(57)【要約】【課題】還元炉の排ガス中に含まれる不純物元素の固着に起因する設備の高温腐食を回避しながら前記排ガスの保有する熱を効率よく利用して還元炉に供給されるべき予熱空気を加熱する。【解決手段】処理装置は、還元炉１０から排出される排ガスと予熱空気とを熱交換させる、耐火物を有する輻射式の高温側熱交換器１４と、高温側熱交換器１４から排出される排ガスを液体からなる冷媒の蒸発潜熱によりさらに冷却する冷却装置１６と、冷却装置１６から排出される排ガスを予熱空気と熱交換させる低温側熱交換器１８と、予熱空気が低温側及び高温側熱交換器１８，１４においてそれぞれ前記排ガスと熱交換した後に還元炉１０に至るように当該予熱空気を導く予熱空気ライン４０と、予熱空気ライン４０に予熱空気を流す少なくとも一つの予熱空気ファン４５，４６と、を備える。【選択図】図１
2018017410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化鉄を加熱して還元することにより還元鉄を製造するための還元炉から排出される排ガスを処理するための装置であって、
前記還元炉から排出される排ガスと予熱空気とを熱交換させることにより当該排ガスを冷却するとともに当該予熱空気を加熱する高温側熱交換器であって、金属製の熱交換器本体及び当該熱交換器本体と排ガスとの接触を阻止するように当該熱交換器本体に固定される耐火物を有して前記排ガスの熱を輻射によって前記予熱空気に伝達する輻射型熱交換器からなるものと、
当該高温側熱交換器から排出される排ガスを液体からなる冷媒と熱交換させることにより当該冷媒の蒸発潜熱によって当該排ガスを冷却する冷却装置と、
当該冷却装置から排出される排ガスと前記予熱空気とを熱交換させることにより当該排ガスを冷却するとともに当該予熱空気を加熱する低温側熱交換器と、
前記予熱空気が前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器においてそれぞれ前記排ガスと熱交換するように当該予熱空気を当該低温側熱交換器及び高温側熱交換器の順に通した後に前記還元炉に導く予熱空気ラインと、
当該予熱空気ラインに当該予熱空気を流す少なくとも一つの予熱空気ファンと、を備える、還元炉の排ガスの処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の還元炉の排ガスの処理装置であって、前記冷却装置は、伝熱管を有するボイラであって当該伝熱管内を流れる水と前記排ガスとの熱交換により当該水を蒸発させるものである、還元炉の排ガスの処理装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の還元炉の排ガスの処理装置であって、前記低温側熱交換器は、互いに間隔をおいて積層されることにより前記排ガスの流通を許容する排ガス流路と前記予熱空気の流通を許容する予熱空気流路とを交互に形成する複数枚のプレートを備えたプレート式熱交換器である、還元炉の排ガスの処理装置。
【請求項４】
請求項３記載の還元炉の排ガスの処理装置であって、前記少なくとも一つの予熱空気ファンは、前記低温側熱交換器の上流側に設けられて当該低温側熱交換器に予熱空気を押し込む第１予熱空気ファンと、前記低温側熱交換器と前記高温側熱交換器との間の位置に設けられ、前記低温側熱交換器から排出される前記予熱空気をさらに昇圧して前記高温側熱交換器に送り込む第２予熱空気ファンと、を含む、還元炉の排ガスの処理装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の還元炉の排ガスの処理装置であって、前記排ガス処理装置は、前記予熱空気ラインのうち前記高温側熱交換器と前記還元炉とを結ぶ部分から分岐して当該予熱空気ラインを通る空気の一部の放散を可能にする空気放散部と、その放散される空気の流量を調節する放散調節部と、をさらに備える、還元炉の排ガスの処理装置。
【請求項６】
酸化鉄を加熱して還元することにより還元鉄を製造するための還元炉から排出される排ガスを処理するための方法であって、
前記還元炉から排出される排ガスを高温側熱交換器に通して予熱空気と熱交換させることにより当該排ガスを冷却するとともに当該予熱空気を加熱することと、
当該高温側熱交換器から排出される排ガスを液体からなる冷媒と熱交換させることにより冷却することと、
当該冷却後の排ガスを低温側熱交換器に通して前記予熱空気と熱交換させることにより当該排ガスを冷却するとともに当該予熱空気を加熱することと、
前記予熱空気が前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器においてそれぞれ前記排ガスと熱交換するように当該予熱空気を当該低温側熱交換器及び高温側熱交換器の順に通した後に前記還元炉に導くことと、を含む、還元炉の排ガスの処理方法。
【請求項７】
請求項６記載の還元炉の排ガスの処理方法であって、前記高温側熱交換器から排出される排ガスを液体からなる冷媒と熱交換させることにより冷却することは、前記高温側熱交換器から排出される排ガスをボイラに通して当該ボイラの伝熱管内を流れる水と熱交換させることにより当該水を蒸発させ、かつ、当該伝熱管の表面であって前記排ガスに接触する面の温度が４００°Ｃ以下になるように前記水の流量を調節することを含む、還元炉の排ガスの処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化鉄を加熱して還元することにより還元鉄を製造するための還元炉から排出される排ガスを処理する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、還元剤として炭材を用いた還元鉄の製造プロセスが注目されている。具体的には、原料（鉄鉱石や、製鉄及び製鋼過程で発生するダストなど）と炭材との粉状混合物を塊成化した塊成化物（例えばペレット）を還元炉、例えば回転炉床炉、の内部に装入して高温雰囲気下で加熱することにより当該塊成化物を還元して還元鉄を製造する方法が知られている。
【０００３】
このような方法では、前記還元炉から高温の排ガスが排出されるため、当該排ガスの処理とともに当該排ガスの保有する熱を有効に回収することが重要な課題となる。当該課題を解決するための手段として、下記の特許文献１は、排ガス経路の第１段階に熱交換器を設置して当該排ガス経路を流れる排ガスと空気との間で熱交換を行わせることにより当該排ガスを冷却するとともに当該空気を予熱することと、このように予熱された空気を回転炉床炉に設置されたバーナに燃焼用空気として供給することと、を含む方法を開示する。
【０００４】
しかし、前記還元炉内の高温雰囲気下では塊成化物中の亜鉛や鉛が還元されることにより金属蒸気となって揮発し、あるいは一部が塩化揮発して塊成化物から分離除去されるため、アルカリ金属やハロゲンなどを含んだダストが前記排ガスとともに排ガス処理設備に導入される。このような不純物元素を含有するダストが熱交換器の金属伝熱面上で溶融して当該伝熱面上に固着、成長すると、当該金属伝熱面の高温腐食を促進して設備寿命を短縮させるおそれがある。
【０００５】
当該ダストの固着による設備の高温腐食劣化を回避する手段として、特許文献２は、回転炉床炉の排ガスと水との間で熱交換を行わせる廃熱ボイラと、その後段に設けられて前記廃熱ボイラから排出される排ガスと空気とを熱交換させることにより当該空気を予熱する熱交換器と、を備えた排ガス処理装置を用いる方法が開示されている。この方法では、前記廃熱ボイラの冷却配管の表面温度を前記不純物元素の融点以下の温度（例えば４００°Ｃ以下）に制御することにより、当該冷却配管の表面に付着する物質が常に剥離し易い状態が維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２７９６１１号公報（［００６７］、図１）
【特許文献２】特開２０００−１６９９０６号公報（［０００５］、図２、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に記載される技術は、ボイラとの熱交換により冷却された後の比較的低温の排ガスと予熱されるべき空気との間で熱交換を行うものであるため、当該空気の温度の上昇には著しい限界がある。前記排ガスの保有する熱は、前記熱交換器の前段のボイラによっても回収されることが可能であるが、当該ボイラでは前記排ガスの熱エネルギーによって水蒸気が生成されるだけであり、当該水蒸気の需要は前記還元炉に供給される予熱空気の加温により加熱炉の燃焼用燃料の消費量を削減する需要に比べて低い。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、酸化鉄を加熱して還元することにより還元鉄を製造するための還元炉から排出される排ガスを処理する装置及び方法であって、当該排ガス中に含まれる不純物元素の固着に起因する設備の高温腐食を回避しながら前記排ガスの保有する熱を効率よく利用して還元炉に供給されるべき予熱空気を加熱することが可能な排ガス処理装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明者らは、前記目的を達成するための手段として、前記不純物元素の固着に起因する高温腐食が生じやすい特定の温度領域（例えば５００°Ｃ〜６００°Ｃ）を避けるために液体の蒸発潜熱を利用した冷却装置を用い、さらに、その冷却装置の上流側と下流側とにそれぞれ高温側熱交換器及び低温側熱交換器を振り分け、かつ、その高温側熱交換器に耐火材を備える輻射型の熱交換器を用いることに想到した。
【００１０】
このように前記冷却装置を挟んだ高温側熱交換器及び低温側熱交換器のうち、前記高温側熱交換器では前記耐火材の使用により排ガスの高熱に耐えることが可能であるとともに当該耐火材によって当該高温側熱交換器の本体を構成する金属部分に前記排ガスが接触することによる高温腐食を防ぐことが可能であり、低温側熱交換器ではその前段の冷却装置における排ガスの冷却により、当該排ガスと接触する電熱面の温度を前記特定の温度領域よりも低い温度領域に維持してやはり高温腐食を防ぐことが可能である。しかも、予熱空気は前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器において２段階にわたり排ガスと熱交換することにより、当該排ガスの保有する熱を効率よく利用して十分に加熱されることが可能である。
【００１１】
本発明は、このような観点からなされたものであり、酸化鉄を加熱して還元することにより還元鉄を製造するための還元炉から排出される排ガスを処理するための装置であって、前記還元炉から排出される排ガスと予熱空気とを熱交換させることにより当該排ガスを冷却するとともに当該予熱空気を加熱する高温側熱交換器であって、金属製の熱交換器本体及び当該熱交換器本体と排ガスとの接触を阻止するように当該熱交換器本体に固定される耐火物を有して前記排ガスの熱を輻射によって前記予熱空気に伝達する輻射型熱交換器からなるものと、当該高温側熱交換器から排出される排ガスを液体からなる冷媒と熱交換させることにより当該冷媒の蒸発潜熱によって当該排ガスを冷却する冷却装置と、当該冷却装置から排出される排ガスと前記予熱空気とを熱交換させることにより当該排ガスを冷却するとともに当該予熱空気を加熱する低温側熱交換器と、前記予熱空気が前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器においてそれぞれ前記排ガスと熱交換するように当該予熱空気を当該低温側熱交換器及び高温側熱交換器の順に通した後に前記還元炉に導く予熱空気ラインと、当該予熱空気ラインに当該予熱空気を流す少なくとも一つの予熱空気ファンと、を備えるものを、提供する。
【００１２】
この装置によれば、高温側熱交換器及び低温側熱交換器のいずれにおいても伝熱面上でのダストの溶融による固着に起因する高温腐食を回避しながら、当該低温側熱交換器及び当該高温側熱交換器の順に予熱空気を通すことにより当該空気を２段階に亘って十分に昇温させてから還元炉に導入することができる。また、冷却装置においても、前記高温側及び低温側熱交換器と異なり液体の蒸発潜熱によって排ガスの冷却が行われるために、当該冷却装置における高温腐食も回避することが可能である。
【００１３】
前記冷却装置は、例えば、伝熱管を有するボイラであって当該伝熱管内を流れる水と前記排ガスとの熱交換により当該水を蒸発させるものが、好適である。当該ボイラによれば、前記排ガスの熱を水蒸気の生成にも利用することができ、当該排ガスの熱の回収率がさらに向上する。しかも、当該水の蒸発潜熱によって前記伝熱管の表面の温度（つまり前記排ガスと接触する面の温度）を前記不純物元素の固着が生じやすい温度領域よりも低い温度（例えば４００°Ｃ以下の温度）に保つことが可能である。
【００１４】
一方、前記低温側熱交換器は、互いに間隔をおいて積層されることにより前記排ガスの流通を許容する排ガス流路と前記予熱空気の流通を許容する予熱空気流路とを交互に形成する複数枚のプレートを備えたプレート式熱交換器であることが好ましい。当該低温側熱交換器の運転温度領域では、排ガス中に含まれる亜鉛が比較的低温の伝熱面上に付着しやすいが、前記プレート式熱交換器では当該伝熱面上に付着する亜鉛を例えばチューブ式の熱交換器に比べて比較的容易に除去することが可能である。
【００１５】
この場合、前記少なくとも一つの予熱空気ファンは、前記低温側熱交換器の上流側に設けられて当該低温側熱交換器に予熱空気を押し込む第１予熱空気ファンと、前記低温側熱交換器と前記高温側熱交換器との間の位置に設けられ、前記低温側熱交換器から排出される前記予熱空気をさらに昇圧して前記高温側熱交換器に送り込む第２予熱空気ファンと、を含むことが、好ましい。前記第１予熱空気ファンに加えて前記第２予熱空気ファンを具備することは、プレート式熱交換器からなる前記低温側熱交換器における運転圧力を下げることにより当該プレート式熱交換器に求められる耐圧強度を抑えて前記複数枚のプレートのそれぞれを薄肉化することを可能にする。
【００１６】
前記排ガス処理装置は、前記予熱空気ラインのうち前記高温側熱交換器と前記還元炉とを結ぶ部分から分岐して当該予熱空気ラインを通る空気の一部の放散を可能にする空気放散部と、その放散される空気の流量を調節する放散調節部と、をさらに備えることが、好ましい。当該空気放散部と当該放散調節部の組み合わせは、還元炉において求められる予熱空気の量に変動がある場合、例えば、当該予熱空気が還元炉のバーナにおける燃焼空気に用いられる場合であって当該バーナに求められる昇温温度に変動がある場合、に当該予熱空気の供給量を容易に調節することを可能にする。
【００１７】
また本発明は、酸化鉄を加熱して還元することにより還元鉄を製造するための還元炉から排出される排ガスを処理するための方法であって、前記還元炉から排出される排ガスを高温側熱交換器に通して予熱空気と熱交換させることにより当該排ガスを冷却するとともに当該予熱空気を加熱することと、当該高温側熱交換器から排出される排ガスを液体からなる冷媒と熱交換させることにより冷却することと、当該冷却後の排ガスを低温側熱交換器に通して前記予熱空気と熱交換させることにより当該排ガスを冷却するとともに当該予熱空気を加熱することと、前記予熱空気が前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器においてそれぞれ前記排ガスと熱交換するように当該予熱空気を当該低温側熱交換器及び高温側熱交換器の順に通した後に前記還元炉に導くことと、を含む。
【００１８】
この方法において、前記高温側熱交換器から排出される排ガスをボイラに通して当該ボイラの伝熱管内を流れる水と熱交換させることにより当該水を蒸発させる場合、当該伝熱管の表面であって前記排ガスに接触する面の温度が４００°Ｃ以下になるように前記水の流量を調節することが、好ましい。このように前記水の蒸発潜熱を利用して前記伝熱管の表面の温度を低下させることにより、前記排ガス中にアルカリ金属やハロゲンなども含んだダストが含まれる場合に当該ダストが前記伝熱管の表面に固着すること、及びその下流側における前記低温側熱交換器において固着すること、をいずれも有効に抑止することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、酸化鉄を加熱して還元することにより還元鉄を製造するための還元炉から排出される排ガスを処理する装置及び方法であって、当該排ガス中に含まれるダストの固着に起因する設備の高温腐食を回避しながら前記排ガスの保有する熱を効率よく利用して還元炉に供給されるべき予熱空気を加熱することが可能な排ガス処理装置及び方法が、提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転炉床式還元炉及びその排ガスを処理する排ガス処理装置を示すフローシートである。
【図２】前記排ガス処理装置の高温側熱交換器を示す一部断面斜視図である。
【図３】前記排ガス処理装置の低温側熱交換器を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、この実施の形態に係る回転炉床式還元炉１０及びその排ガスを処理する排ガス処理装置を示す。
【００２３】
前記回転炉床式還元炉１０は、炉本体１１と、当該炉本体１１に装着されるバーナ１２と、を有する。前記炉本体１１は、回転可能な炉床を有し、その上に原料である酸化鉄（例えば鉄鉱石や、製鉄及び製鋼過程などで発生するダスト）と炭材との混合物が塊成化されたもの（塊成化物、例えばペレット）が並べられる。前記バーナ１２は、当該バーナ１２に供給される燃料と、後述のように燃焼空気として供給される予熱空気と、によって燃焼を行い、前記炉床の回転に伴い炉内を移動する前記塊成化物中の酸化鉄を還元して還元鉄を生成する。当該還元鉄の生成に伴って発生したガスは前記炉本体１１の頂部から排ガスとして排出される。当該排ガス中には、アルカリ金属やハロゲンといった不燃性の不純物元素、及び、炭材等に含まれる硫黄部などがガスまたはダストの状態で混在する。
【００２４】
なお、本発明に係る還元炉は前記の回転炉床式還元炉１０に限られない。当該還元炉は、酸化鉄を加熱して還元することにより還元鉄を生成するものであればよく、例えば縦型のシャフト炉であってもよい。また、前記の予熱空気の用途は前記バーナ１２における燃焼空気に限られない。当該予熱空気は、例えば、炉本体１１に二次燃焼空気として供給されるものでもよい。
【００２５】
前記排ガス処理装置は、高温側熱交換器１４と、冷却装置であるボイラ１６と、低温側熱交換器１８と、集塵機２０と、吸引ファン２２と、予熱空気ライン４０と、を備える。
【００２６】
前記高温側熱交換器１４は、図２に示されるような輻射型の円筒式熱交換器であり、前記回転炉床式還元炉１０から排出される高温の排ガス（例えば１０００°Ｃ〜１３００°Ｃ）と前記予熱空気ライン４０を流れる予熱空気との間で熱交換を行わせる。当該熱交換は、当該排ガスの温度が後段の前記ボイラ１６の好ましい入口温度に対応した温度（例えば９００°Ｃ〜１２００°Ｃ）まで降下させるとともに、前記予熱空気の温度を上昇させる。つまり、当該高温側熱交換器１４は、前記排ガスの冷却と前記予熱空気の加熱とを同時に行う。
【００２７】
前記高温側熱交換器１４は、図２に示されるように、内筒２３と、外筒２４と、耐火物２５と、を備える。
【００２８】
前記耐火物２５は円筒状をなし、前記内筒２３の内周面を覆うように当該内筒２３に固定されている。当該耐火物２５は、排ガス流路２６を囲む内周面を有し、当該排ガス流路２６は前記排ガスの上から下への流通を許容する。
【００２９】
前記内筒２３及び前記外筒２４は、熱伝導性に優れた金属材料からなり、熱交換器本体を構成する。前記耐火物２５を構成する材料は、耐火性を有するのに加え、耐摩耗性、耐食性及び熱伝導性に優れたものが好ましく、例えばＳｉＣ、ＺｒＢ２、ＢＮなどを主体として含有する耐火物が好適である。耐火物２５の厚みは、前記排ガスと前記予熱空気との熱交換の効率を高めるには薄いほどよいが、金属製の内筒２３の耐熱温度、耐火物２５の損耗、耐火物２５の内筒２３への施工の容易性等を考慮すると、前記厚みが３０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲で設定されることが、好ましい。
【００３０】
前記外筒２４は前記高温側熱交換器１４の外壁を構成する。前記内筒２３は前記外筒２４の内径よりも小さい外径を有する。当該内筒２３及び当該外筒２４は互いに同心となる位置に配置されることにより両筒２３，２４同士の間に径方向の隙間を形成し、この隙間が円筒状の予熱空気流路２７を構成する。前記外筒２４の下端には、前記予熱空気流路２７に予熱空気を導入するための入口ポート２８が設けられ、前記外筒２４の上端には、前記予熱空気流路２７内を上向きに流れて排ガスと熱交換した後の予熱空気を排出するための出口ポート２９が設けられている。
【００３１】
本発明では、高温側熱交換器の具体的な個数を問わない。本発明に係る装置は、互いに直列または並列に配置される複数の高温側熱交換器を含んでもよい。また、図２に示される高温側熱交換器１４は前記排ガスと前記予熱空気が互いに逆向き（下向きと上向き）に流れる向流型のものであるが、当該排ガス及び当該予熱空気が互いに同じ向きに流れる並流型のものでもよい。
【００３２】
前記ボイラ１６は、前記高温側熱交換器１４から排出される排ガスをさらに冷却する冷却装置を構成する。当該ボイラ１６は、さらに、当該排ガスの保有する熱を利用して水蒸気を生成する機能を有する。具体的に、当該ボイラ１６は、伝熱管を内蔵し、当該伝熱管内を流れる冷媒である水と、当該伝熱管の外表面に接触する排ガスと、の間で熱交換を行わせることにより、前記水を前記伝熱管内で蒸発させるとともに、当該水の蒸発潜熱を利用して前記排ガスを冷却する。
【００３３】
本発明に係る冷却装置は、前記ボイラ１６に限られない。当該冷却装置は、液体からなる冷媒の蒸発潜熱を利用して前記排ガスの冷却を行うものであれば、当該排ガスが高温であるにもかかわらず設備の高温腐食を防ぐことが可能である。当該冷却装置は、例えば、排ガスに対して水等の液状冷媒を噴霧する冷却ダクトや散水塔であってもよい。
【００３４】
前記低温側熱交換器１８は、前記ボイラ１６により冷却された排ガスを予熱空気と熱交換させることによりさらに冷却するとともに当該予熱空気を加熱する。当該低温側熱交換器１８は、例えば図３に示されるように、複数枚のプレート３０を備えた、いわゆるプレート型熱交換器であることが好ましい。当該複数枚のプレート３０は、互いに平行な姿勢でかつ間隔をおいて積層されることにより、排ガスの流通を許容する排ガス流路３１と予熱空気の流通を許容する予熱空気流路３２とを交互に形成する。具体的な例としては、一方の側（図３では左側）から数えて奇数番目のプレート３０とこれに隣接するプレート３０との間には上下方向に延びかつ左右方向に間隔をおいて対向する一対の第１スペーサ３３が介在し、当該第１スペーサ３３同士の間に上下方向に開放された前記排ガス流路３１が形成される。また、前記一方の側から数えて偶数番目のプレート３０とこれに隣接するプレート３０との間には左右方向に延びかつ上下方向に間隔をおいて対向する一対の第２スペーサ３４が介在し、当該第２スペーサ３４同士の間に左右方向に開放された前記予熱空気流路３２が形成される。
【００３５】
前記集塵機２０は、前記低温側熱交換器１８により冷却された後の排ガスを受け入れて当該排ガス中に含まれる粉塵を捕獲する。前記吸引ファン２２は、前記集塵機２０の下流側の位置で前記排ガスの吸引を行うことにより、前記高温側熱交換器１４、前記ボイラ１６、前記低温側熱交換器１８及び前記集塵機２０を順に通る前記排ガスの流れを形成する。これにより、前記回転炉床式還元炉１０から排出される高温の排ガスを前記高温側熱交換器１４により一次冷却することと、当該一次冷却された排ガスをボイラ１６によってさらに冷却することと、当該ボイラ１６によって冷却された排ガスをさらに低温側熱交換器１８によって二次冷却することと、が達成される。
【００３６】
前記集塵機２０は、前記低温側熱交換器１８により冷却された後の排ガスを受け入れて当該排ガス中に含まれる粉塵を捕獲する。前記吸引ファン２２は、前記集塵機２０の下流側の位置で前記排ガスの吸引を行うことにより、前記高温側熱交換器１４、前記ボイラ１６、前記低温側熱交換器１８及び前記集塵機２０を順に通る前記排ガスの流れを形成する。
【００３７】
前記予熱空気ライン４０は、前記予熱空気が前記低温側熱交換器１８及び前記高温側熱交換器１４においてそれぞれ前記排ガスと熱交換するように当該予熱空気を当該低温側熱交換器１８及び高温側熱交換器１４の順に通した後に前記還元炉１０のバーナ１２に燃焼空気として導くための流路である。
【００３８】
具体的に、この実施の形態に係る予熱空気ライン４０は、低温空気導入部４１と、中継部４２と、高温空気供給部４３と、を有する。前記低温空気導入部４１は、低温（例えば常温）の空気を予熱空気として前記低温側熱交換器１８の各予熱空気流路３２に導入すべく当該予熱空気流路３２の入口に接続される。前記中継部４２は、前記低温側熱交換器１８の各予熱空気流路３２から排出される予熱空気を高温側熱交換器１４の予熱空気流路２７に導入すべく当該予熱空気流路３２の出口と当該高温側熱交換器１４の入口ポート２８とを接続する。前記高温空気供給部４３は、前記予熱空気流路２７から排出される予熱空気を前記バーナ１２に燃焼空気として供給すべく前記高温側熱交換器１４の出口ポート２９と前記バーナ１２とを接続する。
【００３９】
前記第１予熱空気ファン４５及び前記第２予熱空気ファン４６は、前記予熱空気ライン４０に前記のような予熱空気の流れを形成するように送風動作を行う。具体的に、前記第１予熱空気ファン４５は、前記低温空気導入部４１の上流端に接続され、当該低温空気導入部４１を通じて前記低温側熱交換器１８の各予熱空気流路３２に低温空気を予熱空気として押し込む。前記第２予熱空気ファン４６は、前記予熱空気流路３２内の予熱空気を吸引して前記高温側熱交換器１４の予熱空気流路２７の入口に送り込む。
【００４０】
前記排ガス処理装置は、さらに、空気放散ライン４８と、放散調節弁５０と、を備える。前記空気放散ライン４８は、前記予熱空気ライン４０のうち前記高温側熱交換器１４と前記回転炉床式還元炉１０とを結ぶ部分である前記高温空気供給部４３から分岐して当該高温空気供給部４３を通る空気の一部の放散を可能にする空気放散部を構成する。前記放散調節弁５０は、前記空気放散ライン４８に設けられ、当該放散調節弁５０の開度の変更によってその放散される空気の流量を調節する放散調節部として機能する。
【００４１】
次に、前記排ガス処理装置の作用、すなわち、当該排ガス処理装置を用いて行われる排ガス処理方法、について説明する。
（１）排ガスの冷却について
回転炉床式還元炉１０内から排出される高温の排ガス（例えば１０００°Ｃ〜１３００°Ｃ）は、まず高温側熱交換器１４の排ガス流路２６に導入され、その外側の予熱空気流路２７を流れる予熱空気と熱交換を行う。前記排ガス流路２６を画定する内壁面は耐火物２５によって構成されているため、前記排ガスの高温に十分対抗できる耐熱性が確保されるとともに、当該排ガスと金属製の内筒２３との直接的な接触に起因する当該内筒２３の高温腐食が防がれる。しかも、当該排ガスの温度が非常に高いため、前記耐火物２５の介在にかかわらず、当該排ガスの保有する熱は輻射によって前記予熱空気に有効に伝達される。
【００４２】
このようにして当該排ガスの温度が後段の前記ボイラ１６の好ましい入口温度に対応した温度（例えば９００°Ｃ〜１２００°Ｃ）まで降下する。なお、前記高温側熱交換器１４における排ガス入口温度は、例えば、回転炉床式還元炉１０から排出される排ガス中への空気の導入や、排ガス中への散水、当該排ガスへの冷却後の燃焼排ガスの導入によって制御されることが可能である。
【００４３】
前記高温側熱交換器１４で冷却された排ガスは、ボイラ１６に導入され、当該ボイラ１６の内部に配置された伝熱管内を通る水との熱交換によりさらに冷却される。具体的には、当該排ガスの保有する熱が前記伝熱管内を流れる水の蒸発潜熱として奪われ、これにより当該排ガスがさらに冷却されるとともに水蒸気が生成される。
【００４４】
前記ボイラ１６の入口温度は、前記高温側熱交換器１４の出口温度に近い温度であって未だ高温であるが、前記伝熱管内を流れる水の蒸発潜熱は、前記伝熱管の表面である伝熱面（排ガスと接触する面）の温度を４００°Ｃ以下の低い温度に維持することを可能にする。つまり、前記ボイラ１６では、排ガスの高温にかかわらず前記伝熱面の温度を４００°Ｃ以下に維持するように、前記伝熱管における水の流量を調節することが可能である。このことは、当該伝熱管表面での前記ダストの固着及び成長に起因する当該伝熱管の高温腐食を防ぐことを可能にする。例えば、当該伝熱面の温度が特定の温度領域（５００°Ｃ〜６００°Ｃ程度）内にあると、前記のように排ガス中にアルカリ金属やハロゲンなどを含んだダストが含まれる場合に当該ダストが前記伝熱面上で溶融することにより当該伝熱面に強固に固着して成長し、伝熱管の高温腐食を促すおそれがあるが、当該伝熱管内を流れる水の蒸発潜熱は、前記排ガスの温度が高いにもかかわらず前記伝熱管の表面（伝熱面）の温度を前記特定の温度領域から外れた低い温度に維持して前記高温腐食を抑止することを可能にする。
【００４５】
前記ボイラ１６により冷却された後の排ガスは、低温側熱交換器１８の複数の排ガス流路３１のそれぞれに導入され、各排ガス流路３１に隣接する予熱空気流路３２を流れる予熱空気と熱交換することによりさらに冷却される。当該排ガスの温度は前記ボイラ１６での冷却によりさらに降下しているので、低温側熱交換器１８がガス同士の熱交換器を行うもの、換言すれば、当該ボイラ１６のように水の蒸発潜熱を利用した冷却装置でないもの、であっても、前記各プレート３０の伝熱面であって前記排ガスに接触する面の温度を前記特定の温度領域（例えば５００°Ｃ〜６００°Ｃ）よりも低い温度に保つことができ、これにより、当該プレート３０の高温腐食を抑止することが可能である。
【００４６】
このような低温領域では、排ガス中に含まれる亜鉛が前記伝熱面上に付着しやすいが、図３に示すようなプレート型熱交換器では、例えばシェルアンドチューブ型の熱交換器に比べて清掃作業が容易である利点がある。具体的に、シェルアンドチューブ型熱交換器では、いわゆる陰になる部分に亜鉛が付着することにより外部からの清掃作業が困難であるが、図３に示されるプレート型熱交換器では、プレート３０の表面に付着した亜鉛を掻き板等による掻取り作業や高圧水の吹き付けによって容易に除去することが可能である。
（２）予熱空気の加熱について
第１予熱空気ファン４５は、外気を吸い込んでこれを予熱空気（この実施の形態ではバーナ１２に用いられる燃焼空気）としてボイラ１６の下流側の予熱空気ライン４０の低温空気導入部４１を通じて低温側熱交換器１８の複数の予熱空気流路３２のそれぞれに送り込む。当該予熱空気は前記各排ガス流路３１を流れる排ガス、つまり前記ボイラ１６により冷却された後の排ガス、と熱交換することにより加熱される。
【００４７】
さらに、当該予熱空気は第２予熱空気ファン４６によって前記予熱空気ライン４０の中継部４２を通じて前記ボイラ１６の上流側の高温側熱交換器１４の予熱空気流路２７に導入される。当該予熱空気は、当該高温側熱交換器１４の排ガス流路２６を流れる高温の（ボイラ１６により冷却される前の）排ガスと熱交換することによりさらに加温されてから高温空気供給部４３を通じて前記バーナ１２に供給される。
【００４８】
前記予熱空気の流れは、前記第１予熱空気ファン４５のみによっても形成することが可能である。しかし、当該第１予熱空気ファン４５に加えて第２予熱空気ファン４６を具備することは、前記低温側熱交換器１８に押し込まれる予熱空気の圧力を下げて当該プレート式熱交換器に求められる各プレート３０の耐圧強度を抑えることを可能にし、これにより、当該プレート３０の薄肉化による熱伝導効率の向上を可能にする。
【００４９】
以上のようにしてバーナ１２に供給される予熱空気は、ボイラ１６を挟んで配置される低温側熱交換器１８及び高温側熱交換器１４によって２段階にわたり排ガスとの熱交換によって加熱されるため、前記のように各熱交換器１８，１４のそれぞれにおける伝熱面の高温腐食を回避しながら、前記排ガスのもつ熱を有効に利用した予熱空気の加熱が達成される。
【００５０】
さらに、この実施の形態に係る排ガス処理装置では、前記放散調節弁５０の開度の変更、つまり空気放散ライン４８を通じて外気に放出される空気の流量の変更、により、前記高温側熱交換器１４から排出される予熱空気のうち実際にバーナ１２に燃焼空気として供給される空気の流量を調節することが可能である。当該燃焼空気の供給流量は第１及び第２予熱空気ファン４５，４６の回転数を変更することによっても調節が可能であるが、熱交換器１４，１８、特に高温側熱交換器１４、を流れる予熱空気の流量を極端に減らすと当該高温側熱交換器１４が過熱状態になるおそれがある。これに対し、前記放散調節弁５０の操作により、前記高温側熱交換器１４を流れる予熱空気の流量は変動させることなく前記バーナ１２に導入される予熱空気の流量を調節することが可能である。この効果は、前記予熱空気がバーナ１２ではなく回転炉床式還元炉１０の別の箇所に供給される場合、例えば炉本体１１内に二次燃焼空気として供給される場合、にも同様に得ることが可能である。
【００５１】
本発明に係る排ガス処理装置及び方法は、図１に示される態様に限定されない。本発明では、図１に示される設備以外の設備が付加されてもよい。例えば、集塵機２０の前段に設けられて排ガスの温度を当該集塵機２０の耐熱温度以下の温度まで下げる別の冷却装置や、脱硝装置などが備えられてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０    回転炉床式還元炉
１１    炉本体
１２    バーナ
１４    高温側熱交換器
１６    ボイラ
１８    低温側熱交換器
２３    内筒
２４    外筒
２５    耐火物
２６    排ガス流路
２７    予熱空気流路
３０    プレート
３１    排ガス流路
３２    予熱空気流路
４０    予熱空気ライン
４１    低温空気導入部
４２    中継部
４３    高温空気供給部
４５    第１予熱空気ファン
４６    第２予熱空気ファン
４８    空気放散ライン
５０    放散調節弁
【図１】
2018017410.tif 000003
【図２】
2018017410.tif 000004
【図３】
2018017410.tif 000005