JP4506337B2 - 冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー及び冶金炉内への微粉炭吹き込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉等の冶金炉において羽口を通じて炉内に微粉炭を吹き込むための微粉炭吹き込みバーナー及びこれを用いた冶金炉内への微粉炭吹き込み方法に関するものである。

高炉操業では、コークスの代替燃料として微粉炭の吹き込みを行うことが一般化しており、最近では銑鉄トン当たり微粉炭比２６０ｋｇを超える操業を行っている例もある（例えば、非特許文献１参照）。
しかし、将来的なコークス需給、コークス炉の老朽化、炭酸ガス発生量の抑制等の事情からして、今後さらなるコークス使用量の低減化が必要となる可能性があり、この場合、より多量の微粉炭吹き込みを行うことが必要になると考えられる。
「材料とプロセス Vol.11（1998）」ｐ834

一般に、微粉炭は羽口に取り付けられたブローパイプを貫通して挿入される微粉炭吹き込みバーナーを通じて、熱風とともに高炉内に吹き込まれるが、微粉炭の吹き込み量の増加に伴い、種々の問題が発生する。
そのうちの一つが未燃チャー発生量に関するものである。すなわち、微粉炭吹き込み量の増加とともに羽口先での酸素過剰率が減少するため、微粉炭の燃焼率が低下し、レースウェイ内で燃焼しきれない未燃チャーの発生量が増加する。

発生した未燃チャーは炉下部でソルーションロス反応により優先的に消費される可能性はあるが、その消費量には限界がある。そのため未燃チャー発生量が炉内限界消費量を超えた場合には、未燃チャーがダストとして炉頂から排出され、コークス置換率の低下や燃料比の増大を招いてしまう。また、発生した未燃チャーが炉心や融着帯根部に蓄積すると、通気性、通液性の悪化による炉況の不安定化や生産性の低下を招いてしまう。

したがって、安定した微粉炭多量吹き込み操業を実現するためには、未燃チャーの発生量を炉内消費限界量以下に抑えることが不可欠であり、そのためにはレースウェイ内での微粉炭の燃焼率向上が必要となる。
従来、微粉炭の燃焼率を向上させるには、吹き込まれた微粉炭粒子と熱風との混合効率を高めることや、微粉炭粒子と酸素との接触効率を高めることが有効であると考えられており、この観点から種々の技術が提案されている。

例えば、特許文献１、２には、微粉炭吹き込みランス（バーナー）を同心２重管構造として、内管から微粉炭を、外管から酸素又は酸素富化空気をそれぞれ送給し、微粉炭周囲の酸素濃度を高めることにより微粉炭の燃焼率の向上を図るようにした技術が示されている。また、特許文献３には、微粉炭吹き込みランスを同心３重管構造として、内管と外管から微粉炭と酸素又は酸素富化空気をそれぞれ送給するとともに、最外管から空気を送給することにより微粉炭燃焼率のさらなる向上を図った技術が示されている。
特開平０２−２１３４０６号公報 特開平０６−１００９１２号公報 特開平１１−３４３５１１号公報

しかしながら、特許文献１の技術のように単なる同心２重管構造のランスを用いただけでは、ランスから送給された微粉炭は、外管から送給される酸素ガス（酸素又は酸素富化空気）と混合する前に周囲の熱風と急速に混合するため、微粉炭周囲の酸素濃度を高めるという効果が大幅に減殺されてしまい、このため微粉炭燃焼率の効果的な向上は望めない。

一方、特許文献２の技術では、ランスの内管先端を外管先端よりも１５〜１０５ｍｍ内方に位置させることにより、微粉炭が外管から送給された酸素ガスと混合する前に熱風と急速に混合してしまうという問題はある程度改善され、このため外管から送給された酸素が消費されるまでの初期の燃焼性は向上する。しかし、それ以降の微粉炭の燃焼性については、ランスから吹き出される微粉炭の分散性が低いために、熱風中の酸素を有効に利用することができず、十分な燃焼性が得られない。

また、特許文献３の技術は、内管・外管から送給される微粉炭と酸素ガスが噴流として拡散しながら混合・燃焼する間、最外管から送給される空気によって上記噴流域に酸素濃度の低い熱風が侵入することが防止され、この結果、微粉炭の燃焼性の向上が図られるというものである。しかし、この技術も特許文献２と同様、外管から送給された酸素が消費されるまでの間の初期の燃焼性は向上するものの、微粉炭の分散性が低いため熱風中の酸素を有効に利用できないという問題がある。

したがって本発明の目的は、微粉炭と熱風や酸素ガスとの接触効率を向上させ、微粉炭の燃焼率を効果的に高めることができ、これにより多量の微粉炭吹き込みを可能とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナーを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、このような微粉炭吹き込みバーナーを用いた冶金炉内への微粉炭吹き込み方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下のとおりである。
[1] 羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むための微粉炭吹き込みバーナーにおいて、
バーナー本体を構成する微粉炭吹き込み管の先端側部分が、内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部と、該縮径管部に連なる管端部であって、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部とからなり、前記拡径管部内面の管軸に対する広がり角θが１０°未満であることを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。

[2] 上記[1]のバーナーにおいて、拡径管部内面の管軸に対する広がり角θが５°以上、１０°未満であることを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
[3] 上記[1]又は[2]のバーナーにおいて、縮径管部と拡径管部との間に、内径が一定の等径管部を有することを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
[4] 上記[1]〜[3]のいずれかのバーナーにおいて、縮径管部のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１と縮径管部のバーナー先端寄り端部の内径Ｄ_２が下記(1)式を満足することを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
０．６≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．８ … (1)

[5] 上記[1]〜[4]のいずれかのバーナーにおいて、縮径管部のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１と拡径管部先端の内径Ｄ_３が下記(2)式を満足することを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
Ｄ_１／Ｄ_３≦１．０ … (2)
[6] 上記[1]〜[5]のいずれかのバーナーにおいて、バーナー本体が内管と外管とからなる２重管構造を有し、前記内管が微粉炭吹き込み管を構成するとともに、前記外管が支燃性ガスの吹き込み管を構成することを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
[7] 上記[1]〜[5]のいずれかのバーナーにおいて、バーナー本体が内管と外管とからなる２重管構造を有し、前記内管が微粉炭吹き込み管を構成するとともに、前記外管が冷却流体用の流路を構成することを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。

[8] 上記[1]〜[6]のいずれかのバーナーにおいて、微粉炭吹き込み管が、管壁内部に冷却流体用の流路を備えた構造であることを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
[9] 上記[1]〜[5]のいずれかのバーナーにおいて、バーナー本体が内管と外管と最外管とからなる３重管構造を有し、前記内管が微粉炭吹き込み管を構成し、前記外管が支燃性ガスの吹き込み管を構成し、前記最外管が冷却用流体の流路を構成することを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。

［10］上記［1］〜［9］のいずれかの微粉炭吹き込みバーナーを用いた冶金炉内への微粉炭の吹き込み方法であって、
微粉炭吹き込みバーナーのバーナー本体の先端側部分を冶金炉の羽口又はこれに連設されたブローパイプ内に挿入し、該微粉炭吹き込みバーナーから羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むことを特徴とする冶金炉内への微粉炭吹き込み方法。

本発明の微粉炭吹き込みバーナーによれば、微粉炭吹き込み管内を搬送される微粉炭流（微粉炭＋搬送気体）は、縮径管部においてバーナー軸方向に圧縮された後、拡径管部において圧縮状態から急激に開放されることにより、拡径管部の内面に沿うような分散された流束断面の微粉炭流が形成される。そして、この分散された微粉炭流が微粉炭吹き込み管の先端から吹き出されることにより、微粉炭と熱風中の酸素の接触効率が効果的に高められ、微粉炭の燃焼性が向上する。
また、微粉炭吹き込み管の外側の外管からバーナー先端部に酸素ガスを送給した場合には、バーナー先端から分散状態で吹き出される微粉炭流に酸素ガスが確実に衝突して微粉炭と酸素との混合（接触）が効率的になされ、このため酸素が微粉炭の燃焼に有効に利用され、微粉炭の燃焼率が効果的に向上する。しかも、上記酸素が消費された後も、微粉炭流と熱風中の酸素との接触効率が向上し、これによっても微粉炭の燃焼性が向上する。
以上の結果、本発明の微粉炭吹き込みバーナーを用いることにより、微粉炭の燃焼率を従来のバーナーに較べて大きく向上させることができ、高炉への微粉炭吹き込み量を従来に較べて大幅に増量することが可能となる。

図１及び図２は本発明の微粉炭吹き込みバーナーの一実施形態を示すもので、図１は微粉炭吹き込みバーナーの縦断面図、図２は本発明の微粉炭吹き込みバーナーＡが取り付けられた高炉羽口部の縦断面図である。
図１において、１は同心２重管構造のバーナー本体であり、このバーナー本体１は内管である微粉炭吹き込み管２と外管３とからなり、この外管３（微粉炭吹き込み管２と外管３間の流路４）が支燃性ガスの吹き込み管を構成している。支燃性ガスとは酸素又は酸素含有ガスを意味し、通常は酸素又は酸素富化空気が用いられる（以下、便宜上支燃性ガスを「酸素」という）。前記微粉炭吹き込み管２と外管３の先端は開放し、その両管端はバーナー本体長手方向の略同一位置にある。また、外管３の後端には酸素の導入口３０が設けられている。

前記微粉炭吹き込み管２の先端側部分は、内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部２０と、この縮径管部２０に連なる管端部であって、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部２１とから構成されている。したがって、縮径管部２０のバーナー後端寄りの端部（＝縮径管部２０よりもバーナー後端側の等径管部２２の端部）の内径Ｄ_１と、縮径管部２０のバーナー先端寄りの端部（＝拡径管部２１のバーナー後端寄りの端部）の内径Ｄ_２と、拡径管部２１の先端部（＝管端）の内径Ｄ_３は、Ｄ_１＞Ｄ_２、Ｄ_３＞Ｄ_２の関係を満足する。

前記拡径管部２１の内面の管軸に対する広がり角θ（拡径管部２１の内面の延長面と管軸とがなす角度）は１０°未満とする。本発明の微粉炭吹き込みバーナーでは、微粉炭吹き込み管２内を搬送される微粉炭流（微粉炭＋搬送気体）が、縮径管部２０においてバーナー軸方向に圧縮された後、拡径管部２１において圧縮状態から急激に開放されることにより、拡径管部２１の内面に沿うような分散された流束断面の微粉炭流が形成され、この分散された微粉炭流がバーナー先端から吹き出されることにより、微粉炭と外管３から送給される酸素、さらには熱風中の酸素との接触効率が高められるものである。しかし、上記拡径管部内面の広がり角θが１０°以上あると、バーナー先端からの微粉炭流の分散性が却って低下してしまう。
また、拡径管部２１の内面の広がり角θの下限は特に限定しないが、拡径管部２１において微粉炭流を急激に開放することによる所望の効果を得るためには、５°以上とすることが好ましい。また、微粉炭流の分散性の面で上記広がり角θの特に好ましい範囲は６°〜９°である。

縮径管部２０のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１と同じくバーナー先端寄り端部の内径Ｄ_２は、下記(1)式を満足することが好ましい。
０．６≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．８ … (1)
ここで、Ｄ_２／Ｄ_１が０．８を超えると微粉炭流の分散性が低下する傾向が大きくなり、一方、Ｄ_２／Ｄ_１が０．６未満では縮径管部２０の縮径の度合いが大き過ぎるため、バーナー内での圧損上昇や縮径管部位置での微粉炭の詰まり等の問題が顕在化するおそれがある。

また、縮径管部２０のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１と拡径管部先端の内径Ｄ_３は、下記(2)式を満足することが好ましい。
Ｄ_１／Ｄ_３≦１．０ … (2)
ここで、Ｄ_１／Ｄ_３が１．０を超えるとバーナー先端での微粉炭流の流速が高まるため微粉炭のバーナー先での滞留時間が短くなり、微粉炭の燃焼性が低下する傾向がある。なお、等径管部２２〜拡径管部２１を通じて外径が一定（等径）である微粉炭吹き込み管２の場合には、拡径管部２１の先端の管肉厚が極小となり、Ｄ_３が微粉炭吹き込み管２の外径と略等しくなる状態が、Ｄ_１／Ｄ_３の実質的な下限となる。

また、拡径管部２１の長さＬ_１や縮径管部２０の長さＬ_２は特に制限はないが、拡径管部２１の長さＬ_１が微粉炭吹き込み管２の径に対してあまりに短いと、拡径管部２１を設けることによる本発明の効果が十分に得られず、一方、長すぎると外管３との構造上の取り合いが問題になるため、縮径管部２０のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１との関係で、０．１Ｄ_１≦Ｌ_１≦Ｄ_１を満足する程度の長さとすることが好ましい。また、縮径管部２０の長さＬ_２があまりに短いと縮径管部の絞り角度が急峻になるため微粉炭流に乱れを生じやすく、これが微粉炭流の分散性に悪影響を及ぼすおそれがある。また、縮径管部の損耗も早める結果となる。このため縮径管部２０の長さＬ_２は、縮径管部２０のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１との関係で、０．１Ｄ_１≦Ｌ_２を満足する程度の長さとすることが好ましい。

図２において、５は羽口、６はこの羽口５に接続された熱風送風用のブローパイプであり、図１に示す微粉炭吹き込みバーナーＡは、バーナー本体１がブローパイプ６を斜めに貫通し、その先端側部分がブローパイプ６の先端側部分ないし羽口５内に位置するように配置される。
なお、本実施形態の縮径管部２０と拡径管部２１は、いずれも内面がテーパ面となっているが、これらの内面は必ずしもテーパ面でなくてもよく、例えば、管軸方向で弧状に構成され又は弧状部分を含むようなものであってもよいし、また、テーパ角が異なる複数のテーパ面が管軸方向で組み合わされたようなものであってもよい。

本実施形態の微粉炭吹き込みバーナーＡは、微粉炭吹き込み管２に搬送気体に伴われた微粉炭が導入され、この微粉炭は微粉炭吹き込み管２の先端から羽口５又はブローパイプ６内に吹き込まれ、燃焼しつつ炉内に導入される。また、外管３（流路４）には酸素（燃焼率の面からは、酸素富化空気よりも純酸素が好ましい）が供給され、微粉炭吹き込み管２の先端から吹き出された微粉炭の周囲に酸素が供給される。ここで、微粉炭吹き込み管２内を搬送される微粉炭流（微粉炭＋搬送気体）は、縮径管部２０においてバーナー軸方向に圧縮された後、拡径管部２１において圧縮状態から急激に開放される。これにより拡径管部２１の内面に沿うような分散された流束断面の微粉炭流が形成され、この分散された微粉炭流が微粉炭吹き込み管２の先端から吹き出される。したがって、この分散強化された微粉炭流に対して外管３（流路４）の先端から吹き出された酸素が確実に衝突し、微粉炭と酸素との混合（接触）が効率的になされる。このため酸素が微粉炭の燃焼に有効に利用され、微粉炭の燃焼率が効果的に向上する。また、上記酸素が消費された後も、微粉炭流と熱風中の酸素との接触効率が向上し、これによっても微粉炭の燃焼性が向上する。

微粉炭吹き込み管２の構造を特定するために行った実験の結果を図４〜図７に示す。実験に用いた装置の概略を図３に示す。この実験装置では、微粉炭ホッパーから搬送気体とともに切り出された微粉炭をバーナーに供給し、バーナー先端から吹き出される微粉炭流をビデオカメラで撮影し、その広がり角度を測定した。なお、この実験では微粉炭供給量をすべて２００ｋｇ／ｔ相当に設定した。

図４は、拡径管部２１の内面の広がり角θがバーナー先端における微粉炭流の広がり角度（バーナー先端から吹き出される微粉炭流のバーナー管軸に対する広がり角度）に及ぼす影響を示している。この試験は下記のような条件で行った。なお、バーナー先速度とはバーナー先端における微粉炭流の速度（以下同様）のことである。
バーナー先速度：１６．５ｍ／ｓ
Ｄ_２／Ｄ_１：０．７
Ｄ_１／Ｄ_３：１．０
図４によれば、拡径管部２１の内面の広がり角θが７°程度までは、広がり角θが大きいほど微粉炭流の広がり角度も大きくなるが、広がり角θが７°を超えると逆に微粉炭流の広がり角度は小さくなる。これは、広がり角θがある程度大きくなると、微粉炭流が拡径管部内面の広がりに追従できず、拡径管部内面から剥離するためであると考えられる。

図５は、微粉炭流のバーナー先速度が微粉炭流の広がり角度に及ぼす影響を示している。この試験は下記のような条件で行った。
バーナー先速度：８．２ｍ／ｓ，１６．５ｍ／ｓ，２４．７ｍ／ｓの３水準
拡径管部内面の広がり角θ：７°〜１０°
Ｄ_２／Ｄ_１：０．７
Ｄ_１／Ｄ_３：１．０

図５によれば、微粉炭流のバーナー先速度が小さいほうが微粉炭流の広がり角度は大きくなる傾向が見られるが、ここでも拡径管部内面の広がり角θを１０°まで大きくすると、微粉炭流の広がり角度が低下する傾向が見られる。
以上の図４、図５の結果から、拡径管部２１の内面の広がり角θは１０°未満、好ましくは５°以上１０°未満、特に好ましくは６°〜９°であることが判った。

図６は、縮径管部２０の内面の狭まり角α（図６中に示す縮径管部内面のバーナー管軸に対する狭まり角α）が微粉炭流の広がり角度に及ぼす影響を示している。この試験は下記のような条件で行った。
バーナー先速度：８．２ｍ／ｓ，１６．５ｍ／ｓの２水準
拡径管部内面の広がり角θ：７°
Ｄ_２／Ｄ_１：０．７
Ｄ_１／Ｄ_３：１．０
図６によれば、縮径管部２０の内面の狭まり角αが大きくなると、微粉炭流の広がり角度が小さくなる傾向が見られる。したがって、Ｄ_２／Ｄ_１が同じであれば縮径管部内面の狭まり角αは可能な限り小さい方がよく、また、微粉炭流による縮径管部２０の損耗を抑える面からも好ましい。

図７は、縮径管部２０のバーナー先端寄り端部の内径Ｄ_２と同じくバーナー後端寄りの内径Ｄ_１との比Ｄ_２／Ｄ_１が微粉炭流の広がり角度に及ぼす影響を示している。この試験は下記のような条件で行った。
バーナー先速度：８．２ｍ／ｓ，１６．５ｍ／ｓの２水準
拡径管部内面の広がり角θ：７°
Ｄ_１／Ｄ_３：１．０
図７によれば、Ｄ_２／Ｄ_１が大きくなるにしたがって微粉炭流の広がり角度は小さくなる傾向があり、微粉炭流の広がり角度を確保するという観点からは、Ｄ_２／Ｄ_１≦０．８程度が好ましいことが判る。

次に、本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態について説明する。
図８〜図１３はそれぞれ本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態を示すもので、バーナー本体の縦断面を示している。
本発明の微粉炭吹き込みバーナーは、図８に示すように微粉炭吹き込み管２の縮径管部２０と拡径管部２１との間に内径が一定の等径管部２３を有する構造としてもよい。
また、本発明の微粉炭吹き込みバーナーは、微粉炭吹き込み管２の内面が上述した条件を満足すればよく、したがって、図９に示すように、微粉炭吹き込み管２は外面がストレートな形状でなくてもよい。すなわち、この実施形態では微粉炭吹き込み管２の先端側部分の管壁が等厚に構成され、したがって、縮径管部２０と拡径管部２１の外径は、それぞれの内径に応じて変化している。

図１０の実施形態は、バーナー本体の構造は図１と同様の同心２重管構造であるが、外管３ａ（外管３ａと内管２との間の流路４ａ）を冷却流体の供給管としたものであり、外管３ａの後端には冷却流体の導入口３０ａが設けられている。バーナー先端部は微粉炭の燃焼により生じる熱やレースウェイ内の赤熱コークスからの輻射熱によって溶損しやすいが、上記のような冷却流体用の流路４ａを設けた構造（冷却構造）とすることにより、バーナー先端部の溶損を効果的に抑えることができる。
このような実施形態の微粉炭吹き込みバーナーでは、バーナー先端から微粉炭流が分散状態で吹き出されることにより、微粉炭流と熱風中の酸素との接触効率が効果的に高められる。また、微粉炭吹き込み管２と外管３ａとの間の流路４ａには空気などの冷却流体が供給され、微粉炭吹き込みバーナーの先端部（特に、微粉炭吹き込み管２の先端部）が冷却される。

図１１の実施形態は、バーナー本体を同心３重管構造としたもので、図１の実施形態における外管３の外側にさらに最外管７を設け、この最外管７（最外管７と外管３との間の流路８）を冷却流体の供給管としたものであり、最外管７の後端には冷却流体の導入口７０が設けられている。なお、微粉炭吹き込み管２（内管）と酸素吹き込み管である外管３の構成は、図１の実施形態と同様である。
このような実施形態の微粉炭吹き込みバーナーでは、微粉炭吹き込み管２の先端から微粉炭流が分散状態で吹き出されるため、外管３の先端から吹き出された酸素が微粉炭流に確実に衝突して、微粉炭と酸素との混合（接触）が効率的になされる。このため酸素が微粉炭の燃焼に有効に利用され、微粉炭の燃焼率が効果的に向上する。また、上記酸素が消費された後も、微粉炭流と熱風中の酸素との接触効率が向上し、これによっても微粉炭の燃焼性が向上する。また、外管３と最外管７との間の流路８には空気などの冷却流体が供給され、微粉炭吹き込みバーナーの先端部が冷却される。

本発明の微粉炭吹き込みバーナーでは、微粉炭吹き込み管２を管壁内部に冷却流体用の流路を備えた単管構造とすることもできる。図１２は、その一実施形態を示すもので、微粉炭吹き込み管２の管壁内部には冷却流体用の流路９が設けられ、この流路９内に供給される冷却水などの冷却流体により微粉炭吹き込み管２が冷却される。前記流路９には管外から冷却流体を供給するための供給部（図示せず）と、流路９を流れた冷却流体を管外に排出するための排出部（図示せず）が設けられる。
また、バーナー本体が内管２と外管３とからなる２重管構造の場合、或いはその外側にさらに最外管７を有する３重管構造の場合には、本発明の効果が得られる限度において、外管３と内管２の長さ（２重管構造の場合）、或いは最外管７と外管３と内管２の長さ（３重管構造の場合）に、それぞれ差をつけてもよい。

また、微粉炭吹き込み管２を冷却流体用の流路９を備えた単管構造とする場合において、その先端部のみを冷却流体用の流路を備えない単管構造とすることもできる。図１３はその一実施形態を示すもので、微粉炭吹き込み管２は、冷却流体用の流路９を備えた管体部２ａと、その先に接続された冷却流体用の流路を備えない管体部２ｂと、さらにその先に最先端部として接続された冷却流体用の流路を備えない管体部２ｃとから構成され、この管体部２ｃが縮径管部２０と拡径管部２１を有している。なお、この管体部２ｃの縮径管部２０と拡径管部２１の好ましい構成（Ｄ_１〜Ｄ_３、Ｌ_１，Ｌ_２の関係など）は先に述べたとおりであり、また、管体部２ｃは図８や図９の実施形態に示すような構造とすることもできる。
このように微粉炭吹き込み管２の先端部を冷却流体用の流路を備えない単管構造とするのは、吹き込み管先端幅（径）を小さくすることにより、その下流側（熱風の流れ方向での下流側）に生じる強乱流領域が小さくなって、異物の付着・成長を抑制することができるためである。
また、冷却流体用の流路を備えない微粉炭吹き込み管先端部を、管体部２ｂと管体部２ｃとで構成したのは、先端部（管体部２ｃ）が溶損したり、異物が付着した場合に、先端部の交換を容易にするためである。

冷却流体用の流路を備えない微粉炭吹き込み管先端部（管体部２ｂ、管体部２ｃ）は直管状であってもよいが、微粉炭をブローパイプの軸方向またはこれに近い方向に噴出させるようにするため、本実施形態のように長手方向で適当な曲率で湾曲させてもよい。この場合、管体部２ｂ又は管体部２ｃのいずれか一方を湾曲させてもよいし、両方を湾曲させてもよい。本実施形態では、管体部２ｂが長手方向において適当な曲率で湾曲している。一般に、微粉炭吹き込み管２を備えた微粉炭吹き込みバーナーＡは、図２に示されるようにブローパイプを斜めに貫通して配置されるので、微粉炭吹き込み管２が直管状の場合には噴出した微粉炭がブローパイプや羽口の内面に衝突してそれらを損耗させるおそれがある。これに対して微粉炭吹き込み管先端部（本実施形態では管体部２ｂ）を適当な曲率で湾曲させることにより、微粉炭をブローパイプの軸方向またはこれに近い方向に噴出させることができ、ブローパイプや羽口内面の損耗を抑えることができる。

図１４の実施形態は、縮径管部と拡径管部を有しない単管構造の微粉炭吹き込み管に関するもので、微粉炭吹き込み管２′を冷却流体用の流路９′を備えた管体部２ｘと、その先に接続された冷却流体用の流路を備えない管体部２ｙとから構成するとともに、この管体部２ｙを長手方向において適当な曲率で湾曲させたものであり、このように管体部２ｙを湾曲させる理由は先に述べたとおりである。

次に、以上述べたような本発明の微粉炭吹き込みバーナーを用いた冶金炉内への微粉炭の吹き込み方法について説明する。
本発明による微粉炭の吹き込み方法の基本的な形態は、図２に示すように、微粉炭吹き込みバーナーＡのバーナー本体の先端側部分を冶金炉の羽口５又はこれに連設されたブローパイプ６内に挿入し、その微粉炭吹き込みバーナーＡから羽口５を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むものである。
一方、微粉炭の分散性をより高める方法としては、図１５に示すように、２本の微粉炭吹き込みバーナーＡ_１，Ａ_２のバーナー本体の先端側部分を、冶金炉の羽口又はこれに連設されたブローパイプ内（この実施形態ではブローパイプ内)に、両バーナー中心軸ｘ_１，ｘ_２の延長線が相互に交差せず、且つ両バーナー中心軸ｘ_１，ｘ_２がブローパイプ中心軸と交差しないように非対称に挿入し、両微粉炭吹き込みバーナーＡ_１，Ａ_２から羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込む方法がある。

この方法によれば、２本の微粉炭吹き込みバーナーＡ_１，Ａ_２を使用すること自体で微粉炭の分散性が高まるだけでなく、上述のように非対称に配置された両微粉炭吹き込みバーナーＡ_１，Ａ_２からの微粉炭流が互いに干渉し合うために、微粉炭流の分散性がより強化されることになり、微粉炭と導入された酸素、さらには熱風中の酸素との接触効率をより高めることができる。
なお、以上述べた本発明の微粉炭吹き込みバーナーとこれを用いた微粉炭吹き込み方法は、高炉だけでなく、スクラップ溶解炉等をはじめとする各種冶金炉に適用することができる。

［実施例１］
本発明の効果を確認するために、以下のような微粉炭の燃焼試験を実施した。
コークス充填層型の小型燃焼試験炉を用い、図１６に示す試験形態で微粉炭の燃焼試験を行い、下記(3)式に示すカーボン収支より算出される燃焼率ηを求め、微粉炭の燃焼率を評価した。
η＝｛（Rac・Ccoke−Rpc・Ccoke）／（Rpc_inj・Cpc）｝×１００ …(3)
但し Rac：燃焼ガス条件から決定される理論コークス消費量（ｋｇ／ｈ）
Rpc：微粉炭吹き込み時のコークス投入量（ｋｇ／ｈ）
Rpc_inj：微粉炭の吹き込み量（ｋｇ／ｈ）
Ccoke：コークス中カーボン含有率（mass％）
Cpc：微粉炭中カーボン含有率（mass％）

燃焼試験炉は実際の高炉の炉下部を模擬するため、羽口及びブローパイプを各１基ずつ備えており、そのブローパイプ内に管壁を貫通して微粉炭吹き込みバーナーを挿入し、微粉炭吹き込みバーナーをブローパイプ管軸に対して斜めに向けて設置した。微粉炭吹き込みバーナーの内管（微粉炭吹き込み管）は微粉炭ホッパーに微粉炭送給管を介して連結されており、微粉炭ホッパー内の微粉炭が搬送気体とともにバーナー内管を通ってブローパイプ内に供給されるようになっている。さらに、バーナーの外管は空気ラインとつながっており、所定量の酸素又は酸素富化空気が供給されるようになっている。

燃焼試験炉内に、ブローパイプを通じて１２００℃の熱風を送風しつつ、微粉炭吹き込みバーナーからブローパイプ内に微粉炭を吹き込み、微粉炭をブローパイプ内及びコークス充填層内の燃焼空間にて燃焼させた。なお、試験中は燃焼試験炉内にコークスを適宜装入し、コークス充填層レベルを一定に保った。

試験結果を、各試験条件とともに表１及び表２に示す。
表１において、本発明例１、２は、図１に示す２重管構造を有する本発明の微粉炭吹き込みバーナーを用いた例であり、本発明例３は、図１１に示す３重管構造を有する本発明の微粉炭吹き込みバーナーを用いた例である。
一方、比較例１は通常の単管構造のバーナーを用いた例、比較例２は微粉炭吹き込み管が縮径管部及び拡径管部を有しない２重管構造の従来型バーナーを用いた例、比較例３は微粉炭吹き込み管が縮径管部及び拡径管部を有する２重管構造であるが、拡径管部内面の広がり角θが本発明範囲を超えたバーナーを用いた例である。

表１によれば、本発明例１〜本発明例３は、微粉炭の燃焼率が比較例１に較べて７〜８％、比較例２に較べて４〜５％、比較例３に較べて３〜４％向上している。また、本発明例３は３重管構造のバーナーを用い、最外管から冷却用の空気を供給したため、バーナーの耐溶損性が本発明例１に較べてより改善された。
表２の実施例はＤ_１／Ｄ_３の影響を調べたものであり、いずれも図１に示す２重管構造を有する本発明の微粉炭吹き込みバーナーを用いたものである。本発明例４〜６はいずれも高い微粉炭燃焼率が得られている。

［実施例２］
内容積２８２８ｍ^３、羽口数３２本の高炉において、出銑比２．２ｔ／ｍ^３／ｄａｙ、微粉炭比１８０ｋｇ／ｔの条件で、以下のような一連の操業を行った。
従来型バーナーを用いた操業では、各羽口に従来型微粉炭吹き込みバーナーを図１５に示すような形態で２本挿入し、これら微粉炭吹き込みバーナーを用いた微粉炭の吹き込みを行った。次いで、ある時期に各羽口の微粉炭吹き込みバーナーを本発明例のものと交換し、操業を続行した。本発明例の微粉炭吹き込みバーナーとしては、図１３に示すような形態のものであって、管体部２ｃの拡径管部内面の広がり角θ：７°、Ｄ_２／Ｄ_１：０．７、Ｄ_１／Ｄ_３：１．０のものを用いた。この微粉炭吹き込みバーナーを図１５に示すような形態で各羽口に２本挿入し、これら微粉炭吹き込みバーナーを用いた微粉炭の吹き込みを行った。

図１７に、上記高炉操業における送風圧力の推移を示す。同図に示すように、本発明例の微粉炭吹き込みバーナーに切り替える前の従来型バーナーを用いた操業時には、送風圧力は約３３３ｋＰａ前後で推移しているが、本発明例の微粉炭吹き込みバーナーへの切り替え後には送風圧力が徐々に低下し、最終的には約３２３ｋＰａ前後で推移する状態になった。これは、本発明例の微粉炭吹き込みバーナーへの切り替えによって、未燃チャーの炉芯への蓄積量が減少し、これに伴い約２００ｋＰａ前後の炉頂圧力下において炉内圧力損失が約１３３ｋＰａ程度から約１２３ｋＰａまで低下し、炉内の通気性が改善されたためであると考えられる。また、炉頂ダストの顕微鏡観察により未燃チャーの排出量を測定したところ、本発明例の微粉炭吹き込みバーナーへの切り替え後は、未燃チャーの排出量が低減していた。これは、本発明例の微粉炭吹き込みバーナーへの切り替えにより微粉炭の燃焼率が向上し、未燃チャーの発生量が減少したためであると考えられる。

本発明の微粉炭吹き込みバーナーとこれを用いた微粉炭吹き込み方法は、高炉、スクラップ溶解炉等をはじめとする各種冶金炉において、羽口から炉内に多量の微粉炭を吹き込む際に用いることができる。

本発明の微粉炭吹き込みバーナーの一実施形態を示す縦断面図 図１の微粉炭吹き込みバーナーが取り付けられた高炉羽口部の縦断面図 図４〜図７の試験で用いた試験装置を模式的に示す説明図 微粉炭吹き込み管の拡径管部内面の広がり角θが、バーナー先端における微粉炭流の広がり角度に及ぼす影響を示すグラフ バーナー先端部での微粉炭流速が、バーナー先端における微粉炭流の広がり角度に及ぼす影響を示すグラフ 微粉炭吹き込み管の縮径管部内面の狭まり角αが、バーナー先端における微粉炭流の広がり角度に及ぼす影響を示すグラフ 縮径管部のバーナー先端寄り端部の内径Ｄ_２と同じくバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１との比Ｄ_２／Ｄ_１がバーナー先端における微粉炭流の広がり角度に及ぼす影響を示すグラフ 本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態における微粉炭吹き込み管先端部を示す縦断面図 本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態における微粉炭吹き込み管先端部を示す縦断面図 本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態を示す縦断面図 本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態を示す縦断面図 本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態における微粉炭吹き込み管先端部を示す縦断面図 本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態における微粉炭吹き込み管先端部を示す縦断面図 縮径管部と拡径管部を有しない単管構造の微粉炭吹き込み管を備えた微粉炭吹き込みバーナーの一実施形態において、微粉炭吹き込み管先端部を示す縦断面図 本発明の微粉炭吹き込みバーナーを用いた微粉炭の吹き込み方法の一実施形態を示すもので、(a)はブローパイプ内での微粉炭吹き込みバーナーの配置を示す平面図、(b)は同じく正面図 本発明の実施例で用いた試験設備を示す説明図 従来型の微粉炭吹き込みバーナーを使用した操業を行い、次いで本発明例の微粉炭吹き込みバーナーに切り替えて操業を行った実施例２について、送風圧力の推移を示すグラフ

符号の説明

１ バーナー本体
２ 微粉炭吹き込み管
２ａ，２ｂ，２ｃ 管体部
３，３ａ 外管
４，４ａ 流路
５ 羽口
６ ブローパイプ
７ 最外管
８ 流路
９ 流路
２０ 縮径管部
２１ 拡径管部
２２ 等径管部
２３ 等径管部
Ａ，Ａ_１，Ａ_２ 微粉炭吹き込みバーナー
ｘ_１，ｘ_２ バーナー中心軸

Claims (10)

1. 羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むための微粉炭吹き込みバーナーにおいて、
   バーナー本体を構成する微粉炭吹き込み管の先端側部分が、内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部と、該縮径管部に連なる管端部であって、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部とからなり、前記拡径管部内面の管軸に対する広がり角θが１０°未満であることを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
2. 拡径管部内面の管軸に対する広がり角θが５°以上、１０°未満であることを特徴とする請求項１に記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
3. 縮径管部と拡径管部との間に、内径が一定の等径管部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
4. 縮径管部のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１と縮径管部のバーナー先端寄り端部の内径Ｄ_２が下記（1）式を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
   ０．６≦Ｄ_２／Ｄ_１≦０．８ …（1）
5. 縮径管部のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ_１と拡径管部先端の内径Ｄ_３が下記（2）式を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
   Ｄ_１／Ｄ_３≦１．０ …（2）
6. バーナー本体が内管と外管とからなる２重管構造を有し、前記内管が微粉炭吹き込み管を構成するとともに、前記外管が支燃性ガスの吹き込み管を構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
7. バーナー本体が内管と外管とからなる２重管構造を有し、前記内管が微粉炭吹き込み管を構成するとともに、前記外管が冷却流体用の流路を構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
8. 微粉炭吹き込み管が、管壁内部に冷却流体用の流路を備えた構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
9. バーナー本体が内管と外管と最外管とからなる３重管構造を有し、前記内管が微粉炭吹き込み管を構成し、前記外管が支燃性ガスの吹き込み管を構成し、前記最外管が冷却用流体の流路を構成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の微粉炭吹き込みバーナーを用いた冶金炉内への微粉炭の吹き込み方法であって、
    微粉炭吹き込みバーナーのバーナー本体の先端側部分を冶金炉の羽口又はこれに連設されたブローパイプ内に挿入し、該微粉炭吹き込みバーナーから羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むことを特徴とする冶金炉内への微粉炭吹き込み方法。

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