高炉ガス清浄化の最適化によるエネルギー効率向上

高炉ガス清浄化

高炉(BF)溶銑生産プロセスで炉頂発生ガスは、BFプロセス重要副産物。高炉トップガスはBF頂部温度・圧力状態で、通常粉塵・水分粒子汚染。このトップガスは相当熱量価値持ち、「生BFガス」または「汚染BFガス」と呼ばれる。組成・量は高炉技術プロセス性質と製鉄用原料タイプ・品質に依存。生BFガスをさらに利用するには、固形粒子含有量低減するプロセスシステムで清浄化必要。

トップガスは一酸化炭素(CO)含有、清浄後「高炉ガス」と呼ばれる。熱風炉熱風加熱用燃料ガス、製鋼所補助燃料として使用。BFガスを燃料ガス用いるには、生BFガス清浄化・冷却しガス量・水分含有量低減必要。事前冷却・ガス量削減は、製鋼所広範配管システム配送コスト大幅削減にも必要。

典型的BFガス分析(PCI操業時)

表1に粉砕石炭注入(PCI)操業高炉BFガス典型分析示す。ガス清浄化プロセスシステムはウェットガス清浄化システムまたはドライ清浄化システム。高効率ガス清浄化システムは、高温熱風システム信頼運転・長寿命化、製鋼所BFガスネットワーク信頼性に不可欠。ウェット清浄化システムがBFガス清浄化により一般的使用システム。

表1 PCI操業時BFガス典型分析
成分	単位	値
CO	vol%	20〜24
CO2	vol%	18〜23
H2	vol%	1.5〜4.5
N2	vol%	52〜57
SO2	mg/Nm³	10〜30
NH3	mg/Nm³	5〜21
塩化物	mg/Nm³	50〜200
窒素酸化物	mg/Nm³	3〜12

高炉ガス清浄化システム主機能は、このガスから粒子状物質除去。加えてガス冷却し水分含有量低減、熱量向上。回収スラッジ/粉塵は比較的高鉄・炭素含有、焼結工程リサイクル可能。

高炉プロセス知識はガス清浄化システム適切設計・運転に必要。原料調整・鉱石負荷タイプ(ペレット/焼結鉱)は粉塵量・粒子径影響。溶剤材料選択・調整はスクラバー系水質化学影響。石灰石溶剤剤からカルシウム水系導入。コークス・燃料注入剤は硫黄、塩化物、アンモニア、窒素酸化物供与。ガス分析は負荷材料とBF操業(PCI有無)で変動。生産レベル・通風率はガス清浄化システム粉塵負荷影響。

トップ圧力・スクラバー圧力損失(ウェット系場合)は粉塵回収効率影響、スクラバー水溶解ガス吸着影響。トップガス清浄化・冷却基本機能追加で、スクラバー/トップガスエネルギー回収タービンも高炉トップ圧力制御。円滑安定炉運転のためトップ圧力制御・可能な限り一定維持必須。ガス清浄化システム設計、高炉操業と完全統合必要。

装填・タッピング・均圧・熱風炉切替等操業時、ガス流量・圧力変動不可避。変動通常短時間だが振幅大きく、高炉頂部および下流ガスシステム全域感知。BFガス清浄化システム、こうした変動処理・制御設計必須。

PCI操業高炉炉頂排出BFガス、正常立方メートルあたり約20〜30gフライアッシュ含有、そのまま使用不可。粉塵はコークス微粒子、負荷材料、高炉内反応生成化合物微細粒子含有。PCI使用時生BFガス粒子径典型分布を表2示す。

表2 PCI使用時生BFガス粒子径典型分布
クラス	粒子径(μm)	平均径(μm)	分布(%)
1	0〜10	5	9
2	11〜30	20	8
3	31〜60	45	12
4	61〜100	80	17
5	101〜200	150	17
6	201〜400	300	17
7	401〜600	500	10
8	601〜800	700	10

高炉ガス清浄化主目的は、製鋼所炉燃料用粉塵フリー冷却ガス生産。ガス清浄化システムこの目的達成設計必須。

非常に粉塵多いガスから粗大・微細粉塵混合物効果的除去には、ダストキャッチャーとマルチベンチュリスクラバーシステム必要。効果的冷却には、ガス冷却塔使用、BFガスネットワーク排出前。生BFガスはガス清浄化プラントで2段階清浄化: 第1次ガス清浄化段階、第2次ガス清浄化段階。典型的BFガス清浄化システムフローシートを図1示す。

第1次ガス清浄化段階

第1次ガス清浄化は重力分離原理ベース、大粒子粉塵除去用。ウェットスクラビング前、高炉トップガス乾式粉塵分離、一般に重力ダストキャッチャー、最近大径サイクロンで実施。この段階で全粗大粒子除去。目的: 可能な限り多くの粉塵を乾式状態で除去し再利用・リサイクル。リサイクル粉塵も高炉亜鉛バランス限界満たす低亜鉛・鉛必要。セパレーター粉塵除去効率: 粒子径分布、分離機構(重力/遠心力)、程度低く入口粉塵負荷依存。分離粉塵通常10μm超、粉塵貯蔵ホッパー回収(通常1.5日分粉塵蓄積サイズ)、粉塵排出システムで排出。

ダストキャッチャーは大径・必要高さ大型円筒構造。通常裏打ち断熱、BFガス水分凝縮防止、粉塵乾燥維持、円錐部底部へ自由流下・定期除去可能。

ガス単一下降管でダストキャッチャー送入、頂部垂直管で内部下向き搬送。管下端漏斗状拡径、ガス下向き通過時速度(粉塵搬送力)低下、粗大粉塵大部分ガス流から落下、底部円錐部堆積。ダストキャッチャー底部閉鎖、ガス出口頂部付近のため、ガス流向180度反転必須。流向急激反転で更なる粉塵沈降。

従来型重力ダストキャッチャー操作・効率はストークス則支配。1851年ジョージ・ストークス、非常に小さいレイノルズ数(Re)球体物体(微小粒子等)が連続粘性流体中受ける摩擦力(抗力)式導出、一般解けないナビエ・ストークス方程式微小流体質量極限解くことで。

しかしストークス則適用: 非常に小さいRe数球体物体、層流域沈降速度のみ。Re数0.2超〜100,000粒子では乱度顕著、追加抗力生じ。したがって沈降(端末)速度一般にストークス則予測より低い。これら粒子径では、粒子Re数と抗力係数相関(ヘイウッド表値使用)で端末速度決定。または粒子Re数とアルキメデス数(Ar)相関(Re=0.2〜20,000有効)使用可能。

粒子自重で粘性流体中落下時、摩擦力+浮力が重力と釣り合うとき端末速度=沈降速度到達。ストークス則+ヘイウッド表組合せで各粒子群端末速度決定。粒子端末速度から除去効率計算可能、ダストキャッチャー環状部上昇ガス速度、ゆえにバレル径依存。

サイクロン・ダストキャッチャー場合、操作・効率は遠心力ベース。サイクロン・ダストキャッチャーでは生高炉ガス、1〜2接線入口から速度与え粉塵粒子壁面へ強制、ガス流から分離。サイクロン・ダストキャッチャー内部構造様々。完全空型、複雑入口ドーム・交換可能ガイドベーン型等。

サイクロン内高粉塵分離は、ダストキャッチャー技術比較で遠心力・高周方向速度リンク。内部高速度で内部表面特別保護必要。ダストキャッチャー低ガス速度で内部保護なし運転多いが、サイクロン技術では摩耗回避のため表面保護必要。

サイクロン・ダストキャッチャー通常ボルテックスファインダー、アペックス、フローコーン、デュアル粉塵出口付き粉塵回収ホッパー装備。サイクロン回収効率は粒子径分布に大きく依存。5μm未満粒子: 質量小さく除去されず。5〜30μm粒子: 部分分離。30μm超粒子: コーンサイクロンで完全分離。サイクロン・ダストキャッチャー全体分離効率は重力ダストキャッチャーより優秀。除去乾式粉塵は亜鉛・鉛濃度極低、容易リサイクル可能。サイクロン・ダストキャッチャーでウェットガス清浄化から成る第2段階へ粉塵負荷低減。

ダストキャッチャーに粉塵排出システム装備、バッチベース近大気圧排出、ダストキャッチャー内粉塵蓄積防止、粉塵・ガス排出低減。粉塵一般濡らし地面排出、または直下ダンパー/ワゴン投入。ホッパーにレベル検知装置設置、レベル表示。検知信号で粉塵蓄積監視、排出サイクル開始、下限/上限警報。

第2次ガス清浄化段階

ダストキャッチャー第1次清浄化(大部分重粒子除去)後BFガス、第2次ガス清浄化段階(スクラバー)へ移動、ウェット清浄化システム。この段階でBFガス水接触清浄化、ほぼ全浮遊粒子分離(99%以上)。一部プラントではさらに電気集塵器へ。第2次清浄化後処理ガス、プラントBFガスネットワークへ、BFストーブ加熱用にも使用。同時系汚染水、浮遊粒子高濃度500〜10,000mg/L含有、沈殿池/クラリファイア・シックナー送り、粉塵沈降、上澄み清水ポンプ汲み上げ再利用。スクラバーは多様な設計・サイズ・性能能力。主に粒子回収目的で設計。

荒い炉駆動条件下でもトラブルフリースクラバー運転、高炉経済的製鉄前提条件。スクラバー設計: 高信頼性・優秀性能提供へ最適化。スクラバー必要特性：(i)複数粉塵除去機構、(ii)最小スクラビング水量、(iii)優秀トップ圧力制御、(iv)実証済み性能・高効率、(v)低スペース要求、(vi)低エネルギー消費、(vii)低騒音排出。

粒子径はスクラバー除去効率影響最重要因子。大粒子容易除去、サブミクロン粒子最も除去困難。

ウェットスクラバー粉塵除去機構: ブラスト炉ガスから粉塵粒子分離には、粒子にガス相対差動運動生成力、粒子が捕集面へ移動する十分保持時間必要。

BFガス清浄化スクラバーは基本空気力学原理作動。簡単類推: 非常に大きい水滴をガス流微小粒子へ衝突投影→統計的衝突確率極小。水滴サイズガス流粒子サイズ近づくよう縮小→衝突確率向上。研究: 水滴周囲表面膜厚さ約直径1/200。飛行中ガス流粒子、水滴直径1/200未満径ならストリームラインフィルム通過衝突なし。水滴径十分小さいと衝突発生。10μm標的粒子には2000μm(200×10)未満水滴必要。効率的スクラビングには、捕集対象粒子関連微細度へ水霧化、粒子と最大接触確保必要。さらに水滴粉塵粒子衝突確率は粉塵濃度比例。単一粉塵粒子単一水滴衝突より群れ衝突確率高。これら因子均等化のためスクラバー調整: スクラビングガス量(ガス流圧力損失測定)、噴霧水量(噴霧ノズル水圧測定)。スクラビングチャンバー高さ・直径も既知ガス特性合わせ調整。

BFガス水スクラビング主要分離機構：(i)慣性捕集、(ii)乱流(ブラウン)拡散、(iii)流線捕集。流体中微小粒子浮遊時、液体分子衝撃受ける。超微粒子(コロイド)瞬時授与運動量ランダム変化、粒子エロティックパス移動、ブラウン運動と呼ばれる。慣性捕集: 異なる質量慣性力特徴。粉塵ガス捕集水滴周り流れ時、大質量粉塵粒子ガス流流線追従せず。慣性力で推進、水滴衝突貫通、ガス流から除去。乱流拡散: ガス流微小粉塵粒子除去高効果。約0.3μm未満径小粒子、相当ブラウン運動示し、ガス流線均一移動せず。ガス流から水滴表面へ拡散、捕集。この捕集機構機能: ガス液混合物乱流促進、低速度運転、十分保持時間提供スクラバーのみ。流線捕集: ガス流線が捕集水滴半径1粒子半径以内通過時のみ機能。粉塵粒子この流線移動、水滴接触、慣性・乱流拡散影響なし捕集。BFガス水スクラビング時粉塵除去機構を図2示す。

ダストキャッチャーは大粒子除去・ベンチュリスクラバー負荷低減単なる沈殿室。ガスはプライマリベンチュリ(セパレーター付)とセカンダリベンチュリ通過、更なる効果的粒子除去。次にエントレインメントセパレーター/ガス冷却塔組合せ通過。清浄冷却ガス、製鋼所BFガスネットワークへ送出。適切冷却でガス水分レベル低減、BFガス配管・炉問題回避。

第1ベンチュリ回収リサイクル水(高粒子含有)直接クラリファイア・シックナー送り。セパレーター回収リサイクル水第1ベンチュリスクラバー循環。補給水クラリファイア添加、合同オーバーフロー第2ベンチュリリサイクル。最も清浄水が最も清浄ガス接触、第1ベンチュリ戻り、クラリファイアへ。水シックナーからスクラバーリサイクル、またはスラグ消石等他用途使用可能。

従来型冷却塔通常使用、ガス冷却塔水/スクラバー水熱除去。塔設計で冷却水とベンチュリスクラバー水分離可能。スクラバー水一般に高炉負荷石灰微粒子由来相当硬度・アルカリ性含有。結果スケール頻繁遭遇。酸化鉄・未燃焼炭素沈殿も多システム懸念。堆積問題最頻発: 第1ベンチュリノズル・スロート領域(ガス最高粒子レベル含有)、シックナー往復ライン・ポンプ。しかし堆積: いずれかベンチュリスクラバー、セパレーター、ガス冷却塔、スクラバーリサイクルライン・ポンプ発生可能。クラリフィケーション別主要問題領域、不十分液固分離→クラリファイアオーバーフロー水質悪化。

最近、新設・再建高炉、特に中国で、バグフィルターによるBFガスドライ清浄化広範適用。ドライガス清浄化はベンチュリスクラバー使用ウェットガス清浄化と以下相違。

• 清浄化プロセス水不在で、多数高炉水処理施設削減/排除: ガス清浄化系スラッジポンプステーション、スラッジ沈殿タンク・フロックレーター、スラリー移送ポンプステーション、ガス清浄化ターンアラウンドサイクル循環ポンプステーション等。
• 清浄後ガス温度100〜120℃範囲、ウェットガス清浄化後ガス温度より50〜70℃高。ガス湿度50〜60g/Nm³低減。合わせてBFガス熱量価値50〜60kcal/Nm³増加相当。
• BFガス粉塵含有量2〜3mg/Nm³低減、熱風炉寿命向上、トップ圧力回収タービン性能向上。
• 製鋼所環境改善: ガス粉塵除去改善、スラッジ処理施設排除。

ドライ清浄化ベース第2次ガス清浄化システム構成：

• 複数セクション構成バグフィルターユニット、各セクション数十枚フィルターバッグ設置
• 窒素パルスバッグ清掃システム
• 支持・保護金属構造物
• バルブ・熱影響補償器付きガスダクトシステム
• 捕集粉塵清掃・リサイクルシステム(ニューマチック/スクレイパーコンベア)
• フィルターパージ・ニューマチック粉塵搬送用窒素供給システム
• バグフィルター圧力逃しシステム
• 捕集粉塵貯蔵ユニット
• 自動化・検査・電気制御システム

バグフィルター通常8〜16セクション、2列配置、1〜2セクションスタンバイ、1セクション循環パージ窒素清掃モード、他セクションガス清浄化モード。ろ過材: 高耐火・耐摩耗等特性生地。化学処理後パージ清掃で粉塵易清掃、撥水・撥油性向上。静電気発生防止。最大ろ過レート1.0〜1.5m³/分、ガス温度50〜280℃(システム300℃ガス温度でも2時間安定・信頼運転可能)。

清浄後BFガス通常粉塵含有量3mg/Nm³以下。フィルターバッグ寿命一般2年まで。