JP4990668B2 - 熱風炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉内に流入されるＢＦＧガス及びＣＯＧガスからなる燃焼ガスと、この燃焼ガスの助燃用空気とを燃焼させることにより蓄熱用の熱を生成し、この蓄熱された熱を用いて熱風を生成する熱風炉の操業方法に関する。

熱風炉は、高炉の炉下部にある送風羽口から供給される熱風を生成するための高炉の付帯設備であり、一般に蓄熱式熱交換炉が採用されている。

熱風炉の操業は、燃焼蓄熱期と送風加熱期との二期に分かれており、燃焼蓄熱期では、供給されたコークス炉ガス（以下、「ＣＯＧガス」という）及び高炉ガス（以下、「ＢＦＧガス」という）を混合した燃焼ガスと、助燃用の空気とをバーナで燃焼させ、蓄熱室の温度を所定温度に昇温している。送風蓄熱期では、供給された常温の空気を蓄熱室で加熱した後に、高炉に供給している。

この種の熱風炉として、特許文献１には燃焼ガスたる混合ガス中の高炉ガスに対するコークス炉ガスの混合比率を制御する熱風炉の高効率燃焼制御方法において、熱風炉の排ガス酸素濃度を０．４〜０．６％、高炉ガスに対するコークス炉ガスの混合比率を２．３〜３．０％の範囲になるようにコークス炉ガス流量制御弁、高炉ガス流量制御弁及び空気流量制御弁の開度を制御する熱風炉の高効率燃焼制御方法が開示されている。

また、特許文献２には、セラミックバーナーを使用する外燃式熱風炉において、燃焼室の容量、ギッター煉瓦上面までの距離に応じて適量の酸素を富化することによって、火炎を短縮し、ギッター煉瓦の劣化を防止する熱風炉の操業方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、酸素富化燃焼を行い、かつ蓄熱室内の伝熱機構から最適なサイクルタイムを決定し、このサイクルタイムを熱風炉の各弁の開閉により制御することにより、蓄熱室下部煉瓦の熱割れを防止する熱風炉の操業方法が開示されている。
特開平９―２０９０１５号公報 特開昭５４−１４８１０４号公報 特開昭６２−８０２０８号公報

ところで、熱風炉に供給されるＣＯＧガスのガス流量は、コークス炉の操業状況に応じて変化し、熱風炉に供給されるＢＦＧガスのガス流量は、高炉の操業状況に応じて変化する。ここで、助燃用の空気の酸素濃度を一定とし、熱風炉に供給されるＣＯＧガスとＢＦＧガスとのガス比率（以下、「ＣＯＧ／ＢＦＧ」という）を変化させることにより、熱風炉内の燃料ガスの燃焼ガス温度や燃料ガスの燃焼量が変化する。

他方、熱風炉に供給される助燃用の空気は、熱風炉の外部に設置された空気生成プラントで生成され、この空気生成プラントで生成された空気は、高炉などの他の設備にも供給される。したがって、熱風炉に供給される助燃用の空気の酸素濃度は、高炉などの他の設備の操業状況に応じて変化する。

熱風炉において、ＣＯＧガスとＢＦＧガスとのガス比率ＣＯＧ／ＢＦＧを一定にして、助燃用の空気の酸素濃度を変化させると、燃焼ガスのガス温度や燃焼ガスの燃焼量は図３の線図に従って変化する。

ここで、図３はガス比率ＣＯＧ／ＢＦＧを一定にした状態で、助燃用空気の酸素濃度を変化させた場合の燃焼ガス量及び燃焼ガス温度の挙動を示す線図である。

酸素濃度２１％は大気の酸素濃度を示しており、図示するように酸素濃度が高くなるのに応じて、燃焼ガスの燃焼ガス量が減少して、燃焼ガスのガス温度が上昇する。反対に、酸素濃度が低くなるのに応じて、燃焼ガスの燃焼ガス量が増加して、燃焼ガスのガス温度が降下する。

このように、熱風炉では、ガス比率ＣＯＧ／ＢＦＧ、助燃用空気の酸素濃度の変化に応じて、燃焼ガスの燃焼ガス量、燃焼ガスのガス温度が変化するため、熱膨張率の変動により熱風炉を傷めるおそれがある。
特許文献１乃至３には、熱膨張率の変動を抑制する方法について何ら開示されていない。

本願発明は、一つの観点として、炉内に導入されるＢＦＧガス及びＣＯＧガスからなる燃料ガスと、この燃料ガスの助燃用空気とを燃焼させることにより蓄熱用の熱を生成し、この蓄熱された熱を用いて熱風を生成する熱風炉の操業方法であって、前記燃料ガスのガス比率（ＣＯＧ／ＢＦＧ）及び前記助燃用空気の酸素濃度のうちいずれか一方の変化に応じて、他方を変化させることにより、炉内における前記燃料ガスの燃焼ガス温度を所定温度に維持するとともに、前記燃料ガスの燃焼ガス量を所定量に維持することを特徴とする。

本願発明は、別の観点として、炉内に導入されるＢＦＧガス及びＣＯＧガスからなる燃料ガスと、この燃料ガスの助燃用空気とを燃焼させることにより蓄熱用の熱を生成し、この蓄熱された熱を用いて熱風を生成する熱風炉の操業方法であって、前記助燃用空気の酸素富化後の濃度に応じて、酸素富化をしない場合と前記燃料ガスの燃焼ガス温度と前記燃料ガスの燃焼ガス量とが同じになるように、前記燃料ガスのガス比率（ＣＯＧ／ＢＦＧ）を変化させることを特徴とする。

具体的には、前記助燃用空気の酸素濃度が高くなるのに応じて、前記ガス比率（ＣＯＧ／ＢＦＧ）を減少させたり、炉内に導入される前記ＣＯＧガスのガス量が減少するのに応じて、前記助燃用空気の酸素濃度を高くしたり、炉内に導入される前記ＣＯＧガスのガス量が増加するのに応じて、前記助燃用空気の酸素濃度を低くしたりするとよい。

（１）式に基づき、前記一方の変化に応じて、前記他方を変化させるとよい。
ここで、ν_COGは熱風炉に流入するCOGガスの単位時間あたりの流入量であり、ν_BFG
は熱風炉に流入するBFGガスの単位時間あたりの流入量であり、V_０は助燃用空気の酸素濃度を大気の酸素濃度と同じにした場合の燃料ガスの燃焼ガス量であり、Q_０は助燃用空気の酸素濃度を大気の酸素濃度と同じにした場合の燃料ガスによる単位時間あたりの発熱量であり、ｑ_COGはCOGガスの単位体積あたりの完全燃焼における発熱量であり、ｑ_BFGはBFGガスの単位体積あたりの完全燃焼における発熱量であり、ｅ_COGはCOGガスの酸素のみによる完全燃焼によって発生する燃焼ガス量であり、ｅ_ＢＦＧはＢＦＧガスの酸素のみによる完全燃焼によって発生する燃焼ガス量であり、ａ_COGはCOGガスの単位体積あたりの完全燃焼に必要な空気の理論量であり、ａ_BFGはBFGガスの単位体積あたりの完全燃焼に必要な空気の理論量であり、Ｏ_２は助燃空気の酸素濃度である。また、ｋは空気比（燃料を完全燃焼するのに必要な酸素の理論量に対する実際に供給する酸素の比率）を示す。

前記所定温度は、前記熱風炉を構成する蓄熱室の蓄熱用煉瓦の融点よりも低い。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の熱風炉の概略図である。熱風炉１は、不図示の高炉に熱風を供給するための蓄熱式熱交換器であり、高炉への送風に熱を与える蓄熱室１１と、蓄熱室１１を加熱するための燃焼室１２とから構成される。

燃焼室１２では、ガス供給ダクト１３から吹き込まれるＢＦＧガスとＣＯＧガスとの混合ガス（燃料ガス）及び助燃空気供給ダクト１４から吹き込まれる助燃用空気とを燃焼バーナ１５で燃焼させ、この燃焼ガスを蓄熱室１１内部に積層された蓄熱煉瓦を通過させて熱を蓄える。

図示例では、この蓄熱煉瓦として、下側から順にハイアルミ煉瓦２０、シリカを主成分とする珪石煉瓦１９が積層されており、これらの煉瓦１９、２０には、上下方向に延びる複数の通過口が形成されている。

ガス供給ダクト１３には、燃料ガス流量調節弁１３ａが設けられており、この燃料ガス流量調節弁１３ａを開閉することにより、燃焼室１２に流入する燃料ガスの流入量を調節することができる。

ガス供給ダクト１３の燃料ガス流量調節弁１３ａよりも上流側の部分は、ＢＦＧガス供給ダクト１３１とＣＯＧガス供給ダクト１３２とに分岐している。

ＢＦＧガス供給ダクト１３１は、不図示の高炉に接続されており、高炉で生成されたＢＦＧガスを熱風炉１に送風する。

ＢＦＧガス供給ダクト１３１には、ＢＦＧガス流量調節弁１３１ａ及びＢＦＧガス流量計１３１ｂが設けられている。ＢＦＧガス流量調節弁１３１ａを開閉することにより、熱風炉１に流入するＢＦＧガスのガス流入量を調節することができる。また、ＢＦＧガス流量計１３１ｂの測定結果に基づき、熱風炉１に流入するＢＦＧガスのガス流入量を監視することができる。

ＣＯＧガス供給ダクト１３２は、不図示のコークス炉に接続されており、コークス炉で生成されたＣＯＧガスを熱風炉１に送風する。

ＣＯＧガス供給ダクト１３２には、ＣＯＧガス流量調節弁１３２ａ及びＣＯＧガス流量計１３２ｂが設けられている。ＣＯＧガス流量調節弁１３２ａを開閉することにより、熱風炉１に流入するＣＯＧガスのガス流入量を調節することができる。また、ＣＯＧガス流量計１３２ｂの測定結果に基づき、熱風炉１に流入するＣＯＧガスのガス流入量を監視することができる。

助燃空気供給ダクト１４は、酸素を生成する不図示の酸素生成プラントに接続されており、この酸素生成プラントで生成された空気を熱風炉１に送風する。

なお、当該酸素生成プラントは不図示の高炉にも接続されており、高炉などの操業状況に応じて、熱風炉１に供給される助燃空気の酸素濃度は変動する。また、熱風炉１に送風される助燃空気の酸素濃度は、高炉の操業状況が変化しない場合であっても、任意の値に調節することができる。具体的には、大気よりも助燃空気の酸素濃度を高く設定（酸素富化）することができる。

助燃空気供給ダクト１４には、助燃空気流量調節弁１４ａ及び酸素濃度測定器１４ｂが設けられている。助燃空気流量調節弁１４ａを開閉させることにより、燃焼室１２に流入する助燃空気の流入量を調節することができる。また、酸素濃度測定器１４ｂの測定結果に基づき、熱風炉１に流入する助燃空気の酸素濃度を監視することができる。

蓄熱室１１の下端部には、Ｎ_２、ＣＯ_２などを含む燃焼ガスを排出するためのガス排出ダクト１８が設けられている。

ガス排出ダクト１８には、ガス排出量調節弁１８ａ及び排出ガス流量計１８ｂが設けられている。ガス排出量調節弁１８ａを開閉することにより、ガス排出ダクト１８から排出される燃焼ガスのガス排出量を調節することができる。また、排出ガス流量計１８ｂの測定結果に基づき、ガス排出ダクト１８から排出される燃焼ガスのガス排出量、つまり、燃焼ガス量を監視することができる。

また、蓄熱室１１の下端部には、ガス排出ダクト１８と異なる位置に常温空気導入ダクト１７が接続されており、この常温空気導入ダクト１７を介して蓄熱室１１に常温の空気が流入する。

常温空気導入ダクト１７には空気流入調節弁１７ａが設けられており、この空気流入調節弁１７ａを開閉させることにより、熱風炉１に流入する常温空気の流入量を調節することができる。

また、燃焼室１２には高炉用の熱風を排出するための熱風排出ダクト１６が接続されている。この熱風排出ダクト１６には、熱風流量調節弁１６ａが設けられており、この熱風流量調節弁１６ａを開閉することにより、高炉に送風される熱風の流量を調節することができる。

蓄熱室１１に熱を蓄える場合には、空気流入調節弁１７ａ及び熱風流量調節弁１６ａを完全に閉じて、ガス供給ダクト１３及び助燃空気供給ダクト１４を介して燃焼室１２内に燃料ガス及び助燃用空気を流入させる。

これらの燃料ガス及び助燃用空気はバーナ１５によって燃焼され、この燃焼ガスは蓄熱室１１の煉瓦１９、２０に形成された開口部を通って煉瓦１９、２０を蓄熱する。

蓄熱室１１への蓄熱が完了すると、燃料ガス流量調節弁１３a、助燃空気流量調節弁１４a及びガス排出量調節弁１８aを完全に閉じて、常温空気導入ダクト１７を介して蓄熱室１１に常温空気を流入させる。蓄熱室１１に流入した常温空気は、煉瓦１９、２０に形成された開口部を通過して９００〜１３００℃に加熱された後、高炉用の熱風として熱風排出ダクト１６から排出される。

次に、熱風炉１の操業方法を説明する。
熱風炉１における熱膨張のバラツキを抑制するためには、燃焼ガスの発生量と燃焼ガス温度を一定に保つ必要がある。これらを一定に保つための条件式について説明する。燃焼ガス温度は、熱風炉１内の燃焼後のガスを熱電対で測定することにより計測することができる。

COGガス及びBFGガスの単位時間あたり流量(Nm³/h)をそれぞれV_COGおよびV_BFG、とし、これらを自由に変化させた場合の単位時間あたりの燃料ガスの発熱量を、酸素富化をしない熱風炉操業条件における値Q₀(kcal/h)と一致させるための条件は、ｑ_COGおよびｑ_BFGをコークス炉ガス及び高炉ガスの単位体積あたりの完全燃焼における発熱量(kcal/Nm³)として、

となる。なお、q_COGおよびq_BFGは実験もしくは分析によって得られた組成より求められる。

ここで熱効率の観点から完全燃焼を進行させるためには、酸素を1以上の空気比で供給する必要がある。酸素を空気比kで供給するための条件は、COG炉ガス及びBFGガスを単位体積あたり完全燃焼させるのに必要な空気の理論量をa_COG及びa_BFG(Nm³/Nm³)、助燃用空気の酸素濃度をO₂(%)、単位時間あたり流量をV_AIR(Nm³/h)として、

となる。ここで、21は空気中の酸素の体積分率である。なお、a_COG及びa_BFGは分析によって得られた組成から求められる。

これは、燃料ガスの組成を構成する各成分について体積分率C_mH_nO_oと化学式より求まる係数m+n/2-o/2との積を、全ての成分について総和をとるものである。なお、窒素については0となる。

次に、単位時間に発生する燃焼ガス量を、酸素富化をしない熱風炉操業条件における値V₀(Nm³/h)に一致させるための条件は、COGガスおよびBFGガスの酸素のみによる完全燃焼によって発生する燃焼ガス量をe_COG(Nm³/Nm³)および e_BFG(Nm³/Nm³)として、さらに助燃用空気からの窒素を考慮し、

となる。なお、e_COG及びe_BFGは分析によって得られた組成から求められる。

これは、燃料ガスの組成を構成する各成分について体積分率C_mH_nO_oと化学式より求まる係数m+n/2との積を、全ての成分について総和をとったものに、燃料ガス中の窒素の体積分率N₂を加えたものである。

以上の(A)から(C)までの関係式を、酸素濃度O₂(%)の富化送風時に必要とされる燃料ガスのCOGガスとBFGガスの比率v_COG/v_BFG(%)の関係として整理すると、

となる。ここで、実績よりBFGガスでは、空気比a_BFGが0.595であり、燃焼ガス量e_BFGが1.00であり、発熱量q_BFG が744である。COGガスでは、空気比a_COGが4.365であり、燃焼ガス量e_COGが1.61であり、発熱量q_COGが4258である。空気比kは、1.04である。

酸素富化をしない操業実績における燃焼ガス量V₀は、99320Nm³/hであり、単位時間発
熱量Q₀は、57.78×10⁶kcal/hであり、これらを代入して整理すると、

となる。

このＣＯＧガスとＢＦＧガスのガス比率Ｖ_COG/Ｖ_BFGと助燃空気の酸素濃度O₂の関係は、図２に示す曲線のようになる。この曲線に一致するようにガス比率Ｖ_COG/Ｖ_BFGと助燃用空気酸素濃度を設定することで、熱風炉１における燃焼ガス温度を所定温度（本実施例では約１４２０℃）に維持することが可能となり、また、排ガス量を所定量（本実施例では約１００００Ｎｍ^３／ｈ）に維持することができる。

なお、特許請求の範囲に記載の「所定温度」及び「所定量」は、製鐵所の操業状況に応じて設定される任意の値であり、本実施例の値に限定されるものではない。ただし、燃焼ガス温度は、珪石煉瓦１９の溶解を防止するために、珪石煉瓦１９の融点よりも低く設定する必要がある。

次に、図２に示す線図に従いＶ_COG/Ｖ_BFGの比率、助燃用空気の酸素濃度を調整する
方法について説明する。

同図に示すように、例えば酸素富化を行い助燃用空気の酸素濃度を２１質量％（大気の酸素濃度）から２４質量％に上げた場合には、ガス比率Ｖ_COG/Ｖ_BFGを９.8％から４.９％
に下げることにより、燃焼ガスのガス温度及び燃焼ガス量を所定値に維持することができる。

ここで、ＣＯＧガス流量調節弁１３２ａを操作してＣＯＧガスの流入量を下げるか、又
はＢＦＧガス流量調節弁１３１ａを操作してＢＦＧガスのガス流入量を上げることにより、ガス比率Ｖ_COG/Ｖ_BFGは下げることができる。

ＣＯＧガスのガス流入量を下げることにより、熱風炉１操業のコストを削減することができる。また、ＢＦＧガスのガス流入量を増加させることにより、高炉で発生したＢＦＧガスを有効利用することができる。

例えば、助燃用空気の酸素濃度を２４質量％から２２質量％に下げた場合には、ガス比率Ｖ_COG/Ｖ_BFGを４.９％から７.８％に上げることにより、燃焼ガスのガス温度及び燃焼ガス量を所定値に維持することができる。

ここで、ＣＯＧガスの流入量を上げるか、又はＢＦＧガスのガス流入量を下げることにより、ガス比率Ｖ_COG/Ｖ_BFGは上げることができる。ＣＯＧガスの流入量を上げることにより、コークス炉で生成されたＣＯＧガスを有効活用することができる。

コークス炉や高炉の操業状況に応じて、熱風炉１に供給されるＣＯＧガスのガス流入量、ＢＦＧガスのガス流入量が変化して、ガス比率ＣＯＧ／ＢＦＧが変化した場合には、図２に示す線図に従って、助燃空気の酸素濃度を調整する。

このように、本実施例によれば、図２に示す線図にしたがい、助燃空気の酸素濃度及びガス比率ＣＯＧ／ＢＦＧのうちいずれか一方の変化に応じて、他方のパラメータを変化させることにより、燃焼ガス温度及び燃焼ガス量の変化を防止できる。これにより、熱風炉１の熱膨張率の変動を抑制して、寿命を長くすることができる。

熱風炉の概略図である。 ガス比率Ｖ_COG/Ｖ_BFGと助燃空気の酸素濃度O₂との相関図である。 ガス比率Ｖ_COG/Ｖ_BFGを一定にした場合の、助燃空気の酸素濃度と燃焼ガス温度・燃焼ガス量との相関図である。

符号の説明

１ 熱風炉
１１ 蓄熱室
１２ 燃焼室
１３ ガス供給ダクト
１３ａ 燃料ガス流量調節弁
１４ 助燃空気供給ダクト
１４ａ 助燃空気流量調節弁
１４ｂ 酸素濃度測定器
１５ バーナ
１６ 熱風排出ダクト
１６ａ 熱風流量調節弁
１７ 常温空気供給ダクト
１７ａ 空気流入調節弁
１８ ガス排出ダクト
１８ａ ガス排出量調節弁
１８ｂ 排出ガス流量計
１９ 珪石煉瓦
２０ ハイアルミ煉瓦
１３１ ＢＦＧガス供給ダクト
１３１ａ ＢＦＧガス流量調節弁
１３１ｂ ＢＦＧガス流量計
１３２ ＣＯＧガス供給ダクト
１３２ａ ＣＯＧガス流量調節弁
１３２ｂ ＣＯＧガス流量計

Claims (6)

1. 炉内に導入されるＢＦＧガス及びＣＯＧガスからなる燃料ガスと、この燃料ガスの助燃用空気とを燃焼させることにより蓄熱用の熱を生成し、この蓄熱された熱を用いて熱風を生成する熱風炉の操業方法であって、
   前記燃料ガスのガス比率（ＣＯＧ／ＢＦＧ）及び前記助燃用空気の酸素濃度のうちいずれか一方の変化に応じて、他方を変化させることにより、炉内における前記燃料ガスの燃焼ガス温度を所定温度に維持するとともに、前記燃料ガスの燃焼ガス量を所定量に維持することを特徴とする熱風炉の操業方法。
2. 前記助燃用空気の酸素濃度が高くなるのに応じて、前記ガス比率（ＣＯＧ／ＢＦＧ）を減少させることを特徴とする請求項１に記載の熱風炉の操業方法。
3. 炉内に導入される前記ＣＯＧガスのガス量が減少するのに応じて、前記助燃用空気の酸素濃度を高くすることを特徴とする請求項１に記載の熱風炉の操業方法。
4. 炉内に導入される前記ＣＯＧガスのガス量が増加するのに応じて、前記助燃用空気の酸素濃度を低くすることを特徴とする請求項１に記載の熱風炉の操業方法。
5. （１）式に基づき、前記一方の変化に応じて、前記他方を変化させることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の熱風炉の操業方法。
   ここで、ν_COGは熱風炉に流入するCOGガスの単位時間あたりの流入量であり、ν_BFGは熱風炉に流入するBFGガスの単位時間あたりの流入量であり、V_０は助燃用空気の酸素濃度を大気の酸素濃度と同じにした場合の燃料ガスの燃焼ガス量であり、Q_０は助燃用空気の酸素濃度を大気の酸素濃度と同じにした場合の燃料ガスによる単位時間あたりの発熱量であり、ｑ_COGはCOGガスの単位体積あたりの完全燃焼における発熱量であり、ｑ_BFGはBFGガスの単位体積あたりの完全燃焼における発熱量であり、ｅ_COGはCOGガスの酸素のみによる完全燃焼によって発生する燃焼ガス量であり、ｅ_ＢＦＧはＢＦＧガスの酸素のみによる完全燃焼によって発生する燃焼ガス量であり、ａ_COGはCOGガスの単位体積あたりの完全燃焼に必要な空気の理論量であり、ａ_BFGはBFGガスの単位体積あたりの完全燃焼に必要な空気の理論量であり、Ｏ_２は助燃空気の酸素濃度である。また、ｋは空気比（燃料を完全燃焼するのに必要な理論量に対する実際に供給する酸素の比率）を示す。
6. 前記所定温度は、前記熱風炉を構成する蓄熱室の蓄熱用煉瓦の融点よりも低いことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の熱風炉の操業方法。