WO2025263003A1

WO2025263003A1 - 熱処理設備

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Publication number: WO2025263003A1
Application number: PCT/JP2025/004371
Authority: WO
Inventors: 悟寺谷; 良太志村; 幹也桜井; 祐馬若槻; 寿明澤村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2024-06-20
Filing date: 2025-02-10
Publication date: 2025-12-26
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2026001906A

Abstract

熱処理設備は、対象物に熱処理を施すための熱処理設備であって、対象物が導入される熱処理炉と、アンモニアを貯留する貯留部と、貯留部からアンモニアを取り出す供給ラインと、供給ライン上に設けられ、アンモニアを水素と窒素に分解する分解部と、熱処理炉内に設けられ、供給ラインを通じて分解部から供給されたガスのうち、少なくとも水素を燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼部と、を備える。

Description

熱処理設備

　本開示は、熱処理設備に関する。
　本願は、２０２４年６月２０日に日本に出願された特願２０２４－０９９４８６号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　製鉄をする際の焼鈍や、金属製品の焼き入れ、焼き戻しには高カロリーの熱が必要となる。この種の処理を行うための設備において、外部で生じた廃熱を用いる技術が種々提唱されている。例えば下記特許文献１には、製鉄所内で生じた炭酸ガスを回収して、種々の熱源として用いる技術が開示されている。

特許第６５６６２５２号公報

　他方で、回収された炭酸ガスを上記のような焼鈍処理等に用いる場合、依然としてその排ガスには二酸化炭素が含まれていることになる。このため、二酸化炭素排出量の削減という所期の目的の達成が制限されてしまうという課題がある。

　本開示は、二酸化炭素排出量をさらに削減することが可能な熱処理設備を提供する。

　本開示に係る熱処理設備は、対象物に熱処理を施すための熱処理設備であって、前記対象物が導入される熱処理炉と、アンモニアを貯留する貯留部と、該貯留部から前記アンモニアを取り出す供給ラインと、該供給ライン上に設けられ、前記アンモニアを水素と窒素に分解する分解部と、前記熱処理炉内に設けられ、前記供給ラインを通じて前記分解部から供給されたガスのうち、少なくとも前記水素を燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼部と、を備える。

　本開示によれば、二酸化炭素排出量をさらに削減することが可能な熱処理設備を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る熱処理設備の構成を示す模式図である。本開示の第二実施形態に係る熱処理設備の構成を示す模式図である。本開示の各実施形態に係る燃焼部の変形例を示す模式断面図である。

＜第一実施形態＞
　以下、本開示の第一実施形態に係る熱処理設備１について、図１を参照して説明する。この熱処理設備１は、例えば製鉄所における焼鈍処理、又は金属製品に対する焼き入れ、もしくは焼き戻し等の熱処理を行うための設備である。

（熱処理設備１の構成）
　図１に示すように、熱処理設備１は、熱処理炉１０と、燃焼部２０と、貯留部３０と、供給ライン４０と、分解部５０と、排ガスライン６０と、煙突７０と、空気ライン８０と、予熱部９０と、回収部１００と、排ガス送風機１１０と、燃焼空気送風機１２０と、を備える。

（熱処理炉１０）
　熱処理炉１０は、熱処理の対象となる鉄や金属製品（以下、対象物２００と呼ぶ。）を収容する容器である。熱処理炉１０の内部には、燃焼部２０が設けられている。燃焼部２０は、後述するガスを燃焼させることで火炎を形成し、その熱によって対象物２００に焼鈍などの熱処理を施す。対象物２００は熱処理炉１０の底面上に配置されるか、又はローラコンベア等によって搬送された状態にあり、燃焼部２０は熱処理炉１０の上部に複数設けられていることが望ましい。

　燃焼部２０には、後述する空気ライン８０を通じて供給された高温の燃焼用空気が、上記のガスとともに供給される。

（燃焼部２０の詳細）
　燃焼部２０は、ノズル２１と、着火装置（不図示）と、を有する。ノズル２１は、ガスを熱処理炉１０内に噴射する。着火装置は、このガスにスパーク等を放射することによって着火させる。ガスが燃焼用空気ととともに燃焼することで予混合火炎、又は拡散火炎が形成され、高温の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスの熱によって対象物２００に対する熱処理が行われる。

　燃焼ガスの温度は、８００℃以上１２００℃以下であることが望ましい。さらに望ましくはこの温度は、９００℃以上１１００℃以下である。最も望ましくは、燃焼ガスの温度は１０００℃である。これは、焼鈍処理における雰囲気温度として最適な温度である。また、サーマルＮＯｘが生じにくい温度でもある。

（貯留部３０）
　貯留部３０は、上記のガスの原料となるアンモニアを貯留する容器である。アンモニアは液体の状態で貯留されている。即ち、貯留部３０の内部は常温常圧であってよい。貯留部３０内の液体アンモニアは、供給ライン４０によって取り出される。

（分解部５０）
　供給ライン４０は、貯留部３０と、上記の燃焼部２０とを接続する配管である。供給ライン４０上には、分解部５０が設けられている。分解部５０は、液体のアンモニアを触媒反応によって熱分解することで、窒素と水素を生成する。分解部５０は、第一熱交換器５１（熱交換器）と、分解部本体５２と、第二熱交換器５３と、を有する。さらに、必要に応じて、ＡＲＵ５４（アンモニアリカバリーユニット：Ａｍｍｏｎｉａ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｕｎｉｔ）を有してもよい。供給ライン４０における貯留部３０側（上流側）から燃焼部２０側（下流側）に向かって、これら装置がこの順で配列されている。

　第一熱交換器５１は、貯留部３０から供給された液体のアンモニアと熱媒体とを熱交換させることで、アンモニアを気化させる。詳しくは図示しないが、この第一熱交換器５１の熱媒体としては、外部から供給されたガス等の他、後述する排ガスライン６０を流れる排ガスを用いることも可能である。

　分解部本体５２は、触媒反応によってアンモニアのガスを熱分解し、窒素と水素を生成する。即ち、分解部本体５２は、ニッケルやルテニウム等の金属触媒を内蔵している。この触媒に、後述する排ガスの熱エネルギーが加わることで、アンモニアの熱分解が進行する。

　第二熱交換器５３は、分解部本体５２で生成された窒素と水素を含むガスの温度を下げるために用いられる。この第二熱交換器５３の冷媒としては、外部から導かれたガスや液体、又は常温の空気などが用いられる。第二熱交換器５３を通過したガスは、ＡＲＵ５４内で、分解済みの成分と未反応の成分とに分別又は分級された後、供給ライン４０を通じて、上述の燃焼部２０に送られる。

（排ガスライン６０）
　排ガスライン６０は、熱処理炉１０内で生じた排ガスを外部に導くための流路である。排ガスライン６０は、熱処理炉１０内の空間と煙突７０とを接続している。排ガスライン６０の中途位置には、上記の分解部本体５２が設けられている。即ち、排ガスが触媒反応に用いられる熱源として分解部本体５２に供給される。

　排ガスライン６０上における分解部本体５２の下流側（つまり、煙突７０側）には、予熱部９０が配置されている。予熱部９０は、空気ライン８０を通じて供給された低温の空気と高温の排ガスとを熱交換させる熱交換器である。即ち、予熱部９０は、排ガスの熱によって空気を加熱する。予熱部９０を通過した排ガスは低温状態となって煙突７０に流れ、当該煙突７０を通じて大気中に放散される。排ガスライン６０上における煙突７０と予熱部９０との間には排ガス送風機１１０が設けられている。この排ガス送風機１１０によって、排ガスライン６０上の排ガスが、熱処理炉１０から煙突７０に向かう方向に圧送される。

（空気ライン８０）
　空気ライン８０は、外部の空気を取り出して、上述の燃焼部２０に燃焼用空気として供給するための流路である。空気ライン８０の上流側には燃焼空気送風機１２０が設けられている。燃焼空気送風機１２０は、外部の空気を取り込んで空気ライン８０上で圧送する。空気ライン８０の中途位置には、上記の予熱部９０が設けられている。予熱部９０では、空気ライン８０上の空気と排ガスライン６０上の排ガスとが熱交換する。熱交換によって加熱された空気は、燃焼用空気として燃焼部２０に導かれる。

（回収部１００）
　回収部１００は、分解部５０で生じた未反応のアンモニアを回収して、貯留部３０に還流させるための流路である。回収部１００は、上述のＡＲＵ５４と貯留部３０とを接続している。分解部本体５２で熱分解されなかった一部のアンモニアは、ＡＲＵ５４で分別又は分級された後、回収部１００を通じて貯留部３０に戻され、再び利用に供される。

（作用効果）
　熱処理設備１を運用するに当たっては、まず貯留部３０のアンモニアが分解部５０に供給される。分解部５０での熱分解を経て生じた窒素と水素を含むガスは、燃焼部２０で燃焼用空気とともに燃焼することで、高温の燃焼ガスを生じる。この燃焼ガスの熱によって、熱処理炉１０内の対象物２００に焼鈍や焼き入れ、又は焼き戻し等の熱処理が施される。

　ここで、従来は、熱処理のための熱源用燃焼ガスとして、炭素を含む天然ガスやプロパンガス、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、高炉ガス（ＢＦＧ）が用いられてきた。なお、これらガスを混合して燃焼ガスとして用いられる場合もある。しかしながら、これらガスを用いる場合、炭素を大量に含むことから、プラントとしての二酸化炭素排出量が増大してしまう。また、燃焼ガスにサーマルＮＯｘやフュエルＮＯｘ等が含まれることから、環境負荷が大きくなるという課題があった。更に、環境規制値を超えるＮＯｘに対応する為には、別途、脱硝装置の設置が必要な場合もある。この課題を解決するために、本実施形態では上述の各構成を採用している。

　上記構成によれば、アンモニアを分解することで生じた水素を主成分とするガスを燃焼させることで、金属に対して熱処理を施すことができる。原料としてアンモニアが用いられることから、カーボンフリーを実現することが可能となる。さらには、アンモニアを分解してから燃焼させることから、アンモニアを直接燃焼させる場合に比べて、窒素酸化物の生成量を大幅に削減することができる。したがって、熱処理設備１の環境負荷を従来に比べて格段に小さく抑えることが可能となる。また、窒素酸化物の生成量を大幅に削減できることにより、従来の燃焼ガスでは脱硝装置が必要となったケースについて、脱硝装置の設置を省略し、設備を簡素化することも可能になる。

　また、燃焼速度、及び燃焼安定性も、アンモニアの直接燃焼に比べて大幅に向上させることが可能となる。加えて、アンモニアを直接流通させる場合に比べて、配管やバルブに腐蝕等の劣化が発生する可能性を最小限に抑えることができる。したがって、熱処理設備１を長期にわたって安定的に運用し続けることが可能となる。

　上記構成によれば、アンモニアを分解するに当たって、熱処理炉１０の排ガスが触媒反応のための熱エネルギーとして用いられる。これにより、外部から熱媒体を導く必要がなくなる。したがって、熱処理設備１のエネルギー消費量を低減することができるとともに、エネルギー効率を大幅に向上させることができる。したがって、熱処理設備１の運用コストを従来に比べて大きく削減することが可能となる。結果として、熱処理設備１を用いて生産される製品の末端価格を低く抑えることができる。

　上記構成によれば、空気ライン８０を通じて熱処理炉１０に燃焼用空気が供給される。このため、燃焼部２０におけるガスの燃焼効率を向上させることができる。さらには、この燃焼用空気は、排ガスの熱エネルギーを利用して予熱部９０で加熱された状態となっている。これにより、燃焼部２０におけるガスの燃焼温度を最適な状態で維持することが可能となる。したがって、熱処理をさらに高い効率のもと、短時間で完了させることができる。結果として、最終製品の生産効率を大幅に向上させることが可能となる。

　上記構成によれば、分解部５０で生じた未反応のアンモニア、つまり分解されなかったアンモニアは、回収部１００によって回収され、貯留部３０に還流する。これにより、燃料の原料となるアンモニアを余すことなく最大限に活用することができる。また、設備全体としてのアンモニアの使用量を削減できるため、運用コストを大幅に低廉化することが可能となる。結果として、最終製品の価格を低く抑えることができる。

　以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上述の各構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

＜第二実施形態＞
　次に、本開示の第二実施形態について、図２を参照して説明する。なお、上述の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

　図２に示すように、本実施形態では、分解部５０、及び排ガスライン６０の構成が第一実施形態とは相違している。具体的には、分解部５０は、上述の分解部本体５２、及びＡＲＵ５４のみを有し、第一熱交換器５１、及び第二熱交換器５３は有していない。また、排ガスライン６０は分解部本体５２を通過しないようになっている。

　さらに、本実施形態に係る熱処理設備１は、水貯留部１３０と、蒸気発生部１４０と、蒸気ライン１５０と、をさらに備える。蒸気発生部１４０は、水貯留部１３０から供給された水を加熱して蒸気を生成する。蒸気発生部１４０は熱交換器である。蒸気発生部１４０の熱媒体として、排ガスライン６０上を流れる排ガスが用いられる。つまり、蒸気発生部１４０は排ガスライン６０の中途位置に設けられている。排ガスの熱によって水が沸騰することで蒸気が生成される。

　蒸気発生部１４０で生成された蒸気は、蒸気ライン１５０を通じて分解部本体５２に供給される。即ち、蒸気ライン１５０は、蒸気発生部１４０と分解部本体５２とを接続している。分解部本体５２で、蒸気は触媒反応の熱源として用いられる。これにより、例えば分解部本体５２の入口において３００℃以上で蒸気が供給されるものとする。

（作用効果）
　上記構成によれば、アンモニア分解のための熱源として蒸気が用いられる。この蒸気を生成するために、排ガスの熱エネルギーが用いられる。このため、熱処理設備１のエネルギー消費量を低減することができるとともに、エネルギー効率を大幅に向上させることができる。したがって、熱処理設備１の運用コストを従来に比べて大きく削減することが可能となる。結果として、熱処理設備１を用いて生産される製品の末端価格を低く抑えることができる。加えて、排ガスを分解部５０に直接供給する必要がないため、分解部５０に含まれる触媒や配管等に、排ガス由来の塵埃が堆積するリスクを回避することができる。これにより、熱処理設備１のメンテナンスに要する時間やコストを最小限に抑えることが可能となる。

　また、上記構成によれば、排ガスが分解部本体５２を通らないため、当該排ガスに含まれるＮＯｘが各部の配管やバルブに触れることがない。このため、これら配管やバルブの腐蝕が生じる可能性を排除することが可能となる。特に、設備の始動時や停止時には、分解部本体５２の温度が１００℃程度になることが予想され、この温度帯では、アンモニアの燃焼によって生じた凝縮水とＮＯｘが反応することで、腐食性の高い硝酸が生じる虞がある。しかしながら、上記構成によれば、排ガスとアンモニアとが接触することがないため、硝酸等の腐食性物質が生じる可能性を排除することが可能となる。これにより、さらに長期にわたって安定的に熱処理設備１を運用し続けることができる。

（その他の実施形態）
　以上、本開示の実施形態について詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

　例えば、上述の各実施形態では、燃焼部２０としてノズル２１と着火装置のみを有する構成を例に説明した。しかしながら、変形例として図３に示す構成を採ることも可能である。具体的には、この燃焼部２２０は、ノズル２１と、着火装置（不図示）と、ケーシング２２１と、を有する。ケーシング２２１は、ノズル２１、及び着火装置を外側から覆っている。ノズル２１から火炎が放射されると、その熱がケーシング２２１を介して熱処理炉１０内に放散される。なお、この場合、排ガスライン６０は、各ケーシング２２１内の空間からそれぞれ排ガスを回収するように、上流側の部分が枝分かれしていることが望ましい。

　上記構成によれば、燃焼部２２０として、ノズル２１とケーシング２２１とを備える、いわゆるラディアントチューブ方式が用いられる。この方式では、燃焼火炎による熱ではなく、ケーシング２２１内で生じた燃焼ガスの輻射熱によって金属に熱処理が施される。このため、金属に過度の入熱が生じたり、予期せぬ変性が生じたりするリスクを最小限に抑えることが可能となる。したがって、最終製品の品質がさらに向上し、生産工程における歩留まりを大幅に向上させることができる。

　この他、第二実施形態で説明した構成に、第一実施形態で説明した第一熱交換器５１、及び第二熱交換器５３をさらに追設することも可能である。また、予熱部９０を備えない構成を採ることも可能である。さらには、液体のアンモニアではなく、気体のアンモニアを貯留部３０に貯留して原料ガスとして用いることも可能である。加えて、燃焼用空気を導く空気ライン８０は、燃焼部２０の燃焼特性や燃焼効率によっては不要である。これらの構成であっても、上述したものと同様に、環境負荷の大幅な低減という主たる作用効果を得ることができる。

　さらに、上記実施形態ではＡＲＵ５４を備える例について説明した。しかしながら、最終製品の仕様や要求によっては、アンモニアがわずかに残留していてもよい場合がある。この場合には、ＡＲＵ５４を省略することが可能である。

　なお、産業分野における熱処理設備としては、本実施形態で例示した鉄鋼金属分野の焼鈍用だけでなく、窯業土木産業での焼成用や化学石油産業での分解反応用などもあり、本開示内容の採用により、同様の効果が得られる。

　各実施形態に記載の熱処理設備１は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る熱処理設備１は、対象物２００に熱処理を施すための熱処理設備１であって、前記対象物２００が導入される熱処理炉１０と、アンモニアを貯留する貯留部３０と、該貯留部３０から前記アンモニアを取り出す供給ライン４０と、該供給ライン４０上に設けられ、前記アンモニアを水素と窒素に分解する分解部５０と、前記熱処理炉１０内に設けられ、前記供給ライン４０を通じて前記分解部５０から供給されたガスのうち、少なくとも前記水素を燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼部２０と、を備える。

　上記構成によれば、原料としてアンモニアが用いられることから、カーボンフリーを実現することが可能となる。

（２）第２の態様に係る熱処理設備１は、（１）の熱処理設備１であって、前記熱処理炉１０から排出される高温の排ガスを前記分解部５０に導く排ガスライン６０をさらに備え、前記分解部５０は、前記排ガスの熱を用いた触媒反応によって前記アンモニアを分解する。

　上記構成によれば、熱処理設備１のエネルギー消費量を低減することができるとともに、エネルギー効率を大幅に向上させることができる。

（３）第３の態様に係る熱処理設備１は、（２）の熱処理設備１であって、前記排ガスライン６０上に設けられ、外部から導かれた水と前記排ガスとを熱交換させることで蒸気を発生させる蒸気発生部１４０と、前記蒸気を前記分解部５０に熱源として供給する蒸気ライン１５０と、をさらに備える。

（４）第４の態様に係る熱処理設備１は、（２）又は（３）の熱処理設備１であって、外部から導かれた燃焼用空気を前記熱処理炉１０内に供給する空気ライン８０と、該空気ライン８０上に設けられ、前記排ガスと前記燃焼用空気とを熱交換させる予熱部９０と、をさらに備える。

　上記構成によれば、燃焼部２０におけるガスの燃焼効率を向上させることができる。

（５）第５の態様に係る熱処理設備１は、（１）から（４）のいずれか一態様に係る熱処理設備１であって、前記分解部５０で生じた未反応のアンモニアを回収して前記貯留部３０に還流させる回収部１００をさらに備える。

　上記構成によれば、燃料の原料となるアンモニアを余すことなく最大限に活用することができる。

（６）第６の態様に係る熱処理設備１は、（１）から（５）のいずれか一態様に係る熱処理設備１であって、前記燃焼部２０は、前記分解部５０から供給された前記ガスを噴射するノズル２１と、該ノズル２１を外側から覆うケーシング２２１と、を有する。

　上記構成によれば、最終製品の品質がさらに向上し、生産工程における歩留まりを大幅に向上させることができる。

（７）第７の態様に係る熱処理設備１は、（１）から（６）のいずれか一態様に係る熱処理設備１であって、前記分解部は、アンモニアを分解する分解部本体と、該分解部本体を流れるアンモニアの温度を調節する熱交換器と、を有し、前記熱交換器は、前記排ガスの熱によってアンモニアの温度を調節する。

　上記構成によれば、設備全体のエネルギー効率をさらに向上させることができる。

（８）第８の態様に係る熱処理設備１は、（１）から（７）のいずれか一態様に係る熱処理設備１であって、前記燃焼ガスの温度は、８００℃以上１２００℃以下である。

　上記構成によれば、サーマルＮＯｘの生成量を低減することができる。

１…熱処理設備
１０…熱処理炉
２０…燃焼部
２１…ノズル
３０…貯留部
４０…供給ライン
５０…分解部
５１…第一熱交換器
５２…分解部本体
５３…第二熱交換器
５４…ＡＲＵ
６０…排ガスライン
７０…煙突
８０…空気ライン
９０…予熱部
１００…回収部
１１０…排ガス送風機
１２０…燃焼空気送風機
１３０…水貯留部
１４０…蒸気発生部
１５０…蒸気ライン
２００…対象物
２２０…燃焼部
２２１…ケーシング

Claims

　対象物に熱処理を施すための熱処理設備であって、
　前記対象物が導入される熱処理炉と、
　アンモニアを貯留する貯留部と、
　該貯留部から前記アンモニアを取り出す供給ラインと、
　該供給ライン上に設けられ、前記アンモニアを水素と窒素に分解する分解部と、
　前記熱処理炉内に設けられ、前記供給ラインを通じて前記分解部から供給されたガスのうち、少なくとも前記水素を燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼部と、
を備える熱処理設備。
　前記熱処理炉から排出される高温の排ガスを前記分解部に導く排ガスラインをさらに備え、
　前記分解部は、前記排ガスの熱を用いた触媒反応によって前記アンモニアを分解する請求項１に記載の熱処理設備。
　前記排ガスライン上に設けられ、外部から導かれた水と前記排ガスとを熱交換させることで蒸気を発生させる蒸気発生部と、
　前記蒸気を前記分解部に熱源として供給する蒸気ラインと、
をさらに備える請求項２に記載の熱処理設備。
　外部から導かれた燃焼用空気を前記熱処理炉内に供給する空気ラインと、
　該空気ライン上に設けられ、前記排ガスと前記燃焼用空気とを熱交換させる予熱部と、をさらに備える請求項２又は３に記載の熱処理設備。
　前記分解部で生じた未反応のアンモニアを回収して前記貯留部に還流させる回収部をさらに備える請求項１から３のいずれか一項に記載の熱処理設備。
　前記燃焼部は、前記分解部から供給された前記ガスを噴射するノズルと、
　該ノズルを外側から覆うケーシングと、
を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の熱処理設備。
　前記分解部は、
　アンモニアを分解する分解部本体と、
　該分解部本体を流れるアンモニアの温度を調節する熱交換器と、
を有し、
　前記熱交換器は、前記排ガスの熱によってアンモニアの温度を調節する請求項２又は３に記載の熱処理設備。
　前記燃焼ガスの温度は、８００℃以上１２００℃以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の熱処理設備。