JP2020023409A - 水砕製造設備および水砕製造設備の冷却塔内の水砕析出防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水砕製造設備の冷却塔８の内部の特定の場所にとどまらず、冷却塔８の内部全体において、循環水中に含まれる水砕の析出そのものを防止した水砕製造設備および水砕製造設備の冷却塔内の水砕析出防止方法を提供する。【解決手段】循環水を冷却する冷却塔８を有し、溶滓に水を吹き付けて水砕を製造する水砕製造設備において、冷却塔の内部に水ミスト１４１を供給できるミスト供給装置（ミストノズル１４）が設けられている水砕製造設備を用い、冷却塔内を飽和水蒸気量以上となるように加湿する。【選択図】図３

Description

本発明は、水砕製造設備および水砕製造設備の冷却塔内の水砕析出防止方法に関する。

銑鉄を製造するための高炉では溶滓（スラグ）が発生する。水砕製造設備とは、この溶滓に高圧の冷却水を衝突させて急冷することで、粒状に固化した水砕スラグ（以下、単に「水砕」という。）を製造するための設備である。

一般的な水砕製造設備について、図１を参照し、フロー図により説明する。
図１に示す水砕製造設備は、吹製函２、撹拌槽３、脱水槽４、沈降槽６、温水槽７、冷却塔８、冷水槽９を備えている。水砕製造設備は、高炉（図示していない）から出銑樋１に排出され、出銑樋１から流れてきた溶滓を処理して水砕を製造する。

出銑樋１から流れてきた溶滓は、吹製函２において、高圧の冷却水と衝突させて溶滓を急冷することで固化し、水砕となる。

吹製函２で急冷、固化した水砕は、水砕スラリーの状態で図示しない樋を通じて撹拌槽３に送られる。撹拌槽３は、水砕スラリーを水流撹拌し、配管輸送に適したスラリーとする。
水流撹拌されたスラリーは、ポンプでの圧送により配管輸送で脱水槽４に送られる。脱水槽４は、圧送により輸送されたスラリーを脱水し、冷却水と水砕を概ね分離する。ここで分離された水砕は、運搬用のトラック５により、水砕置き場に運搬される。
一方、脱水槽４により分離された冷却水は、沈降槽６へ送られ、そこで沈殿効果によって水中に残留した水砕と、上澄み水を分離させる。沈降槽６で分離された上澄み水は、溶滓を冷却した際の熱をなお保持しているため、高温の温水である。

この温水を温水槽７に送り、温水槽７で貯水後、冷却塔８に送られて空気との対流によって冷却される。冷却された上澄み液は、冷水槽９に送られた後に、吹製函２へと戻して冷却水に使用される。また、図１には示していないが、場合によっては、撹拌槽３の撹拌水に再使用されることがある。
すなわち、溶滓の冷却水等として水砕製造に必要な大量の水は、脱水槽４、沈降槽６、冷却塔８等を通し、水砕製造設備内で循環水として循環使用している。循環水は、以上のように、水砕製造後はスラリーとして水砕と混ざり合っているため、脱水槽４や沈降槽６で水砕と循環水を分離する。破線矢印で示したＡが、水砕のフロー、実線矢印で示したＢが循環水のフローである。

循環水には、脱水槽４や沈降槽６で分離できなかった水砕が残留していたり、溶滓から溶解したカルシウム分（特にＣａＳＯ_４）などが溶け込んでおり、その後の冷却塔８の内部に循環水が飛散し、残留していた水砕やカルシウム分が、冷却塔の壁、梁、柱、あるいはエリミネーターに析出、成長する。
水砕が析出、成長すると、配管閉塞や樋面積の減少、エリミネーターの閉塞による通気障害が引き起こされる。そのため、析出した水砕を清掃する必要が生じ、析出した水砕を清掃するために、設備停止が発生するため、安定稼働を阻害している状況にある。

設備における、被処理物の付着防止に関連する技術として、次のような３つの特許が公開されている。
特許文献１には、水砕製造設備において循環水が蒸発によって系外に放出する水量分を、冷却塔８で補給しており、この補給水を冷却塔８の内部の付着物洗浄水として利用することが記載されている。
特許文献２には、冷却塔８の内部にて、循環水を散水する散水装置において、循環水のヘッダー管を冷却塔８の外側に配設し、ヘッダー管より支管を介して散水ノズルを冷却塔８の内壁に設けることが記載されている。
特許文献３には、コークス炉上昇管において、上昇管内部にカーボンが付着、堆積するため、堰を設けて、常時散水を行い、濡れ壁や液溜りを作ることで、内部にカーボンが付着することを防止することが記載されている。

特開昭５６−１２０５５１号公報 特開平４−１９８０４８号公報 特開平７−１１８６４５号公報

しかしながら、上記の技術では以下の問題がある。
特許文献１に記載の技術では、洗浄水がかっている部分にしか付着清掃効果がなく、冷却塔８の内部全体の付着物を除去することは困難である。
特許文献２に記載の技術では、ヘッダー管への付着を防ぐ事は可能だが、支管や散水ノズルに水砕が析出する課題は解決されない。
特許文献３に記載の技術では、散水が当たる場所または液溜り部分でしか効果がなく、また、堰を設けられる設備のみにしか使用できず、水砕製造設備の冷却塔８においては、堰を設けられるような構造ではない。

以上のような事情をかんがみて、本発明は、冷却塔８の内部の特定の場所にとどまらず、冷却塔８の内部全体において、循環水中に含まれる水砕の析出そのものを防止した水砕製造設備および水砕製造設備の冷却塔内の水砕析出防止方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）循環水を冷却する冷却塔を有し、溶滓に水を吹き付けて水砕を製造する水砕製造設備において、前記冷却塔の内部にミストを供給できるミスト供給装置が設けられていることを特徴とする水砕製造設備。
（２）循環水を冷却する冷却塔を有し、溶滓に水を吹き付けて水砕を製造する水砕製造設備において、前記冷却塔の内部を飽和水蒸気量となるように加湿することを特徴とする水砕製造設備の冷却塔内の水砕析出防止方法。

本発明によれば、水砕の付着を防止することができ、水砕付着に起因した配管閉塞、通気障害がなくなり、清掃のための操業停止が不要となる。

水砕製造設備における水砕と冷却水（循環水）のフローを示す処理フロー図。 従来の冷却塔８の設備構造を示す図であり、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は正面断面図である。 本発明の冷却塔８の設備構造を示す図であり、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は正面断面図である。 冷却塔実機試験における散水ノズル１０とミストノズル１４の位置関係を示す配置図。

本発明者は、析出した水砕を清掃除去するのではなく、水砕の析出そのものを防止することで、設備安定稼働を実現させることを想到した。そのために、水砕の析出がどのような原因により発生するかについて、詳細な調査を行った。

水砕析出の発生原因を調査した結果、循環水中に残留した水砕が析出、成長するのは、冷却塔８の内部に循環水が付着することと、それが乾燥状態となることを繰り返すためであることが明らかとなった。以下にその過程について、さらに詳細に説明する。

水砕製造設備は、常時連続稼働する設備ではなく、稼働と停止を繰り返す設備である。それは、高炉が出銑し、溶滓が排出されている状態の時は稼働し、出銑しておらず、溶滓が排出されていない状態の時は停止しているためである。水砕製造設備の稼働と停止の周期については、高炉の操業状態や設備状態によって左右されるものの、約１０日間稼働し、半日程度停止状態が続くことが標準的である。ただし、２、３時間稼働し、半日程度停止するという場合もあり、必ずしも一定のものではない。

水砕製造設備が稼働している間は、冷却塔８の内部では、常に冷却する循環水が供給されるため、冷却塔８の内部に循環水がかかっている。一方、水砕製造設備が停止してから時間が経つと、冷却塔８の内部に付着していた循環水から水分が蒸発し、乾燥状態となる。この乾燥状態となるときに、循環水に含まれていた水砕が冷却塔８の内部に付着析出物として残ってしまう。そして、次に水砕製造設備が稼働して循環水がかかっても、一度析出した水砕は析出した場所から溶解したり、移動したりせずに、そのまま析出物として残ることとなる。
このような過程により、冷却塔８の内部が、循環水の付着と乾燥を繰り返すことにより水砕が析出、成長する。

そこで、少なくとも、水砕製造設備が停止した状態においても、冷却塔８の内部の乾燥状態をなくし、循環水中に残留した水砕が析出することを防ぐこととした。

具体的には、冷却塔８の内部に水ミスト１４１を供給できるミスト供給装置を冷却塔８に設け、冷却塔８の内部の空気を飽和水蒸気量とすることで、冷却塔８の内部の乾燥状態をなくすものである。

図３により本発明で一例として挙げている冷却塔８の構造について、従来技術を示す図２も参照し詳細に説明する。
図２は、従来の冷却塔８の設備構造の概略図を示している。冷却塔８は、散水ノズル１０から散水される循環水を、冷却塔８の天井にあるファン１１によって、冷却塔８の下部のルーバー部１２から吸引された空気との対流によって、循環水を冷却する設備である。

水砕製造設備が稼働した時には、散水ノズル１０から冷却塔８の下部に向けての循環水の散水と、ファン１１の両方とも稼働している。水砕製造設備が停止した時には、散水ノズル１０からの循環水の散水は止まり、ファン１１も停止する。

循環水中には、脱水槽４や沈降槽６で完全に除去できなかった水砕が残留している。水砕製造設備が稼働と停止を繰り返すことにより、散水ノズル１０や水切り装置であるエリミネーター１３に循環水が飛散、付着し、乾燥状態になることで残留していた水砕が析出、析出水砕１５が成長する。その結果、散水ノズル１０のノズル先端の閉塞や、エリミネーター１３を通じて吸引する空気の圧力損失が大きくなり、通気障害が発生する。なお、エリミネーター１３は、冷却塔８において空気の流れに随伴して水滴がファン１１へ侵入するのを防ぎ、水滴を除去する装置である。通常、鉄板や樹脂成形板などでジグザグに折って並べた構造をしており、水滴の慣性力を利用して水滴と空気を分離する。

析出水砕１５が付着してノズル先端の閉塞が発生すると、散水ノズル１０からの散水ができなくなるため、析出した水砕を清掃するため設備停止が必要になり、水砕製造設備の稼働率を低下させる。

図３に、冷却塔８の内部にミスト供給装置（一例としてミストノズル１４）を設置した本発明の概略図を示す。図３に示したように、冷却塔８の内部にミスト（水ミスト１４１）を供給できるミストノズル１４を設けることにより、常時水ミスト１４１を冷却塔８の内部に噴霧することができる。水ミスト１４１を噴霧し、冷却塔８の内部の空気、少なくともルーバー部１２より上の空間の空気を常に飽和水蒸気量とすることで、乾燥状態をなくすことができるため、水砕の析出を防止することができる。

ミスト供給装置は、水ミスト１４１の噴射圧力を０．１〜２．０ＭＰａで噴射できることが好ましく、ミストノズル１４の噴角は、４５〜１３０°、水ミスト１４１の流量は、１．０〜５０．０Ｌ／ｍｉｎで噴射できることが好ましい。水ミスト１４１を上記の範囲で供給することにより、通常、空間体積が２００〜５００ｍ^３である冷却塔８内の雰囲気を飽和水蒸気量とすることができる。その結果、冷却塔８の内部全体において確実に水砕の析出を防止することができる。

ミスト供給装置の設置位置は、散水ノズル１０とエリミネーター１３の間が好ましい。
エリミネーター１３より上部に設置すると、水切り効果によって散水ノズル１０まで噴霧した水ミスト１４１が届かずの噴霧を行うことができず、散水ノズル１０付近を湿潤状態（飽和水蒸気量）に保つことができなくなる恐れがある。

そのため、散水ノズル１０とエリミネーター１３の中間にミストノズル１４を設置し、噴霧の方向を冷却塔８の内部に向けることで、冷却塔８の内部全体に水ミスト１４１が行き渡るようにする。

水ミスト１４１の粒径としては、平均粒径で５００μｍ以下が好ましく、さらに、平均粒径で３００μｍ以下とすることが好ましい。水ミスト１４１の粒径の測定方法は、レーザードップラー法による。
ミスト粒径を３００μｍ以下とすると、一般的な霧雨と同じ粒径となり、局所的ではなく広範囲にミストを行き渡らせることが可能になることが実機試験の結果から得られた。

水ミスト１４１による噴霧は、少なくとも停止時において行う。
さらに、稼働時も噴霧できると好ましい。ファンによって吸引された、風に乗ってエリミネーター部にミストが行き渡り、稼働時でも乾燥する可能性のあるエリミネーター部も付着を防止できる。
そのため、停止時のみならず稼働時においても常時水ミスト１４１の噴霧を行うことが好ましい。

図１に示したような水砕製造設備において、図３に示す、ミストノズル１４とその配管を設置した冷却塔８を用いて水砕析出防止効果を検証する実機試験を行った。具体的には、ミストノズル１４は、図４に示したような位置関係で、噴出口が散水ノズル１０の近傍２．５ｍとなるように配置した。

実機試験は、本発明で挙げているミストノズル１４設置前後での、水砕の析出が発生するまでの日数にて効果比較を行った。
表１に詳細な試験条件を示した。表１に示した空気温度と空気湿度は、ファン１１によってルーバー部１２から取り込まれる試験当日の外気の空気パラメータである。また、表１に示した冷却塔８内空間体積は、ミストノズル１４を設置し、水ミスト１４１の噴霧の対象となる空間体積であり、この空間体積分の空気を飽和水蒸気量となるように水ミスト１４１で加湿した。

結果について述べる。
水ミスト１４１噴霧前は、清掃を実施後３０日程度で析出が発生しており、約１００日程度になると、配管が閉塞するほど析出した水砕が成長することを確認した。
一方、水ミスト１４１噴霧後は、清掃実施後１００日間経過でも析出は見られず、配管閉塞も発生していない。配管閉塞を引き起こす程の析出が発生しなくなったため、清掃による除去作業も不要になった。
試験で使用した水ミスト１４１の粒径は３００μｍを使用したが、全ての散水ノズル１０とその配管とエリミネーター１３に付着が発生していないことから、冷却塔８の内部全体に水ミスト１４１が行き渡っていると考えられる。

本発明によれば、水砕の付着を防止することができ、水砕付着に起因した配管閉塞、通気障害がなくなり、清掃のための操業停止が不要となることにより、コストを抑え、安定した水砕製造が可能となる。

１…出銑樋、２…吹製函、３…撹拌槽、４…脱水槽、５…トラック、６…沈降槽、７…温水槽、８…冷却塔、９…冷水槽、１０…散水ノズル、１１…ファン、１２…ルーバー部、１３…エリミネーター、１４…ミストノズル、１４１…水ミスト、１５…析出水砕、Ａ…水砕フロー、Ｂ…循環水フロー

Claims (2)

1. 循環水を冷却する冷却塔を有し、溶滓に水を吹き付けて水砕を製造する水砕製造設備において、前記冷却塔の内部にミストを供給できるミスト供給装置が設けられていることを特徴とする水砕製造設備。
2. 循環水を冷却する冷却塔を有し、溶滓に水を吹き付けて水砕を製造する水砕製造設備において、前記冷却塔の内部を飽和水蒸気量となるように加湿することを特徴とする水砕製造設備の冷却塔内の水砕析出防止方法。

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