JP5359850B2 - 高炉排ガス中ダストの連続分析方法および連続分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、高炉操業の制御に用いるための高炉排ガス中ダスト成分の連続分析方法および連続分析装置に関する。

高炉ダストは、高炉装入原料中の微細粒子からなる。これらは高炉排ガスの清浄時に乾式、湿式集塵により捕集されているが、その中には、１．装入された原料中の微細部分が吹き飛ばされたものと２．高炉内で気化した物質が、炉上部のより低温の装入原料に接触冷却され、凝固して付着、排出されたものが含まれている。

特徴として、Ｃが２０−４０質量％含まれていること、及びＺｎ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｓが凝縮されていることが挙げられ、これらを含むダストの組成は高炉内の状況変化を敏感に反映するものであり、高炉ダストの組成分析（定量・定性）結果を、高炉の操業へフィードバックすることが可能である。

すなわち、高炉内ではＺｎ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏは高炉内のれんがの損傷、炉壁付着物生成の助長（棚吊り）、炉内コークスの劣化などの原因となるため、これらの高炉への装入量は少ないほど望ましいが、スクラップなどを使用するため皆無にすることは不可能であり、これらの装入許容量及び含有原料の投入量は、高炉内付着物の多少などの状況とにらみ合わせて管理されている。

ダスト組成の分析方法に関しては、特許文献１、２にＺｎ含有ダストの分析方法が、特許文献３に長時間試料採取システムが記載されている。

特許文献４は、ダスト組成を操業にフィードバックすることを目的に転炉排ガス中のダストを連続分析する方法に関し、排ガス集塵水を適当に希釈しＩＣＰ焔に連続的に導入し発光分析を行うことによって、鉄鋼精錬排ガス中ダクトの成分を連続的に分析し、得られた成分分析値を予測値と比較することが記載されている。

特許文献５は、ダスト濃度測定方法に関し、採取した集塵水を希釈して光透過法によりダスト濃度を測定する際、ダスト付着による測定精度を悪化させることなく長時間精度良く測定するため、適宜、光減衰率測定部の内壁を洗浄または洗浄した光減衰率測定部と交換することが記載されている。

特開平１０−６８６８４号公報 特許第２７０６０９６号公報 特表２００４−５３０１４０号公報 特開平１０−１０２１２１号公報 特開２００１−１６５８５６号公報

しかしながら、特許文献１、３記載の方法はダスト組成はダストを集塵機に捕集した後に、試料調製を施して湿式化学分析や蛍光Ｘ線などの機器分析に供されているため、高炉操業条件への分析値のフィードバックに時間がかかりすぎて適用できない。

特許文献２、４記載の方法では集塵機の集塵水をＩＣＰ発光分析装置に導入しているため、多量の集塵水に捕集された多量のダストの組成の平均化された情報しか得られず、操業時のダストの量や組成の変化を把握することができない。特許文献５記載の方法ではダスト量が得られるのみで、組成情報は得られない。

そこで、本発明は、高炉排ガス中のダスト成分を連続的に測定して、任意の時間範囲における成分の経時変化を知ることを可能にする。特にその構成成分のうちＺｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂの経時変化を評価することが可能な、高炉排ガス中のダスト成分を排ガス流路内で連続的に分析する連続分析設備及び方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．高炉排ガスを、排気ダクトから分析用の高炉排ガスを採取するために接続されている分流管に分流し、前記分流管の途中で噴霧水に曝した後、前記分流管の他端に連結されている流水管内を０．５ｃｍ／ｓｅｃ以上の速度で流れている捕集水中に、捕集水量と捕集水に導入する高炉排ガス流量の量比が体積比で１：５〜１：１００の範囲になるように導入し、排ガス中に含有されるダストを液中に捕集した後、得られたダスト含有水をプラズマ中に導入してダスト構成成分に起因する発光強度を測定することにより、ダスト成分分析を行うことを特徴とする高炉排ガス中ダストの連続分析方法。
２．ダストを捕集する捕集水が純水または酸を含有することを特徴とする１記載の高炉排ガス中ダストの連続分析方法。
３．高炉排ガス中のダストの成分組成をＩＣＰ−ＡＥＳで分析する高炉排ガス中ダストの連続分析装置であって、前記連続分析装置は、高炉排ガスの排気ダクトからＩＣＰ−ＡＥＳまでの管路とＩＣＰ−ＡＥＳ分析装置を備え、前記高炉排ガスの排気ダクトからＩＣＰ−ＡＥＳまでの管路は、高炉炉頂からダストキャッチャー（ＤＣ）につながる高炉排ガスの排気ダクトに一端が接続され、他端が流水管に連結された分流管と、前記分流管の他端が連結された流水管と、前記流水管と前記分流管との連結部の下流側で、前記流水管に設けられた高炉ガス排出口と、前記流水管の管路に取り付けられた、ＩＣＰ−ＡＥＳに接続する導入管を備え、前記分流管は、その管路の途中に、管内に噴霧水を発生する噴霧水発生機構を備え、前記高炉ガス排出口以降の前記流水管の管路は縮径され、前記導入管は前記縮径された流水管に取り付けられていることを特徴とする高炉排ガス中ダストの連続分析装置。

本発明によれば、ダスト成分をモニタリングすることにより、炉壁への付着や棚吊りが発生する前に、高炉内のこれらの元素の濃化が確認でき、還元率や装入原料を変化させることにより、円滑かつ効率的な高炉の操業が可能になり、安定した低還元比操業の実現によりＣＯ_２削減も可能で、産業上極めて有用である。

本発明の実施に好適な装置構成の一例を模式的に示す概略図。 高炉排ガスに含まれるダスト中のＺｎの発光強度をモニタリングしたデータの一例を示す図で（ａ）は捕集水として純水を用いた場合、（ｂ）は捕集水として塩酸を用いた場合を示す。 ダスト量を変化させて純水、及び塩酸中に分散したスラリーとし、ＩＣＰ−ＡＥＳによる発光強度を測定し、発光強度の２０秒積算値を発光強度としてダスト量（ダスト含有率（ｇ／Ｌ））に対してプロットした結果を示す図。

本発明は、高炉排ガスを噴霧水に曝すことで、排ガス中に含有されるダストを噴霧水とともに液中に落下させ、得られたダスト含有水を連続的にＩＣＰ−ＡＥＳに導入して、ダスト成分を測定することを特徴とする。

図１に本発明の実施に好適な装置構成の一例を模式的に示す。高炉炉頂からダストキャッチャー（ＤＣ）（図示しない）につながる排気ダクト１に分析用の高炉排ガスを採取するための分流管２（例えば、内径１０ｍｍのＳＵＳ管）が接続されている。

分流管２の他端は、捕集水５（純水または塩酸、硫酸、硝酸、過塩素酸またはその混合物）が流動する流水管３に連結されている。流水管３は分流管２との連結部の下流側に高炉ガス排出口６を備え、高炉ガス排出口６以降の管径が縮径されている。縮径された管路にはＩＣＰ−ＡＥＳ４に接続する導入管７が取り付けられている。分流管２はその管路の途中に、管内に噴霧水８を発生する噴霧水発生機構（図示しない）を備える。

本発明では、高炉炉頂、あるいは炉頂からダストキャッチャー（ＤＣ）につながる排気ダクト１から分析に供する高炉排ガスを分流管２内に分流する。高炉排ガスは分流管２の内部で噴霧水発生機構（図示しない）で噴霧水（霧状となった純水または塩酸、硫酸、硝酸、過塩素酸またはその混合物）８に曝されて、ダストは水分が付着して重量が増加する。また一部はこの噴霧水中に溶解する。この状態で、高炉排ガスが分流管２から流水管３内に吹き込まれると、ダストは排ガス中から流水管３内を流れる捕集水５中に捕捉される。

分流管２の内部の噴霧水８により、高炉ガス中のダストが分流管２内に付着したり、排気ダクト１内へ逆流することが防止される。

流水管３にはダストを捕集するために捕集水５を０．５ｃｍ／ｓｅｃ以上の流速で連続的に供給する。流速が０．５ｃｍ／ｓｅｃ以下では搬送中にダスト比重に起因するダストの偏在が生じ、分析装置ＩＣＰ−ＡＥＳ４に導入されるダスト組成が、高炉排ガス中のダスト組成を反映しにくくなる。また、流水管３の管内にダストの付着や堆積が生じ、分析結果に異常を生じるのに加えて、管を閉塞させて連続分析が困難になる。

捕集水５の流量は流水管３の管内上方に空隙が維持されるように規定する。排ガスの逆流が防止される。配管に適当な勾配を持たせることにより、管内へのダストの付着や閉塞が防止される。

流水管３内に導入する高炉排ガスの流量は、体積比で捕集水５の流量の５〜１００倍とする。この範囲内で高炉排ガスを導入することにより、水中のダスト成分量がＩＣＰ−ＡＥＳ４（発光分析装置）で分析するのに好適な範囲に保たれる。１００倍を超えて導入するとガス圧により、捕集水５が飛散してダストが効率的に水中に捕集されない。捕集水５として純水に少量の酸（例えば、数％の塩酸、硫酸、硝酸、過塩素酸またはその混合物）添加すると、ダスト含有成分がより溶解しやすくなり、分析感度が向上して好ましい。純水でも良い。

ダストを流水管３内の捕集水５に溶解させた後、ダストを含まない高炉排ガスを流水管３から排出し排気ダクト１内に戻す。そのため、高炉ガス排出口６以降の管径を縮径して高炉ガス排出口６を気液分離部とする。高炉ガス排出口６は、流水管３の管内上方の空隙内の高炉排ガス中のダスト量が一定量以下となる位置に設ける。

縮径された管路に設けた導入管７からダスト含有水の一部をＩＣＰ−ＡＥＳ４（ＩＣＰ発光分析装置）に導入し、ダスト成分の発光強度を連続測定して単位時間当たりの積分強度を求める。

ＩＣＰ−ＡＥＳ４は６０００〜１００００Ｋの高温のプラズマを励起源とし、通常は、試料溶液または溶液化した試料をプラズマ中に噴霧して励起発光させ、元素に固有の波長でその発光強度を測定することにより元素の含有量を求める装置である。

そのため、ダストをスラリー状態で直接プラズマ中に導入する場合、プラズマ中で気化、励起することが望ましい。つまり、モニタリングのためのダスト中の分析対象元素は、当該プラズマ中で気化しやすい状態にあるものを選択するのが、より好ましい実施形態である。高炉ダスト中で、Ｚｎ、Ｐｂはメタル、酸化物、硫化物、塩化物として、Ｎａ、Ｋは酸化物及び塩化物として存在する。これらの熱分解挙動を表１に示す。これらはすべて２０００℃以下の比較的低温で気化可能な化合物で、高温のＩＣＰプラズマ中では容易に励起、発光することが可能で、溶液試料と同様に分析することができる。この為、モニタリングのためのダスト中の分析対象元素は、具体的には、Ｚｎ、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂの内から少なくとも１つの元素を選択することがさらに好ましい。

本発明法により高炉排ガス中のダスト成分をモニタリングすることにより、炉壁への付着や棚吊りが発生する前に、高炉内のこれらの元素の濃化が確認でき、還元率や装入原料を変化させることにより、円滑かつ効率的な高炉の操業が可能になり、安定した低還元比操業の実現によりＣＯ_２削減も可能になる。以下、実施例を用いて本発明を更に説明する。

図１に示す構成の装置を用いてダストの成分分析を行った。高炉排ガスを採取する分流管２の取り付け位置はダストキャッチャーの前部とした。

ダクト１から内径１０ｍｍのＳＵＳ管を分流管２としてダストを含んだ高炉排ガスを分流し、流水管３（内径２５ｍｍのポリプロピレン管）中を１００ｍＬ／ｍｉｎで流れる純水からなる流水（以下、捕集水）中に吹き込んだ。分流管２内には純水を霧状にして数ｍＬ／ｍｉｎ程度噴霧し、排ガス中のダストが配管内に付着したり、巻き上げられてダクト中に逆流したりするのを防止した。

ガス流量は４．７Ｌ／ｍｉｎで、捕集水量と水に導入する排ガス流量の量比が１：４７、捕集水の流速を１ｃｍ／ｓｅｃで送液した。分流管２と流水管３の接続部である捕集部９の下流側に設けた高炉ガス排出口６から排ガスは排気ダクト１内に戻し、ダストのみ捕集水中に捕集した。

高炉ガス排出口６の下流側に設けた導入管７（内径１ｍｍのテフロン（登録商標）管）より負圧吸引式ネブライザーでダストスラリー液をＩＣＰーＡＥＳ４のプラズマ中に導入し、ＩＣＰプラズマ中で、ダストの構成元素が励起・発光した発光強度を測定した。測定波長には、Ｚｎ２１３．８５６ｎｍ、Ｐｂ２２０．３５１ｎｍ、Ｎａ５８９．９９５ｎｍ、Ｋ７６６．４９１ｎｍを用いた。

これらの元素のうちＺｎの発光強度をモニタリングしたデータの一例を図２（ａ）に示す。また捕集水に５質量％相当量の塩酸を添加して同様に分析した結果を図２（ｂ）に示す。

これらの図は操業条件の異なる２条件（以下、操業条件１、２）下での各々５回分析の結果を重ね合わせたもので、操業条件１、２を含む時間内に排出されたダストの湿式分析値は、それぞれ０．１６質量％、０．３２質量％であった。

純水で捕集した際には、操業条件１、２とも粒子上のダストの発光に起因するスパイク上のシグナルが認められるが、塩酸で捕集した際には、操業条件１、２とも発光強度が増大すると同時にほとんど溶液分析時と変わらない安定したシグナルが得られている。

得られた発光強度の定量性を評価するために、捕集したダストを段階的に量を変化させて純水、及び塩酸中に分散したスラリーとし、ＩＣＰ−ＡＥＳに導入し、発光強度を測定した。発光強度の２０秒積算値を発光強度としてダスト量（ダスト含有率（ｇ／Ｌ））に対してプロットした結果を図３に示す。

純水及び塩酸中のダスト量（ダスト含有率（ｇ／Ｌ））とＺｎ発光強度は共に良好な相関を示し、本発明法によりダスト量及びＺｎ含有量のモニタリングが可能なことが検証された。Ｎａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｆｅも同様であった。

塩酸で捕集した場合に比べて、純水で捕集した場合は、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｐｂは検量線勾配は小さく感度は低いが、装置配管に耐酸性の素材を用いる必要がないことから、捕集水量と排ガス流量の量比を上げて相対感度を向上することにより、実用には問題ないレベルの分析が可能になる。

１ 排気ダクト
２ 分流管
３ 流水管
４ ＩＣＰ−ＡＥＳ
５ 捕集水
６ 高炉ガス排出口
７ 導入管
８ 噴霧水
９ 捕集部

Claims (3)

1. 高炉排ガスを、排気ダクトから分析用の高炉排ガスを採取するために接続されている分流管に分流し、前記分流管の途中で噴霧水に曝した後、前記分流管の他端に連結されている流水管内を０．５ｃｍ／ｓｅｃ以上の速度で流れている捕集水中に、捕集水量と捕集水に導入する高炉排ガス流量の量比が体積比で１：５〜１：１００の範囲になるように導入し、排ガス中に含有されるダストを液中に捕集した後、得られたダスト含有水をプラズマ中に導入してダスト構成成分に起因する発光強度を測定することにより、ダスト成分分析を行うことを特徴とする高炉排ガス中ダストの連続分析方法。
2. ダストを捕集する捕集水が純水または酸を含有することを特徴とする請求項１記載の高炉排ガス中ダストの連続分析方法。
3. 高炉排ガス中のダストの成分組成をＩＣＰ−ＡＥＳで分析する高炉排ガス中ダストの連続分析装置であって、
   前記連続分析装置は、
   高炉排ガスの排気ダクトからＩＣＰ−ＡＥＳまでの管路と
   ＩＣＰ−ＡＥＳ分析装置を備え、
   前記高炉排ガスの排気ダクトからＩＣＰ−ＡＥＳまでの管路は、
   高炉炉頂からダストキャッチャー（ＤＣ）につながる高炉排ガスの排気ダクトに一端が接続され、他端が流水管に連結された分流管と、
   前記分流管の他端が連結された流水管と、
   前記流水管と前記分流管との連結部の下流側で、前記流水管に設けられた高炉ガス排出口と、
   前記流水管の管路に取り付けられた、ＩＣＰ−ＡＥＳに接続する導入管を備え、
   前記分流管は、その管路の途中に、管内に噴霧水を発生する噴霧水発生機構を備え、
   前記高炉ガス排出口以降の前記流水管の管路は縮径され、
   前記導入管は前記縮径された流水管に取り付けられていることを特徴とする高炉排ガス中ダストの連続分析装置。

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