JP2009103357A - ロータリーキルンの操業方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 バーナーの形状や風量などの条件を変更すると、ロータリーキルン装置全体の熱のバランスは保持されたままであるにもかかわらず、コーチングの発生量が異なり、コーチングの発生量が著しく多く、問題となり、長時間の安定した操業を続けることが出来ないという問題を解決する。
【解決手段】 操業条件を変更させた場合のコーチング発生量を、コンピュータシミュレーションによって計算されるキルン内壁状態から推定し、その結果に基づき操業を行う。本発明において、コンピュータシミュレーションモデルは、キルンの空気層部分についての熱流動とバーナーから投入される燃料の燃焼について解析し、シミュレーションによる熱流束の最大値が、５．５ｋＷ／ｍ２を超えない条件で操業する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、含酸化ニッケル原料からニッケルをフェロニッケルとして回収するために水分および原料中の酸化鉄の予備還元を十分に行い得るフェロニッケル原料の前処理方法に関するものであり、具体的にはキルンを用いて鉱石を焼成して鉱石中の水分除去と鉄の予備還元を行うキルンの操業方法において、キルン内壁に発生するコーチング量を制御して長時間の安定操業を可能とする操業方法に関する。

ガーニエライト鉱やラテライト鉱などのような含酸化ニッケル原料からフェロニッケルとしてニッケルを回収する乾式精錬法において、広く行われている方法の１つとして、キルン・電気炉法がある。この方法では、まず、ロータリードライヤーで鉱石を予備乾燥し、水分を低下させる。その後、鉱石と炭素とをロータリーキルンに装入し、重油と炭素との燃焼熱により鉱石の残留水分の除去と、含酸化ニッケル原料中の鉄のＦｅ³⁺からＦｅ²⁺への還元を行う予備還元を行う。
キルン工程により得られた焼鉱を電気炉に装入し、主に電力により還元溶解してフェロニッケルを製造するが、含酸化ニッケル原料の水分除去と予備還元とを十分に行わないで原料を電気炉に装入すると水蒸気爆発や還元反応の進行による溶湯の踊りが起こるものである。
キルン工程では、鉱石排出端にて微粉炭、重油混焼バーナーを燃焼させ、この燃焼によって発生する熱量を鉱石装入端からのガス吸引によってキルン内部に移動させることによってキルン内部を高温にし、鉱石を焼成するものである。操業では、鉱石の焼成を効果的に行うために加熱用バーナーの形状や風量などの変更が行われる。この際、温度が過剰に上昇すると、鉱石が半熔融状態となりコーチングとなるので、通常キルン出口温度を９００℃前後にしている。しかしながら、鉱石の水分率の変動等により実質的に鉱石にかかる温度は変動し、キルン内壁にコーチングが発生する。

こうした問題を解決すべく、特許文献１では、原料となる前記Ｎｉ鉱石の鉱石成分の指標としてＦｅ／ＳｉＯ₂を用い、また添加する造滓剤量についての指標として（Ａｌ₂Ｏ₃＋ＣａＯ）／ＳｉＯ₂を用い、これらの各指標についての下記式で表わされる計算溶融温度Ｔｃ：
Ｔｃ＝１４７５−１２９ ×（Ｆｅ／ＳｉＯ₂） − ５６０×（（Ａｌ₂Ｏ₃＋ＣａＯ）／ＳｉＯ₂）
を１３３０〜１３７０℃の範囲に入るように調整することを特徴とするフェロニッケル焼成炉の操業方法である。また、本発明について、装入鉱石の１２００℃までの昇温温度勾配は、１〜５℃／ｍｉｎ とし、最高温度をＴｃ±２０℃の範囲内にコントロールする方法を提案している。
特開平５−２９５４６８号公報

しかしながら、前記提案の方法においても、バーナーの形状や風量などの条件を変更すると、キルン装置全体の熱のバランスは保持されたままであるにもかかわらず、コーチングの発生量が異なり、条件によってはコーチングの発生量が著しく多く、問題となる場合がある。コーチング発生量が多くなりすぎた場合、鉱石滞留時間変化による鉱石焼成状態の変化や、コーチングの落下によるキルンの内部構造の破壊や、キルンの重量増加や回転軸のずれによって生じる、キルン支持装置の破損という問題がある。
こうした問題を防止するために、目視によってコーチングが過剰に成長しないかを監視し、コーチングが成長した場合には、操業を止め、コーチングを除去すると言うことを行っている。このため、長時間の安定した操業を続けることが出来ないという問題がある。

本発明は、こうした問題点に鑑みて成されたものであり、操業条件を変更させた場合のコーチング発生量を、コンピュータシミュレーションによって計算されるキルン内壁状態から推定し、その結果に基づき操業を行うことを特徴とするものである。
本発明において、コンピュータシミュレーションモデルは、キルンの空気層部分についての熱流動とバーナーから投入される燃料の燃焼について解析するもので、次に示す仮定とモデルにて計算する。

ガス流体：
・Ｅｕｌｅｒｉａｎ的手法を用い、標準ｋ−ε乱流モデルを用いる。
・質量、運動量、及びエネルギーについての定常状態の保存方程式を解く。
・バーナー流入空気（１次，２次，微粉炭搬送流），フリーエアと微粉炭の流入を考慮する。
固体／液滴粒子：
・Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ的手法を用いて、運動方程式とエネルギー方程式を解く。
輻射伝熱：
・離散ビーム法を用い、微粉炭による熱遮蔽効果および、微粉炭粒子からの輻射を考慮する。
キルン内部化学反応
・微粉炭と重油および結晶水の反応を取り扱う。
・微粉炭の燃焼反応は揮発分の揮発と揮発分と固定炭素由来のＣＯガスの気相反応、及び固定炭素の表面反応の３つを考慮する。
・重油，結晶水の反応は、その熱量のみを考慮する。

そして、本発明の別の態様は前記発明に加えて、シミュレーションによる熱流束の最大値が、５．５ｋＷ／ｍ²を超えない条件にすることを特徴とするものである。

本発明の判定方法によってキルン内部へのコーチング発生量を事前に予測することができるため、コーチングが大量に発生する条件への操業条件の変更を避けることが可能となり、長時間の安定操業が続けられる。

以下、検討例を基に本発明を説明する。
検討対象のロータリーキルンは原料鉱石の乾燥と予備還元を行う内径約４．３ｍ、長さ１０５ｍの円筒形の炉である。 キルン内部に装入された鉱石は、ガスとの接触によって温度が上昇し、付着水分の蒸発が起きる。さらに、鉱石の温度が上昇すると、石炭揮発分の燃焼が始まり，結晶水が蒸発する。完全に乾燥された鉱石は、バーナーフレームからの輻射と、鉱石層の石炭によって焼成、予備還元されて排出される。
１）計算の概要
キルンの鉱石排出端から４０ｍまでの燃焼解析を行い、炉内の温度分布やガス成分の分布、及び熱負荷（：炉内から炉壁への輻射伝熱量）分布と炉内内壁温度を予測する。本計算では下記の仮定を基に、ＣＤＡＪ社の汎用性熱流体解析ソフト：Ｓｔａｒ−ＣＤを用いて計算した。
＜計算の仮定＞
ａ） 形状モデル：
・３次元軸対象１０°モデル
ｂ） ガス流体：
・Ｅｕｌｅｒｉａｎ的手法を用い、標準ｋ−ε乱流モデルを用いる。
・バーナー流入空気（１次，２次，微粉炭搬送流），フリーエアと微粉炭の流 入を考慮する。
ｃ） 固体／液滴粒子：
・Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ的手法を用いる。
・微粉炭粒子の燃焼を取り扱う。
ｄ） 輻射伝熱：
・離散ビーム法を用い、微粉炭による熱遮蔽効果および、微粉炭粒子からの輻射を考慮する。

２）数学モデル
ガス流体は、質量、運動量、及びエネルギーについての定常状態の保存方程式である数１を解く。

そして、固体／液体粒子については、数２と数３に示す運動方程式とエネルギー方程式を解く。

３）燃焼反応
炉内の反応は、微粉炭と重油および結晶水の反応を取り扱う。反応は、揮発分の揮発と揮発分と固定炭素由来のＣＯガスの気相反応、及び固定炭素の表面反応の３つを考慮する。また、重油，結晶水の反応は、その熱量のみを考慮する。
＜微粉炭揮発分放出＞
微粉炭は周囲のガス等からの伝熱によって昇温し、揮発分を放出する。このときの揮発速度は、総括一次モデル（Ｂａｄｚｉｏｃｈらによる）を用いた。その速度は、 Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ型の反応速度式に従うものとする（数４）。

＜固定炭素表面燃焼＞
固定炭素の燃焼においては、表面で周りの酸素と反応し、ＣＯを生成する（数５）。従って、数６が得られる。固定炭素の燃焼速度は、総括反応モデル（ｆｉｅｌｄによる）を用いた。固定炭素の燃焼速度は、式（７）に示すように、粒子表面への酸素の拡散速度と、固定炭素の反応速度によって決まるとしている。

揮発分ＣＨＯと固定炭素から生成するＣＯはその周りの酸素と反応してＣＯ₂，Ｈ₂Ｏガスを発生する（数７）。この反応は、渦消散モデルの反応速度に従うものとする（数８）。

＜重油の反応＞
重油は、噴霧後すぐに蒸発し、周囲の酸素と反応する。そこで、重油はバーナー先端からφ５５０ｍｍ×Ｌ６０００ｍｍの円柱領域で完全に燃焼すると仮定し、この領域内のエネルギー方程式に重油発熱量相当のエネルギー項を追加した。
また、酸素バランスを一致させるため、重油燃焼ガス（空気比＝１の時の理論燃焼ガス）をバーナー吹き込み口の中心より順に流入させる。
＜結晶水の反応＞
鉱石層から結晶水分の蒸発は、炉前から１５ｍから後ろ側の壁面から３メッシュ層に結晶水蒸発熱相当の吸熱を追加した。また、蒸発水分の顕熱は、窒素の比熱を大きくすることによって考慮する（数９）。

４）計算アルゴリズム
上記２））項で示したガス流体と固体／液体粒子の支配方程式は、ＰＳＩＣ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｓｏｕｒｃｅ−Ｉｎ−Ｃｅｌｌ）モデルを用いて連成し計算する。図１にその計算のフローチャートを示す。この計算では、最初にガス流体の保存方程式を解き、その流れ場（流速、圧力等）に対して、粒子の運動方程式とエネルギー方程式の計算を行い、粒子によるガス流体への生成項Ｓφを算出する。この計算したＳφを再度ガス流体の保存方程式に加え、同様のガス流体の計算を行い、更にその流れ場で粒子の計算をする。以上のような繰返し計算をＳφが一定となるまで行い、収束解を計算する。

そして、炉壁の熱負荷をガスと炉壁間の熱の授受にて表現することとした（数１０）。

以上のシミュレーションモデルにて、ニッケル鉱石焼成用の長さ１０５ｍ、内径４ｍのキルンについて、表１に示す２水準の条件でシミュレーションを行った。その結果からキルン内部から炉壁への熱流束を抽出したところ、図２に示すように同じ投入熱量であってもキルンの内部から炉壁への熱流束分布が大きく異なっていることがわかった。実際のキルンにおいて、シミュレーションと同じ条件の場合のコーチング発生量を調査すると、条件Ａにおいては、適度な量の付着であったのに対し、Ｂについては、排出端付近にＡより多く発生しており、キルン内部から炉壁への熱流束のピーク位置と高さとに相関があることがわかった。このことより、シミュレーション結果の熱流束分布によってキルンのコーチング発生量が判定できることが明らかとなった。
また、Ｂの条件ではコーチングが過剰発生したため操業を止める結果となった。このことからシミュレーション結果の熱流束のピーク値が５．５ｋＷ／ｍ²を超えた場合は、コーチング発生量が過剰となるので、これを超えないように操業を行うことで、長時間の安定した操業が可能であることがわかった。

コーチングが過剰に発生し、１週間程度しか連続操業が出来ていないＦｅ−Ｎｉ焼成用のキルンにおいて、コーチングが過剰発生ししている条件（表２―Ｃ）の場合のコーチング発生量を本手法によって判定したところ、図３に示すように熱流束の最大値が判定基準である５．５ｋＷ／ｍ²を超えており、過剰発生の条件であった。
操業改善のため、本手法を用いて種々条件のコーチング発生量を判定したところ、ある条件（表２―Ｄ）のようにを変更することで最大値は５．５ｋＷ／ｍ²を下回り、コーチングが過剰発生しないと判定された。本結果を実際の操業に採用した結果、コーチングが過剰に発生することなく１ヶ月という長期間にわたって安定に操業を続けることが可能であった。

計算のフローチャートを示した図である。 検討結果で得られたキルン内部から炉壁への熱流束を示した図である。 実施例で得られたキルン内部から炉壁への熱流束を示した図である。

Claims (2)

1. 操業条件を変更させた場合のコーチング発生量を、下記コンピュータシミュレーション手法によって計算されるキルン内壁状態から推定し、その結果に基づき操業を行うことを特徴とするロータリーキルンの操業方法。
   （コンピュータシミュレーション手法）
   キルンの空気層部分についての熱流動とバーナーから投入される燃料の燃焼について以下に示す仮定とモデルにて計算する。
   ガス流体：
   ・Ｅｕｌｅｒｉａｎ的手法を用い、標準ｋ−ε乱流モデルを用いる。
   ・質量、運動量、及びエネルギーについての定常状態の保存方程式を解く。
   ・バーナー流入空気（１次，２次，微粉炭搬送流），フリーエアと微粉炭の流入を考慮する。
   固体／液滴粒子：
   ・Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ的手法を用いて、運動方程式とエネルギー方程式を解く。
   輻射伝熱：
   ・離散ビーム法を用い、微粉炭による熱遮蔽効果および、微粉炭粒子からの輻射を考慮する。
   キルン内部化学反応
   ・微粉炭と重油および結晶水の反応を取り扱う。
   ・微粉炭の燃焼反応は揮発分の揮発と揮発分と固定炭素由来のＣＯガスの気相反応、及び固定炭素の表面反応の３つを考慮する。
   ・重油，結晶水の反応は、その熱量のみを考慮する。
2. 前記シミュレーションによる熱流束の最大値が、５．５ｋＷ／ｍ²を超えない条件にて操業することを特徴とするロータリーキルンの操業方法。

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