(57)【要約】【課題】微粉炭の分散性を改善し、微粉炭超多量吹き込み操業を安定的に継続できる、高炉への微粉炭吹き込み方法を提供する。【解決手段】本発明者らは、末広がり型ランスの使用および細粒の微粉炭の使用について検討を重ね、下記に開示する特別な条件を満たす時に、微粉炭の燃焼性が向上し、同時にランスの耐久性も両立させることができることを発見した。・末広がりランスの広がり角度は２０°以下であること。・ランスの拡大前の内径をｄ１，末広ランスの最大径をｄ２としたとき（ｄ２／ｄ１）２＞１．５。・２０μｍ以下の粒径を持つ粒子の割合が５質量％以上であること。【選択図】      図１
2004285425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブローパイプを貫通して設けた微粉炭吹き込みランスを用いて、高炉羽口内に微粉炭を吹き込む方法において、
ランスの先端部を末広がり型とし、その広がり角度θを、
【数１】
2004285425.tif 000011
とすることを特徴とする高炉内への微粉炭吹き込み方法。
ただし
ｄ１：末広がり部以前のランス内径（ｍｍ）
Ｌ：末広がり部の長さ（ｍｍ）
【請求項２】
前記微粉炭の粒度分布を２０μｍ以下が５質量％以上となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の高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】
この発明は、属炉への微粉炭吹き込み方法に関する。特に微粉炭の燃焼率を高めることのできる吹き込みランスを提供し、多量の微粉炭を安定して吹き込むことを可能にすることで、銑鉄の製造コストを引き下げる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
銑鉄製造コストの削減およびコークス炉の寿命延長のため、高炉における微粉炭多量吹き込み操業が実施されてきている。この微粉炭吹き込み量は多い方が望ましいため、吹き込み量の増量が図られており、最近では「材料とプロセス１１（１９９８）ｐ８３４」に見られるように月間微粉炭吹き込み比で２６６ｋｇ／ｔを記録する超多量吹き込み高炉も出現してきている。
【０００３】
微粉炭の多量吹き込みを行おうとすると、微粉炭の燃焼に必要な酸素が不足し、微粉炭の燃焼性が低下する。未燃の微粉炭が増加すると、それらが高炉内の気体の流れに同伴され、ついには炉頂部から排出されるなどして、高炉内に装入するコークスの一部を微粉炭に置き換えることができる割合、即ち置換率が低下し、微粉炭の吹き込み効果が減少する。酸素濃度を増加させる、あるいは高炉に吹き込む熱風の温度を上昇させるなどすれば燃焼性が向上することは明らかであるが、一般に酸素の製造価格は高く、また熱風温度を上昇させるためにもエネルギーを余分に消費するため、これらの方法は経済的でないこともまた明らかである。
【０００４】
このため、微粉炭吹き込みランスの形状を変更し燃焼率を向上させる方法（特許文献１）や、着火燃焼性に優れる細粒（平均粒径の小さい）微粉炭を用いる方法（特許文献２）などの方法がこれまでに開示されている。
【０００５】
特許文献１に開示された技術は、微粉炭の搬送ガスと熱風の流速に速度差を与え且つ微粉炭の吹き込みランス先端部を例えばコーン状（末広がり形状）またはコーン状の先端部にさらに切り込みを入れるなど、さまざまに工夫し、微粉炭吹き込みランスの先端部に生じる乱流度を高め、微粉炭と送風ガスとの混合を促進し燃焼性を向上させる技術である。
【０００６】
特許文献２に開示された技術は、複数本の吹き込みランスを使用し、（着火燃焼性に優れる）平均粒径の小さい微粉炭を上流から吹き込むことにより、その下流側から吹き込まれる平均粒径の大きい微粉炭の燃焼性を向上させようという技術である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２５６０１２号公報
【特許文献２】
特開平１０−２２６８０６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述の方法によれば、微粉炭の燃焼性が改善され、微粉炭多量吹き込みが可能になるとしているが、いずれの方法も下記に示すような短所を有し、実用上好ましくないことが明らかとなった。
【０００９】
特許文献１による方法は、たしかにランス先端部に乱流を生じさせ、微粉炭の拡散及びそれにともなう燃焼性向上に効果があるが、その耐久性に問題があることが明らかとなった。即ち、微粉炭吹き込みランスの先端部はレースウェイ内の赤熱コークスあるいは燃焼した微粉炭からの輻射熱による熱負荷が極めて大きく、通常は強水冷構造を持ったランスを用いることになる。しかしながら特許文献１に示すランスの先端形状は、複雑であり、十分な水冷構造を施すことが不可能であるか、複雑であった。しかも、乱流度を向上させ微粉炭の着火燃焼を促進させ、微粉炭の燃焼をランス先端に近づければ近づけるほど、ランス先端部の熱負荷は増大し、ランス先端部の溶損が早まり、乱流度を向上できなくなる形状になるか、最悪の場合には吹き込み不能という事態に陥ることが分かった。
【００１０】
特許文献２による方法は、上流側から吹き込まれた微粉炭が酸素を消費してしまうため、その下流側から吹き込まれた微粉炭粒子は高温にはなるものの燃焼に必要な酸素が確保できないため、実際には燃焼率の向上効果はほとんど認められない。
【００１１】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、微粉炭の分散性を改善し、微粉炭超多量吹き込み操業を安定的に継続できる、高炉への微粉炭吹き込み方法を提供するためになされたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、末広がり型ランスの使用および細粒の微粉炭の使用について検討を重ね、下記に開示する特別な条件を満たす時に、微粉炭の燃焼性が向上し、同時にランスの耐久性も両立させることができることを発見した。
【００１３】
・末広がりランスの広がり角度は２０°以下であること。
・ランスの拡大前の内径をｄ１，末広ランスの最大径をｄ２としたとき（ｄ２／ｄ１）２＞１．５
・２０μｍ以下の粒径を持つ粒子の割合が５質量％以上であること。
【００１４】
すなわち請求項１の発明は、ブローパイプを貫通して設けた微粉炭吹き込みランスを用いて、高炉羽口内に微粉炭を吹き込む方法において、ランスの先端部を末広がり型とし、その広がり角度θを、
【数２】
2004285425.tif 000003
とすることを特徴とする高炉内への微粉炭吹き込み方法により、上述した課題を解決する。
【００１５】
また請求項２の発明は、請求項１に記載の高炉内への微粉炭吹き込み方法において、前記微粉炭の粒度分布を２０μｍ以下が５質量％以上となるように制御することを特徴とする。
【００１６】
末広がり型ランスの模式図を図２のａ）に示す。ここで、径拡大前の管径をｄ１，最大の管径（ランス末端部）をｄ２とし、広がり角度をθ、広がり部の長さをＬとする。使用される直管のランスを図２のｂ）に参考として示した。
【００１７】
気体単独あるいは気体および粒子をランスに流通させたときの、気体および粒子の流線を図３に示した。気体とごく微粒の粒子については図３（ｂ）に示すような流線となり、ランス出口においては直径ｄ２に広がることになる。搬送する粒子が大きくなり２０μｍを超える大きさになると、慣性力の影響を強く受け、図３の（ａ）に示すように粒子の流線はランス出口においても直径ｄ１にしか広がらないことになる。
【００１８】
したがって、末広ランスを用いてかつ微粒（２０μｍ以下）の粒子を用いれば微粉炭の分散性を向上し、したがって熱風中の酸素と微粉炭粒子の接触が促進され燃焼率を向上させることができる。
【００１９】
ランスの広がり角度θがあまり大きくなると流れが管壁から剥離するようになる。具体的に煙をトレーサーにして実験を繰り返したところ、θ＞２０°で気体の流れは図３（ｂ）から図３（ａ）のようになり、もはや末広ランスの役割を果たさなくなることがわかった。したがってθは２０°よりも小さくする必要がある。このようにθを２０°よりも小さくすることにより、管内を流通する気体がランス先端部の管壁に接触し冷却するため、強水冷構造によらずとも、ランス先端部の溶損が防止可能である。
【００２０】
θが小さい場合は、広がり部長さＬを長くとって管径の拡大を図る必要がある。図４に燃焼空間の体積を概念的に示した。ランス出口径ｄ１で噴出した微粉炭はＶ１で示された空間の酸素を利用して燃焼する。また、ランス出口径ｄ２で噴出した微粉炭はＶ２で示された空間の酸素を利用して燃焼することになる。単純な管（内径ｄ１）を用いたときに比べ末広型ランスを用いて出口径をｄ２としたときの燃焼率は、
Ｖ２／Ｖ２＝（ｄ２／ｄ１）２
に依存するものと考えられる。実際に（ｄ２／ｄ１）２と微粉炭燃焼率の関係を実験により求めると（詳細は後述）、（ｄ２／ｄ１）２を増大させると微粉炭の燃焼率も向上していくがその効果は（ｄ２／ｄ１）２が１．５を超えるとほぼ一定となることから
【数３】
（ｄ２／ｄ１）２＞１．５                ・・・（Ａ）
を満たせば十分である。
【００２１】
一方、ｄ２は次式であらわされる。
【００２２】
【数４】
ｄ２＝ｄ１＋２Ｌ・ｔａｎθ              ・・・（Ｂ）
【００２３】
よって（Ａ），（Ｂ）の関係からｄ２を消去し、θをｄ１，Ｌであらわすと
【数５】
2004285425.tif 000004
前述の剥離によるθの上限を考慮すると
【数６】
2004285425.tif 000005
を得る。
【００２４】
次に、２０μｍ以下の粒子の望ましい使用比率について検討を行った。石炭を微粉砕するためにはそのためのエネルギー（たとえば電力など）が必要であり、銑鉄製造のためのコストアップにつながることからその使用比率については極力少ないことが要求される。
【００２５】
図５には検討に用いた粒度分布を示した。（１）は従来吹き込みを実施していた微粉炭の粒度分布を示す。高炉での微粉炭の粉砕基準として７４μｍより細かいものの質量分率が０．７５以上という基準を満たすものである。この場合には２０μｍ以下の粒径の微粉炭粒子がほとんど存在しないため、たとえ末広型のランスを用いて吹き込みを実施しても図３（ａ）に示すように微粉炭粒子の慣性力が大きいため末広型にしたがって拡散することなく、ほぼまっすぐに吹き込まれ、微粉炭燃焼率の向上効果は期待できない。
【００２６】
図５の曲線（２）は強粉砕した微粉炭の粒度分布を示している。この粒度分布の微粉炭を吹き込むと２０μｍ以下の粒径の微粉炭が末広型ランスに沿って拡散するため燃焼率の向上効果が確認できた。前述の（１）の粒度分布をもつ微粉炭と（２）の粒度分布をもつ微粉炭を混合することにより例えば（３）に示す粒度分布の微粉炭が得られる。各々の混合比率を変更することで、２０μｍ以下の粒径の微粉炭の質量％を０乃至２０の範囲で製造し、後述の微粉炭燃焼試験炉を用いて燃焼率の測定試験を実施した。結果を図６に示す。
【００２７】
２０μｍ以下の質量％が増加するにしたがって燃焼率は増加する傾向があるが、５質量％でおおむね飽和することがわかった。したがって粉砕コストを考慮すると２０μｍ以下の微粉炭の量は５質量％で十分、望ましくは５質量％以上であるといえる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の、高炉内への固体燃料（微粉炭）吹き込み方法の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１は、この発明の、高炉内への固体燃料（微粉炭）の吹き込み方法の一実施態様を示す図である。微粉炭吹き込みランス３は羽口４に接続されたブローパイプ１を貫通して設置されている。ランス３の先端部は末広型の構造を有する。石炭７を微粉砕機６で微粉炭とし、微粉炭搬送ライン５を介してランス３へ導入する。ブローパイプ１内へ噴射された微粉炭は、高温の熱風２により一部燃焼しつつ羽口４へと進み、高炉内へ吹き込まれることになる。
【００３０】
微粉炭は、微粉砕機により微粉砕されるが、微粉砕機は１機であっても複数あってもよく、複数の微粉砕機による異なる粒度分布を持つ微粉炭を混合しても良い。最終的にランスに導入される微粉炭が２０μｍ以下の粒子を５質量％以上含むように調整されればよい。
【００３１】
ランスの形状については図３に示しているが、一般的に使用される直管型のランス（図３のｂ）に対して末広型形状を持つことを特徴とし、その広がり角度θを
【数７】
2004285425.tif 000006
とすることを特徴とする。
【００３２】
次に、この発明の効果を実証するための試験を行った。以下、この試験方法および試験結果を、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図７は、高炉の羽口近傍を模した微粉炭燃焼試験用の反応炉を示す断面図であり、８は、反応炉本体、９は、反応炉本体８に設けられた羽口、１０は、羽口９に接続されたブローパイプ、１１はブローパイプ１０内に挿入された微粉炭吹込み用ランス、１２は、反応炉本体８内に充填されたコークス、１３は、ブローパイプ１０に形成された３個の微粉炭採取プローブ用孔であり、ランス１１の先端から２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍの位置にそれぞれ設けられている。１４は、ブローパイプ１０から反応炉本体８内に吹き込まれる熱風、１５は、羽口９先端に形成されたレースウェイ、１６は、反応炉本体８からの排ガスを示す。
【００３４】
このような反応炉本体８内に充填されたコークス１２に熱風を吹き込んだ。この熱風は、ブローパイプ１０の上流側からＬＰＧを空気によって燃焼させ、更に、酸素を混合して得られた、高炉におけると同様な酸素濃度のものであった。そして、図２ａ）に示す末広型のランスによって微粉炭をブローパイプ１０内に吹き込んだ。そして、３個の微粉炭採取プローブ用孔１３の各々に微粉炭採取プローブを挿入して、燃焼過程の微粉炭をサンプリングし、分析して、微粉炭の燃焼率を調べた。燃焼率の定義は、下記（Ｅ）式に示すように、可燃分の消費率として計算した。このときの試験条件を表１に示し、試験設備緒元を表２に示す。
【００３５】
【数８】
2004285425.tif 000007
【００３６】
【表１】
2004285425.tif 000008
【００３７】
【表２】
2004285425.tif 000009
【００３８】
このようにして行った燃焼試験結果を図８に示す。なお、この試験条件での微粉炭の吹込み量は、実際の高炉においては２００ｋｇ／ｔに相当する。ストレート管（すなわち（ｄ２／ｄ１）２＝１）の場合に比べ末広がり型ランスを用いた場合に燃焼率が向上することが確認された。
【００３９】
図９は（ｄ２／ｄ１）２と微粉炭の燃焼率を整理したものである。（ｄ２／ｄ１）２の上昇にともなって燃焼率は上昇傾向を示すが、（ｄ２／ｄ１）２が１．５以上ではほぼ一定となる。（ｄ２／ｄ１）２が１．５以上で十分といえる。
【００４０】
本発明の実施例および比較例を表３に示す。
【００４１】
【表３】
2004285425.tif 000010
【００４２】
実施例は本発明を反映させた実験水準であり吹き込みトラブルもなく微粉炭の燃焼が可能であった。比較例１は吹き込みランスにストレート管を用いた場合であり、微粉炭の粒度分布など他の条件は実施例と同じである。すなわち比較例１は広く普及した微粉炭の吹き込み方法であり、基準条件とも言える条件である。比較例１に比べ実施例では微粉炭の燃焼率が２１％増大しており、本発明により微粉炭の安定した多量吹き込みが可能になることがわかる。なお実施例では図１０に示すように外形はストレート管であり、ランス内部が末広型となるような吹き込みランスを用いている。図１０に示すランスでは、ランス先端近傍に乱流が生じないため、燃焼率の向上効果は乱流によるものではなく、微粉炭粒子がランス管壁に沿う現象に基づくものと結論できる。
【００４３】
比較例２は、広がり角度θが２０°を超える場合であり、この場合にはランスの末広部で流れの剥離が生じるため、細粒微粉炭がランスの管壁に沿って流れないため、本発明による効果が期待できない。このため末広部分の冷却ができず、ランス先端が熱風の顕熱や、微粉炭燃焼の輻射熱にさらされるため、ランス先端部分が溶損し、実験開始後１時間程度でランスが閉塞し、微粉炭の吹き込みが不可能となった。この間燃焼率は比較例１に比べてやや向上する傾向を示したが、これはランス先端近傍に生じた乱流によるものと推察される。
【００４４】
比較例３は広がり角度が小さく燃焼率向上効果が低い場合を示す。
【００４５】
比較例４はランスの形状は実施例と同一であるが、微粉炭中２０μｍ以下の質量％が小さく、燃焼率向上効果が低い場合を示している。比較例４では、実施例１ほどの燃焼率の向上は得られないが、ランスの形状を実施例と同一にすることで、比較例１〜３に比べて燃焼率を向上できた。
【００４６】
【発明の効果】
以上、上記のように、微粉炭ランス形状を適切に配置し、微粉炭の粒度分布を適正範囲とすることで、微粉炭の燃焼率を向上させることができ、安定して微粉炭多量吹き込みを行うことができるため、銑鉄製造コストの削減に多大な効果を奏することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】高炉内への固体燃料（微粉炭）の吹き込み方法の一実施態様を示す図。
【図２】末広型ランスの模式図（図中ａ）は本発明例を示し、図中ｂ）は参考例として直管のランスを示す）。
【図３】気体および粒子の流線の模式図（図中ａ）は直径２０μｍ以上の粒子の場合を示し、図中ｂ）は直径２０μｍ以下の粒子の場合を示す）。
【図４】燃焼空間の体積を示す概念図。
【図５】粒径と累積質量との関係を示すグラフ。
【図６】２０μｍ以下の燃焼率。
【図７】反応炉の断面図。
【図８】燃焼試験結果を示すグラフ。
【図９】（ｄ２／ｄ１）２と微粉炭の燃焼率との関係を示すグラフ。
【図１０】ランスを示す断面図。
【符号の説明】
１、１０・・・ブローパイプ
３、１１・・・ランス
８・・・反応炉本体
９・・・羽口
【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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【図１０】
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