JP5470251B2 - 熔鉄製造用羽口およびこれを利用したガス吹込方法 - Google Patents

Description

本出願は、２００７年８月２９日に出願した韓国特許出願第２００７−００８７３１５号および２００７年１２月２４日に出願した韓国特許出願第２００７−０１３６４０１号に基づいた優先権を主張して出願され、前記出願は、本出願の内容に参照として結びつけられている。

本発明は、鎔鉄の製造に使用される羽口およびこれを利用したガス吹込方法に関し、より詳しくは、溶融ガス化炉の内部の装入物によって溶融されて破損されるのを防止することができる羽口およびこれを利用したガス吹込方法に関する。

鎔鉄生産のための高炉法は、環境公害など多くの問題点を有しているので、高炉法に代替される溶融還元製鉄法が研究されている。溶融還元製鉄法では、燃料および還元剤として一般炭を直接使用し、鉄源として鉄鉱石を直接使用して、鎔鉄を製造する。鉄鉱石および一般炭は溶融ガス化炉に装入され、鉄鉱石が溶融されて鎔鉄が製造される。

溶融ガス化炉の側面には羽口が設置され、羽口を通して酸素が溶融ガス化炉の内部に吹き込まれる。溶融ガス化炉の内部に吹き込まれた酸素は、溶融ガス化炉内に形成されたチャーベッド（ｃｈａｒ ｂｅｄ）を燃焼させる。したがって、燃焼熱によって溶融ガス化炉に装入された鉄鉱石を溶融させることによって鎔鉄が製造される。

本発明は、シーリングガスを利用して、溶融されて破損されるのを防止することができる羽口を提供する。また、前述した羽口を利用してガスを吹き込む方法を提供する。

本発明の一実施例による羽口は、鎔鉄の製造に使用される。羽口は、ｉ）酸素が吹き込まれるように適用された酸素吹込口、およびｉｉ）酸素吹込口と離隔されて位置して、酸素を囲んでシーリングガスを吹き込むように適用されたシーリングガス吹込口を含む。

羽口は、ｉ）酸素吹込口が露出された第１先端部、およびｉｉ）第１先端部を囲んで、シーリングガス吹込口が露出された第２先端部を含むことができる。第１先端部は、凹溝形状に形成される。

シーリングガス吹込口は、シーリングガスを吹き込む複数のノズルを含むことができる。複数のノズルは、実質的に同一な間隔を有して互いに離隔される。

シーリングガス吹込口は、ｉ）シーリングガスが供給されて、一方向に延長されたシーリングガス供給管、およびｉｉ）複数のノズルおよびシーリングガス供給管を互いに連結するシーリングガスヘッダをさらに含むことができる。シーリングガスヘッダは、環形状に形成される。

本発明の一実施例による羽口は、酸素吹込口と離隔されて位置して、補助燃料を吹き込む補助燃料吹込口をさらに含み、酸素吹込口は、シーリングガス吹込口および前記補助燃料吹込口の間に位置する。

複数のノズルのうちの一つ以上のノズルは、酸素吹込口が延長された方向と鋭角をなして延長されて形成される。ここで、鋭角は、５°ないし６０°である。ノズルを羽口の幅方向に切断した断面積は、第２先端部に近づくほど大きくなる。

酸素吹込口を通して吹き込まれる酸素およびシーリングガス吹込口を通して吹き込まれるシーリングガスは、鋭角をなす。ここで、鋭角は、５°ないし６０°である。

本発明の一実施例による羽口は、酸素吹込口と離隔されて位置して、補助燃料を吹き込む補助燃料吹込口をさらに含むことができる。補助燃料は、微粉炭材または炭化水素含有ガスである。

羽口は、ｉ）酸素吹込口が形成された第１先端部、およびｉｉ）第１先端部を囲んで、シーリングガス吹込口が形成された第２先端部を含むことができる。したがって、第１先端部および第２先端部は、同一な平面上に位置する。

シーリングガスは、圧縮空気、低濃度酸素、および不活性ガスからなる群より選択される一つ以上のガスである。シーリングガスが不活性ガスである場合、不活性ガスは窒素である。前記羽口は、鎔鉄を製造する溶融ガス化炉の側面に設置されて、シーリングガスが羽口の先端部で溶融ガス化炉の内部の装入物および酸素が互いに反応するのを防止することができる。

本発明の一実施例によるガス吹込方法は、ｉ）溶融ガス化炉に設置された羽口を通して溶融ガス化炉に酸素を吹き込む段階、ｉｉ）羽口を通して溶融ガス化炉にシーリングガスを吹き込む段階、およびｉｉｉ）シーリングガスが溶融ガス化炉に吹き込まれて酸素を囲む段階を含む。

本発明の一実施例によるガス吹込方法は、シーリングガスが溶融ガス化炉の内部の装入物および酸素が互いに反応するのを遮断する段階をさらに含むことができる。シーリングガスを吹き込む段階において、シーリングガスは、酸素と鋭角をなして吹き込まれる。ここで、鋭角は、５°ないし６０°である。

本発明の一実施例によるガス吹込方法は、羽口を通して溶融ガス化炉に補助燃料を吹き込む段階をさらに含むことができる。補助燃料は、微粉炭材または炭化水素含有ガスである。

シーリングガスを吹き込む段階において、シーリングガスは、圧縮空気、低濃度酸素、および不活性ガスからなる群より選択される一つ以上のガスである。シーリングガスが不活性ガスである場合、不活性ガスは窒素である。

本発明によれば、羽口が溶融されて破損されるのを防止することができるため、羽口の使用寿命を大きく延長させることができ、鎔鉄の製造工程を安定的に実施することができる。

本発明の第１実施例による羽口の概略的な斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した羽口の概略的な断面図である。 図１の羽口の作動状態を示した概略的な図面である。 本発明の第２実施例による羽口の概略的な断面図である。 図４の羽口を設置した溶融ガス化炉を概略的に示した図面である。 本発明の実験例１による羽口のシミュレーション写真である。 本発明の実験例２による羽口のシミュレーション写真である。

第１、第２、および第３などの用語は、多様な部分、成分、領域、層、および／またはセクションを説明するために使用されるが、これに限定されない。これらの用語は、ある部分、成分、領域、層、またはセクションを他の部分、成分、領域、層、またはセクションと区別するためにのみ使用される。したがって、以下で記載する第１部分、成分、領域、層、またはセクションは、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で第２部分、成分、領域、層、またはセクションと言及されることもある。

ここで使用される専門用語は、単に特定の実施例を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数形態は、文章がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、および／または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分、および／または群の存在や付加を除外するのではない。

別途に定義しなかったが、ここで使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が一般に理解する意味と同一な意味を有する。通常使用される辞書に定義された用語は、関連技術文献および現在開示された内容に符合する意味を有するものと追加解釈され、定義されない限り、理想的であったり極めて公式的な意味に解釈されない。

以下、図１ないし図５によって本発明の実施例をより詳細に説明する。このような実施例は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明はこれに限定されない。

図１は、本発明の第１実施例による羽口１０の概略的な斜視図である。図１に示した羽口１０の構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明はこれに限定されない。したがって、羽口１０の構造を他の形態に変形することもできる。

図１に示した羽口１０は、鎔鉄を製造するために使用される。したがって、羽口１０は、溶融ガス化炉５０（図５に図示、以下同一）の側面に設置されて、溶融ガス化炉５０の内部に酸素を供給する。酸素を溶融ガス化炉５０に吹き込んで、溶融ガス化炉５０の内部に装入された石炭を燃焼させることによって、鎔鉄を製造することができる。

図１に示したように、羽口１０の先端部１０５は、第１先端部１０５１および第２先端部１０５３を含む。第１先端部１０５１は、凹溝形状に形成される。したがって、羽口１０を溶融ガス化炉５０に設置する場合、第２先端部１０５３は、第１先端部１０５１よりも溶融ガス化炉５０側に突出する。

第２先端部１０５３は、第１先端部１０５１を囲む。シーリングガス吹込口１０３は、第２先端部１０５３を通して露出される。第２先端部１０５３には複数のノズル１０３１が形成される。

一方、図１に示したように、羽口１０は、酸素吹込口１０１およびシーリングガス吹込口１０３を含む。酸素は、酸素吹込口１０１を通して吹き込まれる。ここで、酸素は、純酸素だけでなく、酸素含有ガスを含む。酸素吹込口１０１は、酸素供給管１０１１を含み、酸素供給管１０１１から酸素が供給される。

シーリングガス吹込口１０３は、酸素吹込口１０１と離隔されて位置する。シーリングガスは、酸素を囲んで吹き込まれる。したがって、シーリングガスによって先端部１０５をシーリングすることができる。つまり、シーリングガスを利用して、溶融ガス化炉５０の内部の装入物が先端部１０５に接触して先端部１０５が破損されるのを防止することができる。装入物が酸素と接触しても、不活性ガス雰囲気を形成して、装入物の再燃焼または酸化反応の発生を抑制することができる。

シーリングガス吹込口１０３は、シーリングガス供給管１０３５および複数のノズル１０３１を含む。シーリングガス供給管１０３５は、シーリングガスを供給する。供給されたシーリングガスは、複数のノズル１０３１を通して溶融ガス化炉５０の内部に吹き込まれる。複数のノズル１０３１は、実質的に同一な間隔を有して互いに離隔されて配置される。したがって、シーリングガスを均一に溶融ガス化炉５０の内部に吹き込むことができるため、シーリング効率を最適化することができる。

ここで、シーリングガスは、圧縮空気、低濃度酸素、または不活性ガスである。シーリングガスが低濃度酸素である場合、酸素の濃度は３０ｖｏｌ％以下である。また、シーリングガスは、不活性ガスそのものであってもよく、不活性ガスを含む気体であってもよい。不活性ガスとしては、例えば窒素などを使用することができる。窒素は、空気中に多量に存在するので、実際の使用に最適である。シーリングガスは、酸素を囲んで、酸素および溶融ガス化炉５０の内部の装入物の反応を抑制する。したがって、装入物および酸素の反応によって高熱が発生して、先端部１０５が溶融されて破損されるのを防止することができる。

図１に示したように、羽口１０は、先端部冷却管１０７１、１０７３および本体冷却管１０９１、１０９３に連結される。冷却水は、先端部冷却管１０７１、１０７３を通して流入および流出されて、羽口１０の先端部１０５を冷却する。冷却水は、冷却水流入管１０７１を通して先端部１０５の内部に流入される。冷却水は、先端部１０５を冷却した後に冷却水流出管１０７３を通して外部に排出される。

一方、他の冷却水は、冷却水流入管１０９１を通して矢印方向に沿って羽口１０本体の内部に流入される。冷却水は、羽口１０本体を冷却した後に冷却水流出管１０９３を通して外部に排出される。羽口１０の冷却構造については、以下で図２を参照してより詳細に説明する。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した羽口１０の断面構造を概略的に示した図面である。便宜上、図２では、図１の先端部冷却管１０７１、１０７３および本体冷却管１０９１、１０９３は省略する。

図２に示したように、羽口１０は、先端部冷却チャンバー１０７および本体冷却チャンバー１０９を含む。先端部冷却管１０７１、１０７３（図１に図示）は、先端部冷却チャンバー１０７に連結され、本体冷却管１０９１、１０９３（図１に図示）は、本体冷却チャンバー１０９に連結される。冷却チャンバーは、先端部冷却チャンバー１０７および本体冷却チャンバー１０９に区分される。先端部冷却チャンバー１０７および本体冷却チャンバー１０９は、独立的に冷却されるので、羽口１０の先端部１０５が破損されて先端部冷却チャンバー１０７が露出されても、羽口１０本体を継続して冷却することができる。その結果、先端部冷却チャンバー１０７に流れる冷却水を遮断した後に鎔鉄の製造工程を継続して実施することができる。

図２に示したように、シーリングガス吹込口１０３は、ノズル１０３１、シーリングガスヘッダ１０３３、およびシーリングガス供給管１０３５を含む。また、シーリングガス吹込口１０３は、他の部品をさらに含むことができる。

図２に示したように、ノズル１０３１は、酸素吹込口１０１が延長された方向（Ｘ軸方向、点線で図示）と鋭角θ_１、θ_２をなして延長されて形成される。したがって、ノズル１０３１を通して噴射されるシーリングガスが酸素吹込口１０１を通して吹き込まれる酸素を囲む。ここで、鋭角θ_１または鋭角θ_２は、５°ないし６０°である。鋭角θ_１または鋭角θ_２が５°より小さい場合には、酸素の吹込方向およびシーリングガスの吹込方向がほぼ平行であるので、シーリング効果を期待することができない。反対に、鋭角θ_１または鋭角θ_２が６０°を越える場合には、先端部１０５に過度に近くシーリングガスが噴射されるので、酸素が＋Ｘ軸方向に円滑に噴射されない。

一方、図２に示したように、ノズル１０３１をＺ軸方向、つまり羽口１０の幅方向に切断した断面積１０３３ｓは、第２先端部１０５３に近づくほど大きくなる。したがって、シーリングガスを所定の厚さのカーテン形態に噴射することができるので、シーリング効果を最大化することができる。

シーリングガスヘッダ１０３３は、複数のノズル１０３１およびシーリングガス供給管１０３５を互いに連結する。シーリングガスヘッダ１０３３は、環形状に形成される。したがって、シーリングガスヘッダ１０３３は、一方向に延長されたシーリングガス供給管１０３５からシーリングガスの供給を受けて環形態に分散させる。シーリングガスヘッダ１０３３内で環形態に分散されたシーリングガスは、複数のノズル１０３１を通して外部に均一に噴射される。

図３は、図１の羽口１０の作動状態を概略的に示した図面である。図３に示したように、羽口１０は、溶融ガス化炉５０の側面に設置されて、溶融ガス化炉５０の内部に酸素を吹き込む。

図３に示したように、酸素吹込口１０１を通して酸素が吹き込まれ、シーリングガス吹込口１０３を通してシーリングガスが酸素を囲んで吹き込まれる。酸素は、溶融ガス化炉５０の内部に吹き込まれて、チャーベッドを燃焼させて燃焼帯を形成する。

一方、矢印で示したように、溶融ガス化炉５０の内部の装入物による逆流（ｂａｃｋｆｌｏｗ）が形成される。溶融ガス化炉５０の内部の装入物は、シーリングガスによって羽口１０の先端部１０５および酸素に接触しないので、再燃焼または酸化されない。ここで、装入物は、未燃焼石炭、スラグ、または鎔鉄などである。

シーリングガスは、先端部１０５で装入物および酸素が互いに反応するのを防止する。また、シーリングガスは、装入物を押し出して、装入物の逆流特性によって酸素吹込口１０１前に集中して不燃焼雰囲気を形成する。したがって、装入物が酸素吹込口１０１前で再燃焼または酸化されない。

図３に示したように、酸素およびシーリングガスは、鋭角θ_３、θ_４をなして溶融ガス化炉５０の内部に吹き込まれる。鋭角θ_３または鋭角θ_４は、５°ないし６０°である。鋭角θ_３または鋭角θ_４が５°より小さい場合には、酸素およびシーリングガスがほぼ平行をなして吹き込まれる。したがって、シーリング効果を期待することができない。反対に、鋭角θ_３または鋭角θ_４が６０°を越える場合には、シーリングガスによって酸素が酸素吹込口１０１から円滑に噴射されないことがある。

図４は、本発明の第２実施例による羽口２０の断面構造を概略的に示した図面である。図４の羽口２０の構造は、図２の羽口１０の構造と類似するので、同一な部分には同一な図面符号を使用して、その詳細な説明は省略する。

図４に示したように、羽口２０は、補助燃料吹込口２０１をさらに含む。補助燃料吹込口２０１は、酸素吹込口１０１と離隔されて位置して、補助燃料を吹き込む。酸素吹込口１０１は、補助燃料吹込口２０１およびシーリングガス吹込口２０３の間に位置する。したがって、補助燃料吹込口２０１およびシーリングガス吹込口２０３を共に配置しないので、羽口２０の内部にこれらを共に設置するための空間を確保することができる。

補助燃料としては、例えば微粉炭材または炭化水素含有ガスなどを使用することができる。微粉炭材は、カーボンを含んで、粒径が約３ｍｍ以下の粒子を意味する。炭化水素含有ガスは、液化天然ガス（ｌｉｑｕｉｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ、ＬＮＧ）、液化プロパンガス（ｌｉｑｕｉｄ ｐｒｏｐａｎｅ ｇａｓ、ＬＰＧ）、またはコークスオーブンガス（ｃｏｋｅｓ ｏｖｅｎ ｇａｓ、ＣＯＧ）などをその例として挙げることができる。補助燃料吹込口２０１を通して補助燃料を溶融ガス化炉５０の内部に吹き込むことによって、燃料費を節減することができる。

補助燃料は、溶融ガス化炉５０の内部に吹き込まれて燃焼熱を増加させる。したがって、溶融ガス化炉５０の上部から装入される石炭の量を減少させることができる。また、補助燃料は、多量の還元ガスを発生させるので、鉄鉱石を効率的に還元させることができる。さらに、溶融ガス化炉５０の上部から装入される石炭は、溶融ガス化炉５０の下部に到達する前にガス化されて無くなることがあるので、溶融ガス化炉５０の下部の状態が鎔鉄を製造するのに不適切なことがある。したがって、溶融ガス化炉５０の下部から補助燃料を吹き込むことによって、溶融ガス化炉５０の下部の状態を改善させることができる。

一方、図４に示したように、羽口２０の先端部２０５は、第１先端部２０５１および第２先端部２０５３を含む。酸素吹込口１０１は第１先端部２０５１に形成され、シーリングガス吹込口２０３は第２先端部２０５３に形成される。ここで、第１先端部２０５１および第２先端部２０５３は、同一な平面Ｐ上に位置する。前述した構造の羽口２０でも、シーリングガスによって羽口２０の先端部２０５をシーリングすることができる。

図５は、図４の羽口２０を設置した溶融ガス化炉５０を概略的に示した図面である。

図５に示したように、溶融ガス化炉５０の上部から鉄鉱石および石炭が装入されて、溶融ガス化炉５０内で鎔鉄が製造された後に外部に排出される。ここで、鉄鉱石は還元鉄として装入され、石炭は成形炭として装入されることもできる。成形炭は、溶融ガス化炉５０に装入されてチャーベッド（図４に図示、以下同一）を形成し、還元ガスを発生させて外部に排出する。チャーベッドは、羽口２０を通して吹き込まれる酸素によって燃焼されて燃焼熱を発生させ、前記燃焼熱によって還元鉄を溶融させることによって、鎔鉄が製造される。溶融ガス化炉５０から排出される還元ガスは、流動層型還元炉または充填層型還元炉に流入されて各々流動層型還元炉または充填層型還元炉に装入される鉄鉱石を還元させることによって、還元鉄を製造することができる。

図５に示したように、酸素、シーリングガス、および補助燃料を羽口２０を通して溶融ガス化炉５０の内部に装入する。したがって、溶融ガス化炉５０内の燃焼熱を増加させて、溶融ガス化炉５０の上部から装入される石炭の量を減少することができる。

以下で、実験例によって本発明をより詳細に説明する。このような実験例は単に本発明を例示するためのものであり、本発明はこれに限定されない。

実験例１
図４に示した構造を有する羽口を使用して、吹き込まれるシーリングガスの流れをシミュレーションした。酸素吹込口の直径は３４ｍｍにし、シーリングガスとして窒素を使用した。窒素の流量は３２Ｎｍ^３／ｈｒ、吹込速度は４０ｍ/ｓであった。

図６は、シミュレーションしたシーリングガスの流れを線で示した図面である。

図６に示したように、ノズルから吹き込まれたシーリングガスは、第１先端部側に流れて、下部で高温で噴射される酸素の周囲を囲む。つまり、シーリングガスはうず巻き形態に流れるので、先端部を効率的にシーリングすることができる。

実験例２
図４に示した構造を有する羽口を使用して、吹き込まれるシーリングガスの流れをシミュレーションした。窒素の流量は３２Ｎｍ^３／ｈｒであった。他の条件は前述した実験例１と同一であるので、その詳細な説明は省略する。

図７は、シミュレーションしたシーリングガスの流れを線で示した図面である。

図７に示したように、ノズルから吹き込まれたシーリングガスは、酸素に向かって流れて、下部で噴射される酸素の周囲を囲む。したがって、先端部を効率的にシーリングすることができる。

本発明を前記記載によって説明したが、本発明は、特許請求の範囲の概念及び範囲を逸脱しない限り、多様な修正及び変形が可能であることが、本発明が属する技術分野の当業者には簡単に理解される。

１０ 羽口
５０ 溶融ガス化炉
１０１ 酸素吹込口
１０１１ 酸素供給管
１０３ シーリングガス吹込口
１０３１ ノズル
１０３３ シーリングガスヘッダ
１０３５ シーリングガス供給管
１０５ 羽口の先端部
１０５１ 第１先端部
１０５３ 第２先端部
１０７ 先端部冷却チャンバー
１０７１、１０７３ 先端部冷却管
１０９ 本体冷却チャンバー
１０９１、１０９３ 本体冷却管

Claims (10)

1. 鎔鉄の製造に使用する羽口であって、
   酸素が吹き込まれるように適用された酸素吹込口、および
   前記酸素吹込口と離隔されて位置して、前記酸素吹込口を囲んでシーリングガスを吹き込むように適用されたシーリングガス吹込口を含み、
   前記羽口は、
   前記酸素吹込口が露出された第１先端部、および
   前記第１先端部を囲んで、前記シーリングガス吹込口が露出された第２先端部を含み、
   前記第１先端部は、凹溝形状に形成され、
   前記シーリングガス吹込口は、前記シーリングガスを吹き込む複数のノズルを含み、
   前記複数のノズルのうちの一つ以上のノズルは、前記酸素吹込口が延長された方向と鋭角をなして延長されて形成され、
   前記鋭角は、５°ないし６０°である
   ことを特徴とする羽口。
2. 前記複数のノズルは、実質的に同一な間隔を有して互いに離隔されることを特徴とする、請求項１に記載の羽口。
3. 前記シーリングガス吹込口は、
   前記シーリングガスが供給されて、一方向に延長されたシーリングガス供給管、および 前記複数のノズルおよび前記シーリングガス供給管を互いに連結するシーリングガスヘッダをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の羽口。
4. 前記シーリングガスヘッダは、環形状に形成されることを特徴とする、請求項３に記載の羽口。
5. 前記酸素吹込口と離隔されて位置して、補助燃料を吹き込む補助燃料吹込口をさらに含み、前記酸素吹込口は、前記シーリングガス吹込口および前記補助燃料吹込口の間に位置することを特徴とする、請求項３に記載の羽口。
6. 前記ノズルを前記羽口の幅方向に切断した断面積は、前記第２先端部に近づくほど大きくなることを特徴とする、請求項１に記載の羽口。
7. 前記酸素吹込口と離隔されて位置して、補助燃料を吹き込む補助燃料吹込口をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の羽口。
8. 前記補助燃料は、微粉炭材または炭化水素含有ガスであることを特徴とする、請求項７に記載の羽口。
9. 前記シーリングガスは、圧縮空気、低濃度酸素、および不活性ガスからなる群より選択される一つ以上のガスであることを特徴とする、請求項１に記載の羽口。
10. 前記シーリングガスが前記不活性ガスを含む場合、前記不活性ガスは窒素であることを特徴とする、請求項９に記載の羽口。

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