JP2024090376A - 竪型乾留炉の原料装入方法及び原料装入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成型物原料から発生した細粒の奥行き方向への偏析を防ぎ、原料を均一に加熱することが可能となるフェロコークス製造用竪型乾留炉の原料装入方法及び原料装入装置を提供する。【解決手段】竪型乾留炉の原料装入方法であって、原料を装入口から乾留炉内へ投入する際に、装入口出口付近でガスを噴射して、原料中の細粒を分散させることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入方法であり、原料が成型物原料であり、細粒の粒子径が１５ｍｍ以下であり、噴射するガスが空気又は窒素ガスで、ガスの炉内への噴射速度が７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓ、ガスの炉内への噴射角度θが装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、竪型乾留炉の原料装入方法及び原料装入装置に関し、特に、フェロコークス製造用竪型乾留炉へ成型物原料を装入する際に、搬送過程で発生した細粒の偏析を防ぎ、原料を均一に加熱することが可能となる竪型乾留炉の原料装入方法及び装置に関する。

近年、高炉における製鉄プロセスの効率を高めるために、高炉へ装入されるコークスの一部をフェロコークスに置き換えることが提案されている。フェロコークスとは、炭素含有物質（石炭等）に鉄含有物質（鉄鉱石等）を一定量混合したものを乾留して製造された成型コークスのことであり、一般的に竪型の乾留炉を用いて乾留処理する方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、上部に乾留ゾーン、下部に冷却ゾーンを有する竪型乾留炉を用いたフェロコークスの製造方法が開示されている。このフェロコークスの製造方法は、まず、装入工程において、炭素含有物質と鉄含有物質からなる成型物を竪型乾留炉に装入する。次に、乾留工程において、乾留ゾーンにおいて加熱ガスを吹き込み、成型物を乾留し、フェロコークスを製造する。続いて、冷却工程において、冷却ゾーンに冷却ガスを吹き込み、フェロコークスを冷却する。さらに、竪型乾留炉の炉頂部の排出口から炉内ガスを排出する炉内ガス排出工程と、冷却ゾーン下部からフェロコークスを排出するフェロコークス排出工程がある。その際、乾留工程では、竪型乾留炉の高さ方向中間部分に設けた羽口から低温ガスを吹き込み、高さ方向下部に設けた羽口から高温ガスを吹き込んでいる。

このように、竪型乾留炉を用いてフェロコークスを製造する場合、フェロコークスの生産量を増加させるためには、竪型乾留炉の容積を大きくして、１バッチ当たりの生産量を増大する必要がある。しかしながら、冷却ガスや高温ガスは、竪型乾留炉の奥行き方向（ガス吹込み側から対向する側面への方向）に噴射されるため、炉内の中央部までガスを浸透させるには、炉体の奥行き方向は一定以上大きくすることができない。したがって、竪型乾留炉の形状（水平断面形状）としては、奥行き方向に比べて炉幅方向（奥行き方向と直交する方向）に長い構造となっている。

また、成型物を炉内に装入する際に、装入バランスに偏りがあった場合、炉内のガス流れが不均一となり、成型物の乾留に悪影響を与える。そこで、竪型乾留炉において、成型物を均一に乾留させる技術として、特許文献２に原料分散装入技術、特許文献３に均一ガス吹込み技術が開示されている。

特開２０１１－５７９７０号公報 特開２０１７－１５５２１４号公報 特開２０１８－１７２６５０号公報

特許文献２で提案された装置によれば、原料を幅方向へ均一に装入することが可能となり、フェロコークスを高品質、高生産性に製造可能となるとしている。しかしながら、特許文献２の技術では、原料を奥行き方向へ均一に装入する効果は無く、特に細粒が装入口側へ偏析することにより、ガス吹込み均一化の効果が薄くなるという問題があった。

また、特許文献３で提案された装置によれば、ガス吹込み口を追加することで、原料を均一に加熱し、炉内における温度差を低減することで、フェロコークスの品質のばらつきを抑制することができるとしている。しかしながら、特許文献３の技術では、竪型乾留炉自体や、周辺設備が複雑化し、建設や維持管理に必要なコストが増加するという問題があった。

本発明は、上記の実情に鑑み開発されたものであり、成型物原料から発生した細粒の奥行き方向への偏析を防ぎ、原料を均一に加熱することが可能となるフェロコークス製造用竪型乾留炉の原料装入方法及び原料装入装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、竪型乾留炉内に装入される成型物原料の搬送過程で発生する細粒が、乾留炉内で奥行き方向手前の装入口側に偏析することで、装入堆積物の粒度にバラツキが生じ、乾留ゾーンでのガス吹込みが不均一になることを見出した。さらに、装入口の炉内出口付近で、ガスを噴射してその細粒を炉内に均一に分散させることで、装入堆積物の粒度も均一になることを知見した。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものであり、本発明の要旨は、次のとおりである。
〔１〕竪型乾留炉における原料の装入方法であって、前記原料を装入口から前記竪型乾留炉内へ投入する際に、前記装入口で前記原料にガスを噴射して、前記原料中の細粒を分散させることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入方法。
〔２〕前記〔１〕において、前記原料が成型物原料であって、前記細粒の粒子径が１５ｍｍ以下であることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入方法。
〔３〕前記〔１〕又は〔２〕において、前記成型物原料における前記細粒の重量比が８ｗｔ％～２０ｗｔ％であることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入方法。
〔４〕前記〔１〕ないし〔３〕のいずれか一つにおいて、前記ガスがエア（空気）又は窒素ガスであり、前記ガスの炉内への噴射速度が７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓであることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入方法。
〔５〕前記〔１〕ないし〔４〕のいずれか一つにおいて、前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入方法。
〔６〕竪型乾留炉において、原料を投入する装入口を有する原料装入装置であって、前記原料中の細粒を分散させるためのガス噴射装置を前記装入口に備えることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入装置。
〔７〕前記〔６〕において、前記原料が成型物原料であって、前記細粒の粒子径が１５ｍｍ以下であることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入装置。
〔８〕前記〔６〕又は〔７〕において、前記成型物原料における前記細粒の重量比が８ｗｔ％～２０ｗｔ％であることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入装置。
〔９〕前記〔６〕ないし〔８〕のいずれか一つにおいて、前記ガスがエア（空気）又は窒素ガスであり、前記ガスの炉内への噴射速度が７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓであることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入装置。
〔１０〕前記〔６〕ないし〔９〕のいずれか一つにおいて、前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入装置。

本発明は、竪型乾留炉を用いてフェロコークスを製造する際に、竪型乾留炉の奥行き方向に原料を粒度の偏析がなく均一に装入することができる。その結果、炉内でのガス吹込みを均一化させ、乾留温度のバラツキを低減することによって、均一な品質のフェロコークスを高品質かつ低コストで製造することが可能となり、生産性も向上するという優れた効果を奏する。

本発明に係る竪型乾留炉の炉上部の一例を示す模式断面図である。 本発明に係る噴射ガスの炉内への噴射角度を示す模式断面図である。 従来の竪型乾留炉の炉上部の一例を示す模式断面図である。 装入物の炉内奥行方向の粗粒・細粒分布比率との関係図であり、細粒重量比率が８％の場合の例である。 装入物の炉内奥行方向の粗粒・細粒分布比率との関係図であり、細粒重量比率が２０％の場合の例である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る竪型乾留炉の原料装入方法及び原料装入装置の実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表わされた各部材の寸法やそれらの比は、実際のものとは異なる場合もある。

［竪型乾留炉］
本発明の対象となる竪型乾留炉は、上部に成型物原料を装入する装入ゾーンを有し、中央部に低温加熱部分と高温加熱部分とからなる乾留ゾーンを有し、その下部に冷却ゾーンを有し、最下部に生成した成型コークスの排出ゾーンを有している。

ここで、成型物原料とは、成形コークス（フェロコークス）の原料となる炭素含有物質（石炭等）と鉄含有物質（鉄鉱石等）とを所定の割合で混合し、結合剤を加えて塊状に成型したものである。なお、成型物の結合剤（バインダー）は、ＳＯＰ（軟ピッチ）、ＡＳＰ（アスファルトピッチ）、澱粉、石炭直接液化残渣等を例示することができる。この結合剤の添加割合は、重量比率で炭素含有物質（石炭等）に対し、１ｗｔ％～１５ｗｔ％が好ましい。結合剤（バインダー）の添加割合が１ｗｔ％より少ないと石炭表面へのバインダーの浸透が不十分となるため十分な強度が得られにくくなり、１５ｗｔ％より多いと製造コストアップが顕著となり好ましくない。より好ましくは、３ｗｔ％～１０ｗｔ％である。

図３は、従来の竪型乾留炉の炉上部１の装入ゾーン断面を模式的に図示したものである。成型物製造工程を経て製造された成型物５を、貯槽タンク（図示せず）に蓄え、装入シュート２を経由して、装入口３から炉上部１内へ投入する。この装入口３の出口手前には、ゲート４が設けられている。ゲート４を閉鎖することで、成型物５を適当量（１バッチ分）貯留することができる。ゲート４を開放することで、装入シュート２の傾斜を経由して成型物５を炉内に投入することができる。ここで、原料装入装置９とは、上記の装入シュート２から装入口３までの全体的な構成をいう。

炉内には装入口３付近まで原料が貯留されており、装入した原料は、奥行き方向中間地点付近で貯留原料（装入物８）上に落下するように設計されている。また、炉上部１の頂上付近には、炉内のガスを排出するガス抜出し口６が設けられており、排出ガス７を調整して炉内の圧力を制御している。この竪型乾留炉内に原料を装入、貯留した後、下部の乾留ゾーンにて、複数の羽口でガス（低温ガス、高温ガス及び冷却ガス）を循環させることで、乾留における加熱及びその後の冷却を効率的に行っている。

なお、図３に示す竪型乾留炉を原料装入側から奥行き方向への断面図に対し、その断面と直交する断面の図は示していないが、その奥行き方向と直交する方向の幅（炉幅）は、奥行きの長さを長くできないことから、炉幅を長く設計した構造となっている。炉上部１の形状としては、例えば、奥行きが１．０ｍ～２．０ｍ、炉幅が４ｍ～８ｍである。したがって、装入シュート２は、炉幅方向に等間隔に（例えば、０．８ｍ～１．２ｍ間隔で）複数列設置されており、それぞれの装入口３には、それぞれゲート４が設けられている。なお、装入シュート２の形状は、特に限定されないが、断面長方形の四角柱、又は断面円形の円柱形状などが例示される。

［成型物の粒度構成］
次に、成型物の粒度構成と装入物の粒度偏析について説明する。
成型物は、成型物製造工程後に竪型乾留炉へ搬送される過程において、成型物が一部破砕、解砕されて細かい粒子が生成する。製造直後の成型物のサイズ（粒径）は、平均で２０ｍｍ～３０ｍｍであるが、炉内装入手前では、細かい粒子が多く存在することになる。ここで、本発明において、粒径１５ｍｍ以下の粒子を「細粒」とし、粒径１５ｍｍ超の粒子を「粗粒」と規定すると、その細粒の重量比率（成型物原料全体の重量に対する細粒の重量の比率）は、８ｗｔ％～２０ｗｔ％である。この数値範囲は、実測値の最低値と最高値に基づいている。

そして、装入する方向が炉の中間部分になるように原料を投入しても、細粒は、中間部分にまで届かずに、中間部分より手前に落下する傾向があり、それにより、装入物の粒度偏析が生じ、乾留ゾーンなどでのガス吹込みに悪影響が出ることがわかった。

［ガス噴射］
そこで、本発明者らは、投入する原料の細粒のバラツキをなくすための検討を行い、投入される原料にガスを噴射して、細粒の不均一落下を防止する方法を見出した。
すなわち、本発明は、図１に示すように、炉上部１の装入口３の炉内出口付近にガス噴射装置１０を備えることを特徴とするものである。

ここで、原料を装入時に奥行き方向へ噴射するガス１１の噴射速度は、７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとすることが好ましい。この範囲に調整することで、後述する成型物の装入傾向は変わらないまま、成型物と混ざって装入される細粒の装入傾向を奥行き方向へ均一に分散させることができる。より好ましくは、１５ｍ／ｓ～２０ｍ／ｓである。

また、噴射するガス１１としては、エア（空気）又は窒素ガスを用いることが好ましい。
このガス噴射により、装入口側への細粒の偏析を防ぎ、竪型乾留炉内からのガス吹込みを均一化することで、乾留温度のばらつきを低減し、均一な品質のフェロコークスを高品質かつ低コストで製造することが可能となる。
具体的なガス噴射装置１０としては、ブロワーやコンプレッサーなどが挙げられる。
さらに、ガス噴射装置１０の具体的な設置位置は、装入口３であり、特に、炉内の出口付近が好ましい。より好ましくは、装入口３の炉内出口の下側、炉内壁との境界付近である。

また、図２に示すように、ガスの噴射する方向の噴射角度θは、装入口３の傾斜面１２に対して垂直より炉内方向、すなわち９０°以上が好ましい。噴射角度θが９０°未満では、原料装入方向に対して逆流することになるからである。また、噴射角度θが装入口３の傾斜面１２に対して垂直より炉内方向へ４５°、すなわち１３５°を超えると、細粒の分散効果が乏しくなる。したがって、ガスの炉内への噴射角度θは、装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることが好ましい。より好ましくは、９５°～１２０°である。

なお、装入口３の傾斜面１２は、竪型乾留炉の垂直な側壁１３に対して角度δを有しており、この角度δは、炉内への原料の装入角度であって、３０°～７０°とするのが好ましい。より好ましくは、４０°～６０°である。

以下、実施例を挙げて本発明の実施形態をさらに詳しく説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

本発明の効果を確認するために、竪型乾留炉の操業を模した装入試験を実施した。装入試験では、図１に示した炉上部１の装入口３に、ガス噴射装置１０を設置した形状を模した装入モデルを使用し、装入物が降下する炉上部１の寸法を、幅０．３ｍ×奥行き１．５ｍ、装入口３から装入物８までの高さ１．０ｍとして試験を実施した。

装入口３の炉内出口付近の位置に、風速を変更可能なエアブロー（ガス噴射装置１０）を設置し、成型物の粗粒（粒径：１５ｍｍ超）と細粒（粒径：１５ｍｍ以下）を混合し装入する。ここで、ガスとしてエア（空気）を用い、そのエア噴射の速度を、０ｍ／ｓ（すなわち、エア噴射なし）、７ｍ／ｓ、１５ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓ、２５ｍ／ｓと変化させた。また、粗粒と細粒の混合条件は、実測値の細粒重量比率（全成型物の重量に対する細粒の重量の比率）である最低値８ｗｔ％と最高値２０ｗｔ％で試験を実施した（試験Ｎｏ．１～１０）。なお、ガスの噴射角度θは、装入口３の傾斜面１２（炉の側壁１３に対する角度δは、６０°）に対して１０５°斜め上方とした。

以上の装入試験の比較条件を表１に示す。

装入試験後に、落下位置として奥行き方向に手前側から反対側まで等間隔に１０ヶ所の位置（下記の図４及び図５に記載の飛散箇所）からサンプリングを行った。それぞれ１０ヶ所の落下位置での粗粒存在率（全体の粗粒重量に対する落下位置ごとの粗粒重量の比率）と細粒存在率（全体の細粒重量に対する落下位置ごとの細粒重量の比率）を比較した。

その結果を図４と図５に示す。図４は、細粒重量比率が実測最低値の８ｗｔ％の場合であり、図５は、細粒重量比率が実測最高値の２０ｗｔ％の場合である。

これらの結果から、本発明例では、粒径１５ｍｍ以下の細粒の重量比率が、最低値８ｗｔ％及び最高値２０ｗｔ％に関わらず、エア噴射速度が７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓの条件で、細粒の落下位置を奥行き方向の中心位置（炉の中間部分）に移行させることが可能となった。特に、エア噴射速度が、７ｍ／ｓで細粒の落下位置が中心位置より手前にあり、２５ｍ／ｓで粗粒へのエア噴射の影響が出始めることから、エア噴射速度は、７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓが適した条件であることがわかった。この範囲のエア噴射とすることで、細粒が装入物全体に均一に混合することができ、高品質の成型コークスが得られることがわかった。

以上により、本発明の有効性が確認された。

１ 炉上部
２ 装入シュート
３ 装入口
４ ゲート
５ 成型物
６ ガス抜出し口
７ 排出ガス
８ 装入物
９ 原料装入装置
１０ ガス噴射装置
１１ 噴射ガス
１２ （装入口の）傾斜面
１３ 炉の側壁
θ ガスの噴射角度
δ 傾斜面の角度

Claims (18)

1. 竪型乾留炉における原料の装入方法であって、前記原料を装入口から前記竪型乾留炉内へ投入する際に、前記装入口で前記原料にガスを噴射して、前記原料中の細粒を分散させることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入方法。
2. 前記原料が成型物原料であって、前記細粒の粒子径が１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の竪型乾留炉の原料装入方法。
3. 前記成型物原料における前記細粒の重量比が８ｗｔ％～２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型乾留炉の原料装入方法。
4. 前記ガスがエア（空気）又は窒素ガスであり、前記ガスの炉内への噴射速度が７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型乾留炉の原料装入方法。
5. 前記ガスがエア（空気）又は窒素ガスであり、前記ガスの炉内への噴射速度が７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓであることを特徴とする請求項３に記載の竪型乾留炉の原料装入方法。
6. 前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型乾留炉の原料装入方法。
7. 前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする請求項３に記載の竪型乾留炉の原料装入方法。
8. 前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする請求項４に記載の竪型乾留炉の原料装入方法。
9. 前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする請求項５に記載の竪型乾留炉の原料装入方法。
10. 竪型乾留炉において、原料を投入する装入口を有する原料装入装置であって、前記原料中の細粒を分散させるためのガス噴射装置を前記装入口に備えることを特徴とする竪型乾留炉の原料装入装置。
11. 前記原料が成型物原料であって、前記細粒の粒子径が１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の竪型乾留炉の原料装入装置。
12. 前記成型物原料における前記細粒の重量比が８ｗｔ％～２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の竪型乾留炉の原料装入装置。
13. 前記ガスがエア（空気）又は窒素ガスであり、前記ガスの炉内への噴射速度が７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の竪型乾留炉の原料装入装置。
14. 前記ガスがエア（空気）又は窒素ガスであり、前記ガスの炉内への噴射速度が７ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１２に記載の竪型乾留炉の原料装入装置。
15. 前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の竪型乾留炉の原料装入装置。
16. 前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする請求項１２に記載の竪型乾留炉の原料装入装置。
17. 前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする請求項１３に記載の竪型乾留炉の原料装入装置。
18. 前記ガスの炉内への噴射角度θが前記装入口の傾斜面に対して９０°～１３５°であることを特徴とする請求項１４に記載の竪型乾留炉の原料装入装置。

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