(57)【要約】【課題】 実操業を再現することが可能な、操業条件の変化に伴う炉内状況の変化に追従できる、軟式亜鉛製錬のＩＳＰ法により溶鉱炉の内部を解析することを可能にする。【解決手段】 本発明は、コークスを用いて、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有する焼成物から亜鉛を取り出す軟式亜鉛製錬用の溶鉱炉内で、亜鉛を生成するための酸化亜鉛の還元反応が主反応として行われる領域での反応状態をコンピュータシステムを用いて解析する方法である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コークスを用いて、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有する焼成物から亜鉛を取り出す乾式亜鉛製錬用の溶鉱炉であって、導入されたコークスの全導入量の少なくとも一部および必要に応じて焼成物を落下させるとともに生成した亜鉛を排出する第一領域と、第一領域を通過した焼成物の各成分のうち少なくとも酸化亜鉛の還元反応および必要に応じて酸化鉛および酸化鉄の還元反応が主反応として行われる第二領域と、焼成物およびコークスの残りを導入するとともに、第二領域を通過した焼成物のうち少なくとも酸化亜鉛、酸化鉛および酸化鉄の還元反応および炭素の酸化反応が主反応として行われる第三領域とが連続して形成されてなる溶鉱炉での反応状態をコンピュータシステムを用いて解析する方法であって、
炉の形状を特定するための値を反応場特定値として入力し、第一および第三領域に導入されるコークスおよび焼成物のそれぞれの導入温度、導入量および組成を導入初期値として入力し、前記第一領域に導入される気体の組成および流量、当該第一領域から排出される精製亜鉛を含有する気体の組成および流量および前記第三領域に導入される気体の温度、組成および流量を操業データとして入力する操業条件入力段階と、
前記操業条件入力段階で入力された、前記第一領域に導入される気体の組成および流量と、前記第三領域に導入される気体の組成および流量と、前記導入される焼成物およびコークスの組成とを用いて、各領域で行われる一酸化炭素生成反応および二酸化炭素生成反応に基づいて、前記前記第一領域で生じる一酸化炭素および二酸化炭素の流量を算出する流量算出段階と、
前記第一領域から排出される気体の温度を設定入力する温度設定段階と、
前記操業条件入力段階で入力された、前記第一領域に導入される気体の組成および流量および当該第一領域から排出される精製亜鉛を含有する気体の組成および流量と、前記流量算出段階で得られた一酸化炭素および二酸化炭素の流量と、前記温度設定段階で設定入力された気体温度とを用いて、当該第一領域で行われる化学反応に基づいて、第一領域での反応における物質収支および熱収支を算出して、第二領域から導入される亜鉛を含有する気体の物質収支、熱収支および組成を算出する第一領域収支計算段階と、
前記第一領域収支計算段階で算出された第二領域から排出される亜鉛を含有する気体の物質収支、熱収支および組成と、前記操業条件入力段階で入力された前記反応場特定値および前記導入初期値とを用いて、前記各還元反応の速度定数および平衡定数に基づいて、前記第二領域の上下方向の微小区間における、気体成分全体、コークスおよび焼成物のそれぞれの流量および温度の変化と、当該微小区間中の各気体組成の圧力変化と、当該微小区間中の各固体組成の反応率の変化とを計算し、得られた各値に基づいて、前記第二領域におけるコークス、焼結鉱および気体成分のそれぞれの物質収支、熱収支および第二領域全体の熱損失を算出する第二領域収支計算段階と、
前記操業条件入力段階で入力された前記第三領域に導入される焼成物およびコークスの温度、組成および導入量および当該領域に導入される気体の温度、組成および流量と、前記第二領域収支計算段階で得られた物質収支および熱収支とを用いて、当該第三領域で行われる化学反応に基づいて、第三領域における物質収支、熱収支および熱損失を計算する第三領域収支計算段階とを有することを特徴とする乾式亜鉛製錬溶鉱炉内の状態解析方法。
【請求項２】
前記第三領域に導入される焼成物を全体の１〜１００％とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第三領域に導入されるコークスを全体の４０〜６０％とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第三領域に導入される気体は、酸素が３０〜１００％含まれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
下記の反応式で表される反応を、前記第二領域で行われる反応として設定することを特徴とする請求項１に記載の方法：
【化１】
2005248199.tif 000021
【請求項６】
前記第二領域収支計算段階では、気体成分全体、コークスおよび焼結鉱のそれぞれの流量および温度の変化、および当該微小区間中の各気体組成の圧力変化、および当該微小区間中の各固体組成の反応率の変化として、溶鉱炉内で生じる気体を考慮した前記微小区間あたりの各変化の微小変化で示される微分方程式を用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第二領域収支計算段階で用いられる反応場特定値は、炉の高さおよび高さ方向の各微小区間における炉の断面積であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
下記の反応式で表される化学反応を、前記第一領域で行われる化学反応として設定することを特徴する請求項１に記載の方法：
【化２】
2005248199.tif 000022
【請求項９】
下記の反応式で表される化学反応および未反応の酸化物を含有するスラッグの生成反応を、前記第三領域で行われる化学反応として設定することを特徴とする請求項１に記載の方法：
【化３】
2005248199.tif 000023
【請求項１０】
コークスを用いて、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有する焼成物から亜鉛を取り出す亜鉛製錬方法であって、
コークスおよび必要に応じて焼成物が導入されるとともに、生成された亜鉛を排出する第一領域と、生成された亜鉛を第一領域へ送出させる第二領域と、焼成物のうち少なくとも酸化亜鉛の還元反応が主反応として行われ、亜鉛が生成される第三領域とが連続して形成されてなる溶鉱炉を用い、かつ、
第一領域にコークスの全導入量の少なくとも一部および必要に応じて焼成物を導入し、
第三領域に焼成物およびコークスの残りを導入することを特徴とする亜鉛製錬方法。
【請求項１１】
前記第三領域に導入される焼成物を全体の１〜１００％とすることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第三領域に導入されるコークスを全体の４０〜６０％とすることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第三領域に、酸素が３０〜１００％含まれる気体が導入されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークスを用いて、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有する焼成物から亜鉛を取り出す乾式亜鉛製錬用の溶鉱炉内で、焼結鉱の各成分のうち少なくとも酸化亜鉛、酸化鉛および酸化鉄の還元反応が主反応として行われる領域での反応状態を解析する方法に関する。
また、本発明は、コークスを用いて、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有する焼成物から亜鉛を取り出す亜鉛製錬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶鉱炉のように、炉内状況の正確な測定や把握が困難である製錬プロセスにおいて、操業状態をモデル化し解析を行うことは、操業改善やプロセスの最適化を図る上で有効な手段である。（例えば、特許文献１）
【特許文献１】特開２００３−２７７８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、乾式亜鉛製錬のＩＳＰ（imperial smelting process）法においては、鉄鋼製錬や銅製錬とに比較して、反応系が複雑なため、体系的な炉内の解析が進められていないのが現状である。
【０００４】
また、炉内の状況を把握するために温度計などの計器を配設することは、炉内装入物や炉内ガスにより侵食を受けるため、困難である。したがって、実際の操業時においては、炉内状況の安定化および操業の効率化実現するために、経験などに基づいてその場その場で対応する必要があった。このような炉内状況の安定化および操業の効率化、さらには操業の自動化を進めるためには、実操業を再現することが可能であり、かつ操業条件の変化に伴う炉内状況の変化に追従できる炉内の状態解析の開発が望まれる。
【０００５】
そこで、本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、実操業を再現することが可能な、操業条件の変化に伴う炉内状況の変化に追従できる、乾式亜鉛製錬のＩＳＰ法により溶鉱炉の内部を解析する状態解析方法、およびこの解析方法を適用して操業する新しい亜鉛製錬方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る乾式亜鉛製錬溶鉱炉内の状態解析方法は、コークスを用いて、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有する焼成物から亜鉛を取り出す乾式亜鉛製錬用の溶鉱炉であって、導入されたコークスの全導入量の少なくとも一部および必要に応じて焼成物を落下させるとともに生成した亜鉛を排出する第一領域と、第一領域を通過した焼成物の各成分のうち少なくとも酸化亜鉛の還元反応および必要に応じて酸化鉛および酸化鉄の還元反応が主反応として行われる第二領域と、焼成物およびコークスの残りを導入するとともに、第二領域を通過した焼成物のうち少なくとも酸化亜鉛、酸化鉛および酸化鉄の還元反応および炭素の酸化反応が主反応として行われる第三領域とが連続して形成されてなる溶鉱炉での反応状態をコンピュータシステムを用いて解析する方法であって、
炉の形状を特定するための値を反応場特定値として入力し、第一および第三領域に導入されるコークスおよび焼成物のそれぞれの導入温度、導入量および組成を導入初期値として入力し、前記第一領域に導入される気体の組成および流量、当該第一領域から排出される精製亜鉛を含有する気体の組成および流量および前記第三領域に導入される気体の温度、組成および流量を操業データとして入力する操業条件入力段階と、
前記操業条件入力段階で入力された、前記第一領域に導入される気体の組成および流量と、前記第三領域に導入される気体の組成および流量と、前記導入される焼成物およびコークスの組成とを用いて、各領域で行われる一酸化炭素生成反応および二酸化炭素生成反応に基づいて、前記前記第一領域で生じる一酸化炭素および二酸化炭素の流量を算出する流量算出段階と、
前記第一領域から排出される気体の温度を設定入力する温度設定段階と、
前記操業条件入力段階で入力された、前記第一領域に導入される気体の組成および流量および当該第一領域から排出される精製亜鉛を含有する気体の組成および流量と、前記流量算出段階で得られた一酸化炭素および二酸化炭素の流量と、前記温度設定段階で設定入力された気体温度とを用いて、当該第一領域で行われる化学反応に基づいて、第一領域での反応における物質収支および熱収支を算出して、第二領域から導入される亜鉛を含有する気体の物質収支、熱収支および組成を算出する第一領域収支計算段階と、
前記第一領域収支計算段階で算出された第二領域から排出される亜鉛を含有する気体の物質収支、熱収支および組成と、前記操業条件入力段階で入力された前記反応場特定値および前記導入初期値とを用いて、前記各還元反応の速度定数および平衡定数に基づいて、前記第二領域の上下方向の微小区間における、気体成分全体、コークスおよび焼成物のそれぞれの流量および温度の変化と、当該微小区間中の各気体組成の圧力変化と、当該微小区間中の各固体組成の反応率の変化とを計算し、得られた各値に基づいて、前記第二領域におけるコークス、焼結鉱および気体成分のそれぞれの物質収支、熱収支および第二領域全体の熱損失を算出する第二領域収支計算段階と、
前記操業条件入力段階で入力された前記第三領域に導入される焼成物およびコークスの温度、組成および導入量および当該領域に導入される気体の温度、組成および流量と、前記第二領域収支計算段階で得られた物質収支および熱収支とを用いて、当該第三領域で行われる化学反応に基づいて、第三領域における物質収支、熱収支および熱損失を計算する第三領域収支計算段階とを有することを特徴としている。
【０００７】
この方法において、前記第三領域に導入される焼成物を全体の１〜１００％とすることが好ましい。
【０００８】
また、前記第三領域に導入されるコークスを全体の４０〜６０％とすることが好ましい。
【０００９】
また、前記第三領域に導入される気体は、酸素が３０〜１００％含まれることが好ましい。
【００１０】
また、下記の反応式で表される反応を、前記第二領域で行われる反応として設定することが好ましい：
【００１１】
【化１】
2005248199.tif 000002
【００１２】
また、前記第二領域収支計算段階では、気体成分全体、コークスおよび焼結鉱のそれぞれの流量および温度の変化、および当該微小区間中の各気体組成の圧力変化、および当該微小区間中の各固体組成の反応率の変化として、溶鉱炉内で生じる気体を考慮した前記微小区間あたりの各変化の微小変化で示される微分方程式を用いることが好ましい。
【００１３】
また、前記第二領域収支計算段階で用いられる反応場特定値は、炉の高さおよび高さ方向の各微小区間における炉の断面積であることが好ましい。
【００１４】
また、下記の反応式で表される化学反応を、前記第一領域で行われる化学反応として設定することが好ましい：
【００１５】
【化２】
2005248199.tif 000003
【００１６】
また、下記の反応式で表される化学反応および未反応の酸化物を含有するスラッグの生成反応を、前記第三領域で行われる化学反応として設定することが好ましい：
【００１７】
【化３】
2005248199.tif 000004
【００１８】
また、本発明に係る亜鉛製錬方法は、コークスを用いて、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有する焼成物から亜鉛を取り出す亜鉛製錬方法であって、
コークスおよび必要に応じて焼成物が導入されるとともに、生成された亜鉛を排出する第一領域と、生成された亜鉛を第一領域へ送出させる第二領域と、焼成物のうち少なくとも酸化亜鉛の還元反応が主反応として行われ、亜鉛が生成される第三領域とが連続して形成されてなる溶鉱炉を用い、かつ、
第一領域にコークスの全導入量の少なくとも一部および必要に応じて焼成物を導入し、
第三領域に焼成物およびコークスの残りを導入することを特徴としている。
【００１９】
この方法において、前記第三領域に導入される焼成物を全体の１〜１００％とすることが好ましい。
【００２０】
また、前記第三領域に導入されるコークスを全体の４０〜６０％とすることが好ましい。
【００２１】
また、前記第三領域に、酸素が３０〜１００％含まれる気体が導入されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、実操業を再現することが可能な、操業条件の変化に伴う炉内状況の変化に追従できる、乾式亜鉛製錬のＩＳＰ法による溶鉱炉の内部を解析することが可能なる。したがって、溶鉱炉の操業結果の改善を図るための操業条件の最適化を行うことが可能になり、有効な亜鉛製錬が可能になる
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る乾式亜鉛製錬溶鉱炉内の状態解析方法、およびこの解析方法を適用して操業する亜鉛製錬方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示したように、乾式亜鉛製錬溶鉱炉（以下、「溶鉱炉」という）１０を三つの部分、すなわち第一領域としての炉頂部１１、第二領域としてのシャフト部１２および第三領域としての炉床部１３に分ける。
【００２４】
炉頂部１１は、第二領域から第一領域に導入される気体、コークスの全導入量の少なくとも一部および必要に応じて原料となる亜鉛を含有する焼成物が加熱され、シャフト部１２に落下されるとともに、生成した亜鉛を排出する、溶鉱炉の第一領域である。この炉頂部１１では、予熱された酸素および窒素の混合気体を導入するためのエア導入口４１、原料となる亜鉛を含有する焼成物およびコークスを導入するための原料導入口４２および生成した亜鉛を含む亜鉛含有気体を取り出すための亜鉛含有気体取出口４３が設けられており、エア導入口４１から導入される混合気体により、亜鉛含有気体に含まれる一酸化炭素ガスが酸化反応を起こすことで発熱し、前記のように第一領域に導入される気体、コークスおよび焼成物を加熱する。
【００２５】
すなわち、下記の反応が進行する。
【００２６】
【化４】
2005248199.tif 000005
【００２７】
亜鉛を含有する焼成物（calcine）は、亜鉛、鉛、鉄、酸化ケイ素、硫黄を少なくとも含有する通常の亜鉛精鉱を焙焼して、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有したものである。亜鉛精鉱は、例えば亜鉛を５２％、鉛を２％、鉄を７％、酸化ケイ素を２％、硫黄を３０％、金属、酸素などその他の成分を７％含むものである。また、コークスは、炭素、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素を少なくとも含有する。また、亜鉛含有気体は、後述するように気体状の亜鉛を含んでおり、この気体状の亜鉛は図示しない鉛浴に吸収させることで単離、回収することができる。
【００２８】
また、炉頂部１１には、後述するシャフト部１２から亜鉛含有気体が排出される。前述したように、炉頂部１１にエア導入口４１から予熱した混合気体を導入するのは、炉頂部１１中の気体を１０００℃以上に保持することにより、亜鉛含有気体中の亜鉛が当該亜鉛含有気体中に含まれる二酸化炭素と反応して酸化亜鉛が生成されるのを防ぐためである。
【００２９】
シャフト部１２は、炉頂部１１から導入された焼成物の各成分のうち少なくとも酸化亜鉛、酸化鉛および酸化鉄の還元反応が主反応として行われ、第三領域で生成した亜鉛含有気体を第一領域へ送出する、溶鉱炉の第二領域である。シャフト部は、コークスおよび場合によっては焼成物が充填され、その上限をストックライン３１と定義し、このストックライン３１から所定距離下方であって、後述する羽口２１、２２の上方の所定位置の高さの境界ライン３２までをいう。
【００３０】
また、シャフト部１２では、具体的には、コークスのソルーションロス反応（４）、および焼成物が炉頂部１１に導入された場合には一酸化炭素ガスによる酸化亜鉛の揮発還元（２）、亜鉛蒸気の再酸化（３）、および酸化鉄の還元（６）、（７）、酸化鉛の還元（５）、すなわち下記の反応が進行する。
【００３１】
【化５】
2005248199.tif 000006
【００３２】
シャフト部１２では、焼結鉱は前記反応を進めながら、炉床部１３に向けて連続的に落下移動する。
【００３３】
炉床部１３は、導入された焼成物に含有される酸化亜鉛、酸化鉛および酸化鉄の還元反応、および炭素の酸化反応、および場合によってはシャフト部１２を通過した焼成物に含有される酸化亜鉛の還元反応が主反応として行われる、第三領域である。炉床部１３には、熱風を導入するための羽口２１および２２、焼成物およびコークスを導入するための導入口２３、溶融状態の鉛を取り出すための鉛取出口５１および未反応の酸化鉄、酸化鉛および酸化ケイ素を少なくとも含有する溶融状態のスラッグを取り出すスラッグ取出口５２が配設されている。
【００３４】
炉床部１３では、具体的には、下記に示したような羽口２１、２２からの熱風によるシャフト部１２および導入口２３からのコークスの燃焼反応（８）および（１０）、導入口２３および場合によってはシャフト部１２からの焼成物に含まれる酸化亜鉛の揮発還元（８）および（９）、および導入口２３からの焼成物に含まれる酸化鉛の還元反応（５）および酸化鉄の還元反応（６）、（７）が進行する。
【００３５】
【化６】
2005248199.tif 000007
【００３６】
以上説明したように、図１に示した溶鉱炉１０では、原料導入口４２から導入されたコークスおよび必要に応じて焼成物が、エア導入口４１から導入される予熱された混合気体により炉頂部１１にて加熱され、シャフト部１２に落下する。
【００３７】
シャフト部１２では、焼成物が炉頂部１１より導入された場合に、この焼成物に含まれる一部の酸化亜鉛、酸化鉛および酸化鉄の還元反応が進行し、気体亜鉛、一酸化炭素および二酸化炭素を少なくとも含有する亜鉛含有気体が生成され、炉頂部１１に送られる。一方で、未反応の酸化亜鉛、酸化鉛および酸化鉄を含有する焼成物およびコークスは炉床部１３に送られる。
【００３８】
なお、炉頂部１１に送られた亜鉛含有気体は、亜鉛含有気体取出口４３から取り出されて、取り出された亜鉛含有気体から亜鉛単体が単離、回収される。炉床部１３では、導入口２３から導入された焼成物およびコークスならびにシャフト部１２から送られたコークスおよび場合によっては焼成物が、羽口２１、２２から導入される熱風により燃焼して、コークスより一酸化炭素および二酸化炭素が生成される一方で、焼成物中およびシャフト部１２からのスラッグ中の酸化亜鉛がコークスに含有される炭素または発生した一酸化炭素と反応して、揮発還元されて、亜鉛気体、一酸化炭素および二酸化炭素を少なくとも含有する亜鉛含有気体が生成され、シャフト部１２を通じて、炉頂部１１に送られる。
【００３９】
ここで、炉床部１３から焼成物およびコークスを導入するに際し、図２に示したように、溶鉱炉１０の炉床部の周囲に複数の導入口２３を設けて、各導入口ごとに焼成物とコークスとの導入比率を変えることが好ましい。
【００４０】
このようにすることで、下記の酸化還元反応は亜鉛生成側に傾けることができ、亜鉛の収率を上げることができることが知られている。
【００４１】
【化７】
2005248199.tif 000008
【００４２】
一般に、亜鉛含有スラグの濃度が４％より大きくなるとこの酸化還元反応は亜鉛生成側に傾く。また、溶鉱炉１０内の炉床部では、亜鉛含有スラグ（Zn in slag）の存在量（濃度）に一定の分布ができ、すなわち溶鉱炉１０の中心部には亜鉛含有スラグ濃度の高い領域２４が、端部には亜鉛含有スラグ濃度の低い領域２５，２６がそれぞれ生じてしまう。したがって、亜鉛含有スラグの濃度を一定にすることで、この酸化還元反応を常に最適な環境で行うことができるよう制御をすることができるようになる。
【００４３】
したがって、亜鉛含有スラグ濃度の低い領域２５，２６の導入口２３にはコークス濃度が低く、焼成物濃度が高くなる比率で導入し、一方亜鉛含有スラグ濃度の高い領域２４にはコークス濃度が高く、焼成物濃度が低くなる比率で導入することが好ましい。
【００４４】
また、炉床部１３では、シャフト部１２、炉床部１３で発生した溶融状態の鉛および未反応の酸化亜鉛、酸化鉛、酸化鉄および酸化ケイ素を少なくとも含有する溶融状態のスラッグが、それぞれ鉛取出口５１，スラッグ取出口５２から取り出されて、回収される。本実施形態のような原料を炉床部１３に導入する乾式亜鉛製錬用の溶鉱炉内では、特に炉床部１３にて焼成物に含まれる酸化金属の還元反応が進行するとともに、この還元反応により生成される亜鉛は気体で得られるため、溶鉱炉１０内を上昇する。
【００４５】
特に、シャフト部１２では、コークスが酸化されるソリューションロス反応が生じてしまう。この反応は、吸熱反応であり、シャフト部１２内の温度を下げることになり亜鉛含有気体の温度を下げることになり、炉頂部１１から排出される気体亜鉛を凝縮させて製品化する観点から好ましくない。また、ソリューションロス反応は、この反応にかかわるコークスが酸化亜鉛の還元反応に寄与することなくシャフト部１２中のガスに一酸化炭素（ＣＯ）として排出されることになり、高価であるコークスを無駄に消費してしまう点からも好ましくない。
【００４６】
そこで、ソリューションロス反応を低減するために、コークスのシャフト部１２に滞留するコークスの量を減らすようにしている。したがって、コークスの全導入量の少なくとも一部を炉頂部１１から、残りを炉床部１３から、それぞれ導入するようにし、これにあわせて焼成物を炉床部１３から導入するようにしている。
【００４７】
このような観点から、第三領域である炉床部１３にて導入される焼成物は、全導入量の１〜１００％、好ましくは４０〜１００％であり、残りが第一領域である炉頂部１１の原料導入口４２から導入されるようにしている。一方、炉頂部１１にて導入されるコークスは、全導入量の４０〜６０％、好ましくは５０％であり、残りが炉床部１３から導入されるようにしている。なお、炉頂部１１から導入されるコークスおよび焼成物は塊が好ましいが、炉床部１３から導入される焼成物およびコークスは紛体であることが好ましい。また、炉床部１３の羽口２１および２２から導入される熱風に含まれる酸素量は、３０〜１００％であることが好ましい。
【００４８】
各物質または気体を、炉頂部１１または炉床部１３から、このような割合で導入するようにすることで、炉床部１３では亜鉛を効率よく生成することができ、またシャフト部１２でのソリューションロス反応を抑え、炉床部１３で生成した亜鉛含有気体の亜鉛含有量を保ちながら効率よく炉頂部１１へと送出することが可能になる。
【００４９】
また、従来において行われていた鉄鋼製錬、銅製錬、鉛製錬などに用いられる溶鉱炉内での状態を解析する方法では、還元反応により生成される鉄や鉛は溶鉱炉内を上昇するのではなく、落下するので、溶鉱炉内で気体として得られる亜鉛とは状況が異なる。したがって、鉄鋼製錬などでに用いる解析方法を、そのまま亜鉛製錬に用いることは不可能である。また、乾式亜鉛製錬において、従来は溶鉱炉を二つの領域に分けていたが、それでは、得られた解析結果が溶鉱炉の中の状態を忠実に再現しているとは言えず、解析方法としては不十分であった。
【００５０】
そこで、前記乾式亜鉛製錬溶鉱炉内の状態解析方法の実施態様では、図１に示したように、溶鉱炉１０を三つの領域、すなわち第一領域としての炉頂部１１、第二領域としてのシャフト部１２および第三領域としての炉床部１３に分けて、第一領域から第三領域まで順に各領域において物質収支および熱収支、および必要に応じて気体成分の組成（以下、「ガス組成」という）および固体組成を示す固体成分の反応率（以下、「固体反応率」という）を、コンピュータシステムを用いて算出するものである。
【００５１】
この状態解析方法では、具体的には、図３に示したように、炉の形状を特定するための値を反応場特定値として入力し、第一および第三領域に導入されるコークスおよび焼成物のそれぞれの導入温度、導入量および組成（ならびに第三領域から導入されるコークスおよび焼成物に関してはその紛体の表面積）を導入初期値として入力し、前記第一領域に導入される気体の組成および流量、当該第一領域から排出される精製亜鉛を含有する気体の組成および流量および前記第三領域に導入される気体の温度、組成および流量および排出されるスラッグ亜鉛および鉛の量を操業データとして入力する操業条件入力段階（ステップＳ１０）と、前記操業条件入力段階で入力された、前記第一領域に導入される気体の組成および流量と、前記第三領域に導入される気体の組成および流量と、前記導入される焼成物およびコークスの組成とを用いて、各領域で行われる一酸化炭素生成反応および二酸化炭素生成反応に基づいて、前記前記第一領域で生じる一酸化炭素および二酸化炭素の流量を算出する流量算出段階（ステップＳ２０）と、前記第一領域に存在する気体の温度を設定入力する温度設定段階（ステップＳ３０）と、前記操業条件入力段階で入力された、前記第一領域に導入される気体の組成および流量および当該第一領域から排出される精製亜鉛を含有する気体の組成および流量と、前記流量算出段階で得られた一酸化炭素および二酸化炭素の流量と、前記温度設定段階で設定入力された気体温度とを用いて、当該第一領域で行われる化学反応に基づいて、第一領域での反応における物質収支および熱収支を算出して、第二領域から導入される亜鉛を含有する気体の物質収支、熱収支および組成を算出する第一領域収支計算段階（ステップＳ４０、Ｓ５０）と、前記第一領域収支計算段階で算出された第二領域から排出される亜鉛を含有する気体の物質収支、熱収支および組成と、前記操業条件入力段階で入力された前記反応場特定値および前記導入初期値とを用いて、前記各還元反応の速度定数および平衡定数に基づいて、前記第二領域の上下方向の微小区間における、気体成分全体、コークスおよび焼成物のそれぞれの流量および温度の変化と、当該微小区間中の各気体組成の圧力変化と、当該微小区間中の各固体組成の反応率の変化とを計算し、得られた各値に基づいて、前記第二領域におけるコークス、焼結鉱および気体成分のそれぞれの物質収支、熱収支および第二領域全体の熱損失を算出する第二領域収支計算段階（ステップＳ７０、Ｓ８０）と、前記操業条件入力段階で入力された前記第三領域に導入される焼成物およびコークスの温度、組成および導入量および当該領域に導入される気体の温度、組成および流量と、前記第二領域収支計算段階で得られた物質収支および熱収支とを用いて、当該第三領域で行われる化学反応に基づいて、第三領域における物質収支、熱収支および熱損失を計算する第三領域収支計算段階（ステップＳ９０）とを有するものである。
【００５２】
ステップＳ１０では、キーボードなどの適当な入力装置を用いて、操業条件、すなわち反応場特定値、導入初期値および操業データを入力して、ステップＳ２０に進む。ここで、反応場特定値は、炉の形状を特定するためのパラメータであり、例えば溶鉱炉の高さおよび高さ方向の各微小区間における炉の断面積である。高さ方向の微小区間における炉の断面積とは、例えば図４に示したように、水平方向の位置Ｚから位置（Ｚ＋ｄＺ）における面積Ａのことをいう。溶鉱炉は、上端から下端まで一様な断面を有しているのではないが、微小区間を考えると、この区間では上面と下面とが略同一の形状を有するため、この区間における容積は（Ａ×ｄＺ）となる。
【００５３】
また、導入初期値は、前記炉頂部１１に導入されるコークスおよび必要に応じて焼成物の導入量、導入温度および組成、炉頂部１１にエア導入口４１から導入される予熱された混合気体の組成および導入流量（および任意ではあるが温度）、および炉床部１３に羽口２１、２２から導入される熱風気体の温度、組成および導入流量ならびに各紛体の表面積（好ましくはその平均値）、および炉床部１３の導入口２３から導入される焼成物およびコークスの導入量、導入温度および組成である。
【００５４】
また操業データは、例えば炉頂部１１から排出される精製亜鉛含有気体の組成および排出流量（および任意ではあるが温度）、および炉床部１３から排出されるスラッグ中亜鉛および鉛の量、および鉛の排出流量および温度である。
【００５５】
ステップＳ２０では、炉頂部１１から排出されるガス組成を算出する。具体的には、炉頂部、シャフト部、炉床部を一つの反応系と見なして、ステップＳ１０で入力された操業データを用いて、当該反応系の物質収支計算を行って、ガス組成として存在する構成元素、すなわち炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、亜鉛（Ｚｎ）の比を求めて、この炭素および酸素原子の量比から一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）の割合を計算する。これにより、炉頂部１１から排出されるガスの組成および流量が算出される。
【００５６】
ステップＳ３０では、炉頂部１１におけるガス温度を入力し、ステップＳ４０に進む。なお、このガス温度は経験に基づいて任意の値が選ばれる。ステップＳ４０では、ステップＳ１０で入力された操業条件およびステップＳ２０で算出された炉頂ガス組成およびステップＳ３０で入力されたガス温度に基づいて、炉頂部１１での物質収支および熱収支を算出して、ステップＳ５０に進む。
【００５７】
なお、炉頂部１１内で行われる化学変化は、下記式に示される反応であり、この反応で生じる反応熱は34.1 GJ/hrである（炉頂部での物質収支計算により、下記式の反応量を求め、その反応量より反応熱を求めた。）（八木順一郎：日本鉱業会誌、93(1977)、pp889-894）。
【００５８】
【化８】
2005248199.tif 000009
【００５９】
ステップＳ５０は、炉頂部１１の物質収支および熱収支、および予熱混合気体中の酸素は１００％一酸化炭素との反応に消費されるという事実に基づいて、シャフト部１２から導入される亜鉛を含有する気体の物質収支、熱収支および組成を算出（推定）し、ステップＳ６０に進む。ステップＳ６０では、シャフト部で行われる各還元反応の反応速度式、速度定数および平衡定数を前記入力装置を用いて入力して、ステップＳ７０に進む。各還元反応の自由エネルギー変化は、文献（例えば、D.R.Stull and H.Prophet:JANAF Thermodynamical Tables(1971)）に記載された値に基づいて算出することができる。
【００６０】
【化９】
2005248199.tif 000010
【００６１】
なお、ここで用いられる速度定数および平衡定数は、文献値または測定値などの任意のものを用いることが可能である。ステップＳ７０では、シャフト部１２における各パラメータの変化（上下方向の分布）を算出して、ステップＳ８０に進む。具体的には、下記に示したような、気体成分全体、コークスおよび焼成物のそれぞれの流量および温度の変化、および当該微小区間中の各気体組成の圧力変化、および当該微小区間中の各固体組成の反応率の変化として、溶鉱炉内で生じる気体を考慮した前記微小区間あたりの各変化の微小変化で示される微分方程式を解く。
【００６２】
なお、その他の条件については、下記の仮定を用いる。
（１）定常状態であること；
（２）炉内のガス・固体の物量はピストン流れ、すなわち、水平方向の流れは一定であり、定常的な均一な流れとし、下記式で表される各プロセス変数は水平方向に均一に分布すること；
（３）焼成物は混合して導入されること；
（４）焼成物はＺｎＯ、ＰｂＯ、Ｆｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2からなり、コークスはＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2からなること；
（５）ヘマタイトＦｅ2Ｏ3はマグネタイトＦｅ3Ｏ4を経てウスタイトＦｅＯまで還元されること；
（６）還元過程で生成した溶融鉛は焼成物内部に留まること；
（７）ソリューションロス反応（Ｃ＋ＣＯ2→２ＣＯ）の反応熱はコークスに与え、シャフト部１２に焼成物が存在する場合にはそれ以外の反応熱は焼成物に与えられること；
（８）焼成物−コークス間の伝熱は無視すること；
（９）焼成物、コークス粒子径は一定とすること；
（１０）焼成物、コークス、炉内の各空隙率は一定であること；
（１１）炉頂部１１から導入された焼成物はシャフト部１２で融解しないこと。
【００６３】
【数１】
2005248199.tif 000011
【００６４】
例えば、図４に示したような面積Ａｚ（ｍ3）、高さｄＺ（ｍ）で表された微小区間において、当該微小区間に下方から導入される気体流量（Nm3/hr）を（ＦGas＋ｄＦGas）、上方に排出される気体流量（Nm3/hr）をＦGasとしたときのこの区間でのガス（気体）流量は、dF/dz = -22.4・（R2 + R3 - R4）・Ａで表される。
【００６５】
なお、式中、気体は「g」と、焼成物は「s」と、コークスは「c」とそれぞれ示される。Ｆgはガスの体積流量（Nm3/hr）を示し、Ｆs、Ｆcはそれぞれ焼成物、コークスの質量流量（kg/hr）を示し、Ｔnはガスまたは固体の温度（Ｋ）を示し、ｘiは成分ｉのモル分率を示し、ｆiは成分ｉの反応率を示す。また、ｎ0iは装入物中成分ｉのモル流量（kmol/hr）を示し、εは炉内空隙率（−）を示し、μgはガス粘度（kg/m hr）を示し、Ｇgはガス質量速度（kJ/m3 hr）を示し、ｄaveは平均粒子径（ｍ）を示し、ｇcは重力換算係数（kg m/kg hr2）を示す。
【００６６】
また、ρgはガス密度（kg/Nm3）を示す。Ｑ1は炉壁の放散熱、すなわちガス温度と炉外温度との差による放散熱量（kJ/m hr）を示し、Ｑ2はガス（Gas）−焼成物（calcine）間の熱伝達量（kJ/m3 hr）を示し、Ｑ3はガス−コークス（Coke）間の熱伝達量（kJ/m3 hr）を示し、Ｑ4は焼成物に与える反応熱（kJ/m3 hr）を示し、Ｑ5はコークスに与える反応熱（kJ/m3 hr）を示し、Ｑ6は焼成物の成分が生成ガスに移動する際の熱量を示し、Ｑ7はコークスの成分が生成ガスに移動する際の熱量を示す。また、熱量Ｑ1〜Ｑ7の収支関係を、図５に示す。
【００６７】
【数２】
2005248199.tif 000012
【００６８】
上記式中、Ｍiはｉ成分の分子量（kg/kmol）を示し、Ｕは炉壁の総括伝熱係数（kJ/m2 hr K）を示し、Ｌｚは位置ｚでの炉周（ｍ）を示し、ｈg-jはガス成分からｊ成分への熱伝達係数（kJ/m2 hr K）を示し、εjはｊ成分の空隙率を示し、χjはｊ成分の体積率を示し、φjはｊ成分の、粒子の球からのズレを補正する係数としての固体の形状係数を示し、ｄsは焼結鉱の粒子径（ｍ）を示し、ｄcはコークスの粒子径（ｍ）を示す。ＨRnは、ｎ式の反応熱（kJ/kg）を示し、Ｃiはｉ成分の比熱（kJ/kg K）を示す。
【００６９】
なお、炉壁の総括伝熱係数Ｕは、炉壁厚さｘiw（ｍ）および炉壁の熱伝導率ｋiw（kJ/m hr K）を用いて、Ｕ＝１／Σ（ｘiw /ｋiw）にて求められる。ここで、各反応率は、各成分が反応して減少したモル数と初期モル数との比として定義し、ガス−粒子間の伝熱係数は、例えばRanzの式（W.E.Ranz: Chem. Eng. Prog., 48(1952), pp.247-253）を用いて推算し、気体の熱伝導度は、例えばEuckenの式（A.Eucken: Physik. Z., 14(1952), pp.324-332）を用いて推算される。単一成分のガス粘度は、例えばLicht-Stechertの式（W.Licht, Jr. and D.G.Stechert: J. Phys. Chem., 48(1944), pp.23-47）により計算し、混合ガスの値はWilkeの式（C.R.Wilke: J. Chem. Phys., 18(1950), pp.517-519）により求めることができる。
【００７０】
以上の式において、ガス・固体流量は物量収支より、ガス・固体温度は熱収支より、ガス組成はガス成分の物質収支より、ガス圧力はErgunの圧力損失式（S.Ergun: Chem. Eng. Prog., 48(1952), pp.89-94）により、固体反応率は各成分の反応量によりそれぞれ導出することができる。R2〜R7は、それぞれシャフト内の各反応の反応式（２）〜（７）の反応速度（kmol/m3(bed) hr）を表す。
【００７１】
なお、R2は、焼結鉱中酸化亜鉛の還元反応がトポケミカルに進行すること（朝木善次郎ら：資源・素材'94（春季大会）pp.322-323）から反応式（２）の総括反応速度式には、後述するような一界面の未反応核モデルを適用し、ガス境膜内物質移動すなわちガス境膜内のCOの移動、粒子内拡散、化学反応の三過程が逐次的に進行する不可逆１次反応として導出した。
【００７２】
R3は、亜鉛蒸気の再酸化反応はすべて焼成物表面で起こると仮定し、亜鉛分圧と亜鉛平衡分圧との差が反応の駆動力になるとして導出する。R4は、粒子表面からバルクまでのガスの層であるガス境膜の内をガス成分が通過するガス境膜内物質移動、すなわちガス境膜内でのCO2の移動および化学反応過程を考慮した不可逆１次反応として導出する。
【００７３】
R6およびR7は、二界面の未反応核モデルに基づき、ガス境膜内物質移動、粒内拡散、化学反応の三過程を考慮して導出する。ここで、二界面の未反応核モデルとは、図６ｂに示したように、核６０内に反応の進行の差により三つの層６１〜６３が生じて、核６０には、未反応の物質を含む核（未反応核）が二つ存在するという反応核モデルをいう。
【００７４】
酸化鉄Fe2O3は、二段階の反応（反応式（６）、（７））を経て、最終的にFeOまで還元される。すなわち、図６ｂによれば、核６０は反応前において単一層のみからなる核を形成しており、核外からの一酸化炭素の攻撃により、まずFe3O4の層が生じ、二層の核となる。なお、この生成したFe3O4は同時にさらに還元される。さらに、外層であるFe3O4の層が一酸化炭素と反応し、外側にFeO層が生じて、還元段階の異なる酸化鉄を含む３つの層ができる。
【００７５】
これに対して、酸化亜鉛は、一界面の未反応核モデルに基づいて反応が進行すると考え、この一界面の未反応核モデルは、図６ａに示したように、核５０内に反応の進行の差により二つの層５１、５２のみが生じて、核５０には、未反応の物質を含む核（未反応核）が一つだけ存在するという反応核モデルをいう。図６ａでは、酸化亜鉛の還元反応のモデルについて示したが、酸化亜鉛は一酸化炭素により還元され、生成した亜鉛は気体となって放出され、外層５１には他の酸化物が残存する。また、内層５２には未反応の酸化亜鉛が含まれる。
【００７６】
なお、ここで行う計算については、各反応速度、熱・物質移動に関する諸因子を取り入れているので、例えば炉のサイズが反応に及ぼす効果などを、計算結果から検討することが可能になる。ステップＳ８０では、ステップＳ７０で算出した、シャフト部全体におけるガス・固体流量、ガス・固体温度、ガス組成・圧力、固体反応率に基づいて、シャフト部１２と炉床部１３との境界ライン３２上での物質収支および熱収支、およびシャフト部全体の熱損失を算出して、ステップＳ９０に進む。
【００７７】
また、この計算の際に、考慮した溶鉱炉内で生じる気体に関して、後述する炉床部１３から排出される亜鉛含有気体の境界ライン３２上での物質収支および熱収支も併せて得られる。ステップＳ９０では、前記羽口２１、２２から炉床部１３に導入される気体（熱風）の温度および流量、および導入口２３から導入される焼成物およびコークスの導入量、導入温度および組成、およびステップＳ８０で得られたシャフト部１２における物質収支および熱収支を用いて、炉床部１３で行われる化学反応に基づいて、炉床部１３における物質収支、熱収支および熱損失が計算され、ステップＳ１００に進む。
【００７８】
ここで、熱風の温度および流量（および必要に応じて組成）、炉床部１３から排出されるスラッグおよび鉛の排出流量および温度は、ステップＳ１０で入力された操業データに挙げられた値である。シャフト部１２における物質収支および熱収支としては、シャフト部１２より排出される焼結鉱およびコークスの物質収支および熱収支、および炉床部１３からシャフト部１２に排出されると推定された亜鉛含有気体の物質収支および熱収支が挙げられる。
【００７９】
これらの値を、境界条件として与え、炉床部１３内で行われる下記の反応を考慮して炉床部１３における物質収支および熱収支の計算を行う。各反応の反応熱は、文献（例えば、D.R.Stull and H.Prophet:JANAF Thermodynamical Tables(1971)）に記載された値に基づいて算出することができる。
【００８０】
【化１０】
2005248199.tif 000013
【００８１】
また、溶融スラッグの生成熱を、-5.94 GJ/hr（Gotrib，A.D.（舘充訳）：高炉製鉄法の理論、日本鉄鋼協会、pp330、に示された値に基づいて算出）としている。ステップＳ１００では、ステップＳ８０で算出されたシャフト部１２における熱損失およびステップＳ９０で算出された炉床部１３における熱損失を合計して、前記溶鉱炉１０の放散熱として算出し、ステップＳ１１０に進む。
【００８２】
ステップＳ１１０では、ステップＳ９０で算出された炉床部１３の熱損失と、実測値および炉の材質に基づいて決定される熱損失とを比較する。具体的には、炉床部１３から排出される鉛およびスラッグ、炉床部１３の熱損失は実操業の状態を基準として、シャフト部１２の下端のガス温度と比例関係にあるとする。鉛およびスラッグの排出量および温度についての実際の操業データを炉頂部１１内の気体の温度に対応付けて蓄積しておき、例えばステップＳ３０で１４００℃と設定したときの炉床部１３における熱収支を求めておき、次にステップで１５００℃としたときの炉床部１３における熱収支を求める。熱損失は、熱収支において排出される熱のうち、鉛およびスラッグの熱量を差し引いた熱量に相当するため、各温度に対する熱収支を求める。続いて、この熱損失が、上記実操業を基準として求めた熱損失に相当するか否か、すなわち算出された熱損失が妥当であるか否かを判別する。なお、妥当であるか否かの判断であるが、例えば計算値と実測値などに基づいた値との差が、１０-2以内、好ましくは１０-6以内であるときに「妥当である」と判断する。
【００８３】
この熱損失は、ステップＳ３０で設定する炉頂ガス温度に対して得られる値であるため、ステップＳ１１０の判別を行うことで、ステップＳ３０で設定した炉頂ガス温度が妥当であるか否かを判別することができる。この判別結果がＮＯ、すなわち得られた熱損失が妥当でないと判断された場合には、ステップＳ３０に戻り、新たな炉頂ガス温度を設定させて、炉頂部１１からの収支計算を繰り返す（ステップＳ４０〜Ｓ１００）。この判別結果がＹＥＳ、すなわち得られた熱損失が妥当であると判断された場合には、ステップＳ１２０に進み、解析に用いた操業条件を溶鉱炉の操業条件として採用し、動作を終了する。
【００８４】
なお、図３に示したフローチャートは溶鉱炉の操業条件を判別する方法について示したが、実操業の溶鉱炉内の状態を解析するのみであるならば、図３においてステップＳ１２０は任意のステップになることは言うまでもない。
【００８５】
以上のような解析方法によれば、従来において困難であった乾式亜鉛製錬方式の溶鉱炉内のプロセスのモデル化および操業解析を行うことが容易になり、溶鉱炉の操業結果の改善を図るための操業条件の最適化を行うことが可能になる。すなわち、操業データを適宜変更して計算して得られる亜鉛の量を見積もっていくことで、溶鉱炉全体をどのような条件で操業すれば効率のよいのかを予め知ることができる。
【００８６】
また、状態解析のためのシミュレーションをシャフト部内では起こっている反応の速度論に基づいて、その他の領域では平衡論に基づいて行っており、特にシャフト部において、操業条件の変化に追従した炉内状況の変化を把握することがも容易になる。なお、本発明は以上説明した事項に限定されることはなく、本発明の目的、作用、効果を逸脱しない範囲での変更が可能であることはいうまでもない。
【実施例１】
【００８７】
以下、本発明に係る乾式亜鉛製錬溶鉱炉内の状態解析方法を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されないことは言うまでもない。
【００８８】
［参考例１］
下記表１に示したように、焼成物およびコークスの全量を炉頂部１１から導入し、亜鉛生成量を現状の操業条件である３５２ｔ／日とした場合の収支計算を行い、その結果を示す。
【００８９】
【表１】
2005248199.tif 000014
【００９０】
表１に示したような操業条件、すなわち導入する焼結鉱（原料Sinter）およびコークス（Cokes）に関する入力データ、炉頂部１１に導入する予熱混合気体（Top Air）に関する入力データ、亜鉛含有気体（排Gas）に関する入力データ、および炉床部１３に導入する熱風（Blast Air）に関する入力データ（組成については、窒素Ｎを７９％、酸素Ｏを２１％とした）、炉床部１３から排出される鉛（Molten lead）に関する入力データ、スラッグ（Slag）に関する入力データを入力した（ステップＳ１０、図３）。
【００９１】
炉頂部１１における収支計算を行い（ステップＳ４０、図３）、炉頂部１１での放散熱、すなわち熱損失は5.8 GJ/hrと算出された。なお、ストックラインにおける焼結鉱の温度は300℃、熱量は4.9 GJ/hrとし、コークスの温度は780℃、熱量は16.9 GJ/hrとした。また、シャフト部１２から送られる亜鉛含有気体の温度は793℃、流量は6.87×104 Nm3/hr、熱量は79.4 GJ/hrと仮定した（ステップＳ５０）。
【００９２】
続いて、下記に示した反応速度Ｒ1〜Ｒ6（m3 atm/K mol）反応速度定数ｋ1〜ｋ6（k2, k3, k6, k7: ml/hr; k4: m3/kg hr; k5: l/hr）を入力した（ステップＳ６０）。式中、k2は、伊藤ら: 資源・素材学会誌, 105(1989), pp.951-957に記載された値を用いた。k3は、J.A.Clarke and D.J.Fray: Trans. Inst. Min. Met., 91(1982) C.26-31に記載された値を用いた。k4は、M.A.Sherstobitov et. al.: Izv. Bys. Ucheb. Zaved., 8(1965), pp.10-15に記載された値を用いた。k5は、Y.V.Tsvetov and D.M.Chizhikov: Trudy. Inst. Met., 2(1957), pp.65-77に記載された値を用いた。k6、k7は、村山ら: 鉄と鋼, 63(1977), pp.1099-1107に記載された値を用いた。
【００９３】
さらに、式中、Ｎjは、単位容積あたりの粒子数（/m3(bed)）を表す。Ｐgは、ガス圧力（atm）を表す。Kfiは、ｉ成分の物質移動係数（m/hr）を表す。ρcは、コークス密度（kg/m3(bed)）を表す。Ｃ0PbOはPbOの初期濃度（kmol/m3(bed)）を表す。ｄsは、焼結鉱の粒子径（ｍ）を表し、ｄcは、コークスの粒子径（ｍ）を表す。φnは、粒子の球からのズレを補正する係数としての固体の形状係数を表す。Ｒは、気体定数（m3 atm/K Kmol）を表す。Ｅfnは、ｎ式の反応における粒子（この場合コークス）の反応性を補正するための係数としての反応有効係数を表す。
【００９４】
【数３】
2005248199.tif 000015
【００９５】
さらに、式中の焼結鉱内拡散係数（Ｄs：m2/hr）、コークス内拡散係数（Ｄc：m2/hr）、（２）式の反応におけるＣＯの平衡濃度（ｘe2CO）、（３）式の反応におけるＺｎの平衡濃度（ｘe3Zn）、（４）式の反応における反応有効係数（Ef4）、Ａ1、Ａ2、Ｂ1、Ｂ2、Ｃ、Ｗ、および各ガスの平衡濃度ｘe6CO、ｘe7COは、下記式で計算された値である。
【００９６】
【数４】
2005248199.tif 000016
【００９７】
式中、Ｋ3、Ｋ4、Ｋ5、Ｋ6は、それぞれ反応（３）、（４）、（５）、（６）の平衡定数である。また、ｊ成分の迷宮度ξj、およびコークス内有効拡散係数Ｄc（m2/hr）、および値ηは、下記式で求めた。
【００９８】
【数５】
2005248199.tif 000017
【００９９】
シャフト部１２の各パラメータ変化を算出し（ステップＳ７０）、得られた結果に基づいてシャフト部１２における収支計算を行い（ステップＳ８０）、さらに炉床部１３における収支計算を行った（ステップＳ９０）。
【０１００】
この計算結果において、シャフト部１２から炉床部１３へ排出される焼結鉱（Sinter）は、1100℃の温度で、23.1 t/hrの流量で、20.9 GJ/hrの熱量を有し、コークス（Cokes）は、1263℃の温度で、12.1 t/hrの流量で、28.6 GJ/hrの熱量を有することが推定された。また、シャフト部１２から炉頂部１１へ排出される亜鉛含有気体（Gas）は、793℃の温度とし、6.87×104 Nm3/hrの流量で、79.4 GJ/hrの熱量を有することが推定された。また、シャフト部１２における放散熱、すなわち熱損失は3.1 GJ/hrと推定された。
【０１０１】
続いて、炉床部１３からシャフト部１２へ排出される亜鉛含有気体（Gas）は、1497℃の温度で、6.29×104 Nm3/hrの流量で、157.3 GJ/hrの熱量を有することが推定された。また、炉床部１３における放散熱、すなわち熱損失は20.0 GJ/hrであることが推定された。さらに、シャフト部１２および炉床部１３のそれぞれの放散熱の和で求められる全放散熱は、23.1 GJ/hrと算出された。
【０１０２】
［実施例１］
本発明に係る亜鉛製錬方法を適用した実操業の解析にあたり、下記の表２に示したように、焼成物の全量を炉床部の導入口から導入し、コークスの全量を炉頂部から導入する条件を入力した以外は、参考例１に示した収支計算と同様の収支計算を行い、その結果を示す。
【０１０３】
【表２】
2005248199.tif 000018
【０１０４】
本実施例によれば、炉頂部１１での放散熱は3.1GJ/hr，シャフト部１２での放散熱は0.6 GJ/hr，炉床部１３での放散熱は10.8 GJ/hrであった。これは参考例１のそれぞれ５４％，２２％，５４％程度に相当する。これにより、亜鉛洗練にかかる熱損失を効果的に低減することができるようになる。
【０１０５】
また、シャフト部１２でのソリューションロス反応および該反応による熱量がともに参考例で計算した系の約５０％まで減少した。この結果、コークス使用量を１４．２ｔ／Ｈｒ（９６６ｋｇ／Ｚｎ−ｔ）から１３．７ｔ／Ｈｒ（９３４ｋｇ／Ｚｎ−ｔ）まで低減させることができるようになった。
【０１０６】
また、焼成物を炉頂部１１より導入しないため、シャフト部１２にてＺｎＯの還元反応が起こらない。この還元反応が起きないこと、およびソリューションロス反応の低減により、シャフト部１２でのガス温度の低下が抑えられる。その結果、シャフト部１２全体にわたり内部温度が１０００℃を超えることになるため、亜鉛（Ｚｎ）の再酸化が生じない。また、シャフト部１２から炉頂部１１への送出される亜鉛含有気体のガス温度が充分に高いため、炉頂部１１に導入される予熱気体（Top Air）の量を抑えることが可能になり、亜鉛生成において省エネルギー化を期待できるようになる。
【０１０７】
［参考例２］
下記表３に示したように、焼成物およびコークスの全量を炉床部１３から導入した以外は、参考例１の収支計算と同様の収支計算を行い、その結果を示す。
【０１０８】
【表３】
2005248199.tif 000019
【０１０９】
参考例１および実施例１と比較して、シャフト部１２におけるソリューションロス反応によるデメリットは解消できるものの、コークスの全導入量は実施例１よりも多くなった。これは、シャフト部１２での熱交換により炉床部１３に送られるコークスの温度上昇分の炉床部１３への熱供給がなくなるデメリットの方が、ソリューションロス反応が起こらなくなるメリットを上回るのが原因であると推察される。
【０１１０】
［実施例２］
本発明に係る亜鉛製錬方法を適用した実操業の解析にあたり、下記の表４に示したように、焼成物の全量を炉床部の導入口から導入し、コークスの半量を炉頂部から導入するとともに残りの半量を炉床部の導入口から導入する条件を入力した以外は、参考例１に示した収支計算と同様の収支計算を行い、その結果を示す。
【０１１１】
【表４】
2005248199.tif 000020
【０１１２】
参考例１および２と比較すると、本実施例は、コークスの全導入量を低減することができる。このため、ソリューションロス反応を亜鉛生成に影響しない程度に効果的に抑えることができる。
【０１１３】
また、実施例１と同様に、放散熱を低減することができるため、亜鉛製錬にかかる熱損失を効果的に低減することができるようになる。また、実施例１と同様に、シャフト部１２でのガス温度の低下が抑えられるため、シャフト部１２全体にわたり内部温度が１０００℃を超えることになるため、亜鉛（Ｚｎ）の再酸化が生じない。また、シャフト部１２から炉頂部１１への送出される亜鉛含有気体のガス温度が充分に高いため、炉頂部１１に導入される予熱気体（Top Air）の量を抑えることが可能になり、亜鉛生成において省エネルギー化を期待できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明で状態解析を行う乾式亜鉛製錬溶鉱炉を模式的に示す図である。
【図２】前記溶鉱炉の炉床部における亜鉛含有スラグの濃度分布について説明する図である。
【図３】本発明に係る乾式亜鉛製錬溶鉱炉の状態解析方法の一実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図４】前記実施形態において、計算区間となる微小区間を説明する図である。
【図５】前記解析方法において、ガス、焼結鉱、コークスのそれぞれの熱収支を模式的に表す図である。
【図６】前記解析方法において、用いられる二界面の未反応核モデルおよび一界面の未反応核モデルを説明する図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１１  炉頂部
１２  シャフト部
１３  炉床部
２１，２２  羽口
２３  導入口
【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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