JP2005029816A - 炉頂圧タービン内付着物防止方法及び構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】炉頂圧タービンを高出力で安定して運転し、炉頂圧タービンの腐食原因物質を高炉ガス中から減少させ、操業コストを増大させずに塩化アンモニウムを高炉ガス中から除去すること。
【解決手段】高炉１から炉頂圧タービン３へ流路５内を流れる高炉ガス中に、塩基性物質添加手段１２から塩基性物質を添加し、アンモニア添加手段１４からアンモニアを添加し、アンモニア添加後の高炉ガス中のアンモニア濃度を塩化水素濃度と塩素濃度の和の２〜４倍とし、高炉ガス中に塩化アンモニウムを析出させ、析出した塩化アンモニウムを除塵手段１８により捕集する。
【選択図】 図１
【解決手段】高炉１から炉頂圧タービン３へ流路５内を流れる高炉ガス中に、塩基性物質添加手段１２から塩基性物質を添加し、アンモニア添加手段１４からアンモニアを添加し、アンモニア添加後の高炉ガス中のアンモニア濃度を塩化水素濃度と塩素濃度の和の２〜４倍とし、高炉ガス中に塩化アンモニウムを析出させ、析出した塩化アンモニウムを除塵手段１８により捕集する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉頂圧タービン内に付着物が付着することを防止する方法及び構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧操業する高炉設備において、高炉から排出される高温、高圧の高炉ガスを用いて炉頂圧タービンを運転して発電を行い、高炉ガスのエネルギーを回収し有効利用している。
高炉内において、微粉炭を吹き込んで燃焼させるとともに、炉頂温度を低下させるために炉頂散水を行っている。微粉炭が含有する窒素及び塩素と、鉄鉱石が含有する塩素と、炉頂散水の水とから、塩化水素、塩素及びアンモニアが高炉内で発生している。これらの塩化水素、塩素及びアンモニアは、高炉ガスに混入し、高炉ガス中で塩化水素、塩素及びアンモニアが反応して塩化アンモニウムとなり、塩化アンモニウムも高炉ガスと一緒に炉頂圧タービンへ送られている。
【０００３】
高炉ガスは炉頂圧タービン内を流れるとその温度が低下し、高炉ガスから固体状の塩化アンモニウムが析出して、析出した塩化アンモニウムがタービン翼に付着して堆積する。炉頂圧タービンの運転中に、タービン翼に付着した塩化アンモニウムが部分的に剥離し、ローターのバランスを崩す原因となり、炉頂圧タービンに異常振動が発生してしまう。
【０００４】
また、高炉ガス中に含まれる塩化水素、塩素及び塩化アンモニウムは、炉頂圧タービン内のタービン翼等を腐食させる原因ともなっている。
そこで、塩化アンモニウムが炉頂圧タービンのタービン翼に付着することを防止することを目的として、高炉ガスを湿りガスとして炉頂圧タービンを一時的に湿式運転状態に切り換え、タービン翼に付着した塩化アンモニウムを除去する方法がある（従来技術１、例えば、特許文献１を参照）。
また、塩素及びアンモニアを吸収する吸収剤を高炉ガス中に吹き込み、塩化アンモニウムがタービン翼に付着することを防止する方法もある（従来技術２、例えば、特許文献２を参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３２２４２３号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０９８０８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１の方法では、炉頂圧タービンを一時的に湿式運転とするので、炉頂圧タービンの出力が低下することを避けられないという問題がある。
また、従来技術２の方法では、アンモニアを吸着して使用済みとなった吸着剤が大量に除塵設備から排出され、使用済み吸着剤の処理が必要となり、操業コストが増大するという問題がある。
本発明は、上記した従来の技術の問題点を除くためになされたものであり、その目的とするところは、炉頂圧タービンを高出力で安定して運転することができ、高炉ガス中から炉頂圧タービンの腐食原因となる物質を減少させるとともに、炉頂圧タービンの操業コストの増大を伴わずに塩化アンモニウムを除去することができる炉頂圧タービン内付着物防止方法及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その課題を解決するために以下のような構成をとる。請求項１の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、高炉から排出される高炉ガス中にアンモニアを添加した後に、塩化アンモニウムを取り除くための除塵手段に高炉ガスを通して除塵して、除塵後の高炉ガスを炉頂圧タービンへ供給する。
【０００８】
請求項１の発明によると、高炉ガス中に含まれている塩化水素及び塩素が、高炉ガス中のアンモニア及び添加されたアンモニアと反応して塩化アンモニウムとなり、生成した塩化アンモニウムは除塵手段により他のダスト類とともに捕集されて高炉ガス中から除去される。したがって、炉頂圧タービンへ送られる高炉ガス中の塩化水素濃度、塩素濃度及びアンモニア濃度は低下し、タービン翼等に塩化アンモニウムが付着することが抑制される。
【０００９】
同時に、炉頂圧タービンのタービン翼等において腐食を発生させる原因となる塩化水素、塩素及び塩化アンモニウムが、高炉ガスとともに炉頂圧タービンへ送られることも抑制されている。
なお、アンモニアの添加位置は、上流の高炉に近ければ近いほど好ましい。アンモニアの添加位置を上流の高炉近くとすることで、アンモニアと塩化水素又は塩素とが反応する時間を長くとることができ、より多くの塩化水素、塩素及びアンモニアを反応させることができるので好ましい。
【００１０】
また、除塵手段として、例えば、乾式のフィルター等を挙げることができる。乾式のフィルターにより除塵することで、炉頂圧タービンの湿式運転が避けられる。
請求項２の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置よりも下流側で、前記除塵手段による除塵前の高炉ガス中のアンモニア濃度を、除塵前の高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度の和の２〜４倍の濃度とする。
【００１１】
発明者は、除塵前の高炉ガス中における塩化水素濃度、塩素濃度及びアンモニア濃度と塩化アンモニウムの生成量との間に以下の関係が成立していることを、実験により見出した。
除塵前の高炉ガス中で、アンモニア濃度が、塩化水素濃度及び塩素濃度の和の２倍未満である場合、塩化アンモニウムの生成量が少なく、高炉ガス中に残存する未反応の塩化水素濃度又は塩素濃度が高くなって、タービン翼等の腐食原因となる。
【００１２】
また、除塵前の高炉ガス中で、アンモニア濃度が、塩化水素濃度及び塩素濃度の和の４倍を超える場合、高炉ガス中に残存する未反応のアンモニアの量が多くなり、アンモニアの添加量に対する塩化アンモニウムの生成量の割合が低くなり、アンモニアの反応効率が悪くなる。さらに、高炉ガス中に残存する塩化水素、塩素及びアンモニアが反応して、炉頂圧タービン内で塩化アンモニウムを生じてしまう。
【００１３】
除塵前の高炉ガス中で、アンモニア濃度が、塩化水素濃度及び塩素濃度の和の２〜４倍となるように、アンモニアを高炉ガス中に添加することによって、効率よくアンモニアを塩化水素又は塩素と反応させることができる。また、高炉ガス中の塩化水素や塩素をアンモニアと反応させて、塩化水素濃度や塩素濃度をそれぞれ低く抑えることができ、タービン翼等が塩化水素や塩素により腐食することを抑制できる。
【００１４】
なお、アンモニアの添加位置よりも上流側において、高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度を測定すると、添加しなければならないアンモニアの量を正確に決定できて好ましい。
請求項３の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１又は請求項２に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置と前記除塵手段との間で、前記高炉ガスの温度を５０〜１１０℃とする。
【００１５】
発明者は、アンモニア塩化水素又は塩素が反応して塩化アンモニウムを析出する温度は１５０℃以下であり、反応性は約５０〜１１０℃の範囲において高くなり、塩化アンモニウムの析出温度は圧力に依存していないことを実験から見出した。
したがって、アンモニアの添加位置と除塵手段との間の塩化アンモニウムを生じる反応が起こっている部分で、高炉ガスの温度を５０〜１１０℃に維持すると、塩化アンモニウムの生成量が大きくなり、除塵手段による塩化アンモニウムの捕集量が増大し、除塵手段の下流側で高炉ガス中で反応せずに残存する塩化水素、塩素及びアンモニアの各濃度を低く抑制できる。
【００１６】
請求項４の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置の下流側で高炉ガスを攪拌する。
請求項４の発明によると、高炉ガスを攪拌することで、高炉ガス中で塩化アンモニウムを生じる反応が促進され、高炉ガス中に残る未反応の塩素、塩化水素及びアンモニアの量を減らすことができる。
【００１７】
請求項５の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記除塵手段の上流側から高炉ガス中に塩基性物質を添加する。
請求項５の発明によると、高炉ガス中に塩基性物質を添加すると、添加された塩基性物質は高炉ガス中の塩化水素及び塩素と反応し、高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度が低下する。塩化水素濃度及び塩素濃度が低下すると、添加しなければならないアンモニアの量が少なくてすむ。
【００１８】
なお、塩基性物質の添加位置は、アンモニアの添加位置よりも上流側とするか、又は、アンモニアの添加位置と同じ位置とすることが好ましい。
また、添加する塩基性物質は特に限定されるものではないが、例えば、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム等を挙げることができる。水酸化カルシウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム等は安価に入手でき、取り扱いも簡単であるので、操業コストを低廉に抑制できて好ましい。
【００１９】
請求項６の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記前記アンモニアの添加量と前記塩基性物質の添加量のうち少なくとも一方の添加量を調整し、前記除塵手段の下流側の高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度の和を４ｐｐｍ以下とする。
【００２０】
炉頂圧タービンへ送られる高炉ガス中に存在する塩化水素及び塩素の濃度の和が４ｐｐｍを越えると、塩化水素又は塩素が炉頂圧タービン内の腐食の発生原因となる。また、塩化水素又は塩素が高炉ガス中に残存するアンモニアと反応して塩化アンモニウムとなり、この塩化アンモニウムがタービン翼等に付着したり腐食の発生原因となる。
【００２１】
したがって、除塵手段を通って炉頂圧タービンへ送られる高炉ガス中の塩化水素濃度又は塩素濃度を４ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
請求項７の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、高炉から排出される高炉ガスを炉頂圧タービンへ流す高炉ガスの流路に設置された炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、高炉ガス中へアンモニアを添加するアンモニア添加手段を備え、このアンモニア添加手段の下流側に、高炉ガス中から塩化アンモニウムウを取り除くための除塵手段を備える。
【００２２】
請求項７の発明により、請求項１に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、アンモニア添加手段の位置は上流側の高炉に近ければ近いほど好ましい。
請求項８の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の上流側で高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度を測定する第１の濃度測定手段を備え、高炉ガス中のアンモニア濃度が前記塩化水素濃度と前記塩素濃度との和の２〜４倍の濃度となる量のアンモニアを、高炉ガス中へ添加可能に、前記アンモニア添加手段が構成されている。
【００２３】
請求項８の発明により、請求項２に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、第１の濃度測定手段の位置は、アンモニア添加手段の位置よりも上流側であることが好ましい。
請求項９の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７又は請求項８に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記アンモニア添加手段と前記除塵手段の間で高炉ガスの温度を５０〜１１０℃の範囲内に維持可能な温度調節手段を備える。
【００２４】
請求項９の発明により、請求項３に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、温度調節手段として、例えば、熱交換器等を挙げることができる。
請求項１０の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記アンモニア添加手段と前記除塵手段の間で高炉ガスを攪拌する攪拌手段を備える。
【００２５】
請求項１０の発明により、請求項４に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、流路中に設置したオリフィスや、流路を形成する配管を曲げること等により、攪拌手段を構成することができる。
請求項１１の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７ないし請求項１０のいずれかの請求項に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の上流側で高炉ガス中へ塩基性物質を添加する塩基性物質添加手段を備える。
請求項１１の発明により、請求項５に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、塩基性物質添加手段の位置は、アンモニア添加手段の位置よりも上流側とするか、又は、同じとすることが好ましい。
【００２６】
請求項１２の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７ないし請求項１１のいずれかの請求項に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の下流側で高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度を測定する第２の濃度測定手段を備え、前記アンモニア添加手段から添加されるアンモニアの量及び前記塩基性物質添加手段から添加される塩基性物質の量を調整し、前記除塵手段の下流側で高炉ガス中の塩化水素濃度と塩素濃度との和を４ｐｐｍ以下とする。
請求項１２の発明により、請求項６に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１を参照して本発明の実施の形態の構成を説明する。図１は本実施の形態に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造の構成図である。
高炉１は従来のものと同様の構成を有し、高温高圧で塩化水素、塩素及びアンモニアを含む高炉ガスを排出している。そして、高炉１から炉頂圧タービン３まで排出された高炉ガスの流路５がガス配管によって形成されており、高炉ガスが炉頂圧タービン３へ流れている。
【００２８】
流路５には、高炉１がある上流側から炉頂圧タービン３がある下流側にかけて、温度測定手段１０、第１の濃度測定手段１１、塩基性物質添加手段１２、アンモニア添加手段１４、攪拌手段１６、温度調節手段１７、除塵手段１８及び第２の濃度測定手段１９が順番に設置されて並んでおり、流路５の外に制御部２０が設置されている。
【００２９】
温度測定手段１０は、高炉１から排出される高炉ガスの温度を計測可能であり、測定した高炉ガス温度Ｔを制御部２０へ送る構成となっている。
第１の濃度測定手段１１は、高炉１から排出される高炉ガス中の塩化水素濃度Ｃ１、塩素濃度Ｃ２及びアンモニア濃度Ｃ３をそれぞれ測定可能であり、測定した各濃度Ｃ１、Ｃ２及びＣ３を制御部２０へ送る構成となっている。
【００３０】
塩基性物質添加手段１２は塩基性物質タンク１３と流量調節弁２３とからなり、塩基性物質を塩基性物質タンク１３から流量調節弁２３を介して流路５へ送り、流路５を流れる高炉ガス中に塩基性物質を添加可能に構成されている。また、流量調節弁２３は、制御部２０とつながっており、制御部２０から受け取る信号Ｓａにより開度を制御可能に構成されている。
【００３１】
塩基性物質タンク１３に貯蔵されている塩基性物質は、塩基性を示す物質であれば特に限定されるものではない。入手容易性、取り扱いの容易性及び価格の観点から、例えば、炭酸カルシウムが塩基性物質として塩基性物質タンク１３に貯蔵されている。
アンモニア添加手段１４はアンモニアタンク１５と流量調節弁２４とからなり、アンモニアをアンモニアタンク１５から流量調節弁２４を介して流路５へ送り、流路５を流れる高炉ガス中にアンモニアを添加可能に構成されている。流量調節弁２４は、制御部２０とつながっており、制御部２０から受け取る信号Ｓｂにより開度を制御可能に構成されている。
【００３２】
また、アンモニア添加手段１４は、流路５のガス配管内の軸方向中心に位置する図示しない噴射部を有する。この噴出部には多数の小径孔が形成されており、これらの小径孔からアンモニアを流路５内を流れる高炉ガス中に吹き込み可能に構成されている。
攪拌手段１６は、例えば、流路５のガス配管内に設置されたオリフィスからなり、ガス配管内で高炉ガスを攪拌可能に構成されている。
【００３３】
温度調節手段１７は熱交換器からなり、攪拌手段１６から除塵手段１８の間の流路５を流れる高炉ガスの温度を５０〜１１０℃の範囲に調節可能な構成となっている。また、温度調節手段１７は、制御部２０とつながっており、制御部２０から受け取る信号Ｓｃによりこの熱交換器を流れる冷却媒体の流量を制御可能に構成されている。
【００３４】
除塵手段１８は図示しないフィルターを備え、除塵手段１８を通る高炉ガス中から、塩化アンモニウムやその他のダスト等を捕集可能に構成されている。そして、フィルターは逆洗により目詰まり防止可能となっている。
第２の濃度測定手段１９は、第１の濃度測定手段１１と同様の構成を有し、除塵手段１８を通った高炉ガス中の塩化水素濃度Ｃ４及び塩素濃度Ｃ５を測定可能となっており、測定した各濃度Ｃ４及びＣ５を制御部２０へ送る構成となっている。
【００３５】
炉頂圧タービン３は従来のものと同様の構成を有し、高炉１から流路５を流れて送られてくる高炉ガスを用いて、発電可能に構成されている。
制御部２０は演算部２１とメモリー２２とを有する。メモリー２２にはプログラムＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４が格納されている。プログラムＰ１は、温度調節手段１７をなす熱交換器の冷却媒体の流量を制御するプログラムである。具体的には、温度測定手段１０から受け取った高炉ガス温度Ｔに基づいて、温度調節手段１７により冷却される高炉ガスの温度が５０〜１１０℃の範囲内に収まるように、温度調節手段１７をなす熱交換器の冷却媒体の流量を算出し、算出した流量を信号Ｓｃとして温度調節手段１７へ送信するプログラムである。
【００３６】
プログラムＰ２は、塩基性物質添加手段１２から高炉ガス中に添加される塩基性物質の量を制御するプログラムである。具体的には、第１の濃度測定手段１１から受け取った塩化水素濃度Ｃ１及び塩素濃度Ｃ２に基づいて、高炉ガス中の塩化水素及び塩素のうち、所定の割合の塩化水素及び塩素と反応するのに必要な塩基性物質の量を算出し、この塩基性物質の量に対応する流量調節弁２３の開度をさらに算出して、この算出した開度を信号Ｓａとして流量調節弁２３へ送信するプログラムである。
【００３７】
プログラムＰ３は、アンモニア添加手段１４から高炉ガス中に添加されるアンモニアの量を制御するプログラムである。具体的には、第１の濃度測定手段１１から受け取った塩化水素濃度Ｃ１及び塩素濃度Ｃ２に基づいて、塩基性物質添加手段１２から添加された塩基性物質と反応せずに高炉ガス中に残存する塩化水素及び塩素の各濃度の和を算出し、この和の２〜４倍の濃度から第１の濃度測定手段１１から受け取ったアンモニア濃度Ｃ３を減じ、この減じて得られた数値のアンモニア濃度を高炉ガス中で得るために必要なアンモニアの量を算出し、このアンモニアの量に対応する流量調節弁２４の開度をさらに算出し、算出した流量調節弁２４の開度を信号Ｓｂとして流量調節弁２４へ送信するプログラムである。
【００３８】
プログラムＰ４は、流量調節弁２３の開度及び流量調節弁２４の開度を微調整するプログラムである。具体的には、第２の濃度測定手段１９から受け取った塩化水素濃度Ｃ４及び塩素濃度Ｃ５の和を算出し、この和が４ｐｐｍを超えている場合には、流量調節弁２３の開度及び流量調節弁２４の開度のうち少なくともいずれか一方の開度を所定の刻み量で大きくし、塩化水素濃度Ｃ４及び塩素濃度Ｃ５の和が４ｐｐｍ以下となるまで、流量調節弁２３の開度及び流量調節弁２４の開度をフィードバック制御するプログラムである。
【００３９】
本発明は上記のように構成されており、次にその作用について説明する。
高炉１から排出された高炉ガスは流路５を流れて、炉頂圧タービン３へ到っている。まず、流路５へ入った高炉ガスの温度Ｔが温度測定手段１０により測定され、制御部２０へ測定結果の温度Ｔが送られる。
制御部２０は温度測定手段１０から受け取った温度Ｔを用いて、プログラムＰ１により、温度調節手段１７をなす熱交換器の冷却媒体の流量を算出し、算出した流量を信号Ｓｃとして温度調節手段１７へ送信する。
【００４０】
次いで、高炉ガス中の塩化水素濃度Ｃ１、塩素濃度Ｃ２及び、アンモニア濃度Ｃ３が第１の濃度測定手段１１により測定され、制御部２０へ測定結果の濃度Ｃ１、Ｃ２及びＣ３が送られる。
制御部２０は第１の濃度測定手段１１から受け取った塩化水素濃度Ｃ１及び塩素濃度Ｃ２を用いて、プログラムＰ２により、流量調節弁２３の開度を算出し、算出した開度を信号Ｓａとして流量調節弁２３へ送信する。
【００４１】
同時に、制御部２０は第１の濃度測定手段１１から受け取った塩化水素濃度Ｃ１、塩素濃度Ｃ２及びアンモニア濃度Ｃ３を用いて、プログラムＰ３により、流量調節弁２４の開度を算出し、算出した開度を信号Ｓｂとして流量調節弁２４へ送信する。
流量調節弁２３は、信号Ｓａを制御部２０から受け取り、その開度を変え、塩基性物質タンク１３から塩基性物質が流量調節弁２３を介して高炉ガス中に添加される。
【００４２】
流量調節弁２４は、信号Ｓｂを制御部２０から受け取り、その開度を変え、アンモニアタンク１５からアンモニアが流量調節弁２４を介して前記噴射部の小径孔から高炉ガス内に吹き込まれて添加される。噴射部は、流路５のガス配管内の軸方向中心に位置しているので、吹き込まれたアンモニアはアンモニア添加手段１４より下流側で高炉ガス中に均一に拡散する。
【００４３】
攪拌手段１６のオリフィスを高炉ガスが通過するとき、オリフィスによって高炉ガスの流速が急激に変化し、高炉ガスが攪拌される。
温度調節手段１７は、信号Ｓｃを制御部２０から受け取り、温度調節手段１７の熱交換器を流れる冷却媒体の流量が変化し、攪拌手段１６から除塵手段１８の間の流路５内で、高炉ガスの温度が５０〜１１０℃の範囲内に維持される。
【００４４】
攪拌手段１６より下流側で、高炉ガス中の塩化水素、塩素、アンモニア及び塩基性物質はよく攪拌され、高炉ガスの温度は５０〜１１０℃となっているので、塩化水素と塩基性物質との反応、塩素と塩基性物質との反応、塩化水素とアンモニアとの反応及び塩素とアンモニアとの反応が促進され、高炉ガス中に塩化アンモニウムの固体が析出する。
【００４５】
高炉ガスは、除塵手段１８のフィルターを通過し、高炉ガス中に含まれる塩化アンモニウムの固体及び種々雑多なダスト類がフィルターによって捕集される。したがって、除塵手段１８より下流側で、高炉ガス中には、塩化アンモニウムの固体やダスト類は殆ど含まれていない。
塩化アンモニウムの固体やダスト類を捕集したフィルターは定期的に逆洗されて、塩化アンモニウムやダスト類は洗い流され、除塵手段１８の除塵能力は常に一定に維持されている。また、塩化アンモニウムは吸着剤によって捕集されたものではないので、フィルターの逆洗時に発生するスラッジの量も多くならず、スラッジの処理のために操業コストが増大することもない。
【００４６】
除塵手段１８を通った高炉ガス中には、未反応の塩化水素及び塩素が若干残存している。これは、高炉１から排出される高炉ガス中の塩化水素、塩素及びアンモニアの量が変動しているためである。この未反応の塩化水素及び塩素の各濃度Ｃ４及びＣ５が第２の濃度測定手段１９により測定され、制御部２０へ測定結果の濃度Ｃ４及びＣ５が送られる。
【００４７】
制御部２０は、第２の濃度測定手段１９から受け取った塩化水素濃度Ｃ４及び塩素濃度Ｃ５の和が４ｐｐｍを超える場合、プログラムＰ４により、流量調節弁２３の開度及び流量調節弁２４の開度を微調整する。そして、除塵手段１８を通った高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度の和が４ｐｐｍ以内に制御される。
【００４８】
したがって、炉頂圧タービン３へ流路５から流れ込む高炉ガス中の塩化水素及び塩素は、非常に低濃度となっており、炉頂圧タービン３内のタービン翼等が塩化水素及び塩素によって腐食することは防止されている。また、高炉ガス中のアンモニアは殆ど塩化アンモニウムとなって、除塵手段１８によって除去されており、塩化アンモニウムが炉頂圧タービン３内のタービン翼等に付着して堆積することもなく、炉頂圧タービン３内のタービン翼等が塩化アンモニウムにより腐食することも防止されている。また、炉頂圧タービン３内のタービン翼に塩化アンモニウムが付着して堆積することがないので、炉頂圧タービン３を安定して運転することができる。さらに、塩化アンモニウムを捕集するために、高炉ガスを湿り状態とする必要がないので、炉頂圧タービンが湿式運転とする必要はなく、炉頂圧タービンの出力が低下することも防止されている。
【００４９】
次に、発明者が実施した塩化アンモニウム析出量の測定試験に関して報告する。
本試験では、塩化水素濃度とアンモニア濃度とが、塩化アンモニウムの析出量に及ぼす影響について調べた。
本試験で用いた試験装置の構成を図２に示す。試験装置５０は、反応管５１、アンモニアタンク５２、塩化水素タンク５３及び窒素タンク５４を備える。反応管５１の内部にはグラスウール５５が入っており、反応管５１の周囲はヒーター５６によって取り囲まれており、反応管５１内を所定温度に維持可能に構成されている。アンモニアタンク５２は流量調節弁６０を介して配管５７によって反応管５１の底部と連なっており、アンモニアの量を調整しつつアンモニアガスを反応管５１へ供給可能に構成されている。塩化水素タンク５３は流量調節弁６１を介して配管５８によって反応管５１の底部と連なっており、塩化水素の量を調整しつつ塩化水素ガスを反応管５１へ供給可能に構成されている。窒素タンク５４は、流量調節弁６０下流の配管５７に流量調節弁６２を介して連なるとともに、流量調節弁６１下流の配管５８に流量調節弁６３を介して連なっており、窒素の量を調整しつつ窒素ガスを反応管５１へ供給可能に構成されている。また、反応管５１の頂部は配管５９を介して外部と連なっている。
【００５０】
かかる構成の試験装置５０において、高炉から炉頂圧タービンへ流路を流れる高炉ガスを再現した。すなわち、窒素ガス、塩化水素ガス及びアンモニアガスからなる混合ガスを高炉ガスの代わりとし、反応管５１を高炉ガスが流れる流路の代わりとし、反応管５１内のグラスウール５５を除塵手段の代わりとし、混合ガスを反応管５１の底部から頂部に向けて流した。
【００５１】
そして、反応管５１底部における塩化水素濃度及びアンモニア濃度を変化させるとともに、反応管５１内の混合ガスの温度を変化させ、析出した塩化アンモニウムがグラスウール５５により捕集し、塩化アンモニウムの析出量を調べた。
結果を表１、図３及び図４に示す。なお、図３及び図４は表１をグラフ化して示したものである。図３は、混合ガス温度と塩化アンモニウム析出量との関係の説明図であり、その縦軸に塩化アンモニウムの析出量をとり、横軸に混合ガス温度をとっており、図３（ｉ）及び（ｉｉ）はそれぞれ塩化水素濃度が１０ｐｐｍの場合と４０ｐｐｍの場合を示す。図４は、アンモニア濃度と塩化アンモニウム析出量との関係の説明図であり、その縦軸に塩化アンモニウムの析出量をとり、横軸にアンモニア濃度をとっており、図４（ｉ）及び（ｉｉ）はそれぞれ塩化水素濃度が１０ｐｐｍの場合と４０ｐｐｍの場合を示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
まず、表１及び図３（ｉ）及び（ｉｉ）を参照して、反応管５１内の混合ガス温度が塩化アンモニウムの析出量に及ぼす影響について述べる。
塩化水素濃度が１０ｐｐｍの場合において、アンモニア濃度が１０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、４０ｐｐｍ及び１００ｐｐｍのいずれの場合であっても、塩化アンモニウムの析出量は、混合ガス温度５０℃を境として、混合ガス温度が５０℃未満である場合よりも、５０℃以上である場合の方が急激に多くなっている。また、混合ガス温度１１０℃を境として、混合ガス温度が１１０℃より高い場合よりも、１１０℃以下である場合の方が急激に多くなっている。
【００５４】
塩化水素濃度が４０ｐｐｍの場合も同様であり、アンモニア濃度が４０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、１６０ｐｐｍ及び４００ｐｐｍのいずれの場合であっても、塩化アンモニウムの析出量は、混合ガス温度５０℃を境として、混合ガス温度が５０℃未満である場合よりも、５０℃以上である場合の方が急激に多くなっている。また、混合ガス温度１１０℃を境として、混合ガス温度が１１０℃より高い場合よりも、１１０℃以下である場合の方が急激に多くなっている。
【００５５】
したがって、混合ガス温度を５０〜１１０℃の範囲内とすることで、塩化アンモニウムの析出量を多くすることができ、反応管５１頂部から出て行く混合ガス中に含まれる未反応の塩化水素及びアンモニアの量を少なくできることが確認された。
次に、表１及び図４（ｉ）及び（ｉｉ）を参照して、反応管５１内の塩化水素濃度とアンモニア濃度との関係が塩化アンモニウムの析出量に及ぼす影響について述べる。
【００５６】
塩化水素濃度が１０ｐｐｍの場合において、混合ガス温度が２０℃、５０℃、７５℃、９０℃、１００℃、１１０℃、１１５℃、１２５℃、１４０℃及び１５０℃のいずれの場合であっても、塩化アンモニウムの析出量は、アンモニウム濃度２０ｐｐｍ（塩化水素濃度の２倍）を境として、アンモニウム濃度が２０ｐｐｍ未満である場合よりも、２０ｐｐｍ以上である場合の方が急激に多くなっている。また、アンモニウム濃度４０ｐｐｍ（塩化水素濃度の４倍）を境として、アンモニウム濃度が４０ｐｐｍより大きな場合よりも、４０ｐｐｍ以下である場合の方が急激に多くなっている。
【００５７】
塩化水素濃度が４０ｐｐｍの場合も同様であり、混合ガス温度が２０℃、５０℃、７５℃、９０℃、１００℃、１１０℃、１１５℃、１２５℃、１４０℃及び１５０℃のいずれの場合であっても、塩化アンモニウムの析出量は、アンモニウム濃度８０ｐｐｍ（塩化水素濃度の２倍）を境として、アンモニウム濃度が８０ｐｐｍ未満である場合よりも、８０ｐｐｍ以上である場合の方が急激に多くなっている。また、アンモニウム濃度１６０ｐｐｍ（塩化水素濃度の４倍）を境として、アンモニウム濃度が１６０ｐｐｍより大きな場合よりも、１６０ｐｐｍ以下である場合の方が急激に多くなっている。
【００５８】
したがって、アンモニア濃度を塩化水素濃度の２倍から４倍の範囲内とすることで、塩化アンモニウムの析出量を多くすることができ、反応管５１頂部から出て行く混合ガス中に含まれる未反応の塩化水素及びアンモニアの量を少なくできることが確認された。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、上記のような炉頂圧タービン内付着物防止方法及び装置であるので、炉頂圧タービンを高出力で安定して運転することができ、高炉ガス中に存在する炉頂圧タービンの腐食原因となる物質を減少させるとともに、高炉ガスの操業コストの増大を伴わずに塩化アンモニウムを除去することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る炉頂圧タービン内付着物防止装置の構成図である。
【図２】塩化アンモニウム析出量の測定試験の試験装置の構成図である。
【図３】混合ガス温度と塩化アンモニウム析出量との関係の説明図である。
【図４】アンモニア濃度と塩化アンモニウム析出量との関係の説明図である。
【符号の説明】
１ 高炉
３ 炉頂圧タービン
５ 高炉ガスの流路
１０ 温度測定手段
１１ 第１の濃度測定手段
１２ 塩基性物質添加手段
１３ 塩基性物質タンク
１４ アンモニア添加手段
１５ アンモニアタンク
１６ 攪拌手段
１７ 温度調節手段
１８ 除塵手段
１９ 第２の濃度測定手段
２０ 制御部
２１ 演算部
２２ メモリー
２３、２４ 流量調節弁
５０ 試験装置
５１ 反応管
５２ アンモニアタンク
５３ 塩化水素タンク
５４ 窒素タンク
５５ グラスウール
５６ ヒーター
５７、５８、５９、 配管
６０、６１、６２、６３ 流量調節弁
Ｔ 高炉ガス温度
Ｃ１、Ｃ４ 塩化水素濃度
Ｃ２、Ｃ５ 塩素濃度
Ｃ３ アンモニア濃度
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ プログラム
Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ 信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉頂圧タービン内に付着物が付着することを防止する方法及び構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧操業する高炉設備において、高炉から排出される高温、高圧の高炉ガスを用いて炉頂圧タービンを運転して発電を行い、高炉ガスのエネルギーを回収し有効利用している。
高炉内において、微粉炭を吹き込んで燃焼させるとともに、炉頂温度を低下させるために炉頂散水を行っている。微粉炭が含有する窒素及び塩素と、鉄鉱石が含有する塩素と、炉頂散水の水とから、塩化水素、塩素及びアンモニアが高炉内で発生している。これらの塩化水素、塩素及びアンモニアは、高炉ガスに混入し、高炉ガス中で塩化水素、塩素及びアンモニアが反応して塩化アンモニウムとなり、塩化アンモニウムも高炉ガスと一緒に炉頂圧タービンへ送られている。
【０００３】
高炉ガスは炉頂圧タービン内を流れるとその温度が低下し、高炉ガスから固体状の塩化アンモニウムが析出して、析出した塩化アンモニウムがタービン翼に付着して堆積する。炉頂圧タービンの運転中に、タービン翼に付着した塩化アンモニウムが部分的に剥離し、ローターのバランスを崩す原因となり、炉頂圧タービンに異常振動が発生してしまう。
【０００４】
また、高炉ガス中に含まれる塩化水素、塩素及び塩化アンモニウムは、炉頂圧タービン内のタービン翼等を腐食させる原因ともなっている。
そこで、塩化アンモニウムが炉頂圧タービンのタービン翼に付着することを防止することを目的として、高炉ガスを湿りガスとして炉頂圧タービンを一時的に湿式運転状態に切り換え、タービン翼に付着した塩化アンモニウムを除去する方法がある（従来技術１、例えば、特許文献１を参照）。
また、塩素及びアンモニアを吸収する吸収剤を高炉ガス中に吹き込み、塩化アンモニウムがタービン翼に付着することを防止する方法もある（従来技術２、例えば、特許文献２を参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３２２４２３号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０９８０８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１の方法では、炉頂圧タービンを一時的に湿式運転とするので、炉頂圧タービンの出力が低下することを避けられないという問題がある。
また、従来技術２の方法では、アンモニアを吸着して使用済みとなった吸着剤が大量に除塵設備から排出され、使用済み吸着剤の処理が必要となり、操業コストが増大するという問題がある。
本発明は、上記した従来の技術の問題点を除くためになされたものであり、その目的とするところは、炉頂圧タービンを高出力で安定して運転することができ、高炉ガス中から炉頂圧タービンの腐食原因となる物質を減少させるとともに、炉頂圧タービンの操業コストの増大を伴わずに塩化アンモニウムを除去することができる炉頂圧タービン内付着物防止方法及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その課題を解決するために以下のような構成をとる。請求項１の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、高炉から排出される高炉ガス中にアンモニアを添加した後に、塩化アンモニウムを取り除くための除塵手段に高炉ガスを通して除塵して、除塵後の高炉ガスを炉頂圧タービンへ供給する。
【０００８】
請求項１の発明によると、高炉ガス中に含まれている塩化水素及び塩素が、高炉ガス中のアンモニア及び添加されたアンモニアと反応して塩化アンモニウムとなり、生成した塩化アンモニウムは除塵手段により他のダスト類とともに捕集されて高炉ガス中から除去される。したがって、炉頂圧タービンへ送られる高炉ガス中の塩化水素濃度、塩素濃度及びアンモニア濃度は低下し、タービン翼等に塩化アンモニウムが付着することが抑制される。
【０００９】
同時に、炉頂圧タービンのタービン翼等において腐食を発生させる原因となる塩化水素、塩素及び塩化アンモニウムが、高炉ガスとともに炉頂圧タービンへ送られることも抑制されている。
なお、アンモニアの添加位置は、上流の高炉に近ければ近いほど好ましい。アンモニアの添加位置を上流の高炉近くとすることで、アンモニアと塩化水素又は塩素とが反応する時間を長くとることができ、より多くの塩化水素、塩素及びアンモニアを反応させることができるので好ましい。
【００１０】
また、除塵手段として、例えば、乾式のフィルター等を挙げることができる。乾式のフィルターにより除塵することで、炉頂圧タービンの湿式運転が避けられる。
請求項２の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置よりも下流側で、前記除塵手段による除塵前の高炉ガス中のアンモニア濃度を、除塵前の高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度の和の２〜４倍の濃度とする。
【００１１】
発明者は、除塵前の高炉ガス中における塩化水素濃度、塩素濃度及びアンモニア濃度と塩化アンモニウムの生成量との間に以下の関係が成立していることを、実験により見出した。
除塵前の高炉ガス中で、アンモニア濃度が、塩化水素濃度及び塩素濃度の和の２倍未満である場合、塩化アンモニウムの生成量が少なく、高炉ガス中に残存する未反応の塩化水素濃度又は塩素濃度が高くなって、タービン翼等の腐食原因となる。
【００１２】
また、除塵前の高炉ガス中で、アンモニア濃度が、塩化水素濃度及び塩素濃度の和の４倍を超える場合、高炉ガス中に残存する未反応のアンモニアの量が多くなり、アンモニアの添加量に対する塩化アンモニウムの生成量の割合が低くなり、アンモニアの反応効率が悪くなる。さらに、高炉ガス中に残存する塩化水素、塩素及びアンモニアが反応して、炉頂圧タービン内で塩化アンモニウムを生じてしまう。
【００１３】
除塵前の高炉ガス中で、アンモニア濃度が、塩化水素濃度及び塩素濃度の和の２〜４倍となるように、アンモニアを高炉ガス中に添加することによって、効率よくアンモニアを塩化水素又は塩素と反応させることができる。また、高炉ガス中の塩化水素や塩素をアンモニアと反応させて、塩化水素濃度や塩素濃度をそれぞれ低く抑えることができ、タービン翼等が塩化水素や塩素により腐食することを抑制できる。
【００１４】
なお、アンモニアの添加位置よりも上流側において、高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度を測定すると、添加しなければならないアンモニアの量を正確に決定できて好ましい。
請求項３の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１又は請求項２に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置と前記除塵手段との間で、前記高炉ガスの温度を５０〜１１０℃とする。
【００１５】
発明者は、アンモニア塩化水素又は塩素が反応して塩化アンモニウムを析出する温度は１５０℃以下であり、反応性は約５０〜１１０℃の範囲において高くなり、塩化アンモニウムの析出温度は圧力に依存していないことを実験から見出した。
したがって、アンモニアの添加位置と除塵手段との間の塩化アンモニウムを生じる反応が起こっている部分で、高炉ガスの温度を５０〜１１０℃に維持すると、塩化アンモニウムの生成量が大きくなり、除塵手段による塩化アンモニウムの捕集量が増大し、除塵手段の下流側で高炉ガス中で反応せずに残存する塩化水素、塩素及びアンモニアの各濃度を低く抑制できる。
【００１６】
請求項４の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置の下流側で高炉ガスを攪拌する。
請求項４の発明によると、高炉ガスを攪拌することで、高炉ガス中で塩化アンモニウムを生じる反応が促進され、高炉ガス中に残る未反応の塩素、塩化水素及びアンモニアの量を減らすことができる。
【００１７】
請求項５の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記除塵手段の上流側から高炉ガス中に塩基性物質を添加する。
請求項５の発明によると、高炉ガス中に塩基性物質を添加すると、添加された塩基性物質は高炉ガス中の塩化水素及び塩素と反応し、高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度が低下する。塩化水素濃度及び塩素濃度が低下すると、添加しなければならないアンモニアの量が少なくてすむ。
【００１８】
なお、塩基性物質の添加位置は、アンモニアの添加位置よりも上流側とするか、又は、アンモニアの添加位置と同じ位置とすることが好ましい。
また、添加する塩基性物質は特に限定されるものではないが、例えば、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム等を挙げることができる。水酸化カルシウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム等は安価に入手でき、取り扱いも簡単であるので、操業コストを低廉に抑制できて好ましい。
【００１９】
請求項６の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止方法は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記前記アンモニアの添加量と前記塩基性物質の添加量のうち少なくとも一方の添加量を調整し、前記除塵手段の下流側の高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度の和を４ｐｐｍ以下とする。
【００２０】
炉頂圧タービンへ送られる高炉ガス中に存在する塩化水素及び塩素の濃度の和が４ｐｐｍを越えると、塩化水素又は塩素が炉頂圧タービン内の腐食の発生原因となる。また、塩化水素又は塩素が高炉ガス中に残存するアンモニアと反応して塩化アンモニウムとなり、この塩化アンモニウムがタービン翼等に付着したり腐食の発生原因となる。
【００２１】
したがって、除塵手段を通って炉頂圧タービンへ送られる高炉ガス中の塩化水素濃度又は塩素濃度を４ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
請求項７の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、高炉から排出される高炉ガスを炉頂圧タービンへ流す高炉ガスの流路に設置された炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、高炉ガス中へアンモニアを添加するアンモニア添加手段を備え、このアンモニア添加手段の下流側に、高炉ガス中から塩化アンモニウムウを取り除くための除塵手段を備える。
【００２２】
請求項７の発明により、請求項１に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、アンモニア添加手段の位置は上流側の高炉に近ければ近いほど好ましい。
請求項８の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の上流側で高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度を測定する第１の濃度測定手段を備え、高炉ガス中のアンモニア濃度が前記塩化水素濃度と前記塩素濃度との和の２〜４倍の濃度となる量のアンモニアを、高炉ガス中へ添加可能に、前記アンモニア添加手段が構成されている。
【００２３】
請求項８の発明により、請求項２に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、第１の濃度測定手段の位置は、アンモニア添加手段の位置よりも上流側であることが好ましい。
請求項９の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７又は請求項８に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記アンモニア添加手段と前記除塵手段の間で高炉ガスの温度を５０〜１１０℃の範囲内に維持可能な温度調節手段を備える。
【００２４】
請求項９の発明により、請求項３に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、温度調節手段として、例えば、熱交換器等を挙げることができる。
請求項１０の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記アンモニア添加手段と前記除塵手段の間で高炉ガスを攪拌する攪拌手段を備える。
【００２５】
請求項１０の発明により、請求項４に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、流路中に設置したオリフィスや、流路を形成する配管を曲げること等により、攪拌手段を構成することができる。
請求項１１の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７ないし請求項１０のいずれかの請求項に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の上流側で高炉ガス中へ塩基性物質を添加する塩基性物質添加手段を備える。
請求項１１の発明により、請求項５に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
なお、塩基性物質添加手段の位置は、アンモニア添加手段の位置よりも上流側とするか、又は、同じとすることが好ましい。
【００２６】
請求項１２の発明に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造は、請求項７ないし請求項１１のいずれかの請求項に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の下流側で高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度を測定する第２の濃度測定手段を備え、前記アンモニア添加手段から添加されるアンモニアの量及び前記塩基性物質添加手段から添加される塩基性物質の量を調整し、前記除塵手段の下流側で高炉ガス中の塩化水素濃度と塩素濃度との和を４ｐｐｍ以下とする。
請求項１２の発明により、請求項６に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法が実施される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１を参照して本発明の実施の形態の構成を説明する。図１は本実施の形態に係る炉頂圧タービン内付着物防止構造の構成図である。
高炉１は従来のものと同様の構成を有し、高温高圧で塩化水素、塩素及びアンモニアを含む高炉ガスを排出している。そして、高炉１から炉頂圧タービン３まで排出された高炉ガスの流路５がガス配管によって形成されており、高炉ガスが炉頂圧タービン３へ流れている。
【００２８】
流路５には、高炉１がある上流側から炉頂圧タービン３がある下流側にかけて、温度測定手段１０、第１の濃度測定手段１１、塩基性物質添加手段１２、アンモニア添加手段１４、攪拌手段１６、温度調節手段１７、除塵手段１８及び第２の濃度測定手段１９が順番に設置されて並んでおり、流路５の外に制御部２０が設置されている。
【００２９】
温度測定手段１０は、高炉１から排出される高炉ガスの温度を計測可能であり、測定した高炉ガス温度Ｔを制御部２０へ送る構成となっている。
第１の濃度測定手段１１は、高炉１から排出される高炉ガス中の塩化水素濃度Ｃ１、塩素濃度Ｃ２及びアンモニア濃度Ｃ３をそれぞれ測定可能であり、測定した各濃度Ｃ１、Ｃ２及びＣ３を制御部２０へ送る構成となっている。
【００３０】
塩基性物質添加手段１２は塩基性物質タンク１３と流量調節弁２３とからなり、塩基性物質を塩基性物質タンク１３から流量調節弁２３を介して流路５へ送り、流路５を流れる高炉ガス中に塩基性物質を添加可能に構成されている。また、流量調節弁２３は、制御部２０とつながっており、制御部２０から受け取る信号Ｓａにより開度を制御可能に構成されている。
【００３１】
塩基性物質タンク１３に貯蔵されている塩基性物質は、塩基性を示す物質であれば特に限定されるものではない。入手容易性、取り扱いの容易性及び価格の観点から、例えば、炭酸カルシウムが塩基性物質として塩基性物質タンク１３に貯蔵されている。
アンモニア添加手段１４はアンモニアタンク１５と流量調節弁２４とからなり、アンモニアをアンモニアタンク１５から流量調節弁２４を介して流路５へ送り、流路５を流れる高炉ガス中にアンモニアを添加可能に構成されている。流量調節弁２４は、制御部２０とつながっており、制御部２０から受け取る信号Ｓｂにより開度を制御可能に構成されている。
【００３２】
また、アンモニア添加手段１４は、流路５のガス配管内の軸方向中心に位置する図示しない噴射部を有する。この噴出部には多数の小径孔が形成されており、これらの小径孔からアンモニアを流路５内を流れる高炉ガス中に吹き込み可能に構成されている。
攪拌手段１６は、例えば、流路５のガス配管内に設置されたオリフィスからなり、ガス配管内で高炉ガスを攪拌可能に構成されている。
【００３３】
温度調節手段１７は熱交換器からなり、攪拌手段１６から除塵手段１８の間の流路５を流れる高炉ガスの温度を５０〜１１０℃の範囲に調節可能な構成となっている。また、温度調節手段１７は、制御部２０とつながっており、制御部２０から受け取る信号Ｓｃによりこの熱交換器を流れる冷却媒体の流量を制御可能に構成されている。
【００３４】
除塵手段１８は図示しないフィルターを備え、除塵手段１８を通る高炉ガス中から、塩化アンモニウムやその他のダスト等を捕集可能に構成されている。そして、フィルターは逆洗により目詰まり防止可能となっている。
第２の濃度測定手段１９は、第１の濃度測定手段１１と同様の構成を有し、除塵手段１８を通った高炉ガス中の塩化水素濃度Ｃ４及び塩素濃度Ｃ５を測定可能となっており、測定した各濃度Ｃ４及びＣ５を制御部２０へ送る構成となっている。
【００３５】
炉頂圧タービン３は従来のものと同様の構成を有し、高炉１から流路５を流れて送られてくる高炉ガスを用いて、発電可能に構成されている。
制御部２０は演算部２１とメモリー２２とを有する。メモリー２２にはプログラムＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４が格納されている。プログラムＰ１は、温度調節手段１７をなす熱交換器の冷却媒体の流量を制御するプログラムである。具体的には、温度測定手段１０から受け取った高炉ガス温度Ｔに基づいて、温度調節手段１７により冷却される高炉ガスの温度が５０〜１１０℃の範囲内に収まるように、温度調節手段１７をなす熱交換器の冷却媒体の流量を算出し、算出した流量を信号Ｓｃとして温度調節手段１７へ送信するプログラムである。
【００３６】
プログラムＰ２は、塩基性物質添加手段１２から高炉ガス中に添加される塩基性物質の量を制御するプログラムである。具体的には、第１の濃度測定手段１１から受け取った塩化水素濃度Ｃ１及び塩素濃度Ｃ２に基づいて、高炉ガス中の塩化水素及び塩素のうち、所定の割合の塩化水素及び塩素と反応するのに必要な塩基性物質の量を算出し、この塩基性物質の量に対応する流量調節弁２３の開度をさらに算出して、この算出した開度を信号Ｓａとして流量調節弁２３へ送信するプログラムである。
【００３７】
プログラムＰ３は、アンモニア添加手段１４から高炉ガス中に添加されるアンモニアの量を制御するプログラムである。具体的には、第１の濃度測定手段１１から受け取った塩化水素濃度Ｃ１及び塩素濃度Ｃ２に基づいて、塩基性物質添加手段１２から添加された塩基性物質と反応せずに高炉ガス中に残存する塩化水素及び塩素の各濃度の和を算出し、この和の２〜４倍の濃度から第１の濃度測定手段１１から受け取ったアンモニア濃度Ｃ３を減じ、この減じて得られた数値のアンモニア濃度を高炉ガス中で得るために必要なアンモニアの量を算出し、このアンモニアの量に対応する流量調節弁２４の開度をさらに算出し、算出した流量調節弁２４の開度を信号Ｓｂとして流量調節弁２４へ送信するプログラムである。
【００３８】
プログラムＰ４は、流量調節弁２３の開度及び流量調節弁２４の開度を微調整するプログラムである。具体的には、第２の濃度測定手段１９から受け取った塩化水素濃度Ｃ４及び塩素濃度Ｃ５の和を算出し、この和が４ｐｐｍを超えている場合には、流量調節弁２３の開度及び流量調節弁２４の開度のうち少なくともいずれか一方の開度を所定の刻み量で大きくし、塩化水素濃度Ｃ４及び塩素濃度Ｃ５の和が４ｐｐｍ以下となるまで、流量調節弁２３の開度及び流量調節弁２４の開度をフィードバック制御するプログラムである。
【００３９】
本発明は上記のように構成されており、次にその作用について説明する。
高炉１から排出された高炉ガスは流路５を流れて、炉頂圧タービン３へ到っている。まず、流路５へ入った高炉ガスの温度Ｔが温度測定手段１０により測定され、制御部２０へ測定結果の温度Ｔが送られる。
制御部２０は温度測定手段１０から受け取った温度Ｔを用いて、プログラムＰ１により、温度調節手段１７をなす熱交換器の冷却媒体の流量を算出し、算出した流量を信号Ｓｃとして温度調節手段１７へ送信する。
【００４０】
次いで、高炉ガス中の塩化水素濃度Ｃ１、塩素濃度Ｃ２及び、アンモニア濃度Ｃ３が第１の濃度測定手段１１により測定され、制御部２０へ測定結果の濃度Ｃ１、Ｃ２及びＣ３が送られる。
制御部２０は第１の濃度測定手段１１から受け取った塩化水素濃度Ｃ１及び塩素濃度Ｃ２を用いて、プログラムＰ２により、流量調節弁２３の開度を算出し、算出した開度を信号Ｓａとして流量調節弁２３へ送信する。
【００４１】
同時に、制御部２０は第１の濃度測定手段１１から受け取った塩化水素濃度Ｃ１、塩素濃度Ｃ２及びアンモニア濃度Ｃ３を用いて、プログラムＰ３により、流量調節弁２４の開度を算出し、算出した開度を信号Ｓｂとして流量調節弁２４へ送信する。
流量調節弁２３は、信号Ｓａを制御部２０から受け取り、その開度を変え、塩基性物質タンク１３から塩基性物質が流量調節弁２３を介して高炉ガス中に添加される。
【００４２】
流量調節弁２４は、信号Ｓｂを制御部２０から受け取り、その開度を変え、アンモニアタンク１５からアンモニアが流量調節弁２４を介して前記噴射部の小径孔から高炉ガス内に吹き込まれて添加される。噴射部は、流路５のガス配管内の軸方向中心に位置しているので、吹き込まれたアンモニアはアンモニア添加手段１４より下流側で高炉ガス中に均一に拡散する。
【００４３】
攪拌手段１６のオリフィスを高炉ガスが通過するとき、オリフィスによって高炉ガスの流速が急激に変化し、高炉ガスが攪拌される。
温度調節手段１７は、信号Ｓｃを制御部２０から受け取り、温度調節手段１７の熱交換器を流れる冷却媒体の流量が変化し、攪拌手段１６から除塵手段１８の間の流路５内で、高炉ガスの温度が５０〜１１０℃の範囲内に維持される。
【００４４】
攪拌手段１６より下流側で、高炉ガス中の塩化水素、塩素、アンモニア及び塩基性物質はよく攪拌され、高炉ガスの温度は５０〜１１０℃となっているので、塩化水素と塩基性物質との反応、塩素と塩基性物質との反応、塩化水素とアンモニアとの反応及び塩素とアンモニアとの反応が促進され、高炉ガス中に塩化アンモニウムの固体が析出する。
【００４５】
高炉ガスは、除塵手段１８のフィルターを通過し、高炉ガス中に含まれる塩化アンモニウムの固体及び種々雑多なダスト類がフィルターによって捕集される。したがって、除塵手段１８より下流側で、高炉ガス中には、塩化アンモニウムの固体やダスト類は殆ど含まれていない。
塩化アンモニウムの固体やダスト類を捕集したフィルターは定期的に逆洗されて、塩化アンモニウムやダスト類は洗い流され、除塵手段１８の除塵能力は常に一定に維持されている。また、塩化アンモニウムは吸着剤によって捕集されたものではないので、フィルターの逆洗時に発生するスラッジの量も多くならず、スラッジの処理のために操業コストが増大することもない。
【００４６】
除塵手段１８を通った高炉ガス中には、未反応の塩化水素及び塩素が若干残存している。これは、高炉１から排出される高炉ガス中の塩化水素、塩素及びアンモニアの量が変動しているためである。この未反応の塩化水素及び塩素の各濃度Ｃ４及びＣ５が第２の濃度測定手段１９により測定され、制御部２０へ測定結果の濃度Ｃ４及びＣ５が送られる。
【００４７】
制御部２０は、第２の濃度測定手段１９から受け取った塩化水素濃度Ｃ４及び塩素濃度Ｃ５の和が４ｐｐｍを超える場合、プログラムＰ４により、流量調節弁２３の開度及び流量調節弁２４の開度を微調整する。そして、除塵手段１８を通った高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度の和が４ｐｐｍ以内に制御される。
【００４８】
したがって、炉頂圧タービン３へ流路５から流れ込む高炉ガス中の塩化水素及び塩素は、非常に低濃度となっており、炉頂圧タービン３内のタービン翼等が塩化水素及び塩素によって腐食することは防止されている。また、高炉ガス中のアンモニアは殆ど塩化アンモニウムとなって、除塵手段１８によって除去されており、塩化アンモニウムが炉頂圧タービン３内のタービン翼等に付着して堆積することもなく、炉頂圧タービン３内のタービン翼等が塩化アンモニウムにより腐食することも防止されている。また、炉頂圧タービン３内のタービン翼に塩化アンモニウムが付着して堆積することがないので、炉頂圧タービン３を安定して運転することができる。さらに、塩化アンモニウムを捕集するために、高炉ガスを湿り状態とする必要がないので、炉頂圧タービンが湿式運転とする必要はなく、炉頂圧タービンの出力が低下することも防止されている。
【００４９】
次に、発明者が実施した塩化アンモニウム析出量の測定試験に関して報告する。
本試験では、塩化水素濃度とアンモニア濃度とが、塩化アンモニウムの析出量に及ぼす影響について調べた。
本試験で用いた試験装置の構成を図２に示す。試験装置５０は、反応管５１、アンモニアタンク５２、塩化水素タンク５３及び窒素タンク５４を備える。反応管５１の内部にはグラスウール５５が入っており、反応管５１の周囲はヒーター５６によって取り囲まれており、反応管５１内を所定温度に維持可能に構成されている。アンモニアタンク５２は流量調節弁６０を介して配管５７によって反応管５１の底部と連なっており、アンモニアの量を調整しつつアンモニアガスを反応管５１へ供給可能に構成されている。塩化水素タンク５３は流量調節弁６１を介して配管５８によって反応管５１の底部と連なっており、塩化水素の量を調整しつつ塩化水素ガスを反応管５１へ供給可能に構成されている。窒素タンク５４は、流量調節弁６０下流の配管５７に流量調節弁６２を介して連なるとともに、流量調節弁６１下流の配管５８に流量調節弁６３を介して連なっており、窒素の量を調整しつつ窒素ガスを反応管５１へ供給可能に構成されている。また、反応管５１の頂部は配管５９を介して外部と連なっている。
【００５０】
かかる構成の試験装置５０において、高炉から炉頂圧タービンへ流路を流れる高炉ガスを再現した。すなわち、窒素ガス、塩化水素ガス及びアンモニアガスからなる混合ガスを高炉ガスの代わりとし、反応管５１を高炉ガスが流れる流路の代わりとし、反応管５１内のグラスウール５５を除塵手段の代わりとし、混合ガスを反応管５１の底部から頂部に向けて流した。
【００５１】
そして、反応管５１底部における塩化水素濃度及びアンモニア濃度を変化させるとともに、反応管５１内の混合ガスの温度を変化させ、析出した塩化アンモニウムがグラスウール５５により捕集し、塩化アンモニウムの析出量を調べた。
結果を表１、図３及び図４に示す。なお、図３及び図４は表１をグラフ化して示したものである。図３は、混合ガス温度と塩化アンモニウム析出量との関係の説明図であり、その縦軸に塩化アンモニウムの析出量をとり、横軸に混合ガス温度をとっており、図３（ｉ）及び（ｉｉ）はそれぞれ塩化水素濃度が１０ｐｐｍの場合と４０ｐｐｍの場合を示す。図４は、アンモニア濃度と塩化アンモニウム析出量との関係の説明図であり、その縦軸に塩化アンモニウムの析出量をとり、横軸にアンモニア濃度をとっており、図４（ｉ）及び（ｉｉ）はそれぞれ塩化水素濃度が１０ｐｐｍの場合と４０ｐｐｍの場合を示す。
【００５２】
【表１】
まず、表１及び図３（ｉ）及び（ｉｉ）を参照して、反応管５１内の混合ガス温度が塩化アンモニウムの析出量に及ぼす影響について述べる。
塩化水素濃度が１０ｐｐｍの場合において、アンモニア濃度が１０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、４０ｐｐｍ及び１００ｐｐｍのいずれの場合であっても、塩化アンモニウムの析出量は、混合ガス温度５０℃を境として、混合ガス温度が５０℃未満である場合よりも、５０℃以上である場合の方が急激に多くなっている。また、混合ガス温度１１０℃を境として、混合ガス温度が１１０℃より高い場合よりも、１１０℃以下である場合の方が急激に多くなっている。
【００５４】
塩化水素濃度が４０ｐｐｍの場合も同様であり、アンモニア濃度が４０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、１６０ｐｐｍ及び４００ｐｐｍのいずれの場合であっても、塩化アンモニウムの析出量は、混合ガス温度５０℃を境として、混合ガス温度が５０℃未満である場合よりも、５０℃以上である場合の方が急激に多くなっている。また、混合ガス温度１１０℃を境として、混合ガス温度が１１０℃より高い場合よりも、１１０℃以下である場合の方が急激に多くなっている。
【００５５】
したがって、混合ガス温度を５０〜１１０℃の範囲内とすることで、塩化アンモニウムの析出量を多くすることができ、反応管５１頂部から出て行く混合ガス中に含まれる未反応の塩化水素及びアンモニアの量を少なくできることが確認された。
次に、表１及び図４（ｉ）及び（ｉｉ）を参照して、反応管５１内の塩化水素濃度とアンモニア濃度との関係が塩化アンモニウムの析出量に及ぼす影響について述べる。
【００５６】
塩化水素濃度が１０ｐｐｍの場合において、混合ガス温度が２０℃、５０℃、７５℃、９０℃、１００℃、１１０℃、１１５℃、１２５℃、１４０℃及び１５０℃のいずれの場合であっても、塩化アンモニウムの析出量は、アンモニウム濃度２０ｐｐｍ（塩化水素濃度の２倍）を境として、アンモニウム濃度が２０ｐｐｍ未満である場合よりも、２０ｐｐｍ以上である場合の方が急激に多くなっている。また、アンモニウム濃度４０ｐｐｍ（塩化水素濃度の４倍）を境として、アンモニウム濃度が４０ｐｐｍより大きな場合よりも、４０ｐｐｍ以下である場合の方が急激に多くなっている。
【００５７】
塩化水素濃度が４０ｐｐｍの場合も同様であり、混合ガス温度が２０℃、５０℃、７５℃、９０℃、１００℃、１１０℃、１１５℃、１２５℃、１４０℃及び１５０℃のいずれの場合であっても、塩化アンモニウムの析出量は、アンモニウム濃度８０ｐｐｍ（塩化水素濃度の２倍）を境として、アンモニウム濃度が８０ｐｐｍ未満である場合よりも、８０ｐｐｍ以上である場合の方が急激に多くなっている。また、アンモニウム濃度１６０ｐｐｍ（塩化水素濃度の４倍）を境として、アンモニウム濃度が１６０ｐｐｍより大きな場合よりも、１６０ｐｐｍ以下である場合の方が急激に多くなっている。
【００５８】
したがって、アンモニア濃度を塩化水素濃度の２倍から４倍の範囲内とすることで、塩化アンモニウムの析出量を多くすることができ、反応管５１頂部から出て行く混合ガス中に含まれる未反応の塩化水素及びアンモニアの量を少なくできることが確認された。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、上記のような炉頂圧タービン内付着物防止方法及び装置であるので、炉頂圧タービンを高出力で安定して運転することができ、高炉ガス中に存在する炉頂圧タービンの腐食原因となる物質を減少させるとともに、高炉ガスの操業コストの増大を伴わずに塩化アンモニウムを除去することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る炉頂圧タービン内付着物防止装置の構成図である。
【図２】塩化アンモニウム析出量の測定試験の試験装置の構成図である。
【図３】混合ガス温度と塩化アンモニウム析出量との関係の説明図である。
【図４】アンモニア濃度と塩化アンモニウム析出量との関係の説明図である。
【符号の説明】
１ 高炉
３ 炉頂圧タービン
５ 高炉ガスの流路
１０ 温度測定手段
１１ 第１の濃度測定手段
１２ 塩基性物質添加手段
１３ 塩基性物質タンク
１４ アンモニア添加手段
１５ アンモニアタンク
１６ 攪拌手段
１７ 温度調節手段
１８ 除塵手段
１９ 第２の濃度測定手段
２０ 制御部
２１ 演算部
２２ メモリー
２３、２４ 流量調節弁
５０ 試験装置
５１ 反応管
５２ アンモニアタンク
５３ 塩化水素タンク
５４ 窒素タンク
５５ グラスウール
５６ ヒーター
５７、５８、５９、 配管
６０、６１、６２、６３ 流量調節弁
Ｔ 高炉ガス温度
Ｃ１、Ｃ４ 塩化水素濃度
Ｃ２、Ｃ５ 塩素濃度
Ｃ３ アンモニア濃度
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ プログラム
Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ 信号
Claims (12)
- 高炉から排出される高炉ガス中にアンモニアを添加した後に、塩化アンモニウムを取り除くための除塵手段に高炉ガスを通して除塵して、除塵後の高炉ガスを炉頂圧タービンへ供給することを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止方法。
- 請求項１に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置よりも下流側で、前記除塵手段による除塵前の高炉ガス中のアンモニア濃度を、除塵前の高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度の和の２〜４倍の濃度とすることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止方法。
- 請求項１又は請求項２に記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置と前記除塵手段との間で、前記高炉ガスの温度を５０〜１１０℃とすることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止方法。
- 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記アンモニアの添加位置の下流側で高炉ガスを攪拌することを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止方法。
- 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記除塵手段の上流側から高炉ガス中に塩基性物質を添加することを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止方法。
- 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止方法であって、前記前記アンモニアの添加量と前記塩基性物質の添加量のうち少なくとも一方の添加量を調整し、前記除塵手段の下流側の高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度の和を４ｐｐｍ以下とすることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止方法。
- 高炉から排出される高炉ガスを炉頂圧タービンへ流す高炉ガスの流路に設置された炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、高炉ガス中へアンモニアを添加するアンモニア添加手段を備え、このアンモニア添加手段の下流側に、高炉ガス中から塩化アンモニウムを取り除くための除塵手段を備えることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止構造。
- 請求項７に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の上流側で高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度を測定する第１の濃度測定手段を備え、
高炉ガス中のアンモニア濃度が前記塩化水素濃度と前記塩素濃度との和の２〜４倍の濃度となる量のアンモニアを、高炉ガス中へ添加可能に、前記アンモニア添加手段が構成されていることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止構造。 - 請求項７又は請求項８に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記アンモニア添加手段と前記除塵手段の間で高炉ガスの温度を５０〜１１０℃の範囲内に維持可能な温度調節手段を備えることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止構造。
- 請求項７ないし請求項９のいずれかに記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記アンモニア添加手段と前記除塵手段の間で高炉ガスを攪拌する攪拌手段を備えることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止構造。
- 請求項７ないし請求項１０のいずれかの請求項に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の上流側で高炉ガス中へ塩基性物質を添加する塩基性物質添加手段を備えることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止構造。
- 請求項７ないし請求項１１のいずれかの請求項に記載の炉頂圧タービン内付着物防止構造であって、前記除塵手段の下流側で高炉ガス中の塩化水素濃度及び塩素濃度を測定する第２の濃度測定手段を備え、
前記アンモニア添加手段から添加されるアンモニアの量及び前記塩基性物質添加手段から添加される塩基性物質の量を調整し、前記除塵手段の下流側で高炉ガス中の塩化水素濃度と塩素濃度との和を４ｐｐｍ以下とすることを特徴とする炉頂圧タービン内付着物防止構造。
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-
2003
- 2003-07-08 JP JP2003193637A patent/JP2005029816A/ja active Pending
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