JP2014219137A - ガス混合クーラ - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス供給口の周囲壁面にガスが滞留することなく排ガスを効率的に冷却することができ、ガス混合クーラ内部においてガス中に含まれる物質が析出固化してクーラ内部に付着することがないガス混合クーラを提供する。【解決手段】本発明に係るガス混合クーラは、排ガスに冷却ガスを混合して冷却するガス混合クーラ１であって、排ガスが供給される排ガス供給口３ａが設けられた筒状の本体部３と、本体部３の内周面３ｂに設けられて本体部３の周方向に冷却ガスを噴出する冷却ガス噴出口５と、本体部３内における排ガス供給口３ａの周縁に設けられて冷却ガスを噴出する環状ノズル口７を有することを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、高温の排ガスに冷却ガスを混合して冷却するガス混合クーラに関する。

例えば、高珪素鋼帯を製造する炉設備の排ガスには、塩化第一鉄（ＦｅＣｌ₂ 以下、塩化鉄と称す）が含有されており、この物質は沸点1024℃、融点670℃の物性を有している。
排気ファンや配管機器の耐熱や排気環境条件等の制約から、排ガス温度を670℃より低くする必要があり、炉設備から排出される排ガス温度を670℃より低温になるように冷却する必要がある。この場合、塩化鉄は炉内においては気体であったものが、冷却過程で液体、固体へと相変化を行う。

このような相変化を利用して、塩化鉄ガスを含む排ガスを冷却し、塩化鉄を分離・除去するための排ガス処理装置として、排ガスを塩化鉄の融点（670℃）以下の温度まで急冷却することで塩化鉄を微粉状に析出させ、これをフィルタ装置で回収するようにした装置が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１においては、排ガスを塩化鉄の融点（670℃）以下の温度まで急冷却する１次クーラとして、上面側から鉛直下方に排ガスが供給される円筒形状のガス混合クーラを用いている。ガス混合クーラは、円筒状の本体部の壁面の周方向数カ所に、冷却ガスをクーラ内壁面に沿って高速で吹き出すスリット状の吹出口を有し、この吹出口から吹き出す冷却ガスによりクーラ内壁全体を冷却ガスの旋回流で覆うようにしている。
これによって、塩化鉄を気流中で粉体状に析出させ、塩化鉄が壁面に固着するのを防止している。

特開平７−１７３６０４号公報

従来のガス混合クーラの排ガス供給口は、本体部の平面状の天井面に設けた開口から排ガスを下向きに吹出す構造のため、排ガスの粘性によって随伴流が生じる。この随伴流は排ガス供給口周囲の天井面に沿って、中心部に向かって放射状にながれ、開口から吹出す噴流に巻き込まれる。
このとき、排ガス供給口周縁の天井面には、排ガスの粘性の影響で随伴流と噴流との混合渦領域を生じ、排ガスが循環、滞留する部位が生じる。排ガス供給口周囲の平面状の天井面は高温の排ガス噴流に直接接しないため温度が低く、天井面温度は塩化鉄の融点以下になる。このため、排ガス供給口の周縁部を含むガス混合クーラの天井面に塩化鉄が析出固化してツララ状もしくは塊状になる現象が起きることがあった。この析出固化した塩化鉄が成長し、過剰に大きくなると、これが自重によって落下した場合には、ガス混合クーラに接続されている配管が閉塞されること等も考えられる。

上記のような問題は、高珪素鋼帯を製造する炉設備の排ガスを冷却するガス混合クーラに限られず、塩化鉄のような、急冷することで気体から固体になる物質を含む排ガスを冷却するガス混合クーラに共通するものである。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、排ガスを効率的に冷却することができ、且つガス混合クーラ内部においてガス中に含まれる物質が析出固化してクーラ内部に付着することが抑制されるガス混合クーラを提供することを目的としている。

（１）本発明に係るガス混合クーラは、排ガスに冷却ガスを混合して冷却するガス混合クーラであって、
前記排ガスが供給される排ガス供給口が設けられた筒状の本体部と、該本体部の内周面に設けられて前記本体部の周方向に冷却ガスを噴出する第１噴出口と、前記本体部内における前記排ガス供給口の周縁に設けられて冷却ガスを噴出する第２噴出口を有することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記第２噴出口から噴出するガスが旋回流となるための旋回流形成手段を、前記第２噴出口に至る冷却ガス流路に設けたことを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記第２噴出口は、前記排ガス供給口を囲むように環状に設けられていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記排ガス供給口の内壁に、冷却ガスを噴出する第３噴出口が設けられていることを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記排ガス供給口が前記本体部の内面上部に設けられ、該内面上部は、前記排ガス供給口が設けられている部位が下方に突出するように形成された傾斜面になっていることを特徴とするものである。

本発明においては、排ガス供給口の周縁に設けられて冷却ガスを噴出する第２噴出口を有することにより、例えば塩化鉄を含む排ガスの１次クーラとして用いたとしても、ガス混合クーラの内部において塩化鉄が析出固化した固形物が付着することなく効率的に排ガスを冷却することができる。

本発明の実施の形態に係るガス混合クーラの全体構成を説明するガス混合クーラの立断面図である。 本発明の実施の形態に係るガス混合クーラの要部を説明する説明図であって、排ガスの供給口の近傍を拡大した立断面図である。 図２におけるＡ−Ａ矢視図である。 冷却ガス流路を説明する説明図であって、排ガスの供給口の近傍の一部分を分解して示すと共に一部断面を含む分解斜視図である（その１）。 冷却ガス流路を説明する説明図であって、排ガスの供給口の近傍の一部分を分解して示すと共に一部断面を含む分解斜視図である（その２）。

本実施の形態にかかるガス混合クーラ１は、図１に示すように、上面に排ガスが供給される供給口３ａが設けられた筒状の本体部３と、本体部３の内周面３ｂに設けられて周方向に冷却ガスを噴出する冷却ガス噴出口５（本発明の第１噴出口として機能する）（図２および図３参照）と、供給口３ａの周囲に供給口３ａを囲むように環状に設けられた環状ノズル口７（本発明の第２噴出口として機能する）を有することを特徴とするものである。
以下、構造を詳細に説明する。

＜本体部＞
本体部３の全体形状は、図１に示すように上部が円筒状になっており、下部が下方に向かって徐々に縮径する漏斗状になっている。本体部３の上面には排ガスが供給される供給口３ａが設けられており、下部には排ガスと冷却ガスの混合ガスや、析出した微粉状塩化鉄の排出口３ｃが設けられている。

供給口３ａは、図１に示すように、断熱材１３の中心部に配置された、排ガス供給管１１で浸珪処理炉９と連通しており、供給口３ａを介して浸珪処理炉９から本体部３に排ガスが供給される。排ガス供給管１１の外周は断熱材１３で覆われており、さらに断熱材１３の外周部にはヒータ１５が設置されている（図２参照）。これによって、排ガスが排ガス供給管１１を通過する際に排ガス供給管１１によって抜熱されて排ガス供給管１１の壁面で塩化鉄が結晶化することを防止している。本体部３の下部外周には本体部３の下部を冷却する水冷ジャケット１７が設けられている。
なお、図示はしていないが、排出口３ｃから排出される混合ガスは２次冷却装置に送られてさらに排出が可能となる温度までさらに冷却され、微粉状の塩化鉄は分離回収装置によって排ガスから分離回収される。

また、排ガスの供給口３ａの先端面は、図２、図４に示すように、排ガス噴出方向に対して鋭角になる形状にしており、このようにすることで、塩化鉄の付着面が存在しなくなり、塩化鉄が析出固化して供給口３ａに付着することが一層低減される。

供給口３ａが設けられた本体部３の天井面３ｄは、供給口３ａが設けられている部位が下方に突出する傾斜面になっている。より具体的には、図２に示すように、本体部３の内周面３ｂ側から供給口３ａに向かって湾曲する傾斜面によって全体が逆山形状になっている。
なお、天井面３ｄは後述する下ノズル板２３の下面によって形成されている。

＜冷却ガス噴出口＞
冷却ガス噴出口５は、図２および図３に示すように、本体部３の内周面３ｂに複数箇所設けられて周方向に冷却ガスを噴出する。これによって本体部３の内周面３ｂを冷却ガスの旋回流（図３中の矢印Ｃ参照）で覆って、塩化鉄が内周面３ｂで結晶化することを防止している。
冷却ガス噴出口５は、本体部３の外周に設けられた第１ヘッダ２９に連通しており、第１ヘッダ２９から冷却ガスが供給される。

＜環状ノズル口＞
環状ノズル口７は、供給口３ａの周囲に供給口３ａを囲むように環状に設けられている。環状ノズル口７は、図２、図４に示すように、中央に開口を有する上ノズル板２１と下ノズル板２３を所定の隙間を介して同心状に配置することによって形成されている。上ノズル板２１と下ノズル板２３は、略同形の漏斗状をしているが、下ノズル板２３の開口が上ノズル板２１の開口よりも一回り大きく設定されている。そして、上ノズル板２１の開口縁と下ノズル板２３の開口縁とで形成される円環状の隙間が環状ノズル口７になっている。

上ノズル板２１と下ノズル板２３の隙間は冷却ガス流路２４になっており、冷却ガス流路２４は、本体部３の外周に設けられた第２ヘッダ３１に連通している。第２ヘッダ３１から冷却ガスを冷却ガス流路２４に供給することで、冷却ガス流路２４を通過した冷却ガスが、環状ノズル口７から斜め下方に噴出される。
冷却ガス噴出口７から噴出した冷却ガスは、供給口３ａから供給される排ガスに直接混合されて排ガスを効率よく急冷する。また、環状ノズル口７から斜め下方に噴出する冷却ガスは、第１ヘッダ２９から供給される冷却ガスに、天井面３ｄに沿って中心方向へ流れてさらに環状ノズル口７から噴出する冷却ガスと同じ下方向への随伴流（図２中の矢印Ｂ参照）を生じさせる。
また、環状ノズル口７から噴出する冷却ガスは斜め下方に噴出し、供給口３ａから供給される排ガスと鋭角的に混合するため、混合部での渦発生が抑制される。この結果、従来例で問題となった低温渦領域が形成されることがなく、供給口３ａから供給される排ガスの循環・滞留部位がなくなる。これにより従来例で見られた排ガス供給口の周囲壁面で塩化鉄が析出固化してツララ状もしくは塊状になる現象が防止できる。

冷却ガス流路２４には、図４及び図５に示す通り、冷却ガス流路２４を通過する冷却ガスに旋回流を形成する旋回羽根３３が設けられている。旋回流を形成することで環状ノズル口７から噴出する冷却ガスが旋回流となり、円環状の気流を維持できるため、冷却ガスが排ガスと接触する時間を長くすることができ、冷却効果が高くなる。

上ノズル板２１における開口周縁部には、図２、図４および図５に示す通り、段部２１ａが形成されており、排ガス供給管１１の下端面を支持するようになっている。そのため段部２１ａには強度が必要とされ、それ故に上ノズル板２１の開口周縁部は上下方向に肉厚になっている。この肉厚部には排ガスが接触するため、この部位で排ガスが冷却される懸念がある。そこで、この肉厚部の内壁に塩化鉄が析出固化しないように、この肉厚部の内壁（供給口３ａの出口近傍の内壁と見なせる）には、冷却ガス流路２４に連通して冷却ガスを噴出するノズル孔２５（本発明の第３噴出口として機能する）が複数設けられている。ノズル孔２５は、噴出される冷却ガスが旋回流となるように向きが斜め下向きに設定されている（図４および図５参照）。

以上のように構成された本実施の形態に係るガス混合クーラ１を用いて浸珪処理炉９から供給される排ガスを冷却する方法を説明する。
ガス混合クーラ１の本体部３には、第１ヘッダ２９、第２ヘッダ３１から冷却ガスが供給される。第１ヘッダ２９から供給された冷却ガスは、冷却ガス噴出口５から本体部３の内周面３ｂに沿うように噴出する。また、第２ヘッダ３１から供給された冷却ガスは、冷却ガス流路２４を通過して冷却ガス噴出口７から環状の旋回流として噴出する。さらに、冷却ガス流路２４を通過する冷却ガスの一部は、ノズル孔２５から噴出する。

この状態で、浸珪処理炉９の排ガスが、排ガス供給管１１を介して供給口３ａから本体部３に供給されると、供給された排ガスは環状ノズル口７から噴出している冷却ガスと直接混合されて急冷される。このため、塩化鉄を結晶化させることなく急冷して塩化鉄の微粉を効率よく生成できる。このとき、天井面３ｄ周辺の冷却ガスを供給口３ａ側に向かう流れが発生するため、冷却ガスが天井面３ｄの周辺で滞留することもない。また、天井面３ｄが内周面３ｂから中央に向かって下方に突出する湾曲傾斜面になっていることも、ガスの滞留防止効果を奏している。

排ガスは、環状ノズル口７から噴出している冷却ガスで急冷されると共に、冷却ガス噴出口５から噴射している冷却ガスによっても冷却される。さらに、ノズル孔２５からも冷却ガスが噴出されており、供給口３ａの壁面に塩化鉄が付着するのを防止している。
また、急冷によって微粉状に析出した排ガス中の塩化鉄は、排ガスと冷却ガスの混合ガスと共に本体部３の排出口３ｃから排出される。なお、排出された混合ガスは２次冷却装置に送られてさらに冷却され、微粉状塩化鉄はフィルタ装置に送られて回収される。

以上のように、本実施の形態においては、排ガスが供給される供給口３ａを囲むように環状ノズル口７を設けたことにより、冷却ガスを排ガスに効率よく直接混合して排ガスを急冷することができ、ガス混合クーラ内で塩化鉄が結晶化して付着することがない。
また、本実施の形態では、冷却ガス流路２４に旋回羽根３３を設けて冷却ガスを旋回流として環状ノズル口７から噴出させているので、排ガスと冷却ガスが長時間接触でき、冷却効率が良い。
さらに、供給口３ａの出口近傍の内壁に、冷却ガスを噴出するノズル孔２５を設けたことによって、供給口３ａの出口近傍の内壁に塩化鉄が付着することもない。

なお、上記の実施の形態においては、本体部３内における排ガスの供給口３ａの周縁に設けられて冷却ガスを噴出する第２噴出口の例として、供給口３ａを囲むように設けた環状ノズル口７を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、供給口３ａの周縁に設けられて供給口３ａから供給される排ガスに冷却ガスを直接混合するものであれば、他の態様を含む。
また、上記の実施の形態においては、冷却ガスに旋回流を形成する手段として旋回羽根３３を例に挙げたが、本発明における旋回流形成手段はこれに限られず、冷却ガス流路２４を通過して噴出するガスに周方向の速度成分を与えて旋回流を形成するものであれば、他の態様を含む。

上記の実施の形態は、ガス混合クーラを、高珪素鋼帯を製造する炉設備の排ガスを冷却する１次クーラとして用いた場合について説明したが、本発明のガス混合クーラは高珪素鋼帯を製造する炉設備の排ガスの１次クーラとしてのみでなく、塩化鉄のような、急冷することで気体から固体になる物質を含む排ガスを冷却するガス混合クーラとして広く適用できる。

１ ガス混合クーラ
３ 本体部
３ａ 供給口
３ｂ 内周面
３ｃ 排出口
３ｄ 天井面
５ 冷却ガス噴出口
７ 環状ノズル口
９ 浸珪処理炉
１１ 排ガス供給管
１３ 断熱材
１５ ヒータ
１７ 水冷ジャケット
２１ 上ノズル板
２１ａ 段部
２３ 下ノズル板
２４ 冷却ガス流路
２５ ノズル孔
２９ 第１ヘッダ
３１ 第２ヘッダ
３３ 旋回羽根

Claims (5)

1. 排ガスに冷却ガスを混合して冷却するガス混合クーラであって、
   前記排ガスが供給される排ガス供給口が設けられた筒状の本体部と、該本体部の内周面に設けられて前記本体部の周方向に冷却ガスを噴出する第１噴出口と、前記本体部内における前記排ガス供給口の周縁に設けられて冷却ガスを噴出する第２噴出口を有することを特徴とするガス混合クーラ。
2. 前記第２噴出口から噴出するガスが旋回流となるための旋回流形成手段を、前記第２噴出口に至る冷却ガス流路に設けたことを特徴とする請求項１記載のガス混合クーラ。
3. 前記第２噴出口は、前記排ガス供給口を囲むように環状に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のガス混合クーラ。
4. 前記排ガス供給口の内壁に、冷却ガスを噴出する第３噴出口が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス混合クーラ。
5. 前記排ガス供給口が前記本体部の内面上部に設けられ、該内面上部は、前記排ガス供給口が設けられている部位が下方に突出するように形成された傾斜面になっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス混合クーラ。