JP6683212B2 - フェロコークス製造用竪型乾留炉 - Google Patents

Description

本発明は、フェロコークス製造用竪型乾留炉に関し、特に、原料を均一に加熱することが可能であり、かつ構造が簡便で、低コストで建設・操業することが可能なフェロコークス製造用竪型乾留炉に関する。

製鉄の分野においては、原料である鉄鉱石をコークスとともに高炉に装入し、両者を高温で反応させることによって銑鉄を製造している。コークスは、石炭を乾留することによって得られるものであり、高炉内においては、通気をよくするためのスペーサー、熱源、および還元材として機能する。

近年、高炉における製鉄プロセスの効率を高めるために、高炉へ装入されるコークスの一部をフェロコークスに置き換えることが提案されている。フェロコークスとは、鉄鉱石等の鉄含有物質とともに石炭を乾留して製造されるものであり、その内部には、鉄含有物質が還元されて生成した微粒子状の金属鉄が含まれている。この金属鉄は、高炉内での反応の進行に伴って生成したＣＯ_２がコークス（Ｃ）と反応して還元ガスであるＣＯを再生する反応を促進する触媒の機能を有している。そのため、フェロコークスを使用することにより、高炉内の低温部からコークスのガス化反応を開始させ、熱保存帯の温度を低くすることができる。したがって、フェロコークスの使用は、還元材比を大きく低減し、省エネルギーおよびＣＯ_２排出量削減に寄与するものと期待されている。このような有用性のため、フェロコークスの製造技術に関する研究が進められている。

現在用いられている一般的な冶金用コークスは、原料である石炭を室炉式コークス炉で乾留して製造される。そこで、同様に、室炉式コークス炉を用いてフェロコークスを製造する方法が検討された。例えば、ａ）石炭と粉鉄鉱石の混合物を室炉式コークス炉に装入して乾留する方法や、ｂ）石炭と鉄鉱石を冷間、すなわち室温で成型し、得られた成型物を室炉式コークス炉に装入して乾留する方法などが提案されている（非特許文献１）。

しかし、通常の室炉式コークス炉は珪石煉瓦で構成されているため、鉄鉱石を装入して乾留を行うと、珪石煉瓦の主成分であるシリカが鉄鉱石と反応し、低融点のファイアライトが生成する。この反応による珪石煉瓦の損傷が問題となるため、従来の室炉式コークス炉を用いたフェロコークスの製造は、工業的には実施されていない。

そこで、室炉式コークス製造方法に代わるフェロコークス製造方法として、竪型乾留炉を用いる方法が提案されている（特許文献１、２）。この方法においては、乾留炉として、珪石煉瓦ではなくシャモット煉瓦で構成される竪型シャフト炉が使用される。また、原料である石炭と鉄鉱石は、バインダーとともに混合し、冷間で所定の大きさに成型して得られる成型炭として、前記竪型炉に装入される。そして、竪型炉内に熱媒ガスを吹込んで加熱することにより成型炭を乾留し、成型フェロコークスが製造される。この方法によれば、鉄鉱石による煉瓦の損傷を受けることなく、乾留を行うことができる。

しかし、上記竪型炉を用いた方法で得られるフェロコークスには、以下に述べる理由により、品質のばらつきがあることが分かった。

竪型炉では、炉壁に設けられた高温ガス吹込み羽口（高温羽口）から炉内に高温のガスを吹込むことによって加熱が行われる。しかし、炉内には成型炭が充填されているため、吹込まれたガスの流量は羽口から離れるにしたがって急激に減少し、その結果、羽口に近い部分は高温であるが、羽口から離れた位置の温度は羽口付近に比べて低いという温度分布が炉内に形成される。原料である成型炭は、竪型炉の炉頂から装入されて炉内を下降しつつ乾留され、最終的に炉の下部より排出されるため、炉内部を通過する成型炭の温度は、羽口からの水平方向距離によって異なることとなる。この水平方向における温度の不均一性のために、炉の下部から排出される製品の乾留の度合いにばらつきが生じてしまう。

そこで、発明者等は、ガスを吹き込むための羽口に加えて、炉内のガスを抜き出すためのガス排出口を竪型乾留炉に設けることによって、炉内におけるガスの流れを制御し、炉内温度を均一化することを提案した（特許文献３）。

特許第４６６６１１４号公報 特許第５５０４７３１号公報 特開２０１６−１５１０１１号公報

「コークス技術年報」燃料協会、１９５８年、ｐ．３８

特許文献３で提案された装置によれば、炉内における温度差を低減し、その結果、フェロコークスの品質のばらつきを抑制することができる。

しかし、特許文献３の技術では、ガス排出口を設ける必要があるため、竪型乾留炉自体や、周辺設備が複雑化し、建設や維持管理に必要なコストが増加するという問題があった。

例えば、炉の壁面にガス排出口を設ける場合には、炉壁を構成する耐火物を貫通する形で排出口を形成する必要があることに加え、ガスを排出するためのダクトやブロアー、排出量を制御するための手段等を設ける必要がある。また、炉の内部にガス排出口を設ける場合には、上記の問題に加え、炉内にパイプ等の構造物を設ける必要があるため、原料との摩擦や高温雰囲気に晒されたパイプ等が激しく損耗するという問題もある。

本発明は、上記の実情に鑑み開発されたものであり、原料を均一に加熱することが可能であり、かつ構造が簡便で、低コストで建設・操業することが可能なフェロコークス製造用竪型乾留炉を提供することを目的とする。

発明者らは、上記の目的を達成すべく、鋭意研究を行った結果、ガスを吹き込むための羽口を特定の配置とするという極めて簡便な方法で、従来のようなガス排出口を設けずとも、炉内の水平方向における温度のばらつきを効果的に低減できることを見出した。本発明は、前記知見に立脚するものであり、その要旨構成は次のとおりである。

１．炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を乾留してフェロコークスを製造するフェロコークス製造用竪型乾留炉であって、
長手方向に対して垂直な平面における断面の形状が長方形である乾留炉本体、および
前記乾留炉本体の周側面に設けられた、前記乾留炉本体内へガスを吹き込むための羽口を備え、
前記羽口は、前記周側面の対向する長辺のそれぞれに、２つ以上ずつ設けられており、
前記長辺上における隣接する羽口の間隔ｂに対する、前記周側面の短辺方向における羽口間の距離ａの比ａ／ｂが０．９〜１．１である、フェロコークス製造用竪型乾留炉。

本発明によれば、ガスを吹き込むための羽口を特定の配置とするという極めて簡便な方法で、従来のようなガス排出口を設けずとも、炉内の水平方向における温度のばらつきを効果的に低減できる。したがって、本発明の竪型乾留炉によれば、均一な品質の冶金用フェロコークスを低コストで生産することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるフェロコークス製造用竪型乾留炉の正面概略図である。 本発明の一実施形態における羽口の配置を示した模式図である。 本発明の他の実施形態における羽口の配置を示した模式図である。 発明例におけるシミュレーション結果を示す温度コンター図である。 比較例におけるシミュレーション結果を示す温度コンター図である。 ａ／ｂの値と、シミュレーションによって得られた水平断面内での最高温度と最低温度の差との関係を示すグラフである。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。

［竪型乾留炉］
本発明のフェロコークス製造用竪型乾留炉（以下、単に竪型乾留炉という場合がある）は、炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を乾留してフェロコークスを製造するための乾留炉であり、竪型炉（竪型シャフト炉）である。

一般的な竪型乾留炉は、炉頂部に装入口を、下部にフェロコークス排出口を、それぞれ備えており、前記装入口から原料としての成型物が装入される。前記装入口より炉内に充填された原料は、炉内をゆっくりと下降しながら乾留され、フェロコークスとして前記フェロコークス排出口から排出される。

図１は、本発明の一実施形態におけるフェロコークス製造用竪型乾留炉１の正面概略図である。乾留炉本体２の上部に成型物を装入するための装入部３、下部にフェロコークスを排出するための排出部４を備えている。乾留炉本体２の周側面には羽口５が設けられており、羽口５を通じて高温のガスが炉内に吹き込まれる。また、図１に示すように、乾留炉本体２の下部には冷却羽口６を設けることができる。冷却羽口６から低温のガスを吹き込むことにより、乾留が終了したフェロコークスを冷却することができる。

［成型物］
前記成型物としては、炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を使用する。前記炭素含有物質としては、特に限定されず任意のものを用いることができるが、高炉内の熱源とする必要があることから、炭素含有量が多いものが好ましく、好適例として石炭を挙げることができる。石炭は粉状であることがさらに好ましい。石炭を用いる場合、前記石炭に、さらに任意にタールおよびプラスチックの一方または両方を添加することもできる。また、前記鉄含有物質としては、特に限定されず任意のものを用いることができるが、鉄鉱石を用いることが好ましい。前記鉄鉱石は粉状であることがさらに好ましい。これら炭素含有物質と鉄含有物質を、常法にしたがいバインダーとともに混合し、冷間で成型して得られる成型炭をとくに好適に用いることができる。

［乾留炉本体］
本発明のフェロコークス製造用竪型乾留炉は、長手方向に対して垂直な平面における断面の形状が長方形である乾留炉本体を備えている。ここで、長手方向に対して垂直な平面における断面とは、言い換えれば、乾留炉本体を使用時の状態に設置した際の水平方向における断面であり、以降、水平断面ともいう。

乾留炉本体の構造は、断面が長方形であることと後述する羽口を備えること以外は特に限定されず、任意の構造とすることができ、一般的な竪型乾留炉に準じた構造であってよい。一般的な竪型乾留炉における乾留炉本体は、外部構造物と、その内側に設けられた耐火物とで構成されている。前記外部構造物としては、例えば、鋼板等からなる鉄皮を用いることができる。

［羽口］
前記乾留炉本体の周側面には、乾留炉本体内へガスを吹き込むための羽口が設けられる。ここで周側面とは、乾留炉本体の長手方向と平行な側面を指すものとする。本発明における乾留炉本体は水平断面が長方形であるため、前記周側面は、該長方形の対向する一対の長辺と、対向する一対の短辺とで構成されることとなる。

図２は、本発明の一実施形態における羽口の配置を示した模式図であり、具体的には、図１に示した竪型乾留炉のＡ−Ａ面における水平断面を示している。羽口５は、長方形をなす水平断面の対向する長辺のそれぞれに、複数（図２の場合、各辺に４つずつ）設けられており、乾留炉本体２を構成する鉄皮７と耐火物８を貫通している。

この際、前記長辺上における隣接する羽口の間隔ｂに対する、前記短辺方向における羽口間の距離（間隔）ａの比ａ／ｂを０．９〜１．１とする。ａ／ｂが１．１より大きいと、短辺方向における間隔に対して長辺方向における羽口の密度が不十分となり、その結果、炉内の水平断面における温度差が大きくなりすぎてしまう。したがって、ａ／ｂを１．１以下とすることにより、従来のようなガス排出口を設けずとも、炉内の温度のばらつきを効果的に抑制できる。ａ／ｂは、１．０５以下とすることが好ましい。一方、ａ／ｂが０．９未満であると、短辺方向における距離に対する長辺方向における羽口の密度が過剰となるため、装置構造が必要以上に複雑となるばかりで、それに見合った均一化効果を得ることができない。ａ／ｂは、０．９５以上とすることが好ましい。また、ａ／ｂを１とすることが最も好ましい。ここで、前記距離ａは、前記周側面の対向する長辺のそれぞれに設けられた羽口５の、乾留炉の内部空間９へ開口する開口部の間の距離を指し、図２に示したような場合には、前記距離ａは、乾留炉の内部空間９の短辺の長さと等しい。また、間隔ｂは、隣接する羽口の中心間距離とする。

従来、竪型乾留炉の設計においては炉構造体の強度が重視されていたため、倒壊を防ぐことなどを目的として、距離ａが大きくとられていた。また、炉内における加熱の観点からは、間隔ｂは小さくした方がよいと考えられていた。そのため、従来の竪型乾留炉の設計においては、ａ／ｂは１．１よりも大きい値となっていた。

なお、図２に示した例では、対向する長辺それぞれの同じ位置に、向かい合わせで羽口を設けているが、羽口の配置はこれに限られず、水平方向にずれた位置とすることもできる。例えば、図３に示すように、水平方向にずれた位置に、互い違いとなるように配置してもよい。

なお、ａ、ｂの個々の値は特に限定されず、ａ／ｂが上記の条件を満たす限り任意の値とすることができる。しかし、ａが過度に小さいと、必然的に乾留炉本体の内部空間が狭くなり、処理できる成型物の量が減少するため、フェロコークスの生産性が低下する。そのため、ａは１．０〜２．０ｍとすることが好ましく、１．２〜１．８ｍとすることがより好ましく、１．４〜１．６ｍとすることがさらに好ましい。

羽口の個数は、特に限定されず、長辺１つあたり２以上であればよいが、乾留炉本体のサイズによっては、３以上とすることが好ましい。また、対向する長辺のそれぞれにおける羽口の数は異なっていてもよいが、各羽口から吹き込むガス量の均一化の観点からは同数とすることが好ましい。

また、羽口が設けられていない部分が多いと炉内温度のばらつきの原因となるため、乾留炉本体の周側面の長辺側の全長にわたって羽口を設けることが望ましい。具体的は、乾留炉本体２の内部空間９の水平断面における長辺の長さＬ１に対する、羽口が設けられている領域の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１を、０．７以上とすることが好ましく、０．８以上とすることがより好ましい（図２参照）。なお、ここで羽口が設けられている領域の長さＬ２とは、該長辺の両端側に設けられている羽口の中心間距離とする。

また、炉内温度均一化の観点からは、羽口は、図１に示すように炉壁の同じ高さに設けることが好ましい。また、羽口を２段またはそれ以上の多段に設けることもできる。水平断面における短辺側に追加の羽口を設けることもできる。

前記羽口からのガスの吹き込みには、ブロワーなど、各種公知の送風手段を用いることができる。各羽口には、ガスを送るための配管（ダクト）等を適宜接続することができる。また、温度均一化および設備コスト低減の観点からは、各羽口から吹き込むガスの量および温度を等しくすることが好ましい。同様の理由から、各羽口の寸法（開口の大きさなど）を同じとすることが好ましい。

（実施例１）
本発明の効果を確認するために、竪型炉の操業を模擬した熱流体シミュレーションを実施した。シミュレーションには、図２に示した形状のモデルを使用し、成型炭が降下する内部空間９の寸法は、幅６．５ｍ×奥行き１．５ｍ、高さ１６ｍとした。羽口５からは合計１９，２００Ｎｍ^３／ｈｒ、８５０℃の高温ガスを吹く条件とした。すべての羽口について、長辺上における隣接する羽口の間隔ｂを１．５ｍ、短辺方向における距離ａを１．５ｍ、したがってａ／ｂ＝１とした（発明例）。

また、比較のために、長辺上における隣接する羽口の間隔ｂを２．２５ｍ、短辺方向における距離ａを１．５ｍ、ａ／ｂ＝１．５とした以外は上記発明例と同条件でのシミュレーションを行った（比較例）。

シミュレーションの結果を図４（発明例）、図５（比較例）に示す。図４、５は、定常状態に達した時点での羽口高さの水平断面における炉内温度分布を等高線で示した温度コンター図であり、Ｈが最高温度位置を、Ｌが最低温度位置を示している。最高温度位置と最低温度位置における温度は、それぞれ表１に示すとおりであった。

この結果から分かるように、本発明の条件を満たす発明例では、従来のようなガス排気口を設けずとも温度差を小さくできることが分かる。

（実施例２）
さらに、ａ／ｂをどの範囲に設定すれば水平断面における温度差を小さくすることができるか、シミュレーションで検証した。前記シミュレーションには、図２に示した形状のモデルを使用し、成型炭が降下する内部空間９の寸法を、幅６．５ｍ×奥行き１．５ｍ、高さ１６ｍとした。すなわち、短辺方向における距離ａを１．５ｍとした。また、羽口５からは合計１９，２００Ｎｍ^３／ｈｒで、８５０℃の高温ガスを吹く条件とした。

上記条件で、すべての羽口について、ａ／ｂの値が０．５から１．５の種々の値になるように、長辺上における隣接する羽口の間隔ｂを変更してシミュレーションを実施した。ａ／ｂの値と、シミュレーションによって得られた水平断面内での最高温度と最低温度の差との関係を図６に示す。

図６に示した結果から分かるように、ａ／ｂの値が０．９〜１．１であれば、水平断面内の温度差を極めて小さくすることができ、ａ／ｂが１の時に温度差が最小となる。

１ フェロコークス製造用竪型乾留炉
２ 乾留炉本体
３ 装入部
４ 排出部
５ 羽口
６ 冷却羽口
７ 鉄皮
８ 耐火物
９ 内部空間
Ｈ 最高温度位置
Ｌ 最低温度位置

Claims (1)

1. 炭素含有物質と鉄含有物質との成型物を乾留してフェロコークスを製造するフェロコークス製造用竪型乾留炉であって、
   長手方向に対して垂直な平面における断面の形状が長方形である乾留炉本体、および
   前記乾留炉本体の周側面に設けられた、前記乾留炉本体内へガスを吹き込むための羽口を備え、
   前記乾留炉本体の炉壁および炉内にガス排出口を備えず、
   前記羽口は、前記周側面の対向する長辺のそれぞれに、２つ以上ずつ設けられており、
   前記長辺上における隣接する羽口の間隔ｂに対する、前記周側面の短辺方向における羽口間の距離ａの比ａ／ｂが０．９〜１．１である、フェロコークス製造用竪型乾留炉。

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