JP2014031571A - Design method of injection lance - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、吹き込み用ランスの設計方法に関する。 The present invention relates to a method for designing a blowing lance.
近年、高炉におけるコークスの消費を抑えるために、微粉炭を用いた高炉の操業方法が実用化されている。微粉炭を用いた高炉の操業方法では、熱風を高炉内に供給するブローパイプを介して、微粉炭が熱風と共に高炉内へ供給される。このブローパイプには、ブローパイプ内に吹き込むための吹き込み用ランスが設けられ、微粉炭がブローパイプ内を流れる熱風に吹き込まれる構成である。 In recent years, in order to suppress the consumption of coke in a blast furnace, a blast furnace operating method using pulverized coal has been put into practical use. In the operation method of the blast furnace using pulverized coal, the pulverized coal is supplied into the blast furnace together with the hot air through a blow pipe that supplies the hot air into the blast furnace. The blow pipe is provided with a blowing lance for blowing into the blow pipe, and pulverized coal is blown into hot air flowing through the blow pipe.
この微粉炭は、ブローパイプ内および高炉内のレースウェイと呼ばれる燃焼空間で燃焼されることにより、コークスの代替として機能する。しかしながら、高炉内のレースウェイには多量のコークスが存在するので、ブローパイプから吹き込まれた熱風中の酸素濃度は急激に減少する。しかも、ブローパイプ内のガス流速は一般に200m/秒という極めて高速なので、吹き込まれた微粉炭が熱風中の酸素と反応可能な時間(すなわち微粉炭の燃焼可能な時間)は極めて短く、20マイクロ秒程度といわれている。よって、微粉炭をコークスの代替として有効活用するためには、この短時間で微粉炭が燃焼される必要がある。しかしながら、微粉炭の吹き込み量を増していくと、微粉炭の燃焼率が低下して、レースウェイに至るまでに微粉炭が燃焼しきれずに、未燃焼の未燃チャーとして高炉内に残留する。 The pulverized coal functions as a substitute for coke by being burned in a combustion space called a raceway in a blow pipe and a blast furnace. However, since there is a large amount of coke on the raceway in the blast furnace, the oxygen concentration in the hot air blown from the blowpipe rapidly decreases. Moreover, since the gas flow rate in the blowpipe is generally very high at 200 m / sec, the time during which the pulverized coal blown can react with oxygen in the hot air (that is, the time during which the pulverized coal can be combusted) is extremely short, 20 microseconds. It is said to be about. Therefore, in order to effectively use pulverized coal as a substitute for coke, pulverized coal needs to be burned in this short time. However, when the amount of pulverized coal is increased, the combustion rate of pulverized coal decreases, and the pulverized coal cannot be burned up to the raceway, and remains in the blast furnace as unburned unburned char.
この未燃チャーは、ソルーションロス反応により高炉内で消費される分もあるが、高炉内消費量には限界値が存在するので、消費限界値以上に未燃チャーが発生すると、炉況不安定や生産性低下の原因となる。具体的には、限界値以上の未燃チャーの発生は、未燃チャーがダストとして炉頂から排出されて燃料比の上昇を招き、更には、未燃チャーが炉芯や溶融帯に蓄積すると、炉芯または溶融帯の通気性および通液性を阻害することになる。 Although this unburned char may be consumed in the blast furnace due to the solution loss reaction, there is a limit value for consumption in the blast furnace, so if unburned char is generated above the consumption limit value, the furnace condition becomes unstable. And cause a decrease in productivity. Specifically, the occurrence of unburned char exceeding the limit value causes unburned char to be discharged from the top of the furnace as dust, leading to an increase in the fuel ratio, and further, if unburned char accumulates in the furnace core and molten zone. In addition, the air permeability and liquid permeability of the furnace core or melt zone will be hindered.
そこで、微粉炭の燃焼効率を向上させる方法が多数提案されている。例えば、特許文献1には、微粉炭と共に酸素または酸素富化空気を吹き込み、これらを効率よく接触させることで微粉炭の燃焼率を向上させる方法が記載されている。また、特許文献2には、微粉炭と共に燃焼用ガスを吹き込み、これらを効率よく接触させることで微粉炭の燃焼率を向上させる方法が記載されている。特許文献3には、微粉炭吹き込み用ランスを複数用意し、ブローパイプの上流側から粒子径の小さい微粉炭を吹き込むことで下流から吹き込んだ微粉炭を昇温して燃焼率を向上させる方法が記載されている。特許文献4には、微粉炭を大粒子径と小粒子径に分離し、二重管ランスの中心から大粒子径微粉炭を吹き込み、二重管ランスの周辺部から小粒子径微粉炭を吹き込むことで、小粒子径微粉炭の燃焼膨張を用いて微粉炭の分散を促進して燃焼率を向上させる方法が記載されている。
Therefore, many methods for improving the combustion efficiency of pulverized coal have been proposed. For example,
ところで、微粉炭のような粉状物質の燃焼挙動は粒子径によって大きく異なる。つまり、粉状物質では、粒子径が小さいほど燃焼し易く、粒子径が大きいほど燃焼し難い。また、小粒子径の粉状物質の燃焼が大粒子径の粉状物質の燃焼よりも進んでしまうと、小粒子径の粉状物質の燃焼による酸素の消費が大粒子径の微粉炭の燃焼を阻害することから、ますます大粒子径の粉状物質が燃焼し難くなる。したがって、大粒子径の微粉炭ほど未燃チャーとして燃え残ってしまう傾向がある。そこで、未燃チャーの発生を抑制するためには、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の燃焼を強く促進させる必要がある。 By the way, the combustion behavior of a pulverized material such as pulverized coal varies greatly depending on the particle diameter. That is, in the powdery substance, the smaller the particle size, the easier it is to burn, and the larger the particle size, the more difficult it is to burn. In addition, if the combustion of the small particle size powdery material proceeds more than the combustion of the large particle size powdery material, the oxygen consumption due to the combustion of the small particle size powdery material will burn the pulverized coal of the large particle size. As a result, the powdery substance having a larger particle diameter becomes more difficult to burn. Therefore, pulverized coal with a large particle diameter tends to remain unburned char. Therefore, in order to suppress the generation of unburned char, it is necessary to strongly promote the combustion of pulverized coal having a large particle diameter rather than pulverized coal having a small particle diameter.
しかしながら、従来の微粉炭の燃焼効率を向上させる方法では、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の燃焼を強く促進させる方法は存在していなかった。例えば、特許文献1および特許文献2に記載の方法は、微粉炭の粒子径による燃焼挙動の違いを考慮していないので、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の燃焼を強く促進させることができない。また、特許文献3および特許文献4に記載の方法は、むしろ小粒子径の微粉炭を大粒子径の微粉炭よりも早く燃焼させる方法である。
However, in the conventional method for improving the combustion efficiency of pulverized coal, there has been no method for strongly accelerating the combustion of pulverized coal having a larger particle size than that of small particle size pulverized coal. For example, the methods described in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、小粒子径の固体還元剤よりも大粒子径の固体還元剤の燃焼を強く促進させる吹き込み用ランスの配置を定める吹き込み用ランスの設計方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to determine the arrangement of a blowing lance that strongly promotes the combustion of a solid reducing agent having a large particle size compared to a solid reducing agent having a small particle size. It is to provide a lance design method.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、粉状の固体還元剤をブローパイプに吹き込む一次物質吹き込み用ランスと支燃性物質または易燃性物質を前記ブローパイプに吹き込む二次物質吹き込み用ランスとの前記ブローパイプ内における配置を定める吹き込み用ランスの設計方法であって、前記粉状の固体還元剤の粒子径分布のうち最大粒子径の粒子軌道を計算する一次物質軌道計算ステップと、前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域を計算する二次物質領域計算ステップと、前記最大粒子径の粒子軌道と前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域とが前記ブローパイプの羽口出口位置において重なるか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップの判定が否である場合に、前記二次物質吹き込み用ランスの位置を再設定する再設定ステップとを含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention blows a primary material blowing lance for blowing a powdered solid reducing agent into a blow pipe and a combustion-supporting substance or a flammable substance into the blow pipe. A blower lance design method for determining an arrangement in a blow pipe with a blower lance for a secondary substance, wherein the primary substance calculates a particle trajectory of a maximum particle diameter among the particle size distribution of the powdery solid reducing agent. An orbit calculation step, a secondary material region calculation step for calculating a supply region of the combustion-supporting material or the flammable material, a particle orbit of the maximum particle size, and a supply region of the combustion-supporting material or the flammable material Are determined at the tuyere exit position of the blow pipe, and when the determination in the determination step is negative, the secondary substance blowing lance Characterized in that it comprises a resetting step for resetting the location.
本発明にかかる吹き込み用ランスの設計方法は、小粒子径の固体還元剤よりも大粒子径の固体還元剤の燃焼を強く促進させるという効果を奏する。 The method for designing a blowing lance according to the present invention has the effect of strongly promoting the combustion of a solid reducing agent having a large particle diameter rather than a solid reducing agent having a small particle diameter.
以下に、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態によりこの発明が限定されるものではない。以下に説明する実施形態では、粉状の固体還元剤の例として微粉炭の例を用い、支燃性物質の例として酸素富化空気の例を用いるが、本発明の実施はこれらの例に限られず、例えば、酸素富化空気の代わりに燃焼性ガスや揮発分を多く含む微粉炭などの易燃性物質を用いても、本発明は効果を発揮する。 Below, the design method of the blowing lance concerning embodiment of this invention is demonstrated in detail based on drawing. In addition, this invention is not limited by embodiment described below. In the embodiment described below, an example of pulverized coal is used as an example of a powdery solid reducing agent, and an example of oxygen-enriched air is used as an example of a combustion-supporting substance. For example, the present invention is effective even when a flammable substance such as pulverized coal containing a large amount of flammable gas or volatile matter is used instead of oxygen-enriched air.
図1は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法を適用する高炉の例を示す概略構成図である。図1に示されるように、高炉1は、高炉1の最頂部(炉頂)から鉄鉱石2とコークス3とを交互に層を成すように装入し、高炉1の下部に設けられた羽口4から熱風を送入することにより、コークス3を燃焼させる構成の炉である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a blast furnace to which a blowing lance design method according to an embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 1, a
高炉1の内部において、交互に層を成すように装入された鉄鉱石2およびコークス3は、ゆっくりと下降しながら反応し、高炉1の炉底部に銑鉄5とスラグ6とに分離される。この高炉1の内部において、特徴的な領域が溶融帯7および炉心8である。溶融帯7とは、鉄鉱石2が半分溶けた状態で互いに融着しあった状態となる領域であり、炉心8は、コークス3が長期間静止した状態となる領域である。これら溶融帯7および炉心8は、高炉1の反応において重要な役割を果たし、この溶融帯7および炉心8に先述の未燃チャーが蓄積してしまうと炉況不安定および生産性低下の原因となる。
The
羽口4は、ブローパイプ9から送入される熱風を高炉1の内部へ導く送入口である。ブローパイプ9の途中には、吹き込み用ランス10が設けられ、吹き込み用ランス10により、熱風中に微粉炭が投入される。また、高炉1の内部における羽口4の接続領域は、レースウェイ11と呼ばれる燃焼空間である。
The
図2は、羽口4の近傍のブローパイプ9の断面模式図である。図2に示されるように、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスは、一次物質吹き込み用ランス10aと二次物質吹き込み用ランス10bとを有する。一次物質吹き込み用ランス10aおよび二次物質吹き込み用ランス10bは、羽口4に連接されたブローパイプ9の周壁を斜めに貫通させて設けられている。
FIG. 2 is a schematic sectional view of the
一次物質吹き込み用ランス10aは、粉状の固体還元剤として微粉炭を搬送気体に載せてブローパイプ9内に吹き込むためのランスである。一方、二次物質吹き込み用ランス10bは、支燃性物質として酸素富化空気をブローパイプ9内に吹き込むためのランスである。以下、簡単のため、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれる粉状の固体還元剤を単に一次物質と記載し、二次物質吹き込み用ランス10bから吹き込まれる支燃性物質または易燃性物質を単に二次物質と記載する。
The primary
〔ランスの配置〕
以下、一次物質吹き込み用ランス10aと二次物質吹き込み用ランス10bとの最適な配置について説明する。
[Lance placement]
Hereinafter, the optimal arrangement of the primary
図3は、一次物質吹き込み用ランス10aからブローパイプ9内に吹き込まれた一次物質の粒子軌道を示した模式図である。図3に示されるように、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれた一次物質は、噴出された直後において、初速度vp0が一次物質の搬送気体の噴出速度に一致し、時間の経過と共に、ブローパイプ9の内部を流れる主流ガス(熱風)の流速Vに近づく。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the particle trajectory of the primary substance blown into the
一次物質吹き込み用ランス10aから噴出された一次物質の粒子軌道の算出方法はさまざまな方法があり、どの方法を用いてもよい。簡便な方法としては、ブローパイプ内のガス流れを単純な一様流速であると仮定し、下記式(1)より時間tの関数として流体中の粒子軌道を求める方法がある。なお、図3に示された一次物質の粒子軌道は、下記式(1)により算出された粒子軌道を表している。
なお、上記式(1)による計算以外にも、詳細な粒子軌道を計算する方法として、数値流体解析を用いて粒子軌道を計算する方法がある。数値流体解析には、例えばANSYS FLUENTなどの汎用流体解析ソフトを用いることができる。 In addition to the calculation by the above formula (1), there is a method for calculating the particle trajectory using numerical fluid analysis as a method for calculating the detailed particle trajectory. For the numerical fluid analysis, for example, general-purpose fluid analysis software such as ANSYS FULL can be used.
ところで、高炉1へ吹き込まれる一次物質である微粉炭は、一定の粒子径ではなく、粒子径分布を有する。したがって、微粉炭をブローパイプ9内へ吹き込むと、小粒子径微粉炭と大粒子径微粉炭とで異なった挙動を示す。このことは、上記式(1)からも読み取れる。
By the way, the pulverized coal which is the primary substance blown into the
図4は、代表的な微粉炭の粒子径分布および代表的な高炉1のブローパイプ9における分離幅と、ブローパイプ9内の一次物質吹き込み用ランス10aの取り付け角度の関係を示したグラフである。ここでは、粒子径分布をもつ微粉炭に対して最大粒子径微粉炭の粒子軌道と平均粒子径微粉炭の粒子軌道との羽口位置に置ける距離を分離幅と定義する。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the particle size distribution of typical pulverized coal, the separation width in the
図4に示されたグラフでは、代表的な微粉炭の粒子径分布として、最大粒子径が100μmかつ平均粒子径が50μmである粒子径分布が用いられ、代表的な高炉1のブローパイプ9として、ブローパイプ9内の主流流速が200m/sであるものが用いられている。また、図4に示されたグラフでは、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれる微粉炭の初速度が5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、および40m/sの場合について、分離幅と一次物質吹き込み用ランス10aの取り付け角度の関係が記載されている。
In the graph shown in FIG. 4, a particle size distribution having a maximum particle size of 100 μm and an average particle size of 50 μm is used as a representative particle size distribution of pulverized coal. The main flow velocity in the
図4に示されたグラフより読み取れるように、一次物質吹き込み用ランス10aの取り付け角度が30°〜90°かつ微粉炭の初速度が10m/s以上の場合、微粉炭の分離幅が10mm以上確保される。一般に高炉1に用いる吹き込み用ランスから吹き込まれる二次物質の供給領域は10〜20mm程度の幅となる。二次吹き込み物質を平均粒子径以下の小粒径微粉炭に消費されることなく最大粒子径の微粉炭に供給するためには、微粉炭の分離幅が二次吹き込み物質の供給領域の幅に対して1/2以上とすることが好ましい。したがって、一次物質吹き込み用ランス10aの取り付け角度が30°〜90°かつ微粉炭の初速度が10m/s以上の場合、微粉炭の分離幅を10mm以上確保できるので、十分に大粒子径微粉炭と小粒子径微粉炭とを分離することができることが解る。
As can be seen from the graph shown in FIG. 4, when the attachment angle of the
ところで、小粒子径の微粉炭は体積に対する表面積が大きく昇温が早いため燃焼反応が早い。また小粒子径の微粉炭は乱流分散効果を受けやすいので、ブローパイプ9内で効率よく分散され、ブローパイプ9内の広範囲における酸素を効率よく使うことが出来る。
By the way, pulverized coal with a small particle diameter has a large surface area with respect to volume, and its temperature rises quickly, so the combustion reaction is fast. Moreover, since the pulverized coal having a small particle diameter is easily subjected to the turbulent dispersion effect, it is efficiently dispersed in the
一方、大粒子径の微粉炭は、体積に対する表面積が小さく昇温も遅いので、燃焼が遅い。大粒子径の微粉炭が燃焼可能な温度まで昇温されたころには既に小粒子径微粉炭により酸素を消費されているため、酸素欠乏で燃焼効率が悪化する。さらに、大粒子径の微粉炭は乱流による分散効果をあまり受けないので、微粉炭の吹き込み初速度とブローパイプ9の主流ガスで決まる粒子軌道上に高密度で存在することになり、粒子軌道上はさらに厳しい酸素欠乏状態となる。
On the other hand, pulverized coal having a large particle diameter has a small surface area with respect to volume and is slow to rise in temperature, and thus burns slowly. Since the oxygen is already consumed by the small particle size pulverized coal when the temperature is increased to a temperature at which the large particle size pulverized coal can be combusted, the combustion efficiency deteriorates due to the lack of oxygen. Furthermore, since the pulverized coal having a large particle diameter is not significantly affected by the turbulent dispersion, the pulverized coal is present at a high density on the particle orbit determined by the initial velocity of the pulverized coal and the mainstream gas of the
そこで、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、上述の大粒子径微粉炭と小粒子径微粉炭とがブローパイプ9内で分離する現象を用いて、酸素富化ガス、燃焼性ガス、または揮発分の多く含まれる二次微粉炭などの支燃性物質または易燃性物質である二次吹き込み物質を大粒子径微粉炭の粒子軌道に供給する吹き込み用ランスの配置を実現する。
Therefore, in the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, an oxygen-enriched gas, a combustion, using the phenomenon that the above-described large particle size pulverized coal and small particle size pulverized coal are separated in the
図5は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現される一次物質吹き込み用ランス10aおよび二次物質吹き込み用ランス10bの配置を示す模式図である。図5に示されるように、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現する一次物質吹き込み用ランス10aおよび二次物質吹き込み用ランス10bの配置では、一次物質吹き込み用ランス10aにより吹き込まれた一次物質は、粒子径分布にしたがってブローパイプ9内で分離され、二次物質吹き込み用ランス10bにより支燃性物質または易燃性物質が大粒子径の粒子軌道に供給される。つまり、図5に示される一次物質吹き込み用ランス10aおよび二次物質吹き込み用ランス10bの配置は、小粒子径よりも大粒子径の一次物質の燃焼が強く促進される配置である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the arrangement of the primary
したがって、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現される一次物質吹き込み用ランス10aおよび二次物質吹き込み用ランス10bを用いれば、従来よりも粒子径の大きい微粉炭を多く利用することができる。そして、従来よりも粒子径の大きい微粉炭を多く利用することにより、微粉炭の粉砕コストを低減することができる。
Therefore, if the primary
微粉炭は、粉砕工程にて吹き込みに適した粒子径に粉砕される。一方、微粉炭は、炭種ごとに粉砕性が異なる。ハードグローブ指数(HGI)の大きな炭種は粉砕が容易なので、粒子径の小さい微粉炭を容易に製造可能であるが、ハードグローブ指数(HGI)の小さな炭種は、粒子径の小さい微粉炭を製造することが困難である。 The pulverized coal is pulverized to a particle size suitable for blowing in the pulverization step. On the other hand, pulverized coal has different grindability for each coal type. Since coal types with a large hard glove index (HGI) can be pulverized easily, pulverized coal with a small particle diameter can be easily produced. It is difficult to manufacture.
そこで、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現される一次物質吹き込み用ランス10aおよび二次物質吹き込み用ランス10bによれば、小粒子径よりも大粒子径の微粉炭の燃焼が強く促進されるので、ハードグローブ指数(HGI)の小さな炭種を小さく粉砕せずに利用可能である。
Therefore, according to the primary
〔設計方法〕
以下、上記のように小粒子径よりも大粒子径の一次物質の燃焼が強く促進される配置を実現するための吹き込み用ランスの設計方法について、具体的に説明する。
[Design method]
Hereinafter, a method for designing the blowing lance for realizing the arrangement in which the combustion of the primary substance having a large particle size is stronger than the small particle size as described above will be specifically described.
図6は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の手順を示すフローチャートである。なお、以下に説明する本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の各ステップは、吹き込み用ランスの設計技術者によって実行されることも可能であり、また、汎用計算機上のプログラムによって実行されることも可能である。また、以下の説明では、図1および図2に示された高炉1およびブローパイプ9などの構成要素が参照されるが、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法は、これらの構成要素の形状等によって限定されるものではない。
FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention. Each step of the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention to be described below can be executed by a blowing lance design engineer, or executed by a program on a general-purpose computer. It is also possible. In the following description, components such as the
図6に示されるように、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、初めに、一次物質吹き込み用ランス10aの位置および取り付け角度の取得が行われる(ステップS1)。さらに、一次物質吹き込み用ランス10aが取り付けられた高炉1の操業条件の取得が行われる(ステップS2)。具体的には、ブローパイプ9内の主流ガスの流速、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれる一次物質の初速度、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれる一次物質の最大粒子径、および、一次物質吹き込み用ランス10aから羽口4までの相対的位置を取得する。なお、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれる一次物質の初速度の代わりに、一次物質吹き込み用ランス10aの吹き出し口における搬送ガスの速度を用いることも可能である。
As shown in FIG. 6, in the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, first, the position and the mounting angle of the primary
次に、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれる一次物質のなかで最大粒子径の粒子の軌道計算が行われる(ステップS3)。この軌道計算には、先述の式(1)を用いた計算方法、または例えばANSYS FLUENTなどの汎用流体解析ソフトを用いた数値流体解析が利用される。
Next, in the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, the trajectory calculation of the particle having the maximum particle diameter is performed among the primary substances blown from the primary
その後、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、二次物質吹き込み用ランス10bの初期位置が決定される(ステップS4)。この初期位置とは、最適な二次物質吹き込み用ランス10bの位置を探索するための初期位置であり、ブローパイプ9内の任意の位置を選択することができる。一方、最適な二次物質吹き込み用ランス10bの位置の周辺を事前に絞り込むことができる場合、その事前に絞り込まれた位置を初期位置に設定すれば、最適な二次物質吹き込み用ランス10bの位置の探索時間を短縮することができる。
Thereafter, in the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, the initial position of the secondary
次に、二次物質吹き込み用ランス10bから吹き込まれる二次物質の供給領域が計算される(ステップS5)。ここで、二次物質は、二次物質吹き込み用ランス10bの吹き出し口からおおよそブローパイプ9の主流ガスと同じ方向に流れていく。厳密には二次吹き込み物質の拡散効果や初速度の影響もあるが、簡易的には二次物質の供給領域は、おおよそ二次物質吹き込み用ランス10bの噴出し口をブローパイプ9の主流ガスの流れる方向へ引き伸ばした領域と考えることができる。より詳細な二次物質供給領域を算出する場合、例えばANSYS FLUENTなどの汎用流体解析ソフトを用いた数値流体解析が利用される。
Next, the supply area of the secondary substance blown from the secondary
その後、ステップS3の一次物質の最大粒子径の粒子の軌道計算とステップS5の二次物質の供給領域の計算とに基づき、一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが、ブローパイプ9の羽口位置で重なるか否かが判定される(ステップS6)。一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが重なる場合(ステップS6;Yes)、二次物質吹き込み用ランス10bの配置が完了である。一方、一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが重ならない場合(ステップS6;No)、二次物質吹き込み用ランス10bの位置を再設定して、ステップS5へ戻り、最適な二次物質吹き込み用ランス10bの位置の探索を継続する(ステップS7)。
After that, based on the trajectory calculation of the particles with the maximum primary particle size of the primary material in step S3 and the calculation of the secondary material supply region in step S5, the trajectory of the primary material with the maximum particle size and the secondary material supply region Is determined at the tuyere position of the blow pipe 9 (step S6). When the trajectory of the primary material having the largest particle diameter overlaps the secondary material supply region (step S6; Yes), the placement of the secondary
なお、一次物質吹き込み用ランス10aの吹き出し口と二次物質吹き込み用ランス10bの吹き出し口との位置関係は、ブローパイプ9における主流ガスに関する上流-下流に対して同じ位置としてもよいし、一方を上流、他方を下流としても良い。また、一次物質吹き込み用ランス10aの吹き出し口が二次物質吹き込み用ランス10bの吹き出し口よりも上流となる場合、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれた一次物質が二次物質吹き込み用ランス10bに衝突して磨耗する懸念があるので、一次物質の粒子軌道が二次物質吹き込み用ランス10bの位置と重ならないように配置することが好ましい。
The positional relationship between the blowout port of the primary
また、一次物質の最大粒子径の粒子軌道と二次物質の供給領域とが重なってさえいれば、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の効果が発揮されるが、二次物質の濃度が最も高い位置と一次物質の最大粒子径の粒子軌道とが羽口位置において一致していることがさらに好ましい。簡易的には、二次物質の濃度が最も高い場所は、例えば二次物質吹き込み用ランス10bの中心を通りブローパイプ9の主流方向に平行な直線が羽口の出口面と交差する位置として算出することができる。また、ANSYS FLUENTなどの汎用流体解析ソフトを用いた数値流体解析を利用すれば、より正確に二次物質の濃度が最も高い場所を算出することができる。
The effect of the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention is exhibited as long as the particle trajectory having the maximum particle diameter of the primary material overlaps the supply region of the secondary material. It is further preferable that the position where the concentration of the primary substance is the highest coincides with the particle orbit of the maximum particle diameter of the primary substance at the tuyere position. For simplicity, the place where the concentration of the secondary substance is highest is calculated as a position where a straight line passing through the center of the secondary
また、大粒子径の微粉炭と小粒子径の微粉炭が同じ位置で燃焼してしまうと、燃焼の早い小粒子径の微粉炭が酸素を先に消費してしまうので、大粒子径の微粉炭の燃焼効率を阻害してしまう。一方、図4に示されたグラフにて検討したように、一次微粉炭の分離幅は一次物質吹き込み用ランス10aの角度および一次微粉炭の吹き込み初速度に大きく依存し、一次物質吹き込み用ランス10aの取り付け角度が30°〜90°かつ微粉炭の初速度が10m/s以上の場合、十分に大粒子径微粉炭と小粒子径微粉炭とを分離することができることが示されている。そこで、上記本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法のステップS1およびステップS2では、一次物質吹き込み用ランス10aの取り付け角度が30°〜90°かつ微粉炭の初速度が10m/s以上となるように設定することが好ましい。
Also, if the pulverized coal with a large particle size and the pulverized coal with a small particle size burn at the same position, the pulverized coal with a small particle size that burns quickly consumes oxygen first. It will impede the combustion efficiency of charcoal. On the other hand, as examined in the graph shown in FIG. 4, the separation width of the primary pulverized coal largely depends on the angle of the primary
〔実施例〕
次に、上記説明した本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法に従い、高炉1に微粉炭を吹き込むための吹き込み用ランスの設計方法の実施例を説明する。なお、以下の説明では、理解を容易にするために、図1および図2に示された高炉1およびブローパイプ9などの構成要素および図6に示された吹き込み用ランスの設計方法の手順を示すフローチャートを参照しながら実施例を説明する。
〔Example〕
Next, an example of the blowing lance design method for blowing pulverized coal into the
図7は、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法における初期設定を示す模式図である。図7では、構成要素間の位置関係が容易に理解できるようにブローパイプ9内に座標平面を設定して一次物質吹き込み用ランス10aおよび二次物質吹き込み用ランス10bの位置を記載している。なお、図7に示される座標平面は、ブローパイプ9の大きさを規定するものではなく、ブローパイプ9内の一部の領域を切り抜いて座標を設定したものである。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an initial setting in the blowing lance design method of the present embodiment. FIG. 7 shows the positions of the primary
本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、初めに、一次物質吹き込み用ランス10aの位置および取り付け角度の取得が行われる(ステップS1)。したがって、図7に示されるように、本実施例では、一次物質として微粉炭を吹き込む一次物質吹き込み用ランス10aがブローパイプ9の下側かつ羽口出口位置から150mm上流側の位置に配置されているので、この位置が取得される。また、一次物質吹き込み用ランス10aの取り付け角度は45°である。
In the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, first, the position and attachment angle of the primary
以降、説明を容易にするため、一次物質吹き込み用ランス10aの先端を座標平面の原点とし、ブローパイプ9における主流ガスの流れる方向をx軸の正方向とし、ブローパイプ9の断面において一次物質吹き込み用ランス10aから遠ざかる方向をy軸の正方向とする。
Hereinafter, for ease of explanation, the tip of the primary
次に、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、高炉1の操業条件の取得が行われる(ステップS2)。本実施例における操業条件は、ブローパイプ9内を流れる主流ガスの流速が200m/sであり、主流ガスの密度が0.94kg/m3であり、粘性係数が5.6×10−5Pa・sである。一次物質としての微粉炭の粒子密度は、1500kg/m3であり、最大粒子径は100μmである。また、微粉炭吹き込み初速度は、一次物質吹き込み用ランス10aの搬送ガスの流速と同じと仮定し、10m/sとする。
Next, in the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, the operating conditions of the
次に、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれる一次物質のなかで最大粒子径の粒子の軌道計算が行われる(ステップS3)。すなわち、本実施例では、一次物質吹き込み用ランス10aから吹き込まれる粒子径が100μmの微粉炭の軌道計算が行われる。この軌道計算には、先述の式(1)を用いた計算方法、または例えばANSYS FLUENTなどの汎用流体解析ソフトを用いた数値流体解析が利用される。図7には、この軌道計算による粒子径100μmの微粉炭の軌道が実線により記されている。
Next, in the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, the trajectory calculation of the particle having the maximum particle diameter is performed among the primary substances blown from the primary
そして、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、二次物質吹き込み用ランス10bの初期位置が決定される(ステップS4)。本実施例では、二次物質吹き込み用ランス10bがブローパイプ9の図中上側壁面からブローパイプ9の主流方向に対して45°の角度で取り付け、二次物質吹き込み用ランス10bの先端位置が、一次物質吹き込み用ランス10aの先端位置から15mm上方の位置となるように初期位置を設定した。
In the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, the initial position of the secondary
以上のような条件の下で、二次物質吹き込み用ランス10bから吹き込まれる二次物質の供給領域が計算される(ステップS5)。簡易的には二次物質の供給領域は、おおよそ二次物質吹き込み用ランス10bの噴出し口をブローパイプ9の主流ガスの流れる方向へ引き伸ばした領域と考えることができる。図7において、本実施例における二次物質の供給領域は、斜線の領域によって記されている。
Under the conditions as described above, the supply area of the secondary substance blown from the secondary
図7に示されるように、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法における初期設定では、一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが重ならない(ステップS6;No)。したがって、二次物質吹き込み用ランス10bの位置を再設定する必要がある(ステップS7)。
As shown in FIG. 7, in the initial setting in the blowing lance design method of the present embodiment, the trajectory of the particles with the maximum primary particle diameter does not overlap with the secondary material supply region (step S <b> 6; No). . Therefore, it is necessary to reset the position of the secondary
図8は、二次物質吹き込み用ランス10bの位置の再設定後の位置関係を示す模式図である。本実施例の吹き込み用ランスの設計方法では、二次物質吹き込み用ランス10bの位置の再設定は、二次物質吹き込み用ランス10bの位置を上方に10mm移動させることにより設定するものとした。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the positional relationship after resetting the position of the secondary
図8に示されるように、二次物質吹き込み用ランス10bの位置の再設定後は、一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが重なっている(ステップS6;Yes)。つまり、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法は完了したこととなる。したがって、図8には、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法による一次物質吹き込み用ランス10aおよび二次物質吹き込み用ランス10bの位置関係が示されている。
As shown in FIG. 8, after resetting the position of the secondary
図9は、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法の完了後における一次物質の最大粒子径および平均粒子径の粒子軌道を記載した模式図である。図9に示されるように、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法では、最大粒子径(粒子径が100μm)の微粉炭の粒子軌道と平均粒子径(粒子径が50μm)の微粉炭の粒子軌道とは、ブローパイプ9の羽口出口位置において10mm以上分離している。したがって、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法によれば、最大粒子径(粒子径が100μm)の微粉炭の粒子軌道は二次物質の供給領域に重なっているが、平均粒子径(粒子径が50μm)の微粉炭の粒子軌道は二次物質の供給領域に重なっていない。すなわち、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の方がより多くの酸素が供給され、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の方がより強く燃焼が促進される。
FIG. 9 is a schematic diagram describing the particle trajectories of the maximum particle size and the average particle size of the primary substance after the completion of the blowing lance design method of this example. As shown in FIG. 9, in the blowing lance design method of this embodiment, the particle trajectory of the pulverized coal with the maximum particle size (particle size is 100 μm) and the particles of the pulverized coal with the average particle size (particle size is 50 μm) The track is separated by 10 mm or more at the tuyere exit position of the
図10は、本発明の効果を示す粒子径が100μmの微粉炭の燃焼量のグラフである。図10に示される燃焼量のグラフは、上記実施例おけるステップS4の初期設定配置を比較例として、上記実施例おけるステップS7の再設定後を実施例としたものである。すなわち、図10に示される比較例は、一次物質吹き込み用ランス10aの先端位置から15mm上方の位置に二次物質吹き込み用ランス10bの先端位置を配置した場合の微粉炭の燃焼量を示している。また、図10に示される実施例は、一次物質吹き込み用ランス10aの先端位置から25mm上方の位置に二次物質吹き込み用ランス10bの先端位置を配置した場合の微粉炭の燃焼量を示している。
FIG. 10 is a graph of the combustion amount of pulverized coal having a particle diameter of 100 μm showing the effect of the present invention. The graph of the combustion amount shown in FIG. 10 is an example in which the initial setting arrangement in step S4 in the above embodiment is a comparative example, and after the resetting in step S7 in the above embodiment. That is, the comparative example shown in FIG. 10 shows the combustion amount of pulverized coal when the tip position of the secondary
なお、微粉炭の燃焼量は、一次物質吹き込み用ランス10aの先端位置から高炉1内部方向へ1mの位置における燃焼量である。一次ランス10aの先端位置から1mの位置とは、高炉1内のレースウェイ11の中心に相当する位置である。
Note that the combustion amount of pulverized coal is the combustion amount at a position of 1 m from the tip position of the primary
図10に示されるグラフから読み取れるように、本発明を適用した実施例は、比較例に対して1.6倍の燃焼量となった。つまり、本発明を適用して一次物質吹き込み用ランス10aと二次物質吹き込み用ランス10bとの位置関係を設計した場合、顕著な燃焼促進効果があることが確認できた。
As can be seen from the graph shown in FIG. 10, the example to which the present invention is applied has a combustion amount 1.6 times that of the comparative example. That is, when the present invention was applied to design the positional relationship between the primary
なお、本実施例では、二次物質として酸素富化空気を用いたが、酸素富化空気の代わりに燃焼性ガスや揮発分を多く含む微粉炭を用いた場合でも本実施例と同様の吹き込み用ランスの設計方法が実施可能である。 In this example, oxygen-enriched air was used as the secondary substance. However, even when pulverized coal containing a large amount of combustible gas or volatile matter was used instead of oxygen-enriched air, the same blowing as in this example was performed. A lance design method can be implemented.
以上より、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法は、微粉炭をブローパイプ9に吹き込む一次物質吹き込み用ランス10aと酸素富化空気をブローパイプ9に吹き込む二次物質吹き込み用ランス10bとのブローパイプ9内における配置を定める吹き込み用ランスの設計方法であって、微粉炭の粒子径分布のうち最大粒子径の粒子軌道を計算する一次物質軌道計算ステップと、酸素富化空気の供給領域を計算する二次物質領域計算ステップと、微粉炭の最大粒子径の粒子軌道と酸素富化空気の供給領域とが前記ブローパイプ9の羽口出口位置において重なるか否かを判定する判定ステップと、判定ステップの判定が否である場合に、二次物質吹き込み用ランス10bの位置を再設定する再設定ステップとを含むので、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の燃焼を強く促進させる吹き込み用ランスの配置を定めることができる。
As described above, the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention includes a primary
また、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の判定ステップは、酸素富化空気の供給領域のうち、酸素富化空気の濃度が最も高い位置が、微粉炭の最大粒子径の粒子軌道と重なるか否かを判定するので、より強く大粒子径の微粉炭の燃焼を促進させることができる。 Further, in the determination step of the blowing lance design method according to the embodiment of the present invention, the position where the concentration of oxygen-enriched air is highest in the supply region of oxygen-enriched air is a particle having the maximum particle diameter of pulverized coal. Since it determines whether it overlaps with an orbit, combustion of pulverized coal with larger and larger particle diameter can be promoted.
さらに、本発明の実施形態にかかる一次物質吹き込み用ランス10aの取り付け角度は、ブローパイプ9の主流ガスの流れる方向とのなす角が30°〜90°であり、かつ微粉炭が吹き込まれる際の初速度が10m/s以上であるので、最大粒子径の微粉炭と平均粒子径の微粉炭の分離幅を10mm以上確保でき、小粒子径の微粉炭の燃焼が促進されることなく、大粒子径の微粉炭の燃焼を促進させることができる。
Furthermore, the attachment angle of the primary
1 高炉
2 鉄鉱石
3 コークス
4 羽口
5 銑鉄
6 スラグ
7 溶融帯
8 炉心
9 ブローパイプ
10 吹き込み用ランス
10a 一次物質吹き込み用ランス
10b 二次物質吹き込み用ランス
1
Claims (3)
前記粉状の固体還元剤の粒子径分布のうち最大粒子径の粒子軌道を計算する一次物質軌道計算ステップと、
前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域を計算する二次物質領域計算ステップと、
前記最大粒子径の粒子軌道と前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域とが前記ブローパイプの羽口出口位置において重なるか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップの判定が否である場合に、前記二次物質吹き込み用ランスの位置を再設定する再設定ステップと、
を含むことを特徴とする吹き込み用ランスの設計方法。 A blower for determining the arrangement of a primary material blowing lance for blowing powdered solid reducing agent into a blowpipe and a secondary material blowing lance for blowing a combustion-supporting substance or a flammable substance into the blowpipe in the blowpipe. A lance design method,
A primary material trajectory calculation step for calculating a particle trajectory of the maximum particle size out of the particle size distribution of the powdery solid reducing agent;
A secondary material region calculation step for calculating a supply region of the combustion-supporting material or the flammable material;
A step of determining whether or not the particle trajectory of the maximum particle diameter and the supply region of the combustion-supporting substance or the flammable substance overlap at a tuyere exit position of the blow pipe;
If the determination in the determination step is negative, a resetting step of resetting the position of the secondary substance blowing lance;
A method for designing a lance for blowing.
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