(57)【要約】      （修正有）【課題】設備コストを過度に上昇させることなく、回転炉床式還元炉の排ガス処理設備におけるダスト付着による閉塞や設備の腐食劣化などのトラブルを防止しつつ、排ガスの顕熱を回転炉床式還元炉のバーナ燃焼用空気の予熱に有効に利用しうる排ガス処理装置および方法を提供する。【解決手段】回転炉床式還元炉からの排ガスＧの処理流路の第１段階に、内筒２２の内部を排ガスＧが流通するとともに、内筒と外筒２１の間を空気Ａが流通するように構成された輻射型熱交換器２を設置した排ガス処理装置であって、内筒の内面に炭化珪素系耐火物などの高熱伝導性耐火物２３を施工した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転炉床式還元炉からの排ガスの処理流路の第１段階に、内筒の内部を前記排ガスが流通するとともに、前記内筒と外筒の間を空気が流通するように構成された輻射型熱交換器を設置した排ガス処理装置であって、前記内筒の内面に高熱伝導性耐火物を施工したことを特徴とする回転炉床式還元炉の排ガス処理装置。
【請求項２】
前記高熱伝導性耐火物が、炭化珪素系耐火物である請求項１に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置。
【請求項３】
前記炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量が、６０質量％以上である請求項１または２に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置。
【請求項４】
前記熱交換器の入口における排ガスの温度を１１００℃以上に制御する熱交換器入口ガス温度制御手段を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置。
【請求項５】
前記熱交換器の入口における排ガスの温度を１２００℃以上に制御する熱交換器入口ガス温度制御手段を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置。
【請求項６】
前記熱交換器入口ガス温度制御手段が、前記回転炉床式還元炉からの排ガス中に空気を導入することにより行うものである請求項４または５に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置。
【請求項７】
前記熱交換器入口ガス温度制御手段が、前記回転炉床式還元炉からの排ガス中に冷却後の燃焼排ガスを導入することにより行うものである請求項４または５に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置。
【請求項８】
前記熱交換器の後段に、該熱交換器の出口から排出された排ガスを急冷する排ガス冷却塔を設けた請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載の排ガス処理装置を用いた排ガス処理方法であって、前記熱交換器の出口における排ガス温度を６００℃以上とし、前記排ガス冷却塔内における、排ガスの６００℃から２００℃までの冷却を５秒以内で行うことを特徴とする回転炉床式還元炉の排ガス処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転炉床式還元炉（以下、「回転炉床炉」ともいう。）にて炭材内装酸化金属塊成化物を還元する際に発生する排ガスの処理装置および方法に関し、より詳しくは、排ガスの顕熱を有効に回収するための熱交換器の構造およびそれを用いた排ガス処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の還元鉄製造プロセスには、還元剤として高価な天然ガスを必要とすること、プラントの立地が通常天然ガスの産地に限られることなどの制約がある。
【０００３】
このため、近年、還元剤として、比較的安価で、かつ、プラント立地の地理的制約も緩和される石炭を用いた還元鉄の製造プロセスが注目されている。
【０００４】
そして、この石炭を使用する方法として、鉄鉱石と石炭との粉状混合物を塊成化した炭材内装酸化鉄塊成化物（以下、単に「塊成化物」ともいう。）を回転炉床炉内に装入して高温雰囲気下で加熱し還元して、還元鉄を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このプロセスでは、排ガスの顕熱を有効に利用するため、排ガス経路の第１段階に熱交換器を設置して、排ガスを空気で間接的に冷却するとともに、予熱された空気は、回転炉床炉を加熱するためのバーナ燃焼用空気として用いられる。このように高温の排ガスと熱交換することで、バーナ燃焼用空気の予熱温度を十分に高めることができ、エネルギ効率に優れた還元鉄製造プロセスが構築できる。
【０００６】
またこのプロセスは、鉄鉱石に代えて製鉄所ダストを原料とし、原料中の亜鉛や鉛等を還元揮発して除去するダスト処理プロセスへの適用も進められている。
【０００７】
ところが、製鉄所ダストを原料とした場合には、回転炉床炉内の高温雰囲気下で塊成化物中の亜鉛や鉛は還元されて金属蒸気となって揮発し、あるいは一部は塩化揮発して塊成化物から分離除去され、亜鉛や鉛の他、アルカリ金属やハロゲンなども含んだ大量のダストが発生し、排ガスとともに炉外に設けられた排ガス処理設備に導入される。そして、このような不純物元素を含有するダストは、熱交換器の金属伝熱面に強固に固着して成長し、伝熱効率を低下させるのみならず、排ガス流路を閉塞したり、該金属伝熱面を腐食して設備寿命を短縮させたりする等の問題が生じていた。
【０００８】
このような、回転炉床炉の排ガス処理設備への固着閉塞や設備の早期腐食劣化の問題に対する対策として、以下のように種々の提案がなされている。
例えば、特許文献２、３には、回転炉床炉の排ガス処理の第１段階として、水を冷媒とする廃熱ボイラを設置し、その後段に空気を冷媒とする熱交換器を設置した排ガス処理装置において、廃熱ボイラの内表面温度を４００℃以下に制御するとともに、廃熱ボイラ内面に付着したダストをスートブローやハンマリング機構で除去する方法が開示されている。
【０００９】
しかしながら、排ガス処理設備に廃熱ボイラが余分に必要となり、設備コストがかかるうえ、後段の熱交換器の熱交換器入口ガス温度が６００℃程度と低くなるため、排ガス処理の第１段階に熱交換器を設置する上記特許文献１に記載のプロセスに比べて、バーナ燃焼用の予熱空気の温度が十分高くできず、回転炉床炉のエネルギ効率が劣る問題がある。また、スートブローやハンマリング機構といった機械式のダスト除去手段を必要とするため、設備トラブルが起こりやすい問題もある。
【００１０】
また、特許文献４には、回転炉床炉の排ガス処理設備の第１段階として空気を冷媒とする輻射型の熱交換器を設置し、回転炉床炉から流出する際の１２００℃程度の排ガスの温度を１０００℃程度まで低下させたのち、水冷ダクトで７５０℃程度に予備冷却し、さらに排ガス中に冷風を導入して２５０℃以下に急速に冷却する方法が開示されている。
【００１１】
しかしながら、本方法においても、上記特許文献１に記載の熱交換器と同様、熱交換器内面へのダストの付着や該内面の腐食劣化の問題が生じることを回避することはできない。
【００１２】
なお、特許文献５には、熱交換器用伝熱管の外筒がＳｉＣを主体とする多孔質セラミックで形成されたものが開示されている。しかしながら、本文献に記載の伝熱管は、外管をセラミックのみで形成しているのに対し、本発明に係る熱交換器は、金属製の内筒の内面に高熱伝導性耐火物を施工（内張り）し、二層構造にしたものである。すなわち、前者は、比較的小径の伝熱管であるので、セラミック単体で外管を形成しても強度を維持しうるものであるが、後者は、内筒の内部に大量の排ガスを通過させる必要があることから、内筒の径は非常に大きくなり、内筒をセラミック単体で形成するとその強度を維持することが不可能であるため、内筒を金属と耐火物との二層構造としたものであり、両者は技術思想をまったく異にするものである。
【特許文献１】特開平１１−２７９６１１号公報（［００６７］、図１）
【特許文献２】特開平２０００−１６９９０６号公報（［０００５］、図２、図３）
【特許文献３】特開２００３−９０６８６号公報（［００１８］〜［００２１］、図１）
【特許文献４】特開平１１−３４２３１４号公報（［００１４］、図２）
【特許文献５】特開２００１−４８６５０号公報（請求項１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、設備コストを過度に上昇させることなく、回転炉床式還元炉の排ガス処理設備におけるダスト付着による閉塞や設備の腐食劣化などのトラブルを防止しつつ、排ガスの顕熱を回転炉床式還元炉のバーナ燃焼用空気の予熱に有効に利用しうる排ガス処理装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１に記載の発明は、回転炉床式還元炉からの排ガスの処理流路の第１段階に、内筒の内部を前記排ガスが流通するとともに、前記内筒と外筒の間を空気が流通するように構成された輻射型熱交換器を設置した排ガス処理装置であって、前記内筒の内面に高熱伝導性耐火物を施工したことを特徴とする回転炉床式還元炉の排ガス処理装置である。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記高熱伝導性耐火物が、炭化珪素系耐火物である請求項１に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置である。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量が、６０質量％以上である請求項１または２に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置である。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記熱交換器の入口における排ガスの温度を１１００℃以上に制御する熱交換器入口ガス温度制御手段を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置である。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、前記熱交換器の入口における排ガスの温度を１２００℃以上に制御する熱交換器入口ガス温度制御手段を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置である。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、前記熱交換器入口ガス温度制御手段が、前記回転炉床式還元炉からの排ガス中に空気を導入することにより行うものである請求項４または５に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置である。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、前記熱交換器入口ガス温度制御手段が、前記回転炉床式還元炉からの排ガス中に冷却後の燃焼排ガスを導入することにより行うものである請求項４または５に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置である。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、前記熱交換器の後段に、該熱交換器の出口から排出された排ガスを急冷する排ガス冷却塔を設けた請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転炉床式還元炉の排ガス処理装置である。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の排ガス処理装置を用いた排ガス処理方法であって、前記熱交換器の出口における排ガス温度を６００℃以上とし、前記排ガス冷却塔内における、排ガスの６００℃から２００℃までの冷却を５秒以内で行うことを特徴とする回転炉床式還元炉の排ガス処理方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、回転炉床式還元炉からの排ガスの処理流路の第１段階に、空気を冷媒とする輻射型熱交換器を設置し、該熱交換器の内筒の内面に高熱伝導性耐火物を施工する方式を採用したことで、金属製の内筒が剥き出しの場合に比べてダストの付着強度が低下してダストが剥離しやすくなり、ダスト付着による閉塞が防止されるとともに、腐食性のダストが金属製の内筒に直接接触しないため、腐食劣化が防止されるようになった。
【００２４】
また、内張りする耐火物として高熱伝導性のものを用いているので、伝熱面の総括伝達係数をさほど低下させることなく、しかも、排ガスと直接接触する部分に金属より耐熱温度の高い耐火物を用いたことで、該熱交換器に導入しうる排ガスの温度を従来より高めることができるので、排ガスと空気との伝熱速度が維持ないし向上し、排ガス顕熱を回転炉床式還元炉のバーナ燃焼用空気の予熱に有効に利用できる。
【００２５】
また、腐食や付着によるトラブルを抑制して、設備寿命の延長、稼働率の上昇による生産能力の向上、熱ロスの低減による運転費の低減、保全コストの低減等の効果が得られる。
【００２６】
さらに、還元炉内に廃熱ボイラ等の余分の設備を設ける必要がなく、既存の熱交換器の内面に高熱伝導性耐火物を施工するだけでよいので、設備コストの過度の上昇を招くこともない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明について図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００２８】
図１に、本発明の一実施形態に係る回転炉床式還元炉の排ガス処理装置の概略構成を示す。
【００２９】
回転炉床炉１から排出された排ガスＧは、輻射型の熱交換器２にて、回転炉床炉１で使用するバーナ燃焼用の空気Ａと熱交換された後、耐火物ダクト３を経由して排ガス冷却塔４にて急速冷却され、集塵機５で徐塵された後、吸引ファン６により煙突７から排出される。
【００３０】
以下、排ガスＧの流れに沿ってさらに詳細に説明する。
【００３１】
〔熱交換器〕
先ず、回転炉床炉１から１１００〜１４５０℃で排出された排ガスＧは、必要により温度調整（後記にて詳述）された後、輻射型の熱交換器２に導入され、回転炉床炉１で使用するバーナ燃焼用の空気Ａと熱交換される。
【００３２】
ここで、図２に、輻射型の熱交換器２の詳細を示す。熱交換器２は、外筒２１と内筒２２からなり、内筒２２の内面に高熱伝導性耐火物２３が内張りされており、内筒２２（耐火物２３）の内部を熱源としての排ガスＧが流通するとともに、内筒２２と外筒２１との間を冷媒としての空気Ａが流通するように構成されている。
【００３３】
排ガスＧ中に高濃度に含まれるダストは、高熱伝導性耐火物２３の表面に接触すると、冷却されて固化し該表面に付着層を形成するが、高熱伝導性耐火物２３の表面に形成されたダストの付着層は脆くて剥がれやすいため、形成された付着層の厚みは薄く、伝熱効率にほとんど影響を与えることなく、また、排ガス流通経路が閉塞に至ることはない。また、金属製の内筒２２は耐火物２３で内張りされているので、腐食性のダストが直接接触することがなく、腐食劣化が防止される。また、耐火物２３表面にはダストの付着層が形成されていることで、却って、耐火物２３が排ガス中のダストで磨耗されて損耗することも防止される。したがって、上記特許文献２、３に記載されたような、操業中にダストを除去するための機械式の除去手段は必要としない。なお、上述したように、ダストの付着層は脆くて剥がれやすいので、熱交換器の入口部および出口部に保全孔を設置しておき、保全時にこの保全孔を開けて金棒などでつつくことで簡単に除去することができる。
【００３４】
高熱伝導性耐火物２３としては、熱伝導率の高いＳｉＣ、ＺｒＢ２、ＢＮなどを主体として含有する耐火物が例示できる。これらの耐火物は、熱伝導性に優れるだけでなく、耐摩耗性、耐食性にも優れており、回転炉床炉からの腐食性のダストを高濃度に含有する排ガスに対して耐性を有する点でも好ましい。
【００３５】
なかでも、ＳｉＣを主体として含有する耐火物（炭化珪素系耐火物）は、比較的低コストでもあり、最も推奨される。炭化珪素系耐火物を用いる場合、その熱伝導性を確保する観点からＳｉＣ含有量の高いものほど好ましく、ＳｉＣ含有量が６０質量％以上、さらには７０質量％以上とするのが望ましい。ちなみに、炭化珪素系耐火物の熱伝導率の一例を挙げると、ＳｉＣ３０質量％含有で４．６５Ｗ／（ｍＫ）、ＳｉＣ６０質量％含有で８．７２Ｗ／（ｍＫ）、ＳｉＣ７８％含有で１１．１Ｗ／（ｍＫ）（いずれも、残部主としてＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２であり、熱伝導率は１０００℃における値である）である。また、ＳｉＣは表面にＳｉＯ２皮膜を形成し、耐食性に優れる。
【００３６】
高熱伝導性耐火物２３の厚みは、伝熱面の総括伝熱係数を過度に低下させない観点からは薄いほどよいが、金属製の内筒２２の耐熱温度、耐火物２３の損耗や耐火物２３の内筒２２内面への施工性等を考慮して３０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲で適宜調整するとよい。なお、耐火物２３の施工は、例えば、内筒２２の内面に複数のアンカー金物を溶接し、型枠を設置して、キャスタブル耐火物にて流し込み方式で施工するとよい。なお、熱伝導率を高くし、ダストの付着を抑制するため、キャスタブル耐火物の流し込み時に振動充填してできるだけ緻密な耐火物施工とし、さらに、耐火物表面を平滑に仕上げておくことが好ましい。また、施工時の水分管理が重要である。
【００３７】
熱交換器２に導入される（すなわち、熱交換器２の入口における）排ガスＧの温度は、所定の熱交換器入口ガス温度制御手段８を設けて１１００℃以上、さらには１２００℃以上に調整するのが好ましい。内筒の内面に耐火物を施工していない従来の熱交換器を用いる場合は、金属製の内筒の耐熱性の制約から、熱交換器に導入しうる排ガス温度は１０００℃程度を上限としていたのに対し、本発明では耐火物を内張りしたことで、より高温の排ガスを導入できる。
【００３８】
熱交換器入口ガス温度制御手段８としては、回転炉床炉１からの排ガスＧ中に空気を導入する手段や、同排ガスＧ中に冷却後の燃焼排ガスを導入する手段が推奨手段として例示される。他の熱交換器入口ガス温度制御手段８として、排ガスＧ中に水を直接噴霧する手段や、排ガスＧを水冷管内に流通させて間接冷却する手段なども考えられるが、これらの手段は排ガスＧの顕熱総量が減少してしまうのに対し、排ガスＧ中に空気または冷却された燃焼排ガスを導入する手段を採用することにより、排ガスＧの顕熱総量を減少させることなく、熱交換器２に導入することができ、熱回収の効率が低下しない。特に、排ガスＧに冷却後の燃焼排ガスを導入する手段は、燃焼排ガス中には輻射率の高いＣＯ２成分やＨ２Ｏ成分が含まれているので、空気を導入する手段に比べて排ガスＧの輻射率が上昇して輻射伝熱量が増加するため、より好ましい。ここで、冷却後の燃焼排ガスとしては、例えば、本排ガス処理装置の集塵機５の出側や誘引ファン６の出側から、冷却・徐塵後の排ガスＧの一部を抜き出して使用すればよい。あるいは、燃焼排ガスとして、本排ガス処理装置とは別の設備、例えば他の燃焼炉や乾燥炉などの排出ガスを利用することもできる。
【００３９】
上記実施形態では、輻射型熱交換器２は１基のみ用いる例を示したが、複数基の輻射型熱交換器を、直列および／または並列に接続して用いてもよく、還元金属の製造規模（すなわち、排ガス発生量の規模）、設置場所、設備コスト等を総合的に勘案して、基数および接続形式を決定すればよい。また、上記実施形態で例示した輻射型熱交換器２は並流型としたが、向流型のものも使用できる。
【００４０】
〔排ガス冷却塔〕
熱交換器２から排出された排ガスＧは、耐火物ダクト３によって、排ガス冷却塔４に導入される。耐火物ダクト３の代わりに水冷ダクトを用いてもよい。
【００４１】
排ガス中に塩素成分が含有される場合には、ダイオキシンの合成（再合成）を抑制するために、排ガス冷却塔４の入口における排ガス温度は６００℃以上、好ましくは８００℃以上とし、２００℃以下、好ましくは１８０℃以下まで急冷する。（なお、原料中に塩素成分やダイオキシンが含まれていても、回転炉床炉１内で１１００℃以上の高温雰囲気下で急速加熱されるため、塩素成分からのダイオキシンの合成はほとんどなく、また、原料中にダイオキシンが存在していてもそのダイオキシンはほぼ完全に分解されるので、回転炉床炉１から排出されたばかりの高温の排ガスＧ中にはダイオキシンはほとんど存在しない。）
【００４２】
排ガス冷却塔４の入口における排ガス温度の調整は、熱交換器２の入口ガス温度の設定を変更することや、熱交換器２に流通させる空気の量を変更すること等にて行うことができる。
【００４３】
排ガス冷却塔４での排ガスの冷却速度としては、排ガス冷却塔４内における排ガスの６００℃から２００℃までの冷却を５秒以内で行うのが望ましい。このような急速冷却は、例えば、排ガス中への水スプレと希釈空気の導入の併用により行うことができる。
【００４４】
上記実施形態では、排ガスＧを、熱交換器２から耐火物ダクト３を経由して排ガス冷却塔４へ導入する例を示したが、排ガス冷却塔４への導入前に、廃熱ボイラや他の形式の熱交換器を用いてさらに熱回収してから排ガス冷却塔４に導入するようにしてもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、排ガス冷却塔４から排出された排ガスＧを、後述するバグフィルタなど乾式の集塵機５で除塵することを前提として、排ガス冷却塔４にて排ガス中に水スプレと希釈空気の導入を行う例を示したが、「排ガス冷却塔４＋集塵機５」に代えて、排ガスに直接多量の冷却水を接触させるベンチュリスクラバなど湿式の集塵機を用いてもよい。ただし、この場合は、有害な不純物元素が冷却水に溶け込むので、別途廃水処理が必要となる可能性がある。
【００４６】
〔集塵機、その他〕
排ガス冷却塔４で２００℃以下、好ましくは１８０℃以下に冷却された排ガスＧは、集塵機５として例えばバグフィルタで徐塵された後、誘引ファン６にて煙突７から大気中へ排出される。
【実施例】
【００４７】
［実施例１］（本発明の基本構成の効果確認）
本発明の効果を確証するため、図１に示す設備構成からなる排ガス処理装置を用い、輻射型熱交換器２は、その内筒（普通鋼製、内径１．５５ｍ、長さ８．２ｍ、伝熱面積４０ｍ２）の内面に厚さ５０ｍｍの炭化珪素系耐火物（ＳｉＣ含有量６０質量％、残部主としてＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２）をキャスタにて内張りしたものとし、排ガス冷却塔４は、排ガス中に水スプレと常温の空気を導入できるものとした。
【００４８】
そして、回転炉床炉１から約１４５０℃で排出された排ガス約１１６００Ｎｍ３／ｈ中に、常温の空気約１１３０Ｎｍ３／ｈを導入して約１３５０℃に調整し、この温度調整後の排ガスを熱交換器２に導入した。熱交換器２の冷媒としては常温の空気約１３１３０Ｎｍ３／ｈを用いた。また、排ガス冷却塔４の入口における排ガス温度が８００℃以上、同出口における排ガス温度が１８０℃以下になるように制御した。
【００４９】
上記条件にて約１９０日間操業を継続し、その間における、熱交換器２の伝熱面（内筒＋炭化珪素系耐火物）における総括伝熱係数および予熱空気温度の変化を調査した。調査結果を図３および４に示す。これらの図中、「６０％」の表示は炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量が６０質量％であることを示し、（Ｉ）の表示があるものは、回転炉床炉が雰囲気温度維持のための加熱だけを行って塊成化物を装入していないアイドリング時のデータ、（Ｏ）の表示のあるものは、回転炉床炉に塊成化物を装入して実際に還元鉄の製造を行っている還元操業時のデータをそれぞれ示す（後記図５および６においても同様）。これらの図から明らかなように、長期間の操業後においても、伝熱面の総括伝熱係数および予熱空気温度に大きな変化は見られなかった。
【００５０】
また、上記約１９０日間の操業後に、熱交換器２の内筒内部を目視観察したが、炭化珪素系耐火物の脱落は見られず、また、該耐火物表面に薄く付着層が形成されているものの、作業員が手作業で金棒にてつつくことで容易に除去できることを確認した。
【００５１】
これらの結果より、熱交換器の内筒（伝熱面）の内面に高熱伝導性耐火物を施工することで、伝熱面への付着による排ガス流路の閉塞および伝熱面の腐食を防止しつつ、排ガス顕熱を有効に回収できることが確認できた。
【００５２】
また、排ガス冷却塔４内においては、排ガスを１０７０℃から１７０℃まで約２秒で冷却しており、バグフィルタ５の出口における排ガスの成分を分析した結果、ダイオキシンの合成（再合成）は認められなかった。
【００５３】
［実施例２］（炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量の影響）
次に、上記実施例１と同様の設備構成にて、熱交換器２の内筒内面に施工する炭化珪素系耐火物として、そのＳｉＣ含有量を８０質量％に増加させたものを用い、上記実施例１と同様の操業条件にて約１９０日間操業を継続した。
【００５４】
図５および６に、上記操業期間中における、熱交換器２の伝熱面（内筒＋炭化珪素系耐火物）における総括伝熱係数および予熱空気温度の変化を示す。ここで、図５において、約１５０日経過以降の還元操業時のデータに、総括伝熱係数が低めになっているものが見られるが、これは予熱空気量が上記基準量（約１３１３０Ｎｍ３／ｈ）より少ない条件で熱交換を実施し、熱交換量が少なめであったためであり、伝熱性能の劣化を示すものではない。
【００５５】
これらの図からも明らかなように、上記実施例１と同様、長期間の操業後においても、伝熱面の総括伝熱係数および予熱空気温度に大きな変化は見られなかった。また、上記約１９０日間の操業後に、熱交換器２の内筒内部を目視観察したが、炭化珪素系耐火物の脱落は見られず、また、該耐火物表面に薄く付着層が形成されているものの、作業員が手作業にて金棒でつつくことで容易に除去できることは上記実施例１と同様であった。
【００５６】
下記表１に、図３〜６に示す各期間中における、総括伝熱係数および予熱温度の平均値を比較して示す。
【表１】
2009019786.tif 000003
【００５７】
同表より明らかなように、炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量を６０質量％から８０質量％に増加させることにより、還元操業時における、伝熱面の総括伝熱係数が約２倍に上昇し、予熱空気温度が約１５０℃も上昇しており、ＳｉＣ含有量を高めるほど伝熱効率が良くなることがわかる。
【００５８】
ここで、ＳｉＣ含有量８０質量％の炭化珪素系耐火物を施工した場合について、還元操業時における、熱交換器２の伝熱面近傍における温度プロフィルを推算し、図７に示す。同図より、該耐火物表面温度は常に８５０℃以下、内筒鋼板の内表面温度は常に６５０℃以下と推定され、各材質の耐熱温度を十分に下回ることが確認された。
【００５９】
［実施例３］（炭化珪素系耐火物の厚みの影響）
上記実施例１，２では、炭化珪素系耐火物の厚みは５０ｍｍとしたが、該耐火物厚みを１００ｍｍとすると、厚み５０ｍｍの場合を基準として熱交換量が約１５％低下し、２００ｍｍとすると、厚み５０ｍｍの場合を基準として熱交換量が約２７％低下すると試算され、高熱伝導性耐火物の厚みは、施工可能な範囲でできるだけ薄くするのが良いことがわかる。
【００６０】
［実施例４］（熱交換器入口における排ガス温度の調整手段の影響）
上記実施例２では、熱交換器入口における排ガス温度の調整を、常温の空気を導入することで行ったが、熱交換器入口における温度調整後の排ガス組成は、容量％で、Ｏ２：３．６％、ＣＯ２：７．６％、Ｈ２Ｏ：１４．６％であった。
【００６１】
これに対し、本実施例では、熱交換器入口における排ガス温度の調整を、冷却後の燃焼排ガスを導入することにより行った。
【００６２】
上記実施例２と同じく約１４５０℃で回転炉床炉１から排出された排ガス約１１６００Ｎｍ３／ｈに、上記実施例２とは異なり、誘引ファン６の出側から取り出した冷却・除塵後の排ガス（組成は、容量％で、Ｏ２：９．３％，  ＣＯ２：５．０％，  Ｈ２Ｏ：２８．６％、温度は１７０℃）を約１１５０Ｎｍ３／ｈ導入して約１３５０℃に調整し、この温度調整後の排ガスを熱交換器２に導入した。
【００６３】
この結果、該温度調整後の排ガス中に、輻射率の高いＣＯ２およびＨ２Ｏ成分が増加したことにより、上記実施例２で得られた平均３７５℃（還元操業時）よりも高い約４００℃の予熱空気が得られ、その予熱空気の量も上記実施例２と比較して約２５％増量することができた。
【００６４】
［比較例１］
比較例として、図８に示す設備構成、すなわち、回転炉床炉１、耐火物ダクト３、排ガス冷却塔４、熱交換器１２、集塵機５、誘引ファン６、煙突７からなる排ガス処理装置を用いた。
【００６５】
本比較例で用いた熱交換器１２としては、プレート型熱交換器（伝熱面積３５０ｍ２）を採用した。このプレート型熱交換器１２は、伝熱面に耐火物を施工しておらず、伝熱面への付着および伝熱面の腐食を抑制するため、熱交換器８入口の排ガス温度が４００〜６００℃になるように、排ガス冷却塔４で冷却を行う必要がある。
【００６６】
そこで、上記実施例１，２と同じく約１４５０℃で回転炉床炉１から排出された排ガス約１１６００Ｎｍ３／ｈを、直ちに排ガス冷却塔３で水スプレと希釈空気を導入して約５００℃まで温度を低下させ、プレート型熱交換器１２に導入し、常温の空気約１３１３０Ｎｍ３／ｈと熱交換を行った。この結果、約３５０℃の予熱空気が得られたが、熱交換器１２入口での排ガス温度が低いため、伝熱面積をさらに拡大しても、予熱空気の温度をこれ以上高めることは困難である。
【００６７】
これに対して、実施例１、２では、伝熱面積４０ｍ２で、予熱空気の温度は平均でそれぞれ２２７℃、３７５℃（ともに還元操業時）が得られており、熱交換器１２入口での排ガス温度が十分高い（約１３５０℃）ことから、伝熱面積を、実施例１で７５ｍ２程度、実施例２で４５ｍ２程度にそれぞれ拡大することで、容易に４００℃の予熱空気温度が得られる。
【００６８】
このように、熱交換器の伝熱面に耐火物を施工しない、従来の排ガス冷却装置では、伝熱面への付着や伝熱面の腐食を抑制しようとすると、伝熱効率が極端に低下する問題があるのに対し、熱交換器の伝熱面に高熱伝導性耐火物を施工した、本発明に係る排ガス冷却装置では、伝熱面への付着や伝熱面の腐食の抑制と、伝熱効率の維持ないし向上とを容易に両立できることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転炉床式還元炉の排ガス処理装置の概略構成を示すフロー図である。
【図２】輻射型熱交換器の詳細を示す斜視図である。
【図３】炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量が６０質量％の場合における、操業経過日数と、輻射型熱交換器の伝熱面における総括伝熱係数との関係を示すグラフ図である。
【図４】炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量が６０質量％の場合における、操業経過日数と、予熱空気温度との関係を示すグラフ図である。
【図５】炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量が８０質量％の場合における、操業経過日数と、輻射型熱交換器の伝熱面における総括伝熱係数との関係を示すグラフ図である。
【図６】炭化珪素系耐火物のＳｉＣ含有量が８０質量％の場合における、操業経過日数と、予熱空気温度との関係を示すグラフ図である。
【図７】輻射型熱交換器の伝熱面における温度プロフィル示す断面図である。
【図８】比較例における、回転炉床式還元炉の排ガス処理装置の概略構成を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００７０】
１…回転炉床炉
２…輻射型熱交換器
２１…外筒、２２…内筒、２３…高熱伝導性耐火物
３…耐火物ダクト
４…排ガス冷却塔
５…集塵機
６…吸引ファン
７…煙突
８…熱交換器入口ガス温度制御手段
Ａ…空気
Ｇ…排ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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