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一、高炉ガス 高圧送風機によって送り込まれた空気は、熱風炉で加熱された後高炉内に入る。この熱風とコークスが燃焼を助け、二酸化炭素と一酸化炭素が生成される。二酸化炭素はさらに高温のコークスと反応して一酸化炭素を生み出し、上昇する過程で鉄鉱石中の鉄分を還元して銑鉄に変える。これが製鉄の化学的なプロセスである。溶銑は炉底に一時的に蓄えられ、定期的に取り出して直接製鋼または鋳造に使用される。 この時、高炉の炉内ガスには大量の過剰な一酸化炭素が含まれており、この混合ガスが高炉ガスです。鉄1トンを製造するごとに、2100～2200立方メートルの高炉ガスが生成される。 可燃性の一酸化炭素を含むこのガスは、低発熱量のガス燃料であり、熱間圧延された鋼塊の加熱や溶鋼タンクの予熱など、冶金企業での自家消費用ガスとして利用できる。民間にも供給でき、コークス炉ガスを加えることができれば「混合ガス」と呼ばれ、これによって発熱量が向上する。 高炉ガスは製鉄過程で生成される副産物で、主な成分はCO、CO2、N2、H2、CH4などです。その中で可燃性成分であるCOの含有量は約25％程度で、H2やCH4の含有量はごくわずかです。CO2とN2の含有量はそれぞれ15％と55％で、発熱量は約3500KJ/m3です。高炉ガスの成分と発熱量は、高炉で使用される燃料や製造される銑鉄の種類、そして製錬工程によって異なります。現代の製鉄生産では、大容量で高風温、高い製錬強度、多量のコークス粉の噴射を特徴とする生産工程が一般的に採用されています。こうした先進的な生産工程により労働生産性が向上し、エネルギー消費も削減されますが、その結果として得られる高炉ガスの発熱量は低下し、利用がより困難になります。高炉ガス中のCO2やN2は、燃焼による熱の発生には関与せず、燃焼を助けることもない。逆に、燃焼過程で生じる大量の熱を吸収するため、高炉ガスの理論的な燃焼温度が低くなる。高炉ガスの着火点はそれほど高くなく、着火の障害はないように思われるが、実際の燃焼過程では様々な要因の影響を受け、混合ガスの温度は着火点をはるかに上回らなければ、燃焼の安定性を確保することはできない。高炉ガスの理論燃焼温度は低く、燃焼に関与する高炉ガスの量が多いため、混合ガスの温度上昇速度が非常に遅く、温度も高くならず、燃焼の安定性が悪い。 燃焼反応が起こるもう一つの条件は、気体分子同士が効果的に衝突すること、すなわち十分なエネルギーを持つ酸化反応可能な分子同士の衝突が起こることである。大量のCO2やN2が存在すると、分子間で効果的な衝突が起こる確率が減少し、マクロ的には燃焼速度が遅くなり、燃焼が不安定になる。 高炉ガスには大量のCO2、N2が含まれており、燃焼過程ではほとんど化学反応に関与せず、ほぼ同量が燃焼によって生成される煙気中に移行する。そのため、高炉ガスを燃焼させた場合の煙気量は、石炭を燃焼させた場合よりもはるかに多くなる。 ----------------------------------------------------- 二、転炉ガス 転炉製鋼の過程で、溶鉄中の炭素が高温下で吹き込まれた酸素と反応し、一酸化炭素と少量の二酸化炭素からなる混合ガスが生成される。回収されたトップブロー酸素転炉ガスには、一酸化炭素が60～80％、二酸化炭素が15～20％、そして窒素、水素、および微量の酸素が含まれている。転炉ガスの発生量は製錬工程において一定ではなく、成分も変化する（図参照）。通常、転炉の複数回の溶解工程で回収されたガスは貯気タンクに送り込まれ、混合された後にユーザーに供給される。 転炉ガスは炉口から噴出する際、温度が1450～1500℃にも達し、大量の酸化鉄粉塵を含んでいるため、使用する前に冷却・除塵処理を行う必要がある。浄化には湿式と乾式の2種類があります。①湿式浄化システムの典型的な工程は、コークスガスが転炉を出た後、蒸気冷却器で800～1000℃まで冷却され、その後順に一次ヴェンチュリ管、第1曲がり部脱水器、二次ヴェンチュリ管、第2曲がり部脱水器を通過する。ヴェンチュリ管の喉元で洗浄水を噴射し、コークスガスの温度を約35℃まで下げ、またガス中の粉塵濃度を約100ミリグラム/立方メートルまで低減する。次に、排気ファンを使って浄化されたガスを貯気タンクに送り込む。湿式プロセスは世界中で広く用いられており、1トンの鋼鉄から60～80立方メートルのガスを回収でき、平均発熱量は約2000～2200キロカロリー/立方メートルです。②アメリカや西ドイツなどの国々には、乾式電気集塵浄化システムを採用している工場がある。ガスは冷却煙道によって温度が1000℃まで下げられ、その後蒸発冷却塔を通してさらに200℃まで冷却される。乾式電気集塵器によって粉塵が除去され、粉塵濃度が50ミリグラム/立方メートル未満となった純粋なガスが、送風機によって貯気タンクに送り込まれる。ドライ式システムはウェット式システムよりも投資額が約12～15％高い；しかし、汚水処理施設を建設する必要はなく、動力消費も少ないが、ガスと空気が混ざって爆発性のあるガスができるのを防ぐための適切な対策を講じなければならない。 転炉ガスは、鉄鋼企業内で使用される中程度の発熱量を持つガス燃料です。単独で工業用窯炉の燃料として使用できるほか、コークス炉ガス、高炉ガス、発生炉ガスと組み合わせて、さまざまな発熱量の混合ガスとしても使用できる。転炉ガスには大量の一酸化炭素が含まれており、毒性が非常に強いため、貯蔵・輸送・使用の過程で漏洩を厳重に防がなければならない。 --------------------------------------------------- 三、コークス炉ガス コークス炉ガスとは、いくつかの無煙炭を配合してコークス製造用の石炭とし、コークス炉で高温乾留処理を行った際に、コークスやタール製品が生成されると同時に得られる可燃性ガスであり、コークス製品の副産物である。主に燃料や化学原料として使用される。1トンのコークスを製造すると、300～320立方メートルのコークス炉ガスが生成される。 コークス炉ガスは主に水素とメタンで構成されており、それぞれ56％と27％を占め、少量の一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、酸素、その他の炭化水素も含まれている；その発熱量は18250kJ/Nm3で、密度は0.4～0.5kg/Nm3、運動量は25×10`(-6)m2/sである。コークス炉本体およびドラム冷却システムのフローチャートによると、コークス炉から出てくる未処理のガスは、そこに到達する前に既に大量に液化されている。同時に、ガス中に含まれる石炭粉やコークス粉も捕捉され、ガス中の水溶性成分もアンモニア水に溶解する。タール、アンモニア水、そして粉塵とタールスラッジが一緒に機械式タール・アンモニア水分離槽に流れ込む。分離後のアンモニア水は再利用され、タールは集約的に処理される。タールスラグは石炭原料に戻してコークスを製造する。コークスガスは予冷器に入り、直接または間接的に常温まで冷却され、この際、ガス中に残留する水分とタールがさらに除去される。冷却器を出たガスは、機械式タール捕集装置により、ガス中に浮遊しているタールミストが機械的な方法で除去され、その後送風機に入り、約19600パスカル（2000ミリ水柱）まで加圧される。今後のガス精製作業、例えば硫安の着色や脱硫液の老化などに影響を与えないよう、ガスを電気集塵器で通して残留したタールミストを除去する。低温時にナフタレンがガスから結晶して析出するのを防ぐため、ガスが脱硫塔に入る前にナフタレンを洗浄・吸収するためのナフタレン洗浄塔が設置されている。脱硫塔内で脱硫剤がガス中の硫化水素を吸収すると同時に、ガス中のシアン化水素も吸収される。ガス中のアンモニアは、吸アンモニア塔内で水または水溶液によって吸収され、液安や硫安が生成される。ガスがアンモニア吸収塔を通過する際、硫酸によるアンモニアの吸収反応は発熱反応であるためガスの温度が上昇する。粗ベンゼンの回収操作に影響を与えないよう、ガスは最終冷却塔で冷却された後、洗浄塔に入り、洗浄油によってガス中のベンゼン、トルエン、キシレン、シクロペンタジエンなどの低沸点炭化水素化合物や、スチレン、ナフタレン、コマロンなどの高沸点物質が吸収される。同時に、有機硫黄化合物も除去される。 1 ガスの安全に関する基礎知識 1.1 ガスの性質 1.1.1 ガスの成分 私たちが一般的にガスと呼ぶのは人工ガスで、様々な気体成分を含む可燃性の混合気体です。製ガス原料やガスの製造・回収方法が異なるため、各種ガスの構成成分やその割合も異なります。一般的にはコークス炉ガス、発生炉ガス、連続式直立炭化炉ガス、高炉ガス、転炉ガスなどがあります。一般的な都市ガスの成分は表1-1に示されている。 1.1.2 石炭ガスの理化学的性質 （1）コークス炉ガス 処理されたコークス炉ガスは、無色で臭いがあり、有毒な可燃性・爆発性のガスである。比重は0.3623、発熱量は16800～18900kJ/m3、着火温度は550～650℃、爆発限界は4.5％～35.8％で、理論燃焼温度は約2150℃である。コークス炉ガスのCO含有量は高炉ガスよりも少ないが、中毒事故を引き起こすこともある。 （2）高炉ガス 高炉ガスは無色で無臭、有毒な可燃性・爆発性のガスで、比重は0.9～1.1、発熱量は3349～4187kJ/m3、理論燃焼温度は約1500℃、着火温度は約730℃、爆発限界は30.8％～89.5％であり、N2とCO2の合計が約70％を占めている。酸素含有量が非常に低いため、喘息や窒息を引き起こす。 （3）転炉ガス 転炉ガスの成分は、溶解サイクルの中で時期によって異なり、また回収装置や回収時の操作条件にも関係している。転炉ガスは無色で無臭、毒性を持つ可燃性・爆発性のガスで、発熱量は6800～10000kJ/m3、着火温度は530℃、爆発限界は18.2％～83.2％です。転炉ガスの理論燃焼温度は高炉ガスよりも高い。