JP2004191047A - 炉の燃焼制御システムおよび燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶解炉内の燃焼状況に応じて、燃焼効率を高く維持する燃焼制御システムおよび炉の燃焼制御方法を提供する。
【解決手段】炉の燃焼制御システムは、少なくともＯ_２を含む燃焼用ガスを供給し、少なくともＣを含有する原材料を加熱する炉の燃焼制御システムであって、前記炉から排出された所定のガス（排出ガス）の濃度に基づいて前記Ｏ_２の供給量を演算する演算制御装置を含み、前記演算制御装置は、前記炉内の所定のガス（炉内ガス）と前記原材料のＣの反応率および前記排出ガスの濃度、前記原材料の温度と、前記炉内ガスの濃度との関係を量論的に規定した化学反応モデルを有することを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、炉の燃焼制御システムおよび燃焼制御方法に関するものであり、特に酸素と燃料を炉内で燃焼し、その燃焼熱にて炉内に装入した溶解原材料を加熱溶解する回転溶解炉に適した燃焼制御システムおよび燃焼制御方法に関するものである。

溶解炉の１つに回転溶解炉がある。これは横置きにされ中心軸まわりに回転する円筒状の炉本体、炉体駆動装置、バーナーから主として構成され、装入された原材料がバーナーで生じた火炎と、火炎により加熱蓄熱された回転する耐火壁からの伝熱で加熱溶解されるものである。近年バーナー燃料として、プロパン等の流体燃料に純酸素を併用したものが、エネルギー効率向上、排ガス問題、原材料の使用範囲拡大という点で普及しつつある。
前記回転溶解炉におけるバーナーの燃焼調整は、バーナーに接続されている燃料又は酸素バルブの開度を調節することで行なわれる。例えば鋳鉄用溶解の場合、装入する溶解原材料のうち鉄原材料と副資材の配合割合から、操業を通じて経験的に得た流量となるように燃料と酸素の各バルブ開度を調整している。燃料と酸素の流量は、全溶解過程を通じて一定とする場合もあれば、変化させる場合もあるが、変化させても数段階であり、予め定めた状態にステップ的に変化させる程度のものである。ここで副資材とは、溶湯の成分および炉内雰囲気を調整するために鉄原材料と共に装入されるものを言う。

図５に鋳鉄溶解の場合の回転溶解炉に装入した鉄原材料及び副資材全体に含まれていたＦｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ各成分の重量と、溶解完了後の溶湯内に残ったこれら成分ならびに損失した重量の例を示す。特にＣの損失割合が大きく、ほぼ装入した副資材中の加炭材の全量に匹敵する重量が燃料及び酸素と反応した結果消費される。関連する化学反応については後述するが、消費分はＣＯあるいはＣＯ_２として排出され、この時の吸熱反応と発熱反応の程度が溶解効率に大きな影響を与えることになる。したがって溶解効率を高めるには、この加炭材の反応が発熱反応を促すように燃料又は酸素流量をバーナーに供給することが重要である。
しかし、反応形態と反応速度は温度や炉内雰囲気ガスの組成で大きく変化するため、従来の燃焼調整方法では対応できない。
本発明は、溶解炉内の燃焼状況に応じて、燃焼効率を高く維持する炉の燃焼制御システムおよび燃焼制御方法を提供することを目的とする。

本発明の炉の燃焼制御システムは、少なくともＯ_２を含む燃焼用ガスを供給し、少なくともＣを含有する原材料を加熱する炉の燃焼制御システムであって、前記炉から排出された所定のガス（排出ガス）の濃度に基づいて前記Ｏ_２の供給量を演算する演算制御装置を含み、前記演算制御装置は、前記炉内の所定のガス（炉内ガス）と前記原材料のＣの反応率および前記排出ガスの濃度、前記原材料の温度と、前記炉内ガスの濃度との関係を量論的に規定した化学反応モデルを有することを特徴としている。

なお、前記燃焼制御システムにおいて、前記演算制御装置には、前記原材料におけるＣの量および前記原材料の温度と、前記反応率との関係が内蔵する構成とすれば望ましい。

さらに、前記燃焼制御システムにおいて、前記演算制御装置は、前記排出ガスの濃度と前記原材料の温度との関係が内蔵する構成とすれば好ましい。

さらに加えて、前記燃焼制御システムおいて、前記排出ガスの濃度を検出するとともに該排出ガスの濃度を前記演算制御装置に出力するガス濃度計と、前記演算制御装置で演算されたＯ_２の供給量に基づき前記Ｏ_２の供給量を制御する調整器と、前記Ｏ_２の供給量を検出し前記演算制御装置にフィードバックする検出器とを有する構成とすれば望ましい。

本発明の炉の燃焼制御方法は、少なくともＯ_２を含む燃焼用ガスが供給され少なくともＣを含む原材料が加熱される炉の燃焼制御方法であって、前記炉内の所定のガス（炉内ガス）と前記原材料のＣの反応率および前記炉から排出された所定のガス（排出ガス）の濃度、前記原材料の温度とに基づいて、前記炉内ガスの濃度を算出し、前記算出された炉内ガスの濃度に基づいて前記Ｏ_２の供給量を制御することを特徴としている。

なお、前記燃焼制御方法において、前記原材料におけるＣの量および前記原材料の温度に基づいて、前記反応率を求めるものとすれば好ましい。

さらに、前記燃焼制御方法において、前記排出ガスの濃度に基づいて前記原材料の温度を求めるものとすれば好ましい。

本発明を用いた溶解炉では、炉内ガスのＣＯ及びＨ_２の濃度を検出して、これらの酸化発熱反応に必要な燃料と酸素の供給流量を決定する。また、酸素が過剰な状態ではＣＯ_２とＯ_２の濃度を検出して過剰酸素を抑制する。その結果、常に炉内の発熱反応を最大効率で行わせるため、総合的な熱効率を高めることができることから、溶解時間が短縮し、原材料の余分な酸化が防止されて歩留が向上する。
また、炉内部のガス成分、および溶解原材料の温度を直接計測することが困難な溶解炉であっても、燃焼ガスと溶解原材料の化学反応モデルを予め作成することにより、採取後に水蒸気分が結露、除湿されたあとの排ガスのＣＯ、ＣＯ_２およびＯ_２の検出濃度値から炉内部の水蒸気を含めたガス組成の推定が可能になり、最大熱効率を実現するバーナーへの燃料と酸素の供給流量を決定することができる。
また、溶解条件が同一の場合は、前に行ったガス濃度検出による燃焼制御溶解でのバーナーへの燃料と酸素供給流量パターンを再生して溶解することが可能になることから、最適な溶解条件での繰返し操業、ならびに溶湯成分と原材料歩留の安定化を図ることができる。

以下、鋳鉄を回転溶解炉で溶解する場合を例に実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
図１は、回転溶解炉の横断面とガスバーナーの燃焼制御系を示している。円筒状胴部１及びその両端に連接された円錐状部２、３を有し、中心軸まわりに回転する炉体５と、炉体５内に装入された溶解原材料を酸素で流体燃料を燃焼させて溶解させるバーナー６と、燃焼排ガスを外部に逃がす煙突状排気路７と、炉体５内に溶解原材料８等を装入する投入機（図示せず）を備えている。
本説明ではバーナー燃料はプロパンガスと酸素とするが、プロパンガスの代わりにメタンガス、ブタンガス、灯油を用いることもできる。

炉体５の一端開口部９はバーナー取付口となり、炉体５の他端開口部１０は溶解原材料８の装入口、排ガス出口となる。１１は、炉体５の円錐状部３に設けられた出湯孔であり、出湯時以外は閉栓されている。また、他端開口部１０側には炉内のＣＯ、Ｈ_２、およびＯ_２のガス濃度を検出する検出部４０が取り付けられ、信号線４１で変換器４２に接続されている。変換器４２は検出部４０と組み合わせてガス濃度計を構成するもので、検出部４０で検出された信号をガスの濃度値に変換し、外部に出力する。

ここでは、バーナー６としては、中央に燃料吹き込み口を有し、外周に酸素供給口を設けた構造のものを使用している。バーナー６の上流側に燃料及び酸素の供給系統が接続されており、各々酸素供給系統の酸素用流量制御バルブ３０と燃料供給系統の燃料用流量制御バルブ３１とが接続されている。酸素用流量制御バルブ３０の上流側には酸素供給源３２が、燃料用流量制御バルブ３１の上流側には燃料供給源３３が接続されている。

酸素用流量制御バルブ３０、燃料用流量制御バルブ３１には各々流量制御バルブ調整器３４、３５が接続されており、各流量制御バルブ調整器３４、３５には演算制御装置２０からの流量指示信号線３６、３７が接続されている。演算制御装置２０は、ガス濃度計の変換器４２と信号線４３で接続されており、検出されたガス濃度をもとに後述する方法にて回転溶解炉に供給する酸素流量及び燃料流量の指令値を算出し出力する。流量制御バルブ調整器３４、３５は、演算制御装置２０からの流量指令値に対し、酸素配管４０と燃料ガス配管４１に設けた各流量検出器３８、３９からの実際の流量値をフィードバックし、酸素用流量制御バルブ３０及び燃料用流量制御バルブ３１の開度を制御している。そして、かかる開度の制御によって、バーナー６へ供給する酸素流量及び燃料ガス流量を高精度に制御し、ひいては炉内のバーナーへの燃焼発熱量と燃焼ガス組成を制御しているのである。

次に上述した回転溶解炉を使用して鋳鉄用溶湯を得るための溶解工程と回転溶解炉内の燃焼ガスの反応について述べる。
まず溶解工程について説明する。
最初に所定量の鋳鉄や鋼屑等の鉄原材料及び副資材を開口部１０より炉体５内に装入する。開口部１０に煙突状排気路７を取り付けた後、炉体５の一端の開口部９にバーナー６をセットして点火し、溶解を開始する。鉄原材料はバーナー火炎で加熱された耐火材１２からの主として輻射熱と伝導熱、及びバーナー火炎からの輻射熱等で加熱されることにより溶解する。溶解開始時のバーナーの設定は、炉に応じて定められた基準燃料ガス流量とそれを完全燃焼する酸素流量とする。

次に、回転溶解炉内の溶解に関連する燃焼ガスの反応について述べる。
燃料がプロパンガスでは、混合比が１．０すなわち完全燃焼の場合、燃料と酸素の反応は数１で表される。

ここで［ ］内は反応熱を示し、＋は発熱反応、−は吸熱反応であることを示す。

回転溶解炉の場合、溶解原材料の温度が上昇するにつれて、副資材の１つである加炭材と、燃焼ガスすなわちＣＯ_２および水蒸気との間で数２〜３で示す可逆反応の右方向への反応が活発に起こるようになる。

上記⇔は可逆反応を表す記号として用いる。以降同様である。

数２、数３の右方向への反応は吸熱反応である。すなわち、周囲から熱を奪うため、熱効率を低下させるように作用する。

ここで、バーナー燃料の混合比が１．０以下の酸素不足の場合は、一部のプロパンガスが未反応となるため、燃料が燃焼して発生する全発熱量が少なくなり、併せて燃焼ガスと加炭材が数２、数３の吸熱反応を起こすため、さらに熱効率が低下し、溶解時間が長くなる。
一方、混合比を１．０以上にすると、前記数２、数３の反応と同時に燃料との燃焼反応で残った余剰酸素が炉内に混流するようになり、この酸素が加炭材に達すると数４に示す反応の右方向の発熱反応が起こるようになる。

さらに、高温状態の炉内では数２〜数４で発生したＣＯ、Ｈ_２と余剰酸素との間で数５、数６の反応の右方向の発熱反応が起こる。

前記数５にてＣＯがＯ_２と反応してＣＯ_２に変化するときに発生する熱量Ｑ５は、数２の反応で同一モル容積のＣＯが生成される際に吸収する熱量Ｑ２よりも大きい。また、数６にてＨ_２が水蒸気に変化するときに発生する熱量Ｑ６は、数３の反応で同一モル容積のＨ_２が生成される際に吸収する熱量Ｑ３よりも大きい。
したがって、燃料ガスと酸素ガスの混合比を１．０より大きくした場合、加炭材近傍では数４の発熱反応を促し、さらに加炭材から離れたガス領域では、数２〜数４の反応で生成されるＣＯとＨ_２がＯ_２と反応して、数５、数６の発熱反応が起こるようになる。

数２〜数６の反応の方向と速度は、後述するように溶解原材料温度、ガスの温度及びガス分圧の影響を受ける。一方、バーナー６から数５、数６の反応に対して必要以上の酸素を供給することは、無駄に排出される酸素の加熱に熱を消費することになるため、混合比を高め過ぎた場合も熱効率が低下する。また、溶解原材料の余分な酸化反応が発生するため、溶解原材料の歩留が低下することにもなる。

燃焼効率を上げるには、温度およびガス組成と共に変化する炉内の反応特性に合せて、数４から数６の発熱反応を有効に利用できる最適な燃料と酸素量を供給する必要がある。炉内に発生したＣＯとＨ_２ガスに対し、数５、数６の化学反応を起こすのに必要な酸素流量は、その時点でのプロパンガスと酸素の供給流量、および炉内のＣＯとＨ_２のガス濃度が分かれば求まる。
前記したように、燃焼ガスと加炭材の反応により炉内ガス中にＣＯとＨ_２が発生する場合には、ＣＯ濃度とＨ_２濃度を検出して数５、数６の発熱反応に必要な酸素の増加流量を決定するが、加炭材が消失あるいは酸素供給流量が過剰となって未反応酸素が残存するようになった場合には、酸素の減少流量を決定し、バーナーに常に最適な燃料と酸素を供給する。以下その考え方について述べる

酸素が全て反応して未反応酸素が存在しない状態では、プロパンガスの供給流量、酸素ガスの供給流量を各々ｇ、ｗモル／ｓとすると、炉内を流れる総合ガス流量Ｖモル／ｓは化学量論的に概ね数７で表わされる。

バーナーへの酸素ガスの修正増加量Δｗは、炉内ガス中のＣＯガス濃度［ＣＯ］とＨ_２ガス濃度［Ｈ_２］をもとに、数８で求めることができる。

したがって、現在の酸素ガス供給流量に、数８で計算された修正増加量を加えた値に、酸素用流量制御バルブ３０の開度を制御すれば良い。
なお、鋳鉄用回転炉において数２および数３の反応にてＣＯとＨ_２が発生する高温状態では、ＣＯのガス濃度はＨ_２のガス濃度よりも大きくなる関係がある。このため、相対的に濃度の大きなＣＯのみの濃度を用いて数８を計算して酸素供給流量を増加しても発熱反応の効果を得ることができる。この時はＨ_２ガス濃度の項は０にすればよい。

また、溶解途中で加炭材が反応の結果消失、あるいは燃料ガスと酸素ガスの混合比が大きくなりすぎてＣＯが無くなり、過剰Ｏ_２が排出されるようになった状態での酸素供給流量の減少方法について述べる。
プロパンガスの供給流量、加炭材の反応量、未反応Ｏ_２流量を各々ｇ、ｕ、ｖモル／ｓとすると、酸素が過剰状態では炉内の反応は化学量論的に数９〜数１１の関係で表わされる。

プロパンガスと燃焼反応しない酸素流量（ｕ＋ｖ）モル／ｓは、プロパンガスの供給量ｇとバーナー燃料の混合比λを用いると数１２で表わされる。

炉内ガスに占めるＯ_２の割合［Ｏ_２］は、数９〜数１２の関係から数１３となる。

未反応Ｏ_２量ｖモル/sは、既知であるバーナー燃料供給量と排ガス中のＯ_２濃度検出値をもとに数１４で求めることができる。

次に、実際の溶解作業において、ガス濃度計で検出された炉内ガスのＣＯ、Ｈ_２、およびＯ_２濃度をもとに、酸素ガス供給流量を修正調整して燃焼制御する方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。
まず開始にあたり、演算制御装置２０に対して、装入した鉄原材料と加炭材の量から定めているバーナーの燃料ガスの基準流量、およびＣＯ濃度とＯ_２濃度の判定基準値ｐ１、ｐ２を入力、記憶させる。
自動燃焼制御をスタートさせると、演算制御装置２０はスタート前に入力された基準の燃料流量値と、燃料に対して混合比が１．０の酸素の流量値を、燃料流量制御バルブ調整器３５と酸素流量制御バルブ調整器３４に出力する（ステップ１０１）。そして制御周期Ｔｃに相当する時間タイムカウントする（ステップ１０２）。次いで、検出部４０と変換器４２からなるガス濃度計を用いて炉内ガス中のＣＯ、Ｈ_２、Ｏ_２の濃度を計測し（ステップ１０３）、最初にＣＯが判定基準値ｐ１以上存在しているかを判断する（ステップ１０４）。

ＣＯが判定基準値ｐ１以上検出された場合は以下の処理を行う。前ステップで計測されたＣＯとＨ_２のガス濃度、およびバーナーへの燃料と酸素の供給流量を用いて、数５、数６の反応に必要な酸素流量、すなわち現在の酸素供給量に対する増加流量を計算し（ステップ１０５）、酸素流量制御バルブ調整器３４への出力値を修正する（ステップ１０６）。

一方、ステップ１０４にて判定基準値ｐ１以上のＣＯ濃度が検出されなかった場合は、未反応Ｏ_２が判定基準値ｐ２以上存在するかを判定する（ステップ１０７）。Ｏ_２濃度が判定基準値ｐ２以上検出された場合は、Ｏ_２濃度、およびバーナーへの燃料と酸素の供給流量値を用いて数９〜数１４にて過剰酸素流量を計算し（ステップ１０８）、酸素流量制御バルブ調整器３４への出力値を修正する（ステップ１０６）。
他方、ステップ１０７にてＯ_２濃度が判定基準値ｐ２以上検出されなかった場合は、現在の燃料と酸素の供給流量を維持する。そして、制御周期であるタイムカウント処理に戻る。

なお、制御周期Ｔｃは、対象溶解炉に合わせて例えばＴｃ＝１ｍｉｎなどとし、酸素用流量制御バルブ３０からの酸素流量が、演算制御装置２０が酸素流量制御バルブ調整器３４に与えた流量値に達し、炉内ガスの状態が操作結果の反映された定常状態に達する時間にする。また、ＣＯ濃度とＯ_２濃度の判定基準値ｐ１、ｐ２は例えば１％および２％などとし、ガス濃度計が安定に検出できる値を考慮した値にする。また、ＣＯに比して濃度が低くはなるが、ステップ１０４の判定をＨ_２濃度で行っても良い。

図２のフローチャートで説明した処理を、溶解原材料の温度が鉄が溶解して出湯可能な温度、例えば１５２０℃になるまで繰り返す。次に、溶湯の一部を取り出して成分分析を行ない、必要に応じて成分調整を行なう。そして、温度と成分が満足されればバーナー６を停止し、出湯口１１を開栓して出湯する。

（実施の形態２）
前記実施の形態１では、炉内に発生しているガスの濃度を検出してこれをもとに燃料または酸素の少なくとも一方の供給流量を決定する方法を説明したが、以下実施の形態２では、炉内のガスの代わりに排出ガスの濃度を検出して、予め作成した化学反応モデルをもとに炉内に発生するガスの組成を計算し、これをもとに燃料または酸素の少なくとも一方の供給流量を決定する方法を説明する。
図３に本実施の形態における回転溶解炉と燃焼制御系を示す。排ガス出口開口部１０から出たところにガス採取管１６が取り付けられ、パイプ１７を介してＣＯ、ＣＯ_２、およびＯ_２のガス濃度計１９に接続されている。ガス濃度計１９は、ガス採取管１６から取り入れた排ガスから水分を冷却除湿し、乾き状態での各ガスの濃度を計測する。演算制御装置２０は後述する化学反応モデルを内蔵し、前述のガス濃度計１９と信号線１８で接続されており、化学反応モデル及び検出されたガス濃度をもとに回転溶解炉に供給する酸素流量及び燃料流量を算出する。
その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一記号で示す。

ＣＯ_２とＣＯの大気中の濃度は低いため、ガス採取管１６に入る排ガスが大気で薄められ、あるいは全体採取ガスから水蒸気分が除去されても、その比はほとんど変化しない。そこで、実施の形態２では、加炭材と燃焼ガスとの反応が始まり、Ｏ_２が不足してＣＯが検出されている状態では、排ガス中のＣＯ濃度とＣＯ_２濃度を検出してその比を求め、後述する化学反応モデルから同一比の状態になる炉内の原材料温度と真の炉内ガスの全組成を求めることにより、必要な酸素の供給流量を演算補正し、修正出力する。
また、加炭材が消失あるいは燃料ガスと酸素ガスの混合比を大きくしすぎてＣＯが無くなり、過剰Ｏ_２が検出されるようになった状態では排ガス中のＯ_２、ＣＯ_２濃度の検出値から、サンプルガスへの空気の混入を考慮して過剰酸素供給流量を演算し、修正出力する。
以下、化学反応モデル、及び化学反応モデルと排ガス中のＣＯ濃度とＣＯ_２濃度を検出してその比を用い、数５、数６の発熱反応に必要な酸素流量を決定する方法、および酸素過剰時にはＣＯ_２とＯ_２の濃度検出値を用いて酸素供給流量を減少する方法について具体的に説明する。

まず化学反応モデルについて述べる。
化学反応モデルは、炉内の燃焼ガスおよび溶解原材料の間で起る化学反応に対し、関係物質の量論的関係を数式化したものである。対象となる化学反応は、基本的には数２〜数６で示す通りであるが、各化学反応の反応進行速度は各々の化学反応速度や物質移動速度で律速されるため、個別の化学反応をもとにして炉内全体の化学反応を数式化することは単純にはできない。しかし，本説明における回転溶解炉では、バーナーで燃料が燃焼して発生する燃焼ガスは、常にバーナー側から出口に向かっての流動状態にあり、炉内で加炭材と反応しても絶えず撹袢混合されて流出していくため、炉内ガス成分の変動はきわめて緩やかである。このため、炉内の雰囲気は化学熱力学平衡状態への過渡状態の一時期として捉えられること、さらに昇温・溶解過程は化学反応速度に比してはるかに長時間の現象であり、炉内ガス成分の変化は溶解材料の温度の関数として関係付けられることから，燃焼ガスと加炭材の炉内全体の化学反応を化学熱力学的平衡論を用いて近似的に数式化する。
本来の化学熱力学的平衡論は、ある温度における関係物質の反応の最終的な平衡状態を与えるものであり、反応の進行速度を規定するものではないが、バーナーから燃焼流入して炉内を流動している燃焼ガス全量に対し、溶解原材料と反応するガスの割合（以降、反応率と称す）を規定することにより、反応が平衡状態に至る過渡段階の関係物質の量論的関係を決定できる。なお、反応率は実際の溶解炉の反応状態を計測すれば同定できる。
すなわち，化学反応モデルとは，燃料ガスと酸素ガスが回転溶解炉内のバーナーで燃焼し，前記各ガスの流量に応じたＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ，Ｏ_２の組成となって炉内の一端側からに流入したあと、反対側から流れ出ていく間に溶解原材料，特に加炭材と全体のどれだけの量が反応して，最終的に如何なるガス組成の状態に変化するかの関係を溶解原材料の温度の関数として，対象とする回転溶解炉およびその使用する溶解原材料の配合状態に適合するように表わしたものである。

次に化学反応モデルにより、炉内ガス組成を求める方法について述べる。
化学反応モデルでは、炉内をガス層と原材料層との２つの層で考える。回転溶解炉の場合は、炉内容積に反応率を掛けた底部側領域を原材料層、残りをガス層と見なし、各層が雰囲気温度と初期存在ガスの分圧に応じた化学熱力学平衡状態になると考える。具体的には次の処理を行う。
１）層内のガスと原材料の温度ｔｇ１を与える。
２）バーナーへ供給している流量の燃料と酸素の燃焼ガスが炉内に入り、均一混合した場合の炉内のＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、ＣＯ、Ｈ_２のガス量、モル分率を求める。
３）炉内全体の燃焼ガスから一定割合α（反応率）を原材料層に移動し、温度ｔｇ１におけるガス−加炭材間の化学反応の化学熱力学平衡状態を求める。
４）上記化学熱力学平衡状態に達した反応ガスをガス層に戻し、未反応ガスと均一混合した場合の各ガスの中間モル数を求める。
５）４）の組成ガスの、温度ｔｇ１における化学反応の化学熱力学平衡状態を求める。
以上の処理により、炉内温度ｔｇ１と燃焼バーナーへの燃料と酸素の供給流量および反応率に応じた炉内ガスの組成が求まる。

次に、化学反応モデルの基本的考えである化学熱力学平衡について述べる。
まず、原材料層の反応モデル（前記３）項）について述べる。化学熱力学的平衡論からは、数２から数６の炉内反応に関係するガス成分の、ガス分圧を求める上で必要な独立な反応式は数１５から数１７で示したの３つに集約できる。
なお、関係ガス成分の独立な関係が得られる組合わせであれば、下記３式の組合わせに限定されないことは言うまでもない。

数１５、数１６、数１７の各反応の平衡定数をＫ１、Ｋ２、Ｋ３、また対象ガスＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、ＣＯ、Ｈ_２のガス分圧をＰ_ＣＯ２、Ｐ_ｈ２０、Ｐ_０２、Ｐ_ＣＯ、Ｐ_ｈ２で表わすと、ファント・ホッフの等温式と標準自由エネルギー変化から数１８〜数２０の関係式が成り立つ。

ここでＲは気体定数、Ｔは絶対温度である。

すなわち温度が決定されれば、その温度における平衡定数が求まる。

Ｐ_ＣＯ２、Ｐ_ｈ２０、Ｐ_０２、Ｐ_ＣＯ、Ｐ_ｈ２は炉内全圧が１ａｔｍであること、及び燃料ガスの供給流量の初期条件から以下の方法で決定する。
ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、ＣＯ、Ｈ_２の各ガスの炉内モル数を各々Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅで表わし、化学反応モデルにて炉内ガスの原材料層に移動すると見なす割合（反応率）をαとする。そして、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、ＣＯ、Ｈ_２の反応前のモル数を各々ａ（＝α・Ａ）、ｂ（＝α・Ｂ）、ｃ（＝α・Ｃ）、ｄ（＝α・Ｄ）、ｅ（＝α・Ｅ）とし、数１５、数１６、数１７の反応の方向と反応量（モル数）を数２１、数２２、数２３のように定めると、反応後の各ガスの分圧とモル数の関係は数２４〜数２８となる。

数２４〜数２８を数１８〜数２０に代入することにより数２９〜数３１の関係が求まる。

温度が決まればＫ１、Ｋ２、Ｋ３は数１８〜数２０から一義的に定まる。したがって、変数がｘ、ｙ、ｚの３つに対し関係式が３つであることから解が求まり、平衡状態でのＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、ＣＯ、Ｈ_２のモル数と分圧の関係が求まる。

次に、ガス層での反応モデル（前記４）項）について述べる。対象反応式は数５と数６の２つである。
数５、数６の各反応の平衡定数をＫ４、Ｋ５で表わすと、原材料層と同様にして次の関係式が成り立つ。

Ｐ_ＣＯ２、Ｐ_ｈ２０、Ｐ_０２、Ｐ_ＣＯ、Ｐ_ｈ２は炉内全圧が１ａｔｍであることと、燃料ガスの供給流量の初期条件から以下の方法で決定する。
ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、ＣＯ、Ｈ_２の反応前のモル数は各々ａ１（＝（１−α）・Ａ＋（ａ−ｘ−ｙ））、ｂ１（＝（１−α）・Ｂ＋（ｂ−ｚ））、ｃ１（＝（１−α）・Ｃ＋（ｃ＋ｙ＋１／２・ｚ））、ｄ１（＝（１−α）・Ｄ＋（ｄ＋２・ｘ））、ｅ１（＝（１−α）・Ｅ＋（ｅ＋ｚ））とし、数５、数６の反応の方向と反応量（モル数）を数３４、数３５のように定めると、反応後の各ガスの分圧とモル数の関係は数３６〜数４０となる。

ただし、数３６から数４０においてＡは炉内ガスの反応後の総モル数であり、数４１である。

数３６〜数４０を数３２、数３３に代入することにより数４２、数４３の関係が求まる。

温度が決まればＫ４、Ｋ５は数３２、数３３から一義的に定まる。以上により変数がｘ１、ｙ１の２つに対し関係式が２つあることから解が求まり、炉内の最終的なＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、ＣＯ、Ｈ_２のモル数と分圧が求まる。炉内圧は全圧が１ａｔｍであるから、分圧はガス濃度に等しい。

炉内全体のガスに対して原材料層のガス量を決定する化学反応モデルの反応率αは、実炉のモデル操業におけるＣＯとＣＯ_２のガス濃度と原材料の温度変化を計測することで同定できる。
実炉モデル操業の燃料ガス供給条件に対し、前記化学反応モデルの反応率を変動パラメータとして、原材料温度と水蒸気分を除去したＣＯとＣＯ_２のガス濃度の関係を計算で求め、実際の計測値変化と最も近い反応率を、その燃料ガス供給条件での反応率とするのである。
実際の回転溶解炉の原材料について、異なる燃料の混合比に対してモデル溶解を行った結果、原材料の温度、加炭材の装入量、および反応率の関係を図６のようにすれば、設置した回転溶解炉の炉内の反応をモデル化できることが分かった。
一旦化学反応モデルが作成できれば、燃料と酸素の供給過程が変化しても、溶解原材料の温度に対応した炉内のガス組成を計算で求めることが可能になる。

次に、化学反応モデルをもとにＣＯとＣＯ_２の濃度比を用い、数５、数６の発熱反応に必要な酸素流量を決定する方法について説明する。
図７に燃料のプロパンガスと酸素の混合比が１．０の場合について、実際の溶解実験結果から同定した反応率を用いて、化学反応モデルをもとに求めたＣＯガス濃度［ＣＯ］とＣＯ_２ガス濃度［ＣＯ_２］の比と原材料温度の関係を示す。［ＣＯ］／［ＣＯ_２］比は、原材料温度の上昇とともに０から増加する。すなわち、混合比が１．０の場合は、最初ＣＯは存在せず、原材料の温度が上昇して燃焼ガスと加炭材との反応が盛んになる発生するようになり、温度上昇と共に増加する。プロパンガスに対して酸素が過剰の混合比でも、値は異なるが右上がりの変化に違いはなく、原材料温度と［ＣＯ］／［ＣＯ_２］比は１：１の対応関係がある。したがって、検出したガス濃度から［ＣＯ］／［ＣＯ_２］比が求めれば炉内の原材料の温度を推定することができ、化学反応モデルからＣＯガスとＨ_２ガスの炉内のモル容積、分圧、およびガス濃度を求めることができる。すなわち、数５、数６の反応に必要な酸素量が求まる。

次いで、溶解途中で加炭材が反応の結果消失、あるいは燃料ガスと酸素ガスの混合比が大きくなりすぎてＣＯが無くなり、過剰Ｏ_２が排出されるようになった状態での酸素供給量の減少方法について述べる。
プロパンガスの供給流量、加炭材の反応量、未反応Ｏ_２流量を各々ｇ、ｕ、ｖモル／ｓとすると、Ｏ_２が過剰状態では炉内の反応は化学量論的に前記数９〜数１１の関係で表わされる。

ガス採取管への空気の混入率をβとするとすると、混入率βは乾きガスのＣＯ_２濃度［ＣＯ_２］とＯ_２濃度［Ｏ_２］から数４４で求まる。

これより、空気の混入を考慮した未反応Ｏ_２量ｖモルは、空気の混入率βとＯ_２濃度［Ｏ_２］から数４５で求められる。

したがって、数４５で計算された酸素量をバーナー燃料から減ずれば、過剰酸素を無くすことができる。

次に、実際の溶解作業において、ガス濃度計１９で検出された排ガスのＣＯ、ＣＯ_２、およびＯ_２濃度をもとに、内蔵した化学反応モデルを用い、酸素ガス供給量を修正調整して燃焼制御する方法について、図４のフローチャートを用いて説明する。
まず開始にあたり、演算制御装置２０に対して、装入した鉄原材料と加炭材の量、および原材料の量から定めているバーナーの燃料ガスの基準流量、およびＣＯ濃度とＯ_２濃度の判定基準値ｐ１、ｐ２を入力、記憶させる。
自動燃焼制御をスタートさせると、演算制御装置２０はスタート前に入力された基準の燃料流量値と、燃料に対して混合比が１．０の酸素の流量値を、燃料流量制御バルブ調整器３５と酸素流量制御バルブ調整器３４に出力する（ステップ２０１）。そして制御周期Ｔｃに相当する時間タイムカウントする（ステップ２０２）。次いで、ガス濃度計１９を用いて排ガス中のＣＯ、ＣＯ_２、Ｏ_２の濃度を計測し（ステップ２０３）、最初にＣＯが判定基準値ｐ１以上存在しているかを判断する（ステップ２０４）。

ＣＯが判定基準値ｐ１以上検出された場合は以下の処理を行う。まずＣＯ濃度とＣＯ_２の濃度比［ＣＯ］／［ＣＯ_２］＝ｒを計算する（ステップ２０５）。そして、内蔵させた化学反応モデルに基づき、現在の燃料と酸素供給流量の混合比から適用する反応率αを決定後、ＣＯ濃度とＣＯ_２の濃度比がｒとなる原材料温度ｔｒを求め、そのときの炉内のＨ_２Ｏをも含んだＣＯとＨ_２のガス濃度を計算する（ステップ２０６）。そして、前ステップで計算されたＣＯとＨ_２のガス濃度、およびバーナーへの燃料と酸素の供給流量を用いて、数５、数６の反応に必要な酸素流量、すなわち現在の酸素供給量に対する増加流量を計算し（ステップ２０７）、酸素流量制御バルブ調整器３４への出力値を修正する（ステップ２０８）。

一方、ステップ２０４にて判定基準値ｐ１以上のＣＯ濃度が検出されなかった場合は、未反応Ｏ_２が判定基準値ｐ２以上存在するかを判定する（ステップ２０９）。Ｏ_２が判定基準値ｐ２以上検出された場合は、Ｏ_２濃度、およびバーナーへの燃料と酸素の供給流量値を用いて数４４〜数４５にて過剰酸素流量を計算し（ステップ２１０）、酸素流量制御バルブ調整器３４への出力値を修正する（ステップ２０８）。
他方、ステップ２０９にてＯ_２濃度が判定基準値ｐ２以上検出されなかった場合は、現在の燃料と酸素の供給量を維持する。そして、制御周期であるタイムカウント処理に戻る。

なお、制御周期Ｔｃ、ＣＯ濃度とＯ_２濃度の判定基準値ｐ１、ｐ２は実施の形態１と同様に、燃料と酸素の流量制御バルブ系の応答、ガス濃度計の安定検出、あるいはガス採取管への大気の混入の影響等を考慮した値にする。
図４のフローチャートで説明した処理を、溶解原材料の温度が鉄が溶解して出湯可能な温度になるまで繰り返し、必要に応じて成分調整を行なって、温度と成分が満足されればバーナー６を停止し、出湯口１１を開栓して出湯する。
以上のように化学反応モデルを適用し、排ガス中のＣＯとＣＯ_２の濃度を検出して燃焼バーナーの酸素の供給流量を制御することにより、炉内の化学反応状態に合わせて最大の熱効率が得られるバーナーの燃焼制御が実現できる。
なお、前記説明では化学反応モデルに熱力学平衡論を適用したが、チャーあるいはコークスに対して報告されているように、化学反応抵抗と流体境膜内拡散抵抗の総括反応速度からなるモデルを用いても良い。

実施の形態１および２において、制御する酸素はバーナーに供給しているもので説明したが、別に補助の酸素供給経路を設けてもよい。また、バーナーへの酸素の最大供給量に制限があり、酸素供給量を最大値にしてもＣＯが残存する場合は、燃料の流量を減少してもよい。さらには、常に酸素流量は一定にして燃料を増減しても良い。いずれも数１の燃料と酸素の関係を用いれば、本発明で述べた方法で容易に実施できる。
また、本実施の形態１および２ではＣＯ濃度の判定を最初に行い、ＣＯ濃度が判定基準値を下回っていたときにＯ_２濃度の判定の処理を行うようにしているが、ガス濃度計の応答特性がガスの種類により異なり、Ｏ_２濃度検出の方が早いような場合等にはＯ_２濃度の判定を最初に行うようにしても良い。

さらに、装入する溶解原材料の配合が同じである溶解が繰り返される場合には、最初は実施の形態１あるいは２で説明のガス濃度検出を用いた燃焼制御方法で溶解を行うと同時に、そのときの燃焼バーナーへの燃料と酸素の供給過程を演算制御装置２０のメモリに記憶しておき、その後の溶解は、溶解原材料の配合が同じである記憶した燃料と酸素の供給過程のデータを溶解時間の経過に合せて逐次読出し、燃料と酸素の流量制御を行う方法を用いても良い。
本方法によれば、ガス濃度計測を常時行う必要がなくなるため、耐熱性を要求されるため高価になるガス採取管の熱損耗の低減、およびガス濃度計のダストフィルタや基準ガスの保守、点検作業の低減を図ることができる。

本発明の実施の形態１を説明する鋳鉄用溶解炉略図と燃焼制御装置の系統図 本発明の実施の形態１の燃焼制御方法を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態２を説明する鋳鉄用溶解炉略図と燃焼制御装置の系統図 本発明の実施の形態２の燃焼制御方法を説明するためのフローチャート 本発明対象の回転溶解炉での装入成分、溶湯成分、および損失成分の重量例 本発明対象の回転溶解炉での燃料の混合比と反応率の関係 本発明対象の回転溶解炉での原材料温度と（ＣＯガス濃度）／（ＣＯ_２ガス濃度）の関係の一例

符号の説明

５ 溶解炉本体
６ バーナー
１９ ガス濃度計
２０ 演算制御装置
３０ 酸素用流量制御バルブ
３１ 燃料用流量制御バルブ
３４ 酸素流量制御バルブ調整器
３５ 燃料流量制御バルブ調整器
３８ 酸素流量検出器
３９ 燃料流量検出器
４０ ガス濃度計の検出部
４２ ガス濃度計の変換

Claims (7)

1. 少なくともＯ_２を含む燃焼用ガスを供給し、少なくともＣを含有する原材料を加熱する炉の燃焼制御システムであって、
   前記炉から排出された所定のガス（排出ガス）の濃度に基づいて前記Ｏ_２の供給量を演算する演算制御装置を含み、
   前記演算制御装置は、前記炉内の所定のガス（炉内ガス）と前記原材料のＣの反応率および前記排出ガスの濃度、前記原材料の温度と、前記炉内ガスの濃度との関係を量論的に規定した化学反応モデルを有することを特徴とする炉の燃焼制御システム。
2. 請求項１に記載の炉の燃焼制御システムにおいて、前記演算制御装置は、前記原材料におけるＣの量および前記原材料の温度と、前記反応率との関係を内蔵することを特徴とする炉の燃焼制御システム。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の炉の燃焼制御システムにおいて、前記演算制御装置は、前記排出ガスの濃度と前記原材料の温度との関係を内蔵することを特徴とする炉の燃焼制御システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の炉の燃焼制御システムおいて
   前記排出ガスの濃度を検出するとともに該排出ガスの濃度を前記演算制御装置に出力するガス濃度計と、
   前記演算制御装置で演算されたＯ_２の供給量に基づき前記Ｏ_２の供給量を制御する調整器と、
   前記Ｏ_２の供給量を検出し前記演算制御装置にフィードバックする検出器とを有することを特徴とする炉の燃焼制御システム。
5. 少なくともＯ_２を含む燃焼用ガスが供給され少なくともＣを含む原材料が加熱される炉の燃焼制御方法であって、
   前記炉内の所定のガス（炉内ガス）と前記原材料のＣの反応率および前記炉から排出された所定のガス（排出ガス）の濃度、前記原材料の温度とに基づいて、前記炉内ガスの濃度を算出し、
   前記算出された炉内ガスの濃度に基づいて前記Ｏ_２の供給量を制御することを特徴とする炉の燃焼制御方法。
6. 請求項５に記載の炉の燃焼制御方法において、前記原材料におけるＣの量および前記原材料の温度に基づいて、前記反応率を求めることを特徴とする炉の燃焼制御方法。
7. 請求項５または６のいずれかに記載の炉の燃焼制御方法において、前記排出ガスの濃度に基づいて前記原材料の温度を求めることを特徴とする炉の燃焼制御方法。

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