JP6620107B2 - シャフト炉、特に溶鉱炉を運転するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、シャフト炉、特に溶鉱炉を運転するための方法に関し、その方法では少なくとも１つのガスが炉の中に導入される。

シャフト炉は、その幾何学的基本形状が「シャフト状」である炉のことである。典型的には、シャフト炉の高さは、その幅および深さを大幅に超過する。シャフト炉の基本形状は、中空円柱、中空円錐型、またはその両方の組合せに相当することが多い。通常は、燃焼、還元および溶融過程がシャフト炉の内部で発生し、炉内で発生したガスは上方へ上昇する。シャフト炉は、加熱の目的のためか、または、鉱石から純金属を生成するため、金属の追加の処理のため、もしくは他の材料を製造するための冶金プラントとして機能させるために利用される。

シャフト炉の特有の型は溶鉱炉であり、それによって、連続的な還元および溶融過程の中で、鉱石から、液体金属、通常は原鉄を製造することが可能である。従来のシャフト炉に関して、溶鉱炉は、鉱石の製錬に特定の要求を提起するので、炉の建造の型、特に、内側ライニングおよびその冷却に特別な要求を提起する。

通常、溶鉱炉は、完全に一体化された製錬作業の部分として使用される。炉自体は別にして、溶鉱炉プラントは、例えば、溶鉱炉を投入材料（例えば、鉄鉱石および添加剤）、および還元剤またはエネルギー搬送物（例えば、コークス）で充填（「供給」）するための運搬装置と、溶鉱炉内で形成する物質（例えば、原鉄、スラグ、排気ガス）を抽出または排出するための装置とを備える。

多くのシャフト炉、および特に溶鉱炉内で、炉内で発生する反応を可能にし、または反応に影響を及ぼすために、外部から炉の中にガスが導入される。ガスは、例えば、空気または純酸素であることができる。ガスを注入するための装置は、炉の周りに走り、炉の中に繋がる複数の羽口またはノズルを含み、また炉内部の中に繋がるランスを追加的に含むリング管路を通常は備える。

例えば、独国特許第１０１１７９６２号明細書Ｂ４は、原材料の熱処理のための方法および前記方法を実施するための装置を開示する。説明される装置は、キュポラ炉である。キュポラ炉は、金属が内部で溶融され得るシャフト炉と同様である。溶鉱炉とは対照的に、キュポラ炉は、原鉄および金屑から鋳鉄を製造するために通常は機能し、したがって、運転モードおよび構造形態の点について溶鉱炉とは異なる。

独国特許第１０１１７９６２号明細書Ｂ４では、空気の注入に加えて、異なる酸素含有量を含むガスが、代わりに炉の中に導入されることを提案している。前記ガスは、空気および純酸素であることができる。この目的のために、２つの別々のリング管路が炉の周りに導かれる。第１のリング管路は空気で常に充填されるが、一方、第２のリング管路は、代わりに異なるガス（例えば、酸素）で充填される。異なる酸素含有量を含むガスの目標とされる導入によって、炉内の反応および特に炉内の温度を制御することが目的である。

独国特許第１０１１７９６２号明細書の中に提示される解決策には、厄介なことに、複数の別々のリング管路を建造するという不利な点がある。更に、独国特許第１０１１７９６２号明細書の中に記載される解決策は、キュポラ炉に限定される。

欧州特許第１９４８８３３号明細書は、シャフト炉を運転するための方法を開示している。前記シャフト炉は、キュポラ炉または溶鉱炉であることができる。欧州特許第１９４８８３３号明細書にも、例えば酸素などの処理ガスが炉の中に注入されることが提案されている。

注入ガスが、パルス様式で調節されることを目的としている。これは、低い基底圧から発して、注入ガスの圧力が時間間隔で一時的に上昇することを意味する。この手法によって、炉内でより良好なガスの伝播を達成することが目的とされる。

欧州特許第１９４８８３３号明細書の中に記載される解決策には、「レースウェイ」の外部では、反応の向上が達成されず、またはごく少ない反応の向上しか達成されないという不利な点がある。

独国特許第１０１１７９６２号明細書 欧州特許第１９４８８３３号明細書

したがって、本発明は、炉内の反応過程の加速が、特に「デッドマン」領域の中にまで達成されるように、炉の中にガスを注入するように構成するという目的に基づいている。

請求項１の序文による方法の場合、前記目的は、衝撃波が炉の中に導入されるという点において達成される。

衝撃波は、圧縮衝撃が圧縮波の前面を形成する場合の気体力学現象である。波面における圧力および温度の可変状態の勾配が非常に大きいので、顕著な分子移動作用が発生する。分子移動作用は不可逆的であり、すなわち波によって取り囲まれたガスのエントロピーが向上する。分子移動作用が特定の自由通路の長さに限定されるので、状態の不連続的ステップ変化が発生する。衝撃波が、衝撃波の前面の静止媒体の音速よりも速い伝播速度で広がる。高衝撃マッハ数を含む強烈な衝撃波の場合、分離作用、励起電子およびイオン化などの効果が、広がりつつある程度まで発生する。

衝撃波は、化学反応または物理化学反応を実施するために必要な熱力学的または熱的状態の達成に著しく貢献することができる。このようにして、不活性炭素相、例えば高レベルの黒鉛化を含む相が炉内で反応するため、または可燃混合気の自然発火のための活性化エネルギーを達成することでさえも可能になる。

圧縮衝撃または衝撃波が、局所的乱流の発現に影響を及ぼし、局所的乱流の発現を大幅に増大させる。このようにして、シャフト炉内の反応性混合物の形成および各化学反応のために必要な物質移動が、確実に影響を受ける。特に、発生する異質の気体−固体物質反応について、または固相と気相との間の物質移動について、このことには主要な意味がある。

表層構造および粒子の多孔性によって、高圧および高温、更に圧力勾配および温度勾配が、粒子内部の衝撃波の回折および反射作用の結果として発生することが可能である。粒子サイズまたは構造および強度に依存して、表層近傍の層、または粒子全体が、応力の発生に起因して破壊される可能性がある。この過程の結果として、より大きい効果的な反応面が、化学反応のために利用可能である。

実施例は、外層が高い灰留分を含み、または以前に発生した反応によるスラグ、ならびに粉砕された粉炭および部分的に分解されたその残留物（例えば、チャー）によって覆われるコークス粒子を含む。任意の場合（例えば、酸素または何らかの他の反応ガス）において、化学反応にとって必要なガス（「処理ガス」）が、衝撃波（「推進剤ガス」）を生成するためのガスとして使用される場合、反応動力学は更に一層向上される。

微細粒子と相互作用する衝撃波の場合、前記微細粒子の気相内への分散は、顕著に向上され、したがって前記微細粒子の化学転換は加速される。通常の微細粒子サイズを含む投入材料の注入について、このことが特に当てはまる。高密度流の法則によって、空気圧式搬送が実現される場合、このことは特に重要である。本明細書で言及され得る実施例は、粉炭をシャフト炉または溶鉱炉の中に注入することである。

要約すると、シャフト炉の中に衝撃波を導入することによって、反応が加速され、および強化されることが可能である。

衝撃波は、例えば、爆発、落雷または飛翔発射体によって発生され得る。科学的目的および他のテストのために衝撃波を生成するために、ショックチャンネルまたはショックパイプが使用される。衝撃波の生成は、この場合は、推進剤ガスチャンバである高圧部分を低圧部分から分離するダイヤフラムの破裂圧力を超過することによって実現される。ダイヤフラムを破裂させることによって、衝撃波の生成に必要な圧力の急上昇を保証する。

本発明の１つの改良点において、衝撃波が、再閉鎖可能な弁を開くことによって引き起こされることが提供される。このタイプの衝撃波の生成には、ダイヤフラムを破裂させることに関して、この目的のために構成要素が交換または取り替えられる必要なしに、矢継ぎ早に所望に応じた数の衝撃波を生成することが可能であるという利点がある。しかし、衝撃波は、非常に短時間に完全な管路断面を開く、極めて迅速な開放弁でのみ形成され得る。シャフト炉の運転のために、言い換えれば反応過程のために、いずれの場合にも要求されるガス（例えば、酸素）が、衝撃波のための推進剤ガスとして使用されるという点で特に有利である。

したがって、本発明のこの改良点に関して、弁が、６ミリ秒未満、特に４ミリ秒未満で開かれ、好適には完全に開放されることが更に提案される。弁の開放にかかる時間がわずかに数ミリ秒であるという事実によって、衝撃波の生成に必要とされる急な圧力上昇が保証される。弁の開放時間が迅速であるので、スライディングゲートバルブが特に適切であるということが判明した。対照的に、弁の開放が遅すぎるならば、均圧が発生することによって、衝撃波がまったく生成されることができないという影響があるであろう。

本発明の改良点は、弁が空気圧式に制御されるということを提供する。本発明に必要とされる非常に迅速な開放時間を含む弁は、高速で運転する駆動装置、およびこれらの要求を満たす駆動配置を必要とする。空気圧式駆動装置は、特に有利であると判明した。これらの要求を満たす代替の駆動型は、同様に使用され得る（例えば、電気モータ、特にサーボモータ）。

本発明の追加の改良点では、少なくとも１０バールのガス圧力、特に少なくとも２０バールのガス圧力を含む、蓄圧器、特に圧力容器が、衝撃波の生成のために使用されることが提案される。シャフト炉の炉圧力または送風圧力は、大気圧よりもわずかに高いだけである可能性がある（すなわち、０．２バールから１バール）。シャフト炉の型または運転モードに依存して、１バールから５バールの間のより高い送風圧力が必要とされる場合が通例である。非常に大きい圧力差が衝撃波の生成に必要とされるので、前述の大きさの内部圧力を含む圧力容器が用意されることが好適である。

本発明の追加の教示は、炉内の反応過程に必要な処理ガスが、衝撃波を生成するためのガスとして使用されることを提供する。言い換えれば、衝撃波を生成するために必要な推進剤ガスは、同時に処理ガスであり、またはシャフト炉の中の反応過程に必要なガスであることが提案される。結果として、衝撃波の生成ために限定的に必要とされるよりも長い間、弁が開いた状態に留まる可能性がある。

本発明の追加の実施形態では、したがって、弁が、０．０５秒から０．７秒の間の範囲の時間、開いた状態に保たれることが提案される。弁のサイクルの数、および弁が開いている時間の長さが、シャフト炉に供給される処理ガスの量を決定する。処理ガス、シャフト炉の型およびその運転モードに依存する様式で、相当する適合が実施される。

衝撃波の生成またはガスを炉の中へ間欠的に導入することは、同じガスまたは何らかの他のガスを炉の中に連続的に導入することが同時に発生することを排除しない。言い換えれば、生成された衝撃波または間欠的なより大きいガス体積流量と共に連続的「基底流量」（例えば、酸素基底流量）が炉に供給されることが提供され得る。前記基底流量により、例えば、炉に供給される処理ガスの量が設定されることも更に可能である。したがって、更に、ランスまたは導入点のために必要な冷却作用が連続的様式で保証されることが可能である。

最後に、本発明の追加の改良点では、酸化作用を含むガス、特に酸素がガスとして使用されることが提供される。使用されるガスは、二酸化炭素、空気または何らかの他のガス、特に酸素であることができる。シャフト炉の工程では、または特定の反応領域では、還元状態または還元ガスが必要とされる。本明細書では、可能な処理ガスは、例えば、一酸化炭素または水素である。還元作用を含むガス混合物、ならびに、追加の中間反応の後、還元作用を与える混合物およびガスも使用され得る。

本発明は、単なる好適な例示的実施形態を図示する図面に基づいて、以下により詳細に考察されることになる。

本発明による方法を実施するためのプラントの概略的構造を示す図である。

図１は、本発明による方法を実施するためのプラントの概略的構造を図示する。溶鉱炉の形態の炉１は、その周囲に複数のランス２を備え、ランス２によって、外部から炉１の中に衝撃波の導入または処理ガスの導入が実現される。理想的には、ランス２は、炉１の羽口の中に挿入される。シャフト炉または溶鉱炉の他の反応領域に影響を及ぼし、または最適にするために、適切な導入管路がこれらの位置に嵌合されることが可能である。

衝撃波の生成または処理ガスの導入のために専用のプラント３が、各ランス２または導入点に結合され得る。必要な処理ガスの量、衝撃波強化および炉の寸法または規模に依存して、１つのプラント３は、複数のランス２または複数の導入点に供給物を提供することができる。したがって、炉１の周囲の周りのリング管路を経て、同じプラント３によって、すべてのランス２または導入点に供給物が提供されることが更に可能である。衝撃波の強度は移動する距離と共に減少するので、衝撃波の発生および炉１内への導入が、互いから大きな距離で離れて発生しないということが保証されるべきである。

プラント３は供給管路８に結合され、それによってプラント３が必要な量のガスおよび必要なガス圧力を供給されることを保証する。この場合のパイプラインに付随する圧力容器６の形態では、蓄圧器のガス圧力は、例えば１０バール、特に少なくとも２０バールまたはそれより高い可能性がある。

衝撃波の生成またはガスの間欠的な導入が、迅速な開放弁９によって可能になる。特に、必要な量の推進剤ガスを実現するために、調節手段によって所定の圧力で充満されることが可能である圧力容器６が弁９の上流に配置される場合は理想的な状態である。この目的のために、圧力調節器７が、圧力容器６の直接上流のフィードライン１０に、供給管路８に、または複数のそのようなプラント３の供給管路のいずれかに設けられることが可能である。

プラント３は、処理ガスを追加的、連続的に導入するための調節システム５を装備されることが更に可能であり、前記調節システムはバイパス管路１１に配置される。必要なガス体積流量が、規制取付け具によって設定される。別法として、連続的ガス流について、図１の図面とは対照的に、衝撃波の生成のために使用される以外のガスを使用することができる。この場合、追加的フィードラインが必要である。

生成された衝撃波または間欠的なガス流および連続的なガス流の両方が炉１の内部に導入され得るように、プラント３は、適切な管路４およびランス２または導入点に結合される。

プラント３は、電子コントローラー１２を更に装備される。複数のプラント３が使用される場合、例えば各ランスまたは導入点が専用のプラント３に装備され、追加的な上位のコントローラーを使用することが理想的である。

１ 炉
２ ランス
３ プラント
４ 管路
５ 調節システム
６ 圧力容器
７ 圧力調節器
８ 供給管路
９ 弁
１０ フィードライン
１１ バイパス管路
１２ コントローラー

Claims (6)

1. シャフト炉を運転するための方法であって、
   基底流量のガスの前記炉（１）の中への連続的な導入と、前記ガスの衝撃波の前記炉（１）の中への導入とが同時に行われ、
   前記衝撃波が再閉鎖可能な弁（９）を開くことによって始動され、
   前記弁（９）が６ミリ秒未満で開かれ、
   前記基底流量の前記ガスの連続的な導入と前記ガスの前記衝撃波の導入の両方が共通の管路（４）を介して行われる
   ことを特徴とする方法。
2. 前記弁（９）が、空気圧式に制御される
   ことを特徴とする、
   請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１０バールのガス圧力を含む蓄圧器が、前記衝撃波の生成のために使用される
   ことを特徴とする、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記炉（１）内の反応過程に必要な処理ガスが、前記ガスとして使用される
   ことを特徴とする、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記弁（９）が、０．０５秒から０．７秒の範囲の時間の間、開いた状態に維持される
   ことを特徴とする、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ガスとして酸化作用を含むガスが使用される
   ことを特徴とする、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

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