(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ及び／又はＰｂの酸化物を含有する粉状原料及び／又は該酸化物を含有する熔融スラグを処理して、ＺｎとＰｂを蒸気として還元性ガスとともに炉外に取り出すＺｎ・Ｐｂ製錬用還元炉で使用するフラッシュ製錬用バーナーにおいて、中央部に孔を有する天井が設けられた上部燃焼筒と、上部にノズルが設けられ下端が前記上部燃焼筒の天井の孔に接合された予混合管と、該上部燃焼筒の天井に設けられた副混合管と、中央部に該上部燃焼筒と接続する孔を有する天井に該上部燃焼筒の下端が接合された下部燃焼筒と、該下部燃焼筒の天井に設けられた原料装入管からなり、前記予混合管の中心軸に対して直交するように前記上部燃焼筒の天井と下部燃焼筒の天井とが設けられ、前記予混合管と前記上部燃焼筒と前記下部燃焼筒の中心軸が実質的に同じになるように配置されたフラッシュ製錬用バーナー。
【請求項２】
Ｚｎ及び／又はＰｂの酸化物を含有する粉状原料及び／又は該酸化物を含有する熔融スラグからなるＺｎ・Ｐｂ原料を処理して、ＺｎとＰｂを蒸気として還元性ガスとともに炉外に取り出すＺｎ・Ｐｂ製錬用還元炉で使用するフラッシュ製錬用バーナーにおいて、粉状燃料及び酸化性気体の気流を生じ、開口から放出させる予混合管と、該予混合管の開口から放出される円錐状の気流を受け入れる内壁を有する上部燃焼筒と、上部燃焼筒の下流側にあって上部燃焼筒より出る気流を受け入れる内壁を有する下部燃焼筒と、上部燃焼筒の内壁と円錐状気流との間の空間に粉状燃料を入れる副混合管と、下部燃焼筒の内壁と円錐状気流との間の空間にＺｎ・Ｐｂ原料を入れる原料導入管とを有し、予混合管と上部燃焼筒の内壁と下部燃焼筒の内壁との中心軸が実質的に同じになっていて、予混合管の開口と上部燃焼筒の内壁の接合面及び上部燃焼筒の内壁と下部燃焼筒の内壁の接合面が前記中心軸に直交しているフラッシュ製錬用バーナー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のフラッシュ製錬用バーナーにおいて、予混合管の内径をｄｍｍ、上部燃焼筒の内径をＤ１ｍｍ、長さをＬ１ｍｍ、下部燃焼筒の内径をＤ２ｍｍ、長さをＬ２ｍｍとした時に、Ｄ１よりＤ２が大きく、かつ下記の［式１］及び［式２］で求めたα及びβが５〜２０度となることを特徴としたフラッシュ製錬用バーナー。
ｔａｎα＝〔（Ｄ１−ｄ）／２〕／Ｌ１                ［式１］
ｔａｎβ＝〔（Ｄ２−ｄ）／２〕／（Ｌ１＋Ｌ２）        ［式２］
【請求項４】
請求項１又は２に記載のフラッシュ製錬用バーナーにおいて、［式３］及び［式４］で求めたＡ及びＢの値が０〜１００ｍｍとなることを特徴としたフラッシュ製錬用バーナー。
ｔａｎ１２゜＝｛〔（Ｄ１−ｄ）／２〕−Ａ｝／Ｌ１              ［式３］
ｔａｎ１２゜＝｛〔（Ｄ２−ｄ）／２〕−Ｂ｝／（Ｌ１＋Ｌ２）      ［式４］
【請求項５】
請求項１に記載のフラッシュ製錬用バーナーにおいて、複数個の副混合管を上部燃焼筒外周と予混合管との間の天井に、予混合管と円芯円状で等間隔となるように設けたことを特徴とするフラッシュ製錬用バーナー。
【請求項６】
請求項１に記載のフラッシュ製錬用バーナーにおいて、複数個の原料装入管を下部燃焼筒外周と上部燃焼筒外周との間の天井に、予混合管と同芯円状で等間隔となるように設けたことを特徴とするフラッシュ製錬用バーナー。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載フラッシュ製錬用バーナーにおいて、予混合管と副混合管から炭素系粉状固体燃料を、また原料装入管からＺｎ・Ｐｂ原料を炉内に装入することを特徴とするフラッシュ製錬用バーナー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、Ｚｎ及び／又はＰｂのフラッシュ還元製錬用バーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明にかかるバーナーは、Ｚｎ及び／又はＰｂ精錬用還元炉に用いられ、Ｚｎ及び／又はＰｂの酸化物を含有する粉状原料及び／又は該酸化物を含有する熔融スラグ（以下、Ｚｎ・Ｐｂ原料という。）、粉状燃料、そして反応用酵素を供給するのに用いられる。
Ｚｎ・Ｐｂ原料中の金属を炭素系固体燃料により蒸気に変えて還元ガスとともに次工程に送る還元炉としてはＩＳＦが良く知られている。しかしＩＳＦは高価な塊コークス、ならびに生産効率の悪い焼結工程において製造される焼結塊を必要とする為、安価な炭素系粉状固体燃料（以下、粉状燃料という）、及び粉状原料を処理することのできる還元製錬法が望まれていた。このような還元製錬法のひとつとしてフラッシュ還元製錬法がある。
この製錬法の一例として、本発明者らの出願にかかる特開平：６−０２７１９５３号公報「Ｚｎ・Ｐｂ製錬用フラッシュ還元炉とその操業方法」に記載の製錬方法がある。
【０００３】
この方法では、図３に示すように還元炉のセトラー１０上にあるシャフト２０の天井に製錬バーナー３０を据え、このバーナー３０を介してＺｎ・Ｐｂ原料、粉状燃料、反応用酸素を還元炉１０内に装入する。そして、還元炉１０内のガス体はアップテーク４０から導出され、溶融体５０は排出口（図示省略）から導出される。
前記製錬バーナー３０は、図４に示すように、中央部に孔を有する天井が設けられた燃焼筒３１と、上部側面にノズル３３が設けられ、下端が前記燃焼筒３１の天井３６の孔に接合された予混合管３２と、該燃焼筒の天井３６に設けた副混合管３４及び原料装入管３５とからなることを特徴としている。なお、天井３６には水冷装置３８が設けてある。
該製錬バーナーの使用方法では、前記予混合管３２の上端及び前記副混合管３４から粉コークスを空気流送で装入し、前記ノズル３３から工業用酸素を装入し、また前記原料装入管３５からＺｎ・Ｐｂ原料を空気流送する。
【０００４】
このフラッシュ製錬用バーナー３０を使用すると、フラッシュ製錬特有の熱効率を高めることができ、その結果、粉コークスを用いてＺｎ・Ｐｂ原料中のＺｎ・Ｐｂを効率良く還元揮発させ、廃棄スラグのＺｎ品位を３％以下にすることができ、さらに、粉コークスの燃焼率、即ちガス化率を９０％以上にすることができる優れた性能が得られる。
当初、前記フラッシュ精錬用製錬バーナーを用いて粉コークスのみを燃焼させた時のガス化率に較べ、粉コークスとＺｎ・Ｐｂ原料とを同時に処理して該原料の製錬反応を起こした時のガス化率は僅かに低下するものの、操業上の誤差要因を考えると両者には有意差がないと考えられていた。しかし、その後検討を続けたところ、粉コークスのみを燃焼させた場合に較べ、Ｚｎ・Ｐｂ原料を同時処理することで粉コークスのガス化率は１〜２％程度低下することが明らかになった。そこで、Ｚｎ・Ｐｂ原料を処理するに際して粉コークスのガス化率を低下させないフラッシュ製錬バーナーの開発が待ち望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、Ｚｎ・Ｐｂ原料を装入しても粉状燃料のガス化率が低下しないフラッシュ製錬用バーナーの提供にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
粉状燃料をガス化させる反応空間と、この反応空間で生成したＣＯ含有還元性ガスを用いＺｎ・Ｐｂ原料を還元する反応空間を実質的に区別することで、上記目的が達成できると考え本発明に至った。
本発明にかかるフラッシュ製錬用バーナーは、Ｚｎ及び／又はＰｂの酸化物を含有する粉状原料及び／又は該酸化物を含有する熔融スラグ（Ｚｎ・Ｐｂ原料）を処理して、ＺｎとＰｂを蒸気として還元性ガスとともに炉外に取り出すＺｎ・Ｐｂ製錬用還元炉で使用するフラッシュ製錬用バーナーにおいて、中央部に孔を有する天井が設けられた上部燃焼筒と、上部にノズルが設けられ下端が前記上部燃焼筒の天井の孔に接合された予混合管と、該上部燃焼筒の天井に設けられた副混合管と、中央部に該上部燃焼筒と接続される孔を有する天井に該上部燃焼筒の下端が接合された下部燃焼筒と、該下部燃焼筒の天井に設けられた原料装入管とからなり、前記予混合管の中心軸に対して直交するように前記上部燃焼筒の天井と下部燃焼筒の天井とが設けられ、前記予混合管と前記上部燃焼筒と前記下部燃焼筒の中心軸が実質的に同じになるように配置されている。
【０００７】
また、本発明にかかるフラッシュ製錬用バーナーは、Ｚｎ及び／又はＰｂの酸化物を含有する粉状原料及び／又は該酸化物を含有する熔融スラグからなるＺｎ・Ｐｂ原料を処理して、ＺｎとＰｂを蒸気として還元性ガスとともに炉外に取り出すＺｎ・Ｐｂ製錬用還元炉で使用するフラッシュ製錬用バーナーにおいて、粉状燃料及び酸化性気体の気流を生じ、開口から放出させる予混合管と、該予混合管の開口から放出される円錐状の気流を受け入れる内壁を有する上部燃焼筒と、上部燃焼筒の下流側にあって上部燃焼筒より出る気流を受け入れる内壁を有する下部燃焼筒と、上部燃焼筒の円筒状壁と円錐状気流との間の空間に粉状燃料を入れる副混合管と、下部燃焼筒の円筒状壁と円錐状気流との間の空間にＺｎ・Ｐｂ原料を入れる原料導入管とを有し、予混合管と上部燃焼筒の内壁と下部燃焼筒の内壁との中心軸が実質的に同じになっていて、予混合管の開口と上部燃焼筒の内壁の接合面及び上部燃焼筒の内壁と下部燃焼筒の内壁の接合面が前記中心軸に直交している。
【０００８】
さらに、上記フラッシュ製錬用バーナーにおいて、予混合管の内径をｄｍｍ、上部燃焼筒の内径をＤ１ｍｍ、長さをＬ１ｍｍ、下部燃焼筒の内径をＤ２ｍｍ、  長さをＬ２ｍｍとした時に、  Ｄ１よりＤ２が大きく、かつ下記の［式５］及び［式６］で求めたα及びβが５〜２０度とするのが好ましい。
ｔａｎα＝〔（Ｄ１−ｄ）／２〕／Ｌ１                ［式５］
ｔａｎβ＝〔（Ｄ２−ｄ）／２〕／（Ｌ１＋Ｌ２）        ［式６］
【０００９】
さらに、上記フラッシュ製錬用バーナーにおいて、［式７］及び［式８］で求めたＡ及びＢの値が０〜１００ｍｍとするのが好ましい。
ｔａｎ１２゜＝｛〔（Ｄ１−ｄ）／２〕−Ａ｝／Ｌ１              ［式７］
ｔａｎ１２゜＝｛〔（Ｄ２−ｄ）／２〕−Ｂ｝／（Ｌ１＋Ｌ２）      ［式８］
【００１０】
さらに、上記フラッシュ製錬用バーナーにおいて、複数個の副混合管を上部燃焼筒外周と予混合管との間の天井に、予混合管と円芯円状で等間隔となるように設けることが好ましい。
さらに、上記フラッシュ製錬用バーナーにおいて、複数個の原料装入管を下部燃焼筒外周と上部燃焼筒外周との間の天井に、予混合管と同芯円状で等間隔となるように設けることが好ましい。。
さらに、上記フラッシュ製錬用バーナーにおいて、予混合管と副混合管から炭素系粉状固体燃料を、また原料装入管からＺｎ・Ｐｂ原料を炉内に装入するのが望ましい。
【００１１】
【作用】
図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施例で使用したフラッシュ製錬用バーナーの構造を示す。該バーナーは、中央部に孔３を有する天井５が設けられた上部燃焼筒４と、上部側面にノズル２が設けられ下端が前記上部燃焼筒の天井５の孔３に接合された予混合管１と、上部燃焼筒４の天井５に設けられた副混合管９と、中央部に上部燃焼筒４と同じ径の孔６を有する天井８に上部燃焼筒４の下端が接合された下部燃焼筒７と、下部燃焼筒７の天井８に設けられた原料装入管１０からなり、予混合管１と、上部燃焼筒４の天井５と、下部燃焼筒７の天井８とが同芯円上に設けられ、予混合管１と上部燃焼筒４と下部燃焼筒７とは、それらの中心軸が実質的に同じになるように配置されている。また、天井５と天井８が、具体的には、予混合管１の下端にある開口と上部燃焼筒４の天井の内面との接合面、及び上部燃焼筒４の下端と下部燃焼筒の天井の内面との接合面が、前記中心軸に対し直交するように配置されている。
【００１２】
予混合管１の内径ｄを１００ｍｍとし、上部燃焼筒の内径Ｄ１  を３００ｍｍ、長さを４３０ｍｍとし、また下部燃焼筒の内径Ｄ２  を５００ｍｍ、長さを５００ｍｍとしてある。
そして［式５］により求めたαが１３゜、［式６］より求めたβが１２゜、［式７］より求めたＡが８．６ｍｍ、［式８］より求めたＢの値が２．３ｍｍとなっている。
なお、［式７］及び［式８］で求めたＡ及びＢは、各々上部燃焼筒下端の側壁及び下部燃焼筒下端の側壁と、予混合管から吹込まれた気体が形成する円錘状の気流の外周との間隔を示す値である。
【００１３】
上記フラッシュ製錬用バーナーの使用に際しては、予混合管１の上端１１より粉状燃料を流送用空気を用いて予混合管１内に吹込み、ノズル２より工業用酸素を吹き込み、また副混合管９から粉状燃料の一部を流送用空気を用いて上部燃焼筒４内に吹込み、原料装入管１０からＺｎ・Ｐｂ原料を空気流送によて下部燃焼筒７内に吹込む。
この際、上部燃焼筒４内において、図２に示すように、粉状燃料と燃焼用気体とが予混合管１から吐出されると、上記円錘状の気流の外周１５と上部燃焼筒４の内壁で囲まれた空間１６に再循環流１８が形成され、これにより気体の実質的な滞留時間の延長が図れる。そこで粉状燃料の一部を副混合管９から上記再循環流の内に装入し、粉状燃料とガスの滞留時間を長くし［式９］のブルドワ反応を促進させることで、粉状燃料のガス化率を向上させることができる。
Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ            ［式９］
【００１４】
一方、予混合管１の先端付近では粉状燃料と燃焼用気体の広がり角度２θはほぼ同じであり、角度θは吐出速度により変化するものの５〜２０゜である。ちなみに、粉状燃料としてコークスを用いた場合、コークスによる予混合管内面の磨耗が問題とならない吐出速度におけるθは１２゜である。
広がり角度２θを頂角とする円錘状気流の外周１５と上部燃焼筒４の下端との位置関係により、上記再循環流の強さと上部燃焼筒の寿命が決まる。即ち、上部燃焼筒４の下端が円錘状気流中に進入すればするほど、つまり［式７］で求めたＡの値が小さくなるほど再循環流は強くなり、上部燃焼筒４の寿命は短くなる。逆に、Ａが大きくなるほど再循環流は急速に弱まり、上部燃焼筒４の寿命は長くなる。
【００１５】
αが５〜２０°の範囲内で［式５］を満たすようにｄ、Ｄ１、Ｌ１を選定するのは、この条件で求められた値を用いて作成されたフラッシュ製錬用バーナーは粉状燃料のガス化率と上部燃焼筒の寿命との関係で、双方が共に良好となるからである。
また、予混合管１の磨耗が問題とならない吐出速度におけるαは１２゜であり、この場合［式７］により求めたＡの値が０〜１００ｍｍとなるようにｄ、Ｄ１  、Ｌ１  を選定すれば燃焼筒の寿命に対し、より一層効果的である。
以上説明した内容は、本発明者らの出願にかかる特開平５−２０３１１３号公報に記載されている。
【００１６】
さて、特開平６−０２７１９５３号公報に記載のフラッシュ製錬用バーナーは、副混合管を取付けた燃焼筒、即ち本願発明でいえば上部燃焼筒４に、Ｚｎ・Ｐｂ原料を供給する装入管、即ち本願発明でいえば原料装入管１０を取付けており、粉状燃料とＺｎ・Ｐｂ原料を共に同一の燃焼筒内に装入している。
このような特開平６−０２７１９５３号公報記載のフラッシュ還元用バーナーでは、粉状燃料だけを処理した時の粉状燃料のガス化率に較べ、Ｚｎ・Ｐｂ原料を同時に処理した時の粉状燃料のガス化率は約１〜２％低下する。この理由は次のように考えることができる。
粉状燃料のガス化率は上部燃焼筒内で起こる［式９］のブルドワ反応が促進されることで上昇するが、このブルドワ反応は吸熱反応であるためにブルドワ反応を促進させるには反応温度を高くする必要があり、即ち、粉状燃料の高いガス化率を維持するには上部燃焼筒内の温度を高く保持しなくてはならない。また、上部燃焼筒内にＺｎ・Ｐｂ原料を装入すると、該原料の熔解に必要な顕熱や熔解熱等の吸熱、そして該原料中のＺｎ及び／又はＰｂの酸化物のＣＯガスによる還元反応に伴う吸熱が生じ、上部燃焼筒内の温度は低下する。即ち、上記ガス化率の低下の理由は、上部燃焼筒内にＺｎ・Ｐｂ原料を装入することにより上部燃焼筒内の温度が低下し、その結果吸熱反応のブルドワ反応が抑制されるためであると考えられる。
【００１７】
従って、Ｚｎ・Ｐｂ原料の処理に伴うガス化率の低下を防止するには、粉状燃料のガス化反応が起こる空間から、Ｚｎ・Ｐｂ原料の還元熔融反応が起こる空間を分けることが有効である。つまり、フラッシュ製錬用バーナーの上部で高温度を必要とする粉状燃料のガス化反応を起こさせ、次いで該バーナーの下部でＺｎ・Ｐｂの還元熔融反応を起こさせることが効果的である。
これを具現化するために、本発明では、下部燃焼筒７を設置して、ここに原料装入管１０を配置している。原料装入管１０からＺｎ・Ｐｂ原料を空気流送によって下部燃焼筒７内に吹込む際、上記［式５］及び［式７］の条件を満たしておれば、上部燃焼筒４内で形成した上記円錐状の気流はそのまま円錐状に広がり、下部燃焼筒７内においても円錐状の気流は保持される。
そして、上部燃焼筒４の内径Ｄ１より下部燃焼筒７の円径Ｄ２を大きくすることにより、上部燃焼筒４内と同様に、上記円錐状の気流の外周１５と下部燃焼筒７の内壁とで囲まれた空間に再び再循環流１９が形成され、これによって気体の実質的な滞留時間の延長が図れる。
【００１８】
そこでＺｎ・Ｐｂ原料を原料装入管１０から下部燃焼筒７に装入することで、上部燃焼筒４で生成した還元性ガスとＺｎ・Ｐｂ原料の滞留時間を長くし、該原料のＣＯガスによる還元反応を促進させられる。
また、上部燃焼筒４で生成した還元性ガスの高い温度は、上部燃焼筒４の直下に配置された下部燃焼筒７内においても実質上、保持されており、このため還元性ガスの高い温度はＺｎ・Ｐｂ原料の還元熔融反応に有効に供することができる。
ここで、βが５〜２０゜の範囲内で［式６］を満たすように、［式８］により求めたＢが０〜１００ｍｍになるようにｄ、Ｄ２、Ｌ２を選定するのは、上述した上部燃焼筒の場合と同様に、下部燃焼筒内で形成される再循環流の強さと、密接なた関係を持つ下部燃焼筒の寿命との双方が、共に良好となるからである。
【００１９】
副混合管９と原料装入管１０の数、取付角度等については特に限定はない。しかし、典型的には、副混合管９は上部燃焼筒４の天井面に対して垂直に取付け、原料装入管１０については下部燃焼筒７の天井面に対して垂直に取り付けるか、又は予混合管１の中心軸上の点であって下部燃焼筒７の内部に存在する点に全原料装入管１０の中心軸を一致させるのが良い。副混合管９と原料装入管１０の取付位置は、上部燃焼筒４及び下部燃焼筒７内の反応を極力均一に効率良く起こすために、それぞれ予混合管１と同芯円状で等間隔となるようにするのが良い。
なお、実施例で使用したフラッシュ製錬用バーナーには、副混合管９と原料装入管１０をそれぞれ２本づつ配置した。
【００２０】
【実施例】
図３は本実施例のバーナーを適用したフラッシュ還元炉の断面図であり、内径１．５ｍで高さ２．５ｍのシャフト２０と、内径１．５ｍで長さ５．２５ｍのセトラー１０と、内径０．８ｍのアップテーク４０を持つ。
該シャフト２０の天井部には、フラッシュ精錬用バーナー３０の代わりに、図１に示す構造を持つフラッシュ製錬用バーナーを設置し、表１に示す組成を有する原料等を表２に示す操業条件で処理した。
比較例は、粉コークスのみを処理した場合で、該粉コークスを予混合管１と副混合管９から装入した。また、実施例との比較のために、原料装入管１０からは流送空気のみを装入した。
実施例は、粉コークスを予混合管１と副混合管９とから、またＺｎ・Ｐｂ原料を原料装入管１０から炉内に装入した。
ガス化率に影響を及ぼすｍ値は、実施例と比較例とで同一の条件にした。
ｍ値＝（実際に供給したＯ２量）＋（原料の還元により放出したＯ２量）／（粉コークス中のＣをＣＯ２に完全燃焼するのに必要な理論Ｏ２量）
結果を表３に示す。Ｃａｓｅ１に較べ、Ｃａｓｅ２の粉コークスのガス化率の低下は認められず、即ち、原料を処理しても粉コークスのガス化率は低下しておらず、本願発明の優位性が確認された。
【００２１】
0003569996.tif 000002
【００２２】
0003569996.tif 000003
【００２３】
0003569996.tif 000004
【００２４】
【発明の効果】
本発明のフラッシュ製錬用バーナーを用いることで、Ｚｎ・Ｐｂ原料を処理することによる粉コークスのガス化率の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるフラッシュ精錬用バーナーを示す断面図である。
【図２】予混合管から吐出される粉状燃料と燃焼用気体の広がり角度を示すための予混合管先端部の断面図である。
【図３】本発明にかかるフラッシュ精錬用バーナーを適用するフラッシュ還元炉の断面図である。
【図４】従来のフラッシュ精錬用バーナーの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  予混合管
２  ノズル
３  孔
４  上部燃焼筒
５  上部燃焼筒の天井
６  孔
７  下部燃焼筒
８  下部燃焼筒の天井
９  副混合管
１０  原料装入管
１１  上端
ｄ  予混合管の内径
Ｄ１    上部燃焼筒の内径
Ｄ２    下部燃焼筒の内径
Ｌ１    上部燃焼筒の長さ
Ｌ２    下部燃焼筒の長さ
【図１】
0003569996.tif 000005
【図２】
0003569996.tif 000006
【図３】
0003569996.tif 000007
【図４】
0003569996.tif 000008