圧力スイング吸着による高炉ガスからのCO精製の燃焼経済性

要旨: 中国では、高炉ガス（BFG）はその低い発熱量と燃焼効率のため、多くが浪費されている。本論文では、圧力スイング吸着（PSA）技術をBFGの精製に適用し、発熱量と燃焼効率を大幅に向上させた。技術的実現可能性、燃焼効率および工学的経済性分析により、PSAで精製されたBFGが省エネルギーに最も効果的な方法であり、幅広い応用展望を有することが示された。

キーワード: 高炉ガス、圧力スイング吸着、燃焼経済性

1. はじめに

高炉ガス（BFG）は高炉製鉄プロセスの副産物であり、その排出量は鉄鋼業界の副生ガスの中で最大の割合を占める。主にN₂、CO、CO₂、H₂、CH₄などから構成され、具体的な組成は表1の通りである。高炉ガスの発熱量は一般に約³程度であるため、工業炉の理論燃焼温度に必要な発熱量を満たすことができない。ほとんどの製鉄所では高炉ガスが余剰となっており、程度の差はあるものの排出現象が発生し、環境汚染とエネルギーの浪費を引き起こしている。

近年、鉄鋼企業の省エネルギー技術に対する国の注目により、企業からの高炉ガス排出量は減少している。高炉ガスの利用方法は主に燃焼であり、主な用途は以下のとおり：1）熱風炉での直接使用、2）複合熱コークス炉での直接使用、3）加熱炉や浸漬ピットでの高発熱量ガスとの混合使用、4）圧延炉での蓄熱燃焼技術の使用、5）純BFGによるボイラー発電、6）高炉ガスを主燃料とするガスタービンと蒸気タービンのコンバインドサイクル発電（CCPP）。

表1 一般的なブラ高炉ガス

高炉ガスの有効成分COを濃縮して利用できれば、排出率を大幅に低減できるだけでなく、燃料コストの節約にもつながり、さらには化学製品の原料を提供することも可能となる。COを65%～70%に濃縮すると、燃料価値は8,200～9,000 kJ/Nm³に達する可能性がある³、生成ガスは高カロリー燃料として直接燃焼できる^[1]、または高炉への吹き込み用還元ガスとして使用できる^[2]。COを98.5%以上に濃縮すると、高純度CO生成ガスはさらに高付加価値化学製品の製造に利用できる^[3].

2.PSAによる衡陽鋼鉄の高炉ガスの精製

衡陽華菱鋼管有限公司（以下「衡陽鋼鉄」という）は、年産鉄100万トン、鋼120万トン、鋼管150万トンの生産能力を持つ専門的なシームレス鋼管メーカーである。高炉ガス年間発生量は約21×10⁸⁸m³³であり、主に熱風炉（約35%）、焼結炉（約2%）、天然ガスと混合して圧延炉（約38%）に使用され、残りの大部分は排出されている。高炉ガス排出率は最高で29%に達し、最低でも約23%までしか低減できない^[4]。高カロリー燃料の需要を満たすため、衡陽鋼鉄はガスを購入し、高炉ガスと混合して高炉ガスのカロリーを向上させ、鋼管圧延加熱炉に使用する必要がある。これにより、衡陽鋼鉄における高カロリーガスの大きな需要と低カロリーガスの有効活用の失敗との間に深刻な矛盾が生じている。高炉ガスを精製して高カロリーガスを得ることは、衡陽鋼鉄のエネルギー効率向上にとって賢明な選択となった。

2012年、北京北大先鋒科技有限公司（「PIONEER」）と華菱衡陽鋼鉄は、高炉ガスCO精製プラントの設計・建設に関する協力契約を締結し、現在このプラントは順調に稼働しており、安定した運転、優れた指標を達成し、平均原料ガス消費量は60,000 Nm³³/h、平均製品ガス量は18,000 Nm³³/h、CO収率は約93%である。製品ガス中のCO濃度は必要に応じて60%～70%の範囲で調整可能であり、製品ガスは衡陽鋼鉄の下流ユーザーのカロリー需要を十分に満たし、省エネと収益向上の効果は顕著である。プラントの平均ガス組成とガス量は表2に示す通りである。

表2 平均ガス組成とガス量

3. 経済性分析3.1 コスト計算

PSA-CO装置を使用して高炉ガスを精製する際のコストは、ユーザーにとって最も重要な問題である。PSA-CO製品ガスのコストは、固定費と変動費から構成される。高炉ガス原料価格を1立方メートルあたり0.04元、製品ガス量を18,000 Nm³³/h、プラントの設計稼働期間を10年、年間稼働率を94%として計算した場合、PSA-CO製品ガスの固定費計算結果は表3に、変動費は表4に示されており、製品ガスの総コストは約0.5225元/Nm³となる³。高炉ガス原料のコストを計上しない場合、PSA-CO製品ガスの総コストは0.3921元/Nm³となる³.

表3 製品ガス1立方メートルあたりの固定費

表4 製品ガス1立方メートルあたりの消費量と運転コスト

3.2 燃焼経済性分析

高炉ガスと濃縮後の製品ガスは燃料として燃焼されるため、それらの燃焼経済性分析は不可欠である。CO濃度22.4%の60,000 Nm³³/hの高炉ガスの燃焼データと、CO濃度70%の18,000 Nm³³/hのCOリッチ製品ガスの燃焼データは表5に示す通りである。表5の計算基準は以下の3つの制約条件に基づく：1) 両方のガスが断熱条件下で完全燃焼し、同一の燃焼炉を使用すると仮定する；2) 両方のガスは乾燥ガスであり、空気は乾燥空気であると仮定する；3) 高炉ガスとCOリッチ製品ガスの各成分の含有量は表2のデータに従って計算し、酸素量はほぼゼロとする。

表5 高炉ガスとPSA-CO製品ガスの燃焼プロセス計算

注意：H_i：ガス中の可燃成分の低発熱量、kJ/Nm³³、CO: 12640 kJ/m³³、H₂：18790 kJ/m³³、CH₄: 35880 kJ/m³;

r_i:ガス中の可燃成分の体積百分率;

x_i:煙道ガス中の可燃成分の体積百分率;

V_i:乾ガスの完全燃焼により単位時間あたりに生成される成分の体積,Nm³/h;

c_i,c_g,c_a:成分ガス、ガス、空気の0-における平均体積熱容量t_f℃, 0-t_g℃, 0-t_a℃, kJ/(Nm³·K)、データは表から取得可能;

T_f,T_g,T_a:煙、ガス、空気の絶対温度K、それぞれ423K、313K、313K;

Q₄:COによって消費されるカロリーkJ/h₂およびH₂Oの高温分解による煙道ガス中の、データは表から取得可能

表5の燃焼プロセスの計算結果は、高炉ガスの発熱量が3199 kJ/Nm³、理論燃焼温度はわずか1,315℃であり、COリッチ生成ガスの発熱量は8,970 kJ/Nm³、理論燃焼温度は2,095℃に達し、衡陽鋼鉄工業炉の燃料要件を満たし、直接燃焼に使用できる。

60,000 Nm³/hの高炉ガスおよび18,000 Nm³/hのCOリッチ生成ガスの燃焼による熱量の比較から、精製後のCO収率が約93%であり、一部のCH₄およびH₂が失われるため、生成ガスの燃焼による熱量は高炉ガスの約84%となる。二つの煙道ガスの燃焼熱の比較から、排ガス温度が150℃の場合、COリッチ生成物の燃焼による排ガス損失率は16.3%であり、高炉ガスの排ガス損失率27.5%よりも大幅に低く（図1参照）、燃焼効率が大幅に向上したことがわかる。

以上の計算分析に基づくと、COを豊富に含む製品ガスは、石炭炉よりも高い発熱量、理論燃焼温度、燃焼効率を有しており、それゆえ優れた燃焼経済性を備えている。

図1 高炉ガスとPSA-CO製品の煙道ガス熱損失

3.3 利益分析

2013年末のプロジェクト完了後、衡陽鋼鉄は約60,000 Nm³/hの高炉ガスから精製した70%のCO製品のうち18,000 Nm³/hを直接炉に送り使用する。PSA-CO製品の天然ガス換算量は燃焼熱量に基づいて見積もることができる。PSA-CO製品ガスの総コストと衡陽鋼鉄の地域ガス価格に基づき、精製プラントの年間収入額を算出できる。その結果を以下の表6に示す。

表6 PSA-CO製品ガスの天然ガス換算量と経済的利益

表6から、PSA-CO製品は1時間あたり約4,537Nm³の天然ガスを代替でき、年間代替量は3,974×10⁴Nm³に達し、これは衡陽鋼鉄の元の天然ガス消費量の約3分の1に相当し、衡陽鋼鉄の天然ガスに対する逼迫した需要を大幅に緩和し、均衡させることができる。実際の運転条件によれば、装置の総コストを差し引いた後、このプロジェクトは衡陽鋼鉄に毎年約2,946万元の直接収益を生み出すことができる。

4. 展望

PIONEERが開発した高炉ガス精製（濃縮）技術は、中国の鉄鋼業界を長年悩ませてきた高炉ガス放出の問題を解決し、エネルギー浪費を大幅に削減し、企業に多大な経済的利益をもたらしている。約70%に濃縮されたCO製品は、高発熱量の燃焼ガスまたは還元ガスとして使用でき、石炭、天然ガス、石炭やコークスの使用を削減できる。98.5%以上に濃縮されたCOは、さらに化学生産において、エチレングリコール、ジメチルカーボネート、酢酸、メタノール、TDI、DMFなどの合成に利用できる。この技術は、高炉ガスの排出、および天然ガスや液化石油ガスなどのエネルギー供給が逼迫している鉄鋼会社に非常に適しており、特に今日の鉄鋼市場の激しい競争と環境問題の深刻化の中で、重要な社会的・経済的利益をもたらす。

参考文献

1 耿雲峰、他。高炉製鉄方法：CN 101463398 A

2 耿雲峰、他。高炉ガス濃縮プロセス：CN102643681A

3 唐紅青、炭素-新ケミカルテクノロジー入門、北京：化学工業出版社、2009

4 周偉漢、他。衡陽鋼鉄の高炉ガス利用現状分析と対策、全国エネルギー・熱工学–2010学術会議