JP2024123944A - 顕熱回収装置及びその運転方法、並びに回転炉床炉設備 - Google Patents

Abstract

【課題】回転炉床炉で生じる排ガスの顕熱を安定的に有効利用することが可能な顕熱回収装置を提供すること。【解決手段】回転炉床炉の排ガスの顕熱回収装置５０であって、亜鉛成分を含む排ガスＦ１が流通する内側流路５３と、排ガスＦ１の顕熱で加熱される流体Ｆ２が流通する外側流路５５と、を有する輻射式熱交換器５１を備え、内側流路５３の流路壁面５３Ａの温度ＴＩを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら排ガスＦ１の顕熱を回収する、顕熱回収装置５０を提供する。【選択図】図４

Description

本開示は、回転炉床炉の排ガスの顕熱回収装置及びその運転方法、並びに回転炉床炉設備に関する。

製鉄廃棄物に含まれる酸化鉄を再利用するため、製鉄廃棄物を還元剤及びバインダと混練し造粒したペレットを回転炉床炉（ＲＨＦ）に装入し、加熱還元することにより還元鉄を製造するプロセスが知られている。電気炉ダスト等の亜鉛成分を含有する製鉄廃棄物が装入されると、亜鉛成分が排ガスに同伴される。亜鉛成分のうち金属亜鉛は酸化亜鉛よりも融点及び沸点が低いことから、排ガスの温度が下がると析出して排気ダクト内面に付着する。付着量が増えると排ガスの吸引が困難になることから、特許文献１では、余剰酸素を回転炉床炉内に供給して金属亜鉛を酸化して、排気ダクト内面への金属亜鉛の付着を低減することが提案されている。

特許文献２では、輻射型の円筒式熱交換器を用いて、回転炉床炉から排出される排ガスと予熱空気との間で熱交換を行わせて予熱空気の温度を上昇させる技術が提案されている。円筒式熱交換器は、内筒と外筒と円筒形状の耐火物とを備えており、耐火物は内筒の内周面を覆うように内筒に固定されている。耐火物としては、排ガスの保有する熱を効率よく利用するため、高い熱伝導性を有するものが用いられている。

特開２０１２－２４１２０５号公報 特開２０１８－１７４１０号公報

特許文献２のように排ガスと空気とを熱交換する熱交換器を設けて排ガスの顕熱回収を行えば、排ガスの顕熱を有効利用することができる。ところが、特許文献２では、熱伝導率の高い材料を用いているため、予熱される被熱ガスの流量を減らしても排ガスの熱が過剰に回収される。そうすると、排ガスの温度が下がって排ガスに含まれるガス状の金属亜鉛が液化し、熱交換器に析出して閉塞することが懸念される。そこで、本開示は、回転炉床炉で生じる排ガスの顕熱を安定的に有効利用することが可能な顕熱回収装置及びその運転方法、並びに回転炉床炉設備を提供する。

本開示の一側面は、回転炉床炉の排ガスの顕熱回収装置であって、亜鉛成分を含む前記排ガスが流通する内側流路と、前記排ガスの顕熱で加熱される流体が流通する外側流路と、を有する輻射式熱交換器を備え、内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら前記排ガスの顕熱を回収する顕熱回収装置を提供する。

回転炉床炉の排ガスには亜鉛成分として金属亜鉛、塩化亜鉛及び酸化亜鉛等が含まれる。上述の顕熱回収装置では、外側流路を流通する流体が排ガスの顕熱で加熱されることから、回転炉床炉で生じる排ガスの顕熱を有効利用することができる。このような輻射式熱交換器の内側流路の流路壁面は、外側流路を流通する流体によって冷却され、内側流路を流通する排ガスの温度よりも低くなる。内側流路の流路壁面の温度が下がり過ぎると、排ガスに含まれる金属亜鉛（沸点：９０６℃）及び塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２の沸点：７３２℃）が液化及び固化して内側流路の流路壁面に付着する。このような付着物は一旦流路壁面に付着すると強固な固着物を形成し容易には剥がれ落ちないため、内側流路が閉塞し易くなる。一方、内側流路の流路壁面の温度が高過ぎると、排ガスに含まれる酸化亜鉛（ＺｎＯの融点：１９７５℃）が溶融して内側流路の流路壁面に固着する。このような固着物も一旦流路壁面に固着すると容易には剥がれ落ちないため、内側流路が閉塞し易くなる。

上記顕熱回収装置では、内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら前記排ガスの顕熱を回収する。このため、金属亜鉛及び塩化亜鉛は気体、並びに酸化亜鉛は固体であることから、これらが内側流路の流路壁面に付着して強固な固着物を形成することを十分に抑制できる。よって、回転炉床炉で生じる排ガスの顕熱を安定的に有効利用することができる。

本開示の一側面は、回転炉床炉と、上述の顕熱回収装置と、を備える回転炉床炉設備を提供する。この回転炉床炉設備は、上述の顕熱回収装置を備えることから、回転炉床炉で生じる排ガスの顕熱を安定的に有効利用することができる。

本開示の一側面は、回転炉床炉の排ガスの顕熱を回収する輻射式熱交換器を備える顕熱回収装置の運転方法であって、前記輻射式熱交換器の内側流路を流通する亜鉛成分を含む前記排ガスの顕熱で、前記輻射式熱交換器の外側流路を流通する流体を加熱する工程を有し、前記工程では、前記内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら前記排ガスの顕熱を回収する、運転方法を提供する。

上述の顕熱回収装置の運転方法では、排ガスの顕熱で外側流路を流通する流体を加熱することから、回転炉床炉で生じる排ガスの顕熱を有効利用することができる。ここで、輻射式熱交換器では、内側流路の流路壁面が外側流路を流通する流体によって冷却され、内側流路を流通する排ガスの温度よりも低くなる。内側流路の流路壁面の温度が下がり過ぎると、排ガスに含まれる金属亜鉛（沸点：９０６℃）及び塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２の沸点：７３２℃）が液化及び固化して内側流路の流路壁面に付着する。このような付着物は一旦流路壁面に付着すると強固な固着物を形成し容易には剥がれ落ちないため、内側流路が閉塞し易くなる。一方、内側流路の流路壁面の温度が高過ぎると、排ガスに含まれる酸化亜鉛（ＺｎＯの融点：１９７５℃）が溶融して内側流路の流路壁面に固着する。このような固着物も一旦流路壁面に固着すると容易には剥がれ落ちないため、内側流路が閉塞し易くなる。

上記顕熱回収装置の運転方法では、内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら前記排ガスの顕熱を回収する。このため、金属亜鉛及び塩化亜鉛は気体、並びに酸化亜鉛は固体であることから、これらが内側流路の流路壁面に付着して強固な固着物を形成することを十分に抑制できる。よって、回転炉床炉で生じる排ガスの顕熱を安定的に有効利用することができる。

本開示は、回転炉床炉で生じる排ガスの顕熱を安定的に有効利用することが可能な顕熱回収装置及びその運転方法、並びに回転炉床炉設備を提供することができる。

顕熱回収装置を備える回転炉床炉設備を模式的に示す図である。 図１の回転炉床炉を、鉛直方向に沿って、直管部と炉体との接続部を通る鉛直面で切断したときの断面図である。 顕熱回収装置における輻射式熱交換器の軸方向断面の一部を示す断面図である。 顕熱回収装置におけるバイパス設備を模式的に示す図である。 顕熱回収装置の変形例における輻射式熱交換器の内側流路の向きを示す図である。

以下、場合により図面を参照して、本開示の実施形態を説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。各図面において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。

図１は、回転炉床炉の排ガスの顕熱回収装置、並びに、回転炉床炉（回転炉床式還元処理炉）及び顕熱回収装置を備える回転炉床炉設備の一実施形態を模式的に示す図である。回転炉床炉１００は、天井壁１１ａと側壁１１ｂで構成される炉体１１（炉殻）と、炉体１１の内部を炉体１１の円周方向に沿って回転するドーナツ状の回転炉床１２と、炉体１１の天井壁１１ａに形成され、排ガスが炉体１１から導出される導出口１３と、を有する。図１の炉体１１は、その内部構造を示すために、一部が切り欠いて示されている。

環状の炉体１１は、炉体１１の内部を加熱するために、外側面及び内側面の両方に複数のバーナ１０を有する。なお、バーナ１０は、外側面及び内側面の一方のみに設けられてもよい。回転炉床１２は、炉体１１の内部において、炉体１１の円周方向（平面視で例えば時計回り）に沿って回転する。

回転炉床炉１００は、ブリケット２２を搬送する搬送部２４と、搬送部２４によって搬送されたブリケット２２を回転炉床１２の上に導入する導入部２１と、回転炉床１２から還元鉄含有物を導出する導出部９０と備える。導入部２１は、例えば、スリットを有する振動篩機で構成される。ブリケット２２は、振動篩機のスリットを通過して回転炉床１２の上に導入される。ブリケット２２は、例えば、製鋼ダスト、炭材及びバインダを含んでいてよい。

回転炉床炉１００は、搬送部２４の上流側に、ブリケット２２を成形する成形部を有していてもよい。成形部では、例えば、酸化鉄を含むダスト、炭材及びバインダを混錬して得られる混錬物をダブルロール成形機で成形してブリケット２２（成形体）が作製される。

酸化鉄を含むダストとしては、製鉄ダストであってよく、電気炉ダスト、高炉ダスト、転炉ダスト及び焼結ダストの少なくとも一つを含んでいてよい。ダストは、酸化鉄、酸化亜鉛、塩化亜鉛、及びその他の成分を含んでよい。

回転炉床１２の上に導入されたブリケット２２は、回転炉床１２の回転に伴って炉体１１の内部を移動しながら加熱される。ブリケット２２が酸化鉄及び酸化亜鉛を含む場合、加熱に伴って以下の反応式で表される酸化還元反応（１）～（６）が進行する。なお、ｎは、任意の数値であってよく、例えば１，２又は３であってよい。ｍは、任意の数値であってよく、例えば１、３又は４であってよい。

Ｆｅ_ｎＯ_ｍ＋ｍＣ → ｎＦｅ＋ｍＣＯ （１）
Ｆｅ_ｎＯ_ｍ＋ｍＣＯ → ｎＦｅ＋ｍＣＯ_２ （２）
ＺｎＯ＋Ｃ → Ｚｎ＋ＣＯ （３）
ＺｎＯ＋ＣＯ → Ｚｎ＋ＣＯ_２ （４）
Ｃ＋Ｏ_２ → ＣＯ_２ （５）
Ｃ＋ＣＯ_２→ ２ＣＯ （６）

ブリケットに含まれる酸化鉄は、式（１）及び（２）に示すように還元されて還元鉄となる。導出部９０からは還元鉄を含む還元鉄含有物が導出される。還元鉄含有物は、冷却部９２で冷却された後、例えば電気炉等の原料として用いられてよい。一方、式（３）及び（４）の反応で生じる亜鉛、及びブリケットに含まれる塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２）は、沸点が低いため（Ｚｎ：９０６℃，ＺｎＣｌ_２：７３２℃）、炉体１１内を流通する排ガスに取り込まれる。また、式（３）及び（４）のように反応せずに残存する酸化亜鉛も排ガス中に取り込まれる。金属亜鉛及び塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２）よりも高い沸点を有する酸化亜鉛は固形分（ダスト）として排ガスに含まれていてよい。

バーナ１０による燃焼によって生じる排ガスは、炉体１１内を円周方向（平面視で例えば反時計回り）に流れ、導出口１３から導出される。この排ガスには、燃焼ガスの他に亜鉛成分が同伴される。亜鉛成分としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、金属亜鉛（Ｚｎ）、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２）が挙げられる。なお、排ガスには、亜鉛成分以外の成分（鉄等）が同伴されてもよい。

表１に、回転炉床炉１００の原料（ブリケット２２）に含まれ得る電炉ダストと、回転炉床炉１００で発生する排ガスに含まれる固形分（ダスト）の主要成分の比率の一例を示す。表１に示す組成は、元素分析によって測定されたものである。表１に示すように、排ガス中の亜鉛成分の含有率は、原料である電気炉ダストよりも高く、主成分となっている。これを酸化物に換算すると、ダスト中の酸化亜鉛の比率は７０％を超える。排ガスにおけるダストの量は、例えば１０～２００ｇ／Ｎｍ^３である。排ガス中にはガス（気相）として、金属亜鉛及び塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２）等も含まれ得る。

炉体１１の天井壁１１ａにおける導出口１３から導出された排ガスは、導出口１３に接続された直管部４０において整流される。直管部４０の長さＬは、直管部４０の内径Ｄよりも長くてよい。これによって、輻射式熱交換器５１に導入される排ガスが十分に整流される。顕熱回収装置５０が直管部４０を備えることによって、排ガスの顕熱回収を一層安定的に行うことができる。

図２は、図１の回転炉床炉１００を、鉛直方向に沿って、直管部４０と炉体１１との接続部を通る鉛直面で切断したときの断面図である。炉体１１の内部には、炉体１１と回転炉床１２とで構成される炉内空間１４がある。回転炉床１２上には導入部２１から導入されたブリケット２２が配置されている。回転炉床１２は、その下面側に設けられる走行車輪１６によって、炉体１１の円周方向に沿って回転可能に支持されている。ブリケット２２は、回転炉床１２とともに回転しながら炉内空間１４において加熱される。炉内空間１４は例えば１２００～１３００℃に加熱されていてよい。酸化亜鉛はダストとして、金属亜鉛及び塩化亜鉛は気体として排ガスに含まれていてよい。排ガス中のダストには、酸化鉄及び還元鉄等の鉄分が含まれていてもよい。

回転炉床炉１００の炉体１１の天井壁１１ａに設けられた導出口１３から導出される排ガスは、直管部４０を通過して輻射式熱交換器５１に導入される。導出口１３から導出される排ガスの温度は、９００～１２００℃であってよい。輻射式熱交換器５１は、二重管構造を有しており、中心軸ＣＬを含む内側流路５３を、排ガスが下方から上方に向かって流通する。輻射式熱交換器５１において排ガスの顕熱が回収され、図２では図示が省略されている外側流路５５を流通する流体が加熱される。

図２に示すように、顕熱回収装置５０における輻射式熱交換器５１は、内側流路５３の中心軸ＣＬが鉛直方向に沿うように、回転炉床炉の炉体１１の上方に配置される。輻射式熱交換器５１をこのように配置することで、炉内空間１４から内側流路５３に流入したダストが、流路壁面５３Ａとの摩擦及び重力等の影響によって減速し、落下して炉内空間１４に回帰し易くなる。また、流路壁面５３Ａに付着した固形分も、下方に落下して炉内空間１４に回帰し易くなる。これによって、流路壁面５３Ａに固形分が付着して内側流路５３が閉塞することを十分に抑制することができる。また、ダストに含まれる鉄分を還元鉄として回収することができる。

図３は、顕熱回収装置５０における輻射式熱交換器５１の軸方向断面の一部を示している。輻射式熱交換器５１は、その中心部において円柱形状を有する内側流路５３と、内側流路５３を取り囲むように設けられ円筒形状を有する外側流路５５と、を有する。輻射式熱交換器５１は、金属製の外筒５１Ｂ（円筒体）の中空部に金属製の内筒５１Ａ（円筒体）を挿入がされており、内筒５１Ａの外周面と外筒５１Ｂの内周面で外側流路５５が構成される。内筒５１Ａの内周面は、耐火物層５２で覆われており、耐火物層５２の内周面が、内側流路５３の流路壁面５３Ａを構成している。

導出口１３から導出された排ガスＦ_１は内側流路５３を流通する。図１及び図２に示す流体入口６１から外側流路５５に導入された流体Ｆ_２は、外側流路５５を流通する間に排ガスＦ_１の顕熱によって加熱される。流体Ｆ_２は、酸素含有ガスであってよく、空気であってもよい。このように加熱された酸素含有ガスは、例えば、回転炉床炉１００のバーナ１０の燃焼に用いてもよい。これによって、バーナ１０で消費される燃料が低減され、排ガスのＦ_１の顕熱を有効利用することができる。なお、流体Ｆ_２は、回転炉床炉１００のバーナ１０の燃焼以外の用途に用いてもよい。

輻射式熱交換器５１における排ガスＦ_１の顕熱回収は、流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら行う。流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉは、内側流路５３の出口における排ガスＦ_１の温度Ｔ_Ｆよりも通常は低くなる。温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点（９０６℃）以上の温度に維持することで、排ガスに含まれる金属亜鉛及び塩化亜鉛（ＺｎＣｌ_２の沸点：７３２℃）が液化及び固化して内側流路５３の流路壁面５３Ａに固着することが抑制される。したがって、温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上に維持することで輻射式熱交換器５１における内側流路５３の閉塞を十分に抑制して安定的に熱回収を行うことができる。

また、温度Ｔ_Ｉを酸化亜鉛（ＺｎＯ）の融点（１９７５℃）以下に維持することによって、酸化亜鉛が液化して流路壁面５３Ａに固着することが抑制される。これによって、排ガスＦ_１の顕熱を十分に且つ安定的に回収することができる。なお、温度Ｔ_Ｉを酸化亜鉛の融点（１９７５℃）以下に維持しても、排ガスＦ_１の温度Ｔ_Ｆは酸化亜鉛の融点を超える場合がある。このような場合、排ガスＦ_１に含まれる液化した酸化亜鉛は、流路壁面５３Ａ上で凝集して炉体１１内に落下してもよいし、後段のガス冷却部３５において冷却され固体として回収されてもよい。

温度Ｔ_Ｉは、９３０℃以上、９５０℃以上、又は９８０℃以上であってもよい。これによって、流路壁面５３Ａに固形分が付着することを一層抑制することができる。温度Ｔ_Ｉは、１８００℃以下、１５００℃以下、１３００℃以下、又は１１００℃以下であってもよい。これによって、一層エネルギー消費を削減することができる。

耐火物層５２は例えばキャスタブルで構成されてよい。耐火物層５２の熱伝導率は４．０Ｗ／ｍ・ｋ以下、２．０Ｗ／ｍ・ｋ以下、１．０Ｗ／ｍ・ｋ以下、又は０．５Ｗ／ｍ・ｋ以下であってよい。このように耐火物層５２の熱伝導率が小さくすることによって、流路壁面５３Ａが流体Ｆ_２によって冷却され難くなり、金属亜鉛及び塩化亜鉛等の低沸点成分が流路壁面５３Ａに固着することを十分に抑制することができる。排ガスＦ_１の顕熱の一層の有効利用を図る観点から、耐火物層５２の熱伝導率は０．１Ｗ／ｍ・ｋ以上、０．２Ｗ／ｍ・ｋ以上、又は０．３Ｗ／ｍ・ｋ以上であってよい。本明細書における熱伝導率は、１０００℃における値である。

図３では、耐火物層５２は、二層で構成される。中心軸ＣＬ寄りに設けられる第１耐火物層５２ａと第１耐火物層５２ａよりも外側流路５５寄りに設けられる第２耐火物層５２ｂは、互いに同じ材質のもので構成されてもよいし、互いに異なる材質のもので構成されてもよい。耐火物層５２の厚みは、５０ｍｍ以上、８０ｍｍ以上、又は１００ｍｍ以上であってよい。このように耐火物層５２の厚みを大きくすることによって、流路壁面５３Ａが流体Ｆ_２によって冷却され難くなり、金属亜鉛及び塩化亜鉛等の低沸点成分が流路壁面５３Ａに固着することを十分に抑制することができる。耐火物層５２の厚みは、３００ｍｍ以下、２５０ｍｍ以下、又は２００ｍｍ以下であってよい。これによって、排ガスＦ_１の顕熱を一層の有効利用することができる。

外筒５１Ｂの外周面を覆うように設けられる保温材は、耐火物層５２と同様にキャスタブルであってよいし、公知の保温材であってもよい。これによって、十分に加熱された流体Ｆ_２を、図１及び図２に示す流体出口６２から導出することができる。流体出口６２から導出される流体Ｆ_２の温度は、８０℃以上、１２０℃以上、１５０℃以上、２００℃以上、又は３００℃以上であってもよい。このように排ガスの顕熱を回収することによって加熱された流体Ｆ_２は種々の用途に利用することができる。流体Ｆ_２が酸素含有ガス（例：空気）である場合、流体出口６２から導出された酸素含有ガスは、図１に示す流路６４を流通してバーナ１０に供給されてもよい。これによって。バーナ１０の燃料消費量を削減し、省エネルギー化を図ることができる。

輻射式熱交換器５１への導入時において、排ガスＦ_１よりも流体Ｆ_２の温度の方が大幅に低いため、流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉは、排ガスＦ_１の温度よりも通常低くなる。耐火物層５２を設けると、内側流路５３の出口における排ガスＦ_１の温度Ｔ_Ｆと温度Ｔ_Ｉの差（Ｔ_Ｆ－Ｔ_Ｉ）を小さくなる。Ｔ_Ｆ－Ｔ_Ｉは、２００℃以下、１５０℃以下、又は１００℃以下であってよい。Ｔ_ＦとＴ_Ｉの差は、耐火物層５２の厚さ、又は、耐火物層５２の熱伝導率を変えることによって調整することができる。なお、耐火物層５２を設けない場合、又は、耐火物層５２として熱伝導率が高い材質の物を用いると、Ｔ_Ｆ－Ｔ_Ｉが大きくなり、流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点（９０６℃）以上の温度に維持することが難しくなる場合がある。そのような場合、図４のバイパス設備６０を用いて流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉを調節してもよい。

バイパス設備６０は、流体入口６１と流体出口６２とを接続するバイパス流路６３と、バイパス流路６３を流通する流体の流量Ｑを調整する流量調整バルブ６５を有する。バイパス流路６３を流通する流体の流量Ｑを大きくして外側流路５５を流通する流体Ｆ_２の流量を少なくすれば、流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉを高くすることができる。一方、バイパス流路６３を流通する流体の流量Ｑを小さくすれば排ガスＦ_１からの顕熱回収量を大きくすることができる。内側流路５３の流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉを測定する温度計を設置し、当該温度計の測定値に基づいて流量調整バルブ６５の開度を変更し、バイパス流路６３を流通する流体の流量Ｑを調節してもよい。これによって、排ガスＦ_１からの顕熱回収を一層安定的に行うことができる。例えば、後述するＵ字管３３、内側流路５３、又はこれらの間、或いは、炉体１１の導出口１３における排ガスの温度を測定し、温度の測定結果に基づいて、バイパス流路６３を流通する流体の流量Ｑを調整してもよい。これによって、運転変動の際に流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉを円滑に調整することができる。

図１に戻り、顕熱回収装置５０の輻射式熱交換器５１で顕熱が回収された排ガスは、Ｕ字管３３を流通してガス冷却部３５に導入される。ガス冷却部３５は、例えば散水ノズルを備える冷却塔である。ガス冷却部３５で冷却された排ガスは、回収部７０に導入される。回収部７０では、排ガスに含まれる酸化亜鉛等の亜鉛成分及び鉄等の固形分が捕捉され回収される。回収部７０は例えばバグフィルタを有していてよい。回収される固体分は、酸化亜鉛を主成分として含む亜鉛含有物であってよい。回収部７０で固体分を除去して得られるガスは、ブロア７５で吸引され、煙突８０によって例えば大気放出される。

図１，２に示す例では、輻射式熱交換器５１の内側流路５３の中心軸ＣＬが鉛直方向に沿うように回転炉床炉１００の上方に配置されていたが、このような配置に限定されない。例えば、内側流路５３の中心軸ＣＬが鉛直方向に対して傾いていてもよい。

図５に示す変形例における輻射式熱交換器の内側流路５３の中心軸ＣＬは鉛直方向（図５の紙面に直交する方向）に対して傾いている。図５は、回転炉床炉の炉体１１を平面視したときの内側流路５３と、炉体１１の天井壁１１ａに形成される導出口１３との位置関係を示している。図５に示すように、平面視において、内側流路５３の上端５３ａの少なくとも一部が導出口１３に重なるように、輻射式熱交換器が導出口１３の上方に配置されていてもよい。このような例であっても、内側流路５３の流路壁面５３Ａにおける固形分の固着を十分に抑制することができる。したがって、排ガスの顕熱回収を安定的に有効利用することができる。

顕熱回収装置５０の運転方法は、輻射式熱交換器５１の内側流路５３を流通する亜鉛成分を含む排ガスＦ_１の顕熱で、輻射式熱交換器５１の外側流路５５を流通する流体Ｆ_２を加熱（予熱）する工程を有する。この工程では、内側流路５３の流路壁面５３Ａの温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら排ガスＦ_１の顕熱を回収する。この運転方法は、上述の顕熱回収装置５０及び回転炉床炉設備２００の説明内容に基づいて行ってよい。例えば、上記工程では、流路壁面５３Ａの温度の測定値に基づいて、外側流路５５を流通する流体Ｆ_２の流量を調節してもよい。この調節は、図４に示すようなバイパス設備６０を用い、バイパス流路６３を流通する流体の流量Ｑを変えることで行ってもよい。

以上、本開示の幾つかの実施形態を説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されない。例えば、図３では、排ガスＦ１と流体Ｆ２とが、内側流路５３及び外側流路５５をそれぞれ同じ向きに流通していたが、変形例では排ガスＦ１と流体Ｆ２は互いに逆向きになるように流通してもよい。

［１］回転炉床炉の排ガスの顕熱回収装置であって、
亜鉛成分を含む前記排ガスが流通する内側流路と、前記排ガスの顕熱で加熱される流体が流通する外側流路と、を有する輻射式熱交換器を備え、
内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら前記排ガスの顕熱を回収する、顕熱回収装置。
［２］前記回転炉床炉は、炉体の天井壁に前記排ガスの導出口を有し、
平面視において、前記内側流路の上端の少なくとも一部が前記導出口に重なるように、前記輻射式熱交換器が前記導出口の上方に配置される、［１］に記載の顕熱回収装置。
［３］前記輻射式熱交換器は、前記内側流路の中心軸が鉛直方向に沿うように、前記回転炉床の上方に配置される、［１］又は［２］に記載の顕熱回収装置。
［４］前記外側流路を流通する前記流体は酸素を含む酸素含有ガスであり、
前記酸素含有ガスを、前記回転炉床炉のバーナに供給する流路を備える、［１］～［３］のいずれか一つに記載の顕熱回収装置。
［５］前記酸素含有ガスが前記輻射式熱交換器の前記外側流路をバイパスするバイパス流路を備え、
前記バイパス流路を流通する前記酸素含有ガスの流量を変えて、前記温度Ｔ_Ｉを調節する、［５］に記載の顕熱回収装置。
［６］前記輻射式熱交換器は、前記内側流路と前記外側流路との間に、１０００℃における熱伝導率が４．０Ｗ／ｍ・ｋ以下である耐火物層を有する、［１］～［５］のいずれか一つに記載の顕熱回収装置。
［７］前記輻射式熱交換器は、前記内側流路と前記外側流路との間に、５０ｍｍ以上の厚みを有する耐火物層を有する、［１］～［６］のいずれか一つに記載の顕熱回収装置。
［８］前記回転炉床炉の炉体の天井壁に形成された前記排ガスの導出口と、前記輻射式熱交換器との間に直管部を備え、
前記直管部は前記直管部の内径よりも長い、［１］～［７］のいずれか一つに記載の顕熱回収装置。
［９］回転炉床炉と、［１］～［８］のいずれか一つに記載の顕熱回収装置と、を備える、回転炉床炉設備。
［１０］回転炉床炉の排ガスの顕熱を回収する輻射式熱交換器を備える顕熱回収装置の運転方法であって、
前記輻射式熱交換器の内側流路を流通する亜鉛成分を含む前記排ガスの顕熱で、前記輻射式熱交換器の外側流路を流通する流体を加熱する工程を有し、
前記工程では、前記内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら前記排ガスの顕熱を回収する、運転方法。

以下の実施例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

図１に示すような回転炉床炉設備において運転シミュレーションを行って、顕熱回収装置を用いることによるエネルギー削減効果を検証した。運転シミュレーションは、ヒートバランス計算によって行った。

（番号１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）
図１に示す輻射式熱交換器５１の代わりに、内表面を１５０ｍｍの耐火材（熱伝導率：０．８Ｗ／ｍ・Ｋ）で覆った長さ１３．７mの直管（ダクト）を設けた場合の運転シミュレーションを行った。燃焼用空気として常温（２０℃）の空気を用いた場合の回転炉床炉１００のバーナ１０で消費されるＬＮＧ量を求めた。番号１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、当該直管（ダクト）入口における排ガスの温度が、それぞれ１１００℃，１０５０℃，１０００℃のときの運転シミュレーション結果である。回転炉床炉１００からの排ガスの流量及びバーナ１０で用いる燃焼用空気の流量は表２に示すとおりであった。

（番号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）
番号１Ａ，１Ｂ，１Ｃの直管（ダクト）に代えて、図１に示すような輻射式熱交換器５１（長さ：７．１ｍ）を配置した。内側流路の内表面は、図３に示すように２層構造の耐火物層５２で覆った。耐火物層５２の厚みは１５０ｍｍ、耐火物層５２の１０００℃における熱伝導率は０．８０Ｗ／ｍ・Ｋとした。回転炉床炉１００からの排ガスは全て輻射式熱交換器５１の内側流路５３に供給した。その排ガスの流量と、輻射式熱交換器５１の外側流路５５に供給する空気の流量は表２に示すとおりとした。回転炉床炉１００からの排ガスの顕熱を回収することによって加熱された空気の温度Ｔ_Ｆ（輻射式熱交換器５１の流体出口６２における空気の温度）、及び、この空気を回転炉床炉のバーナの燃焼用空気に用いたときのＬＮＧ消費量を求めた。番号２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、輻射式熱交換器５１の入口における排ガスの温度が、それぞれ１１００℃，１０５０℃，１０００℃のときの運転シミュレーションである。結果は、表２に示すとおりであった。表２のエネルギー削減効果の欄には、番号１Ａ，１Ｂ，１Ｃのうち、排ガスの入口温度が同一のときのＬＮＧ消費量を基準とする削減比率を示した。

（番号３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）
内側流路の内表面を２層構造ではなく１層構造の耐火物層で覆ったこと以外は、番号２Ａ，２Ｂ，２Ｃと同様のシミュレーションを行った。１層の耐火物層の厚みは１００ｍｍ、耐火物層の１０００℃における熱伝導率は０．８０Ｗ／ｍ・Ｋとした。結果は表２に示すとおりであった。表２のエネルギー削減効果の欄には、番号１Ａ，１Ｂ，１Ｃのうち、排ガスの入口温度が同一のときのＬＮＧ消費量を基準とする削減比率を示した。

（番号４Ａ，４Ｂ）
耐火物層の厚みを５０ｍｍにしたこと以外は、番号３Ａ，３Ｂと同様のシミュレーションを行った。結果は表２に示すとおりであった。表２のエネルギー削減効果の欄には、番号１Ａ，１Ｂのうち、排ガスの入口温度が同一のときのＬＮＧ消費量を基準とする削減比率を示した。

（番号５Ａ）
耐火物層を設けなかったこと以外は、番号４Ａと同様のシミュレーションを行った。この例では、内側流路の流路壁面に鉄皮（内筒）が露出していた。結果は表２に示すとおりであった。

（番号６Ａ，６Ｂ）
図４に示すようなバイパス設備を用いて外側流路に供給していた空気の一部をバイパスしたこと以外は、番号３Ｃと同様のシミュレーションを行った。表２に示す空気の流量は輻射式熱交換器５１の外側流路５５に供給した流量を示している。残りの空気（番号３Ｃの空気の流量との差分）は、バイパス流路を流通させた。輻射式熱交換器５１の外側流路の流体出口における空気の温度Ｔ_Ｆは表２に示すとおりであった。この温度Ｔ_Ｆの空気とバイパス流路を流通した空気を合流させた後、バーナに供給した。結果は表２に示すとおりであった。表２のエネルギー削減効果の欄には、番号１ＣのＬＮＧ消費量を基準とする削減比率を示した。また、合流後の空気の温度（バーナに供給される空気の温度）は、番号６Ａは１１０℃、番号６Ｂは９３℃であった。

（番号７Ａ，７Ｂ，７Ｃ）
図４に示すようなバイパス設備を用いて外側流路に供給していた空気の一部をバイパスしたこと以外は、番号４Ｂと同様のシミュレーションを行った。表２に示す空気の流量は輻射式熱交換器５１の外側流路に供給した流量を示している。残りの空気（番号４Ｂの空気の流量との差分）は、バイパス流路６３を流通させた。輻射式熱交換器５１の外側流路５５の流体出口６２における空気の温度Ｔ_Ｆは表２に示すとおりであった。この温度Ｔ_Ｆの空気とバイパス流路６３を流通した空気を合流させた後、バーナに供給した。結果は表２に示すとおりであった。表２のエネルギー削減効果の欄には、番号１ＢのＬＮＧ消費量を基準とする削減比率を示した。また、合流後の空気の温度（バーナに供給される空気の温度）は、番号７Ａは１２５℃、番号７Ｂは１１７℃、番号７Ｃは９６℃であった。

表２の番号１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、番号２Ａ，２Ｂ，２Ｃ、番号３Ａ，３Ｂ及び番号４Ａとの対比から、輻射式熱交換器を用いて排ガスの顕熱を回収することによって、消費エネルギーを削減できることが確認された。また、耐火物層の厚みを大きくすることによって、内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを高く維持できることが確認された。これによって、金属亜鉛及び塩化亜鉛等の成分が固着することを抑制し安定運転を継続することができる。

耐火物層を設けない場合、又は耐火物層の厚みが小さい場合は、排ガスの顕熱の回収量が増加してエネルギー削減効果を大きくできるものの、内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉが低下し、金属亜鉛の沸点を下回ることが確認された（番号３Ｃ，４Ｂ，５Ａ）。そこで、番号３Ｃに対して、輻射式熱交換器に導入する空気の一部をバイパスした番号６Ａ，６Ｂでは、排ガスの顕熱の回収を継続しつつ、内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上の温度範囲に調整できることが確認された。これと同様に、番号４Ｂに対して、輻射式熱交換器に導入する空気の一部をバイパスした番号７Ａ，７Ｂ，７Ｃでも、排ガスの顕熱の回収を継続しつつ、内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上の温度範囲に調整できることが確認された

１０…バーナ、１１…炉体、１１ａ…天井壁、１１ｂ…側壁、１２…回転炉床、１３…導出口、１４…炉内空間、１６…走行車輪、２１…導入部、２２…ブリケット、２４…搬送部、３３…Ｕ字管、３５…ガス冷却部、４０…直管部、５０…顕熱回収装置、５１…輻射式熱交換器、５１Ａ…内筒、５１Ｂ…外筒、５２…耐火物層、５２ａ…第１耐火物層、５２ｂ…第２耐火物層、５３…内側流路、５３Ａ…流路壁面、５３ａ…上端、５５…外側流路、６０…バイパス設備、６１…流体入口、６２…流体出口、６３…バイパス流路、６４…流路、６５…流量調整バルブ、７０…回収部、７５…ブロア、８０…煙突、９０…導出部、９２…冷却部、１００…回転炉床炉、２００…回転炉床炉設備。

Claims (10)

1. 回転炉床炉の排ガスの顕熱回収装置であって、
   亜鉛成分を含む前記排ガスが流通する内側流路と、前記排ガスの顕熱で加熱される流体が流通する外側流路と、を有する輻射式熱交換器を備え、
   内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら前記排ガスの顕熱を回収する、顕熱回収装置。
2. 前記回転炉床炉は、炉体の天井壁に前記排ガスの導出口を有し、
   平面視において、前記内側流路の上端の少なくとも一部が前記導出口に重なるように、前記輻射式熱交換器が前記導出口の上方に配置される、請求項１に記載の顕熱回収装置。
3. 前記輻射式熱交換器は、前記内側流路の中心軸が鉛直方向に沿うように、前記回転炉床の上方に配置される、請求項１に記載の顕熱回収装置。
4. 前記外側流路を流通する前記流体は酸素を含む酸素含有ガスであり、
   前記酸素含有ガスを、前記回転炉床炉のバーナに供給する流路を備える、請求項１に記載の顕熱回収装置。
5. 前記酸素含有ガスが前記輻射式熱交換器の前記外側流路をバイパスするバイパス流路を備え、
   前記バイパス流路を流通する前記酸素含有ガスの流量を変えて、前記温度Ｔ_Ｉを調節する、請求項４に記載の顕熱回収装置。
6. 前記輻射式熱交換器は、前記内側流路と前記外側流路との間に、１０００℃における熱伝導率が４．０Ｗ／ｍ・ｋ以下である耐火物層を有する、請求項１に記載の顕熱回収装置。
7. 前記輻射式熱交換器は、前記内側流路と前記外側流路との間に、５０ｍｍ以上の厚みを有する耐火物層を有する、請求項１に記載の顕熱回収装置。
8. 前記回転炉床炉の炉体の天井壁に形成された前記排ガスの導出口と、前記輻射式熱交換器との間に直管部を備え、
   前記直管部は、前記直管部の内径よりも長い、請求項１に記載の顕熱回収装置。
9. 回転炉床炉と、請求項１～８のいずれか一項に記載の顕熱回収装置と、を備える、回転炉床炉設備。
10. 回転炉床炉の排ガスの顕熱を回収する輻射式熱交換器を備える顕熱回収装置の運転方法であって、
    前記輻射式熱交換器の内側流路を流通する亜鉛成分を含む前記排ガスの顕熱で、前記輻射式熱交換器の外側流路を流通する流体を加熱する工程を有し、
    前記工程では、前記内側流路の流路壁面の温度Ｔ_Ｉを金属亜鉛の沸点以上且つ亜鉛酸化物の融点以下に維持しながら前記排ガスの顕熱を回収する、運転方法。
    

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