JP6012359B2 - ブローパイプ構造 - Google Patents

Description

本発明は、高炉設備に適用されるブローパイプ構造に係り、特に、補助燃料として低品位炭を粉砕した微粉炭を熱風とともに炉内へ吹き込む場合に好適なブローパイプ構造に関する。

高炉設備は、高炉本体の内部に、頂部から鉄鉱石や石灰石や石炭等の原料を投入するとともに、側部の下方寄りの羽口から熱風及び補助燃料として微粉炭（ＰＣＩ炭）を吹き込むことにより、鉄鉱石から銑鉄を製造できるようになっている。
このような高炉設備において微粉炭の吹き込み運転をする際、微粉炭として亜瀝青炭や褐炭などの一般的に灰融点が１１００〜１３００℃程度と低い低品位炭を使用した場合には、微粉炭を炉内に吹き込むために使用する約１２００℃の熱風中に含まれる酸素と微粉炭の一部とが燃焼反応を示すことにより、この時に生じる燃焼熱で融点の低い灰（以下、「スラグ」と呼ぶ）がインジェクションランスや羽口内で溶解する。

こうして溶解したスラグは、高炉の温度から守るために常時冷却されている羽口と接触することで急激に冷却される。この結果、固体のスラグが羽口に付着することにより、ブローパイプの流路を詰まらせるという問題がある。
このような問題を解決するため、例えば下記の特許文献１に開示されている従来技術のように、微粉炭中のスラグ軟化点（温度）が低い場合には、高炉内の温度以上の融点となるように軟化点調整処理を行い、羽口へのスラグ付着を防止することが行われている。
また、下記の特許文献２には、羽口の中空部のなかに仕切リングを設けた構成が開示されている。このような仕切リングによって、羽口の先端側は、中心領域の主通路と周辺領域の副通路とに仕切る二重管構造となり、羽口の後端側から供給されるガスを主通路と副通路とに分けて通過させ、炉内に噴流を形成する。

特開平５−１５６３３０号公報 特開平６−２３５００９号公報

しかしながら、上述した特許文献１の手法には、下記に示すような二つの問題が指摘されている。
第１の問題は、微粉炭と添加物とを完全に（均一に）混合させることが困難であり、この結果、添加物の混合割合が所定値より低い部分におけるスラグ形成を防止できないことである。
第２の問題は、新たに石灰石や蛇紋岩などの酸化カルシウム（ＣａＯ）源が必要となるため、余分なコストが発生することである。

一方、特許文献２に開示された従来構造は、ランス出口から仕切リングまでの間に二重管となっていない領域が存在するので、少なくとも一部の微粉炭が仕切リング内に入らず周辺領域の副通路に流入することは避けられない。
このような背景から、高炉設備に適用されるブローパイプ構造においては、軟化点調整を行わなくても簡単な構造でスラグの付着を抑制することが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、軟化点調整を行わない微粉炭を用いた場合でも、簡単な構造でスラグの付着を抑制できるようにした高炉設備のブローパイプ構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るブローパイプ構造は、鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体の羽口に取り付けられて熱風とともに補助燃料の微粉炭を吹き込み、前記熱風及び／または前記微粉炭の燃焼熱によって溶融する成分を含んだスラグが生じる環境にあるブローパイプ構造であって、前記熱風を供給する母管から前記羽口まで連続する外管の内部に、前記母管から羽口付近まで連続して開口する内管を設けた内外二重管構造とされ、前記微粉炭を投入するインジェクションランスの微粉炭出口が前記内管の内部に開口していることを特徴とするものである。

このようなブローパイプ構造によれば、熱風を供給する母管から羽口まで連続する外管の内部に、母管から羽口付近まで連続して開口する内管を設けた内外二重管構造とされ、微粉炭を投入するインジェクションランスの微粉炭出口が内管の内部に開口しているので、羽口の上流側においては、インジェクションランスから投入された微粉炭の流れを外管壁面から、すなわちブローパイプの内壁面から完全に分離することができる。さらに、羽口においては、羽口表面から微粉炭を遠ざけて通過させることができる。この結果、羽口表面やブローパイプ内壁面に対し、微粉炭のスラグが付着しにくくなる。

上記の発明においては、前記外管と前記内管との間に形成される流路で、かつ、前記内管の出口付近となる位置に、流路抵抗を設けておくことが好ましく、これにより、内管内の流速を外管内より速くすることができる。この結果、外管から流出する熱風が流路中心方向へ導かれるように流れ、内管に投入された微粉炭は外管方向へ流れにくくなる。

上記の発明においては、前記内管に窒素を供給する窒素投入管を設けることが好ましく、これにより、内管と外管との運転条件を変更することができる。この場合、内管に窒素を吹き込むことで熱風温度を低下させることができ、従って、内管内の熱風温度を調整して微粉炭が燃焼しにくい環境とすることができる。

また、上記の発明においては、前記外管に酸素を供給する酸素投入管を設けることが好ましく、これにより、内管と外管との運転条件を変更することができる。この場合、外管に酸素を吹き込むことで、上記のように内管内微粉炭は燃焼しにくい環境であったが、羽口直前での内外管気体混合時に素早く燃焼させることが可能になる。

上述した本発明のブローパイプ構造によれば、熱風を供給する母管から羽口まで連続する外管の内部に内管を設けた内外二重管構造とされ、微粉炭を投入するインジェクションランスの微粉炭出口が内管の内部に開口しているので、羽口表面やブローパイプ内壁面に対し、微粉炭のスラグが付着しにくくなる。従って、軟化点調整を行わなくても二重管構造という簡単なブローパイプ構造でスラグの付着を抑制することが可能になる。
この結果、亜瀝青炭や褐炭などのように灰融点が１１００〜１３００℃程度と低い低品位炭についても、これを原料炭とする改質などにより、補助燃料の微粉炭として使用可能となる。

本発明に係るブローパイプ構造の一実施形態として、軸方向断面を示す縦断面図である。 図１に示したブローパイプ構造が適用される高炉設備の構成例を示す図である。

以下、本発明に係るブローパイプ構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態のブローパイプ構造は、原料炭が低品位炭の微粉炭を羽口から高炉内に熱風とともに吹き込む高炉設備に用いられる。
例えば図２に示すような高炉設備において、鉄鉱石、石灰石及び石炭等の原料１は、原料定量供給装置１０から搬入コンベア１１を介して高炉本体２０の頂部に設けた炉頂ホッパ２１に供給される。高炉本体２０の下部側壁には、円周方向に略等ピッチで配設された複数の羽口２２を備えている。各羽口２２には、高炉本体２０の内部へ熱風２を供給するブローパイプ３０の下流側端部が連結されている。また、各ブローパイプ３０の上流側端部は、高炉本体２０の内部へ供給する熱風２の供給源である熱風送給装置４０と接続されている。

高炉本体２０の近傍には、原料炭（亜瀝青炭や褐炭等のような低品位炭）から石炭中の水分を蒸発させるなどの前処理（改質）を行い、この前処理後に低品位炭を粉砕して微粉炭とする微粉炭製造装置５０が設置されている。
微粉炭製造装置５０で製造された改質後の微粉炭（改質炭）３は、窒素ガス等の搬送ガス４によりサイクロンセパレータ６０へと気体搬送される。気体搬送された微粉炭３は、サイクロンセパレータ６０で搬送ガス４を分離した後、貯蔵タンク７０内に落下して貯蔵される。このような改質後の微粉炭３は、高炉本体２０の高炉吹込炭（ＰＣＩ炭）として使用される。

貯蔵タンク７０内の微粉炭３は、上述したブローパイプ３０のインジェクションランス（以下、「ランス」と呼ぶ）３１内へ供給される。この微粉炭３は、ブローパイプ３０を流れる熱風中に供給されることで燃焼し、ブローパイプ３０の先端で火炎となってレースウェイを形成する。これにより、高炉本体２０内に投入された原料１の中に含まれる石炭等を燃焼させる。この結果、原料１の中に含まれる鉄鉱石が還元され、銑鉄（溶銑）５となって出銑口２３から取り出される。

上述したランス３１からブローパイプ３０の内部へ供給されて高炉吹込炭となる微粉炭３の好適な性状は、すなわち、低品位炭を改質して粉砕した改質微粉炭（補助燃料）の好適な性状は、酸素原子含有割合（ドライベース）が１０〜１８重量％であり、かつ、平均細孔径が１０〜５０ｎｍ（ナノメートル）である。なお、改質微粉炭のより好ましい平均細孔径は、２０〜５０ｎｍ（ナノメートル）である。
このような微粉炭３は、含酸素官能基（カルボキシル基、アルデヒド基、エステル基、水酸基等）のタール生成基が離脱して大きく減少しているものの、主骨格（Ｃ，Ｈ，Ｏを中心とする燃焼成分）の分解（減少）が大きく抑制されている。このため、高炉本体２０の内部に羽口２２から熱風２とともに吹き込むと、主骨格中に酸素原子を多く含むとともに、径の大きい細孔によって、熱風２の酸素が炭の内部にまで拡散しやすいだけでなく、タール分が非常に生じにくくなっているので、未燃炭素（煤）をほとんど生じることなく完全燃焼することができる。

このような微粉炭３を製造（改質）するには、上述した微粉炭製造装置５０において、原料炭である亜瀝青炭や褐炭等の低品位炭（ドライベースの酸素原子含有割合：１８重量％超、平均細孔径：３〜４ｎｍ）を酸素濃度が５体積％以下の低酸素雰囲気中で加熱（１１０〜２００℃×０．５〜１時間）して乾燥する乾燥工程が実施される。

上述した乾燥工程で水分を除去した後、原料炭を低酸素雰囲気中（酸素濃度：２体積％以下）で再度加熱（４６０〜５９０℃（好ましくは、５００〜５５０℃）×０．５〜１時間）する乾留工程が実施される。この乾留工程により原料炭が乾留されることにより、生成水、二酸化炭素及びタール分が乾留ガスや乾留油として除去される。
この後、冷却工程に進んだ原料炭は、酸素濃度が２体積％以下の低酸素雰囲気中で冷却（５０℃以下）された後、微粉砕工程で微粉砕（粒径：７７μｍ以下（８０％パス））されることによって容易に製造される。

本実施形態では、例えば図１に示すように、鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体２０の羽口２２に取り付けられて熱風２とともに補助燃料の微粉炭３を吹き込み、微粉炭３のスラグに熱風２及び／または微粉炭３の燃焼熱によって溶融する成分を含んでいるブローパイプ３０として、以下に説明する構造を採用している。
すなわち、図示のブローパイプ３０は、内外二重管構造を採用している。この内外二重管構造は、熱風送給装置４０に接続されて熱風２を供給する母管４１から羽口２２まで連続するものであり、外管３０ａの内部に内管３０ｂを設けた構造となっている。

具体的に説明すると、ブローパイプ３０の外管３０ａは、母管４１から分岐して羽口２２に接続されている。これに対して、ブローパイプ３０の内管３０ｂは、外管３０ａと同様に母管４１から分岐し、下流側の出口３０ｃが羽口２２の入口付近に開口している。
従って、ブローパイプ３０は、熱風２を供給する母管４１から羽口２２まで連続する外管３０ａの内部に、母管４１から羽口２２の付近まで連続して出口３０ｃが開口する内管３０ｂを設けた内外二重管構造となる。

換言すれば、ブローパイプ３０は、ブローパイプ本体となる外管３０ａの内部に、微粉炭３を投入する内管３０ｂを同心に設けて流路を分離した内外二重管構造となる。
また、ブローパイプ３０の外管３０ａ及び内管３０ｂは、その断面積比が概ね１：１となるように設定することが望ましい。具体例を示すと、例えば羽口２２の内径が１６０ｍｍの場合、外管３０ａの内径を２１０ｍｍとし、内管３０ｂの内径を１４０ｍｍとする。
そして、ブローパイプ３０に微粉炭３を投入するランス３１は、外管３０ａ及び内管３０ｂを貫通して微粉炭出口３１ａが内管３０ｂの内部に開口している。

このような内外二重管構造のブローパイプ３０は、内管３０ｂの内部にランス３１から微粉炭３が投入されるので、羽口２２の上流側においては、微粉炭３の流れを外管３０ａの外管壁面から完全に分離することができる。すなわち、微粉炭３の流れはブローパイプ３０の内壁面から完全に分離され、さらに、羽口２２においては、微粉炭３の流れを羽口２２の表面から遠ざけて通過させることができる。
この結果、羽口２２の表面やブローパイプ本体となる外管３０ａの内壁面（ブローパイプ３０の内壁面）では、内管３０ｂのない従来構造と比較した場合、微粉炭３の通過量がなくなるか大幅に減少するので、微粉炭３のスラグ付着を大幅に抑制できる。

上述した本実施形態のブローパイプ構造においては、外管３０ａと内管３０ｂとの間に形成される外周流路３０ｄで、かつ、内管３０ｂの出口付近となる位置に、流路断面積を減少させる流路抵抗８０を設けておくことが望ましい。このような流路抵抗８０は、流路抵抗が小さい内管３０ｂ内の流速を外管内より速くすることができる。
この結果、外管３０ａから流出する熱風２が内管３０ｂの軸中心方向へ、すなわちブローパイプ３０の流路中心方向へ導かれるように流れるので、内管３０ｂに投入された微粉炭３はスラグ付着を防止したい外管３０ａの方向へ流れにくくなる。

上述した流路抵抗８０は、外管３０ａの内壁面または内管３０ｂの外壁面から、あるいは、外管３０ａの内壁面及び内管３０ｂの外壁面から突出して流路断面積を絞る部材であり、その断面形状が特に限定されることはない。しかし、例えば流れ方向の上流側から下流側へ流路断面積を減少させる傾斜面８１を有する流路抵抗８０のように、楔型の突起部材を外管３０ａの内壁面に設けておけば、傾斜面８１が外周流路３０ｄを流れる熱風２を羽口２２の中心方向に導くので、微粉炭３の流れを羽口２２の中心方向へ導くため、微粉炭３のスラグ付着をより一層抑制できる。

また、上述したブローパイプ構造は、内管３０ｂの内部に窒素を供給する窒素投入管９０を備えていることが望ましい。この窒素投入管９０は、例えば内管３０ｂ及び外管３０ａの運転条件を変更したい場合など、必要に応じて内管３０ｂ内を流れる熱風２に窒素ガスを投入するものである。
従って、内管３０ｂに窒素を吹き込むと熱風温度が低下するので、熱風２の温度をスラグ融点以下に低下させることが可能になる。すなわち、窒素投入管９０は、窒素投入によって内管３０ｂ内の熱風温度を調整するとともに酸素濃度を低下させることになるので、微粉炭３が燃焼しにくい環境に調整することができる。

また、上述したブローパイプ構造は、外管３０ａの内部に、すなわち外周流路３０ｄの内部に酸素を供給する酸素投入管９１を備えていることが望ましい。この酸素投入管９１は、例えば内管３０ｂ及び外管３０ａの運転条件を変更したい場合など、必要に応じて外管３０ａ内を流れる熱風２に酸素を投入するものである。
従って、外管３０ａに酸素を吹き込んで酸素濃度を増した熱風２は、羽口２２の入口付近で内管３０ｂ内に投入された微粉炭３と混合されることにより、微粉炭３を素早く燃焼させることができる。このような燃焼の促進は、熱風２の温度を上昇させることになるので、微粉炭３の燃焼はより一層促進される。

ここで、熱風２の酸素濃度調整について、一例を示して具体的に説明する。
母管４１から供給される熱風２は、例えば酸素濃度が２１体積％に設定されている。そして、微粉炭３と合流後の燃焼を担保するため、酸素投入管９１から外管３０ａの内部に酸素を吹き込み、酸素濃度を２５〜５０体積％、好ましくは３０〜３５体積％に酸素富化する。

これにより、酸素濃度が相対的に外管３０ａより低い内管３０ｂ内においては、微粉炭３の燃焼速度を抑え、内管３０ｂ内にスラグが付着することを抑制できる。そして、内管３０ｂ内を流れる熱風２及び微粉炭３は、外管３０ａから流入する酸素富化後の熱風２と合流することにより、酸素濃度の上昇により微粉炭３の燃焼速度が向上し、高炉本体２０への吹込炭となる微粉炭３をレースウェイ内で完全燃焼させることができる。
また、このような酸素濃度の調整に加えて、内管３０ｂ内へ窒素投入を併用し、微粉炭３の性状に応じて内管３０ｂ内の熱風温度が灰融点以下となるように調整してもよい。

このように、上述した本実施形態のブローパイプ構造によれば、母管４１から羽口２２まで連続する外管３０ａの内部に内管３０ｂを設けた内外二重管構造とし、微粉炭３を投入するランス３１の微粉炭出口３１ａが内管３０ｂの内部に開口しているので、微粉炭３の流れが羽口２２の表面やブローパイプ３０の内壁面から離れ、この結果、微粉炭３のスラグが付着しにくくなる。
従って、微粉炭３の軟化点調整を行わなくても、内外二重管構造という簡単なブローパイプ構造でスラグの付着を抑制することが可能になる。このため、ブローパイプ３０については、例えば羽口２２の摩耗寿命までメンテナンス期間の延長が可能となる。

ところで、上述した微粉炭３のスラグに含まれ、熱風２や微粉炭３の燃焼熱等によって溶融する成分、すなわち低融点のスラグ成分は、約１２００℃の熱風２を使用する場合の灰融点が概ね１１００〜１３００℃程度である。このような低融点のスラグ成分は、微粉炭３の原料炭として亜瀝青炭や褐炭などの低品位炭を用い、乾燥や乾留等の改質処理を施した改質炭にも含まれているが、本実施形態のブローパイプ構造を採用すれば、原料炭として低品位炭を改質した微粉炭３を補助燃料として使用可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 原料
２ 熱風
３ 微粉炭（改質炭）
４ 搬送ガス
５ 銑鉄（溶銑）
１０ 原料定量供給装置
２０ 高炉本体
２１ 炉頂ホッパ
２２ 羽口
３０ ブローパイプ
３０ａ 外管
３０ｂ 内管
３０ｃ 内管出口
３０ｄ 外周流路
３１ インジェクションランス（ランス）
３１ａ 微粉炭出口
４０ 熱風送給装置
４１ 母管
５０ 微粉炭製造装置
６０ サイクロンセパレータ
７０ 貯蔵タンク
８０ 流路抵抗
８１ 傾斜面
９０ 窒素投入管
９１ 酸素投入管

Claims (4)

1. 鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体の羽口に取り付けられて熱風とともに補助燃料の微粉炭を吹き込み、前記熱風及び／または前記微粉炭の燃焼熱によって溶融する成分を含んだスラグが生じる環境にあるブローパイプ構造であって、
   前記熱風を供給する母管から前記羽口まで連続する外管の内部に、前記母管から羽口付近まで連続して開口する内管を設けた内外二重管構造とされ、前記微粉炭を投入するインジェクションランスの微粉炭出口が前記内管の内部に開口していることを特徴とするブローパイプ構造。
2. 前記外管と前記内管との間に形成される流路で、かつ、前記内管の出口付近となる位置に、流路抵抗を設けたことを特徴とする請求項１に記載のブローパイプ構造。
3. 前記内管に窒素を供給する窒素投入管が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のブローパイプ構造。
4. 前記外管に酸素を供給する酸素投入管が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のブローパイプ構造。

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