(57)【要約】【課題】発電の熱源として利用する熱水の温度及び流量が変動する場合に、熱交換の回数を増やすことなく、発電システムの安定した出力が得られるようにする。【解決手段】高炉１における水砕スラグ製造設備では、高炉１の出銑口の切り替えが３時間程度の周期（「出銑インターバル」と称される）で行われるため、一回の出銑インターバルにおいて、発電の熱源として利用する、スラグ水砕設備２から排出される熱水の温度及び流量が共に漸増する傾向となる。そこで、２つのＡ槽９ａ及びＢ槽９ｂを備え、そのうち一方に熱水を貯留するとともに、他方から貯留済みの熱水を排出して熱交換に用いることを、これらＡ槽９ａ及びＢ槽９ｂを交互に切り替えながら出銑インターバルに合わせて繰り返す。これにより、発電の温熱源として利用する熱水の温度及び流量を安定させることができ、発電システムの安定した出力が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱水の温度及び流量が時間変動することを所定の周期で周期的に繰り返す状況で、当該熱水との間で熱交換を行って発電する発電システムであって、
熱水を貯留し、その貯留した熱水を排出して熱交換に用いるための複数の貯留槽を備えたことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
一の貯留槽に熱水を貯留するとともに、他の貯留槽から貯留済みの熱水を排出することを、これら貯留槽を交互に切り替えながら前記所定の周期に合わせて繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
熱水の温度が漸増することを所定の周期で周期的に繰り返す状況であり、
前記所定の周期の終了時より所定の時間前の時点で、前記一の貯留槽に熱水を導入して貯留を開始し、当該周期の終了時に当該一の貯留槽への熱水の貯留が完了するようにする切替手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記熱水は、高炉から排出される溶融スラグに冷却水を噴射し、溶融スラグを冷却破砕して水砕スラグを回収するときに生成されるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
熱水の温度及び流量が時間変動することを所定の周期で周期的に繰り返す状況で、当該熱水との間で熱交換を行って発電する発電方法であって、
一の貯留槽に熱水を貯留するとともに、他の貯留槽に貯留済みの熱水を排出して熱交換に用いることを、これら貯留槽を交互に切り替えながら前記所定の周期に合わせて繰り返すことを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水砕スラグの製造過程で生成されるＳＳ（Suspended solids）を含む熱水（以下、熱水という）を利用して発電を行う発電システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所では、高炉から排出される溶融スラグに冷却水を噴射し、溶融スラグを冷却破砕して水砕スラグと呼ばれる砂状のスラグを回収している。この水砕スラグはセメント原料、土木建材用資材等に利用される。
【０００３】
近年では、ＣＯ2の削減等の環境保護の観点から、水砕スラグの製造過程において生成される熱水を利用して発電を行うことが行われている。特許文献１にも、溶融スラグを冷却破砕する過程で冷却水が高温度となった温水を利用して、この温水と熱媒体との間に熱交換を行なわせて、この熱交換によって発電を駆動して発電させることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、高温排水を熱交換器により蓄熱液と熱交換し、得られる加熱された蓄熱液を蓄熱槽に貯留し、貯留した蓄熱液を用いてカリーナサイクルによる発電を行うことが開示されている。これにより、間欠的に排出される高温排水から、この排水中の熱を定量的な熱に変換して、カリーナサイクルを用いて発電することができる。高温排水は、高炉から排出される高炉スラグを、水中に投入して水砕スラグとする際に発生する高温（８０℃以上）の排水であることが例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−５５３０１号公報
【特許文献２】特開２０００−１９９４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高炉から排出される溶融スラグを用いた水砕スラグの製造過程においては、高炉での出銑状況によって、発電の熱源として利用する熱水の温度及び流量が変動する。そのため、熱源の変動に応じて発電システムの出力も変動してしまい、安定した出力が得られなくなってしまう。
【０００７】
特許文献２に開示されている発電手法では、高温排水をいったん蓄熱液と熱交換し、その蓄熱液を熱交換して発電を行うため、熱交換を２回行う必要がある。そのため、熱交換の効率に左右され、１回の熱交換に比べて熱効率が劣るという問題がある。
【０００８】
本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、発電の熱源として利用する熱水の温度及び流量が変動する場合に、熱交換の回数を増やすことなく、発電システムの安定した出力が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発電システムは、熱水の温度及び流量が時間変動することを所定の周期で周期的に繰り返す状況で、当該熱水との間で熱交換を行って発電する発電システムであって、熱水を貯留し、その貯留した熱水を排出して熱交換に用いるための複数の貯留槽を備えたことを特徴とする。
また、本発明の発電システムの他の特徴とするところは、一の貯留槽に熱水を貯留するとともに、他の貯留槽から貯留済みの熱水を排出することを、これら貯留槽を交互に切り替えながら前記所定の周期に合わせて繰り返す点にある。
また、本発明の発電システムの他の特徴とするところは、熱水の温度が漸増することを所定の周期で周期的に繰り返す状況であり、前記所定の周期の終了時より所定の時間前の時点で、前記一の貯留槽に熱水を導入して貯留を開始し、当該周期の終了時に当該一の貯留槽への熱水の貯留が完了するようにする切替手段を備えた点にある。
また、本発明の発電システムの他の特徴とするところは、前記熱水は、高炉から排出される溶融スラグに冷却水を噴射し、溶融スラグを冷却破砕して水砕スラグを回収するときに生成されるものである点にある。
本発明の発電方法は、熱水の温度及び流量が時間変動することを所定の周期で周期的に繰り返す状況で、当該熱水との間で熱交換を行って発電する発電方法であって、一の貯留槽に熱水を貯留するとともに、他の貯留槽に貯留済みの熱水を排出して熱交換に用いることを、これら貯留槽を交互に切り替えながら前記所定の周期に合わせて繰り返すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の貯留槽を備えることにより、発電の温熱源として利用する熱水の温度及び流量を安定させることができ、熱交換の回数を増やすことなく、発電システムの安定した出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した実施形態に係る高炉における水砕スラグ製造設備の概略構成を示す図である。
【図２】熱水及び補給水の温度及び流量、並びに貯留槽の槽レベルの時間変動を示す特性図であり、（ａ）は熱水及び補給水の温度の時間変動を示す特性図、（ｂ）は熱水及び補給水の流量の時間変動を示す特性図、（ｃ）はＡ槽及びＢ槽の槽レベルの時間変動を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１に、本発明を適用した実施形態に係る高炉における水砕スラグ製造設備の概略構成を示す。本実施形態に係る水砕スラグ製造設備は、排熱回収発電システムとして機能する。
【００１３】
スラグ水砕設備２は、高炉１から排出される溶融スラグに冷却水を噴射し、溶融スラグを冷却破砕して水砕スラグを回収する。
【００１４】
スラグ水砕設備２で使用した冷却水と溶融スラグとが混合して生成される熱水は、熱水循環ポンプ３により冷却塔４に導入されて冷却される。本実施形態では、後述するように一回の出銑インターバルにおいてスラグ水砕設備２から排出される熱水の流量が漸増するので、３台の熱水循環ポンプ３を並列接続し、熱水の流量の漸増に合わせて３台のポンプ３を順次開くようにしている。
【００１５】
冷却塔４で冷却された熱水は、沈砂槽５を経てＳＳが取り除かれて、冷水として冷水循環ポンプ６によりスラグ水砕設備２に循環され、溶融スラグの冷却水として再使用される。上述したようにスラグ水砕設備２から排出される熱水の流量が漸増すると、スラグ水砕設備２に循環させる冷却水の流量も漸増するので、３台の冷水循環ポンプ６を並列接続し、スラグ水砕設備２に循環させる冷却水の漸増に合わせて３台のポンプ６を順次開くようにしている。
【００１６】
熱水循環ポンプ３と冷却塔４とをつなぐ流路７には、切替バルブ８を介して２つの貯留槽９ａ、９ｂ（以下では「Ａ槽９ａ」、「Ｂ槽９ｂ」とも称する）が並列接続する。切替バルブ１０は、切替バルブ８を介して流路７から導入される熱水をＡ槽９ａ又はＢ槽９ｂに導入する。また、切替バルブ１１は、Ａ槽９ａ又はＢ槽９ｂに貯留済みの熱水を排出し、熱交換に用いるために蒸発器１４に導入する。なお、Ａ槽９ａ又はＢ槽９ｂに貯留済みの熱水を排出するとしたが、実際には時間の経過によって沈砂によりＳＳSが取り除かれた熱水となっている。これら切替バルブ８、１０、１１による切り替えは、制御装置１２により制御される。
【００１７】
本実施形態ではカリーナサイクル１３による発電方式を採用しており、Ａ槽９ａ又はＢ槽９ｂから蒸発器１４に導入された熱水により、蒸発器１４に入るアンモニア水が加熱され、アンモニア−水の混合蒸気として気液分離器１５に導入される。熱水は蒸発器１４内でアンモニア水に熱を供給した後、冷却塔４に循環される。気液分離器１５では気体分離されて、分離された高濃度のアンモニア蒸気がタービン１６に供給されて発電が行われる。タービン１６からの排気は、気液分離器１５で分離された低濃度のアンモニア水が再生器１７の加熱側を通り作動流体の予熱に使用されて冷却された後の低濃度アンモニア水で薄められ低濃度蒸気となった後、凝縮器１８で冷却水により冷却されて凝縮して復液する。復液したアンモニア水は、中濃度アンモニア水としてレシーバタンク１９に貯留され、ポンプ２０により再生器１７の被加熱側を通り予熱された後、蒸発器１４に循環されて継続的に発電が行われる。
【００１８】
上述したようにスラグ水砕設備２で使用する冷却水を循環させて再使用しているが、１５００℃を超える溶融スラグに冷却水を噴射することから、多くの冷却水が蒸気となって霧散する。したがって、スラグ水砕設備２に循環させる冷却水に補給水を補給することが恒常的に行われている。本実施形態では、補給水ポンプ２１により凝縮器１８に導入された冷却水が、補給水として沈砂槽５に導入されてスラグ水砕設備２に循環させる冷却水に補給される。このように補給水をカリーナサイクル１３における冷熱源として用いることにより、新たな冷熱引き込み工事等が不要で、高炉のユーティリティバランスを変更することなく全体システムを構築することができる。
【００１９】
次に、本実施形態に係る水砕スラグ製造設備での各部の動作を説明する。図２（ａ）は熱水及び補給水の温度の時間変動を示す特性図、図２（ｂ）は熱水及び補給水の流量の時間変動を示す特性図である。通常、高炉１では、出銑口の切り替えが３時間程度の周期（「出銑インターバル」と称される）で行われる。出銑口の開口直後は、出銑物のほとんどが銑鉄であり、溶融スラグの混入はない。そして、出銑が進んで高炉１内の銑鉄の液面レベルが下がってくると、徐々に溶融スラグが混入してくることになる。これに合わせて銑鉄と溶融スラグとの分離が行われ、スラグ水砕設備２において、溶融スラグに冷却水を噴射し、溶融スラグを冷却破砕して水砕スラグを回収する。
【００２０】
すなわち、一回の出銑インターバルにおいて、出銑が進んで溶融スラグが増えると、それに合わせてスラグ水砕設備２での冷却量及び使用する冷却水も増えるので、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、スラグ水砕設備２から排出される熱水の温度及び流量が共に漸増する傾向となる。そして、熱水の温度及び流量は、出銑インターバルの終了間際、すなわち出銑口の閉塞直前で最大となる。季節や高炉１の容量等にもよるが、本実施形態の場合、出銑口の開口後、熱水の温度が５０℃程度、流量が３ｍ3／ｍｉｎ程度まで下がり、そこから温度が９０℃程度、流量が５４ｍ3／ｍｉｎ程度まで漸増する。なお、図２（ｂ）において熱水の流量が段階的に増えているのは、出銑が進むに従って３つの熱水循環ポンプ３を順次開くようにしているからである。
【００２１】
このように高炉１の操業においては、熱水の温度及び流量が時間変動する、より詳しくは熱水の温度及び流量が共に漸増することを、出銑インターバルを周期として周期的に繰り返す状況となる。
【００２２】
一方、凝縮器１８を介して沈砂槽５に導入される補給水には、通常工業用水が充てられ、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、その温度及び流量が共に略一定に保たれている。本実施形態の場合、補給水の温度が２０℃程度、流量が５ｍ3／ｍｉｎ程度に保たれている。
【００２３】
図２（ｃ）はＡ槽９ａ及びＢ槽９ｂの槽レベルの時間変動を示す特性図である。本実施形態では、出銑インターバルの終了時より所定の時間ｔ前の時点で、切替バルブ１０によりＡ槽９ａ及びＢ槽９ｂのうち一方に熱水を導入して貯留を開始する。そして、当該出銑インターバル（現在の出銑インターバル）の終了時に、当該一方の槽９ａ又は９ｂへの熱水の貯留が完了するようにしている。
【００２４】
また、Ａ槽９ａ及びＢ槽９ｂのうち一方に熱水を導入するのと同時に、切替バルブ１１によりＡ槽９ａ及びＢ槽９ｂのうち他方から熱水を一定の流量で排出を開始して蒸発器１４に導入する。そして、次の出銑インターバルの終了時より所定の時間ｔ前の時点で、当該他方の槽９ａ又は９ｂからの熱水の排出が完了するようにしている。次の出銑インターバルの終了時より所定の時間ｔ前の時点とは、次に当該他方の槽９ａ又は９ｂに熱水を導入して貯留を開始する時点であり、その時点で当該他方の槽９ａ又は９ｂがちょうど空になるようにしたものである。なお、本実施形態では、Ａ槽９ａ及びＢ槽９ｂのうち一方に熱水を導入するのと同時に他方から熱水を排出するとしたが、必ずしも同時でなくてもよい。
【００２５】
このようにＡ槽９ａ及びＢ槽９ｂのうち一方に熱水を貯留するとともに、他方から貯留済みの熱水を排出することを、これらＡ槽９ａ及びＢ槽９ｂを交互に切り替えながら出銑インターバルに合わせて繰り返す。
【００２６】
本実施形態では、熱水を温熱源として、補給水を冷熱源としてカリーナサイクル１３により発電を行うが、温熱源と冷熱源との温度差が大きいほど発電効率が向上する。すなわち、温熱源となる貯留槽９ａ、９ｂに貯留する熱水の温度は高いほうが好ましい。そこで、貯留槽９ａ、９ｂに熱水を導入、貯留するタイミングを、熱水の温度及び流量が共に最も高くなる時間帯である出銑インターバルの終了間際（出銑インターバルの終了時より所定の時間ｔ前〜出銑インターバルの終了時）としている。
【００２７】
また、温熱源と冷熱源の容量も大きいほど発電効率が向上するが、発電に寄与する温熱及び冷熱は同熱容量であることが好ましい。そこで、図２（ｂ）に示すように、貯留槽９ａ、９ｂに貯留する熱水の容積（図中の領域Ａ）は、一回の出銑インターバルにおける補給水の容積（図中の領域Ｂ）と同程度となるようにしている。例えば補給水の流量が５ｍ3／ｍｉｎ程度の場合、貯留槽９ａ、９ｂに貯留する熱水の容積は、５［ｍ3／ｍｉｎ］×１８０［ｍｉｎ］（３時間）＝９００ｍ3程度となるようにする。なお、本実施形態では、冷熱源である、温度及び流量が共に略一定に保たれる補給水が発電規模の律即となるが、他の冷熱源を追加できれば、発電規模は温熱源律即となるまで拡大可能である。
【００２８】
熱水の貯留開始のタイミングは、熱水の温度及び流量をモニタしておき、過去の出銑パターンから、一回の出銑インターバルで必要となる流量を確保するように決定し、熱水の温度が最も高くなる時間帯で熱水を貯留するようにする。この決定に従って、制御装置１２が切替バルブ８、１０、１１による切り替えを制御する。
【００２９】
以上述べたように、熱水の流量の変化に対応するレシーバタンクの役割を担う複数の貯留槽９ａ、９ｂを備え、一の貯留槽９ａ又は９ｂに熱水を貯留するとともに、他の貯留槽９ａ又は９ｂから貯留済みの熱水を排出して熱交換に用いることを、これら貯留槽９ａ、９ｂを交互に切り替えながら出銑インターバルに合わせて繰り返すことにより、発電の温熱源として利用する熱水の温度及び流量を安定させることができ、発電システムの安定した出力が得られる。
【００３０】
また、貯留槽９ａ、９ｂに貯留された熱水は、次の出銑インターバルの終了間際で排出が開始されて蒸発器１４に導入されるが、その間（３時間程度）に当該貯留槽での沈砂によりＳＳが分離され、蒸発器１４に導入されるのは熱水となる。このように貯留槽９ａ、９ｂでスラグを沈砂により取り除くことができるので、スラグによる蒸発器１４のアブレーションを防ぐことができる。
【００３１】
なお、言い換えれば、貯留槽９ａ、９ｂに貯留された熱水は次の出銑インターバルの終了間際までの間貯留されたままとなるので、貯留槽９ａ、９ｂは保熱性の高いものとして、排出時にも７０℃程度以上を維持するのが好適である。
【００３２】
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。例えば上記実施形態では２つの貯留槽９ａ、９ｂを備えた例を説明したが、３つ以上の貯留槽を備えるようにしてもよい。上述したように貯留槽は沈砂槽としても機能するので、例えば３つある貯留槽のうち１つではスラグを除去する等のメンテナンスを行い、残りの２つで熱水の貯留、排出を行うことを、貯留槽を替えながら連続的に行うことが可能になる。また、上記実施形態ではカリーナサイクルを採用したが、ウエハラサイクル等、他の発電方式を採用してもかまわない。
【符号の説明】
【００３３】
１：高炉、２：スラグ水砕設、３：熱水循環ポンプ、４：冷却塔、５：沈砂槽、６：冷水循環ポンプ、７：流路、８：切替バルブ、９ａ、９ｂ：貯留槽、１０：切替バルブ、１１：切替バルブ、１２：制御装置、１３：カリーナサイクル、１４：蒸発器、１５：気液分離器、１６：タービン、１７：再生器、１８：凝縮器、１９：レシーバタンク、２０：ポンプ、２１：補給水ポンプ
【図１】
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【図２】
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