(57)【要約】【課題】複数の金属製造用還元炉を冷却する際に発生する廃熱のうち、高温にある廃熱を効率よく回収する方法の提供を目的としている。【解決手段】金属塩化物を還元して金属を製造する複数の還元炉で発生する廃熱の回収方法であって、上記複数の還元炉から発生する廃熱を統合して再利用することを特徴とする金属製造用還元炉の廃熱回収方法。本発明では、還元炉の運転工程が、昇温工程、定常運転工程および冷却工程からなるバッチ方式で運転されており、定常運転工程または冷却工程にある還元炉のうち、廃熱回収下限温度以上の廃熱のみを統合して利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属塩化物を還元して金属を製造する複数の還元炉で発生する廃熱の回収方法であって、上記複数の還元炉から発生する廃熱を統合して再利用することを特徴とする金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項２】
前記還元炉の運転工程が、昇温工程、定常運転工程および冷却工程からなるバッチ方式で運転されていることを特徴とする請求項１に記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項３】
前記定常運転工程または冷却工程にある還元炉のうち、廃熱回収下限温度以上の廃熱のみを統合して利用することを特徴とする請求項１または２に記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項４】
前記複数の還元炉を、廃熱を一定量に制御した操業炉群と、還元炉の運転待機状態にある休止炉群とに分類して制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項５】
前記操業炉群に属す還元炉の中で、廃熱温度が最初に廃熱回収温度下限を下回ることが予想される還元炉を選択すると共に、休止炉群に属する還元炉の中で廃熱回収温度下限を最初に上回った還元炉を選択することを特徴とする請求項４に記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項６】
前記操業炉群に属する還元炉の中で、廃熱回収温度下限を下回った還元炉の廃熱回収を停止すると共に、休止炉群に属する還元炉の中で、廃熱回収温度下限を最初に上回った還元炉の廃熱の回収を開始することを特徴とする請求項５に記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項７】
前記還元炉がスポンジチタン、スポンジジルコニウムまたはスポンジハフニウム製造用還元炉であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項８】
前記廃熱の媒体が、金属製造用還元炉の冷却用空気であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項９】
前記統合された廃熱を熱交換器に供給して蒸気を得ることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【請求項１０】
前記統合して回収された蒸気を吸収式冷凍機に供給して、冷水を得ることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の金属製造用還元炉の廃熱回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製造用の還元炉で発生する廃熱を効率よく回収する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポンジチタンは、ステンレス製の反応容器内を還元炉として用い、四塩化チタンと溶融マグネシウムを高温で反応させることにより生成される。前記四塩化チタンと溶融マグネシウムとの反応は、発熱反応であるために反応容器の反応部に該当する面に空気を吹き付けて強制的に冷却している。
【０００３】
金属チタンの融点は１６７０℃近傍にあるが、１０５０℃近傍において鉄と共晶を形成して溶融することが知られている。よって、前記反応容器の温度は、共晶点以下に制御することは、反応容器を溶損することなく安定して製造するために重要である。
【０００４】
前記した反応容器の冷却に供された空気は反応容器に加熱されたまま大気に放出されている場合が多い。前記冷却に使用された空気は、３００〜４００℃程度に加熱されているので、地球温暖化には好ましくない影響を及ぼしていると思われる。
【０００５】
また、反応容器におけるスポンジチタン生成反応は、一連の工程を繰り返し行うバッチ操業であり、具体的には加熱昇温工程、定常運転、および冷却工程から構成されており、反応容器の冷却に使用され排気される空気の温度が一定ではなく、反応容器が置かれている上記工程によって経時的に変化する。
【０００６】
よって、前記反応容器の冷却に使用されて高温に加熱された空気（以降、「廃熱」と呼ぶ場合がある。）を安定的に利用することが難しく、また、複数の反応容器で並列させて反応を行う場合、それぞれがバッチ操業であるため各炉の運転は独立しており、それぞれの炉から個別に回収される廃熱は少量であるため回収メリットを享受することが困難であった。
【０００７】
このようにスポンジチタン製造用還元炉で利用された廃熱を効率よく利用する技術が望まれている。
【０００８】
この点については、反応炉で生成した廃ガスや廃熱を利用する技術が多数知られている。例えば、複式の転炉から放出される廃ガスを、前記転炉の廃ガス道に装着されたバルブを切り替えることで、高温の廃ガスを見掛け上連続的に回収される技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、２基以上の独立した複数の転炉から排出される廃熱を効率よく、また最適な方法により回収する技術に関する記載はない。
【０００９】
また、冶金炉の廃ガスを回収して、蒸気を生成させ、前記蒸気をガスタービンに導いて、前記ガスタービンによって発電する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、前記冶金炉で生成する廃ガスからの熱を安定的に回収する方法に関する記載は見当たらない。
【００１０】
更には、冶金炉で回収された低温の廃熱を吸収式冷凍機に導いて、冷水を得る技術も開示されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、前記廃熱を安定して回収する方法に関する記載は見当たらない。
【００１１】
【特許文献１】特公平０６−０６３０１４号公報
【特許文献２】特開平０５−３４０５０１号公報
【特許文献３】特開平９−１２５１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、冶金炉あるいは製錬炉から回収された廃熱を効率よく回収する技術は広く知られているようであるが、複数の異なる運転状態にある還元炉の廃熱を安定的に回収する技術に関する文献は見当らない。
【００１３】
本発明は、複数の金属製造用還元炉を冷却する際に発生する廃熱のうち、高温にある廃熱を効率よく回収する方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてきたところ、複数の金属製造用還元炉から発生する廃熱を統合して用いることで、熱量の安定した廃熱を回収することができることを見出し、本願発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明は、金属塩化物を還元して金属を製造する複数の還元炉で発生する廃熱の回収方法であって、複数の還元炉から発生する廃熱を統合して再利用することを特徴としている。
【００１６】
また、本願発明は、前記還元炉から発生する廃熱のうち、廃熱回収下限温度以上の廃熱のみを統合して利用することを好ましい態様とするものである。
【００１７】
さらに、本願発明は、廃熱が一定量に制御された操業炉群に属す還元炉の中で、廃熱温度が最初に廃熱回収温度下限を下回ることが予想される還元炉を選択すると共に、休止炉群に属する還元炉の中で、廃熱回収温度下限を最初に上回った還元炉を選択することを好ましい態様とするものである。
【００１８】
本願発明は、前記の方法で回収された廃熱を、蒸気を介して吸収式冷凍機に供給して冷水を得ることを好ましい態様とするものである。さらには、前記の方法で回収された廃熱を熱交換器に供給して温風を得ることを好ましい態様とするものである。
【００１９】
以上の特徴をもった本願発明を実施することで、金属製造用還元炉で発生する廃熱を効率よく回収することができるという効果を奏するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に従えば、スポンジチタンのような金属製造用還元炉の冷却の際に発生する廃熱を安定して回収することができるという効果を奏するものである。廃熱を吸収式冷凍機に導くことにより、冷却用コンプレッサーの稼動基数を削減することができその結果、電力使用量を削減できるという効果を奏するものである。さらに、高温の廃熱の大気放出量も削減できるという効果を奏するものである。また、廃ガスが燃焼ガスでなく、電熱加熱された空気であり、燃焼で生成する水分やＣＯ２を含まず、機材の腐食を抑制し、環境負荷も小さいという効果を奏するものである。その結果、地球温暖化の原因であるＣＯ２の発生量を削減でき、さらに大気に放出される熱量も削減できるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。
図１は、本願発明に係る金属製造用還元炉の一例を示している。本実施態様においては、四塩化チタンのマグネシウム還元によりスポンジチタンを製造している金属製造用還元炉Ｍを表している。
【００２２】
昇温工程
スポンジチタンの還元反応開始に先立って、反応容器１を還元炉３に挿入後、次いで反応容器１の内部を不活性ガス雰囲気にしつつ、還元炉３に内装したヒーター２に通電して、反応容器１の温度を四塩化チタンと溶融マグネシウムの反応開始温度まで昇温する。この工程を昇温工程と呼ぶ。
【００２３】
定常運転工程
反応容器１の温度が反応開始温度まで達した後、温度の安定を待って、反応容器１に予め装入した溶融マグネシウム表面に四塩化チタンを滴下する。反応容器１内に装入した溶融マグネシウム浴面では、四塩化チタンが溶融マグネシウムと反応してスポンジチタンが生成される。
【００２４】
前記四塩化チタンと溶融マグネシウムとの反応は発熱反応であるために前記反応が開始されると反応容器１のうち四塩化チタンとマグネシウムとの反応が進行している表面近傍の部位（以降「反応域」と呼ぶ場合がある。）から反応熱が集中的に発生する。この状態を放置すると反応部の温度は金属チタンと鉄との共晶点（１０５０℃近傍）を超えて反応容器を溶損する恐れがある。
【００２５】
そこで、現場の設備では、図１に示すように反応容器１の反応域に相当する部位に外部から冷却用空気を送って反応域の過熱を抑制している。その結果、図２の定常運転に対応する還元炉の温度は、９００℃〜１０５０℃の範囲に制御されている。本願発明においては前記の状態を定常運転工程と呼ぶ。
【００２６】
冷却工程
前記した反応を継続し所定量のスポンジチタンが反応容器１内で生成後は、反応容器１内への四塩化チタンの滴下を終了すると共に還元炉３のヒーター２の通電を断って、反応容器１を室温近傍まで冷却する。本願発明においては前記の工程を冷却工程と呼ぶ。
【００２７】
図２は、前記した昇温工程、定常運転工程および冷却工程における反応容器１の温度変化を表している。本願発明においては、前記の各工程のうち、反応容器１の温度が所定の温度以上（以降「廃熱回収下限温度」と呼ぶ場合がある。）にある廃熱を選択的に回収することを好ましい態様とするものである。
【００２８】
前記した態様は、例えば図３に示すように、還元炉３に供給されて反応容器１を冷却して加熱された廃熱を還元炉３に設けられた排出口より外部に放出する際に、自動バルブ１０により廃熱回収温度下限以上の廃熱を選択的に廃熱回収装置に供給することができる。
【００２９】
本願発明においては、廃熱回収下限温度は、３００℃〜４００℃の範囲に設定することが好ましい。前記のような温度域に廃熱回収下限温度を設定することで、熱量の安定した廃熱を廃熱回収装置に供給することができる。
【００３０】
本願発明においては、金属製造用還元炉Ｍは、前記したようにバッチ式であるため複数の金属製造用還元炉Ｍのそれぞれの工程をずらしつつ稼動させることで、工場全体では見かけ上連続的にスポンジチタンが製造されている。
【００３１】
よって、本願発明においては、各金属製造用還元炉Ｍから放出される廃熱を一箇所に統合させて利用することが好ましい。その結果、個々の金属製造用還元炉Ｍの工程は、昇温、定常運転および冷却の各工程を個別に辿っているものの、各金属製造用還元炉Ｍから排出される廃熱を一箇所に統合することで、熱量の平滑化された廃熱を廃熱回収装置に供給することができる。
【００３２】
本願発明においては、図４に示すように、個々の金属製造用還元炉Ｍから排出される廃熱の温度が廃熱回収温度下限以上にある金属製造用還元炉Ｍを操業炉群として分類して、また、前記冷却工程を終了後、真空分離工程を経て生成したスポンジチタンを抜き出し、さらに反応容器１の整備を完了して昇温中の金属製造用還元炉Ｍを休止炉群に分類して、各金属製造用還元炉Ｍから排出される廃熱の統合方法を制御することが好ましい。
【００３３】
また、本願発明においては、操業炉群に属する還元炉の中で、廃熱温度が最初に廃熱回収温度下限を切ることが予想される還元炉（図４において還元炉Ａに相当）を選択して、前記廃熱温度が下限を切る直前に、前記還元炉に装着された図３に示す自動バルブ１０を閉とするように制御することが好ましい。一方、休止炉群に属する還元炉の中で、廃熱温度が、廃熱回収温度下限を最初に上回った還元炉（図４において還元炉Ｄに相当）を選択して、還元炉に装着された図３に示す自動バルブ１０を開とするように制御することが好ましい。
【００３４】
前記、廃熱回収が停止された前記操業炉群に属する還元炉は休止炉群に、また、廃熱回収が開始された休止炉群に属する還元炉は、操業炉群に移して管理することが好ましい。
【００３５】
なお、休止炉に属する個々の還元炉と、操業炉郡に属する個々の還元炉は、それぞれ、図４のようにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ等の個別のバッチ記号と対応表示して、個々の還元炉の温度プロフィールをモニター画面に表示させておくことが好ましい。
【００３６】
このような表示を個々の制御と併用することで、現場管理者が、個々の還元炉の動きと廃熱回収状況を把握しつつ操業することができるという効果を奏するものである。
【００３７】
また、前記のように還元炉の群管理を行うことで、現場における還元炉の整備状況や運転状況に即した廃熱回収に係る制御を行うことができるという効果を奏するものである。
【００３８】
さらに、操業炉群の反応を所定の時間進行させた後、操業炉群に属する還元炉の中で、廃熱回収温度下限を切った還元炉の廃熱回収を停止すると共に、休止炉群に属する還元炉の中で、廃熱回収温度下限を最初に上回った還元炉の廃熱を回収することが好ましい。
【００３９】
前記のような廃熱回収方法に従うことで、複数の金属製造用還元炉Ｍから排出される廃熱の熱量を単純に統合する場合に比べて、さらに平滑化して回収することができるという効果を奏するものである。
【００４０】
本願発明の金属製造用還元炉Ｍの冷却に用いる空気中の水分は、５０ｇ／ｍ３以下の空気を用いることが好ましい。前記のような空気としては、大気をそのまま使用することができる。
【００４１】
本願発明の方法で回収された廃熱は、例えば熱交換器を経て一旦蒸気の形にて回収し、回収された蒸気を吸収式冷凍機に導くことにより冷水を製造することができる。前記冷水は、操業現場の暑熱対策用のエアコンに利用することができる。その結果、前記エアコン稼動用のコンプレッサーの使用電力を効果的に削減することができるという効果を奏するものである。
【００４２】
また、前記冷水は。四塩化チタンの製造工程に必要な冷凍設備に利用することができる。その結果、前記冷凍設備のコンプレッサーの電力を効果的に削減することができるという効果を奏するものである。その結果、電力を製造するために用いる化石エネルギーの燃焼により発生するＣＯ２の発生量を抑制することができるという効果を奏するものである。
【００４３】
さらには、本願発明で回収される廃熱を構成する空気中の水分量は、その温度における空気中の飽和水蒸気量以下であり、また、ＣＯやＣＯ２を含む一般的な製錬廃ガスとは異なり、本願発明に係る廃熱は、空気を媒体としているため、前記製錬排ガスに比べてＣＯ２やＣＯの含有量の少ない高品質な空気であるという特徴を有している。
【００４４】
このため、廃熱を構成する空気中の水分とＣＯ２が反応して生成する炭酸も微量であり熱交換器や配管に対する腐食の影響はほとんどない。また、冬場には、前記廃熱を直接熱交換器に供給することにより暖房用の熱源としても利用することもできる。
【００４５】
以上のように、本願発明においては前記廃熱を効率よく回収して冷媒として利用することができるのみならず熱媒として直接利用することができ、その結果、大気中に放出されるＣＯ２量を効果的に抑制できるという効果を奏する。
【００４６】
また、本願発明に係る廃熱の媒体が燃焼ガスでなく空気であるため、ガスの燃焼で新たに生成する水分やＣＯ２を含まず、機材の腐食を抑制し、環境負荷も小さいという効果を奏するものである。
【００４７】
また、大気に放出される高温の廃熱自身も削減することができるため、結果として地球温暖化の防止にも貢献できるという効果を奏するものである。
【実施例】
【００４８】
［実施例１］
操業条件
１）金属製造用還元炉Ｍ：スポンジチタン製造用還元炉
２）運転基数：１５基
３）バッチサイズ：７ｔ／炉
４）廃熱回収温度下限：３００℃
５）回収方式：単純統合方式（請求項１〜３に対応）
【００４９】
図１に示す金属製造用還元炉Ｍを１５基用いて、請求項１に対応した方法に沿って、前記還元炉Ｍから生成する廃熱を回収した。その結果、還元炉Ｍから排出される全廃熱のうち、５４％の廃熱を回収することができた。また、回収された熱量（電力量）は、１炉あたり６４ｋＷｈであった。
【００５０】
［実施例２］
操業条件
１）金属製造用還元炉Ｍ：スポンジチタン製造用還元炉
２）運転基数：１５基
３）バッチサイズ：７ｔ／炉
４）廃熱回収温度下限：３００℃
５）回収方式：優先選択方式（請求項５〜６に対応）
【００５１】
図４に示すように金属製造用還元炉Ｍを操業炉群と休止炉群に分類し、さらに、前記操業炉群から廃熱温度が最初に廃熱回収温度下限を切ことが予想される還元炉を選択すると共に、休止炉群に属する還元炉の中で、熱風温度が廃熱回収温度下限を最初に上回った還元炉を優先的に選択して還元炉から排出される廃熱を回収した。その結果、金属製造用還元炉Ｍの１炉あたりの回収熱量は、実施例１に比べて１４１％の改善効果が認められた。
【００５２】
［実施例３］
実施例１において回収された廃熱を吸収式冷凍機により冷水を製造し、前記冷水を暑熱対策用のエアコンに使用した。その結果、前記エアコンの消費電力のうち６０％を削減することができた。
【００５３】
［比較例１］
実施例１において、金属製造用還元炉Ｍから排出される廃熱を回収しないで、全量大気中に放出した。その結果、前記金属製造用還元炉Ｍの１炉あたりから１１７ｋＷｈの熱量（電力量）が大気中に放出された。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明によれば、金属製造用還元炉から放出される廃熱を効果的に回収し、冷媒あるいは熱媒として有効活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の金属製造用還元炉を示す模式図である。
【図２】本発明の還元反応における時間と温度の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の反応容器の冷却方法を示す模式図である。
【図４】本発明の複数の反応容器からの廃熱回収方法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
Ｍ…金属製造用還元炉、１…反応容器、２…ヒーター、３…還元炉、１０…自動バルブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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