JP4939323B2 - 高炉ガス焚き設備およびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉から排出される高炉ガスを燃料ガスとする高炉ガス焚き設備およびその運転方法に関するものである。

高炉ガスは、鉄鉱石を溶解して銑鉄を生成する際に発生するガスであり、可燃成分を含んでいることから、高炉ガス焚きガスタービン発電プラント等では燃料ガスとして使用されている。しかし、高炉ガスは、一般に低カロリーガスのため、高炉ガス単独ではなく、コークスオーブンガス（ＣＯＧ）等と混合し、ガスタービンの燃焼に必要なカロリーまで増燃して用いられる場合が多い。この増燃ガスは圧力が低いことから、ガスタービン燃焼器への燃料ガス供給経路に燃料ガス圧縮機を設け、高圧に圧縮してガスタービン燃焼器に供給するようにしている。

一方、高炉ガス中には、酸化鉄等の粉塵や腐食ガス成分が含まれているため、高炉からガスタービン設備に高炉ガスを供給する燃料ガス供給経路の上記燃料ガス圧縮機の上流側に電気集塵器等の集塵器を設置し、ダストを除去するようにしている。この集塵器としては、高炉ガス中には粉塵が大量に含まれていることから、腐食ガス成分を散水により捕集したダストと共に洗い流すことができる湿式の集塵器が用いられる。

このように、高炉から排出される高炉ガス中に含まれる大量のダストを湿式集塵器により除去し、このガスを燃料ガス圧縮機で圧縮した後、ガスタービン燃焼器に供給して燃焼させる高炉ガス焚きガスタービン設備の一例が特許文献１に示されている。上記特許文献１に示されるものは、低負荷運転時に燃料ガス圧縮機から吐出される余剰の燃料ガスを流量調整弁および燃料ガス冷却器を経て集塵器の入口側に戻している。

特開平９−７９０４６号公報

上記集塵器として、散水により捕集したダストを洗い流すタイプの湿式集塵器を用いた場合には、高炉ガスからのガス供給温度が０℃を下回ると、凍結により散水が困難となるため、ガスタービンを安全に運転することができなくなる。特に、寒冷地おいては、高炉とガスタービン発電プラント等とが離れて設置されていると、低外気温時に高炉ガスを輸送するガス配管ラインにおいて高炉ガスの放熱による温度降下が顕著となり、集塵器に流入する高炉ガスの温度が０℃を下回る事態が生じる。

上記特許文献１のものは、燃料ガス圧縮機の出口から高温高圧ガスの余剰ガス分を、ガスタービンの負荷に応じて制御される流量調整弁および燃料ガス冷却器を介して集塵器の入口側に戻す再循環経路を備えている。しかし、この再循環経路は、ガスタービンの負荷に応じて増減される燃料ガスの余剰分を再循環することを目的とするものであって、最大で全量戻しが可能な大口径配管となっている。従って、戻り量の少ない高負荷時に少量のガスを戻してみても、ガスの温度を調整することは困難であり、この装置では上記課題の解決手段とはなり得ないものである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高炉ガスの温度が湿式集塵器の凍結下限温度以下となる条件下でも、湿式集塵器の凍結を防止しながら、高炉ガス焚き設備をほぼ定格負荷で運転することができる簡素な構成の高炉ガス焚き設備およびその運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の高炉ガス焚き設備およびその運転方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる高炉ガス焚き設備は、高炉から排出される高炉ガスに含まれるダストを湿式集塵器により除去し、このガスを燃料ガス圧縮機で圧縮した後、燃焼器に供給して燃焼させる高炉ガス焚き設備において、前記燃料ガス圧縮機の出口側と前記湿式集塵器の入口側または湿式集塵器との間に、前記湿式集塵器に流入する高炉ガスの温度を検出し、その温度が所定温度以下のとき、前記燃料ガス圧縮機で圧縮された高温高圧ガスを前記湿式集塵器の入口側または該湿式集塵器内に再循環させる燃料ガス加熱経路が設けられることを特徴とする。

高炉ガス焚き設備では、特に、寒冷地においては、高炉と高炉ガス焚き設備とが離れて設置されていると、低外気温時に高炉から供給されるガスの温度が配管ラインでの放熱により０℃を下回る可能性があり、この場合、湿式集塵器で捕集したダストを洗い流すための散水ができなくなるため、高炉ガス焚き設備を定常運転することが困難となる。本発明によれば、燃料ガス圧縮機の出口側と湿式集塵器の入口側または湿式集塵器との間に、燃料ガス圧縮機で圧縮された高温高圧ガスを再循環させる燃料ガス加熱経路を設け、湿式集塵器に流入する高炉ガスの温度を検出して、燃料ガス圧縮機で圧縮された高温高圧ガスを湿式集塵器の入口側または該湿式集塵器内に再循環させるようにしているため、高炉ガス温度が配管ラインでの放熱により湿式集塵器の凍結下限温度以下となるような場合でも、燃料ガス加熱経路を介して燃料ガス圧縮機からの高温高圧ガスを混合することにより、湿式集塵器に供給される高炉ガス温度を凍結下限温度以上に保つことができる。従って、部分負荷運転を余儀なくされていた低外気温時の運転において、燃料ガス圧縮機の吐出ガス抽気量を最小にし、高炉焚き設備をほぼ定格負荷で運転することができる。

また、本発明の高炉ガス焚き設備の運転方法は、高炉から排出される高炉ガスに含まれるダストを湿式集塵器により除去し、このガスを燃料ガス圧縮機で圧縮した後、燃焼器に供給して燃焼させる高炉ガス焚き設備の運転方法において、前記湿式集塵器に流入する高炉ガスの温度が所定温度以下のとき、前記燃料ガス圧縮機で圧縮された高温高圧ガスを前記湿式集塵器の入口側または該湿式集塵器内に再循環させて、前記湿式集塵器に流入する高炉ガスを加熱し、前記湿式集塵器に流入する高炉ガス温度を凍結下限温度以上に保つことを特徴とする。

本発明によれば、高炉から供給される高炉ガスの温度が配管ラインでの放熱により低下し、湿式集塵器で散水される水の凍結下限温度以下になると、燃料ガス圧縮機で圧縮された高温高圧ガスが湿式集塵器の入口側または該湿式集塵器内に再循環され、湿式集塵器に流入される高炉ガスを加熱し、その温度を凍結下限温度以上に保つことができる。これによって、部分負荷運転を余儀なくされていた低外気温時の運転においても、燃料ガス圧縮機の吐出ガス抽気量を最小にし、ほぼ定格負荷で高炉ガス焚き設備を運転することができる。

また、本発明の高炉ガス焚き設備の運転方法は、上記の高炉ガス焚き設備の運転方法において、前記高温高圧ガスの再循環量を前記湿式集塵器に流入する高炉ガスの温度を検出して調節するとともに、前記高炉ガスの流量を検出して先行制御することを特徴とする。

本発明によれば、高温高圧ガスの再循環量を湿式集塵器に流入する高炉ガスの温度を検出して調節し、フィードバック制御によって確実に凍結下限温度以上に調節することができるだけでなく、高炉ガスの流量をパラメータとして先行制御するようにしているため、高炉ガス供給量が大きく変化しても、応答遅れを生じることなく、高温高圧ガスの再循環量を適正に調整することができる。従って、湿式集塵器に流入される高炉ガスの温度を確実に凍結下限温度以上に調節することができる。

本発明の高炉ガス焚き設備によると、高炉ガスの温度が湿式集塵器の凍結下限温度以下となるような低外気温下でも、燃料ガス加熱経路を介して燃料ガス圧縮機から吐出された高温高圧ガスの一部を混合することにより、湿式集塵器に供給される高炉ガスの温度を凍結下限温度以上に保つことができる。このため、部分負荷運転を余儀なくされていた低外気温時の運転において、燃料ガス圧縮機の吐出ガス抽気量を最小にし、ほぼ定格負荷で高炉ガス焚き設備を運転することができる。また、湿式集塵器の凍結を防止するための手段を簡素な構成でかつ低コストで提供することができる。

また、本発明の高炉ガス焚き設備の運転方法によると、高炉から供給される高炉ガスの温度が湿式集塵器で散水される水の凍結下限温度以下になると、燃料ガス圧縮機で圧縮された高温高圧ガスの一部が湿式集塵器の入口側または集塵器内に再循環され、湿式集塵器に流入する高炉ガスを加熱し、その温度を凍結下限温度以上に保つことができる。このため、部分負荷運転を余儀なくされていた低外気温時の運転において、燃料ガス圧縮機の吐出ガス抽気量を最小にし、ほぼ定格負荷で高炉ガス焚き設備を運転することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態にかかる高炉ガス焚きガスタービン設備の配管系統図が示されている。
本実施形態にかかる高炉ガス焚きガスタービン設備１は、ガスタービン燃焼器２Ａを備えた高炉ガス焚きガスタービン２と、図示省略の高炉から高炉ガスを供給するメインガスライン３と、メインガスライン３から高炉ガス焚きガスタービン２の燃焼器２Ａに高炉ガスを燃料ガスとして供給するガス配管ライン４と、高炉から供給される高炉ガスに高カロリーのコークスオーブンガス（ＣＯＧ）を混合器５を介して混合するＣＯＧ供給ライン６と、ガス配管ライン４中に設置される湿式電気集塵器等からなる湿式集塵器７と、湿式集塵器７の下流側でガス配管ライン４中に設置される定容量型の軸流圧縮機等からなる燃料ガス圧縮機８と、高炉ガス焚きガスタービン２の負荷に応じて燃料ガス圧縮機８から吐出される高温高圧の燃料ガスを抽気し、湿式集塵器７の入口側に再循環させる再循環ライン９と、再循環ライン９中に設置されるガス冷却器１０と、湿式集塵器７に流入する高炉ガスの温度が湿式集塵器７の凍結下限温度、例えば５℃以下になると、燃料ガス圧縮機８から吐出される高温高圧の燃料ガスの一部を抽気し、この燃料ガスを湿式集塵器７の上流側で燃料ガス加熱混合器１１を介してガス配管ライン４中の高炉ガスに混合する燃料ガス加熱ライン（燃料ガス加熱経路）１２とから構成される。

ガス配管ライン４は、高炉ガスが低カロリーガスであり、流量を確保しなければならないことから、プラントによっては配管口径が３ｍを超える大きさとなることもあり、一般に保温施工されていないことから、高炉と高炉ガス焚きガスタービン２とが離れて設置されている場合、ガス配管ライン４の長さが長くなって、高温の高炉ガスが輸送中に放熱されて外気温付近まで低下されることになる。特に、寒冷地では、外気温が０℃以下のマイナスになる場合が多々あり、このような場合、ガス配管ライン４中で高炉ガスの温度が０℃を下回ることがある。

集塵器７としては、高炉ガス中の粉塵を高効率で除去する必要があるため、高電圧でイオン化したダストを電極板で捕集し、捕集したダストを散水により洗い流す構成の湿式電気集塵器に代表される湿式集塵器が用いられる。湿式集塵器７には他の形式もあるが、このような水を用いる湿式集塵器７では、雰囲気温度が０℃以下になると水が凍結して散水できなくなる。このため、湿式集塵器７に流入される高炉ガス温度を湿式集塵器７の凍結下限温度以上に保ち、水が凍結しないようにする必要がある。この凍結下限温度は、例えば、５℃に設定される。

燃料ガス圧縮機８は、除塵された低圧の高炉ガスを４００℃程度の高温高圧の燃料ガスに圧縮し、高炉ガス焚きガスタービン２の燃焼器２Ａに供給するものである。この燃料ガス圧縮機８には、定容量型の軸流圧縮機が用いられる。軸流圧縮機は、サージング領域が広く、５０〜６０％以上の流量で運転しないとサージングを起こす。このため、ガスタービン負荷が低く、ガスタービン２に供給する燃料ガスの量が少量でよい場合は、サージングが生じない範囲で燃料ガス圧縮機８を運転し、余剰の燃料ガスを、再循環ライン９を経て燃料ガス圧縮機８の上流側でガス配管ライン４に戻すようにしている。ここでは、余剰の燃料ガスを湿式集塵器７の上流側に戻し、再び除塵するとともに、湿式集塵器７内でガス配管ライン４からの元高炉ガスと充分に混合し、燃料ガスしてガスタービン２に供給する際に、カロリーにバラツキが生じないようにしている。

再循環ライン９には、高炉ガス焚きガスタービン２の負荷に応じて制御されるガス流量調整弁１３が設けられ、再循環ライン９側に抽気される燃料ガスの再循環量を調整できるようにしている。この再循環ライン９を経てガス配管ライン４に戻される余剰の燃料ガスは、ガス冷却器１０で冷却され、温度降下された後、湿式集塵器７の上流側においてガス配管ライン４に戻されて再循環される。この再循環ライン９は、全量が再循環できる大口径の配管になっているが、定格運転時には再循環量はほとんど無い。そのような状況で集塵器入口ガス温度の調整を、このラインを使って行うことは不可能である。

他方、燃料ガス加熱ライン１２は、燃料ガス圧縮機８の下流側（出口側）と、湿式集塵器７の上流側（入口側）との間に設けられる。この燃料ガス加熱ライン１２は、燃料ガス圧縮機８から吐出された高温高圧の燃料ガスの一部を抽気し、それを湿式集塵器７の上流側でガス配管ライン４中の高炉ガスに混合することにより、高炉ガスを加熱するためのものである。また、燃料ガス加熱ライン１２には、燃料ガス加熱ライン１２を遮断するための遮断弁１４と、湿式集塵器７に流入する高炉ガスの温度を調節するための燃料ガス温度調節弁１５とが設けられる。この燃料ガス加熱ライン１２は、再循環専用配管なので、小径管でよく、十分な保温工事が施工される。

上記遮断弁１４および燃料ガス温度調節弁１５は、制御装置１６により制御されるようになっている。この制御装置１６には、湿式集塵器７入口側のガス配管ライン４に設けられるガス温度センサ１７の検出値が入力される。制御装置１６は、湿式集塵器７入口の高炉ガス温度が５℃付近になると、遮断弁１４を開とするとともに、燃料ガス温度調節弁１５を制御入りの状態とする。これによって、燃料ガス温度調節弁１５の開度は、湿式集塵器７入口の高炉ガス温度が５℃一定となるように、制御装置１６を介してフィードバック制御され、高炉ガスに混合される高温高圧の燃焼ガスの再循環量を調整する。

また、ガス配管ライン４には、高炉ガスの流量を検出する流量検出センサ１８が設けられている。この流量検出センサ１８の検出値に基づいて制御装置１６は、高炉ガス量が大きく変化する高炉ガス焚きガスタービン２の起動時や停止時等において、高炉ガス供給量に対応して燃料ガス温度調節弁１５の弁開度を、設定器１９にて予めガス温度に応じて設定されている開度に先行制御（フィードフォワード制御）する構成とされている。これによって、高炉ガス供給量が大きく変化する場合の応答遅れを防止している。更に進んで、ガスタービン出力又は発電機出力の変動に対する先行制御を選択することも可能である。

以上説明の構成により、本実施形態によると、以下の作用効果を奏する。
高炉ガスは、ガス配管ライン４を経てＣＯＧ供給ライン６からのコークスオーブンガスと混合された後、湿式集塵器７に流入され、ここで高炉ガス中の粉塵等が除去される。湿式集塵器７で清浄化された高炉ガスは、燃料ガス圧縮機８に吸入されて圧縮され、高温高圧の燃料ガスとして吐出される。この燃料ガスは、高炉ガス焚きガスタービン２の燃焼器２Ａに供給され、燃焼されてガスタービン２の駆動源とされる。燃焼器２Ａには、高炉ガス焚きガスタービン２の負荷に応じた量の燃料ガスが供給される。また、余剰の燃料ガスは、高炉ガス焚きガスタービン２の負荷に応じて制御されるガス流量調整弁１３を介して再循環ライン９側に抽気され、ガス冷却器１０で冷却された後、湿式集塵器７の上流側でガス配管ライン４に戻されて再循環される。

一方、低外気温時おいて、高炉ガスがガス配管ライン４中で放熱により温度降下し、湿式集塵器７の凍結下限温度（例えば、５℃）付近まで低下すると、この温度をガス温度センサ１７が検出し制御装置１６に入力する。この場合、制御装置１６は、燃料ガス加熱ライン１２の遮断弁１４を開とするとともに、燃料ガス温度調節弁１５を制御入りの状態とする。これによって、燃料ガス温度調節弁１５は、湿式集塵器７入口の高炉ガス温度が５℃以上となるように制御装置１６を介して開度が調節され、その開度に応じた量の高温高圧燃料ガスを燃料ガス圧縮機８の出口から燃料ガス加熱ライン１２へと再循環させる。この高温高圧燃料ガスは、混合器１１を介してガス配管ライン４中の高炉ガスに混合され、高炉ガスを加熱する。

その結果、湿式集塵器７に流入する高炉ガスの温度を常に湿式集塵器７の凍結下限温度以上に保つことができ、湿式集塵器７において散水の凍結を防止し、湿式集塵器７を正常に継続運転することができる。従って、部分負荷運転を余儀なくされていた低外気温時の運転において、湿式集塵器７の凍結を心配することなく、燃料ガス圧縮機の吐出ガス抽気量を最小にし、高炉焚きガスタービンをほぼ定格負荷で運転することができる。また、湿式集塵器７の凍結を防止するための手段を簡素な構成でかつ低コストで提供することができる。

また、高炉から供給されるガスの流量を流量センサ１８により検出し、その検出値に基づいて燃料ガス温度調節弁１５の開度を予め設定器１９により設定された開度とするフィードフォワード制御を行っているため、ガスタービン２の起動時や停止時等において高炉ガス供給量が大きく変化しても、応答遅れを生じることなく、高温高圧ガスの再循環量を適切に調整することができる。従って、湿式集塵器７に流入する高炉ガスの温度を確実に凍結下限温度以上に調節することができる。
さらに、燃料ガス加熱ライン１２に遮断弁１４を設け、高温高圧ガスを再循環させる必要がないときには、遮断弁１４により確実に燃料ガス加熱ライン１２を遮断できるようにしている。このため、燃料ガス圧縮機８で圧縮された高温高圧ガスの不要なリークによる再循環を防止し、圧縮ロスを抑制することができる。

なお、本実施形態では、燃料ガス加熱ライン１２を混合器５の上流側でガス配管ライン４に接続しているが、これに限らず湿式集塵器７の上流側であれば、何れの位置に接続してもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、燃料ガス加熱ライン１２の接続位置が異なっている。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態では、燃料ガス加熱ライン１２を湿式集塵器７に直接接続し、高温高圧の燃料ガスを直接湿式集塵器７内に再循環させるようにしている。

このように、燃料ガス加熱ライン１２を経て再循環される高温高圧の燃料ガスを直接湿式集塵器７内に供給して高炉ガスと混合し、高炉ガスを加熱することによっても、上記第１実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、この場合、ガス配管ライン４に設けられているガス温度センサ１７はそのままとし、湿式集塵器７に別の温度センサを設けることにより、湿式集塵器７が凍結下限温度以上に保たれていることを確認するようにしてもよいし、あるいはガス温度センサ１７を湿式集塵器７に移設してもよい。

なお、本発明は、上記した実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、本発明において、高炉ガス焚き設備は、上記したガスタービン設備（発電設備）限らず、他の高炉ガス焚きプラントであってもよい。また、本発明において、コークスオーブンガス（ＣＯＧ）の混合は必須ではない。また、増燃ガスは、コークスオーブンガス（ＣＯＧ）に限らず、別のガスを用いることも可能である。さらに、湿式集塵器７や燃料ガス圧縮機８は、前記した湿式電気集塵器や定容量型軸流圧縮機に限らず、他形式の集塵器や圧縮機を用いてもよいことはもちろんである。

本発明の第１実施形態にかかる高炉ガス焚きガスタービン設備の系統図である。

１ 高炉ガス焚きガスタービン設備（高炉ガス焚き設備）
２ 高炉ガス焚きガスタービン
２Ａ 燃焼器
３ メインガスライン
４ ガス配管ライン
５ 混合器
６ ＣＯＧ供給ライン
７ 湿式集塵器
８ 燃料ガス圧縮機
１２ 燃料ガス加熱ライン（燃料ガス加熱経路）
１３ ガス流量調整弁
１４ 遮断弁
１５ 燃料ガス温度調節弁
１６ 制御装置
１７ ガス温度センサ
１８ 流量検出センサ

Claims (3)

1. 高炉から排出される高炉ガスに含まれるダストを湿式集塵器により除去し、このガスを燃料ガス圧縮機で圧縮した後、燃焼器に供給して燃焼させる高炉ガス焚き設備において、
   前記燃料ガス圧縮機の出口側と前記湿式集塵器の入口側または該湿式集塵器との間に、前記湿式集塵器に流入する高炉ガスの温度を検出し、その温度が所定温度以下のとき、前記燃料ガス圧縮機で圧縮された高温高圧ガスを前記湿式集塵器の入口側または該湿式集塵器内に再循環させる燃料ガス加熱経路が設けられることを特徴とする高炉ガス焚き設備。
2. 高炉から排出される高炉ガスに含まれるダストを湿式集塵器により除去し、このガスを燃料ガス圧縮機で圧縮した後、燃焼器に供給して燃焼させる高炉ガス焚き設備の運転方法において、
   前記湿式集塵器に流入する高炉ガスの温度が所定温度以下のとき、前記燃料ガス圧縮機で圧縮された高温高圧ガスを前記湿式集塵器の入口側または該湿式集塵器内に再循環させて、前記湿式集塵器に流入する高炉ガスを加熱し、前記湿式集塵器に流入する高炉ガス温度を凍結下限温度以上に保つことを特徴とする高炉ガス焚き設備の運転方法。
3. 前記高温高圧ガスの再循環量を前記湿式集塵器に流入する高炉ガスの温度を検出して調節するとともに、前記高炉ガスの流量を検出して先行制御することを特徴とする請求項２に記載の高炉ガス焚き設備の運転方法。

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