(57)【要約】【課題】バーナー先端部での異物付着を効果的に抑制することができる冶金炉用微粉炭吹き込みバーナーを提供する。【解決手段】バーナー本体を構成する微粉炭吹き込み管の先端側部分が、内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部２０と、この縮径管部２０に連なる管端部であって、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部２１とからなる構造を有する。微粉炭の搬送気体の流れは、縮径管部２０とこれに連なる拡径管部２１の内部空間に沿ったものとなるのに対して、固体である微粉炭は縮径管部２０で絞られることによって拡径管部２１に到っても管軸側に集中するような流れになり、且つ管端部である拡径管部２１において微粉炭の流れと管との間に十分な距離がおかれるため、揮発分や溶融灰分が管端部に付着することが効果的に抑えられる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むための微粉炭吹き込みバーナーにおいて、
バーナー本体を構成する微粉炭吹き込み管の先端側部分が、内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部と、該縮径管部に連なる管端部であって、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部とからなることを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
【請求項２】
縮径管部と拡径管部との間に、内径が一定の等径管部を有することを特徴とする請求項１に記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
【請求項３】
拡径管部内面の管軸に対する広がり角θが１０°以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
【請求項４】
バーナー本体が内管と外管とからなる２重管構造を有し、前記内管が微粉炭吹き込み管を構成するとともに、前記外管と内管との間が冷却流体用の流路を構成することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
【請求項５】
微粉炭吹き込み管が、管壁内部に冷却流体用の流路を備えた単管構造であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
【請求項６】
請求項１、２、３、４又は５に記載の微粉炭吹き込みバーナーを用いた冶金炉内への微粉炭の吹き込み方法であって、
微粉炭吹き込みバーナーのバーナー本体の先端側部分を冶金炉の羽口又はこれに連設されたブローパイプ内に挿入し、該微粉炭吹き込みバーナーから羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むことを特徴とする冶金炉内への微粉炭吹き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉などの冶金炉において羽口を通じて炉内に微粉炭を吹き込むための微粉炭吹き込みバーナー及びこれを用いた冶金炉内への微粉炭吹き込み方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炉操業では、コークスの代替燃料として微粉炭の吹き込みを行うことが一般化しており、最近では銑鉄トン当たり微粉炭比２６０ｋｇを超える操業を行っている例もある（例えば、非特許文献１参照）。
しかし、将来的なコークス需給、コークス炉の老朽化、炭酸ガス発生量の抑制等の事情からして、今後さらなるコークス使用量の低減化が必要となる可能性があり、この場合、より多量の微粉炭吹き込みを行うことが必要になると考えられる。
【０００３】
【非特許文献１】
「材料とプロセス  Ｖｏｌ．１１（１９９８）」ｐ８３４
【０００４】
一般に、微粉炭は羽口に取り付けられたブローパイプを貫通して挿入される微粉炭吹き込みバーナーを通じて、熱風とともに高炉内に吹き込まれる。この場合、ガス流れや温度の分布が高炉周方向で均一となるように、全ての羽口から一様に微粉炭を吹き込むことが望ましい。
しかし、微粉炭吹き込みバーナーで高炉内に微粉炭を吹き込むと、バーナー先端部に異物が付着・成長してバーナーの詰りを生じ、微粉炭を高炉周方向の全ての羽口から一様に吹き込むことができなくなるという問題がある。
【０００５】
図９に、従来の微粉炭吹き込みバーナーの先端部の構造と異物の付着状況を示す。一般に従来の微粉炭吹き込みバーナーは、内管７（微粉炭吹き込み管）と外管８とからなる２重管構造を有し、内管７から搬送気体により微粉炭が吹き込まれるとともに、外管８と内管７との間の流路９には空気などの冷却流体が流される。このような微粉炭吹き込みバーナーを使用していくと、昇温した微粉炭から放出される揮発分や微粉炭の燃焼により生じる溶融灰分などの異物が内管７の先端部に付着し、これが次第に成長してバーナーの詰まりが生じる。そして、バーナーにこのような異物による詰まりが生じると、高炉周方向での微粉炭の吹き込み量が不均一となり、高炉周方向での熱バランスが崩れるなど、高炉操業に重大な支障をきたすことになる。
【０００６】
このような異物付着の問題に対して、バーナー先端部の内筒（内管）内面に外側に向かってテーパーを設けることにより、バーナー先端部での渦流の発生を抑制するとともに、内筒と外筒（外管）の長さの差を大きくして外筒と内筒の段差部における送風の滞留を低減することによって、内管先端部での付着物の形成を防止するようにした技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−１５８１２６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、微粉炭吹き込み量が増加してくると、上記特許文献１に示される微粉炭吹き込みバーナーでも異物付着を十分に抑制できなくなる。
また、近年、微粉炭吹き込み量の増加に伴い、▲１▼微粉炭の燃焼時に発生する灰分が羽口に付着し、高炉の送風を不安定にする、▲２▼羽口やブローパイプ内での微粉炭の燃焼によりガス温度と体積が上昇するため、送風圧力が上昇するとともにその変動も大きくなり、高炉の送風を不安定にする、などの問題が顕在化してきている。このような問題を避けるためには、微粉炭吹き込みバーナーによる微粉炭の吹き込み位置をなるべく炉内側（羽口先端）寄りにするのが効果的であり、このため最近の高炉操業では、羽口先端位置と微粉炭吹き込みバーナーの先端位置との距離を非常に小さく設定（例えば、５０〜１００ｍｍ程度）するようになってきている。
【０００９】
しかし、このような配置で上記特許文献１に示された微粉炭吹き込みバーナーを用いると、高炉内燃焼帯から輻射熱によりバーナー先端部が溶損しやすいことが判明した。これは、内筒と外筒の長さの差を大きくしたために、内筒の冷却効果が低下したことによるものと考えられる。
【００１０】
したがって本発明の目的は、バーナー先端部での異物付着を効果的に抑制することができ、また、バーナー先端位置と羽口先端位置との距離を小さくしてもバーナー先端部の冷却を適正に維持することができる冶金炉用微粉炭吹き込みバーナーを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、このような微粉炭吹き込みバーナーを用いた冶金炉内への微粉炭吹き込み方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下のとおりである。
［１］  羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むための微粉炭吹き込みバーナーにおいて、
バーナー本体を構成する微粉炭吹き込み管の先端側部分が、内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部と、該縮径管部に連なる管端部であって、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部とからなることを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
［２］  上記［１］の微粉炭吹き込みバーナーにおいて、縮径管部と拡径管部との間に、内径が一定の等径管部を有することを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
［３］  上記［１］又は［２］の微粉炭吹き込みバーナーにおいて、拡径管部内面の管軸に対する広がり角θが１０°以上であることを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
【００１２】
［４］  上記［１］〜［３］のいずれかの微粉炭吹き込みバーナーにおいて、バーナー本体が内管と外管とからなる２重管構造を有し、前記内管が微粉炭吹き込み管を構成するとともに、前記外管と内管との間が冷却流体用の流路を構成することを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
［５］  上記［１］〜［３］のいずれかの微粉炭吹き込みバーナーにおいて、微粉炭吹き込み管が、管壁内部に冷却流体用の流路を備えた単管構造であることを特徴とする冶金炉用微粉炭吹き込みバーナー。
［６］  上記［１］〜［５］のいずれかの微粉炭吹き込みバーナーを用いた冶金炉内への微粉炭の吹き込み方法であって、
微粉炭吹き込みバーナーのバーナー本体の先端側部分を冶金炉の羽口又はこれに連設されたブローパイプ内に挿入し、該微粉炭吹き込みバーナーから羽口を通じて冶金炉内に微粉炭を吹き込むことを特徴とする冶金炉内への微粉炭吹き込み方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は本発明の微粉炭吹き込みバーナーの一実施形態を示すもので、図１は微粉炭吹き込みバーナーの縦断面図、図２は本発明の微粉炭吹き込みバーナーＡが取り付けられた高炉羽口部の縦断面図である。
図１において、１は２重管構造のバーナー本体であり、このバーナー本体１は内管である微粉炭吹き込み管２と外管３とからなり、これら微粉炭吹き込み管２（内管）と外管３の間が冷却流体用の流路４を構成している。前記微粉炭吹き込み管２と外管３の先端は開放し、その両管端はバーナー本体長手方向の略同一位置にある。また、外管３の後端には冷却流体の導入口３０が設けられている。バーナー先端部は微粉炭の燃焼により生じる熱やレースウェイ内の赤熱コークスからの輻射熱によって溶損しやすいが、上記のような冷却流体用の流路４を設けた構造（冷却構造）とすることにより、バーナー先端部の溶損を効果的に抑えることができる。
【００１４】
前記微粉炭吹き込み管２の先端側部分は、内径が管端側に向けて漸次縮径した縮径管部２０と、この縮径管部２０に連なる管端部であって、内径が管端側に向けて漸次拡径した拡径管部２１（短管部）とから構成されている。したがって、縮径管部２０のバーナー後端寄りの端部（＝縮径管部２０よりもバーナー後端側の等径管部２２の端部）の内径Ｄ１と、縮径管部２０のバーナー先端寄りの端部（＝拡径管部２１のバーナー後端寄りの端部）の内径Ｄ２と、拡径管部２１の先端部（＝管端）の内径Ｄ３は、Ｄ１＞Ｄ２、Ｄ３＞Ｄ２の関係を満足する。なお、本実施形態の縮径管部２０と拡径管部２１は、いずれも内面がテーパ面となっているが、これらの内面は必ずしもテーパ面でなくてもよく、例えば、管軸方向で弧状に構成され又は弧状部分を含むようなものであってもよいし、また、テーパ角が異なる複数のテーパ面が管軸方向で組み合わされたようなものであってもよい。
【００１５】
図２において、５は羽口、６はこの羽口５に接続された熱風送風用のブローパイプであり、図１に示す微粉炭吹き込みバーナーＡは、バーナー本体１がブローパイプ６を斜めに貫通し、その先端側部分がブローパイプ６の先端側部分ないし羽口５内に位置するように配置される。
以上のような微粉炭吹き込みバーナーＡでは、微粉炭吹き込み管２に搬送気体に伴われた微粉炭が導入され、この微粉炭は微粉炭吹き込み管２の先端から羽口５又はブローパイプ６内に吹き込まれ、燃焼しつつ炉内に導入される。また、微粉炭吹き込み管２（内管）と外管３との間の流路４には空気などの冷却流体が供給され、微粉炭吹き込みバーナーの先端部（特に、微粉炭吹き込み管２の先端部）が冷却される。
【００１６】
このような本発明の微粉炭吹き込みバーナーＡにおける異物付着防止作用の原理を、図３（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。
図３（ａ）は微粉炭吹き込み管２の先端側部分における搬送気体（微粉炭の搬送気体）の流れｘを、また、図３（ｂ）は同じく微粉炭の流れｙを、それぞれ模式的に示したものである。これによれば、搬送気体の流れｘは、基本的に縮径管部２０とこれに連なる拡径管部２１の内部空間に沿ったものとなる。すなわち、搬送気体の流れｘは縮径管部２０で一旦絞られるが、拡径管部２１に到るとその拡大した内径に沿って広がりを見せる。これに対して固体である微粉炭は搬送気体に較べて慣性が大きいため、縮径管部２０で流れが絞られることにより、拡径管部２１に到ってもそのまま管軸（バーナー中心軸）側に集中するような流れｙとなる。
【００１７】
先に述べたようにバーナー先端部での付着異物は、微粉炭の昇温により放出される揮発分や微粉炭の燃焼により生じる溶融灰分が付着して生じるものであるが、図３（ｂ）に示すように、微粉炭は縮径管部２０で絞られることによって拡径管部２１に到っても管軸側に集中するような流れになり、且つ管端部である拡径管部２１において微粉炭の流れと管との間に十分な距離がおかれるため、上記揮発分や溶融灰分が管端部に付着することが効果的に抑えられることになる。ここで、先に述べた特許文献１の微粉炭吹き込みバーナーは、内管（微粉炭吹き込み管）の内面にテーパを設けているが、その上流側に本発明のような縮径管部を有していないため、微粉炭の流れが図３（ｂ）に示すような管軸側に集中したものとはならない。このため微粉炭の流れと内筒の管端部との距離を十分に取ることができず、この結果、管端部での異物の付着を適切に防止できない。
【００１８】
次に、本発明の微粉炭吹き込みバーナーの好ましい構造について説明する。
まず、上記拡径管部２１の内面の管軸に対する広がり角θ（拡径管部２１の内面の延長面と管軸とがなす角度）は１０°以上とすることが好ましい。バーナー先端部への異物付着の防止効果は、広がり角θが１０°未満でもある程度得られるが、広がり角θが１０°以上となると特に顕著な異物付着の防止効果が得られる。
【００１９】
拡径管部２１の内面の広がり角θの最適範囲を確認するため、周方向に３４本の羽口を有する高炉（内容積３２２３ｍ３）において、拡径管部内面の広がり角θが異なる種々の微粉炭吹き込みバーナーを用いて微粉炭の吹き込み操業を行い、バーナー先端部への異物の付着状況とバーナーの耐久性（寿命）を評価した。この試験操業では、高炉の全羽口に対して拡径管部内面の広がり角θが同じ微粉炭吹き込みバーナーを適用した。また、比較のために図９に示すような従来型の微粉炭吹き込みバーナーについても同様の評価を行った。なお、図１に示す縮径管部２０の内径Ｄ２と内面テーパ角については、微粉炭ホッパー圧に大きな変動を及ぼさない範囲で一定とした。また、各試験期間の高炉操業条件はほぼ一定とし、試験期間は１年間とした。
【００２０】
図４は、上記試験操業において、拡径管部内面の広がり角θとバーナー先端部に異物付着（バーナー先端部が閉塞するような異物付着）が生じた羽口本数との関係を示している。同図によれば、広がり角θが２°程度でも従来型のバーナーに較べて異物付着の防止効果は認められるが、特に広がり角θが１０°以上において異物付着が顕著に低減していることが判る。
【００２１】
図５は、上記試験操業において、拡径管部内面の広がり角θとバーナー寿命との関係を示している。ここで、バーナー寿命とは、使用開始からバーナー先端の溶損が顕著となって交換の必要が生じるまでの期間を指す。図５によれば、拡径管部内面の広がり角θに拘りなくバーナー寿命はほぼ一定であることが判る。これは、本発明の微粉炭吹き込みバーナーは特許文献１の微粉炭吹き込みバーナーのように内管と外管の長さに大きな差がないため、効率よく冷却された結果と考えられる。
【００２２】
広がり角θの上限は特にないが、この広がり角θがあまり大きいと拡径管部２１の長さＬ１を確保するために拡径管部２１の先端部の径が大きくなり、外管３との構造上の取り合いが問題になるため、このような問題を避けるためには広がり角θは５０°程度を上限とすることが好ましい。
また、上記拡径管部２１の長さＬ１にも特に制限はないが、内管２の径に対してあまりに短いと、拡径管部２１を設けることによる本発明の効果が十分に得られず、一方、長すぎると外管３との構造上の取り合いが問題になるため、縮径管部２０のバーナー後端寄り端部の内径Ｄ１との関係で、０．１Ｄ１≦Ｌ１≦Ｄ１を満足する程度の長さとすることが好ましい。
【００２３】
また、縮径管部２０の縮径の度合い、すなわち縮径管部２０のバーナー先端寄り端部の内径Ｄ２とバーナー後端寄り端部の内径Ｄ１との比Ｄ２／Ｄ１にも特別な制限はないが、この比があまり大き過ぎると本発明の効果が低下し、一方、あまり小さ過ぎると微粉炭の吹き込みに支障をきたすおそれがあるので、０．５≦Ｄ２／Ｄ１≦０．９程度とすることが好ましい。
【００２４】
本発明の微粉炭吹き込みバーナーは、図６に示すように縮径管部２０と拡径管部２１との間に内径が一定の等径管部２３を有する構造としてもよい。
また、本発明の微粉炭吹き込みバーナーでは、微粉炭吹き込み管２の内面が上述した条件を満足すればよく、したがって、図７に示すように微粉炭吹き込み管２の外面はストレートな形状であってもよい。これにより流路４の断面積をバーナー長手方向で一定とすることができる。
【００２５】
また、本実施形態のようにバーナー本体が内管と外管とからなる２重管構造を有する場合には、外管３から供給される冷却流体により微粉炭吹き込み管２が適切に冷却される限度で、図９のように内管（微粉炭吹き込み管２）と外管３の長さに差をつけてもよい。
さらに、本発明のバーナーでは、上記実施形態のような外管３を設けることなく、微粉炭吹き込み管２を管壁内部に冷却流体用の流路を備えた単管構造とすることもできる。図８は、その一実施形態を示すもので、微粉炭吹き込み管２の管壁内部には冷却流体用の流路４ａが設けられ、この流路４ａ内に供給される冷却水などの冷却流体により微粉炭吹き込み管２が冷却される。前記流路４ａには管外から冷却流体を供給するための供給部（図示せず）と、流路４ａを流れた冷却流体を管外に排出するための排出部（図示せず）が設けられる。
以上述べた本発明の微粉炭吹き込みバーナーとこれを用いた微粉炭吹き込み方法は、高炉だけでなく、スクラップ溶解炉等をはじめとする各種冶金炉に適用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の微粉炭吹き込みバーナーは、バーナー先端部での異物付着を効果的に抑制することができる。また、バーナー本体を２重管構造とする場合において、微粉炭吹き込み管を外管に対して突出させることなくバーナー先端部での異物付着を効果的に抑制できるため、バーナー先端位置と羽口先端位置との距離を小さくしてもバーナー先端部の冷却を適正に維持することができる。このためバーナーの先端位置と羽口先端位置との距離を十分に小さくし、高炉など冶金炉の送風を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微粉炭吹き込みバーナーの一実施形態の縦断面図
【図２】図１の微粉炭吹き込みバーナーが取り付けられた高炉羽口部の縦断面図
【図３】本発明の微粉炭吹き込みバーナーによる異物付着防止作用の原理を示す説明図
【図４】本発明の微粉炭吹き込みバーナーにおいて、拡径管部内面の広がり角θとバーナー先端部への異物付着の防止効果との関係を示すグラフ
【図５】本発明の微粉炭吹き込みバーナーにおいて、拡径管部内面の広がり角θとバーナー寿命との関係を示すグラフ
【図６】本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態における微粉炭吹き込み管先端部の縦断面図
【図７】本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態における微粉炭吹き込み管先端部の縦断面図
【図８】本発明の微粉炭吹き込みバーナーの他の実施形態における微粉炭吹き込み管先端部の縦断面図
【図９】従来の微粉炭吹き込みバーナー先端部の縦断面と異物付着状況を示す説明図
【符号の説明】
１…バーナー本体、２…微粉炭吹き込み管、３…外管、４，４ａ…流路、５…羽口、６…ブローパイプ、２０…縮径管部、２１…拡径管部、２２，２３…等径管部、Ａ…微粉炭吹き込みバーナー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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