JPH1163870A

JPH1163870A - 排熱回収装置

Info

Publication number: JPH1163870A
Application number: JP9228320A
Authority: JP
Inventors: Torakatsu Miyashita; 虎勝宮下; Michihiro Kawai; 通弘川井; Takeshi Nagahama; 武司長浜
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-05
Anticipated expiration: 2017-08-25
Also published as: JP3048971B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱発生プラントで製造される高温製品の保有
熱あるいは熱発生プラントから排出される高温排ガスの
保有熱を有効に利用することができる、簡単な構成の排
熱回収装置を提供すること。【解決手段】流動層反応炉１に後続して粉粒体冷却器
２を設置する。この冷却器２内に冷却媒体の流通する熱
交換器１２ａ、１２ｂ、１２ｃを設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は排熱回収装置に関
し、特に、大量の熱エネルギーを使用する製鉄プラント
に関連するプロセスにおいて発生する熱を有効に回収す
ることができる装置に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】一般
的に鋼の製造は、高炉により鉄鉱石を銑鉄に転化し、そ
の後、平炉または転炉などにより銑鉄を鋼に転化する工
程からなっているが、このような伝統的な製法は、必要
なエネルギー、設備規模、およびコスト等が大きなもの
になるため、小規模の製鋼には、直接製鉄により鉄鉱石
を製鋼炉原料（固体）に転化し、この製鋼炉原料を電気
炉等により溶融鋼に転化する工程からなる方法が採用さ
れている。かかる直接製鉄には、鉄鉱石を還元鉄に転化
する直接還元法があるが、この方法で製造される還元鉄
は反応活性が強く、大気中の酸素と反応して発熱するた
め、輸送、貯蔵には不活性ガスによるシール等の手当が
必要になる。このため、反応活性が低く、容易に輸送、
貯蔵が可能で、比較的高パーセンテージの鉄を含有する
鉄カーバイドが、近年、電気炉等による製鋼原料として
使用されつつある。

【０００３】かかる鉄カーバイドを製造する従来のプロ
セスは、鉄鉱石を粉体にして流動層式反応器に充填し、
還元ガス（水素ガス）と炭化ガス（例えば、メタンガス
など）の混合ガスと所定温度で反応させることで、鉄鉱
石内の鉄酸化物（ヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）、マグネタイ
ト（Ｆｅ₃Ｏ₄）、ウスタイト（ＦｅＯ）など）を単一操
作（一つの反応器内に還元および炭化ガスを同時に導入
して行う操作をいう）で還元および炭化させるものであ
る。この種の先行技術としては、特表平６−５０１９８
３号公報に記載のものがある。

【０００４】この流動層式反応器における反応は一般的
に約６００℃、５気圧で行われており、反応器から排出
される高温の鉄カーバイド製品をそのまま輸送、貯蔵す
ると、その間に二次的な反応（例えば、製品中のＦｅの
再酸化現象）が進行するという不都合が生じることがあ
る。そのため、反応器から排出される鉄カーバイド製品
は、冷却器において一定温度（約１００℃以下）に冷却
される。しかし、約６００℃から約１００℃以下に冷却
するに際して大量の熱が冷却媒体（水または不活性ガ
ス）によって持ち去られているが、この熱を有効に利用
する方法は提案されていない。

【０００５】例えば、この種の排熱回収装置として、米
国特許第５４７４２８０には、図４に示すような装置が
開示されている。同装置の構成を簡単に説明すると、４
１は流動層反応炉、４２はサイクロンスクラバー、４３
は熱交換器、４４はベンチュリスクラバー、４５はパッ
クドスクラバー、４６はコンプレッサー、４７は水素プ
ラント、４８はバーナー、４９は予熱炉、５０は鉱石予
熱器、５１は燃焼空気予熱器、５２は鉱石加熱器であ
る。このように構成される排熱回収装置において、流動
層反応炉４１から排出される高温のダーティガスはサイ
クロンスクラバー４２においてガス中の微粉を分離回収
された後、スクラバー４４、４５を経て清浄化されたク
リーンガスと熱交換器４３において熱交換をする。その
結果、クリーンガスは高温のダーティガスの熱を付与さ
れて一定の温度に昇温されるが、その温度だけではまだ
不足であるため、予熱器５１で予熱された燃焼空気と燃
料ガス供給設備５３から供給される燃料ガスをバーナー
４８で燃焼させて得た熱を付加されたクリーンガスが流
動層反応炉４１に供給される。以上説明したように、こ
の排熱回収装置は、流動層反応炉から排出されるガスの
熱量だけではプロセスガスの予熱に不足であるから、バ
ーナーにおける付加的な燃焼熱が必要であるという欠点
がある。

【０００６】また、図５（ａ）に示すように、熱交換器
６１内に上方から高温の製品Ｐを投入し、図５（ｂ）に
示すように、熱交換器内に設置した冷却チューブ６２内
を上方から下方に向けて落下する製品Ｐと、冷却チュー
ブ外側を下方から上方に向けて流通する冷却水Ｗとを熱
交換させるか、または、図５（ｃ）に示すように、熱交
換器内に設置した冷却パネル６２内を下方から上方に向
けて流通する冷却水Ｗと、上方から下方に向けて落下す
る高温製品Ｐとを熱交換させることにより、下部側方か
ら供給される低温の水を上部側方から熱水として取り出
し、熱交換器６１の底部から低温製品を取りだす構成の
排熱回収装置が知られている。ところが、この排熱回収
装置の場合、冷却チューブまたは冷却パネル６２は上部
固定板６３と下部固定板６４で拘束されているので、シ
ェルに伸縮継手６５を設けても、冷却水と高温製品との
温度差に基づいて発生する熱応力を完全には吸収するこ
とができず、冷却チューブまたは冷却パネル６２が徐々
に変形したり、破損することがある。また、粉粒体の圧
力を減圧せしめながら且つマテリアルシールをすると
き、ブロッキング、噴流化を生じない構造が求められ
る。

【０００７】本発明は従来の技術の有するこのような問
題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、熱発
生プラントで製造される高温製品の保有熱あるいは熱発
生プラントから排出される高温排ガスの保有熱を有効に
利用することができる、簡単な構成の排熱回収装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の要旨は、熱発生プラントで製造された高温製
品または高温排ガスと熱交換器内を流通する冷却媒体と
を熱交換させ、高温製品または高温排ガスの保有熱を過
熱蒸気等のエネルギーに変換し、各種機器の駆動に利用
することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】すなわち、本発明の要旨は、反応
炉から高温で且つ加圧状態から減圧されて排出される粉
粒体を冷却媒体により間接的に冷却して上記粉粒体の保
有熱を回収する装置であって、反応炉に後続して粉粒体
冷却器を設置し、この冷却器内を移動流下する粉粒体を
冷却するために冷却器内に冷却媒体の流通する複数段の
熱交換器を設置し、この熱交換器を構成する伝熱管が水
平且つ千鳥配列の単一あるいは複数のＵ字状管であるこ
とを特徴とする排熱回収装置を第一の発明とし、反応炉
から排出される高温の粉粒体の保有熱を回収する装置で
あって、反応炉に後続して複数段の流動層式冷却器を設
置し、この冷却器のガス循環経路内に冷却媒体の流通す
る熱交換器を設置したことを特徴とする排熱回収装置を
第二の発明とし、鉄カーバイドを製造する設備の反応ガ
スの加熱炉または予熱炉から排出される高温のガスを冷
却媒体により間接的に冷却して上記排ガスの保有熱を回
収する装置であって、加熱炉または予熱炉の排ガスダク
ト中に試運転用ガスバーナーに後続して冷却媒体の流通
する複数段の熱交換器群を設置し、回収した排熱で過熱
蒸気を発生し、反応ガスの循環ガスの駆動用タービンに
使用することを特徴とする排熱回収装置を第三の発明と
する。

【００１０】上記のように構成される本発明によれば、
以下のようにして排熱を回収することができる。

【００１１】第一の発明によれば、反応炉から排出され
て粉粒体冷却器内を移動流下する高温の粉粒体は、この
冷却器内に設置した複数段の熱交換器内を流通する冷却
媒体により逐次冷却され、上段の熱交換器ほど高温の保
有熱を回収できるので、上段熱交換器を蒸気過熱用、中
段熱交換器を蒸気発生用、下段熱交換器をボイラー用水
の予熱などに利用することができる。また、熱交換器を
複数段とすることで、管板を分割できるので、管板にか
かる熱応力を軽減することができる。また、伝熱管が水
平且つ千鳥配列であれば、冷却器内を移動流下する粉粒
体の伝熱管表面への接触が交互になされるため、熱交換
効率が向上する。さらに、伝熱管がＵ字状であることに
より、伝熱管の長手方向の伸びが拘束されないため、冷
却器内を移動流下する粉粒体の伝熱管表面への接触が不
均一になったときに生じる伝熱管と管板にかかる熱応力
を軽減できる。

【００１２】また、冷却器内を移動流下する粉粒体が圧
力を減少しつつ冷却されるとき多段の水平且つ千鳥配列
の伝熱管により逐次冷却されるため、単一伝熱管にかか
る下方向の力が分散されて、伝熱管の摩耗を軽減しつつ
均等に圧力を減少させるのに好都合である。

【００１３】また、冷却器内を移動流下する粉粒体が圧
力を減少しつつ冷却されるとき粉粒体空隙にある加圧さ
れたガスが減圧開放されるので、このガスが粉粒体のガ
スの透過許容限度を超えるとき、移動流下する粉粒体と
減圧開放されるガスが分離するので、移動流下する粉粒
体の流動が不安定になることがある。これに対して、減
圧開放されるガスを必要に応じて各段熱交換器ごとまた
は適宜の箇所から系外に放出することにより、そのよう
な粉粒体の流動が不安定になる、いわゆる閉塞や噴流、
あるいはその繰り返しを伴うような不都合な現象を排除
することができる利点がある。

【００１４】第二の発明によれば、反応炉に後続して複
数段の流動層式冷却器を設置し、この冷却器のガス循環
経路内に冷却媒体の流通する熱交換器を設置することに
より粉粒体は逐次冷却され、上段の熱交換器ほど高温の
保有熱を回収できるので、上段熱交換器を蒸気過熱用、
中段熱交換器を蒸気発生用、下段熱交換器をボイラー用
水の予熱などに利用することができる。

【００１５】第三の発明によれば、加熱炉または予熱炉
の排ガスダクト中に試運転用ガスバーナーに後続して冷
却媒体の流通する複数段の熱交換器群を設置することに
より、排ガスは逐次冷却され、上段の熱交換器ほど高温
の保有熱を回収できるので、上段熱交換器を蒸気過熱
用、中段熱交換器を蒸気発生用、下段熱交換器をボイラ
ー用水や燃焼空気などの予熱に利用することができる。
また、単一の蒸気発生プラントでは初期駆動用のボイラ
ーを必要とするが、排ガスダクト中に試運転用ガスバー
ナーに後続して冷却媒体の流通する複数段の熱交換器群
を設置することにより、加熱炉の低負荷燃焼運転時にも
試運転用ガスバーナーを燃焼して駆動用蒸気が得られる
ので、このようなボイラー設備は不要であるという利点
がある。

【００１６】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。図１は本
発明の排熱回収装置の一実施例の概略構成図である。図
１において、流動層反応炉１に後続して粉粒体冷却器２
が設置されており、これらは管路３によって接続されて
いる。流動層反応炉１の底部には多数の小孔が形成され
た分散板４が配設されており、底部の供給ガスダクト５
から炉内に供給された反応ガスは風箱６から分散板４を
経て流動層７に達する。流動層７は１例として２枚の仕
切板８によって３つのチャンバー（７ａ、７ｂ、７ｃ）
に分割されている。９は排ガスダクト、１０は粉粒体原
料（細粒状の酸化鉄）の投入管、１１は粉粒体製品（鉄
カーバイド）の排出口である。なお、分散板４に代え
て、多数のガス吹込孔を有するパイプを格子状に配した
構造のものを使用することもできる。２ａはシール用Ｎ
₂ガスの供給管、２ｂは同Ｎ₂ガスの排出管である。

【００１７】粉粒体冷却器２内には、多管式の熱交換器
１２が上、中、下の３段にわたって設置されている。各
熱交換器を構成する伝熱管は水平且つ千鳥配列の複数の
Ｕ字状管からなっている。流動層反応炉１において所定
時間の反応を経て鉄カーバイドとなった約６００℃、５
気圧の高温の粉粒体は管路３を経て冷却器２の上部入口
から冷却器内に投入されて上段の熱交換器１２ａ内を流
通する蒸気と熱交換をし、この蒸気は過熱蒸気となって
取りだされ、この過熱蒸気はタービン駆動用等に使用す
ることができる。また、中段の熱交換器１２ｂ内を流通
する熱水は高温の鉄カーバイドの粉粒体と熱交換をして
蒸気となり、上段の熱交換器１２ａの入口蒸気として利
用される。さらに、下段の熱交換器１２ｃ内に供給され
た水は高温の鉄カーバイドの粉粒体と熱交換をして熱水
となり、中段の熱交換器１２ｂの入口熱水として利用さ
れる。かくして、粉粒体冷却器２に投入された約６００
℃の高温の鉄カーバイドの粉粒体は、１００℃以下の低
温の粉粒体となって下部の出口から排出される。このよ
うにして粉粒体冷却器２内で冷却された鉄カーバイドの
粉粒体は、下部のコンベヤ１３あるいはその他の搬送手
段により電気炉等の鉄カーバイド使用設備まで搬送され
る。

【００１８】図２は、本発明の排熱回収装置の別の実施
例の概略構成図である。図２において、１４は流動層式
冷却器である。流動層式冷却器１４の下方の粉粒体の供
給管路１５には、上記した流動層反応炉１と同様の構成
の流動層反応炉において所定時間の反応を経て鉄カーバ
イドとなった約６００℃、５気圧の高温の粉粒体が供給
されている。流動層式冷却器１４内には内部サイクロン
などのダストキャッチャー１６が設置されており、流動
層式冷却器１４の頂部からは除塵された高温のガスが排
出される。そして、流動層式冷却器１４の頂部から粉粒
体の供給管路１５に至るガス循環経路１８が形成されて
いる。ガス循環経路１８内の管路１９ａ１９ｂ、１９ｃ
には、それぞれ熱交換器２０、２１、２２が設置されて
いる。流動層式冷却器１４の頂部から排出される高温の
排ガスは、熱交換器２０内を流通する蒸気と熱交換を
し、この蒸気は過熱蒸気となって取りだされ、この過熱
蒸気はタービン駆動用等に使用することができる。ま
た、熱交換器２１内を流通する熱水は高温の排ガスと熱
交換をして蒸気となり、熱交換器２０の入口蒸気として
利用される。さらに、熱交換器２２に供給された水は高
温の排ガスと熱交換をして熱水となり、熱交換器２１の
入口熱水として利用される。

【００１９】熱交換器２０、２１、２２の後方にはスク
ラバ２３が設置されており、スクラバ２３内には水を噴
射する管路２４から水が噴射され、流動層式冷却器１４
の排ガスを冷却して排ガス中のダストが捕集される。こ
の水は管路２５から排出される。かくしてダストを除去
された排ガスは、管路２６から排出された後、一部の排
ガスはガス組成の調整のために必要に応じて管路２７か
ら系外に排出され、残りの排ガスは管路２８、２８ａを
経て粉粒体の供給管路１５まで送給される。また、管路
２８から分岐した管路２８ｂ、２８ｃ、２８ｄが流動層
式冷却器１４の３つのチャンバーに接続されている。管
路２８にはタービン２９で駆動されるブロア３０が配設
されている。また、管路２８には管路３１より適宜Ｎ₂
ガスが添加され、必要に応じて流動層式冷却炉１４内の
粉粒体の温度低下が図られる。かくして、流動層式冷却
器１４に供給された約６００℃の高温の鉄カーバイドの
粉粒体は、流動層式冷却器１４内で浮遊・流動しつつ流
動層１４ａ、１４ｂ、１４ｃを形成し、所定時間経過後
に１００℃以下の低温の粉粒体となって管路３２から排
出される。

【００２０】図３は、本発明の排熱回収装置のさらに別
の実施例の概略構成図である。図３において、３３は加
熱炉であり、加熱炉３３へは管路３４から反応ガスが通
入されており、この反応ガスは加熱炉３３内で一定温度
に昇温された後、管路３５を経て、例えば、上記した流
動層反応炉１等の反応炉へ供給されて所定の反応促進に
供される。加熱炉３３の排ガスダクト３６内には、試運
転用ガスバーナー３６ａに後続して熱交換器３７、３
８、３９が設置されている。加熱炉３３の頂部から排出
される約９５０℃の高温のガスは、上記と同様に熱交換
器３７、３８、３９内を流通する冷却媒体（水、空気）
と熱交換をする。すなわち、熱交換器３７内を流通する
蒸気は過熱蒸気として取りだされ、この過熱蒸気はター
ビン駆動用等に使用することができる。また、熱交換器
３８内を流通する水は蒸気として取りだされ、この蒸気
は熱交換器３７の入口蒸気として利用され、さらに、熱
交換器３９に供給された空気は一定温度に予熱されて加
熱炉３３の燃焼用空気として使用される。

【００２１】次に、本発明の排熱回収装置を用いて実際
に熱交換を行った場合について説明する。

【００２２】（１）粉粒体冷却器２による熱交換流動層反応炉１から排出した約６００℃、５気圧の粉粒
体（鉄カーバイド）を２０００ton／day、粉粒体冷却器
２内に装入し、粉粒体冷却器２内に設置した多管式の熱
交換器１２に３２℃の水を１６０００ｍ³／day通入し、
４５℃に昇温して取りだした。そして、粉粒体冷却器２
の下部からは約６０℃の粉粒体を２０００ton／day排出
した。この場合、冷却水に付与される熱量は８．７Ｇca
l ／hourである。このうち、熱交換器１２ではそれぞ
れ、１２ｃでボイラ給水予熱、１２ｂで蒸気発生器、１
２ａで蒸気過熱器として熱交換すれば、８．７Ｇcal ／
hourを過熱水蒸気として回収したことになる。

【００２３】（２）加熱炉３３による熱交換加熱炉３３には４０Ｇcal／hour の熱量を供給し、この
加熱炉３３の頂部から排出される約９５０℃の排ガスの
保有熱から、熱交換器３７、３８、３９にはそれぞれ、
１０Ｇcal／hour の熱量が付与され、熱交換器３９を出
た後のガス温は約１２０℃となった。熱交換器３９にお
いては、加熱炉３３へ供給する燃焼用空気の予熱が行わ
れ、約３０℃の空気は熱交換器３９において、約２５０
℃に昇温された。また、熱交換器３８においては、約１
０５℃の水は約３１０℃で１００kg／cm²の蒸気となっ
て排出され、この蒸気は熱交換器３７において、約４５
０℃で１００kg／cm²の過熱蒸気となって排出された。
このようにして得た過熱蒸気は、例えば、蒸気プラント
におけるタービン駆動用に使用することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、熱発生プラントで製造
される高温製品の保有熱あるいは熱発生プラントから排
出される高温排ガスの保有熱を有効に利用して蒸気等の
エネルギーを得、この蒸気をタービン駆動用として使用
することにより、最終的に電力エネルギーを得ることが
できる。

【００２５】特に請求項１記載の発明によれば、伝熱管
が水平且つ千鳥配列であるため、冷却器内を移動流下す
る粉粒体の伝熱管表面への接触が交互になされるので、
熱交換効率が向上し、また、伝熱管がＵ字状であるた
め、伝熱管の長手方向の伸びが拘束されないので、冷却
器内を移動流下する粉粒体の伝熱管表面への接触が不均
一になっときに生じる伝熱管と管板にかかる熱応力を軽
減できる。さらに、冷却器内を移動流下する粉粒体は多
段の水平且つ千鳥配列の伝熱管により逐次冷却されるた
め、単一伝熱管にかかる下方向の力が分散されて伝熱管
の摩耗を軽減しうるという効果がある。そして、粉粒体
空隙から減圧開放されるガスを必要に応じて適宜の箇所
から系外に排出することにより、粉粒体とガスが分離す
ることなく粉粒体の不安定流動を防止することができ
る。

【００２６】また、請求項３記載の発明によれば、単一
の蒸気発生プラントで必要とされる初期駆動用のボイラ
ー設備が不要であるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の排熱回収装置の一実施例
の概略構成を示す図、図１（ｂ）は多管式熱交換器の正
面図である。

【図２】本発明の排熱回収装置の別の実施例の概略構成
を示す図である。

【図３】本発明の排熱回収装置のさらに別の実施例の概
略構成を示す図である。

【図４】従来の排熱回収装置の概略構成を示す図であ
る。

【図５】図５（ａ）は従来の別の排熱回収装置の概略構
成を示す図、図５（ｂ）はその冷却チューブの拡大側面
図、図５（ｃ）はその冷却パネルの拡大側面図である。

【符号の説明】

１…流動層反応炉２…粉粒体冷却器１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２０、２１、２２、３
７、３８、３９…熱交換器１４…流動層式冷却器１８…ガス循環経路３３…加熱炉３６…排ガスダクト３６ａ…試運転用ガスバーナー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応炉から高温で且つ加圧状態から減圧
されて排出される粉粒体を冷却媒体により間接的に冷却
して上記粉粒体の保有熱を回収する装置であって、反応
炉に後続して粉粒体冷却器を設置し、この冷却器内を移
動流下する粉粒体を冷却するために冷却器内に冷却媒体
の流通する複数段の熱交換器を設置し、この熱交換器を
構成する伝熱管が水平且つ千鳥配列の単一あるいは複数
のＵ字状管であることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】反応炉から排出される高温の粉粒体の保
有熱を回収する装置であって、反応炉に後続して複数段
の流動層式冷却器を設置し、この冷却器のガス循環経路
内に冷却媒体の流通する熱交換器を設置したことを特徴
とする排熱回収装置。
【請求項３】鉄カーバイドを製造する設備の反応ガス
の加熱炉または予熱炉から排出される高温のガスを冷却
媒体により間接的に冷却して上記排ガスの保有熱を回収
する装置であって、加熱炉または予熱炉の排ガスダクト
中に試運転用ガスバーナーに後続して冷却媒体の流通す
る複数段の熱交換器群を設置し、回収した排熱で過熱蒸
気を発生し、反応ガスの循環ガスの駆動用タービンに使
用することを特徴とする排熱回収装置。