(57)【要約】【課題】電気アーク炉（ＥＡＦ）からの煙道ガスから熱エネルギを回収し、発電などの他の目的のために利用する。【解決手段】鋼生産プラントにおいて使用される電気アーク炉２からの煙道ガスを冷却するためのガス冷却器１１であって、電気アーク炉２に流体接続されたガス入口チャンバ１４と、ガス出口チャンバ１６と、複数のガス冷却管１８とを備え、各ガス冷却管１８は、入口チャンバにおける入口端部１９と、外側チャンバにおける出口端部２１とを有し、各ガス冷却管１８はベル状の入口端部１９を有し、該入口端部は、ガス冷却管内への煙道ガスの層流を促進するために有効な空力的に湾曲されたガス加速輪郭を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼生産プラントにおいて使用される電気アーク炉からの煙道ガスを冷却するためのガス冷却器であって、
前記電気アーク炉に流体接続されたガス入口チャンバと、
ガス出口チャンバと、
複数のガス冷却管とを備え、各ガス冷却管は、入口チャンバにおける入口端部と、出口チャンバにおける出口端部とを有し、各ガス冷却管はベル状の入口端部を有し、該入口端部は、前記ガス冷却管内への前記煙道ガスの層流を促進するために有効な空力的に湾曲されたガス加速輪郭を有することを特徴とする、ガス冷却器。
【請求項２】
前記ガス冷却管の入口は、煙道ガスを２０〜３０ｍ／ｓの範囲の流速に加速させる、請求項１記載のガス冷却器。
【請求項３】
前記ガス冷却管の前記入口端部及び前記出口端部は、それぞれ入口プレナムチャンバ及び出口プレナムチャンバ内へ突出している、請求項１記載のガス冷却器。
【請求項４】
前記ガス冷却管は、入口及び出口プレナムチャンバにおいて均等に間隔をおかれた互いに平行な管の行列を形成している、請求項１記載のガス冷却器。
【請求項５】
さらに、前記ガス冷却管の周囲の冷却剤エンクロージャを備え、該エンクロージャは、冷却剤入口及び出口手段を有する、請求項１記載のガス冷却器。
【請求項６】
前記冷却剤エンクロージャは、ガス冷却器の外側シェルの一部を形成している、請求項５記載のガス冷却器。
【請求項７】
前記冷却剤エンクロージャにおける冷却剤は、水である、請求項５記載のガス冷却器。
【請求項８】
前記冷却剤エンクロージャを通る冷却剤の流れは、前記ガス冷却管を通るガス流の方向と逆である、請求項５記載のガス冷却器。
【請求項９】
前記入口チャンバは、前記ガス冷却管への進入前に、ガス流安定化のために、拡開した入口を介して高温煙道ガスを受け取る、請求項１記載のガス冷却器。
【請求項１０】
前記入口チャンバの拡開した入口は、前記入口チャンバにおける前記高温の煙道ガスの流速を８〜１２ｍ／ｓの範囲の比較的低い速度に減速させる、請求項９記載のガス冷却器。
【請求項１１】
入口及び出口チャンバは、前記冷却剤エンクロージャから取外し可能である、請求項１記載のガス冷却器。
【請求項１２】
鉄及び鋼製造プラント用の改良された煙道ガス冷却及び浄化配列であって、前記電気アーク炉から煙道ガスを受け取りかつ該煙道ガスを層流で通過させるよう構成された複数のガス冷却管を有するガス管熱交換器の形態の少なくとも１つの煙道ガス冷却器を備え、該少なくとも１つの煙道ガス冷却器から冷却された煙道ガスを受け取るために流体接続された煙道ガス浄化システムを備えることを特徴とする、煙道ガス冷却及び浄化配列。
【請求項１３】
前記煙道ガス浄化システムは、ファブリックフィルタタイプである、請求項１２記載の配列。
【請求項１４】
前記煙道ガス冷却器の前記ガス冷却管の周囲の冷却剤ジャケットは、閉回路冷却剤循環システムの一部である、請求項１２記載の配列。
【請求項１５】
閉回路冷却剤循環システムは、前記ガス冷却管を通る煙道ガスの流れと逆の方向で冷却剤ジャケットを通る冷却剤の流れを含む、請求項１２記載の配列。
【請求項１６】
前記電気アーク炉から前記煙道ガスを受け取るために複数の煙道ガス冷却器が互いに並列に接続されている、請求項１２記載の配列。
【請求項１７】
各煙道ガス冷却器は、他の冷却剤ジャケットと並列に共通の閉回路冷却剤循環システムに接続された冷却剤ジャケットを有する、請求項１６記載の配列。
【請求項１８】
閉回路冷却剤循環システムにおける冷却剤は、水である、請求項１６記載の配列。
【請求項１９】
閉回路冷却剤循環システムは、別の閉回路冷却剤循環システムを通る循環のための冷水を製造するために煙道ガスから回収された熱を利用する吸収チラーステーションを通って冷却剤を循環させるように接続されている、請求項１６記載の配列。
【請求項２０】
閉回路冷却剤循環システムは、熱を環境中へ排出するか又は熱を別のプラントに引き渡す熱交換器に冷却剤を循環させるように接続されている、請求項１６記載の配列。
【請求項２１】
煙道ガス浄化システムを有するＥＡＦ鋼製造プラントからの煙道ガスを冷却する方法であって、
電気アーク炉から互いに並列に煙道ガスを受け取るように配置された複数のガス冷却器に、前記煙道ガス浄化システムに適した温度を超える初期温度の煙道ガスを通過させるステップを含み、前記ガス冷却器は、煙道ガスを受け取りかつ該煙道ガスを層流で通過させるよう構成されたガス冷却管の配列を有し、
煙道ガスの熱を冷却剤へ伝達することにより煙道ガスを冷却するために、前記ガス冷却管の外側に冷却剤を循環させ、これにより、煙道ガスを、前記煙道ガス浄化システムに適した温度まで冷却するステップを含み、
冷却された煙道ガスを煙道ガス浄化システムへ送るステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２２】
鉄及び鋼生産プラントによって発生された煙道ガスから熱エネルギを回収するためのシステムであって、
鋼製造プラントの電気アーク炉から煙道ガスを受け取りかつ冷却された煙道ガスを煙道ガス浄化システムへ送るように接続された少なくとも１つの煙道ガス冷却器と、
冷却剤を少なくとも１つの煙道ガス冷却器に循環させる冷却システムと、
前記冷却剤から熱エネルギを取り出しかつ該熱エネルギを環境中へ排出するか又は別のプラントへ引き渡すように接続された熱エネルギ取出し手段とを備えることを特徴とする、システム。
【請求項２３】
前記熱エネルギ取出し手段は、別のプラントへ循環させるための冷水を製造するために前記煙道ガス冷却器によって加熱された冷却剤を利用する吸収チラーステーションを含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項２４】
前記別のプラントは、
ガスタービン発電プラントの空気入口における熱交換器配列、
エアコンディショニングシステム、
地域冷房系統、のうちの少なくとも１つを含む、請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
前記熱エネルギ取出し手段は、別のプラントへの循環のための水を加熱するために前記煙道ガス冷却器によって加熱された冷却剤を利用する熱交換器を含む、請求項２２記載のシステム。
【請求項２６】
前記別のプラントは、
コンバインドサイクル発電プラント、
脱塩プラント、
地域暖房系統、のうちの少なくとも１つを含む、請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
前記別のプラントは、コンバインドサイクル発電プラントにおけるボイラ水のための予熱器を含む、請求項２５記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連する出願とのクロスリファレンス
本願は、２０１２年５月１０日に出願された米国特許仮出願第６１／６４５２６０号明細書の利益を請求する。この米国出願明細書は、引用したことにより全体が本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本発明は、冶金学的加工、特に鋼生産用の電気アーク炉（ＥＡＦ）からの煙道ガスを冷却しながら熱を回収することができる一体化されたガス冷却器に関する。本発明は、さらに、ＥＡＦ鋼製造及び精製プラントのための改良された煙道ガス冷却及び浄化配列、及び商業目的のためにこのような煙道ガスから熱を取り出しかつエネルギを発生することができるエネルギ回収システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
製鉄及び鋼生産は、汚染物としての二酸化炭素、一酸化炭素、フッ化水素、塩化水素、その他のガス、ダイオキシン、粒子、及び昇華物を含有する大量の高温煙道ガスを発生する。この高温煙道ガスは、環境への煙道ガス放出の前にこのような汚染物を除去するために浄化されなければならない。高温煙道ガスを浄化するために使用されるガス浄化プロセスの公知の形式は、一般に、"乾式スクラビング"プロセスと称される。乾式スクラビングプロセスを利用して高温煙道ガスを浄化するために有効な乾式スクラビングシステムが、例えばALSTOM Power Environment Control Systems（ノルウェイ、オスロ）から市販されている。例えば粒子除去プロセスのような付加的な煙道ガス浄化プロセスが、煙道ガスを浄化するためにこのような乾式スクラビングプロセスと組み合わせて使用される。
【０００４】
今日、鋼は、電気アーク炉（ＥＡＦ）又は酸素転炉（ＢＯＦ）のような冶金炉において鉄及び鋼スクラップを溶融及び精錬することによって製造される。従来、ＥＡＦは、概して、耐火性ライニングによって高温に対して保護された溶接された鋼構造体として設計及び製造されていた。７０年代後半及び８０年代には、鋼産業は、高価な耐火れんがを、溶錬領域の上方の炉容器の複数の部分に配置された水冷式ルーフパネル及び水冷式側壁パネルと置き換えることによって、運転機器ストレスに対抗しはじめた。このような水冷式構成部材は、オフガスシステムにおける炉ダクトを被覆するためにも使用されてきた。水冷式コイル構成部材を備えた冷却システムの例は、米国特許第４２０７０６０号明細書に開示されている。概して、コイルは、湾曲した端部キャップを用いて、互いに隣接する管部分から形成されており、湾曲した端部キャップは、液体冷却剤がコイルを流過するための経路を形成する。この液体冷却剤は、熱伝達を最大化するために圧力下で管を圧送される。現在の技術は、このようなシステムにおけるプレート及び管を形成するために炭素鋼及びステンレス鋼を使用する。
【０００５】
前記のように、今日の最新のＥＡＦ炉は、鋼を製造するプロセスの間に発生される高温煙道ガスを捕捉するために汚染制御を要求する。ＥＡＦからの煙霧は、概して、炉の運転中に２つの形式で捕捉される。煙道ガス捕捉の１つの形式は、炉フードの使用によるものである。炉フードは、プラント建物の一部であり、チャージング及びタッピングの間に発生される煙道ガスを捕捉する。炉フードは、溶融プロセスの間に生じることがある一過性エミッションをも捕捉する。一般に、炉フードは、非水冷式ダクトを介してファブリックフィルタバッグハウスに流体接続されている。ファブリックフィルタバッグハウスは、フィルタバッグを有し、このフィルタバッグを煙道ガスが通過し、煙道ガスから粒子状物質を捕捉及び分離する。
【０００６】
煙道ガス捕捉の第２の方法若しくは形式は、一次炉ラインによるものである。炉の溶融サイクルの間、ダンパは、フードへのダクトを閉鎖し、一次ラインにおけるダクトを開放する。一次ラインは、炉への直接接続であり、炉からのエミッションを捕捉する主な方法である。一次ラインは、温度が１２５０℃の平均最大温度に達することができ、温度ピークは約１８００°であるので、水冷式ダクトから構成されている。一次ラインを通って及び一次ラインから、煙道ガスは炉からガス浄化システムへ排出され、これにより、煙道ガスは、大気への放出のために浄化される。
【０００７】
現在の水冷式構成部材及び／又はダクトは、ＥＡＦにおいて発生される高温煙道ガスを冷却するのに有効であるが、煙道ガスからの熱は、損失されるか、又は他の目的のために容易に捕捉されない。したがって、エネルギ回収のためのＥＡＦからの熱捕捉、及び発電などの他の目的のための利用の必要性が存在すると理解される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４２０７０６０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、アーク炉（ＥＡＦ）からの煙道ガスから熱エネルギを回収し、発電などの他の目的のために利用することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、電気アーク炉（ＥＡＦ）鋼製造プラントからの微粒子及び汚染物質が含まれた煙道ガスのためのガス冷却器は、ガス入口チャンバと、ガス出口チャンバと、複数のガス冷却管とを有する。このような各ガス冷却管は、入口チャンバに位置決めされた入口端部と、出口チャンバに位置決めされた出口端部とを有する。同様に、各ガス冷却管は、ベル状の入口端部を有し、この入口端部は、ガス冷却管内への煙道ガスの層流を促進するために有効な、空力的に湾曲したガス加速輪郭を有する。
【００１１】
ガス冷却管のベル状の入口は、ガス冷却管内への煙道ガスの流れを滑らかに加速するように設計されており、これにより、ガス冷却管内の微粒子堆積を実質的に防止する。このように、各ガス冷却管の入口における、上述のベル状の、空力的に湾曲した加速ゾーンは、煙道ガスの層流加速を促進し、流れ収縮（縮流効果）を防止する。このような防止手段がないと、乱流の煙道ガス流が、ガス冷却管の内面との煙道ガスの衝突を生じ、これは、ガス冷却管内の微粒子堆積及び／又は腐食につながる。本発明の好適な実施の形態のガス冷却管における加速された煙道ガス速度は、煙道ガス温度に応じて、約２０〜３０メートル／秒（ｍ／ｓ）の範囲であるべきである。
【００１２】
好適な実施の形態において、ガス冷却管は、間隔を置いて配置された互いに平行な管の行列を形成している。ガス冷却管は、それぞれ入口及び出口プレナムチャンバの煙道ガス入口及び出口領域にわたって均等に間隔を置かれているべきである。ガス冷却管の入口及び出口端部は、入口及び出口プレナムチャンバ内へ突出するように寸法決め及び配置されているべきである。
【００１３】
主体のガス冷却器は、同様に、ガス冷却管を包囲する冷却剤エンクロージャ若しくはジャケットを有する。この冷却剤エンクロージャには、冷却剤入口及び出口手段が設けられている。便利には、冷却剤エンクロージャは、ガス冷却器の外側シェル若しくはハウジングの一部を形成している。好適には、冷却剤エンクロージャの内部を循環させられる冷却剤は、水又はその他の適切な液体である。熱交換効率を最大化するために、ガス冷却管の外側表面上の、冷却剤エンクロージャの内部を通る冷却剤流の方向は、ガス冷却管の内部を通る煙道ガス流の方向と逆であるべきである。
【００１４】
運転中、ガス冷却器の入口プレナムチャンバは、入口煙道ダクトに流体接続されている。入口煙道ダクトは、高温煙道ガスを電気アーク炉からガス冷却器へ搬送する。出口プレナムチャンバは出口煙道ダクトに接続されている。出口煙道ダクトは、冷却された煙道ガスをガス冷却器から搬出する。
【００１５】
ガス冷却器の入口プレナムチャンバは、拡散拡開入口部分を介して高温煙道ガスを受け取る。この拡散拡開入口部分は、煙道ガス流を比較的低い速度に減速させ、これにより、煙道ガスは安定させられ、ガス冷却管のベル状入口の配列内へ均等に流入する。入口プレナムチャンバの煙道ガス流領域と、煙道ガス流領域における冷却管の配列は、以下のように適切に選択される。つまり、入口プレナムチャンバの拡散拡開入口部分は、乱流の複数のゾーンを生じることなく、高温煙道ガスの流れを比較的低い速度に減速させる。乱流のゾーンは、入口プレナムチャンバ内に許容できないスケーリング（scaling）を生じる。発明の好適な実施の形態の入口プレナムチャンバにおける煙道ガス速度は、ガス温度に応じて約８〜１２ｍ／ｓの範囲であるべきである。出口プレナムチャンバは、ガス冷却管の出口端部から冷却された煙道ガスを受け取り、流体接続された出口煙道ダクトへの冷却された煙道ガスの排出前に、集束した出口部分を介して煙道ガスの流速を徐々に加速させる。
【００１６】
好適には、入口及び出口プレナムチャンバは、ガス冷却器の冷却ジャケット部分から取外し可能である。この取外し可能な特徴は、必要となった場合に、入口及び出口プレナムチャンバと、冷却管の入口及び出口部分との容易な分解及びクリーニングを可能にするという利点を有する。しかしながら、このようなクリーニングの必要性は、煙道ガスの流れにおける乱流を回避するために講じられた上記手段により最小限に減じられる。
【００１７】
主体の実施の形態によれば、ＥＡＦ鋼製造プラント用の改良された煙道ガス冷却及び浄化配列は、ガス管熱交換器の形態の少なくとも１つの煙道ガス冷却器であって、煙道ガスを受け取りかつこの煙道ガスを層流で通過させるように構成された複数のガス冷却管を有する煙道ガス冷却器と、流体接続された煙道ガス浄化システムと、を有する。このように、煙道ガス冷却器は、冷却された煙道ガスを煙道ガス浄化システムへ通過させる前に煙道ガスをＥＡＦから受け取るように接続されている。主体の煙道ガス冷却器は、８００〜１２５０℃の範囲の温度で煙道ガスを受け取り、１００〜２５０℃の範囲の温度を有する煙道ガスを煙道ガス浄化システムへ案内する。炉フードからの二次ガスと混合した後のこのような温度範囲は、煙道ガス微粒子除去のためのファブリックフィルタが装備された煙道ガス浄化システムに適している。
【００１８】
煙道ガスが煙道ガス浄化システムに進入する前の煙道ガスの冷却は、有利には、ＥＡＦから出る煙道ガスが、煙道ガス浄化システムの温度能力を超える温度であるような状況において有利である。煙道ガスの所要の冷却を達成するために、主体の煙道ガス冷却器は、ガス冷却管の周囲の冷却剤ジャケットを利用して、閉回路冷却剤循環システムの一部を形成する。閉回路冷却剤循環システムの一部は、煙道ガス冷却器を、循環する冷却剤から熱エネルギを取り出し、熱を環境へ排出する及び／又は利用のために別のプラントシステムへ熱を移動させる手段に接続している。好適には、閉回路冷却剤循環システムは、ガス冷却管を通る煙道ガスの流れとは逆の流れ方向で冷却剤を冷却剤ジャケット内に循環させる。閉回路冷却剤循環システムにおける冷却剤が水であると好都合である。
【００１９】
特に高温の気候に適した（しかしそれだけではない）発明の１つの変化態様において、閉回路冷却剤循環システムは、吸収チラーステーションに冷却剤を循環させるように接続されている。吸収チラーステーションは、煙道ガスから回収された熱を利用して、別の又は第２の閉回路冷却剤循環システムを循環するための冷水を生ぜしめ、熱を環境へ排出する。択一的に、閉回路冷却剤循環システムは、熱交換器に冷却剤を循環させるように接続されてよい。熱交換器は、熱を環境及び／又は利用のための別のプラントシステムへ排出する。
【００２０】
別の態様において、主体の発明は、煙道ガス浄化システムを有するＥＡＦ鋼製造プラントからの煙道ガスを冷却する方法であって、互いに並列に煙道ガスを受け取るように配置された複数のガス冷却器を通じて、煙道ガス浄化システムに適した温度よりも高い初期温度の煙道ガスを通過させるステップであって、前記ガス冷却器は、煙道ガスを受け取りかつこの煙道ガスを層流で通過させるように構成されたガス冷却管の配列を有する、ステップと、ガス冷却管の外側に冷却剤を循環させ、冷却剤への煙道ガス熱の間接的な伝達により煙道ガスを冷却するステップであって、これにより、煙道ガスを煙道ガス浄化システムに適した温度に冷却しかつ冷却された煙道ガスを煙道ガス浄化システムへ送るステップと、を含む方法を提供する。
【００２１】
さらに別の態様において、主体の発明は、ＥＡＦ鋼製造プラントによって発生された煙道ガスから熱エネルギを回収するためのシステムであって、ＥＡＦからの煙道ガスを受け取りかつ冷却された煙道ガスを煙道ガス浄化スステムへ送るように接続された少なくとも１つの煙道ガス冷却器と、少なくとも１つの煙道ガス冷却器に冷却剤を循環させる冷却システムと、別のプラントの利用のために又は環境への排出のために冷却剤から熱エネルギを取り出すように接続された熱エネルギ取出し手段と、を備えるシステムを提供する。
【００２２】
熱エネルギ取出し手段は、吸収チラーステーションを有してよい。吸収チラーステーションは、煙道ガス冷却器によって加熱された冷却剤を利用して、例えば、ガスタービン発電プラントの空気入口における空気冷却器バッテリ、エアコンディショニングシステム、又は地域冷房系統のうちの１つ又は２つ以上のような利用のために別のプラントシステムへ循環させるための冷水を生じる。択一的に、熱エネルギ取出し手段は、コンバインドサイクル発電プラント、脱塩プラント又は地域暖房系統のうちの１つ以上のような利用のために別のプラントシステムへ循環するための水を加熱するために、煙道ガス冷却器によって加熱された冷却剤を利用する熱交換器を有してよい。例えば、取り出された熱エネルギを利用する別のプラントシステムは、コンバインドサイクル発電プラントにおけるボイラ水のための予熱器を含んでよい。択一的に、熱エネルギ取出し手段は、低温源から電気を発生するために有効な"ＯＲＣ"（Organic Rankine Cycle、有機ランキンサイクル）としても知られる有機ランキン機械を含んでよい。
【００２３】
発明の別の態様は以下の説明及び請求項から明らかになるであろう。
【００２４】
主体の発明の典型的な実施の形態は、添付の図面を参照しながら以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による、煙道ガス冷却器及び関連した熱回収システムを備えたＥＡＦ鋼製造プラントの概略的な流れ図である。
【図２】関連する熱回収システムを備えた、本発明による煙道ガス冷却器の概略的な側面図である。
【図３】図２の煙道ガス冷却器の一部の概略的な側部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
添付の図１〜図３に例示されたシステムは、主体の発明の典型的な実施の形態である。図１〜図３に例示された又は以下で詳細に説明される各特徴又はシステムパラメータは、特定の鉄及び鋼生産プラントの要求に適合するように、詳細なシステム設計の際に、ある程度の変更を生じる。
【００２７】
図２に最も詳細に示されているように、このシステムは、鉄及び鋼生産のための電気アーク炉（ＥＡＦ）からの高温煙道ガスを冷却するために従来利用されてきた冷却原理、すなわちガス管式熱交換器を有するガス冷却器１１、を利用する。このように、毎年１００万トンの鋼を生産する能力を有するＥＡＦ（図示せず）は、プロセスにおいて約１５万〜２０万Ｎｍ3／ｈｒの、高温の、微粒子を含んだ及び昇華物を含んだ煙道ガスを発生する。このように、高温煙道ガスのこの体積は、図２に例示したように４つのダクトを用いる場合、一次ダクト１２ごとに約５００００Ｎｍ3／ｈｒに達する。ＥＡＦによって発生されたこの高温煙道ガスは、１つ以上の流体接続された一次ダクト１２を通って搬送され、例示したように各一次ダクト１２には個々のガス冷却器１１が装備されている。
【００２８】
各ガス冷却器１１は、一次ダクト１２から受け取られた高温煙道ガスを減速させかつ安定させるための入口プレナムチャンバ１４と、冷却された煙道ガスを管路２０へ排出するための出口プレナムチャンバ１６とを有する。各入口プレナムチャンバ１４は、約１〜３ｍの直径を有し、拡散拡開入口部分１５を有し、この拡散拡開入口部分１５は、実質的な乱流なしに煙道ガス"Ｇ"を減速させる。煙道ガスの流速は、拡開入口部分１５によって、約８〜１２メートル／秒（ｍ／ｓ）の比較的低い速度に減速される。出口プレナムチャンバ１６は、管路２０に流入する冷却された煙道ガスの流速を高めるために、集束する収縮輪郭を有する。
【００２９】
煙道ガスの冷却は、煙道ガスから、約２〜１０ｂａｒに加圧された、閉ループ冷却システム２２において循環させられる冷却水などの冷却剤２２ａへ熱を伝達することにより行われる。ポンプ（図示せず）は、冷却剤２２ａを、ダクト２３を通って循環させる。ダクト２３は、吸収チラーステーション２４と、各ガス冷却器１１用の外側シェル若しくはケーシングの一部を形成する冷却剤エンクロージャ若しくはジャケット２６の内部２６ａとに流体接続されている。冷却剤ジャケット２６は、互いに並列に冷却システム２２に接続されており、これにより、入口２８及び出口３０は、それぞれ冷却システム２２の"低温"及び"高温"のレッグ３２，３４に流体接続されている。
【００３０】
この実施の形態において、ガス冷却器１１は、煙道ガス温度を、入口プレナムチャンバ１４における約１２５０℃、最大で１８５０℃から、出口プレナムチャンバ１６における約２００℃〜２５０℃にまで低下させる。出口プレナムチャンバ１６には、炉フードからのより低温の二次ガス換気が導入される。より低温の二次空気との混合後、煙道ガスは、前述のファブリックフィルタ形式のガス浄化システム４への進入のために十分に冷却されている。その間に、煙道ガスはガス冷却器１１において冷却され、冷却剤２２ａの温度は、吸収チラーステーション２４からの出口における約５０゜〜約９０℃から、冷却ジャケット２６からの出口３０における約８０℃〜１５０℃にまで上昇する。
【００３１】
通常、ガス冷却器１１は円筒状であり、冷却剤ジャケット２６は、入口プレナムチャンバ１４及び出口プレナムチャンバ１６それぞれと同じ直径である。図２における最も上部のガス冷却器１１の冷却剤ジャケット２６の壁部２６ｂの一部は、ガス冷却管１８の束を露出させるように省略されて示されている。ガス冷却管１８の束は、ガス冷却器１１の内部２６ａを占めており、入口及び出口プレナムチャンバ１４及び１６の間にそれぞれ流体接続されている。図２に例示することができることができるよりも多くのガス冷却管１８、例えば冷却剤ジャケット２６の直径に応じて約５００〜９００本の管が各ガス冷却器１１内に配置されてよい。ガス冷却管１８は、冷却剤ジャケット２６の内部２６ａにわたって及び入口及び出口プレナムチャンバ１４及び１６内に等間隔で配置されている。図２にも例示されているように、煙道ガスＧから冷却剤２２ａへの熱伝達の効率を最大化するために、冷却剤ジャケット２６を通る冷却剤２２ａの流れの大体の方向は、ガス冷却管１８を通る煙道ガスＧの流れとは逆である。
【００３２】
図２における例示の都合のために、ガス冷却器１１は、延在した長軸Ａが水平に向けられるように示されている。しかしながら、図３において、ガス冷却器１１は、延在した長軸Ａが鉛直に向けられるように示されている。運転中、鉛直の延在した長軸Ａは、熱交換器のガス管形式のための好適な向きである。煙道ガスは、上端部１８ａにおいてガス冷却管１８に進入するのに対し、冷却剤２２ａは、下端部２６ｃにおいて冷却剤ジャケット２６に進入し、ガス冷却管１８を上方へ流過して煙道ガスを冷却し、上端部２６ｄにおいて冷却剤ジャケット２６から流出する。冷却剤２２ａの循環は、冷却剤がガス冷却管１８との接触によって加熱されるときに冷却剤がより低密度になりかつ冷却剤ジャケット２６の上端部２６ｄまで自然に上昇することによって、促進される。
【００３３】
ガス冷却管１８は、主体の発明によるＥＡＦから直接、高温の生煙道ガスを搬送するので、ガス冷却管１８は、煙道ガスからの煤じん堆積を最小の量に制御するように、注意深く空力的に設計されなければならず、これにより、ガス冷却管１８の壁部１８ｃを介した、冷却剤ジャケット２６においてガス冷却管１８に沿って流れる冷却剤２２ａへの有効な熱伝達を維持する。空力的な設計とは、煙道ガスの流れ速度ベクトルが、ガス冷却管１８を流過する間、ガス冷却管１８の壁部１８ｃに対して実質的に平行に維持されることを意味する。
【００３４】
図３により明らかに示したように、各ガス冷却管１８は、入口プレナムチャンバ１４内へ突出した入口端部１９と、出口プレナムチャンバ１６内へ突出した出口端部２１とを有する。各入口端部１９は、ガス冷却管１８内への煙道ガスＧの流速を、入口プレナムチャンバ１４における約８〜１２ｍ／ｓの前記速度から、ガス冷却管１８における約２０〜３０ｍ／ｓへ滑らかに加速させるように設計された、空力的に成形されたベルマウス形の集束した部分を有する。流速を高めながらガス冷却管１８への層流を維持することは、乱流を防止し、ガス冷却管１８の内壁１８ｄにおける煤じん堆積を防止する。
【００３５】
最適な煙道ガス速度を得るためのガス冷却管１８の寸法は、圧力損失、熱交換効率、汚れ係数及びガス冷却器１１の全体寸法などの複数の変数の妥協である。最適化は、実用試験の間に達せられる。この実施の形態においては、各ガス冷却管１８は、直径が約１〜３ｍで、長さが約５〜８ｍである。
【００３６】
入口及び出口プレナムチャンバ１４及び１６はそれぞれ、ガス冷却器１１の冷却ジャケット２６の部分から取外し可能であることが図３から認められる。取外しは、冷却ジャケット２６にエンドプレート２８，３０を提供することにより容易にされる。エンドプレート２８，３０は、入口及び出口プレナムチャンバ１４及び１６それぞれから、加圧された冷却剤ジャケット２６を分離するのみならず、入口及び出口プレナムチャンバ１４，１６における同様のボルト締めフランジ３３，３３ａと連結するためのボルト締めフランジ３１，３１ａも提供している。この構成は、最終的にそれが必要になった場合に、入口及び出口プレナムチャンバ１４，１６、及びガス冷却管１８の入口端部１９及び出口端部２１の比較的容易な分解、メンテナンス及びクリーニングを可能にする。
【００３７】
図２に示したように一次ダクト１２とガス冷却器１１との間の一対一の関係が存在する必要はない。一次ダクト１２からの煙道ガス流を、鉛直に配置された２つ以上のガス冷却器１１に分割することも実際には好適である。このように、冷却材ジャケット２６を通る冷却剤２２ａの流れは、より容易に制御され、各ガス冷却器１１の寸法及び複雑さは、より管理可能となる。
【００３８】
２つ以上のガス冷却器１１を１つの一次ダクト１２と組み合わせる代わりに、１つ以上のガス冷却器は、煙道ガスの流れに関して互いに前後する。これは、本発明の別の可能な実施の形態である。
【００３９】
当業者は、冶金プロセスパラメータの範囲にわたる発明の可能な作動を予想するであろう。可能な範囲の例、及び上記で説明された実施の形態のための好適な基準値が、以下の表に示されている。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
前に言及したように、ＥＡＦ鋼生産プラントは、世界の熱帯又は亜熱帯に建設される傾向がある。これらの地帯では、ＥＡＦのための電気エネルギは、ガスタービン駆動発電機を有するパワーブロック４４ａによって、ガス燃焼発電ステーションにおいて発生される。このような状況において利用される典型的なガスタービンは、単純サイクルで運転する、１８０ＭＷ総電力出力のALSTOM(R) GT13 E2Mである。
【００４２】
単純サイクルガスタービンの効率及び電力出力を制限する要因は、圧縮機への入口空気温度である。熱帯において、単純サイクルガスタービンは、３５℃の圧縮機空気入口温度のために設計されている。典型的な単純サイクルパワーブロック（ガスタービンのみ）のエネルギ出力は、圧縮機入口空気温度が３５℃から約１５℃に低下させられると１０％以上高めることができる。本発明は、ガス冷却器１１から回収された熱を吸収タイプ産業用チラーステーション２４のためのエネルギ源として用いることができるという点で、パワーブロック４４ａへのこのような入口空気冷却の提供を容易にする。チラーステーション２４の排出冷水は、圧縮機入口空気温度を低下させるために利用することができる。前に引用したプロセスパラメータのために、各ガス冷却器１１は、５０〜２０万Ｎｍ3／ｈの煙道ガスを、１２５０℃の温度から２５０℃の温度に冷却することができることが思い出されるであろう。これは、約４５ＭＷの熱エネルギが、ガス冷却器１１及び吸収チラーステーション２４によって煙道ガスから取り出されることを意味する。このように、この熱エネルギはチラーステーション２４によって利用され、５℃の、約１４５０ｍ3／ｈの冷水３６を発生する。冷水３６は、絶縁されたダクト３８を通って、熱交換器４０、例えば、３つのガスタービンパワーブロック４４ａの吸気部４２に配置された空気冷却器のバッテリへ循環させられる。熱交換器４０は、入口４６及び出口４８が閉回路水冷式チラーステーション２４の"低温"及び"高温"のレッグ５０，５２それぞれに流体接続されながら、互いに並列にチラーステーション２４に接続されている。上述のGT13 E2Mガスタービンパワーブロック４４ａは、通常の連続定格で運転しているときに圧縮機／タービンシステムを通じて１．５４８×１０6Ｎｍ3／ｈの空気を引き込む。標準的な熱力学的計算が示すところによれば、この空気流を、上述の量の冷水を利用して約３５℃から１５℃に冷却することができ、これにより、ガスタービン、ひいてはパワーブロックの効率及び電力出力を著しく高める。
【００４３】
前述のように、煙道ガスから回収された熱を、単純サイクルガスタービンパワーブロックの発電能力を１０％以上高めるために利用することができる。この余分な電力は、例えば、別の発電プラントに投資する必要なく、ＥＡＦ鋼生産プラントの生産能力を高めるために利用することができる。
【００４４】
択一的に、又は付加的に、上記のように製造された冷水は、熱帯及び亜熱帯において高く評価される目的であるビル又は地域のエアコンディショニング及び冷房のために利用することができる。
【００４５】
パワーブロック４４ａは例示目的のために単純サイクルとして上記で説明されているが、択一的に、ガスタービン排気からの排熱が利用されて、発電機に接続された蒸気タービンを駆動するための蒸気を発生するコンバインドサイクル発電プラントを含んでよい。単純サイクルに対するコンバインドサイクルのより高い熱効率により、接続された鉄及び鋼生産プラントからの煙道ガスの熱は、上記で説明したように吸収チラーステーションにおいて回収及び利用される場合、接続されたコンバインドサイクルパワーブロックの圧縮機空気冷却要求よりも５０％高い冷却能力を有する。この余分な冷却能力は、再び、ビル又は地域のエアコンディショニング及び冷房などのためにさらに利用することができる。
【００４６】
単純サイクルパワーブロックが使用されるか、又はコンバインドサイクルパワーブロックが使用されるかにかかわらず、吸収チラーステーション２４及びガスタービン空気入口冷却器４０とのガス冷却器１１の組合せは、熱帯及び亜熱帯における鉄及び鋼生産プラントにとって経済的に有利である。
【００４７】
図１において、チラーステーション２４は、York MillenniumTM YIA-14F3単一効用吸収チラー、又はその他の製造業者からの同等のもののような、８つの吸収タイプ工業用チラーの配列を使用するように示されている。吸収チラーの所要の冷却能力及び能力に応じて、８つよりも少ない又は８つよりも多いチラーを使用することができる。ガス冷却器１１から戻る９０℃〜１５０℃の水又はその他の冷却剤から、及び空気入口熱交換器４０から戻る２５℃の水から、低温の熱を取り出すために、チラーは大量の水を利用する。これは好適には海水である。なぜならば、多くの生産プラントは、現在、生産サプライのバルク輸送を容易にするために沿岸近くに建設されているからである。３０℃でチラーステーション２４に流入する８０００ｍ3／ｈの海水は、２つの閉回路水冷システムの所要の冷却を達成して、４０℃で海へ戻される。
【００４８】
単一効用吸収チラーの使用が本発明において言及されているが、二重効用又は多重効用吸収チラーの可能な使用はこれにより排除されない。しかしながら、後者の２つのタイプは、単一効用吸収チラーよりも効率的であるが、単一効用チラーよりも高グレードの熱入力を要求する。吸収チラーに利用できる熱入力のグレードは、主に煙道ガス温度に依存する。なぜならば、煙道ガス温度は、吸収チラーへの水入口温度を制御するからである。
【００４９】
吸収チラーは、高温煙道ガスから回収された熱エネルギを利用する手段として使用される。択一的に、発明は、ガス冷却器１１によって回収された熱エネルギが、コンバインドサイクル発電プラント、脱塩プラント又は地域暖房系統のうちの１つ以上のような別のプラント４４において利用されてよいことも考慮する。したがって、図１における吸収チラーステーション２４が単に、適切な熱交換器（図示せず）と置き換えられると、ガス冷却器１１によって回収された熱エネルギは、コンバインドサイクルの蒸気発生部分のためのボイラ水を予熱するか、脱塩プラントにおいて脱塩される水を予熱するか、又は地域暖房系統における循環用の水を加熱するために利用することができる。コンバインドサイクル発電プラント及び脱塩プラントの効率は、もちろん、上記配列によって高められる。
【００５０】
本発明は、全くの例として上記で説明されているが、請求項に記載の発明の範囲で修正を行うことができる。発明は、説明された又は暗示された又は図面に示された又は暗示されたあらゆる個々の特徴、又はあらゆるこのような特徴のあらゆる組合せ、又はあらゆるこのような特徴のあらゆる一般化、又はその均等物にまで拡張される組合せにある。つまり、本発明の広さ及び範囲は、上記で説明された典型的な実施の形態のいずれかによって限定されるべきではない。請求項及び図面を含む明細書に開示された各特徴は、そうでないことが明示されない限り、同じ又は類似の目的を果たす択一的な特徴に置き換えられてよい。
【００５１】
文脈が明らかにそうでないことを要求しない限り、説明及び請求項にわたって、"含む"、"含んでいる"及び同様の言葉は、排他的又は網羅的な意味とは反対に包括的に、すなわち、"含むが、限定されない"という意味に解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００５２】
２  ＥＡＦ、  ４  ガス浄化システム、  １１  ガス冷却器、  １２  一次ダクト、  １４  入口プレナムチャンバ、  １５  拡散拡開入口部分、  １６  出口プレナムチャンバ、  １８  ガス冷却管、  １８ａ  上端部、  １８ｃ  壁部、  １９  入口端部、  ２０  管路、  ２１  出口端部、  ２２  閉ループ冷却システム、  ２２ａ  冷却剤、  ２３  ダクト、  ２４  吸収チラーステーション、  ２６  冷却剤エンクロージャ若しくはジャケット、  ２６ａ  内部、  ２６ｂ  壁部、  ２６ｃ  下端部、  ２６ｄ  上端部、  ２８  入口、  ３０  出口、  ２８，３０  エンドプレート、  ３２，３４  レッグ、  ３１，３１ａ，３３，３３ａ  ボルト締めフランジ、  ３６  冷水、  ３８  絶縁されたダクト、  ４０  熱交換器、  ４２  空気入口、  ４４ａ  パワーブロック、  ４６  入口、  ４８  出口、  ５０，５２  レッグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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