JP4233047B2 - ペレタイジング炉用バーナの構造 - Google Patents

Description

本発明は、ペレット製造設備における予熱室で使用されるバーナ（以下、「ペレタイジング炉用バーナ」と呼ぶことがある）の構造に関するものであり、特に予熱室内における過酷な雰囲気においても損傷しないように構成したペレタイジング炉用バーナの構造に関するものである。

高炉原料として、従来から焼結鉱やペレット鉱が使用されているが、このうちペレットは、ペレット製造設備において生ペレットの製造、乾燥、焼成、冷却の各工程を経て製造されることになる。図１は、ペレット製造設備（グレートキルン方式）の構成例を示す概略説明図であり、図中１はグレート、２はキルン、３は乾燥室、４は離水室、５は予熱室、６は冷却装置、７はペレタイジング炉用バーナ、８はキルン用バーナを夫々示す。

こうした製造設備によって、ペレットを製造するには、微粉鉱石に少量の水分を添加して造粒した生ペレットを、グレートの乾燥室３側から送り、離水（離水室４）および予熱焼成（予熱室５）した後、キルン２内で焼成し、その後冷却（冷却装置６）することによって成品ペレットとされる。またペレットの成品強度を良好に維持するためには、予熱室５内における予備焼成温度をできるだけ高温に維持する必要があることが知られている。

尚、図１において、予熱室５内の排ガスはファンＦ₁、Ｆ₂によって離水室４、乾燥室３に順次送られて利用され（矢印Ａ〜Ｅ）、その後除塵されてからファンＦ₃によって排気される（矢印Ｇ₁）。また、冷却装置では冷却に利用されるガス（主に空気）は、ファンＦ₄〜Ｆ₆によって冷却装置内を循環させた後キルン２内に排気されと共に、その一部はファンＦ₇によって乾燥熱源として回収される（矢印Ｇ₂）。

予熱室５には、複数の燃焼用バーナ（ペレタイジング炉用バーナ７）が配置されているが、このペレタイジング炉用バーナ７の燃料は、これまでコークス炉から排出されるコークス炉ガス（炭化水素系ガス）が有効利用されてきた。しかしながら、このガスは原料単価が高いことから、微粉炭に切り替えられつつあるのが現状である。この微粉炭は燃焼効率が高く且つ安価であることから、こうした微粉炭を燃料として使用することによって、発熱量当たりの単価が１／５程度に低く抑えられ、ペレット製造コストが低くなるものと注目されている。

しかしながら、こうした微粉炭を燃料として用いた場合には、予熱室５の環境がこれまで以上に苛酷なものとなって、バーナの損傷が早期に進行するという問題がある。即ち、これまでのコークス炉排ガスを燃料として使用した場合には、予熱室５内は１０００〜１１００℃程度に維持され、こうした環境下ではバーナの損傷がそれほど顕著に生じることはなかったのであるが、微粉炭を燃料として用いた場合には予熱室５内の温度は１２００〜１３００℃まで上昇することがある。また、これに加えて、キルン２側からは石炭灰が高速で飛来してくると共に、予熱室５内でペレットからの鉄粉の飛来などによって、予熱室５内はバーナの使用環境として非常に過酷な条件となる。こうしたことから、これまで使用されてきたバーナでは対応できないという事態が発生している。

ペレタイジング炉用バーナは、予熱室５内に８本程度配置されるが、このバーナはその損傷度に応じて順次取り替えていく必要がある。従来では２〜３本／月の頻度で取り替えていたのであるが、微粉炭を燃料として使用してからバーナの取替え頻度が４〜５本／月となり、バーナの耐久性を向上させるための技術の確立が望まれていた。特に、ペレット製造設備における操業停止の５０％以上は、バーナの取り替え作業が原因であることからして、バーナの耐久性を向上させることは操業効率の向上および生産コストの低下を図る上で重要な改善項目となっている。

バーナやランスの耐久性を向上させるための技術として、これまでにも様々提案されている。こうした技術として、例えば特許文献１には、「セメント焼成用キルンバーナ」の構造として、キルンバーナの円筒形鉄芯にアンカーを立設すると共に、円筒形鉄芯を取り囲む様にエキスパンダメタルを張り渡し、前記アンカーと前記エキスパンダメタルが埋設する様にキャスタブル耐火物を施工するようにしたバーナが開示されている。また、特許文献２、３には、ランスパイプを構成する金属管の表面に所定形状のスタッドを形成しておき、このスタッドによって金属管表面に被覆される耐火物の亀裂発生や脱落を防止することによってランスパイプの耐久性を向上させる技術が開示されている。

バーナやランスの耐久性を向上させるためにこれまで提案されてきた技術は、金属管表面に耐火物を被覆する構成が主流を占めており、その耐火物を効果的に保持するために、金属管表面にアンカーやスタッド等を配置するのが一般的である。しかしながら、耐火物を被覆するようなバーナでは、過酷な環境で使用されるペレタイジング炉用バーナとして適用しても耐久性が不十分である。

例えば、キルン２においてもキルン用バーナ８が設置されており、キルン内の雰囲気（焼成雰囲気）は９５０℃程度でそれほど過酷とはならないことから、キルン用バーナ８の構成として従来の技術を適用することは有用であると考えられ。しかしながら、より過酷な雰囲気となる予熱室５内に配置するバーナに適用しても耐久性改善の有効な手段とはなり得ない。
特開平１０−２９７９４７号公報 特許請求の範囲、図２など 特開２００１−１３３１６６号公報 特許請求の範囲など 特開２００１−４９３２８号公報 特許請求の範囲など

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、ペレット製造設備における予熱室内の過酷は雰囲気下であっても損傷しないように構成したペレタイジング炉用バーナの構造を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、金属管表面に耐火物を被覆する構成を採用せず、所定の高さおよび分布を有するスタットをバーナ本体表面に配置するだけで、十分な耐久性を発揮するバーナが実現できることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明に係るペレタイジング炉用バーナの構造とは、炉内に侵入しているバーナの表面に、高さが５〜１５ｍｍであるスタットを複数設けると共に、周方向および長さ方向におけるスタット不存在領域にバーナの半径方向の視野で描ける内接円が直径５〜５０ｍｍとなるように配置し、キルン排ガス中のアッシュ等をバーナ表面に付着・堆積させるように構成したものである点に要旨を有するものである。

本発明のペレタイジング炉用バーナでは、耐熱性の金属材料を使用せずとも、その耐久性が十分に発揮され、例えばステンレス鋼によって構成されたものが挙げられる。また、本発明のバーナは、燃焼によってその周囲の雰囲気が過酷なものとなることを想定したものであって、こうした雰囲気は微粉炭を燃焼させるバーナによって形成されることになる。更に、スタットをバーナ表面に対して９０度未満の角度で設けることも推奨される。

本発明のペレタイジング炉用バーナにおいては、所定の高さおよび分布を有するスタットを炉内に侵入しているバーナ表面に配置することによって、キルンから飛来してくる石炭灰や予熱室中に存在する微粉鉄等がバーナ表面に適切量付着・堆積していき、こうした堆積層がバーナの保護層としての機能を発揮し、これによってバーナに十分な耐久性を付与することができたのである。

以下、本発明が完成させた経緯に沿って、本発明の構成および作用効果について説明する。図２は、ペレタイジング炉用バーナの配置状態を示す概略説明図であり、図中１０はバーナ本体、１１はスリーブ部、１２は溶接部、１３は耐火壁を夫々示している。そして、ペレタイジング炉用バーナは、そのスリーブ部１１が炉内（予熱室内）に侵入した状態とされる。

本発明者らは、まず予熱室に配置されるペレタイジング炉用バーナが損傷する原因について、様々な角度から検討した。このとき、バーナ本体１０およびスリーブ部１１には、耐熱合金であるハステロイ合金を使用した。そして、ペレタイジング炉用バーナが損傷する形態として、下記（１）〜（３）の３つの場合があることが確認できた。
（１）炉内に溶接部（図２の参照符号１２）があるときに、当該溶接部での折損
（２）使用日数と共に、スリーブ部が徐々に垂れ下がってくることによる損傷
（３）キルン排ガスを受ける面の外部からの磨耗による穴開きによる損傷

上記各項目（１）〜（３）への対策について、更に検討を加えた。そして、上記（１）に関しては、溶接部１２の位置を変更して耐火壁１３内となるようにして溶接部１２が炉内雰囲気中の直接曝されないようにすれば良いとの知見が得られた。しかしながら、上記（２）、（３）については、（ａ）スリーブ表面に耐火物を被覆すること、（ｂ）バーナ（バーナ本体１０およびスリーブ部１１）の材質をセラミックスとすること、（ｃ）スリーブ部１１の肉厚を厚くすること、等の設計変更を試みたが、いずれも有効な解決策とはなりえず、バーナの寿命を効果的に向上させることはできなかった。またこうした傾向は、バーナの素材として耐熱合金を用いた場合であってもそれほど変化は認められなかった。

そこで、本発明者らはバーナの材質に捉われることなく、その構造を適切にすることによって、キルンから飛来してくる石炭灰や予熱室内に存在する微粉鉄、その他の塵等（以下、「アッシュ等」と呼ぶ）をバーナ（スリーブ部）の表面に付着させるようにすれば（いわゆるセルフライニング）、バーナの耐久性を向上できるのではないかとの着想が得られた。

そして、そのための構成について様々な角度から検討した。その結果、バーナ表面にスタッドを配置するだけで、耐火物を被覆しなくても十分な耐久性を発揮するバーナが実現できることが判明したのである。但し、スタッドの形状や分布状態は任意にしても、その効果は有効に発揮されず、所定の高さおよび分布を有するようにスタットを配置することが必要である。

こうした適切配置を実施することによって、バーナ表面に所定厚さの石炭灰等を付着させるいわゆるセルフライニングによって、十分な耐久性を発揮するバーナが実現できるのである。

図３は、本発明のバーナの構成例を示す概略説明図である。尚、図３に示した構成は、操業中の状態を示したものであり、従ってスリーブ部１１の表面にアッシュ等１５が付着した状態を示している。また、溶接部１２は炉内雰囲気に曝されないように、耐火壁１３内に配置したものである。そして、本発明のバーナでは、スリーブ部１１の表面に複数のスタット１６を配設することによって、アッシュ等１６がスリーブ表面に付着・堆積しやすくしたものである。

こうした構成では、アッシュ等１５がバーナの保護層としての機能を発揮し、バーナの材質自体はそれほど耐熱性が優れたものとしなくても、過酷な雰囲気中であってもバーナが損傷することがない。本発明のバーナにおける材質としては、例えばステンレス鋼が挙げられる。

こうした効果を発揮させるためには、スリーブ部１１の表面の配設されるスリット１６の高さや分布も適切にする必要がある。即ち、スリット１６の高さや分布が適切でなければ、セルフライニングによってアッシュ等１５がスリーブ部１１の表面に適切量で付着・堆積させることができず、スタット自体の溶損を招いたり、バーナの十分な耐久性向上効果が発揮されなくなる。

こうした観点からスタット１６の高さは、５〜１５ｍｍとする必要がある。この高さが５ｍｍ未満では、耐久性向上効果を発揮させるだけのアッシュ等１５の厚さ（例えば、５ｍｍ程度）を達成することができず、１５ｍｍを超えるとスタットの先端部分は過酷な雰囲気に曝されやすくなって溶損するという事態を招くことになる。

尚、スタット１６の高さとは、図４（スタットの設置状態の例を示す拡大説明図）に示すように、スリット１６を傾斜して配置した場合（図中、１９は溶接部）には、バーナのスリーブ部１１の表面１８からの垂直方向の距離（図中ｈで示す）を意味する。

本発明の効果を発揮させるためには、スタットの分布状態も適切にする必要がある。本発明者らは、この分布状態を把握する概念として、「バーナの周方向および長さにおけるスタッド不存在領域にバーナの半径方向の視野で描ける内接円の直径」（以下、「内接円径」と呼ぶことがある）を採用した。この内接円径は、例えば前記図４に示すようにスタット１６が存在しない領域Ｌがあるときに、その領域を周方向および長さ方向で捉え、その領域Ｌをバーナの半径方向Ｑから見たときの視野で描ける内接円の直径である。この内接円径の値を適切に制御することによって、スタットの適切は分布状態が保持できるのである。

本発明では、上記内接円径が５〜５０ｍｍとなるように、スタットを配置する必要がある。この内接円径が５ｍｍ未満ではスタットの分布が密となり過ぎてアッシュ等が却って付着・堆積し難い状態となる。また内接円径が５０ｍｍを超えると、スタットの分布状態が疎の状態となって操業時におけるアッシュ等の付着・堆積が低下し、バーナの耐久性向上効果が発揮され難くなる。

本発明のバーナにおいて、スタットの形状については特に限定するものではなく、棒状、Ｖ字状、Ｙ字状、リンク状等、様々なものが適用できる。またスタットを配置する場合には、スリーブ表面に対して垂直方向（９０度）となるように配置しても良いが、前記図４に示したようにその方向を傾斜させる（即ち、スリーブ表面に対して９０度未満）ようにしても良い。更に、スタットを傾斜する方向についても、前記図４に示したような一定の方向に限らず、様々な方向に任意に配置しても良い。こうした傾斜スリットを配置することは、スタットの設置本数をできるだけ少なくして前記内接円径を所定範囲内にする上で有用である。スタットとしていずれの形態を採用するにしても、前記内接円径は上記の規定に準じて適切に制御すれば良い。

本発明のバーナでは、操業時にその表面にアッシュ等が付着することによって、バーナ耐久性を向上させるようにしたものであり、操業中はアッシュが付着・堆積した状態となっているのであるが、一旦操業を停止した段階では付着・堆積していたアッシュ等は炉内の熱変化を受け自然に剥離して脱落することになる。そして、再度操業を開始したときにアッシュ等が早期にバーナ表面に付着して、バーナの耐久性を高める機能を発揮することになる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

バーナ本体１０：φ７６．３ｍｍ、スリーブ部１１：φ４８．６ｍｍのバーナ（全長：１６４３ｍｍ、炉内長：１１４２ｍｍ）を、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）によって構成し、このバーナのスリーブ部１１表面に複数のスタット１６を内接円径と高さを変えて配置した。

スタット１６としては、φ５ｍｍ×２０ｍｍのステンレス鋼製（ＳＵＳ３１０Ｓ）の棒状部材を用い、バーナのスリーブ部に溶接によって固定した（図４の溶接部１９）。このときのスタット１６配置状態は図４に示したように、スタット１６はスリーブ１１の表面に対して傾斜したものとし、この傾斜角度を変えることによって、高さｈを変化させた。また内接円径はスタッド１６の個数を増減させることによって変えた。

このようなバーナを予熱室５内に、８本水平に配置（対向する壁面に４本づつ）して燃焼させ、内接円径およびスタット１６高さｈがバーナ表面に付着・堆積するアッシュ付着量について調査した。このときの製造条件は、微粉炭の吹き込み量をバーナ１本当たり
０．６ｔ／ｈｒとした。

図５は、内接円径とアッシュ付着量（ｇ／ｍｍ²）の関係について示したグラフである（スタット高さ：１５ｍｍ）。この結果から明らかな様に、内接円径が５〜４０ｍｍの範囲では、アッシュ付着量は徐々に増加し、内接円径が更に大きくなると、スタットの配置が疎になってアッシュ付着量が低下することになる。バーナの耐久性を向上させるためには、アッシュの付着量は少なくとも０．５ｇ／ｍｍ²は必要であることを確認しており、こうしたことから内接円径の上限は５０ｍｍまでとした。

図６は、スタットの高さｈとアッシュ付着厚さ（ｍｍ）の関係について示したグラフである（内接円径：５０ｍｍのとき）。この結果から明らかな様に、スタット高さｈが大きくなるにつれてアッシュ付着厚さは厚くなるが、スタット高さが１５ｍｍを超えるとスタットの先端部にアッシュが付着し難くなって、スタット自体の溶損が発生していた。またスタット高さｈは少なくとも５ｍｍは必要であった。

本発明者らは、上記のようなバーナ８本を予熱室内に配置し（スタットの内接円径：５０ｍｍ、スタット高さ：１５ｍｍ）、実際に操業したときの（操業条件は上記と同じ）バーナ損傷について調査した。その結果、従来では３〜４本／月の取替えが余儀なくされていたのであるが、上記のようなバーナを用いることによって１本／月の頻度で取り替えるだけで済むことが確認できた。尚、取替え頻度（本／月）については、８本全部のバーナを取り替えるまでに要した日数（月換算）を１本当たりに換算した値であり、例えば、取替え頻度が１本／月であるとは、８本のバーナのいずれもが８ヶ月間使用可能であることを示している。

ペレット製造設備の構成例を示す概略説明図である。 バーナの配置状態を示す概略説明図である。 本発明のバーナの構成例を示す概略説明図である。 スタットの設置状態の例を示す拡大説明図である。 内接円径とアッシュ付着量の関係について示したグラフである。 スタットの高さｈとアッシュ付着厚さの関係について示したグラフである。

符号の説明

１ グレート
２ キルン
３ 乾燥室
４ 離水室
５ 予熱室
６ 冷却装置
７ ペレタイジング炉用バーナ
８ キルン用バーナ
１０ バーナ本体
１１ スリーブ部
１２ 溶接部
１３ 耐火壁

Claims (4)

1. ペレタイジング炉用バーナの構造であって、炉内に侵入しているバーナの表面に、高さが５〜１５ｍｍであるスタットを複数設けると共に、周方向および長さ方向におけるスタット不存在領域にバーナの半径方向の視野で描ける内接円が直径５〜５０ｍｍとなるように配置し、キルン排ガス中のアッシュ等をバーナ表面に付着・堆積させるように構成したものであることを特徴とするペレタイジング炉用バーナの構造。
2. ステンレス鋼によって構成されたものである請求項１に記載のペレタイジング炉用バーナの構造。
3. 微粉炭を燃焼させるものである請求項１または２に記載のペレタイジング炉用バーナの構造。
4. スタットをバーナ表面に対して９０度未満の角度で設ける請求項１〜３のいずれかに記載のペレタイジング炉用バーナの構造。
   
   

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