JP2011526354A - 製鋼炉発生ガス中のｃｏおよび可燃物の燃焼 - Google Patents

製鋼炉発生ガス中のｃｏおよび可燃物の燃焼 Download PDF

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Abstract

発生ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変化させるべく、遊離基を含む熱酸素流が製鋼容器から発生ガス流に送られる。製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法が、Ａ．炉内の溶鋼表面の上位の雰囲気から５００ｐｐｍを超える量の一酸化炭素を含む発生ガスを得て、該得られた発生ガスに空気を導入し、発生ガスの温度が１０９３．３３３３℃未満になるために必要な程度まで、前記得られた発生ガスを冷却することにより、温度約１０９３℃未満の発生ガス流を供給する段階と、Ｂ．燃料と酸素を混合し、得られた混合物中の酸素の一部をチャンバ内で前記燃料と共に燃焼させて、酸素を含む前記チャンバの出口から出てくる熱酸素流を作る段階燃料と酸素を混合し、得られた混合物中の酸素の一部をチャンバ内で前記燃料と共に燃焼させて、酸素を含む前記チャンバの出口から出てくる熱酸素流を作る段階であり、前記チャンバ内での前記燃焼の滞留時間が、段階Ｃで加えられる発生ガス流の温度よりも前記熱酸素流の温度が高くなるために十分な長さである前記段階と、Ｃ．段階Ｂで形成された熱酸素流を送る段階とを含む。

Description

本発明は、製鋼炉によって生じる発生ガス流の処理に関するものである。
電気炉（ＥＡＦ）による鋼の生産中には、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）等の高濃度の可燃性ガスを含む大量の高温発生ガスがＥＡＦ容器内で生じる。この発生ガスは、３０００Ｆ（＝１６４８．８８８８℃）以上の温度に達する可能性があり、発生ガス中のＣＯおよびＨ２のピーク濃度は、それぞれ６０％および３５％にまで達するだろう。電気エネルギー消費を低減化するために、ＥＡＦ発生ガスに含まれる熱エネルギーをできる限りＥＡＦ容器内で回収する必要がある。
一つの方法は、容器内での可燃物の燃焼に酸素ランスを用いて、ＣＯおよびＨ２の化学作用による熱を回収することである。発生ガス流からエネルギーを回収する別の方法は、ＥＡＦに装入されるスクラップの予熱に、発生ガス流の熱を用いることである。一例を挙げると、スクラップが発生ガス流の方向に対して向流方向に移動するようになっている導管に、ＥＡＦ発生ガスをパイプで送り、熱い発生ガスが直接熱伝達によってスクラップを予熱する。ＣＯおよびＨ２の燃焼用として酸素を供給するために、スクラップ予熱導管に空気が注入される。該スクラップ予熱導管に、所望の予熱温度までのスクラップの加熱を補強するために補助バーナーを設けてもよい。
発生ガスがＥＡＦ容器から出てゆく時にスクラップ予熱を行なわない場合、未燃焼のＣＯ、Ｈ２およびその他の可燃物に含まれる残留エネルギーは、これを回収しても、また、しなくてもよい。炉の安全操業のためには、また環境上の理由で、発生ガス中の残留可燃ガスを十分完全な水準にまで燃焼することにより、処理された発生ガスがダクトの下流で更に浄化されて大気中に排出可能である。例えば、発生ガス中のＣＯおよびＨ２等の高温可燃物は、典型的には、ＥＡＦ炉の「第四の穴」に接続する水冷式排気ダクト（本明細書では「ＥＡＦ排気ダクト」という）の「空隙」から導入される空気で燃焼される。また、ＥＡＦ排気ダクトの下流では、「除塵ボックス」が、ＣＯおよびＨ２を更に燃焼させるための後燃焼室としての機能を果たすことができる。除塵ボックスの上流または除塵ボックス内に、ランス吹きによって除塵ボックス用燃焼空気を導入することができる。操業者が溶融のために燃焼排ガスのエネルギーを回収したいと望むならば、除塵ボックスから流出する燃焼排ガス流の一部をＥＡＦ容器に再循環させることができる。
前記取組みにもかかわらず、ＥＡＦの多くの操業者にとって、発生ガス中の少量のＣＯの存在（ＣＯスリップと云う）が、なお操業上の問題として残っている。これは、ＥＡＦ熱サイクル中に、発生ガスの組成、容量および温度に大きな変動があるからである。かかる発生ガス特性の変動は、空気侵入量の変動や、装入されるスクラップの組成変化によって更に複雑になる。そのため、全ＥＡＦ熱サイクル過程に、バグハウス（bag house：除塵器）のＣＯ排出を点検し続けることが、炉操業者にとって難問になっている。ＣＯの排出が規制限界を超えるならば、ＥＡＦの操業者は財政上の重いペナルティに直面する。
ＣＯや他の可燃物の放出限度を超えないようにするために、放出限度を守るべく、しかしエネルギー効率を犠牲にして、或るＥＡＦの操業者は炉を控えめに運転しようとすることがある。例えば、操業者は炉または排気ダクトの圧力を低く設定して、ＣＯの燃焼を完結するために過剰量の換気を生じさせるかも知れない。この過剰量の空気は、全燃焼排ガス量と発生ガスに関連する熱損失を増大させ、そのため、炉の熱効率を低下させることがある。他の例では、ＥＡＦ炉の生産能力は、ＣＯ、Ｈ２、および他の可燃物の燃焼を完結させる下流ダクトまたは除塵ボックスの能力によって、実質的に制限されることがある。スクラップの予熱を利用すると、ＥＡＦの操業者は、かすかな臭気を封じ込めるという、更に、燃焼排ガス・ダクト中のダイオキシン等の望ましくない副生物の生成を制限するという、問題にも直面するかも知れない。
前記懸念は、また、塩基性酸素炉（ＢＯＦ）、取鍋精錬炉、およびアルゴン・酸素脱炭炉等の製鋼に用いられるその他の装置にも当てはまる。
本発明の一観点によれば、製鋼炉からの発生ガス流の処理方法が以下の段階(Ａ)〜(Ｃ)を含む、
（Ａ）炉内の溶鋼表面の上位の雰囲気から５００ｐｐｍを超える量の一酸化炭素を含む発生ガスを得て、該得られた発生ガスに空気を導入し、発生ガスの温度が２０００Ｆ（＝１０９３．３３３３℃）未満になるために必要な程度まで、前記得られた発生ガスを冷却することにより、温度２０００Ｆ（＝１０９３．３３３３℃）未満の発生ガス流を供給する段階、
（Ｂ）燃料と酸素を混合し、得られた混合物中の酸素の一部をチャンバ内で前記燃料と共に燃焼させて、酸素を含む前記チャンバの出口から出てくる熱酸素流（すなわち、熱い酸素流）を作る段階であり、前記チャンバ内での前記燃焼の滞留時間が、段階(Ｃ)で加えられる発生ガス流の温度よりも前記熱酸素流の温度が高くなるために十分な長さであり、かつ、前記滞留時間が、式：Ｏ，Ｈ，ＯＨ，Ｃ２Ｈ，ＣＨ２，ＣｊＨ２ｊ＋１，またはＣｊＨ２ｊ−１（式中、ｊは１〜４である）に対応する遊離基から成る群から選ばれる遊離基、およびこれらの遊離基の２種以上の混合物を含む前記燃焼生成物を、前記熱酸素流が含むようになる十分な短かさであるような、燃料と酸素を混合して、得られた混合物中の酸素の一部をチャンバ内で前記燃料と共に燃焼させる前記段階、および、
（Ｃ）段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流を段階(Ａ)で供給される前記発生ガス流に送って、前記熱酸素流が添加される前記発生ガスの温度よりも高い１１００Ｆ（＝５９３．３３３３℃）を超える温度に、前記供給される発生ガス流中の前記発生ガスの温度を高める、段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流を段階(Ａ)で供給される前記発生ガス流に送る前記段階であって、前記熱酸素流が、前記発生ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変えるために十分な割合で前記発生ガスに添加され、もって前記発生ガスの一酸化炭素含有量を低下させる、段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流を段階(Ａ)で供給される前記発生ガス流に送る前記段階。
前記方法の好適形態において、金属スクラップ等の金属が前記炉の１つに搬送され、該金属は、炉に搬送される前に、該炉から得られる前記発生ガスと直接熱伝導で接触して金属を加熱し、かつ、前記得られた発生ガスを冷却する。
前記方法の別の好適形態において、前記金属スクラップは、前記得られた発生ガス流との前記熱伝導により、前記得られた発生ガス中に揮発される有機物質を含み、そして、前記熱酸素流は、該有機物質を二酸化炭素と水蒸気に変えるために十分な割合で、前記冷却された発生ガス流と一緒に混合される。
本発明は、特に発生ガス温度が既に発生ガス可燃物の自然発火温度未満である、低濃度レベルの発生ガス可燃物を破壊する高運動量熱酸素の１つまたは複数の気流を注入することを含む。注入される酸素は熱くかつジェット運動量が高いので、熱酸素は発生ガスと迅速に混合し、そのため、たとえ発生ガス温度が可燃物の発火温度未満であっても、熱酸素流中の遊離基が発生ガス中の可燃物の破壊能力を高めるであろう。これらの高運動量熱酸素の気流は、本明細書で説明される熱酸素発生装置によって生成する。
本発明を実施し得る典型的な製鋼炉システムを示すフローシートである。 本発明に役立つ熱酸素発生装置の概略図である。 本発明に役立つ熱酸素発生装置の断面図である。 本発明の別の実施例における部分フローシートである。 本発明の更に別の実施例におけるフローシートである。 本発明の他の実施例におけるフローシートである。
以下、図面を見ながら本発明の説明を行なうが、本発明は図示例に限定されるわけではない。
図１は、製鋼炉からのＣＯの放出を管理する本発明の幾つかの異なる適用可能性を示す。これらのいずれか１つまたはそれ以上の適用は、別々に、または、ＣＯ放出を管理する総合体系として実施可能である。
図１を見ると、溶鋼２２の上に電極２４を有する電気炉（ＥＡＦ）２０内に発生ガス１０が発生する。３つの電極２４が図示されているが、他の個数の電極を使用することができ、交流または直流を用いてＥＡＦを運転することができる。発生ガス流１０は、出口（第四の穴とも云う）２５を介して導管（またはダクト）２６に流入した後、周囲の外気から空気がダクト２６に流入し得る、当該ダクト２６の開口からなる空隙２７を通って流れる。空気は、好ましくは空隙２７および／または発生ガスを運ぶダクトの他の入口を経て、発生ガス流に導入される。空気は、ファン若しくはインペラーを用いて、または、用いることなく、好ましくはこれらを用いることなく、発生ガスに導入可能である。
空隙２７の下流の発生ガス流は除塵ボックス５０に進む。発生ガスに同伴するより大きな粒状物質は、除塵ボックス５０内で発生ガスから分離される。気流５２は除塵ボックス５０から流出する発生ガス流である。除塵ボックス５０は、燃焼用酸化剤を注入するランスおよび／またはバーナーが設置されているならば（図示せず）、発生ガス中の可燃性生成物を燃焼する燃焼室として使用可能だろう。
熱酸素流が、本明細書で説明されるような発生ガスに供給されると、発生ガスは、好適には２０００Ｆ（＝１０９３．３３３３℃）以下の温度になる。形成された発生ガスが既に２０００Ｆ（＝１０９３．３３３３℃）以下であれば、発生ガスを冷却する必要がない。発生ガスの温度が２０００Ｆ（＝１０９３．３３３３℃）よりも高いと、発生ガスの冷却を必要とする。典型的には、ＥＡＦ等の製鋼炉雰囲気から回収される発生ガスは２０００Ｆ（＝１０９３．３３３３℃）よりも高い。空隙２７およびその他のいずれかの空気入口を経由する発生ガス流への空気の導入は、発生ガスを冷却する。水ジャケットを介して、またはダクト壁を介したりそれから離れて発生ガスから熱を回収する他の同等の機構を介して、発生ガスが流れているダクトを通過させることによって、更なる冷却を必要に応じて行うことができる。また、ダクトを周囲の雰囲気に放射冷却および／または対流冷却することによっても、発生ガスを冷却できる。
本明細書に説明されるような熱酸素発生装置５４により生成され得る熱酸素流５６が、気流５２に送られて気流５３を形成する。
炉２０内で生じた発生ガス１０は、また、天蓋３０におよび天蓋ダクト３１に上ることによって回収され得る。本実施例では、空気は周囲の外気からダクト３１に引き込まれる。本明細書に説明されるような熱酸素発生装置３２により生成され得る熱酸素流３３が、気流３１に送られて気流３４を形成する。
有利には本発明により処理される発生ガス流は、また、取鍋精錬炉および／またはアルゴン・酸素脱炭炉等の製鉄所における他の供給源に由来してもよい。気流４２は、かかる任意の発生ガス流を示し、これは、また、２以上の取鍋精錬炉、２以上のアルゴン・酸素脱炭炉、または両タイプの炉からの発生ガス流を混ぜ合わせることによって形成された気流であってもよい。本明細書に説明されるような熱酸素発生装置４６により生成され得る熱酸素流４８が、気流４２に送られて気流４９を形成する。
前述のように、幾つかの異なる発生ガス流のＣＯ含量を処理するために、前記熱酸素発生装置および気流のいずれか１つを採用することができるか、または、これらの幾つかを採用することができる。更に、熱酸素流が既に送られた位置から下流の発生ガス流に熱酸素流を送るために、第二の（即ち追加の）熱酸素発生装置を採用することができる。例えば、気流３３および／または４８等の熱酸素流が上流に送られたところにさえも、熱酸素発生装置３５からの熱酸素流３６を送ることができる。別の熱酸素流が送られるところから下流に、気流３６のそのままで送られる熱酸素流を連続的に送ることができるか、あるいは、ＣＯ含量がその正常なレベルを超えて高められる熱サイクルの特定の時間中に、ＣＯを十分に破壊するに必要とされる熱酸素の予備供給源として、前記送られる熱酸素流を断続的にオンオフすることができる。図１に示された実施例では、気流３４および４９は、熱酸素流３６が任意に連続的または断続的に送られ得る気流３８を形成するように混ぜ合わされて、気流３９を形成する。
１種または複数の発生ガス流、例えば図１の場合では気流３９および５３に、熱酸素を加える際に形成される気流を混ぜ合わせて、バグハウス６０に進む気流５８を形成し、そこで微粒状物質の除去により発生ガスを浄化することができる。必要に応じて、例えば３９および５３等の気流を別々にバグハウス６０に供給してもよく、あるいは別々のバグハウスに供給してもよい。バグハウス６０から流出する気流６４は誘引通風機８０等のファンに吸引され、浄化された発生ガスが煙突１００の頂部開口１２０から大気に放出される。ファン８０は、存在するならば、図１に示すように、場合によっては、ダクト２６へ、および／または天蓋３０へ、および／または気流４２への発生ガス流の吸引を助けることもできる。
対応する熱酸素発生装置から形成される気流５６，３３，４８，および／または３６等の熱酸素流の形成が、一例として熱酸素発生装置５４を用いて、図２，３を参照しながら説明される。酸化剤の酸素濃度が３０容量％以上、好ましくは８５容量％以上の気流２０２が、好ましくはチャンバまたはダクトからなる熱酸素発生装置５４に供給され、これは、熱酸素が送られる発生ガス流を搬送するダクトを備えた発生装置５４の適当な開口を介して繋がっている。最も好ましくは、酸化剤２０２は、酸素濃度が９９．５容量％以上の理論的にいえば純粋な酸素である。熱酸素発生装置に送られる酸化剤２０２は、初期速度が、一般に毎秒５０〜３００フィート（ｆｐｓ）（約１５.６〜９０.９ｍ／ｓ）の範囲にあり、典型的には２００ｆｐｓ（６０.６ｍ／ｓ）未満であろう。
燃料の気流２０４は、燃料の注入に一般的に用いられる任意の適当なノズルであってもよい適当な燃料ノズルを介して、熱酸素発生装置５４に供給される。燃料は任意の適当な可燃性流体であってもよく、その例として、天然ガス、メタン、プロパン、水素、精油所燃料ガス、埋立地発生ガス、合成ガス、一酸化炭素、およびコークス炉ガスが挙げられる。熱酸素発生装置５４に送られる燃料中の水素の存在は、熱酸素流を形成する燃焼が熱酸素流中の（非イオン性）ＯＨおよびＯ遊離基の形成を促進するので、ＣＯのＣＯ２への転化を支援するのに有利である。好ましくは、燃料はガス燃料である。ガス燃料と酸素との混合および燃焼よりも、液体燃料と酸素との良好な混合および信頼性のある安全な燃焼を維持することが、困難であるものの、ナンバー２燃料油等の液体燃料も使用可能である。
熱酸素発生装置５４に供給される燃料２０４はそこで酸化剤と燃焼して、熱と例えば二酸化炭素および水蒸気等の燃焼反応生成物とを生じる。好ましくは、酸化剤の約３５％未満の酸素が燃料と燃焼する。約３５％未満の酸素が熱酸素発生装置内で燃料と燃焼する場合、残留酸素の温度が望ましくないレベルにまで上昇しないように、例えば、耐火性建築材料を使用する、および／または水冷壁等の熱除去機構を採用するなど、適切な処置を講ずるべきである。
熱酸素発生装置５４内で発生する燃焼反応生成物は、酸化剤２０２の残留酸素の一部と混合し、そのため、残留酸素に熱を与えてその温度を上昇させる。好ましくは、燃料は、高速で、典型的には２００ｆｐｓ（約６０.６ｍ／ｓ）を超え、一般に５００〜１５００ｆｐｓ（約１５１.５〜４５４.５ｍ／ｓ）の範囲内で、熱酸素発生装置５４に供給される。高速は燃焼反応生成物に酸化剤を同伴させるのに役立ち、そのため、チャンバ内での燃料の燃焼を促進する。
一般に、酸化剤供給ダクト内の残留酸化剤の温度は、少なくとも約５００Ｆ（２６０℃）まで、好ましくは少なくとも約１０００Ｆ（約５３８℃）まで上昇する。供給ダクトおよびノズルに関連する過熱の問題を避けるために、残留酸素の温度が約３０００Ｆ（約１６４９℃）を超えないことが好ましい。
熱酸素発生装置５４内で残留酸素の温度が上昇すると、発生ガスへの所定の酸素注入速度を達成する酸素の必要供給圧力が低下する。例えば、常温での酸素の注入に関して、８００ｆｐｓ（約２４２.４ｍ／ｓ）の速度で酸素を発生ガスに注入するためには、必要圧力は毎平方インチ当たり７ポンド・ゲージ（ｐｓｉｇ）（約４８.２６ｋＰａ・Ｇ）を超える。酸素温度が上昇すると、必要圧力は鋭く低下する。１５００Ｆ（約８１６℃）の温度では必要圧力は１.６５ｐｓｉｇ（約１１.３８ｋＰａ・Ｇ）であり、３０００Ｆ（約１６４９℃）の温度では必要圧力は僅か０.９１ｐｓｉｇ（約６.２７ｋＰａ・Ｇ）である。３０００Ｆ（約１６４９℃）を超える温度では殆ど追加の利益がなく、そのため、燃料と３５％以下の酸素との燃焼に関して別の理由を与える。従って、このような熱酸素の発生は、高い供給圧力を必要とすることなく高速の熱酸素流５６をもたらすことができ、そのため、酸素源の圧力が高くない場合、さもなければ必要であろう発生ガスに酸素を注入する前に、酸素を圧縮する必要性を低減または解消する。
熱酸素発生装置５４内で生起する燃焼は、発生装置５４から出てくる熱酸素流５６が、式 Ｏ，Ｈ，ＯＨ，Ｃ２Ｈ，ＣＨ２，ＣｊＨ２ｊ＋１，またはＣｊＨ２ｊ−１（式中、ｊは１〜４である）に対応する遊離基の１種以上、およびこれらの遊離基の２種以上の混合物を含有するように、行われるべきである。これは、熱酸素発生装置内の反応物（燃料および酸素）の滞留時間が、気流が送られる発生ガスの温度よりも高い温度の気流を生成する、熱酸素発生装置内で生起する燃料と酸素の燃焼反応を可能させるに十分長いこと、と同時に、前記滞留時間が、前記遊離基の少なくとも一部が存在するに十分短いことを条件とすることによって、達成され得る。滞留時間は、翻って、発生装置５４の空間の大きさにより、発生装置５４への燃料流２０４および酸化剤流２０２の供給速度により、および、熱酸素流５６が発生装置５４から出てくる出口オリフィスの大きさにより、定められる。好ましい滞留時間は約１〜２ミリ秒である。
図３を見ると、熱酸素発生装置５４（または発生装置３２，３４，４６）の断面が図示されている。燃料２０４が直径Ｘのオリフィス２０５から噴出する。酸素の気流２０２が、オリフィス２０５の前面に流れ、燃料と燃焼する。得られた熱酸素流５６は、直径Ｙのオリフィス２０１を通って発生装置５４から噴出する。オリフィス２０５からオリフィス２０１までの間隔は「Ｚ」である。一般に、熱酸素発生装置の寸法と、当該発生装置への燃料および酸素の供給速度と、熱酸素流が送られる発生ガス流のＣＯ含量を低減するように所望の温度および燃焼遊離基の所望の含量を有する、熱酸素流を生成できる滞留時間をもたらす出口オリフィスの寸法との組合せとしては、次のものが挙げられる。
Ｘ：０.３〜１.０ｍｍ
Ｙ：１.５〜２.６５ｍｍ
Ｚ：１.０〜３.５インチ（２.５４〜８.８９ｃｍ）
発生装置への燃料（天然ガス）の供給速度：２〜１４ｓｃｆｈ（空間速度 約0.057〜0.396ｍ３／ｈ）
発生装置への酸素の供給速度：１６〜７２ｓｃｆｈ（空間速度 約0.453〜2.039ｍ３／ｈ）
発生装置内の圧力：１５.１〜６７.８ｐｓｉａ（約104.1〜467.4ｋＰａ絶対）
熱酸素流５６は、好ましくは７５（容量）％以上のＯ２を含有する。この気流の典型的な組成は、約８０％Ｏ２、１２％Ｈ２Ｏ、６％ＣＯ２、ＣＯからＣＯ２への開始および酸化に特に有効な（非イオン性）ＯＨ，Ｏ，Ｈ等の反応性に富むある種の遊離基、および前述の遊離基からなる。熱酸素流５６は、オリフィス２０１から流出して、高速および高運動量で発生ガスに送られ、熱ガスと発生ガス間に加速された混合をもたらす。
このようにして得られた熱酸素流５６（同様に、気流３３，３６，および／または４８、および本発明の実施において発生しかつ用いられるその他の気流）は、典型的には、温度が１６００Ｆ（約８７１℃）以上、好ましくは２０００Ｆ（約１０９３℃）以上である。一般に、熱酸素流の速度は、毎秒５００〜４５００フィート（ｆｐｓ）（約１５２〜１３６４ｍ／ｓ）、好ましくは８００から２０００または２５００ｆｐｓ（約２４２から６０６または７５８ｍ／ｓ）の範囲にあり、初期速度を３００ｆｐｓ（約９０.９ｍ／ｓ）ほど超過するであろう。好ましい実施の形態では、前記熱酸素流の速度はマッハ１である。
米国特許第５２６６０２４号明細書の発明の詳細な説明には、高運動量の熱酸素流の形成について更に説明している。なお、前記特許明細書はその内容が参照により本明細書に援用される。
高速の熱酸素流は、速度勾配または流体剪断によりおよび乱流噴流混合により、ジェット境界線を通って送られる発生ガスを同伴するものと考えられる。発生ガスおよび熱酸素流を混ぜ合わせる際に形成され、その混合物が熱酸素流と発生ガスの反応生成物を包含できるガス状気流は、前記混合物の温度が１４００Ｆ（７６０℃）より高い時に利点を実感できるが、温度が１０００Ｆ（約５３８℃）以上、好ましくは１２５０Ｆ（約６７７℃）以上である。
例えば熱酸素流５６が発生ガス流５２に送られる熱酸素流の各使用時には、気流５６が高運動量で製鋼炉の発生ガスに送られる。発生ガスと熱酸素の所望の反応は、熱酸素と発生ガス間の混合の親密さを向上させることによって増進する。熱酸素を複数の気流に分割してこれらの気流を発生ガスに送ることによって、あるいは、発生ガスと相対して即ち発生ガスに対して向流で熱酸素を送ることによって、親密な混合を促進することができる。好ましくは、親密な混合は、発生ガス流５２を搬送するダクト等のダクト内で、熱酸素と発生ガス間の接触を促進する物理的構造を提供することによって、促進される。かかる構造の例としては、ガスが通過せざるを得ない金網、または邪魔板等が挙げられる。熱酸素と発生ガスは、熱酸素が発生ガス中のＣＯをＣＯ２に燃焼する間に混合する。気流５３等の得られたガス混合物は、熱酸素と発生ガスとの前記反応の生成物を含む。
熱酸素発生装置を設置する好ましい位置は、発生ガスの温度が空気単独の注入には低すぎて、発生ガス中のＣＯの十分な量を破壊するに効果的でない発生ガスに、熱酸素流が送られるような位置である。例えば、発生ガスの温度が、１８００Ｆ（＝９８２．２２２２℃）まで、例えば１０００Ｆ〜１８００Ｆ（約５３８〜９８２℃）、好ましくは１１００Ｆ〜１６００Ｆ（約５９３〜８７１℃）、丁度１５００Ｆ（約８１６℃）まで、丁度１４００Ｆ（７６０℃）である領域に発生装置が熱酸素流を供給するところで、熱酸素発生装置を効果的に利用することができる。これらの温度でも、ＣＯの破壊が生起して、発生ガスのＣＯ含量を５００ｐｐｍ未満に、そして１００ｐｐｍ以下にさえ低下させることができる。熱酸素流の注入後には、合体された気流は、好ましくは温度が１３５０〜１４５０Ｆ（約７３２〜７８８℃）である。熱酸素流の典型的な注入速度は、５００〜３５００ｆｐｓ（約１５１.５〜１０６０ｍ／ｓ）、好ましくは１０００〜２８００ｆｐｓ（約３０３.０〜８４８.４ｍ／ｓ）にすることができる。
図４，５，６は、供給材料が炉に搬送される前に、金属スクラップ等の製鋼炉の供給材料が炉からの発生ガスにより予熱される、本発明の実施例を示す。図１にも現れる図４、５、または６の参照番号は、図１に示す意味と同じである。
図４に示すように、ＥＡＦの発生ガス１０が、第四の穴２５、引き続き導管２６を通った後、空隙２７を通過する。空隙を通過した後、発生ガス流は２つの気流４３６，４３８に分かれる。気流４３６は例えばバケット（bucket）予熱器４４０といわれる予熱器に進入し、一方、気流４３８は予熱器４４０をバイパスする。予熱器４４０にはスクラップ装入物４４２等の供給材料が定期的に装入され、熱い発生ガス流がスクラップ装入物を通過する時、熱い発生ガス流４３６により予熱される。装入物４４２への熱伝導により冷却された発生ガスは、気流４３７として予熱器４４０から流出する。加熱された装入物４４２はＥＡＦ２０に搬送される。
発生装置５４について本明細書に説明されたように構成されかつ運転される熱酸素発生装置４５０が、熱酸素流４５２を予熱器４４０の下流の気流４３７に送るように、設置される。熱酸素流４５２に含まれる熱酸素は、気流４３７と迅速に混合して、気流４３７中のＣＯを破壊する。得られた気流４３９は気流４３８と混じり合って気流４５４を形成し、次いで、任意にＥＡＦの天蓋３０からの気流３１と混じり合って気流５８を形成することができる。発生ガス流４５４，５８は、本明細書に説明されるような下流の公害防止設備により処理され得る。
図５は、本明細書に説明されたように形成される熱酸素流を利用する別の実施例を示し、本実施例では、連続的に作動する金属スクラップ等の供給材料の予熱器内部でガス放出物を規制する。この場合、供給材料用コンベアを備えたパイプ等の閉ざされた空間であってもよい、予熱器５３０を通る搬送装置５４０によって、スクラップ装入物５３５が連続的に搬送される。発生ガス流１０は装入物５３５に対して向流方向に予熱器５３０を通過し、装入物質が発生ガス１０からの熱伝導により加熱され、発生ガス１０が冷却される。予熱器に設けられた１以上の開口若しくは通気口５２７を通って、および／または発生ガスが予熱器に向かって流れる通路に、空気が導入される。予熱された後、スクラップ装入物は製鋼用ＥＡＦ２０内部の溶鋼２２に落下する。発生装置５４について本明細書に説明されたように構成されかつ運転される熱酸素発生装置５５０が、スクラップ搬送装置５４０の端部に近接して設置され、予熱器５３０内の発生ガス流１０に送られる熱酸素流５５２を発生する。気流５５２に含まれる熱酸素は気流１０と迅速に混合して、発生ガス中のＣＯを破壊する。得られた気流５５４は、予熱器５３０から流出し、例えばＥＡＦの天蓋３０からの気流３１と任意に混じり合って、本明細書に説明されるように更に処理され得る気流５８を形成することができる。
図６は、本発明の更に別の適用、即ち、炉の上に位置して炉からの発生ガスを受け入れるシャフト部６４２と、シャフト部６４２の上に位置してシャフト部６４２からの発生ガスを受け入れるフード部６４６とを配備した、高炉６２０への適用を示す。本実施例では、金属スクラップ等の供給材料が、ドア６４７を介してフード部およびシャフト部に装入される。装入されたスクラップ（図５の供給材料５３５と同様の中実の点として示される）６４１は、発生ガスが通過できる開口を有するプレート（通常、フィンガーと称する）６４０，６４４によって、所定の位置に保持される。発生ガス１０は、装入されたスクラップ６４１を通過し、スクラップを通過する時に装入されたスクラップを予熱する。予熱されたスクラップは、その際、シャフト部６４２から炉６２０内の溶鋼２２に供給可能になる。発生ガス１０は、装入されたスクラップ６４１への熱伝導により冷却される。発生装置５４について本明細書に説明されたように構成されかつ運転される、熱酸素発生装置６５４からの熱酸素流６５６が、フード部６４６の頂部で発生ガス流１０に注入されてこれと混合する。また、発生ガス１０がフード部６４６から離れた後の発生ガス１０に熱酸素流６５２を送るように、熱酸素発生装置６５０を設置することができる。シャフト部６４２および／またはフード部６４６の開口部を介して、および／または、これらの高炉部のいずれかがプレート６４０または６４４を接合する箇所で、空気が発生ガスに導入される。
以上のいずれかの実施例において、または、製鋼容器からの発生ガスが容器に向かう供給材料の予熱に利用されるその他の任意の実施の形態において、供給材料は残留物または廃棄物等の有機物質を含有することがある。有機物質が供給材料中にまたはその表面に存在すると、本明細書に説明されたような供給材料の予熱により、ガス化された放出物を作り出す可能性がある。これは、供給材料中に若しくはその表面にあった有機物質、または、供給材料を発生ガスと熱伝導接触させる際に見られる温度に、前記有機物質を暴露することによって形成されるガス状有機副生物、またはこれらの混合物のガス状態を意味する。これらのガス放出物は、不快な臭いを引き起こすことのある化学成分、または、成分がダイオキシン等の有害物質を含むならば、若しくは、通常の予熱状態に曝される時に成分が有害物質を形成するならば、有害であるかも知れない化学成分を含有することがある。
発生ガスが供給材料を予熱する装置内の発生ガス流に、または発生ガスが供給材料を予熱した装置の下流に、本明細書に説明されたように形成される熱酸素流を送ると、化学成分を二酸化炭素および水に変えることにより、（有機）化学成分を除去できるかまたは完全に取り除けるという更なる利益がある。
二酸化炭素への最も満足すべきＣＯの転化を、並びに、発生ガスにより予熱された供給材料から発生ガスに流入する潜在的に有害な化学物質の除去または消去を達成するためには、次の３つの基準が重要である：（１）熱酸素流と発生ガス間の良好な混合を達成すること；（２）熱酸素流と発生ガスから形成される混合物の温度が適切な範囲にあること；および（３）混合物の滞留時間がＣＯ２へのＣＯの燃焼を完全にするに十分であること。本明細書に説明された条件内での運転は、これらの基準を満足させる。
低温または常温での従来の酸素ランス吹きと、あるいは、発生ガスが炉から流出する際に発生ガスダクト内での後燃焼バーナーの設置および使用と比較すると、本明細書に説明されたような熱酸素流の利用は次の利点がある。
○熱酸素流は、発生ガスの局部温度が低すぎて、効果的にＣＯを破壊できない発生ガスに必要な熱を与える。
○明細書に説明されたような熱酸素発生装置は、良好な混合を行う高いジェット運動量で熱酸素を供給して、低濃度のＣＯでもこれを破壊する。
○熱酸素の注入は、注入される酸素量が発生ガス量と比較して一般に少ない（１〜３容量％）ので、発生ガスダクト内の全ガス滞留時間に殆ど影響がない。
○熱酸素発生装置は、設計が非常にコンパクトであり、ダクトまたは設置スペースが厳しく制約されるとき、現場での設置に柔軟性を提供する。
○本明細書に説明されたような熱酸素発生装置は、発生ガスのＮＯｘ含量を増加させることなくＣＯを破壊する。
発生ガス流中のＣＯを破壊する本明細書に説明されたような熱酸素発生装置および熱酸素流を利用すると、下記のプロセスの優位性をもたらす。
○向上した製鋼炉の能力（即ち、生産速度）
本発明は、既存の炉の生産速度が発生ガスの高ＣＯ排出により制約を受けるならば、当該炉の能力を強化することが可能である。ＥＡＦ炉がその生産速度を高めるならば、より多くの量の発生ガスが発生するであろう。増大した発生ガス量に起因して、ダクトの下流に設置された空気をベースにしたＣＯ燃焼手段は、バグハウスで排出限界を満たすレベルにまでＣＯを燃焼することができないかも知れない。向上した生産速度により起こり得るその他の結果は、ファンの能力によってＥＡＦのダクトが制限されるようになることであり、これは、既存のファンがＣＯの燃焼を処理できる空気の最大量であることを意味する。本発明によれば、操業者は、ＣＯを破壊する最大の能力で空気をベースにした既存のＣＯ燃焼システムを稼働させることができる。その際、操業者は、最終的にＣＯを燃焼させる空気系の下流に設置された熱酸素発生装置を使用することができ、空気をベースにしたシステムはもはやＣＯの破壊に有効でない。
○向上した炉の効率（即ち、生産される鋼鉄のトン当たりの電力消費量）
炉の多くの操業者は、全てのＣＯや工場排出物中の他の可燃物が排出規制限度に合致することを確実に行おうとして、非常に控えめな方法で炉を管理している。例えば、操業者は、ダクトの吸引圧力を高めて、ＣＯ、Ｈ２および他の可燃物の後燃焼のために過剰量の空気をダクトに導入することがある。後燃焼のために高い百分率の過剰空気を供給することによって、炉はＣＯ放出限度を満たすことができるが、その熱効率が犠牲になる。これは、高い換気により発生ガスの体積とその全熱容量が増大するからである。外部燃焼排ガスの再循環を用いないと、発生ガスに含まれる利用可能な熱が熱損失となる。大きな発生ガスの体積は、また、下流の発生ガス浄化装置の運転コストを増大させる。
○法的処罰の回避
本発明は、特定のＣＯ排出目標を達成するために、炉の操業者に簡単で有効な方法を提供する。熱酸素発生装置は、運転環境が本質的にダイナミックかつ一過性の炉にとって心強い装置となる。本発明によれば、必要が生じた時に熱酸素流が連続的または周期的に送られるかどうか、下流ダクトへのＣＯスリップが熱酸素流により破壊されることを識別しながら、操業者はより柔軟に炉を運転して変化するプロセスの要求に応えることができる。

Claims (15)

  1. 製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法において、
    （Ａ）炉内の溶鋼表面の上位の雰囲気から５００ｐｐｍを超える量の一酸化炭素を含む発生ガスを得て、該得られた発生ガスに空気を導入し、発生ガスの温度が１０９３．３３３３℃未満になるために必要な程度まで、前記得られた発生ガスを冷却することにより、温度１０９３．３３３３℃未満の発生ガス流を供給する段階と、
    （Ｂ）燃料と酸素を混合し、得られた混合物中の酸素の一部をチャンバ内で前記燃料と共に燃焼させて、酸素を含む前記チャンバの出口から出てくる熱酸素流を作る段階であり、前記チャンバ内での前記燃焼の滞留時間が、下記段階(Ｃ)で加えられる発生ガス流の温度よりも前記熱酸素流の温度が高くなるために十分な長さであり、かつ、前記滞留時間が、式：Ｏ，Ｈ，ＯＨ，Ｃ２Ｈ，ＣＨ２，ＣｊＨ２ｊ＋１，またはＣｊＨ２ｊ−１（式中、ｊは１〜４である）に対応する遊離基から成る群から選ばれる遊離基、およびこれらの遊離基の２種以上の混合物を含む前記燃焼生成物を、前記熱酸素流が含むようになる十分な短かさであるような、燃料と酸素を混合して、得られた混合物中の酸素の一部をチャンバ内で前記燃料と共に燃焼させる前記段階と、
    （Ｃ）段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流を段階(Ａ)で供給される前記発生ガス流に送って、前記熱酸素流が添加される前記発生ガスの温度よりも高い５９３．３３３３℃を超える温度に、前記供給される発生ガス流中の前記発生ガスの温度を高める、段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流を段階(Ａ)で供給される前記発生ガス流に送る前記段階であって、前記熱酸素流が、前記発生ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変えるために十分な割合で前記発生ガスに添加され、もって前記発生ガスの一酸化炭素含有量を低下させる、段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流を段階(Ａ)で供給される前記発生ガス流に送る前記段階とを含む製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  2. 前記熱酸素流が前記発生ガス流に供給される前に、前記得られた発生ガスからの直接熱伝達により供給材料を加熱し、かつ該加熱された供給材料を前記溶鋼に供給することを更に含む請求項１に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  3. 前記熱酸素流が供給される発生ガス流が、最高９８２．２２２２℃の温度を有する請求項１に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  4. 前記熱酸素流が供給される発生ガス流が、最高８１５．５５５５℃の温度を有する請求項１に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  5. 前記段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流が、前記段階(Ｃ)において１５２．４ｍ／秒以上の速度で前記発生ガス流に供給される請求項１に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  6. 前記段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流が、前記段階(Ｃ)においてマッハ１の速度で発生ガス流に供給される請求項１に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  7. 前記段階(Ｃ)において、前記発生ガス中の一酸化炭素量が５００ｐｐｍ未満に低下せしめられる請求項１に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  8. 前記段階(Ｃ)において、前記発生ガス中の一酸化炭素量が１００ｐｐｍ未満に低下せしめられる請求項１に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  9. 前記供給材料が有機物質を含み、前記熱酸素流が供給される前記発生ガスが、前記供給材料の前記加熱によって形成されるガス状有機放出物を含み、前記発生ガスに供給される前記熱酸素流が、前記ガス状有機放出物を二酸化炭素および水を含む生成物に変化させる請求項２に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  10. 前記熱酸素流が供給される前記発生ガス流は、９８２．２２２２℃以下の温度を有する請求項２に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  11. 前記熱酸素流が供給される前記発生ガス流は、８１５．５５５５℃以下の温度を有する請求項２に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  12. 前記段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流が、前記段階(Ｃ)において１５２．４ｍ／秒以上の速度で前記発生ガス流に供給される請求項２に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  13. 前記段階(Ｂ)で形成された前記熱酸素流が、前記段階(Ｃ)においてマッハ１の速度で前記発生ガス流に供給される請求項２に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  14. 前記段階(Ｃ)において、前記発生ガス中の一酸化炭素量が５００ｐｐｍ未満に低下せしめられる請求項２に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
  15. 段階(Ｃ)において、前記発生ガス中の一酸化炭素量が１００ｐｐｍ未満に低下せしめられる請求項２に記載された製鋼炉から出る発生ガス流の処理方法。
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