CN109563990B - 电炉用助燃燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电炉用助燃燃烧器，通过使固体燃料和气体燃料一起适当并且高效地燃烧，能够提高铁屑的加热效果并且使其均匀。本公开的电炉用助燃燃烧器(100)的特征在于，具有从中心侧依次同轴配置有固体燃料喷射管(1)、气体燃料喷射管(2)以及助燃性气体喷射管(3)的构造，在助燃性气体喷射管(3)的流路(30)设置有用于使助燃性气体回转的多片回转叶片(4)，并且在气体燃料喷射管(2)的流路(20)设置有用于使气体燃料回转的多片回转叶片(5)，回转叶片(4)的角度(θ1)和回转叶片(5)的角度(θ2)满足θ1＜θ2的关系。

Description

电炉用助燃燃烧器
技术领域
本发明涉及一种助燃燃烧器，附属设置于熔化(melt)铁屑制造铁水的电炉。
背景技术
在使用电炉熔化铁屑时，虽电极周边的铁屑快速熔化，但远离电极的场所、即位于冷点的铁屑熔化缓慢，炉内的铁屑熔化速度产生不均匀。因此，在炉内整体的操作时间中，冷点的铁屑的熔化速度受到限制。
因此，为了消除这样的铁屑的熔化速度的不均匀性，平衡良好地熔化炉内整体的铁屑，采用在冷点的位置设置助燃燃烧器，通过该助燃燃烧器对位于冷点的铁屑进行预热、切断、熔化的方法。
作为这样的助燃燃烧器，例如，在专利文献1中，提出了一种电炉用高速纯氧助燃燃烧器，为了从中心部喷出用于不燃物的飞散和用于铁屑的切割的氧气，从该氧气的外周部喷出燃料并且从该燃料的外周部喷出燃烧用氧气而做成为三重管构造的燃烧器，在该燃烧器中，为了使从心部喷出的氧气的速度为高速，在中心部的氧气喷出管的前端设置节流部，并且为了对从最外周喷出的燃烧用氧气赋予回转力，在由燃料喷出管和燃烧用氧气喷出管形成的环状空间设置回转叶片。
另外，专利文献2提出一种电炉用燃烧器设备，通过使助燃燃烧器的喷嘴前端偏心，并使燃烧器转动，使燃烧器火焰的指向性向较宽范围放大。
专利文献1：日本特开平10-9524号公报
专利文献2：日本特开2003-4382号公报
通过使用专利文献1、2记载的技术，能够使用助燃燃烧器高效地预热、熔化铁屑。然而，在专利文献1、2中，存在燃料的对象被限制为高价的气体燃料这一问题。作为廉价的燃料可举出煤等固体燃料，但一般来说，难以使固体燃料比气体燃料更快燃烧，根据条件也可能失火，向助燃燃烧器利用固体燃料有困难。另外，若固体燃料的粒径较大则在燃烧器的火焰中燃烧不完，也存在热效率非常差这一问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种电炉用助燃燃烧器，通过使固体燃料和气体燃料一起适当并且高效地燃烧，能够提高铁屑的加热效果并且使其均匀。
针对能够使用煤等固体燃料的电炉用助燃燃烧器，本发明人反复进行研究发现，在使用气体燃料和固体燃料作为燃料的重叠管构造的助燃燃烧器中，通过以特定的条件使从最外周喷射的助燃性气体和从其内侧喷射的气体燃料回转，能够使固体燃料和气体燃料一起适当并且高效地燃烧，由此碎屑加热效果提高，并且燃烧器的火焰温度变均匀。
另外，同样发现，在使用气体燃料和固体燃料作为燃料的重叠管构造的助燃燃烧器中，通过以特定的条件仅对从助燃性气体(从最外周喷射)和固体燃料(从最内周喷射)之间喷射的气体燃料施加回转，也能够使固体燃料和气体燃料一起适当并且高效地燃烧，由此碎屑加热效果提高，并且燃烧器的火焰温度均匀化。
本发明是基于这样的见解而完成的，以下为本发明的主旨。
[1]一种电炉用助燃燃烧器，附属设置于熔化铁屑制造铁水的电炉，使用气体燃料和固体燃料作为燃料，其中，具有：固体燃料喷射管，其划分出上述固体燃料所通过的第一流路，从该第一流路的前端喷射上述固体燃料；气体燃料喷射管，其配置于上述固体燃料喷射管的周围，划分出上述气体燃料在上述气体燃料喷射管与上述固体燃料喷射管的外壁之间通过的第二流路，从该第二流路的前端喷射上述气体燃料；助燃性气体喷射管，其配置于上述气体燃料喷射管的周围，划分出助燃性气体在上述助燃性气体喷射管与上述气体燃料喷射管的外壁之间通过的第三流路，从该第三流路的前端喷射上述助燃性气体；多片第一叶片，它们在上述第三流路中沿上述第三流路的周向以规定间隔配置；以及多片第二叶片，它们在上述第二流路中沿上述第二流路的周向以规定间隔配置，上述多片第一叶片与燃烧器轴线所成的角度θ1、和上述多片第二叶片与燃烧器轴线所成的角度θ2满足θ1＜θ2的关系。
[2]在上述[1]所记载的电炉用助燃燃烧器中，上述角度θ1为10°以上且50°以下，上述角度θ2为20°以上且75°以下。
[3]在上述[1]或者[2]所记载的电炉用助燃燃烧器中，θ2－θ1为15°以上且45°以下。
[4]在上述[2]或者[3]所记载的电炉用助燃燃烧器中，在将各个上述第一叶片在上述周向上的长度设为Q1，将上述多片第一叶片在上述周向上的设置间隔设为P1时，Q1/P1为1.0以上且1.2以下，在将各个上述第二叶片在上述周向上的长度设为Q2，将上述多片第二叶片在上述周向上的设置间隔设为P2时，Q2/P2为1.0以上且1.2以下。
[5]在上述[1]所记载的电炉用助燃燃烧器中，上述角度θ1为0°，上述角度θ2为10°以上且70°以下。
[6]在上述[5]所记载的电炉用助燃燃烧器中，上述角度θ2为45°以上且60°以下。
[7]在上述[5]或者[6]所记载的电炉用助燃燃烧器中，在将各个上述第二叶片在上述周向上的长度设为Q2，将上述多片第二叶片在上述周向上的设置间隔设为P2时，Q2/P2为1.0以上且1.2以下。
根据本发明的助燃燃烧器，通过使固体燃料和气体燃料一起适当并且高效地燃烧，能够提高铁屑的加热效果并且使其均匀。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的电炉用助燃燃烧器100沿着燃烧器轴线的剖视图。
图2是沿着图1的II-II线的剖视图。
图3是将图1的助燃燃烧器100中的多片回转叶片4的一部分以助燃性气体喷射管3在其周向展开的状态示出的说明图。
图4是将图1的助燃燃烧器100中的多片回转叶片5的一部分以气体燃料喷射管2在其周向展开的状态示出的说明图。
图5是本发明的第二实施方式的电炉用助燃燃烧器200沿着燃烧器轴线的剖视图。
图6是沿着图5的VI-VI线的剖视图。
图7是将图5的助燃燃烧器200中的多片回转叶片5的一部分以气体燃料喷射管2在其周向展开的状态示出的说明图。
图8是示意性地示出本发明的一实施方式的助燃燃烧器100、200的使用状况的一个例子的说明图。
图9是用于说明针对本发明的一实施方式的助燃燃烧器而改变固体燃料占全部燃料的比例之后的情况下的火焰长度的变化的图。
图10的(A)是表示在实施例中进行的助燃燃烧器的燃烧试验的方法的说明图，(B)是表示热电偶相对于在该燃烧试验中使用的铁板的设置位置的图。
具体实施方式
(第一实施方式的电炉用助燃燃烧器)
以下，参照图1～图4，对本发明的第一实施方式的电炉用助燃燃烧器100进行说明。本实施方式的助燃燃烧器100附属设置于熔化铁屑制造铁水的电炉，使用气体燃料和固体燃料作为燃料。
在助燃燃烧器100中，用于燃料以及助燃性气体供给的主体部分成为从中心侧依次同轴配置有固体燃料喷射管1、气体燃料喷射管2、以及助燃性气体喷射管3的三层管构造。固体燃料喷射管1划分出固体燃料所通过的固体燃料流路10(第一流路)，该固体燃料流路10的前端是圆形的固体燃料排出口11，从此处喷射固体燃料。气体燃料喷射管2配置于固体燃料喷射管1的周围，划分出气体燃料在该气体燃料喷射管2与固体燃料喷射管1的外壁之间通过的气体燃料流路20(第二流路)，该气体燃料流路20的前端是环状的气体燃料排出口21，从此处喷出气体燃料。助燃性气体喷射管3配置于气体燃料喷射管2的周围，划分出助燃性气体在该助燃性气体喷射管3与气体燃料喷射管2的外壁之间通过的助燃性气体流路30(第三流路)，该助燃性气体流路30的前端是环状的助燃性气体排出口31，从此处喷射助燃性燃料。
在助燃燃烧器100的前端部中，固体燃料喷射管1和气体燃料喷射管2前端一起处于沿着燃烧器轴线的相同的位置，仅最外周的助燃性气体喷射管3的前端突出10～200mm左右。各喷射管1、2、3的内径未特别限定，但一般而言，固体燃料喷射管1的内径为10～40mm左右，气体燃料喷射管2的内径为20～60mm左右，助燃性气体喷射管3的内径为40～100mm左右。各喷射管的厚度未特别限定，但一般而言，为2～20mm左右。
另外，在燃烧器后端侧，且在助燃性气体喷射管3的燃烧器后端侧，设置有助燃性气体供给口32，经由该助燃性气体供给口32向助燃性气体流路30供给助燃性气体。同样，在气体燃料喷射管2的燃烧器后端侧设置有气体燃料供给口22，经由该气体燃料供给口22向气体燃料流路20供给气体燃料。同样，在固体燃料喷射管1的燃烧器后端侧设置有固体燃料供给口12，经由该固体燃料供给口12将固体燃料和输送气体一起向固体燃料流路30供给。
在助燃性气体供给口32连接有助燃性气体供给机构(未图示)，该助燃性气体供给机构将助燃性气体向助燃性气体供给口32供给。在气体燃料供给口22连接有气体燃料供给机构(未图示)，该气体燃料供给机构将气体燃料向气体燃料供给口22供给。在固体燃料供给口12连接有固体燃料供给机构以及输送气体供给机构(均未图示)，它们将固体燃料以及输送气体向固体燃料供给口12供给。
另外，虽未图示，但在助燃性气体喷射管3的外侧还同轴配设有内侧管体和外侧管体，在上述外侧管体与内侧管体之间、和内侧管体与助燃性气体喷射管3之间形成有相互连通的冷却流体用流路(冷却流体的去路以及回路)。
作为能够用于本实施方式的助燃燃烧器的燃料，可例示出以下燃料。作为气体燃料，例如可举出LPG(液化石油气)、LNG(液化天然气)、氢气、炼铁厂副产气体(C气体、B气体等)、上述气体中的2种以上气体的混合气体等，能够使用上述气体中的1种以上。另外，作为固体燃料，可举出粉末状固体燃料，例如煤(煤粉)、塑料(粒状或者粉状的结构。包括废塑料)等，能够使用这些固体燃料中的1种以上，但特别优选煤(煤粉)。另外，作为助燃性气体，也可以使用纯氧(工业用氧)、富氧空气、空气中的任一种，但优选使用纯氧。作为输送气体，例如能够使用氮气。
[使助燃性气体喷射管成为最外周的理由]
因为在供给气体量中，助燃性气体的流量最多，所以为了使流速与其他的供给气体(气体燃料以及输送气体)一致，需要使助燃性气体排出口31的排出面积比气体燃料排出口21、固体燃料排出口11大。根据该观点，助燃性气体喷射管3位于最外周最佳。以下，以使氧气作为助燃性气体，使LNG作为气体燃料，使煤粉作为固体燃料的情况为例进行说明。
首先，燃烧所需要的氧气的量通过下述(1)式计算。
燃烧所需要的氧气量＝氧气比(系数)×[LNG流量×LNG的理论氧气量+煤粉供给量×煤粉的理论氧气量]…(1)
针对燃烧所需的氧气量，在以下条件下具体计算。即，作为计算条件，将LNG的发热量设为9700kcal/Nm3，将作为固体燃料的煤粉的发热量设为7500kcal/kg。另外，从固体燃料供给助燃燃烧器的总能量的90％，从气体燃料供给助燃燃烧器的总能量的10％。例如，在以6.2Nm3/h供给LNG时，LNG发热量为60Mcal/h。此时，需要从煤粉供给540Mcal/h，540Mcal/h是作为燃烧器的目标总发热量的600Mcal/h与作为LNG发热量的60Mcal/h的差值，煤粉的供给量约为72kg/h。另外，理论氧气量根据燃料中的碳含量、氢含量等来计算，LNG的理论氧气量为2.25Nm3/Nm3左右，煤粉的理论氧气量为1.70Nm3/kg左右。
对于氧气比，1.0～1.1的氧气过剩条件是一般的情况，在氧气比为1.1时燃烧所需要的氧气量根据上述(1)式计算为150Nm3/h(＝1.1×[6.2×2.25+72×1.7])。因此，在使用纯氧的情况下，需要LNG燃料的约25倍的流量。另外，即便与煤粉的输送氮气比较，在固气比(每单位时间固体的供给速度/每单位时间输送气体的供给速度)为12时的氮气流量仍为5.8Nm3/h左右，需要约26倍的流量。因此，为了使氧气的排出速度与燃料气体、煤粉的排出速度相同，助燃性气体排出口31需要气体燃料排出口21、固体燃料排出口11的20倍以上的排出面积(径向截面面积)。因此，在燃烧器的布局上，将助燃性气体排出口31配置于燃烧器的最外周部是合理的。另外，作为助燃性气体，如果不是使用纯氧而是使用空气，还需要5倍的流量。此时，也因相同的理由，认为将助燃性气体排出口31配置于燃烧器的最外周部是合理的。
[回转叶片]
在助燃性气体流路30中，在助燃性气体流路30的周向以规定间隔设置有用于使助燃性气体回转(在燃烧器周向上的回转。以下相同)的多片回转叶片4(第一叶片)。另外，在气体燃料流路20中，也在该气体燃料流路20的周向以规定间隔设置有用于使气体燃料回转的多片回转叶片5(第二叶片)。通过像这样以特定的条件设置的回转叶片4、5对助燃性气体和气体燃料赋予回转，从而能够使固体燃料和气体燃料一起适当并且高效地燃烧，由此碎屑加热效果提高，并且燃烧器的火焰温度均匀化。作为其结果，能够使电炉内的碎屑高效地加热或者熔化。
作为燃烧所需要的要素，可举出可燃性物质、氧气、温度(火源)这3要素。另外，关于可燃性物质的状态，燃烧的容易度依次为气体、液体、固体。这是因为若可燃性物质为气体状态，则可燃性物质与氧气的混合较容易，从而持续进行燃烧(连锁反应)。
在使用助燃燃烧器使气体燃料作为可燃性物质燃烧的情况下，虽依赖于氧气浓度、气体燃料的流速、燃烧器尖端形状，但一般而言，气体燃料刚从燃烧器前端喷射之后立即燃烧。相对于此，在使用以煤为代表的固体燃料作为可燃性物质时，难以如气体燃料那样快速燃烧。这是因为煤的点火温度为400～600℃左右，需要维持该点火温度以及需要升温至点火温度的升温时间。
固体燃料到达至点火温度的升温时间取决于固体燃料的粒径(相对表面积)，若使粒子更细，则能够缩短点火时间。这是因为燃烧反应通过维持点火温度、和可燃性物质与氧气的反应来进行。为了高效地进行燃烧反应，重要的是使煤的高效加热、和煤与氧气的反应依次发生。
本实施方式的助燃燃烧器利用气体的回转来提高上述那样的煤的高效加热、和可燃性物质与氧气的反应。
以下，以使用LNG(液化天然气)作为助燃燃烧器的气体燃料，使用煤(煤粉)作为固体燃料，使用纯氧作为助燃性气体的情况为例进行说明。此外，一般而言，燃料的点火温度为固体燃料＞液体燃料＞气体燃料。
在使用LNG和煤作为助燃燃烧器的燃料时，通过LNG和纯氧的燃烧产生煤的点火温度以上的燃烧场，通过将煤送入该燃烧场，煤温度上升至点火温度，引起煤的燃烧(气化→点火)。由于煤的温度上升所需要的热量被消耗，所以火焰温度降低，但在引起煤的点火的区域，温度上升。
通过作为燃料的LNG、煤与氧气的反应，产生作为不可燃气体的二氧化碳。不可燃气体阻碍连续燃烧(连锁反应)，成为降低燃烧性的原因。另外，煤与输送气体一起供给，但若输送气体的流量多则输送气体的比热含量的温度降低，因此一般而言，提高固气比更加提高燃烧性。然而，固气比大的状态是指煤密集的状态，是来自外部的热、氧气的反应难以向中心部传递的条件。为了使煤高效地燃烧，重要的是创造在煤的燃烧场中创造出在煤的周围充分存在热和氧气的条件。
而且，根据本发明人的研究的结果可知，通过以特定的条件对氧气(助燃性气体)和LNG(气体燃料)赋予回转，从而能够使煤以及LNG与氧气高效地混合并且均匀地燃烧，获得较高的燃烧性。即，LNG以及煤与氧气的反应迅速进行，通过该反应热将煤高效地加热，并且因反应产生的二氧化碳也由于氧气的回转而扩散。因此，可知燃烧性提高。
即，在本实施方式中，重要的是设置于助燃性气体流路30的多片回转叶片4与燃烧器轴线所成的角度θ1(图3)、和设置于气体燃料流路20的多片回转叶片5与燃烧器轴线所成的角度θ2(图4)满足θ1＜θ2的关系。其理由如下。即，对于通过对助燃性气体和气体燃料赋予回转来促进固体燃料以及气体燃料和助燃性气体的混合而言，一般增大回转角度(回转叶片与燃烧器轴线所成的角度θ)较为有效。但是，在本实施方式的助燃燃烧器中，助燃性气体从最外周部喷出，回转角度过大则反过来会过度扩散。另一方面，气体燃料相比助燃性气体从更内侧喷出，因此即使相比助燃性气体增大回转角度，由于在气体燃料外周部存在助燃性气体流所以也不会在周边扩散，反而通过增大回转角度而促进混合。换句话说，在喷嘴几何结构上，重要的是增大从助燃性气体的内侧喷出的气体燃料的回转角度。
角度θ1和角度θ2如上述那样满足θ1＜θ2的关系即可，但从更可靠地获得上述的作用这一观点出发，优选θ2－θ1为15°以上且45°以下。
另外，从更可靠地获得本发明的效果这一观点出发，设置于助燃性气体流路30的回转叶片4的角度θ1优选为10°以上且50°以下，设置于气体燃料流路20的回转叶片5的角度θ2优选为20°以上且75°以下。
若回转叶片4的角度θ1不足10°，则恐怕无法对助燃性气体赋予充分的回转。另一方面，若回转叶片4的角度θ1超过50°，则恐怕助燃性气体过于向外侧扩散，而无法创造出在燃烧场中煤的周围存在足够的热、氧气的条件。根据以上观点，更优选回转叶片4的角度θ1为20°以上且45°以下。
另外，若回转叶片5的角度θ2不足20°，则恐怕无法对气体燃料赋予充分的回转。另一方面，若回转叶片5的角度θ2超过75°则与助燃性气体的混合容易不充分，恐怕产生停滞区域而使燃烧不充分。根据以上观点，更优选回转叶片5的角度θ2为45°以上且65°以下。
针对回转叶片4、5的数量、回转叶片4、5的壁厚等，未特别限制，但为了对气体(助燃性气体、气体燃料)赋予充分的回转但不阻碍气体的流动并且防止叶片变形，回转叶片4、5的数量分别为8片以上且16片以下，叶片的壁厚为1～10mm左右较为适当。
另外，回转叶片4、5在燃烧器轴向上的设置位置只要在气体流路(助燃性气体流路30、气体燃料流路20)内则未特别限制，但若从气体流路的前端(助燃性气体排出口31、气体燃料排出口21)离开过远，则恐怕在回转叶片4、5通过的气体彼此混合前无法维持成为目标的回转角度。另一方面，若回转叶片4、5的设置位置过于靠近气体流路的前端(助燃性气体排出口31、气体燃料排出口21)，则用于保持回转角度的帮助流动时间短，因此难以产生保持了如目标那样的回转角度的回转流(助燃性气体流、气体燃料流)。因此，图3所示的回转叶片4的助燃性气体排出口31侧的前端与助燃性气体排出口31在燃烧器轴向上的距离LB1、以及图4所示的回转叶片5的气体燃料排出口21侧的前端与气体燃料排出口21在燃烧器轴向上的距离LB2分别优选为10～50mm左右。
另外，为了获得稳定的回转流，图3所示的回转叶片4在燃烧器轴向上的长度LA1、以及图4所示的回转叶片5在燃烧器轴向上的长度LA2分别优选为20mm以上。另外，从叶片的制造成本的观点出发，该长度LA1以及LA2分别优选为100mm以下。
另外，在将图3所示的各个回转叶片4在助燃性气体流路30的周向上的长度(周长)设为Q1，将回转叶片4在助燃性气体流路30的周向上的间隔设为P1时，优选使Q1/P1(重叠率)成为1.0以上且1.2以下。同样，在将图4所示的各个回转叶片5在气体燃料流路20的周向上的长度(周长)设为Q2，将回转叶片5在气体燃料流路20的周向上的间隔设为P2时，优选使Q2/P2(重叠率)成为1.0以上且1.2以下。若Q1/P1或者Q2/P2不足1.0，则难以对气体流动赋予回转，其结果是，火焰温度的均匀化较困难。另一方面，若Q1/P1或者Q2/P2超过1.2，则气体流动时的阻力变大，因此相对于气体的流动，压力损失变大，难以流动，其结果是，依然难以使火焰温度均匀化。此外，如图3所示，全部回转叶片4优选距离LB1、在燃烧器轴向上的长度LA1、以及周长Q1相同，间隔P1也为等间隔。另外，如图4所示，全部回转叶片5优选距离LB2、在燃烧器轴向上的长度LA2、以及周长Q2相同，间隔P2也为等间隔。
另外，回转叶片4的回转方向和回转叶片5的回转方向优选为相同的方向，但也可以是不同方向。
回转叶片4、5也可以为其本身装入管体(喷射管)的方式，也可以为通过实施与管体成为一体构造那样的机械加工而制成。
(第二实施方式的电炉用助燃燃烧器)
以下，参照图1～图7，对本发明的第二实施方式的电炉用助燃燃烧器200进行说明。本实施方式的助燃燃烧器200除了回转叶片的结构之外，其他具有与第一实施方式的助燃燃烧器100相同的结构。因此，以下以回转叶片的结构为中心进行说明，除此以外引用第一实施方式的记载。
[回转叶片]
在本实施方式中，仅在气体燃料流路20，沿其周向以规定间隔设置有用于使气体燃料回转的多片回转叶片5。另一方面，未在助燃性气体流路30设置回转叶片。但是，不是以助燃性气体的回转为目的而是以将气体燃料喷射管2和助燃性气体喷射管3以同芯状保持为目的，在助燃性气体流路30设置有第一实施方式中的角度θ1为0°的第一叶片(图5中未图示)。
通过像这样以特定的条件设置的回转叶片5对气体燃料赋予回转，从而获得气体燃料、固体燃料以及助燃性气体的混合促进作用，能够使固体燃料与气体燃料一起适当并且高效地燃烧，由此碎屑加热效果提高，并且燃烧器的火焰温度均匀化。作为其结果，能够高效地加热或者熔化电炉内的碎屑。
在本实施方式中，助燃性气体不回转而直行。因此，即使对气体燃料以比较大的回转角度赋予回转，直行的助燃性气体的流动也发挥一种墙壁那样的作用。因此，助燃性气体未朝向外侧方向扩散，燃烧性未降低。并且，通过不使助燃性气体回转而仅使气体燃料回转，从而能够确保助燃性气体的直行性并且促进混合，因此能够提高燃烧器火焰的直行性。即，能够增加后述的图9所说明的燃烧器火焰长度。因此，本实施方式的助燃燃烧器200可以说在需要增加燃烧器火焰的直行性的情况下特别有效。
根据本发明人的研究结果可知，在本实施方式中，通过以特定的条件对气体燃料赋予回转，从而能够使煤以及LNG和氧气高效地混合并且均匀地燃烧，获得较高的燃烧性。即，LNG以及煤和氧气的反应迅速地进行，通过该反应热将煤高效地加热，并且因反应而产生的二氧化碳也通过气体燃料的回转而扩散。因此，可知燃烧性提高。
即，在本实施方式中，需要使回转叶片5与燃烧器轴线所成的角度θ2(图7)成为10°以上且70°以下。若该回转叶片5的角度θ2不足10°，则无法对气体燃料赋予充分的回转，无法充分获得前述那样的本发明所期待的作用效果(混合促进作用)。另一方面，即使回转叶片5的角度θ2超过70°也获得混合促进作用，但燃烧器火焰的直行性降低，燃烧器火焰长变短。根据以上观点，角度θ2为10°以上且70°以下，但更优选为45°以上且60°以下。
此外，针对回转叶片5的数量、壁厚、回转叶片5的气体燃料排出口21侧的前端与气体燃料排出口21在燃烧器轴向上的距离LB2、回转叶片5在燃烧器轴向上的长度LA2、图7所示的Q2/P2(重叠率)等方面的优选条件、使助燃性气体喷射管2成为最外周的理由等与前述的第一实施方式相同。
根据以上说明的本发明的第一以及第二实施方式的助燃燃烧器100、200，通过使固体燃料与气体燃料一起适当并且高效地燃烧，从而碎屑加热效果提高，并且燃烧器的火焰温度均匀化。因此，能够使用煤等廉价的固体燃料使铁屑高效地加热或者熔化。并且，在本实施方式的助燃燃烧器100、200中，起到以下的附加效果。即，在本实施方式中，通过改变固体燃料占全部燃料的比例(发热量换算，以下仅称为“固体燃料比例”。)，能够根据与想要加热或者熔化的碎屑之间的距离，任意地调整火焰长度。另外，一般而言，助燃燃烧器气体流速比较小，因此有时由于飞散来的铁水、熔渣的喷溅而堵塞气体排出口，但在本实施方式中，通过固体燃料的输送气体清除喷溅，因此难以产生由于喷溅引起的气体排出口的堵塞。
图8是示意性地示出本实施方式的助燃燃烧器100、200的使用状况的一个例子(电炉的径向上的纵剖面)，7是炉体，8是电极，100、200是助燃燃烧器，x是碎屑。助燃燃烧器100、200设置为具有适当的倾角。助燃燃烧器100、200通常设置多个，以便能够加热或者熔化电炉内的处于所谓冷点的碎屑。
此处，根据助燃燃烧器所使用的燃料的点火温度，火焰长度产生不同。固体燃料与气体燃料点火温度不同，因此通过改变固体燃料比例，能够任意调整助燃燃烧器的火焰长度(换句话说，从燃烧器离开某距离的位置处的火焰温度)。
如前述那样，在本实施方式的助燃燃烧器中，通过气体燃料和助燃性气体的燃烧，产生固体燃料的点火温度以上的燃烧场，通过将固体燃料送入该燃烧场，固体燃料温度上升至点火温度，引起固体燃料的燃烧(气化→点火)。由于固体燃料的温度上升所需要的热量被消耗，所以火焰温度降低，但在引起固体燃料的点火的区域，温度上升。因此，对于在本实施方式的助燃燃烧器中产生的火焰而言，在固体燃料比例低时，接近燃烧器前端的位置成为高温(即成为较短的火焰)，但若提高固体燃料比例，则由于固体燃料的吸热后的发热，在距燃烧器前端较远的位置也成为高温(即成为较长的火焰)。因此，通过改变固体燃料比例，能够控制火焰长度(换句话说，从燃烧器离开某距离的位置处的火焰温度)。
图9是示意性地示出针对本实施方式的助燃燃烧器而改变了固体燃料比例的情况下的火焰长度的变化。在该图中，实线是在燃烧器轴向上距燃烧器前端离开0.2m的位置处的火焰温度，虚线是同样距燃烧器前端离开0.4m的位置处的火焰温度，横轴是气体燃料+固体燃料中的固体燃料的比例。根据图9，在固体燃料比例低的条件下，处于燃烧器附近的0.2m位置处的火焰温度为高温，但在0.4m位置处产生急剧的温度降低。即，火焰长度短。另一方面，在固体燃料比例高的条件下，处于燃烧器附近的0.2m位置处的火焰温度与气体燃料100％的情况比较而成为低温，但在0.4m位置处也几乎不会产生温度降低。即，火焰长度长。这是由于在燃烧器附近，气体燃料优先燃烧，在其火焰内已高温化的固体燃料在0.4m位置处燃烧，温度被维持。
在电炉的操作中，通过碎屑的装入、追加装入、熔化，使助燃燃烧器与碎屑的距离变化。一般而言，助燃燃烧器与碎屑的距离在操作开始时、追装后的初始阶段较小，随着碎屑的熔化的进行而逐渐变大。这是由于最初从接近助燃燃烧器的碎屑依次熔化，所以随着碎屑的熔化的进行而未熔化的碎屑与助燃燃烧器的距离逐渐变大。本实施方式的助燃燃烧器通过根据与想要加热或者熔化的碎屑的距离来改变固体燃料比例来调整(变更)火焰长度，能够和碎屑与助燃燃烧器的距离无关地使火焰到达碎屑。即，在助燃燃烧器与碎屑的距离较小时，降低固体燃料比例，缩短火焰长度，在助燃燃烧器与碎屑的距离较大时，提高固体燃料比例，增大火焰长度。由此，能够高效地加热或者熔化碎屑。
具体而言，在电炉的一般操作(一次充电的操作)中，装入碎屑2～3次左右。在初次装入碎屑后，通过通电开始、助燃燃烧器使用开始而开始电炉的操作。针对操作开始时的状态，有使前一操作的铁水一部分残留而在下部存在熔融金属的情况、和使前一操作的铁水全部送出而炉内为空的情况，但在操作方法上没有很大不同。在碎屑装入后的初始阶段，处于容积密度高、碎屑填充于整个电炉内的状况。因此，成为助燃燃烧器前端部与碎屑的距离较近的状态。在碎屑装入后的初始阶段，助燃燃烧器前端部与碎屑的距离大约为0.5m左右。这是因为若助燃燃烧器前端部与碎屑的距离过近，则在碎屑熔化时产生的喷溅熔敷于助燃燃烧器。另外，助燃燃烧器前端部高度的位置也基于炉的特性，但一般位于距离碎屑熔化滴落后的液面高度1m以上的上方。
随着操作推进，从与铁水接触的下部、电极附近、助燃燃烧器附近的碎屑开始，熔化推进。助燃燃烧器附近的碎屑在碎屑装入后的初始阶段处于上部的碎屑伴随着熔化而落下，因此始终存在0.5m左右的距离，但若上部的碎屑消失，则与碎屑的距离变远。若与碎屑的距离变远，则无法对碎屑高效地供给助燃燃烧器的热，因此以往也有时进行停止助燃燃烧器的操作。相对于此，在使用本实施方式的助燃燃烧器的操作中，在碎屑接近时，降低固体燃料比例而利用较短的火焰熔化碎屑，在熔化推进从而碎屑的距离变远时，通过提高固体燃料比例，利用较长的火焰熔化碎屑。由此，能够高效地熔化更多的碎屑，能够实现操作时间的缩短以及电力消耗率的减少。由于通过碎屑2～3次左右的装入而使助燃燃烧器与碎屑的距离变化，所以通过每次适当地改变固体燃料比例，能够高效地熔化碎屑。
在上述操作时，需要掌握助燃燃烧器与碎屑的距离，但例如能够在助燃燃烧器设置激光测距仪，能够通过该激光测距仪测定至碎屑为止的距离。另外，能够通过排渣口等的窗利用监视相机观察炉内的状况，根据电炉的构造，通过基于该监视相机的炉内的观察能够掌握至碎屑为止的距离。另外，也有时从操作数据获得对掌握距离有用的信息。
实施例
[实施例1]
使用图1～图4所示的构造的助燃燃烧器加热铁板，并进行了铁板的温度测定。燃烧器的燃烧条件如表1所示。
燃料使用LNG(气体燃料)和煤粉(固体燃料)，助燃性气体使用纯氧。将氮气作为输送气体，从中心的固体燃料喷射管喷射煤粉，并且从该固体燃料喷射管的外侧的气体燃料喷射管喷射LNG，从该气体燃料喷射管的外侧(最外周)的助燃性气体喷射管喷射纯氧。煤粉的规格如表2所示。
表3示出在各水平中的助燃性气体喷射管内的回转叶片的角度θ1、气体燃料喷射管内的回转叶片的角度θ2、Q1/P1的值、以及Q2/P2的值。此外，角度0°的回转叶片不是为了助燃性气体、气体燃料的回转而设置的部件，而是作为将气体燃料喷射管2与助燃性气体喷射管3、以及固体燃料喷射管1与气体燃料喷射管2分别以同芯状保持的部件而设置。此外，在全部水平中，回转叶片的数量为8片，LB1以及LB2为40mm，P1以及P2为30mm。
图10简要地示出使用助燃燃烧器的燃烧试验。图10的(A)表示燃烧试验的方法，图10的(B)表示在该燃烧试验中热电偶相对于铁板的设置位置。
温度测定所使用的铁板的尺寸为纵向500mm，横向500mm，厚度4mm，使用SS400。为了测定铁板的温度，在燃烧器火焰的照射面的相反一侧设置有K型热电偶，在板中央设置有1处，在距中央左右100mm的位置各设置有1处，在距中央左右200mm的位置各设置有1处，共计设置有5处。并且，在设置有K型热电偶的铁板面侧设置有厚度25mm的隔热材料(防火板)。在与助燃燃烧器对置的前表面设置有用于导入燃烧器火焰的开口的炉(炉内温度：室温)内配置该带隔热材的铁板。假定电炉操作，从燃烧器前端至铁板的距离为1.0m。
将燃烧器点火作为实验开始，在数据记录器中获取设置于铁板的热电偶的输出，测定铁板从300℃至1000℃的升温速度，求出铁板宽度方向上的热电偶5点的升温速度的平均值、最大值、最小值。另外，求出升温速度的[最大值]－[平均值]、以及[平均值]－[最小值]。这些结果如表3所示。
基于铁板的升温速度，根据以下的判定基准进行综合评价，使“○”、“△”为合格，“×”为不合格。结果如表3所示。此外，认为铁板的升温速度在铁板宽度方向上的平均值不足200℃/分的情况基本上不满足作为燃烧器的性能。
○：升温速度的平均值为200℃/分以上，并且升温速度的[最大值]－[最小值]为100℃/分以下
△：升温速度的平均值为200℃/分以上，并且升温速度的[最大值]－[平均值]和[平均值]－[最小值]均为100℃/分以下，并且升温速度的[最大值]－[最小值]为超100℃/分且200℃/分以下
×：不满足以下(1)～(4)条件中的一个以上。(1)升温速度的平均值为200℃/分以上，(2)升温速度的[最大值]－[平均值]为100℃/分以下，(3)升温速度的[平均值]－[最小值]为100℃/分以下，(4)升温速度的[最大值]－[最小值]为200℃/分以下
如从表3可知的那样，对于角度θ1以及θ2为0°的No.1而言，升温速度的平均值较低为187℃/分(最大值228℃/分，最小值152℃/分)，加热能力存在问题。
No.5、7、8为θ1＞θ2，不满足本发明条件，因此气体燃料、固体燃料以及助燃性气体的混合促进作用不充分，因此升温速度的平均值较低为不足200℃/分，与No.1相同，加热能力存在问题。
相对于此，作为本发明例的No.2～4、6、9～14具有较高的加热能力，并且升温速度的不一致小，因此能够稳定地加热较广的面积。因此，能够均匀地加热碎屑，对于操作上成为问题的碎屑的不均匀熔化有效。
另外，在本发明例中，属于角度θ1为20°以上45°以下并且角度θ2为45°以上且65°以下的发明例、而且θ2-θ1为15°以上且45°以下的发明例的No.3、4、9，整体来看，升温速度的平均值更高且升温速度的不一致更小。即，这些可以说是特别优选的助燃燃烧器。
另外，若将回转叶片的角度固定为θ1＝20°、θ2＝45°，对将Q1/P1以及Q2/P2的值进行了各种变更的No.3、11～14进行比较，则在使Q1/P1以及Q2/P2的值成为1.0以上且1.2以下的No.3、12、13中，升温速度的平均值更高且升温速度的不一致更小。
该试验中的燃烧器输出600Mcal/h为设置于60t/ch的电炉的规模，实施了实际机器规模中的试验。因此，可知在实际机器的电炉中也能够期待相同效果。
表1
燃烧器输出 600Mcal/h
固体燃料吹入量 72kg/h
固体燃料输送气体流量 5.8Nm<sup>3</sup>/h
气体燃料流量 6.2Nm<sup>3</sup>/h
助燃性气体流量 150Nm<sup>3</sup>/h
表2
煤种(品名) MDT
总碳(质量％) 81.7
固定碳(质量％) 76.9
挥发量(质量％) 13.4
灰烬(质量％) 9.7
S(质量％) 0.34
低位发热量(kcal/kg) 7511
粒径d(90)(μm) 200
Figure BDA0001958090050000171
[实施例2]
使用图5～图7所示的构造的助燃燃烧器加热铁板，进行了铁板的温度测定。燃烧器的燃烧条件(表1)、所使用的气体燃料、固体燃料(表2)以及助燃性气体、燃烧试验的方法(图10)、试验结果的评价等与[实施例1]相同。
表4示出在各水平中的气体燃料喷射管内的回转叶片的角度θ2以及Q2/P2的值。此外，角度0°的回转叶片不是为了气体燃料的回转设置的部件，而是作为将固体燃料喷射管1与气体燃料喷射管2以同芯状保持的部件而设置。此外，在全部水平中，回转叶片的数量为8片，LB2为40mm，P2为30mm。
试验结果如表4所示。如从表4可知的那样，θ2为0°的No.1是与表3的No.1实质相同的助燃燃烧器，升温速度的平均值低，加热能力存在问题。
No.2由于θ2过小，所以无法对气体燃料赋予充分的回转，未充分获得混合促进作用。因此，升温速度的平均值较低为189℃/分(最大值241℃/分，最小值118℃/分)，与No.1相同，加热能力存在问题。
No.7由于θ2过大，所以燃烧器火焰的直行性减少而燃烧器火焰长变短，因此，升温速度的平均值极低为170℃/分(最大值198℃/分，最小值115℃/分)，加热能力存在问题。
相对于此，作为本发明例的No.3～6、8～11具有较高的加热能力，并且升温速度的不一致小，因此能够稳定地加热较广的面积。因此，能够均匀地加热碎屑，对于操作中成为问题的碎屑的不均匀熔化有效。
另外，在本发明例中，使回转叶片的角度θ2为45°以上且60°以下的No.4、5升温速度的平均值格外高且升温速度的不一致格外小(升温速度的[最大值]－[最小值]为100℃/分以下)，因此可以说是特别优选的助燃燃烧器。
另外，若将回转叶片的角度固定为θ2＝60°，对将Q2/P2的值进行了各种变更的No.5、8～11进行比较，则在使Q2/P2的值成为1.0以上且1.2以下的No.5、9、10中，升温速度的平均值更高且升温速度的不一致更小。
表4：
Figure BDA0001958090050000191
工业上的可利用性
根据本发明的助燃燃烧器，通过使固体燃料和气体燃料一起适当并且高效地燃烧，能够提高铁屑的加热效果并且使其均匀。
附图标记说明
100、200...电炉用助燃燃烧器；1...固体燃料喷射管；2...气体燃料喷射管；3...助燃性气体喷射管；4...回转叶片(第一叶片)；5...回转叶片(第二叶片)；7...炉体；8...电极；x...铁屑；10...固体燃料流路(第一流路)；11...固体燃料排出口；12...固体燃料供给口；20...气体燃料流路(第二流路)；21...气体燃料排出口；22...气体燃料供给口；30...助燃性气体流路(第三流路)；31...助燃性气体排出口；32...助燃性气体供给口；θ1...回转叶片4与燃烧器轴线所成的角；Q1...回转叶片4在第三流路周向上的长度；P1...回转叶片4在第三流路周向上的设置间隔；θ2...回转叶片5与燃烧器轴线所成的角；Q2...回转叶片5在第二流路周向上的长度；P2...回转叶片5在第二流路周向上的设置间隔。

Claims (3)

1.一种电炉用助燃燃烧器，附属设置于熔化铁屑制造铁水的电炉，使用气体燃料和固体燃料作为燃料，其中，具有：
固体燃料喷射管，其划分出所述固体燃料所通过的第一流路，从该第一流路的前端喷射所述固体燃料；
气体燃料喷射管，其配置于所述固体燃料喷射管的周围，划分出所述气体燃料在所述气体燃料喷射管与所述固体燃料喷射管的外壁之间通过的第二流路，从该第二流路的前端喷射所述气体燃料；
助燃性气体喷射管，其配置于所述气体燃料喷射管的周围，划分出助燃性气体在所述助燃性气体喷射管与所述气体燃料喷射管的外壁之间通过的第三流路，从该第三流路的前端喷射所述助燃性气体；
多片第一叶片，它们在所述第三流路中沿所述第三流路的周向以规定间隔配置；以及
多片第二叶片，它们在所述第二流路中沿所述第二流路的周向以规定间隔配置，
所述多片第一叶片与燃烧器轴线所成的角度θ1、和所述多片第二叶片与燃烧器轴线所成的角度θ2满足θ1＜θ2的关系，
所述角度θ1为10°以上且50°以下，所述角度θ2为20°以上且75°以下。
2.根据权利要求1所述的电炉用助燃燃烧器，其中，
θ2－θ1为15°以上且45°以下。
3.根据权利要求1或2所述的电炉用助燃燃烧器，其中，
在将各个所述第一叶片在所述周向上的长度设为Q1，将所述多片第一叶片在所述周向上的设置间隔设为P1时，Q1/P1为1.0以上且1.2以下，
在将各个所述第二叶片在所述周向上的长度设为Q2，将所述多片第二叶片在所述周向上的设置间隔设为P2时，Q2/P2为1.0以上且1.2以下。
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