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ＳＯ２が生成され、また、さらなる酸化によって無水硫酸ＳＯ３が生成される。このため、無水硫酸ＳＯ３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、ＳＯ３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ＳＯ２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ＳＯ３が含まれる。無水硫酸ＳＯ３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ＳＯ２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ＳＯ３が含まれる。無水硫酸ＳＯ３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、ＳＯ３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Ｎｍ３／ｈの排ガスを発生し、焼結鉱クーラー２で４０万Ｎｍ３／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、ＳＯ３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ＳＯ３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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