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【発明の名称】 排ガスエネルギー回収設備
【発明者】 【氏名】野本 博樹

【氏名】村田 建一朗

【要約】 【課題】融還元プラントから発生する排ガスを、既に開発され実用化されている高炉用コンバインドサイクル発電プラントを用いて回収できるようにし、回収効率を大幅に向上できる排ガスエネルギー回収設備を提供する。

【解決手段】溶融還元プラント1にて発生する排ガスを、高炉用コンバインドサイクル発電プラント10を介してエネルギー回収する設備であって、排ガスに窒素を継続的に混合することによって、コンバインドサイクル発電プラント10に最適なガスエネルギー量になるよう調整して、コンバインドサイクル発電プラント10へ供給する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 溶融還元プラントにて発生する排ガスを、高炉用コンバインドサイクル発電プラントを介してエネルギー回収する設備であって、前記排ガスに窒素等の不活性ガスを継続的に混合することによって、前記コンバインドサイクル発電プラントに最適なガスエネルギー量になるよう調整して、コンバインドサイクル発電プラントへ供給することを特徴とする排ガスエネルギー回収設備。
【請求項2】 前記排ガスに混合する不活性ガスに、前記溶融還元プラントで吹練中に使用される酸素を製造する酸素製造装置により副産物として発生する窒素を使用する請求項1記載の排ガスエネルギー回収設備。
【請求項3】 前記溶融還元プラントが、溶融還元炉とともにその排ガスを利用する予備還元炉を備えている請求項1又は2記載の排ガスエネルギー回収設備。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、冶金炉プラントのうち、とくに溶融還元プラントにおいて発生するところの、COおよびH2ガスを含む多量の可燃性の排ガスのエネルギーを回収するための排ガスエネルギー回収設備に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、冶金炉プラントにおいて発生する排ガスのエネルギー回収設備には、燃焼ボイラが一般的に使用されているが、エネルギーの回収効率が35%程度と非常に低かった。
【0003】そこで、近年、高炉から発生する排ガスについては、燃焼ボイラに代わって、発電効率に優れたコンバインドサイクル発電プラント(CCPP)が適用されている。このコンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン(GT),燃料ガス圧縮機(FGC)、蒸気タービン(ST)、発電機(GENO)を主要機器とする一軸型のパワートレインで、高炉からの排ガスを燃料として運転されるものも開発されている。そして、コンバインドサイクル発電プラントを使用した場合には、回収効率が45%程度まで向上している。
【0004】また、先行技術に、特開平2−298633号公報に記載の石炭ガス化コンバインドサイクル発電プラントがある。この石炭ガス化コンバインサイクルは、石炭をガス化し、この石炭ガスを燃料としてガスタービンを駆動し発電機を運転するとともに、ガスタービンの排ガスを熱回収し、この熱によって発生させた蒸気で蒸気タービンを駆動して発電機を運転するサイクルである。
【0005】なお、本発明に係るエネルギー回収を対象とする排ガスを発生する上記溶融還元プラント(溶融還元法)は、鉄鉱石などを溶融状態で還元するためのプラントで、高炉法などに代わるものであり、鉄鉱石(酸化鉄)などの金属酸化物を含有する鉱石を、溶融状態で還元して鉄やフェロアロイを得るプラント(方法)である。溶融還元法には種々の方式があり、溶融還元炉のみを使用するもののほか、予備還元炉と溶融還元炉とを組み合わせて使用するものがある。溶融還元炉では炉内に鉱石、石炭などを装入したうえ酸素を吹き込み、溶融状態で鉱石を還元する。このとき溶融還元炉からは CO(一酸化炭素)およびH2(水素)を主成分とする還元力のある高温ガスが発生するので、このガスを利用して鉱石をあらかじめ固体状態で予備還元する、というのが予備還元炉を組み合わせたプラントである。この場合は溶融還元炉の発生ガスがもつ熱と還元力を有効に利用できるという利点があるので、予備還元炉を使用する方がむしろ溶融還元法の主流になりつつある。また予備還元炉としては、粉粒状鉱石が流動層を形成(流動化)して上記のガスと接触・反応する、流動層式のものが広く採用されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記した高炉用コンバインドサイクル発電プラントを溶融還元プラントと組み合わせて使用しようとすると、次のような不都合が生じる。
【0007】すなわち、溶融還元プラントに適用しようとしても、その排ガスのエネルギー量が高炉から発生する排ガスとは異なっているために、発電プラントをあらたに開発しなければ適用できず、かつその開発費は膨大なものとなる。
【0008】詳しく説明すると、高炉排ガスは低位発熱量(LHV)が740〜840kcal/Nm3であることから、高炉用CCPPで使用可能な排ガスの低位発熱量(LHV)は750〜980kcal/Nm3前後で、排ガスのLHV総計は320MJ/sec(275,150,592kcal/h)前後に設定されている。この場合、例えばLHVを900kcal/Nm3にすると、ガスタービン入口ガス流量は305,720Nm3/hになる。
【0009】一方、溶融還元プラントから発生する排ガスは、LHVが1,000〜1,400kcal/Nm3とかなり高く、またガス流量については200,000〜300,000Nm3/hとばらつきがある。
【0010】したがって、溶融還元プラントの排ガスのLHVは高炉用CCPPに適用可能な排ガスのLHVに比べて高すぎるために、使用することができない。また、LHV総計も概ね一致させる必要があるが、溶融還元プラントから発生する排ガスとはかなり相違している。
【0011】本発明は上述の点に鑑みなされたもので、溶融還元プラントから発生する排ガスを、既に開発され実用化されている高炉用コンバインドサイクル発電プラントを用いて回収できるようにし、これにより従来の燃焼ボイラによる排ガスの回収に比べて回収効率を大幅に向上するとともに、プラント全体が安価でしかも柔軟性をもって操業できる排ガスエネルギー回収設備を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために本発明に係る排ガスエネルギー回収設備は、溶融還元プラントにて発生する排ガスを、高炉用コンバインドサイクル発電プラントを介してエネルギー回収する設備であって、前記排ガスに窒素等の不活性ガスを継続的に混合することによって、前記コンバインドサイクル発電プラントに最適なガスエネルギー量になるよう調整して、コンバインドサイクル発電プラントへ供給することを特徴としている。
【0013】上記の構成を有する本発明に係る排ガスエネルギー回収設備によれば、既に実用化されている高炉用コンバインドサイクル発電プラントを用いて、溶融還元プラントから発生する排ガスのエネルギー回収に利用することができ、あらたに溶融還元プラント専用の発電プラントを開発するための開発費や開発期間等が不要になる。そして、高炉用コンバインドサイクル発電プラントの使用に際して、溶融還元プラントからの排ガスに不活性ガスを継続的に適量混合するだけで、円滑に発電プラントを使用することができる。
【0014】請求項2に記載のように、前記排ガスに混合する不活性ガスに、前記溶融還元プラントで吹練中に使用される酸素を製造する酸素製造装置により副産物として発生する窒素を使用するのが好ましい。
【0015】請求項2記載の排ガスエネルギー回収設備によれば、溶融還元プラントのとくに溶融還元炉において操業に必要とされる酸素を空気を原料として製造する際に窒素が副産物として生じることから、この窒素を排ガスに混合して使用するので、無駄がなく、経済的である。
【0016】請求項3に記載のように、前記溶融還元プラントが、溶融還元炉とともにその排ガスを利用する予備還元炉を備えているのがさらに好ましい。
【0017】請求項3記載の排ガスエネルギー回収設備によれば、溶融還元プラントの溶融還元炉において排出される排ガスは低位発熱量が極めて高いが、この排ガスはいったん予備還元炉に導入されて、溶融還元炉に投入される鉱石をあらかじめ固体状態で予備還元するのに使用される。この結果、予備還元炉から排出される排ガスは鉱石の予備還元でCOガス等が消費された状態であるから、低位発熱量が溶融還元炉から排出されたときの排ガスに比べて低下し、排ガスに混合すべき不活性ガスの量が少なくて済み、使用しやすいうえに、より一層無駄がなく、経済的である。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る排ガスエネルギー回収設備の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0019】図1は溶融還元炉と予備還元炉を備えた溶融還元プラントに、コンバインドサイクル発電プラントを組み合わせた本発明の実施例に係る排ガスエネルギー回収設備の全体の概要を示す構成図である。
【0020】図1に示すように、溶融還元プラント1は、予備還元炉と溶融還元炉とを用いて鉄鉱石を還元するもので、2が溶融還元炉、3が予備還元炉である。
【0021】溶融還元炉2は鉄鉱石を溶融状態で還元して銑鉄とするもので、原料および副原料として炉内には鉄鉱石(下記の予備還元鉄)、石炭、酸素および後述する生石灰などが装入される。還元反応にともなって発生する高温ガス(排出ガス)は、COおよびH2を多量に含んで還元力があるので、フード、ダクト4を通って予備還元炉3の下方へ導入される。
【0022】予備還元炉3は鉄鉱石を固体状態で予備還元し予備還元鉄を得るものであるが、この実施例のものは流動層式で、多数の開孔を設けた分散板3a上に鉄鉱石が装入され分散板3aの下方より上記のガスが導入されることにより、鉄鉱石が流動化してガスと接触し、予備還元が進行する形式である。この予備還元炉3内で還元された予備還元鉄は、図示を省略した装入管により溶融還元炉2内に装入される。
【0023】溶融還元炉2内には、溶湯(溶融金属浴)Aとして銑鉄およびスラグを保持されており、この中に石炭、石灰などとともに鉄鉱石が装入され、ランス5を通して酸素が吹き込まれることにより、鉄鉱石を溶融状態で還元して銑鉄に変えるというプロセスがなされる。また、酸素は酸素製造装置6において、大気中の空気を原料として製造されるが、酸素製造装置6により酸素を製造する過程で、不活性ガスとしての窒素が同時に発生する。
【0024】予備還元炉3から排出される排ガスは、ダクト7で図示を省略したサイクロンセパレータに通されたうえ、排出ダクト8で高炉用コンバインドサイクル発電プラント10へ送られる。セパレータ(図示せず)では、排ガスとともに流動層Bから飛び出した微粉粒の予備還元鉄が捕集され、図示を省略した装入管により予備還元炉3へ戻される。
【0025】本例の排ガスエネルギー回収設備では、高炉排ガス用に開発されているコンバインドサイクル発電プラント10を排ガスエネルギーの回収の主要設備として使用している。排出ダクト8の途中には、電気式の排ガス湿式除塵装置11が介設されている。また、酸素製造装置6からは酸素供給管9がランス5に接続されるとともに、窒素供給管12が排出ダクト8の除塵装置11の下流側に接続されている。
【0026】ところで、下記の表1は、上記溶融還元プラント1の予備還元炉3から発生する排ガスおよび混合すべき窒素ならびに窒素混合後のガスについてのガス流量(Nm3/h,0℃ 1.03323kg/cm2 abs.換算)、ガス組成(体積%)および低位発熱量(kcal/Nm3)を表すものである。
【0027】
【表1】(添付の表を参照ください)

【0028】すなわち、予備還元炉3から排出される排ガスは、LHVが1,300kcal/Nm3で、排出流量は212,300Nm3/hであり、このままでは高炉用コンバインドサイクル発電プラント10に適用できない。しかし、酸素製造装置6から生じる窒素を、94,360Nm3/h(LHVは0kcal/Nm3)ほど混合して導入するため、結果的に、同排ガスはLHVが900kcal/Nm3、導入流量は306,660Nm3/hになる。つまり、LHV総計も275,994,000kcal/h(900×306,660)で、発電プラント10が必要とするLHV総計(275,150,592kcal/h)を充足している。
【0029】上記実施例では、溶融還元プラント1から発生する排ガスに、同プラント1に付属の酸素製造装置6により酸素を製造する際に副産物として生じる窒素を混合して発電プラント10に導入し、電力としてエネルギー回収するようにした。この結果、排ガスエネルギーの回収効率は45%に達した。また、設備的には、既に開発済みで実績のある高炉用コンバインドサイクル発電プラント10を組み合わせ、集塵装置11を介設した排出ダクト8で溶融還元プラント1と接続するとともに、酸素製造装置6の窒素発生部と排出ダクト8とを窒素供給管12により接続した構成である。上記実施例では、窒素の混合割合(流量)を制御する流量調整弁(図2の符号16)を窒素供給管12に介在させていないが、溶融還元プラント1の排ガスの発生量が変動する場合には、流量調整弁を介して窒素の混入量を調整できるようにするのが望ましい。
【0030】次に、図2は別の実施例に係る排ガスエネルギー回収設備の全体の概要を示す構成図である。
【0031】溶融還元プラント1から発生する排ガスが電気式集塵装置11および排ガス予熱装置13を順に経由し、軸流圧縮機14に排出ダクト8により導入される。また、溶融還元プラント1に付属の酸素製造装置6により発生する窒素が、窒素供給管12により流量制御弁16を介して排ガス予熱装置13のすぐ上流側の排出ダクト8に導入される。そして、窒素は排ガスに所定割合(流量制御弁16により調整)で混合された状態で、排ガス予熱装置13により予熱される。本例の排ガスエネルギー回収設備では、高炉用コンバインドサイクル発電プラント10’が、燃料ガス圧縮機として軸流圧縮機14とラジアル圧縮機15とを一連に備えている。このため、排ガスと窒素は一体に混合された状態の燃料ガスとなって軸流圧縮機14にて圧縮されたのち、ガスクーラ17を経由して冷却されラジアル圧縮機15に導入されてさらに圧縮される。それから、圧縮された燃料ガスは燃料ガス供給管19によりガスタービン20の入口へ送給され、ガスタービン20内に導入される。
【0032】ガスタービン20には排熱回収ボイラ21が一体的に連設されており、ガスタービン20に導入され、ガスタービン20の駆動に使用された燃料ガスの排気ガスが排熱回収ボイラ21にて回収され、蒸気を発生させる。この蒸気は蒸気供給管18にて蒸気タービン23へ供給され、蒸気タービン23を回転駆動しこの回転力で発電機24を回転させて発電する。また発電機24は、減速機構25を介してガスタービン20から軸流圧縮機14とラジアル圧縮機15とを挟んで一軸(共通の軸)の回転駆動軸31にて接続されており、減速機構25によって発電機24により発電される電気(交流)の周波数(例えば50Hz/60Hz)が変更できるようになっている。排熱回収ボイラ21は煙突21aを備えており、ガスタービン20からの排気ガスが熱回収されたのち、煙突21aから排出される。
【0033】そのほか、蒸気タービン23は凝縮機23aを並設しており、蒸気タービン23で使用されたのちの蒸気が凝縮機23aで凝縮されて水滴化し、送給ポンプ26を介して送給管27からガスクーラ17に送給された後、排熱回収ボイラ21へ送られ、排気ガスと熱交換されて蒸気になる。また、第2のガスクーラ28を備えており、このガスクーラ28にはラジアル圧縮機15からガスタービン20へ送られる燃料ガスの一部が、燃料ガス供給管19から分岐された分岐管32により送られ、冷却されたのち、予熱装置13で予熱された燃料ガスに混合され、軸流圧縮機14に供給される。また、発電機24により発電された電気は、変圧器33で高電圧化され、鉄塔34間に架設された電線で所要の電力消費地へ送電される。なお、本例のコンバインドサイクル発電プラント10’も基本的に高炉用発電プラントであり、溶融還元プラント1からの排ガスに不活性ガスとしての窒素を適量混合するようにしたところが相違する。そして、本例の排ガスエネルギー回収設備では、結果的に排ガスのエネルギー回収効率は46%に達した。
(他の実施例)
■ 上記実施例では、不活性ガスとして窒素を用いたが、窒素以外の例えば、アルゴンあるいはヘリウムを使用することもできる。
【0034】■ 溶融還元プラント1は、予備還元炉3を備えないタイプ、いいかえれば溶融還元炉2だけを備えたタイプであっても、実施可能である。ただし、この場合には、排ガスの低位発熱量が非常に高く、ガス排出流量もかなり多いので、混合すべき不活性ガスの量を増大させ、かつLHV総計がCCPPに適合するよう(例えば、277,660,300kcal/h前後)に流量を調整する必要がある。
【0035】■ 上記の表1に示した溶融還元プラントからの排ガス流量や窒素の混合流量は一例であり、限定されるものではないことはいうまでもない。しかし、排ガスの低位発熱量が高い場合にも、高炉用コンバインドサイクル発電プラントに使用できるようにするためには、LHVが800〜1,000kcal/Nm3になるように不活性ガスを継続的に混合する必要がある。
【0036】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、本発明の排ガスエネルギー回収設備には、次のような優れた効果がある。
【0037】(1) 溶融還元プラントから発生する排ガスのエネルギーを、既に開発され実用化されている高炉用コンバインドサイクル発電プラントを用いて回収できる。またこの結果、従来の燃焼ボイラによる排ガスエネルギーの回収に比べて回収効率を大幅に向上させられる。具体的には、回収率が40%未満から45〜46%に向上する。さらに、専用の発電プラントをあらたに開発して組み合わせる場合に比べて、開発費や開発に要する期間が一切不要で、プラント全体の設備が安価で提供し得る。しかも、高炉用コンバインドサイクル発電プラントの使用に際して、溶融還元プラントからの排ガスに不活性ガスを継続的に適量混合するだけで済むから、柔軟性をもって操業できるとともに、円滑に発電プラントを使用することができる。
【0038】(2) 請求項2記載の排ガスエネルギー回収設備では、溶融還元プラントのとくに溶融還元炉において操業に必要とされる酸素を空気を原料として製造する際に副産物として生じる窒素を排ガスに混合して使用するので、無駄がなく、経済的である。
【0039】(3) 請求項3記載の排ガスエネルギー回収設備では、溶融還元プラントの溶融還元炉から排出される排ガスは低位発熱量が極めて高いが、この排ガスをいったん予備還元炉に導入して鉱石の予備還元に使用しているから、低位発熱量が溶融還元炉からの排ガスに比べて低下しているので、排ガスに混合すべき不活性ガスの量が少なくて済み、使用しやすく操業が容易で、より一層無駄がなくなり、排ガスの有効利用が図られ、経済性にも優れている。
【出願人】 【識別番号】000000974
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
【出願日】 平成11年8月6日(1999.8.6)
【代理人】 【識別番号】100085291
【弁理士】
【氏名又は名称】鳥巣 実 (外1名)
【公開番号】 特開2001−50059(P2001−50059A)
【公開日】 平成13年2月23日(2001.2.23)
【出願番号】 特願平11−224285