JP2006336026A - 焼結装置および焼結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 循環ガス再加熱のための燃料ガス使用量の大幅な削減、および循環ガス成分調整のための工業ガスの使用量削減、ならびに設備費の削減を可能にする焼結装置および焼結方法を提供する。
【解決手段】 循環ガス経路７のガス放出端部を複数に分けて移動路１の移動方向に配列し、該配列されたガス放出端部に管状火炎バーナ８を取り付けた。このバーナ内の管状火炎の燃焼制御を行いつつ焼結を行うことで前記目的が達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焼結装置および焼結方法に関する。

製鉄業における高炉では、炉内の通気性を確保するために、粉状鉄鉱石を塊状化したものが使用される。この塊状化処理には焼結装置が用いられる。焼結装置は、粉状鉄鉱石と石灰石等の造滓剤とをコークスの燃焼熱によって焼き固めるものである。従来の焼結装置の概要を図６に示す。粉状鉄鉱石等はパレット１上に装入されて原料層をなし、装置内を矢示方向１０に移動する。その際、装置入側の点火炉２で原料層の上面側のコークスに着火させ、装置内ではパレット１通路の下方側に配列された風箱３を介して空気等の燃焼用ガスを排気ブロア４で吸引することにより、パレット１上の原料層が上面側から下面側へ漸次焼結し、装置出側で焼結が完了するようにしている。なお、焼結完了後の焼結鉱は、図示しない冷却機で冷却された後、図示しないクラッシャーで粉砕され、高炉へ送られる。

風箱３へ吸引された空気等の燃焼用ガスは、排ガスとして最終的には煙突５から大気放散されるが、排ガスにはＳＯ_ｘ、ＮＯ_ｘ等が含まれるので、大気放散する前に浄化処理する必要がある。この排ガス浄化処理の負荷を軽減し、かつ排ガス保有熱を有効活用するために、排ガスの一部を循環させて再利用するガス循環方式が広く用いられている。ガス循環方式では、一般にパレット１通路上方側にフード９を設け、風箱３からブロア４までの吸引途上で排ガスの一部を循環ブロア６で抜き取り、循環ガス経路７でフード９へ案内し再び燃焼用ガスとして利用するようにしている。

上記ガス循環方式に関し、排ガス保有熱のさらなる有効活用や排ガス発生量のさらなる低減を目指して多くの提案がされている。
例えば、特許文献１には、風箱群を点火炉直下側から昇番順に３群に分け、第３群からの排ガスを点火炉の燃焼用空気および保熱用あるいは鉱石燃焼用空気に循環して再利用すると共に、第１群からの排ガスは集塵して、また第２群からの排ガスは集塵後脱硫脱硝して、大気に放散させることが開示されている。

また、特許文献２には、焼結装置の出側に設置された冷却機から排出される排ガスをコークス燃焼用空気および燃焼促進用空気として焼結装置で循環利用する際に、冷却機から排出される排ガスのうち熱量の多いものから順に焼結装置上流側に循環させることが開示されている。
また、特許文献３には、焼結装置の前半部からの排ガスを冷却機の冷却用ガスに再利用後焼結装置の後半部の燃焼用ガスとして循環利用することが開示されている。

また、特許文献４には、実質的に冷却機からの排ガスを循環させて再利用するだけで鉄鉱石を焼結することが開示されている。
また、特許文献５には、焼結装置の点火炉域と後部域の風箱からの排ガスを、前者は焼結装置の中後部に、後者は点火炉後の焼結装置の前部に循環すると共に、各循環排ガス中の酸素濃度を１８％以上とすることが開示されている。

また、特許文献６には、焼結装置の風箱群を同装置長さ方向に３分割し、前後二部域からの排ガスを混合し、該混合排ガス中の水蒸気濃度を９容量％（乾ガス基準）未満としたものをパレット上に循環させること、あるいは焼結装置の風箱群を同装置長さ方向に少なくとも２分割し、前部域からの水蒸気を１０容量％（乾ガス基準）以上含有する排ガスを点火炉後の前中部域のパレット上に循環させることが開示されている。

なお、特許文献７は、これに焼結についての記載はないが、本発明に用いる管状火炎バーナの詳細が開示されているため、ここで挙げておく。
特公昭５５−５１１５８号公報 特開昭５３−１２５９０３号公報 特開昭５４−１９４０２号公報 特開２００４−３３２００１号公報 特開平５−４３９５１号公報 特開２００１−２４１８６３号公報 特開平１１−２８１０１５号公報

一方、焼結工程において、粉状鉄鉱石をただ単に塊状化するだけでなく、ある程度（例えば還元率３０％以上）まで還元しておくことができれば、高炉での還元負荷が低減し、高炉燃料比やコークス熱量を削減できて大幅な省エネルギーにつながることが予想される。
そこで、焼結工程内で原料層を還元する手法を検討し、その結果、この還元反応を促進するためには、フード側から原料層を通過して吸引される燃焼用ガスの温度を適温（例えば４００〜５００℃程度）に保持し、かつ同ガスの酸素濃度を低濃度（例えば１０〜１４％程度）に保持する必要があることがわかった。

フード内の燃焼用ガスの温度および酸素濃度を上記の範囲に保持する手段としては、例えば図４に参考例を示すように、循環ガス経路７内に熱風を送り込んで循環ガスを再加熱した後、該循環ガスに工業ガス（Ｎ_２、ＣＯ）を混合添加して成分調整を行うことが考えられる。しかし、従来の熱風発生技術では、循環ガスの再加熱に多量の燃料ガスを必要とする上、加熱炉設備の建設、ガス混合制御や温度制御装置等の設備大型・複雑化を招き、また、工業ガス混合添加においても多量の工業ガスを必要とし、混合および成分制御等の設備投資費が増大する問題があり、その解決が強く望まれていた。

本発明は、上記問題を解決し、循環ガス再加熱のための燃料ガス使用量の大幅な削減、および循環ガス成分調整のための工業ガスの使用量削減、ならびに設備費の削減を可能にする焼結装置および焼結方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、循環ガスの再加熱手段、さらには成分調整手段として、特許文献７記載の管状火炎バーナを使用することに想到し、本発明をなした。
すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１）焼結される原料層の燃焼排ガスを該原料層の移動路の下方へ吸引し、該吸引したガスの一部を循環ガス経路で前記移動路上の原料層の上方へ案内して放出させるガス循環方式の焼結装置において、前記循環ガス経路のガス放出端部を複数に分けて前記移動路の移動方向に配列し、該配列されたガス放出端部に管状火炎バーナを取り付けたことを特徴とする焼結装置。

（２）（１）記載の焼結装置を用いた焼結方法であって、管状火炎バーナに燃料ガスおよび空気を吹き込んで生成させた管状火炎により循環ガスを再加熱するものとし、その際、循環ガス経路内のＯ_２濃度および温度を測定し、その結果を前記燃料ガスの吹き込み量に反映させる燃焼制御を行うことを特徴とする焼結方法。
（３）（１）記載の焼結装置を用いた焼結方法であって、管状火炎バーナに燃料ガス、および循環ガスと空気との混合ガスを吹き込んで管状火炎を生成させるものとし、その際、管状火炎バーナ出側の燃焼ゾーンガス温度を測定し、その結果を前記燃料ガスの吹き込み量に反映させ、かつ循環ガス経路内のＯ_２濃度を測定し、その結果を前記循環ガスと空気との混合ガスの混合比に反映させる燃焼制御を行うことを特徴とする焼結方法。

（４）（１）記載の焼結装置を用いた焼結方法であって、焼結装置を移動路長手方向に複数区に分け、各区ごとに（２）に記載の燃焼制御および（３）に記載の燃焼制御のうちいずれか一方を行うことを特徴とする焼結方法。

本発明によれば、多大な設備補充や工業ガス使用を要さずに、循環ガスの組成および温度を制御することができ、これをもって焼結鉱の還元率を高め、高炉での還元負荷を軽減することが可能となる。

本発明の焼結装置（＝本発明装置）では、例えば図１に示すように、風箱３からフード９内へ循環ガスを案内する循環ガス経路７のガス放出端部が複数に分けられ、分かれたガス放出端部に管状火炎バーナ８が取り付けられている。
管状火炎バーナは、特許文献７で提案されたものであり、例えば図２、図３に示されるように、一端が開放された管状の燃焼室２０を有し、この燃焼室２０の他端部にガスを吹き込むノズル２１が燃焼室内壁面の接線方向に向けて設けられたものである。これによれば、吹き込まれた燃料ガスと空気との混合ガス（燃料ガスと空気との予混合ガス、および、燃料ガスと空気とが別々に吹き込まれて燃焼室内で混合したガスのいずれであってもよい）が、燃焼室２０内で旋回流をつくり、点火されると、燃焼室２０の軸心周辺および内壁近傍の部分を除いた燃焼室２０内の部位に管状火炎４０が形成される。この管状火炎が安定して形成されうる燃料ガス量および空気比の範囲は、従来のバーナによる火炎が安定して形成されうるそれらの範囲に比べ、下限は格段に低く、上限はより高いという特徴があるため、非常に低い燃料ガス量でも還元火炎を発生させうる。また、内部断熱性も高い。

そのため、この管状火炎バーナを用いて循環ガスをフード内への放出直前で再加熱しあるいは燃焼させることで、参考例のような循環ガス径路途中での工業ガス添加や熱風吹き込みを行わなくても、原料層上方の雰囲気を所望のガス組成および温度に保持することが可能になり、参考例に比べ格段に少ない燃料ガス量および格段に低い設備補充費にて、焼結鉱の還元率を上げることが可能となる。

次に、上記管状火炎バーナを用いて原料層上方の雰囲気のガス組成および温度を制御するための、好ましい燃焼制御方法（本発明の焼結方法＝本発明方法）について説明する。
図４は、本発明方法の第１例を示すものである。この例では、管状火炎バーナ８は２つのノズル２１ａ、２１ｂを有する。点火プラグは図示を省略した。
この例では、管状火炎バーナ８の取り付け形態を、循環ガス径路７のガス放出端部が管状火炎バーナ８の非開放端部を貫通して燃焼室２０内に位置するような形態とし、ノズル２１ａから燃料ガス、ノズル２１ｂから空気を吹き込み、管状火炎４０を生成させる。このとき、循環ガス径路７内のＯ_２濃度および温度を計測し、これらの計測値に基づき、燃料ガスの吹き込み量を操作して、管状火炎４０の燃焼制御を行う。

燃料ガス吹き込み量の操作量は、予め実験で求めておいた被計測因子との対応関係に従い、管状火炎４０の燃焼により、原料層直上に生成される雰囲気ガスの組成および温度が、原料層の還元促進に適したものとなるように、設定される。
これにより、原料層の直上の雰囲気ガスは、その組成および温度が、原料層の還元促進に適したものに改質され、焼結途上の原料層の還元が促進されうる。ノズル２１ａへの燃料ガスとしてはＢＦＧ（高炉で発生した排ガス）、ノズル２１ｂへの空気としては大気を用いることができる。

また、図５は、本発明方法の第２例を示すものである。この例では、管状火炎バーナ８は２つのノズル２１ａ、２１ｂを有し、ノズル２１ｂへのガス供給口は２つに分岐されている。点火プラグは図示を省略した。
この例では、管状火炎バーナ８の取り付け形態を、循環ガス径路７のガス放出端部が管状火炎バーナ８のノズル２１ｂの２つのガス供給口の一方と接続した形態とし、ノズル２１ａから燃料ガス、ノズル２１ｂの２つのガス供給口の他方から空気を吹き込み、管状火炎４０を生成させる。循環ガスは空気と予混合されて燃焼室２０に入り、燃料ガスと混合されて管状火炎４０を形成する。このとき、循環ガス径路７内のＯ_２濃度を計測し、この計測値に基づきノズル２１ｂへの循環ガスと空気との混合比を操作し、かつ、管状火炎バーナ８の開放端のすぐ外側の燃焼ゾーンガス温度を計測し、その計測値に基づきノズル２１ａへの燃料ガスの吹き込み量を操作して、管状火炎４０の燃焼制御を行う。

前記混合比および燃料ガス吹き込み量の操作量は、予め実験で求めておいた被計測因子との対応関係に従い、管状火炎４０の燃焼により、原料層直上に生成される雰囲気ガスの組成および温度が、原料層の還元促進に適したものとなるように、設定される。
これにより、原料層の直上の雰囲気ガスは、その組成および温度が、原料層の還元促進に適したものに改質され、焼結途上の原料層の還元が促進されうる。ノズル２１ａへの燃料ガスとしてはＢＦＧ（高炉で発生した排ガス）、ノズル２１ｂへの循環ガスと混合される空気としては大気を用いることができる。

本発明方法では、焼結装置を移動路長手方向に複数区に分け、各区ごとに前記第１例の燃焼制御および前記第２例の燃焼制御のうちいずれか一方を行うようにしてもよい。分ける区の数やどの区でどちらの制御を行うかは、焼結装置の規模や型式等に応じて適宜決定すればよい。

上記第２例の焼結方法をそれぞれ図１の形態の本発明装置例において実施した場合（本発明例）と、図７の参考焼結装置を用いて机上での仮想的操業を行った場合（比較例）とで、設備費、エネルギー使用量（工業ガス使用量および循環ガス昇温用燃料使用量）、および還元率３０％以上になる焼結製品歩留りを比較した。
その結果、本発明例では、設備費は比較例の約７０％、工業ガス使用量は比較例の約７５％、循環ガス昇温用燃料使用量は比較例の約８５％と、それぞれ大幅に節約することができ、その上、上記歩留りが比較例に対し０．８〜１．０％程度向上することが確認された。

本発明装置の概要を示す模式図である。 管状火炎バーナの１例を示す一部切欠側面図である。 図２のＡ−Ａ矢視図である。 本発明方法の第１例を示す燃焼制御系統図である。 本発明方法の第２例を示す燃焼制御系統図である。 従来の焼結装置の概要を示す模式図である。 本発明の参考とした焼結装置の概要を示す模式図である。

符号の説明

１ パレット（原料層の移動路）
２ 点火炉
３ 風箱
４ 排気ブロア
５ 煙突
６ 循環ブロア
７ 循環ガス経路
８ 管状火炎バーナ
９ フード
１０ 矢示方向（原料層の移動方向）
２０ 燃焼室
２１ ノズル（ガス吹き込みノズル）
２２ 点火プラグ
４０ 管状火炎

Claims (4)

1. 焼結される原料層の燃焼排ガスを該原料層の移動路の下方へ吸引し、該吸引したガスの一部を循環ガス経路で前記移動路上の原料層の上方へ案内して放出させるガス循環方式の焼結装置において、前記循環ガス経路のガス放出端部を複数に分けて前記移動路の移動方向に配列し、該配列されたガス放出端部に管状火炎バーナを取り付けたことを特徴とする焼結装置。
2. 請求項１記載の焼結装置を用いた焼結方法であって、管状火炎バーナに燃料ガスおよび空気を吹き込んで生成させた管状火炎により循環ガスを再加熱するものとし、その際、循環ガス経路内のＯ_２濃度および温度を測定し、その結果を前記燃料ガスの吹き込み量に反映させる燃焼制御を行うことを特徴とする焼結方法。
3. 請求項１記載の焼結装置を用いた焼結方法であって、管状火炎バーナに燃料ガス、および循環ガスと空気との混合ガスを吹き込んで管状火炎を生成させるものとし、その際、管状火炎バーナ出側の燃焼ゾーンガス温度を測定し、その結果を前記燃料ガスの吹き込み量に反映させ、かつ循環ガス経路内のＯ_２濃度を測定し、その結果を前記循環ガスと空気との混合ガスの混合比に反映させる燃焼制御を行うことを特徴とする焼結方法。
4. 請求項１記載の焼結装置を用いた焼結方法であって、焼結装置を移動路長手方向に複数区に分け、各区ごとに請求項２記載の燃焼制御および請求項３記載の燃焼制御のうちいずれか一方を行うことを特徴とする焼結方法。

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