高炉ガスの最適化：発生・利用・効率向上

高炉（BF）プロセスは、製鋼用銑鉄（HM）および銑鉄生産のための主要技術です。HMは高炉の主製品です。HM生産中、高炉ガスが同時に生成されます。高炉ガスは、操業中にバーデンを通じて上昇する熱風の気相上昇から連続的に生成される副産物の名称です。

高炉ガスの位置づけ

高炉での炭素部分燃焼の目的は鉱石バーデンから酸素（O2）を除去することですが、高炉で生成されるガス量の多さから、高炉はガス生産装置としての側面も持ちます。高炉ガスは高炉プロセス外で消費される化学エネルギーの重要な供給源であり、統合製鉄所のガスバランスに大きな影響を与えます。まず、高炉ガスの余剰分は製鉄所の各種炉や発電所ボイラーで、コークス炉ガスや転炉ガスなど他の副産物ガスと共に消費されます。高炉ガスの有用性を決定づける主要パラメータはその発熱量です。

高炉操業とガス生成

高炉操業の簡略図を図1に示します。高炉ガスが炉頂から排出される様子がわかります。

図1 高炉操業の簡略図

高炉での銑鉄（HM）生産中、熱風がノズルから炉内に吹き込まれます。熱風に含まれるO2はコークスの形で存在する炭素（C）と反応し、二酸化炭素（CO2）と一酸化炭素（CO）を生成します。式：（1）C + O2 = CO2、（2）CO2 + C = 2CO。この反応で生成されたガスは、鉱石、フラックス、コークスが投入された炉シャフトを上昇します。以下に説明する多数の化学反応と、約25〜30mの移動を経て、高炉ガスは加熱され、粉塵を伴う低発熱量（CV）可燃ガスとして炉頂から排出されます。

コークス中の炭素（C）とCOの両方が、ヘマタイト（Fe2O3）、ウィスチット（FeO）、マグネタイト（Fe3O4）で構成される鉱石バーデンの還元剤となります。これら酸化物はFeとCO2に還元されます。例えば、ヘマタイトの還元メカニズムは式：（1）Fe2O3 + 2C = 2Fe + CO + CO2、（2）Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 で表されます。

さらなるガス発生源は、不純物除去用塩基性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です。反応：（1）CaCO3 = CaO + CO2、（2）MgCO3 = MgO + CO2。

これらすべての変化は炉内反応帯で発生し、重要なことに、高炉ガス組成の観点からは、放出ガスの化学平衡はブードアール可逆反応（2CO = CO2 + C）によって支配され、与えられた温度でCOとCO2の間に一定比率が達成されます。操業結果として、大量の高温CO2、CO、N2が上昇し、新しいバーデンが反応帯へ下降します。

しかし、系統的変数によってさらなる成分がガス組成に加わることがあります。例として、バーデン中のコークス要求量を削減するため、粉砕石炭、油、天然ガス、リサイクルプラスチックなどの追加還元剤を高炉に吹き込むことがあり、これにより炉効率を改善します。ただし、バーデン完全性を維持する必要があるため、追加還元剤とともに水蒸気やO2を吹き込む必要があります。これら添加により、熱風中のH2とH2Oレベルが変動し、結果として水ガスシフト可逆反応、（1）C + H2O = CO + H2、（2）CO + H2O = CO2 + H2 に影響を与えます。

したがって、高炉ガスの全体的化学組成は動的であり、高炉操業パラメータに依存します。典型的操業を代表する高炉ガスの乾燥体積組成を図2に示します。

図2 典型的な高炉ガス代表組成

高炉ガスの比体積（m³/t-HM）、化学組成、発熱量は、以下の高炉操業パラメータに依存します：（1）バーデン材料特性、（2）高炉投入フラックス量、（3）高炉スタック内バーデン材料分布、（4）製造銑鉄グレード、（5）高炉吹き込み補助燃料量、（6）熱風温度、（7）熱風中O2含有量。したがって、操業パラメータは統合製鉄所のエネルギー管理の観点から実用的重要性を持ちます。他消費設備へ移送される高炉ガス量は、高炉で生成されるガス量と、高炉熱風炉で消費される高炉ガス量に依存します。

炉頂における高炉ガス中のCO+CO2総量（体積比）は、全ガス体積の約37〜53%の範囲です。CO/CO2比は高炉で1.25:1〜2.5:1の範囲で変動します。ガス中のCO高濃度は高炉ガスを危険なものにします。高炉ガスの水素（H2）含有量は、高炉ノズルに吹き込まれる燃料のタイプと量により1〜7%の範囲で変動します。高炉ガスの残余成分は窒素（N2）です。メタン（CH4）も高炉ガス中に最大0.2%まで存在し得ます。

高炉では、熱風中のN2とコークスのCの反応により、ヒドロシアン酸（HCN）とシアノゲンガス（CN2）も生成され得ます。この反応はアルカリ酸化物によって触媒されます。これらガスは猛毒です。高炉ガスにはこれらシアノ化合物が200〜2000mg/m³の範囲で含まれることがあります。

高炉ガスは炉頂から約120〜370℃、約350〜2500mm水銀柱圧力で排出されます。この段階で約20〜115g/m³の水蒸気と、通称「フルーダスト」と呼ばれる20〜40g/m³の粉塵を伴います。フルーダスト粒子サイズは数ミクロンから6mmまで変動します。

高炉ガスはほぼ無色（薄白色）、無臭です。その他主な特性は：（1）非常に低い発熱量、通常約700〜850kcal/m³、（2）比較的高い密度、通常約1.250kg/m³（0℃、1気圧の標準状態）、（3）低い理論炎温度、約1455℃、（4）低い燃焼伝播速度、通常他の一般的ガス燃料より低い、（5）非発光炎で燃焼、（6）自然発火点約630℃、（7）常温常圧の空気-ガス混合物で下限爆発限界（LEL）27%、上限爆発限界（UEL）75%。高炉ガス密度はすべてのガス燃料中最高です。密度が空気より高いため、漏洩時には下部に滞留します。ガス中の高濃度COがガスを危険にしています。

高炉ガスの高炉頂圧力は、発電機（トップガス圧力回収タービン、TRT）の運転に利用されます。TRTは燃料を燃やさずに最大35kWh/t-HMの電力を生成できます。ドライタイプTRTはウェットタイプより多くの電力を生成できます。

高炉ガス清浄化

炉頂から排出される高炉ガスには20〜40g/m³のフルーダストが含まれ、そのままでは使用できません。この粉塵には、高炉内で起こる反応によって生成されるコークス微粒子、バーデン材料、化学化合物が含まれます。このダーティーな高炉ガスは、ガス清浄化プラントで2段階、すなわち（1）一次ガス清浄化段階、（2）二次ガス清浄化段階で清浄化されます。

一次ガス清浄化

一次ガス清浄化は、ダストキャッチャー、サイクロン、またはその組み合わせで構成されます。重力原理を用いて大粒子（0.8mmより粗い）の粉塵を除去します。この段階では、高炉ガスを通常ダストキャッチャーに通し、すべての粗粒子を除去します。ダストキャッチャーは通常直径20〜30m、高さ20〜30mの大型円筒構造です。通常ライニングされ、高炉ガス中の水分凝縮を防ぎ、粉塵が乾燥状態を保ち、ボール状に固まらず、ダストキャッチャー底部の円錐部分へ自由に流れ、定期的に除去できるようにします。

高炉ガスは単一ダウンカマーでダストキャッチャーに送られ、ダストキャッチャー頂部から垂直パイプを通じて内部へ下向きに流入します。このパイプは下端で逆漏斗状に広がっており、ガスが下向きに流れるにつれて流速（したがって粉塵輸送力）が低下し、粗粒子（0.8mmより粗い）の大部分がガス流から落下し、ダストキャッチャー底部の円錐に堆積します。ダストキャッチャー底部は閉じられており、ガス出口は頂部付近にあるため、ガス流向が180度反転します。この流れ方向の急激な反転により、さらなる粉塵が沈殿します。

二次ガス清浄化

ダストキャッチャー後、ガスは二次ガス清浄化段階へ送られます。ここではドライタイプガス清浄化システムまたはウェットタイプガス清浄化プラントで高炉ガスを清浄化します。ドライタイプではバグフィルターで微細粉塵粒子を除去し、ウェットタイプではスクラバーで多段階にわたり高炉ガスから粉塵を洗浄します。

高炉ガスの用途

高炉頂ガスの顕熱は、1832年に冷風への熱移転に初めて利用されました。当初はこの熱交換器が炉頂に搭載されていました。1845年、高炉ガス燃焼熱の利用が最初に試みられましたが、高炉ガス燃焼が成功したのは1857年です。高炉ガス利用の進展が遅れたのは、高粉塵含有、清浄化・取り扱いの問題、固体燃料の低コストが原因と考えられます。他燃料コスト上昇と競争がその利用を強制しました。

過去には高炉ガス利用は、高炉熱風炉での加熱とマルチ燃料ボイラーでの使用に限定されていました。その様々な特性から、他用途には経済的でないと考えられていました。しかし近年、いくつかの要因が利用拡大に寄与しています。ガス利用拡大に寄与した要因は：（1）購入燃料コストの上昇、（2）ガス清浄化技術改善によるガス清浄度向上、（3）高炉ガス予熱技術の開発、です。

統合製鉄所では、高炉ガスは通常、コークス炉ガスまたは転炉ガス、または両者と混合して使用されます。混合ガスは統合製鉄所の各種炉で燃料として使用されます。高炉ガスを混合せず、予熱なしで使用できる用途には、高炉熱風炉、ソーキングピット、正規化・焼鈍炉、鋳造コアオーブン、送風用ガスエンジン、発電用ボイラー、発電用ガスタービンがあります。近年の技術進歩により、高炉ガスは焼結炉でも直接使用されるようになっています。

ガスエンジンでの高炉ガス利用による熱的優位性は、そうした設備に必要な多額の投資と維持費を克服する必要があります。現代的ボイラー室は高蒸気圧力・温度と効率的ターボブロワー・発電機を利用します。これによりガスエンジンの熱的優位性が十分に減少し、その採用正当化が困難になっています。アジアと欧州の一部製鉄所では、直結ガスタービンで発電機を駆動することに成功しています。予熱高炉ガスと予熱空気は、コークス炉加熱、ソーキングピット、再熱炉で成功裏に使用されています。

高炉ガスを予熱する場合、最低清浄度0.023g/m³が必要です。このガスを使用するすべての場合、未燃焼高炉ガスが周囲へ漏出しないよう特別な予防措置が必要です。大量の有毒COガスを含むためです。

高炉操業で高炉ガス発熱量が700kcal/m³の低値に近づく場合、高炉ガスを他燃料ガスと混合して、熱風炉から非常に高温の熱風を得る必要があります。