JP2001200308A

JP2001200308A - 微粉炭吹込みバーナー

Info

Publication number: JP2001200308A
Application number: JP2000014000A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Furukawa; 武古川
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2001-07-24
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: JP4341131B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼性良好で、大量の微粉炭吹込みができ、
微粉炭酸素比が大きく酸素ガス使用量を低減することが
できる微粉炭吹込み燃焼用のバーナー。【解決手段】中央部に炉内観察孔１’、その外側に同
心円状に微粉炭吹込みノズル２、羽口先温度調整ガスノ
ズル３が複数個並べて設けられ、同心円上に酸素ガスノ
ズル４が複数個並べて設ける。羽口先温度調整ガスノズ
ル及び酸素ガスノズルの少なくとも一方は、円管で構成
されている。微粉炭吹込みノズル及び酸素ガスノズル
は、微粉炭吹込みノズルから噴射される円筒状微粉炭流
体の噴射方向と酸素ガスの噴射方向との交点を、微粉炭
バーナーの前方先端に設けられる羽口の内面先端Ｐより
も上記炉の内側方向に位置させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、微粉炭を酸素ガ
スで燃焼させるバーナーに関するものであり、微粉炭を
高炉その他の広範囲の工業用反応炉ないし工業用反応容
器、あるいは工業用加熱炉等において安価な燃料あるい
は還元剤として、効率よく燃焼させるための微粉炭バー
ナーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高炉製錬において使用されるコークス
は、高炉内での燃料及び鉄鉱石の還元剤として作用し、
このコークスの原料は、高品質の粘結炭である。しかし
ながら、この粘結炭は高価であり、埋蔵量も多くない。
そこで高炉コークス用の原料炭の使用量を節減するため
に、その代替として安価で埋蔵量も豊富な非粘結炭を微
粉炭の形態で直接高炉に吹き込む、いわゆる微粉炭吹込
み操業が各所で行なわれ、できるだけ多量の微粉炭を吹
き込むための技術開発が行なわれている。

【０００３】従来、微粉炭を高炉へ吹き込む方法とし
て、高炉下部の羽口手前の送風支管の直管部にその外側
から斜めにいわゆる微粉炭バーナーを差し込み、熱風中
に微粉炭を吹込み、これを酸素ガスで燃焼させつつ炉内
に吹き込む方法が知られている。

【０００４】ところが微粉炭は粉状の固体燃料であるか
ら、例えば、重油等の液体燃料と比べると燃焼性に劣
る。そこで、その燃焼性改善のために、送風中の酸素濃
度を高めたり、送風温度を高め、更にバーナーをできる
だけ羽口から手前に離れた位置に設置することにより、
羽口から炉内に流入するまでの間に微粉炭の燃焼を促進
する等の対策がとられている。

【０００５】しかしながら、微粉炭に含まれる灰分は、
微粉炭の燃焼に伴う高温状態において溶融状態になり、
羽口内面に付着して羽口口径を狭くしたり変形させたり
して、羽口からの送風の制御性を損ない、そのために炉
内の反応制御が困難になり、高炉操業の安定性を損な
う。また、未燃微粉炭の炉内蓄積により炉内の通風性を
低下させ、炉況の悪化を招く。

【０００６】従って、微粉炭バーナーの設計とその適切
な使用は、微粉炭の燃焼性を向上させて未燃微粉炭の発
生を防止し、高炉操業の安定性を確保しつつ、微粉炭吹
込量を増やすために極めて重要な課題である。

【０００７】上記課題に対して、例えば、特開平７−２
３４８９号公報には、微粉炭の燃焼性向上と羽口内面へ
の灰分の付着防止を図りつつ微粉炭を大量に吹き込むこ
とができる微粉炭バーナーの開発を目的として、バーナ
ーの軸芯線を含む中央部から微粉炭を噴出させ、その周
りを取り囲んで複数の孔から酸素ガスを噴出させ、微粉
炭と酸素ガスの噴出軸芯線が当該バーナーのノズルの先
端より前方で交わるようにして両者を混合し、燃焼させ
る微粉炭バーナーを提案し、この微粉炭バーナーを高炉
下部羽口に連設する送風支管の直管部に、その外側から
斜めに差し込み、熱風中に上記混合流体を噴射して燃焼
させる技術を開示している（以下、「先行技術１」とい
う）。

【０００８】また、特開平１−２６８８９０号公報に
は、高酸素濃度送風ガスによる高炉操業において、微粉
炭バーナーの軸芯部に炉内観察用の窓を設け、これより
得られた情報を炉熱制御もしくは高炉の計算制御のため
に入力して、高炉の安定操業を図り、炉況を悪化させる
ことなく、且つ羽口寿命を短くすることなく大量の微粉
炭を吹き込むことを目的として、微粉炭バーナーに上記
炉内観察用の管を設け、その外側に、順次、微粉炭吹込
み管、羽口先の温度を調整するためのガスを吹き込む羽
口先温度調整ガス管、及び酸素ガス管を同心円状にスリ
ット形態のノズル管を配した微粉炭バーナーが開示され
ている。そして、微粉炭と各種ガスとの混合流体の進行
方向を、羽口出口の手前の所定距離の位置よりも炉の内
側に向けた構造に設計して燃焼性の向上を図っている
（以下、「先行技術２」という）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】コークスの代替として
高炉に微粉炭を吹き込む場合には、高炉の安定操業を確
保しつつ、安価に微粉炭の吹込み量を増やすことができ
る微粉炭吹込み用バーナーの開発が重要である。そのた
めに、微粉炭バーナーが備えるべき性能として、上述し
た微粉炭の燃焼特性を向上させることにより未燃微粉炭
の発生を防止して炉内の通風性の悪化を防止すると共
に、一定量の酸素ガスにより燃焼する微粉炭量（以下、
「微粉炭酸素比」）を上げて酸素使用量を低減しつつ、
且つ多量の微粉炭を吹き込むことができることが重要で
ある。更に、羽口内面への微粉炭中灰分の融着・堆積に
よる羽口断面形状・寸法の縮小変形を防止する設計が必
要である。

【００１０】上記課題に対して、先行技術１及び先行技
術２ではいずれも十分な解決をすることができない。即
ち、先行技術１では、羽口への灰分の融着・堆積なしに
微粉炭吹込みが可能である微粉炭酸素比は十分満足すべ
きレベルに達していない。例えば、羽口への灰分の融着
・堆積が発生しない条件下で微粉炭吹込み量が最大とな
ったときの微粉炭酸素比を、同公報記載の実施例での数
値を用いて算出すると、０．７０ｋｇ−微粉炭／Ｎｍ³
−Ｏ₂ガスとなる。先行技術２では、同心円状スリット
ノズルの均一加工が難しく、特に３００〜３５０ｍ／ｓ
程度の高速で噴出する酸素ガス流は円周方向に不均一に
なり易い。このように、ガス流速を大きくすると噴出ガ
スに偏流が発生し、微粉炭と各ガスとの混合性が低下
し、燃焼特性が低下する。従って、酸素ガスの流速を十
分に大きくできないので、微粉炭吹込量増加にも限界が
ある。

【００１１】この発明の目的は、上述した問題を解決し
て、燃焼性が良好で、大量の微粉炭吹込みができ、且つ
微粉炭酸素比が大きく酸素ガス使用量を低減することが
できる、微粉炭吹込み燃焼用のバーナーを開発すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願発明者等は、上述し
た観点から鋭意研究を重ねた結果、微粉炭を円環状スリ
ットノズルから円筒状流体で吹き込み、高速酸素ガスを
ノズル孔から吹き込んで混合流体を形成することによ
り、微粉炭の燃焼性を向上させることができ、更に羽口
先温度調整用ガスを、上記混合流体の形成を乱さないよ
うに噴射させ、その燃焼状態を適切に設けられた炉内観
察管を通して観察しつつ燃焼状態を制御すれば、微粉炭
と純酸素ガスとの混合燃焼による高効率燃焼が行なわれ
ることを知見した。更に、上記混合流体の形成領域を、
バーナーの先端に取り付ける羽口よりも炉の内側方向に
設定すれば、羽口に融着灰分が堆積して操業トラブルを
起こすこともないことがわかった。

【００１３】この発明は、上記知見に基づきなされたも
のであり、その要旨は、以下の通りである。

【００１４】請求項１記載の微粉炭吹込みバーナーは、
バーナーの軸芯線を含む中央部に炉内観察孔が設けら
れ、この炉内観察孔の外側に同心円状に、微粉炭を吹き
込むためのスリット形態の微粉炭吹込みノズルが設けら
れ、この微粉炭吹込みノズルの外側の同心円上に、炉の
羽口先の温度を調整するためのガスを噴出させるための
羽口先温度調整ガスノズルが複数個並べて設けられ、そ
して、この羽口先温度調整ガスノズルの外側の同心円上
に、酸素ガスを噴出させるための酸素ガスノズルが複数
個並べて設けられていることに特徴を有するものであ
る。

【００１５】請求項２記載の微粉炭吹込みバーナーは、
バーナーの軸芯線を含む中央部に炉内観察孔が設けら
れ、この炉内観察孔の外側に同心円状に、微粉炭を吹き
込むためのスリット形態の微粉炭吹込みノズルが設けら
れ、この微粉炭吹込みノズルの外側の同心円上に、酸素
ガスを噴出させるための酸素ガスノズルが複数個並べて
設けられており、この酸素ガスノズルの外側の同心円上
に、炉の羽口先の温度を調整するためのガスを噴出させ
るための羽口先温度調整ガスノズルが複数個並べて設け
られていることに特徴を有するものである。

【００１６】請求項３記載の微粉炭吹込みバーナーは、
請求項１又は請求項２記載の発明において、羽口先温度
調整ガスノズル及び酸素ガスノズルの少なくとも一方
が、円管で構成されていることに特徴を有するものであ
る。

【００１７】請求項４記載の微粉炭吹込みバーナーは、
請求項１、請求項２又は請求項３記載の発明において、
微粉炭吹込みノズル及び酸素ガスノズルが、当該微粉炭
吹込みノズルから噴射される円筒状微粉炭流体の噴射方
向と当該酸素ガスの噴射方向軸芯線との交点が、微粉炭
バーナーの前方先端に設けられる羽口の内面先端位置よ
りも炉の内側方向に位置するように調整されていること
に特徴を有するものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、この発明を図面を参照しな
がら説明する。

【００１９】図１〜図３は、本発明の微粉炭吹込みノズ
ルの構造例を説明する図である。

【００２０】図１は、本発明の微粉炭吹込みバーナーの
一例の基部側の縦断面を示す図である。

【００２１】図１において、右端側の炉内観察管１、微
粉炭管２、羽口先温度調整ガス管３、酸素ガス管４及び
冷却水管５は、すべてバーナー先端側のノズル部分まで
延びている。微粉炭吹込みバーナー６の外周は水冷構造
になっており、また基部には、冷却水入口７と出口８、
微粉炭供給口９、羽口先温度調整ガス供給口１０、及び
酸素ガス供給口１１が設けられている。炉内観察管１の
基部には、その炉内観察管の先端への付着物を除去する
パージガスの入口１２等の付帯設備が設けられている。
パージガスとしては、例えば、空気を用いる。

【００２２】図２は、図１の本発明の微粉炭吹込みバー
ナーの基部の他端側、即ち先端側のノズル部分及びこれ
に連設された羽口部分の縦断面拡大図である。

【００２３】図２において、バーナーの軸芯線中央部に
は炉内観察管１が設けられ、この外側にバーナーの軸芯
線を中心とする同心円状に微粉炭吹込みノズル２が設け
られ、更にこの外側に内側から順次、羽口先温度調整ガ
スノズル３及び酸素ガスノズル４が設けられている。

【００２４】各ノズル形態は、微粉炭吹込みノズル２は
円環状のスリットノズルであるのに対して、羽口先温度
調整ガスノズル３及び酸素ガスノズル４は、多孔ノズ
ル、即ち、複数個のノズル孔が上記同心円上に配置され
たものである。両ガスノズル３、４の横断面形状は所定
直径の円形であるものが望ましい。円形であれば製作精
度を容易に高水準に維持できる。図３は、図２の微粉炭
吹込みバーナーの部分のＡ−Ａ線矢視図であり、バーナ
ー部分の正面図に相当する。

【００２５】各ノズル２、３、４先端部の形状・寸法
は、それぞれ、微粉炭、羽口先温度調整ガス及び酸素ガ
スの流量及びノズル先端部での線速度を適切に決定する
こと、及び各流体の噴射方向にあわせて設計する。ここ
で、各流体の噴射方向は、この発明における重要事項で
あり、次の通りとする。

【００２６】図４は、各流体がそれぞれのノズルから噴
射された方向を説明する図である。微粉炭吹込みノズル
２から吹き込まれる微粉炭の流体２ａは、微粉炭吹込み
バーナー６の軸芯線Ｌを軸芯とした円筒状形態で進む
が、羽口１５の内面に衝突しないようにして炉内側に向
ける。

【００２７】酸素ガスノズル２から噴射する酸素ガスジ
ェットの軸芯線４ａは、バーナー６の軸芯線Ｌの方向に
傾斜しており、微粉炭の流体２ａと点Ｑで交わらせる。
点Ｑを中心にした領域で微粉炭と酸素ガスとを混合す
る。点Ｑの位置は、羽口１５の内面先端Ｐよりも炉内側
にくるようにする。

【００２８】羽口先温度調整ガスは、微粉炭の支燃性ガ
スとして純酸素ガスを用いるために羽口先温度が従来よ
りも高くなるので、これを調整するために吹き込むもの
であり、炉頂ガスの酸素ガス濃度が３０％程度以上の場
合に必要なものである。そして、羽口先温度調整ノズル
３から噴射する羽口先温度調整ガス流体３ａは、羽口先
の炉内空間、高炉の場合にはレースウェイに向ける。

【００２９】この際、羽口先温度調整ガス流体３ａの噴
射方向は、微粉炭と酸素ガスとの上記混合領域の方向に
向けないようにする。これは微粉炭をできるだけ高濃度
の酸素ガスと混合させて燃焼性を高めるためである。

【００３０】微粉炭吹込み用キャリアーガスは、酸素ガ
スが望ましいが、酸素ガスはハンドリングが面倒である
から、空気、酸素富化空気あるいはＣＯ₂ガス等を用い
るのがよい。また、羽口先温度調整ガスとしては、水蒸
気、高炉ガス、コークス炉ガス、Ｎ₂ガス、ＣＯ₂ガス、
その他当該ガスの分解反応が吸熱を伴なうようなガスで
あって、炉内反応、高炉の場合には鉄鉱石の還元に悪影
響を及ぼさないものであればいずれでもよい。

【００３１】微粉炭吹込みノズルを円管状のスリットノ
ズルにする理由は、バーナーの軸芯線の同心円上に多数
のノズル孔を設けた場合には、微粉炭によるノズル詰ま
りが生じやすいと共に、多量の微粉炭の吹込みが可能と
なるからである。また、微粉炭と酸素ガスとの混合流体
が羽口内面に衝突すると、混合流体中の未燃微粉炭によ
り羽口内面が著しく磨耗して羽口の寿命が著しく低下す
る。更に、混合流体の燃焼により微粉炭中灰分が溶融し
て羽口内面に付着・堆積すると、羽口の寿命が著しく低
下し、コストがかかる以外に高炉の生産性が低下する。

【００３２】羽口先温度調整ガスノズル３及び酸素ガス
ノズル４を多孔ノズルとしたのは、加工しやすく且つ均
一吹込みが可能であるからである。なお、多孔ノズルに
代えて円管としても良く、この場合には、各孔毎の流量
制御が可能となる。

【００３３】図５は、本発明の微粉炭吹込みバーナーの
他の例のノズル部分及びこれに連設された羽口部分の縦
断面拡大図である。バーナーの軸芯線中央部に設けられ
た炉内観察孔１’の外側に同心円状にスリットノズルか
らなる微粉炭吹込みノズル２を設け、その外側に同心円
上に複数個の酸素ガスノズル４（多孔ノズル）を設け、
そして、その外側に同心円上に複数個の羽口先温度調整
ガスノズル３（多孔ノズル）を配置した微粉炭吹込みバ
ーナー６’である。

【００３４】この場合も、図１〜３に示した微粉炭吹込
みバーナーと同じような性能を発揮する。そして、各ノ
ズル孔の設計については、図１〜図３の場合と同様にそ
れらの形状・寸法、及び各流体の噴射方向を調整するこ
とが望ましい。

【００３５】なお、羽口先温度調整ガスとして、水蒸気
のように温度低下に伴い凝縮する性質のあるガスを用い
た場合には、これが水冷管近傍の羽口の下部領域にたま
り、微粉炭が堆積して羽口を閉塞するに至る。これを防
止するためには、凝縮液体を他のガスで振り払って羽口
先に当該液体を溜めないようにする必要がある。

【００３６】従って、羽口先温度調整ガスとして上記凝
縮性ガスを用いる場合であって、羽口先温度調整ガスノ
ズルの位置よりも下方に、酸素ガスノズルを設けること
により、この凝縮液体を羽口先から除去するようにする
のが効果的である。即ち、例えば、図３中で、酸素ガス
ノズル４０が羽口先温度調整ガスノズル３０の下方にあ
ることにより問題は解決される。従って、酸素ガスノズ
ル４の方が羽口先温度調整ガスノズル３よりもバーナー
の外周側にあることが必要である。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
微粉炭を高炉その他の広範囲の工業用反応炉ないし工業
用反応容器、あるいは工業用加熱炉等において安価な燃
料あるいは還元剤として、効率よく燃焼させることがで
きるといった工業上有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の微粉炭吹込みバーナーの一例の基部
側の縦断面を示す図である。

【図２】図１の微粉炭吹込みバーナーの基部の他端側で
ある先端部のノズル部分及びこれに連設された羽口部分
の縦断面拡大図である。

【図３】図２の微粉炭吹込みバーナーの部分のＡＡ線矢
視図である。

【図４】この発明の微粉炭吹込みバーナーの一例におけ
る各流体のノズルからの噴射方向を説明する図である。

【図５】この発明の微粉炭吹込みバーナーの他の例のノ
ズル部分及びこれに連設された羽口部分の縦断面拡大図
である。

【符号の説明】

１：炉内観察管１’：炉内観察孔２：微粉炭管２ａ：微粉炭の流体３：羽口先温度調整ガス管３ａ：羽口先温度調整ガス流体４：酸素ガス管４ａ：酸素ガスジェットの軸芯線５：冷却水管６、６’：微粉炭吹込みバーナー７：冷却水入口８：冷却水排出口９：微粉炭供給口１０：羽口先温度調整ガス供給口１１：酸素ガス供給口１２：空気入口１３：仕切弁１４：覗窓１５：羽口３０：羽口先温度調整ガスノズル４０：酸素ガスノズルＬ：微粉炭吹込みバーナーの軸芯線Ｐ：羽口内面の先端Ｑ：微粉炭の流体と酸素ガスジェットの軸芯線とが交わ
る位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナーの軸芯線を含む中央部に炉内観
察孔が設けられ、前記炉内観察孔の外側に同心円状に、
微粉炭を吹き込むためのスリット形態の微粉炭吹込みノ
ズルが設けられ、前記微粉炭吹込みノズルの外側の同心
円上に、前記炉の羽口先の温度を調整するためのガスを
噴出させるための羽口先温度調整ガスノズルが複数個並
べて設けられ、そして、前記羽口先温度調整ガスノズル
の外側の同心円上に、酸素ガスを噴出させるための酸素
ガスノズルが複数個並べて設けられていることを特徴と
する、微粉炭吹込みバーナー。
【請求項２】バーナーの軸芯線を含む中央部に炉内観
察孔が設けられ、前記炉内観察孔の外側に同心円状に、
微粉炭を吹き込むためのスリット形態の微粉炭吹込みノ
ズルが設けられ、前記微粉炭吹込みノズルの外側の同心
円上に、酸素ガスを噴出させるための酸素ガスノズルが
複数個並べて設けられており、前記酸素ガスノズルの外
側の同心円上に、前記炉の羽口先の温度を調整するため
のガスを噴出させるための羽口先温度調整ガスノズルが
複数個並べて設けられていることを特徴とする、微粉炭
吹込みバーナー。
【請求項３】前記羽口先温度調整ガスノズル及び前記
酸素ガスノズルの少なくとも一方は、円管で構成されて
いることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の微
粉炭吹込みバーナー。
【請求項４】前記微粉炭吹込みノズル及び前記酸素ガ
スノズルは、前記微粉炭吹込みノズルから噴射される円
筒状微粉炭流体の噴射方向と前記酸素ガスの噴射方向軸
芯線との交点が、当該微粉炭バーナーの前方先端に設け
られる前記羽口の内面先端位置よりも前記炉の内側方向
に位置するように調整されていることを特徴とする、請
求項１、請求項２又は請求項３記載の微粉炭吹込みバー
ナー。