JPH11315310A

JPH11315310A - 高炉への微粉炭吹き込み方法

Info

Publication number: JPH11315310A
Application number: JP13423098A
Authority: JP
Inventors: Michitaka Sato; 道貴佐藤; Ryota Murai; 亮太村井; Tatsuro Ariyama; 達郎有山
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】微粉炭吹き込み後の燃焼性を全空間に亘って
維持し、高い燃焼率を得る微粉炭吹き込み方法を提供す
る。【解決手段】微粉炭燃焼炉３の中にはコークス充填層
５が設けられ、コークスが充填されている。そして、微
粉炭燃焼炉３の炉壁の一部に羽口６が設けられ、羽口６
にはブローパイプ４が連結されている。ブローパイプ４
を介して羽口６から微粉炭燃焼炉３中に高温空気が吹き
込まれると共に、ランス１、２からキャリアガスと共に
微粉炭が吹き込まれる。この微粉炭は、微粉炭切り出し
ホッパ９から微粉炭供給管１０を介してランス１、２ま
でキャリアガスにより搬送される。各ランス１、２は、
その中心軸の延長線が交差するようにしてブローパイプ
４に挿入し、かつ、各ランス１、２の中心軸の延長線の
交点と、各ランス１、２の先端との距離が10〜40mmとな
るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高炉において、羽
口部から微粉炭を炉内に吹き込む方法に関するものであ
り、更に詳しくは、微粉炭吹き込み後の燃焼性を全空間
に亘って維持し、高い燃焼率を得ることができる微粉炭
吹き込み方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】微粉炭吹き込みは、コークスとの価格差
に基づくコストメリットが大きいことから多くの高炉で
採用され、経済性向上に大きく寄与している。近年は、
コークス炉の炉命延長の観点からもその重要性が再認識
され、ますます多量吹き込みが指向されるようになって
きている。

【０００３】高炉内に吹き込む微粉炭量を増していく
と、種々の問題点が顕在化してくるが、その内の一つに
未燃チャーが炉内に排出されることに起因する問題があ
る。すなわち、微粉炭吹き込み量を増すに従って酸素過
剰係数が低下するため、微粉炭の燃焼量（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が多
量に炉内に排出される。この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もあ
るが、炉内消費量には自ずと限界値が存在するので、消
費限界値以上にチャーが発生すると、ダストとして炉頂
から排出されて置換率の低下や燃料比上昇を招く恐れが
ある。加えて、未燃チャーが炉芯や融着帯根部に蓄積す
ると、通気・通液性の阻害による炉況不安定や生産性低
下の原因となる。

【０００４】そこで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量限
界以下に抑えることが不可欠であり、このためにはレー
スウェイ部における微粉炭の燃焼率を一層向上させるこ
とが必要である。

【０００５】通常の微粉炭吹き込み操業では、微粉炭吹
き込み用の単管ランス先端部をブローパイプ内に突出さ
せ、ランス先端の開孔部から吹き込む方法が一般的であ
る。しかしながら、この方法では、一本のランスから全
量の微粉炭を噴出させるため、ランスから噴出直後の固
体濃度が高く、また、熱風の慣性力も大きいことから、
微粉炭は径方向にはあまり拡散しない。このため、微粉
炭と熱風との混合および酸素との接触効率が低く、固体
の昇温が遅れるという問題点がある。また、燃焼の進行
に伴い微粉炭周囲の酸素が急激に消費され、微粉炭周囲
は酸素不足の状態となるが、熱風は基本的に一方向流れ
であるため酸素の拡散も容易でなく、燃焼率上昇も見込
めないという欠点がある。

【０００６】このような問題を解決する手段として、ラ
ンスを２重管構造とし、酸素と微粉炭の接触効率を向上
させる方法の開発が行われている。例えば特開平２−２
１３４０６号公報、特開平６−１００９１２号公報に
は、同心２重管ランスの内側に微粉炭、外部に酸素ある
いは酸素と空気の混合物（酸素富化空気）を流し、微粉
炭周囲の酸素濃度を高めることによって燃焼速度の向上
と酸素不足の問題の解消を図る技術が開示されている。
また、特開平１−９２３０４号公報には、酸素の導入効
率を高めるため、ランスを３重管構造とし、最外管は水
冷し、微粉炭を最内管に流し、その回りを取り囲むよう
に配置した複数個のノズルから酸素を微粉炭に向かって
噴出させる方法が開示されている。

【０００７】一方、羽口１個につきランスを２本設置す
る、いわゆるダブルランス化によって燃焼性を向上させ
る試みもなされている。たとえば、鉄と鋼 vol.80(199
4), P228 によれば、単管のランスを２本ブローパイプ
内に挿入し、各ランスから吹き込み微粉炭量の半量ずつ
を吹き込む実験が実施されている。この方法では微粉炭
の噴出起点を複数個にできるため、吹き込み直後から微
粉炭をより広い空間領域に分布させることが可能で、比
較的均一な分散性が達成される。このため微粉炭と熱風
中の酸素との接触効率が高まり、それによって昇温が行
われると共に揮発分の熱分解が速まり、結果的に燃焼が
速く進行して高い燃焼率を達成できるとされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
２−２１３４０６号公報、特開平６−１００９１２号公
報に記載される方法は、微粉炭とガス（酸素あるいは酸
素と空気の混合物）を一本のランスから全量吹き込み、
かつガスは微粉炭を取り囲むように流す方法であるた
め、導入したガスは微粉炭と混合する前に周囲の熱風と
急速に混合し、微粉炭近傍の酸素濃度を高める効果が半
減してしまう可能性がある。また仮に、微粉炭と混合で
きたとしても、導入した高濃度酸素が消費されるまでの
初期の燃焼性は向上するが、それ以降では、鉄と鋼 vo
l.80(1994), P228 に記載される方法とは異なり、微粉
炭の分散性を本質的に向上させることはできない。よっ
て、熱風中の酸素を燃焼に有効に利用することができ
ず、燃焼性が抑制されるという問題点を有する。

【０００９】特開平１−９２３０４号公報に記載される
方法は、酸素を微粉炭に向かって噴出させるため比較的
効率良く微粉炭に酸素を導入することができるが、酸素
は最外管により水冷されているため、導入酸素自身の冷
却効果により微粉炭の昇温遅れが生じる等の問題を有す
る。

【００１０】また、鉄と鋼 vol.80(1994), P228に記載
される方法は、微粉炭の分散性の改善による熱風中酸素
の利用効率には優れているものの、燃焼中の微粉炭粒子
をミクロ的に見ると、基本的には粒子群として存在す
る。よって、粒子群内部に十分に酸素を供給して燃焼速
度を向上させるためには、さらに粒子群そのものの分散
性を改善する必要がある。

【００１１】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、微粉炭吹き込み後の燃焼性を全空間に亘って維
持し、高い燃焼率を得る微粉炭吹き込み方法を提供する
ことを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、微粉炭吹き込みランスを用いて高炉に
微粉炭を吹き込む方法であって、２本のランスを、各ラ
ンスの中心軸の延長線が交差するようにしてブローパイ
プに挿入し、かつ、各ランスの中心軸の延長線の交点
と、各ランスの先端との距離が10〜40mmとなるようにす
ることを特徴とする高炉への微粉炭吹き込み方法（請求
項１）である。

【００１３】このような配置により、２本の微粉炭主流
線同士はランスから射出された直後に完全に衝突し、相
互の微粉炭の持つ運動エネルギーにより微粉炭粒子を高
度に分散および散乱させることができる。

【００１４】ランスの中心軸の交点を、各々のランス先
端から10mm以上とする理由は、10mm未満の場合、片側の
ランスから射出された微粉炭が他方のランスを直撃し、
機械的摩耗によるランス破損に至る可能性が高いためで
ある。

【００１５】また、40mm以下とするのは、これを超える
と衝突までの微粉炭の移動距離が長く、衝突するまでに
微粉炭流れが拡がってしまい、この結果、衝突の確率が
低下し、衝突による散乱効果が大きく低減するためであ
る。この場合には、微粉炭流れ自体の空間内における分
散性は向上できるが、上述のような運動エネルギー利用
による分散の駆動力がないため、粒子群をさらに一つ一
つの粒子まで分散させて、酸素との接触効率を上昇させ
ることはできない。

【００１６】本手段によれば、ランスから吹き込み直後
の微粉炭同士を相互に衝突させることにより、微粉炭の
分散性が向上でき、酸素との接触効率が大幅に改善され
る結果、燃焼率を大きく向上させることができる。

【００１７】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、前記ランスの先端における微
粉炭吹き込みガスの線流速を30〜60m/sとすることを特
徴とするもの（請求項２）である。

【００１８】微粉炭吹き込みガスの線流速を30m/s以上
とする理由は、30m/s未満の場合は、微粉炭の運動エネ
ルギーが不十分なため、微粉炭流れ同士が衝突しても、
十分な分散効果が発現されにくくなるためである。ま
た、60m/s以下とする理由は、60m/sを越える条件では微
粉炭の流れが極端に乱れ、ブローパイプ壁への微粉炭の
直撃、またはアッシュの付着が顕著になって、安定した
操業を持続しにくくなるためである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態の例を図
１により説明する。図１は、本発明で使用するランスの
配置の例を示す図である。図１において、１、２はラン
スを示す。

【００２０】ランス１とランス２の２本を含む平面をｘ
−ｙ平面とし、ｘ軸方向をブローパイプの軸方向にと
る。そして、それぞれのランスの挿入角度をθ1とθ2と
する。また、ランス１の先端を原点とし、ランス２の先
端座標を（x, y）とする。２つのランス１、２の中心軸
の交点（x_p, y_p）は、 x_p = (y+xtanθ2) / (tanθ1+tanθ2) y_p = tanθ1(y+xtanθ2) / (tanθ1+tanθ2) であり、この交点は各々のランス先端から10mm以上、40
mm以下である条件から、 10≦(x_p ²+y_p ²)^1/2≦40 10≦{(x_p-x)²+(y_p-y)²}^1/2≦40 が成立する。従って、ランス２の先端座標（x, y）の条
件は、 y≧-xtanθ2+10 (tanθ1+tanθ2)/(1+tan²θ1)^1/2 y≦-xtanθ2+40 (tanθ1+tanθ2)/(1+tan²θ1)^1/2 y≧-xtanθ1+10 (tanθ1+tanθ2)/(1+tan²θ1)^1/2 y≦-xtanθ1+40 (tanθ1+tanθ2)/(1+tan²θ1)^1/2 を全て満たす領域となる。図１の斜線部はこれらの範囲
を図示したもので、ランス２の先端がこの範囲内にある
ことが、請求項１に係る発明の条件となる。ブローパイ
プ内の空間を最大限に有効利用すること、あるいはアッ
シュ付着防止の観点から、交点のｙ座標y_pはブローパイ
プの中心軸の周辺にあることが望ましい。

【００２１】

【実施例】微粉炭の燃焼実験を微粉炭燃焼炉を用いて行
った。実験に用いた微粉炭燃焼炉の概要を図２に示す。
図２において、１、２はランス、３は微粉炭燃焼炉、４
はブローパイプ、５はコークス充填層、６は羽口、７は
ランスガイド管、８はサンプリングプローブボックス、
９は微粉炭切り出しホッパ、１０は微粉炭供給管であ
る。

【００２２】微粉炭燃焼炉３の中にはコークス充填層５
が設けられ、コークスが充填されている。そして、微粉
炭燃焼炉３の炉壁の一部に羽口６が設けられ、羽口６に
はブローパイプ４が連結されている。ブローパイプ４を
介して羽口６から微粉炭燃焼炉３中に高温空気（実験に
おいては擬似空気）が吹き込まれると共に、ランス１、
２からキャリアガスと共に微粉炭が吹き込まれる。この
微粉炭は、微粉炭切り出しホッパ９から微粉炭供給管１
０を介してランス１、２までキャリアガスにより搬送さ
れる。

【００２３】ブローパイプ４の内径は90mm、羽口４の内
径は65mmとした。ランス1、２は、ブローパイプ４の上
下部に斜め45°に設けられたランスガイド管５からブロ
ーパイプ４中に挿入した。

【００２４】ランス１、２の挿入状況の詳細図を図３に
示す。図３における符号は、図２に示すものと同じ要素
を示す。図３(a)はブローパイプ部の正面断面図で、ラ
ンス１、２が上下方向から180°の間隔でブローパイプ
４に挿入されている状態を示す。(b)はブローパイプ部
の横断面図で、ランス１、２が上下から、ブローパイプ
４の前方に向かって45°の角度で挿入されている状態を
示す。拡大図におけるａ、ｂは、それぞれ、両ランス
１、２の中心線の交点からランス先端までの距離を示
す。

【００２５】（実施例１）ランスの中心軸線の交点とラ
ンス先端との距離ａ、ｂはどちらのランスにおいても20
mmになるようにセットした。ランスは内径10mmφの単管
を２本用い、ランスの先端から羽口先までの距離は約12
00mmとした。

【００２６】燃焼実験に使用した微粉炭の成分値は、V.
Mが33.2％、Ashが9.8％、F.C.が57.0％であった。粒度
は−74μm、80％である。

【００２７】実験はまず、ブローパイプ４にＬＰＧの燃
焼ガスに酸素を混入して酸素濃度24％になるように調整
した疑似空気を350Nm³/hで送風し、羽口先温度を1200℃
に昇温した。羽口先温度が1200℃で安定したところで、
微粉炭切出しホッパー９から微粉炭を65kg/hで切り出
し、20Nm³/hの窒素ガスをキャリアとして微粉炭供給管
１０によって供給し、ランス１、２の手前で２つに分岐
した後、各ランス１、２に接続した。

【００２８】本条件における酸素過剰係数は0.78と計算
され、実高炉の微粉炭吹き込み量換算で200kg/tに相当
する。ランス先端から噴出する微粉炭／キャリアガスの
流速は流路の面積から計算すると39m/sである（25℃換
算）。

【００２９】微粉炭の吹き込み中にサンプリングプロー
ブ挿入ガイド管８からサンプリングプローブを挿入し、
ランス先端から300、600、900mmの各位置で微粉炭の微
粉炭ダストのサンプリングを行った。得られたダストに
ついて化学分析を行い、燃焼率を求めた。

【００３０】微粉炭吹き込み時の様子を観察すると、２
本の微粉炭主流は正面衝突を起こしており、上下方向の
みならず、横方向へも微粉炭の拡散が進行していること
が確認された。

【００３１】図４に燃焼率の、ブローパイプ４の軸方向
変化を示す。微粉炭の燃焼率はランス先端から300mmの
位置で60％まで上昇しており、ランス先端から900mmの
位置では80％まで上昇した。これらのことから、本ラン
ス使用時には、吹き込み直後から燃焼が急速に進行する
ことがわかる。

【００３２】（比較例１）実施例１で使用したランスを
実施例１と同様、上下対称方向から挿入するが、ランス
の中心軸線の交点と各ランス先端との距離ａ、ｂが50mm
になるようにセットした。微粉炭吹き込み量は、200kg/
t相当とした。燃焼率測定結果を図４に併せて示す。ラ
ンス先端から300mmの位置での燃焼率は50％程度までし
か上昇せず、ランス先端から900mmの位置においても65
％程度に留まった。この理由は、衝突までの距離が長い
ので、それまでに粒子がある程度拡散してしまい、粒子
の衝突頻度が低下する結果、微粉炭粒子の分散・散乱が
実施例１ほど進行せず、熱風との効率良い接触が達成さ
れなかったためと考えられる。

【００３３】（実施例２）実施例１と同じランスを２本
用い、実施例１と同様な燃焼実験を行った。ただし、ラ
ンス先端におけるガス流速は39m/s一定とし、各ランス
の中心軸線の交点と各ランスの先端との距離ａ、ｂを1
0、20、30、40、50mmの５水準に変化させた。

【００３４】図５はランス先端から300mmの位置におけ
る燃焼率測定結果を示している。（交点とランス先端の
距離が50mmの場合は、比較例１の結果である。）図よ
り、交点とランス先端との距離が短い方が燃焼率は高い
傾向が認められる。しかし、比較例１のように距離が50
mmの場合には急激に燃焼率が低下しており、衝突による
粒子の分散が不十分であったことを示している。従っ
て、衝突により粒子を十分に散乱させるためるために
は、交点とランス先端の距離は概略40mm以下にする必要
がある。

【００３５】また、燃焼実験終了後にランスを取り出し
てみたところ、交点とランス先端の距離が10mmの場合、
微粉炭により擦られたような跡が観察された。実炉に適
用した場合は、ランス損耗が避けられないと考えられ
る。他の条件では観察されなかったことから、前記交点
とランス先端との距離は10mm以上とすることが好まし
い。以上の実施例より、交点とランス先端との距離は、
10mm以上、40mm以下とすることで、燃焼性を維持しつ
つ、かつランス先端の損耗も防止できることがわかっ
た。

【００３６】（実施例３）ランス先端におけるガス流速
を変化させるため、実施例１で用いた内径10mmφのラン
スに加え、7.4mmφ、8.8mmφ、11.3、16mmφのランス
を、それぞれ２本使用し、実施例１と同様な燃焼実験を
行った。どのランスを使用した場合でもキャリアガス量
は20Nm³/h一定としたため、ランス先端におけるガス流
速は、内径が7.4、8.8、11.3、16mmφの順に71、50、3
0、15m/sとなる。２本のランスは、各ランスの中心軸線
の交点と各ランスの先端との距離ａ、ｂが20mmと一定に
なるようにセットした。

【００３７】図６に、ランス先端より300mmの位置にお
ける燃焼率測定結果を示した。図より、ランス先端のガ
ス流速が上昇するほど燃焼率も向上していることがわか
る。燃焼率はガス流速が10m/sから30m/sの間で急上昇
し、その後は上昇が緩慢になることから、およそ30m/s
以上のときには、衝突に伴う分散・散乱効果が十分に発
現され、高い燃焼率が確保されたと考えられる。反対
に、低流速の場合には、仮に衝突したとしても分散効果
は十分でないと推定される。

【００３８】一方、実験終了後にブローパイプ内部を観
察したところ、ガス流速が71m/sの場合はブローパイプ
内面にアッシュが大量に付着していた。一方、50m/sの
場合は付着は認められなかったことから、粒子衝突速度
があまり速すぎる場合、粒子運動が過度に乱れ、アッシ
ュ付着の問題は避けられないと判断される。従って、ガ
ス流速は60m/s以下にすることが望ましい。

【００３９】以上より、ランス先端のガス流速は、30m/
s以上、60mm以下とすることが、燃焼率を維持しつつ、
かつアッシュ付着を防止できる点から好ましいといえ
る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、微粉炭吹き込みランスを用いて高炉に微粉炭を吹き
込む方法であって、２本のランスを、各ランスの中心軸
の延長線が交差するようにしてブローパイプに挿入し、
かつ、各ランスの中心軸の延長線の交点と、各ランスの
先端との距離が10〜40mmとなるようにしているので、２
本の微粉炭主流線同士はランスから射出された直後に完
全に衝突し、相互の微粉炭の持つ運動エネルギーにより
微粉炭粒子を高度に分散および散乱させることができ
る。これにより、微粉炭粒子と周囲の酸素との接触効率
が著しく改善されるため、微粉炭の燃焼率を大幅に向上
させることができる。

【００４１】また、かつランス先端におけるガス流速を
30m/sから60m/sに制御することにより、微粉炭の分散効
果を十分なものとし、ブローパイプ壁への微粉炭の直
撃、またはアッシュの付着を無くすことができる。

【００４２】さらに、アッシュの付着を回避するために
は、ランス先端を羽口先にできるだけ近づけることが望
ましいが、過度に近付けると、レースウェイからの輻射
熱によるランスの溶損が生じるので、適正な範囲が存在
する。ランスのうち、その先端が羽口先端に近いものの
先端部と羽口先端部との距離を、100〜200mmとすること
により、燃焼性を維持しつつ、アッシュの付着を防止
し、かつランス先端の溶損も防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用するランスの配置の例を示す図で
ある。

【図２】実験に用いた微粉炭燃焼炉の概要を示す図であ
る。

【図３】実験に用いたランスの配置を示す図である。

【図４】本発明の第１の実施例と比較例における燃焼率
を示す図である。

【図５】ランス中心軸の交点とランス先端との距離と、
燃焼率の関係を示す図である。

【図６】ランス先端のガス流速と燃焼率の関係を示す図
である。

【符号の説明】

１、２…ランス３…微粉炭燃焼炉４…ブローパイプ５…コークス充填層６…羽口７…ランスガイド管８…サンプリングプローブボックス９…微粉炭切り出しホッパ１０…微粉炭供給管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微粉炭吹き込みランスを用いて高炉に微
粉炭を吹き込む方法であって、２本のランスを、各ラン
スの中心軸の延長線が交差するようにしてブローパイプ
に挿入し、かつ、各ランスの中心軸の延長線の交点と、
各ランスの先端との距離が10〜40mmとなるようにするこ
とを特徴とする高炉への微粉炭吹き込み方法。
【請求項２】前記ランスの先端における微粉炭吹き込
みガスの線流速を30〜60m/sとすることを特徴とする請
求項１に記載の高炉への微粉炭吹き込み方法。