JP5550664B2

JP5550664B2 - 溶解炉

Info

Publication number: JP5550664B2
Application number: JP2012004634A
Authority: JP
Inventors: 勝啓立入; 博敏村田
Original assignee: Naniwa Roki Co Ltd
Current assignee: Naniwa Roki Co Ltd
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP2013145062A

Description

本発明は、溶解炉に関する。

従来、鉄を溶解する溶解炉として、石炭コークスを燃料とする溶解炉が使用されている（特許文献１参照）。
特許文献１記載の溶解炉は、円筒形状のシャフト炉で被溶解原料と石炭コークスを交互に装入し、羽口から炉内に送り込まれた空気で石炭コークスを燃焼させて、雰囲気が高温（６００℃以上）に達する過熱帯を形成し、被溶解原料を溶解していた。

しかし、特許文献１記載の溶解炉は、ＣＯ_２排出量が多く、また、粉塵発生量や硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）の排出量も多く環境対策に費用がかかるデメリットがある。

近年、地球環境問題は、より一層深刻なものになっており、温室効果ガスの削減や、将来的に予想される化石燃料の枯渇を見据え、エネルギー資源の確保とクリーン且つ再生可能なエネルギーの開発が急務となっている。そこで、石炭コークスの代替燃料として、バイオマス固形燃料（バイオコークス）の利用が注目を浴びている（特許文献２参照）。

特開２００５−９０７９２号公報特許第４０８８９３３号公報

しかし、従来の溶解炉は、バイオマス固形燃料の利用が至難であると考えられていた。その理由は、図４に示すように、バイオマス固形燃料は、常温では石炭コークス以上の破壊強度を有するが、高温での炭化後は（木炭と同様に）脆く強度がないため、上からの圧縮荷重により崩壊（圧潰）してしまう虞れがあり、さらに、従来の溶解炉にバイオマス固形燃料（バイオコークス）を炉頂投入した場合、バイオマス固形燃料は高温の炉頂ガスにより予熱帯でガス化或いは酸化燃焼して灰となり分解・粉砕してしまう虞れがあったためである。即ち、バイオマス固形燃料が炉内の過熱帯での燃焼に有効に働かず、従って、バイオマス固形燃料を溶解炉に適用することは至難であった。

そこで、本発明は、バイオマス固形燃料の有効利用を可能として、エネルギー効率良く安定して被溶解原料を溶解する溶解炉を提供することを目的とする。

本発明に係る溶解炉は、内部に堆積した石炭コークスを燃焼させる鉛直円筒型の炉本体を備え、該炉本体の過熱帯に対応した側壁部の高さ位置に、バイオマス固形燃料を燃焼させてバイオマス燃焼熱を供給するバイオマス燃焼装置を複数個配設し、上記バイオマス燃焼装置は、先端部に吹出口を有すると共に長手方向中間部から該先端部にわたってバイオマス固形燃料を収納するための筒状バーナー本体を備え、該筒状バーナー本体内の上記バイオマス固形燃料を加熱して燃焼を継続させるための加熱燃焼空気を供給する熱風供給管を、上記筒状バーナー本体の上記中間部の上記先端部近傍に連通連結しているものである。

また、上記バイオマス固形燃料は、植物由来のバイオマス原料を高圧で圧縮すると共に所定温度に加熱して高硬度に結合させた短円柱形状乃至円形盤状のバイオコークスから成るものである。
また、上記バイオマス燃焼装置は、上記筒状バーナー本体を所定の傾斜角度をもって内方下傾状とし、その傾斜角度が、２５°〜６０°に設定されているものである。
また、上記バイオマス燃焼装置の配設高さ位置は、羽口の配設高さ位置とほぼ同じ、又は、羽口の配設高さ位置よりも上方であるものである。

本発明の溶解炉によれば、バイオマス固形燃料に過度の圧縮荷重をかけることなく保持しつつ炉本体の過熱帯の高さ位置に直接にバイオマス燃焼熱を供給することができ、バイオマス燃焼熱を被溶解原料の溶解に有効利用して安定した操業が可能となり、上方から投入する石炭コークスの量を減少できる。即ち、石炭コークスの消費量を少なく抑えて燃料コストを削減すると共に、バイオマス固形燃料のカーボンニュートラルな性質によって温室効果ガスの発生を抑制することができる。

本発明の実施の一形態を示した断面正面図である。要部拡大断面正面図である。炉本体内の温度分布を示したグラフ図であり、横軸は温度であり、縦軸は炉本体内の高さ方向の区分である。石炭コークス及びバイオマス固形燃料の圧縮強度を示すグラフ図であり、横軸は温度であり、縦軸は荷重に対する圧縮強さを示している。

以下、実施の形態を示す図面に基づき本発明を詳説する。
図１に示すように、本発明の溶解炉は、内部に堆積した石炭コークスＣを燃焼させる鉛直円筒型の炉本体１を備え、炉本体１の過熱帯１１に対応した側壁部５の高さ位置に、バイオマス固形燃料Ｂを燃焼させてバイオマス燃焼熱を供給するバイオマス燃焼装置３，３を複数個配設している。

炉本体１は、燃焼空気を供給するための複数の羽口６，６を有する円筒形状の側壁部５と、上方開口状の投入口１４を有する天井壁部７と、円筒形状の側壁部５の下方開口部を施蓋すると共に湯化した被溶解原料Ａを排出するための出湯口１５に向けて次第に下傾状の炉床１６を有する炉底部８とを、備えている。炉本体１内には、炉床１６上に積み上げられたコークスベッド堆積層２と、コークスベッド堆積層２の上方に敷設され被溶解原料Ａの層と石炭コークスＣの層を交互に積層する縞状堆積層９とを、積層している。このコークスベッド堆積層２と縞状堆積層９に於て、石炭コークスＣは、燃焼ガス或いは空気が通過する空隙を形成している。また、炉本体１は、側壁部５と天井壁部７との境界近くに側方開口状の排気ガス排出口１７を有している。羽口６は、夫々、図示省略のブロワに連結されており、このブロワから送られてくる空気が供給されている。なお、ブロワと羽口６との間には、例えば、排ガスを燃焼する燃焼室と、該燃焼室からの高温の排ガスの熱にて常温の空気を高温の空気に熱交換する熱交換器とを、具備するも好ましい。

図１と図３に於て、炉本体１の内部を被溶解原料Ａの熱状態により区分すると、被溶解原料Ａと石炭コークスＣが交互に積まれた縞状堆積層９に於て、その上方部には、被溶解原料Ａが予熱される予熱帯１３を形成し、縞状堆積層９の下部のコークスベッド堆積層２との境界付近は、被溶解原料Ａが溶解される溶解帯１２を形成している。さらに、コークスベッド堆積層２に於て、燃焼空気が供給される羽口６の高さ位置よりも上方には、被溶解原料Ａが過熱される過熱帯１１を形成し、羽口６の高さ位置よりも下方は、湯化した被溶解原料Ａが溜まる湯だまり帯１０を形成している。図３のグラフに示すように、炉本体１内の温度は、予熱帯１３では下方に向かうにつれて約５００℃〜１３００℃まで緩やかに上昇し、溶解帯１２では１４００℃〜１６００℃に急激に上昇し、過熱帯１１で１６００℃〜１８００℃の高温のピークＰに達した後、湯だまり帯１０で５００℃以下まで下降する分布となる。

図２に示すように、バイオマス燃焼装置３は、先端部３Ａに吹出口３０を有すると共に長手方向中間部３Ｃから先端部３Ａにわたってバイオマス固形燃料Ｂを収納するための筒状バーナー本体３１を備え、筒状バーナー本体３１内のバイオマス固形燃料Ｂを加熱して燃焼を継続させるための加熱燃焼空気Ｈを供給する熱風供給管４を、筒状バーナー本体３１の中間部３Ｃの先端部３Ａ近傍に連通連結している。
バイオマス燃焼装置３は、炉本体１の側壁部５に外方上傾状に突設された取付用筒部１Ａに取付けられている。バイオマス燃焼装置３の先端部３Ａは、短寸肉厚の円筒形状の耐火物から成り、筒状バーナー本体３１内部のバイオマス固形燃料Ｂが圧潰しないように保持している。バイオマス燃焼装置３は、先端部３Ａの吹出口３０から吹出熱風Ｆを噴射しており、その吹出口３０が炉本体１の中心方向（内方）に向き、やや下傾状となるように配設されている。

熱風供給管４は、ヒーター３２を有し、図外のブロワから供給される空気を３００℃〜７００℃に加熱して、着火用・燃焼継続用の加熱燃焼空気Ｈとして筒状バーナー本体３１内に供給可能に構成されている。この熱風供給管４から供給される加熱燃焼空気Ｈの温度が３００℃未満ならば、バイオマス固形燃料Ｂが着火しない虞れがあり、好ましくは、４５０℃〜６００℃に設定するのが良い。

バイオマス燃焼装置３は、熱風供給管４よりも基端部３Ｂ側にバイオマス固形燃料Ｂを補給する燃料投入筒部３３を連通連結している。燃料投入筒部３３は、第１投入弁２１と、第２投入弁２２を有している。、第１投入弁２１と第２投入弁２２は、交互に開閉するように設定され、筒状バーナー本体３１内の熱気の逆流を防止しつつバイオマス固形燃料Ｂを間欠的に筒状バーナー本体３１内に送り込めるように構成されている。
また、バイオマス燃焼装置３は、基端部３Ｂの燃料投入筒部３３から補給されたバイオマス固形燃料Ｂを先端部３Ａ側に押し込むと共に中間部３Ｃにバイオマス固形燃料Ｂが所定量残留しているか否かを検知するための押込み手段３４を有している。

バイオマス燃焼装置３の吹出口３０には、バイオマス固形燃料Ｂを筒状バーナー本体３１内に保持する蓋部材３８が取付けられている。蓋部材３８は、吹出口３０から噴射する吹出熱風Ｆを通過させる格子状窓部を有している。格子状窓部の目は、縦横の間隔寸法が、３０ｍｍ以下に設定されている。格子状窓部の縦横の間隔寸法が、３０ｍｍを越えると、十分に燃焼しないまま吹出口３０から排出されるバイオマス固形燃料Ｂの量が多くなり、バイオマス燃焼装置３の燃焼効率が低下する虞れがある。

バイオマス固形燃料Ｂは、植物由来のバイオマス原料を高圧で圧縮すると共に所定温度に加熱して高硬度に結合させた短円柱形状乃至円形盤状のバイオコークスから成る。
バイオマス固形燃料Ｂの原料としては、例えば、木屑、飲料カス、豆腐オカラ、焼酎カス、牛糞、鶏糞、豚糞、バイオマス系廃棄物（ＲＰＦ，ＲＤＦ）を利用することができる。バイオマス固形燃料Ｂは、これらの原料をシリンダー型の金型内に入れて高圧で圧縮しつつ所定温度に加熱することで、主要成分であるセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの化学結合を変化させて高硬度に結合させて、短円柱形状の固形燃料（バイオコークス）とされている。なお、バイオマス固形燃料Ｂは、炭化していない。バイオマス固形燃料Ｂは、直径が、２０ｍｍ〜１２０ｍｍに設定され、長さ寸法が、３０ｍｍ〜２００ｍｍに設定されている。好ましくは、バイオマス固形燃料Ｂの直径が、８０ｍｍ〜１２０ｍｍに設定され、長さ寸法が、３０ｍｍ〜５０ｍｍに設定された円形盤状とするのが好ましい。なお、直径が、２０ｍｍ以上でかつ８０ｍｍより小さく設定され、長さ寸法が、５０ｍｍより大きく２００ｍｍ以下に設定されたものを短円柱形状（丸太状）とし、バイオマス固形燃料Ｂが短円柱形状であって良いものとする。

バイオマス固形燃料Ｂは、燃焼により発生するＣＯ_２が光合成により同量吸収されるため、ＣＯ_２排出量を増加させないカーボンニュートラルな性質を有している。また、硫黄分をほとんど含まないので硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）の排出がなく、環境に優しい燃料である。バイオマス固形燃料Ｂは、化学式Ｃ_ｎＨ_ｍＯ_ｐで示され、石炭や石油等のＣＯ_２を多く排出する化石燃料に匹敵する発熱量を有している。バイオマス固形燃料Ｂは、常温〜２００℃までは、加熱されるのみで発熱反応は生じない。２００℃〜６００℃位までは、熱分解によるガス化でＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２を発生しながら発熱する。バイオマス固形燃料Ｂは、６００℃以上の高温下に於て、固体表面反応して燃焼して、大きな熱量を得ることができる。つまり、バイオマス固形燃料Ｂは、６００℃以上の雰囲気に於て、化石燃料の代替燃料としての真価を発揮する。

バイオマス燃焼装置３は、筒状バーナー本体３１を所定の傾斜角度θをもって内方下傾状とし、その傾斜角度θが、２５°〜６０°に設定されている。
筒状バーナー本体３１の傾斜角度θが、２５°未満ならば、バイオマス固形燃料Ｂの送りがスムーズに行われず途中で詰まってしまう虞れがあり、６０°を越えると、ガス化終了後のバイオマス固形燃料Ｂに過度の圧縮荷重がかかり崩壊（圧潰）してしまう虞れがある。より好ましくは、３５°〜４０°に設定するのが好適である。なお、本発明に於て、「傾斜角度θ」とは、水平線Ｌ_０に対して、筒状バーナー本体３１の軸心線Ｌ_１が成す角度をいうものとする（図１参照）。

バイオマス燃焼装置３の配設高さ位置は、羽口６の配設高さ位置とほぼ同じ、又は、羽口６の配設高さ位置よりも、上方である。
炉本体１の内部に於て、羽口６の高さ位置を含む上方位置に、過熱帯１１が形成されており、バイオマス燃焼装置３は、この炉本体１内の過熱帯１１に、直接にバイオマス燃焼熱を供給するように配設されている。なお、バイオマス燃焼装置３と羽口６は、炉本体１の周方向に交互にずらして配設するのが望ましい。

上述した本発明の溶解炉の使用方法（作用）について説明する。
図１と図２に示すように、バイオマス燃焼装置３の内部でバイオマス固形燃料Ｂを燃焼させてバイオマス燃焼熱を発生させ、吹出熱風Ｆとして炉本体１に供給し、投入口１４から投入されて形成されたコークスベッド堆積層２上部の石炭コークスＣを加熱して燃焼させ、過熱帯１１を形成する。

バイオマス燃焼装置３に於て、バイオマス固形燃料Ｂは、熱風供給管４からの高温（３００℃〜７００℃）の加熱燃焼空気Ｈによって着火され、ガス化しつつ燃焼する。このガス化による燃焼の後、チャー燃焼しつつ崩壊を始め、バイオマス固形燃料Ｂは、細かな小片状となって、加熱燃焼空気Ｈの圧力によって炉本体１内に向けて噴射する吹出熱風Ｆと一緒に、小片状のバイオマス固形燃料Ｂが炉本体１内に吹き込まれる。炉本体１の過熱帯１１には、バイオマス燃焼装置３内でバイオマス固形燃料Ｂが燃焼することにより発生するバイオマス燃焼熱が供給され、かつ、小片状のバイオマス固形燃料Ｂが吹き込まれることにより、石炭コークスＣの空隙で小片状のバイオマス固形燃料Ｂが燃焼して、（単に石炭コークスＣを燃焼した場合よりも）大きな熱量が発生する。つまり、本発明の溶解炉は、バイオマス燃焼装置３内で燃焼させるバイオマス固形燃料Ｂの熱量を利用して、石炭コークスＣの消費量を減少させることができるのである。

バイオマス燃焼装置３は、所定の傾斜角度θをもって内方に下傾しているため、後から補給されるバイオマス固形燃料Ｂが自重によりコロコロと転がって先端部３Ａ側に順次送られてくる。あるいは、押込み手段３４によって、バイオマス固形燃料Ｂを先端部３Ａ側に押し込んで順次搬送するも良い。バイオマス固形燃料Ｂは、燃焼するのに伴って崩壊し消費されるが、押込み手段３４によってバイオマス燃焼装置３の中間部３Ｃにバイオマス固形燃料Ｂが所定量収納されていないことを検知すると、燃料投入筒部３３からバイオマス固形燃料Ｂの補給を受けて、（自動的に）先端部３Ａの吹出口３０側に搬送されるため、熱風供給管４からの加熱燃焼空気Ｈにより燃焼するバイオマス固形燃料Ｂが適正量に維持される。

なお、本発明は、設計変更可能であって、例えば、バイオマス燃焼装置３は、熱風供給管４よりも先端部３Ａ側に燃料投入筒部３３を配設しても良い（図示省略）。

以上のように、本発明に係る溶解炉は、内部に堆積した石炭コークスＣを燃焼させる鉛直円筒型の炉本体１を備え、炉本体１の過熱帯１１に対応した側壁部５の高さ位置に、バイオマス固形燃料Ｂを燃焼させてバイオマス燃焼熱を供給するバイオマス燃焼装置３，３を複数個配設したので、バイオマス固形燃料Ｂに過度の圧縮荷重をかけることなく保持しつつ炉本体１の過熱帯１１の高さ位置にて燃焼させることができ、バイオマス燃焼熱を被溶解原料Ａの溶解に有効利用して安定した操業が可能となり、上方から投入する石炭コークスＣの量を減少できる。即ち、石炭コークスＣの消費量を少なく抑えて燃料コストを削減すると共に、バイオマス固形燃料Ｂのカーボンニュートラルな性質によって温室効果ガスの発生を抑制することができる。言い換えれば、従来から溶解炉への適用が不可能であると考えられていたバイオマス固形燃料Ｂを、本発明をもってすれば溶解炉に石炭コークスＣの代替燃料として有効に活用することができる。

また、バイオマス燃焼装置３は、先端部３Ａに吹出口３０を有すると共に長手方向中間部３Ｃから先端部３Ａにわたってバイオマス固形燃料Ｂを収納するための筒状バーナー本体３１を備え、筒状バーナー本体３１内のバイオマス固形燃料Ｂを加熱して燃焼を継続させるための加熱燃焼空気Ｈを供給する熱風供給管４を、筒状バーナー本体３１の中間部３Ｃの先端部３Ａ近傍に連通連結しているので、バイオマス固形燃料Ｂを適正な温度で加熱して確実に燃焼させることができ、バイオマス燃焼装置３内でバイオマス固形燃料Ｂを継続的に燃焼させることができ、吹出口３０から噴射される吹出熱風Ｆを安定して高温に保持することができる。特に、加熱燃焼空気Ｈの温度を４５０℃〜６００℃に設定すれば、バイオマス固形燃料Ｂを確実に着火させ、バイオマス燃焼熱を有効利用できる。

また、バイオマス固形燃料Ｂは、植物由来のバイオマス原料を高圧で圧縮すると共に所定温度に加熱して高硬度に結合させた短円柱形状乃至円形盤状のバイオコークスから成るので、石炭コークスＣや石油等のＣＯ_２を多く排出する化石燃料に匹敵する発熱量を確保でき、かつ、カーボンニュートラルな性質であるためＣＯ_２排出量を増加させることがなく、また、硫黄分をほとんど含まないので硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）の排出がなく、化石燃料の代替燃料として地球環境の保全に貢献できる。

また、バイオマス燃焼装置３は、筒状バーナー本体３１を所定の傾斜角度θをもって内方下傾状とし、その傾斜角度θが、２５°〜６０°に設定されているので、バイオマス固形燃料Ｂに過度の圧縮荷重をかけて崩壊させることなく燃焼させることができ、かつ、バイオマス固形燃料Ｂをスムーズに送ることができる。

また、バイオマス燃焼装置３の配設高さ位置は、羽口６の配設高さ位置とほぼ同じ、又は、羽口６の配設高さ位置よりも上方であるので、バイオマス燃焼熱を、炉本体１の過熱帯１１に対応した高さ位置にて確実に供給できる。

１炉本体
３バイオマス燃焼装置
３Ａ先端部
３Ｃ中間部
４熱風供給管
５側壁部
６羽口
１１過熱帯
３０吹出口
３１筒状バーナー本体
Ｂバイオマス固形燃料
Ｃ石炭コークス
θ 傾斜角度
Ｈ加熱燃焼空気

Claims

内部に堆積した石炭コークス（Ｃ）を燃焼させる鉛直円筒型の炉本体（１）を備え、該炉本体（１）の過熱帯（１１）に対応した側壁部（５）の高さ位置に、バイオマス固形燃料（Ｂ）を燃焼させてバイオマス燃焼熱を供給するバイオマス燃焼装置（３）（３）を複数個配設し、
上記バイオマス燃焼装置（３）は、先端部（３Ａ）に吹出口（３０）を有すると共に長手方向中間部（３Ｃ）から該先端部（３Ａ）にわたってバイオマス固形燃料（Ｂ）を収納するための筒状バーナー本体（３１）を備え、該筒状バーナー本体（３１）内の上記バイオマス固形燃料（Ｂ）を加熱して燃焼を継続させるための加熱燃焼空気（Ｈ）を供給する熱風供給管（４）を、上記筒状バーナー本体（３１）の上記中間部（３Ｃ）の上記先端部（３Ａ）近傍に連通連結していることを特徴とする溶解炉。
上記バイオマス固形燃料（Ｂ）は、植物由来のバイオマス原料を高圧で圧縮すると共に所定温度に加熱して高硬度に結合させた短円柱形状乃至円形盤状のバイオコークスから成る請求項１記載の溶解炉。
上記バイオマス燃焼装置（３）は、上記筒状バーナー本体（３１）を所定の傾斜角度（θ）をもって内方下傾状とし、その傾斜角度（θ）が、２５°〜６０°に設定されている請求項１又は２記載の溶解炉。
上記バイオマス燃焼装置（３）の配設高さ位置は、羽口（６）の配設高さ位置とほぼ同じ、又は、羽口（６）の配設高さ位置よりも上方である請求項１，２又は３記載の溶解炉。