(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクラップ溶解炉から発生するＣＯ、Ｈ２等の可燃ガスを含む排ガスを導入してスクラップを予熱する予熱炉において、該予熱炉内に空気、酸素富化空気等の助燃ガスを吹き込んで炉内の可燃ガスを燃焼させるに際して、可燃ガスに対する助燃ガスの酸素比が所定の値になり、かつ助燃ガス吹き込みノズルの吐出流速が３０Ｎｍ／ｓｅｃ以上になるように制御して助燃ガスの吹き込みを行うことを特徴とするスクラップの予熱方法。
【請求項２】
スクラップ溶解炉から発生するＣＯ、Ｈ２等の可燃ガスを含む溶解炉排ガスを５００℃以上で導入してスクラップを予熱する予熱炉において、該予熱炉内に空気、酸素富化空気等の助燃ガスを吹き込んで炉内の可燃ガスを燃焼させるに際して、可燃ガスに対する助燃ガスの酸素比が所定の値になり、かつ助燃ガス吹き込みノズルの吐出流速が７０Ｎｍ／ｓｅｃ以上になるように制御して助燃ガスの吹き込みを行うことを特徴とするスクラップの予熱方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のスクラップの予熱方法において、予熱炉に導入される溶解炉排ガス中の可燃ガス量を検出する手段と、助燃ガス流量及び助燃ガス中の酸素濃度を可変にする手段とを配し、前記酸素比が所定の値になりかつ前記吐出流速が請求項１又は請求項２に規定した範囲になるように、助燃ガスの流量及び酸素濃度を調節することを特徴とするスクラップの予熱方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２記載のスクラップの予熱方法において、予熱炉に導入される溶解炉排ガス中の可燃ガス量を検出する手段と、助燃ガス流量及び助燃ガス吹き込みノズルの出口断面積を可変にする手段とを配し、前記酸素比が所定の値になりかつ前記吐出流速が請求項１又は請求項２に規定した範囲になるように、助燃ガス流量及び吹込みノズル出口断面積を調節することを特徴とするスクラップの予熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄スクラップを溶解する際に、溶解炉の前段に設ける予熱炉におけるスクラップの予熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄スクラップの溶解炉においては、溶解エネルギーの節減を図るため、溶解炉排ガスによりスクラップを予熱することが望ましい。通常、溶解炉排ガス中にはＣＯ、Ｈ２等の可燃ガスが含まれるので、これを燃焼させてその燃焼熱をスクラップの予熱に有効に利用する必要がある。
【０００３】
しかし、溶解炉の操業過程においては、排ガス中の可燃ガス量が大幅に変動することが多いので、空気等の助燃ガスの供給量を如何に適正に制御するかが課題になる。
【０００４】
そのため、特開昭６２−１６２８８７号公報には、アーク炉の排ガス中の可燃分を燃焼筒内で燃焼させた後スクラップ予熱装置に導入する際に、燃焼筒への吸入空気量を下記の手段により制御するスクラップ予熱装置が開示されている。
【０００５】
すなわち同公報には、燃焼筒の上流側に接続され燃焼筒内に吸入される空気量を調整する吸入空気量コントロール弁と、燃焼筒の排出口側に接続され排ガス中のＣＯガス濃度またはＯ２ガス濃度を検出する排ガス検出器とを備え、この検出器による検出結果に基づき前記吸入空気量コントロール弁の開度を制御するようにしたスクラップ予熱装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来スクラップの溶解は主に電気炉により行われているが、電力節減のため溶解エネルギーの一部又は全部を炭材エネルギーに置き換える試みが多数なされている。炭材エネルギーの使用比率が高くなると、溶解炉の排ガス量が増えかつ高温になるため、燃焼筒内で燃焼させることが困難になる。
【０００７】
そのため、近年可燃ガスを含む溶解炉排ガスを直接予熱炉に導入するとともに、予熱炉内に助燃ガスを吹き込んで燃焼させる方法がいくつか提案されている。この方法においては、予熱炉内に燃焼空間が存在することが必要で、回転炉型（ロータリーキルン型）予熱炉が用いられることが多い。
【０００８】
このような内部で燃焼させる予熱炉の場合も、排ガス中の可燃ガス量の変動に対応して助燃ガスの供給量を適正に制御する必要があるが、さらにこれに加えて、燃焼フレーム又は燃焼排ガスからスクラップに如何に効率良く熱を伝達するかが課題となり、この熱伝達の効率が悪いと排ガスエネルギーの回収効率が低下して、溶解エネルギーの増大を招く結果になる。
【０００９】
この場合、予熱炉内には可燃ガスを含む高温の排ガスが充満しており、ノズルから吹き込んだ助燃ガス噴流の周囲に燃焼フレームが形成される。このような燃焼形式におけるフレームの制御や助燃ガス吹き込みノズルの設計については、従来の知見がほとんど無く、フレームから被加熱物への伝熱効率を高める手段も十分明らかにされていない。
【００１０】
そこで本発明は、助燃ガスを吹き込んで内部で燃焼させるスクラップ予熱炉において、助燃ガスの吹き込み条件を適正に制御して、フレームからスクラップへの伝熱効率を高める手段を提供することを目的とする。
【００１１】
さらに本発明は、溶解炉排ガス中の可燃ガス量の変動に対応して、可燃ガスの燃焼率又は過剰酸素比を所定の範囲に維持しつつ、フレームからスクラップへの伝熱効率を高める手段を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、予熱炉内での燃焼排ガスからスクラップへの伝熱は輻射伝熱が主体で、伝熱量はガス温度の４乗に比例するため、燃焼フレームを可能な限り短くしてフレーム温度を高めることが、伝熱効率の向上にきわめて有効であることを見出した。
【００１３】
また、本発明者らは、フレームを短くするためには助燃ガスのノズル吐出流速を所定の値以上にする必要があることを見出し、可燃ガス量の変動に対応して助燃ガスの吐出流速を制御する手段を案出した。
【００１４】
これらの知見に基づく本発明の要旨は、
（１）スクラップ溶解炉から発生するＣＯ、Ｈ２等の可燃ガスを含む排ガスを導入してスクラップを予熱する予熱炉において、該予熱炉内に空気、酸素富化空気等の助燃ガスを吹き込んで炉内の可燃ガスを燃焼させるに際して、可燃ガスに対する助燃ガスの酸素比が所定の値になり、かつ助燃ガス吹き込みノズルの吐出流速が３０Ｎｍ／ｓｅｃ以上になるように制御して助燃ガスの吹き込みを行うことを特徴とするスクラップの予熱方法である。
【００１５】
（２）スクラップ溶解炉から発生するＣＯ、Ｈ２等の可燃ガスを含む溶解炉排ガスを５００℃以上で導入してスクラップを予熱する予熱炉において、該予熱炉内に空気、酸素富化空気等の助燃ガスを吹き込んで炉内の可燃ガスを燃焼させるに際して、可燃ガスに対する助燃ガスの酸素比が所定の値になり、かつ助燃ガス吹き込みノズルの吐出流速が７０Ｎｍ／ｓｅｃ以上になるように制御して助燃ガスの吹き込みを行うことを特徴とするスクラップの予熱方法である。
【００１６】
（３）前項（１）又は（２）記載のスクラップの予熱方法において、予熱炉に導入される溶解炉排ガス中の可燃ガス量を検出する手段と、助燃ガス流量及び助燃ガス中の酸素濃度を可変にする手段とを配し、前記酸素比が所定の値になりかつ前記吐出流速が前項（１）又は（２）に規定した範囲になるように、助燃ガスの流量及び酸素濃度を調節することを特徴とするスクラップの予熱方法である。
【００１７】
（４）前項（１）又は（２）記載のスクラップの予熱方法において、予熱炉に導入される溶解炉排ガス中の可燃ガス量を検出する手段と、助燃ガス流量及び助燃ガス吹き込みノズルの出口断面積を可変にする手段とを配し、前記酸素比が所定の値になりかつ前記吐出流速が前項（１）又は（２）に規定した範囲になるように、助燃ガス流量及び吹込みノズル出口断面積を調節することを特徴とするスクラップの予熱方法である。
【００１８】
なお、上記の「可燃ガスに対する助燃ガスの酸素比」は、可燃ガスの完全燃焼に必要な理論酸素量に対する助燃ガス中の酸素量の比である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の対象であるスクラップ予熱炉は、可燃ガスを含む溶解炉排ガスを導入し、ノズルから助燃ガスを吹き込んで予熱炉内で燃焼させるものである（以下、内部燃焼型という）。本発明者らは、燃焼試験炉を用いて、このような燃焼形式における助燃ガスの吐出流速とフレーム長さの関係について種々の検討を行った。
【００２０】
用いた燃焼試験炉は、一端中央部に助燃ガスの吹き込みノズルを有する円筒形のもので、これに溶解炉排ガスと略同組成で、ＣＯ１０〜６０％を含む可燃ガスを流通させ、Ｏ２２１〜６０％を含み残部がＮ２である助燃ガスを６〜１０ｍｍφのノズルから吹き込んで燃焼させ、フレーム長さを測定した。
【００２１】
フレーム長さの測定は目視判定が困難なため、助燃ガス噴流の軸線上数ケ所からサンプルガスを採取して分析し、サンプルガス中のＣＯ濃度が雰囲気中のＣＯ濃度の１０％になるノズル先端からの距離をもって、フレーム長さとした。
【００２２】
図１に助燃ガスのノズル吐出流速とフレーム長さの関係を調査した結果の例を示す。図に見るように、助燃ガスの吐出流速が大きいほどフレーム長さは短くなるが、標準状態に換算した吐出流速が１０〜３０Ｎｍ／ｓｅｃの間でフレーム長さが急激に変化するのに対して、吐出流速３０Ｎｍ／ｓｅｃ以上ではその変化は小さい。
【００２３】
可燃ガスの燃焼量が一定の場合、フレームが短いほどフレーム温度は高くなる。フレームから被加熱物への輻射伝熱は、フレーム温度の４乗に略比例した伝熱量になるため、フレームをできるだけ短くすることが伝熱促進の上できわめて重要である。
【００２４】
本発明者らの知見によれば、雰囲気中の可燃ガス濃度、助燃ガス中のＯ２濃度、助燃ガス吹き込みノズルの径等の如何にかかわらず、助燃ガスの吐出流速を３０Ｎｍ／ｓｅｃ以上にすれば、フレーム長さを小さくして被加熱物への輻射伝熱量を増大させることができる。
【００２５】
一方、フレーム温度を高めるためには、可燃ガスに対する助燃ガスの酸素比を所定の値、例えば０．９〜１．２程度に制御することが重要である。
【００２６】
したがって、請求項１記載の本発明は、内部燃焼型のスクラップ予熱炉において、助燃ガスを予熱炉内に吹き込んで可燃ガスを燃焼させるに際して、助燃ガスの酸素比が所定の値となり、かつ助燃ガス吹き込みノズルの吐出流速が標準状態換算で３０Ｎｍ／ｓｅｃ以上になるように制御して助燃ガスの吹き込みを行うことを特徴とする。
【００２７】
図１に見るように、助燃ガスの吐出流速が３０Ｎｍ／ｓｅｃ以上の領域においても、吐出流速が大きいほどフレームが短くなる傾向がある。しかし、排ガスが比較的低い温度例えば５００℃未満の場合に、吐出流速を７０Ｎｍ／ｓｅｃ程度以上にすると、フレームの吹き消え現象が起って安定な燃焼を継続できなくなることがある。
【００２８】
本発明者らの知見によれば、予熱炉に流入する可燃ガスを含む溶解炉排ガスの温度が５００℃以上であれば、このような吹き消え現象が起こらず、吐出流速を７０Ｎｍ／ｓｅｃ以上にしても安定な燃焼を継続することができ、よりフレームを短くして、輻射伝熱量を大きくすることができる。
【００２９】
溶解炉の排ガスは、その操業の時期によってガス発生量も可燃ガスの濃度も変動する。請求項３及び請求項４記載の本発明は、このような変動に対応して助燃ガスの吹き込み条件を制御する方法を提供するものである。
【００３０】
以下、実施例に基いて請求項３及び請求項４の本発明を詳しく説明する。
図２は、請求項３の本発明の実施例であるスクラップの予熱方法の説明図である。
【００３１】
溶解炉１から排出される可燃ガスを含む排ガスはダクト３を介してスクラップ予熱炉２に導入される。予熱炉２には助燃ガスの吹き込みノズル７が配設されており、助燃ガス配管４にはそれぞれ空気流量調節弁８、Ｎ２流量調節弁９及びＯ２流量調節弁１０を介して、空気、Ｎ２及びＯ２供給源が接続されている。
【００３２】
また、予熱炉２の入側に排ガス中の可燃ガス濃度検出器５と、予熱炉２の入側又は出側に予熱炉に流入する排ガスの流量を検出する手段が配されており、この両者から予熱炉内で燃焼させる可燃ガス量（流量）を検出することができる。
【００３３】
予熱炉に流入する排ガス流量を検出するには、これを流量計で直接計測してもよい。しかし、予熱炉に流入する排ガスは極めて高温で、その流量を計測することが困難な場合がある。
【００３４】
この場合は、図２に示すように冷却・集塵装置１３の下流に排ガス流量計１４と必要に応じて排ガス分析計１５を配して、冷却・集塵後の排ガス量の流量や組成の情報から、予熱炉に流入する排ガスの流量を推定すればよい。
【００３５】
予熱炉に流入する排ガス中の可燃ガス量に関する情報は、助燃ガスの流量制御装置６に入力され、ここで、助燃ガスの酸素比を所定の値にするための必要Ｏ２量と助燃ガス吹き込みノズル７の吐出流速を所定の値以上にするための必要Ｎ２量が計算され、前記の流量調節弁８、９及び１０に信号が伝達されて、これらの開度を調節する。
【００３６】
このような構成により、排ガス中の可燃ガス量の変動に対応して、助燃ガスの酸素比及び吐出流速を同時に所定の範囲に制御することができ、フレーム温度を高めて、伝熱効率を向上させることができる。
【００３７】
請求項４記載の本発明は、助燃ガス中の酸素濃度を変更することなく、助燃ガスの酸素比及び吐出流速を同時に所定の範囲に制御する方法を提供するもので、予熱炉に導入される溶解炉排ガス中の可燃ガス量を検出する手段と、助燃ガス流量及び吹き込みノズルの出口断面積を可変にする手段とを配し、助燃ガスの流量及び吹込みノズルの出口断面積を調節することを特徴とする。
【００３８】
すなわち、図２の例と同様に、可燃ガス濃度検出器５と予熱炉に流入する排ガス流量を検出する手段を配するが、助燃ガスの供給系統は１系統（酸素濃度は一定）として、助燃ガスの酸素比が所定の範囲に入るように、助燃ガスの流量のみを制御する。
【００３９】
この場合、排ガス中の可燃ガス量が減少すると、助燃ガスの吐出流速が所定の値を維持できなくなるので、助燃ガス吹き込みノズルの出口断面積を変更する。図３は本発明の実施例に用いた出口断面積可変の助燃ガス吹き込みノズルの説明図である。
【００４０】
図３の助燃ガス吹き込みノズルは、円筒状の外筒１６と先端に円錐台部分１８を有する断面積調節用の中子１７から構成されている、断面積調節用中子１７は、外筒１６と略同軸上で前後進可能に配されている。
【００４１】
助燃ガス流量が一定でも、円錐台部分１８が外筒１６の内部に位置するように中子１７を後退させれば、吐出流速は小さくなり、１８が外筒１６の外側に突出するように、中子１７を前進させれば、吐出流速は大きくなる。したがって、中子１７の外筒１６に対する位置によって、相当な範囲で吐出流速を可変にすることができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明により、内部燃焼型のスクラップ予熱炉において、溶解炉排ガス中の可燃ガス量の変動に対応して可燃ガスの燃焼率又は過剰酸素比を所定の範囲に維持しつつ、助燃ガス吹き込みノズルの吐出流速を適正に制御して、燃焼フレームからスクラップへの伝熱効率を大幅に高めることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】助燃ガスのノズル吐出流速とフレーム長さの関係を調査した結果の例を示す図
【図２】請求項３の本発明の実施例であるスクラップの予熱方法の説明図
【図３】請求項４の本発明に用いる助燃ガス吹き込みノズルの例を示す概要図
【符号の説明】
１：スクラップ溶解炉、  ２：スクラップ予熱炉、  ３：溶解炉排ガス配管、
４：助燃ガス配管、  ５：可燃ガス濃度検出器、  ６：流量制御装置、
７：助燃ガス吹き込みノズル、  ８：空気配管バルブ、  ９：Ｎ２配管バルブ、１０：酸素配管バルブ、  １１：燃焼フレーム、  １２：スクラップ、
１３：冷却・集塵装置、  １４：排ガス流量計、  １５：排ガス分析計、
１６：外筒、  １７：断面積調節用中子、  １８：円錐台部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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