JP3746700B2 - 精鉱バーナの制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自溶炉の精鉱バーナの制御方法に関し、より特定すれば、自溶炉の反応シャフトをモデル化したコンピュータシミュレーションにより精鉱バーナを制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に、自溶炉の概略構成を示す。自溶炉は、給鉱装置１１、精鉱バーナ１２、及び炉体１３を具備して構成される。炉体１３は、反応シャフト１４、セットラ１５及びアップテイク１６からなる。給鉱装置１１には銅精鉱と溶剤が供給され、精鉱バーナ１２には酸素と空気が供給される。
【０００３】
図２に、精鉱バーナ１２の一構成例を示す。精鉱バーナ１２は、装入シュート１７、内筒１８、外筒１９、並びに内筒１８及び外筒１９にそれぞれ設けられた内／外切替弁２０及び２１を具備して構成される。給鉱装置１１からの銅精鉱と溶剤は、装入シュート１７を介して精鉱バーナ１２に供給される。酸素と空気は、内／外切替弁２０、２１を介して内筒１８及び外筒１９に供給される。
【０００４】
精鉱バーナ１２は、自溶炉で最も重要な要素と言える。例えば、精鉱バーナ１２から反応シャフト１４内に吹き込まれる送風と精鉱粒子の状態が、反応シャフト１４での反応を決定する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、精鉱バーナ１２を様々な条件で稼動させ、反応シャフト１４での反応状態を把握して、これを精鉱バーナ１２の制御にフィードバックしていた。このような制御では、精鉱バーナ１２を効果的かつ効率的に制御することができず、精鉱バーナ１２を最適化することは困難であるという問題点があった。
【０００６】
従って、本発明は上記従来技術の問題点を解決し、精鉱バーナを効率的に最適化することができる精鉱バーナの制御方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、自溶炉の精鉱バーナを制御する方法において、
自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括反応速度式を作成し、
この総括反応速度式のパラメータを所望の数値に設定して、精鉱バーナを制御する際、
前記総括反応速度式は、
【数１】

ただし、
r _o ：精鉱粒子の半径
r _i ：反応界面の半径
η：無次元化反応界面半径 (=r _i /r ₀ )
Ｃ _Ｏ２ ：酸素濃度
Ｃ _{Ｏ２、ｉｎ} ：反応開始前の酸素濃度
なる式を用いて、粒子の体積の変化を酸素濃度の変化に関連付けており、
前記総括反応速度式を用いて、精鉱バーナの内筒と外筒間での流量の割り振を行う制御、及び内筒及び／又は外筒の径の調整の少なくとも１つを行うことを特徴とする精鉱バーナの制御方法である。
また、本発明は、自溶炉の精鉱バーナを制御する方法において、
自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括反応速度式を作成し、
この総括反応速度式のパラメータを所望の数値に設定して、精鉱バーナを制御する際、
前記総括反応速度式における反応速度定数ｋは
【数２】

ただし、
r _o ： 精鉱粒子の半径 [m]
r _i ：反応界面の半径 [m]
η ：無次元化反応界面半径 (=r _i /r ₀ ) [ − ]
N _p ：精鉱粒子の平均空間密度 [ 個 /m ³ ]
ε ：気孔率 [ − ]
D _ｏ ：分子拡散係数 [m ² /s]
k ₀ ：頻度因子 [m/s]
E _r ：活性化エネルギ [J/mol]
R ₀ ：普遍ガス定数 [J/mol ・ K]
T ：温度 [K]
であり、
前記総括反応速度式を用いて、精鉱バーナの内筒と外筒間での流量の割り振を行う制御、及び内筒及び／又は外筒の径の調整の少なくとも１つを行うことを特徴とする精鉱バーナの制御方法である。
自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括反応速度式を作成することで、自溶炉内の反応をモデル化することができる。この総括反応速度式を形成する要素の値を適宜変更することで、自溶炉内の反応をシミュレーションすることができるので、精鉱バーナを効率的に最適化することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を説明する。
【０００９】
本発明の実施の形態では、反応シャフト内での流体や粒子の挙動をシミュレーションするモデルを作成し、このモデルを用いて反応シャフト内に吹き込まれる送風と精鉱粒子の分散挙動等を最適化する。このようなモデルを作成するために、熱、反応及び粒子を以下に説明するように取り扱う。
【００１０】
まず、１界面未反応核モデルを用い、粒子１個当りの総括反応速度を求める。この時、前記総括反応速度式は、粒子の体積の変化を酸素濃度の変化に関連付ける。具体的には、
【００１１】
【数３】

ただし、
r_o ：精鉱粒子の半径
r_i ：反応界面の半径
η：無次元化反応界面半径(=r_i/r₀)
Ｃ_Ｏ２：酸素濃度
Ｃ_{Ｏ２、ｉｎ}：反応開始前の酸素濃度
なる式を用いて、粒子の体積の変化を酸素濃度の変化に関連付ける。このようにして粒子の体積の変化が酸素濃度の変化に関連付けられた粒子１個当りの総括反応速度は、後述する（３）式で記述される。
【００１２】
この（３）式を熱流体に適用して、総括反応速度式を作成する。この総括反応速度式は、後述する（１１）式として示される反応速度定数ｋを記述する式である。
【００１３】
そして、このようにして得られた総括反応速度式において、粒子が流体から受ける抗力がどのように影響するのかを検討する。この検討が、後述する（１２）〜（１５）式である。
【００１４】
ここで、本発明の一実施の形態を説明する前に、以下の説明で用いられるパラメータの主なものの定義を示す。
【００１５】
【外１】

自溶炉の化学反応
本モデルでは、送風気流中に所定の空間密度で存在する精鉱粒子を仮想し、その仮想の精鉱粒子と酸素との化学反応を「１界面の未反応核モデル」で解析した。
【００１６】
自溶炉内の化学反応を単純化すると
【００１７】
【化１】

となり、代表的な自溶炉の熱収支より、
【００１８】
【化２】

と表わせる。これから鉱石と産物の顕熱を差し引くと、気体のみの反応式
【００１９】
【化３】

が得られる。本実施の形態では、この反応が仮想の精鉱粒子との間で起こり、それにより発生した反応熱でガスが加熱,昇温されるものとした。ここで発熱量はO₂の反応熱として与える。
総括反応速度
１界面未反応核モデルを用い、ガス境膜物質移動係数をk_g，有効拡散係数をD_e，銅精鉱粒子の界面における反応速度定数をk_rとすれば、粒子1個あたりの
【００２０】
【外２】

は、
【００２１】
【数４】

で表され、粒子の平均空間密度をN_pとすると単位体積あたりの
【００２２】
【外３】

は，
【００２３】
【数５】

となる。
【００２４】
ガス境膜物質移動係数k_gは、
【００２５】
【数６】

で表されるが、
【００２６】
【数７】

となる。
【００２７】
また、有効拡散係数D_eは近似的に、
【００２８】
【数８】

を用いる。（４）、（５）式において、ガス拡散係数Dは次式で表される。
【００２９】
【数９】

反応界面における反応速度定数k_rは、
【００３０】
【数１０】

で表すことができる。
【００３１】
(4)式に(6)，(7)，(8)，(9)式を代入し、
【００３２】
【数１１】

とおいて整理すると、
【００３３】
【数１２】

となる。ただし、ｋは反応速度定数である。
【００３４】
活性化エネルギーE_rについては、ある組成の銅精鉱をアルミナウール中に散布して酸化反応を行なった実験から得られた値E_r=55kJ/molを採用した。
【００３５】
また、頻度因子ｋ₀は10^２〜10⁵[m/s]として計算し最適値を求めた。
粒子に関する諸条件
粒子の密度ρ_P、粒子及びガスの流速をそれぞれｕ_p, u_gとすると、粒子が流体からうける抗力ｆ[N]は（１２）式のように表わされる。
【００３６】
【数１３】

ここでC_Dは抗力係数で、（１３）式で定義される。
【００３７】
【数１４】

一般に、上記（１３）式における粒子の形状は球形であるが、実際の精鉱粒子は角張った形状をしている。粒子の形状係数φ_Sを（１４）式のように定義すると、形状係数φ_Sの粒子の抗力係数C_Dは、完全な球形粒子の抗力係数をC_Dsとすると（１５）式で表わされる。
【００３８】
【数１５】

仮に精鉱粒子の形状を球ではなく、球と同体積の立方体と仮定すると、φ_S = 0.81となり、Re_p = 0〜10で、C_DはC_Dsの1.2〜3.2倍になる。
【００３９】
本実施の形態においては、形状係数を考慮した影響についてシミュレーションで確認し、最適値を選択した。
モデルと実操業との比較
（シャフトサンプリングについて）
自溶炉のシャフト反応の実態把握方法として、反応シャフト１４に複数個サンプリング孔を設ける。この様子を図３に示す。図３中、×が炉内サンプリング点を示す。炉内サンプリング点で落下粒子を氷水中に捕捉採取し観察を行う。なお、本明細書中の実測値は、このサンプリング結果である。
（反発係数の最適化検討）
本モデルでは、シミュレーション計算の妥当性について、実炉での測定結果と計算結果を比較することで評価した。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）が、反発係数を変化させた場合のシミュレーションモデル計算値と実測値との粒子落下頻度分布の比較である。表１にシミュレーション計算条件および実測時の操業条件を比較して示す。
【００４０】
【表１】

シミュレーションモデルにおける粒子落下頻度は、計算数４０，０００サイクル目から５０，０００サイクル目まで２，５００サイクル毎に５回、０．１秒間づつ各位置で落下粒子数(重量)をカウントし、装入量を１５０トン／時から１３３トン／時に補正した。
【００４１】
一方実測値は、Ａ孔とＣ孔を結ぶライン上の測定値をプロットしたものである。図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を比較すると、反発係数1の分布幅, 分布形状が実測値に最も近くなっており、反発係数は１を採用した。
頻度因子ｋ _０ の最適化検討
図５に、界面反応速度定数の頻度因子ｋ₀を１０，０００、３００及び１００ｍ／ｓとした場合の酸素濃度分布のシミュレーション結果を示す。これ以外の条件は上記反発係数の最適化検討と同様である。なお、図５の結果は、図６に示すように、精鉱バーナの出力領域をメッシュに分割した座標系に、酸素濃度の分布をプロットしたものである。
【００４２】
反応終了点は、表２のようにｋ_０＝１０，０００で２．１ｍ、３００で３．５ｍ、１００で４．８ｍと、頻度因子ｋ₀で大きな差が生じた。
【００４３】
【表２】

現実の反応終了位置は正確に把握されていないが、シャフトサンプリング位置、すなわち天井から４．５ｍでは反応は完全に終了していると推定されている。また、粒子の反応開始〜終了に０．０５〜０．１０秒必要であることから、落下速度を合わせると、反応終了位置は天井下２ｍよりは下であると推定される。以上から、頻度因子ｋ₀は３００〜１，０００ｍ／ｓが好ましい。
【００４４】
以上の通り、（１１）式で定義される反応速度定数ｋは実操業での状態を高い精度で反映している。（１１）式を用いて、精鉱バーナの内筒と外筒間での流量の割り振りや、内筒及び／又は外筒の径の調整等を行うことで、反応シャフト内に吹き込まれる送風と精鉱粒子の分子挙動等を最適化することができる。
【００４５】
なお、本発明を実施するに際し、汎用熱流体解析ソフト（例えば、商品名ＳＴＲＥＡＭ）を用いたコンピュータシミュレーションを利用することができる。上記商品名の汎用熱流体解析ソフトに組み込まれている総括反応速度式を、以下のように改変する。第１に、粒子１個あたりの総括反応速度を算出する前述の（３）式を作成し、最終的に前述した（１１）式で定義される反応速度定数ｋを求める式をメインルーチンに組み込む。第２に、（１１）式を構成する各変数に所定の値を取り込むためのサブルーチンを作成する。このサブルーチンは、自溶炉の反応の計算を開始する時に１回呼び出されるものである。第３に、反応を計算する各サイクルで、発熱量、酸素の減少量、ＳＯ_２の増加量などの時間とともに変化する変数値をメインルーチンに取り込むサブルーチンを作成する。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、精鉱バーナを効率的に最適化することができる精鉱バーナの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自溶炉の一構成例を示す図である。
【図２】精鉱バーナの一構成例を示す図である。
【図３】シャフトサンプリングを説明するための図である。
【図４】シミュレーション結果と実炉での測定結果とを比較するグラフである。
【図５】酸素濃度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】酸素濃度分布のシミュレーションで用いられる座標系を示す図である。
【符号の説明】
１１ 給鉱装置
１２ 精鉱バーナ
１３ 炉体
１４ 反応シャフト
１５ セットラ
１６ アップテイク

Claims (2)

1. 自溶炉の精鉱バーナを制御する方法において、
   自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括反応速度式を作成し、
   この総括反応速度式のパラメータを所望の数値に設定して、精鉱バーナを制御する際、
   前記総括反応速度式は、
   

   

   ただし、
   r _o ：精鉱粒子の半径
   r _i ：反応界面の半径
   η：無次元化反応界面半径 (=r _i /r ₀ )
   Ｃ _Ｏ２ ：酸素濃度
   Ｃ _{Ｏ２、ｉｎ} ：反応開始前の酸素濃度
   なる式を用いて、粒子の体積の変化を酸素濃度の変化に関連付けており、
   前記総括反応速度式を用いて、精鉱バーナの内筒と外筒間での流量の割り振を行う制御、及び内筒及び／又は外筒の径の調整の少なくとも１つを行うことを特徴とする精鉱バーナの制御方法。
2. 自溶炉の精鉱バーナを制御する方法において、
   自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括反応速度式を作成し、
   この総括反応速度式のパラメータを所望の数値に設定して、精鉱バーナを制御する際、
   前記総括反応速度式における反応速度定数ｋは
   

   

   ただし、
   r _o ： 精鉱粒子の半径 [m]
   r _i ：反応界面の半径 [m]
   η ：無次元化反応界面半径 (=r _i /r ₀ ) [ − ]
   N _p ：精鉱粒子の平均空間密度 [ 個 /m ³ ]
   ε ：気孔率 [ − ]
   D _ｏ ：分子拡散係数 [m ² /s]
   k ₀ ：頻度因子 [m/s]
   E _r ：活性化エネルギ [J/mol]
   R ₀ ：普遍ガス定数 [J/mol ・ K]
   T ：温度 [K]
   であり、
   前記総括反応速度式を用いて、精鉱バーナの内筒と外筒間での流量の割り振を行う制御、及び内筒及び／又は外筒の径の調整の少なくとも１つを行うことを特徴とする精鉱バーナの制御方法。

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