高炉煤气利用过程中从高炉煤气分离回收二氧化碳的方法

摘要

本发明提供一种高炉煤气利用过程中从高炉煤气分离回收二氧化碳的方法，其包括下述步骤：将从高炉取出的高炉煤气导入吸收塔；在所述吸收塔内使所述高炉煤气中的二氧化碳被吸收液吸收；将除去了所述二氧化碳的所述高炉煤气的一部分导入膨胀透平，减压后储存在煤气罐中，作为炼铁过程的加热用燃料而利用；将除去了所述二氧化碳的所述高炉煤气的另一部分导入由所述膨胀透平驱动的高炉煤气压缩机，升压后导入燃气涡轮发电装置，使其在高压下燃烧，作为进行发电的燃料而利用；将在所述吸收塔吸收了所述二氧化碳的吸收液导入到再生塔；通过利用所述燃气涡轮发电装置的排气的热对导入到所述再生塔内的所述吸收液进行加热，从所述吸收液中除去所述二氧化碳；使除去了所述二氧化碳的所述吸收液从所述再生塔向所述吸收塔循环。

说明书

技术领域

本发明涉及高炉煤气利用过程中从高炉煤气分离回收二氧化碳的方 法，涉及在将高炉煤气用于炼铁过程或发电用的同时从高炉煤气分离回收 二氧化碳的方法。

背景技术

以往，从高炉排出的高炉煤气在用集尘器将粉尘除去后仍具有0.2～ 0.3MPa的压力，因此采用TRT(炉顶压力回收透平：Top pressure Recovery  Turbine)将其用于发电。然后，采用该高炉煤气作为炼铁过程中的加热用 及发电用的燃料。

近年来，为了提高发电效率，有通过使高炉煤气在燃气涡轮发电装置 中燃烧来进行发电的方法。作为其一例子，有专利文献1公开的方法。

采用图7对上述以往技术的概要进行说明。图7是将高炉煤气作为燃 料的燃气涡轮发电装置的系统图，即例示高炉煤气的利用方法的图。如图7 所示，通过除去粉尘被净化的0.2～0.3MPa左右的高炉煤气，在一边通过 TRT5进行发电一边降压后，被储存在煤气罐8中。在不使TRT5运转时， 高炉煤气在通过减压阀6被减压、通过消声器7被消声后，被储存在煤气 罐8中。

将储存在煤气罐8中的高炉煤气分支导入到燃气涡轮发电装置9侧和 未图示的热风炉、焦炉等炼铁过程中的加热侧。将导入到燃气涡轮发电装 置9侧的高炉煤气与未图示的焦炉煤气(COG)等混合，助燃到燃气轮机 燃烧所需的热量，在通过燃料气体压缩机9-1从大气压升压后，与通过空气 压缩机9-5升压的空气混合，在燃烧器9-2中进行燃烧。在燃烧器9-2中燃 烧的高炉煤气驱动燃气轮机9-3，然后供给蒸汽锅炉9-4，通过将蒸汽管路 加热生成过热蒸汽。利用该过热蒸汽驱动汽轮机9-7，从而进行发电。

另一方面，导入炼铁过程中的加热侧的高炉煤气与焦炉煤气一同作为 热风炉或焦炉等的加热用的燃料而使用。

如此，在图7所示的以往的高炉煤气的利用过程中，通过TRT5使净化 的高炉煤气的压力降低，从而进行发电，然后，在储存在煤气罐8中后， 使储存的高炉煤气的一部分在降低压力的状态下燃烧，作为热风炉或焦炉 等炼铁过程中的加热用燃料使用，另一方面，通过将储存的剩余的高炉煤 气升压，并使其在燃气涡轮发电装置9中燃烧，从而进行发电。

近年来，为了防止地球温室效应，削减二氧化碳的排放成为重要的课 题。因此，关于二氧化碳的分离回收方法，以往提出了多种方法。作为一 例子，在专利文献2中公开了从炼铁厂产生的副生煤气等，通过化学吸收 法分离回收二氧化碳的方法。该方法是在通过化学吸收液从副生煤气吸收 了二氧化碳后，将化学吸收液加热使二氧化碳分离的过程中，通过应用在 炼铁厂产生的低品质废热，用紧凑的设备高效率且廉价地分离回收从二氧 化碳发生源大规模排出的二氧化碳的二氧化碳分离回收方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-79046号公报

专利文献2：日本特开2004-292298号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，在上述专利文献1中，关于煤气中的二氧化碳的吸收、分离都 没有公开。因而，不能对经由煤气罐8导入到炼铁过程中的加热侧的高炉 煤气及高炉煤气燃烧后的来自燃气轮机的排气中所含的二氧化碳进行处 理。

此外，为了在将高炉煤气的压力一度降到大气压后使高炉煤气在燃气 轮机9-3中燃烧，需要设置燃料气体压缩机9-1对高炉煤气进行升压，为此 需要花费设备成本，而且在降压及升压时发生能量损失，存在设备整体的 能量转换效率降低的问题。

另外，从高炉排出的高炉煤气的排放量非常大，因此其处理量大。因 而，为了将吸收了大量二氧化碳的吸收液加热、再生，在上述专利文献2 中公开的、利用在炼铁厂产生的低品质废热的方法中，其加热能量明显不 足。因而，要处理大量的高炉煤气，需要配置对吸收液进行加热及再生的 新的加热机构，作为实用技术很难实现。

本发明的主要目的在于，解决以上所述的以往技术的课题，在为了提 高发电效率、通过使被净化的高炉煤气在燃气涡轮发电装置中燃烧来进行 发电的方法中，提供一种可在不降低设备整体的能量转换效率、且在不配 置对吸收液进行加热及再生的新的加热机构的情况下，对高炉煤气中及高 炉煤气燃烧后的来自燃气轮机的排气中所含的大量二氧化碳进行分离回收 的方法。

用于解决问题的手段

本发明的高炉煤气利用过程中从高炉煤气分离回收二氧化碳的方法包 括下述步骤：将从高炉取出的高炉煤气导入吸收塔；在所述吸收塔内使所 述高炉煤气中的二氧化碳被吸收液吸收；将除去了所述二氧化碳的所述高 炉煤气的一部分导入膨胀透平，减压后储存在煤气罐中，作为炼铁过程的 加热用燃料而利用；将除去了所述二氧化碳的所述高炉煤气的另一部分导 入由所述膨胀透平驱动的高炉煤气压缩机，升压后导入燃气涡轮发电装置， 使其在高压下燃烧，作为进行发电的燃料而利用；将在所述吸收塔吸收了 所述二氧化碳的吸收液导入到再生塔；通过利用所述燃气涡轮发电装置的 排气的热对导入到所述再生塔内的所述吸收液进行加热，从所述吸收液中 除去所述二氧化碳；使除去了所述二氧化碳的所述吸收液从所述再生塔向 所述吸收塔循环。

在上述的发明中，将来自高炉的高炉煤气在吸收塔中除去二氧化碳， 而且在用作炼铁过程的热源的同时，也可作为燃气涡轮发电装置的燃料用 于发电。

此时，通过用高炉煤气压缩机13预先对送给燃气涡轮发电装置的高炉 煤气进行升压，削减在燃料气体压缩机9-1中消耗的能量，能够使燃气涡轮 发电装置9整体的发电量增加。在高炉煤气压缩机13的驱动中，利用通过 膨胀透平14使用作炼铁过程的加热用燃料的高炉煤气降压时的能量。燃气 涡轮发电装置中的发电量的增加量大于以往方式的煤气利用法中的TRT的 发电量，因此作为整体能够提高能量转换效率。

此时，通过在将高炉煤气分支到膨胀透平和高炉煤气压缩机之前设置 吸收塔，能够在吸收塔中使高炉煤气达到减压前的高压，能够将二氧化碳 在吸收液中的吸收性能维持在较高水平，而且能够将吸收塔聚集在1处。 此外，由于将高炉煤气中的不燃成分即二氧化碳除去，因此作为燃料气体 的热量提高，能够削减COG等助燃材料的添加量。

另外，来自燃气轮机的排气的热被用于在前面的吸收塔中除去二氧化 碳时采用的吸收液的再生。所以，能够高效率地进行二氧化碳的分离回收。

在本发明的高炉煤气利用过程中从高炉煤气分离回收二氧化碳的方法 中，优选将燃气涡轮发电装置的排气导入副吸收塔，在副吸收塔内使排气 中的二氧化碳被吸收液吸收。

在上述的本发明中，来自高炉的高炉煤气中含有的二氧化碳在上述的 吸收塔中被吸收，而且能够用副吸收塔吸收因其后高炉煤气在燃气涡轮发 电装置中燃烧而产生的二氧化碳，能够在增加二氧化碳的分离回收量的同 时高效率地运用吸收液的循环。

在本发明的高炉煤气利用过程中从高炉煤气分离回收二氧化碳的方法 中，也可以将所述燃气涡轮发电装置的排气导入副吸收塔，使所述排气中 的二氧化碳在所述副吸收塔内被所述吸收液吸收。

在上述的本发明中，对于在炼铁过程中产生的二氧化碳也能用副吸收 塔吸收，能够在增加二氧化碳的分离回收量的同时，有效地运用吸收液的 循环。此外，通过将来自燃气轮机的排气和来自炼铁过程的排气混合，能 够降低二氧化碳吸收液加热用热交换器中的气体温度，能够防止因二氧化 碳吸收液过热而造成的劣化。

在本发明的高炉煤气利用过程中的从高炉煤气分离回收二氧化碳的方 法中，在所述吸收液的加热所需的热量与所述燃气轮机的排气具有的热量 相比非常少时，作为所述燃气涡轮发电装置，采用具有蒸汽锅炉、汽轮机 和凝汽器的装置，将所述燃气轮机的排气的热的一部分和所述凝汽器的热 用于所述吸收液的加热，所述蒸汽锅炉利用燃气轮机的排气的热来产生高 压蒸汽，所述汽轮机利用来自该蒸汽锅炉的高压蒸汽作为所述燃气涡轮发 电装置的动力，所述凝汽器将来自该汽轮机的使用完毕的蒸汽进行凝汽。

在上述的本发明中，由于将燃气涡轮发电装置的以往废弃掉的凝汽热 用于吸收液的加热，因此在燃气涡轮发电装置中高炉煤气燃烧所产生的热 的利用效率提高。

发明效果

根据本发明，在为了提高发电效率、通过使被净化的高炉煤气在燃气 涡轮发电装置中燃烧来进行发电的方法中，能够在不降低设备整体的能量 转换效率、且在不配置对吸收液进行加热及再生的新的加热机构的情况下， 对高炉煤气中及高炉煤气燃烧后的来自燃气轮机的排气中所含的大量二氧 化碳进行分离回收。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的方框图。

图2是表示第1实施方式中的结构A的效果的图。

图3是表示本发明的第2实施方式的方框图。

图4是表示本发明的第3实施方式的方框图。

图5是表示本发明的第4实施方式的方框图。

图6是表示本发明的第5实施方式的方框图。

图7是表示以往例的方框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选的实施方式进行详细说明。

[第1实施方式]

图1中示出本发明的第1实施方式。

在图1中，6表示减压阀，7表示消声器，13表示高炉煤气压缩机，14 表示膨胀透平，通过以上部件构成高炉煤气的减压机构。此外，10表示吸 收塔，9-4A表示二氧化碳吸收液加热用热交换器，12表示再生塔。

图中，箭头B是通过上述以往技术项中说明的各种集尘装置(图示省 略)被净化的高压清洁高炉煤气，其一部分分支到管路C，其它部分经由 管路E、F向箭头G排出。另一方面，箭头L、M所示的流动表示二氧化碳 的吸收液的循环流动。箭头K是分离得到的二氧化碳。

再有，在以后的各实施方式中，对于相同的要素采用相同的符号，以 避免重复说明。

在本发明中，将通过除去粉尘被净化的0.2～0.3MPa左右的高炉煤气分 支导入到使其在燃气涡轮发电装置9中燃烧的管路E和使其作为炼铁过程 中的加热用燃料燃烧的管路C。在管路C中，高炉煤气在通过膨胀透平14 降低压力后，储存在煤气罐8中，作为未图示的热风炉、焦炉等的炼铁过 程中的加热用燃料而使用。另一方面，在线路E中，使在燃气涡轮发电装 置9中燃烧的高炉煤气通过由膨胀透平14的旋转而驱动的高炉煤气压缩机 13来升压。将升压的高炉煤气供给燃气涡轮发电装置9，当在燃料气体压 缩机9-1中被进一步升压后，在燃烧器9-2中燃烧。在燃烧器9-2中燃烧的 高炉煤气通过驱动燃气轮机9-3进行发电。然后，将高炉煤气供给二氧化碳 吸收液加热用热交换器9-4A，对除去了二氧化碳的吸收液的管路进行加热 (以上为结构A)。

另外，将从未图示的高炉取出的高炉煤气导入吸收塔10，在吸收塔10 内使高炉煤气中的二氧化碳被吸收液吸收。将在吸收塔10内吸收了二氧化 碳的吸收液L导入再生塔12，在再生塔12内从吸收液中除去二氧化碳。使 除去了二氧化碳的吸收液M从再生塔12向吸收塔10循环(以上为结构B)。

图2是通过对上述的结构A与以往的高炉煤气的利用方法进行比较、 例示其效果的图。在本实施方式中，根据上述结构A，通过采用在利用膨 胀透平14将炼铁过程中的加热用燃料降压时产生的膨胀能，能够使用作燃 气涡轮发电装置9的燃料的高炉煤气升压，并作为燃气涡轮发电装置9的 燃料供给。

由此，在以往的高炉煤气的利用方法中使用的图7的TRT5中的发电量 I消失，但由于以高压供给高炉煤气，因此能够通过燃料气体压缩机9-1将 所需的驱动力从IV削减到IV’。空气压缩机9-5所需的驱动力III没有变化。

此外，由于燃气涡轮发电装置9的总输出VI恒定，因此燃气涡轮发电 机9-6的发电量从II增加到II’。该增加量与通过高炉煤气压缩机13回收的 能量V相等。其比以往方式中的TRT发电量I更高，因此作为整体发电量 增加，高炉煤气的能量利用效率提高。

在本实施方式中，尽管取代以往的TRT5需要设置高炉煤气压缩机13 及膨胀透平14，但是能够使燃气涡轮发电装置9的燃料气体压缩机9-1小 型化，且因储存在煤气罐8中的高炉煤气的量减少，还能够减小煤气罐8 的容积。因此，作为整体能够降低设备成本。

再有，被净化的高炉煤气的压力及流量因高炉的操作状态而变动，但 在燃气涡轮发电装置9的操作上，优选燃气涡轮发电中采用的高炉煤气的 压力及流量保持恒定。

因而，在使通过高炉煤气压缩机13及膨胀透平14的高炉煤气的流量 恒定，且将剩余的高炉煤气通过减压阀6降压到大气压后，储存在煤气罐8 中。由此，能够使燃气涡轮发电中采用的高炉煤气的压力及流量保持恒定。

在本发明中，对通过减压阀6的高炉煤气的流量进行控制的方法没有 限定，但通过用流量计16对导入高炉煤气压缩机13及膨胀透平14的高炉 煤气的流量进行测定，且通过调整流量调节阀15的开度使该流量达到恒定， 能够调整导入高炉煤气压缩机13及膨胀透平14的流量。

作为本发明中适用的二氧化碳的分离吸收法，例如有采用胺类等化学 吸收液的化学吸收法。

将如图1所示从高炉中取出的被净化的高压清洁高炉煤气B导入到设 置在高炉煤气的减压机构的前段的吸收塔10。在该吸收塔10内，通过在大 约30℃～50℃使该高炉煤气与作为二氧化碳吸收介质的化学吸收液接触， 使高炉煤气中的二氧化碳被化学吸收液吸收。

然后，将除去了二氧化碳的高炉煤气的一部分经由煤气罐8输送到例 如未图示的焦炉、加热炉等，在各种炼铁过程中燃烧而作为热源利用。

另一方面，除去了二氧化碳的高炉煤气的另一部分在燃气涡轮发电装 置9中燃烧，将排放气体经由二氧化碳吸收液加热用热交换器9-4A从烟囱 排放到大气中。

此时，在吸收塔10中吸收了二氧化碳的吸收液在通过与从再生塔12 向吸收塔10循环的吸收液M进行热交换被预备加热后，向再生塔12内导 入，从配置在塔内上部的喷嘴被散布。

另一方面，关于在除去二氧化碳后以规定量残留在再生塔12内底部的 吸收液，连续地从再生塔12抽取其一部分，通过二氧化碳吸收液加热用热 交换器9-4A返回到再生塔12。热交换器9-4A与燃气轮机9-3的排气接触， 因此从再生塔12抽取的吸收液在热交换器9-4A中通过排气的热被加热到 120℃左右。

在被燃气轮机9-3的排气的热加热后，返回到再生塔12的吸收液在再 生塔12内气化，与从塔内上部散布的吸收液接触，将该吸收液加热。如果 将吸收了二氧化碳的吸收液加热，则可从被加热的吸收液分离二氧化碳。 分离的二氧化碳K被从再生塔12排出。另一方面，除去了二氧化碳的吸收 液落到再生塔12内底部，在残留规定量后，从再生塔12向吸收塔10循环。

如上所述，来自燃气涡轮发电装置9的排气的热可用于在前面的吸收 塔中除去二氧化碳时采用的吸收液的再生。所以，可在不设置新的加热机 构的情况下高效率地进行二氧化碳的分离回收，且可进行大量的高炉煤气 的处理。

来自燃气轮机9-3的排气的总热量通过二氧化碳吸收液加热用热交换 器9-4A全部用作二氧化碳吸收液加热用，因此不需要象以往那样设置图7 的汽轮机9-7，可简化设备，而且有效地利用能量。此外，在使用高炉煤气 作为燃料之前将高炉煤气中的不燃成分即二氧化碳除去，因此作为燃料气 体的热量提高，能够削减COG(焦炉煤气)等助燃剂的添加量。

此外，如上所述，分离回收得到的二氧化碳例如被压缩处理、以超临 界状态压入地下，因此能够大幅度削减排放到大气中的二氧化碳。

另外，由于将吸收塔10的配设位置设在高炉煤气的各种集尘装置的后 段，因此该高炉煤气被净化，不会使吸收液劣化。

[第2实施方式]

图3中示出本发明的第2实施方式。

在图3中，本实施方式相对于第1实施方式在结构上的不同之处在于， 在二氧化碳吸收液加热用热交换器9-4A的后段设置新的副吸收塔11。其它 结构为与图1相同的结构，因此将重复的说明省略。

燃气涡轮发电装置9的排气通过副吸收塔11与吸收液接触，在从排气 中将二氧化碳除去后，被排放到系统外。

另一方面，在副吸收塔11中吸收了二氧化碳的吸收液与在吸收塔10 中吸收了二氧化碳的吸收液一起导入到再生塔12内，从配置在塔内上部的 喷嘴散布。以后的二氧化碳的除去过程与第1实施方式相同。

[第3实施方式]

图4中示出本发明的第3实施方式。

在图4中，其结构除了在图3中说明的第2实施方式的结构以外，在 于将炼铁过程中的排气N导入二氧化碳吸收液加热用热交换器9-4A，并与 燃气涡轮发电装置9的排气合流。其它结构为与图3相同的结构，因此将 重复的说明省略。

炼铁过程中的排气L与燃气涡轮发电装置9的排气一起通过副吸收塔 11与吸收液接触，在从排气中将二氧化碳除去后，被排放到系统外。此外， 通过将来自燃气轮机的排气和来自炼铁过程的排气混合，二氧化碳吸收液 加热用热交换器9-4A中的气体温度降低。因此，能够防止二氧化碳吸收液 因过热而劣化。

[第4实施方式]

图5中示出本发明的第4实施方式。

在图5中，9-4表示蒸汽锅炉、9-7表示汽轮机、9-8表示对来自汽轮机 9-7的使用完毕的蒸汽进行凝汽的凝汽器。在蒸汽锅炉9-4内，设有两个热 交换管路9-4B、9-4C。通过燃气轮机9-3的排气的热，一方的热交换管路 9-4B产生高压蒸汽I，驱动汽轮机9-7进行发电，另一热交换管路9-4C对 以规定量残留在再生塔12内底部的吸收液进行加热。

对于在将二氧化碳除去后以规定量残留在再生塔12内底部的吸收液， 继续从再生塔12抽取其一部分，导入凝汽器9-8。导入到凝汽器9-8中的 吸收液通过与使用完毕的蒸汽进行热交换被加热，另一方面，使用完毕的 蒸汽通过与吸收液进行热交换被凝汽。经过凝汽器9-8的吸收液通过热交换 管路9-4C返回到再生塔12。热交换管路9-4C与燃气轮机9-3的排气接触， 因此从再生塔12抽取的吸收液在热交换管路9-4C中被排气的热加热。以 后的二氧化碳除去的过程与第1实施方式相同。

具有上述构成的从高炉煤气分离回收二氧化碳的方法的应用方法，优 选在吸收液的加热所需的热量比汽轮机9-7的排气具有的热量显著少的情 况下实施。

即，作为燃气涡轮发电装置9，采用具有蒸汽锅炉9-4、汽轮机9-7和 凝汽器9-8的装置，将燃气轮机9-3的排气的热的一部分和凝汽器9-8中的 凝汽热用于吸收液的加热，所述蒸汽锅炉9-4利用燃气轮机9-3的排气的热 的一部分来产生高压蒸汽I，所述汽轮机9-7利用来自该蒸汽锅炉的高压蒸 汽作为燃气涡轮发电装置9的动力，所述凝汽器9-8将来自该汽轮机9-7的 使用完毕的蒸汽进行凝汽。

在上述的发明中，在构成燃气涡轮发电装置9的凝汽器9-8中，能够将 以往浪费掉的凝汽热用于吸收液的加热。因此，在燃气涡轮发电装置9中 由高炉煤气燃烧产生的热的利用效率提高。

[第5实施方式]

图6中示出本发明的第5实施方式。

在图6中，其结构除了在图5中说明的结构以外，在二氧化碳吸收液 加热用热交换器9-4A的后段设有副吸收塔11。其它结构为与图5相同的结 构，因此将重复的说明省略。

燃气涡轮发电装置9的排气通过副吸收塔11与吸收液接触，在从排气 中除去了二氧化碳后，被排放到系统外。

另一方面，使在副吸收塔11中吸收了二氧化碳的吸收液与在吸收塔10 中吸收了二氧化碳的吸收液一起向再生塔12内导入，从配置在塔内上部的 喷嘴散布。以后的二氧化碳除去的过程与第1实施方式相同。

产业上的可利用性

本发明的从高炉煤气分离回收二氧化碳的方法能够利用于：通过使被 净化的高炉煤气在燃气涡轮发电装置中燃烧来进行发电的工序、及对吸收 了高炉煤气中及高炉煤气燃烧后的来自燃气轮机的排气中所含的大量二氧 化碳的吸收液进行加热及再生的工序。

符号说明

1  集尘器

2  第1文丘里洗气器

3  第2文丘里洗气器

4  干式集尘装置

5  TRT(炉顶压力回收透平)

6  减压阀

7  消声器

8  煤气罐

9  燃气涡轮发电装置

9-1  燃料气体压缩机

9-2  燃烧器

9-3  燃气轮机

9-4  蒸汽锅炉

9-4A  二氧化碳吸收液加热用热交换器

9-5  空气压缩机

9-6  发电机

9-7  汽轮机

9-8  凝汽器

10  吸收塔

11  副吸收塔

12  再生塔

13  高炉煤气压缩机

14  膨胀透平

15  流量调节阀

16  流量计

A  高炉煤气

B  高压清洁高炉煤气

C  炼铁过程的加热用燃料气体

D  焦炉煤气

E  燃气涡轮发电装置用燃料气体

F  空气

G  排气

H  冷却水

I  蒸汽

J  废气

K  二氧化碳

L  吸收了二氧化碳的二氧化碳吸收液

M  吸收二氧化碳前的二氧化碳吸收液

N  来自炼铁过程的排气