JP5869891B2

JP5869891B2 - 転炉ガス回収装置

Info

Publication number: JP5869891B2
Application number: JP2012009319A
Authority: JP
Inventors: 織田　剛; 剛織田; 稲葉　岳志; 岳志稲葉; 慎哉杉浦
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: JP2013147706A

Description

本発明は、転炉吹錬過程で発生するＣＯを主成分とする転炉ガスを回収する転炉ガス回収装置に関するものである。

転炉吹錬過程で大量に発生するＣＯガスは燃焼性が良好であり、通常、２，０００Kcal/nm³程度の潜熱を有しているため、ボイラ、圧延工場、石灰焼成炉等の燃料ガスとして利用されている。

回収フードを通じてそのＣＯガスを回収する転炉ガス回収装置では、転炉の炉口と回収フードとの隙間をできるだけ小さくしてＣＯガスの漏出または外気の流入を防止する必要があるため、通常、スカート部が設けられている。また、炉口とそのスカート部との間にはさらに不活性ガスによるシール構造が形成されている（例えば特許文献１参照）。

また、スカート部をまわりから覆うようにしてさらにカバー部を設け、ＣＯガスに対して不活性ガスを供給する送気管、吸気管をそのカバー部に接続し、回収フード近くの圧力が大気圧を超えるときはカバー部内を大気圧未満に調整し、また、回収フード近くの圧力が大気圧未満のときはカバー部内の圧力が大気圧を超えるように調整しながらＣＯガスの回収を効率良く行う転炉ガス回収方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

上記したように、炉口と回収フードとの間を不活性ガス雰囲気にしたり、カバー部内の圧力を調整しながら転炉ガスを回収する方法が提案されているが、いずれの発明も炉口と回収フードとの間の狭い大気開放部分に窒素ガスや二酸化炭素ガス等の不活性ガスを吹き込むことを意図したものである。

特開昭５９−２２２５１４号公報特開昭６３−３１７６１２号公報

しかしながら、実際の吹き込みに必要とされる不活性ガスは、転炉から発生するＣＯガスの体積流量に対して約０．２５倍の体積流量が必要とされるため、そのための不活性ガス供給管の径としては炉口径の約１／２のサイズが必要となる。

このような大径の配管を、炉口と回収フードとの狭い空間に設けることは現実的に不可能である。また、油圧シリンダの操作によってスカート部を昇降させることを考慮すると、上記不活性ガス供給管はそのようなスカート部に取り付けられるようなサイズでもなく重量でもない。

また、炉口の近傍はスピッティングと呼ばれる、転炉内からの液状溶融物が頻繁に飛散し落下する場所でもあり、回収フードは、炉口に近いほど飛散した液状溶融物が付着して閉塞しやすくなる。

さらにまた、１，３００〜１，５００℃のＣＯガスの体積流量に対し、窒素にせよ二酸化炭素にせよ約０．２５倍の体積流量に及ぶ常温の不活性ガスを製造する費用は、増加するであろう転炉ガス回収量から得られる利益よりもやはり高くつくため、以上の理由から不活性ガスによるシールドは実際には全く実施されていない。

本発明は以上のような従来の転炉ガス回収装置における課題を考慮してなされたものであり、転炉炉口と回収フードとの間の大気開放部分に、大量の不活性ガスを導入することができ、上記大気開放部分を確実に不活性ガス雰囲気に置換することができる転炉ガス回収装置を提供するものである。

本発明は、転炉吹錬過程で発生する転炉ガスを、回収フードを通じて回収する転炉ガス回収装置において、
平面から見て炉前側に配置されている集塵ダクトと転炉炉口中心との間の転炉スペースに、不活性ガスを主成分とするガスの吹込部を設け、炉前側から上記転炉炉口へ向かう空気流に上記吹込部から吹き込んだガスを随伴させるように構成した転炉ガス回収装置である。

本発明において、平面から見て上記転炉の傾動軸に沿って上記吹込部から上記ガスが吹き込まれるとともに、上記ガスの吹込目標が上記転炉炉口よりも炉前側に向けらることが好ましい。

本発明において、上記吹込部は、上記転炉を中心として左右対称に対向した状態で一対配置することが好ましい。

本発明において、上記吹込部の吹込口は、上記転炉を収容している左右の壁面に開口させることができる。

本発明において、上記吹込部の吹込口は、上記転炉を収容している左右の壁面から上記転炉の傾動軸に沿って延設されたダクトの先端に開口させることができる。

本発明において、上記不活性ガスを主成分とするガスとして、上記転炉の吹錬に使用する酸素を空気から分離する際に副生される窒素ガスまたは酸素等の不純物をわずかに含む窒素ガスを使用することができる。

本発明の転炉ガス回収装置によれば、大量の不活性ガスを大型の配管を用いて転炉スペースに導き、転炉炉口と転炉ガス回収装置との間の大気開放部分を確実に不活性ガス雰囲気に置換することができるという長所を有する。

また、転炉からのスピッティングによる被害をほとんど受けることがないため、メンテナンスコストを抑制することができるという利点がある。

(ａ)は本発明に係る転炉および転炉ガス回収装置における空気流れ図、(ｂ)は防熱板、集塵ダクトを取り外した状態での空気流れ図である。本発明に係る吹き下ろし方式の吹込ダクトの構成を示す説明図である。対向吹込み方式の吹込ダクトによる置換効率を示したグラフである。吹込ダクトの配置例を示した側面図である。各種吹込ダクトを組み合わせた場合の置換効率を示したグラフである。 (ａ)は本発明の延長吹込ダクトを適用した場合のガス流線図、(ｂ)は流速コンターと水平面内流速ベクトルの解析画像、(ｃ)は不活性ガス濃度分布の解析画像である。 (ａ)は本発明の面一吹込ダクトを適用した場合のガス流線図、(ｂ)は流速コンターと水平面内流速ベクトルの解析画像、(ｃ)は不活性ガス濃度分布の解析画像である。 (ａ)は左窓開放で面一吹込ダクトを適用した場合のガス流線図、(ｂ)は流速コンターと水平面内流速ベクトルの解析画像、(ｃ)は不活性ガス濃度分布の解析画像である。本発明の吹込ダクトを適用した場合の吹込みガス流量と置換効率との関係を示したグラフである。

本発明が適用される転炉設備は、傾動可能に構成された転炉、その周囲に設けられた付帯設備、例えば、酸素ガス吹込み用ランス、計測用サブランス、転炉の傾動装置、転炉ガスを回収するための回収フード等を有しており、これらの転炉設備は図示しない建屋内に設置されている。また、建屋の炉前側には開閉式扉型防熱板が設けられており、建屋内において転炉の炉前左右両側と、炉裏左右両側または回収フードの周囲にはそれぞれ集塵ダクトが配設されている。

本発明ではこのような転炉設備のうち、主要な転炉および転炉ガス回収装置の模型を１／２０スケールで製作し、転炉スペース内での空気流の状態を調査すべく数値解析および模型実験を実施した。その結果、炉前側から転炉の炉口に向かう空気の流れが存在することを発見した。

従来は、酸素を２１％含む空気の流れが転炉ガスとともに転炉ガス回収装置の回収フードから捕集されてしまうため、大気中の酸素と転炉ガスの主成分であるＣＯガスとの燃焼反応
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２
によってＣＯ_２へ変化し、ＣＯガスの一部が転炉ガス回収装置内で燃焼し失われていた。

これに対し、本発明の転炉ガス回収装置では、炉口と転炉ガス回収装置における回収フードとの間の隙間部分（大気開放部分）から離れた場所、具体的には炉前側（溶銑装入側）の広い空間に向けて不活性ガスを放出し、その不活性ガスを上記したように炉前側から炉口に向かう空気の流れに乗せることで上記隙間部分を不活性ガス雰囲気に置換することを可能にしている。それにより、スピッティング被害の少ない位置から不活性ガスを吹き込むことも可能にしている。

以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
〔１〕不活性ガスの吹込み
転炉ガスの体積流量に対し約０．２５倍の体積流量におよぶ不活性ガスとして、転炉吹錬に使用する酸素を空気から分離する際に副生される純度の低い廃窒素ガスを使用する。

酸素を製造するために通常、深冷式空気分離装置を用いるが、発生する純窒素は製鉄所内の各工場で大量に使用されるために余剰がほとんど発生しない。ところが、約３％程度の酸素と飽和状態までの水分を含む廃窒素ガスについては未使用のまま大気中に放出されている。

一般的な深冷式空気分離装置では、純酸素、純窒素、純アルゴン、廃窒素がそれぞれ２０％：２０％：１％：５９％の比率で製造されており、２０％の純酸素が転炉で吹錬に使用されると、
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ
の反応により酸素の２倍のモル数のＣＯガスが転炉から発生する。

したがって、上記空気分離の比率から見ると、４０％程度のモル数のＣＯガスが発生することになる。

常温のＣＯガスと１，３００〜１，５００℃の高温のＣＯガスとの密度比から、１，３００〜１，５００℃の状態では上記空気分離の比率から見ると、２３０％程度の体積まで膨張し、これに対し０．２５倍の体積からなる常温の不活性ガスが必要だとすると、約５８％の不活性ガスが必要になる。

上記空気分離の比率で説明したように５９％の比率で副産物として廃窒素が製造されるため、この廃窒素を不活性ガスとして利用すると、実質製造コストゼロで転炉ガスを回収することが可能になる。

しかも、純酸素が必要とされるのは転炉吹錬時であり、不活性ガス雰囲気のために廃窒素が必要とされるのも同じ転炉吹錬時であるため、送窒素ブロワのみ必要となるもののそれ以外の装置を必要とせず非常に都合がよい。

〔２〕空気の流れ
炉前側から炉口へ向かう空気（外気）の流れが存在することは先に述べた通りである。

図１(ａ)は１／２０スケールの転炉模型実験装置を用いて転炉および転炉ガス回収装置について解析した空気流れ図を示しており、同図(ｂ)は図１(ａ)から防熱板、集塵ダクトを取り外した状態での空気流れ図を示している。

両図において、転炉１の炉口１ａと転炉ガス回収装置の回収フード２とが対向しており、回収フード２の周囲にスカート部３が設けられている。

なお、上記スカート部３は、円周上等間隔に配設された４本の油圧シリンダ３ａによって昇降可能に構成されている。また、転炉１の炉前側には防熱板４が配置されており、この防熱板４には吹錬の状態を監視するための窓部４ａが二か所設けられている。なお、図中、符号５は集塵ダクトである。

上記構成において、転炉１より発生する転炉ガス（ＬＤＧ）を回収するにあたり、炉口１ａと回収フード２との間の大気開放部分に不活性ガスを吹き込みつつ転炉ガスを回収するようになっている。

回収フード２へ巻き込まれる空気流の７５％（図中、矢印Ｆ_１参照）は防熱板４の窓部４ａを通過して流入し、空気流の残りの２５％（図中、矢印Ｆ_２参照）は炉前側のスラグ台車軌道上の隙間や防熱板４の隙間から流入している。なお、隙間のない炉裏側から回収フード２内に巻き込まれる空気流は確認されなかった。

興味深いことに、スカート部３の全周３６０°に渡って回収フード２内に空気が巻き込まれることは無く、炉前方向±４５°の特定の範囲から空気の巻き込みが発生している。さらにその巻き込まれる空気流の大部分は窓部４ａを通過している。

さらに、図１(ａ)に示したように、２つの窓部４ａが開いている場合は７５％の空気流がそれらの窓部４ａを通過し、右または左のいずれか一方の窓部が開いている場合は５０％の空気流が通過している。

したがって、炉前側から巻き込まれて回収フード２内へ流入する空気流Ｆ_１に不活性ガス（本実施形態では廃窒素ガス）を乗せれば、不活性ガスを効率良く吹き込むことができると推測される。

〔３〕不活性ガス吹込部の構成
〔３.１〕吹き下ろし方式
以下に説明する図面において図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図２に示すように、炉口前縁部に向けて斜めに切断した形状の吹込ダクト６を設け、その吹込口６ａから４ｍ／ｓ程度の低い流速で不活性ガスを吹き下ろすことで炉口１ａと回収フード２との間の隙間へ巻き込まれる空気の約９４％を不活性ガス（廃窒素ガス）に置換することができる。

また、上記したように、炉前側から炉口へ向かう空気流が存在しているため、不活性ガスの吹き込み方向は炉口中心に向けるのではなく、炉口前縁のように炉口１ａの中心よりも炉前側に向けられるようにする必要がある。しかしながら、このような吹込ダクト６の配置は、最高の置換効率を得ることができるものの、転炉１を前側に傾動させて溶銑を装入する際に、装入した溶銑からの放射熱を受けて高温に曝されるという問題がある。そのため、実用化するには吹込ダクト６を耐熱構造にする等の熱対策が必要になる。
上記吹込ダクト６は不活性ガスを主成分とするガスの吹込部として機能する。

〔３.２〕対向吹込み方式
一対の不活性ガス吹込ダクトを建屋の両側壁面を貫通させてそれぞれ転炉スペース内に導き、吹込口を対向させる。

図３に示すように、炉前集塵ダクトと炉口中心との間の建屋壁面に吹込口を配置したＢタイプは、他の位置に吹込口を配置したＡタイプ、Ｃタイプ、Ｄタイプと比較して最も高い置換効率を少ない不活性ガス流量（窒素流量／巻込み流量比が高い）で実現している。

上記Ａタイプは図４に示すように、炉前集塵ダクトの真下に吹込口を配置したもの、Ｂタイプは、炉前側であって炉前集塵ダクトと炉口中心との間に吹込口を配置したもの、Ｃタイプは炉口中心に吹込口を配置したもの、Ｄタイプは炉裏側であって炉口中心から後方に吹込口を配置したものである。なお、吹込口の高さはいずれも炉口高さ付近に設定している。

また、図５に示されるように、たとえＢタイプと他のタイプとの組み合わせを選択したとしても、やはりＢタイプ単独のものの方が高い置換効率を少ない不活性ガス流量で実現できている。

このことは、図６〜図８に示したＢタイプにおける速度ベクトルと不活性ガス濃度分布の解析結果からも確認できる。なお、各図において、(ａ)は回収フードへのガス（空気・不活性ガス）流線図、(ｂ)は流速コンターと水平面内流速ベクトルの解析画像、(ｃ)は不活性ガス濃度分布の解析画像である。

図６は２窓部（図１の窓部４ａ参照）開放で延長吹込ダクト７、８（吹込ダクトを建屋壁面から転炉スペース内に延長させてその吹込口７ａ、８ａを２ｍ突出させたもの）を使用した場合の解析結果を示し、図７は２窓部開放で面一吹込ダクト（吹込ダクトの吹込口が建屋内壁面と面一）を使用した場合の解析結果を示し、図８は左側の窓部のみ開放で面一吹込ダクトを使用した場合の解析結果を示している。

なお、上記延長吹込ダクト７、８および面一吹込ダクトは不活性ガスを主成分とするガスの吹込部として機能する。

図６〜図８の各図に示されるように、Ｂタイプの場合は炉前側から炉口に向かう空気流に不活性ガスが乗って回収フード２内に吸引されている。

したがって、延長吹込ダクト７、８および面一吹込ダクトから不活性ガスを吹き出す目標は、炉口を狙っておらず、炉前側から炉口に向かう空気流に乗ることを期待して炉口よりも炉前側を狙っている。

また、各ダクトとも平面から見て転炉の傾動軸に沿って設けられ、正面から見ると転炉１を中心として左右対称に対向した状態で一対配置されている。

また、転炉１の両側から吹き込まれた不活性ガスの衝突位置が炉口の直前になるようにし、左右の延長吹込ダクト７、８から吹き込む不活性ガスの流速を一致させるのが特に効率が良い。

なお、延長吹込ダクト７、８については、建屋壁面を貫通して対向させることができなくとも、転炉スペース内に例えばクランク状のダクトを配設することにより、建屋壁面を貫通させずとも吹込口７ａ、８ａを対向させることができ、面一吹出ダクトと同等の置換効果を得ることができる。

なお、先に図４に示したＡタイプは、吹込んだ不活性ガスが炉前集塵ダクトから吸込まれてしまい炉口方向に流れなかった。Ｃタイプは吹込口の位置が炉口に最も近く、しかも不活性ガス吹出方向の延長線上に炉口があるため、置換効率が最も高くなることが予想されたが、炉前側から炉口へ向かう空気流によって、吹き込んだ不活性ガスが炉裏側に流されてしまい炉口を外れるという結果になった。

また、吹込口を最も炉裏側に配置したＤタイプは、１０％程度しか不活性ガスに置換されなかった。

図９は延長吹込ダクトと面一吹込ダクトにおける吹込流量と置換効率の関係を表したグラフであり、下の横軸は不活性ガス流量／巻込流量比を示し、上の横軸は吹込不活性ガス流量（ｍ^３／ｍｉｎ）を示し、縦軸は置換効率（％）を示している。

同グラフに示されるように、転炉ガス回収装置内に吸引される外気（巻込流量）に対し１．３〜１．７倍の流量の不活性ガス（廃窒素ガス）を吹き込むことで、吸引される外気（当然、通常は酸素を含む空気）の８０〜９０％を不活性ガスに置換することができる。また、２．０倍の流量の不活性ガスを吹き込めば、９５％の外気を不活性ガスに置換することができる。

このことから、少ない不活性ガス流量で高い置換効率を得るには、延長吹込ダクトを使用して不活性ガスの吹込口を炉口に近づける必要があり、また、不活性ガスの吹込み量を多くした場合には置換効率が増加するため、延長吹込ダクトを設ける必要がなく、吹込口を建屋内壁面に面一に設ければよい。

上記構成を有する転炉ガス回収装置によれば、転炉吹錬用酸素の供給と同様に、酸素工場から転炉工場へ不活性ガスを低圧送気するブロワを設けるだけで、大量の不活性ガスを大型の配管を介し広い転炉スペースに導くことができ、炉口から離れた位置から炉口と回収フードとの間の大気開放部分を効果的に不活性ガス雰囲気に置換することができる。

しかも、スピッティングによる被害を受けることがほとんど無いため、メンテナンスコストを抑制することができるという利点がある。

炉口と回収フードとの間の隙間が大気雰囲気の場合は、転炉で発生したＣＯガスの１０〜１５％程度が、大気に含まれる酸素との燃焼反応によって失われるが、本発明の転炉ガス回収装置を適用すれば失われるＣＯガスは３〜４％まで減少させることができ、結果として転炉ガスの回収量と発熱量は、現状のＣＯガス回収量と比較して８〜１３％増加することになる。

１転炉
２回収フード
３スカート部
４防熱板
４ａ窓部
５集塵ダクト
６吹込ダクト
７，８延長吹込ダクト
７ａ，８ａ吹込口

Claims

転炉吹錬過程で発生する転炉ガスを、回収フードから回収する転炉ガス回収装置において、
炉前側に配置されている集塵ダクトと転炉炉口中心との間のスペースに、不活性ガスを主成分とするガスの吹込部が設けられ、
前記吹込部が、前記炉前側から前記転炉炉口に向かう前記ガスの吹込ダクトであることを特徴とする転炉ガス回収装置。
上記ガスを吹き出す目標が上記転炉炉口よりも炉前側に向けられている請求項１に記載の転炉ガス回収装置。
上記吹込部が、上記転炉を中心として左右対称に対向した状態で一対配置されている請求項１または２に記載の転炉ガス回収装置。
上記吹込部の吹込口が、上記転炉を収容している建屋の左右の壁面に開口している請求項３に記載の転炉ガス回収装置。
上記吹込部の吹込口が、上記転炉を収容している建屋の左右の壁面から上記転炉の傾動軸に沿って延設されたダクトの先端に開口している請求項３に記載の転炉ガス回収装置。
上記不活性ガスを主成分とするガスとして、上記転炉の吹錬に使用する酸素を空気から分離する際に副生される窒素ガスが使用される請求項１に記載の転炉ガス回収装置。