JP6791193B2 - 高温凝固物の熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば鉄鋼製造プロセスにおいて発生する高炉スラグや製鋼スラグを高温で凝固させた凝固スラグなどの、高温凝固物から熱回収を行なうために好適な熱回収装置に関するものである。

近年、更なるＣＯ_２排出量削減のため、鉄鋼製造プロセスにおいて排出される高温の溶融スラグなど、高温かつ未利用である排熱を回収して利用する省エネルギー技術が求められている。溶融スラグの保有熱量は、スラグ１トン当たり１．８ＧＪほどの大きさを有することから、溶融スラグの保有熱を回収できれば、大きな省エネルギー効果が期待できる。溶融スラグの保有熱を回収する方法として、例えば特許文献１には、鋳滓機を用いて溶融スラグを連続的に凝固成形し、熱回収装置に凝固スラグを高温の状態で装入して熱回収する方法が記載されている。

特開昭５７−１８２０８６号公報

Ｓｈｉｇａｋｉ, Ｎ.; Ｔｏｂｏ, Ｈ.; Ｏｚａｗａ, Ｓ.; Ｔａ, Ｙ.; Ｈａｇｉｗａｒａ, Ｋ. Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｒｏｍ Ｐａｃｋｅｄ Ｂｅｄ ｏｆ Ｈｏｔ Ｓｌａｇ Ｐｌａｔｅｓ. ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ２０１５, ５５, １０, ２２５８‐２２６５

しかしながら、熱回収装置の構造としては、凝固スラグが多量かつ固形物であるため、充填層方式で設計して設備をコンパクトにすることが望ましい。更に高温凝固物から充填層方式で熱回収を行なう熱回収装置の設計において、高温凝固物を可能な限り高い温度で熱回収装置内に装入することができれば回収熱量の増加が期待できる。例えば製鋼スラグを凝固した直後の凝固スラグの場合、１１００〜１３００℃程度の高温を有するため、なるべくこの高温状態を保ったまま熱回収装置内にスラグを装入することが望ましい。しかしながら、１０００℃を超える程の高温になると、熱回収装置の内壁が耐火物構造となり、設備本体や設備支持構造が大型化すると共に、設備重量化に伴う基礎構造の強靭化など、設備コストが大幅に増加してしまう。内壁構造をＳＵＳ鋼板などの薄い鋼板構造にできれば大幅な重量の削減が期待できるが、通常ＳＵＳ鋼板による耐熱温度は８００〜１０００℃程度であり、それ以上の高温凝固物が装入される状況下では使用することができない。内壁を水冷構造にしてＳＵＳ鋼板の耐熱温度以内に保つような構造設計も可能であるが、その際には高温凝固物の有する熱の一部を捨てることになるため、熱回収率が低下してしまう。本発明は、そのような課題を解決し、高温凝固物の熱回収を比較的簡易的かつ軽量な内壁構造の熱回収装置を用いつつ、熱回収率が維持できるようにすることを目的とするものである。

前記の課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
［１］高温凝固物の充填層を内部に収容可能な熱回収槽内に熱回収ガスを送風して熱回収を行なう熱回収装置において、前記熱回収槽の内壁に、前記高温凝固物が残存して冷却される凝固物を支持可能な突出部を設けることを特徴とする、高温凝固物の熱回収装置。
［２］前記熱回収槽の内壁に設けた突出部と突出部の間に、前記内壁から冷媒を供給するための冷媒供給口を設けることを特徴とする、[１]に記載の高温凝固物の熱回収装置。
［３］前記熱回収槽の内壁と水平方向との角度θwall（°）が、前記残存して冷却される凝固物の安息角θ₀（°）以下となるように前記内壁を設置することを特徴とする、[１]または[２]に記載の高温凝固物の熱回収装置。

本発明によれば、上記の設備により、１０００℃を超える高温凝固物の熱回収を、比較的簡易的かつ軽量な内壁構造の熱回収装置を用いて実施できるようになる。

本件第１の発明に関する、熱回収槽の内壁構造を示す図である。 本件第１の発明に関する、熱回収槽内の凝固物の排出状況および装入状況を示す図である。 本件第２の発明に関する、熱回収槽の内壁構造および冷媒供給口の配置を示す図である。 本件第３の発明に関する、熱回収槽の内壁構造および内壁設置角度を示す図である。 本件第２の発明の実施例を示す図である。 本件第３の発明の実施例を示す図である。

本発明の実施の形態を以下に述べる。

本発明は、上記技術課題に対して、熱回収装置の内壁温度を壁面の材料の耐熱温度以内に保つための熱回収装置の内壁構造に関するものである。本発明の熱回収装置は、高温凝固物と熱回収ガスの間で熱交換を行なう熱回収槽と、その周辺機器で構成される。熱回収槽は後述する図５および図６でハッチングして示した部位であり、内部に高温凝固物を収容可能であり、熱回収槽の内壁側に突出部を有している。熱回収槽の壁面の材料をＳＵＳ鋼板などの薄い鋼板にするにあたり、通常ＳＵＳ鋼板による耐熱温度は８００〜１０００℃程度であるにも拘らず、本発明を適用すると、内壁を水冷構造にすることなく、それ以上の高温凝固物が装入される状況下でも使用することができる。壁面の材料としては、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などが好適に使用できる他、ＳＳ材なども使用可能である。なお、壁面はその厚さ方向に内壁と外壁で構成されるが、必要に応じて内壁と外壁の間に薄い断熱シートなどの断熱材（または補強材）を挿入しても良い。

本件第１の発明は、熱回収槽内に高温凝固物を充填した後に、前記高温凝固物の充填層内に熱回収ガスを送風して熱回収を行なう熱回収装置において、前記熱回収槽の内壁に、前記高温凝固物が残存して冷却される凝固物を支持可能な突出部を設けることを特徴とする、高温凝固物の熱回収装置における熱回収槽の内壁構造に関するものである。即ち、図１のように、熱回収装置の内壁１１に少なくとも１つの突出部１２を設けることで、図２に示すように、高温凝固物１４から熱回収した後の凝固物排出時に、凝固物１５の一部がこの突出部上に残存するようにする。この残存して冷却される凝固物による輻射熱の遮蔽効果により、引き続き充填される高温凝固物からの輻射熱が直接内壁に作用するのを防止することができる。特に凝固物の温度が高いほど輻射熱による熱伝達量が大きくなるため、この突出部上に残存して冷却される凝固物による輻射熱の遮蔽効果は、充填される高温凝固物の温度が高いほど有効である。構造上、突出部の先端については高温凝固物からの輻射熱を受ける形になるが、輻射を受ける突出部先端部の面積は内壁全面に比べると小さくなるため影響は小さい。突出部上の物質として断熱材などを設ける方法でも同等の効果が得られるが、断熱材の摩耗による劣化などを考慮すると補修費の観点で好ましくない。本件方法によると、充填した凝固物自体により内壁が保護される形になるため、補修が不要になり、経済的にも合理的である。ここで、高温凝固物とは鉄鋼製造プロセスにおいて発生する高炉スラグや製鋼スラグなどを好適に用いることができ、その温度は１０００℃を超えるものであり、１１００〜１３００℃のものも好適に用いることができる。

残存して冷却される凝固物の温度は１０００℃以下であれば良いが、ＳＵＳ鋼板など内壁材料の耐熱温度を考慮すると８００℃以下が好適であり、輻射熱による内壁材料への熱負荷を低減するという観点では５００℃以下が更に好適である。また、突出部は内壁の周方向全面に設置するのが好ましいが、全面保護をしなくても内壁材料自体の熱伝導による温度平均化作用も内壁温度の低下に寄与するので、周方向の５０％以上あれば本発明の効果を奏することができる。当該熱回収装置は、この突出部のみで充填物の全荷重を支持する構造ではないが、充填される凝固物の単位重量に応じて、突出部の厚さは５ｍｍ〜２０ｍｍ程度で設計することが好ましい。また、炉内部への突出長さは、少なくとも凝固物の平均寸法以上を有することが好ましい。突出部の高さ方向の設置間隔としては、凝固物の平均寸法以上であれば一定の効果を得られるが、設置間隔が広過ぎると凝固物の支持状態が不安定になるので、３００ｍｍ以下程度とすることが好ましい。また、当該内壁構造を採用することにより、充填圧等による内壁の変形を抑えるための補強リブ効果も副次的に得られる。突出部の材質は熱回収装置の内壁材料と同じでも良いし、内壁材料をＳＵＳ鋼板として突出部のみＳＳ材とするような異種材料の組合せも可能である。熱回収装置の内壁材料と突出部は、溶接またはボルト接合などの方法によって接合することができる。

本件第２の発明は、前記熱回収槽の内壁に設けた突出部と突出部の間に、前記内壁から冷却ガス（空気、窒素ガスもしくはアルゴンガスなど）または水や水蒸気などの冷媒を供給するための冷媒供給口を設けることを特徴とする、高温凝固物の熱回収装置の内壁構造に関するものである。即ち、図３のように、前記内壁の突出部１２ａと突出部１２ｂの間に冷媒供給口１６を配置する。冷媒供給口の形状は、例えば多孔板などの小さい孔が多数空いたもの、比較的大きい孔が少数空いたもの、スリット状に切り込まれているものなど、様々な形式が採用可能である。本件第１の発明による方法は、短時間で高温凝固物からの熱回収が完了する際には内壁保護に有効であるが、高温凝固物からの熱回収に長時間（例えば、１時間以上）を要する場合、前記突出部上に残存して冷却される凝固物の温度が次第に上昇して、後から装入される高温凝固物と同等の温度まで高温化し、内壁保護効果が失われる可能性がある。そのため、図３のように冷媒を供給することで、継続的に内壁近傍の凝固物の温度を低温化することができる。

本件第３の発明は、前記内壁に突出部を設けた前記熱回収槽の内壁の水平方向に対する設置角度θｗａｌｌ（°）を、充填物の安息角θ_０（°）以下となるように配置することを特徴とする、高温凝固物の熱回収装置の内壁構造に関するものである。図１〜図３は、前記熱回収装置の壁面が鉛直方向に配置されている際の実施例であるが、このような鉛直方向への配置の場合、特に充填時の安息角が小さい（即ち、山積み時にこぼれ易い）凝固物においては、前記内壁上の突出部上に残存する凝固物の一部がこぼれ落ちてしまい、内壁保護効果が弱くなる可能性がある。そのため、前記熱回収装置の壁面の水平方向に対する設置角度θｗａｌｌ（°）を９０°未満として、壁面を傾斜させるのが好ましい。図４のように、前記熱回収装置の壁面の水平方向に対する設置角度θｗａｌｌ（°）を、充填物の安息角θ_０（°）以下となるように配置して、前記突出部１２上に凝固物１５が残存し易くするのが特に好ましい。但し、熱回収装置の断面形状によっては、角θｗａｌｌ（°）を小さくし過ぎると、凝固物を熱回収装置下部から排出する際に棚吊りなど排出不良が生じる可能性があるので、凝固物の排出に支障が無い壁面角度を実験等により予め調べた後に当該設計を行なう。なお、図４では冷媒供給口１６を有する状態を示したが、冷媒供給口はなくても本件第３の発明の効果を奏することができる。

以下、本発明の実施例を示す。図５は、本発明における内壁構造を有する熱回収装置１の構造例である。熱回収装置は熱回収槽２を有し、更に熱回収のための下部送風口１７と、内壁には突出部１２を設けている。更に、内壁の突出部１２ａと突出部１２ｂの間には、冷媒を供給するための冷媒供給口１６をそれぞれ設けている。突出部１２上に凝固物１５が残存し、高温凝固物１４は直接内壁１１とは接触しないようにしている。なお、図５は壁面１３が鉛直の場合の構造例であるが、図６に示すように本件第３の発明では、壁面に傾斜を設ける方法も可能である。図６に示す例では、傾斜部分は特に高温の充填物と接触しやすい上部のみとし、下部では既に充填物温度が下がっているので特に冷却はしない形式にしているが、本件第３の発明においてはこれに限られるものではない。傾斜部分を高さ方向でどう設定するかは、設備の取り合いを考慮した上で、任意の設定とすることができる。

図５に示す熱回収装置を用いて、高温凝固物の熱回収操業を行なった際の内壁温度を、非特許文献１に示すような一次元充填槽伝熱モデルにより計算するための計算条件および計算結果を表１に示す。

高温凝固物は、ここでは脱炭スラグの凝固物とした。熱回収装置１は、塔径２ｍ×塔高３ｍの熱回収槽２を有し、寸法７×５０×５０ｍｍ、温度１１００℃の高温凝固物１４を、上方から３０ｔ／ｈの供給速度で供給しつつ、下方から３０ｔ／ｈの排出速度で排出して、一定の充填量を保ちながら、２５℃空気を３０ｋＮｍ^３／ｈで流通させて定常的な熱回収をする操業方法とした。内壁の初期温度は１５０℃とし、内壁に突出部を有しない比較例と、内壁に突出部１２ａ、１２ｂを設けた本発明例とを比較した。本発明例として、突出部のみを設けたものを本発明例１、突出部を設けると共に冷媒吹込みを行うものを本発明例２、更に本発明例２に対して内壁に傾斜角を設けたものを本発明例３とした。冷媒種は２５℃の空気とし、送風量は１３０Ｎｍ^３／ｈとした。壁面の材質はＳＵＳ鋼板とし、内壁１１の厚みは５ｍｍと小さくして厚み方向の温度を一定とした。内壁温度の計算は、高温凝固物からの輻射伝熱による入熱と、冷媒の対流伝熱による抜熱の両方の効果を考慮した。突出部を設ける効果として、内壁への輻射伝熱の９割が突出物状に滞留する凝固物により遮蔽されるものとした。表１の一番下に、高温凝固物装入から１０００ｓｅｃ経過後迄の内壁材料の最大到達温度を示す。比較例では、内壁温度が高温凝固物の温度と同じになるまで昇温しており、内壁が保護されないことが分かる。一方、本発明例１では、内壁温度の最大値が６２８℃まで抑えられており、本件発明の効果が確認できる。更に、冷媒吹込みと組み合わせた本発明例２では、更に内壁温度が低下して最大２１３℃まで最大温度が低下した。内壁に傾斜を設ける本発明例３では、内壁の単位面積当りの熱負荷は等しくなるので、本発明例２と同じ効果が得られた。本発明例で使用した高温凝固物種は脱炭スラグであり、その安息角は４０〜４５°程度である。本発明例３では内壁の傾斜角θｗａｌｌ（°）を４０°として、凝固物の安息角以下とした例を示した。

１ 熱回収装置
２ 熱回収槽
１１ 熱回収槽の内壁
１２ １２ａ、１２ｂ 突出部
１３ 熱回収槽の壁面
１４ 高温凝固物
１５ 残存して冷却される凝固物
１６ 冷媒供給口
１７ 下部送風口
１８ １８ａ、１８ｂ 送風機
１９ １９ａ、１９ｂ 流量調節弁

Claims (3)

1. 高温凝固物の充填層を内部に収容可能な熱回収槽内に熱回収ガスを送風して熱回収を行なう熱回収装置において、前記熱回収槽の内壁に、前記高温凝固物が残存して冷却される凝固物を支持可能な突出部を設けることを特徴とする、高温凝固物の熱回収装置。
2. 前記熱回収槽の内壁に設けた突出部と突出部の間に、前記内壁から冷媒を供給するための冷媒供給口を設けることを特徴とする、請求項１に記載の高温凝固物の熱回収装置。
3. 前記熱回収槽の内壁と水平方向との角度θwall（°）が、前記残存して冷却される凝固物の安息角θ₀（°）以下となるように前記内壁を設置することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の高温凝固物の熱回収装置。