(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素含有還元性ガスを伝熱面を介して加熱する方法において、該ガスを４５０℃以下の温度から８００℃以上の温度まで昇温速度１０００℃／秒以上で急速加熱する一次加熱工程と、該一次加熱工程で加熱されたガスをさらに加熱する二次加熱工程を含み、該一次加熱工程が、燃焼室内に外径３０〜８０ｍｍの直管からなるマルチパス構造をとるガス加熱管を配備し、該ガス加熱管を外側から加熱する一方、該ガスを該ガス加熱管内に流通させることにより行われることを特徴とする方法。
【請求項２】
該一次加熱工程における昇温速度が１５００〜３５００℃／秒である請求項１記載の方法。
【請求項３】
該一次加熱工程における滞留時間が０．３５秒以下である請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
該一次加熱工程における滞留時間が０．１〜０．２３秒である請求項３記載の方法。
【請求項５】
該ガスが直接還元製鉄用の還元炉テールガスである請求項１〜４のいずれか記載の方法。
【請求項６】
該ガスの一酸化炭素含有率が４体積％以上（乾量基準）である請求項１〜４のいずれか記載の方法。
【請求項７】
該ガスの下記に適宜されるＫｐ（ｏｂｓ）値が２．０以下である請求項１〜４のいずれか記載の方法。
Kp(obs)=PCO2/(PCO)2
PCO：一酸化炭素分圧（単位kg/cm2）
PCO2：二酸化炭素分圧（単位kg/cm2）
【請求項８】
該一次加熱工程における該ガスの伝熱面に平行な速度成分の平均値が４０ｍ／秒以上である請求項１〜７のいずれか記載の方法。
【請求項９】
一酸化炭素含有還元性ガスを伝熱面を介して加熱するためのガス加熱炉であって、燃焼室内にバーナーと外径３０〜８０ｍｍの直管からなるマルチパス構造をとるガス加熱管とを配備し、該ガス加熱管を該バーナーの火炎で外側から加熱することにより該ガス加熱管内を流通するガスを４５０℃以下の温度から８００℃以上の温度まで昇温速度１０００℃／秒以上で急速加熱するように構成された一次加熱部と、該一次加熱部に供給されるガスを予熱するための対流伝熱部と、該一次加熱部で加熱されたガスを更に昇温する二次加熱部とからなることを特徴とするガス加熱炉。
【請求項１０】
該二次加熱部がラジアントウォールバーナーを有する請求項９記載のガス加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として直接還元製鉄プロセスに用いられる一酸化炭素含有還元性ガスの加熱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直接還元製鉄プロセスでは、８００〜１０００℃に加熱した還元性ガスを用いて鉄鉱石（酸化鉄）を還元することにより、金属鉄を製造する。ここで用いられる還元性ガスは一般に水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気を含み、これに加えてメタン、窒素などを含む場合も多い。このような還元性ガスを８００〜１０００℃に加熱するには炉内にガス加熱管を配した加熱炉を用いる。加熱炉は一般にバーナを備えた燃焼室（輻射伝熱部）と燃焼ガスを通す対流伝熱部とからなり、還元性ガスはまず対流伝熱部に配されたガス加熱管内を通過して約４００〜４５０℃に予熱され、次いで燃焼室に配されたガス加熱管内を通過して所望の温度にまで加熱される。
【０００３】
燃焼室に配備されたガス加熱管は、外径１５０〜１９０ｍｍ程度の管が図１に示すように折り畳まれた形状をしているため伝熱コイルと呼ばれており、一般に複数のこのような伝熱コイルが並列に接続されている。伝熱コイルは伝熱コイルの両側の壁面に設けられたラジアントウォールバーナーの火炎からの輻射熱を受けて加熱され、これにより伝熱コイル内を通過する還元性ガスが所定の温度まで加熱される。このときのガスの昇温速度は２００〜３００℃／秒程度である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、継続的に加熱炉を使用していると上記ガス加熱管の一部が消耗減肉するという現象（メタルダスティング）が生ずることがわかり、そのたびに消耗減肉した部分のガス加熱管を交換しなければならないという不都合があった。この現象は特に燃焼室に配されたガス加熱管の一部（前半部、図１参照）に多く見られる。これはガス加熱管内面の浸炭脆化が原因であると思われる。すなわち、一酸化炭素を含む還元性ガスを加熱すると次のような不均化反応（ブドアール反応）によりカーボンが析出すると考えられる。
２ＣＯ  ⇔  ＣＯ2   ＋  Ｃ↓
こうして析出したカーボンはガス加熱管内面に付着し、高温のガス加熱管の材料（主要成分）である鉄等と反応して浸炭現象を生じ、ガス加熱管内面を脆化消耗させると考えられるのである。
【０００５】
このような浸炭脆化を防ぐ方策として、ガス加熱管（特にその内面）の材質を改良してカーボンが析出しても浸炭脆化が起こらないようにすることも考えられる。しかしながら、加熱炉の使用条件やコストを考慮すると、必ずしもすべての場合にそのような材質改良のみで対処することができるとはいえず、あるいは不可能ではないにしても現実的な解決策とはいえない場合がしばしばある。
【０００６】
本発明は以上のような要請を念頭においてなされたものであり、材質改良とは別の観点からガス加熱管の浸炭脆化による消耗減肉を防止する方策として、一酸化炭素を含む還元性ガスを加熱する加熱炉のガス加熱管内面へのカーボンの析出自体を防止しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一酸化炭素含有還元性ガスを伝熱面を介して加熱する方法を提供する。その方法は、該ガスからカーボンが析出しやすい危険温度帯域を定め、該ガスの該危険温度帯域における昇温速度が１０００℃／秒以上となるように急速加熱するものである。
【０００８】
或いはその方法は、該ガスからカーボンが析出しやすい危険温度帯域を定め、該ガスの該危険温度帯域における滞留時間が０．３５以下となるように急速加熱するものである。
【０００９】
本発明はまた、上記方法を実施するために特に適した装置をも提供するものである。そのような装置は、燃焼室内にバーナーとガス加熱管が配備された加熱部を有し、該ガス加熱管を該バーナーの火炎で外側から加熱する一方、一酸化炭素含有還元性ガスを該ガス加熱管内に流通させることにより、該一酸化炭素含有還元性ガスを昇温するガス加熱炉であって、該ガス加熱管が外径３０〜８０ｍｍの直管からなるマルチパス構造をとる。
【００１０】
【作用】
本発明において加熱の対象となる一酸化炭素含有還元性ガスとしては、まず第一に直接還元製鉄用の還元炉テールガスが上げられる。このガスの典型的な組成の一例を示せば、
【表１】
還元炉テールガス（脱ＣＯ2後）
Ｈ2             ７０．７％（体積％、以下同じ）
ＣＯ            １６．７％
ＣＯ2             １．０％
ＣＨ4             ３．５％
Ｎ2               ６．８％
Ｈ2Ｏ             １．３％（飽和量）
となる。
【００１１】
もちろん本発明において加熱の対象となるガスは上記還元炉テールガスに限られるものではなく、典型的な組成を下記に示すような改質器からのリフォームドガス、コークス炉ガス、高炉ガス、転炉ガスなど、各種の一酸化炭素含有還元性ガスが対象となる。
【表２】
改質器からのリフォームドガスの組成の一例
Ｈ2             ５８．２％（体積％、以下同じ）
ＣＯ            １２．９％
ＣＯ2             ５．７％
ＣＨ4             ０．３％
Ｈ2Ｏ           ２２．９％
【表３】
コークス炉ガスの組成の一例
Ｈ2             ５０〜５７％（体積％、以下同じ）
ＣＯ              ５〜７  ％
ＣＯ2             ２〜５  ％
ＣＨ4           ２２〜３０％
Ｃ2+              ２〜５  ％
Ｎ2               ２〜６  ％
Ｈ2Ｏ               飽和量
【表４】
高炉ガスの組成の一例
Ｈ2               ３〜４  ％（体積％、以下同じ）
ＣＯ            ２１〜２４％
ＣＯ2           ２０〜２３％
Ｎ2             ５２〜５６％
Ｈ2Ｏ               飽和量
【表５】
転炉ガスの組成の一例
Ｈ2           １．５〜３．３％（体積％、以下同じ）
ＣＯ            ６５〜６７  ％
ＣＯ2           １２〜１４  ％
ＣＨ4         ０．２〜０．４％
Ｎ2             １６〜１９％
Ｈ2Ｏ               飽和量
なお、一酸化炭素含有率が４％未満のガスはカーボン析出の傾向が極めて小さいので、本発明の手段によらなくてもガス加熱管の消耗減肉が実質的に生ずることはない。
【００１２】
一酸化炭素を含む還元性ガスからカーボンを析出させる前記ブドアール反応は発熱反応であり、化学平衡論的には低温ほど反応が右に進むためカーボンが析出しやすいといえる。すなわち、ブドアール反応の化学平衡定数
Ｋp（eq）＝ＰCO2*／（ＰCO*）2
（ＰCO2* ………平衡二酸化炭素分圧、単位kg/cm2）
（ＰCO*  ………平衡一酸化炭素分圧、単位kg/cm2）
は熱力学的には、所定の圧力条件下に温度に対して単調減少する関数として表される。例えば圧力３．５Kg/cm2Ｇの下で常温より９００℃まで加熱する場合を想定し、熱力学的に計算したＫp（eq） の値を温度に対してプロットすれば図２に示すような曲線となる。また別に、前記に示した還元炉テールガスの組成から全圧３．５kg/cm2Ｇの下での実際の一酸化炭素分圧ＰCO及び二酸化炭素分圧ＰCO2 を求め、
ＰCO2／（ＰCO）2＝Ｋp（obs）
［（obs）は観測値（observed value）であることを示す。］
とおいたものを同じく図２に示す。Ｋp（eq） ＞Ｋp（obs）である温度領域がカーボンが析出する可能性のある領域であり、Ｋp（eq）／Ｋp（obs） の比が大きいほどカーボンが析出しやすい。なお、Ｋp（obs）＞２．０（kg/cm2）-1となるようなガスはカーボン析出の傾向が極めて少ないので、本発明の手段によらなくてもガス加熱管の消耗減肉が実質的に生ずることはない
【００１３】
一方、低温では前記ブドアール反応の反応速度は大きくないから、カーボンが析出する可能性がある領域においては高温の方が析出しやすいともいえる。従って、カーボンが析出しやすい危険温度帯域とは、熱力学的にカーボン析出のポテンシャルが高く、かつ反応速度も比較的大きな温度範囲と定義される。一般に、Ｋp（eq）＞２．５Ｋp（obs） であるとき熱力学的にカーボン析出のポテンシャルが高いといえ、また４５０℃以下では反応速度が小さいためカーボン析出の傾向は小さい。例えば図２に示す例では、カーボンが析出しやすい危険温度帯域は一般に５００℃〜７７５℃と定められる。
【００１４】
上記のように、カーボンが析出しやすい危険温度帯域は、加熱対象となるガスの組成（特に一酸化炭素濃度と二酸化炭素濃度）及び操作圧力によって異なる。対象となる系について定められた危険温度帯域を、当該ガスは１０００℃／秒以上、好ましくは１５００〜３５００℃／秒の昇温速度で加熱される必要がある。これは前記した従来の昇温速度（高々３００℃／秒）に比べてかなり大きな昇温速度である。なお、危険温度帯域以外の温度域では、従来の昇温速度で加熱して差し支えない。
【００１５】
一般に危険温度帯域は広くても３５０℃（４５０℃から８００℃まで昇温する場合）であるから、１０００℃／秒の昇温速度では０．３５秒以下、１５００℃／秒及び３５００℃／秒の昇温速度ではそれぞれ０．２３秒以下及び０．１秒以下でガスは当該危険温度帯域を通過することになる。かくして、ガスの危険温度帯域での滞留時間は極めて短くなり、ブドアール反応によるカーボンの析出は有効に抑制される。なお、上記のように、４５０℃から８００℃という温度範囲は通常の条件下における危険温度帯域をほぼカバーする範囲であるから、４５０℃から８００℃までを１０００℃／秒以上の速度で昇温させるように設計すれば、一般に本発明の昇温条件は自動的に（予め危険温度帯域を定義しなくても）満たされることになる。
【００１６】
１０００℃／秒以上という大きな昇温速度を得るためには、従来より伝熱係数を大きくする必要がある。この場合の伝熱係数は火炎からガス流への伝熱についてのものということになるが、これは火炎から管表面への輻射伝熱、管外表面から管内表面への伝熱、及び管内表面からガス流への対流伝熱が総合的に寄与する総括伝熱係数である。ここで、管内表面からガス流への対流伝熱を促進するためには、管内表面近傍に形成される境膜（層流）部分の厚みを減らすことが有効である。境膜の厚みはガス流速を大きくすれば減少するが、従来は外径１５０〜１９０ｍｍ程度の比較的太い管を用いていたため、管内ガス線速度を上げようとすると（加熱管の本数が減少することにより）ガス流量に対して伝熱面積が小さくなり、それを避けようとすれば（加熱管の長さが長くなることにより）ガスの対流時間が長くなるという欠点があった。これに対して、本発明においては、当該危険温度帯域に相当する部分のガス加熱管として従来のものに比べて細い管（外径３０〜８０ｍｍ）を用いるので上記欠点が解消する。当該危険温度帯域における平均ガス線流速は約４０ｍ／秒以上とすることが好ましい。
【００１７】
また、従来は図１に示すような折り畳み形状の加熱管を用いているため、Ｕターン部におけるガスの滞留やカーボンの局所的沈積、あるいはＵターン部におけるエロージョンに起因すると思われる消耗減肉が見られる。このような問題を解決するにはＵターン部を設けないことが好ましい。従って、本発明においては、当該危険温度帯域部分を直管で構成した直管マルチパス方式を採用する。これは不必要な圧損の増大を避けるため、ガス流速の増大に対しても好結果をもたらすと考えられる。
【００１８】
通常、カーボンが析出しやすい危険温度帯域は燃焼室に設けられたガス加熱管の前半部（一般に約４５０℃から約８００℃まで昇温する部分）にある。すなわち、必ずしも燃焼室に設けられた全ガス加熱管を上記のように比較的細い直管で構成し、かつ全断面積を絞ってガス線流速を上げる必要はない。従って、燃焼室内のガス加熱管を前半部と後半部とに分割し、前半部の加熱管（当該危険温度帯域を含む部分）のみについて上記構成をとれば、本発明の目的は達成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施例１
外径６０．５ｍｍ、肉厚８．５ｍｍ、長さ１３ｍの直管５本を並列に接続したガス加熱管を有する実験用加熱炉を製作し、次の組成を有する一酸化炭素含有還元性ガスの加熱を行った。
【表６】
ガス組成
Ｈ2             ７０．７％（体積％、以下同じ）
ＣＯ            １６．７％
ＣＯ2             １．０％
ＣＨ4             ３．５％
Ｎ2               ６．８％
Ｈ2Ｏ             １．３％
【００２０】
上記ガス加熱管入口部におけるガス温度は４５０℃、出口部におけるガス温度は７７５℃とした。ガス圧力は３．５kg/cm2Ｇとし、ガス流量及び加熱量を調整して、次の２つの条件で運転を行った。
【表７】
0003889827.tif 000002
【００２１】
上記２条件でそれぞれ６０００時間運転し、その時点で加熱管の肉厚を測定したが、減肉はほとんど観察されなかった。
【００２２】
実施例２
図３及び図４は本発明の実施に好適な装置（ガスヒーター）の例を示すものである。図３は同装置の正面図、図４は同装置の側面図である。同装置は大きく対流伝熱部Ａと輻射伝熱部Ｂからなり、輻射伝熱部Ｂは一次加熱部Ｂ１及び二次加熱部Ｂ２からなる。対流伝熱部Ａは輻射伝熱部Ｂからの燃焼ガスの排気路に当たり、高温の燃焼ガスの熱を利用して一酸化炭素含有還元性ガスの予熱を行う部分である。また輻射伝熱部Ｂ（一次加熱部Ｂ１及び二次加熱部Ｂ２）では、バーナーの火炎からの輻射熱により対流伝熱部Ａで予熱された一酸化炭素含有還元性ガスが所定の温度までさらに加熱される。対流伝熱部Ａ、一次加熱部Ｂ１及び二次加熱部Ｂ２内には、それぞれ図に示すように対流伝熱部加熱管１、輻射伝熱部一次加熱管２及び輻射伝熱部二次加熱管３が配備されており、それらの間はクロスオーバー管４及び５で連絡されている。一酸化炭素含有還元性ガスは対流伝熱部加熱管１を通過することにより常温から約４５０℃に加熱され、クロスオーバー管４を経て入口ヘッダー６から輻射伝熱部一次加熱管２を通過することにより約７７５℃に加熱され、さらにディストリビューター７からクロスオーバー管５を経て輻射伝熱部二次加熱管３を通過することにより約９２０℃に加熱され、トランスファーライン８により目的のプロセスへ移送される。一次加熱部Ｂ１の炉壁には１段目バーナー９及び２段目バーナー１０が配備されており、これらは通常の長炎型バーナーであって火炎の輻射熱により輻射伝熱部一次加熱管２を加熱する。二次加熱部Ｂ２の炉壁には長炎型の１段目バーナー１１及びラジアントウォールバーナー１２が配備されており、これらにより輻射伝熱部二次加熱管３を加熱する。二次加熱部の２段目バーナーとしてこのようにラジアントウォールバーナーを用いるのは、長炎型バーナーと違って加熱管に直接炎が当たらないため、加熱管をオーバーヒートする心配がないからである。輻射伝熱部一次加熱管は入口ヘッダー６からディストリビューター７までの間を多数本が平衡に並んで走っており、それぞれ一次加熱部の直下で垂直に立ち上がってそのまま一次加熱部内をまっすぐに上昇する。輻射伝熱部二次加熱管はディストリビューター７から水平に（かつ横方向に多少広がりながら）複数本突き出ているクロスオーバー管５に直接つながっており、従来型のコイル状の形態をなしている。なお、トランスファーライン８には高温に加熱されたガスが通るため、その内部を耐火断熱キャスタブル１３で断熱する。
【００２３】
比較例
外径１７０ｍｍ、肉厚１０ｍｍ、長さ８ｍの直管６本をＵ字管でつないでなる伝熱コイルをガス加熱管とする、図１に示す従来型加熱管と同型のガス加熱管を有する実験用加熱炉を製作し、実施例１と同じ組成の一酸化炭素含有還元性ガスを加熱した。
【００２４】
上記ガス加熱管入口部におけるガス温度は４５０℃、出口部におけるガス温度は９２０℃とした。ガス圧力は３．５kg/cm2Ｇとし、ガス流量及び加熱量を調整して、次の条件で運転を行った。
【表８】
運転条件
昇温速度                ３００℃／秒
ガス滞留時間            １．５７秒
ガス平均流速            ３１ｍ／秒
【００２５】
上記条件で６０００時間運転し、その時点で加熱管の肉厚を測定した結果、入口部に近い側の直管２本分にわたって最大５ｍｍ程度の減肉が観察された。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のガス加熱管とその消耗減肉箇所を示す。
【図２】ブドアール反応の平衡定数の温度依存性及びカーボン析出危険帯域を示す。
【図３】本発明の実施に好適な装置の例を示す正面図である。
【図４】図３の装置のＸ−Ｘ矢視及びＹ−Ｙ矢視を示す側面図である。
【符号の説明】
Ａ  対流伝熱部
Ｂ  輻射伝熱部
Ｂ１  一次加熱部
Ｂ２  二次加熱部
１  対流伝熱部加熱管
２  輻射伝熱部一次加熱管
３  輻射伝熱部二次加熱管
４  クロスオーバー管（対流伝熱部から輻射伝熱部へ）
５  クロスオーバー管（一次加熱部から二次加熱部へ）
６  入口ヘッダー
７  ディストリビューター
８  トランスファーライン
９  １段目バーナー
１０  ２段目バーナー
１１  １段目バーナー（二次加熱部）
１２  ラジアントウォールバーナー
１３  耐火断熱キャスタブル
１４  対流伝熱部床面
【図１】
0003889827.tif 000003
【図２】
0003889827.tif 000004
【図３】
0003889827.tif 000005
【図４】
0003889827.tif 000006