JP6076977B2 - 焼結設備用廃熱回収発電プラント - Google Patents

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Description

本発明は、焼結機と焼結鉱クーラーで構成され焼結鉱を生成する焼結設備に適用する廃熱回収発電プラントに関する。
製鉄所で使用する鉄鉱石は、粉状にした鉄鉱石を産地や性質についてブレンドして均質化した粉鉱石が主体となる。この際、粉鉱石をそのまま高炉に装入すると目詰まりを起こして還元ガスの流れを阻害する。そこで、一般には、事前に粉鉱石に少量の石灰粉とコークスを混ぜ、焼結機を用いて一定の大きさに焼き固めて塊状の焼結鉱としたものが使われる。現在、日本では、高炉に装入される鉄鉱石のうち焼結鉱がほぼ75%を占めるとされている。
焼結鉱を製造する場合、はじめに、粉鉱、粉石灰石、粉コークスを混合して造粒した焼結原料を焼結機に装入して着火させ、次に、コンベアにより焼結原料が末端に向かって移動する間に吸引ブロワで吸引した空気を上から下に向けて吹き付けて粉コークスを燃焼させ、その後、コークスの燃焼熱で粉鉱石を部分的に溶融して結合させ、次に、破砕、選別して、直径15〜30mmの焼結鉱が得られる。焼結機で製造される高温の焼結鉱は、焼結鉱クーラーに移されてコンベヤで搬送される間にコンベヤの下から冷却気流を当てられ、これによって、貯蔵が可能な温度まで冷却される。
このように、焼結鉱を生産する焼結設備は、焼結機と焼結鉱クーラーで構成される。焼結機では空気を供給して焼結原料を燃焼させる。この場合、燃焼により生ずるガスが、着火部分における50〜60℃程度の低温からコンベア末端部分における400〜450℃程度の高温まで分布する排ガスとなる。また焼結鉱クーラーでは高温の焼結鉱を空気で冷却する。この場合、冷却用空気が300〜400℃の高温の排ガスとなる。
従来、たとえば図6に図示されたように、焼結鉱クーラー2の排ガスは、排ガスの余剰熱を廃熱ボイラー30で回収され、これによって、蒸気が発生する。蒸気は、ユーティリティ蒸気として、あるいは蒸気タービン51を介して得られる電力として利用される。このように、焼結鉱クーラー2の排ガスは効果的に廃熱回収されている。
ちなみに、特許文献1は、焼結鉱クーラー2で暖められた冷却用空気を廃熱ボイラー30に導いて蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービン51に供給して電力を生成するという廃熱回収方法における改良発明を開示している。
特許文献1に開示された焼結鉱クーラー2の廃熱回収方法においては、焼結鉱クーラー2を、焼結鉱がより高温状態にあるボイラー連通領域と、冷却が進んだ煙道連通領域と、に分ける。ボイラー連通領域に導入された冷却ガスは、冷却後に焼結鉱を覆うフードを介してボイラーに導かれて熱が回収される。煙道連通領域に導入された冷却ガスは、そのまま煙道に導かれて大気に放出される。特許文献1に開示された方法は、フード内を常時正圧にして大気が混入しないようにして、回収する冷却ガスの温度低下を防ぐと共に、ボイラー連通領域と煙道連通領域の仕切りを任意に設定できるようにして熱回収率を向上させたことを特徴としている。
特許文献1には、焼結機1で発生する余剰熱について、これを回収して利用することについて何の言及も示唆もない。
ところで、サスペンションプレヒータ(PH)とエアクエンチングクーラー(AQC)と、を備えるセメント焼成プラントでは、従来、PHの排ガスをボイラーで熱回収してセメント原料の乾燥に利用すると共に、AQCの排ガスをボイラーで限界まで熱回収して発電する廃熱発電システムが利用されてきた。PHの排ガスの温度は、たとえば350〜400℃であり、AQCの排ガスの温度は、たとえば300〜250℃である。排ガスの量は、一般に、AQCの方がPHより多い。
セメント焼成プラントに関して、たとえば特許文献2は、PHの廃熱とAQCの廃熱とをそれぞれ廃熱ボイラーで回収して蒸気を得て、蒸気タービンを駆動して発電する廃熱発電システムを開示している。
特許文献2に開示されたセメント焼成プラント廃熱発電システムは、AQCボイラー130の節炭器で加熱された熱水の一部を、フラッシャーを介して低圧蒸気化して蒸気タービンの低圧段に投入する。また、熱水の残りの一部を、AQCボイラー130の蒸発器と過熱器を通して過熱し、さらに残りを、PHボイラー110の蒸発器と過熱器を通して過熱して、生成した高圧蒸気を蒸気タービンの高圧段に投入するシステムである。
特許文献2の廃熱発電システムの特徴は、図7に示すように、PHボイラー110の排ガス出口側にさらに蒸気ドラムを有する第2蒸発器を備えて、フラッシャーからの戻り熱水が蒸気ドラムを介して第2蒸発器に導入され、第2蒸発器で加熱された熱水が蒸気ドラムに戻され、蒸気ドラムで発生する蒸気が蒸気タービンの低圧段に投入されることである。
開示された廃熱発電システムは、AQCボイラー130の出口ガス温度をできるだけ低温に維持する。また、PHボイラーを2圧化して多段式蒸気タービンの高圧段と低圧段のそれぞれに適した蒸気を補給することにより、PHボイラー110の出口ガス温度ができるだけ低温に維持される。これによって、廃熱回収率を大幅に高めることが意図されている。
開示されたシステムでは、PHボイラー110の入口においては325℃であるガス温度が、出口においては165℃まで下げられ、AQCボイラー130の入口においては360℃であるガス温度が、出口では105℃まで下げられる。
このようにして、開示された廃熱発電システムは、AQCの廃熱を十分に回収した上、PHの廃熱も十分に利用して、電気エネルギー化することができる。
焼結機と焼結鉱クーラーを備えた焼結設備にセメント焼成プラント廃熱発電システムの技術的思想を適用し、これによって、焼結機の廃熱を有効に利用することが考えられる。この場合、焼結機と、PHボイラーに対応する焼結機ボイラー(SMボイラー)とが組み合わされ、また、焼結鉱クーラーと、AQCボイラーに対応する焼結鉱クーラー廃熱ボイラー(SCボイラー)とが組み合わされる。
ところが、焼結機においては、焼結原料に含まれるイオウ成分が焼結過程で酸化して亜硫酸ガスSOが生成され、また、さらなる酸化によって無水硫酸SOが生成される。このため、無水硫酸SOが排ガスに含まれる。したがって、排ガスの温度が酸露点よりも低下すると、SOが水蒸気と反応して硫酸となったガスが結露し、固体表面上に液滴硫酸が出現し、液滴硫酸が高い腐食性を発揮するおそれがある。このため、焼結鉱クーラー廃熱ボイラーの出口部分、焼結機排ガスが流れる途中の流路に設けられた排ガス処理装置および煙道などが、腐食されて損傷されるおそれがある。
特許文献2に開示された廃熱ボイラーは、出口における排ガス温度を低温にすることにより、効果的な廃熱回収を図るものである。従って、特許文献2に開示されたセメント焼成プラント廃熱発電システムの技術的思想に従って焼結機と廃熱ボイラーとを組み合わせた場合には、焼結機廃熱ボイラーに要求される排ガスの温度条件が満たされない。例えば、排ガスが過度に冷却され、この結果、焼結鉱クーラー廃熱ボイラーの出口部分や排ガス処理系が損傷されると考えられる。このように、セメント焼成プラント廃熱発電システムの技術的思想を焼結設備にそのまま適用することはできない。このため、従来、焼結機の排ガスについては効果的な廃熱回収をすることができなかった。
特開2000−226618号公報 特開2008−157183号公報
そこで、本発明が解決しようとする課題は、焼結鉱クーラーにおける廃熱回収に加えて、焼結機の排ガスに含まれる無水硫酸の液滴硫酸化を抑制しながら、従来十分活用できなかった焼結機の廃熱を効果的に回収して、焼結設備の廃熱回収率を向上させるようにした焼結設備用の廃熱回収発電プラントを提供することである。
上記課題を解決する本発明の第1の焼結設備用廃熱回収発電プラントは、焼結機と焼結鉱クーラーとを備える焼結設備に適用する廃熱回収発電プラントであって、発電機と結合した多段式蒸気タービンと、前記多段式蒸気タービンの復水を、前記焼結鉱クーラーの排ガスを導入して加熱し、熱水および蒸気を発生させる焼結鉱クーラー廃熱ボイラーと、前記焼結鉱クーラー廃熱ボイラーで発生した熱水の全部または一部を、前記焼結機の排ガスのうち高温の部分を導入して加熱し、蒸気を発生させる焼結機廃熱ボイラーと、を備え、前記焼結鉱クーラー廃熱ボイラーにおいて発生した蒸気と、前記焼結機廃熱ボイラーにおいて発生した蒸気と、が前記多段式蒸気タービンの高圧段に供給され、前記焼結機廃熱ボイラーの排ガス出口における排ガスの温度を酸露点より高い温度に維持するよう、前記焼結機廃熱ボイラーに供給される熱水の温度を制御することを特徴とする焼結設備用廃熱回収発電プラントである。
上記課題を解決する本発明の第2の焼結設備用廃熱回収発電プラントは、焼結機と焼結鉱クーラーとを備える焼結設備に適用する廃熱回収発電プラントであって、発電機と結合した多段式蒸気タービンと、前記多段式蒸気タービンの復水を、前記焼結鉱クーラーの排ガスを使用して加熱し、熱水を発生させる加熱器と、前記加熱器で発生した熱水の一部を、前記焼結鉱クーラーの排ガスを使用して加熱し、蒸気を発生させる第1蒸気発生器と、前記加熱器で発生した熱水の一部を、前記焼結機の排ガスのうち高温の部分を使用して加熱し、蒸気を発生させる第2蒸気発生器と、を備え、前記加熱器には、前記第1蒸気発生器に導入されて前記第1蒸気発生器から排出された後の前記焼結鉱クーラーの排ガスが導入され、前記第1蒸気発生器において発生した蒸気と、前記第2蒸気発生器において発生した蒸気と、が前記多段式蒸気タービンの高圧段に供給され、前記第2蒸気発生器の排ガス出口における排ガスの温度を酸露点より高い温度に維持するよう、前記第2蒸気発生器に供給される熱水の温度を制御することを特徴とする焼結設備用廃熱回収発電プラントである。
本発明の焼結設備用廃熱回収発電プラントによれば、焼結機排ガスによる硫酸腐食を抑制しながら、従来回収が十分できなかった焼結機で発生する廃熱を回収して電力を生成することができ、これによって、全体としての廃熱利用率を向上させることができる。
本発明の実施の形態に係る焼結設備用廃熱回収発電プラントのブロック図である。 本発明の第1実施例に係る焼結設備用廃熱回収発電プラントのブロック図である。 本発明の第1実施例の変形例に係る焼結設備用廃熱回収発電プラントのブロック図である。 本発明の第2実施例に係る焼結設備用廃熱回収発電プラントのブロック図である。 本発明の第2実施例の変形例に係る焼結設備用廃熱回収発電プラントのブロック図である。 従来の焼結設備用廃熱回収発電プラントの例を示すブロック図である。 従来のセメント焼成プラントに適用した廃熱回収発電システムの例を示すブロック図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図番の異なる図面においても、同一の機能を備えた構成要素には同一の参照番号を付して、理解の容易化を図った。
図1は、本発明の実施の形態に係る焼結設備用廃熱回収発電プラントのブロック図である。図中、矢印が付された実線は熱水や蒸気の流れを示し、矢印が付された点線は排気の流れを示す。
図1焼結設備用廃熱回収発電プラントは、焼結設備における焼結機(SM)1と焼結鉱クーラー(SC)2で発生する廃熱とを回収して電力を得る廃熱回収発電プラントである。
焼結機1は、コークスの燃焼熱で粉鉱石を部分的に溶融して結合させて焼結鉱を得るためのものである。得られた焼結鉱は、焼結鉱クーラー2に投入される。焼結機1で生ずる排ガスの温度は、後述する酸露点よりも低い温度から、酸露点よりも十分に高い温度まで分布する。
焼結機1における排ガスには、イオウ成分が酸化して生成した亜硫酸ガスSOおよび亜硫酸ガスがさらに酸化して生成される無水硫酸SOが含まれる。無水硫酸SOが含まれる排ガスは、温度が酸露点より低下すると固体表面上に液滴硫酸が結露して付着し高い腐食性を呈するようになり、後述する第2蒸気発生器の伝熱面などに損傷を与えるおそれがある。このため、排ガスの温度を酸露点以上に保持する必要がある。
焼結鉱クーラー2に投入された焼結鉱には、冷却用空気が吹き付けられる。焼結鉱を冷却するために使用された冷却用空気は、高温の排ガスとなる。
本実施の形態に係る焼結設備用の廃熱回収発電プラントは、上記構成の焼結設備に付帯させるものである。廃熱回収発電プラントは、発電機52と結合した多段式の蒸気タービン51と、蒸気タービン51の復水を、焼結鉱クーラー2の排ガスを使用して加熱し、熱水を発生させる加熱器30cと、加熱器30cで発生した熱水の一部を、焼結鉱クーラー2の排ガスを使用して加熱し、蒸気を発生させる第1蒸気発生器30bと、加熱器30cで発生した熱水の一部を、焼結機1の排ガスを使用して加熱し、蒸気を発生させる第2蒸気発生器10bと、を備えている。焼結鉱クーラー2の排ガスを使用して蒸気タービン51の復水を加熱することができる限りにおいて、加熱器30cの具体的な構成は特には限られないが、例えば加熱器30cとして節炭器が用いられる。なお、焼結機1で生ずる排ガスは、上述のように、高温の部分1aおよび低温の部分1bを含んでおり、第2蒸気発生器10bにおいては、焼結機1の排ガスのうち高温の部分1aが使用される。また、加熱器30cには、第1蒸気発生器30bに導入されて第1蒸気発生器30bから排出された後の焼結鉱クーラー2の排ガスが導入される。加熱器30cにおける熱水の温度や、第1蒸気発生器30bおよび第2蒸気発生器10bにおける蒸気の圧力や温度は、制御装置60により設定または制御される。
第1蒸気発生器30bにおいて発生した蒸気、および、第2蒸気発生器10bにおいて発生した蒸気は、蒸気タービン51の高圧段に供給される。発電機52は、蒸気タービン51の回転軸の運動エネルギーを電力に変換する。蒸気タービン51における仕事を終えた蒸気は、復水器53で凝縮して水に返り、給水ポンプ54により再度ボイラーに供給される。
本実施の形態においては、従来は利用されていなかった、焼結機1の排ガスの熱を、第2蒸気発生器10bにおいて利用することができる。このため、蒸気タービン51の高圧段に供給される蒸気の量を増加させることができ、これによって、発電効率を向上させることができる。
なお、第2蒸気発生器10bに導入された排ガスの温度が酸露点より低くなると、第2蒸気発生器10bの伝熱面などに損傷を与えるおそれがある。ここで本実施の形態によれば、第2蒸気発生器10bには、加熱器30cによって予め加熱された熱水が供給される。この場合、第2蒸気発生器10bに供給される熱水の温度を適切に制御することにより、第2蒸気発生器10bにおける排ガスの廃熱回収量を制限することができる。これによって、第2蒸気発生器10bの排ガス出口における排ガスの温度を酸露点より高い温度に維持することができ、このことにより、第2蒸気発生器10bの伝熱面などが損傷してしまうことを防ぐことができる。
なお、加熱器30cで発生した熱水は、第2蒸気発生器10bに直接的に供給されてもよく、若しくは、第2蒸気発生器10bに間接的に供給されてもよい。ここで間接的とは、図1において一点鎖線で表わされているように、加熱器30cと第2蒸気発生器10bとの間に、熱交換を実施する少なくとも1つの要素40が介在されていることを意味している。要素40としては、例えば、熱水の熱を利用して蒸気を発生させる蒸気抽出器40が考えられる。
なお、加熱器30cおよび第1蒸気発生器30bを含む装置をSCボイラー30と称することもある。また、第2蒸気発生器10bを含む装置をSMボイラー10と称することもある。
以下、本発明の実施例について説明する。
図2は、本発明の第1実施例に係る焼結設備用廃熱回収発電プラントのブロック図である。
たとえば最も一般的なドワイト・ロイド式の焼結機1は、直径2〜3mmの粉鉱と溶剤となる粉石灰石と燃料となる粉コークスとを混合して造粒した焼結原料を機中の鉄製のパレットに入れて着火させ、パレットの焼結原料が末端に向かって移動する間に排風機7で吸引して生成した気流を上から下に通して粉コークスを燃焼させ、コークスの燃焼熱で粉鉱石を部分的に溶融して結合させて焼結鉱を得る。焼結鉱は、破砕、選別して直径15〜30mmの焼結鉱とした後、焼結鉱クーラー2に投入する。
焼結機1で焼結原料を燃焼させて生ずる排ガスの温度は、点火領域における50〜60℃程度の低温から、焼結完了領域における400〜450℃程度の高温まで分布する。
また、焼結機1における排ガスには、粉コークスや鉄鉱石に含まれるイオウ成分が酸化して生成した亜硫酸ガスSOおよび亜硫酸ガスがさらに酸化して生成される無水硫酸SOが含まれる。無水硫酸SOが含まれる排ガスは、温度が酸露点より低下すると固体表面上に液滴硫酸が結露して付着し高い腐食性を呈するようになり、後述する焼結機廃熱ボイラーの伝熱面や煙道に設けられた集塵機3などに損傷を与えるおそれがある。このため、排ガスの温度を酸露点以上に保持する必要がある。硫酸の酸露点は、SOの分圧と水分の分圧により左右される値であるが、ほぼ120〜140℃程度である。
焼結機1で製造される高温の焼結鉱は、焼結鉱クーラー2に移されてコンベヤで搬送される。搬送の間、焼結鉱には、コンベヤの下から冷却用空気が吹き付けられ、これによって冷却される。
焼結鉱クーラー2において、高温の焼結鉱を冷却するために使用された冷却用空気は、300〜400℃の高温の排ガスとなる。
なお、焼結鉱クーラー2の排ガスには、破砕された焼結鉱を透過するため粉塵が含まれている。このため排ガスは、集塵機4などの除塵装置により粉塵が除去された後に大気に放出される。
本実施例に係る焼結設備用の廃熱回収発電プラントは、上記構成の焼結設備に付帯させるものである。廃熱回収発電プラントは、蒸気タービン51と発電機52と復水器53を備えた発電装置50と、焼結鉱クーラー廃熱ボイラー(SCボイラー)30と、焼結機廃熱ボイラー(SMボイラー)10と、蒸気抽出器40と、復水を給水する給水ポンプ54と、を含んでいる。SCボイラー30およびSMボイラー10における熱水の流量や温度、蒸気タービン51、SCボイラー30およびSMボイラー10における蒸気の圧力や温度、並びに、蒸気抽出器40における圧力や温度は、制御装置60により設定または制御される。
SCボイラー30は、焼結鉱クーラー2の排ガスを導入して蒸気タービン51の複水を加熱し、熱水および蒸気を発生させるよう構成されている。例えばSCボイラー30は、従来用いられてきたものと同様の構成を有するもので、ボイラー本体31を備える。ボイラー本体31には過熱器(第1過熱器)33と蒸発器(第1蒸発器)35と節炭器(第1節炭器)37が組み込まれており、蒸気ドラム(第1蒸気ドラム)36が付属している。過熱器33、蒸発器35および蒸気ドラム36の組み合わせは、図1に示す上述の第1蒸気発生器30bとして機能することができる。また節炭器37は、図1に示す上述の加熱器30cとして機能することができる。ボイラー本体31には焼結鉱クーラー2で300〜400℃まで昇温した冷却用空気(排ガス)が供給される。高温の冷却用空気は、過熱器33、蒸発器35、節炭器37で効率的に熱交換して、水あるいは蒸気を加熱する。熱交換により冷却された冷却用空気は、ボイラー本体31の出口から放出される。
SMボイラー10は、焼結機1の排ガスを導入して、SCボイラー30の節炭器37から直接的に供給された熱水を加熱し、熱水および蒸気を発生させるよう構成されている。例えばSMボイラー10は、ボイラー本体11を備え、ボイラー本体11には過熱器(第2過熱器)13と蒸発器(第2蒸発器)15が組み込まれており、蒸気ドラム(第2蒸気ドラム)16が付帯している。過熱器13、蒸発器15および蒸気ドラム16の組み合わせは、図1に示す上述の第2蒸気発生器10bとして機能することができる。ボイラー本体11には、排風機9で吸引されることにより、焼結機1の排ガスのうち高温の部分が導入される。焼結機1に導入された排ガスは、過熱器13と蒸発器15で効率的に熱交換して、水あるいは蒸気を加熱する。熱交換により冷却された排ガスは、ボイラー本体11の出口から放出される。SMボイラー10から放出される排ガスは、配管に導かれて、焼結機1の排ガスのうち低温の部分と合流し、さらに、集塵機3を通過して煙突5から大気に放出される。
発電装置50の蒸気タービン51は、多段式蒸気タービンで、少なくとも高圧蒸気を供給する高圧段、低圧蒸気を供給して出力を補う低圧段、および、中間的な圧力の中圧蒸気を供給して出力を補う中圧段を備える。蒸気タービン51には発電機52が直結されており、発電機52は、蒸気タービン51の回転軸の運動エネルギーを電力に変換する。
蒸気タービン51における仕事を終えた蒸気は、復水器53で凝縮して水に返り、給水ポンプ54により再度ボイラーに供給される。
蒸気抽出器40は、SCボイラー30の節炭器37から供給された熱水の熱を利用して蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービン51に供給するよう構成されたものである。例えば蒸気抽出器40は、第1段フラッシャーとしての高圧段フラッシャー41および第2段フラッシャーとしての低圧段フラッシャー42を備えた2段式フラッシャー40として構成されている。2段式フラッシャー40の高圧段フラッシャー41は、SCボイラー30から供給される熱水から蒸気を分離して、生成された蒸気を蒸気タービン51の中段に供給し、残った熱水を低圧段フラッシャー42に供給する。低圧段フラッシャー42は、高圧段フラッシャー41から供給された熱水から低圧の蒸気を分離し、蒸気を蒸気タービン51の低圧段に供給し、残った熱水を底の出口から配管系に放出する。
多段式蒸気タービン51の復水と低圧段フラッシャー42の戻り熱水を、SCボイラー30の節炭器37に供給して加熱する。加熱された熱水は、高圧段フラッシャー41と、SMボイラー10の蒸気ドラム16と、SCボイラー30の蒸気ドラム36とに供給される。
SCボイラー30の蒸気ドラム36に供給された熱水は、蒸発器35で加熱され高圧水になって蒸気ドラム36に戻り気液分離する。蒸気ドラム36の蒸気は過熱器33で飽和温度以上に加熱され高圧蒸気になる。
また、SMボイラー10の蒸気ドラム16に供給された熱水は、SCボイラー30の蒸気ドラム36の場合と同様に、蒸発器15と過熱器13とが適用されることによって高圧蒸気になる。SMボイラー10で生成された高圧蒸気は、SCボイラー30で生成された高圧蒸気と合流して、蒸気タービン51の高圧段に供給される。
このとき、排ガス中の無水硫酸による腐食を防止するため、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を酸露点より高い温度、たとえば160℃以上に維持する必要がある。したがって、SMボイラー10における廃熱回収量は、SMボイラー10に供給される排ガス温度と排ガス流量により制約される。
SMボイラー10から蒸気タービン51の高圧段に供給する蒸気の圧力あるいは温度を決めれば、上記のようにして決まる回収熱量に基づいて、SCボイラー30の節炭器37からSMボイラー10の蒸気ドラム16に供給される熱水の温度や流量を決めることができる。従って、制御装置60は、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を酸露点より高い温度に維持するよう、SCボイラー30の節炭器37からSMボイラー10の蒸気ドラム16に供給される熱水の温度や流量を制御する。例えば制御装置60は、決定された蒸気タービン51の高圧段の圧力および蒸気ドラム16の圧力に基づいて、蒸気ドラム16の圧力を大きく低下させることがなく、かつ、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度が酸露点よりも高くなるよう、蒸気ドラム16に供給される熱水の温度を設定する。または、制御装置60は、はじめに、蒸気ドラム16に供給される熱水の温度を設定し、次に、設定された熱水の温度に応じて、蒸気タービン51の高圧段の圧力および蒸気ドラム16の圧力や温度を設定してもよい。例えば、蒸気タービン51の高圧段の圧力が1.25MPaに設定され、蒸気ドラム16の圧力および温度が1.05MPaおよび182℃に設定される。一般には、蒸気ドラム16に供給される熱水の温度は、蒸発器15の水側温度よりも5℃程度低くなるよう設定される。なお図2に示すように、蒸気ドラム16に供給される熱水の流量を調整するためのポンプ44が設けられていてもよい。
さらに、SCボイラー30の節炭器37から熱水が供給される高圧段フラッシャー41は、供給される熱水のたとえば10%を蒸気化して蒸気タービン51の中圧段に供給し、残る熱水を低圧段フラッシャー42に供給する。低圧段フラッシャー42もまた、熱水のたとえば10%を蒸気化して蒸気タービン51の低圧段に供給することができる。低圧段フラッシャー42に残る熱水は戻り熱水として、復水器53で生成される蒸気タービン51の復水と一緒に、給水ポンプ54により再びSCボイラー30に供給される。
焼結鉱クーラー2で焼結鉱を冷却して昇温した冷却用空気は、SCボイラー30に導かれ、廃熱回収されて冷却され、集塵機4など除塵装置を介して煙突6から大気に放出される。なお、SCボイラー30で冷却された空気の一部を焼結鉱クーラー2に戻して再度冷却に使用してもよい。これによって、外気取り込みの動力を節減することができる。
このように構成された廃熱回収発電プラントでは、SMボイラー10において回収する廃熱の分だけ発電システムを循環する熱水あるいは蒸気の量を増加させることができるので、発電効率が向上する。ただし、SMボイラー10の出口における排ガス温度に制約があるため、蒸気タービン51で利用できるような高圧蒸気を得るためには、SMボイラー10の蒸気ドラム16に、SCボイラー30の節炭器37で加熱して適宜の温度まで昇温した熱水を供給することが好ましい。
このようにすると、SCボイラー30で回収する熱量の一部をSMボイラー10のために利用するので、この分だけフラッシャーで分離される蒸気は減少する。しかしながら、SCボイラー30からの熱水の一部がSMボイラー10で加熱され蒸発することにより、蒸気タービン51に供給する高圧蒸気が増加するので、全体的にはより効率のよい発電システムとなる。
なお従来は、フラッシャーで生成される蒸気を蒸気タービン51の低圧段に供給していた。一方、本実施例においては、高圧段フラッシャー41および低圧段フラッシャー42を有する2段式フラッシャー40を用いている。このため、SCボイラー30で蒸気タービン51の中圧段に適合する蒸気を生成し、生成された蒸気を蒸気タービン51の中圧段に注入し、これによって、電力を補強することができる。すなわち、節炭器37で加熱した熱水を高圧段フラッシャー41に供給することによって、蒸気タービン51の出力を増強することができる。
ところで、SMボイラー10に供給される熱水の温度が高くなると、通常、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度も高くなる。すなわち、SMボイラー10における廃熱回収量が小さくなる。従って、発電効率の観点から考えると、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度が酸露点より高くなるという条件が満たされる限りにおいて、SMボイラー10に供給される熱水の温度が低いことが好ましい。このため、好ましくは、制御装置60は、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を、酸露点よりもわずかに高い温度範囲内、例えば160〜200℃の範囲内に維持するよう、SMボイラー10に供給される熱水の温度を制御する。例えば、制御装置60は、SMボイラー10に供給される熱水の温度を140〜180℃の範囲内に制御する。このことにより、排ガス中の無水硫酸によってSMボイラー10の出口部分が腐食されることを防止しながら、SCボイラー30における廃熱を十分に回収することができる。
次に、本実施例の効果を具体的に説明する。たとえば、焼結機1で20万Nm/hの排ガスを発生し、焼結鉱クーラー2で40万Nm/hの排ガスを発生する焼結設備において、SMボイラー10に供給される排ガス温度が350℃であるという条件の下、出口における排ガス温度を酸露点以上に保持するものとする。
このためには、たとえば、SCボイラー30の節炭器37の出口における熱水の温度を177℃として、SMボイラー10の蒸気ドラム16に給水する。これによって、蒸発器15の水側温度は182℃に保持され、このときのSMボイラー10の出口における排ガス温度は約200℃に保持される。
硫酸の酸露点は、SOの分圧と水分の分圧により左右されるが、ここでは、ほぼ120〜140℃程度となる。SMボイラー10の出口における排ガス温度は酸露点温度まで60〜80℃の余裕がある。また、焼結機1から排出される低温の排ガスと合流する位置における排ガス温度も、水露点より高い100℃程度に維持することができる。したがって、排ガス中に含まれる無水硫酸SOの液滴硫酸化および硫酸成分の水溶液化を抑制し、廃熱ボイラーの伝熱面および排気系設備の腐食を防止することができる。
なお、高圧段フラッシャー41では、0.4MPaでフラッシュさせると、例えば10%が蒸気になり90%が熱水になり、このうち蒸気を蒸気タービン51の中圧段に供給し、熱水を低圧段フラッシャー42に供給する。低圧段フラッシャー42では、0.13MPaでフラッシュさせて、供給された熱水を同じく、例えば10%の蒸気と90%の水に分けて、蒸気を蒸気タービン51の低圧段に供給し、水を戻り熱水として、復水器53からの復水と一緒にしてSCボイラー30に給水する。
2段フラッシャーを採用することにより、2つの圧力温度水準の蒸気を生成させることができるので、高いポテンシャルを持つ、より高温の蒸気を活用することができる。
本実施例の廃熱回収発電プラントを上記の条件下で運転して焼結機の排ガスから回収した廃熱を加えたことにより、焼結鉱クーラーからの廃熱回収のみの場合と比較して、ほぼ1.5倍の電力を得ることができた。
なお図2に示す実施例1においては、SCボイラー30の節炭器37によって加熱された熱水が、SMボイラー10の蒸気ドラム16に直接的に供給される例を示したが、これに限られることはない。例えば、節炭器37によって加熱された熱水が、蒸気ドラム16に間接的に供給されてもよい。すなわち、節炭器37と蒸気ドラム16との間に、熱水の温度に影響を与える何らかの構成要素が配置されていてもよい。例えば、図3に示すように、節炭器37によって加熱された熱水を、高圧段フラッシャー41とSCボイラー30の蒸気ドラム36とに供給し、高圧段フラッシャー41から排出された熱水を、低圧段フラッシャー42とSMボイラー10の蒸気ドラム16とに供給してもよい。この場合、制御装置60は、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を酸露点より高い温度に維持するよう、高圧段フラッシャー41からSMボイラー10の蒸気ドラム16に供給される熱水の温度や流量を制御する。例えば、制御装置60は、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を160〜200℃の範囲内に維持するよう、高圧段フラッシャー41から蒸気ドラム16に供給される熱水の温度を140〜180℃の範囲内に制御する。なお一般に、高圧段フラッシャー41から排出される、高圧段フラッシャー41によって減圧された熱水の圧力は、蒸気ドラム16の圧力よりも低くなっている。このため、図3に示す形態においては、蒸気ドラム16に供給される熱水の流量や圧力を調整するための昇圧ポンプ43が設けられている。
実施例1において説明したように、SMボイラー10の蒸気ドラム16に供給される熱水の温度が高くなりすぎると、SMボイラー10における廃熱回収量が小さくなってしまう。一方、高圧段フラッシャー41に供給される熱水の温度が低くなりすぎると、高圧段フラッシャー41において分離される蒸気の圧力が低くなり、この結果、蒸気タービン51の出力が低下してしまう。ここで、図3に示す変形例においては、節炭器37によって加熱された熱水が、高圧段フラッシャー41に供給され、高圧段フラッシャー41によって蒸気を分離された後の熱水が、SMボイラー10の蒸気ドラム16に供給される。このため、蒸気ドラム16に供給される熱水の温度が高くなりすぎることを防ぎながら、高圧段フラッシャー41に供給される熱水の温度を高くすることができる。このことにより、SMボイラー10における廃熱回収量を大きくし、かつ、高圧段フラッシャー41において分離される蒸気の圧力を高くすることができる。
たとえば、SCボイラー30の節炭器37によって熱水を177℃に加熱し、加熱された熱水を高圧段フラッシャー41に供給する。また、高圧段フラッシャー41の圧力を飽和温度144℃に対応する中圧段圧力に維持して気液分離を行い、生成した熱水の一部をSMボイラー10の蒸気ドラム16に供給する。一方、制御装置60は、蒸気ドラム16に供給される熱水の温度に応じて、蒸気ドラム16における蒸気の圧力や温度を設定し、この結果、蒸発器15の水側温度は182℃に保持され、このときのSMボイラー10の出口における排ガス温度は約200℃に保持される。
なお上述の実施例1およびその変形例においては、SMボイラー10の出口における排ガス温度を酸露点より高い温度にし、これによってSMボイラー10の出口部分が無水硫酸によって腐食されることを防ぐ例を示した。一方、廃熱回収発電プラント全体の保守を考慮すると、SMボイラー10の出口部分だけでなく、煙道などの排気系設備に関しても、腐食による損傷を防ぐための対策がなされていることが好ましい。例えば、硫酸のガスが含まれた排ガスが水の露点以下の温度になると、凝縮した水に硫酸が溶けて硫酸溶液になり、付着した金属表面を激しく腐食することがある。従って、煙道中の排ガスの温度は、水の露点温度(水露点)より高くなっていることが好ましい。水露点は、ガス中の水蒸気分圧により左右される値であるが、ほぼ60〜80℃程度である。従って、煙道などの排気系設備を通る排ガスの温度がたとえば100℃以上に維持されることが好ましい。
ここで、上述の実施例1およびその変形例においては、SMボイラー10出口から排出された排ガスは、SMボイラー10を経由しない、焼結機の点火部で生じる低温の排ガスと合流した後、集塵機など排ガス処理装置を通って煙突から大気に排出される。この場合、合流後の排ガス温度が水露点を下回っていると、煙道などの排気系設備が腐食されるおそれがある。従って、好ましくは、合流後の排ガス温度が水露点より高い温度に維持するよう、SMボイラー10出口から排出される排ガスの温度や流量が制御され、また、煙道などの排気系設備が設計される。
上述の本実施例またはその変形例の廃熱回収発電プラントを用いることにより、焼結機1で発生する無水硫酸によるSMボイラー10の出口部分や排ガス管路中の各種機器の損傷を抑制しながら、焼結機1で発生する排ガスから廃熱を回収して利用し、より効率のよい焼結設備の運転を行うことができる。
本実施例または変形例の廃熱回収発電プラントは、SMボイラー10とSCボイラー30で共有される給水系統を備え、設備コストが安価でシンプルな運用が可能という利点があり、焼結機1で発生する利用可能な廃熱が比較的少ない場合に適している。
図4は、本発明の第2実施例に係る焼結設備用廃熱回収発電プラントのブロック図である。図中、図2と同じ機能を有する要素は、図2と同じ参照番号を付すことにより重複した説明を避けて簡易化を図った。
第2実施例の焼結設備用廃熱回収発電プラントは、第1実施例の廃熱回収発電プラントと比較して、焼結機廃熱ボイラー(SMボイラー)10にさらに節炭器(第2節炭器)17を設けて配管系統を少し変更したもので、他の構成には大きな相違がない。
本実施例の廃熱回収発電プラントでは、復水器53と低圧段フラッシャー42とから、給水ポンプ54を用いて供給される給水が、SCボイラー30の節炭器37で加熱されて熱水となり、この熱水は、SCボイラー30の蒸気ドラム36とSMボイラー10の節炭器17と高圧段フラッシャー41とに供給される。蒸気ドラム36に供給された熱水は、蒸発器35で加熱され蒸気ドラム36に戻って気液分離して蒸気を発生させる。発生した飽和蒸気は、過熱器33で高圧蒸気となって、蒸気タービン51の高圧段に供給される。
また、SMボイラー10の節炭器17に供給された熱水は、節炭器17で加熱された後に蒸気ドラム16に供給される。蒸気ドラム16に供給された熱水は、蒸発器15と過熱器13により高圧蒸気となって、SCボイラー30から供給される高圧蒸気と一緒に蒸気タービン51の高圧段に供給される。
本実施例の廃熱回収発電プラントでも、SMボイラー10において回収する廃熱の分だけ蒸気タービン51に供給する熱エネルギーを増加させることができるので、発電量が増大する。また上述の実施例1やその変形例の場合と同様に、制御装置60は、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を酸露点より高い温度に維持するよう、SCボイラー30の節炭器37からSMボイラー10の節炭器17に供給される熱水の温度や流量を制御する。例えば、制御装置60は、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を160〜200℃の範囲内に維持するよう、SCボイラー30の節炭器37からSMボイラー10の節炭器17に供給される熱水の温度を140〜180℃の範囲内に制御する。このことにより、排ガス中の無水硫酸によってSMボイラー10の出口部分が腐食されることを防止しながら、SCボイラー30における廃熱を十分に回収することができる。
また本実施例においては、熱水をSCボイラー30から蒸気ドラム16に直接的に供給する代わりに、節炭器17で加熱した熱水を蒸気ドラム16に供給している。このため、節炭器17が設けられていない場合に比べて、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度が高くなりすぎることを防ぎながら、蒸気ドラム16に供給される熱水の温度をより高くすることができる。従って、蒸気ドラム16の圧力および蒸気タービン51の高圧段の圧力をより高くすることができる。例えば、蒸気タービン51の高圧段の圧力が2.5MPaに設定され、蒸気ドラム16の圧力および温度が2.7MPaおよび233℃に設定される。このことにより、蒸気タービン51の出力を増強することができる。
たとえば、SCボイラー30の節炭器37によって熱水を177℃に加熱し、加熱された熱水を高圧段フラッシャー41およびSMボイラー10の節炭器17に供給する。また、節炭器17によって熱水を233℃に加熱し、加熱された熱水をSMボイラー10の蒸気ドラム16に供給する。この際、SMボイラー10の出口における排ガス温度は約200℃に保持される。
なお図4に示す実施例2においては、SCボイラー30の節炭器37によって加熱された熱水が、SMボイラー10の節炭器17に直接的に供給される例を示したが、これに限られることはない。例えば、節炭器37によって加熱された熱水が、節炭器17に間接的に供給されてもよい。すなわち、節炭器37と節炭器17との間に、熱水の温度に影響を与える何らかの構成要素が配置されていてもよい。例えば、上述の実施例1の変形例の場合と同様に、SCボイラー30とSMボイラー10との間に高圧段フラッシャー41が介在されていてもよい。具体的には、図5に示すように、節炭器37によって加熱された熱水を、高圧段フラッシャー41とSCボイラー30の蒸気ドラム36とに供給し、高圧段フラッシャー41の熱水を、低圧段フラッシャー42とSMボイラー10の節炭器17とに供給してもよい。この場合、制御装置60は、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を酸露点より高い温度に維持するよう、高圧段フラッシャー41からSMボイラー10の節炭器17に供給される熱水の温度や流量を制御する。例えば、制御装置60は、SMボイラー10の排ガス出口における排ガス温度を160〜200℃の範囲内に維持するよう、高圧段フラッシャー41から節炭器17に供給される熱水の温度を140〜180℃の範囲内に制御する。
本変形例によれば、節炭器37によって加熱された熱水が高圧段フラッシャー41に供給され、高圧段フラッシャー41の熱水がSMボイラー10の節炭器17に供給される。このため、節炭器17に供給される熱水の温度が高くなりすぎることを防ぎながら、高圧段フラッシャー41に供給される熱水の温度を高くすることができる。このことにより、SMボイラー10における廃熱回収量を大きくし、かつ、高圧段フラッシャー41において分離される蒸気の圧力を高くすることができる。
たとえば、高圧段フラッシャー41の圧力を飽和温度144℃に対応する中圧段圧力に維持して気液分離を行い、生成した熱水の一部をSMボイラー10の節炭器17に供給する。これによって、SMボイラー10の出口における排ガス温度を、酸露点より20〜40℃高い約160℃に保持することができる。また、節炭器17によって熱水を233℃に加熱し、加熱された熱水をSMボイラー10の蒸気ドラム16に供給する。したがって、排ガス中に含まれる無水硫酸や亜硫酸ガスの結露による液滴硫酸化を抑制しながら、蒸気タービン51の高圧段および中圧段における圧力を十分に高くし、蒸気タービン51の出力を増強することができる。
なお本変形例において、図5で符号45が付された経路によって示されているように、節炭器17によって加熱された熱水を、蒸気ドラム16だけでなく高圧段フラッシャー41にも分配してもよい。これによって、高圧段フラッシャー41で生成される蒸気、すなわち蒸気タービン51の中圧段に注入される蒸気を増強することができ、このことにより、蒸気タービン51の出力を増強することができる。
本実施例またはその変形例の廃熱回収発電プラントは、SMボイラー10が節炭器17を備えるため設備コストが高くなる反面、焼結機1の廃熱をより多く回収できる。このため、焼結機1と焼結クーラー2で利用可能な廃熱全体に対して焼結機1の占める割合が大きい場合に適している。
なお上述の第1実施例またはその変形例、並びに上述の第2実施例またはその変形例において、蒸気抽出器として2段式フラッシャー40が用いられる例を示した。しかしながら、蒸気抽出器の構成がフラッシャーに限られることはない。例えば蒸気抽出器は、減圧を伴うことなく熱水を蒸気に変換する気液分離器として構成されていてもよい。
本発明の焼結設備用廃熱回収発電プラントは、製鉄に必要とされる焼結鉱を製造する焼結設備に適用することにより、焼結機で発生する廃熱を電力として回収して省エネルギーを達成することができる。

Claims (3)

  1. 焼結機と焼結鉱クーラーとを備える焼結設備に適用する廃熱回収発電プラントであって、
    発電機と結合した多段式蒸気タービンと、
    前記多段式蒸気タービンの復水を、前記焼結鉱クーラーの排ガスを導入して加熱し、熱水および蒸気を発生させる焼結鉱クーラー廃熱ボイラーと、
    前記焼結鉱クーラー廃熱ボイラーで発生した熱水の全部または一部を、前記焼結機の排ガスのうち高温の部分を導入して加熱し、蒸気を発生させる焼結機廃熱ボイラーと、を備え、
    前記焼結鉱クーラー廃熱ボイラーにおいて発生した蒸気と、前記焼結機廃熱ボイラーにおいて発生した蒸気と、が前記多段式蒸気タービンの高圧段に供給され、
    前記焼結機廃熱ボイラーの排ガス出口における排ガスの温度を酸露点より高い温度に維持するよう、前記焼結機廃熱ボイラーに供給される熱水の温度を制御し、
    前記焼結鉱クーラー廃熱ボイラーは、第1蒸発器、第1過熱器、第1節炭器および第1蒸気ドラムを備え、
    前記焼結機廃熱ボイラーは、少なくとも第2蒸発器、第2過熱器および第2蒸気ドラムを備え、
    前記第1蒸発器と前記第1過熱器で発生した蒸気と、前記第2蒸発器と前記第2過熱器で発生した蒸気と、が前記多段式蒸気タービンの高圧段に供給され、
    前記廃熱回収発電プラントは、前記焼結鉱クーラー廃熱ボイラーの前記第1節炭器から供給された熱水の熱を利用して蒸気を発生させ、発生した蒸気を前記多段式蒸気タービンに供給する蒸気抽出器をさらに備え、
    前記蒸気抽出器は、前記多段式蒸気タービンの中圧段に蒸気を供給する第1段フラッシャーと、前記多段式蒸気タービンの低圧段に蒸気を供給する第2段フラッシャーと、を有し、
    前記第1節炭器は、前記多段式蒸気タービンの復水と前記第2段フラッシャーの戻り熱水とを加熱し、加熱された熱水が前記第1段フラッシャーと前記第1蒸気ドラムとに供給され、
    前記第1段フラッシャーから排出された熱水が、前記第2段フラッシャーと前記焼結機廃熱ボイラーとに供給されることを特徴とする焼結設備用廃熱回収発電プラント。
  2. 前記焼結機廃熱ボイラーは、第2節炭器をさらに備え、
    前記第1段フラッシャーから排出された熱水が、前記第2段フラッシャーと前記焼結機廃熱ボイラーの前記第2節炭器とに供給され、
    前記第2節炭器によって加熱された熱水が、前記第2蒸気ドラムに供給されることを特徴とする請求項1に記載の焼結設備用廃熱回収発電プラント。
  3. 前記第2節炭器によって加熱された熱水が、前記第2蒸気ドラムと前記第1段フラッシャーとに供給されることを特徴とする請求項2に記載の焼結設備用廃熱回収発電プラント。
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