JP5501842B2 - 製鋼用アーク炉の廃熱回収設備および廃熱回収方法、ならびに製鋼用アーク炉設備 - Google Patents

Description

本発明は、製鋼用アーク炉からの排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収し、これをさらに加熱して過熱蒸気とする製鋼用アーク炉の廃熱回収設備および廃熱回収方法、ならびにこのような廃熱回収設備を有する製鋼用アーク炉設備に関する。

製鋼用アーク炉（「電気炉」ともいう）は、原料の鉄スクラップや還元鉄（ＤＲＩ）およびそれを高温でブリケット化したホット・ブリケット・アイアン（ＨＢＩ）、溶銑、冷銑（型銑）等を炉内に装入後、アーク炉内に電極を装入して通電し、原料を溶解した後、通電を停止し、溶解した鋼を排出する工程を１サイクルとする間歇運転が行われる。

原料である鉄スクラップには、塗料や機械油が付着していることが多く、合成樹脂などが混入することもあるため、白煙・悪臭などが発生する。また、鉄スクラップやＤＲＩに含まれる炭素が一酸化炭素として発生する。このため、炉−炉蓋間や二次燃焼塔で積極的に空気を取り込んで排ガスを完全燃焼させている。

この燃焼ガスは、１２００℃を超える高温となり、多大なエネルギーを有するため、その廃熱を回収することが試みられている。例えば、特許文献１には、電気炉排ガス管路に廃熱ボイラーを設置して製鋼用アーク炉の排ガスの顕熱・燃焼熱を回収する技術が開示されている。

また、回収した蒸気は蒸気タービンによる発電などに供されるが、蒸気タービンの駆動源として供給される蒸気は、タービン入口側のエンタルピーを増大させる観点から過熱蒸気を用いることが好ましく、特許文献２には、製鋼用アーク炉の廃熱を飽和蒸気として回収した後、過熱蒸気にすることが開示されている。

特開平８−２７７４１２号公報 特開２００２−２８６２０９号公報

しかしながら、製鋼用アーク炉は、操業１サイクルを７０分とした場合、５５分程度の間は高温ガスが流れ、１５分程度の間は冷風が流れるといったように、高温ガスと冷風とが交互に流れ、過熱器を流れる排ガス温度が大きく変動してしまう。このように排ガス温度が変動すると、過熱蒸気温度が変動して、回収蒸気を蒸気タービンに供している場合などには、発電量が低下したり、蒸気タービンの定常運転が困難となる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、製鋼用アーク炉から排出される排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収し、これをさらに加熱して過熱蒸気とするにあたり、排ガスの温度変動を抑制して効率良く廃熱回収することができる製鋼用アーク炉の廃熱回収設備および廃熱回収方法、ならびにそのような廃熱回収設備を備えた製鋼用アーク炉設備を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る製鋼用アーク炉の廃熱回収設備は、複数の製鋼用アーク炉から排出される排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収し、さらに飽和蒸気を加熱して過熱蒸気とする製鋼用アーク炉の廃熱回収設備であって、 それぞれの製鋼用アーク炉から排ガスを排出するための第１の排ガス流路と、前記第１の排ガス流路に設置された、排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収する廃熱ボイラーと、それぞれの廃熱ボイラーで発生した飽和蒸気を合流させて貯留する蒸気アキュムレータと、前記蒸気アキュムレータに貯留された蒸気を加熱して過熱蒸気とする蒸気過熱器と、前記廃熱ボイラーで廃熱が回収された後の排ガスを前記蒸気過熱器に導いて飽和蒸気の過熱に供する第２の排ガス流路と、前記複数の製鋼用アーク炉を所定のずれ時間ずつずらして順次運転されるように操作する操作部とを具備し、前記操作部は、前記ずれ時間を、前記複数の製鋼用アーク炉の運転基数の時間的なばらつきが最小化されるようにすることを特徴とする。

また、本発明に係る製鋼用アーク炉の廃熱回収方法は、複数の製鋼用アーク炉のそれぞれから排ガスを排出するための第１の排ガス流路と、前記第１の排ガス流路に設置された、排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収する廃熱ボイラーと、それぞれの廃熱ボイラーで発生した飽和蒸気を合流させて貯留する蒸気アキュムレータと、前記蒸気アキュムレータに貯留された蒸気を加熱して過熱蒸気とする蒸気過熱器と、前記廃熱ボイラーで廃熱が回収された後の排ガスを前記蒸気過熱器に導いて飽和蒸気の過熱に供する第２の排ガス流路とを具備する製鋼用アーク炉の廃熱回収設備における廃熱回収方法であって、前記複数の製鋼用アーク炉を所定のずれ時間ずつずらして順次運転されるようにし、前記ずれ時間を、前記複数の製鋼用アーク炉の運転基数の時間的なばらつきが最小化されるようにすることを特徴とする。

上記製鋼用アーク炉の廃熱回収設備および廃熱回収方法において、最初の製鋼用アーク炉が起動した後の任意の時間をＮ、１回の製鋼時間をＡ、通電時間をＢ、運転回数をｍ、ずれ時間をＴとしたときに、第ｎ番目の製鋼用アーク炉について、
（Ｎ−（ｎ−１）×Ｔ）−（Ａ×（ｍ−（ｎ−１）））＜Ｂ
が成り立つ範囲で、前記ずれ時間を設定するようにすることが好ましい。

また、上記製鋼用アーク炉の廃熱回収設備および廃熱回収方法において、前記ずれ時間は、１回の製鋼時間の１／５分であることが好ましい。

上記製鋼用アーク炉の廃熱回収設備において、前記廃熱ボイラーで廃熱が回収された後の排ガスを前記蒸気過熱器を経由せずに排出する第３の排ガス流路と、廃熱が回収された後の排ガスの流路を前記第２の排ガス流路と前記第３の排ガス流路とで切り替える切替手段とをさらに具備することが好ましい。また、前記廃熱ボイラーは、前記第１の排ガス流路を流れる排ガスの温度が６００℃以上の範囲に設けられることが好ましい。

上記製鋼用アーク炉の廃熱回収方法において、廃熱回収された後の排ガスを第２の排ガス流路を介して前記蒸気過熱器に導いて排ガスの熱により前記飽和蒸気を過熱蒸気に変換し、前記製鋼用アーク炉から排出される排ガスの温度が低い場合には、前記蒸気過熱器を経由しない第３の排ガス流路に排ガスが流れるようにすることが好ましい。

さらに、本発明に係る製鋼用アーク炉設備は、複数の製鋼用アーク炉と、前記複数の製鋼用アーク炉から排出される排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収し、さらに飽和蒸気を加熱して過熱蒸気とする廃熱回収設備とを具備する製鋼用アーク炉設備であって、廃熱回収設備として、上記本発明に係る廃熱回収設備を備えることを特徴とする。

上記のように、複数の製鋼用アーク炉にそれぞれ設けた廃熱ボイラーで生成される飽和蒸気を合流させ、この飽和蒸気を過熱蒸気とする製鋼用アーク炉の廃熱回収設備において、複数の製鋼用アーク炉を所定の時間ずつずらして順次運転するようにし、複数の製鋼用アーク炉の運転基数の時間的なばらつきが最小化されるようにしたので、複数のアーク炉の運転基数の変動を時間積分した値が最大化され、生成する過熱蒸気量を均一化することができるようになった。

本発明の一実施形態に係る製鋼用アーク炉の廃熱回収設備を備えた製鋼用アーク炉設備を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る製鋼用アーク炉の廃熱回収設備に用いる蒸気過熱器の構成を示す断面図である。 ダンパーによる排ガス流路の切替え態様を説明するための図である。 製鋼用アーク炉の「ずれ時間」設定の例を説明するための図である。 １ヒートが７０分のときの製鋼用アーク炉における燃焼塔入口の温度変化例を示す図である。 製鋼用アーク炉が４基の場合において、１ヒートを（ａ）製鋼時間（Tap to tap）を７０分、通電時間を５５分、（ｂ）製鋼時間（Tap to tap）を６０分、通電時間を４５分、（ｃ）製鋼時間（Tap to tap）を５０分、通電時間を４０分と変化させ、ずれ時間Ｔを、Tap totapの１／１０分、１／７分、１／５分、１／３分と変化させた場合の、運転基数の時間的な変化のシミュレーション結果を示す図である。 製鋼用アーク炉が２基の場合において、１ヒートを（ａ）製鋼時間（Tap to tap）を７０分、通電時間を５５分、（ｂ）製鋼時間（Tap to tap）を６０分、通電時間を４５分、（ｃ）製鋼時間（Tap to tap）を５０分、通電時間を４０分と変化させ、ずれ時間Ｔを、Tap totapの１／１０分、１／７分、１／５分、１／３分と変化させた場合の、運転基数の時間的な変化のシミュレーション結果を示す図である。 製鋼用アーク炉が３基の場合において、１ヒートを（ａ）製鋼時間（Tap to tap）を７０分、通電時間を５５分、（ｂ）製鋼時間（Tap to tap）を６０分、通電時間を４５分、（ｃ）製鋼時間（Tap to tap）を５０分、通電時間を４０分と変化させ、ずれ時間Ｔを、Tap totapの１／１０分、１／７分、１／５分、１／３分と変化させた場合の、運転基数の時間的な変化のシミュレーション結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る製鋼用アーク炉の廃熱回収設備を備えた製鋼用アーク炉設備を示す概略構成図である。この製鋼用アーク炉設備１００は、４つのアーク炉ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを有している。これら、アーク炉ユニット１０ａ〜１０ｄは、図示しない製鋼工場に配置され、いずれも製鋼用アーク炉１を有しており、各製鋼用アーク炉１には排気ダクト２が接続されている。排気ダクト２には製鋼用アーク炉１から排出された高温の排ガスが流入する。排気ダクト２には前段側の水冷ダクト４が接続され、前段側の水冷ダクト４には排ガスを燃焼させる燃焼塔３が接続され、燃焼塔３には後段側の水冷ダクト４が接続され、後段側の水冷ダクト４にはダクト５が接続されている。排気ダクト２、水冷ダクト４、ダクト５は、排ガスダクトとして機能する。前段側および後段側の水冷ダクト４および燃焼塔３は廃熱ボイラー６を構成している。なお、廃熱ボイラー６は水冷ダクト４のみまたは燃焼塔３のみで構成されていてもよい。また、各アーク炉ユニットの製鋼用アーク炉１の周囲には、換気用フード１１が設けられており、換気用フード１１には換気用ダクト１２が接続されている。

本実施形態では、製鋼用アーク炉１は、炉体２１と、開閉可能な炉蓋２２と、炉蓋２２の上方から炉体２１内部に挿入される３本のアーク電極２３とを有しており、３相交流型のアーク炉を構成している。なお、製鋼用アーク炉１は、アーク電極２３の本数が３本の３相交流型のアーク炉に限定されず、アーク電極が他の本数のアーク炉であってもよい。そして、炉体２１内に鉄スクラップ、ＤＲＩ、ＨＢＩ、溶銑、冷銑（型銑）等の原料を装入し、アーク電極２３に通電することにより形成されるアークにより原料を溶解して溶鋼を溶製するようになっている。図示はしていないが、製鋼用アーク炉１には、精錬用の酸素ガス吹込ランスおよび／または炭剤添加用の炭材吹込みランスが配置されることもある。

各アーク炉ユニットの燃焼塔３は、炉体２１から排出される高温の排ガスの中の一酸化炭素、白煙物質、悪臭物質などを空気導入口８から導入される空気により完全燃焼させて無害化するものであり、この際の燃焼熱により排ガスの温度はさらに上昇する。

各アーク炉ユニットの廃熱ボイラー６は、排ガスの廃熱（ここでは排ガスの顕熱および燃焼熱）を飽和蒸気として回収するものであり、製鋼用アーク炉１から流出される排ガスの流路に設けられる。このとき廃熱ボイラー６は、排ガス温度が所定温度以上になるような範囲に設けることが好ましい。廃熱ボイラー６を構成する前段側および後段側の水冷ダクト４および燃焼塔３は伝熱管７を有している。

また、各アーク炉ユニットは、蒸気ドラム１３を有しており、蒸気ドラム１３には伝熱管７に冷却水（純水）を供給する供給配管１４および伝熱管７から蒸気ドラム１３に冷却水（蒸気）を返戻する返戻配管１５が接続されている。また、供給配管１４には循環水ポンプ１６が設けられている。これにより、伝熱管７に冷却水が循環供給される。蒸気ドラム１３に収容された冷却水は、循環水ポンプ１６により供給配管１４を介して伝熱管７に送られる。そして、伝熱管７に送られた冷却水は、製鋼用アーク炉１から発生する排ガスの顕熱および燃焼塔３で排ガスが燃焼して生じた燃焼熱により昇温されて飽和蒸気に変換され返戻配管１５を介して蒸気ドラム１３に返戻される。蒸気ドラム１３には飽和蒸気搬送配管１７が接続されており、蒸気ドラム１３内の飽和蒸気がこの飽和蒸気搬送配管１７を介してアキュムレータ６２へ搬送される。

なお、蒸気ドラム１３には純水タンク（図示せず）が接続されており、蒸気ドラム１３に所定量の水が貯留されるように、適宜、純水タンクから冷却水（純水）が供給される。また、図では、供給配管１４および返戻配管１５を、便宜上、１つずつ記載しているが、実際には伝熱管７の数（必要に応じて分割されたボイラー部分の数）ずつ設けられている。

各アーク炉ユニットのダクト５は、いずれも排ガス集合ダクト４１に接続されており、排ガス集合ダクト４１には１本の下流側排ガスダクト４２が接続されていて、各アーク炉ユニットのダクト５からの排ガスが排ガス集合ダクト４１で集合され、下流側排ガスダクト４２に至る。下流側排ガスダクト４２には、飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気とする蒸気過熱器４３が接続されている。したがって、廃熱が回収された後の排ガスは、ダクト５、排ガス集合ダクト４１、下流側排ガスダクト４２を通って蒸気過熱器４３における飽和蒸気の加熱に供される。蒸気過熱器４３については後で詳細に説明する。なお、下流側排ガスダクト４２の蒸気過熱器４３よりも上流側の部分には排ガス流量計４７が設けられている。一方、各アーク炉ユニットの換気ダクト１２は、いずれも換気集合ダクト５１に接続されている。そして、蒸気過熱器４３を経た後の下流側排ガスダクト４２が換気集合ダクト５１に接続され、換気集合ダクト５１には排ガス集塵ダクト５２が接続されている。排ガス集塵ダクト５２には、例えばバグフィルタを有する集塵器５４、排気ファン５５が接続されており、排ガス集塵ダクト５２の終端には集塵器５４で除塵された排ガスを大気に放出する煙突５６が接続されている。また、集塵器５４の上流の排ガス集塵ダクト５２には、必要に応じて、排ガスの温度を集塵器５４の耐熱温度以下とするための排ガス冷却器５３が設けられる。

各アーク炉ユニットの飽和蒸気搬送配管１７は、蒸気集合配管６１に接続され、各蒸気集合配管６１には蒸気アキュムレータ６２が接続されており、各アーク炉ユニットの蒸気ドラム１３で発生した飽和蒸気は蒸気アキュムレータ６２に貯留されるようになっている。そして、蒸気アキュムレータ６２を経た後の蒸気集合配管６１には蒸気過熱器４３が接続されている。なお、蒸気アキュムレータ６２は図示のように１個であってもよいし、複数であってもよい。

蒸気過熱器４３は、図２に示すように、筐体４４と、筐体４４内に多数屈曲して設けられた伝熱管４５とを有している。筐体４４は下流側排ガスダクト４２に接続されており、筐体４４内に高温の排ガスが通流される。一方、伝熱管４５には蒸気アキュムレータ６２からの飽和蒸気が供給され、伝熱管４５を通流している飽和蒸気が排ガスにより加熱されて過熱蒸気に変換される。本実施形態では、変換された過熱蒸気は発電用蒸気タービン６３に供給されている。

各アーク炉ユニットには、廃熱ボイラー６の下流側のダクト５と換気ダクト１２とを接続する接続配管１８が設けられている。接続配管１８は、廃熱が回収された後の排ガスを換気ダクト１２に流すためのものである。ダクト５の接続配管１８接続部の下流側にはダンパー３１が設けられ、接続配管１８のダクト５接続部の近傍にはダンパー３２が設けられている。これらのダンパー３１および３２を操作することにより製鋼用アーク炉１からの排ガスを、蒸気過熱器４３側の排ガス流路と、蒸気過熱器４３を通らない換気ダクト１２側の排ガス流路とで切り替えることが可能となっている。つまり、ダンパー３１および３２は、廃熱回収後の排ガスを蒸気過熱器４３に供給する排ガス流路と、蒸気過熱器４３を通らない排ガス流路とで切り替える切替手段として機能する。具体的には、製鋼用アーク炉１の運転時の排ガス温度が高い期間には、図３の（ａ）に示すように、ダンパー３１を開き、ダンパー３２を閉じて製鋼用アーク炉１からの排ガスをダクト５、排ガス集合ダクト４１、下流側排ガスダクト４２を介して蒸気過熱器４３に導く。一方、製鋼用アーク炉１の運転を停止しているときのように排ガス温度が低い期間には、図３の（ｂ）に示すように、ダンパー３１を閉じ、ダンパー３２を開いて製鋼用アーク炉１からの低温の排ガスを接続配管１８を介して換気ダクト１２に導く。このように本実施形態では、製鋼用アーク炉１からの低温の排ガスが蒸気過熱器４３に供給されないようにして飽和蒸気を加熱するための排ガスの温度が低下することを防止するように構成されている。

なお、各製鋼用アーク炉１から排気ダクト２を経て、燃焼塔３および水冷ダクト４のボイラー６を構成する部分までは、排ガスの廃熱を回収する第１の排ガス流路を構成している。ダクト５、排ガス集合ダクト４１、下流側排ガスダクト４２は、廃熱が回収された後の排ガスを蒸気過熱器４３に導いた後に排出する第２の排ガス流路として機能する。さらに、接続配管１８、換気ダクト１２、換気集合ダクト５１は、廃熱が回収された後の排ガスを蒸気過熱器を経由せずに排出する第３の排ガス流路として機能する。

製鋼用アーク炉設備１００には、運転の監視、オペレータが操業のために必要とする操作、および各部の制御を行うための監視・操作・制御部７０が設けられている。この監視・操作・制御部７０により、例えば、廃熱ボイラー６の出口温度に応じて排ガス流路が切り替えられる。

また、４つの製鋼用アーク炉１は、所定の「ずれ時間」ずつずらして順次運転されるように操作される。このときの「ずれ時間」は、４つの製鋼用アーク炉１の運転基数の時間的なばらつきが最小化されるように設定され、製鋼用アーク炉１のうち運転中の運転基数の変化を時間積分した値が最大化されるようになる。具体的には、図４に示すように、横軸に経過時間をとり、縦軸に運転中の製鋼用アーク炉１の基数をとった場合に、運転中の製鋼用アーク炉１の基数の変動が最小化されるように、また、図の斜線部分の面積の値が最大化されるように上記「ずれ時間」が設定される。

このような「ずれ時間」は操業条件に応じて監視・操作・制御部７０の制御ユニットで求めておき、オペレータが操作部においてその値に基づいて４つの製鋼用アーク炉１の運転が順次行われるように操作してもよいし、求められた「ずれ時間」に基づき、監視・操作・制御部７０の制御ユニットがその値に基づいて自動的に４つの製鋼用アーク炉１を順次運転させるように制御してもよい。

次に、このように構成される製鋼用アーク炉設備１００の処理動作について説明する。
まず、製鋼用アーク炉１の炉体２１内に原料を装入し、アーク電極２３に通電してアーク放電により原料の溶解を開始する。必要に応じて原料の追加装入、酸素ガス吹き込みによる脱炭精錬および炭材等による成分調整等を含む精錬を行い、精錬が終了した時点で、アーク電極２３への通電を停止し、炉体２１から溶鋼を出鋼する。これにより１ヒートの操業が終了し、このような操業を繰り返し行う。

そして、４つのアーク炉ユニットの製鋼用アーク炉１において前述と同様の操業が行われるが、本実施形態では、４つの製鋼用アーク炉１を所定の「ずれ時間」ずつずらして順次運転するようにした。このときの「ずれ時間」は、４つの製鋼用アーク炉１のうち運転中の基数（運転基数）の時間的なばらつきが最小化されるように設定され、製鋼用アーク炉の運転基数の変化を時間積分した値が最大化されるように設定される。詳細については後述する。

このような操業中、各製鋼用アーク炉１からは、高温の排ガスが排出され、第１の排ガス流路を構成する排気ダクト２、前段側の水冷ダクト４、燃焼塔３、後段側の水冷ダクト４を通過する間に、廃熱ボイラー６により廃熱（顕熱および燃焼熱）が回収される。具体的には、排ガスの廃熱は廃熱ボイラー６を構成する伝熱管７において飽和蒸気に変換され、この飽和蒸気は蒸気ドラム１３、飽和蒸気搬送配管１７、蒸気集合配管６１を経て蒸気アキュムレータ６２に貯留される。そして、蒸気アキュムレータに貯留された飽和蒸気は、蒸気過熱器４３に供給され、そこで高温の排ガスにより加熱されて過熱蒸気に変換される。変換された過熱蒸気は、発電用蒸気タービン６３に供給され、発電に供される。

一方、廃熱が回収された後の排ガスは、第２の排ガス流路を構成するダクト５、排ガス集合ダクト４１、下流側排ガスダクト４２を経て蒸気過熱器４３に至り、蒸気過熱器４３において飽和蒸気の加熱に供される。

製鋼用アーク炉１の周囲および／または図示しない製鋼工場内は、換気用フード１１、換気用ダクト１２を介して換気され、換気用ダクト１２からの冷風は換気集合ダクト５１に至る。また、飽和蒸気の加熱に供された後の排ガスは、下流側排ガスダクト４２を経て換気集合ダクト５１に至り、換気ダクト１２から供給された冷風と混合した状態で、排ガス集塵ダクト５２に供給され、集塵器５４で集塵されて煙突５６から排出される。このように、排ガス集塵ダクト５２には、下流側排ガスダクト４２の高温の排ガスと換気集合ダクト５１の換気用の冷風とが合流して、温度が低下された排ガスが供給され、バグフィルタからなる集塵器５４に流れる排ガスの温度を集塵器５４の耐熱温度以下とすることが可能となる。また、上述したように集塵器５４の上流の排ガス集塵ダクト５２に冷却器５３を設けることにより、排ガス温度を集塵器５４の耐熱温度以下とすることが一層容易となる。

ここで、一つの製鋼用アーク炉１においては、上述のように、原料装入−溶解（−原料追加装入−溶解−精錬）−出鋼という一連のプロセスを１ヒートとして操業を行うが、この１ヒートの期間に排ガス温度は大きく変動する。図５は１ヒートが７０分のときの製鋼用アーク炉における燃焼塔入口の温度変化例を示すものである。この図に示すように、通電開始後から排ガス温度は上昇して１４００℃近傍に達し、原料追加装入により一旦４００℃程度に低下するが、原料の溶解の進行にともなって１２００℃程度まで再度上昇し、原料が完全に溶解（溶け落ち）を経過してその後の精錬期間まで排ガス温度が高い期間（高温期）が継続する。一方、精錬期間終了後の出鋼にともなって排ガス温度は低下し、出鋼完了後には２００℃以下となる。そして、出鋼完了後から次ヒートの原料装入を経て次ヒートの通電開始まで、２００℃以下の排ガス温度の低い期間（低温期）となる。このような排ガスの温度変動にともない、排ガスの顕熱および燃焼熱を利用して回収される飽和蒸気の量は変動することとなる。

これに対して、本実施形態のように複数（ここでは４つ）の製鋼用アーク炉１を有している場合には、これらは通常、操業開始タイミングが所定時間ずれた状態となるので、これら４つの製鋼用アーク炉１の高温期と低温期は互いにずれた状態となる。したがって、特段の運転タイミング調整を行わなくても、これら４つの製鋼用アーク炉１で回収された飽和蒸気を蒸気アキュムレータ６２で合流させることにより、合流後の飽和蒸気量はある程度平準化されることとなる。

また、本実施形態では、飽和蒸気を過熱蒸気にする際に蒸気過熱器４３に対する加熱エネルギーの供給を廃熱回収後の排ガスを用いて行うことができるので、過熱蒸気を生成するための別途の燃料が不要であり、エネルギー経済性が高い。

しかしながら、複数の製鋼用アーク炉１を有していても、製鋼用アーク炉１は上述のように間歇運転であり、複数のアーク炉の運転開始時期を相互の炉の運転時期に関係なく行うと、運転中のアーク炉の基数は時期によりまちまちとなり、全ての炉が同時に運転されたりあるいはまったく運転されない時間帯が発生したりして、廃熱ボイラー６での回収蒸気量や過熱器４３の入り口ガス温度の変動が無視し得ないものとなり、上記平準化の効果も限定的となってしまう。

そこで、本実施形態では、４つの製鋼用アーク炉１を所定の「ずれ時間」ずつずらして順次運転されるようにし、この「ずれ時間」を４つの製鋼用アーク炉１のうち運転中の基数（運転基数）のばらつきが最小化されるように設定する。これにより、蒸気アキュムレータ６２に合流される蒸気量の変動を最小化することができ、生成する過熱蒸気量を均一化することができる。このとき、製鋼用アーク炉１のうち運転中の基数（運転基数）の時間的な変化を時間積分した値（つまり図４の斜線部分の面積）が最大化されるようになるので、蒸気量自体も最大化される。

具体的には、最初（１基目）の製鋼用アーク炉１が起動した後の任意の時間をＮ、１回の製鋼時間（Tap to tap）をＡ、通電時間をＢ、運転回数をｍ、ずれ時間をＴとしたときに、
１基目のアーク炉：Ｎ−Ａ×ｍ＜Ｂ ……（１）
２基目のアーク炉：（Ｎ−Ｔ）−（Ａ×（ｍ−１））＜Ｂ ……（２）
３基目のアーク炉：（Ｎ−２×Ｔ）−（Ａ×（ｍ−２））＜Ｂ ……（３）
４基目のアーク炉：（Ｎ−３×Ｔ）−（Ａ×（ｍ−３））＜Ｂ ……（４）
とした（１）〜（４）式が成り立つ範囲で、ずれ時間Ｔを最適化することにより、４つの製鋼用アーク炉１のうち運転中のものの基数（運転基数）のばらつきが最小化された、最も安定した運転パターンを得ることができ、かつ、最も多くの製鋼用アーク炉を運転するパターンとなる。
上記（１）〜（４）式を一般化すると、ｎ基目のアーク炉については、以下の（５）式となる。この式は、この実施例のような製鋼用アーク炉１が４基の場合に限らず、成り立つものである。
（Ｎ−（ｎ−１）×Ｔ）−（Ａ×（ｍ−（ｎ−１）））＜Ｂ …（５）

種々の運転条件において、上記ずれ時間Ｔを変化させると、図６のような運転パターンが得られる。
図６は、１ヒートを（ａ）製鋼時間（Tap to tap）を７０分、通電時間を５５分、（ｂ）製鋼時間（Tap to tap）を６０分、通電時間を４５分、（ｃ）製鋼時間（Tap to tap）を５０分、通電時間を４０分と変化させ、ずれ時間Ｔを、Tap to
tapの１／１０分（（ａ）の場合では７分間）、１／７分、１／５分、１／３分と変化させた場合の、運転基数の時間的な変化のシミュレーション結果を示す図であり、ずれ時間Ｔが１／５分の場合に、運転基数のばらつきが最小化し、かつ運転基数が最大化、つまり運転基数の時間的な変化を時間積分した値（図６の斜線部分の面積）が最大化されるようになることが確認された。このように、上述の（５）式が成り立つ範囲でずれ量Ｔを最適化することにより、運転基数、製鋼時間（Tap to tap）、通電時間が変化しても最適な運転パターンを得ることができる。なお、製鋼用アーク炉が２基の場合および３基の場合は、同様の条件でそれぞれ図７および図８のような運転パターンが得られ、やはりずれ時間ＴをTap to tapの１／５分とした場合に、最適な運転パターンが得られることが確認された。

ところで、廃熱が回収された後の排ガスを、過熱蒸気を生成するための熱源として用いる場合、所定の過熱度の過熱蒸気を生成するための熱量を確保しておく必要があり、そのために蒸気過熱器４３に供給される排ガス温度の低下を極力防止することが必要となる。しかし、製鋼用アーク炉１においては低温の排ガスが排出されることがある。例えば、製鋼用アーク炉１において通電直後、原料追加装入直後、出鋼後は低温の排ガスが排出される。この低温の排ガスが運転中の他の製鋼用アーク炉の高温の排ガスに混合されると、混合後のガス温度が低下してしまう。排ガス温度が低下すると、所定の過熱度の過熱蒸気生成のための熱量が不足する不都合が生じる。これにより、過熱蒸気流量および／または蒸気過熱度が低下して量蒸気タービンの出力が低下し、その後過熱蒸気流量および／または蒸気過熱度が回復しても、定常出力に回復するまでに長時間を要し、発電量が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、廃熱ボイラー６下流側のダクト５に、換気ダクト１２へ接続される接続配管１８を設け、廃熱回収後の排ガスを蒸気過熱器４３側に供給する排ガス流路と、蒸気過熱器４３を通らない排ガス流路とで切り替える切替手段としてダンパー３１および３２を設けている。そして、製鋼用アーク炉１から高温の排ガスを排出している期間（高温期）には、図３の（ａ）に示すように、ダンパー３１を開き、ダンパー３２を閉じて、排ガスが蒸気過熱器４３に供給されるようにする。一方、製鋼用アーク炉１の運転を停止しているとき等の低温の排ガスを排出している期間（低温期）には、図３の（ｂ）に示すように、ダンパー３１を閉じ、ダンパー３２を開いて、製鋼用アーク炉１からの排ガスを換気用ダンパー１２に導き、製鋼用アーク炉１からの排ガスが蒸気過熱器４３に供給されないようにする。これにより、過熱蒸気発生用の排ガスの温度が低下することを防止することができ、安定して所定の過熱度の過熱蒸気を生成することができる。

次に、廃熱ボイラー６の範囲について説明する。
顕熱および燃焼熱が回収された後の排ガスを過熱蒸気生成のための熱源として使用する場合、その熱量は発生飽和蒸気量と過熱度、廃熱ボイラー６以降蒸気過熱器４３までの管路の熱放散により決定される。今、２１５℃の飽和蒸気から３５０℃の過熱蒸気を得ようとしたとき、廃熱ボイラー６の入口の熱量を１００％とすると、廃熱ボイラー６での吸熱量が５０〜５５％のときの発生蒸気を過熱するために必要な熱量は５〜１０％となる。さらに管路などからの放熱を加味すると、廃熱ボイラー６の範囲は、廃熱ボイラー６の出口の排ガス温度が５００℃以上の範囲となる。

一方、製鋼用アーク炉の廃熱ボイラー６は、主として放射伝熱による熱交換となり、放射伝熱による熱交換量は概略以下の（６）で求めることができる。
Ｑ＝ＣＡ〔（Ｔｇ／１００）^４−（Ｔｗ／１００）^４〕 ……（６）
Ｑ：放射伝熱量
Ｔｇ：ガス温度
Ｔｗ：水冷壁管表面温度
Ａ：有効放射伝熱面積
Ｃ：有効放射係数

実際の放射伝熱は複雑な現象であるが、有効放射係数に変化がないと仮定して、ガス温度が１０００℃のときに吸収される熱量と同じ吸収熱量を得ようとした場合、排ガス温度が８００℃では約２．５倍、排ガス温度が６００℃では約８倍の有効放射伝熱面積が必要となり、排ガス温度が６００℃よりも低い位置まで廃熱ボイラー６の設置範囲を広げることは伝熱面積の増加割合に比して回収蒸気量が少なく、経済的でない。このことと、上述した熱バランスから廃熱ボイラー６を設置する範囲は、排ガス温度が６００℃以上の範囲が好ましく、７００℃以上の範囲がより好ましい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記例では４つの製鋼用アーク炉を用いた例について示したが、製鋼用アーク炉の数は２以上であればいくつでもよい。また、飽和蒸気を発電に利用する場合について示したが、これに限るものではない。さらに、上記実施形態では、排ガスを燃焼塔で燃焼させて、排ガスの顕熱および燃焼熱を廃熱として回収する場合について示したが、燃焼塔は必ずしも必要はなく、燃焼塔を省いた廃熱ボイラー内で燃焼させることも可能である。また、製鉄所内で発生した鋼くずのみの溶解などであれば、白煙・悪臭などの発生が無く、一酸化炭素の発生量も少ないため、燃焼用空気を積極的に吸引する必要はなく、より高温の排ガスからの熱回収が可能となる。この場合には排ガスから回収される廃熱は、実質的に顕熱のみとなる。

１；製鋼用アーク炉
２；排気ダクト
３；燃焼塔
４；水冷ダクト
５；ダクト
６；廃熱ボイラー
７；輻射型伝熱管
８；空気導入口
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ；アーク炉ユニット
１１；換気用フード
１２；換気ダクト
１３；蒸気ドラム
１７；飽和蒸気搬送配管
１８；接続配管
２１；炉体
２３；アーク電極
３１，３２；ダンパー
４１；排ガス集合ダクト
４２；下流側排ガスダクト
４３；蒸気過熱器
５１；換気集合ダクト
５２；排ガス集塵ダクト
５４；集塵器
６１；蒸気集合配管
６２；蒸気アキュムレータ
６３；発電用タービン
７０；監視・操作・制御部
１００；製鋼用アーク炉設備

Claims (10)

1. 複数の製鋼用アーク炉から排出される排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収し、さらに飽和蒸気を加熱して過熱蒸気とする製鋼用アーク炉の廃熱回収設備であって、
   それぞれの製鋼用アーク炉から排ガスを排出するための第１の排ガス流路と、
   前記第１の排ガス流路に設置された、排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収する廃熱ボイラーと、
   それぞれの廃熱ボイラーで発生した飽和蒸気を合流させて貯留する蒸気アキュムレータと、
   前記蒸気アキュムレータに貯留された蒸気を加熱して過熱蒸気とする蒸気過熱器と、
   前記廃熱ボイラーで廃熱が回収された後の排ガスを前記蒸気過熱器に導いて飽和蒸気の過熱に供する第２の排ガス流路と、
   前記複数の製鋼用アーク炉を所定のずれ時間ずつずらして順次運転されるように操作する操作部とを具備し、
   前記操作部は、前記ずれ時間を、前記複数の製鋼用アーク炉の運転基数の時間的なばらつきが最小化されるようにすることを特徴とする製鋼用アーク炉の廃熱回収設備。
2. 前記操作部は、最初の製鋼用アーク炉が起動した後の任意の時間をＮ、１回の製鋼時間をＡ、通電時間をＢ、運転回数をｍ、ずれ時間をＴとしたときに、第ｎ番目の製鋼用アーク炉について、
   （Ｎ−（ｎ−１）×Ｔ）−（Ａ×（ｍ−（ｎ−１）））＜Ｂ
   が成り立つ範囲で、前記ずれ時間を設定することを特徴とする請求項１に記載の製鋼用アーク炉の廃熱回収設備。
3. 前記ずれ時間は、１回の製鋼時間の１／５分であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の製鋼用アーク炉の廃熱回収設備。
4. 前記廃熱ボイラーで廃熱が回収された後の排ガスを前記蒸気過熱器を経由せずに排出する第３の排ガス流路と、廃熱が回収された後の排ガスの流路を前記第２の排ガス流路と前記第３の排ガス流路とで切り替える切替手段とをさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の製鋼用アーク炉の廃熱回収設備。
5. 前記廃熱ボイラーは、前記第１の排ガス流路を流れる排ガスの温度が６００℃以上の範囲に設けられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の製鋼用アーク炉の廃熱回収設備。
6. 複数の製鋼用アーク炉のそれぞれから排ガスを排出するための第１の排ガス流路と、前記第１の排ガス流路に設置された、排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収する廃熱ボイラーと、それぞれの廃熱ボイラーで発生した飽和蒸気を合流させて貯留する蒸気アキュムレータと、前記蒸気アキュムレータに貯留された蒸気を加熱して過熱蒸気とする蒸気過熱器と、前記廃熱ボイラーで廃熱が回収された後の排ガスを前記蒸気過熱器に導いて飽和蒸気の過熱に供する第２の排ガス流路とを具備する製鋼用アーク炉の廃熱回収設備における廃熱回収方法であって、
   前記複数の製鋼用アーク炉を所定のずれ時間ずつずらして順次運転されるようにし、前記ずれ時間を、前記複数の製鋼用アーク炉の運転基数の時間的なばらつきが最小化されるようにすることを特徴とする製鋼用アーク炉の廃熱回収方法。
7. 最初の製鋼用アーク炉が起動した後の任意の時間をＮ、１回の製鋼時間をＡ、通電時間をＢ、運転回数をｍ、ずれ時間をＴとしたときに、第ｎ番目の製鋼用アーク炉について、
   （Ｎ−（ｎ−１）×Ｔ）−（Ａ×（ｍ−（ｎ−１）））＜Ｂ
   が成り立つ範囲で、前記ずれ時間を設定することを特徴とする請求項６に記載の製鋼用アーク炉の廃熱回収方法。
8. 前記ずれ時間は、１回の製鋼時間の１／５分であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の製鋼用アーク炉の廃熱回収方法。
9. 廃熱回収された後の排ガスを第２の排ガス流路を介して前記蒸気過熱器に導いて排ガスの熱により前記飽和蒸気を過熱蒸気に変換し、前記製鋼用アーク炉から排出される排ガスの温度が低い場合には、前記蒸気過熱器を経由しない第３の排ガス流路に排ガスが流れるようにすることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の製鋼用アーク炉の廃熱回収方法。
10. 複数の製鋼用アーク炉と、前記複数の製鋼用アーク炉から排出される排ガスの廃熱を飽和蒸気として回収し、さらに飽和蒸気を加熱して過熱蒸気とする廃熱回収設備とを具備する製鋼用アーク炉設備であって、
    前記廃熱回収設備として、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の廃熱回収設備を備えることを特徴とする製鋼用アーク炉設備。
    

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