高炉ガストップ圧力回収タービン（TRT）によるエネルギー効率最適化

現代の製鉄所高炉は高トップガス圧力で運転されます。高炉（BF）トップから出るBFガスは、依然として約1.6〜3.0kg/cm²(G)の圧力と約200℃の温度を維持しています。このBFガスはダスト除去のために精製され、精製ガスは製鉄所で比較的低圧で加熱用燃料として使用されます。この過程で、バルブを通じて大量の圧力エネルギーが失われます。BFガストップ圧力回収タービン（TRT）は、BFガスの熱と圧力エネルギーを利用してタービンを駆動するメカニズムです。タービンで生成された仕事は発電機に伝達され、電力に変換されます。TRTは、圧力低下に伴うガス体積膨張という全ガスに共通の特性を利用して発電します。システムは集塵装置、ガスタービン、発電機で構成されます。

TRTの基本性能とメリット

TRTは基本的にBFでの省エネ対策であり、BFトップガスの廃棄圧力エネルギーを利用して電力を生成します。TRTユニットは、溶銑1トンあたり約15〜60kWhを生産できます。その出力は、BFのすべての設備（送風機を含む）に必要な電力の約30%を賄えます。TRTユニットを通過したBFガスは、依然として製鉄所で燃料として使用可能です。

製鉄プロセスでは、高圧・高温のBFガスが高炉で生成されます。従来の実践では、セプタムバルブでの減圧によりBFガスのエネルギーが浪費されていました。TRTユニットの装備は、BFガスの圧力エネルギーと熱エネルギーを回収する最良の方法です。TRTユニットは通常、高炉のガス精製設備の下流に設置されます。通常、容量1,000m³以上の高炉にTRTを装備するのが経済的です。

TRTシステムは、膨張タービンを使用して高圧BFトップガスの物理エネルギーを電気に変換する発電システムです。圧力差は低いものの、巨大なガス量が回収を経済的に実現可能にします。TRTの鍵となる技術は、ダスティな高炉条件下で膨張タービンの安定した高効率運転を確保し、BF操業を妨げないことです。

TRT性能を決定する主要パラメータ

TRTの性能と出力を決定するいくつかの主要パラメータがあります。これらは以下の通りです。

• BFトップガス量
• 高炉トップでのBFガス圧力
• ガス精製プラント（GCP）での圧力損失
• GCP後のBFガス温度
• TRT出口でのBFガス圧力
• 高炉トップでのBFガス品質
• TRT効率
• TRTと連結した発電機の効率

高炉トップガスは通常、約5g/Nm³のダストを含み、ガス精製プラント（GCP）を通じてダスト量を5mg/Nm³未満に減らす必要があります。ダスト含有量の低減はTRTの適切な運転に必要です。

TRTユニット付きBFトップガスシステムは、ダスト除去方法によってウェット系とドライ系のガス精製に分類されます。ドライ系は水と電力を少なく使用します。圧力損失が少なく、ガス温度がウェット系比で約50℃高くなります。ドライ式ガス精製では、TRTシステムは通常30%多くの電力を生産でき、最大60%多く発電する可能性があります。したがってドライ系はより有利な経済性を持つと見なされます。

タービンにはラジアル型とアキシャル型の2種類があります。現在、アキシャルタービンがTRTで広く使用されています。大流量に対処するのにより適しているためです。TRTは通常、軸流反動設計の多段可変膨張タービンで、水平分割ケーシングと3,000rpmのガバナ速度を備えています。TRTは通常ブラシレス励磁同期発電機を採用します。発電機は通常、接続されるタービンによって課されるすべての負荷条件下で運転できるよう適切に設計されます。TRT発電機は通常6.6kVで発電し、6.6kV/33kV昇圧変圧器で33kVに昇圧されます。

トップ圧力制御と運転

トップ圧力の安定性は極めて重要です。トップ圧力の小さな変動はBF操業に有利です。トップ圧力は、BFガス量の増減に応じてタービンの第1段固定翼を開閉することで制御されます。従来のタービンでは、ガバナバルブも組み合わせてトップ圧力制御に使用されていました。しかし、ガバナバルブは固定翼に比べて大きな圧力損失を誘発し、電力回収と騒音防止の観点から不利でした。したがって、現在広く使用されているシステムでは、ガバナバルブを廃止し、トップ圧力を第1段固定翼のみで制御しています。

ウェット系とドライ系TRTの典型的な概略フロー図を図1に示します。

ガス精製装置でダストが回収された後、清浄BFガスは入口バタフライバルブと入口ゴーグルバルブを通じてタービンに導かれます。通常閉バパスバルブと開放緊急遮断バルブが非常用として使用されます。

TRTでは、タービンで生成された機械的仕事が発電機に伝達され電力になります。低圧・低温のBFGは出口ゴーグルバルブを通じてガスラインに入ります。

TRTの運転は、(i) 起動フェーズと (ii) 正常運転フェーズの2段階に分けられます。起動フェーズでは、油圧サブシステムなどすべての準備をチェックします。次にBFオペレーターにTRT起動信号を送ります。BFオペレーターが同意すれば、入口バタフライバルブと緊急遮断バルブが開きます。タービン速度は入口バタフライバルブで制御し、トップガス圧力はセプタムバルブで制御します。タービンが所要回転数に達するまで、セプタムバルブをゆっくり閉じます。その後、起動フェーズから正常運転フェーズに移行します。正常運転フェーズでは、トップガス圧力はタービンの第1段固定翼によって完全に制御されます。トップ圧力は、タービンの第1段固定翼を開閉することで制御されます。

所望のトップガス圧力とトップガス量が利用できない状況では、ガスをTRTバイパスさせることができます。回路に設けられた密閉型高圧ゴーグルバルブは、TRT完全分離時（例：メンテナンスフェーズ）でも高炉の無停止運転を保証します。

TRTシステムは製鉄所の配電システムと同期できます。TRTプラントは通常、高炉と同じ可用性、すなわち年間350日の運転を持ちます。TRT発電所の補機消費電力は非常に低いです。

TRTは実証済み技術であり、設置や運転にほとんどリスクはありません。何らかの理由でTRTシステムが故障した場合、膨張ガスは既存のスクラバーで対応されます。これはTRTシステムを持たない高炉では通常の状態です。

高炉操業への影響はなく、BFガスは消費されません。BFガスは非常に可燃性であるため、通常プラントの他の部分で熱やエネルギーを生成するために利用されます。TRTシステム設置により、BFガスはタービンで一度、通常用途で燃焼させて二度、効果的にエネルギーを生成します。

TRTは、プロセス廃ガス流の圧力エネルギー利用を可能にするクリーンでエネルギー効率の高い技術です。TRTは省エネと温室効果ガス排出削減に使用されます。TRT設置の経済的メリットは相当大きいですが、環境上の利点も重要な考慮事項です。TRTは、この技術を用いた発電プロセスからゼロエミッションであるため非常に持続可能です。プロセスは100%グリーンです。

要するにTRTには以下の特徴があります。

• 製鉄所高炉で使用される省エネ技術
• 高炉トップ圧力制御機能を備えた発電設備
• 高炉で生成される高炉ガスを用いてタービンを駆動し発電
• 発電に燃料不要
• 燃料を燃やさないためCO2やその他の温室効果ガスを生成しない
• 発電量に応じてCO2削減に貢献
• 従来のセプタムバルブ比で騒音が少なく、高炉周辺環境の改善に貢献
• TRTシステムの運転・保守に高度な技術は不要で、BF操業・保守要員が容易に実施可能
• 運転に必要な少量の水、窒素などは、高炉の既存設備で容易に賄える