JP5756575B2 - スラグ熱を利用して低温空気ブラスト圧縮機を駆動する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にはスラグ熱を利用して低温空気ブラスト圧縮機を駆動する方法に関する。

溶鉱炉（高炉）内で銑鉄を製造するには、燃焼空気として働く圧縮空気（低温空気ブラストとして知られる）を生成し、原料を加熱し、溶融し、鉄と酸素の化合物を還元するためにかなりのエネルギー入力が必要である。低温空気ブラスト圧縮機を機械的または電気的に駆動することを別にすれば、このエネルギーの大部分は、有機炭素化合物、主にコークスから供給される。更にこの有機炭素化合物に加え、またはこのかわりに固体（例えば、炭じん）、液体（例えば、重油）、またはガス（例えば、天然ガス）状態の「置換還元剤」が供給される。これら炭素化合物の変換により、かなりのＣＯ_２排出物が生じる。

このような高エネルギー入力およびその結果生じる環境への影響のために、出発材料および廃棄物中に存在する残留エネルギーを回収しようとする努力がなされている。

「ブラストストーブ」内で低温空気ブラストを加熱し、圧延機内の加熱炉を稼働させ、熱発電所内で電気エネルギーを得るために、高炉ガスを燃料ガスとして利用することは、１９世紀以来部分的に分かっていた。しかしながら、高炉ガスを燃料ガスとして使用するには、ガスが広範に固体粒子によって汚染されていないことが必要である。今日まで、この目的に必要なガスの清浄化方法として、極めて圧倒的に湿潤清浄化方法が実施されているが、この結果高炉ガスの顕熱の極めて多くが失われる。

高炉ガス式の「膨張タービン」内の仕事を解放する膨張により高炉ガスの圧力エネルギーを利用することも何十年もの間知られた技術となっている。タービン内で得られるパワーは、ガス清浄化出口とガス清浄化システムへのガスの入口との間での利用可能な圧力勾配およびガス清浄化出口でのガス温度、従ってタービンの入口でのガス温度の双方によって決定される。前の段落で説明したように、このガス温度は、主に湿潤清浄化によって決定されるので、この温度は、周辺温度を若干上回るにすぎない。

膨張タービンシャフトで利用できる出力パワーは、一般にこのタービンに結合された発電機により電気エネルギーを発生するために使用される。低温空気ブラスト圧縮機に必要な駆動パワーは、これまでは電動機または蒸気タービンにより供給されてきた。

国際公開第ＷＯ２０１１／０２６９４０号は、ガス清浄化システム内で膨張した高炉ガスの入口温度がガス清浄化システム内のガス温度に対する限界値を下回るようにこの高炉ガスの入口温度を維持することを条件に２段予備的加熱により、タービンへの高炉ガスの入口温度、従ってタービン内のパワー出力を高めるための方法について述べている。膨張すべき高炉ガスを予備的加熱する第１ステージは膨張した高炉ガスからの熱交換によって行われるが、予備的加熱の第２ステージは外部エネルギーの補助により行われる。膨張がより高い温度レンジにシフトするということは、損失を無視すれば、タービンパワー出力の増加量が、供給される外部エネルギーの増加量に等しいことを意味する。

特開昭６２−０７４００９号は、粒状高温高炉スラグからエネルギーを回収するための方法について述べている。溶鉱炉から生じた高炉ガスからダストが除去され、次に圧力差を利用して、タービン内で高炉ガスが膨張される。このタービンは、発電機に機械式に結合されている。ダストが除去された高炉ガスは、タービンに進入する前に、熱交換媒体を使用した熱回収により加熱される。この熱交換媒体は、再循環する粒状スラグからダストが除去された高炉ガスへ熱交換を行うようになっている。

ドイツ特許第４０３０３３２号は、溶鉱炉から生じた高炉ガスからエネルギーを回収する方法について述べている。スラグからエネルギーを得ることは行わない。微細なダストの除去（微細集塵）および大きいダストの除去（粗集塵）が行われた高炉ガスは、発電機に結合できる膨張タービン内で膨張され、その後更に利用するために高炉ガスシステム内に導入される。このタービンにより駆動されるシャフトには２つの圧縮機と１つの発電機とが機械式に結合されており、２つの圧縮機により、高炉ガスと空気とが圧縮機に吸引され、圧縮され、燃焼室に供給され、燃焼室で高カロリー値を有する燃料を添加することにより燃焼される。燃焼後、燃焼された混合気は、高炉ガス膨張タービン内でエネルギーを解放しながらタービン出口圧力まで膨張する。

本発明の目的は、溶鉱炉およびそれに対応する装置内で銑鉄を製造する際にエネルギーを回収する別の方法を提供することにある。

この課題は、スラグ熱を利用して低温空気ブラスト圧縮機を駆動する方法であって、
ａ．高温の粒状スラグを提供するためのステップと、
ｂ．湿潤な高炉ガスを提供するステップと、
ｃ．前記湿潤な高炉ガスを予備的に加熱し、予備的に加熱された高炉ガスを得るステップと、
ｄ．前記高温の粒状スラグから予備的に加熱された前記高炉ガスへ熱を伝達し、高温の高炉ガスを得るステップと、
ｅ．タービン内で前記高温の高炉ガスを膨脹させ、エネルギーを解放し、膨脹した高炉ガスを得るステップと、
ｆ．前記解放されたエネルギーを利用して、低温空気ブラストを圧縮し溶鉱炉に送るための低温空気ブラスト圧縮機を駆動するステップとを備え、
前記タービン内の前記高温の高炉ガスの膨脹により、前記低温空気ブラスト圧縮機を駆動するためのシャフトを駆動し、前記膨脹した高炉ガスを使用して前記湿潤な高炉ガスを予備的に加熱し、膨脹した低温の高炉ガスを得る、
ことを特徴とする方法によって達成される。

本発明に至る開発作業の過程において、タービンから上流において高炉ガスを加熱するのに溶融スラグからの熱回収を利用する技術を確立できた。その理由は、タービンから得ることができる出力は、低温空気ブラスト圧縮機に必要なシャフトパワーに概ね等しく、よって外部エネルギーを更に節約できるからである。

低温空気ブラストを発生するためにスラグから得られる熱を利用することには、同一設備の境界内でかつ時間的に並列に熱回収と熱利用とを続行できるという利点がある。この結果、国際公開第ＷＯ２０１１／０２６９４０号および特開昭６２−０７４００９号に記載されているような電気へ変換することを不要にでき、よって発電のための発電機内および圧縮機を駆動するための電動モータ内での損失を回避できる。

ドイツ特許第ＤＥ４０３０３３２号と対照的に、圧縮された低温空気ブラストを燃焼ガスとして溶鉱炉内へ送り込む。かかる構成の有利な特徴は、稼働が簡略であること、コストがより低いことおよび効率が高いことである。連続流れ装置に関連した教訓から明らかなように、多くのケースで圧縮機は、効率を高める上での制限要素である。このことは、特に高い効率を得るのに必要な圧力勾配を得るために高い回転速度で作動しなければならない比較的小型の連続流れ装置に当てはまる。回転速度を速くする結果、流れ内での２次的損失が不可避的に高まり、このことは、効率を顕著に低下させてしまう。従って、ドイツ特許第ＤＥ４０３０３３２号も、タービンを稼働させるのに２つの圧縮機を利用しており、このことは当然ながらかかる設備のコストを相当高める。

本発明に係わる方法は、圧縮されるガスの量は、膨脹されるガスの量から独立しているので、このような別の自由度により、圧縮機およびタービンを最適効率で稼働でき特に有利である。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記湿潤高炉ガスは、２〜４ｂａｒ（ｇ）の圧力および３０〜６０°Ｃの温度を有する。

前記予備加熱された高炉ガスは、２〜４ｂａｒ（ｇ）の圧力および１４０〜２００°Ｃの温度を有することが好ましい。

前記高温高炉ガスは、２〜４ｂａｒ（ｇ）の圧力および３００〜４２０°Ｃの温度を有することが好ましい。

前記膨脹した高炉ガスは、０．０５〜０．４ｂａｒ（ｇ）の圧力を有することが好ましい。

前記高温の膨脹した高炉ガスは、４００〜２９０°Ｃの温度を有することが好ましい。

前記低温の膨脹した高炉ガスは、３０〜８０°Ｃの温度を有することが好ましい。

前記高温の粒状スラグを提供し、低温の固体を導入することにより、高温の液状スラグを冷却し、凝固させることが好ましい。使用する低温固体は、冷却され、ガラス質状に凝固したスラグおよび／または金属体であることが好ましく、球状または同様な形状の金属体は、鉄または鋼であることが好ましい。

可動床冷却器内、管状冷却器内および／またはボールミルまたはチューブミル内で前記高温の粒状スラグから前記湿潤高炉ガスへの熱交換が続行することが好ましい。

熱回収のための上記方法で投入された高炉ガスは、膨脹した高炉ガスとまだ膨脹していない高炉ガスとの間の予備加熱器ですでに行われた予備加熱に起因して高温となっている。従って、スラグの冷却を、制限し、その後に第２の熱回収ステージをオプションとして実行してもよい。

（実施例の計算）
この実施例は、１０、０００メータートン／日の銑鉄出力を有する溶鉱炉に関する。低温空気ブラストレート（乾式）は、１、０００Ｎｍ^３／メータートンに達し、高炉ガスレートは、１、７００Ｎｍ^３／メータートンに達する。

低温空気ブラスト圧力は、４．５バールゲージ（ｂａｒ（ｇ））に達する。０．８０３６の圧縮機の効率（内部効率８２％、機械的効率９８％）では、４２３、８７５Ｎｍ^３／ｈの湿潤低温空気ブラストを発生するための低温空気ブラスト圧縮機の圧縮機の結合部での、計算されるパワー条件は、３４．２８ＭＷに達する。

溶鉱炉の高炉ガス圧力は、２．５ｂａｒ（ｇ）に達し、湿潤ガス清浄化後の高炉ガス圧力は、４５°Ｃの温度で２．２ｂａｒ（ｇ）に達する。湿分の流量が７５４、８３０Ｎｍ^３／ｈと計算される清浄化後の高炉ガスは、膨脹した高炉ガスによって４５°Ｃから１７０°Ｃまで加熱され、他方逆に膨脹した高炉ガスは、２４３°Ｃから６５°Ｃまで冷却される。各ケースにおける熱交換器内での圧力低下は、０．１ｂａｒに達し、他方清浄化ガスシステムの圧力は、０．１ｂａｒ（ｇ）である。

第２熱交換器で、高炉ガスは、１７０°Ｃから３６２°Ｃまで加熱される。この目的に必要な熱出力は、５９．９５ＭＷに達する。この第２熱交換器での高炉ガスの圧力低下は、再び０．１ｂａｒに達する。

次に、高炉ガスは、タービン内で２．０ｂａｒ（ｇ）から０．２ｂａｒ（ｇ）まで膨脹する。対応する温度低下は、３６２°Ｃから２４３°Ｃまで進行する。シャフトでのパワー出力は、０．８５２６の効率（内部効率８７％、機械的効率９８％）で３４．２８ＭＷに達し、従って低温空気ブラストを発生するためのシャフトでの上記パワー条件に等しい。

２００〜３００ｋｇ／ｍ トンのスラグ流量および１、７００〜２、１００ｋＪ／ｋｇのスラグエンタルピーでは、スラグの利用可能な総熱含有量は、３９〜７３ＭＷに達するので、タービンの上流部の高炉ガスを加熱するための上記５９．９５ＭＷの領域内にある。当然ながら、スラグの総熱含有量は、熱損失により原則として完全に利用できるとは言えない。その理由は、実施例の計算で熱を吸収する高炉ガスは、熱交換器進入時に既に１７０°Ｃになっているので、スラグを周辺温度まで冷却できないからである。しかしながら、高炉ガスを燃焼させることによって高炉ガスを所望するタービン入口温度まで加熱するために、喪失する熱出力を得ることを容易に考え付くことができる。ＭＷの必要な追加総熱含有量あたり約１、３００Ｎｍ^３／ｈの高炉ガスを燃焼させなければならないことになる。

比較すると、４５°Ｃで高炉ガスが２．２ｂａｒ（ｇ）から０．１ｂａｒ（ｇ）まで膨脹する結果（熱交換器内での圧力低下はない）、シャフトでの計算されるパワー出力は、１８．９４ＭＷとなる。従って、供給される５９．９５ＭＷの熱は、（３４．２８−１８．９４）／５９．９５＝０．２５６すなわち約２６％の効率で機械的エネルギーに変換される。
添付図面を参照する本発明の可能な実施形態の次の詳細な説明から本発明の更なる細部および利点を類推できよう。

高温スラグから高炉ガスへ熱を伝達するための方法および３つの別の代替方法の図である。

低温空気ブラストを発生するために熱を回収し、利用する種々の実施形態について以下図１を参照して説明する。

各湯出し（出銑）操作中に周期的に得られる液状の高温スラグ１０は、粒状化装置１４に低温の固体１２を導入することにより冷却され、凝固する。この結果得られる固体混合物は、生じ得る最高温度となっており、この最高温度は、その後の混合物の処理によって実質的に制限される。

ガラス状に固化した、低温の、高炉スラグは、例えば低温の固体として使用できる。低温の高炉スラグを使用することには、このスラグを液状スラグ内に導入した後に一様に高温となった固体混合物が得られるという利点がある。

しかしながら、上記の形態に加え、または上記の形態とは異なり、球状または同様な形状の金属体、好ましくは鉄または鋼を低温固体として使用することもできる。これら金属体を液体スラグ内に導入したときに、これら金属体は、液状スラグのより急激な凝固を生じさせるので、ガラス質の、例えば非晶質の固化した部分を増加させる。このことは、このスラグを入れる別の材料の用途に応じて、有利となったり、必要となったりし得る。

各湯出し操作中に周期的に得られる高温固体混合物は、バッファーバンカーまたはサイロ１８内の中間貯蔵部に維持でき、その後熱回収のための装置２０へ粒状スラグとして連続的に供給できる。

この高温固体混合物は、熱交換装置２０に装入される。図１では、鎖線ボックスＡ，ＢおよびＣでこの熱交換装置２０の３つの異なる変形例が示されている。

湿潤清浄化装置２２内で溶鉱炉からの高炉ガスから、固体が除かれ、この高炉ガスには蒸気が添加され、約４５°Ｃまで冷却される。次にこの低温の湿潤な高炉ガスは、予備加熱器２４内で約１７０°Ｃまで加熱され、次に熱交換器２０内で約３６０°Ｃまで加熱される。この高温の高炉ガスは、高炉ガス膨脹タービン２６内へ送られ、膨脹しながら向流状態で使用されるが、予備加熱器２４内でまだ高温のままになっている高炉ガスは、低温の湿潤な高炉ガスを予備的に加熱する。高炉ガスが膨脹することによりタービン２６が駆動され、エネルギーがシャフト２８に伝達され、シャフトは、低温空気ブラスト圧縮機３０を駆動する。圧縮された低温空気ブラスト６２は、溶鉱炉内に送り込まれ、膨脹した低温の高炉ガスは、最終的にガス清浄化システム３２へ送り込まれる。

スラグから高炉ガスへ熱交換を行う別の実施形態では、図１内の鎖線ボックスＡで示されるように、高温固体混合物は、クラッシャー３４を通過し、粉砕され、可動床冷却器３６へ移送される。この可動床冷却器３６では、グレンツェバッハ社（Ｇｒｅｎｚｅｂａｃｈ）によって記載されているように、固体混合物から、冷却器の壁の上および／または可動床内に設けられたパイプを通過する高炉ガスへの熱交換が進行する。

更に空気回路３８により熱交換を補助し、改良できる。固体とパイプの外側表面との間の対流により空気が熱交換を高める。空気回路３８内の空気は、例えばブロワー４０により、送風される。ブロワー４０の上流には、適当な固体分離器、例えばサイクロンを配置できる。

スラグから高炉ガスへの熱交換を行う別の実施形態では、図１内の鎖線ボックスＢで示されるように、高温固体混合物が、ボールミルまたはチューブミル４２へ移送され、このミルで粉砕される。液体スラグを冷却するのに使用される金属体は、別の方法として研磨材を使用でき、研磨材を使用しない場合、従来の研磨ボールを使用できる。ブロワー４４は、空気回路４６を通して空気をミル４２内へ送風し、この空気は、研磨材上およびミルベース上で加熱され、固体分離器４８、例えばサイクロンを通過し、従来の熱交換器５０内で高炉ガスへ熱を解放する。

スラグから高炉ガスへ熱交換を行う更に別の実施形態では、図１内の鎖線ボックスＣで示されるように、高温固体混合物が、クラッシャー５２を通過し、粉砕され、回転管状冷却器５４へ移送される。この回転管状冷却器５４では、グレンツェバッハ社（Ｇｒｅｎｚｅｂａｃｈ）によって記載されているように、空気回路５６により固体混合物からの熱交換が進行する。チューブ上で空気が加熱され、従来の熱交換器５８内で高炉ガスへ熱が解放される。空気回路内の空気は、例えばブロワー６０により送風される。

熱回収のための上記方法で投入される高炉ガスは、膨脹した高炉ガスとまだ膨脹していない高炉ガスとの間の熱交換器で別方法としてすでに生じた第１ステージの予備的加熱に起因して高温となっている。従って、スラグの冷却を制限し、その後に第２の熱回収ステージをオプションとして実行してもよい。

１０−−−液状スラグ
１２−−−低温固体
１４−−−粒状化装置
１６−−−固体混合物
１８−−−バッファーサイロ
２０−−−熱交換器
２２−−−湿潤清浄化装置
２４−−−予備的加熱器
２６−−−高炉ガス膨脹タービン
２８−−−シャフト
３０−−−低温ブラスト圧縮機
３２−−−ガス清浄化システム
４３−−−クラッシャー
３６−−−可動床冷却器
３８−−−空気回路
４０−−−ブロワー
４２−−−チューブミル
４４−−−ブロワー
４６−−−空気回路
４８−−−固体分離器
５０−−−熱交換器
５２−−−クラッシャー
５４−−−回転冷却器
５６−−−空気回路
５８−−−熱交換器
６０−−−ブロワー
６２−−−圧縮された低温空気ブラスト

Claims (10)

1. スラグ熱を利用して低温空気ブラスト圧縮機を駆動する方法であって、
   ａ．高温の粒状スラグを提供するためのステップと、
   ｂ．湿潤な高炉ガスを提供するステップと、
   ｃ．前記湿潤な高炉ガスを予備的に加熱し、予備的に加熱された高炉ガスを得るステップと、
   ｄ．前記高温の粒状スラグから予備的に加熱された前記高炉ガスへ熱を伝達し、高温の高炉ガスを得るステップと、
   ｅ．タービン内で前記高温の高炉ガスを膨脹させ、エネルギーを解放し、膨脹した高炉ガスを得るステップと、
   ｆ．前記解放されたエネルギーを利用して、低温空気ブラストを圧縮し溶鉱炉に送るための低温空気ブラスト圧縮機を駆動するステップとを備え、
   前記タービン内の前記高温の高炉ガスの膨脹により、前記低温空気ブラスト圧縮機を駆動するためのシャフトを駆動し、前記膨脹した高炉ガスを使用して前記湿潤な高炉ガスを予備的に加熱し、膨脹した低温の高炉ガスを得る、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記湿潤な高炉ガスは、２〜４ｂａｒ（ｇ）の圧力および３０〜６０°Ｃの温度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記予備加熱された高炉ガスは、２〜４ｂａｒ（ｇ）の圧力および１４０〜２００°Ｃの温度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記高温の高炉ガスは、２〜４ｂａｒ（ｇ）の圧力および３００〜４２０°Ｃの温度を有することを特徴とする請求項１〜３のうちの１項に記載の方法。
5. 前記膨脹した高炉ガスは、０．０５〜０．４ｂａｒ（ｇ）の圧力を有することを特徴とする請求項１〜４のうちの１項に記載の方法。
6. 前記高温の膨脹した高炉ガスは、４００〜２９０°Ｃの温度を有することを特徴とする請求項１〜５のうちの１項に記載の方法。
7. 前記低温の膨脹した高炉ガスは、３０〜８０°Ｃの温度を有することを特徴とする請求項１〜６のうちの１項に記載の方法。
8. 前記高温の粒状スラグを提供し、低温の固体を導入することにより、高温の液体スラグを冷却し、凝固させることを特徴する請求項１〜７のうちの１項に記載の方法
9. 冷却され、ガラス質状に凝固したスラグおよび／または金属体を低温固体として使用することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 可動床冷却器内、管状冷却器内および／またはボールミルまたはチューブミル内で前記高温の粒状スラグから前記湿潤な高炉ガスへの熱交換が続行することを特徴とする請求項１〜９のうちの１項に記載の方法。

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