JP2009097051A - 高炉用微粉炭吹き込みランス - Google Patents

Abstract

【課題】微粉炭の燃焼を促進して燃焼率を向上させることができるとともに、過度な燃焼促進を抑制し、燃焼焦点の移動に伴う操業の不安定さや羽口、炉体などの溶損を避けることのできる微粉炭吹き込みランスを提供する。
【解決手段】羽口の熱風ガス通路内の開口部を有する微粉炭吹き込み用ランス１であって、該ランスは、微粉炭を吹き込む内管２と酸素または酸素富化空気８を吹き込む外管３を少なくとも備え、且つ、内管および外管は、内径および外径が先端方向に漸次拡大するように湾曲され、且つ、肉厚が先端に向かって減じられた先端部２ａ、３ａを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉などのシャフト炉型の高温反応容器に微粉炭を吹き込むための吹き込みランスに関する。

高炉操業においては、近年高価なコークスの代替燃料として、微粉炭を吹き込むことが一般化しており、最近では銑鉄トン当たり２５０〜３００ｋｇの石炭を吹き込む操業もある。しかし、将来的なコークスの需給、コークス製造設備の老朽化、環境に対する炭酸ガス排出規制などの状況をみると、今後さらにコークス使用量の低減が必要となる可能性が大きく、従って、より多量の微粉炭の吹き込みが必要となると考えられる。

一般に微粉炭は高炉の羽口に取り付けられたブローパイプに貫通して挿入される微粉炭吹き込みランスを通じて、羽口送風（熱風）と共に羽口から高炉内に吹き込まれ、炉内に形成されたレースウエイ内で燃焼するが、微粉炭の吹き込み量の増加に伴い、次のような二つの問題がある。
その一つは、微粉炭の燃焼率の低下による通気性、通液性の低下である。すなわち、微粉炭吹き込み量の増加と共に羽口先での酸素過剰率が減少するため、微粉炭の燃焼率が低下し、レースウエイ内で燃焼しきれない未燃チャーの発生量が増加する。発生した未燃チャーは、炉下部でソリューションロス反応により優先的に消費される可能性はあるが、その消費量には限界がある。そのため炉内消費量限界を超えた分はダストとして未燃チャーが炉頂から排出され、コークス置換率の低下や燃料費の増大を招いてしまう。また、発生した未燃チャーが炉心や融着帯根部等に蓄積すると通気性、通液性が悪化し、操業の安定性が損なわれる。

この微粉炭の燃焼率低下の問題への対処として、送風温度を上げる方法や酸素富化して送風する際に酸素濃度富化率を増加させるなどの方法があるが、前者の方法では、熱風炉の設備能力により限界があり、後者の方法では、熱流比などへの操業への影響があり、また、後述するようなランス直後での過剰な燃焼促進に伴う熱負荷の増大による操業の不安定化、ならびにランス、羽口や炉体の損耗が著しくなる可能性がある。
このようなことから、吹込み方法や、ランス形状を変更する各種の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、図６に示すような内管と外管とからなる通常の二重管ランスにおいて、内管から微粉炭を噴射し、内管と外管の間から混合した酸素および水蒸気を噴射することが提案されている。特許文献２では、微粉炭を噴射する内管と酸素富化空気を噴射する外管とからなる二重管ランスが提案されており、ランスの溶損を起こさせないために、内管の先端は外管の先端より内方側に位置されている。特許文献３には、微粉炭を吹き込む内管２２、酸素または酸素富化空気を吹き込む外管２３、および空気を吹き込む最外管２４とからなる三重管ランスが開示され、さらに、図７に示すように、最外管から供給する空気の吹き出し角度をランスの軸方向に対して外向きに６゜傾けるようにすることも提案されており、酸素濃度の低い熱風が高酸素濃度の燃焼用空気流に侵入するのを防ぎ、高酸素濃度の空気が効率よく微風炭の燃焼に用いるようにされている。また、特許文献４には、微粉炭を吹き込む内管と支燃性ガスを吹き込む外管とからなる二重管ランスにおいて、図８に示すように、内管２２の先端側部分に内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部と、縮径管部に連なり、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部を備えた微粉炭吹き込みバーナーが提案され、これにより微粉炭と支燃性ガスと接触、混合が効率的になされ、微粉炭の燃焼効率が向上するとされている。

他の一つは、微粉炭燃焼の過剰促進による操業の不安定化と羽口及び炉体の損傷の問題である。上述のように、微粉炭の燃焼には微粉炭を炭素系ガスに分解するための分解熱が必要であり、この熱を補償するために、送風温度を上げたり、送風中の酸素量を増やす酸素富化が必要となっている。微粉炭の吹き込み量の増加につれてこれらの対応は一層重要となるが、これによってレースウエー内での燃焼の焦点が羽口側に近づき、レースウエイで発生した高温の還元ガスが炉周辺を上昇して羽口や炉体の損傷を加速する原因となり、又、燃焼の過剰な促進により高炉操業が不安定となる。
この課題に対して、特許文献５には、三重管を用いた微粉炭を吹き込みにおいて、内管から微粉炭を、中間管から窒素を、そして外管から酸素を、それぞれ吹き込む方法が提案されている。すなわち、微粉炭吹き込みと同時に、窒素などの不活性ガスを供給し、これによって、ランス先端近傍での微粉炭の炭素と外部からの酸素との接触反応を抑制し、羽口直前での燃焼焦点を羽口直前から遠ざけ、熱負荷の増大による羽口や炉体の損傷を抑制するものである。

特開平１１−０９２８０９号公報 特開平０６−１００９１２号公報 特開平１１−３４３５１１号公報 特開２００５−６０８３４号公報 特開平１１−２０９８０７号公報

しかしながら、特許文献１のランスでは、外管と内管の間からの混合した酸素及び水蒸気が、微粉炭よりも送風中に拡散し微粉炭燃焼の効果はあまり得られない。また、特許文献２のランスでは、外管からの酸素富化空気の吹き込みにより微粉炭の燃焼促進効果は得られるが、微粉炭吹き込み流中の微粉炭の分散が進み難いため、微粉炭の燃焼促進効果は小さい。また、特許文献３のランスでは、特許文献２のように、外管からの酸素または酸素富化空気の吹き込みにより微粉炭の燃焼促進効果は得られるが、図７に示したように、外管２３の前方の領域で強い乱流域が形成されるものの、微粉炭吹き込み流中の微粉炭の分散が進み難いため、微粉炭の燃焼促進効果は小さい。また、特許文献４のバーナーでは、図８に示すように内管２２の前方の領域で強い乱流域が形成され、外管からの支燃性ガスを吹き込みによる燃焼促進に加えて、内管による微粉炭吹き込み流中の微粉炭の分散効果により、燃焼促進効果がさらに得られるが、この分散効果による燃焼促進は過度になり易く、燃焼焦点の位置が不安定となり、燃焼焦点の移動により操業が不安定となる。また、特許文献５の吹き込み方法では、中間管からの窒素の吹き込みにより微粉炭の過度な燃焼進行を抑制することはできるが、外管から吹き込まれた酸素が中間管からの窒素によって拡散され、また、微粉炭吹き込み流中の微粉炭の分散が進まないため、十分な燃焼促進効果を得ることができない。

このように、従来の微粉炭吹き込みランスは、燃焼を促進して燃焼率を向上させることが中心となっており、燃焼を促進して燃焼率を向上させる一方において、過度な燃焼促進を抑制し、燃焼焦点の移動に伴う操業の不安定さや羽口、炉体等の溶損を避けるという問題を同時に解決するものに至っていない。
本発明は、上述の状況に鑑み、高炉への微粉炭吹き込みにおいて、微粉炭の燃焼を促進して燃焼率を向上させることができるとともに、過度な燃焼促進を抑制し、燃焼焦点の移動に伴う操業の不安定さや羽口、炉体などの溶損を避けることのできる微粉炭吹き込みランスを提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１） 羽口の熱風ガス通路内の開口部を有する高炉用微粉炭吹き込みランスであって、該ランスは、微粉炭を吹き込む内管と酸素または酸素富化空気を吹き込む外管を少なくとも備え、内管および外管はそれぞれ、基部と基部に連続する先端側に、内径および外径が先端方向に漸次拡大すると共に、肉厚が先端方向に漸減し、かつ先端方向に拡開した形状の先端部を備えていることを特徴とする高炉用微粉炭吹き込みランス。
（２） さらに、前記ランスの軸方向断面において、内管および外管の基部と先端部の境界部における肉厚方向の中心と内管と外管の先端部の先端とをそれぞれ結ぶ直線が、ランスの管軸となす角度をそれぞれα、βとするとき、α＞βであることを特徴とする（１）に記載の高炉用微粉炭吹き込みランス。
（３） 前記ランスの内管および／または外管は、基部と先端部との間において、基部の先端側に、内径が先端側に向けて漸次縮小した縮径管部と、この縮径管部に連なり、内径が先端側に向けて漸次拡大し先端部につながる拡径管部とを有することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉用微粉炭吹き込みランス。

本発明によれば、ランスの先端で内管からの微粉炭流（微粉炭と搬送気体の混合流）と外管からの酸素または酸素富化流との間、および管からの酸素または酸素富化空気流とランス外側の羽口送風流（熱風）との間に層流域が確保され、微粉炭流と酸素または酸素富化空気流間の拡散及び分散と混合が抑制され、ランス先端近傍での燃焼の過剰な促進を抑制することができ、燃焼焦点を羽口の先端近傍から遠ざけることができる。さらに、層流域が乱流域に変化した後では、微粉炭流が酸素または酸素富化空気流および羽口送風流の中に速やかに分散するため、高い燃焼率を確保することができる。

また、前記ランスの軸方向断面において、内管および外管それぞれの基部と先端部の境界部における肉厚方向の中心と先端部の先端とを結ぶ直線と、ランスの管軸とがなす角度をそれぞれα、βとするとき、α＞βとすること、すなわち、内管の先端側への拡がりを外管のそれより大きくすることによって、ランスの外側の羽口送風流と外管からの酸素または酸素富化空気流との間で層流が維持されている領域で、外管の酸素または酸素富化空気流と微粉炭流との間を乱流域とし、外管の酸素または酸素富化空気流中の高濃度の酸素を羽口送風流中に拡散させることなく、微粉炭燃焼に寄与させることができ、燃焼率を向上させると共に、燃焼焦点を羽口近傍から離すことができる。

また、内管および／または外管の基部の先端側に、内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部と、縮径管部に連なり、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部を設けることにより、微粉炭流および酸素または酸素富化空気流の層流域をより効率的に形成することができる。

本発明の実施態様の図面を用いてさらに詳細に説明する。図５は、高炉への送風が行われる羽口近傍を示す断面の模式図である。
高炉炉壁１１には羽口１２が設けられ、羽口１２の後端にブローパイプ１３が接続されている。ブローパイプ１３には、加熱空気などの熱風ガスが熱風管（図示しない）から供給されており、ブローパイプ１３を経由して羽口１２から炉内１４内に送風される。このような送風羽口構造において、微粉炭吹き込みランス１がブローパイプ１３を貫通してガス通路内に開口し、このランス１を介して微粉炭がガス通路内に吹き込まれるように構成されている。羽口１２の前方には熱風ガスによる噴流１５が形成され、炉内１４に装入されたコークスが燃焼する領域、すなわち、レースウエイ１６が形成される。

図１は、本発明の微粉炭吹き込みランスの実施態様を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ視（基部と先端部の境界部ｇにおける）断面図である。なお、本明細書において、先端、或いは前方とは、ランスの吹き込み方向の前方あるいは先端を言うものとする。
ランス１は、内管２と外管３からなる２重管であり、内管２は、微粉炭と気体とが混合された微粉炭流７をブローパイプ１３内に吹き込むための微粉炭流路４を構成し、外管３は、内管２との間に、酸素または酸素富化空気流８をブローパイプ１３内に吹き込むための酸素または酸素富化空気流路５を構成している。
なお、ランス１がプロ−パイプ内に挿入された際、ランス１の外面（外管３の外面とブローパイプ１３の内面との間は、羽口から炉内に吹き込む送風（熱風）流９のための羽口送風流路６となっている。

ランス１の内管２、及び外管３は、それぞれ管軸方向先端側に向かって基部２ｂ、３ｂと、これに続く先端部２ａ、３ａを備えている。基部は、基本的に一定径の管を同心状に配置した管体で構成される。先端部２ａ、３ａは、内管、外管とも先端に向かって内径が漸次増加し、管軸側に向って凸となる滑らかな曲線（曲面）を形成している。また、内管、外管の外径も先端側に向かって漸次増加し、管軸側に向って凸となる滑らかな曲線（曲面）を形成している。さらに、先端部２ａ，３ａの肉厚は、基部２ｂ、３ｂに比べ、先端に行くに従って漸次減少している。

すなわち、内管２の先端部２ａと基部２ｂとの境界部２ｇにおける内径をＤｉ２ｇ、外径をＤｏ２ｇ、先端２ｃにおける内径をＤｉ２ｃ、外径をＤｏ２ｃとすると、Ｄｉ２ｃ＞Ｄｉ２ｇ、Ｄｏ２ｃ＞Ｄｏ２ｇとなるように先端側に向かって漸次増加するとともに、基部２ｂと先端部２ａとの境界部２ｇでの肉厚すなわち内径と外径の差（Ｄｏ２ｇ−Ｄｉ２ｇ）は、基部２ｂの肉厚に等しいのに対して、先端２ｃでの内径と外径の差（Ｄｏ２ｃ−Ｄｉ２ｃ）は、基部のそれと比べて極めて小さくなるように漸次減少している。
また、外管３についても内管２と同様、外管３の先端部３ａと基部３ｂとの境界部３ｇにおける内径をＤｉ３ｇ、外径をＤｏ３ｇ、先端３ｃにおける内径をＤｉ３ｃ、外径をＤｏ３ｃとすると、Ｄｉ３ｃ＞Ｄｉ３ｇ、Ｄｏ３ｃ＞Ｄｏ３ｇとなるように先端側に向かって漸次増加するとともに、基部３ｂと先端部３ａとの境界部３ｇでの肉厚すなわち内径と外径の差（Ｄｏ３ｇ−Ｄｉ３ｇ）は、基部の肉厚に等しいのに対して、先端での内径と外径の差（Ｄｏ３ｃ−Ｄｉ３ｃ）は、基部のそれと比べて極めて小さくなるように漸次減少している。
このように、内管および外管の先端部の断面形状は、いわゆる翼の気流方向の断面形状の一部をなすような湾曲した形状となっている。そして、外形はランスの前面側（先端方向）に向かって拡開した形状となっている。

このような断面形状とすることによって、ランスの先端部を経て先端から吹き出された微粉炭流７及び、酸素または酸素富化空気流８は、ランスの先端より前方の領域において、それぞれ層流域を形成する。さらに、ランス１の外側（外管の外面）においても、ランスの外管の先端部形状により、ランスの先端より前方の領域において、層流域を形成する。そして、層流域はその前方で乱流域に変化する。

すなわち、ランス１の先端で内管２からの微粉炭流７と外管３からの酸素または酸素富化流８との間、および外管３からの酸素または酸素富化空気流８とランス外側の羽口送風流（熱風流）６との間に層流域が確保され、微粉炭流７と酸素または酸素富化空気流８との間の拡散及び分散と混合が抑制され、ランス先端近傍での燃焼の過剰な促進を抑制することができる。さらに、層流域が乱流域に変化した後では、広範囲に形成された乱流域において、微粉炭流７が酸素又は酸素富化空気流８および羽口送風流９の中に速やかに分散するため、高い燃焼率を確保することができる。

内管２および外管３の先端部２ａ、３ａの管軸方向の長さＬ（Ｌ２、Ｌ３）、内径及び外径の増加率Δｄ及び肉厚の減少率Δｔは、羽口近傍の燃焼焦点が所望の位置となるように、ランスから吹き込む微粉炭の流量、酸素及び酸素富化空気流量、羽口送風流量などを勘案し、決定することができる。
内管２の管軸方向の長さＬ２は、内管２の先端２ｃから、この先端部２ａと基部２ｂとの境界部２ｇまでの距離を、境界部２ｇでの内管外径Ｄｏ２ｇで除したもので定義される。
また、外管３の管軸方向の長さＬ３も同様に、外管３の先端３ｃから、この先端部３ａと基部３ｂとの境界部３ｇまでの距離を、境界部３ｇでの外管外径Ｄｏ３ｇで除したもので定義される。これらの管軸方向の長さＬ２、Ｌ３が１未満では十分な層流域の確保が得られず、５超では乱流域遷移への制御性がえられなくなるため、１〜５の範囲にするのが好ましい。

内管２の管径の増加率Δｄ２は、内管２の先端２ｃ部の管内径（Ｄｉ２ｃ）と、この先端部２ａと基部２ｂとの境界部２ｇの管内径（Ｄｉ２ｇ）の差を、前記管軸方向の長さＬ２で除したもので定義される。また、外管の管径の増加率Δｄ３も同様に、外管３の先端３ｃ部の管内径（Ｄｉ３ｃ）と、この先端部３ａと基部３ｂとの境界部３ｇの管内径（Ｄｉ３ｇ）の差を、前記管軸方向の長さＬ３で除したもので定義される。
これらの管径の増加率は０．２未満では乱流域遷移への制御性が得られず、０．７超では十分な層流域の確保が得られなくなるため、好ましくは０．２〜０．７の範囲とするのが好ましい。なお、管径の増加率Δｄを管の内径で説明したが、同様に外径に基いて規定しても良いことは言うまでもない。

内管２の肉厚の減少率Δｔ２は、内管２の先端２ｃ部での肉厚（Ｄｏ２ｃ−Ｄｉ２ｃ）を、この先端部２ａと基部２ｂとの境界部２ｇ部での肉厚（Ｄｏ２ｇ−Ｄｉ２ｇ）で除したもので定義される。また、外管３の肉厚の減少率Δｔ３も同様に、外管３の先端３ｃ部での肉厚（Ｄｏ３ｃ−Ｄｉ３ｃ）を、この先端部３ａと基部３ｂとの境界部３ｇ部での肉厚（Ｄｏ３ｇ−Ｄｉ３ｇ）で除したもので定義される。
これらの肉厚の減少率Δｔ２、Δｔ３が０．０５未満では十分な強度及び作業性が得られず、０．２超では十分な乱流域の確保が得られなくなるため、０．０５〜０．２の範囲とするのが好ましい。

なお、図１の例では、先端部の管軸方向の長さ、内径及び外径の増加率及び肉厚の減少率は、内管２、外管３においてほぼ同一としている。すなわち、このように先端部の形状を内管、外管において同一または相似形状とすることによって、より安定して層流域を形成することができる。

また、図１（ａ）において、ランス１の内管２及び外管３のそれぞれの基部２ｂ、３ｂと先端部２ａ、３ａの境界部２ｇ、３ｇでの肉厚方向の中心を２ｄ、３ｄ、先端部の先端２ｃ、３ｃの肉厚中心を２ｅ、３ｅとして、内管２、外管３の肉厚方向の中心２ｄ、３ｄと先端の肉厚中心２ｅ、３ｅとをそれぞれ結ぶ線が管軸に対して時計回りになす角度（開き角、とも記す）をそれぞれα、βとするとき、α≒βとすることによって、さらに安定した層流域をランスの先端より遠方まで維持することができる。上記内管及び外管の開き角α、βは、管径の増加率によって決定され、これらの開き角α、βが５°未満では十分な乱流域遷移への制御性が得られず、２０°超では十分な層流域の確保が得られなくなるため、５〜２０°の範囲とするのが好ましい。

次に、図２は、本発明の微粉炭吹き込みランスの他の実施態様を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ視（基部と先端部の境界部ｇにおける）断面図である。
図２の態様のランス１の構成は図１の場合と類似するので、重複する部分は共通の符号を付与することによって説明を省略する。
図２に示したランス１の形状が、図１に示したランスの形状と異なる点は、図２（ａ）において、ランスの内管２及び外管３のそれぞれにおける基部２ｂ、３ｂと先端部２ａ，３ａの境界部２ｇ、３ｇでの肉厚方向の中心を２ｄ、３ｄ、先端部の先端２ｃ，３ｃの肉厚中心を２ｅ，３ｅとして、基部の肉厚方向の中心２ｄ、３ｄと先端２ｃ，３ｃの肉厚中心２ｅ，３ｅとを結ぶ線が管軸となす角度（開き角）をそれぞれα、βとするとき、α＞βとした点である。すなわち、図２（ｂ）で判るように、先端２ｃでの管内径Ｄｉ２ｃがＤｉ２ｇよりも大きくなっており、内管と外管の先端部における間隔が狭くなっている。
上記内管及び外管の開き角α、βは、管径の増加率Δｄによって決定され、これらの開き角α、βが５°未満では十分な乱流域遷移への制御性が得られず、２０°超では十分な層流域の確保ができなくなるため、５〜２０°の範囲とするのが好ましい。
また、内管の開き角αと外管の開き角βとの差α−βが１０°超では、十分な層流域の確保が得られなくなるため、１０°未満とするのが好ましい。
なお、内管２および外管３の先端部２ａ、３ａの管軸方向の長さＬ（Ｌ２、Ｌ３）、内径及び外径の増加率Δｄ（Δｄ２、Δｄ３）及び肉厚の減少率Δｔ（Δｔ２、Δｔ３）などは、図１で説明したのと同様にして設定することができる。

すなわち、内管の先端側への拡がり（開き角）を外管のそれより大きくすることによって、ランスの外側の羽口送風流９と外管３からの酸素または酸素富化空気流８との間で層流が形成されている領域において、外管３の酸素または酸素富化空気流８と内管２からの微粉炭流７との間は乱流域とすることができる。これによって、酸素または酸素富化空気流８中の高濃度の酸素を羽口送風流９中に拡散させることなく、微粉炭燃焼に寄与させることができ、燃焼率の向上を図ることができると共に、ランスの外側を層流域とすることによって、酸素または酸素富化空気流８と微粉炭流７とが過度に混合されて燃焼が過度に促進されるのを抑制することができ、燃焼焦点を羽口近傍から離すことができる。
このように、外管と内管の先端部の開き角を調整することにより、燃焼率の向上を図ると共に、燃焼焦点の位置を適切な位置に調節することができる。

図３は、本発明の微粉炭吹き込みランスの他の実施形態を示す断面図であり、図４は、図３のランスの（ａ）は正面図、（ｂ）は図３のＣ−Ｃ視（基部と先端部の境界部ｇ’における）断面図、（ｃ）は図３のＤ−Ｄ視（最小縮径管部における）断面図である。図３の態様のランス１の構成は、図１の場合と類似するので、重複する部分は共通の符号を付与することにより説明を省略する。図３において、図１または図２における内管２及び／または外管３の先端部２ａ及び／または３ａと基部２ｂ及び／または３ｂとの境界部に相当する２ｇ’及び／または３ｇ’より基部２ｂ及び／または３ｂ側（基部側とも記す）に、内径が先端側に向けて漸次縮小した縮径管部２ｊ及び／または３ｊと、この縮径管部の最小縮径部２ｆ及び／または３ｆに連なり、内径が先端側に向かって漸次拡大した拡径管部２ｈ及び／または３ｈが設けられている。縮径管部は、基部と縮径管部の基端側の境界部２ｋ及び／または３ｋにおいて、また、拡径管部は、先端部と拡径管部の先端側の境界部２ｇ’及び／または３ｇ’において、基部の内面の曲線（曲面）、先端部の内面の曲線（曲面）とそれぞれ滑らかにつながるように形成されることはいうまでもない。
なお、拡径管部と先端部との境界部２ｇ’及び／または３ｇ’、及び縮径管部と基部との境界部２ｋ及び／または３ｋは、図１、図２に示した先端部と基部の境界２ｇ及び／または３ｇに対応するものである。

以下、内管２を例にとって説明すると、縮径管部２ｊでは、その内径Ｄｉ２ｊは、基部２ｂとの境界部２ｋ（＝２ｇ’に相当）における内径と同じＤｉ２ｋ（＝Ｄｉ２ｇ’に相当）から前方側（先端側）に向かって、漸次縮小し、最小縮径部２ｆでＤｉ２ｆとなる。一方、これに続く拡径管部２ｈにおいては、その内径は、最小縮径部の内径Ｄｉ２ｆから漸次拡大し、先端部との境界部２ｇ’において、上記のＤｉ２ｇ’と等しくなり、先端部２ａへと滑らかに移行する。

拡径管部２ｈの管軸方向の長さＬ２ｈは、内管２の先端２ｃから、この先端部２ａと基部２ｂとの境界部２ｇ’までの距離Ｌ２を、境界部２ｇ’での内管外径Ｄｏ２ｇ’で除したものと定義する。この拡径管部２ｈの管軸方向の長さＬ２ｈは、ガス流速などを勘案して決めれば良く、この管軸方向の長さＬ２ｈが１未満では十分な層流域の確保が得られず、５超では乱流域遷移への制御性がえられなくなるため、１〜５の範囲にするのが好ましい。
Ｌ２とＬ２ｈの関係は、後述するδから評価されるが、好ましくは、層流域の確保のためＬ２ｈ≦Ｌ２である。
縮径管部２ｊの管軸方向の長さＬ２ｊはガス流速などを勘案して決めることができ、０．５未満では得られる効果が小さく、３．０超では層流域確保と乱流域遷移への制御性が得られなくなるため、０．５〜３．０の範囲とするのが好ましい。

管径が最も縮小した位置での内径Ｄｉ２ｆは、ガス流速などを勘案して決めることができる。このＤｉ２ｆは、先端部２ａと拡径管部２ｈとの境界部２ｇ’での内径がＤｉ２ｇ’とこの内径Ｄｉ２ｆとの差（Ｄｉ２ｇ’−Ｄｉ２ｆ）の１／２をｔとした場合に、境界部２ｋから管径が最も縮小した位置までの管軸方向の長さＬ２ｊと拡径管部２ｈの管軸方向の長さＬ２ｈの関係で、ｔ／（Ｌ２ｊ＋Ｌ２ｈ）が０．１超になると層流域確保と乱流域遷移への制御性が得られないため、０．１以下とするのが好ましい。

また、縮径管部２ｊの開き角度γは、図３に示すように、最小縮径部２ｆでの板厚中心２ｎと基部２ａと縮径管部２ｊとの境界部２ｋでの板厚中心２ｍとを結ぶ線が管軸中心線に対して反時計回りになす角度とする。また、拡径管部２ｈの開き角度δは、最小縮径部２ｆでの板厚中心２ｎと先端部と拡径管部の境界部２ｇ’における板厚中心２ｄ’とを結ぶ線が管軸中心線に対して時計回りになす角度とする。δ、γの最大値及び適正値は、ｔの評価によって求めることができるが、好ましくはα、β＞δ、γとする。
ランスの内管２を例にとって説明したが、この縮径管部、拡径管部は、図３に示すように内管と同様に外管にも設けることができる。また、縮径管部と拡径管部は、内管および外管のいずれか一方、あるいは、内管と外管の双方に設けることも可能である。
これにより、微粉炭流および酸素または酸素富化空気流の層流領域形成をより効果的にすることができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
空塔微粉炭燃焼試験装置を用いて、表１に示す形状を有する図１〜図４に示した本発明の二重管ランス、および、図６に示すような通常の二重管ランスを用いて微粉炭の燃焼点位置および燃焼性の比較を行った。実施例及び比較例において使用した二重管ランスの内管の内径は７ｍｍ、外径は９ｍｍ、外管の内径は９．８ｍｍ、外径は１３．８ｍｍとした。
また、表１においては、α：内管の開き角（°）、β：外管の開き角（°）、γ：内管の縮径管部の開き角度（°）、δ：内管の拡径管部の開き角度（°）、Ｌ：内管及び外管の管軸方向の長さ（−）、Δｄ：内管及び外管の管径の増加率（−）、Δｔ：内管及び外管の管径の肉厚の減少率（−）、Ｌ２ｊ：内管の基部２ｂと縮径管部２ｊとの境界部２ｋから管径が最も縮小した位置２ｆまでの管軸方向の長さ（−）、ｔ（ｍｍ）：内管の先端部２ａと拡径管部２ｈとの境界部２ｇ’での内径Ｄｉ２ｇ’と管径が最も縮小した位置２ｆでの内径Ｄｉ２ｆとの差（Ｄｉ２ｇ’−Ｄｉ２ｆ）の１／２、Ｌ２ｈ：内管の先端部２ａと拡径管部２ｈとの境界２ｇ’から管径が最も縮小した位置２ｆまでの管軸方向の長さ（−）、をそれぞれ示す。
なお、実施例３では、図３において内管２にのみ拡径部縮径部を設け、外管３は、実施例１と同じとした。

試験条件は、送風温度：１２５８℃、ガス流量：１０８．６Ｎｍ^３／ｈ、微粉炭吹込み速度：１９ｋｇ／ｈ、微粉炭濃度：１７５ｇ／Ｎｍ^３、酸素比：０．８２、外管の酸素流量：３．３Ｎｍ^３／ｈ、内管の微粉炭と窒素の流速：５．０Ｎｍ^３／ｈの同一とし、ランス先端より１００ｍｍ離れた位置における温度と、ランス先端より７００ｍｍ離れた位置における燃焼効率をそれぞれ測定した。これらの結果を表２に示す。

表２に示す通り、本発明の図１〜４に示すランスを用いた発明例１〜３は、通常のランスを用いた比較例に比べて燃焼効率の向上し、ランス先端より１００ｍｍ離れた位置における温度も低くなることから、ランス先端での急激な燃焼の抑制も実現できた。

本発明の微粉炭吹き込みランスの一実施態様の構成を示す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ視断面図である。 本発明の微粉炭吹き込みランスの他の実施態様の構成を示す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。 本発明の微粉炭吹き込みランスの他の一実施態様の構成を示す断面模式図である。 図３の本発明の微粉炭吹込みランスの模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は図３のＣ−Ｃ視断面図、（ｃ）はＤ−Ｄ視断面図である。 微粉炭吹き込みランスを用いて微粉炭吹き込みを行う状況を説明する模式図である。 従来の微粉炭吹き込みランスの概要を示す断面模式図である。 従来の他の微粉炭吹き込みランスの概要を示す断面模式図である。 従来の他の微粉炭吹き込みランスの概要を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 微粉炭吹き込みランス
２ 内管
３ 外管
４ 微粉炭吹き込み流路
５ 酸素または酸素富化空気吹き込み流路
６ 羽口送風流路
７ 微粉炭流
８ 酸素または酸素富化空気流
９ 羽口送風流
１１ 高炉炉壁
１２ 羽口
１３ ブローパイプ
１４ 炉内
１５ 噴流
１６ レースウエイ
２２ 内管
２３ 外管
２４ 最外管
ａ 先端部
ｂ 基部
ｃ 先端
ｄ 基部と先端部との境界部の肉厚中心
ｄ’ 拡径管部と先端部との境界部の肉厚中心
ｅ 先端の肉厚中心
ｆ 最小縮径部
ｇ 基部と先端部との境界部
ｇ’ 拡径管部と先端部との境界部
ｈ 拡径管部
ｊ 縮径管部
ｋ 縮径管部と基部との境界部
ｍ 拡径管部と基部との境界部の肉厚中心
ｎ 最小縮径部における肉厚中心
Ｌａ 先端部の管軸方向長さ
Ｌｈ 拡径管部の管軸方向長さ
Ｌｊ 縮径管部の管理方向長さ
α 内管の開き角度
β 外管の開き角度
γ 縮径管部の開き角度
δ 拡径管部の開き角度

Claims (3)

1. 羽口の熱風ガス通路内の開口部を有する高炉用微粉炭吹き込みランスであって、該ランスは、微粉炭を吹き込む内管と酸素または酸素富化空気を吹き込む外管を少なくとも備え、内管および外管はそれぞれ、基部と基部に連続する先端側に、内径および外径が先端方向に漸次拡大すると共に、肉厚が先端方向に漸減し、かつ、先端方向に拡開した形状の先端部を備えていることを特徴とする高炉用微粉炭吹き込みランス。
2. さらに、前記ランスの軸方向断面において、内管および外管の基部と先端部の境界部における肉厚方向の中心と内管および外管の先端部の先端とをそれぞれ結ぶ直線が、ランスの管軸となす角度をそれぞれα、βとするとき、α＞βであることを特徴とする請求項１に記載の高炉用微粉炭吹き込みランス。
3. 前記ランスの内管および／または外管は、基部と先端部との間において、基部の先端側に、内径が先端側に向けて漸次縮小した縮径管部と、この縮径管部に連なり、内径が先端側に向けて漸次拡大し先端部につながる拡径管部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の高炉用微粉炭吹き込みランス。

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