及び直接製鉄方法。
  2. 上記石炭ガス化プロセスにおいて生成された生成ガスを、上記石炭ベース直接製鉄プロセスの加熱還元炉に燃料として供給する請求項１記載の石炭ガス化及び直接製鉄方法。
  3. 石炭ベース直接製鉄プロセスにおいて排出される排ガスの熱をそのプロセス内の廃熱ボイラーによって回収し、この廃熱ボイラーによって生成され排出される蒸気を、上記石炭ベース直接製鉄プロセスにおける排ガス経路に設けられた加熱器に導入することによって過熱し、過熱により得られた過熱蒸気を酸化剤として石炭ガス化プロセスの石炭ガス化炉に供給することを特徴とする石炭ガス化及び直接製鉄方法。
  4. 石炭ガス化炉から排出される排ガスの熱を回収する廃熱ボイラーと、
    石炭ベース直接製鉄プロセスにおける加熱還元炉の排ガス経路に設けられ、上記廃熱ボイラーによって生成され排出される蒸気を過熱する加熱器と、
    上記加熱器によって得られた過熱蒸気を酸化剤として上記石炭ガス化炉に供給する過熱蒸気ラインとを備えてなることを特徴とする石炭ガス化及び直接製鉄システム。
  5. 石炭ベース直接製鉄プロセスにおいて排出される排ガスの熱をそのプロセス内で回収する廃熱ボイラーと、
    上記石炭ベース直接製鉄プロセスにおける加熱還元炉の排ガス経路に設けられ、上記廃熱ボイラーによって生成され排出される蒸気を過熱する加熱器と、
    上記加熱器によって得られた過熱蒸気を酸化剤として上記石炭ガス化炉に供給する過熱蒸気ラインとを備えてなることを特徴とする石炭ガス化及び直接製鉄システム。
  6. 上記加熱還元炉が、酸化鉄含有物質と石炭からなる還元剤とを含む炭材内装塊成物を加熱して還元する回転炉床炉から構成される請求項４または５記載の石炭ガス化及び直接製鉄システム。
  7. 上記加熱器が、上記廃熱ボイラーの蒸気ドラムから排出される蒸気を煙管内に導き、その煙管を収納しているケース内に上記加熱還元炉からの排ガスを導いて上記煙管内の蒸気を過熱するスーパーヒーターから構成される請求項４〜６のいずれか１項に記載の石炭ガス化及び直接製鉄システム。
  8. 上記石炭ベース直接製鉄プロセスまたは上記石炭ガス化プロセスにおける上記廃熱ボイラーの蒸気ドラムと上記加熱器入口とを接続する蒸気接続ラインが設けられている請求項４〜７のいずれか１項に記載の石炭ガス化及び直接製鉄システム。
  9. 上記石炭ガス化炉によって生成された生成ガスを蓄えるガスホルダーを有し、このガスホルダーから上記加熱還元炉の燃料供給口に上記生成ガスが供給されるように構成されている請求項４〜８のいずれか１項に記載の石炭ガス化及び直接製鉄システム。
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