JPH08285458A - 加熱炉の燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加熱炉の燃料天然ガスを加熱炉排ガス顕熱を
用いて水蒸気改質する場合の、熱バランスのとれた天然
ガス改質方法、制御方法を提供するものである。 【構成】 加熱炉に供給する天然ガスの一部を水蒸気添
加して水蒸気改質器に導入し、加熱炉排ガスで５５０℃
以上に加熱された水蒸気改質器内の改質触媒により、前
記天然ガス中の炭化水素成分を水蒸気改質し、当該改質
燃料を加熱炉に供給するとともに、残りの天然ガスを直
接加熱炉に供給して燃焼させることを特徴とする加熱炉
の燃料供給方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は天然ガスを空気などの酸
素含有ガスと混合して燃焼する加熱炉において、５５０
〜１５００℃の加熱炉燃焼排ガスの顕熱を利用して水蒸
気改質触媒を加熱し、天然ガスの一部を水蒸気改質して
加熱炉に燃料として供給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ボイラーをはじめとす
る蒸発器、熱風発生炉、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】工業加熱炉の多くは、レキュペレータと
呼ばれる排ガスと燃焼空気の熱交換器を装備し、加熱炉
排ガス顕熱の３０〜６０％を回収して、燃焼空気を４０
０〜６００℃に予熱している。特願平７−１８６７号の
加熱炉排ガス顕熱回収方法では、さらに燃料の水蒸気改
質を行い、水蒸気改質反応に伴う吸熱作用によって加熱
炉排ガスからの顕熱回収量を増加させ、排ガス顕熱の約
８０％を回収して加熱炉で再利用する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特願平７−１８６７号
の加熱炉排ガス顕熱回収方法の実施例では、コークス炉
ガス（以下ＣＯＧと略）を例にとり、水蒸気改質反応に
伴って１Ｎｍ³ のＣＯＧの燃焼潜熱量が、１９．４ＭＪ
から２２．１ＭＪに２．８ＭＪ増加することが示されて
いる。図２（ａ）に示すように、ＣＯＧにはメタン、エ
タン、プロパンが約３０％含まれている。これらの炭化
水素が水蒸気と反応して一酸化炭素と水素に分解するの
が水蒸気改質反応であるが、吸熱反応であるため、外部
から熱を奪って反応が進行する。このため、熱源である
加熱炉排ガスから２．８ＭＪの熱量が奪われる。加熱炉
を出た直後の９００℃の排ガスは、１１．５ＭＪの顕熱
を保有しているので、２．８ＭＪの熱量を奪われても、
その後に空気予熱などを行うのに十分な熱量が残されて
いる。この場合の加熱炉排ガス顕熱の配分先を図３
（ａ）に示す。

【０００４】排ガス顕熱のうち、水蒸気改質に伴うＣＯ
Ｇの燃焼潜熱量の増加に２４％、改質ＣＯＧを８００℃
まで予熱するのに１０％、改質前にＣＯＧと水蒸気を５
００℃に予熱するのに９％、加熱炉燃焼空気を５４４℃
まで予熱するのに３６％の熱量が消費され、合計７９％
の排ガス顕熱が回収されている。よって約２００℃で大
気中に放散される排ガスの残存顕熱は、加熱炉から排出
された直後の排ガス顕熱の２１％に低減する。

【０００５】天然ガスは図２（ｂ）に示すように９０％
以上がメタンであり、１体積の天然ガスにはＣＯＧ１体
積に含まれる炭化水素の約３倍量のメタンが含まれてい
る。このため天然ガスを水蒸気改質するには、ＣＯＧの
約３倍の熱量を加熱炉排ガスから奪い去る必要があり、
図３の（ｂ）に示すように排ガス顕熱に不足が生ずるた
め、燃焼空気の予熱や改質前の原料天然ガスの予熱が行
えなくなる。原料天然ガスの予熱が行えないため、実際
上、加熱炉排ガスを熱源として天然ガスを水蒸気改質す
るプロセスは成り立たない。

【０００６】

【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）加熱炉に供給する天然ガスの一部を水蒸気添加し
て水蒸気改質器に導入し、加熱炉排ガスで５５０℃以上
に加熱された水蒸気改質器内の改質触媒により、前記天
然ガス中の炭化水素成分を水蒸気改質し、当該改質燃料
を加熱炉に供給するとともに、残りの天然ガスを直接加
熱炉に供給して燃焼させることを特徴とする。 （２）（１）において加熱炉排ガスの大気放散温度およ
び／または酸素含有ガスの予熱温度を検出し、該検出値
が一定になるように、加熱炉供給する全ての天然ガス量
に対する水蒸気改質する天然ガス量の割合を制御するこ
とを特徴とする。

【０００７】

【作用】天然ガスの水蒸気改質における多量の吸熱を抑
制するには、加熱炉で消費される天然ガスの全てを水蒸
気改質せずに、一部のみを水蒸気改質する方法が有効で
ある。天然ガスを二分し、一方はそのまま加熱炉に供給
し、残る一方に水蒸気を添加して水蒸気改質器に導入す
る。水蒸気改質器には、水蒸気改質しない天然ガスの燃
焼排ガスと、水蒸気改質した天然ガスの燃焼排ガスの両
方を導入し、改質器内の改質触媒を５５０℃以上に加熱
する。これにより水蒸気改質する天然ガスには十分な熱
量が排ガスから供給され、加熱炉で消費される天然ガス
の全てを改質する場合に起こる排ガス顕熱の熱量不足の
問題が回避できる。

【０００８】天然ガスの水蒸気改質反応を抑制する他の
手段として、反応条件を変更して、水蒸気改質反応の転
化率を低下させる方法がある。具体的には、反応圧力の
増加、反応温度の低下、水蒸気添加量の削減などの操作
が考えられる。しかし、いずれの操作も、天然ガスの水
蒸気改質反応の転化率を２分の１から３分の１に大幅に
低減できるような効果は得られない。

【０００９】その理由について以下に詳細に説明する。
まず反応圧力の増加については、反応転化率の低下にあ
まり寄与しないことを本発明者らは実験によって確認し
ている。水蒸気改質の反応理論当量に対して３倍量の水
蒸気を天然ガスに加え、８４３℃で水蒸気改質を行った
実験では、大気圧での反応転化率はほぼ１００％、１２
気圧での反応転化率は９２％であった。よって、圧力を
増加しても反応転化率を大幅に低減するような効果は得
られず、むしろ耐圧構造をとるための設備費用の増加が
問題となることが判った。

【００１０】次いで反応温度の低下と水蒸気添加量の削
減であるが、これらの操作はいずれも改質触媒表面への
炭素析出を引き起こし、触媒活性が失われる危険が大き
いことが判った。炭素析出の原因は、以下の３つの反応
によるものと考えられる。 ＣＨ₄ →Ｃ＋２Ｈ₂ ・・・・・・・・・・（１） ２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ₂ ・・・・・・・・・・（２） ＣＯ＋Ｈ₂ →Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ ・・・・・・・・・・（３） このうち（１）式は吸熱反応であるため、反応温度が高
くなるほど炭素析出量が増加するが、（２）、（３）式
は発熱反応であり、反応温度が下がるほど炭素析出量が
増加する。水蒸気改質温度を下げると（２）、（３）式
の反応が顕著になり、５５０℃以下では相当量の炭素が
改質触媒表面上に析出して触媒を失活させてしまう。

【００１１】図４に、改質反応温度によって天然ガス１
Ｎｍ³ から析出する炭素量が変化する様子の一例を示す
が、改質反応の理論当量に対して１．４倍量の水蒸気を
天然ガスに加え、大気圧で水蒸気改質する場合は、６６
０℃以下で激しい炭素析出が起こる。図示しないが、水
蒸気添加量を反応理論等量の５倍量まで増加すると、５
５０℃まで反応温度が低下しても炭素析出は起こらな
い。このように水蒸気添加量の削減は、反応温度低下と
同様に炭素析出を誘因する操作であるが、これは（３）
式の右辺の水蒸気の量が減ることによって、反応が右辺
に進み易くなるからである。

【００１２】炭素析出が起こらない条件で反応温度と水
蒸気添加量を操作できる範囲は、反応温度に関しては５
５０〜９５０℃、水蒸気添加量に関しては反応理論当量
の１．４〜５倍量である。この範囲では、改質反応の転
化率は７８〜１００％の間で変化するにすぎない。すな
わち反応転化率を２分の１から３分の１に大幅に低減で
きるような効果は得られない。反応条件の変更だけで
は、水蒸気改質反応の転化率を大幅に低下させ、天然ガ
スの水蒸気改質における多量の吸熱を抑制することは困
難である。よって水蒸気改質する天然ガスを減量する方
法が有効であるとの結論に至った。

【００１３】以下に、反応条件、関連する操業パラメー
タについて整理し、加熱炉で消費する全天然ガス量の何
％を水蒸気改質すべきか、どのように改質装置を制御す
るかについて説明する。加熱炉に任意の組成の天然ガス
が供給されると、その天然ガス組成、及び反応温度、反
応圧力、添加する水蒸気量、改質触媒の種類などの種々
の反応条件によって水蒸気改質反応に伴う加熱炉排ガス
からの吸熱量が変化する。例えば、５５０〜９５０℃の
反応温度範囲で図２（ｂ）に示す組成の天然ガスを常圧
で水蒸気改質すると、反応転化率は７８〜１００％の範
囲で変化する。低温での改質により炭化水素の７８％が
水素、一酸化炭素に転化する場合には、天然ガス１Ｎｍ
³当たり約２６００ｋｃａｌの吸熱量を必要とするが、
高温で１００％転化する場合には約３１００ｋｃａｌの
熱量が必要となる。

【００１４】このように反応条件に応じて吸熱量が変化
するものの、水蒸気改質される天然ガス分量が増減すれ
ば、それに応じて比例的に排ガスからの吸熱量も増減す
るはずである。よって、水蒸気改質反応に充当される熱
量の増減にリンクした変量を見いだし、その値をモニタ
しながら改質する天然ガス分量を調整すれば、安定に改
質装置を運転できるはずである。以下に、改質する天然
ガス分量と各種変量との関係について説明する。

【００１５】水蒸気改質反応に必要な熱は全て加熱炉排
ガスから充当されるが、図３に示す排ガス顕熱の配分先
のうち、水蒸気改質に伴う燃焼潜熱の増加量、改質前の
天然ガス・水蒸気の予熱に必要な熱量、改質後の天然ガ
スの予熱に消費される熱量の３つは、いずれも改質する
天然ガス分量に応じて変化する従属変数である。他の排
ガス顕熱配分先は、空気予熱に消費される熱量と、大気
放散される排ガス顕熱量の２つであるが、この２つの変
量も、加熱炉排ガス顕熱の総量が一定の場合には改質す
る天然ガスの分量が増加すれば減少し、減少すれば増加
する単調な関係にある。

【００１６】ここで独立な制御パラメータである燃焼空
気比を任意に設定すると、空気量とともに燃焼排ガスの
生成量を決めることができる。例えば空気比１．０で図
２（ｂ）の組成の天然ガス１Ｎｍ³ を燃焼する例では、
空気量は約１０Ｎｍ³ 、排ガス量は約１１Ｎｍ³ とな
る。このように空気と排ガスの量が判れば、それぞれの
温度を検出することにより空気予熱に消費される排ガス
顕熱量、及び大気放散される排ガスの顕熱量が計算でき
る。

【００１７】図５に、空気予熱温度、排ガス温度と、水
蒸気改質する天然ガス分量との関係を示す。水蒸気改質
する天然ガス分量の増加に対し、空気予熱温度、排ガス
の大気放散温度はともに単調に減少する関係にあること
が確認できる。図５は、図２（ｂ）に示す組成の天然ガ
スを空気比１．０２で燃焼する加熱炉において、加熱炉
から排出された直後の排ガス温度が約９００℃、水蒸気
改質反応温度が約８００℃、水蒸気添加量が反応理論当
量の１．４倍量、反応圧力はほぼ大気圧、空気予熱器の
温度効率が約８０％などの諸条件が決まっている場合の
線図である。これらの条件の変化にともない図中の曲線
の位置はシフトするが、水蒸気改質する天然ガスの分量
が増加すると空気予熱温度、排ガスの大気放散温度が単
調に減少するという定性的な関係は変わらない。よって
空気予熱温度および／または排ガスの大気放散温度を常
時モニタし、それらの値に変動が生じたならば、改質す
る天然ガス分量を調整して一定の値になるよう制御すれ
ば、安定な水蒸気改質装置の運転が可能である。

【００１８】このような簡単な制御で水蒸気改質装置の
安定な操業が可能であるが、排ガスの大気放散温度に関
してはさらに、適正な値に制御することが重要である。
排ガスの大気放散温度が低いほど加熱炉排ガス顕熱の回
収効率が高くなるので、なるべく低温に設定して水蒸気
改質する天然ガス量を制御するのが望ましいが、実際に
は熱交換器等の設備能力や設備費用の制限などにより２
００℃前後が下限界となっている。さらに低温で排ガス
を大気放散しようとすると、空気予熱用レキュペレータ
などの設備が巨大化し、設備費用が増大する。図５にお
いては、排ガスの大気放散温度を２００℃に設定するた
めには、加熱炉で消費される天然ガスの約５５％を水蒸
気改質すればよいことが判る。

【００１９】鋼材加熱炉では、加熱炉に装入する鋼材の
重量、炉内搬送速度などによって加熱炉から排出される
排ガスの温度は刻々変化する。このような変動に対して
も、空気予熱温度および／または排ガスの大気放散温度
を検知し、それらの値が一定になるように水蒸気改質す
る天然ガスの分量を調整する。本発明の加熱炉への燃料
供給方法や制御方法は、天然ガスのみならず他の燃料を
使用する加熱炉にも適用可能であるが、とくに天然ガス
やＬＰＧなどのように、メタン、エタン、プロパン、ブ
タン等炭化水素の成分分率合計が１００％に近い燃料ガ
スを使用する加熱炉への適用が望ましい。上記の説明で
は空気を代表的な支燃ガスとして用いているが、空気に
酸素を富化したような酸素含有ガスに置き換えることも
できる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例について図
１に従って説明する。図１は本発明の実施例を示し、加
熱炉で消費される天然ガスの５０Ｖｏｌ％を改質器１で
水蒸気改質して鋼材加熱炉２に供給するケースについて
の物質及びエネルギーフローを示す図である。加熱炉の
燃料には図２（ｂ）に示す組成の天然ガスを使用し、全
体で５０００Ｎｍ³ ／ｈｒの流量が鋼材加熱炉２に供給
される。全体の５０Ｖｏｌ％に当たる天然ガス３には水
蒸気４が添加され、原料予熱器５によって４５０℃に予
熱されてから水蒸気改質器１の内部に配設された改質反
応管６の内部に導入される。水蒸気改質器１には鋼材加
熱炉２から燃焼排ガス７が供給され、９００℃の排ガス
顕熱によって改質反応管６の内部に充填されたニッケル
−アルミナ触媒が８００℃以上に加熱されている。改質
反応管６の内部に導入された天然ガス３と水蒸気４は、
加熱された触媒層を通過中に改質反応を起こし、天然ガ
ス中のメタン等の炭化水素類が水素、一酸化炭素、二酸
化炭素に転化する。この際の吸熱により、水蒸気改質器
に導入された排ガス７の温度は低下し、水蒸気改質器１
の出側排ガス温度は５１０℃に低下している。

【００２１】一方、反応後の改質天然ガス８は８００℃
に昇温されており、その顕熱量と燃焼潜熱量の合計は３
３Ｇｃａｌ／ｈｒ（ギガカロリー毎時）に増加してい
る。改質反応前の天然ガス３の燃焼潜熱量は２３Ｇｃａ
ｌ／ｈｒであるから、熱量が約４３％増加している。反
応後の改質天然ガス８の組成は、水素７１％、一酸化炭
素１８％、二酸化炭素５％、未反応水蒸気５％、未反応
メタン１％である。この混合ガスを原料予熱器５に導入
して、改質反応前の天然ガス３と水蒸気４からなる原料
ガスと熱交換する。原料予熱器出側の改質天然ガス８の
温度は約６００℃であった。改質天然ガス８はこの後、
鋼材加熱炉のバーナ９に供給され、燃焼される。本実施
例では、水蒸気改質された天然ガス８と、水蒸気改質し
ていない天然ガス１０は、別々の加熱炉バーナで燃焼す
る構造となっているが、水蒸気改質する天然ガス分量が
大幅に増加する場合に改質天然ガスバーナ９の容量以上
に改質天然ガス８が供給されるといった問題が生ずる。
よって、加熱炉に天然ガスを供給する２本の配管１１、
１２の間に連結管１３を設け、図示しない制御バルブ、
コンプレッサーによって水蒸気改質した天然ガス８と水
蒸気改質していない天然ガス１０との間でガスの授受を
行えるようにしてある。

【００２２】天然ガスの元配管圧力は約０．８ＭＰａで
あり、水蒸気改質する天然ガス３は図示しないコンプレ
ッサーによって１．５ＭＰａに昇圧され、水蒸気改質器
１に導入される。一方、水蒸気改質していない天然ガス
１０は図示しない減圧弁によって０．０２ＭＰａに減圧
されてから加熱炉２に供給されている。よって、水蒸気
改質された天然ガス８を水蒸気改質していない天然ガス
１０に混入する場合には動力が不要であり、連結管１３
を開放するだけでよいが、逆に水蒸気改質していない天
然ガス１０を改質天然ガス８に混入する場合にはコンプ
レッサーを使用する必要がある。連結管１３は通常時に
は制御バルブにより閉鎖されており、配管１１、１２に
配置された図示しない流量計の指示値が設定値を超えた
ときに遠隔操作により開放される。

【００２３】水蒸気改質器１の出側の排ガス温度は５１
０℃であり、１１Ｇｃａｌ／ｈｒの顕熱量を保有してい
るので、レキュペレータ１４に導入して燃焼空気１５を
４２０℃まで予熱するのに利用される。この結果、煙突
から大気放散される排ガス１６の温度は２２０℃に低下
している。本実施例では加熱炉排ガス７の全量を水蒸気
改質器１に導入しているが、水蒸気改質する天然ガスの
量に応じては一部の排ガスのみ水蒸気改質器１に供給
し、残りは放散したり、水蒸気改質器１を通さずにレキ
ュペレータ１４に直接送る方法もある。

【００２４】

【発明の効果】本発明による天然ガスの部分的な水蒸気
改質方法により、従来は熱的にバランスの取れなかっ
た、天然ガスの水蒸気改質による加熱炉排ガス顕熱回収
が可能となった。本発明の実施例では加熱炉に供給され
る熱量は合計６２Ｇｃａｌ／ｈｒで、その内訳は、改質
天然ガスの顕熱及び燃焼潜熱が３３Ｇｃａｌ／ｈｒ、改
質していない常温の天然ガスの燃焼潜熱量が２３Ｇｃａ
ｌ／ｈｒ、予熱空気の顕熱が６Ｇｃａｌ／ｈｒである。
これに対し、水蒸気改質を行わない従来の加熱炉では合
計５６Ｇｃａｌ／ｈｒの熱量しか供給されていなかっ
た。その内訳は５０００Ｎｍ³ ／ｈｒの常温天然ガスの
燃焼潜熱量が４６Ｇｃａｌ／ｈｒ、約６００℃に予熱さ
れていた空気の顕熱量が１０Ｇｃａｌ／ｈｒである。結
果として本発明の方法により加熱炉入熱が６Ｇｃａｌ／
ｈｒ増加し、炉の加熱能力が１１％増強された。加熱能
力の増強でなく、単位被加熱鋼材重量当たりの燃料天然
ガス消費量の削減を行ったと仮定すると、１１．５％の
省天然ガスに相当する。

【図面の簡単な説明】

【図１】加熱炉で燃焼する天然ガスの５０％を水蒸気改
質する、本発明の実施例の物質及びエネルギーフローを
示す図、

【図２】コークス炉ガスと天然ガスの組成を示す図、

【図３】コークス炉ガスと天然ガスをそれぞれ加熱炉の
燃焼排ガスを熱源として水蒸気改質し、改質されたガス
を加熱炉で燃料として燃焼する場合の、燃焼排ガス顕熱
の配分先を示す図、

【図４】天然ガスから析出する炭素量の水蒸気改質反応
温度への依存性を示す図、

【図５】水蒸気改質する天然ガス分量（加熱炉で消費さ
れる全天然ガス量に対する水蒸気改質する天然ガス量の
割合）に対する、空気予熱温度、大気放散する排ガス温
度の変化を示す図である。

【符号の説明】

1 水蒸気改質器 2 鋼材加熱炉 3 水蒸気改質する天然ガス 4 水蒸気 5 原料予熱器 6 改質反応管 7 鋼材加熱炉から排出された直後の燃焼排ガス 8 改質反応後の天然ガス 9 バーナ 1 0 水蒸気改質していない天然ガス 1 1 水蒸気改質後の天然ガス配管 1 2 水蒸気改質していない天然ガス配管 1 3 連結管 1 4 レキュペレータ 1 5 燃焼空気 1 6 大気放散される排ガス

フロントページの続き (72)発明者 坪倉 英明 福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱炉に供給する天然ガスの一部を水蒸
   気添加して水蒸気改質器に導入し、加熱炉排ガスで５５
   ０℃以上に加熱された水蒸気改質器内の改質触媒によ
   り、前記天然ガス中の炭化水素成分を水蒸気改質し、当
   該改質燃料を加熱炉に供給するとともに、残りの天然ガ
   スを直接加熱炉に供給して燃焼させることを特徴とする
   加熱炉の燃料供給方法。
2. 【請求項２】 加熱炉排ガスの大気放散温度および／ま
   たは酸素含有ガスの予熱温度を検出し、該検出値が一定
   になるように、加熱炉供給する全ての天然ガス量に対す
   る水蒸気改質する天然ガス量の割合を制御することを特
   徴とする請求項１記載の加熱炉の燃料供給方法。