JP2007197803A - 高炉における羽口からの廃熱の回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉の冷却に用いられる廃熱を回収して、高炉操業で消費されるエネルギーを減少させて、これにより炭素の使用量を削減可能な、高炉における羽口からの廃熱の回収方法を提供すること。
【解決手段】高炉の羽口の本体内部に沸点が１００℃超えの液体を通過させて前記羽口の冷却を行ない、該羽口冷却後の前記液体から熱回収を行なうことを特徴とする高炉における羽口からの廃熱の回収方法を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は高炉におけるエネルギー回収方法に関し、羽口からの廃熱の回収方法に関する。

近年、地球温暖化の懸念から二酸化炭素発生量の削減が製鉄業界においても最重要課題とされている。なかでも製鉄所で最も多量の炭素（石炭）を還元エネルギーと熱エネルギーとして使用する、高炉での炭素使用量削減が最も重要とされている。高炉はＦｅ₂Ｏ₃である鉄鉱石を還元、溶融するプロセスであるから、純粋に還元と溶融に必要なエネルギーは熱力学的に一定である。炭素として投入されたエネルギーはそれ以外に、鉄以外の酸化物の還元（メタロイド還元）と溶融、スラグの溶融、炉頂上から排出されるカロリー含有ガス、および熱負荷（冷却水による廃熱）として使用される。このような高炉の物質と熱エネルギーの流れと、おおよその温度を模式的に図１に示す。図１において、高炉１の上部からコークス（Ｃ）、鉄鉱石（Ｆｅ₂Ｏ₃）、および焼結鉱（Ｆｅ₂Ｏ₃）が装入され、炉下部の羽口２から１２００℃の熱風（Ｏ₂含有ガス）が吹き込まれる。ＣＯおよびＣＯ₂からなるカロリー含有ガス３は１００℃、溶銑（Ｆｅ）およびスラグ４は１５００℃である。５は燃焼焦点であり２０００℃である。炉体冷却における炉体上部廃熱がＡ、羽口冷却による羽口廃熱がＢ、炉体冷却における炉体下部廃熱がＣである。

上記のうちメタロイド還元とスラグの溶融は投入原料品質により量的に固定されるため制御は不可能である。また、炉頂上からのカロリー含有ガス３のエネルギーは工場内において、下工程において熱または電力として回収使用されているため、無駄とはなっていない上、削減は高炉にとっても下工程にとっても操業上の負担が大きい。よって、高炉におけるエネルギー使用量を削減するために、もっとも好ましいのは廃熱Ａ、Ｂ、Ｃを回収することであると考えられる。炉体や羽口の冷却は、冷却水を用いて行なわれる（例えば、特許文献１参照。）。従って、廃熱Ａ、Ｂ、Ｃを回収するためには、冷却後の冷却排水から熱回収を行なうことになる。
特許第３１５１８０３号公報

高炉は巨大な高温反応容器であり、熱風を吹き込む下部においては２０００℃を超える場所も存在し、冷却による設備保護は不可欠である。高温の廃熱であれば蒸気回収が一般的であり、蒸気タービンを用いて電気としての回収も可能であるが、高炉の冷却水は水量は豊富であるもののセ氏数十度の低温排水であり、これらの手段による回収は現状では不可能である。低温排熱の回収方法も研究が進められているが、製鉄所ではコストやスペースなどの問題から実現性は低い。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、高炉の冷却に用いられる廃熱を回収して、高炉操業で消費されるエネルギーを減少させて、これにより炭素の使用量を削減可能な、高炉における羽口からの廃熱の回収方法を提供することにある。

本発明者らは高炉の廃熱の大部分は羽口冷却によるものであることを見出し、羽口における熱回収方法を検討し、高炉の羽口の本体内部に沸点が１００℃超えの液体を通過させて前記羽口の冷却を行ない、該羽口冷却後の前記液体から熱回収を行なうことを特徴とする本発明を完成させた。

本発明によれば、高炉における省エネルギーが可能となり、二酸化炭素発生量を削減できる。

高炉の炉体は内側から、耐火物、レンガ、冷却設備（ステーブ）となっている上、内壁にはコークス粉や亜鉛を主成分とした付着物層が形成されているため、炉体からの循環水を介した廃熱はその面積が大きい割には小さい。一方、羽口は面積的には小さいが、燃焼焦点（約２０００℃）の極付近であり高温にさらされている。本発明者等が４０００ｍ³級の高炉で測定したところ、図２に示すように、炉体上部廃熱Ａが３４％、炉体下部廃熱Ｃが２１％であり、羽口からの廃熱Ｂが全廃熱量の４５％に達しており、廃熱の半分近くが羽口で発生していることが分かった。

対象が高温であるほど熱回収効率は高く、その意味でも羽口は有望な熱回収対象あることが推察される。羽口は高級消耗品とみなされおり、耐久性重視のため銅鋳物製で、内部を超高速で冷却水を循環させて使用している。そこで、本発明者らは、従来単なる耐久性重視であった羽口冷却設備を、熱回収源として見直し、効率的に熱回収を行うことを目標に開発を行った。

通常の羽口冷却は水を用いて行われる。腐食防止のために薬液が使用される場合もあるが主成分が水であることには変わりない。しかしながら大気圧での水の沸点は１００℃であるため、冷却水はそれより十分に低い温度、例えば出側で６０℃程度になるように大量に循環させる必要がある。万一、羽口内で冷却水が沸騰して気泡が発生すれば、比熱、熱伝導率ともに急減し、羽口が急激に溶損するためである。しかし高温の排水でなければ熱回収を行なうことは困難である。

そこで本発明者らは、羽口冷却を水以外の流体を用いて行なうことに想到した。沸点が１００℃を超える液体を用いて羽口の冷却を行なうことで、羽口冷却後の液体を高温化することができ、熱回収が可能であることを見出したのである。

羽口の冷却用液体としては、沸点が水よりも高く、比熱が水よりも小さいものを用いることが好ましい。

冷却用液体が羽口冷却後に、水を用いた場合より高温となるためには沸点が１００℃を超える必要があり、沸点は高温であるほど好ましい。羽口の冷却後の冷却用液体の温度を１５０℃以上にするためには、沸点は２００℃以上であることが好ましい。また、冷却は液体で行なうため、冷却用液体の融点は羽口の材質の融点未満である必要がある。羽口は通常銅で製造されるので、銅の融点である１０８３℃未満である必要があることになる。現実的には室温に近い温度で液体であることが好ましい。さらに、冷却用液体の比熱は、加熱冷却が容易であるためには小さいほど望ましく、水の比熱１より小さいことが好ましいが、極端に比熱が大きくなければ熱回収は可能である。

羽口の冷却用液体としては、例えばナトリウムを用いることができる。ナトリウムは沸点８８１℃、融点９７．８℃であり、比熱は水の１／３以下であり循環流体として理想的であり、原子炉等での使用の実績もあるため好ましい。またナトリウム以外に、カリウム、ナトリウムとカリウムの合金、水銀等も好適に使用できる。

羽口の冷却後の冷却用液体からの熱回収は、公知の熱回収方法を用いて行なえばよい。例えば、蒸気タービンを用いて電気として回収したり、水和物として熱を保存する方法などがある。

銅製の羽口冷却材としてナトリウムを使用する試験を、高炉の羽口付近を模試可能な燃焼炉を用いて行った。燃焼炉の模式図を図３に示す。燃焼炉１０の上部のコークス装入孔１１からコークスを炉内に装入してコークス充填層１２を形成した。羽口１３に接続したブローパイプ１４から１２００℃の熱風を吹き込み、排ガス流出孔１５から排ガスを流出させた。羽口の本体内部に形成した冷却水路には、液体ナトリウム（温度２００℃）を流して羽口冷却を行なった。尚、羽口冷却を室温の水で行なった際の羽口冷却後の冷却水の温度（出側温度）は約６０℃であった。

ナトリウムの循環量を徐々に低下させ、最終的には出側温度が４００℃近くまで上昇することを確認した。４００℃のナトリウムであれば蒸気タービンによる発電が可能である。以上の試験により、羽口廃熱の熱回収が可能であることが実証された。

高炉の物質と熱エネルギーの流れの模式図。 高炉における廃熱の例を示すグラフ。 試験装置の模式図。

符号の説明

１ 高炉
２ 羽口
３ カロリー含有ガス
４ 溶銑、スラグ
５ 燃焼焦点
１０ 燃焼炉
１１ コークス装入孔
１２ コークス充填層
１３ 羽口
１４ ブローパイプ
１５ 排ガス流出孔
Ａ 炉体上部廃熱
Ｂ 羽口廃熱
Ｃ 炉体下部廃熱

Claims (1)

1. 高炉の羽口の本体内部に沸点が１００℃超えの液体を通過させて前記羽口の冷却を行ない、該羽口冷却後の前記液体から熱回収を行なうことを特徴とする高炉における羽口からの廃熱の回収方法。

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