JP2019131862A - 高炉羽口用バーナー - Google Patents

Abstract

【課題】酸素高炉などのように羽口にバーナーを直接取付けて用いるような場合においても、羽口から炉内の観測を容易にできるように構成してなる高炉とくに酸素高炉の高炉羽口用バーナーを提供する。【解決手段】同軸の多重管のうちの環状管路から、少なくとも酸素含有ガスと微粉炭を隔離して羽口内へ個別に吹込む高炉羽口用バーナーにおいて、該同軸多重管のうちの中心管は、羽口内に形成される火炎の状態ならびに炉内状況を観測するための観測窓を有する管として構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、高炉の羽口構造に関し、特に、酸素高炉の羽口に適用される高炉羽口用バーナーに関する。

近年、地球環境の問題を背景として、製鉄所においても、省エネ、省資源、炭酸ガス（ＣＯ_２）発生の抑制等が強く求められている。このことから、最近の高炉操業では、低還元材比（低ＲＡＲ）操業が推進されている。この点、従来の一般的な高炉は羽口から熱風を吹込むタイプのものであり、その熱風を作り出す熱源として、高炉やコークス炉、転炉などから発生する複製ガスの混合ガスが使用されているため、熱風のもつ熱量分だけ高炉で必要な還元材比は低減されていた。即ち、従来の高炉では、還元材として炭素を主成分とする化石燃料を用いていることから、熱風送風はその化石燃料の使用量およびＣＯ_２発生量を抑制していたのである。

ところで、近年、特許文献１に記載されるように、熱風炉を用いず羽口から常温の純酸素を吹込んで溶銑を製造する酸素高炉が開発されている。この酸素高炉は、熱風の吹込みを行わないために窒素レスとなると共に高出銑比が得られ、また、炉頂から高カロリーの副生ガスが得られるといった利点もある。さらに、高濃度の酸素の使用により微粉炭の燃焼速度が上昇し、そのため、多量の微粉炭の吹込みが可能になるという利点もある。

一方、酸素高炉では常温の純酸素を用いるため、酸素高炉においては、熱風（１２００℃程度の高温空気）を羽口から吹込む通常の高炉よりも微粉炭の着火が難しいという課題がある。そこで、酸素高炉の羽口では、通常高炉の羽口、ブローパイプ、吹込みランスという組み合わせではなく、羽口とバーナーを用いて混合を促進するタイプのものが提案（採用）されている。なお、特許文献２は、羽口にバーナーを直接取付けた酸素高炉のバーナー羽口を提案している。

特開昭６０−１５９１０４号公報 特開昭６３−１７１８１８号公報

一般的な従来の高炉では、ブローパイプに吹込みランスを取付けて使用しているため、炉内の様子、例えば吹込みランスからブローパイプ内に吹込まれる微粉炭の吹込みトラブル等については、羽口の後方にあるブローパイプの後端からのぞいて確認しており、ブローパイプが正に重要な観測窓となっている。

しかし、特許文献２に示す酸素高炉のようなバーナーを用いる羽口においては、ブローパイプを取り外して代わりにバーナーを取付ける構造となるため、羽口から炉内を観測することができないという問題が生じる。また、酸素高炉のような低温・高酸素濃度の酸素含有ガスを吹込む形態の高炉の場合は、通常の１２００℃程度の高温空気を用いる従来の高炉と比べて失火が起こりやすい傾向がある。もし、そのような失火が起こってしまうと未燃の微粉炭が炉内に流入してしまい、炉内の通気性悪化や炉況変化を招くという問題がある。

本発明の目的は、酸素高炉などのように羽口にバーナーを直接取付けて用いるような場合においても、羽口から炉内の観測を容易にできるように構成してなる高炉とくに酸素高炉の高炉羽口用バーナーを提供することにある。

従来技術が抱えている前述の課題を解決し、前記の目的を実現するために鋭意研究した結果、発明者らは、以下に述べる新規な高炉羽口用バーナーを開発するに至った。

即ち、本発明は、同軸の多重管のうちの環状管路から、少なくとも酸素含有ガスと微粉炭を隔離して羽口内へ個別に吹込む高炉羽口用バーナーにおいて、該同軸多重管のうちの中心管は、羽口内に形成される火炎の状態ならびに炉内状況を観測するための観測窓を有する管として構成されていることを特徴とする高炉羽口用バーナーである。

なお、前記のように構成される本発明に係る高炉羽口用バーナーにおいては、
（１）前記多重管が２重管として構成されているものは、前記中心管からは酸素含有ガスを吹込み、外側の環状管路からは微粉炭の吹込みを行うこと、
（２）前記多重管が３重管として構成されているものは、前記中心管の外側の環状管路の１つからは微粉炭を吹込むと共に、その微粉炭を吹込む環状管路以外の他の環状管路及び中心管からは、酸素含有ガスおよび羽口先温度調整ガス（以下、温調ガス）をそれぞれ吹込むこと、
（３）前記多重管は４重管として構成されているものは、そのうちの中心管の外側の環状管路の１つからは微粉炭を吹込むと共に、その微粉炭を吹込む環状管路以外の他の環状管路及び中心管からは、酸素含有ガス、温調ガスおよびその他のガスをそれぞれ吹込むこと、
（４）前記中心管はその後端部に羽口内の火炎状況や炉内状況を観測可能な観測窓を有すること、
（５）前記火炎状況や炉内状況の観測を、光学センサーを用いて行うこと、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

本発明に係る高炉羽口用バーナーによれば、バーナー中央部の中心管の後端部に観測窓を設けることで、従来のバーナーではできなかった高炉の外側からの炉内状況の観察がその観測窓を介して可能となる。その結果、本発明によれば、失火の起こりやすい酸素高炉などに用いる高炉羽口用バーナーなどにおいても、羽口内の火炎状況や炉内状況の観測が確実にできるようになり、失火時の迅速な対応、例えば回復措置が可能となる。

本発明の高炉羽口用バーナーを取付けた高炉の羽口の構造を説明するための概略図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の高炉羽口用バーナーの一例を示す縦断面図、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った横断面図、および、図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 本発明の高炉羽口用バーナーの先端形状の一例を示す図である。 本発明の高炉羽口用バーナーの先端形状の他の例を示す図である。 本発明の高炉羽口用バーナーの先端形状のさらに他の例を示す図である。 本発明の高炉羽口用バーナーの先端形状のさらに他の例を示す図である。

通常の一般的な熱風高炉では、高炉内に、微粉炭などの固体還元材、支燃性ガス、気体還元材などを吹込むために、羽口の後方にブローパイプを取付けると共に、そのブローパイプには微粉炭等の吹込みランスが取り付けられるのが普通である。一方、酸素高炉のような純酸素を多量に吹込む高炉の羽口では、ブローパイプや吹込みランスに代えて高炉羽口用バーナーが用いられる。

図１は、本発明の高炉羽口用バーナーを取付けた高炉の羽口の構造を説明するための概略図である。この図に示す構成において、１は羽口、２は羽口１の後方に取付けられた高炉羽口用バーナーである。高炉羽口用バーナー２は、外部にガス漏れが起こらないように、羽口１に気密に固定設置される。ここで、図示例の高炉羽口用バーナー２は、中心管２−１、内環状管２−２および外環状管２−３からなる同軸３重管である。この例においては、内環状管２−２と中心管２−１との間の環状管路からは微粉炭３を吹込むとともに、外環状管２−３と内環状管２−２との間の環状管路からは純酸素４を吹込む。そして、羽口先の高炉炉内では、微粉炭３と純酸素４とが反応するレースウェイ５が形成されている。

本発明の特徴は、例えば酸素高炉に用いる高炉羽口用バーナー２の中心管２−１を、羽口１内に形成される火炎状況や炉内状況（レースウェイ）の観測をするための観測管として機能させる構造とした点にある。

図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の高炉羽口用バーナーの一例を示す縦断面図、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った横断面図、および、図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。この図示例においては、高炉羽口用バーナー２として、中心管２−１、第１の内環状管２−２−１、第２の内環状管２−２−２、外環状管２−３からなる同軸多重管が用いられている。そして、中心管２−１に中心管吹込み口６−１、第１の内環状管２−２−１に第１の内環状管吹込み口６−２−１、第２の内環状管２−２−２に第２の内環状管吹込み口６−２−２、外環状管２−３に外環状管吹込み口６−３が設けられている。そして、中心管２−１の後端部に、観測窓７が設けられている。

図２（ａ）〜（ｃ）に示す高炉羽口用バーナー２では、図３にその先端形状を示すように、まず、外環状管吹込み口６−３から酸素含有ガス（ここでは酸素）を、外環状管２−３と第２の内環状管２−２−２との間の環状管路から導入し、高炉羽口用バーナー２の先端部にこの環状管路に沿って複数設けられた吐出口８−３から羽口１内に吹込まれる。また、第２の内環状管吹込み口６−２−２から温調ガス（ここではメタン）を、第２の内環状管２−２−２と第１の内環状管２−２−１との間の環状管路から導入し、高炉羽口用バーナー２の先端部にこの環状管路に沿って複数設けられた吐出口８−２−２から羽口１内に吹込まれる。さらに、第１の内環状管吹込み口６−２−１から微粉炭と搬送ガス（ここでは窒素）とを、第１の内環状管２−２−１と中心管２−１との間の環状管路から導入し、高炉羽口用バーナー２の先端部のスリット上の吐出口８−２−１から羽口１内に吹込まれる。なお、失火などのリカバリーの事例においては、中心管吹込み口６−１からパージ用の保護ガス（ここでは空気）を、中心管２−１内部に導入し、高炉羽口用バーナー２の先端部で中心管２−１から羽口１内に吹込まれる。

なお、本例において、高炉羽口用バーナー２から吹込まれる温調ガスとしては、上述したメタン以外、天然ガス、プロパンガス、高炉炉頂ガス、コークス炉ガス、転炉ガス、およびＣＯ_２、水蒸気などの、熱分解により吸熱反応を生じるガスを用いることができる。また、高炉羽口用バーナー２から吹込まれる酸素含有ガスとしては、上述した酸素以外、空気に純酸素を混合させた酸素富化空気などを用いることができる。また、図２（ａ）〜（ｃ）に示す例では、高炉羽口用バーナー２に観測窓７を設けて、目視で羽口１内の状況を監視するよう構成しているが、観測窓７に光学センサーを設置して、電気信号として羽口１内の状況を監視するよう構成することもできる。

図２（ａ）〜（ｃ）および図３に示した高炉羽口用バーナー２に示した構造の多重管バーナーにおいては、各種ガス、微粉炭の混合性能は十分高くなるが、微粉炭の燃焼性をさらに向上させるために高炉羽口用バーナー２の先端を多孔形状としている。その構造を得るためには、例えば多重管バーナーの先端に板を溶接接合し、そこに多数の開孔を設けて多孔バーナーとすればよい。なお、本例では、バーナー多重管の内側に観測窓７（失火などのリカバリーのためにパージガスまたは保護ガスを流す役目も有する）を設け、その外側に、微粉炭、メタン、酸素含有ガスの順番に流入させた例を示した。しかしながら、最も内側（中心管）に観測窓７を設けること以外、他のガスや微粉炭の流入順は特に制約はない。たとえば観測窓７を備える中心管２−１の外側に、酸素、メタン、微粉炭の順に流入させても構わない。

本発明によれば、高炉羽口用バーナー２の中心部に当たる中心管２−１の後端部に、羽口を通して炉内を目視観察できる観測窓７を設けたので、高炉羽口用バーナー２を用いても操業中の炉内を監視することが可能となった。この場合、中心管２−１からは微粉炭を吹込めなくなるので、例えば観測窓７の周囲にスリット状に微粉炭吹込み部を設ければよい。微粉炭吹込み部のスリットは２ｍｍ以上の幅をもたせれば、詰まりを招くことなく吹込むことができる。

酸素高炉のように高炉羽口用バーナー２から多種類の物質を吹込む場合は、吹込みガス種の数だけ独立した吐出口を設ける必要があり、バーナーの取り合い上、観測窓７の断面積を十分確保できなくなり、炉内監視が困難になる懸念がある。その場合は、中央の観測窓７から羽口１への吹込み材のうちの１種類を吹込むようにすることが好ましく、そうすることで上記問題を解決することができる。

本発明の高炉羽口用バーナー２においては、その先端部の吐出口から各種の羽口吹込み材を吹込むことができるが、それは観測窓７からの炉内観測を妨げない物質が好ましい。たとえば、酸素高炉の場合は高炉羽口用バーナー２から純酸素と微粉炭を吹込むが、このとき純酸素は透明で観測窓７が設けられている中心管２−１に流通させても炉内観測に支障はないので、この中心管２−１から吹込んでもよい。また、酸素高炉の場合は温調ガスとして天然ガス等の炭化水素ガスや水蒸気を吹込むことができるが、このとき炭化水素ガスもまた透明で炉内観測に支障ないので、観測窓７が設けられている中心管２−１から吹込んでもよい。ただし、微粉炭は雲状の粉体流れが観測窓７からの視界を遮ってしまうので、観測窓７を経由した微粉炭の吹込みは好ましくない。また、水蒸気も結露により観測窓７を曇らせてしまう懸念があるので好ましくない。微粉炭や水蒸気は観測窓７とは別の独立の吐出口を用いる必要がある。

なお、本発明において酸素含有ガスと記載しているが、これには空気、純酸素のほか、酸素濃度を調整したガス（たとえば酸素濃度６０％の酸素富化ガス）なども含まれる。

また、酸素濃度が高く送風温度が低い条件（例えば、酸素濃度＞６０％、常温送風の酸素高炉など）では、熱風を用いている通常の高炉とは異なり失火が起こりうる問題がある。失火が起こると、未燃の微粉炭が炉内に流入することによって通気悪化や操業不安が起こる問題がある。そこで、本発明のように、観測窓７から微粉炭等の燃焼火炎を常時観測し、失火を観測した場合は速やかに微粉炭を停止する措置を取ることで、未燃の微粉炭が炉内に侵入することを抑止することができる。

なお、失火が起こったときは、羽口前の微粉炭燃焼が停止して余剰酸素がコークスとの燃焼反応を起こし、羽口前の異常高温化を招いて、羽口周辺設備の溶損や揮発スラグによる原料荷下がり不調を引き起こす。この点、本発明においては、観測窓７からの観測で失火が観測された場合は、速やかに炉内に保護ガスを流すようにすることで、羽口先の異常高温化を抑止することができる。ここで保護ガスとしては、希釈により温度を下げる効果がある空気もしくは不活性ガス（窒素・ヘリウム等）を用いればよい。また、さらに強力に異常高温化を抑止したい場合は、保護ガスとして熱分解による吸熱作用を持つ炭化水素ガス（たとえばメタン、天然ガス、プロパンガス、高炉炉頂ガス、コークス炉ガス、転炉ガス）やＣＯ_２、水蒸気を用いると効果的である。保護ガスは、保護ガス専用の吐出口を高炉羽口用バーナー２に設けてもよいし、異常時のみ他ガスの吐出口を保護ガスの吐出口に切り変えてもよい。また、水蒸気以外であれば、保護ガスは観測窓７の中心管２−１から吹込んでもよい。さらに、高炉羽口用バーナー２が既に炭化水素等の温調ガスを吹込む吐出口を有しているのであれば、温調ガス自体が保護ガスとなるので、失火検知時に炭化水素ガスの吹込み量を増量するようにしても同様の効果が得られる。

以下、図４〜図６を参照して、本発明の高炉羽口用バーナー２の他の例について説明する。なお、図４〜図６に示す例において、図２（ａ）〜（ｃ）および図３に示す例と同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。また、図４〜図６に示す例におけるバーナー胴部は、図２（ａ）〜（ｃ）および図３に示す例とスリット数が異なる以外同じバーナー胴部として構成している。そして、図４〜図５に示す例では先端に多孔の吐出口を設けた多孔バーナーの例を示し、図６に示す例では先端に板を設けずに多重管からガスを直接吹込む多重管バーナーの例を示している。

まず、図４および図５の高炉羽口用バーナー２は、図３に示す高炉羽口用バーナー２では酸素とメタンの吐出口が多数あり、取り合い上製作困難となる懸念がある場合の好適例となる。

図４に示す高炉羽口用バーナー２の例は、中心管２−１を観測窓７兼酸素吐出口として利用している。この例においては、高炉羽口用バーナー２に酸素含有ガス専用の吐出口を別途設ける必要がないので、バーナーの吐出口数が大幅に削減でき、バーナーの取り合いの課題も解消できる。また、図４に示す高炉羽口用バーナー２では、失火検知時に、微粉炭を停止するとともに中心管２−１から吹込まれる純酸素を空気（保護ガス）に切り替えるようにしたので、微粉炭停止時の羽口前の異常高温化を抑止できる。

図５に示す高炉羽口用バーナー２の例は、中心管２−１を観測窓７兼メタン吐出口として利用している。この例においても、図３に示す高炉羽口用バーナー２と比べて吐出口数が大幅に減るので、高炉羽口用バーナー２の吐出口製作が容易となる。また、図５のバーナーは、失火検知時には微粉炭を停止し、中央孔から吹込んでいるメタンガス（温調ガス兼保護ガス）を増量するようにしたものであり、メタンが異常高温を抑止する保護ガスとしての役割を果たし、微粉炭停止時の羽口前の異常高温化を抑止できる。

図６に示す高炉羽口用バーナー２の例は、図５に示すものと同じ構成の高炉羽口用バーナー２において先端部に複数の吐出口を形成せず、多重管バーナーとして構成した例を示している。本例では、図５に示す高炉羽口用バーナー２よりも、先端に複数の吐出口を設ける必要がない分、製作が容易となる。

以下で説明する実施例は、図２（ａ）〜（ｃ）および図３に示した構成の高炉羽口用バーナー２を用いて小型燃焼炉での燃焼試験を実施した例である。その結果、バーナー後端に設けた観測窓７から羽口内の燃焼火炎の観測をすることができた。また、微粉炭詰まりによる吹込み異常を想定し、手動で微粉炭吹込みを停止する試験を行ったところ、観測窓７からも燃焼火炎の発光消失が観測できた。

なお、今回の実施試験では、観測窓７を介しての目視観測と手動のバルブ操作を実施した。この点で、観測窓７に取付けた光学センサーを用いて電気信号を得ることでも失火を観測できることが確認できた。そのため、火炎発光を検知する光学センサーと制御系とを組み合わせることで、失火を観測して自動的に保護措置（微粉炭停止、保護ガス吹込み）を行うことも可能であることが確認できた。

本発明の高炉酸素用バーナーは、酸素高炉の羽口に取付けて用いるバーナーとして好適に利用できるだけでなく、通常の高炉などでも、羽口にブローパイプとランスとを用いて微粉炭などを吹込まず、羽口に直接バーナーを取付けて利用するバーナーとしても用いることができる。

１ 羽口
２ 高炉羽口用バーナー
２−１ 中心管
２−２ 内環状管
２−２−１ 第１の内環状管
２−２−２ 第２の内環状管
２−３ 外環状管
３ 微粉炭
４ 純酸素
５ レースウェイ
６−１ 中心管吹込み口
６−２−１ 第１の内環状管吹込み口
６−２−２ 第２の内環状管吹込み口
６−３ 外環状管吹込み口
７ 観測窓
８−２−１、８−２−２、８−３ 吐出口

Claims (6)

1. 同軸の多重管のうちの環状管路から、少なくとも酸素含有ガスと微粉炭を隔離して羽口内へ個別に吹込む高炉羽口用バーナーにおいて、該同軸多重管のうちの中心管は、羽口内に形成される火炎の状態ならびに炉内状況を観測するための観測窓を有する管として構成されていることを特徴とする高炉羽口用バーナー。
2. 前記多重管が２重管として構成されているものは、前記中心管からは酸素含有ガスを吹込み、該中心管の外側の環状管路からは微粉炭の吹込みを行うことを特徴とする請求項１に記載の高炉羽口用バーナー。
3. 前記多重管が３重管として構成されているものは、前記中心管の外側の環状管路の１つからは微粉炭を吹込むと共に、その微粉炭を吹込む環状管路以外の他の環状管路及び中心管からは、酸素含有ガスおよび温調ガスをそれぞれ吹込むことを特徴とする請求項１に記載高炉羽口用バーナー。
4. 前記多重管は４重管として構成されているものは、そのうちの中心管路の外側の環状管路の１つからは微粉炭を吹込むと共に、その微粉炭を吹込む環状管路以外の他の環状管路及び中心管からは、酸素含有ガス、温調ガスおよびその他のガスをそれぞれ吹込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉羽口用バーナー。
5. 前記中心管はその後端部に羽口内の火炎状況や炉内状況を観測可能な観測窓を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高炉羽口用バーナー。
6. 前記火炎状況や炉内状況の観測を、光学センサーを用いて行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高炉羽口用バーナー。

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