JP5430750B2 - 高温ガス主管中におけるガス温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は概略的には、高炉へ高温ガスを送り出すための、より詳細には高炉へ異なる一定温度にそれぞれ保持された２種の高温ガスのガス流を別個に送り込むための、高温ガス主管中におけるガス温度及び又は流量の制御装置に関する。

高炉には、通常ホットストーブあるいはペブルヒーター等の熱発生装置からの高温ガスが送り込まれる。これら熱発生装置の一つの固有な特徴として、送風段階において発生装置から離れるにつれて高温ガスの温度が徐々に低下することがある。また、高炉には一定温度の高温ガスが送り込まれることが一般的に望まれている。そのため、一定温度を得るために、高温ガスの徐々に低下する温度は選定された量の冷ガスを混合することによって調節される。実際、高温ガスの温度は、変化しないように一様に保持されなければならない。通常、かかる温度の一様化は、高温ガスの温度をその最低値、すなわち送風サイクルの末端における高温ガスの温度まで低下させるのに十分量の冷ガスを徐々に混合することによって達成される。高温ガスへ正しい量の冷ガスを加えることにより、高温ガスの温度は一定温度まで低下され、この一定温度とされたガスが高炉へ送り込まれる。

最近になって、高炉の効率を高めるために、高炉へ高温ガスの２つの分流を２つの異なる高さから送り込むことが有益なことが見出された。好ましくは、これら２つの別個の高温ガス分流はさらにそれぞれ異なる一定温度とされる。かかる知見は、例えば２００９年３月１７日に出願された同時係属特許出願ＬＵ９１５４２において示唆されている。

本発明は、異なる２つの別個のガス流が生成される高温ガスの温度制御方法を提供することを目的とする。本目的は請求項１項記載の装置によって達成される。

本発明は、高炉への高温ガスの送り込みに際して高温ガス主管中においてガス温度を制御する制御装置を提案するものである。本装置は、小室を備える混合ポット、高温ガスを受け入れるための取込みポート、冷ガスを受け入れるための取込みポート、混合ガスを送り出すための送気ポート、及び前記小室へ送り込まれる冷ガス量を制御するための制御システムから構成される。本発明の重要な観点によれば、前記混合ポットは、内部に第一混合小室と第二混合小室を有するハウジングから構成され、前記第一及び第二混合小室はベンチュリ型絞りによって互いに流体連絡されている。前記第一混合小室には高温ガスを第一混合小室中へ送り込むための第一取込みポートと、冷ガスを第一混合小室中へ送り込むための第二取込みポート、及び冷ガスを第二混合小室中へ送り込むための第三取込みポートが設けられる。前記第一混合小室にはさらに、第一レベルにおいて混合ガスの第一ガス流を、混合ガスの第一ガス流を第一混合小室から高炉へ送り込む第一ガス分配システムへ送り込むための第一送気ポートが設けられ、他方第二混合小室には、第二レベルにおいて混合ガスの第二ガス流を混合ガスの第二ガス流を、第二混合小室から高炉へ送り込む第二ガス分配システムへ送り込むための第二送気ポートが設けられる。前記混合ガス第一分流の温度は、前記混合ガス第二分流の温度とは異なる温度とされる。

従って、本発明では、２つの別個の温度を有する２つの別個のガス流を得るために、２つの混合小室を有する単一の混合ポットが提案されている。前記高温ガスの温度は温度Ｔ１に設定可能であるが、最高温度Ｔ_ｍａｘから最低温度Ｔ_ｍｉｎまで徐々に降下する。前記冷ガスの温度は温度Ｔ２に設定可能である。第一混合小室において、高温ガス中へ冷ガスが加えられ、この加えられる冷ガス量は、混合ガスが実質的に最低温度Ｔ_ｍｉｎに相当する一定温度Ｔ３となる量である。第二混合小室においては、既に生成された一定温度Ｔ３の混合ガスに温度Ｔ２の冷ガスが加えられて混合ガスは温度Ｔ３よりも低い温度Ｔ４とされる。その結果、本発明に従った混合ポットを用いることにより、２つの別個の高さにおいて、かつ２つの異なる一定温度においてガスを高炉へ送り込むことが可能となった。２つの異なる一定温度に保持されたガスを２つの異なるレベルから高炉へ送り込むことの理由及び利点は、本願に参照のために引用された同時係属特許出願ＬＵ９１５４２に記載された通りである。

本発明においては、用語「高温ガス」には、例えば空気、濃縮空気、リサイクルトップガス、脱二酸化炭素トップガスも含まれることに注意すべきである。

前記第三取込みポートは、有利な態様として、第二混合小室の周囲に亘って配列される複数の開口部によって形成される。前記開口部をスパイダ型配列システムとも呼べる配列とすることにより、第二混合小室中へ送り込まれた冷ガスが高温の送風ガスと十分に混合されることが確保され、それによって均質な混合ガスが得られる。

前記第三取込みポートは好ましくはベンチュリ型絞りの周辺に配列される複数の開口部によって形成される。これらの開口部は、有利な態様では、第二小室に面するベンチュリ型絞りの一部中に開口しているため、送り込まれて来る冷ガスは第二混合小室の方へと向けられる。また、第二混合小室から第一混合小室へのガスの逆流も同時に防止される。

さらに有利な態様として、第三取込みポート開口部は本発明装置の縦軸の方には向けられない。その代わり、該第三取込みポートは第二混合小室内に渦巻き状の動きが生ずるように配置され、それによって第二混合小室中における均質混合ガスの生成が確保される。

本発明の一実施態様においては、前記混合ポットにはさらにガスを第二混合小室へ送り込むための第四取込みポートが第二混合小室中に設けられ、該第四取込みポートは第二送気ポートに対向して配置される。混合ポートへガスを送り込むため、第四導管が第四取込みポートに連結される。この第四導管を通して送り込まれるガスは冷ガスでもよいが、第二ガス分配システムへ不活性ガスを送り込むためにこの第四導管を用いる方が有利である。実際、安全性の理由から、例えば第二ガス分配システムを掃気するために、第四取込みポートを用いることが可能である。第二ガス分配システムの急速なイナーティゼーション（不活性化）は、第四取込みポートを通して不活性ガスを送り込むことによって達成可能である。

高温ガスを熱交換器から前記混合ポットへ送り込むため、第一導管を前記第一取込みポートと連結させることが可能である。有利な態様においては、熱交換器から受け取る高温ガスの温度差を小さくするため、この第一導管には減衰装置が備えられる。熱交換器から送り込まれる高温ガスは、熱交換機の送風開始段階における最高温度Ｔ_ｍａｘから送風最終段階における最低温度Ｔ_ｍｉｎまでの範囲において温度変化する。熱交換機の送風開始段階において前記減衰装置によって高温ガスからある程度の熱が吸収され、この熱は該送風段階の最終段階において高温ガスへ戻されることにより温度差の小さい送風ガスが生成される。減衰装置の下流における減衰後の最高温度Ｔ_{ａｔｔ−ｍａｘ}は該減衰装置の上流における最高温度Ｔ_ｍａｘよりも低い。また、該減衰装置の下流における減衰後の最低温度Ｔ_{ａｔｔ−ｍｉｎ}は該減衰装置の上流における最低温度Ｔ_ｍｉｎよりも高い。減衰後の最低温度Ｔ_{ａｔｔ−ｍｉｎ}は最低温度Ｔ_ｍｉｎよりも高いため、目標とする一定温度を得るために必要とされる冷ガス量を熱交換機の送風段階の全体に亘って減ずることが可能となる。この減衰装置を用いることにより、天然資源をより有効に利用して目標温度を得ることが可能とされる。また、送風温度を高めて高炉へ投入されるコークス量を減ずることも可能である。

前記減衰装置は、蓄熱プレートあるいは礫床を用いて高温ガスがその中を通過するように配列して構成可能である。

好ましくは、第二導管は混合ポットへ冷ガスを送り込むための第二取込みポートと連結され、及び第三導管は混合ポットへ冷ガスを送り込むための第三取込みポートと連結され、及び混合ポット中への冷ガス流量を制御するために第二導管及び第三導管のそれぞれに制御弁が取り付けられる。

第一送込みラインを第一送気ポートと連携して混合ガスの第一分流を前記第一混合小室から第一分配システムへ送り込み、及び第二送込みラインを第二送気ポートと連携して混合ガスの第二分流を前記第二混合小室から第二ガス分配システムへ送り込むことが可能である。上述した混合ポットを用いることにより、第一及び第二送込みラインを通る前記混合ガスの第一及び第二分流が一定温度とされる。

有利な態様として、本発明装置にはさらに混合ガス第一分流のガス流容積及び混合ガス第二分流のガス流容積を測定する手段が備えられる。これら手段は、前記第一送込みラインあるいは第二送込みライン中のベンチュリ管、前記第一ガス分配システムあるいは第二ガス分配システム中のベンチュリ管、音響エミッター又はレシーバー、あるいは第一送込みラインあるいは第二送込みライン中のピート管であってもよい。この手段は単数個、あるいは複数個組み合わせて設けることが可能である。

本発明装置には好ましくはさらに、混合ガス第一分流のガス流容積を制御する制御手段、及び混合ガス第二分流のガス流容積を制御する制御手段が備えられる。

本発明に従った混合ポットを備える分配システムを示した略図である。 図１の分配システムに用いられる代替可能な減衰装置の略図である。

発明を実施するための手段

以下において、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様について説明する。
図１は、１又は２以上の熱交換機（図示せず）から高炉（図示せず）へ高温ガスを送り込む分配システム１０を示した図である。高温ガスは通常、多数の熱交換機、一般的には高炉ストーブあるいはカウパー中において約１０００℃〜１２５０℃の温度まで加熱される。熱交換機及びその機能については当業者には周知なため本願では説明は行わない。熱交換機によって漸進的に温度が降下する高温ガスが供給されるが、通常一定温度の高温ガスを送り込むことが望まれることから、分配システム中には高温ガスの温度を制御するための制御装置が取り付けられる。このような装置においては、制御された冷ガス量が高温ガスのガス流中へ送り込まれ、高温ガスの温度は一定温度、通常は熱交換機から出て来る高温ガスの最低温度に制御される。

本発明に従った高温ガス温度制御装置は、図１に示すように、第一混合小室１６及び第二混合小室１８を備える混合ポット１４から構成される。第一混合小室１６及び第二混合小室１８はベンチュリ型絞り２０を介して相互に液体連絡される。

前記第一混合小室１６には、熱交換機から高温ガスを受け入れるための第一導管２４が連結された第一取込みポート２２が設けられる。第一混合小室１６にはさらに、冷ガスを受け入れるための第二導管２８が連結された第二取込みポート２６が設けられる。該第二導管２８には第一小室１６中へ送り込まれる冷ガス量を制御するための第一弁３０が取り付けられる。

第一導管２４を通して送り込まれる高温ガスの温度は、熱交換機の送風開始段階における最高温度Ｔ_ｍａｘから送風終了段階における最低温度Ｔ_ｍｉｎまでの範囲内において変動する。高炉へ送り込むための一定温度とするため、制御された量の冷ガスが高温ガスと混合されて最低温度Ｔ_ｍｉｎに合わされる。

前記第一導管２４には、その有利な態様において、減衰装置３２が含まれ、その第一の実施態様は図１に示す通りである。小型の水平熱交換機とも呼べる減衰装置３２は、第一導管２４と一列に配置され、かつその断面は拡大されている。この減衰装置は３２は、熱交換機の送風開始段階において高温ガスからある程度熱を吸収し、かつ送風終了段階においてこの熱を高温ガスへ戻すことができ、これによりＴ_ｍａｘとＴ_ｍｉｎとの差を減ずることができるセラミック材料から成る。このセラミック材料は符号３４で略示されているような1組の加熱プレートであってもよい。また、パイプあるいは煉瓦等のセラミック材料であってもよい。減衰装置３２の下流における減衰済み最高温度Ｔ_{ａｔｔ−ｍａｘ}は、減衰装置３２の上流における最高温度Ｔ_ｍａｘよりも低い。また、減衰装置３２の下流における減衰済み最低温度Ｔ_{ａｔｔ−ｍｉｎ}は減衰装置３２の上流における最低温度Ｔ_ｍｉｎよりも高い。冷ガス量は常に最低温度で混合ポート１４へ送り込まれるように計算され、また減衰後の最低温度Ｔ_{ａｔｔ−ｍｉｎ}は最低温度Ｔ_ｍｉｎよりも高いため、一定温度を得るために必要な冷ガス量を熱交換機の送風段階全体に亘って減ずることが可能である。別の言い方をすれば、熱交換機中において高温ガスへ加えられるより減じられた熱は混合ポット１４によってさらに取り除かれなければならない。

前記減衰装置３２を用いることにより、より高温なガスを高炉へ送り込むことが可能となる。他方において、減衰装置３２を用いることにより、熱交換機をより低い温度において作動させることができるため、ガスが高温で反応を起こす可能性のある水素含量の高いリサイクルされた脱二酸化炭素トップガスから成る場合に特に有利である。さらに、減衰装置３２を用いることにより、より速く作業温度に到達することが可能となる。これにより、天然資源の利用がより効率的になりＣＯ_２放出の低減に繋がる。

図２に示している減衰装置３６の第二の実施態様は、熱吸収礫材料４０で満たされた礫小室３８から構成される。高温ガスを礫小室３８中を通過させるため、障害物４１が第一導管２４中に配置される。

前記第一混合小室１６には、第一送風パイプ４８及び第一羽口セット５０から成る第一ガス分配装置４６へ温度調節されたガスを送り込む第一送込みライン４４と連結される第一送気ポート４２が設けられる。

第二混合小室１８は第一混合小室１６とベンチュリ型絞り２０を介して流体連絡される。一様な温度に達した混合済みガスは第一混合小室１６から第二混合小室１８へ送られる。第二混合小室１８中へ冷ガスを送り込むため、第三導管５２は好ましくはスパイダー型分配システム５４を介して、かつ複数の第三取込みポート５６を通して混合ポット１４へ連結される。第二混合小室１８中へ送り込まれる冷ガス量を制御するため、第二弁５８が第三導管５２中に取り付けられる。有利な態様として、第三取込みポート５６が第二混合小室１８に面するベンチュリ型絞り２０の円錐形状部中に設けられ、これにより第三導管５２を通して送り込まれる冷ガスが第一混合小室１６から遠ざかる方向に第二混合小室１８中へ向けられることが確保されることに注意すべきである。その結果として、第二混合小室１８から第一混合小室１６へ向かうあらゆるガスの逆流も防止することが可能となる。さらに、第二混合小室１８内で渦巻き状の動きが生ずるように、この第三取込みポート５６が設けられる。このような動きを生ずるために、第三取込みポート５６は混合ポット１４の半径方向に対して一定角度を成すように、すなわち混合ポット１４の軸方向に向かないように配置される。

第二混合小室１８には、第二送風パイプ６６と第二羽口セット６８から成る第二ガス分配装置６４へ温度制御されたガスを送り込むため、第二送込みライン６２と連結される第二送気ポート６０が設けられる。

高温ガスの冷ガスとの混合は、有利な態様においては、第一弁３０及び第二弁５８を用いて、９００℃〜１２５０℃の範囲内において選定された一定温度とされたガスは第一ガス分配装置４６へ送り込まれ、他方８５０℃〜９５０℃の範囲内で選定された一定温度とされたガスは第二ガス分配装置６４へ送り込まれるように制御される。

本発明によれば、混合ポート１４からガスを、２つの異なるレベルで、かつ２つの異なる一定温度で送り出すことが可能とされる。

本発明の一実施態様においては、さらにガスを第四取込みポート７４を経て第二混合小室１８へ送り込むために、第三弁７２を備える第四導管７０が設けられる。第四導管７０を通して送り出されるガスは冷ガスであってもよいが、必要であれば第二ガス分配装置６４を不活性化するために用いられる不活性ガスであってもよい。かかる理由から、第四取込みポート７４は好ましくは第二送気ポート６０に対向して配置される。

第一送込みライン４４及び第二送込みライン６２のそれぞれには、第一ガス分配装置４６及び第二ガス分配装置６４へ送り込まれるガス量を制御するための制御弁７６、７８が備えられる。第一送込みライン４４及び第二送込みライン６２中にガススライド弁７９、７９’をそれぞれ設けることも可能である。

高炉中へ送り込まれるガスの流速は、羽口５０、６８中のベンチュリ管、第一及び第二送込みライン４４、６２中のベンチュリ管８２、８２’、音響レシーバー８８、９０、８８’、９０’をそれぞれ備えるピート管あるいは音響エミッター８６、８６’等の種々手段により測定可能である。これらの手段は、単独、あるいは互いに組み合わせて用いられることに注意すべきである。

１０：分配システム
１４：混合ポット
１６：第一混合小室
１８：第二混合小室
２０：ベンチュリ型絞り
２２：第一取込みポート
２４：第一導管
２６：第二取込みポート
２８：第二導管
３０：第一弁
３２：減衰装置
３４：加熱プレート
３６：減衰装置
３８：礫小室
４０：礫材料
４１：シケイン
４２：第一送気ポート
４４：第一送込みライン
４６：第一ガス分配装置
４８：第一送風パイプ
５０：第一羽口組
５２：第三導管
５４：スパイダー型分配システム
５６：第三取込みポート
５８：第二弁
６０：第二送気ポート
６２：第二送込みライン
６４：第二ガス分配装置
６６：第二送風パイプ
６８：第二羽口組
７０：第四導管
７２：第三弁
７４：第四取込みポート
７６：制御弁
７８：制御弁
７９，７９’：ガススライド弁
８０，８０’：ベンチュリ管
８２，８２’：ベンチュリ管
８４，８４’：ピート管
８６，８６’：音響エミッター
８８，８８’：音響レシーバー
９０，９０’：音響レシーバー

Claims (14)

1. 小室を備える混合ポット、高温ガスを受け入れるための取込みポート、冷ガスを受け入れるための取込みポート、混合ガスを送り出すための送気ポート、及び前記小室へ送り込まれる冷ガス量を調節するための制御システムから構成される高炉中へ高温ガスを送り込むための高温ガス主管中におけるガス温度制御装置であって、
   前記混合ポットが、
   ベンチュリ型絞りを用いて互いに流体連絡される第一混合小室及び第二混合小室が内部に画成されたハウジングと、
   前記第一混合小室中へ高温ガスを送り込むための、前記第一混合小室中の第一取込みポートと、
   前記第一混合小室中へ冷ガスを送り込むための、前記第一混合小室中の第二取込みポートと、
   前記第二混合小室中へ冷ガスを送り込むための、前記第二混合小室中の第三取込みポートと、
   前記高炉の第一レベルへ混合ガスの第一分流を送り込むために、前記第一混合小室から第一ガス分配システムへ前記混合ガスの第一分流を送り込むための前記第一混合小室中の第一送気ポートと、
   前記高炉の第二レベルへ混合ガスの第二分流を送り込むために、前記第二混合小室から第二ガス分配システムへ前記混合ガスの第二分流を送り込むための前記第二混合小室中の第二送気ポートから構成され、
   前記混合ガスの第一分流の温度は前記混合ガスの第二分流の温度と異なる温度とされることを特徴とする前記装置。
2. 前記第三取り込みポートが前記第二混合小室の周辺に配列される複数の開口部によって形成されることを特徴とする請求項１項記載の装置。
3. 前記第三取込みポートが前記ベンチュリ型絞りの周囲に配列される複数の開口部によって形成され、前記開口は第２小室に面するベンチュリ型絞りの部分に配置されていることを特徴とする請求項１項記載の装置。
4. 前記第三取込みポート開口部が、第二混合小室内において渦巻き運動が生ずるように配列されることを特徴とする請求項２項又は３項記載の装置。
5. 前記混合ポットにおいて、前記第二混合小室中へガスを送り込むため、前記第二混合小室中に第四取込みポートが設けられ、及び該第四取込みポートが前記第二送気ポートに対向して配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 高温ガスを熱交換機から前記混合ポットへ送り込むために第一導管が前記第一取込みポートに連結され、該第一導管に前記熱交換機から受け取られる高温ガスの温度差を減ずるための減衰装置が含まれることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 前記減衰装置が、蓄熱プレートが配列されて成ることを特徴とする請求項６項記載の装置。
8. 前記減衰装置が、高温ガスが通される礫床から成ることを特徴とする請求項６項記載の装置。
9. 前記混合ポットへ冷ガスを送り込むために第二導管が前記第二取込みポートに連結され、
   及び前記混合ポットへ冷ガスを送り込むために第三導管が前記第三取込みポートに連結され、
   及び前記混合ポット中への冷ガスのガス流を制御するために前記第二及び第三導管のそれぞれに制御弁が配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
10. 前記混合ポットへガスを送り込むために第四導管が前記第四取込みポートに連結され、
    及び前記混合ポット中へのガス流を制御するため制御弁が前記第四導管中に配置されることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の装置。
11. 前記第四導管を通して送られる前記ガスが不活性ガスであることを特徴とする請求項１０項記載の装置。
12. 前記混合ガスの第一分流を前記第一混合小室から前記第一ガス分配システムへ送り込むために第一送り込みラインが前記第一送気ポートに連結され、
    及び前記混合ガスの第二分流を前記第二混合小室から前記第二ガス分配システムへ送り込むために第二送り込みラインが前記第二送気ポートに連結されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記混合ガスの第一分流の容積を測定する手段、
    及び前記混合ガスの第二分流の容積を測定する手段がさらに含まれることを特徴とする請求項１２項記載の装置。
14. 前記混合ガスの第一分流のガス流容積を制御する手段、
    及び前記混合ガスの第二分流のガス流容積を制御する手段がさらに含まれることを特徴とする請求項１２項又は１３項記載の装置。

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