JP2005247914A

JP2005247914A - コークス乾式消火設備における給水加熱装置および給水加熱方法

Info

Publication number: JP2005247914A
Application number: JP2004057313A
Authority: JP
Inventors: Makoto Uchida; 誠内田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】コークス乾式消火設備における循環ガス中の水分の結露を防止可能な給水加熱装置を提供するとともに、脱気器に送る水の温度を制御する給水加熱方法を提供する。
【解決手段】(1)コークス乾式消火設備において、脱気器9に供給する水とガス対水熱交換器5の出側の熱水とを混合させる混合器15を設けるとともに、混合器15の出側の水の一部をガス対水熱交換器5の入側へ還流させて混合器15とガス対水熱交換器5との間を循環する水循環ループを形成せしめる給水加熱装置、および(2)前記(1)に記載の給水加熱装置を使用する給水加熱方法であって、水循環ループを形成する流路内に設けた流量調節弁18の開度または水循環ポンプ14の回転数を調整して水循環ループの水量を調整することにより、脱気器9に供給する水の温度を制御する所定の温度に保つコークス乾式消火設備における給水加熱方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、コークス乾式消火設備において廃熱回収ボイラーから排出された循環冷却ガスが保有しているガスの顕熱を脱気前のボイラー用給水を加熱することによって回収し、給水温度を循環冷却ガスの水分の露点以上に加熱する給水加熱装置および給水加熱方法に関する。

コークス乾式消火設備は、コークス炉で原料炭を乾留することによって製造されたコークスを赤熱状態で冷却チャンバー内に受け入れ、冷却チャンバー内で不活性ガスを主成分とする循環ガスにより連続的に消火冷却して、冷却後のコークスを排出するとともに、温度の上昇した循環ガスを廃熱ボイラーに供給することによってコークスの持っていた熱を回収することを目的としている。

廃熱回収ボイラーから排出された循環ガスは、通常１５０〜２００℃程度の温度を有するため、その顕熱を有効利用することを目的とした熱回収が行われている。

例えば、特許文献１には、ＣＤＱ本体、高温ガス流路、給水用脱気器を備えたボイラおよび低温ガス供給用の循環ガス流路からなるクローズドシステムに構成されたＣＤＱ設備において、コークス炉で燃焼が完了した排ガスの煙道中に給水予熱器を設置し、給水予熱器において熱交換で得た昇温水をボイラーの給水用脱気器へ供給するように構成したＣＤＱ設備における給水予熱装置が開示されている。

図３は、特許文献１に記載されたコークス乾式消火設備の熱回収装置の全体構成を示すブロック図である。同図に示されるとおり、廃熱回収ボイラー３の出側にガス対水熱交換器５を設けて、脱気器９に入る前の給水を該熱交換器に通し、循環ガスのもつ顕熱を給水中に回収する方法である。この装置においては、冷却チャンバー１に装入された赤熱コークスを消火冷却して高温になった循環ガスは、除塵器２を経て廃熱回収ボイラー３に導かれ、循環ガスが有する顕熱を蒸気管１１から水蒸気として回収したあと、ガス循環ブロワー４の前または後に設けたガス対水熱交換器５を通り、再び冷却チャンバーに導入される。他方、ボイラーへの給水は、ボイラー給水タンク７から脱気器給水ポンプ８によって送出され、ガス対水熱交換器５を通ることによって循環ガスと熱交換して昇温され、脱気器９に導かれて脱気された後、ボイラー給水ポンプ１０により廃熱回収ボイラー３に送られる。

このとき、循環ガスは、通常５〜１０ｖｏｌ％程度の水分を含有し、水の露点温度がおおよそ５０〜６０℃であるのに対して、給水の温度は２０〜４０℃であるため、ガス対水熱交換器５の伝熱管の表面温度が循環ガスの水露点温度以下に下がり、伝熱管の表面に水分が結露するとともに、結露した水分に循環ガス中のダストなどが付着する現象が発生する。ダストなどが付着堆積すると、熱交換器の伝熱効率、すなわち熱交換効率が著しく低下すると同時に、循環ガスの通過断面積が縮小され、循環ガスの圧力損失が増大する。したがって、これらが連続安定運転の阻害要因となり、さらには、伝熱管の腐食の原因ともなる。

そのため、かかるガス対水熱交換器の伝熱管表面への水分結露およびダストなどの付着を防止する方法がいくつか提案されている。特許文献２には、ガス循環ブロワーの前および／または後に設けたガス対水熱交換器入側の給水と脱気器入側の給水とを熱交換させる熱交換器を脱気器入側に設けたコークス乾式消火設備における給水加熱装置が開示されている。

図４は、特許文献２に記載されたコークス乾式消火設備の熱回収装置の全体構成を示すブロック図である。同図に示された装置においては、ボイラー給水タンク７から脱気器給水ポンプ８によって送出されたボイラーへの給水（冷水）は、水対水熱交換器６を経由し、ガス循環経路内に設けられたガス対水熱交換器５に入って昇温された後、再び水対水熱交換器６に入り、熱交換して冷水に熱を与えてから脱気器９に導入される。給水を水対水熱交換器６に通じ、熱交換させることによって、ガス循環経路内のガス対水熱交換器５に入る水の温度を、循環ガスの水の露点温度以上に上昇させ、循環ガス中の水分の結露を防止してダストなどの付着堆積を回避することが可能とされている。

また、特許文献３にも、特許文献２と同様に水分の結露を防止することを目的としたコークス乾式消火設備における給水加熱装置が開示されている。

図５は、特許文献３に記載されたコークス乾式消火設備の熱回収装置の全体構成を示すブロック図である。ここで開示された装置では、ボイラー給水タンク７から脱気器９への給水とガス循環経路内のガス対水熱交換器５の出側の熱水とを熱交換する水対水熱交換器１２と、ガス対水熱交換器５との間に、膨張タンク１３と水循環ポンプ１４を設けて、前記水対水熱交換器１２と前記ガス対水熱交換器５の間に、閉ループの循環水路を形成せしめている。これにより、第４図に示す装置と同様に、ガス循環系路内のガス対水熱交換器５にはいる水の温度を、循環ガスの水の露点温度以上に上げ、循環ガス中の水分の結露を防止する効果が得られるとされている。

上述のとおり、ガス循環経路内のガス対水熱交換器へ導入する給水の温度を、予め水対水熱交換器を通すことによって循環ガスの水露点温度以上に上昇させ、水分の結露を防止することは可能であるが、水対水熱交換器、膨張タンクまたは水循環ポンプなどの高度な機器を必要とし、プロセスが煩雑にならざるを得ないという問題がある。

実開昭５８−４２１４２号公報（実用新案登録請求の範囲および第１図〜第３図）

特開昭６０−２６０６８６号公報（特許請求の範囲および第１図）実公平７−２５９６号公報（実用新案登録請求の範囲ならびに第１図および第２図）

前述のとおり、従来技術には下記の問題があった。すなわち、(1)ガス循環経路内にはガス対水熱交換器が設けられ、循環ガスの顕熱を脱気器に導入する前の給水に回収しているが、ガス対水熱交換器内の伝熱管表面で、循環ガス中の水分が結露し、これが連続安定運転を阻害するとともに伝熱管の腐食の原因となっていた。(2)水分の結露は、ガス対水熱交換器に導入する給水の温度を、予め水対水熱交換器を通して上昇させることにより防止可能であるが、水対水熱交換器、膨張タンクまたは水循環ポンプなどを必要とし、プロセスが煩雑になるという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、簡素な機器とプロセスにより、ガス循環経路内のガス対水熱交換器入側の水の温度を循環ガスの水露点温度以上に上昇させ、循環ガス中の水分の結露を防止する給水加熱装置を提供するとともに、脱気器に送られる水の温度を制御する給水加熱方法を提供することにある。

本発明者は、上述の課題を解決するために、従来の問題点を踏まえて、循環ガス中の水分の結露を防止する給水加熱装置および給水加熱方法を検討した結果、脱気器に供給する水とガス対水熱交換器出側の熱水とを混合させる混合器を設けるとともに、混合器の出側の水の一部をガス対水熱交換器へ還流させて混合器とガス対水熱交換器との間を循環する水循環ループを形成させることにより、課題が解決できることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）に示すコークス乾式消火設備における給水加熱装置および（２）に示す給水加熱方法にある。

（１）赤熱コークスを循環ガスによって冷却する冷却チャンバー、前記赤熱コークスを冷却した後の高温の循環ガスから熱回収を行う廃熱回収ボイラーおよびボイラーを出た後のガス流路に設けたガス対水熱交換器を備え、ガス循環ブロワーにより前記循環ガスを循環させるとともに、供給した水を脱気器、前記廃熱回収ボイラーを経て蒸気として回収するコークス乾式消火設備において、前記脱気器に供給する水と前記ガス対水熱交換器の出側の熱水とを混合させる混合器を設けるとともに、前記混合器の出側の水の一部を前記ガス対水熱交換器の入側へ還流させて前記混合器と前記ガス対水熱交換器との間を循環する水循環ループを形成せしめるコークス乾式消火設備における給水加熱装置（以下、「第１発明」と称する）。

（２）前記（１）に記載の給水加熱装置を使用する給水加熱方法であって、前記の水循環ループを形成する流路内に設けた流量調節弁の開度または水循環ポンプの回転数を調整して水循環ループの水量を調整することにより、前記脱気器に供給する水の温度を制御するコークス乾式消火設備における給水加熱方法（以下、「第２発明」と称する）。

本発明において、「脱気器」とは、ボイラー用給水中に含まれる溶存ガスを除去するための装置をいう。

「ガス対水熱交換器」とは、廃熱回収ボイラーから排出された循環ガスと混合器の出側の水との間で熱交換を行うための熱交換器をいう。

また、「混合器」とは、脱気器に送られるボイラー用給水とガス対水熱交換器出側の熱水とを混合するための装置であり、詳細については、後述するとおりである。

本発明の装置は、廃熱回収ボイラーの出側にガス対水熱交換器を備え、これに脱気器に入る前の給水を通じて循環ガスの顕熱を給水に回収する給水加熱装置において、脱気器に供給する水とガス対水熱交換器出側の熱水とを混合する混合器を設け、混合器とガス対水熱交換器との間で水循環ループを形成させたことにより、廃熱回収ボイラーから排出された循環ガスの顕熱を有効利用できるとともに、ガス対水熱交換器の入側の水の温度を上昇させて循環ガス中の水分の結露を防止し、ダストなどの付着堆積を回避できる。また、本発明の給水加熱方法によれば、水循環ループ内の水量を調整することにより、脱気器に供給される水の温度を制御することができる。

前述のとおり、第１発明は、コークス乾式消火設備において、脱気器に供給する水とガス対水熱交換器の出側の熱水とを混合させる混合器を設けるとともに、混合器の出側の水の一部をガス対水熱交換器の入側へ還流させて混合器とガス対水熱交換器との間を循環する水循環ループを形成せしめる給水加熱装置である。また、第２発明は、第１発明に記載の給水加熱装置を使用する給水加熱方法であって、水循環ループを形成する流路内の水量を調整することにより、脱気器に供給する水の温度を制御する給水加熱方法である。これらの本発明について、以下にさらに詳しく説明する。

１）第１発明
図１は、本発明に係るコークス乾式消火設備における給水加熱装置の全体構成の例を示すブロック図である。

ボイラー給水タンク７から脱気器給水ポンプ８によって送出されたボイラーへの給水（略２０〜４０℃の冷水）は、混合器１５に流入し、混合器１５においてガス対水熱交換器５の出側の熱水（略８０〜１００℃）と混合され、５０〜７０℃程度の温度を有する水となる。混合後の水は、混合器の出側で分割され、給水量に相当する一部は脱気器９に送られ、残りは、水循環ポンプ１４によってガス対水熱交換器５に循環されて、ガス対水熱交換器５で循環ガスから熱を与えられて熱水に復する。

このように混合器１５を通した水の一部を循環し、得られた熱水と新たに供給された冷水とを混合器１５で混合した後に分割し、その一部を脱気器９に送るとともに、残りをガス対水熱交換器５に循環することにより、ガス循環経路内のガス対水熱交換器５に供給される水の温度を、循環ガスの水露点温度以上に上昇させて循環ガス中の水分の結露を防止することができる。

ガス循環経路内のガス対水熱交換器５と混合器１５との間を循環する水量Ｗ２と、ボイラー給水タンク７から新たに供給される水（冷水）の水量Ｗ１との比、（Ｗ２／Ｗ１）の値の好ましい範囲は、循環ガスの温度、給水の温度などの条件によって多少異なるが、およそ１．０〜２．０（−）の範囲である。前記の比の値が１．０（−）未満の場合には、ガス対水熱交換器５の出側の熱水の温度が高くなって熱交換器内５で沸騰のおそれが生じ、一方、前記の比の値が２．０（−）を超えて高い場合には、水循環ポンプの所要動力が増大し、経済性が損なわれるおそれがある。

２）第２発明
循環水量以外の操業条件を同一条件として、ガス対水熱交換器５と混合器１５との間の循環水量Ｗ２を大きくすると、ガス対水熱交換器５に入る水の温度が低下してガス対水熱交換器５での熱交換温度差が拡大し、その結果、ガス対水熱交換器５での循環水の収熱量が増加して脱気器９に送られる水の温度が上昇する。逆に、循環水量Ｗ２を小さくすると、ガス対水熱交換器５での収熱量が減少して脱気器９に送られる水の温度が下降する。

この関係を利用して、脱気器９に送られる水の温度を温度検出器１６により連続的に計測しながら、温度の上昇または下降に応じて、循環水量Ｗ２を減少または増加させることによって脱気器９に送られる水の温度を制御することができる。

また、循環水量Ｗ２は、循環ポンプの出口に設置した流量調節弁の開度を増減させる方法、またはインバータなどによって循環ポンプの回転数を制御する方法によって増減させることが可能である。

本発明の効果を確認するため、以下に述べるコークス乾式消火設備における給水加熱試験を実施して、その結果を評価した。

図１は、試験に用いたコークス乾式消火設備における給水加熱装置の全体構成を示すブロック図である。同図において、冷却チャンバー１に装荷された赤熱コークスを消火冷却して高温になった循環ガスは、除塵器２において除塵され、廃熱回収ボイラー３に導かれ。循環ガスが保有する顕熱を熱交換により水蒸気として蒸気管１１から回収した後、ガス循環ブロワー４の前または後に設けたガス対水熱交換器５を通り、再び冷却チャンバーに導入される。

他方、ボイラー給水タンク７から脱気器給水ポンプ８によって送出されたボイラーへの給水（冷水）は、混合器１５に流入し、混合器１５内においてガス対水熱交換器５の出側の熱水と混合されて昇温する。混合された水は、混合器１５の出側で二分され、ボイラーへの給水量に相当する部分の水は、脱気器９に送られる。残りの水は、水循環ポンプ１４によってガス対水熱交換器５の入側に循環されて、ガス対水熱交換器５において循環ガスとの熱交換により熱を得て昇温し、熱水となる。

通常は、廃熱回収ボイラー３への給水（冷水）の温度は、略２０〜４０℃であるが、ガス対水熱交換器５の出側の熱水の温度は略８０〜１００℃であるので、ガス対水熱交換器５と混合器１５との間を循環する水量Ｗ２と、廃熱回収ボイラー３への給水量Ｗ１との比、（Ｗ２／Ｗ１）の値が１．０の場合には、混合後の水の温度はおよそ５０〜７０℃となる。このようにして、ガス対水熱交換器５に供給される水の温度を、循環ガスの水露点温度以上に上昇させ、循環ガス中の水分の結露を防止してダストなどの付着堆積を回避することが可能となる。

混合器１５は、密度、粘度などの物性が同じボイラー用給水同士を温度が均一になるように混合するのみであるから、外部動力によって強制的に攪拌するなどの手段は要せず、流通容器の中に、流体の直進を妨げ、分散混合を促進するための、固定の障害物を設ける程度の簡単な構造によっても、その目的は達せられる。その一例として、オリフィス板を用いた混合器の構造例を示す。

図２は、本発明において用いられる混合器の構造例を示す図であり、同図（ａ）は、混合器の縦断面図を、また、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ断面における横断面図を表す。オリフィス板方式の混合器の流通容器２０内には、流体の直進を妨げるために、オリフィス板２１が複数段に設けられている。給水入口２２から流入した冷水と循環水入り口２３から流入した熱水とは、流通容器２０内に設けられたオリフィス板２１を何度も通過する間にほぼ均一に混合されて、混合水出口２４から流出し、一方は脱気器９へ、また他方はガス対水熱交換器５へと送られる。なお、上記の流体の直進を妨げる障害物としては、オリフィス板以外に、旋回羽根、バッフル板などの別の形状のものを用いても構わない。

循環水量Ｗ２の調整は、脱気器９への送水管路において温度検出器１６によって水の温度を連続的に計測し、その温度と予め設定した温度との差異に基いて温度調節器１７から、水循環ポンプ１４の出側の管路に設けた流量調節弁１８に開度増減信号を出して開度を変更するか、または水循環ポンプ１４の電動機に電力を供給するインバータ電源に周波数または電圧増減信号を送って水循環ポンプ１４の回転数を変更制御するか、いずれの方法によっても行うことができる。

このようにして、循環水量を変更し、ガス対水熱交換器５における収熱量を増減することにより、脱気器９に送られる水の温度を制御することができる。この場合、新たに供給される水（冷水）の水量Ｗ１と、ガス対水熱交換器５と混合器１５との間を循環する水の水量Ｗ２との比、（Ｗ２／Ｗ１）の値は、循環ガスの温度、給水の温度などの条件によって多少異なるが、およそ１．０〜２．０（−）の範囲で変更する。

したがって、本発明は、鉄鋼業などにおけるコークス製造分野での乾式消火プロセスにおいて、循環ガス中の水分の結露を防止して安定操業を可能とし、また、脱気器に供給される水の温度を制御できる簡便な給水加熱装置および給水加熱方法として広く適用できる。

本発明に係るコークス乾式消火設備における給水加熱装置の全体構成の例を示すブロック図である。本発明において用いられる混合器の構造例を示す図であり、同図（ａ）は混合器の縦断面図を、また、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ断面での横断面図を表す。特許文献１に記載されたコークス乾式消火設備の熱回収装置の全体構成を示すブロック図である。特許文献２に記載されたコークス乾式消火設備の熱回収装置の全体構成を示すブロック図である。特許文献３に記載されたコークス乾式消火設備の熱回収装置の全体構成を示すブロック図である。

符号の説明

１：冷却チャンバー、２：除塵器、３：廃熱回収ボイラー、４：ガス循環ブロワー、
５：ガス対水熱交換器、６：水対水熱交換器、７：ボイラー給水タンク、
８：脱気器給水ポンプ、９：脱気器、１０：ボイラー給水ポンプ、１１：蒸気管、
１２：水対水熱交換器、１３：膨張タンク、１４：水循環ポンプ、１５：混合器、
１６：温度検出器、１７：温度調節器、１８：流量調節弁、２０：混合器、
２１：オリフィス板、２２：給水（冷水）入口、２３：循環水（熱水）入口、
２４：混合水出口

Claims

赤熱コークスを循環ガスによって冷却する冷却チャンバー、前記赤熱コークスを冷却した後の高温の循環ガスから熱回収を行う廃熱回収ボイラーおよびボイラーを出た後のガス流路に設けたガス対水熱交換器を備え、ガス循環ブロワーにより前記循環ガスを循環させるとともに、供給した水を脱気器、前記廃熱回収ボイラーを経て蒸気として回収するコークス乾式消火設備において、前記脱気器に供給する水と前記ガス対水熱交換器の出側の熱水とを混合させる混合器を設けるとともに、前記混合器の出側の水の一部を前記ガス対水熱交換器の入側へ還流させて前記混合器と前記ガス対水熱交換器との間を循環する水循環ループを形成せしめることを特徴とするコークス乾式消火設備における給水加熱装置。
請求項１に記載の給水加熱装置を使用する給水加熱方法であって、前記の水循環ループを形成する流路内に設けた流量調節弁の開度または水循環ポンプの回転数を調整して水循環ループの水量を調整することにより、前記脱気器に供給する水の温度を制御することを特徴とするコークス乾式消火設備における給水加熱方法。