JP2014025601A - 排気ガス回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を向上することができる排気ガス回収システムを提供する。
【解決手段】炉本体６から排出される高炉ガスが流通する第１排気流路１４と、炉本体から第１排気流路１４に導かれた高炉ガス中のダストを除去する湿式除塵部１８と、湿式除塵部によってダストが除去された高炉ガスが流通する第２排気流路２０と、第２排気流路を流通する高炉ガスを用いて発電する発電装置２２と、第１排気流路に設けられた第１熱交換部、および、第２排気流路２０に設けられた第２熱交換部を有し、当該第１熱交換部と第２熱交換部との間に熱媒を循環させて、第１排気流路を流通する排気ガスと、第２排気流路を流通する排気ガスとの間で熱媒を介して熱交換を行う熱媒循環装置と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱炉から排出される高温の排気ガスによって発電を行う排気ガス回収システムに関する。

高炉、還元炉、溶融炉、燃焼炉等の加熱炉においては、炉から排出される高温の排気ガスを利用して発電を行う排気ガス回収システムが設けられており、プラント設備全体のエネルギー効率の向上が図られている。こうした排気ガス回収システムにおいては、排気ガス中のダストを除去するために、サイクロンやバグフィルタ等の乾式除塵部や、排気ガスを水洗いするリング・スリット・ウォッシャー等の湿式除塵部が設けられており、これら乾式除塵部や湿式除塵部によってダストを除去した後の排気ガスが、発電装置に導かれる。

発電装置においては、ガスタービン、膨張タービン、蒸気タービン等のタービンが設けられており、排気ガスによる流体の運動エネルギーや熱エネルギーによってタービン軸を回転させ、このタービン軸の回転エネルギーによって発電が行われている。このとき、タービンに導かれる排気ガスの温度が高く、流速が早いほど発電効率は高まるが、上記のように、タービンには、湿式除塵部によって水洗いされた排気ガスが導かれるため、水洗いによって排気ガスの温度が冷却されてしまい、発電効率が低下してしまう。

そこで、特許文献１に示される排気ガス回収システムのように、乾式除塵部および湿式除塵部によってダストが除去される前の排気ガスと、ダストが除去された後の排気ガスとを、熱交換器によって熱交換してタービンに導く構成が考えられる。このように、ダスト除去前後の排気ガスの間で熱交換すれば、湿式除塵部によって冷却された排気ガスを再度昇温してタービンに導くことが可能となり、発電効率を向上することができる。

特開平８−２８３５３号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される排気ガス回収システムにおいては、ダスト除去前後の排気ガス間で直接熱交換させている。そのため、ダスト除去後の排気ガス配管をダスト除去前の排気ガス配管まで延長させる必要性と、熱交換部の表面積を確保するための配管形状変化や配管の細分化などの必要性とがある。その結果、長い排気ガス配管や配管の曲り部の増加・複雑化等により、圧力損失が大きくなる。また、ダストを多く含む配管内での熱交換のため、複雑形状部でのダスト詰まりによる大幅な圧力損失と、配管の摩耗のおそれが高くなる。これらのことから、圧力損失の増大による発電効率の低下という課題と、熱交換器の摩耗の恐れによるプラントの安定操業の難しさという課題があった。

本発明は、発電効率をより向上するとともに、プラントの安定操業を実現することができる排気ガス回収システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の排気ガス回収システムによれば、炉本体と、炉本体から排出される排気ガスが流通する第１排気流路と、炉本体から第１排気流路に導かれた排気ガス中のダストを除去する湿式除塵部と、湿式除塵部によってダストが除去された排気ガスが流通する第２排気流路と、第２排気流路を流通する排気ガスを用いて発電する発電装置と、第１排気流路に設けられた第１熱交換部、および、第２排気流路に設けられた第２熱交換部を有し、当該第１熱交換部と第２熱交換部との間に熱媒を循環させて、第１排気流路を流通する排気ガスと、第２排気流路を流通する排気ガスとの間で熱媒を介して熱交換を行う熱媒循環装置と、を備えたことを特徴とする。

また、前記第１排気流路を区画形成する内壁と、当該内壁の径方向外方に間隙を維持して設けられる外壁と、を有し、当該内壁と外壁との間の間隙によって、熱媒が流通する前記第１熱交換部が区画形成されているとよい。

また、前記第１熱交換部は、前記第１排気流路の外周に沿って前記熱媒を循環させるとよい。

また、前記第２熱交換部は、前記第２排気流路を区画形成する壁面の内側に設けられ、当該第２排気流路の長手方向に沿って前記熱媒を循環させるとよい。

また、前記熱媒循環装置は、前記第１熱交換部において、前記第１排気流路を流通する排気ガスの流れ方向と反対方向に熱媒を循環させるとよい。

また、前記熱媒循環装置は、前記第２熱交換部において、前記第２排気流路を流通する排気ガスの流れ方向と反対方向に熱媒を循環させるとよい。

また、前記第１排気流路と前記湿式除塵部との間には、前記第１排気流路を流通する排気ガス中のダストを除去して前記湿式除塵部に送出する乾式除塵部が設けられるとよい。

また、前記乾式除塵部は、排気ガス中のダストを重力沈降によって除去するとよい。

本発明によれば、湿式除塵部の前後に第１熱交換部および第２熱交換部が設けられ、これら第１熱交換部と第２熱交換部との間を循環する熱媒を介して熱交換が行われるので、排気ガスが流通する配管の形状を簡素化することができる。これにより、排気ガスに生じる圧力損失と、配管の摩耗のおそれとが低減され、発電効率の向上、および、プラントの安定操業を実現することができる。
発電効率を一層向上することができる。

高炉プラントを説明するための概念図である。 排気ガス回収システムを説明するための概念図である。 第１配管の構成を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩ（ｂ）線矢視図、（ｃ）は（ａ）のＩＩＩ（ｃ）線における断面を示す図である。 第２配管の構成を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ（ｂ）線矢視図、（ｃ）は（ａ）のＩＶ（ｃ）線における断面を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

なお、本実施形態の排気ガス回収システムは、高炉、還元炉、溶融炉、燃焼炉等、高温の排気ガスが生成される加熱炉に広く適用可能であるが、ここでは、高炉プラントの排気ガス回収システムについて説明する。

図１は、高炉プラントを説明するための概念図である。図１に示す高炉プラント１は、金属原料である鉄鉱石を溶融して銑鉄を生成するものであり、鉄鉱石、コークス等の燃料となる還元剤、不純物を除去する石灰石等（以下、鉄鉱石、還元剤、石灰石等の混合物を単に原料と称する）を貯留する原料槽２を備えている。原料槽２に貯留された原料は、装入コンベア４によって炉本体６の頂部に搬送され、頂部から炉本体６内に設けられたホッパー８に装入される。

ホッパー８の下方には、当該ホッパー８から落下する原料を傾斜面で受けるとともに、この傾斜面上で原料を滑らせながら下方に落下させる装入シュート１０が設けられている。この装入シュート１０は、一端がホッパー８の中心部の真下に位置するとともに、この一端が当該装入シュート１０において最も鉛直上方に位置し、他端が鉛直下方に位置するように配置されており、一端側を中心軸として図中破線で示す矢印方向に回転する。これにより、ホッパー８から落下した原料は、装入シュート１０の傾斜面上を滑りながら落下するとともに、炉本体６の全周囲に分散して落下することとなる。

炉本体６の下部には送風口１２が設けられており、この送風口１２から炉本体６の内部に熱風が導入される。炉本体６に導入された熱風は、炉本体６を上昇するが、装入シュート１０から落下する原料中のコークスが熱風によって燃焼すると、一酸化炭素（還元剤）を生じ、コークスの炭素が鉄から酸素を奪うとともに、二酸化炭素および熱を生じて、この反応が熱源となって鉄鉱石を溶融する。原料の落下過程では、こうした反応が連続的に行われ、炉本体６の下部に到達するころに燃焼温度が最高となり、炉本体６の底部で高温液体状の銑鉄が得られることとなる。

また、炉本体６の頂部には第１排気流路１４が接続されており、高温の高炉ガス（排気ガス）が炉本体６から第１排気流路１４に排出される。この第１排気流路１４には、高炉ガスの流通方向の上流側から順に、乾式除塵部１６および湿式除塵部１８が接続されている。乾式除塵部１６は、第１排気流路１４から導かれた高炉ガス中のダストを、重力沈降によって高炉ガス中から取り除くものである。なお、この乾式除塵部１６の構成は特に限定されるものではなく、例えば、バグフィルタやサイクロン等で構成してもよい。

そして、乾式除塵部１６でダストが除去された高炉ガスは、乾式除塵部１６から湿式除塵部１８に送出される。湿式除塵部１８は、高炉ガスを水洗いして、さらに高炉ガス中のダストを取り除く。なお、湿式除塵部１８は、水洗によって高炉ガス中のダストを取り除くものであれば、その具体的な構成は特に限定されないが、ここでは、所謂、リング・スリット・ウォッシャーで構成されているものとする。

また、湿式除塵部１８には第２排気流路２０が接続されており、湿式除塵部１８において水洗いによってダストが除去された高炉ガスが、第２排気流路２０へと送出される。この第２排気流路２０には、当該第２排気流路２０を流通する高炉ガスを用いて発電する発電装置２２が接続されている。発電装置２２は、蒸気タービン、ガスタービン、膨張タービン等を備えており、第２排気流路２０を流通する高炉ガスの運動エネルギーや熱エネルギーを、タービン軸の回転運動に変換して発電を行う。

さらに、第２排気流路２０における発電装置２２よりも下流側には、接続管２４を介して、高炉ガスを貯留するガスホルダー２６が接続されるとともに、接続管２８を介して、炉本体６に導入される熱風を生成する熱風炉３０が接続されている。熱風炉３０に導入された高炉ガスは、熱風炉３０内を加熱した後に、煙突３２から大気に排出される。また、熱風炉３０には、導入管３４を介してブロワ３６が接続されており、ブロワ３６によって供給される空気は、排熱回収部３８において高炉ガスの排熱を回収しながら熱風炉３０に導かれる。そして、熱風炉３０に導かれた空気は、この熱風炉３０においてさらに加熱されて熱風となり、上記の送風口１２から炉本体６内に導入されることとなる。

そして、高炉プラント１における上記のガスサイクルでは、発電装置２２において発電がなされるが、このとき、発電装置２２に導かれる高炉ガスが高温であるほど、また、高炉ガスの流速が早いほど発電効率は高くなる。しかしながら、炉本体６から排出される高炉ガスには多量のダストが含まれているため、ダストを除去した後でなければ、高炉ガスを発電装置２２のタービンに導くことはできない。その結果、発電装置２２に導かれる高炉ガスには、どうしても圧力損失による流速の低下と、主に湿式除塵部１８による温度の低下が生じてしまい、発電効率が低下してしまう。そこで、本実施形態の高炉プラント１においては、発電装置２２に導かれる高炉ガスの流速と温度とを上昇させる排気ガス回収システムを備えることにより、発電効率の向上を図っている。以下に、排気ガス回収システムについて詳述する。

図２は、排気ガス回収システムを説明するための概念図である。この図２においては、高炉ガスの流れを破線矢印で示し、後述する熱媒の流れを実線矢印で示す。図２に示すように、高炉プラント１の炉本体６と乾式除塵部１６とは、第１配管５０によって接続されており、炉本体６から排出される高炉ガスを乾式除塵部１６に導く第１排気流路１４は、第１配管５０によって区画形成されている。また、湿式除塵部１８と発電装置２２とは、第２配管５２によって接続されており、湿式除塵部１８から送出される高炉ガスを発電装置２２に導く第２排気流路２０は、第２配管５２によって区画形成されている。

そして、第１配管５０には、熱媒が流通する熱媒流路が第１排気流路１４と区画形成されており、また、第２配管５２には、熱媒が流通する熱媒流路が第２排気流路２０と区画形成されている。第１配管５０および第２配管５２は、接続管１００、１０１によって接続されており、ポンプＰを駆動すると、タンクＴから熱媒が吸入、吐出され、第１配管５０、第２配管５２の熱媒流路、および、接続管１００、１０１内を、熱媒が図２の実線矢印方向に循環する。

第１配管５０においては、炉本体６から排出された直後の高温の高炉ガスと熱媒との間で熱交換がなされるとともに、この熱交換によって昇温された熱媒が、接続管１００を介して第２配管５２に送出される。第２配管５２においては、湿式除塵部１８において冷却された高炉ガスと熱媒との間で熱交換がなされ、この熱交換によって高炉ガスが昇温して発電装置２２に送出される。このように、本実施形態の排気ガス回収システムは、第１配管５０、第２配管５２、接続管１００、１０１、ポンプＰ、タンクＴを有する熱媒循環装置Ａを備えている。

この熱媒循環装置Ａによって、第１配管５０と第２配管５２との間で熱媒を循環させ、第１排気流路１４を流通する高炉ガスと、第２排気流路２０を流通する高炉ガスとの間で熱媒を介して熱交換を行うことで、次の作用効果が実現される。すなわち、第１配管５０においては、第１排気流路１４を流通する高炉ガスの熱が熱媒に奪われることとなり、温度の低下によって流速が低下した高炉ガスが乾式除塵部１６に導入される。このように、流速が低下した高炉ガスを乾式除塵部１６に導入することで、乾式除塵部１６におけるダスト除去率を高めることができる。また、第２配管５２においては、第２排気流路２０を流通する高炉ガスが熱媒によって再び昇温されることとなり、昇温によって流速を増した高炉ガスが発電装置２２に送出されるので、発電装置２２における発電効率を向上することができる。

なお、第１配管５０および第２配管５２においては、熱媒と高炉ガスとの熱交換率の向上が望まれる。また、特に第１配管５０には、多量のダストを含んだ高炉ガスが流通するとともに、第１配管５０は高所に設置されることからメンテナンスが困難であり、ダストによる摩耗を生じにくい構成とする必要がある。そこで、本実施形態では、第１配管５０および第２配管５２を次のように構成している。

図３は、第１配管５０の構成を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩ（ｂ）線矢視図、（ｃ）は（ａ）のＩＩＩ（ｃ）線における断面を示す図である。第１配管５０は、複数の第１配管部材５０ａを長手方向に連接して構成される。第１配管部材５０ａは、二重管で構成されており、図３（ｃ）に示すように、第１排気流路１４を内側に区画形成する内壁６０と、この内壁６０の径方向外方に間隙を維持して設けられた外壁６２と、これら内壁６０と外壁６２との間に形成される間隙によって構成される第１熱交換部６４と、を備えている。

この第１熱交換部６４は、熱媒が流通する熱媒流路として機能するが、この第１熱交換部６４には、熱媒および高炉ガスの流れ方向に沿って延在する複数のフィン６６が周方向に等間隔で設けられている。これにより、第１排気流路１４を流通する高炉ガスの熱が、内壁６０およびフィン６６を介して、第１熱交換部６４を流通する熱媒に伝達され、高炉ガスと熱媒との間で熱交換が行われることとなる。

また、第１配管部材５０ａの両端近傍には、それぞれフランジ部６８ａ、６８ｂが設けられている。フランジ部６８ａには、図３（ｂ）に示すように、複数の接続孔７０が、周方向に等間隔で設けられている。この接続孔７０は、いずれも第１熱交換部６４に連通しており、各接続孔７０から第１配管部材５０ａに導かれた熱媒は、第１熱交換部６４において合流することとなる。なお、ここでは、フランジ部６８ａについて説明したが、フランジ部６８ｂにも、同数の接続孔７０が設けられている。

そして、上記の第１配管部材５０ａを、その長手方向に複数配置するとともに、隣接する第１配管部材５０ａを溶接等によって固定して、上記の第１配管５０を構成する。このとき、隣接する第１配管部材５０ａのうち、一方の第１配管部材５０ａのフランジ部６８ａに形成された接続孔７０と、他方の第１配管部材５０ａのフランジ部６８ｂに形成された接続孔７０とが、フレキシブル管等で接続される。これにより、熱媒は、第１配管部材５０ａに設けられた第１熱交換部６４を順次流通することとなる。

上記の第１配管５０によれば、二重管の内側に第１排気流路１４が区画形成され、二重管の外側に第１熱交換部６４が区画形成されている。つまり、第１熱交換部６４を区画形成するための管や壁部が、第１排気流路１４内、すなわち、多量のダストが含まれる高炉ガスの流通経路上に突出することがないように、第１排気流路１４の外周面に沿って第１熱交換部６４が設けられている。これにより、第１配管５０が摩耗するリスクを低減することができる。また、図２に示すように、本実施形態では、第１排気流路１４を流通する高炉ガスの流れ方向と反対方向に熱媒を循環させ、高炉ガスと熱媒とが対向流となるようにしており、熱交換率を一層向上することができる。

図４は、第２配管５２の構成を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶ（ｂ）線矢視図、（ｃ）は（ａ）のＩＶ（ｃ）線における断面を示す図である。第２配管５２は、複数の第２配管部材５２ａを長手方向に連接して構成される。第２配管部材５２ａは、図４（ｃ）に示すように、第２排気流路２０を区画形成する壁部内に、第２配管部材５２ａの長手方向、すなわち、高炉ガスの流れ方向に沿って延在する複数の板部材８０を備えている。この板部材８０は、その内部に、熱媒が流通する熱媒流路として機能する第２熱交換部８２が設けられており、第２熱交換部８２を流通する熱媒の熱が、板部材８０を介して、第２排気流路２０を流通する高炉ガスに伝達され、高炉ガスと熱媒との間で熱交換が行われることとなる。

また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、第２配管部材５２ａの両端近傍には、それぞれ板部材８０（第２熱交換部８２）と同数の突出管８４が設けられている。突出管８４には、図４（ｂ）に示すように、第２熱交換部８２に連通する接続孔８６が設けられており、第２配管部材５２ａの一端側に設けられた突出管８４の接続孔８６から第２配管部材５２ａに導かれた熱媒が、各板部材８０の第２熱交換部８２を流通した後に、第２配管部材５２ａの他端側に設けられた突出管８４の接続孔８６から流出するように構成されている。

そして、上記の第２配管部材５２ａを、その長手方向に複数配置するとともに、隣接する第２配管部材５２ａを溶接等によって固定して、上記の第２配管５２を構成する。このとき、隣接する第２配管部材５２ａのうち、一方の第２配管部材５２ａの突出管８４に形成された接続孔８６と、他方の第２配管部材５２ａの突出管８４に形成された接続孔８６とが、フレキシブル管等で接続される。これにより、熱媒は、第２配管部材５２ａに設けられた第２熱交換部８２を順次流通することとなる。

上記の第２配管５２によれば、第２熱交換部８２が第２排気流路２０内に配置されることから、熱媒と高炉ガスとの接触面積を大きく確保することができる。また、図２に示すように、本実施形態では、第２配管５２においても、第２排気流路２０を流通する高炉ガスの流れ方向と反対方向に熱媒を循環させ、高炉ガスと熱媒とが対向流となるようにしており、高い熱交換率を実現することができる。なお、第２配管５２においては、高炉ガス中のダストが、乾式除塵部１６および湿式除塵部１８において除去されていることから、ダストによる摩耗リスクが極めて低い。したがって、第２配管５２においては、その内部に第２熱交換部８２を設けても特段の支障が生じることがない。

以上のように、本実施形態の排気ガス回収システムによれば、配管の摩耗リスクが低減されて安定的な操業を実現しつつ、排気ガスの流路形状の複雑化を回避することで圧力損失が低減されて、ダスト除去率の向上と、発電効率の向上とを実現することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態においては、乾式除塵部１６および湿式除塵部１８を設けることとしたが、乾式除塵部１６は必須の構成ではなく、湿式除塵部１８のみを設けてもよい。

本発明は、加熱炉から排出される高温の排気ガスによって発電を行う排気ガス回収システムに利用することができる。

６ …炉本体
１４ …第１排気流路
１６ …乾式除塵部
１８ …湿式除塵部
２０ …第２排気流路
２２ …発電装置
６０ …内壁
６２ …外壁
６４ …第１熱交換部
８２ …第２熱交換部
Ａ …熱媒循環装置

Claims (8)

1. 炉本体と、
   前記炉本体から排出される排気ガスが流通する第１排気流路と、
   前記炉本体から前記第１排気流路に導かれた排気ガス中のダストを除去する湿式除塵部と、
   前記湿式除塵部によってダストが除去された排気ガスが流通する第２排気流路と、
   前記第２排気流路を流通する排気ガスを用いて発電する発電装置と、
   前記第１排気流路に設けられた第１熱交換部、および、前記第２排気流路に設けられた第２熱交換部を有し、当該第１熱交換部と第２熱交換部との間に熱媒を循環させて、前記第１排気流路を流通する排気ガスと、前記第２排気流路を流通する排気ガスとの間で熱媒を介して熱交換を行う熱媒循環装置と、を備えたことを特徴とする排気ガス回収システム。
2. 前記第１排気流路を区画形成する内壁と、当該内壁の径方向外方に間隙を維持して設けられる外壁と、を有し、当該内壁と外壁との間の間隙によって、熱媒が流通する前記第１熱交換部が区画形成されていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス回収システム。
3. 前記第１熱交換部は、
   前記第１排気流路の外周に沿って前記熱媒を循環させることを特徴とする請求項１または２記載の排気ガス回収システム。
4. 前記第２熱交換部は、
   前記第２排気流路を区画形成する壁面の内側に設けられ、当該第２排気流路の長手方向に沿って前記熱媒を循環させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排気ガス回収システム。
5. 前記熱媒循環装置は、
   前記第１熱交換部において、前記第１排気流路を流通する排気ガスの流れ方向と反対方向に熱媒を循環させることを特徴とする請求項２または３記載の排気ガス回収システム。
6. 前記熱媒循環装置は、
   前記第２熱交換部において、前記第２排気流路を流通する排気ガスの流れ方向と反対方向に熱媒を循環させることを特徴とする請求項４記載の排気ガス回収システム。
7. 前記第１排気流路と前記湿式除塵部との間には、前記第１排気流路を流通する排気ガス中のダストを除去して前記湿式除塵部に送出する乾式除塵部が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の排気ガス回収システム。
8. 前記乾式除塵部は、排気ガス中のダストを重力沈降によって除去することを特徴とする請求項７記載の排気ガス回収システム。

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