JPH0723489B2 - 高炉の微粉炭吹込み用ノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、多量の微粉炭を効果的に燃焼させてコーク
ス消費量の大幅節減を可能ならしめるための、高炉への
微粉炭吹込み用ノズルに関するものである。

＜背景技術＞ 周知の如く、鉄の高炉製錬における主要燃料はコークス
である。しかし、高炉用のコークスは石炭埋蔵量の約25
％程度に過ぎない高価な粘結炭を原料としているので価
格が高く、このため一段と厳しさを増してきた鉄鋼材料
へのコスト低減要求に応じるには、コークスの消費量を
極力抑えることが必要になってきた。そのため、近年、
高炉製錬に際して各種補助燃料の羽口吹込みが実施され
るようになってきた。

振り返ると、まず1950年代から重油の吹込みが行われる
ようになり、その吹込み量は銑鉄トン当り100kgを上回
るまでになってコークスの節減に貢献してきた。ところ
が、1970年代後半以降は、重油価格が高騰したがために
重油吹き込みを実施する高炉は世界的に減少し、代って
非粘結炭を微粉砕した微粉炭の吹込みが各国高炉操業の
主流を占めるようになった。なお、このような微粉炭の
吹込みは、例えば第４図で示すように、羽口５につなが
る送風支管６に設置された微粉炭吹込み用ノズル８によ
って実施される。

しかしながら、微粉炭は粉体（固体）であるがために重
油等の液体燃料に比べて燃焼性が悪く、多量に使用する
ためには燃焼性を高めるべく ○羽口通風中の酸素濃度を高める、 ○送風温度を高める、 ○バーナーをできるだけ羽口から離れた位置に設置し、
羽口から炉内に流入するまでの間における微粉炭の燃焼
を促進する、 等の対策がとられてきた。

ところが、このような方法によって微粉炭の燃焼性を向
上させた場合には、次の如き別な問題が発生しがちだっ
たのである。即ち、微粉炭には灰分が含まれており、そ
のため送風支管から吹込まれて羽口先端に至るまでの間
に燃焼した微粉炭中の灰分が羽口内面に付着して羽口口
径の縮小を引き起こし、通風を阻害する現象を引き起こ
し易くなると共に、その付着状態も各羽口で均一とはな
らないので各羽口間への送風量分配の著しいアンバラン
スをも誘発して安定操業の遂行を阻害すると言う問題で
ある。

第５図は、上述した灰分の付着状況を示したものである
が、羽口５の内面に熱ロス防止のための断熱リングを取
付けてある場合には“イ”で示す如くに、また前記断熱
リング不使用時には“ロ”で示す如くに付着し易い。

従って、「良好でない燃焼性の故に炉内に未燃焼微粉炭
が蓄積されて安定操業が阻害される現象」や、これに対
処すべく前記の如き燃焼性改善策をとった際に生じがち
な「羽口内における燃焼熱上昇のために溶融状態となっ
た燃焼灰分が羽口内面に付着して“羽口閉塞”や“羽口
間での送風量分配の偏り”を生じ安定操業を阻害する現
象」等を引き起こすことなく微粉炭を使用するには、自
ずとその使用限界は限定されることになる。

因に、現時点では我が国の高炉における微粉炭使用量は
銑鉄トン当りで最高100kg台に止まっており、国外の高
炉においても、重油操業やオールコークス操業の条件下
では容易に達成が可能である“燃料比が500kg/t・pig
（銑鉄）以下”の条件で200kg/tを超えて微粉炭を使用
した例はみられない。

＜問題点を解決する手段＞ 本発明者等は、上述のような観点から、高炉製錬に際し
て多量の微粉炭を吹込んで効率良く燃焼させると共に、
“灰分の羽口付着”等の問題を十分に抑えつつ、コーク
ス使用量の大幅節減を可能ならしめるために種々検討を
行った結果、微粉炭を例えば200kg/t・pig以上まで多量
使用して安定に高燃料比を達成させるためには、“燃焼
性向上”と“灰分羽口内面付着防止”の双方を同時に達
成する方策がどうしても必要であるとの結論に達し、こ
れを満足させるべく 「中心の微粉炭吹出し孔を取り囲んで複数個の酸素ガス
吹出し孔を有すると共に、これら各酸素ガス吹出し孔の
少なくとも先端部の軸線がノズル前方において前記微粉
炭吹き出し孔の軸線と交わっていることを特徴とする、
高炉の微粉炭吹込み用ノズル」 を開発した。

第１図は、本発明に係る微粉炭吹込み用ノズルの例を示
す概略図であり、第１図（ａ）はその縦断面図を、第１
図（ｂ）はノズル吹き出し面の正面図を、そして、第１
図（ｃ）は第１図（ａ）におけるＡ−Ａ部に相当する断
面図をそれぞれ示している。

第１図において、微粉炭吹込み用ノズル１はその中心に
微粉炭吹込み用パイプ２を有し、その周囲に複数個の酸
素ガス吹込み用パイプ３を有して構成されており、しか
も酸素ガス吹込み用パイプ３の吹出し先端部分がノズル
中心部方向に屈折し、該部分の中心線が微粉炭吹込み用
パイプ２の中心線と微粉炭吹込み用ノズル１の前方の一
点ｐで交わるように構成されている。

ここで、ノズル先端から前記ｐ点までの距離は、短か過
ぎるとノズル先端の溶損を招く恐れが強くなり、一方長
くなり過ぎると吹込み微粉炭と酸素ガスとの混合性が悪
くなりがちであることから、好ましくは50〜500mmに設
定するのが良い。

なお、第１図に示された微粉炭吹込み用ノズルは、冷却
水流路４が設けられた水冷構造となっている例である。

そして、この微粉炭吹込み用ノズル１は、例えば第２図
に示すように高炉の羽口５につらなる送風支管６に取付
けられて使用される。

本発明において、微粉炭吹出し孔の周囲に酸素ガス吹出
し孔を複数個設置し、これら各酸素ガス吹出し孔の少な
くとも先端部の軸線をノズル前方で微粉炭吹出し孔の軸
線と交差させるように設定する理由は 吹込み微粉炭の燃焼開始位置の規定、 微粉炭の燃焼性向上、 微粉炭吹込み用ノズルの損耗防止 の３点にある。以下、この点について更に詳しく説明す
る。

即ち、微粉炭吹出し孔と酸素ガス吹出し孔とを別体と
し、その軸線がノズルの前方において始めて交差するよ
うにした理由の１つは吹込み微粉炭の燃焼開始位置を規
定することにあるが、このようなノズル構成により、微
粉炭吹出し孔から流出した微粉炭は吹出し孔軸線の交点
（第１図におけるｐ点）に至るまでの間は助燃剤である
熱風又は酸素ガスと殆んど混合しない。従って、前記ｐ
点に至るまでの間では微粉炭が燃焼することがない。

一方、微粉炭吹出し孔から流出した微粉炭が前記交点ｐ
に達すると、該微粉炭は酸素ガス吹出し孔から吹込まれ
る酸素ガスと混合するため、ここで始めて燃焼が開始す
ることとなる。

また、酸素ガスと微粉炭との混合点（前記ｐ点）以降に
おいては微粉炭は主に酸素ガス吹出し孔から吹込まれた
酸素ガスと混合するため、微粉炭の周囲は非常に酸素濃
度の高い状況となる。従って、ここでは高濃度の酸素富
化送風と同様の雰囲気が形成されるため、微粉炭の燃焼
性は十分に向上することとなる。

一般に、助燃剤中の酸素濃度を向上させれば微粉炭の燃
焼性を向上させ得ることは周知の事実であるが、本発明
者等の実験によると、送風中酸素濃度が21％の場合（空
気を送風した場合）には、従来通りに、1000℃の熱風を
使用し、送風中酸素1Nm³に対して微粉炭（固定炭素53
％，揮発分35％，灰分10％で、粒子の90％が44μ以下）
を約0.3kg程度以上燃焼させようとしたところ著しく低
い燃焼性を示したのに対して、送風中酸素濃度を31％に
すると酸素1Nm³に対して微粉炭を0.6kgまで、送風中酸
素濃度を41％にすると微粉炭を0.9kgまで、更に送風中
酸素濃度を60％に上げると微粉炭を1.4kgまで、それぞ
れ高い燃焼性の下で燃焼させることができた。しかしな
がら、高炉で１トンの銑鉄を製造するのに要する送風中
の酸素量は、燃料比が500kg/t程度である条件の場合に
は約270Nm³/tである。従って、200kg/t・pigの割合で微
粉炭を吹込もうとする場合には送風中酸素1Nm³に対する
微粉炭使用量は約0.75kgとなり、これを高燃焼率で燃焼
させるためには送風内酸素濃度を約36％にする必要があ
る。このため、高い燃焼率を確保するために富化しなけ
ればならない酸素濃度は約140Nm³/t・pigと言う高い値
となる。

ところが、この酸素を本発明に係る微粉炭吹込み用ノズ
ルを使用しその酸素吹出し孔を通じて吹込めば、酸素ガ
スと微粉炭の混合点（前述のｐ点）以降において雰囲気
中酸素濃度が100％に近い条件で微粉炭を燃焼させるこ
とが可能となる。そのため、前記実験結果のように酸素
濃度が60％の場合では酸素1Nm³に対して1.4kgの微粉炭
使用が可能なことを考慮すると、酸素量の増量なく200k
g/t・pigの微粉炭使用が可能になり、酸素使用量の節減
につながることが明らかである。

ところで、従来、高炉への重油吹込み用ノズルとして
「２重管構造であって、中心の孔から重油を吹込み、周
囲の環状スリットから酸素ガスを吹込む構造等のノズ
ル」が使用された例がある。しかし、この場合には燃料
の燃焼開始点が定まらない上、２重管構造のため内管の
燃料口と周囲の環状酸素口との隔壁の冷却が不十分であ
る等のために、火炎がノズルに近付いて隔壁が溶損され
たり、吹出される酸素ガスにより隔壁が急速酸化されて
損耗する等の問題があった。

これに対して、本発明に係る微粉炭吹込み用ノズルで
は、酸素ガスの吹込みのためにもパイプ状の複数の吹出
し孔を有していて微粉炭流路と酸素ガス流路とが完全に
分離されている上、微粉炭と酸素ガスとの混合・燃焼点
をノズル先端から離れた位置に確実に規制でき、しかも
冷却を強化させることも可能なためノズル損耗の恐れは
極力少ない。

このように、本発明に係る微粉炭吹込み用ノズルを上述
のような構成としたために、微粉炭の燃焼開始位置が規
定され、微粉炭の燃焼性が向上できるので、微粉炭の燃
焼火炎を安定化させることができる上、ノズル寿命延長
による消耗品費用の大きな削減効果が得られる。つま
り、本発明に係る微粉炭吹込み用ノズルでは、送風条件
や炉内状況に依存せず必然的に燃焼開始位置が定まり、
かつ微粉炭燃焼性が向上するので、一旦適正位置にノズ
ルをセットすれば、多少の送風条件変更を実施したとし
ても安定した火炎で微粉炭使用が可能なため、結果とし
て多量の微粉炭使用が可能となる。

これに対して、従来ノズルを使用した場合には微粉炭の
燃焼開始位置が安定化せず、かつ微粉炭のノズル先端を
できる限り羽口先端から引き込んだ位置にしなければ燃
焼性を向上させることができない。勿論、この場合に各
種送風条件に対するノズルの適正位置は存在するが、燃
焼開始温度が安定しないため火炎がノズルに接近し過ぎ
て羽口や送風支管の内面に接触し、灰分の羽口内面付着
を引き起こしたり、微粉炭が未燃焼のまま炉内に入ると
言った不都合が生じがちとなる。特に、送風条件を変更
する際には、しかるべきノズル位置の変更をも実施しな
ければ“微粉炭未燃焼”或いは“灰分の羽口付着”の問
題を必ず発生することになる。従って、微粉炭の多量使
用は非常に困難である。

続いて、本発明を実施例により具体的に説明する。

＜実施例＞ まず、1000m³級高炉の羽口を含む下部を模擬した扇形構
造の高炉下部燃焼模型を用意し、これによって微粉炭吹
込み時の燃焼試験を実施した。なお、この高炉下部燃焼
模型は１本の羽口を有したものであり、上部からコーク
スを装入してコークス充填層を形成させ、高炉と同じく
コークス充填層で燃料を燃焼試験し得る構造になったも
のである。

羽口としては、先端径135mmφのものを内径200mmφの送
風支管に設置した。

使用したコークスは商業用高炉に適用されるもの（炭素
分が88％で灰分が11％程度、平均径が20mmφ、▲DI³⁰ ₁₅
▼＝93.5％）で、微粉炭としては固定炭素53％，揮発分
35％，灰分10％，水分２％の非粘結炭を44μ以下が90％
以上となるように粉砕して用いた。

送風条件は、空気量:3000Nm³/h,送風温度:1000℃とした
が、このときの送風中酸素濃度は32.3％であった。ま
た、このときの送風支管内流速は123m/secであった。

さて、まず比較として、微粉炭吹込み口径15mmφの水冷
式微粉炭吹込み用単孔ノズルを 設置位置：ノズル先端と羽口先端とが600mm隔たり、か
つノズル先端が送風支管中心軸から30mm上方となる位
置， ノズルと送風支管中心軸の角度:20°，に設置し、空気
及び富化酸素を共に熱風炉を通して羽口から吹き込みつ
つ微粉炭を60Nm³/hの窒素で輸送して吹込み、吹込み量
と微粉炭燃焼率及び羽口内面への灰分付着状況を調査し
た。このときの微粉炭吹出し速度は94m/secであった。
なお、微粉炭燃焼率は、羽口前800mm炉内に入った位置
でダストを採取し、その残存燃焼性成分比率を微粉炭中
の燃焼性成分比率の関係から求めた。

この結果、微粉炭吹込み量が約600kg/hを超えた時点で
燃焼性が著しく低下した。

引き続き、ノズル位置を羽口先端から1mの位置まで引っ
込めてテストしたところ、この場合には微粉炭吹込み量
が約850kg/hを超えるまで良好な燃焼性が得られた。し
かし、この時には多量の灰分が羽口内面に付着し、約10
時間の後には羽口先端口径が約50mmφまで縮小して通風
不能となった。なお、この場合、微粉炭を減少させても
灰分の羽口内面付着は解消しなかった。

更にテストを続行し、灰分の羽口付着を発生させずに微
粉炭を最大限使用し得るノズル位置を調査した結果、こ
の位置は羽口先端から700mmの位置であり、この時の微
粉炭吹込み量の最高値は700kg/hとなった。

次に、本発明に係る微粉炭吹込み用ノズルを使用した場
合の状況を調べた。

この際に使用した微粉炭吹込み用ノズル（外径:65mm）
は、第３図に示す如き、微粉炭吹込み用パイプ２（内
径:15mm）を取り囲んで酸素ガス吹込み用パイプ３（内
径:8mm）を６本設け（微粉炭吹込み用パイプ２と酸素ガ
ス吹込み用パイプ３との中心距離は18.5mm）、かつノズ
ル先端から酸素ガスと微粉炭の混合点ｐまでの距離を10
0mmに設定したもので、吹込み酸素ガスの全量を酸素ガ
ス吹込み用パイプ３から吹込んでテストを実施した。こ
のとき、微粉炭吹出し速度は比較条件と同じ94m/secで
あり、酸素ガス吹出し速度は312m/secであった。

その結果は次の通りであった。

まず、ノズル先端と羽口先端との距離を0.6mに設定した
ときには灰分の羽口付着は発生せず、微粉炭を800kg/h
まで燃焼させることができた。

次いで、ノズル先端と羽口先端との間隔を1mにしたとこ
ろ、微粉炭を1000kg/hまで燃焼することができ、やはり
灰分の羽口内面付着はなかった。

続いて、ノズル先端を羽口先端から1.2mの位置まで後退
させたところ、燃焼性が更に向上して1200kg/hまでの微
粉炭を使用できたが、この場合には羽口内面に灰分が付
着する傾向が見られるようになった。

以上のように、従来のもの及び本発明に係るものの２つ
のノズルでの微粉炭吹込み操業を比較した結果、従来の
単孔ノズルでは700kg/hまでしか微粉炭を安定使用でき
なかったのに対して、本発明に係るノズルの場合には10
00kg/hと言う高い値まで微粉炭の安定使用が確保でき
た。

この結果を微粉炭比で比較すると、従来ノズルでは約17
0kg/tであるのに対し、本発明に係るノズルでは240kg/t
の微粉炭となる。即ち、同一の送風温度と酸素使用の条
件で、微粉炭使用量を40％以上増加させ得ることにな
る。

＜効果の総括＞ 上述のように、この発明によれば、高炉製錬に際し、操
業の不安定を来たすことなく補助燃料として多量の微粉
炭を使用することが可能となり、主要燃料たるコークス
の使用量を大幅に節減して鉄の製錬コスト低減が達成で
きるなど、産業上有用な効果がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る微粉炭吹込み用ノズルの例を示
す概略図であり、第１図（ａ）はその縦断面図を、第１
図（ｂ）はノズル吹き出し面の正面図を、そして第１図
（ｃ）は第１図（ａ）におけるＡ−Ａ部に相当する断面
図をそれぞれ示す。 第２図は、送風支管への本発明に係る微粉炭吹込み用ノ
ズルの取付け例を示す概念図である。 第３図は、実施例で使用した本発明に係る微粉炭吹込み
用ノズルの概略図であり、第３図（ａ）はその縦断面図
を、第３図（ｂ）はノズル吹き出し面の正面図ををそれ
ぞれ示す。 第４図は、高炉操業における従来の微粉炭吹込み状態を
示す概念図である。 第５図は、羽口内面付近への灰分付着状況を示す概念図
である。 図面において、 1,8…微粉炭吹込み用ノズル、２…微粉炭吹込み用パイ
プ、３…酸素ガス吹込み用パイプ、４…冷却水通路、５
…羽口、６…送風支管、７…高炉壁、イ，ロ…付着灰
分。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心の微粉炭吹出し孔を取り囲んで複数個
   の酸素ガス吹出し孔を有すると共に、これら各酸素ガス
   吹出し孔の少なくとも先端部の軸線がノズル前方におい
   て前記微粉炭吹き出し孔の軸線と交わっていることを特
   徴とする、高炉の微粉炭吹込み用ノズル。