JP2015021148A - 被加熱物の加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ペレット原料などの被加熱物を従来よりも効果的に加熱し得る被加熱物の加熱装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る被加熱物の加熱装置１は、加熱還元炉内の被加熱物を加熱する被加熱物の加熱装置であって、加熱還元炉の内壁Ｗの外側に設けられ、加熱還元炉内に連通するバーナノズル４を有し、燃料ガス、又は、酸素を含む気体が流れる第１供給管２と、加熱還元炉の内壁Ｗの外側に設けられ、燃料ガス、及び酸素を含む気体のうち、第１供給管２を流れるものと異なる気体が流れる第２供給管３とを備え、第２供給管３がバーナノズル４よりも上流で第１供給管２に合流していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ペレット原料等の被加熱物を効果的に加熱し得る被加熱物の加熱装置に関するものである。

従来、鉄鉱石と炭材とを含む混合物から還元鉄を製造する直接還元製鉄法が開発されている。この製鉄法では上記混合物を造粒・乾燥させた塊成物（ペレット原料）を炉に装入し、炉内で加熱バーナによるガス伝熱や輻射熱で加熱することによって塊成物中の鉄鉱石に含まれる酸化鉄が還元され、還元鉄を製造できる。

上記塊成物を加熱する炉（加熱炉）としては移動炉床炉、例えば回転炉床炉（ＲＨＦ）を用いることができる。回転炉床炉では、炉床上に装入した上記塊成物は炉内を１０分〜２０分程度かけて１周する間に加熱され、上記炭材によって塊成物に含まれる酸化鉄が還元され、還元鉄として炉外へ排出されるようになっている（ＦＡＳＴＭＥＴ（登録商標）法と呼ばれることがある）。

また、鉄鉱石と炭材とを混合して塊成化した塊成物を移動炉床炉に供給して加熱し、該塊成物に含まれる酸化鉄を還元したのちに、さらに加熱して還元鉄を溶融させ、還元鉄（粒鉄）とスラグに分離する方法もある（ＩＴｍｋ３（登録商標）法と呼ばれることがある）。

ここで特許文献１には、蓄熱式バーナを用いた熱処理炉において給排気口に付着した付着物を清掃する方法が開示されている。この方法においては、給排気口と蓄熱室との間の給排気路にメンテナンス用扉を設けた蓄熱式バーナを用いている。これにより、給排気口に不純物等の付着物が付着した際に、上記メンテナンス用扉を開けて、上記付着物を清掃部材により清掃できるようになっている。

特許文献２には、蓄熱式バーナにおいて、付着物を掻き落とすスクレーパ挿入口と該付着物の排出口を設けることが記載されている。また、特許文献３には、灰分がほぼ含まれない可燃物粉体を炉内に導入することで、当該可燃物粉体が炉内で完全に燃え切り、ダストを生成せずに被加熱物への入熱量を増加させる技術が記載されている。さらに、特許文献４には、回転炉床炉中で還元鉄原料から発生した炉床排ガスを冷却し、除塵した後、この炉床排ガスの一部を回収しラジアントチューブバーナの熱源とすることが記載されている。

特開２０１１−２７３５３号公報 特開２００１−２０８３３８号公報 特開２０１２−２４６５１４号公報 特開２０１１−２３６４７２号公報

しかしながら、造粒過程においてペレット強度を保持できないものは、炉内でダスト化する問題がある。このダストが炉内上方に設けたバーナの燃焼空間及び空気を供給する空気ノズルを閉塞させるため、燃料ガスと空気から形成した火炎を炉内に供給し難くなっていた。その結果、ペレット原料の輻射加熱を効果的に行うことができないという大きな問題に直面していた。上記の特許文献１〜４は、ペレット原料を効果的に加熱し得る技術を提供するものではない。

本発明は、かかる従来の事情に鑑みてなされたものであり、ペレット原料などの被加熱物を従来よりも効果的に加熱し得る被加熱物の加熱装置を提供することを目的とする。

本発明に係る被加熱物の加熱装置は、加熱還元炉内の被加熱物を加熱する被加熱物の加熱装置であって、
前記加熱還元炉の内壁の外側に設けられ、前記加熱還元炉内に連通するバーナノズルを有し、燃料ガス、又は、酸素を含む気体が流れる第１供給管と、
前記加熱還元炉の内壁の外側に設けられ、燃料ガス、及び酸素を含む気体のうち前記第１供給管を流れるものと異なる気体が流れる第２供給管と、を備え、
前記第２供給管が、前記バーナノズルよりも上流で該第１供給管に合流していることを要旨とする。

前記バーナノズルが前記加熱還元炉の内壁から３００ｍｍ〜１０００ｍｍ隔離して配置された態様とすることが好ましい。

理論空気量に対する投入空気量の比である空気比が０．９〜１．１となるように前記空気の量が調節される態様とすることが好ましい。また、上記酸素を含む気体が、空気、酸素富化空気、又は酸素であることが好ましい。なお、上記酸素富化空気とは、酸素の体積比率が通常の約２１％濃度よりも高い酸素濃度（２１％以上１００％未満）を有する空気を指す。

本発明によれば、第２供給管がバーナノズルよりも上流で第１供給管に合流する構成とすることで予混合燃焼方式とすることができ、その第１供給管を加熱還元炉の内壁の外側に隔離して設けることによって、バーナノズルへのダスト・石炭灰などの付着を抑制又は防止できる。これにより、燃焼不良が起こり難くなるため、被加熱物の品質低下が生じる可能性を従来よりも低くすることができる。

本発明に係る被加熱物の加熱装置を示す図である。 比較例に係る被加熱物の加熱装置を示す図である。 バーナタイルからの距離と還元度との関係を示すグラフである。 バーナタイルの単位面積及び単位時間あたりのダスト付着量を示すグラフである。 バーナタイルから２００ｍｍ地点における空気比と還元度との関係を示すグラフである。

本発明に係る被加熱物の加熱装置は、加熱還元炉内の被加熱物を加熱する被加熱物の加熱装置であって、前記加熱還元炉の内壁の外側に設けられ、前記加熱還元炉内に連通するバーナノズルを有し、燃料ガス、又は、酸素を含む気体が流れる第１供給管と、前記加熱還元炉の内壁の外側に設けられ、燃料ガス、及び酸素を含む気体のうち、前記第１供給管を流れる気体と異なる気体が流れる第２供給管と、を備え、前記第２供給管が、前記バーナノズルよりも上流で該第１供給管に合流していることを特徴とする。

本発明によれば、第１供給管のバーナノズルを加熱還元炉の内壁の外側に配置することにより、該バーナノズルをダスト雰囲気から隔離することができる。これにより、バーナノズル近傍における還元度を低下させることができ、ダスト粒子が溶融し難い雰囲気にすることができる。したがって、バーナノズルにダストが付着することを抑制できるので、ペレット原料を従来よりも効果的に加熱することができる。
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明に係る被加熱物の加熱装置を詳細に説明する。

図１は本発明に係る被加熱物（ペレット原料）の加熱装置１を示す図である。

ガス燃焼方式は、拡散燃焼方式と予混合燃焼方式に大別することができる。拡散燃焼方式とは、バーナノズルの下流で燃料ガスと空気（酸化剤）とを混合するものである。また、予混合燃焼方式とは、バーナノズルの上流で燃料ガスと空気とを混合し、その混合ガスへの点火により形成された火炎を炉内に供給するものである。逆火防止や輻射伝熱（すす生成）促進の観点から拡散燃焼方式を採用することが多いが、本発明では予混合燃焼方式を採用する。上記の燃料ガスとしては、天然ガスや都市ガスなどの炭化水素ガスを用いることができる。

図１において、本発明に係る被加熱物の加熱装置１は、加熱還元炉の内壁Ｗの外側に設けられ、この内壁Ｗを介して炉内に通ずる第１供給管２と、第１供給管２内に少なくとも先端が挿入された第２供給管３とを主に備えている。加熱還元炉の内壁Ｗとは、炉壁（以下、バーナタイルと称することがある）の内側（炉内側）の壁をいう。

第１供給管２の先端にはバーナノズル４が設けられている。なお、図１では加熱還元炉の外壁の位置については図示していないが、バーナノズル４の位置が加熱還元炉の内壁Ｗの外側であればよく、上記外壁と内壁Ｗとの間に加熱装置１の全部又は一部が埋め込まれるような位置に当該外壁が存在している。

図示しない供給源から第１供給管２内に空気が供給され、図示しない供給源から第２供給管３内に燃料ガスが供給される。上述したように、第２供給管３の少なくとも先端が第１供給管２内に挿入される構成となっているので、第２供給管３の先端から流出した燃料ガスは、第１供給管２内で空気と混合されるようになっている。このような構成により、上記予混合燃焼方式を実現でき、バーナノズル４の位置よりも上流において、安定な火炎を形成することができる。なお、第１供給管２内に空気を供給する代わりに、酸素富化空気又は酸素を供給するようにしてもよい。

上述したように、バーナノズル４の位置を加熱還元炉の内壁Ｗの外側とすることによって、ダスト等が顕著に付着する傾向にあるバーナノズル４をダスト雰囲気から隔離することができる。また、バーナノズル４近傍における還元度を低下させ、ダスト粒子を溶融させない雰囲気にすることができる。ガス雰囲気が還元雰囲気になるほど、ダスト粒子の溶融性が高くなる。ダストが酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３、融点１５６６℃）である場合、還元雰囲気になるほど、低融点の酸化鉄（ＦｅＯ、融点１３７０℃）になり易い。このようなことからも、バーナノズル近傍における還元度を低下させることは重要である。なお、上記還元度については後述する。

次に、第１供給管２内で燃焼ガスと空気とが混合され混合ガスが生成された後、点火プラグ５による該混合ガスへの点火により火炎が生成される。生成された火炎はバーナノズル４より炉内に供給される。なお、図１の符号６は旋回羽根を示している。

次いで、バーナタイルからの距離（位置）と還元度との関係について説明する。図３はバーナタイルからの距離と還元度との関係を示すグラフである。図３の横軸はバーナタイルからの距離を示し、縦軸は還元度を示す。なお、還元度とは、一酸化炭素（ＣＯ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）との生成合算量に対する一酸化炭素の生成量の比率で表される。

図３において、実施例で示される線は本発明の加熱装置１（図１参照）での結果であり、比較例で示される線は図２の加熱装置１１での結果である。

図２に示すように、比較例の加熱装置１１において、図示しない供給源から第１供給管１２内に空気が供給され、図示しない供給源から第２供給管１３内に燃料ガスが供給される。また、第１供給管１２内に第２供給管１３の一部が挿入されている構成となっており、第１供給管１２の先端のノズル部１２ａと第２供給管１３の先端のノズル部１３ａとが加熱還元炉の内壁Ｗにおいて面一となっている。すなわち、図２の加熱装置１１は予混合燃焼方式ではなく、またノズル部１２ａ，１３ａについても内壁Ｗから隔離された構成にはなっていない。

図３に示すように、比較例ではバーナタイルからの距離が１０００ｍｍ以下である場合に、還元度が非常に高くなっていることが確認できる。このことから、ダスト粒子が溶融し易い雰囲気になっていることが推測される。これに対して、実施例ではバーナタイルからの距離が２００ｍｍ〜１７００ｍｍの範囲内で還元度を０．１以下にできることが確認される。

図４はバーナタイルの単位面積及び単位時間あたりのダスト付着量を示すグラフである。図１の加熱装置１を用いた実施例では、図２の加熱装置１１を用いた比較例よりも、単位面積及び単位時間あたりのダスト付着量を低減できることがわかる。これは、図１の加熱装置１によれば、燃焼を促進させることでバーナタイル近傍のＣＯを速やかにＣＯ_２化することができ、ダストの溶融性が増加しないためである。

ここで、バーナタイル近傍の還元度は空気条件によって異なる。そのため、ダスト付着を抑制できる空気条件が存在すると考えられる。図５はバーナタイルから２００ｍｍ地点における空気比と還元度との関係を示すグラフである。空気比とは理論空気量に対する投入空気量の比率であり、この空気比が１．０以下となれば燃料ガスが過濃度となる。

図５において、空気比が小さくなるほど、完全燃焼に必要な空気量を確保できないということができるため、還元度は高くなることがわかる。上記図３及び図４に示したように、ダスト付着量を低減するためには還元度が０．１以下であることが望ましいことから、空気比が０．９以上となるように運転することが望ましく、さらには０．９５以上となるように運転することがより望ましい。一方、空気比を１．０以上にすることにより還元度を低下できるものの、燃料ガスが希薄となれば顕熱ロスによる温度低下が生じることから、空気比の上限値としては、１．１以下にすることが望ましい。

本発明はもとより上記実施形態によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

上記実施形態では第１供給管２内に第２供給管３の一部が挿入された形態としたが、これに限定されるものではなく、第１供給管に第２供給管がＴ字状に接続された形態についても本発明に包含される。

また上記実施形態では、第１供給管２内に空気（又は酸素富化空気や酸素）を供給し、第２供給管３内に燃料ガスを供給することとしたが、これに限定されるものではなく、第１供給管２内に燃料ガスを供給し、第２供給管３内に上記空気等を供給するようにしてもよい。

１ 被加熱物の加熱装置
２ 第１供給管
３ 第２供給管
４ バーナノズル
５ 点火プラグ
６ 旋回羽根
Ｗ 加熱還元炉の内壁

Claims (4)

1. 加熱還元炉内の被加熱物を加熱する被加熱物の加熱装置であって、
   前記加熱還元炉の内壁の外側に設けられ、前記加熱還元炉内に連通するバーナノズルを有し、燃料ガス、又は、酸素を含む気体が流れる第１供給管と、
   前記加熱還元炉の内壁の外側に設けられ、燃料ガス、及び酸素を含む気体のうち前記第１供給管を流れるものと異なる気体が流れる第２供給管と、を備え、
   前記第２供給管が、前記バーナノズルよりも上流で該第１供給管に合流していることを特徴とする被加熱物の加熱装置。
2. 前記バーナノズルが前記加熱還元炉の内壁から３００ｍｍ〜１０００ｍｍ隔離して配置された請求項１に記載の被加熱物の加熱装置。
3. 理論空気量に対する投入空気量の比である空気比が０．９〜１．１となるように前記空気の量が調節される請求項１又は２に記載の被加熱物の加熱装置。
4. 前記酸素を含む気体が、空気、酸素富化空気、又は酸素である請求項１〜３のいずれか１項に記載の被加熱物の加熱装置。