JP5086657B2 - 回転炉床式還元炉及びその操業方法 - Google Patents
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Description
本発明は、鉄鉱石、製鋼ダストなどを原料とし、主として還元鉄を製造する回転炉床式還元炉及びその操業方法に関するものである。
製鋼ダストや粉鉱等に含まれる酸化鉄を再利用するため、これらと還元剤やバインダを混練し、造粒して塊成化物を作り、この塊成化物を回転炉床還元炉に装入して、加熱・還元により還元塊成化物を製造することが行われている。
回転炉床還元炉は燃料と燃焼空気を吹き込んで燃やすことで得られる高温の燃焼ガスと塊成化物を向流させて加熱還元するものである。
図４は回転炉床式還元炉の概略図である。還元炉１は、塊成化物を炉内へ装入する装入装置１ａと装入された塊成化物を高温燃焼ガスにより加熱還元する燃焼空間２ａ，２ｂおよび加熱された塊成化物を炉外へ排出する排出装置１ｂとから構成されている。燃焼空間は装入装置１ａに近い側が加熱燃焼領域２ａ、排出装置１ｂに近い側が還元燃焼領域２ｂとなっている。加熱燃焼領域２ａ及び還元燃焼領域２ｂではそれぞれバーナ４、５が還元炉１の側壁に設置され、装入された塊成化物を回転炉床の回転により加熱燃焼領域２ａから還元燃焼領域２ｂを通過させて加熱・還元することにより還元鉄を製造する。
加熱燃焼領域２ａに装入された塊成化物はバーナ４で加熱されると還元が始まり二酸化炭素を主成分とするガスが発生する。その後、塊成化物は還元が進み、還元燃焼領域２ｂに移動したときは一酸化炭素を主成分とする還元ガスを発生する。したがって回転炉床式還元炉の還元燃焼領域２ｂではバーナ５から供給される燃料に加えて塊成化物から発生する還元ガスも燃焼用燃料となる。
回転炉床炉１では、加熱燃焼領域２ａと還元燃焼領域２ｂが炉内で連通状態にあるため、還元燃焼領域２ｂで発生したあるいは吹き込まれたガスは加熱燃焼領域２ａを通って排ガス排出口３へ排出される。このため加熱燃焼領域２ａでは、還元燃焼領域２ｂから流入した還元性ガスを燃焼させ、その燃焼熱を利用すべく充分な空気を導入している。
回転炉床式還元炉の燃焼制御方法として、例えば、特許文献１には、加熱燃焼領域の炉内ガスのＯ２濃度またはＣＯ濃度を測定し、測定濃度に従い加熱燃焼領域に空気を導入して還元燃焼領域で発生する未燃ガスを加熱燃焼領域で燃焼させる燃焼方法が開示されている。
特開平１１−２４８３５９号公報
回転炉床式還元炉は、塊成化物が還元される過程で発生する一酸化炭素の影響で、炉内の燃焼域の大半が還元雰囲気炉となっており、原理的には一般の工業用加熱炉と比較して窒素酸化物が発生しにくい炉である。しかしながら、現実的には炉内温度が１０００℃以上の高温となるため、燃焼装置から吹き込まれた燃料と空気が燃焼する際にかなりの量の窒素酸化物が生成されて炉外に排出されていた。従来は、回転炉床還元炉では窒素酸化物発生量が一般の工業用加熱炉なみかそれ以下ということで、特別な対策は講じてこられなかった。
しかしながら、かかる回転炉床式還元炉においても、次に述べる条件があると窒素酸化物が過大に生成されることとなる。
（１）還元雰囲気下の燃焼であっても高温域では燃焼装置に供給する燃料に対して燃焼空気を過剰に供給すると火炎部等局所的に余剰酸素が生じ窒素酸化物が生成される。
（２）希薄な未燃ガスを燃焼空気によって燃焼する際に、極度に過剰な空気を供給すると燃焼ガスの酸化度が高くなり、窒素酸化物が生成される。
（３）希薄な未燃ガスを燃焼空気によって燃焼する際に、狭い空間で燃焼すると局部的に高温となり窒素酸化物が生成される。
（４）還元雰囲気下の燃焼であっても高温になればなるほど窒素酸化物の生成量が多くなる。
そこで、本発明は、これらの条件を緩和できる方策をとることにより回転炉床式還元炉内での窒素酸化物の発生を抑えて排出量を大幅に低減することができる回転炉床式還元炉の燃焼方法を提供するものである。
本発明の窒素酸化物の生成を抑える向流加熱方式の回転炉床式還元炉は、金属酸化物と還元剤を装入して加熱燃焼領域及び還元燃焼領域に設けられたバーナによって加熱・還元する回転炉床式還元炉において、領域内のトータルで燃焼装置の理論空気比が０．９８未満となる還元燃焼領域が、全燃焼空間の少なくとも１５％を占め、かつ炉の排ガス排出部で燃焼排ガスの酸素濃度が５％以下となるように設定されている。
また、燃焼装置の理論空気比が０．９６未満となる還元燃焼領域が、全燃焼空間の少なくとも１０％を占め、かつ炉の排ガス排出部で燃焼排ガスの酸素濃度が５％以下となるようにする。
前記構成により、還元雰囲気が強いため、従来は酸化燃焼でよいと考えられていた領域においても燃焼装置から吹き込む燃料と燃焼空気の比を理論空気比よりも小さくした還元燃焼となり、局所的に余剰酸素が生じることがないので、窒素酸化物の生成量及び排出量を大幅に低減することができる。また、還元燃焼により余剰となった炉内の未燃ガスを燃焼して燃料を有効利用する際に、過度な燃焼用酸素を供給しないことで燃焼排ガスの酸化度が低く抑えられ、窒素酸化物の生成量を大幅に低減できる。
本発明は、さらに、炉内の未燃ガスを完全燃焼する完全燃焼領域は、空気のみを吹き込むか、もしくは燃焼装置の理論空気比が１．２以上あり、かつ該完全燃焼領域の容積が全燃焼領域の少なくとも１０％とする。これにより、還元燃焼により余剰となった炉内の未燃ガスを燃焼して燃料を有効利用する際に、十分な燃焼空間を確保することができるので、局部的に高温となることがなく、窒素酸化物の生成を低減することができる。
また、還元燃焼領域の平均温度を１３５０℃未満にして温度を過度に高くしないようにすることにより、窒素酸化物の生成を抑えることができる。
本発明により、回転炉床式還元炉内での有害な窒素酸化物の生成を抑えて排出量を大幅に低減することができる。その結果、高価な排煙脱硝装置も不要となる。
図１は本発明による回転炉床式還元炉の説明図で、説明のために回転炉床式還元炉を展開して直線状に図示したものである。
本発明で使用する回転炉床式還元炉の構成は、図４に示す従来の回転炉床式還元炉と同じである。金属酸化物と還元剤を混合し造粒した塊成化物を炉内へ装入装置で装入し、回転炉床の回転により、塊成化物を加熱燃焼領域で加熱し、加熱された塊成化物は還元燃焼領域で最終還元され、還元製品として排出装置で炉外へ排出される。加熱燃焼領域及び還元燃焼領域ではそれぞれに燃焼装置としてバーナあるいは空気ノズルが還元炉の側壁に設置されている。還元燃焼領域で発生した還元性ガスは、塊成化物の回転方向と向流して加熱燃焼領域を通って排ガス排出口から排出される。側壁に配置された燃焼装置には燃料と燃焼空気を供給して燃焼させる。
表１に本発明の実施例を示す。
図２は炉内の全燃焼空間における原料から発生するＣＯ発生量およびＣＯ２発生量の変化を示すグラフである。
加熱燃焼領域（図において左側）では、還元燃焼領域から流れてくるＣＯの燃焼によりＣＯが徐々に減少して完全燃焼し、排ガス排出口から排出されている。加熱燃焼領域に続く還元燃焼領域では、徐々にＣＯの発生量が多くなって還元雰囲気となり、やがて原料からのＣＯおよびＣＯ２の発生量は減少する。
表１は異なる操業条件下において窒素酸化物の排出量を測定したデータである。これら測定は還元燃焼領域の温度が１３５０℃未満、排ガス中酸素濃度が５％以下の条件で操業されているときに実施された。
図３はこれらデータを還元領域内の平均空燃比と全燃焼空間で還元燃焼空間が占める割合で整理した結果を示すグラフである。図３にプロットされたＡからＦまでのデータは、還元燃焼領域の高いほど、また、その領域内での燃焼装置の理論空気比が低いほど窒素酸化物の排出量が低下し、その変化の程度には一定の関連性があることを示している。
本発明が解決しようとする課題である窒素酸化物の抑制の基準としては、回転炉床式還元炉と同じく還元鉄を製造する設備の代表である溶鉱炉の窒素酸化物排出基準値と同じとした。すなわち、残存酸素濃度１５％で窒素酸化物排出量１００ｐｐｍである。
還元領域内の平均空燃比と全燃焼空間で還元燃焼空間が占める割合の関係において、窒素酸化物濃度が１００ｐｐｍとなる条件は図３から容易に求めることができる。
本発明では、上記の３図から求められる窒素酸化物濃度が１００ｐｐｍ以下となる条件を燃焼装置の理論空気比が０．９８未満となる還元燃焼領域が、全燃焼空間の少なくとも１５％を占め、かつ炉の排ガス排出部で燃焼排ガスの酸素濃度が５％以下となる範囲、および領域内のトータルで燃焼装置の理論空気比が０．９６未満となる還元燃焼領域が、全燃焼空間の少なくとも１０％を占める範囲で表現する。
また、還元燃焼する領域の温度を過度に高くしないために、還元燃焼領域の平均温度を１３５０℃未満とする。
炉内の未燃ガスを完全燃焼する完全燃焼領域内では空気のみを吹き込むか、もしくは領域内トータルで燃焼装置の理論空気比が１．２以上あり、かつ該完全燃焼領域の容積が全燃焼領域の少なくとも１０％とする。これにより、還元燃焼により余剰となった炉内の未燃ガスを燃焼して燃料を有効利用する際に、十分な燃焼空間を確保することができ、窒素酸化物の生成を抑えることができる。
１ 回転炉床式還元炉
１ａ：装入装置
１ｂ：排出装置
２ａ：加熱燃焼領域
２ｂ：還元燃焼領域
３：排ガス排出口
４：バーナ
５：バーナ
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Claims (5)
- 金属酸化物と還元剤を装入して加熱燃焼領域及び還元燃焼領域に設けられたバーナによって加熱・還元する回転炉床式還元炉において、
領域内のトータルで燃焼装置の理論空気比が０．９８未満となる還元燃焼領域が、全燃焼空間の少なくとも１５％を占め、かつ炉の排ガス排出部で燃焼排ガスの酸素濃度が５％以下となるように設定されていることを特徴とする窒素酸化物の生成を抑える向流加熱方式の回転炉床式還元炉。 - 金属酸化物と還元剤を装入して加熱燃焼領域及び還元燃焼領域に設けられたバーナによって加熱・還元する回転炉床式還元炉において、
領域内のトータルで燃焼装置の理論空気比が０．９６未満となる還元燃焼領域が、全燃焼空間の少なくとも１０％を占め、かつ炉の排ガス排出部で燃焼排ガスの酸素濃度が５％以下となるように設定されていることを特徴とする窒素酸化物の生成を抑える向流加熱方式の回転炉床式還元炉。 - 炉内の未燃ガスを完全燃焼する完全燃焼領域内では空気のみを吹き込むか、もしくは燃焼装置の理論空気比が１．２以上であり、かつ該完全燃焼領域の容積が全燃焼領域の少なくとも１０％であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒素酸化物の生成を抑える向流加熱方式の回転炉床式還元炉。
- 還元燃焼領域の平均温度が１３５０°Ｃ未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒素酸化物の生成を抑える向流加熱方式の回転炉床式還元炉。
- 金属酸化物と還元剤を装入して加熱燃焼領域及び還元燃焼領域に設けられたバーナによって加熱・還元する回転炉床式還元炉の操業方法において、
領域内のトータルで燃焼装置の理論空気比が０．９８未満となる還元燃焼領域が、全燃焼空間の少なくとも１５％を占め、かつ炉の排ガス排出部で燃焼排ガスの酸素濃度が５％以下となるようにバーナを燃焼させることを特徴とする窒素酸化物の生成を抑える向流加熱方式の回転炉床式還元炉の操業方法。
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