JPH05116902A - 可燃性ガスの水素富化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 銑鉄とメタノール合成原料を同時に製造する
ことができる方法に関する。 【構成】 溶融製銑を行うに必要な石炭及び酸素を溶解
ガス化炉に投入した上、さらに水素成分を多く含有する
天然ガス等のガス状炭化水素化合物と該化合物を水素と
一酸化炭素に転換するに足る酸素を吹込んで、該化合物
の大半を水素と一酸化炭素に転換させるとともに、溶解
ガス化炉の出口ガス温度が９００℃〜１１００℃になる
よう水蒸気を吹込んで、水蒸気に含まれる水素成分も水
素に転換して、溶解ガス化炉で発生する可燃性ガスの水
素富化を図る方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は銑鉄とメタノール合成原
料を同時に製造することができる方法に関し、特に溶融
銑鉄法で使用する溶解ガス化炉から発生する可燃性ガス
の水素富化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまでに、銑鉄の製造と同時に、メタ
ノール合成原料を同時に製造する工業的方法は未だ確立
していない。

【０００３】銑鉄の製造は、その大半を高炉法に頼って
いるが、周知の如く高炉法では高品質の原料炭および鉄
鉱石が必要であるため、今後の原料事情の悪化に備え
て、その代替法として溶融製銑法が注目されてきてい
る。周知のとおり、溶融製銑法は溶解ガス化炉内に石炭
を添加し、これを酸素で部分燃焼させて、一酸化炭素及
び水素を主成分とする可燃性ガスを発生させ、該ガス化
炉に還元鉄を投入して溶融銑鉄を製造するとともに、該
ガス化炉で発生する可燃性ガスで鉄鉱石を還元し、前記
還元鉄を製造する方法である。

【０００４】溶融製銑法は低品質の鉄鉱石が使用でき、
かつ高炉法で必要とされるコークス製造および鉄鉱石焼
結などを必要としない画期的な製銑法であるが、製銑時
に発生する可燃性ガスが膨大となり、その有効利用が製
銑の経済性を左右している。このため、揮発分の多い一
般炭の使用制限は勿論、石炭供給量等の操業条件設定に
制約を設けざるを得ないなどの不都合が生じている。

【０００５】一方、地球温暖化の元凶とされる炭酸ガス
の発生抑制の観点から、炭酸ガスの除去および炭素含有
量の少ないクリーンエネルギの出現が社会的ニーズとな
ってきている。

【０００６】周知のとおり、メタノールを合成するため
の原料ガスの成分は水素、一酸化炭素、炭酸ガスであ
り、その組成はＨ₂ ／（３ＣＯ₂ ＋２ＣＯ）＝１の条件
を満たす必要がある。すなわち、原料ガス中の水素含量
を多くする必要があるが、製銑で発生するガスは、その
発生源が石炭であるため、水素の含量が少ない。水素含
量が少ないガスをメタノール原料ガスとするためには、
ＣＯをＨ₂ に転換するいわゆるＣＯシフト反応操作が必
要であり、水素含量が少なければ少ないほど、その転換
量を多くしなければならず、それにともなってメタノー
ルの取得量が少なくなる。

【０００７】溶融製銑で発生する可燃性ガスからメタノ
ール合成原料を製造する複合プラントにおいてはメタノ
ール合成原料の取得量を多くする観点から溶融製銑で発
生させる可燃性ガスは製銑操作に支障をきたさない範囲
内において、極力水素富化された可燃性ガスをなるべく
多く発生させるのが得策である。

【０００８】上記目的より、従来水素富化の手段として
は特開昭５８−１７１５１０号公報に示されているよう
に、溶解ガス化炉の温度制御を目的に水蒸気を吹込み、
その結果として水素富化が図れることが紹介されてい
る。しかしながら、溶解ガス化炉に水蒸気を吹込むと、
炭素の水成反応（Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ＝Ｈ₂ ＋ＣＯ）、炭化水素
の改質反応｛Ｃm Ｈn ＋ mＨ₂ Ｏ＝（ｍ＋ｎ/2) Ｈ₂ ＋
mＣＯ｝などで水素富化が図れるが、これらによる水素
富化は反応温度９００℃以上、好ましくは１０００℃以
上においてしか期待できず、また両反応とも吸熱反応で
あるため、水蒸気吹込みによる可燃性ガスの水素富化に
は限界があり、多くは期待できないのが現状である。

【０００９】また、銑鉄とメタノール合成原料を同時に
製造しようとすると、銑鉄の生産量を一定にしてメタノ
ール合成原料の生産量を増やせるとか、プラント全体の
フレキシビリティを確保する必要がある。すなわち、メ
タノール合成原料の生産量の増減要請に応じて、溶融製
銑操作に支障をきたすことなく、溶解ガス化炉での発生
ガス量が調節できなければならないが、これに対応する
ためには、従来の方法では溶解ガス化炉への石炭投入量
を増やし、これに応じて酸素と水蒸気の吹込み量を増や
していく方法が考えられる。しかし、前述の如く水蒸気
吹込みによる溶解ガス化炉発生ガスの水素富化には限界
があるため、この方法で得られる可燃性ガスは一酸化炭
素の含量が多く該ガスをメタノール合成原料とするため
にはＣＯシフト反応操作を行う必要があるなどメタノー
ル製造系全体についての負荷変動対策が必要となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、溶融
製銑操作で発生する可燃性ガスからメタノール合成原料
を製造して製銑の経済性向上及び炭酸ガス排出抑制の社
会的ニーズに応えることを可能にするため、溶融製銑操
作で発生する可燃性ガスを溶融製銑操作に支障をきたす
ことなく、メタノール合成に適した水素富化ガスとし、
かつその発生量が調節できる方法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は溶解ガス化炉に
石炭類を添加し、該石炭類を酸素により部分燃焼ガス化
して一酸化炭素および水素を主成分とする可燃性ガスを
発生させるとともに、該溶解ガス化炉に還元鉄を添加し
て溶融銑鉄を製造し、該溶解ガス化炉で発生する可燃性
ガスの一部または全量で鉄鉱石を還元して該溶解ガス化
炉に添加する前記還元鉄を製造する溶融製銑操作および
該溶融製銑操作で発生する可燃性ガスの少なくとも一部
をメタノール合成用粗原料ガスとして使用する操作を組
合せてなる方法であって、該溶解ガス化炉に化学分子式
で表わしてＣm Ｈn （ｎ／ｍ≧２．５）であるガス状炭
化水素および該炭化水素を水素と一酸化炭素に転換する
に足る酸素を吹込むとともに該溶解ガス化炉出口の可燃
性ガス温度を９００〜１１００℃の範囲に調節するよう
に水蒸気を吹込むことを特徴とする銑鉄とメタノール合
成原料を同時に製造する溶解ガス化炉で発生する可燃性
ガスの水素富化方法である。

【００１２】本発明でいう石炭類とは石炭ばかりでなく
コークスを含む意味で用いられているものであり、また
還元鉄とは完全に完元されたものばかりでなく、一部還
元した鉄鉱石を含む意味で用いられるものである。

【００１３】すなわち、本発明の特徴は溶融製銑を行う
に必要な石炭及び酸素を溶解ガス化炉に投入した上、さ
らに水素成分を多く含有する天然ガス等のガス状炭化水
素化合物と該化合物を水素と一酸化炭素に転換するに足
る酸素を吹込んで、該化合物の大半を水素と一酸化炭素
に転換させるとともに、溶解ガス化炉の出口ガス温度が
９００℃〜１１００℃になるよう水蒸気を吹込んで、水
蒸気に含まれる水素成分も水素に転換して、溶解ガス化
炉で発生する可燃性ガスの水素富化を図ることにある。

【００１４】

【作用】溶融製銑操作を安定して行うためには周知の如
く、 溶解ガス化炉内の温度が溶融還元に必要な温度
に保持されていること、 溶解ガス化炉内に溶融還元
に必要な炭素分が常時保有されていること、 溶解ガ
ス化炉で発生する可燃性ガスが鉄鉱石の還元に必要な還
元ポテンシャルを保持していることが必要である。

【００１５】本発明は溶解ガス化炉をこのような状態に
保持しつゝ、溶解ガス化炉で発生する可燃性ガスの水素
富化を図るとともに、該可燃性ガスの発生量が調節でき
るようにしようとするものである。

【００１６】前記の如く、溶解ガス化炉に還元鉄を一定
速度で投入しつゝ、該還元鉄を溶融還元するにたる石炭
および酸素の調節された量を投入して溶融製銑操作を安
定化させた上、該ガス化炉に分子式がＣm Ｈn で表示で
き、かつその水素成分と炭素成分の比（ｎ／ｍの値）が
２．５以上である天然ガス等のガス状炭化水素化合物
と、該炭化水素化合物を水素と一酸化炭素に転換するに
足る量の酸素｛Ｃm Ｈn１モルに対し、ｍ／２モルの酸
素｝を吹込むと、該炭化水素化合物の大半は、次の反応
式で示される如く水素と一酸化炭素に転換される。 Ｃm Ｈn ＋ m/2Ｏ₂ ＝ n/2Ｈ₂ ＋ mＣＯ 例えば炭化水素化合物がメタンを主成分とする天然ガス
の場合、ｎ／ｍの値は約４であり、天然ガスを注入して
得られる可燃性ガスの水素成分と一酸化炭素のモル比
（Ｈ₂ ／ＣＯ比）は約２となる。

【００１７】また、溶解ガス化炉の可燃性ガス温度が９
００℃以上好ましくは１０００℃以上においては水蒸気
吹込みによって次の反応が起り、可燃性ガスの水素富化
が図れる。 炭素の水成反応 Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ＝Ｈ₂ ＋ＣＯ 炭化水素の改質反応 Ｃm Ｈn ＋ mＨ₂ Ｏ＝（ｍ＋n/
2)Ｈ₂ ＋ mＣＯ

【００１８】前記条件での炭化水素化合物と酸素の吹込
み及び水蒸気の吹込みによって溶解ガス化炉における溶
銑操作に支障をきたすものではない。何故なら、溶解ガ
ス化炉に吹込まれる炭化水素化合物は別途吹込まれる酸
素によって部分燃焼ガス化されるものであり、また、水
蒸気は溶解ガス化炉の発生ガス温度が９００°〜１１０
０℃になるよう調節されて吹込まれるため、溶解ガス化
炉内の温度保持、可燃性ガスの還元ポテンシャルの保持
が図れるとともに溶解ガス化炉気相部における炭素の水
成反応は僅かであるため、溶融還元に必要な炭素の保有
を損うものではないからである。

【００１９】従って、炭化水素化合物と該化合物を水素
と一酸化炭素に転換するにたる化学当量の酸素を吹込む
とともに溶解ガス化炉出口の可燃性ガス温度が９００℃
〜１１００℃になるよう水蒸気を吹込むことにより、溶
融製銑操作に支障をきたすことなく溶解ガス化炉で発生
する可燃性ガスの水素富化が図られ、またその吹込み量
の増減で可燃性ガスの発生量が自由に調節できる。

【００２０】また、鉄鉱石の還元に消費される水素と一
酸化炭素はほぼ等量であり、鉄鉱石を還元した後の可燃
性ガス中の水蒸気および炭酸ガスを除けば溶解ガス化炉
で発生した可燃性ガス、すなわち水素富化された可燃性
ガスが得られ、メタノール合成用粗原料として使用でき
ることはいうまでもない。

【００２１】さらに、炭化水素化合物の部分燃焼で得ら
れるガスは前記の如く水素富化されたもので、例えばメ
タンを用いるとＨ₂ ／ＣＯ比が約２であり、炭化水素化
合物の吹込みによってＣＯシフト反応量を多くする必要
はない。

【００２２】

【実施例】以下、図１に示す実施態様に基づき、本発明
を更に詳細に説明する。図１は本発明の実施態様を示す
系統図であり、図１中、１は溶解ガス化炉、２は高温サ
イクロン、３は予備還元炉、４は予備還元炉用のサイク
ロンを示す。

【００２３】溶解ガス化炉１内には、下部に溶銑相ａ、
その上に気相界面を有する溶融スラグ相ｂが形成されて
おり、溶解ガス化炉１の炉頂付近には石炭の投入口５、
溶融スラグ相ｂに向けて酸素含有ガスを吹込むためのラ
ンス６および溶解ガス化炉１で発生する可燃性ガスを取
出すための導管７が設けられている。

【００２４】また溶解ガス化炉１の溶銑相ａに接する炉
体には、溶銑およびスラグの排出口８が設けられてお
り、溶融スラグ相ｂに接する炉体には還元鉄を投入する
ための導管９、高温サイクロン２で捕集されたチャーを
主体とする固形分を溶解ガス化炉１に還流するための導
管１０および溶融スラグ相ｂの攪拌と該スラグ相ｂに浮
遊する石炭およびチャーをガス化するための酸素含有ガ
スの吹込み口１１が設けられている。

【００２５】溶融スラグ相ｂの上部炉体には、ガス状炭
化水素化合物を吹込むための導管１２、該炭化水素化合
物を部分燃焼ガス化するための酸素含有ガスの吹込み用
導管１３および水蒸気吹込み用導管１４が設けられてい
る。

【００２６】溶解ガス化炉１に供給する還元鉄を製造す
る予備還元炉３には、サイクロン４が併設されており、
予備還元炉３サイクロン４は導管１５および導管１６で
連結され、また予備還元炉３下部には溶解ガス化炉１で
発生した可燃性ガスを導入するための導管１７が設けら
れ、該導管１７には溶解ガス化炉１で発生した可燃性ガ
スを必要に応じ一部抜き出すための導管１８および予備
還元炉３に吹込む可燃性ガス温度を必要に応じ調節する
ための冷還元ガス吹込み用導管１９が設けられている。

【００２７】予備還元炉３への鉄鉱石の投入は、鉄鉱石
供給口２０から行い、鉄鉱石の還元に使用した後の可燃
性ガスの抜き出しは導管２１から行う。

【００２８】溶解ガス化化炉１の操作は導管９から供給
される粉粒状還元鉄の投入量に応じ、石炭の投入口５か
ら石炭およびスラグの塩基度や流動性等を調節するため
の造滓剤（石灰石等）が投入される。溶解ガス化炉１に
投入された石炭は溶解ガス化炉１の気相部で一部乾留さ
れるとともに溶融スラグ相ｂ内で粉粒状還元鉄および導
管１０から還流されるチャーとともに浮遊滞留し、ラン
ス６および酸素含有ガス吹込み口１１から吹込まれる酸
素によって部分燃焼ガス化し、還元鉄を溶融還元する。
スラグ相ｂで生成した溶銑は溶銑相ａに貯留され、所定
間隔で排出口８からスラグとともに排出される。

【００２９】溶解ガス化炉で発生した可燃性ガスは、導
管７から高温サイクロン２に導入され、該ガスに同伴さ
れるチャーを主体とする固形分を分離した後、導管１７
から予備還元炉３に吹込まれる。高温サイクロン２で分
離されたチャーは導管１０から溶解ガス化炉１のスラグ
相ｂに還流され石炭とともにガス化される。

【００３０】予備還元炉３は流動層方式となっており、
供給口２０から投入される鉄鉱石はサイクロン４を有し
て導管１６から予備還元炉に循環されつつ導管１７から
供給される可燃性ガスで還元される。また還元された鉄
鉱石の一部は導管９から溶解ガス化炉１に投入される
が、この投入量の調節は導管１６から予備還元炉１に循
環される量を調節することで行う。

【００３１】鉄鉱石を還元した後の可燃性ガスは導管２
１から取りだされ、メタノール合成用の粗原料ガスとし
て使用される。すなわち導管２１から取り出された可燃
性ガスは冷却・洗浄操作、脱硫操作、ＣＯシフト反応操
作、脱炭酸ガス操作を経てメタノール合成塔に導入さ
れ、メタノールが合成されることとなるが、溶解ガス化
炉１に燃料として石炭のみが供給された場合、溶解ガス
化炉１で発生する可燃性ガス、ひいては導管２１からメ
タノール合成用粗原料ガスとして取りだされるガス中の
水素含量は小さい。従って、メタノール合成用原料の条
件であるＨ₂ ／（３ＣＯ₂ ＋２ＣＯ）＝１の条件を満た
すためには、ＣＯシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ＝Ｈ₂ ＋Ｃ
Ｏ₂ ）によって一酸化炭素から水素への転換量を多くす
る必要があるとともに、メタノールの取得量を多くしよ
うとした場合、その操業条件変更操作がはんざつとなる
ことは前述のとおりである。

【００３２】本発明においては、天然ガス等のガス状炭
化水素化合物を導管１２から吹込むとともに該化合物を
水素と一酸化炭素に転換するに足る化学当量の酸素を導
管１３から吹込むことにより、該炭化水素化合物の大半
は水素と一酸化炭素に転換される。特に、溶解ガス化炉
１の気相部温度が９００℃以上の高温雰囲気において
は、この反応は瞬時に進行し、溶解ガス化炉１の可燃性
ガスの水素富化が図れるとともに、吹込み量を調節する
ことで溶融製銑操作に支障をきたすことなく可燃性ガス
の発生量が調節できる。また、導管１４からは可燃性ガ
ス温度が９００℃〜１１００℃になるように水蒸気が吹
込まれる。この操作によって発生する可燃性ガスの量が
予備還元で必要とする量をこえるような場合は、導管１
８からその余剰ガスを抜き出してメタノール合成用粗原
料ガスとして使用する。

【００３３】また、予備還元炉３に吹込まれる可燃性ガ
スの温度は導管１９から冷還元ガスを吹込んで調節し、
この冷還元ガスとしては導管１８から抜き出したガスの
一部を冷却して循環してもよく、また、メタノール合成
工程のパージガスや導管２１から抜き出された可燃性ガ
スを脱炭酸ガス処理したガスなどが使用できる。

【００３４】実施例 使用した鉄鉱石、石炭、酸素含有ガスおよび炭化水素化
合物の分析値は次の通りである。 鉄鉱石：全鉄 ６８．８、ＦｅＯ ２．８、その他
１．７重量％ 石 炭：工業分析値 固定炭素５１．５、揮発分３３．
５、灰分１２．６、固有水分２．４重量％ 元素分析値 Ｃ ７２．９、Ｈ₂ ４．８、Ｏ₂ ７．
８、Ｎ₂ １．５、Ｓ ０．４、Ａｓｈ １２．６重量
％ 酸素含有ガス：酸素 ９８．０、窒素 ２．０、その他
０．０容量％ 炭化水素化合物：ＣＨ₄ ９４．０、Ｃ₂ Ｈ₆ ３．５、
その他 ２．５容量％

【００３５】最初に炭化水素化合物を注入せず、ガス化
用燃料として石炭のみを使用して、溶融製銑操作を行い
操業が安定した状態で、本発明の方法すなわち炭化水素
化合物を注入する操業を行った。その操業結果を表１に
示す。

【表１】

【００３６】実施例からも明らかな如く、本発明の方法
によれば、溶融製銑操作に支障をきたすことなく、水素
富化された可燃性ガスが得られ、またその取得量も大幅
に増やすことができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明の方法によれば、銑鉄とメタノー
ル合成原料を同時に製造するプラントでメタノール合成
に有利な水素富化ガスを、溶融製銑操作に支障をきたす
ことなくメタノールの生産量に応じて、任意に供給で
き、プラント全体のフレキシビリティを格段に向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様の説明図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金田 博晶 広島県広島市西区観音町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶解ガス化炉に石炭類を添加し、該石炭
   類を酸素により部分燃焼ガス化して一酸化炭素および水
   素を主成分とする可燃性ガスを発生させるとともに、該
   溶解ガス化炉に還元鉄を添加して溶融銑鉄を製造し、該
   溶解ガス化炉で発生する可燃性ガスの一部または全量で
   鉄鉱石を還元して該溶解ガス化炉に添加する前記還元鉄
   を製造する溶融製銑操作および該溶融製銑操作で発生す
   る可燃性ガスの少なくとも一部をメタノール合成用粗原
   料ガスとして使用する操作を組合せてなる方法であっ
   て、該溶解ガス化炉に化学分子式で表わしてＣm Ｈn
   （ｎ／ｍ≧２．５）であるガス状炭化水素および該炭化
   水素を水素と一酸化炭素に転換するに足る酸素を吹込む
   とともに該溶解ガス化炉出口の可燃性ガス温度を９００
   〜１１００℃の範囲に調節するように水蒸気を吹込むこ
   とを特徴とする銑鉄とメタノール合成原料を同時に製造
   する溶解ガス化炉で発生する可燃性ガスの水素富化方
   法。