(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と高温物体を接触させて高温空気とし、該高温空気中に燃料ガスを吹込んで追焚きを行いさらに温度を上昇させ、該温度上昇した高温空気を利用して発電する追焚き式の発電機と、その他の自家発電機を有し、更に、電力会社からの買電により電力需要を賄っている際、電力需要が低下し、買電を最低電力量にしても発電量が余る場合には、前記その他の自家発電機からの発電量を低減するに先立って、前記燃料ガスの吹込み量を低減することにより追焚き式発電機からの発電量を最低発電量まで低減することを特徴とする追焚きによる発電方法。
【請求項２】
前記高温空気が、焼結クーラーから排出した焼結鉱を冷却した後の空気であることを特徴とする請求項１記載の追焚きによる発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結鉱のクーラー（以下、焼結クーラーという）で発生する排気などの高温空気を利用して発電するに際し、電力需要の変化に応じて発電出力を調整する発電方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄所において、焼き上げられた焼結鉱は焼結クーラーに送られて空気により冷却される。図１は円形ホッパー型クーラーの断面を示す。焼結機１から送られてきた焼結鉱２は焼結クーラー３の水平回転するドーナツ状のホッパー４に装入され、内面側から吹込まれる空気によって冷却される。吹込まれた空気は焼結鉱に接触して高温空気となり排気口５から排気される。焼結鉱の顕熱は２０万kcal/T粗鋼程度あり、省エネルギー、地球環境などの問題から是非とも排熱回収すべき対象である。
【０００３】
焼結クーラー３入側での焼結鉱温度は４００〜５００℃程度であり、冷却に使用後の排気である高温空気の温度は３５０〜４５０℃レベルである。回収用役としてはプロセス用蒸気が比較的容易であるが、蒸気需要が既に満たされている場合などは、汎用性および輸送性に優れた電力として回収するのに好都合である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電力回収として最も一般的な蒸気ランキンサイクルの適用を考えた場合、このような３５０〜４５０℃レベルの高温空気では、温度制約から低圧蒸気のサイクルとなる。発電効率は蒸気圧力でサイクル効率が決定されるので、低圧蒸気での発電効率向上には限界があった。
中低温排熱からの電力回収手段としてフロン等の低沸点媒体の採用が一時期行われたが、設備費が割高であり投資回収的に難がある。
【０００５】
製鉄所における電力需要は、その大半を大容量燃料焚き自家発電（共同火力を含む）で賄い、変動の大きな部分を電力会社からの買電で賄っているのが一般的である。通常、電力単価は買電の方が高く、かつ変動費である電力量料金に固定費である基本料金を加えると一層割高となる。
【０００６】
電力コストを低減するには、単価の安い自家発電の比率を高め、買電を極力減らすことが得策である。製鉄所において、圧延機等で消費される電力を主因とした短時間の変動には買電量の調整に頼らざるを得ないが、既設自家発電の能力を上回って電力需要が増加した場合、その増加分の需要が新規自家発電で対応可能なものであれば、新規に自家発電設備を増設して電力コストを削減する設備投資を検討すべきである。
【０００７】
一般に、排熱回収を行わずに熱源の全部を燃料燃焼熱とする燃料焚き発電設備は、負荷を下げると効率が低下する。このため、ある電力需要電量に見合う新規発電設備を設けた場合、前記電力需要が低下してこの発電設備の出力を下げると、発電効率が低下して電力単価が上昇する。
【０００８】
そこで本発明が解決しようとする課題は、焼結クーラーで発生する排気などの高温空気を利用して発電を行い、製鉄所等における電力需要の変動に応じて発電出力を制御することで電力コストを低減し、かつ設備費の面でも有利な発電方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、空気と高温物体を接触させて高温空気とし、該高温空気中に燃料ガスを吹込んで追焚きを行いさらに温度を上昇させ、該温度上昇した高温空気を利用して発電する追焚き式の発電機と、その他の自家発電機を有し、更に、電力会社からの買電により電力需要を賄っている際、電力需要が低下し、買電を最低電力量にしても発電量が余る場合には、前記その他の自家発電機からの発電量を低減するに先立って、前記燃料ガスの吹込み量を低減することにより追焚き式発電機からの発電量を最低発電量まで低減することを特徴とする追焚きによる発電方法である。
そして本発明法において、前記高温空気が、焼結クーラーから排出した焼結鉱を冷却した後の空気であるのが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図２のフローに示すように、高温空気をボイラー８に導くダクト６にバーナー７を設けて燃料ガスを吹込み、ボイラー８の前にて追焚きを行い、ボイラー８−タービン９−復水器１１−ポンプ１２−ボイラー８の水蒸気ランキンサイクルにより発電機１０で発電を行う。本発明法は、バーナー７に吹込む燃料ガスの吹込み量を流量調整弁１３により調整して発電出力を制御する。
【００１１】
図３には顕熱回収および蒸気回収のイメージを示す。焼結クーラー３などの顕熱回収部にて焼結鉱などの顕熱を高温空気として回収し、バーナー７での追焚きによりボイラー８に流入する高温空気の温度をさらに高め、ボイラー８において高圧蒸気として回収し、水蒸気ランキンサイクルで発電を行う。
【００１２】
回収蒸気圧力を高めると蒸気飽和温度Ｔs が上昇し、タービンの入口における必要過熱蒸気温度Ｔh も上昇する。ボイラー７の排ガス温度Ｔg 、ガスと水（蒸気）の最小温度差ΔＴp を一定で考えると、必要熱源温度（ボイラー入口のガス温度）Ｔf も上昇する。
追焚きをしないと低圧の回収蒸気しか得られず発電効率が低いが、追焚きによってボイラー入口ガス温度を高めることで高圧の回収蒸気が得られ、発電効率が向上する。
【００１３】
高温空気のさらなる高温化手段としては、追焚きのほか間接加熱や別置きの熱風発生装置なども考えられるが、追焚きは高温空気のダクト６内にバーナー７を装入して直接加熱するので効果的であり、設備費用の面でも有利である。バーナー７としては、例えばガスタービンの排気再燃バーナーの適用などが可能である。ガスタービンの排気は酸素濃度が１３〜１５％程度であるのに対し、焼結クーラー３の排気は酸素濃度２１％の空気であり、燃焼が容易である。
【００１４】
追焚きによる昇温幅は、つぎのようにして最適化をはかることができる。すなわち、回収蒸気圧力をパラメータに熱源としての必要限界温度を求め、回収高温空気の温度をその温度まで高めるに必要な燃料ガス量を求め、焚いたガスに対する、
追焚き発電効率＝発電量／追焚きガス潜熱量
を最大にすればよい。
この追焚き発電効率は、５０％を超える条件も得ることができ、いわゆる最新鋭大型ガス焚き発電設備の効率を上回ることになる。
【００１５】
電力需要に見合った設計を行った排熱回収発電プロセスの負荷特性を試算すると図４のようになる。すなわち通常の燃料焚き発電設備の場合は、送電端出力を下げると送電端効率が点線のように低下するのに対し、追焚きの場合は追焚きガス量を低減して出力を下げると、熱源中の回収熱割合が増加するため、追焚き発電効率が実線のように上昇することになる。
本発明法では、このように負荷を下げることで、回収した高温空気による発電の比率が上がって既設自家発電力代替域でもメリットが得られるので、常時稼動が可能となり、投資回収効率として優れた発電設備になる。
【００１６】
次に、追焚き発電量の調整手段について図２により説明する。
（１）演算部１４に、今後１時間における各工場で必要な予測電力需要量Ａ、最低買電量Ｂ、調整対象の追焚き自家発電機のフル発電量Ｅa および最低発電量Ｅc （追焚きガスをミニマムにした場合に発生する発電量）、調整対象の追焚き自家発電機を除くその他の自家発電機（ベース自家発電機）の予測発電量Ｃを入力する。
【００１７】
（２）演算部１４では、
▲１▼各工場の予測電力需要量Ａから、全工場のトータル予測電力需要量ΣＡを求める。
▲２▼各ベース自家発電機の予測発電量Ｃから、全ベース自家発電機のトータル予測発電量ΣＣを求める。
▲３▼トータル予測電力需要量ΣＡ、最低買電量Ｂ、トータル予測発電量ΣＣから、次式により不足発電量Ｇx を求める。
Ｇx ＝ΣＡ−( Ｂ＋ΣＣ）
【００１８】
▲４▼Ｇx ＞Ｅa のとき、すなわち不足発電量Ｇx が調整対象の追焚き自家発電機のフル発電量Ｅa よりも大きい場合は、Ｅa を追焚き自家発電機の出力指令値として自家発調整部１５ａに出力するとともに、不足分のＧv ＝Ｇx −Ｅa を演算し、Ｇv を追加買電量として買電調整部１５ｂに出力する。
▲５▼Ｇx ＝Ｅa のときは、Ｅa を追焚き自家発電機の出力指令値として自家発電調整部１５ａに出力する。
【００１９】
▲６▼Ｅc ＜Ｇx ＜Ｅa のとき、すなわちＧx がＥa より小さく、かつ追焚き自家発電機の最低出力Ｅc より大きい場合は、Ｇx を不足調整出力値Ｅb とし、Ｅb を追焚き自家発電機の出力指令値として調整部１５ａに出力する。
▲７▼Ｇx ＝Ｅc のときは、Ｅc を追焚き自家発電機の出力指令値として調整部１５ａに出力する。
▲８▼Ｇx ＜Ｅc のときは、余剰発電量Ｇw ＝Ｅc −Ｇx を演算して、Ｇw をベース自家発調整部１５ｃに出力する。
【００２０】
（３）自家発調整部１５ａでは、
▲１▼追焚き自家発電機のフル出力値Ｅa が入力されると、バルブ１３の開度を最大にし、追焚きガス量を最大にして発電機１０の出力がフル出力になるようにする。
▲２▼追焚き自家発電機の不足調整出力値Ｅb が入力されると、発電機１０の出力がその不足調整出力値Ｅb になるように発電機１０の出側に設けた電力計１８の計測値を基にしてバルブ１３を制御して追焚きガス量を調整する。
▲３▼最低出力値Ｅc が入力されると、バルブ１３の開度を最小にし、追焚きガス量をミニマムにして発電機１０の出力がその最低出力値Ｅc になるようにする。
【００２１】
（４）買電調整部１５ｂでは、不足発電量Ｇv が入力されると、その不足発電量Ｇv 分の追加を買電制御部１６に買電追加指示を行う。
（５）ベース自家発調整部１５ｃでは、余剰発電量Ｇw が入力されると、その余剰発電量Ｇw 分だけベース自家発制御部１７にベース自家発電機の発電量を低減するための指示を行う。
【００２２】
（６）上記（３）▲２▼において、追焚き自家発電機の発電量の調整を発電機１０の出側に設けた電力計１８の計測値を基にして行ったが、次式により追焚き用の燃料ガス量Ｆを求め、この算定した燃料ガス量Ｆになるようにバルブ１３を調整してもよい。なお、この際、追焚き用の燃料ガス管に流量計１９を設けると共に、ダクト６の燃料ガス供給部の上流側に流量計２０と温度計２１を設ける。
【００２３】
Ｅ＝ηe ×｛Ｖk ×Ｔk ×Ｃg ＋Ｆ×Ｈl −（Ｖk ＋Ｆ）×Ｔg ×Ｃg ｝／860
但し、Ｅ  ：発電量
ηe ：蒸気原動所サイクルの正味熱効率（理論熱効率×タービン効率）
Ｖk ：流量計２０で測定した回収高温空気の流量
Ｔk ：温度計２１で測定した回収高温空気の温度
Ｃg ：回収高温空気および追焚き後排ガスの比熱
Ｔg ：ボイラーの設計条件で決まるボイラー出側排ガス温度
Ｈl ：燃料ガスの発熱量
Ｆ  ：追焚き用の燃料ガス量
【００２４】
【実施例】
工場のトータル電力需要量に応じて買電量、調整対象自家発電機の発電量、およびその他の自家発電機（ベース自家発電機）の発電量を調整した結果を表１に示す。調整対象自家発電機は本発明例では追焚き式、従来例では燃料焚き式である。
電力需要量、買電量、発電量は、ベース自家発電機の１時間当りフル発電量を１００としたときの値で示した。最低買電量は１０である。
調整対象自家発電機の発電量は、本発明例の追焚き式ではフル発電量２０、最低発電量１２である。従来例の燃料焚き式ではフル発電量２０、最低発電量は８とした。
【００２５】
【表１】
0004267211.tif 000002
【００２６】
No.1は、調整対象自家発電機およびベース自家発電機をともにフルにしても発電量が不足するため、買電量を３０とした。
No.2は買電量を最低値１０としベース自家発電機をフルにすると、不足発電量の１６が調整対象自家発電機の出力調整可能範囲であるため、調整対象自家発電機の発電量を１６とした。
【００２７】
No.3は買電量を最低値１０としベース自家発電機をフルにすると、不足発電量が４となる。この不足発電量は、従来例では調整対象自家発電機の出力調整可能範囲であり、８を調整対象自家発電機の発電量とし、ベース自家発電機の発電量をフルから４を減じて９６とした。本発明例では、調整対象自家発電機の発電量を最低値の１２とし、ベース自家発電機の発電量をフルから８を減じて９２とした。
【００２８】
No.4は、No.3よりさらに電力需要量が低減したので、調整対象自家発電機の発電量はそのままにして、ベース自家発電機の発電量を低減した。
表１の結果から明らかなように、調整対象自家発電機による発電量の調整を行ったNo.2〜No.4のいずれも、本発明例は従来例よりも発電効率が優れている。
【００２９】
【発明の効果】
本発明発電法は、焼結クーラーで発生する排気などの高温空気を利用して発電を行うに当り、該高温空気に燃料ガスを吹込んで追焚きを行うので、高圧の水蒸気ランキンサイクルにより発電効率を高めることができる。そして、電力需要の変動に応じて燃料ガス吹込み量を調整することで発電出力を制御できる。燃料ガス吹込み量を下げて発電出力を下げると発電効率が上昇する。また設備コストも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象とする焼結クーラーの例を示す説明図である。
【図２】本発明法のフロー図である。
【図３】本発明法における顕熱回収および蒸気回収のイメージを示す説明図である。
【図４】本発明法および従来法における発電効率を示すグラフである。
【符号の説明】
１…焼結機            ２…焼結鉱
３…焼結クーラー      ４…ホッパー
５…排気口            ６…ダクト
７…バーナー          ８…ボイラー
９…タービン        １０…発電機
１１…復水器          １２…ポンプ
１３…流量調整弁      １４…演算部
１５…調整部          １５ａ…自家発調整部
１５ｂ…買電調整部    １５ｃ…ベース自家発調整部
１６…買電制御部      １７…ベース自家発制御部
１８…電力計          １９，２０…流量計
２１…温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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