JP3877443B2

JP3877443B2 - 溶解装置

Info

Publication number: JP3877443B2
Application number: JP24643298A
Authority: JP
Inventors: 明紀迫田
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2018-09-01
Also published as: JP2000074567A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばキュポラを用いた、鋳鉄などの金属のための溶解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屑鉄などを主鉄源とする鋳鉄溶解装置において、その鋳鉄溶解の手段としては、キュポラ、電気炉、ガス炉などがある。このうち、コークスによるキュポラ溶解は有効な手段である。なぜなら、鋼屑のリサイクルの要請が増加すると見込まれる今後に、コークスが鋳鉄のための加炭材と燃料とを兼ね、また連続大量出湯が容易なためである。さらに、エネルギー源としてのコークス（石炭）は、化石燃料の中では可採埋蔵量も多いためである。
【０００３】
図４はキュポラを用いた従来の溶解装置を示す。ここで１は溶解炉であり、その頂部には装入口２が設けられている。この装入口２を利用して、溶解炉１の内部に、鉄源３とコークス４と石灰石などの造滓材５とが投入される。溶解炉１の底部には出湯口６が形成され、それよりも上方にはスラグ排出口７が設けられている。スラグ排出口７よりも上方には羽口部８が設けられている。
【０００４】
溶解炉１の頂部における装入口２よりも下側には排ガス吸引部９が設けられ、この排ガス吸引部９には排ガス路１０が接続されている。そして排ガス路１０には、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂計１１と、排ガス燃焼炉１２と、送風予熱器１３と、排ガス冷却器１４と、集塵装置１５と、脱硫装置１６と、排風機１７とが、溶解炉に近い側からこの順で設けられている。排ガス燃焼炉１２と送風予熱器１３との間における排ガス路１０の部分には、冷却用送風機１８からの空気が供給されるように構成されている。
【０００５】
このような構成において、溶解炉１の操業時には、コークスの燃焼によって発熱が行われるとともに炉内にＣＯ₂が発生する。このＣＯ₂は、炉内の高温燃焼帯において吸熱反応により上部からのコークスと接し、その一部がＣＯガスに還元され、弱酸性雰囲気となる。これにより、溶湯性状が良好に保たれる。したがって、排ガス路１０には溶解炉１からＣＯとＣＯ₂と微量のＯ₂とを含むガスが排出される。排ガス燃焼炉１２では、このようにして排出されたＣＯを燃焼させてＣＯ₂を発生させる。このとき、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂計１１によってそれらの濃度を検出し、その濃度に応じて、送風機１９から燃焼炉１２への供給空気量を制御する。
【０００６】
このようにして排ガス燃焼炉１２から多量のＣＯ₂を含むガスが排出されるが、このガスは、冷却用送風機１８から供給される空気によって、送風予熱器１３に送り込むのに適した温度に冷却される。送風予熱器１３では、送風機２０からの空気が熱交換により予熱され、この予熱された空気は、羽口部８に供給されることで溶解炉１のための燃焼用空気として利用される。送風予熱器１３から排出されたガスは、排ガス冷却器１４に送り込まれ、送風機２１からの空気によって熱交換により冷却される。冷却された排ガスは、集塵装置１５に送られることで排ガスダスト２２が除去され、次に脱硫装置により脱硫が行われたうえで、排風機１７によって排出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の溶解装置の熱収支を図３（ｂ）に示す。溶解炉１に供給される熱量の合計を１００％として、投入コークス４による熱量が８７％、送風予熱器１３によって羽口部８への熱風として回収される熱量が１１％、その他の熱量が２％となっている。そして、この１００％の供給熱量のうち、４２％が鉄の昇温、溶解に伴って溶湯に移行し、１０％がスラグ、冷却水、周囲環境への移行による損失となる。そして残りの４８％が排ガスに移行し、その４８％のうちの１１％が上述のように送風予熱により回収され、残りの、４８％のうちの３７％に相当する部分が排出されている。この３７％のうちの幾分かは、上述のように排ガス冷却器１４によって回収されている。
【０００８】
しかしながら、このような回収には高価な設備を要し、その割にはエネルギー変換ロスが存在して、有効回収率に限界があるという問題点を有する。
【０００９】
また、上述のように排ガス燃焼炉１２から多量のＣＯ₂を含むガスが排出されるため、溶解量当たりのＣＯ₂排出量を比較すると、電気炉が６０ｋｇ／ｔｏｎ相当、天然ガス炉が４５ｋｇ／ｔｏｎであるのに比して、キュポラでは１０６ｋｇ／ｔｏｎと汚染度が大である。
【００１０】
さらに、溶解炉１は溶解速度に見合った炉径を必要とし、炉１の断面各部で材料が均等に溶け落ちることが必要条件となる。この場合に、コークスの燃焼に必要なＯ₂ガスのみを吹き込んで供給したのでは、ガスの量が不足して、炉１の内部に分散投入された鉄源とコークスとに行き亘らず、均一な燃焼と溶解とができない。そこで、従来においては、Ｏ₂がＮ₂によって希釈された状態となっている空気を炉１の内部に吹き込むことによって、炉内の熱分散を確保している。しかし、このような従来の構成では、Ｏ₂の富化率に限界がある。
【００１１】
また、このようにＯ₂の供給のために常時新たな空気を用いたのでは、この空気の約８割を占めるＮ₂は、上述のＯ₂の希釈作用を果たすものの、ＣＯ₂とともに上述のように投入熱量の３７％を持ち出してしまい、さらにＮＯｘを発生させ、しかもその対策のためのガス処理系統の大型化や動力の増加を招くという問題点もある。
【００１２】
そこで本発明は、このような問題点を解決して、エネルギーロスの削減を図るとともに、系外への排出ガス量を低減させ、しかも、Ｏ₂の希釈作用を確保したうえで、排出ガスの処理系統を小型化できるようにすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明は、屑鉄などの金属材料を溶解させるための溶解炉からの排ガス中のＣＯ分を燃焼させる燃焼炉と、この燃焼炉からの燃焼ガスであって前記ＣＯ分の燃焼にもとづく多量のＣＯ ₂ を含むことにより酸化性が高くなった燃焼ガスの大部分をＯ₂ガスとともに前記溶解炉へ供給する手段とを有するようにしたものである。
【００１５】
このような構成であると、溶解炉からの排ガスにおけるＣＯ分を燃焼させたのち、前記溶解炉に再循環させて、新たに必要なＯ₂分のみを補充することになるため、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂が熱量を保有したまま循環し、これらの顕熱とＣＯ分の燃焼熱とがともに溶解炉内に直接に還元され、したがってエネルギーロスが大幅に削減されるとともに、系外への排出ガス量が低減され、しかも排出ガスの処理系統が小型化されることになる。また、排ガスにおけるＣＯ分を燃焼させたのちのガスを、Ｏ₂ガスとともに溶解炉へ供給するため、これらの排ガスにおけるＣＯ分を燃焼させたのちのガスによって希釈されたＯ₂ガスを溶解炉内に供給することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の溶解装置を、図面にもとづき、図６に示した部材と同一の部材には同一の参照番号を付して、詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態の溶解装置の概略構成を示す。ここでは、図６における送風予熱器１３は設けられておらず、その代わりに、排ガス燃焼炉１２からの燃焼ガスの大部分を、送風機３１によって溶解炉１の羽口部８へ供給するための燃焼ガス供給路３２が設けられている。排ガス路１０は、供給路３２へ送られなかった残部のガスを排ガス冷却器１４へ供給するように構成されている。冷却用送風機１８からの空気は、排ガス路１０における、供給路３２の分岐部と排ガス冷却器１４との間の部分に供給される。羽口部８には、９５％以上に純度を高めたＯ₂ガスの供給路３３が接続されている。
【００１８】
このような構成であると、排ガス燃焼炉１２におけるＣＯの燃焼により多量のＣＯ₂を含む状態となった高温の燃焼ガスの大部分は、送風機３１の作用により供給路３２を介して羽口部８より溶解炉１の内部に加圧状態で吹き込まれる。また溶解炉１の内部には、供給路３３から羽口部８を通って、純度を高めたＯ₂ガスが、上記の燃焼ガスとともに加圧状態で吹き込まれる。
【００１９】
すると、燃焼炉１２からの熱量を保有したガスが溶解炉１に循環されることになり、このガスの顕熱と燃焼炉１２でのＣＯ分の燃焼熱とが溶解炉１に直接還元されることになって、エネルギーロスが大幅に低減されることになる。
【００２０】
図３（ａ）は、図１の溶解装置の熱収支を示す。溶解炉１に供給される熱量の合計を１００％とすると、同図（ｂ）の場合と同様に、そのうちの４２％が溶湯の加熱に用いられ、１０％が損失となり、また４８％が排ガスに移行する。しかし、排ガスに移行した４８％のうちの４３％が、上述のように溶解炉１に還元され、系外への熱の排出は４８％のうちのわずか５％しか発生しないことになる。このため、図４の従来装置においては排ガスを本発明のように還元させずに系外に排出していたことに伴うエネルギーロスを、大幅に削減できることになる。
【００２１】
このため、溶解炉１に供給される熱量の合計を１００％として、そのうちの４３％を、このように再循環される排ガスによってまかなうことができる。その結果、投入コークスによる熱量を１００％のうちの５５％まで低減することができる。これは、図３（ｂ）の従来のものでは１００％のうちの８７％をコークスにより供給していたのに比べ、この従来のコークス投入量を１００として、６３まで低減させて燃料を節約することが可能であることを意味する。
【００２２】
また、系外への排出ガス量は、系外への排出熱量に比例するが、図３（ｂ）の従来のものでは全熱量の３７％が排出されていたのに対し、図３（ａ）の本発明のものでは、全熱量の５％しか排出されず、これは従来の排出量の約１３％にしかならない。すなわち、系外に排出される排ガスの量は、新たに補給されるコークスの燃焼ガス相当量のみにしかならない。このため、集塵、脱硝、脱硫などの処理のための設備を小型化でき、そのため資源を節減することができる。
【００２３】
また、排ガス中のダストも、除塵することなく供給路３２を介して溶解炉１に還元されるため、炉内でスラグに転化されて再利用に供されることになり、したがって別個の処理を施す必要が無くなるなどの利点がある。
【００２４】
しかも、供給路３２によって溶解炉１へ循環させるガスとともに、純度を高めたＯ₂ガスを、供給路３３によって溶解炉１に供給するため、コークスの燃焼に必要なＯ₂ガスのみを炉内に供給して、循環ガスにより均等に希釈すなわち分散させることができる。したがって、この際に空気すなわちＮ₂ガスが炉内に導入されないようにすることができ、このためＮＯｘの発生を防止できることになる。
【００２５】
溶解炉１から排出されて、排ガス路１０により排ガス燃焼炉１２に送られる排ガスは、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂計１１によって、その濃度が測定される。そして、この測定された濃度と、純度を高めたＯ₂ガスとともに溶解炉へ循環されるガスの量とにもとづいて、溶解炉１に供給される燃料すなわちコークス４の量が決められる。また、供給路３３から溶解炉１に供給される純度を高めたＯ₂ガスの量は、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂計１１によって測定されるＣＯとＣＯ₂との濃度比がＣＯ／ＣＯ₂＝１．２〜１．８となるように設定される。この濃度比が１．２を下回ると、炉内が酸化性雰囲気となって、溶湯が酸化しやすくなる。また濃度比が１．８を上回ると、炉内でＣＯ₂がＣＯに変化する反応が強く起こることになる。
【００２６】
すなわち、溶解炉１の内部の反応系を所定の状態に維持して、正常な出湯を得るには、投入熱量、ガス速度、炉内雰囲気すなわち酸化・還元度をそれぞれ適正にコントロールする必要がある。
【００２７】
溶解炉１の操業立ち上げ時には、上述のような本格的な排ガスの循環はなく、空気送風のみが行われる。そして、炉内の燃焼により、溶解炉１の炉頂における排ガスの量は、送風量の約１１３％となる。このため、系外への排出熱ロスは約５％のみとなる。さらに、このうちの余剰分の１３％の排ガスが排出されて他の部分が繰り返し使用され、またその後はコークス４とＯ₂ガスのみが炉内に供給されることになるので、操業開始当初に溶解炉１内に存在していたＮ₂ガスは速やかに減少し、排ガスの組成はＣＯ₂とＣＯとが大部分を占めるようになる。両者の比率は、上述のように溶解炉１の内部のガスの還元性雰囲気を維持するために、供給されるＯ₂の比率によって制御される。
【００２８】
図２は、溶解炉１の炉頂部における装入口２の構成を示す。この装入口２には、上下二段の可動式の仕切り３４、３５が交互に開閉するように設けられ、これらの仕切り３４、３５は、それぞれ水平方向に作動することによって開閉を行うように構成されている。また上下の仕切り３４、３５の間は、鉄源３やコークス４や造滓材５からなる原材料の１回の装入分を収容可能な容量を有するように構成されている。
【００２９】
上側の仕切り３４よりも上方には原材料バッグ３６が設けられ、また装入口２には、上下の仕切り３４、３５の間の空間に連通する集塵装置３７が設けられている。
【００３０】
このようなものであると、公知の溶解炉のように炉頂部の装入口を大気に開放して、炉内への吸引流を発生させただけのものに比べ、上下の仕切り３４、３５を交互に開閉することにより、原材料の装入時を含めて溶解炉１の炉頂部が常時閉止されることになる。したがってＮ₂を含む外気を炉内に吸引したり、炉内からのガスの吹き出しが生じたりすることを、確実に防止できる。
【００３５】
次に、本発明の他の実施の形態の溶解装置について説明する。この装置では、溶解炉１から排ガス燃焼炉１２までの構成は図１のものと同じであるが、排ガス路１０に沿った排ガス燃焼炉１２よりも後流側の構成が相違する。
【００３６】
すなわち、排ガス路１０に沿って、排ガス燃焼炉１２よりも後流側には、耐熱型の濾過集塵機と、脱硝装置と、排ガス冷却器１４と、ＣＯ ₂ 分離回収装置と、脱硫装置１６と、排風機１７とが、この順序で設けられる。
【００３７】
このような構成であると、排ガスにおける溶解炉１側へ供給されない部分は、含有する未燃ＣＯガスが燃焼炉１２で燃焼され、耐熱型の集塵機によってダストの集塵が行われた後に、脱硝装置によって５００℃以上の高温で処理され、次いで排ガス冷却器１４によって排熱の回収が行われる。そして、その状態のガスの成分の大部分を占めるＣＯ₂が分離回収装置によって回収され、高濃度ＣＯ₂ガスまたは液化ＣＯ₂ ガスとして製品化される。そのうえで、残りの少量の排ガスについて、脱硫装置１６によって脱硫処理が行われ、排風機１７によって外部に排出される。これにより、省エネルギーと、ＣＯ₂排出の極少化と、脱硫による無害化とが同時に実現されることになる。
【００３８】
したがって、排ガスをＣＯ₂分離用原料ガスであるとすると、従来はその２１％しかＣＯ₂が存在しないが、上述の本発明の装置によると排ガスの９９％がＣＯ₂になる。このため、回収、分離コストにすぐれたシステムを構築することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、溶解炉からの排ガスにおけるＣＯ分を燃焼させたのち、前記溶解炉に再循環させて、新たに必要なＯ₂分のみを補充することになるため、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂が熱量を保有したまま循環し、これらの顕熱とＣＯ分の燃焼熱ともに溶解炉内に直接に還元でき、したがってエネルギーロスを大幅に削減できるとともに、系外への排出ガス量を低減でき、しかも排出ガスの処理系統を小型化できることになる。また、排ガスにおけるＣＯ分を燃焼させたのちのガスを、Ｏ₂ガスとともに溶解炉へ供給するため、これらの排ガスにおけるＣＯ分を燃焼させたのちのガスによって希釈されたＯ₂ガスを溶解炉内に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の溶解装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の溶解装置における溶解炉の炉頂の部分の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の溶解装置と従来の溶解装置との熱収支を対比して示す図である。
【図４】従来の溶解装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１溶解炉
１０排ガス路
１１ＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂計
１２排ガス燃焼炉
３１送風機
３２燃焼ガス供給路
３３Ｏ₂ガスの供給路

Claims

屑鉄などの金属材料を溶解させるための溶解炉からの排ガス中のＣＯ分を燃焼させる燃焼炉と、この燃焼炉からの燃焼ガスであって前記ＣＯ分の燃焼にもとづく多量のＣＯ ₂ を含むことにより酸化性が高くなった燃焼ガスの大部分をＯ₂ガスとともに前記溶解炉へ供給する手段とを有することを特徴とする溶解装置。
溶解炉からの排ガス中のＣＯとＣＯ₂とＯ₂との濃度を測定する手段を有し、この濃度測定手段によって測定された濃度と、Ｏ₂ガスとともに溶解炉へ供給されるガスの量とにもとづいて、溶解炉に供給される燃料の量を決めるように構成され、かつ前記濃度測定手段によって測定される排ガス中のＣＯとＣＯ₂との濃度比がＣＯ／ＣＯ₂＝１．２〜１．８となるように、溶解炉へ供給されるＯ₂ガスの量を決めるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の溶解装置。
排ガス中のダストも除塵することなく溶解炉へ供給するように構成されていることを特徴とする請求項１または２項記載の溶解装置。
燃焼炉からの燃焼ガスであって溶解炉へ供給しない分の燃焼ガス中のダストを除塵する手段と、除塵後のガスを脱硝処理する手段と、脱硝処理されたガス中のＣＯ₂を分離回収する手段と、残りの排ガスについて脱硫処理を施す手段とを有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の溶解装置。
溶解炉の頂部に原材料の装入口を設け、この装入口に交互に開閉する上下二段の可動式仕切りを設けて、前記溶解炉の頂部が常時閉止されているように構成したことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の溶解装置。