JPH08247409A

JPH08247409A - 加熱炉の排ガス顕熱回収方法

Info

Publication number: JPH08247409A
Application number: JP8000005A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suzuki; 啓之鈴木; Koji Nishimura; 幸次西村; Hiroshi Iida; 洋飯田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-01-10
Filing date: 1996-01-04
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【課題】加熱炉の排ガス顕熱回収量を増加して燃料原
単位を削減する。【解決手段】６００〜１５００℃の加熱炉排ガスの顕
熱を、燃料ガス中の炭化水素を水蒸気改質する際の吸熱
反応により改質ガスの燃焼潜熱量として回収・蓄積し、
改質ガスを燃焼する際に加熱炉内で放出することによ
り、排ガスの顕熱を加熱炉で循環再利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料ガスと酸素含有
ガスを混合、燃焼する加熱炉において、６００〜１５０
０℃の加熱炉燃焼排ガスの顕熱を回収する方法に関する
ものである。本発明の具体的な利用分野は製鉄所の熱間
圧延工程、厚板・形鋼・棒鋼・線材・鋼管・薄板・電磁
鋼板の製造工程および鍛造工程における鋼材加熱炉およ
び熱処理炉である。その他の利用分野としては各種金属
溶融炉、廃棄物溶融処理炉が挙げられる。

【０００２】

【従来の技術】加熱炉の従来の排ガス顕熱回収方法は、
排ガスと空気の熱交換による燃焼用空気を予熱する方
法、または蓄熱体を用いて、蓄熱時に燃焼炉の排ガス顕
熱を該蓄熱体に蓄熱し、燃焼時には燃焼用空気を該蓄熱
体を通して予熱する蓄熱型交番燃焼方法があった。製鉄
所の加熱炉の例では７００〜９００℃の排ガスをシェル
アンドチューブ式熱交換器のシェル部に導入し、燃焼空
気をチューブ部に流通させて４００〜６００℃に予熱す
る。熱交換器から大気に放散される排ガス温度は４００
〜６００℃に低下し、排ガス顕熱の３０〜６０％が回収
される。回収された熱エネルギーは空気顕熱として加熱
炉で循環再利用されるため、空気予熱を行わない場合に
比べて加熱炉燃料原単位を２０〜３０％低減できる。す
なわち空気予熱温度が１００℃上昇するごとに約５％の
燃料原単位削減が可能となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の空気予熱だけの
排ガス顕熱回収では、排ガスの大気放散温度は４００〜
６００℃と依然として高い。大気放散する排ガス温度を
２００℃付近にまで低下させることが本発明の第一の課
題である。本発明が解決しようとする第二の課題は、空
気予熱用熱交換器の耐熱限界を超える高温の加熱炉排ガ
スの処理に関する課題である。例えば製鉄所の熱間圧延
工程の加熱炉である再熱炉では、近年、鋼片を高温で再
熱炉に装入する熱片装入と呼ばれる操業方法が普及し、
このため排ガス温度が従来の７００℃前後から９００℃
以上に高温化した。熱片装入は、前工程の鋼片鋳造設備
から再熱炉までの輸送距離、輸送時間を短縮し、場合に
よっては保温カバーを設けるなどして、輸送中に鋼材か
ら大気へ放散される固体顕熱ロスを抑え、再熱炉に７０
０〜８００℃の熱鋼片を装入する方法である。従来の再
熱炉では鋼材を常温から１２００℃まで加熱していた
が、熱片装入により７００〜８００℃から１２００℃へ
の加熱で済むようになったため、再熱炉での使用燃料は
従来に比べ３０〜４０％削減された。

【０００４】しかし、鋼材装入温度の上昇に伴って炉内
雰囲気温度、排ガス温度が上昇し、空気予熱用熱交換器
を構成する金属材料の耐熱限界を超える高温排ガスが、
再熱炉から排出されるケースが頻出している。空気予熱
用熱交換器の耐熱温度は、使用材料により７００℃から
９００℃までばらつきがある。空気予熱用熱交換器を保
護するためには、再熱炉から空気予熱用熱交換器に至る
排ガス流路に空気吹込み装置を設け、再熱炉出側の高温
排ガスを、空気予熱用熱交換器の耐熱温度以下に空気で
希釈・冷却する。この後に空気予熱による排ガス顕熱回
収を行う。すなわち空気でいったん冷却した排ガスから
熱回収するという、非合理的な熱回収を行っている。ま
た、排ガス顕熱回収効率の向上のため燃料ガスを排ガス
顕熱で予熱する方法は、燃料ガス温度が３００℃以上と
なると燃料ガス中の炭化水素および一酸化炭素が熱分解
して炭素が析出してしまい、燃料ガスの熱量が低下する
とともに燃料配管内に炭素（煤）が付着堆積して閉塞さ
せる危険がある。本発明はこの問題を解決するため、９
００℃以上の排ガスの顕熱を、空気希釈なしに、効率的
に回収する方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、（１）燃料ガスと酸素含有ガスを加熱炉で混合、燃焼す
る際の排ガス顕熱を回収する方法において、加熱炉の６
００〜１５００℃の燃焼排ガスで加熱した改質触媒層
に、水蒸気を添加した燃料ガスを流通させ、燃料ガス中
の炭化水素を水蒸気改質して水素、一酸化炭素、二酸化
炭素を主成分とする改質ガスを得、改質触媒層を加熱し
た前記燃焼排ガスをさらに熱交換して酸素含有ガスを予
熱した後、熱回収した燃焼排ガスを排出し、前記改質ガ
スと予熱した酸素含有ガスを混合して加熱炉で燃焼させ
ることを特徴とする。

【０００６】（２）コークス炉ガス、ＬＰＧ、天然ガス
の少なくとも１種を主成分とする燃料ガスと、酸素含有
ガスを製鉄所の加熱炉または熱処理炉で混合、燃焼する
際の排ガス顕熱を回収する方法において、加熱炉の６０
０〜１５００℃の燃焼排ガスで加熱した改質触媒層に、
水蒸気を添加した前記燃料ガスを流通させ、燃料ガス中
の炭化水素を水蒸気改質して水素、一酸化炭素、二酸化
炭素を主成分とする１１００℃未満の改質ガスを得、改
質触媒層を加熱した前記燃焼排ガスをさらに熱交換して
酸素含有ガスを予熱した後、熱回収した燃焼排ガスを排
出し、前記改質ガスと予熱した酸素含有ガスを混合して
加熱炉で燃焼させることを特徴とする。

【０００７】（３）前記（１）または（２）において、
燃焼排ガスで改質触媒層を間接加熱することを特徴とす
る。（４）前記（１）または（２）において、燃焼排ガスで
改質触媒層を直接加熱し、燃焼排ガス顕熱を改質触媒層
に蓄熱し、該蓄熱熱量をもって水蒸気を添加した燃料ガ
スを予熱すると同時に水蒸気改質することを特徴とす
る。ここで、燃料ガスとはメタン、エタン、プロパン、ブタ
ン、ペンタン、アセチレン、エチレン、プロピレン、ブ
タジエンなどの炭化水素ガスを１種又は２種以上含有す
る気体燃料で、具体的にはコークス炉ガス、ＬＰＧ、天
然ガス、都市ガスが挙げられる。また、酸素含有ガスと
は空気、酸素富化した空気である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明は、炭化水素の水蒸気改質
反応が吸熱反応であることに着目し、従来回収が困難で
あった７００℃以上の排ガス顕熱を効率よく回収すると
ともに燃料ガスを改質して熱量を高めることを特徴とす
る。さらに水蒸気改質反応の炭素析出抑制機構に注目
し、従来困難であった燃料予熱を３００℃以上に予熱す
ることを可能ならしめることを特徴とする。また、本発
明の方法は、加熱炉排ガス顕熱を水蒸気改質と酸素含有
ガス予熱の２段階で回収することから、従来の空気予熱
だけの排ガス顕熱回収に比べて熱回収量が多く、従って
大気放散する排ガス温度を２００℃付近にまで低下させ
ることができる。さらに、９００℃以上に高温化した加
熱炉排ガスをそのまま水蒸気改質の熱源として使用でき
ることから、従来の空気希釈による高温排ガス冷却の必
要がなく、排ガス顕熱を効率的に回収することができ
る。

【０００９】以下に本発明の排ガス顕熱回収方法を詳細
に説明する。製鉄所の加熱炉における燃料ガスは、コー
クス炉ガス、ＬＰＧ、天然ガスの１種または２種以上か
らなり、さらに、高炉ガス、転炉ガス、空気、窒素と混
合して使用する場合もある。これらの混合ガス燃料を水
蒸気改質する場合は、燃料ガス組成を分析し、燃料ガス
の単位標準体積に含まれる炭化水素成分の炭素原子総数
を求め、それと同数以上３倍以下のモル数の水蒸気を、
単位標準体積の燃料ガスに混合して水蒸気改質を行う。
ここで、炭素原子総数と同数以上のモル数の水蒸気を添
加するのは、改質反応を進行させるために反応当量以上
の水蒸気を添加する必要があるためで、炭素原子総数の
３倍以下のモル数に水蒸気添加量を制限するのは、添加
する水蒸気の製造コストが排ガス顕熱回収による省エネ
メリットを上回るためである。

【００１０】なお、熱分解により上記の炭化水素を生成
する燃料であれば、熱分解後のガスを水蒸気改質できる
ので、本発明の排ガス顕熱回収方法は液体、固体燃料に
ついても適用できる。対象となる液体・固体燃料は具体
的にはメタノール、灯油、軽油、ナフサ、重油、石炭が
あげられる。製鉄所の加熱炉および熱処理炉とは、具体
的には熱間圧延工程および板厚・形鋼・棒鋼・線材・鋼
管・薄板・電磁鋼板の各製造工程、さらには鍛造工程に
設置される加熱炉および熱処理炉を指す。

【００１１】水蒸気改質は、石油精製プロセス、ガス製
造プロセスにおける水素や都市ガスの製造に利用される
普及技術で、ナフサ、コークス炉ガス、ＬＰＧなどを８
００〜１０００℃の高温で改質する。間接加熱式、水蒸
気改質器は、「化学工学協会編集、プロセス設計シリー
ズ、第３巻」の８９頁に示されるように、耐火レンガで
内張りされた箱形または縦長円筒形の炉の中に、改質触
媒を充填した外径１００〜１６０ｍｍ、長さ１０〜１３
ｍの複数本の触媒管を垂直に配置した構造となってい
る。ナフサなどの改質原料は、水蒸気と混合後に触媒管
内を流通し、熱を吸収しながら改質反応によって水素、
一酸化炭素、二酸化炭素を生成する。改質器の炉内に
は、触媒管を加熱するためのバーナが側壁、あるいは上
・下壁面に設置され、例えば重油、ＬＰＧ、天然ガス、
ナフサなどを当該バーナで燃焼し、炉内雰囲気温度を１
０００〜１５００℃に加熱して、炉内雰囲気ガスからの
対流伝熱、および炉壁と火炎からの輻射伝熱によって触
媒管表面を８００〜１０００℃に加熱する。従って改質
器の炉内構造は、９００℃以上１５００℃以下の加熱炉
高温排ガスに十分耐えうる構造となっており、金属製の
空気予熱用熱交換器の場合のように、排ガスを９００℃
未満に空気希釈・冷却する必要はない。

【００１２】蓄熱式水蒸気改質器では、水蒸気改質触媒
を充填したチャンバー内に高温の燃焼ガスを導入して触
媒を直接加熱した後、高温の燃焼ガスのチャンバーへの
供給を遮断し、代わりにＬＰＧなどの改質原料ガスを水
蒸気とともにチャンバー内に供給し、触媒に蓄積された
顕熱をもって水蒸気改質反応の吸熱反応を進行させる。
このように、触媒加熱（ヒート）と改質ガス製造（メー
ク）を遮断的に交互に行うのが蓄熱式水蒸気改質の特徴
である。ヒート期における燃焼ガスが常圧なため、チャ
ンバー内はヒート期、メーク期ともほぼ大気圧で操業さ
れる。このため蓄熱式水蒸気改質器は、高圧で操業され
た間接加熱式水蒸気改質器に比べて反応器が大型とな
り、設備費が割高となる。また、ヒート期、メーク期の
ガス切換え操作の複雑さもあり、現在では間接加熱式水
蒸気改質器が主流を占めている。

【００１３】しかしながら、改質原料ガス中に硫黄分が
多い場合は、間接加熱式改質器では触媒の劣化が経時的
に進み、最終的には触媒の活性が維持できなくなる。こ
れに対し蓄熱式水蒸気改質器では、メーク期に触媒表面
に硫黄などの被毒物質が付着しても、ヒート期に高温燃
焼ガス中の未燃酸素によって触媒被毒物質を燃焼除去
し、触媒を再生することができるので、比較的高濃度の
硫黄を含む原料ガスでも改質処理できるという特徴があ
る。よって、コークス炉ガスなどの硫黄分の多い改質原
料ガスを用いる場合は、蓄熱式水蒸気改質法が優位とな
る。

【００１４】水蒸気改質の触媒は、ニッケル、パラジウ
ム、白金、銅、ルテニウム、ロジウムなどの金属を、ア
ルミナ、シリカ、マグネシアなどの酸化物セラミック体
に担持させたものを用い、さらにウラン、アルカリ、ア
ルカリ土類金属の酸化物を添加する場合もある。

【００１５】本発明は、６００〜１５００℃の加熱炉排
ガスの顕熱を、燃料ガス中の炭化水素を水蒸気改質する
際の吸熱反応により改質ガスの燃焼潜熱量として回収・
蓄積し、改質ガスを燃焼する際に加熱炉内で放出するこ
とにより、排ガスの顕熱を加熱炉で循環再利用すること
を特徴とする。まず燃料ガスを水蒸気改質する際に、６
００〜１５００℃の加熱炉排ガスから改質反応熱が奪わ
れ、改質器出側の排ガス温度は３００〜９００℃に低下
する。さらに３００〜９００℃の排ガスを酸素含有ガス
と熱交換することにより、大気放散される排ガス温度を
２００℃付近にまで低下させることができる。このよう
に水蒸気改質と酸素含有ガス予熱の２段で回収された排
ガス顕熱は、改質ガスの燃焼時に燃料ガス顕熱、燃焼潜
熱、酸素含有ガス顕熱の三形態で、加熱炉での燃焼、加
熱に循環再利用される。従って従来の空気予熱だけの排
ガス顕熱回収に比べ、より多くの排ガス顕熱が回収でき
る。

【００１６】排ガス温度を１００℃以下に低下させるこ
とも技術的には可能であるが、酸露点の問題などにより
熱交換器などの設備が複雑化、巨大化するため、実用
的、あるいは経済的には、排ガスの大気放散温度を１８
０〜２５０℃まで低下させるのが限界である。加熱炉の
排ガス温度が６００℃を下回る場合は、従来の燃焼用空
気予熱だけで排ガスの大気放散温度を２００℃前後に低
下できることから、水蒸気改質による排ガス顕熱回収機
構を付加する必要が無い。また、加熱炉の内張りに使用
される耐火レンガの耐久性を考慮すると、従来の加熱炉
の場合も、改質ガスと予熱酸素含有ガスを燃焼する本発
明の加熱炉の場合も、加熱炉の雰囲気温度や排ガス温度
が１５００℃を超えることはほとんどない。製鉄所の加
熱炉で改質ガスを燃焼させる場合、燃料供給配管やバル
ブなどの配管部品の耐熱限界を考慮すると、改質ガスの
温度は９００℃未満であることが望ましい。

【００１７】水蒸気改質反応をメタンを例に詳細に説明
する。メタンの水蒸気改質反応は（１）式で表され、１
モルのメタンと１モルの水蒸気から１モルの一酸化炭素
と３モルの水素が生成される。ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂＋Ｑ₁・・・・・・・・（１）メタンの燃焼潜熱量は１モル当り８９０ｋＪで、理論燃
焼温度（常温燃料を理論燃焼空気量の常温空気と完全燃
焼させる場合の最高到達温度）は２０５１℃である。こ
れに対し１モルの一酸化炭素と３モルの水素の燃焼潜熱
合計は、２８３＋３×２８６＝１１４１ｋＪとなり、
（１）式のＱ₁は−２５１ｋＪ／ｍｏｌと負の値になっ
て、（１）式が吸熱反応であることを示す。すなわち１
モルのメタンが１モルの水蒸気と反応する際には、外部
より２５１ｋＪの熱エネルギーを吸収し、燃焼潜熱量が
２５１ｋＪ増加した一酸化炭素と水素の混合ガスを生成
する。

【００１８】また、一酸化炭素と水素の理論燃焼温度は
それぞれ２３８９℃、２２５４℃であり、メタンの理論
燃焼温度より高い。メタンを燃焼するより水素、一酸化
炭素を燃焼する方が、火炎温度や加熱炉炉内温度が高く
なる。その結果、炉内雰囲気と被加熱物との温度差が拡
大し、被加熱物への輻射・対流伝熱効率が向上する。実
際には、本発明の実施前後で加熱炉炉内温度を変えずに
加熱炉を操業し、排ガス顕熱回収量の増加は、加熱炉の
燃料消費量の減少という効果となって現れる。

【００１９】（１）式の反応は平衡反応であるため、反
応温度・圧力条件に応じて、生成ガス中に未反応のメタ
ンや水蒸気が残存する。また出発物質の組成も生成ガス
組成に影響する。工業用の加熱炉燃料ガス中には窒素、
二酸化炭素などの不活性ガスや酸素も含まれており、炭
化水素成分もメタン、エタン、プロパン、ブタン、イソ
ブタン、イソペンタン、ネオペンタン、アセチレン、エ
チレン、プロピレン、ブタジエンなどが混在している。

【００２０】炭化水素の水蒸気改質反応については以下
の一般式で表すことができ、（２）式は一酸化炭素生成
反応を、（３）式は過剰水蒸気存在下で進行する二酸化
炭素生成反応を表す。ＣｍＨｎ＋ｍＨ₂Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ₂＋Ｑ₂・・・・・（２）ＣｍＨｎ＋２ｍＨ₂Ｏ→ｍＣＯ₂＋（２ｍ＋ｎ／２）Ｈ₂＋Ｑ₃・・・（３）複雑な組成の工業用加熱炉燃料ガスを出発物質とする水
蒸気改質反応においては、生成ガス組成の予測は容易で
はない。以下に、実施例に基づいて、生成ガス性状や加
熱炉燃料原単位削減効果について説明する。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明を具体化した実施例を図１、
図３に従って説明する。従来の製鉄所の熱間圧延工程の
再熱炉では、図３に示すように１Ｎｍ³ の常温コークス
炉ガス（燃焼潜熱量１９．４ＭＪ／Ｎｍ³ 、以下ＣＯＧ
と略す）と５５０℃に予熱した５．８Ｎｍ³ の空気を再
熱炉で燃焼し、被加熱物である鋼材を７００℃から１２
００℃に加熱していた。燃焼排ガスは侵入空気とともに
９００℃で加熱炉から排出され、排ガス熱交換器で常温
空気と熱交換したのち、５７０℃で大気中に放散してい
た。図３の再熱炉では、１Ｎｍ³ のＣＯＧ当り０．０２
３トンの鋼材を加熱しており、逆算すると１トンの鋼材
を加熱するのに４３．２Ｎｍ ³ のＣＯＧを必要としてい
た。

【００２２】図１には本発明の加熱炉および水蒸気改質
器のフローを示す。先ず１Ｎｍ³ の燃料ＣＯＧに０．５
Ｎｍ³ の水蒸気が添加される。合計１．５Ｎｍ³ の混合
ガスは、１．８Ｎｍ³ の加熱炉排ガス１によって対向流
型熱交換器２で５００℃まで予熱される。予熱後の燃料
ＣＯＧと水蒸気の混合ガス３は改質器４に導入される。
改質器４はシェルアンドチューブ式熱交換器で、チュー
ブ内にニッケル−アルミナ触媒が充填されている。混合
ガス３はチューブ内の触媒充填層を通過しながら改質反
応を起こし、反応に必要な熱量はチューブ外側を流れる
９００℃の加熱炉排ガス５から供給される。ＣＯＧと水
蒸気は改質器出側では２．１Ｎｍ³ 、８００℃、燃焼潜
熱量２２．１ＭＪの改質ガス６となっており、改質前の
混合ガス３の１９．４ＭＪから燃焼潜熱量が約１５％増
加している。改質ガス６及び予熱燃焼空気７を熱交換器
８で熱交換し、両者とも６１３℃に均熱化されて再熱炉
９に供給され、バーナで燃焼される。再熱炉９では鋼材
１０を、図３の再熱炉９と同様に７００℃から１２００
℃に加熱する。再熱炉９では１Ｎｍ³ のＣＯＧ当り０．
０３０トンの鋼材が処理でき、１トンの鋼材を加熱する
のに３２．９Ｎｍ³のＣＯＧしか消費しない。図３の再
熱炉９に比べて、単位鋼材重量当り約２４％の燃料原単
位削減となっている。

【００２３】図１の実施例では加熱炉排ガス５の全量が
改質器４に導入され、改質反応の吸熱により９００℃か
ら６１２℃へと温度が低下する。改質器４を出た排ガス
５は排ガス１と排ガス１１に分割され、排ガス１１は排
ガス熱交換器１２で加熱炉の常温燃焼空気１３を５４４
℃まで予熱するのに利用される。図１の実施例では、大
気放散される排ガス温度は排ガス熱交換器１２の出側で
２００℃、ＣＯＧ・スチーム予熱器２の出側で２４０℃
となっており、図３の放散排ガス５の温度である５７０
℃に比べ、約３５０℃の低温化が達成できている。

【００２４】図１の改質器４前後で、ガス組成がどのよ
うに変化したかを表１に示す。改質前の燃料ＣＯＧと水
蒸気の混合ガス３では１．５Ｎｍ³ 中０．５７Ｎｍ³
（３８％）を占めるにすぎない水素が、改質後の改質ガ
ス６では２．１Ｎｍ³ 中１．６Ｎｍ³ （７４％）に増加
した。同様に一酸化炭素についても、混合ガス３では
１．５Ｎｍ³ 中０．０６Ｎｍ³ （４％）であったもの
が、改質ガス６では２．１Ｎｍ³ 中０．３Ｎｍ³ （１４
％）に増加した。

【００２５】

【表１】

【００２６】図３の従来式の再熱炉について鋼材１トン
当りのエネルギー収支をとると、図４に示すようにな
り、大気放散される排ガス顕熱量は再熱炉全入熱量の１
９％を占め、多量のエネルギーが大気中に棄てられてい
ることがわかる。このため鋼材１トンを７００℃から１
２００℃に加熱するのに８３７ＭＪの燃焼熱量が必要
で、燃料ＣＯＧ量に換算して４３．２Ｎｍ³ が必要であ
った。

【００２７】水蒸気改質器機構を付加した本発明の実施
例の場合、図１のフロー図から図２のエネルギー収支が
得られる。図４に比べ、排ガスからの回収熱量が増加
し、このため大気放散される排ガス顕熱量が再熱炉全入
熱量の６％へと減少した。その結果、鋼材１トンを７０
０℃から１２００℃に加熱するのに６３６ＭＪ相当の燃
焼熱量で済み、図４の必要燃焼熱量の７６％の燃料で加
熱炉の操業が可能となった。燃料体積にして鋼材１トン
当りＣＯＧが約１０Ｎｍ³ 削減され、この燃料原単位削
減によって月産３０万トンの処理能力を持つ図１の実施
例の再熱炉では、年間約１万８千キロリットルの重油節
減に相当する省エネルギーが達成できた。

【００２８】上記実施例では本発明の排ガス顕熱回収方
法を単独の加熱炉に適用しているが、隣接する一群の加
熱炉の排ガス流路と燃料供給配管を統合することによっ
て複数の加熱炉に同時に適用することができる。また、
第一の加熱炉排ガスによって水蒸気改質した燃料を、第
二の加熱炉で燃焼する方法も実施可能である。さらに加
熱炉Ａの排ガスにより水蒸気改質した燃料を加熱炉Ｂに
供給し、加熱炉Ｂの排ガスにより水蒸気改質した燃料を
加熱炉Ａに供給するような交互運用も可能である。

【００２９】（実施例２）図５には、本発明の第２の実
施例を示す。実施例２は蓄熱式水蒸気改質法を採用した
実施例である。加熱炉炉尻付近の排ガス煙道の垂直部の
外側に蓄熱式水蒸気改質器４基１４〜１７を設置し、約
９００℃の排ガスを排ガス導入管１８を通して前記蓄熱
式水蒸気改質器に供給する。改質原料のＣＯＧは、水蒸
気とともに、原料ガス予熱器１９で約３００℃に予熱さ
れ、予熱原料ガス供給配管２０を経由して蓄熱式水蒸気
改質器に供給される。ここで水蒸気は、元圧がゲージ圧
６ｋｇ／ｃｍ²の飽和水蒸気であるが、原料ガス予熱器
１９に入る前に減圧され、さらに常温のＣＯＧと混合さ
れて、約８５℃、１０００ｍｍ水柱の混合ガスとして原
料ガス予熱器１９に供給されている。

【００３０】原料ガス予熱器１９を出た原料ガスは、予
熱原料ガス供給配管２０に設置された図示しない流路切
替弁によって蓄熱式水蒸気改質器１４、１５、１６、１
７のうちいずれか２基を選択して供給される。蓄熱式水
蒸気改質器１４と蓄熱式水蒸気改質器１５は、４０秒間
隔で改質と蓄熱の交互切替運転を行っており、また、蓄
熱式水蒸気改質器１６と蓄熱式水蒸気改質器１７も４０
秒間隔で改質と蓄熱の交互切替運転を行っている。蓄熱
式水蒸気改質器１４、１５の運転周期と、蓄熱式水蒸気
改質器１６、１７の運転周期は２０秒ずれているため、
水蒸気改質反応後の燃料ガスは、絶えることなくヘーダ
ー管２５に供給され、加熱炉上部に設置された１本当た
り３００万ｋｃａｌ／ｈｒの燃焼容量を持つ軸流バーナ
１０本で燃焼される。

【００３１】以下に、ある時点での操業状況を図５を用
いて説明する。蓄熱式水蒸気改質器１４は改質モードに
入って３０秒が経過したところである。ＣＯＧ１２５０
Ｎｍ³／ｈｒと水蒸気６３０Ｎｍ³／ｈｒが原料ガス予
熱器１９で予熱され、予熱原料ガス供給配管２０を経由
して蓄熱式水蒸気改質器１４に供給されている。蓄熱式
水蒸気改質器１４への加熱炉煙道からの排ガス供給は、
高温耐熱排ガス遮断弁２１によって遮断されている。蓄
熱式水蒸気改質器１４の内部には、直径０．８ｍ、高さ
１ｍの空間に水蒸気改質触媒であるニッケル−アルミナ
が充填されており、原料ガスは当該触媒層内部で水蒸気
改質反応し、２６７０Ｎｍ³／ｈｒの改質ガスを生成す
る。

【００３２】改質ガスは触媒層を約０．２秒で通過し、
約８００℃の改質ガスとなって、改質ガス供給配管２６
を経由して原料ガス予熱器１９に供給される。さらに改
質ガスは、原料ガス予熱器１９で原料ＣＯＧ、スチーム
と熱交換し、約６００℃に温度が下がった状態で燃料ヘ
ッダー管２５に供給される。蓄熱式水蒸気改質器１６
は、蓄熱式水蒸気改質器１４に２０秒遅れで改質モード
に入ることから、水蒸気改質を開始してから１０秒が経
過したところである。蓄熱式水蒸気改質器１６への加熱
炉煙道からの排ガス供給は、高温耐熱排ガス遮断弁２３
によって遮断されている。

【００３３】蓄熱式水蒸気改質器１６でも蓄熱式水蒸気
改質器１４と同様に２６７０Ｎｍ³／ｈｒの改質ガスを
生成され、改質ガスは、改質ガス供給配管２６、原料ガ
ス予熱器１９を経由して燃料ヘッダー管２５に供給さ
れ、バーナで燃焼されている。この間、蓄熱式水蒸気改
質器１５、１７へは９００℃の加熱炉排ガスが供給さ
れ、直径０．８ｍ、高さ１ｍの空間に充填された水蒸気
改質触媒を加熱している。排ガス遮断弁２２、２４は遠
隔操作で開放状態に制御されている。触媒を排ガスで加
熱している間は、同時に排ガス中に２〜１０％含まれる
未燃酸素によって、触媒表面に付着した硫黄分などを燃
焼除去している。

【００３４】加熱炉煙道垂直部での排ガスの圧力はほぼ
大気圧に等しいので、蓄熱式水蒸気改質器１５、１７の
内部を排ガスが通過できるよう、排ガス吸引ブロア２７
によって排ガスを吸引している。排ガス吸引ブロア入側
の排ガスは約６００℃に温度が低下している。排ガス吸
引ブロア出側の排ガスは、排ガス配管２８を通して加熱
炉排ガス煙道に戻される。上記の記述において、蓄熱式
水蒸気改質器１４、１６に供給されるＣＯＧの量は、平
均的な操業においては１２５０Ｎｍ³／ｈｒであるが、
最高３１００Ｎｍ ³／ｈｒまで増加することができる。
その際の水蒸気量は１５７０Ｎｍ³／ｈｒである。

【００３５】

【発明の効果】本発明の排ガス顕熱回収方法は省エネル
ギー技術であり、排ガス顕熱の約８０％を回収して、大
気放散する排ガス温度を２００℃付近にまで低減する。
排ガスの熱交換により燃焼用空気を４００〜６００℃に
予熱するだけの従来の排ガス顕熱回収方法に比べ、本発
明の熱回収率は２０〜４０％向上し、加熱炉燃料原単位
が２４％削減できる。空気予熱を行わない場合に比べる
と５５％の燃料原単位削減が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の設備構成、物質フロー、お
よびエネルギーフローを示した図、

【図２】本発明の再熱炉のエネルギー収支を示す図、

【図３】従来の製鉄所の熱間圧延工程の再熱炉の設備構
成、物質フロー、およびエネルギーフローを示した図、

【図４】従来の再熱炉のエネルギー収支を示す図，

【図５】本発明の実施例２の設備構成、ガス流れを示す
図である。

【符号の説明】

１改質器出側の加熱炉排ガスの一部分２ＣＯＧ・スチーム予熱器３ＣＯＧと水蒸気の混合ガス４水蒸気改質器５加熱炉出側排ガス６改質ガス７予熱燃焼空気８燃焼空気予熱器９再熱炉１０鋼材１１改質器出側の加熱炉排ガスの一部分１２排ガス熱交換器１３常温燃焼空気１４、１５、１６、１７蓄熱式水蒸気改質器１８排ガス導入管１９原料ガス予熱器２０予熱原料ガス供給配管２１、２２、２３、２４排ガス遮断弁２５燃料ヘッダー管２６改質ガス供給配管２７排ガス吸引ブロア２８排ガス配管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスと酸素含有ガスを加熱炉で混
合、燃焼する際の排ガス顕熱を回収する方法において、
加熱炉の６００〜１５００℃の燃焼排ガスで加熱した改
質触媒層に水蒸気を添加した燃料ガスを流通させ、燃料
ガス中の炭化水素を水蒸気改質して水素、一酸化炭素、
二酸化炭素を主成分とする改質ガスを得、改質触媒層を
加熱した前記燃焼排ガスをさらに熱交換して酸素含有ガ
スを予熱した後、熱回収した燃焼排ガスを排出し、前記
改質ガスと予熱した酸素含有ガスを混合して加熱炉で燃
焼させることを特徴とする加熱炉の排ガス顕熱回収方
法。
【請求項２】コークス炉ガス、ＬＰＧ、天然ガスの少
なくとも１種を主成分とする燃料ガスと、酸素含有ガス
を製鉄所の加熱炉または熱処理炉で混合、燃焼する際の
排ガス顕熱を回収する方法において、加熱炉の６００〜
１５００℃の燃焼排ガスで加熱した改質触媒層に、水蒸
気を添加した前記燃料ガスを流通させ、燃料ガス中の炭
化水素を水蒸気改質して水素、一酸化炭素、二酸化炭素
を主成分とする１１００℃未満の改質ガスを得、改質触
媒層を加熱した前記燃焼排ガスをさらに熱交換して酸素
含有ガスを予熱した後、熱回収した燃焼排ガスを排出
し、前記改質ガスと予熱した酸素含有ガスを混合して加
熱炉で燃焼させることを特徴とする加熱炉の排ガス顕熱
回収方法。
【請求項３】燃焼排ガスで改質触媒層を間接加熱する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の加熱炉
の排ガス顕熱回収方法。
【請求項４】燃焼排ガスで改質触媒層を直接加熱し、
燃焼排ガス顕熱を改質触媒層に蓄熱し、該蓄熱熱量をも
って水蒸気を添加した燃料ガスを予熱すると同時に水蒸
気改質することを特徴とする請求項１または請求項２記
載の加熱炉の排ガス顕熱回収方法。