JP3613902B2 - 高炉への微粉炭吹き込みバーナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は高炉への微粉炭吹き込みバーナに関し、さらに、先端部の形状を変形させたバーナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高炉操業における微粉炭吹き込みは、高炉操業の安定化とともに、燃料としてコークスの代わりに、より安価な微粉炭を使用することによってコストを削減することを目的とし、国内外で行われている。
【0003】
一般的な微粉炭吹き込みは、図5に示すように、微粉炭バーナ1をそのバーナ先端が羽口3の先端より送風上流側になるように設置し、バーナ1より微粉炭5を搬送ガスとともに羽口3内に吹込み、プローパイプ2、羽口3を通って高炉内に導入される送風ガス6と共に炉体4内に送り込まれる。
【0004】
バーナ1より吹込まれた微粉炭5は羽口3内及びレースウェイを飛翔している間に燃焼するが、その燃焼率が低い場合には、炭材として充分な発熱量を得ることができず、コークスに対する置換率が低下してしまう。また、燃焼性が低下すると、多量の未燃チャーが発生し、炉下部における粉の蓄積量が増加し、溶銑、溶滓の通液性を悪化させ、高炉操業に悪影響を及ぼす。
【0005】
一般に羽口内に吹き込まれた微粉炭は送風によって昇温し、揮発分を放出しながら着火燃焼していくが、その燃焼反応は微粉炭の羽口内における滞在時間に比べて遅いため、微粉炭は羽口内ではほとんど燃焼せずにレースウエイに入る。そのため、送風中の酸素はコークスによっても消費されてしまい微粉炭の燃焼率を低下させる原因になっている。
【0006】
従来より、高炉へ吹込まれる微粉炭の燃焼改善を図るため、様々な提案がなされている。最も一般的には送風温度を高め、送風の酸素富化率を高めることが実施されている。送風温度を高めるのは微粉炭の着火を早めるためであり、酸素富化は微粉炭の燃焼に酸素を利用させるためである。
【0007】
微粉炭の燃焼は酸素との遭遇が必須条件である。それを効率よく行わせるため、2重管構造の高炉用の微粉炭バーナが多数、提案されている。
【0008】
例えば、特開平1−92304号公報には、内管微粉炭、外管酸素の2重管構造で、さらに中心の微粉炭吹き出し孔を取り囲んで複数個の酸素ガス吹き出し孔を有するとともに、これら各酸素ガス吹き出し孔の少なくとも先端部の軸線がノズル前方において前記微粉炭吹き出し孔の軸線と交わっていることを特徴とした高炉の微粉炭吹込み用ノズルを開示している。この技術は微粉炭が燃焼する際に必要な酸素を微粉炭存在領域を取り巻く位置に高濃度で供給しようとするものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
近年の高炉操業はコークス炉の老朽化に伴うコークス不足より、微粉炭の吹込み量をより増加させる要求が強くなってきている。200kg/t−pを越えるような高微粉炭比操業を指向すると、従来の微粉炭の燃焼性改善方法では効果が得られなくなりつつあるか、方法そのものが採用できなくなりつつある。
【0010】
燃焼性改善のため最も一般的に行ってきた送風温度を高める操業は、通常の熱風炉を用いている場合、既に設備的な送風温度の限界に近い。また、製鉄所のエネルギーバランスの関係上、高燃料比操業を指向しているような場合には出銑温度が高くなりすぎないようにするため送風温度を高くすることができない。また、送風への高酸素富化は熱流比の制約すなわち鉱石の還元を円滑に進ませる必要から送風中酸素濃度は30%ぐらいまでが限界で、微粉炭の燃焼性を著しく向上させるまでには至らない。
【0011】
特開平1−92304号公報は微粉炭存在領域を取り巻く位置に高濃度の酸素を供給することは可能であるが、このノズルの2重管構造は内管が微粉炭の通路、外管が酸素の通路であるため、冷えた酸素が高温の送風と微粉炭を分断することとなり、微粉炭の着火を遅らせる。また、ノズル外管より供給される酸素は微粉炭存在領域の外側にあるためコークスによっても消費されることには違いなく、供給した酸素を微粉炭燃焼のみに用いることができない。
【0012】
本発明は前記従来技術の問題点を解消するものであって、微粉炭の着火を維持したうえで、燃焼する際に必要な酸素を効果的に微粉炭の吹込み領域に供給し、微粉炭の燃焼率を向上させようとするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、具体的には、2重管構造の微粉炭バーナを用い、内管からは酸素又は酸素富化空気を、外管からは微粉炭を吹込む高炉への微粉炭吹き込みバーナを採用した。さらに効果を高めるうえで、微粉炭吹き込みを行う際に、バーナ内管先端の外周に突起部を設けた微粉炭バーナ、あるいはバーナ外管先端径を拡大した微粉炭バーナを採用した。
【0014】
本発明の第1の発明は酸素又は酸素富化空気を噴出する内管と、微粉炭を噴出する同心の外管とからなる2重管構造を有し、前記内管先端の外周に突起部を設けたことを特徴とする高炉への微粉炭吹き込みバーナである。
【0015】
本発明の第2の発明は酸素又は酸素富化空気を噴出する内管と、微粉炭を噴出する同心の外管とからなる2重管構造を有し、前記外管先端径を拡大したことを特徴とする高炉への微粉炭吹き込みバーナである。
【0016】
【発明の実施の形態】
2重管鋼管の高炉用の微粉炭バーナを用い、内管からは酸素又は酸素富化空気を、外管からは微粉炭を吹込む場合の微粉炭の燃焼状況を図3に示す。バーナ1は羽口3の内部に先端を開口した2重管構造で、内管から酸素又は酸素富化空気7を噴出し、外管から微粉炭5を噴出する。外管から噴出した微粉炭噴出流8はまず、外側が高温送風6と速やかに接触し高温となり着火する。10は微粉炭の燃焼進行帯を示している。このような燃焼進行は同じ2重管微粉炭バーナを用いても内管から微粉炭を、外管から酸素または酸素富化空気を吹込む技術とは異なる点である。
【0017】
着火した微粉炭噴出流の外側部は燃焼し、その部位(燃焼進行帯10)はさらに高温となり、それと接触する内側部の微粉炭を高温にし、着火帯9で示したように着火が進行する。このように、微粉炭噴出流の着火は微粉炭噴出流の外側から中心側へ進む。しかし、一方で着火後の燃焼の進行は酸素を消費していくことである。微粉炭噴出流8の外側は、送風6中の豊富な酸素によって燃焼は進行するが、微粉炭噴出流8の中心の燃焼の進行は微粉炭吹込み量が増えるほど微粉炭噴出流を取り巻く送風6から拡散してくる酸素との反応は期待できない。
【0018】
そこで、本発明では2重管微粉炭バーナ1の内管から、酸素または酸素富化空気7を吹き込み、微粉炭噴出流8の中心近傍に燃焼進行に必要な酸素11を供給することができ、燃焼率を高めることができる。
【0019】
さらにバーナ先端形状の変更による微粉炭の燃焼状況の改善を明確にするために図4の装置を用いて試験を行った。この装置は、コークス12を充填した容器に羽口3を設け、羽口3内にバーナ1を配設した。排気はサイクロン13、バグフィルタ14で粉体を回収した。この試験装置を用いたときの実験条件は次の通りである。
【0020】
羽口送風量 :1.4Nm3/min
羽口富化酸素量:0.04Nm3/min
羽口送風温度 :850℃
微粉炭吹込量 :0.28kg/min
微粉炭バーナ内管酸素量:0.01Nm3/min
上記実験条件をベースに、微粉炭吹込量を0.1〜0.4kg/minの範囲内で変化させた。
【0021】
図3に見られるように、微粉炭への着火は微粉炭噴出流の外側から中心側へ移行することから中心側の着火位置はバーナ1の先端から離れた位置、すなわち下流側になる。そのため、燃焼進行に必要な酸素11は着火以降の位置に高濃度で供給すれば、さらに燃焼性向上に寄与する。図1に示すバーナ1は、内管21の先端、外管22の先端位置が同じ位置にある例である。内管21から酸素又は酸素富化空気を噴出し、内管21と外管22との隙間23から微粉炭を噴出する。内管21の先端が外管22の先端より先方に突き出していない場合は微粉炭噴出流中心が着火するまでに内管21から噴出した酸素7が外方に拡散し、酸素濃度が多少低下する。
【0022】
次に2重管微粉炭バーナとして図6に示すように、内管21の先端の外周に突起部31を設けると、突起部31の極く近傍で渦乱流が生成して、内管から吹出す酸素を巻き込む作用が生じるために、内管21の外周から吹出す微粉炭噴出流の中に酸素が供給され、微粉炭の着火性を改善する効果がある。突起部31は図6では、内管の外径がバーナ先方方向に漸時拡大するテーパ管形状のものを示したが、これに限定されるものではない。
【0023】
さらに図7に示すように、外管22の先端に拡径部32を設けたバーナ1を用いた場合、外管から吹出す微粉炭噴出流が先開きの先端部によって拡散が促進される。そのため微粉炭噴出流が拡がり、低濃度で均等な微粉炭濃度となり、微粉炭全般に渡って充分な酸素が供給される。
【0024】
図6、図7に示すバーナを用い、内管外周の突起部31の長さL1と角度α、あるいは外管拡大部の長さL2と角度βを変化させたときの燃焼率の変化を図8〜図13に示す。図8〜図13はそれぞれ角度α又はβが3度、5度、10度、15度、20度、25度の時の燃焼率を示している。ここで燃焼率とは試験装置内コークス12の充填層内に溜まった粉及び排ガスとともに運ばれ、サイクロン13及びバグフィルタ14に捕集されたダスト中の未燃チャーの量を吹き込んだ微粉炭の量で割った数値を%表示で示したものである。図6に示す内管外周の突起部のテーパ角αあるいは図7に示す外管拡大部の拡大角βがいずれも5〜20°の時に燃焼率の向上が見られる。また長さL1、L2の好適範囲は5〜50mmの範囲にあることが判った。
【0025】
【実施例】
実施例1
本発明を内容積4359m3、羽口数36本、微粉炭吹き込みを行っている高炉を用いて、図14、図15、図16に示す各バーナA、B、Cの効果確認を行った。比較には図14のバーナAを用いた。
【0026】
通常操業時、図14に示すバーナAを用いて、送風温度1052℃、富化酸素量26.8Nm3/t−p、送風の羽口先端速度179m/s、出銑比1.78t/dm3,燃料比514kg/t−pで、燃料比のうち微粉炭比は108kg/t−pで36本の羽口に均等に吹き込む操業を行っていた。ここで微粉炭比を増加させようとしたが、図17に示すように炉頂ダストの増加、高炉炉下部通気性の悪化、それに伴う荷下がりの不安定と溶銑温度の変動が現われ、操業限界であることが判った。このとき、炉頂ダストを顕微鏡で観察したところ微粉炭の未燃チャーが確認された。
【0027】
そこで、休風時に微粉炭バーナを本発明の一実施例である図15のバーナBに全数取り替え、酸素富化のうち2.0Nm3/t−pを2重管構造の高炉用微粉炭バーナの内管より吹き込む操業を行ったところ、微粉炭比140〜150kg/t−pまでの高微粉炭操業を行っても、特別な操業上の問題は現われず、順調な操業ができた。さらに微粉炭バーナを本発明の実施例の図16に示すバーナCに全数取り替えた結果、微粉炭比150kg/t−pまでの高微粉炭操業を行っても、特別な操業上の問題は現われず、順調な操業ができた。
【0028】
【発明の効果】
本発明によって、特別な設備投資や消耗材料を必要とすることもなく高炉へ吹込む微粉炭の燃焼性が改善され、微粉炭比の増加によって高価なコークスを減少させ、炭材のコストダウンを図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】2重管構造の微粉炭バーナの縦断面図である。
【図2】従来の微粉炭バーナの縦断面図である。
【図3】実施例の微粉炭バーナの作用の説明図である。
【図4】内管突き出し長さの効果を調査した試験装置のフローシートである。
【図5】一般的な微粉炭吹込みバーナの設置図である。
【図6】別の実施例のバーナの(a)縦断面図、(b)正面図である。
【図7】別の実施例のバーナの(a)縦断面図、(b)正面図である。
【図8】実施例の燃焼率を示すグラフである。
【図9】実施例の燃焼率を示すグラフである。
【図10】実施例の燃焼率を示すグラフである。
【図11】実施例の燃焼率を示すグラフである。
【図12】実施例の燃焼率を示すグラフである。
【図13】実施例の燃焼率を示すグラフである。
【図14】実験に供したバーナの(a)縦断面図、(b)正面図である。
【図15】実験に供したバーナの(a)縦断面図、(b)正面図である。
【図16】実験に供したバーナの(a)縦断面図、(b)正面図である。
【図17】内管の外周に突起物を設けたバーナおよび外管の先端径を拡大した微粉炭バーナの実施例の効果を示す操業推移図である。
【符号の説明】
1 バーナ
2 ブローパイプ
3 羽口
4 炉体
5 微粉炭
6 送風ガス
7 酸素又は酸素富化空気
8 微粉炭噴出流
9 着火帯
10 微粉炭の燃焼進行帯
11 酸素
12 コークス
13 サイクロン
14 バグフィルター
21 内管
22 外管
23 隙間
31 突起部
32 拡径部
Claims (2)
- 酸素又は酸素富化空気を噴出する内管と、微粉炭を噴出する同心の外管とからなる2重管構造を有し、前記内管先端の外周に突起部を設けたことを特徴とする高炉への微粉炭吹き込みバーナ。
- 酸素又は酸素富化空気を噴出する内管と、微粉炭を噴出する同心の外管とからなる2重管構造を有し、前記外管先端径を拡大したことを特徴とする高炉への微粉炭吹き込みバーナ。
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