(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスおよび微細に分離された粉状固体原料を、懸濁物を造るために懸濁溶鉱炉の反応塔に供給する時に、前記反応ガスを前記微細に分離された粉状固体原料の流れの周辺から前記炉内へ供給し、前記粉状固体原料を散布用空気によって前記反応ガスに遭遇するよう分散させる、反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度を調整する方法であって、
反応ガスチャネル内を垂直に移動する調整要素の曲線状表面および該反応ガスチャネルを取り囲み前記反応塔のアーチ上に位置する冷却ブロックの曲線状表面は、反応ガスの流れの断面積を流れ方向に低減させ、前記反応塔アーチの底辺に設けられた放出口で最小になるように設計され、該反応塔への前記反応ガスの流動速度および放出方向は、前記調整要素と前記冷却ブロックとによって調整され、その際、該反応ガスの流動速度は、前記反応ガスの量に関わりなく適切な速度になるよう、該調整要素を垂直方向に移動させて前記放出口の断面積を調整することによって無段階的に調整され、前記放出口から前記反応ガスを前記反応塔内へ放出して前記粉状固体原料と共に懸濁物を形成し、前記粉状固体原料を散布するために必要な前記散布用空気の速度および方向を前記粉状固体原料の供給量に対応して調整することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項２】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記調整要素と前記冷却ブロックの間の空間は環状であることを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項３】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記反応ガスの方向を前記反応塔の中心軸から離れる方向を向くように調整することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項４】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記反応ガスの方向が前記反応塔の中心軸に平行となるように調整することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項５】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記反応ガスの方向が前記反応塔の中心軸に向かうように調整することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項６】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記反応ガスの流れの断面積および方向付けを調整する前記調整要素を冷却することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項７】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記散布用空気は一次散布用空気を含み、該一次散布用空気を前記反応塔の中心軸から外方に水平に供給することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項８】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記散布用空気は一次散布用空気および二次散布用空気を含み、該二次散布用空気を該一次散布用空気の下方において供給することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項９】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記散布用空気は一次散布用空気および二次散布用空気を含み、該二次散布用空気を該一次散布用空気より低い方向に向けることを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項１０】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記粉状固体原料の流れの内側から燃料を前記反応塔内へ供給することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項１１】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記粉状固体原料の流れの内側から酸素を前記反応塔内へ供給することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項１２】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記粉状固体原料の流れの内側から燃料および酸素を前記反応塔内へ供給することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項１３】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記粉状固体原料の流れの内側から、酸素を環状に前記反応塔内へ供給し、さらに該酸素の流れの内側から燃料を該反応塔内へ供給することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１項記載の方法であって、前記粉状固体原料の流れの内側から、酸素を２つの環状の流れとして、さらに該酸素の流れの内側から燃料を前記反応塔内へ供給することを特徴とする反応ガスおよび粉状固体原料の散布用空気の流動速度の調整方法。
【請求項１５】
粉状固体原料放出チャネルの内部に設置され散布用空気開口部を備える分配器要素と、該放出チャネルを環状に取り囲む反応ガスチャネルとを含む、反応ガスおよび微細に分離された粉状固体原料を反応塔内へ供給する多重調整可能なバーナーであって、
前記反応ガスの流動速度および方向を無段階的に調整するために、前記反応ガスチャネルは該反応ガスチャネルの内辺に設置された垂直に移動する環状の調整要素を備え、反応塔のアーチ上に前記反応ガスチャネルを取り囲む冷却ブロックが配置され、前記反応ガスチャネルに対向して配置された前記調整要素および前記ブロックの各曲線状表面は、該調整要素のすべての位置において流れの断面積が前記アーチの底辺に設けられた放出口へ向けて減少し、該放出口で最小になるように設計され、前記微細に分離された粉状固体原料の分配器要素は成形表面の下側に開口の２つの列を備え、該開口からは前記粉状固体原料を散布するために必要な前記散布用空気が放出され、該散布用空気の速度および方向は前記粉状固体原料の供給量に対応して調整可能であることを特徴とするバーナー。
【請求項１６】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記調整要素の垂直移動は、前記アーチの頂部に位置し容量および／または酸素濃度の変動に反応する調整器によって行われることを特徴とするバーナー。
【請求項１７】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記調整要素は冷却手段を備えることを特徴とするバーナー。
【請求項１８】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記放出チャネルは冷却手段を備えることを特徴とするバーナー。
【請求項１９】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記調整要素はその最高位置において、前記アーチの底辺まで伸びていることを特徴とするバーナー。
【請求項２０】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記調整要素は前記反応塔の頂部まで伸びていることを特徴とするバーナー。
【請求項２１】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記調整要素の外面および前記ブロックの内面は、前記反応ガスチャネルが前記反応塔の中心軸から離れる方向に向けられるように設計されていることを特徴とするバーナー。
【請求項２２】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記調整要素の外面および前記ブロックの内面は、前記反応ガスチャネルが前記反応塔の中心軸に平行になるように設計されていることを特徴とするバーナー。
【請求項２３】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記調整要素の外面および前記ブロックの内面は、前記反応ガスチャネルが前記反応塔の中心軸に向かう方向に向けられるように設計されていることを特徴とするバーナー。
【請求項２４】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、成形体内の上部開口列は水平方向を向いていることを特徴とするバーナー。
【請求項２５】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、成形体の下部開口列は下方に傾斜して向いていることを特徴とするバーナー。
【請求項２６】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、成形体の下部開口列中の孔は上部開口列中の孔より大きいことを特徴とするバーナー。
【請求項２７】
請求の範囲第15項記載のバーナーであって、前記分配器要素の内部に燃料パイプと、該パイプを取り囲む冷却空気パイプとが設けられていることを特徴とするバーナー。
【請求項２８】
請求の範囲第27項記載のバーナーであって、前記分配器要素の内部に設けられた前記燃料パイプおよび冷却空気パイプの周囲には、環状の一次酸素チャネルが備えられていることを特徴とするバーナー。
【請求項２９】
請求の範囲第27項記載のバーナーであって、前記分配器要素の内部に設けられた前記燃料パイプおよび冷却空気パイプの周囲には、環状の一次酸素チャネルと、環状の二次酸素チャネルとが備えられていることを特徴とするバーナー。
【請求項３０】
請求の範囲第28項記載のバーナーであって、前記一次酸素チャネルの最外端にノズルが備えられていることを特徴とするバーナー。
【請求項３１】
請求の範囲第28項記載のバーナーであって、前記分配器の底板は二次孔を備えていることを特徴とするバーナー。
【請求項３２】
請求の範囲第28項記載のバーナーであって、前記分配器の底板は一次ノズル中の孔より大きい二次孔を備えていることを特徴とするバーナー。
【発明の詳細な説明】
本発明は反応ガスおよび微細に分離された固体を懸濁溶鉱炉内へ供給する方法に関するものであり、反応ガスおよび固体の懸濁溶鉱炉内への放出点で反応ガスおよび固体の流動速度と流動方向とを調整する。本発明はまた前記方法を実現するための多重調整可能なバーナーに関する。
懸濁溶鉱炉の反応塔は垂直であり、したがって反応塔の頂部に下降方向に供給される反応ガスと微細に分離された固体との間で、固体に対し可能な限り完全燃焼を行わせるために、良質な、すなわち制御され調整可能な懸濁物を形成することが不可欠である。良質な懸濁物を形成するための必要条件は反応空間すなわち反応塔に至るまでは懸濁物が形成されないことである。
懸濁溶鉱炉内へ供給される微細に分離された固体は、例えば英国特許第1,569,813号に記載されている中央ジェット分配器を用いて、反応塔内へ散布および分配することができる。前記分配器を用いることにより、固体を反応塔内に放出するに先だって、最初は自由落下する固体の流動方向がほぼ水平の外側方向へ転換される。固体は分配器内の曲線状滑走面と、前記面の下方から外側へ向けられた散布用空気ジェットとを用いて、外側方向に導かれる。外側方向へ向かう固体中に反応ガスが供給される。微細に分離された固体原料は通常は精鉱である。
通常の場合は、固定放出口を備えた前記分配器で十分であるが、反応し難い精鉱を用いることが普通になりつつあるので、散布用空気量を変更すること以外に別の方法で散布を変更する必要が生じてきている。精鉱分配器自体の散布用空気放出口が、反応空間内すなわち反応塔自身の内部にあるために、諸条件はかなり厳しいものとなり、また放出口が、遠くて狭いチャネルの末端に位置するために、放出口のサイズを調整することは少なくとも連続運転中においては理に叶ったものとは言えない。
従来技術の中では米国特許第5,133,801号に記載されている方法が知られているが、これは中央ジェット分配器の中心軸上に垂直酸素噴射器が設けられており、これを通じて酸素量全体の５〜15％の酸素が供給されるものである。前記噴射器の形は管状であり、直線状の固定形式のものであるために、その中での炉内への酸素の放出速度および方向は、酸素量によってのみ決定されることになる。酸素は精鉱に対する付加的酸素として、精鉱分配器によって分配された雲状の精鉱の中央から反応を増進させるために使用される。
一般に反応ガスとして働く酸素もしくは空気などの酸素含有ガスは、最初は炉内に水平方向に供給されるが、反応塔への供給の前にガスの方向を垂直方向に転換しなければならない。反応ガスの方向変更については米国特許第4,392,885号に記載されている。方向性バーナーについて記載しているこの特許によれば、反応ガスはある固定断面積を有する放出口を通じて、炉の反応塔へ環状の流れとなって粉状固体原料の周辺から供給される。
通常の場合は反応ガスに対し固定放出口を有するバーナーを備えれば十分であるが、ほぼ100％の酸素の使用が好まれつつある現在では、ガス量は以前の空気供給量のおよそ1/5に減少されてきている。したがって、反応ガスに対して与えられた速度を達成するためには、バーナー放出口の流れ断面積を次第に低減してゆくことが要求される。バーナーは容量および酸素濃度が比較的広い範囲で運転可能でなければならないというのが、相当に一般的な要求である。炉内の反応および条件が反応塔内の反応ガスにある速度範囲を必要としており、固定放出口を有するバーナーの使用は前記の受容範囲から外れてしまう。したがって、バーナーの反応ガス放出口の断面積が調整可能であることが最新技術上の要求となっている。
このような反応ガス放出口の調整は特に問題ではなく、遂行上いくつかの異なる方法がある。問題は所要の方法で働くことに加えて、過酷な炉の条件すなわち高温（約1400℃）に耐えること、そして良好な機械的強度（例えばロッド状に生じ得る生成物の除去に対する）を有することなどである。
例えば米国特許第5,362,032号および第5,370,369号もしくはフィンランド特許出願第932458号中に記載された方法では、段階的調整が実施されている。前記の第一の特許では、精鉱分配器の周囲に反応ガスに対して異なるサイズの２つの同心環状リングが設けられている。一方または両方のリングにガスを導入することにより、３つの固定放出速度領域を得ることができる。第二の特許では、所要のサイズを有する所要数のパイプが閉鎖または使用される。第三の特許出願では必要に応じて適当数の漏斗状開放円錐体が「降下」される。しかしながらいずれの実施例も段階的であるという特徴があり、このため調整を例えば連続工程での機能に直結して行うことができない。
連続的に動作する調整システムが米国特許第4,490,170号および第4,331,087号に記載されている。この両者とも調整は反応ガスの循環動力の変化に基づいて行われ、したがって線速度のみを調整するには適しない。
日本国特願平５-9613号は反応ガスに対して連続的に動作する調整方法を採用している。この特許出願では調整は精鉱パイプの周囲を垂直に移動する閉鎖円錐体構造により行っている。バーナーの円筒状放出口に反応ガスを導く縮退型円錐体が前記閉鎖円錐体の対向部として働く。流れのチャネルを形成する２つの円錐体はいずれも直線状（すなわち壁面が直線である）で等角度であり、このため円筒内を降下する精鉱が精鉱パイプの内側に設けられたオイル噴射器に取り付けられている分配円錐体に達する以前にガスが精鉱に導入される。このように調整動作は明らかに精鉱および反応ガスが炉内に放出される以前に行われるため、精鉱中に部分的に混合された反応ガスは調整中に得られた速度（および方向）を失ない、換言すれば炉内への放出速度はバーナーの固定放出口によって決定されてしまう。調整方向は常に同一であり、中心軸方向に強く向かい、軸方向に平行または軸から外側に向かうことは決してない。
前記バーナー内における反応ガスおよび精鉱の混合法は純酸素もしくは高濃度酸素ガスを用いる場合には不可能である。仮に精鉱が容易に反応するものである場合には精鉱の焼結によってバーナーが閉塞するという結果を招くからである。調整上の見地からすれば、炉空間に関する限りバーナーは固定放出口を有する他のバーナーと同様に動作する。前記特許出願はまた精鉱バーナー内で精鉱の流れの真ん中に酸素および／またはオイルを使用しているが、前記酸素および／またはオイルの放出に影響する諸特性について、より詳細には何も言及していない。
本発明に係る方法においては、反応ガスの速度、ならびに特にその方向調整が、微細に分離された固体流の周囲に配置された反応ガスチャネルの中で行われ、このチャネル内には垂直方向に移動する環状の特別な形状の調整要素が置かれている。この調整要素は容量および／または酸素濃度の変化に反応しそれに応じて調整要素を動かす調整器に接続されている。調整要素は小容量動作時には反応空間内に伸びているため冷却することが好ましい。
反応ガスの速度および方向調整はまた、反応ガスチャネルの周囲で反応塔のアーチ上に位置する成形された冷却ブロックによっても影響を受ける。このようにして反応ガスの断面および横方向面積が、特にガス分配放出口において所要の値に調整される。ガスはこのガス分配放出口を通じて懸濁溶鉱炉の反応塔に放出される。散布用空気の速度と方向の調整は２つの段階で行われる。すなわち、空気は分配器の２つのチャネル内に分配される。通常の場合は精鉱流に最も近い位置に上部開口部が設定されている。容量が増大する時には、前記開口部の下側に位置する付加開口部を通じて散布用ガスを好ましくは下方に向けて付加することができる。追加の燃料は中央ジェット分配器の中央から噴射器により供給される。追加燃料の燃焼に必要な酸素はあらかじめ二分される。すなわち分配器へ導く２つのチャネルがあるため、酸素ガスを前記の２つのチャネルの両方または一方だけを通じて供給することができる。放出口内部の特殊な配列によって速度が調整される。本発明の本質的に新規な構成要件は添付の請求の範囲により明らかである。
本発明に係る多重調整可能バーナーにおいては、本質的に反応塔方向に方向転換された反応ガスは、バーナーの中央に位置する固体供給パイプを環状に取り囲むように設けられた反応ガスチャネル内を流れ、そして流れの末端において、本発明に従い、所要の速度と方向に調整されて、放出口を通じて反応塔へ流れる。調整は垂直方向に操作される調整要素によって行われるが、この調整要素もまた反応ガスチャネルの内辺にリング状に、したがって固体供給パイプを取り囲むように設置されている。この結果、反応ガスチャネルの放出口の連続的で無段階的な調整が１つの環状体内で行われることとなる。
反応ガスの流動方向と同時に、反応ガスと精鉱流との遭遇点を調整要素の設定によって決定することができる。放出速度に関しては本発明によれば、速度は調整要素を垂直方向に移動することにより調整され、これによって反応塔アーチの底辺のところに、反応ガスの放出速度を決定する最狭の場所が常に調整されていることになる。したがって本発明によれば、反応塔に供給される反応ガスの流れの断面積はアーチの底辺に位置する放出口に至るまでに連続的に低減されることになる。調整点は常に同一の場所、すなわちアーチの底辺に留まっているが、放出口の断面積は調整過程と共に無段階的に変化する。これはアーチ上に設けられた冷却ブロック、水冷調整要素およびこれと同様に水冷された精鉱分配器、好ましくは反応塔に伸びている中央ジェット分配器によって可能となる。これらのすべては、良質の懸濁物を得るためにまた生成物の形成を防ぐために必要とされるバーナーからの制御された放出を実現するための本質的な要素であり、より明確に言うならばこれらによって放出が反応空間自体の、換言すれば反応塔の内部において最も効果的となるのであって、多くの従来技術の調整方法のように、ガス放出がバーナー内部で最も効果的であり放出口から反応空間に進入する時点では既に必要な力を失っているということにはならないのである。反応ガスの流動方向を反応塔の中心軸に平行にもしくは中心軸に向かう方向に調整することはいずれも最も有利である。
反応ガスの方向制御を行うことにはいくつかの理由がある。よく知られているようにガスジェットの速度は、例えばその中心軸上で、距離の関数として直線的に減少し、放出口の直径に正比例している。反応ガス量が低減された時は放出口もまた上記の理由により絞らなければならない。反応点における反応ガス速度を維持するために放出口を絞るときは、この形式のノズルのサイズを縮小する。
精鉱と反応ガス流との間の距離を維持するための可能な方法の１つは、放出口と前記両媒質の遭遇点との間の距離を縮めることである。これは反応ガス流の方向を変えることによって実施される。遭遇点を常に同一にすることが必要であれば、反応ガス流の方向は放出口の出発点における各変化に応じて制御しなければならない。
より難しい事例においては反応ガス流の方向を幾分外側に向けることが有利であり、これによって遭遇点も中心軸から、したがってバーナー自体から遠ざかるように移動する。このタイプの方向制御は例えば反応活動をバーナーから「遠い」位置に移す必要がある場合に使用される。速度および方向を調整するこの形式の方法では速度および方向の両方が任意の調整点で制御可能であることが特徴である。
本発明に係る構成においては、反応ガスの放出チャネルを限定する調整要素および冷却ブロックの両者の表面を曲面のエッジラインが直線ではなく曲線となるように設計することが有利である。このように設計することにより環状チャネルの流れの断面積が放出口に近づくにつれて次第に所要の方向に向けられる。断表面の配列には、周知の連続的に縮小する断表面の原理が適用されている。本発明の相違点は流れの断面積のサイズが連続的に調整可能であり、なおも所要の方向が維持され得ることである。
本発明においては、精鉱を散布するために用いられる散布空気の速度と、特に方向の調整とが２段階に分けて行われる。すなわち空気は分配器に供給される時点の段階で既に２つのチャネルに分けられる。通常の場合は、分配器の形状に基づいて分配される精鉱流に最も接近して設けられた最上部の最小開口部（一次空気）が設定されている。これらの開口は水平方向に向けられていることが望ましい。容量が増大するときは、分配空気を前記最小開口部の下側に設けられた付加開口部（二次空気）を通じて付加することができるが、これらの開口はより大きく主として下側方向に向けられていることが有利となる。使用上の見地からは、さらに他の開口列を使用することも有利であるが、発生し得る逆流や開口部の閉塞を防ぐために、ある程度（10％）の空気をこの他の開口セットを通じて流すこともまた許容すべきである。
下部開口中の散布空気流の方向、および精鉱流との遭遇点は同時に、通常は上部開口部から放出された空気流との遭遇点のやや後の精鉱流内の地点に定められる。こうして懸濁物の２段階散布が実行される。空気流が精鉱懸濁物と遭遇する際に、下部開口部からの空気速度が上部開口部を通じて放出される空気速度より少なくとも高速を保つために、下部開口部はより大きくなければならない。
本発明においては、付加燃料、好ましくは重油が中央ジェット分配器から例えば市販の噴射器を用いて供給される。一例として圧縮空気をその散布と噴射器の冷却に使用することができる。燃料油の燃焼に必要な酸素としては、使用できる空間が狭小であるため純酸素を用いることが最も好ましい。当然ながら空気または高濃度酸素ガスも使用可能であるが、バーナーのサイズもが大きくなるのが難点である。特にフラッシュ溶鉱炉中でニッケル精鉱を溶融する場合に、付加燃料の所要量が変動することは通常の現象である。前記精鉱を散布するために使用される圧縮空気についても同様の状況が存在し、ガス放出領域を調整可能とすることが必要である。その調整についてもまさしく同様の状況が存在する。調整可能な開口システムを造ることは可能ではあるが、精鉱分配器が長く（約２ｍ）、特殊に成形された分配器ボディがぴたりと近接しているため、容易なことではない。この目的のために我々は使用が比較的容易な独自のシステムを開発したが、これは添付の図面により明らかにされている。このシステムは予備酸素分配の考えに基づくもので、すなわち分配器に通じる２つのチャネルを設け、酸素ガスを両方のチャネルまたは一方のチャネルだけに供給することができるようにするが、いずれの場合にも「不使用」チャネルには少量のリークが許容されるようにする。放出口の特殊な構成によって速度が維持されるが、詳細については下記に説明する。
本発明は反応上の諸要求（精鉱および燃焼ガス間の速度差制御、プロセスガスの方向制御および精鉱流との遭遇点制御）および工程運用に対する実用上の諸要求（容易性、諸条件への耐用性、容量変動に対する自動化）のいずれをも満足するものである。
以下、本発明を添付の図面を参照して説明する。
第１図は本発明の実施例である懸濁溶鉱炉の系統図である。
第２図は精鉱分配器周囲のバーナー放出口内に置かれた反応ガス調整機構の垂直断面図である。
第３図は反応ガス調整過程を３つの異なる調整位置について図示したものである。
第４図は本発明に係る精鉱分配器、および酸素または付加燃料を供給する装置をより詳細に示したものである。
第１図は懸濁溶鉱炉１を示し、炉内には粉状固体原料（精鉱）および燃料が本発明に係る多重調整可能バーナーである精鉱バーナー２を通じて供給される。精鉱はタンク３からコンベア４を用いて精鉱放出チャネル５の頂部に移され、かくして原料は連続的な流れとなって前記チャネル５を経由し懸濁溶鉱炉１の反応塔６の頂部７へと落下する。反応ガス８は前記チャネル５の周囲から実質的には平行方向になって反応塔の頂部７へと導入される。
第２図において、反応ガス（酸素もしくは空気などの高酸素ガス）はバーナーに導入されて主として反応塔の中心軸９の方向へ流れるよう転向される。反応塔内へのガス８の放出方向は精鉱チャネル５を取り囲む調整要素10、およびアーチ11上に位置する冷却ブロック12の設定によって調整される。放出速度は、調整要素10および冷却ブロック12の間に位置する反応ガスチャネル13の底部断面積を変えることにより、調整される。ガスの最終方向および速度はアーチの底辺において環状放出口14内で決定される。
アーチの上方に設置された調整器15は容量変化に対応して調整要素10を垂直方向に移動させ、これによって反応空気の速度および方向が無段階的に調整される。調整要素10は反応ガスチャネルの内辺にリング状に設置されている。調整要素の精鉱チャネル５側の表面は精鉱チャネルの形状に合致するが、調整要素10の反応ガスチャネル13に対向する表面は、調整要素のすべての位置において流れの断面積が流れの方向に沿って連続的に減少するように設計されている。反応ガスチャネル13をリング状に取り囲む冷却ブロック12の内辺も調整要素10の対向部として働くように同様に設計されており、この結果下方へ進むに従って放出口14の位置で終る反応ガスチャネル13の断面積が連続的に低減されることになる。
耐久性および実現性の見地から、ブロック12、調整要素10および精鉱チャネル５は冷却（例えば水冷）することが有利であるが、これは例えば調整要素10が高位置ではアーチ11の底辺まで本質的に伸びており、低位置では反応塔内まで伸びているからである。精鉱チャネル５もまたアーチ11の下側で、反応塔内まで伸びている。ブロックの冷却水循環路には参照符号16が、放出口と調整要素の冷却には参照符号17が、精鉱チャネルの冷却には参照符号18が付けられている。精鉱分配器19を使用することによって反応上に有利な混合効果が達成されるが、粉状原料の方向転換、その速度の増大および散布状態については、より詳細に第４図に記載されている。
第3a図は容量が正常値、換言すれば相当に最大値に近い場合を示す。このとき、調整要素10は比較的高い位置にあり、受ける熱歪みはかなり低い。速度は処理工程の要求に適応しており、例えば80〜100m/sである。このチャネル設定ではガスの方向は幾分中心軸９方向に向けられている。
第3b図は容量が正常値よりも小さく、換言すれば相当に最大値から離れている場合を示す。このとき、調整要素10は低い位置に引き下げられ、これによって速度は処理工程の要求に適応する例えば80〜100m/sに維持される。このチャネル設定においてもガスの方向は幾分中心軸９方向に向けられている。
第3c図は容量が小さく、換言すればかなり最小値に近い場合を示す。このとき、調整要素10はさらに低い位置に引き下げられるが、速度はなお処理工程の要求に対応する例えば80〜100ｍ/ｓの値に維持される。このチャネル設定においても、ガスの方向は幾分中心軸９方向に向けられている。
第４図において、精鉱分配器19は精鉱チャネル５の内側に配置されており、精鉱チャネル内部に位置する精鉱分配器の管状部20は精鉱チャネルの底辺の下側で曲線状の成形体21となって継続し、本質的には水平な端辺22となって終わっている。精鉱分配器は底板23を有する。第２図に見られるように、精鉱チャネルおよび精鉱分配器の底部はいずれも反応塔の炉空間内に位置している。精鉱チャネル内を降下して到来する精鉱24は拡散および分配用の静止成形表面21に出会い、精鉱流はこの表面によって主として水平の外側に方向を変えられ、傘状の精鉱噴霧25を形成する。精鉱流の方向転換は、この成形表面に加えて、成形体の底端内に設けられた開口部によって増大される。開口部に並べられた孔26を通じて散布用空気ジェットが精鉱流に向かって導かれ、このジェットにより精鉱の方向が変えられる。開口部は精鉱量に対応して圧縮空気の速度を調整する。正常時には開口部の方向は分配器の中心軸から外向きの水平方向になっている。精鉱流は成形表面21から離れた時点で開口列26から放出された散布用空気27に突き当たり、これによって精鉱および散布用空気は共に混合されて緩やかな懸濁物となり、対称的に外側へ向かう付加エネルギーを持った懸濁物を提供する。精鉱の散布と付加的分配とは使用される散布用空気インパルス、すなわち散布用空気の量と速度とによって定まる。
精鉱の供給容量が増大するにつれて追加エネルギーが必要になる。これは散布用空気量を増加することにより達成できるが、仮に固定開口部を備えた散布空気システムによって空気量を増加しようとすれば、所要の空気圧が不必要に高くなるため、開口部の断面積を追加する方が有利である。本発明においては第４図に見られるように付加開口列28が配置されている。前記付加開口列は前述の開口列26の下側で同一の分配器ボディ内に設けられている。下部開口列28中の孔は上部開口列26中の孔よりも大きいが、これは放出している空気ジェットの速度を小さな孔から放出するよりも高速に維持できる方法であることが知られているからである。これは下部開口列から放出している空気が上部開口列から放出している空気ジェットよりも遠方で固体と遭遇するという事実に基づいている。精鉱と空気ジェットの遭遇点は下部開口列の孔の方向をさらに幾分下方に向けることによって移動する。下部の孔から放出される空気ジェットは上部の孔から放出される空気ジェットと精鉱との混合をさらに促進する。この散布された精鉱懸濁物に向けて調整された速度と方向をもった反応ガスが放出口14から放出される時に、最終的な反応が達成される。
懸濁物の溶融すなわちフラッシュ溶鉱は一般に自然発生的であって、換言すれば付加燃料によりもたらされる付加熱を本来は必要としない。これは精鉱と酸素との間の反応が発熱性であるからである。しかしながら、実用的理由から炉に少量の付加燃料を供給する必要がしばしば生じる。影響するいくつかの要因のうちから精鉱の質を取り上げてみよう。特にニッケル精鉱を供給する場合には少量の付加燃料を使用する必要がしばしば生じる。さらに、付加燃料／ニッケル精鉱の比はかなり変動するため、付加燃料もまた調整可能でなければならない。付加燃料は燃料用重油が好ましく、分配器の中央に設けられた燃料パイプを通じて供給され、散布ノズル31を介して精鉱分配器の下方の炉内へ注入される。この目的には容量変動に対して十分な動作範囲を有する適当な市販のノズルが利用できる。オイル噴射器は分配器の中央から反応塔の炉空間へと伸びているために冷却を必要とするが、環状パイプ32を介して噴射器の周辺から放出される空気を冷却用に利用すると好都合である。
付加燃料の燃焼には大量の酸素が必要であるため冷却用空気の量では十分とは言えないが、オイルを燃焼させるために炉内への酸素供給は不可欠であり、酸素量を調整可能にしなければならない。この場合、正常または小容量で運転するときは、一次酸素と呼ばれる所要の酸素がオイル噴射器とその冷却空気パイプとを取り囲む環状チャネル33を通じて、チャネルの遠端に取り付けられた数個の固定ノズル34へ供給され、酸素はこれらのノズルを通じて反応塔に供給される。ノズル数は３ないし12であるが、６ないし10が望ましく、これによりジェット状の効果を得ることができる。ノズルは燃料ノズル31の周囲に対称的に配置されている。ノズル34からの一次酸素は先ず一次ノズルの下側で、分配器の底板23中に設けられた二次孔35を通じ炉空間へと放出される。孔35は放出された一次酸素がその量およびノズルサイズによって定まる放出速度を維持できる程度に一次ノズル34より幾分大きくなっており、このようにしてノズル31から放出されたオイルの噴霧と被制御空間内で混合されて可燃性のオイル混合物を形成する。
仮に追加燃焼が必要であれば、主として「リーク」の形で供給される二次酸素量が一次酸素チャネル33を取り囲む二次酸素チャネル36内で補充される。この追加は二次酸素チャネルの放出孔35内で行われ、一次ノズル34内とほぼ同一の速度が得られる。前記速度は一次および二次酸素量の和と二次孔35の面積によって決定される。こうして前記酸素全体を用いる追加燃焼が正確な燃焼混合物速度のもとに成就される。
実施例１
公知の精鉱バーナーシステム、すなわち上記方向性バーナーおよび中央ジェット分配器ならびに分配器の中央に配置された酸素噴射器がフラッシュ溶鉱炉中で使用されている。精鉱は硫化銅精鉱であり、処理量は50t/h、約10％の砂が添加されている。使用される反応ガスは98％酸素ガスであり、このうちの５ないし15％が分配器の中央噴射器を通じて供給され、残りは方向性バーナーを通じて供給されている。適切に設計すれば、中央ジェット分配器の外側水冷筒の直径は約500mmとなる。これは目的に叶った放出速度を得るために、500mmという適切な直径を有する環状体の開口として方向性バーナーの放出口内で得られるサイズが約20mmであることを意味する。これはまた非対称性を避けるために放出口の構造が堅固であり、正確に中心に位置付けされていなければならないことを意味する。
仮に何らかの理由により、このような高濃度の酸素の使用が不可能であり燃焼ガスを空気に置き換えなければならない場合には、先ず最初の手段として反応ガスの量を５倍に増やす。また空気を少なくとも200℃まで予熱しなければならないことを考慮すれば、固定放出口を有する前記バーナーを用いて処理容量が同一である場合は、反応塔への反応ガスの放出速度はおよそ８倍に高まる。この速度は多くの意味で余りにも高すぎる。その他の問題の１つとしては、反応ガスの所要圧力が以前の40倍程度まで増大することである。理に叶った運転領域を得るには、通常は容量を減らすこと以外に他の案はない。
そこで本発明に係る方法ならびにバーナーを使用することとする。高濃度酸素を使用する場合は、調整要素10を低位置（第3c図）に置くように調整を行い、これによって環状放出口の開口14のサイズは20mm程度となり速度は前記通常バーナーのレベルである。予熱を伴う空気を使用しなければならない場合は、調整要素をより高い位置（第3a図または第3b図）に引き上げて、放出底端における前記開口14のサイズを50〜60mmとし、得られる速度を再び適度の値とする。
実施例２
本実施例では精鉱分配器19の内側に配置されたオイル噴射器の周辺から供給される酸素の流量調整について述べる。オイル燃焼に必要な酸素の速度調整に関する本発明にかかる方法および装置の優れた機能性については後述する一連の測定データにより最もよく説明されている。その狙いは精鉱分配に用いられる成形体の内部に設置されその底部でオイル噴射器31の周囲に開口している、固定型の酸素放出機構によって速度調整を行うということにある。精鉱、オイルおよび酸素間の反応という見地からは酸素速度が十分に高く保たれることが重要である。反応塔内の閉鎖区域および高温について論じ、また炉方向へのガス流がなければ精鉱が開口部に焼結され易いため、これは難しい課題である。したがって、開口を時々しか使用しない場合のように、開口サイズの何らかの機械的調整は論外である。
本発明においては、多重調整可能バーナーを低容量および高容量といったクリティカルな領域でも使用することができる。付加燃料に必要とされる酸素の供給は、酸素を一次酸素チャネル33を介して供給することにより、また高容量では酸素を一次および二次酸素チャネル36の両者から供給することにより行われる。低容量時は酸素速度は一次チャネル33の末端に配置されたノズル34から放出されたガスの速度（ｗ＝ｗS＝ＶS／ＡS）によって定められ、放出35とは関係しない。添字ｓはノズル34に関する。高容量時は速度はガス速度（ｗ＝ｗO＝（ＶS＋ＶO）／ＡO）によって定められる。添字ｏは放出孔35に関する。
以上は下記の一連の測定データによって確認することができる。測定は明快にするため一部のユニット（１個のノズル34および１個の放出孔35）についてのみ行った。したがって、測定には２つの入れ子のパイプを用いたが、一次酸素チャネルの外面と内面の寸法はφ30／20mm、二次酸素チャネルの外面と内面の寸法はφ60／50mmであった。放出孔35からノズル34までの距離は20mm、放出孔35の直径は30mmであった。速度は放出孔からの距離が105mmの点で測定した。下記の表中では、符号Ｓは一次酸素チャネルに対し、符号Ｕは二次酸素チャネルに対し、符号Ｏは放出孔に対し、そして符号Ｘは測定点に対して付けられている。
本発明の優れた諸機能特性は特に表２によって証明されている（距離105mmの点で測定された速度ｗXと、これに対応する供給速度ｗS、ｗUおよびｗOとの比）。ケース１および２の場合は、酸素は一次酸素チャネルを通じてのみ供給されるが、ケース３の場合は二次酸素チャネルからも供給され、表に見られる通り距離ｘの点におけるガス速度は量とは関係なく同じ範囲内に収まっている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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