JP2009132546A - 溶融スラグの処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水砕スラグと同等の品質を有する粒状スラグを製造し、且つスラグ顕熱を高温で回収する。
【解決手段】溶融スラグをガスアトマイズして粒状スラグとするとともに、スラグ顕熱を回収するための方法であって、（a）処理容器内で柱状の溶融スラグ流を落下させ、該溶融スラグ流の１箇所に向けて斜め上方から複数条のガス噴射流を噴射することにより、溶融スラグをガスアトマイズして粒状スラグとする工程、（b）前記処理容器内に熱交換用のガスを導入し、前記粒状スラグと熱交換させる工程、（c）熱回収を行うために前記処理容器内のガスを取り出す工程、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉スラグなどの溶融スラグをガスアトマイズして粒状スラグとするとともに、スラグ顕熱を回収するための方法および装置に関する。

高炉を用いた銑鉄の製造プロセスでは、副生物としてスラグ（高炉スラグ）が得られ、この高炉スラグは砕化して主にセメント材料として使用されている。
高炉から排出される溶融状態の高炉スラグを砕化（微粒化）・固化させて粒状スラグとする従来方法としては、溶融スラグを水を用いて砕化・固化させる水砕法と、溶融スラグを空気を用いて砕化・固化させる風砕法の２つに大別される。このうち水砕法で得られる水砕スラグは、粒子が異形でごつごつした形状であり、後に貯留や運搬等で取り扱う際に、安定した安息角を保つ砂山としてハンドリングできることから、セメント材料の多くはこの水砕スラグが使用される。しかし、水砕法は水でスラグを微粒化するため、微粒化されたスラグ粒子は温度が低下し、通常は水の沸点以下すなわち１００℃以下まで冷却されてしまう。この水砕法で使用された水は温水となり、この温水の熱を回収する方法が特許文献１で提案されているが、質の悪い低温の熱しか回収できないためエクセルギ的にロスが大きい。すなわち、水砕法はスラグ顕熱を回収しにくい方法であると言える。なお、水砕法では、粒子が固化〜冷却される際の冷却速度が速いために、組織は非晶質化し（ガラス化率が高い）、セメント材料としては好適である。

一方、風砕法で得られる風砕スラグは、水砕スラグに比べて粒子が微粒化される際の冷却速度が遅いために固化するまでに時間がかかり、その間に表面張力によって球状化し、その状態で固化する。このため風砕スラグは、粒子が球形状になり、後に貯留や運搬等で取り扱う際に、安息角が小さくハンドリングしにくい（砂山状に貯留できない）ために、利用は限定されている。また、冷却速度が遅いために非晶質化せず（ガラス化率が低い）、このためセメント材料としては不向きである。一方で、風砕法ではスラグ粒子を比較的高温の状態で取り出せるので、その後適切に熱交換させれば、質の良い高温の熱を回収することができる。
以上のように水砕法と風砕法には、それぞれ長短、短所がある。

近年、ＣＯ_２排出を抑制するという観点から、高温で得られる良質の熱を回収して有効利用しようとする動きがある。その点からすると、高炉スラグは温度が１５００℃を超えるような高温状態で得られること、大量に発生すること、等から有望な熱源であると言える。
従来、高炉スラグの顕熱回収法として、以下のような提案がなされている。
特許文献２では、溶融スラグを粒状化し、飛翔させる過程で多数の噴気孔から気体を噴射させた多孔傾斜板によって受粒し、浮遊させながら、再融着させないように流動層を形成し、得られた高温ガスから熱回収を行う方法が提案されている。

特許文献３では、落下する溶融スラグの溶湯に対して横方向からガスを噴射してアトマイズし、粒状化後の粒子の飛翔角度がある一定角度となるようにガス噴射条件を制御する方法が開示されている。
特許文献４では、空気ジェットでアトマイズした粒子が再融着を起こして塊状となった粒子集積塊を解砕する方法が開示されている。
特開昭５９−６０１７９号公報 特公昭６１−５５０号公報 特公平２−３６５３８号公報 特開昭５８−５２９７７号公報

しかしながら、特許文献２や特許文献３の方法は、得られる粒子が丸く球状化した形状であり、しかも冷却速度が遅いために非晶質化しない（ガラス化率が低い）ことから、水砕スラグと同等の品質（形状とガラス化率）の粒状スラグが得られない。また、特許文献３の方法は、粒子の飛翔角度の条件が狭いため、落下する溶湯の条件が変化すると粒子の飛翔角度をその条件に設定することが難しい。
特許文献４の方法では、得られる粒状スラグの形状は、解砕によって水砕スラグのような異形となるが、再融着段階までの冷却速度が遅いためにガラス化率が低い。
以上のように、従来のいずれの方法も、水砕スラグと同等の品質を有する粒状スラグを得ることと、スラグ顕熱を高温で回収することの両立は難しかった。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、水砕スラグと同等の品質を有する粒状スラグを得ることができるとともに、スラグ顕熱を高温で回収することができる溶融スラグの処理方法および装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］溶融スラグをガスアトマイズして粒状スラグとするとともに、スラグ顕熱を回収するための方法であって、下記工程（a）〜（c）を有することを特徴とする溶融スラグの処理方法。
（a）処理容器内で柱状の溶融スラグ流を落下させ、該溶融スラグ流の１箇所に向けて斜め上方から複数条のガス噴射流を噴射することにより、溶融スラグをガスアトマイズして粒状スラグとする工程
（b）前記処理容器内に熱交換用のガスを導入し、前記粒状スラグと熱交換させる工程
（c）熱回収を行うために前記処理容器内のガスを取り出す工程
［2］上記［1］の処理方法において、ガス噴射流の中心と鉛直線とのなす角度が２３°以下であることを特徴とする溶融スラグの処理方法。

［3］処理容器と、該処理容器内の上部位置に配置されるガス噴射装置とを備えた溶融スラグの処理装置であって、
前記処理容器は、その上部に、溶融スラグ導入部とガス排出部を備えるとともに、その下部に、粒状スラグ取出部と熱交換用ガス導入部を備え、
前記ガス噴射装置は、前記溶融スラグ導入部から落下する柱状の溶融スラグ流の１箇所に向けて、斜め上方からガスを噴射する複数のガス噴射ノズルを備えることを特徴とする溶融スラグの処理装置。
［4］上記［3］の処理装置において、ガス噴射ノズルのガス噴射方向の中心と鉛直線とのなす角度が２３°以下であることを特徴とする溶融スラグの処理装置。

本発明によれば、溶融スラグが非常に微細な粒子にアトマイズされるため、冷却速度が大きくなってスラグ粒子が非晶質化しやすく、また粒子形状も異形になるため、水砕スラグと同等のガラス化率が高く且つ異形の粒状スラグを得ることができ、一方において、高温で且つガスと熱交換しやすい非常に微細な粒状スラグが得られるので、これをガスと熱交換させることにより、スラグ顕熱を高温で回収することができる。

図１および図２は、本発明に係る溶融スラグの処理方法および装置の一実施形態を模式的に示すもので、図１は処理容器を断面した状態で示す全体説明図、図２は処理容器に配置されるガス噴射装置の平面図である。図において、１は溶融スラグのタンディッシュであり、底部にスラグ注ぎ口１００を有している。
溶融スラグの処理装置は、前記タンディッシュ１の下方に配置される処理容器２と、この処理容器２内の上部位置に配置されるガス噴射装置３とを備えている。
前記処理容器２は縦型筒状の処理塔であり、その上部に、溶融スラグ導入部２０とガス排出部２２を備えるとともに、その下部に、粒状スラグ取出部２１と熱交換用ガス導入部２３を備えている。

前記溶融スラグ導入部２０（導入口）は処理容器２の上端部に形成されている。この溶融スラグ導入部２０には、タンディッシュ１の前記スラグ注ぎ口１００が接続され、このスラグ注ぎ口１００と溶融スラグ導入部２０を通じて処理容器２内に溶融スラグＳが流入し、柱状の溶融スラグ流Ｓ_ｆとなって処理容器２内を落下する。
前記粒状スラグ取出部２１（取出口）は、ロート状に構成された処理容器２の下端部分に形成され、開閉手段６により開閉可能に構成されている。
前記ガス排出部２２（排出口）は、処理容器２の上側部に設けられ、このガス排出部２２にはガス導管５が接続されている。
前記熱交換用ガス導入部２３は、処理容器２の下端部分に設けられた複数の熱交換用ガス噴射ノズル２３０で構成されている。

前記ガス噴射装置３は、前記溶融スラグ導入部２０から落下する柱状の溶融スラグ流Ｓ_ｆの１箇所に向けて、斜め上方からガスを噴射する複数のガス噴射ノズルを備えたものであり、本実施形態のガス噴射装置３は、環状の中心部を前記溶融スラグ流Ｓ_ｆが通過するように配置された環状ノズルヘッダ３１と、この環状ノズルヘッダ３１の周方向に間隔をおいて設けられた複数のガス噴射ノズル３０（ガスアトマイズ用ノズル）を備えている。
前記環状ノズルヘッダ３１には、処理容器２の外部から導かれたガス供給管４が接続されている。
前記複数のガス噴射ノズル３０は、斜め下方の溶融スラグ流Ｓ_ｆの１箇所（図中のｐ点）に向けてガスを噴射することにより、溶融スラグＳをアトマイズ（砕化および冷却・固化）し、粒状スラグＳ_ｇとする。ガス噴射ノズル３０の設置数は任意であるが、溶融スラグをできるだけ微細且つ均一にアトマイズするには、溶融スラグ流Ｓ_ｆを囲むようにして３基以上、より好ましくは８基以上のガス噴射ノズル３０を等間隔で配置することが望ましい。

ここで、ガス噴射ノズル３０は、そのガス噴射方向の中心と鉛直線とのなす角度αが２３°以下であることが好ましい。この角度αが２３°を超えると、アトマイズされたスラグ粒子が上流側（すなわち上側）に逆流するおそれがある。一方、角度αがあまり小さくなると、溶融スラグ流Ｓ_ｆに対するガス噴射流の衝突点（図中のｐ点）がガス噴射ノズル３０のノズル口から遠くなるため、ガス流速が小さくなって溶融スラグのアトマイズ作用が低下する。このため得られるスラグ粒子の粒径が大きくなり、粒子の冷却速度が小さくなるため非晶質化しにくくなる。このため角度αは１５°以上であることが望ましい。
図３は、上記角度αとアトマイズされたスラグ粒子の平均粒径との関係を示すものであり、角度αが大きいほどスラグ粒子の粒径は小さくなるが、ある角度（２３°）を超えると、吹き上がりが発生するため連続的なアトマイズができなくなる。一方、角度αが１５°未満では、得られるスラグ粒子の平均粒径が３００μｍを超え、スラグ粒子の冷却速度が小さくなるため非晶質化しにくくなる。

以下、図１および図２の処理装置を用いて高炉スラグを処理する場合を例に、本発明の処理方法の一実施形態を説明する。
高炉から排出された１５００℃程度の溶融スラグＳは鍋７に受けられ、本発明装置の設置場所まで搬送された後、タンディッシュ１に移される。タンディッシュ１内の溶融スラグＳは、スラグ注ぎ口１００と溶融スラグ導入部２０を通じて処理容器２内に流入し、柱状の溶融スラグ流Ｓ_ｆとなって処理容器２内を落下する。この溶融スラグ流Ｓ_ｆに対して、ガス噴射装置３を構成する複数のガス噴射ノズル３０からアトマイズ用のガスが噴射される。すなわち、溶融スラグ流Ｓ_ｆを囲むように配置された複数のガス噴射ノズル３０により、溶融スラグ流Ｓ_ｆの１箇所（図中のｐ点）に向けて斜め上方から複数条のガス噴射流ｇが噴射され、この複数条のガス噴射流ｇにより溶融スラグＳがアトマイズ（砕化および冷却・固化）され、粒状スラグＳ_ｇとなる。

ここで、さきに述べた理由により、ガス噴射ノズル３０からのガス噴射流ｇの中心と鉛直線とのなす角度αは１５〜２３°であることが好ましい。
また、ガス噴射ノズル３０からのガス噴射流ｇの流速が大きいほど得られるスラグ粒子の粒径が小さくなりやすく、このためガス噴射流ｇの流速は１００ｍ／ｓ以上が好ましい。
ガス噴射ノズル３０から噴射されるアトマイズ用ガスの種類に特別な制限はないが、処理対象が高炉スラグの場合には、酸素含有ガス（例えば、空気、酸素富化空気など）が望ましい。これは次のような理由による。すなわち、高炉内は還元性雰囲気であるため、高炉スラグ（溶融スラグ）中にはガス（例えば窒素）が溶解しているが、これを酸素含有ガスでアトマイズして溶融スラグの表面積が急激に増大した際に、酸素と接触すると瞬間的に酸化が起こり、溶融スラグに溶解していたガスが酸化進行に伴って放出される。このガス放出がスラグのアトマイズを効果的に促進し、特に微細で且つ異形なアトマイズ粉（粒状スラグ）が得られる。

本発明法によれば、上述したようなガスアトマイズ工程において、溶融スラグが非常に微細な粒子にアトマイズされるためにスラグ粒子が非晶質化しやすく、また粒子形状も異形になやすい。具体的には、本発明法では粒径が１００μｍ以下でガラス化率がほぼ１００％の粒状スラグを得ることができ、この粒状スラグはセメント材料として非常に好適なものである。
アトマイズ後の粒状スラグＳ_ｇは、処理容器２内を落下する。一方、処理容器２内には、その下端部の熱交換用ガス導入部２３（熱交換用ガス噴射ノズル２３０）から熱交換用ガス（通常、常温ガス）が導入されている。そして、この熱交換用ガスが上昇する過程で粒状スラグＳ_ｇとの間で熱交換がなされ、熱交換用ガスが高温に加熱される。熱交換用ガスの種類に特別な制限はないが、高温に加熱されたガスは周囲機器の酸化を促進するので、酸素を含まないガス、例えば窒素ガスなどが好ましい。

本発明法では、アトマイズにより高温の粒状スラグを生成させることができ、しかもガスと熱交換しやすい非常に微細なスラグ粒子が得られるので、常温の熱交換用ガスを粒状スラグＳ_ｇとの熱交換により１０００℃程度まで昇温させることができる。
この熱交換用ガスとアトマイズ用ガスの混合ガスは、熱回収を行うためにガス排出部２２を通じて処理容器２から取り出され、ガス導管５により熱回収工程（但し、ガスを熱源などにそのまま利用する工程の場合を含む）に送られる。そのような工程としては、例えば、回収ガスを利用した発電などが挙げられる。
なお、本発明は特に高炉スラグの処理に好適なものであるが、他の溶融スラグにも適用できる。

本発明の溶融スラグの処理方法および装置の一実施形態を模式的に示すもので、処理容器を断面した状態で示す全体説明図 図１に示す実施形態において、処理容器に配置されるガス噴射装置を示す平面図 ガス噴射流の中心と鉛直線とのなす角度αとアトマイズされたスラグ粒子の平均粒径との関係を示すグラフ

符号の説明

１ タンディッシュ
２ 処理容器
３ ガス噴射装置
４ ガス供給管
５ ガス導管
６ 開閉手段
７ 鍋
２０ 溶融スラグ導入部
２１ 粒状スラグ取出部
２２ ガス排出部
２３ 熱交換用ガス導入部
３０ ガス噴射ノズル
３１ 環状ノズルヘッダ
１００ スラグ注ぎ口
２３０ 熱交換用ガス噴射ノズル
Ｓ 溶融スラグ
Ｓ_ｆ 溶融スラグ流
Ｓ_ｇ 粒状スラグ

Claims (4)

1. 溶融スラグをガスアトマイズして粒状スラグとするとともに、スラグ顕熱を回収するための方法であって、下記工程（a）〜（c）を有することを特徴とする溶融スラグの処理方法。
   （a）処理容器内で柱状の溶融スラグ流を落下させ、該溶融スラグ流の１箇所に向けて斜め上方から複数条のガス噴射流を噴射することにより、溶融スラグをガスアトマイズして粒状スラグとする工程
   （b）前記処理容器内に熱交換用のガスを導入し、前記粒状スラグと熱交換させる工程
   （c）熱回収を行うために前記処理容器内のガスを取り出す工程
2. ガス噴射流の中心と鉛直線とのなす角度が２３°以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶融スラグの処理方法。
3. 処理容器と、該処理容器内の上部位置に配置されるガス噴射装置とを備えた溶融スラグの処理装置であって、
   前記処理容器は、その上部に、溶融スラグ導入部とガス排出部を備えるとともに、その下部に、粒状スラグ取出部と熱交換用ガス導入部を備え、
   前記ガス噴射装置は、前記溶融スラグ導入部から落下する柱状の溶融スラグ流の１箇所に向けて、斜め上方からガスを噴射する複数のガス噴射ノズルを備えることを特徴とする溶融スラグの処理装置。
4. ガス噴射ノズルのガス噴射方向の中心と鉛直線とのなす角度が２３°以下であることを特徴とする請求項３に記載の溶融スラグの処理装置。

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