JP5717754B2 - 高炉熱風炉を加熱する方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉とともに使用するための高炉熱風炉を加熱する方法に関する。

高炉に供給される燃焼空気は、一般的に、熱風炉を用いて予熱され、この熱風炉は、バーナを用いて加熱される蓄熱体としての耐火材料から成る。材料が十分に高温のときに、燃焼空気は、高炉への噴射の前に燃焼空気を予熱するために熱風炉を通過させられる。通常、複数の熱風炉が並行してかつ周期的に作動させられ、これにより、少なくとも１つの熱風炉の耐火材料が加熱されながら、少なくとも１つの熱風炉が燃焼空気を加熱するために作動させられる。

慣用的に、高炉から出てくる炉頂ガスは、約１１０〜１２０℃の温度であり、かつそれぞれ約２０〜２５％のＣＯ及びＣＯ₂を含有する。一般的に、３〜５％のＨ₂及び僅かなＨ₂Ｏも存在するが、炉頂ガスのその他の主要な成分はＮ₂（一般的に４５〜５７％である）。ガスは、比較的低い熱量を有する低品位燃料を成し、一般的に熱風炉の燃料のために使用される。

炉頂ガスは、通常、熱風炉において空気−燃料バーナを用いて燃焼させられる。高炉によって必要とされる所要の高いエアブラスト温度を保証するために、炉頂ガスにおける、コークス炉ガス又は天然ガスのような高い発熱量のガスの濃度を高めることが知られている。このような付加的な燃料の燃焼は、プラントからの二酸化炭素のより大きな全体的な排出につながるので、望ましくない。

積層型バーナ（stack burner）において使用される燃焼空気の酸素の濃度を高めることも知られている。通常、付加的な高発熱量の燃料の必要性を低減又は排除するために必要とされる濃度増大レベルは、約２８〜３０％の、燃焼空気における最終的な酸化剤酸素含有量を生じるようなものである。

このような方法は、場合によっては、ピーク火炎温度を、熱風炉の耐火材料を損傷するほど十分に高くさせ、例えば、火炎温度を抑制するために過剰空気率を供給することが必要である。

熱回収ユニットを用いて、熱風炉バーナに供給される燃料及び空気を予熱することがさらに知られている。

全ての上記方法は、プロセスに複雑さを追加し、コストのかかる機器を必要とする。

高炉自体は、長年の間に進化してきた高効率の向流反応器である。高炉は、熱力学的効率の限界に近づきつつあり、このことが、現在の最善の作動実施に対してエネルギ消費を減じることが困難である理由である。さらに、高炉、及び熱風炉のような高炉の補助的な機器は、一体化された鉄鋼工場における最大のエネルギ消費者である。さらに、製鉄において消費されるエネルギは、一体化された製鉄プロセスの炭素消費、ひいては二酸化炭素の排出を決定する支配的な要因である。したがって、高炉熱風炉の熱効率を高めることが望ましい。

エミッションを減少させるために、いわゆる“炭素回収”技術を用いて、熱風炉煙道ガスから二酸化炭素を分離することができる。しかしながら、このような分離は比較的高価である。したがって、より安価な炭素回収を可能にする高炉熱風炉を設計することが望ましい。

上で言及した高いピーク温度という問題に加え、低すぎる火炎温度又は入熱率は、長い加熱サイクルにつながり、これは望ましくない。言い換えれば、火炎温度は調節される必要がある。

本発明は、上記問題を解決する。

つまり、本発明は、熱風炉における燃焼室に配置された燃焼ゾーンにおいて９ＭＪ／Ｎｍ^３（メガジュール毎ノルマル・リューベ（ノルマル立方メートル））以下のより低い発熱量（ＬＨＶ）を有する燃料を燃焼させ、燃焼ガスを、熱風炉の耐火材料に通過させかつこれにより耐火材料を加熱することによって高炉熱風炉を加熱する方法に関し、燃料を少なくとも８５％の酸素を含有する酸化剤とともに燃焼させ、燃焼ガスを燃焼ゾーン内に再循環させ、これにより、燃焼ゾーン内の燃料及び酸化剤の混合物を、燃焼が無炎になるように十分に希釈することを特徴とする。

以下に、発明の例示的な実施形態及び添付の図面を参照して発明を詳細に説明する。

慣用の製鉄所における高炉及び３つの熱風炉の単純化された図である。 外部燃焼室を備えた、現代形式の慣用の熱風炉を例示する断面図である。 本発明による付加的なランスを備えた熱風炉の断面図である。 本発明によるガスバーナ（oxyfuel burner）を備えた熱風炉の詳細な断面図である。 本発明による燃焼ガスリサイクルを備えた熱風炉の断面図である。 本発明によるエゼクタランスを備えた熱風炉の詳細な断面図である。

図１は、製鉄所における高炉１２０及び３つの熱風炉１００の主要な配列を示している。高炉１２０の作動は、高炉炉頂ガスを発生し、この高炉炉頂ガスは、燃料供給制御装置１１０を用いて、対象となる熱風炉１００を加熱するための燃料として使用されるために、それぞれの熱風炉１００に供給される。炉頂ガスは、空気供給制御装置１３０によって供給される、空気の形態の酸化剤と共に燃焼させられる。

それぞれの熱風炉１００は、セラミックれんが等の形態の耐火材料から成り、この耐火材料は、まず加熱され、次いで、高炉に供給される噴射空気を加熱するために使用される。

耐火材料加熱モード（“オン・ガス”モード）で作動させられている時は、炉頂ガスは、酸化剤とともに熱風炉１００において燃焼され、燃焼ガスが、場合によっては慣用の炭素回収ステップを含む煙道ガス処理装置１５０に供給される。

噴射空気加熱モード（“オン・ブラスト”モード）で作動させられている時は、空気は、反対方向に耐火材料を通って案内され、次いで高炉１２０へ案内される。

熱風炉１００は周期的に作動させられ、あらゆる時点で少なくとも１つの熱風炉がオン・ブラストで作動させられ、他の熱風炉がオン・ガスで作動させられるようになっている。

図２は、現代形式の慣用の熱風炉１００の断面図である。熱風炉１００は、外部燃焼室１０１と、耐火材料１０２と、ドーム１０３とを有する。オン・ガスで作動させられている時は、ドーム１０３における温度が高くなりすぎないことが重要である。なぜならば、熱風炉を損傷するリスクがあるからである。内部燃焼室を備えた熱風炉も存在し、本発明はこのような熱風炉の作動にも同様に適用可能であることが理解される。

オン・ガスで作動させられている時、炉頂ガス及び空気は燃焼室１０１の燃焼ゾーンに供給され、この燃焼ゾーンにおいて、空気バーナ１０８を介して燃焼が生じる。バーナ１０８は、燃料入口１０５と、空気入口１０４とを有する。次いで、高温の燃焼ガスは燃焼室１０１内を上方へ流れ、ドーム１０３を通り、耐火材料１０２を通って下方へ流れ、これにより耐火材料１０２を加熱する。ポート１０６から出る時に、燃焼ガスの温度は一般的に約２００〜３５０℃である。

耐火材料が所定の温度に達すると、作動は、オン・ブラスト運転に切り替えられる。次いで、空気はポート１０６を通じて導入され、高温の耐火材料１０２を通り、ドーム１０３及び燃焼室１０１を通って流れ、出口ポート１０７から流出する。この時点で、噴射空気は、１１００〜１２００℃の典型的な温度を有する。

本発明の関連において、上述のように熱風炉を高炉炉頂ガスで加熱することが好適である。噴射空気が熱風炉から提供される高炉からの炉頂ガスを使用することはさらに好適である。これは、高炉の近くにおける熱風炉の配置を許容し、エネルギ効率がよく、プラントからの低い総エミッションにつながる。

しかしながら、本発明は、その他の低品位燃料によって加熱される熱風炉にも同様に有利に適用できることが理解される。例えば、典型的な化学的組成（百分率値）及びより低い発熱量（ＬＨＶ）が、高炉炉頂ガスと、コンバータオフ・ガスとについてそれぞれ表Ｉ及びＩＩに示されている。

本発明によれば、熱風炉は、そのＬＨＶ値が９ＭＪ／Ｎｍ^３以下である気体燃料によって加熱される。このような低品位燃料の使用は、本発明の可能なコスト利益から最大の利益を引き出す。混合物のＬＨＶ値が９ＭＪ／Ｎｍ³以下である限り、燃料は、別の、より高品位の燃料の所定の付加を含んでよい。しかしながら、コスト及びエミッションを最小限にするために、燃焼の前に高品位燃料を付加することは好ましくない。

本発明によれば、このような低品位燃料は、空気又は僅かに酸素濃度が高められた空気ではなく、少なくとも８５質量％、好適には少なくとも９５質量％の酸素を含有する酸化剤とともに、この低品位燃料を燃焼させることによって、熱風炉を加熱するために使用され、酸化剤は最も好適には、実質的に１００％の酸素含有量を有する工業的に純粋な酸素である。

空気に存在する窒素バラスト（nitrogen ballast）は加熱される必要がないので、これは燃料効率を高める。さらに、燃焼生成物における窒素バラストを減じることにより、低品位燃料ガスに高発熱燃料を補充する必要なしに、所要の火炎温度を達成することができる。減じられたエネルギ需要は、増大した発電を促進しかつ／又は輸入ガスの減じられた需要につながり、これにより、燃料管理を改良する。

通常、このような大きな酸素含有量を有する酸化剤を使用することは、熱風炉のドーム及び耐火材料を損傷するのに十分に高いピーク温度につながる。

しかしながら、本発明の発明者たちは、燃料及び酸化剤の混合物が、燃焼ゾーンにおける燃焼が通常は“無炎”と呼ばれるタイプのものになるように十分に希釈される程度まで、熱風炉燃焼ガスが燃焼ゾーン内へ再循環されるという条件の下で、このタイプの酸化剤を使用することが可能であるということを発見した。ここで、“無炎”燃焼とは、燃焼ゾーンにおいて燃焼プロセスの主要部分が生じる前に、再循環された排出煙霧で酸化剤及び燃料ガスが著しく希釈されることによって達成される無炎酸化モードをいう。これにより、燃焼は、目に見える火炎なしに、言い換えれば、人間の目に見えない又はほとんど見えない火炎とともに達成される。このことを表現するための別の方法は、燃焼が、安定した火炎なしの、“体積型”燃焼であるように、燃焼作用物質が希釈されるということである。

ここでいう“燃焼ガスが燃焼ゾーンへ再循環される”とは、燃焼ゾーンの外に配置された燃焼ガスが、再び燃焼ゾーン内へ再循環されるということである。このような燃焼ガスは、もともと燃焼室自体の内部に配置されているが、燃焼が主に生じるゾーン（“燃焼ゾーン”）によって占められた燃焼室の部分の外に配置されている。すなわち、この場合、燃焼ガスは、実際、燃焼室内で再循環させられる。択一的に、このような燃焼ガスは、燃焼室の外から燃焼ゾーンへ再循環させられてよい。

以下にさらに詳細に説明するように、作用物質の希釈は、酸化剤の高速の噴射（lancing）を用いて、場合によっては段階的燃焼方式を用いて燃焼室内に大きな乱流を生ぜしめることによって達成されてよい、及び／又は熱風炉から燃焼ゾーンへの煙道ガスのリサイクルによって達成されてよい。

極めて大きな酸素含有量を有する酸化剤によるこのような無炎燃焼を用いて、熱風炉を損傷しないように十分に低いピーク火炎温度を達成することが可能であることが分かった。また、十分に高い火炎温度が達成可能である。

付加的に、高炉炉頂ガスのような低品位燃料を燃焼させるために高酸素酸化剤が使用される場合、燃焼ガスのＣＯ₂含有量は、酸化剤として空気又は僅かに酸素濃度が高められた空気を使用する場合と比較して、著しく高くなる。慣用の炭素回収技術は、処理されたガスがより大きな割合の二酸化炭素を含有する場合に、回収された単位ＣＯ₂当たりで著しくより安価になる傾向があり、これは、熱風炉燃焼ガスを処理するためにこのような炭素回収ステップを用いる場合に著しいコスト節約につながる。

図３は、発明の好適な実施形態を示している。図２に示された慣用の熱風炉２００と同様の熱風炉３００は、燃焼室３０１と、耐火材料３０２と、ドーム３０３と、熱風炉が空気燃焼とともに慣用の形式で運転されている時に燃焼空気のために使用される入口３０４と、炉頂ガスのような低品位燃料のために使用される別の入口３０５と、ポート２０６，２０７と同様のポート３０６，３０７とを有する。低品位燃料を空気で燃焼させる代わりに、１つ又は複数のランス３１０，３１１，３１２が燃焼室に挿入されており、上記で定義された高酸素酸化剤を燃焼ゾーンに供給するために使用される。酸化剤は、局所的な酸素製造によって又は外部から提供された酸化剤を用いて提供されてよい。

ここで説明される全ての実施形態において、化学量論の観点から所望の燃焼条件を生ぜしめるために、単位時間当たりの酸化剤の総計は、供給される低品位燃料の量に対して平衡させられている。

それぞれのランス３１０，３１１，３１２は酸化剤を燃焼ゾーンに高速で、好適には２００ｍ／ｓ、より好適には少なくとも音速で供給することが好適である。このような高速の噴射（lancing）は、燃焼室における大きな乱流につながり、ひいては、燃焼ガスを燃焼ゾーン内へ連行し、これにより、無炎燃焼を達成するために火炎を希釈する。

１つの好適な実施形態において、ランス３１０は、そのオリフィスが燃料入口３０５のオリフィスの近傍に位置するように配置されている。別の好適な実施形態によれば、ランス３１１は、燃料入口３０５のオリフィスから所定の距離を置いた位置に配置されている。燃焼室３０１の幾何学的形状に応じて、これらの配列のうちの１つ、又は両者の組み合わせは、燃焼ゾーンへの燃焼ガスの最良の再循環を提供する。他のランス若しくはランス３１０，３１１に関してさらに下流に配置された補助ランス３１２を、段階的な燃焼プロセスを提供するために使用することができ、これにより、総火炎体積をさらに大きくすることができる。当然、前記のタイプのそれぞれの２つ以上のランス３１０，３１１，３１２が、互いに補完するように配置されていてよい。酸化剤が燃料入口３０５の近傍において噴射される場合、段階的な燃焼プロセスを提供するためにさらに下流でも酸化剤を噴射することが好適である。

図４は、高炉熱風炉４００が、燃焼室４０１と、耐火材料４０２と、ポート４０６とを有する別の好適な実施形態の概略図である。

低品位燃料は、供給導管４１１と、供給装置４１２と、入口４１３とを介して供給される。酸化剤は、供給導管４１４と、供給装置４１５と、オリフィス４１６を有するランスとを介して供給される。ランスは、オリフィス４１６が燃料入口４１３に隣接して配置されるように配置されている。好適には、図４に示したように、ランスは燃料入口４１３と同軸に延びている。このような隣接した配列により、特に同軸の場合、及び酸化剤が前記の高い速度で噴射される場合、燃料は、高速の酸化剤の一部におけるエゼクタ作用によって燃焼ゾーンへ連行される。その結果、燃焼生成物の大きな再循環が燃焼室４０１において達成され、特に燃焼ガスを燃焼ゾーン内へ再循環させて火炎フロントを膨張させる。このような高速ランスが燃料入口４１３に隣接して配置されている場合、同時に二次的な酸化剤ランス３１２を使用することが好ましく、全ての供給された酸素の一部を、燃料入口４１３の下流の燃焼室４０１内の別の位置において提供し、低品位燃料の段階的な燃焼を生ぜしめ、これにより、無炎燃焼の達成を促進する。

極めて好適な実施形態によれば、以前、既存の熱風炉４００を加熱するために使用された、既存の慣用のエアバーナは、初期ステップにおいて、上述の燃料入口４１３と、酸化剤ランスとを有するガスバーナ４１０と交換される。“ガス（oxyfuel）”バーナとはここでは、燃料及び酸化剤を用いて駆動されるバーナをいい、この場合、酸化剤は、大部分の酸素、好適には少なくとも８５％の酸素、より好適には少なくとも９５％の酸素を含んでいる。

択一的な極めて好適な実施形態によれば、前記既存のエアバーナは、初期ステップにおいて、前記のように１つ又は複数の高速酸化剤ランスが追加され、空気供給は終了される。

前記のように、このような高速の噴射は、燃焼室３０１，４０１内に大きな乱流を生ぜしめ、これは、無炎燃焼、ひいては十分に低いピーク火炎温度につながる。

しかしながら、酸化剤として空気を使用する場合と比較して、高酸素酸化剤を使用する場合、燃焼ガスの質量流量はより少なくなる。これは、耐火材料へのより小さな対流伝熱、ひいては、より長い加熱サイクル時間につながる。したがって、既存の熱風炉を高酸素酸化剤運転のために変換する場合、図５及び図６に関連して以下で説明するように、熱風炉からの煙道ガスを燃焼ゾーンへリサイクルすることが好適である。

つまり、図５は、燃焼室５０１と、耐火材料５０２と、ドーム５０３とを有する別の好適な実施形態による熱風炉５００の概略図である。

オン・ガス運転の間、燃焼ガスは、ポート５０６を通じて熱風炉５００から出ていく。しかしながら、燃焼ガスの一部は、リサイクル装置５１１を介して、燃焼室５０１内の燃焼ゾーンへリサイクルされる。フィードバック装置５１１は、リサイクルされる燃焼ガスを燃焼室５０１へ供給するために、ファンのような推進装置を有していてよい。

リサイクル装置５１１は、供給導管５１２を介して提供された、前記のような組成の高酸素酸化剤と、リサイクルされた燃焼ガスを混合するためにも配置されている。混合は、慣用のディフューザを用いて行われてよい。リサイクルされた燃焼ガスと酸化剤との混合物は、次いで、入口５１３を介して燃焼室５０１へ供給される。炉頂ガスのような低品位燃料は、供給導管５１４、供給装置５１５及び入口５１６を介して提供される。燃焼ゾーンにおいて、燃料はこれにより、既に熱風炉５００を通過した後に燃焼ゾーン内へリサイクルされた燃焼ガスが存在する状態で、酸化剤とともに燃焼させられる。このようにして、燃焼室５０１における火炎は希釈される。

このような煙道ガスリサイクルを用いると、本発明による方法が適用された既存の熱風炉の加熱サイクル時間を維持することができるように十分に高い対流伝熱率に達することが可能であることが分かった。これは、熱風炉５００を通る単位時間当たりのガス質量又は熱エネルギ流を、本発明による運転への変換の前にリサイクルを行わないで低酸素酸化剤を用いて既存の熱風炉が運転された場合に使用された単位時間当たりのガス質量又は熱エネルギ流と少なくとも同じレベルに維持するために、十分な量の燃焼ガスをリサイクルすることによって達成される。

これは、単位時間当たりの低品位燃料及び酸化剤の提供された量に、リサイクルされた燃焼ガスの量を平衡させることを伴う。表３は、このような平衡の例を示しており、表３には、リサイクルなしに、コークス炉ガス濃度が高められた高炉炉頂ガスが空気とともに燃焼させられる第１の運転モードが、記載されており、工業的に純粋な酸素が酸化剤として使用されかつ所定の量のリサイクルが本発明にしたがって導入される、対応する第２の運転モードと比較されている。表３から分かるように、火炎温度及び熱風炉５００の耐火材料を通るガス質量流は、本発明による方法を適用した場合に実質的に同じレベルに維持されており、同時に燃焼熱が低下させられている。

表３の“慣用の”運転モードにおいて、４つの熱風炉は、１１２５℃の温度で噴射空気の１９５０００Ｎｍ³／ｈを送出するために運転される。周囲温度から空気のこの体積を加熱するために、毎時３０８ＧＪのエネルギが必要とされ、“オン・ブラスト”の２つの熱風炉を有することによって提供される。これにより、（噴射空気のエネルギ）／（熱風炉に供給される燃焼の熱）として定義される全体的な熱風炉効率は、３０８／（２・２０８）若しくは約７４％である。この非効率性の一部は、煙道ガス顕熱に関連する。

リサイクル装置５１１は、燃焼室５０１における酸素濃度を低下させることによって燃焼ゾーンにおける燃焼を無炎にするために、十分な燃焼ガスをリサイクルするために配置されている。

燃焼ゾーンにおける燃焼を無炎にするために、燃料成分燃焼ガスを除いた、燃焼室５０１における雰囲気の不活性部分の約１２％以下、好適には１０％以下の、合計酸素の容積百分率が、有効に無炎燃焼を生じることが分かった。従って、この比率以下の、燃焼室５０１内の酸素の連続的な濃度を生ぜしめるために、十分に多い量の燃焼ガスがリサイクルされることが好適である。

全ての酸化剤が、リサイクル装置５１１を介して、場合によっては１つ又は複数の酸化剤ランス３１０，３１１，３１２を通じて、燃焼室５０１内に供給されるので、単位時間当たりに供給される酸素の量は分かっている。これにより、前記の十分に低い酸素濃度を達成するために、単位時間当たりにリサイクルすべき燃焼ガスの量を計算することができる。

表３の例において、１１％のＯ₂濃度が望ましい。Ｏ₂のそれぞれの単位体積に対して、１／０．１１−１≒８．１倍の単位体積の不活性ガスが必要とされるからである。供給される炉頂ガスのそれぞれの単位体積のために、工業的に純粋な酸素から成る酸化剤の形態の、約０．１４倍の単位体積のＯ₂が、約１．１２５の所望のラムダを達成するために供給される。これは、約１／０．１４≒７．１倍の単位体積の燃料が、酸素のそれぞれの単位体積のために供給されることを意味する。炉頂ガスの約７５体積％が不活性ガスから成り、前の計算ステップからの十進法精度（decimal precision）を保つので、燃焼室５０１におけるそれぞれの単位体積のＯ₂は、炉頂ガス燃料を提供することによってのみ約７．１・０．７５≒５．４倍の単位体積の不活性ガスで既に希釈されている。言い換えれば、燃焼ガスリサイクリングの形態の不活性ガスの残りの８．１−５．４≒２．７倍の単位体積は、燃焼室５０１内への噴射されたＯ₂の単位体積毎に必要とされる。これは、燃焼ガスの少なくとも約３８％が、１１％の最大Ｏ₂濃度に達するために再循環されるべきであることを意味する。

燃料としてコンバータオフガスを使用し、かつこのオフガスが、オフガス単位体積当たりでＯ₂の０．３３倍の単位体積を必要とするような燃焼室において１１％のＯ₂濃度に達する対応する例は、噴射されたＯ₂の単位体積当たりで少なくとも７．１単位体積の燃焼ガスの所要の混合、又は少なくとも約２３４％の煙道ガス再循環を生じる。

１つの好適な実施形態によれば、全ての酸化剤は、燃焼ゾーンに進入する前に、リサイクルされた燃焼ガスと予混合される。しかしながら、付加的な酸化剤が、１つ以上のランスを通じて燃焼室５０１に供給されてもよい。この場合、リサイクルされる燃焼ガスの量の計算のためのベースとして使用されなければならないのは、単位時間当たりの供給された酸素の総量である。

さらに、表３に示された数字から分かるように、ガス質量流量及び火炎温度を実質的に維持しながら、燃焼によって提供される熱は、僅か７％だけ低下することができる。この例による一体化された製鉄及び製鋼所において熱風炉を、無炎ガス、及び煙道ガスからのＣＯ₂の回収とともに運転することによって、プラントからの放出物を約２０％低減することが可能である。

好適な実施形態によれば、耐火材料を通過する単位時間当たりのガス質量流を実質的に維持又は増大するために、十分な燃焼ガスがリサイクルされる。

択一的な好適な実施形態によれば、耐火材料を通過する熱エネルギスループットを実質的に維持又は増大するために、十分な燃焼ガスがリサイクルされる。これは、燃焼ガスにおける様々な不活性成分のための様々な異なる熱容量を考慮する。この場合、火炎温度が実質的に維持されるか又は低下させられるように十分な燃焼ガスがリサイクルされることも好適である。

表３にも示されているように、熱風炉５００から排出された煙道ガスのＣＯ₂含有量は、慣用の運転モードにおける２３％と比較して著しく高く、４３％である。慣用の炭素回収技術の場合の、回収されたＣＯ₂の単位重量当たりのコストは、著しく低減される。なぜなら、ＣＯ₂濃度が、低レベルから約５０〜６０％のレベルまで増大するからである。この限界よりも増大した濃度は、より小さな利得を提供する。その結果、熱風炉煙道ガスを処理するための炭素回収ステップのためのコストは、本発明にしたがって高酸素酸化剤が使用された場合に、回収されたＣＯ₂の単位重量当たりで、著しく低減される。

極めて好適な実施形態によれば、以前は既存の熱風炉５００を加熱するために使用されていた既存の慣用のエアバーナは、初期ステップにおいて、燃料入口５１６と、リサイクルされた燃焼ガスのための入口５１３と交換され、次いで、燃料は、前記高酸素酸化剤とともに燃焼させられる。このために、酸化剤が、リサイクルされた燃焼ガスと予混合することによって提供されることが好適である。このような予混合は、前記１つ又は複数のランスと組み合わされることが択一的に好適である。

図６は、本発明の別の好適な実施形態の概略図であり、燃焼室６０１と、耐火材料６０２と、ポート６０６と、リサイクルされた燃焼ガスのための導管６１０と、リサイクル装置６１１と、燃料供給導管６１６と、燃料供給装置６１７と、燃料入口６１８とを備えた高炉熱風炉６００を示している。

酸化剤は、酸化剤供給導管６１３及び酸化剤供給装置６１４を介して酸化剤ランスへ供給される。酸化剤ランスは、ランスのオリフィス６１５が、リサイクル装置６１１から供給されたリサイクルされた燃焼ガスの供給のためのオリフィス６１２に隣接して配置されるように配置されている。好適には、酸化剤ランスは、リサイクルされた燃焼ガス入口６１２と同軸に延びている。図４に関連して説明したような同軸のランスオリフィス４１６の機能と同様の方式で、このような隣接した配列は、特に同軸の場合に、高速酸化剤の部分へのエゼクタ作用によって、リサイクルされた燃焼ガスを燃焼ゾーンへ効率的に連行し、燃焼室６０１においてより燃焼ガス再循環を生じる。同時に、リサイクル装置６１１において別個の推進装置は必要ない。なぜなら、リサイクルされた燃焼ガスは、オリフィス６１５におけるエゼクタ作用によって推進されるからである。

図６に示された実施形態は、有利には、オリフィス６１５から所定の距離に配置された燃焼ゾーンにおける位置に付加的な酸化剤を提供する付加的な酸化剤ランスと組み合わされ、これにより、燃焼ゾーンにおいて段階的な燃焼を達成する。

上記のように、熱風炉３００，４００，５００，６００は、燃焼ガスが環境中へ解放される前に、熱風炉から排出された燃焼ガスの二酸化炭素成分を分離する、それ自体慣用的なそれぞれの炭素回収段３５０，４５０，５５０，６５０に接続されていることはさらに好適である。

高炉熱風炉の年齢が、予定された有効寿命に近づいた時、ここに記載された実施形態のうちの１つ、又はそのうちの複数の組み合わせを熱風炉に適用することは好適である。

これにより、熱風炉の有効寿命が延長され、噴射空気の観点における維持された製造率、より優れた燃料経済性、及びより低いエミッションで、熱風炉を、より低い火炎温度で運転する。

これにより、本発明による方法により、炭素回収により適した煙道ガスを発生しながら、より高い熱量値の燃料濃縮の必要性なしにかつ温度誘発された（temperature-induced）熱風炉損傷の危険性なしに、高炉熱風炉が、高炉炉頂ガスのような低品位燃料においてのみ運転される。付加的に、本発明による方法により、熱風炉の有効寿命が延長される。

燃焼ガスの十分なリサイクルが利用されると、上記で説明されたことにしたがって、高酸素酸化剤を用いた運転のために変換されかつ図５及び図６に関して説明した燃焼ガスリサイクル配列が設けられた既存の熱風炉において、同じ量及び品質の噴射空気を達成することも可能である。

上記で、好適な実施形態が説明された。しかしながら、本発明の思想から逸脱することなく、前記実施形態に対して多くの変更がなされてもよいことは当業者に明らかである。

例えば、図４〜図６に関連して説明したような燃焼ガスの再循環を生ぜしめるための方法のうちのいずれか１つは、有利には、図３に関連して説明したような１つ又は複数の様々な酸化剤ランスによって補足されてよい。

さらに、図６に関連して説明したようなエゼクタ推進されかつ再循環される燃焼ガスの方法は、有利には、図５に関連して説明したものと同様の形式で、所定の量の高酸素酸化剤と予混合されてよい。

また、図６に関連して説明したような予混合された又は予混合されていないリサイクルされた燃焼ガスのエゼクタ推進は、有利には、図４に関連して説明したような低品位燃料のエゼクタ推進と組み合わされてよい。

これにより、本発明は、前記実施形態に限定されず、添付の請求項の範囲で変更されてよい。

Claims (15)

1. 熱風炉における燃焼室（３０１；４０１；５０１，６０１）に配置された燃焼ゾーンにおいて９ＭＪ／Ｎｍ³以下のより低い加熱値（ＬＨＶ）で燃料を燃焼させ、熱風炉における蓄熱体（３０２，４０２，５０２，６０２）に燃焼ガスを流過させかつ該燃焼ガスで前記蓄熱体を加熱させることによって、熱風炉（３００，４００，５００，６００）を加熱する方法において、
   燃料を、少なくとも８５％の酸素を含有する酸化剤で燃焼させ、燃焼ガスを、燃焼ゾーンへ再循環させ、これにより、燃焼ゾーンにおいて燃焼プロセスの主要部分が生じる前の燃料及び酸化剤の混合物を、燃焼が無炎になるように十分に希釈することを特徴とする、熱風炉を加熱する方法。
2. 酸化剤を、ランス（３１０，３１１，３１２）を通じて高速で燃焼ゾーンへ供給して、燃焼ガスを、燃焼室（３０１；４０１）内の燃焼ゾーンの部分の外の位置から燃焼ゾーンへ再循環させ、これにより、燃焼ガスを燃焼ゾーンへ再循環させて燃焼プロセスの主要部分が生じる前の燃料及び酸化剤の混合物の希釈を達成する、請求項１記載の方法。
3. 酸化剤を少なくとも２００ｍ／ｓの速度で噴射する、請求項２記載の方法。
4. 酸化剤を少なくとも音速で噴射する、請求項３記載の方法。
5. ランスのオリフィス（４１６）を、燃料のための供給入口（４１３）に隣接して配置し、これにより、前記燃料をエゼクタ作用によって燃焼ゾーン内へ供給する、請求項４記載の方法。
6. 燃料のための入口（４１３）の下流に配置された燃焼室（３０１）における位置において、酸化剤を付加的に提供し、これにより、燃焼ゾーンにおいて段階的な燃焼を達成する、請求項５記載の方法。
7. 熱風炉のエアバーナに、前記酸化剤を噴射する１つ又は複数の高速酸化剤ランスを追加する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 蓄熱体（５０２，６０２）を流過した燃焼ガスを、燃焼ゾーンへリサイクルする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 燃焼ゾーンに進入する前に、リサイクルされた燃焼ガスを前記酸化剤と予混合する、請求項８記載の方法。
10. 非不活性燃料成分を除く、燃焼室（５０１，６０１）における雰囲気の不活性部分の合計酸素容積百分率が、１２％以下であるように、十分な燃焼ガスがリサイクルされる、請求項８又は９記載の方法。
11. 熱風炉（５００）のエアバーナを、燃料入口（５１６）及びリサイクルされた燃焼ガスのための入口（５１３）と交換し、次いで燃料を前記酸化剤で燃焼させる、請求項８から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 蓄熱体（５０２，６０２）を通る単位時間当たりのガス質量流量を、リサイクルすることなく熱風炉（５００）のエアバーナが運転される場合に使用される単位時間当たりのガス質量流量と少なくとも同じレベルに維持するように、十分な燃焼ガスをリサイクルする、請求項１１記載の方法。
13. 火炎温度及び蓄熱体への熱エネルギ転移をそれぞれ、リサイクルなしで熱風炉（５００）のエアバーナが運転されるときに使用される火炎温度及び蓄熱体を通過する単位時間当たりのガス質量流と比べて、火炎温度については同じか又はそれよりも低いレベルに維持し、熱エネルギ転移については同じか又はそれよりも高いレベルに維持するように、十分な燃焼ガスをリサイクルする、請求項１１記載の方法。
14. 燃料が、高炉炉頂ガスである、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 高炉炉頂ガスが、熱風炉（３００，４００，５００，６００）によって高温空気が供給される高炉から取り出される、請求項１４記載の方法。

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