JP2011127944A

JP2011127944A - 高炉排ガス中ダスト成分の連続分析方法

Info

Publication number: JP2011127944A
Application number: JP2009284813A
Authority: JP
Inventors: Kyoko Fujimoto; 京子藤本; Tetsushi Jodai; 哲史城代; Kazutoshi Hanada; 一利花田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】高炉排ガス中のダスト成分を排ガス流路内で連続的に分析する分析方法を提供する。
【解決手段】高炉排ガスの排気ダクトに支管を接続し、負圧によりガス吸引するアスピレーターで高炉排ガスを分流採取し、ＩＣＰ−ＡＥＳに導入して排ガスに含まれるダスト中のＺｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂの内の少なくとも１つの元素を連続的に測定する高炉排ガス中のダストの連続分析方法であって、前記排ガスをアスピレーターにより０．０１ｍ／ｓ以上の流速で気相のままＩＣＰ−ＡＥＳに導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉排ガス中のダスト成分を排ガス流路内で連続的に分析する分析方法に関する。

鉄鋼業の各工程で用いられている炉からの排ガス中に含まれるダストの成分組成は炉内の状況変化を敏感に反映するので、その組成を連続かつ自動的に分析して炉操業条件の制御にフィードバックすることが種々提案されている。

高炉の場合、高炉排ガスに含まれる高炉ダストは高炉装入原料中の微細粒子からなり、その中には、１．装入された原料中の微細部分が吹き飛ばされたものと２．高炉内で気化した物質が、炉上部のより低温の装入原料に接触冷却され、凝固して付着、排出されたものが含まれ、一般的にＣが２０−４０質量％含まれ、Ｚｎ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｓが凝縮されている。

高炉内ではＺｎ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏは高炉内のれんがの損傷、炉壁付着物生成の助長（棚吊り）、炉内コークスの劣化などの原因となるため、高炉に装入される量は少ないほど望ましいが、スクラップなどを使用するため皆無にすることが不可能で、これらの装入許容量及び含有原料の投入量が、高炉内付着物の多少などの状況とにらみ合わせて管理されている。

特許文献１は高炉排出Ｚｎ量の測定方法に関し、炉壁付着物生成を助長（棚吊り）するＺｎの排出量を高炉操業へ迅速に反映するため、ダストやスラジなど自動サンプリングや分析が困難な固体でなく、連続かつ自動分析が可能な高炉排ガス洗浄水の分析により測定することが記載されている。

特許文献２は溶銑を用いた製鋼用転炉精錬で発生するダストの組成を操業にフィードバックすることを目的に連続分析するダスト濃度測定方法に関し、排ガス集塵水を適当に希釈しＩＣＰ焔に連続的に導入し分光分析を行うことによって、鉄鋼精錬排ガス中ダクトの成分を連続的に分析し、得られた成分分析値を予測値と比較することが記載されている。

特許文献３は鉄鋼精錬排ガス中のダスト濃度測定方法に関し、採取した集塵水を希釈して光透過法によりダスト濃度を測定する際、ダスト付着による測定精度を悪化させることなく長時間精度良く測定するため、適宜、光減衰率測定部の内壁を洗浄または洗浄した光減衰率測定部と交換することが記載されている。

特開平２−６１００３号公報特開平１０−１０２１２１号公報特開２００１−１６５８５６号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の分析方法はいずれも集塵機の集塵水を分析計やＩＣＰ発光分析装置に導入しているため、液中に懸濁させたダストを分析計やＩＣＰプラズマに導入する過程で粒径や密度による選別が生じ、高炉ダスト組成を正確に把握することができない。

そこで、本発明は、高炉排ガス中のダスト成分を湿式処理を経ずに連続的に測定して、任意の時間範囲におけるダスト成分の経時変化を知ることを可能にする。特にその構成成分のうちＺｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂの経時変化を評価することが可能な、高炉排ガス中のダスト成分を排ガス流路内で連続的に分析する連続分析方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．高炉排ガスの排気ダクトに支管を接続し、負圧によりガス吸引するアスピレーターで高炉排ガスを分流採取し、ＩＣＰ−ＡＥＳに導入して排ガスに含まれるダスト中のＺｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂの内の少なくとも１つの元素を連続的に測定する高炉排ガス中のダストの連続分析方法であって、前記排ガスをアスピレーターにより０．０１ｍ／ｓ以上の流速で気相のままＩＣＰ−ＡＥＳに導入することを特徴とする高炉排ガス中のダストの連続分析方法。

本発明によれば、高炉内の状況を正確に把握することが可能となるので、装入原料の種類や量を制御することにより、高炉の効率的かつＣＯ_２排出量の最小化が可能な操業を可能にするもので産業上極めて有用である。

本発明の実施に好適な装置構成の一例を模式的に示す概略図。高炉排ガスに含まれるダスト中のＺｎの発光強度をモニタリングしたデータの一例を示す図。Ｚｎ発光強度の安定性に及ぼす支管内の高炉ダストの流速の影響を示す図。支管内部に付着して残存するダスト量に及ぼす支管内の高炉ダストの流速の影響を示す図。

本発明は、高炉排ガスを気相のままで連続的にＩＣＰ−ＡＥＳに導入して、当該排ガスに含まれるダスト成分を測定する際、特定の負圧条件に調整した吸引式のアスピレーターを用いることを特徴とする。

図１は本発明の実施に好適な装置構成の一例を説明する図で、ＩＣＰ−ＡＥＳ４に導入する分析用排ガス（高炉ガスとダストを含む）は高炉炉頂からダストキャッチャー（ＤＣ）（図示しない）につながる排気ダクト１に支管２（例えば、内径１０ｍｍのＳＵＳ管）を接続して負圧によりガス吸引するアスピレーター３を用いて分流採取する。

高炉排ガスに含まれるダストはサブμｍ〜数１０μｍ程度の粒径を有し、約１ｍ／ｓの流速で炉頂から排出されている。排ガスをＩＣＰ−ＡＥＳ４に導入する場合、粒径の大きなダストも含めて排出ダストの組成を反映する流速での分流が必要になるため、アスピレーター３による負圧は０．０１ｍ／ｓ以上の流速で分流するように調整する。負圧はアスピレーター本体に供給する負圧吸引用キャリアガスＡｒの流量をキャリアガス導入管５に取り付けた流量計６で調整して行う。

高炉ダストのかさ密度、空隙率、ガス組成（ガス密度）を考慮して、径１００μｍの粒子の流動化開始速度及び終末速度は計算によるとそれぞれ０．００４ｍ／ｓ、０．８〜０．９ｍ／ｓで、再現性のよい測定値を得るため０．０１ｍ／ｓ以上の一定流速で分流を行う。

図３は、高炉ダストを流動槽内で流動させ、支管２内の流速を変化させた場合の、Ｚｎ発光強度の安定性を調査した結果を示し、支管２の内径によらずＺｎ発光強度は支管２内の流速を０．０１ｍ／ｓ以上とした場合、安定する。Ｚｎ発光強度の安定性は支管２内における高炉ダストの安定輸送に依存するので、Ｚｎ発光強度が安定していればＺｎ含有ダストがＩＣＰのプラズマ中に安定輸送されていることが確認できる。

図４は、高炉ダストを流動槽内で流動させ、支管２内の流速を変化させた場合に、支管２の内部に付着して残存したダストの有無を調査した結果を示し、支管２の内径が１０ｍｍの場合は、流速：０．０１１ｍｍ/ｓ時、支管２の内径が５ｍｍの場合は、流速：０．０１７ｍｍ/ｓ時に、支管２内部に少量の粗大ダストの残存が認められた。

粗大なダストはほとんどが未反応のコークスで構成成分がＣであるため、本発明における分析対象元素（Ｚｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂ）の分析には支障はないが、長時間連続測定を行う場合には残存ダストにより流量が変動し、分析が不安定になる場合がある。そのため、長時間連続測定を行う場合には、支管２中の流速を０．０３ｍｍ/ｓ以上とすることが望ましい。

図３、４の横軸は支管２内の流速を示す。図３の縦軸は、ＩＣＰにおけるＺｎ発光強度の安定性を、安定（目盛：◎）、不安定（目盛：△）および無発光（目盛：×）にて示している。図４の縦軸は、支管２内の残存ダスト（支管内面に付着したダスト）を、付着無し（目盛：無）、極少量付着有り（目盛：極少有）、付着有り（目盛：有）にて示している。尚、実験は支管２内の流速を、アスピレーターの吸引速度を０．０１〜２Ｌ／ｍｉｎとして変化させて行った。

分流のために通常の吸気ポンプを用いると排ガスがポンプ内に導入された際にダストがポンプ内部に付着したり、流路を閉塞したりして連続的に安定してダストを搬送することができない。一方、アスピレーター３を用いた場合、支管２を搬送されるダストの損失が低減される。

アスピレーター３により排ガスダクト１から分流した排ガスを、ＩＣＰ−ＡＥＳ（高周波誘導結合プラズマ発光分析装置の略称）４に導入してダストの成分組成を分析する。ＩＣＰ−ＡＥＳ４はＡｒにより高温のプラズマを形成し、これを励起発光源として用いる。

プラズマ中への多量の大気の導入はプラズマを不安定にさせ、分析感度、精度を低下させるので、アスピレーター３と排ガスダクト１の間にガス交換システム（例えば特開２００６−１７０６５９号公報に記載）を配置して排ガスの主成分であるＣＯとＨ_２をＡｒに置換して、より多くの排ガスがプラズマ中に導入されるようにすると、安定的に高感度な分析が可能になり好ましい。

ＩＣＰ−ＡＥＳ４で排ガス中のダストのＺｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂの発光強度を連続測定し、単位時間当たりの積分強度を求める。ＩＣＰ−ＡＥＳ４でＺｎ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋを分析するのに適したＡｒガス流量（１．０〜１．５Ｌ／ｍｉｎ）となるように、「ガス交換システムから排出された試料ガス」と「負圧吸引用キャリアガス（Ａｒ）」の合計量に「導入量調整用ガス（Ａｒ）」を加えて流量を調整し、ダストと共に、ＩＣＰのプラズマ中にダスト及びＡｒガスを導入することが好ましい。導入量調整用ガス（Ａｒ）の流量は導入量調整用ガス導入管７に取り付けた流量計８で調整して行う。

尚、ＩＣＰ−ＡＥＳ４は６０００〜１００００Ｋの高温のプラズマを励起源とし、通常は、試料溶液または溶液化した試料をプラズマ中に噴霧して励起発光させ、元素に固有の波長でその発光強度を測定することにより元素の含有量を求める方法である。

そのため、ダストのような固体粒子を直接プラズマ中に導入した際には、プラズマ中で気化、励起する必要がある。高炉ダスト中で、Ｚｎ、Ｐｂはメタル、酸化物、硫化物、塩化物として、Ｎａ、Ｋは酸化物及び塩化物として存在する。これらの熱分解挙動を表１に示す。

これらはすべて２０００℃以下の比較的低温で気化可能な化合物で、高温のＩＣＰプラズマ中では容易に励起、発光することが可能で、溶液試料と同様に分析することができる。

なお、分析対象元素は、Ｚｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂの内、１つのみを選択して分析しても良いし、２以上の元素を選択して分析しても良い。これら分析対象元素は、モニタリング目的に合わせ適宜選択すれば良い。

本発明によれば、高炉排ガス中のＺｎ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋの内の少なくとも１つの元素をモニタリングすることが可能で、炉壁への付着や棚吊りが発生する前に、高炉内のこれらの元素の濃化が確認でき、還元率や装入原料を変化させることにより、円滑かつ効率的な高炉の操業が可能になる。以下、実施例を用いて本発明の作用効果を具体的に説明する。

前図１に概要を示す高炉ガスのダクトからＩＣＰ−ＡＥＳまでのダスト搬送及び分析システムを用いて高炉排ガス中のダストの成分組成の分析を行った。排気ダクト１からダストの採取位置はダストキャッチャー（図示しない）の上流に設置した。

内径１０ｍｍのＳＵＳ管を支管２としてダストを含んだ高炉ガスを、ガス交換システム（図示しない）の後部に設置した負圧吸引式アスピレーター３で０．６Ｌ／ｍｉｎで吸引した。この時管内の流速は０．１３ｍ／ｓｅｃとなり、粒径０．５ｍｍφのダストも充分吸引可能な線速度を有していた。

ＩＣＰ−ＡＥＳ４でＺｎ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋを分析するのに適したＡｒガス流量（１．０〜１．５Ｌ／ｍｉｎ）とになるように、「ガス交換システムから排出された試料ガス」と「負圧吸引用キャリアガス」の合計量に「導入量調整用ガス」を加えて流量を調整し、ダストと共に、ＩＣＰ−ＡＥＳ４のプラズマ中にダスト及びＡｒガスを導入した。

ＩＣＰプラズマ中で、ダストが気化して、構成元素が励起・発光した発光強度を測定した。測定波長には、Ｚｎ２１３．８５６ｎｍ、Ｐｂ２２０．３５１ｎｍ、Ｎａ５８９．９９５ｎｍ、Ｋ７６６．４９１ｎｍを用いた。これらの元素のうちＺｎの発光強度をモニタリングしたデータの一例を図２に示す。

測定開始から約４０分間は装置の安定化のためにＡｒを導入しておき、その後、ダストをＩＣＰ−ＡＥＳ４に導入し、測定した発光強度を１秒間ずつ積分してプロットした。

ダストの導入と同時にＺｎの発光シグナルが観察され、導入量の変化もモニターすることが可能である。乾式集塵されたダスト（乾ダスト）中のＺｎ含有率は０．１８質量％、湿式集塵されたダスト（湿ダスト）中のＺｎ含有率は１．８質量％で、乾ダストと湿ダストはほぼ同量捕集されていた。

１排気ダクト
２支管
３アスピレーター
４ＩＣＰ−ＡＥＳ
５キャリアガス導入管
６，８流量計
７導入量調整用ガス導入管

Claims

高炉排ガスの排気ダクトに支管を接続し、負圧によりガス吸引するアスピレーターで高炉排ガスを分流採取し、ＩＣＰ−ＡＥＳに導入して排ガスに含まれるダスト中のＺｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂの内の少なくとも１つの元素を連続的に測定する高炉排ガス中のダストの連続分析方法であって、前記排ガスをアスピレーターにより０．０１ｍ／ｓ以上の流速で気相のままＩＣＰ−ＡＥＳに導入することを特徴とする高炉排ガス中のダストの連続分析方法。