高炉ガスの生成と使用法

高炉ガスの生成と使用

高炉（BF）プロセスは、製鋼および銑鉄の製造に必要な溶銑（HM）の製造における最先端の技術です。 HMはBFの主な製品です。 HMの製造中に、BFガスが同時に生成されます。 BFガスは、高炉ガスの運転中の負荷を介して高炉ガスが上向きにガス状に上昇することで継続的に生成される副産物に付けられた名前です。

BFでの炭素の部分燃焼の目的は、鉱石の負荷から酸素（O2）を除去することですが、BFで生成されるガスの量により、BFもガス生産者になります。 BFガスは、BFプロセス以外で消費される重要な化学エネルギー源であり、統合された鉄鋼プラントのガスバランスに大きな影響を与えます。まず、余剰の高炉ガスは、製鉄所のさまざまな炉や発電所のボイラーで、コークス炉ガスや転炉ガスなどの他の副産物ガスと一緒に消費されます。高炉ガスの有用性について決定的な発言をする主なパラメータは、その発熱量です。

図1に、高炉運転の簡単な図を示します。これは、炉の上部から出てくるBFガスを示しています。

図1高炉操作の簡単な図

高炉で溶銑（HM）を製造する際、羽口から熱風を炉内に吹き込みます。熱風に含まれるO2は、式（i）C + O2 =CO2、および（ii）に従って、炭素（コークスの形で）と反応して二酸化炭素（CO2）と一酸化炭素（CO）を生成します。 ）CO2 + C=2CO。この反応によって生成されたガスは、鉱石、フラックス、およびコークスが充填された炉のシャフトを上に移動します。以下に説明するいくつかの化学反応と約25mから30mの移動の後、BFガスは、加熱され、粉塵を含み、低位発熱量（CV）の可燃性ガスとして炉から排出されます。

コークス中の炭素（C）とCOはどちらも、赤鉄鉱（Fe2O3）、ウスタイト（FeO）、磁鉄鉱（Fe3O4）からなる鉱石負荷の還元剤です。これらの酸化物は還元されてFeとCO2を形成します。たとえば、ヘマタイトの還元メカニズムは、式（i）Fe2O3 + 2C =2Fe + CO + CO2、および（ii）Fe2O3 + 3CO =2Fe+3CO2で与えられます。

ガス放出のさらなる原因は、不純物を除去するための基本的なフラックスとして使用される石灰石とドロマイトの分解から生じます。これらの反応は、（i）CaCO3 =CaO + CO2、および（ii）MgCO3 =MgO+CO2です。

これらの変化はすべて炉の反応ゾーンで発生しており、重要なことにBFガス組成の観点から、放出されるガスの化学平衡は、設定された比率に達するとBoudouard可逆反応（2CO =CO2 + C）によって支配されます。与えられた温度のためのCOとCO2の間。運用結果は、大量の高温のCO2、CO、およびN2が、新鮮な負荷が反応ゾーンに移動するときに炉を通って上昇することです。

ただし、系統的変数によっては、ガス組成にさらに成分を追加することができます。一例として、追加の還元剤をBFに注入して、微粉炭、石油、天然ガス、再生プラスチックなどの負担におけるコークスの必要量を減らし、それによって炉の効率を向上させることができます。ただし、負荷の完全性は維持されるため、追加の還元剤と一緒に蒸気またはO2を注入する必要があります。これらの添加により、熱風のH2とH2Oのレベルが変動し、その後、水性ガスシフトの可逆反応、つまり（i）C + H2O =CO + H2、および（ii）CO + H2O =CO2+H2に影響を与えます。

したがって、BFガスの全体的な化学組成は動的であり、炉の運転パラメータに依存します。典型的な操作を代表するBFガスの乾燥体積組成を図2に示します。

図2高炉ガスの典型的な代表的な組成

生成されるBFガスの比容積（HMのcum / ton）、その化学組成、およびそのCVは、（i）装入物の特性、（ii）充填されるフラックスの量など、BFの動作パラメーターに依存します。 BFでは、（iii）BFスタック内の装入物の分布、（iv）製造される溶銑のグレード、（v）BFに注入される補助燃料の量、（vi）熱風の温度、および（vii ）爆発中のO2含有量。したがって、統合された鉄鋼プラントのエネルギー管理の観点から、運転パラメータは実際的に重要である。他の消費者に移送されるBFガスの量は、BFで生成されるガスの量と、BFの高炉ガスで消費されるBFガスの量によって異なります。

炉頂部の高炉ガス中のCO+CO2ガスの総量は、総ガス量の約37％から53％の範囲です。 CO / CO2比は、高炉で1.25：1から2.5：1まで変化する可能性があります。ガス中のCOの割合が高いと、高炉ガスは危険になります。 BFガスの水素（H2）含有量は、BFの羽口に噴射される燃料の種類と量に応じて、1％から7％まで変化する可能性があります。高炉ガスのバランス成分は窒素（N2）です。メタン（CH4）は、高炉ガス中に0.2％まで存在する可能性もあります。

BFでは、熱風中のN2とコークスのCの反応により、シアン化水素（HCN）とシアン化物ガス（CN2）が生成される場合があります。この反応は、アルカリ酸化物によって触媒されます。これらのガスは非常に有毒です。高炉ガスには、これらのシアノ化合物を1立方メートルあたり200ミリグラム（mg / cum）から2000 mg/cumの範囲で含めることができます。

BFガスは、約120℃から370℃の温度と約350mmから2,500mm水銀柱圧力の範囲の圧力でBFトップを離れます。この段階では、約20グラム/立方メートル（g / cum）から115 g / cumの水蒸気と、20 g/cumから40g/cumの一般に「煙道ダスト」として知られるダストを運びます。煙道ダストの粒子サイズは、数ミクロンから6mmまでさまざまです。

高炉ガスはほとんど無色（やや白っぽい）で、無臭のガスです。 BFの他の主な特徴は、（i）通常約700キロカロリー/立方メートル（kcal / cum）から850 kcal / cumの範囲の非常に低いCV、（ii）通常約1.250の範囲の比較的高密度です。キログラム/立方メートル（kg / cum）は、0℃および1気圧であり、標準温度および標準圧力（STP）、（iii）理論上の火炎温度は約1455℃、（iv）火炎伝播速度は低いこれは通常、他の一般的なガス燃料よりも低く、（v）非発光炎で燃焼し、（vi）約630℃の自動点火点、および（vii）爆発下限（LEL）が27％であり、常温常圧での空気とガスの混合物における爆発の上限（UEL）は75％です。高炉ガスの密度は、すべてのガス燃料の中で最も高くなっています。空気の密度よりも密度が高いため、漏れが発生した場合に底に沈みます。高炉ガスに高濃度のCOガスがあると、ガスが危険になります。

BFガスの高いトップ圧力は、発電機（トップガス圧力回収タービン、つまりTRT）を操作するために利用されます。 TRTは、燃料を燃焼させることなく、最大35 kWh /トンの溶銑の電気エネルギー（電力）を生成できます。ドライタイプのTRTは、ウェットタイプよりも多くの電力を生成できます。

高炉ガスの洗浄

炉頂から出てくる高炉ガスには、20g/cumから40g/cumの煙道ダストが含まれているため、そのまま使用することはできません。このダストには、BF内で起こる反応によって形成されるコークスの微粒子、負担物質、および化合物が含まれています。この汚れた高炉ガスは、ガス洗浄プラントで（i）一次ガス洗浄段階と（ii）二次ガス洗浄段階の2段階で洗浄されます。

一次ガス洗浄は、ダストキャッチャー、サイクロン、または両方の組み合わせで構成されます。重力原理は、ほこりの大きな粒子（0.8 mmより粗い）の除去に使用されます。この段階では、BFガスは通常、すべての粗い粒子が除去される集塵機を通過します。ダストキャッチャーは、通常直径20mから30m、高さ20mから30mの大きな円筒形の構造物です。通常、それを絶縁し、BFガスに存在する水分の凝縮を防ぐために裏打ちされているため、ダストは乾燥したままで、定期的に除去するためにダストキャッチャーの下部にある円錐部分に自由に流れ込むことはありません。

BFガスは、単一のダウンコーナーによってダストキャッチャーに送られ、ダストキャッチャー内でガスを下向きに運ぶ垂直パイプによってダストキャッチャーの上部から入ります。このパイプは、逆さまの漏斗のように下肢でフレアします。そのため、ガスが下向きに通過すると、その速度（したがってそのダスト運搬能力）が低下し、粗いダスト（0.8 mmより粗い）のほとんどがガスストリームから落下し、ダストキャッチャーの下部にあるコーンに堆積します。ダストキャッチャーの下部が閉じており、ガス出口が上部に近いため、ガスの移動方向が180度逆になります。この流れの方向の突然の逆転により、より多くのほこりが落ち着きます。

集塵機の後、ガスは二次ガス洗浄段階に送られます。ここでBFガスは、乾式ガス洗浄システムまたは湿式ガス洗浄プラントのいずれかによって洗浄されます。乾式ガス洗浄プラントでは、バッグフィルターを使用してほこりの微粒子を除去しますが、湿式ガス洗浄プラントでは、BFガスをスクラバーでいくつかの段階でほこりから洗い流します。

高炉ガスの使用

BFトップガスの顕熱は、1832年に最初に熱をコールドブラストに伝達するために利用されました。もともと、この熱交換器は炉の上部に取り付けられていました。 1845年に最初に高炉ガスの燃焼熱を利用する試みがなされたが、高炉ガスの燃焼は1857年まで成功しなかった。高炉ガスはダストが多いため、利用の進展が遅れたものと考えられる。内容、洗浄と取り扱いの問題、および固体燃料の低コスト。他の燃料のコストの上昇と競争により、その使用が余儀なくされました。

これまで、BFガスの使用は、高炉での熱風ストーブの加熱と多燃料ボイラーでの使用に制限されていました。さまざまな特性があるため、他の用途には経済的であるとは考えられていませんでした。しかし、近年、いくつかの要因がその使用の拡大に貢献しています。ガスの利用拡大に貢献した要因は、（i）購入した燃料のコストの上昇、（ii）ガス洗浄の技術的改善によるガスの清浄度の向上、（iii）高炉ガス予熱の技術開発です。 。

統合された製鉄所では、BFガスは通常、コークス炉ガスまたはコンバーターガス、あるいはその両方と混合して使用されています。混合ガスは、統合された鉄鋼プラントのさまざまな炉で燃料として使用されます。混合および予熱なしのBFガスは、BFストーブ、浸漬ピット、焼ならしおよび焼きなまし炉、ファウンドリコアオーブン、ブロー用ガスエンジン、発電用ボイラー、発電用ガスタービンで使用できます。最近の技術の進歩により、高炉ガスは焼結プラントの炉でも直接使用されています。

ガスエンジンのブローおよび発電にBFガスを使用することの熱的利点は、そのような機器に必要な多額の投資と保守費用を克服する必要があります。現代のボイラーハウスは、効率的なターボブロワーと発電機を備えた高い蒸気圧力と温度を利用しています。これにより、ガスエンジンの熱的利点が十分に低下し、そのため、ガスエンジンの使用を正当化することが困難になっています。アジアとヨーロッパのいくつかの製鉄所は、発電機を駆動するための直接接続されたガスタービンの使用に成功しています。予熱された高炉ガスと予熱された空気は、コークス炉の加熱、ピットの浸漬、および再加熱炉でうまく使用されています。

BFガスを予熱する場合は、最低でも0.023 g / cumの清浄度が必要であり、このガスを使用する場合はすべて、未燃のBFガスが周囲に漏れないように特別な注意が必要です。有毒なCOガス。

高炉ガスの加熱値が700kcal/ cumに近い高炉運転では、ストーブから非常に高温の熱風を得るには、BFガスを他の燃料ガスと混合する必要があります。