JPS5920954B2 - 廃熱回収方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は廃熱回収、特に高温ガスから熱を回収する方法
及び装置に関する。

熱交換は、高温または低温の処理条件の如何によらず本
質的にすべての処理作動の重要な面をなす。

通常、経済的には、熱伝達装置を処理流にだいし効果的
に利用することである。

廃熱回収は一般に、基本的熱処件の地熱の回収に関し、
例えば、蒸気発生装置において、通常、温度レベルが蒸
気発生には不十分であるが、顕熱が蒸気ドラムに送られ
る水の予熱等加熱の仕事のため得られるレベルである装
置に対流区分がある。

例えば、キュポラの運転等、熱は回収されても効果的に
回収されない処理作動もある。

典型的な鋳造作業において、コークス、石灰岩及び、銑
鉄、〈づ銑等金域部分が装入ドアを介してキュポラ内に
導入される。

低温噴射空気が底部の羽目を介して導入されコークスを
燃焼する媒体となる。

さらに空気は排気ファンによって装入ドアを介して導入
される。

装入ドアの上方に設けたアフターバーナは床を離れる一
酸化炭素の点火源となり、キュポラが生産状態にないと
きキュポラに熱を供給する。

噴射空気、装入ドア空気及びアフターバーナ空気として
キュポラに入る空気は通常低温で、アフターバーナで燃
料を消費してまたはキュポラの低部でコークスを消費す
ることによって、作動温度に加熱される。

９８ｆ）〜１２０４℃（１８０Ｃ〜２２００°Ｆ）の温
度の高温ガスはキュポラの頂部から引き抜かれ、一般に
、垂直方向に配置した水スクラバに通されて、ガスは、
固形物捕収器、例えば、静電集じん器またはバグハウス
内に導入される前に（２０４〜２６０℃（４０６′〜５
００°Ｆ）の温度に冷却される。

直接水冷及び洗浄により、大量の蒸気が発生し下流装置
へのガス量を増大する。

少数の工場には、伝熱式または蓄熱式の熱回収装置が設
置されている。

伝熱式としては、高価な高合金熱交換機を使用し、噴射
空気を加熱して高温ガスを冷却する。

この方式の熱交換機はきわめて高価であるが、これは、
高い金属湯度（９８１〜１２０４℃）（１８００°Ｆ〜
２２００°Ｆ）に耐えるのに必要な高合金構造及び、高
温ガスの低温空気にたいする熱伝達係数が悪いことによ
る多量の熱伝達面のためである。

伝熱式は、日常の開始及び停止時に生ずる周囲湿度から
１０９３℃（２０００°Ｆ）範囲の変動と共に１日に１
４回も生ずる（７０！′〜１０９３℃） （１３０６）
から２０００°Ｆ）の大きな温度変動がよくあるので、
機械的故障を生ずる。

蓄熱式では、高価なメツシュ、ホイールが回転し、交互
に高温ガスによって加熱され、低温空気によって冷却さ
れる。

この方式の熱交換機はきわめて大型で、低温空気により
高温ガスからの水分と二酸化いおうを凝縮する場合密封
の破損及び腐食によりかなりの保守と工場閉鎖の原因に
なる。

これら伝熱式及び蓄熱式の両方式による廃熱回収装置は
、プラントが作動温度、すなわち、９８２〜１０９３℃
（１８０θから２００００Ｆ）（ガス温度）で多量の噴
射空気を必要とするときのみに効果的に働く。

無負荷中、アフターバーナがキュポラを約７０４℃（１
３００°Ｆ）に保持し、噴射空気を必要としないときに
、少量の熱が回収される。

無負荷時間は一日に８時間またはせいぜい１２時間であ
る。

対応する溶融時間は８時間または４時間にすぎず、有効
熱回収時間は１日に８ないし４時間である。

一般に、このような装置は、燃料を節減するため、燃焼
空気を予熱するのに必要な熱回収に限られていた。

燃料油の燃焼によると処理作業によっては許されないよ
うなよごれた、まｔ〕はすすでよごれた排ガスを発生す
るので、ガス燃焼補助装置を必要とする処理作業もある
。

以上、簡単に述べたように、熱交換機は、普通の熱伝達
媒体全使用して種々の廃熱処理に使用されていた。

米国特許第３，４２６，７３３号によれば、閉ループ装
置を使用し、共融塩混合物、芳香族熱伝達油、テトラク
ロロビフェニル化合物等の熱伝達流体により熱を回収す
るが、このような装置は閉ループであるため固有の問題
点があった。

米国特許第２，９１０，２４４号には、中間熱伝達媒体
として溶融塩混合物を使用して吸熱化学反応を行う方法
及び装置が開示されている。

本発明の上記及び他の目的は、２６８〜１３７２℃（５
０θ〜２５００°Ｆ）の温度の排ガスまたは廃ガスを発
生するキュポラの運転等の処理作業に中間熱伝達媒体と
して例えばカリウム塩とナトリウム塩からなる共融塩溶
融物を使用する熱交換装置によって達成される。

他の実施例において、本発明の目的は、処理作業に中間
熱伝達媒体を利用する少なくとも２基の熱交換装置を使
用して達成される。

このような装置によれば、熱交換機は、高価な高合金構
造材料の代りに、普通の構造材料を使用して製作でき、
さらに、熱は、第１実施例について説明されているよう
な単一中間熱伝達媒体を使用する場合よりもかなり多く
回収することができる。

本発明をさらに明確に理解するため、夫々略系銑線図を
示す添付図面を参照して典型的な実施例を以下説明する
。

第１図には、円筒形キュポラが符号１０で総括的に示さ
れ、このキュポラは半球状上蓋１４を備える容器１２と
、装入ドア１６と、羽口１８と、符号２０で総括的に示
す溶融鉄引抜き組立体とより成る。

容器には噴射熱風管路２２と、装入ドア熱風管路２４と
、アフターバーナ管路２８とを備え、装入ドアは管路２
６により外部に開口している。

容器１２の上部には、符号３４で総括的に示す熱回収装
置の熱交換機３２と流体連通ずる渡りダクト３０を備え
ている。

熱回収装置３４はまた塩槽３６と熱使用装置３８とを備
えている。

共融塩溶融物を保持し、該共融塩と反応しない材料で作
った。

塩槽３６はこの槽３６に取付けられたポンプ４２の吸込
側と流体連通しており、その■流側は導管４４によって
熱交換機３２の管すなわち胴側と連通している。

熱交換機３２の液体側の出口は導管４６によって熱使用
装置３８と流体連通し、一方、装置３８は導管４８によ
って流体流れ連通している。

塩槽３６は導管５０を備えて運転休止させるが、これに
ついては以下で詳述する。

前述のように、熱使用装置は、管路２２，２４及び２８
を流れるガスを予熱する熱交換機、空間加熱を行う蒸気
発生装置または、電気才たは圧搾ガス冷媒を発生する蒸
気タービンを備えている。

作動を説明すると、熱回収装置３４はその中間熱流体に
より、高温ガスから熱を回収し、溶融及び無負荷運転中
に貯熱し、さらに、噴射空気、バーナ空気及び装入ドア
空気を加熱したり、塩中の蒸気を蒸気発生熱交換機に発
生したり等種々の方法で熱を利用するために使用される
。

冬期には、塩基は最低に設定され熱を最大量回収し、発
生蒸気は工場または隣接事務所及び住居の空間暖房に使
用される。

夏期には塩基は最高に設定され、噴射空気、バーナ空気
及び装入ドア空気を予熱したり、標準蒸気タービン・発
電機に電気を発生して工場、隣接事務所ならびに住居用
の工場電動機または空調装置を駆動させる。

本発明の重要な特徴の１つは、キュポラから回収される
高温ガスが９８２〜１０９３℃（１８０６）〜２０００
°Ｆ）の時、キュポラの溶融作動により熱伝達流体装置
に熱を貯えかつ、装置が無負荷で、アフターバーナが作
動状態で高温ガスが７０４℃（１３００°Ｆ）の時、熱
を拒絶する能力である。

典型的な運転は、溶融が３０分、空運転が３０分、毎日
合計１６時間である。

熱回収装置は貯蔵装置として作動するがその際の塩基の
範囲は２０４〜５３８℃（４００〜１０００°Ｆ）であ
る。

低温は熱伝達流体の最大許容温度として選択される最低
安定湯度として設定される。

なお塩温合物の使用により、燃料油により補助燃焼しガ
スとコークスが少なくてすむ。

本発明の他の特徴は高温装入ドア空気を使用することで
ある。

装入ドアは通常、キュポラの側面に設けた開口であり、
このキュポラは作動を容易にするため、常時開放してお
り空気をキュポラに流入させる。

装入ドアの下方の地点または１つ以上の開口を介して装
入ドアのいずれかの側面に空気を添カロして回収装置に
よって加熱される。

このような高温空気は、キュポラの下部域に発生する煙
とガスが装入ドアを介しキュポラから去らないようにす
るから、装入ドアに入る低温空気量を減少させる。

上昇する煙とガスは、水平方向にキュポラ内に流入する
高温装入ドア空気によって押されまたは誘導されて装入
ドアから離れる。

例えば、噴射空気が５６６．３ｍ３７分（標準状態）
（２０，０００ｓｅｆｍ）装入ドア吸込が２０．０００
ｓｃｆｍ 煙道ガス温度が９８２℃（１８０００Ｆ
）で毎年６０００時間、大型キュポラが作動するものと
する。

本発明の熱回収装置によれば、煙道ガスを２６０℃（５
００°Ｆ）まで冷却し、回収した熱を使用して、２．９
３ Ｘ’ １０２ＫＷ−ｈｒ（１００万ＢｔＵ）につき
平均コスト３ドルのガスとコークス消費量を減じて、年
間１００万ドルの節約が実現される。

つぎに第２図には、符号１１０で総括的に示す円筒形キ
ュポラが示され、とのキュポラは半球状上蓋１１４を備
えた容器１１２と、装入ドア１１６と、羽目１１８と、
符号１２０で総括的に示す溶融鉄引抜き組立体とより成
る。

容器１１２には高温噴射空気管路１２２と、装入ドア空
気管路１２４と、外部に開口する装入ドア通気管路１２
６と、アフターバーナ管路１２８とを備えている。

容器１１２の上部には、符号１３６で総括的に示す熱回
収装置の夫々１次及び２次熱交換機１３２，１３４と流
体連通する渡りダクト１３０を備えている。

熱回収装置１３６にも（図示せざる）塩槽を備え、溶融
塩は中間熱伝達流体の１つより成る。

１次熱交換器１３２は導管１４０および導管１４２と１
４４を介し夫々熱交換機１４６，１４８の管あるいは胴
側と流１体連通している。

熱交換器１４６と１４８の１次熱伝達媒体側の出口は夫
々導管１５０と１５２によってそして導管１５４を介し
１次熱交換機１３２と流体連通している。

２次熱交換機１３４は導管１５６をによってそして導管
１５８と１６０を介して夫々熱交換機１６２と１６４の
管あるいは胴側と流体連通している。

熱交換機１６２と１６４の出口は夫々導管１６６と１６
８によって流体連通し、これら導管は組合さって導管１
７０を介して２次熱交換器１３４に戻っている。

被カロ熱流体を含む導管１８０は導管１８２によって熱
交換機１６４と１６６と流体連通し、熱交換機１４６の
出口は導管１８４に通じ、この導管は導管１２８，１２
４及び１２２に分割されている。

他の被カＤ熱流体を含む導管１８６は導管１８８によっ
て熱交換機１６２と１４８に流体連通し、熱交換機１４
８の出口は導管１９０と流体連通している。

２次熱交換器１３４の出口は導管１９２によって湿式ス
クラバ１９４に通じ、管路１９６によって沈殿器１９８
と排気ファン１００とを経て大気に通気している。

次表は、噴射空気が２２６．５２７７１３／分 （標準
状態） （８，０００ｓｅｆｍ）装入ドア吸込が２２６
．５２ｍ３／分（標準状態） （８，０００ｓｅｆｍ）
で、煙道ガス温度が９．８２℃（１８０００Ｆ）で年間
６０００時間に及ぶキュポラの運転条件を示す。

本発明の第２実施例による熱回収装置では、煙道ガスを
２０４℃（４００°Ｆ）寸で冷却し、回収した熱を使用
して蒸気を発生しさらにガスとコークスの消費量を減じ
て年間４０万ドルの節約を実現した。

１次及び２次熱交換機１３２，１３４の中間熱伝達媒体
は夫々、塩基合物と水である。

次表■は無負荷状態のキュポラの作動条件を示す。

キュポラＩは１次及び２次熱交換機において使用した中
間熱伝達油により同様に作動され次表■に示す条件を有
する。

次表■は無負荷条件を示す。

なお、気流温度は異なるが、排ガス温度と流量は同じで
、その差により燃料条件が変化する。

本発明の熱回収装置は、ガス量を大幅に減少するので、
種々の工程に関連する汚染調整装置（すなわち、湿式ス
クラバ、亀気集じん機、バグ・・ウスまたは機械式集じ
ん機）の構成及び保守を著しく改善する。

湿式スクラバを有する既存の鋳物キュポラにおいて、ス
クラバで急冷する前に煙道ガスを感冷すると水の消費量
はかなり減少する。

この水の蒸発の減少により装置のファンが処理すべき飽
和ガスの量と重量を著しく減少する。

従って、直接噴霧水冷ではなく熱回収によって、ガスを
に９８２℃（１８００°Ｆ）から２６０℃（５００°Ｆ
）に冷却することによって流量を３１パーセント減少す
る。

本発明の熱回収装置は次のような多くの利益を有する。

（１）針基装置の熱容量が大きいので多量の熱を蓄積、
貯蔵させる。

回収エネルギの再使用により荷をピークにさせたり、廃
熱源とは異なる使用パターンを存する他の条件を充足す
ることができる。

（２）交換機と溶融塩との間の熱伝達係数がきわめて大
きいので、余熱伝達速度はガス対空気熱交換装置の速度
よりもかなり高くなる。

塩フィルム伝達係数はガス対空気熱交換機の空気フィル
ム伝達係数よりも約５０倍大きい。

従って所要熱伝達表面積は仕事率が等しいガス対空気交
換機に安する表面積の約半分である。

（３）上記のように熱伝達係数が大きいので、交換機表
面温度が溶融塩温度の数度内に保たれる。

高温によって、塩装置交換機の金属表面はガス対空気交
換機の金属表面よりも５００度低温になる。

この低い金属温度は構造の経済性及び作動の信頼性に寄
与する。

塩装置交換機にはガス対空気交換機に要する高合金の代
りに標準構造材料が使用される。

（４交換機と塩基度のほぼ均等は循環塩の大きな熱容量
と相まって、煙道ガス温度の急激な変動とは関係のない
交換面が得られる。

従って、塩装置交換機は、ガス対空気交換機に共通する
大きな金属温度変動をうけない。

（５）塩希釈装置により回収熱の再使用の方法及び速度
についての選択にかなりの融通性を与えている。

この熱は空気の予熱、蒸気の発生、直接加熱等に使用す
ることができる。

他の廃熱回収装置にはこのような融通性はない。

（６）大鋳造工場における多数のキュポラ等長廃熱源は
単−針基循環装置により作動され、制御、循環及び再使
用装置がきわめて経済的となる。

（７）溶融塩は非可燃性かつ非腐食性で、これを使用す
る装置は大気圧と定位とで作動する。

塩はまた５３８℃（１０００ＱＦ）まで熱的に安定して
いる。

（８）塩希釈技術（すなわち、熱媒体として使用する溶
融塩の流動性を保持するために停止時に塩に水を加え、
また始動開始にともなって塩を濃縮して定常運転状態に
戻す技術）の採用により、このような開始及び停止作動
中の溶融塩の固化問題が解消する。

本発明を以上、キュポラに組合せた熱回収装置の導入に
ついて説明したが、この装置は、金属加工、化学処理ま
たは精製処理等のユニット作動にも使用され、特に、大
気に排出されないうちに除しん装置内で分離される微粉
を含む高温のよごれたガスを発生する処理に有用である
。

除しん装置通過前に、高温のよごれたガスは２０４〜２
６０℃（４０８〜５００°Ｆ）に冷却しなければならな
いから、本発明の方法及び装置は既存の方法に代り特に
経済的にすぐれている。

さらに、２基以上の熱交換機をタンデム状に配置し、温
度が異なる中間熱伝達流体、たとえば、溶融塩、油及び
水、または溶融塩、油及油等を使用する。

熱伝達流体の動作温度は、（温度が通常夫々５３８℃（
１００００Ｆ）及び３１６℃（６０００Ｆ）の）塩と油
の熱安定性と水の蒸気圧（１７，４ｋｇ／Ｃｌ１Ｌ）
（２４７ｐｓｉａ）で通常２０４℃（４０００Ｆ）の蒸
気圧により異なる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々、本発明の実施例を示す略系統
線図である。 主要な部分の符号の説明、１０，１１０・・・キュポラ
、１２，１１２・・・容器、１４，１１４・・・半球状
上蓋、１６，１１６・・・装入ドア、１８，１１８・・
・羽目、２０，１２０・・・溶融鉄引抜組立体、３０゜
１３０・・・渡りダクト、３２．１３２．１３４，１４
６゜１４８．１６２，１６４・・・熱交換機、３４，１
３６・・・熱回収装置、３６・・・塩檜、３８・・・熱
使用装置、４２・・・ポンプ、１１０・・・排気ファン
、１９４・・・湿式スクラバ、１９８・・・沈澱器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １２６０℃乃至１３７２℃の温度の排ガスから熱を回収
   する方法において、（イ）間接的熱伝達方式で前記排ガ
   スを塩混合物へ通し、（ロ）間接的熱伝達方式で前記の
   加熱された塩混合物を熱伝達流体へ通し前記の加熱され
   た塩混合物を冷却し、（１）工程（ロ）の冷却された塩
   混合物を工程（（イ）へ戻すことより成る方法。 ２ 前記排ガスが９８２℃乃至１２０５℃の温度であり
   、約２０４℃乃至２６０℃の温度に冷却される前記特許
   請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 排ガスがキュポラから発生する排ガスであり、（イ
   ）前記ガスを間接的熱伝達方式で塩混合物に通し、 （０）前記の７ＪＤ熱された塩混合物を間接的熱伝達方
   式でキュポラ内にその後導入される空気流に通し、 （・ウ 工櫃→の冷却された塩混合物を工程（→へ戻
   す、ことよシなる特許請求の範囲第１項あるいは２項記
   載の方法。 ４ 工程（ロ）の加熱された空気流が、キュポラで必要
   な噴射空気、装入ドア空気及びアフターバーナー空気の
   要求量を与える特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５ キュポラが一時停止の状態にあり、且つ排ガスが約
   ７０４℃の温度で、前記の空気流がアフターバーナー空
   気流を力ｎ熱しつつ引抜かれる特許請求の範囲第３項の
   方法。 ６ 前記の加熱された塩混合物が前記の一時停止中に貯
   蔵される前記特許請求の範囲第５項に記載の方法。 ７ 停止中に希釈剤が前記塩混合物に添加される前記特
   許請求の範囲第３項に記載の方法。 ８ ユニット作動で発生する２６０℃乃至１３７２℃の
   湿度の排ガスから熱を回収する方法において、（→間接
   熱伝達方式で前記排ガスを、異なる温度で作動する少な
   くとも２つの連続熱交換帯域内の中間熱伝達媒体塩へ通
   し、（ロ）異なる温度レベルで前記中間伝達流体から熱
   を回収し、（・）冷却された中間熱伝達媒体塩を工程（
   →に戻すことよシ成る方法。 ９ 作動温度が高い第１の中間熱伝達媒体塩を第１熱伝
   達帯域に通し、作動温度が低い第２の中間熱伝達媒体塩
   を次の熱帯域に通す前記特許請求の範囲第８項に記載の
   方法。 １０前記回収された熱を利用して、前記ユニット作動に
   導入される空気を予熱する前記特許請求の範囲第９項に
   記載の方法。 １１ 前記予熱された気流は前記キュポラで必要な噴
   射空気、装入ドア空気及びアフターバーナ空気を付与す
   る前記特許請求の範囲第１０項に記載の方法。 １２ 前記排ガスは９８２℃乃至１２０５℃の温度で、
   約２０４℃乃至２６０℃の温度に冷却れる前記特許請求
   の範囲第１１項に記載の方法。 １３前記キユポラは一時停止状態にあり、前記排出され
   るガスは約７０４℃の温度で、アフターバーナ気流を加
   熱する前記空気流と共に引抜かれる特許請求の範囲第１
   ２項に記載の方法。