(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーの軸芯線を含む中央部に炉内観察孔が設けられ、前記炉内観察孔の外側に同心円状に、微粉炭を吹き込むためのスリット形態の微粉炭吹込みノズルが設けられ、前記微粉炭吹込みノズルの外側の同心円上に、前記炉の羽口先の温度を調整するためのガスを噴出させるための羽口先温度調整ガスノズルが複数個並べて設けられ、前記羽口先温度調整ガスノズルの外側の同心円上に、酸素ガスを噴出させるための酸素ガスノズルが複数個並べて設けられ、前記羽口先温度調整ガスノズル及び前記酸素ガスノズルの少なくとも一方は、円管で構成され、そして、前記微粉炭吹込みノズル及び前記酸素ガスノズルは、前記微粉炭吹込みノズルから噴射される円筒状微粉炭流体の噴射方向と前記酸素ガスの噴射方向軸芯線との交点が、当該微粉炭バーナーの前方先端に設けられる前記羽口の内面先端位置よりも前記炉の内側方向に位置するように調整されていることを特徴とする微粉炭吹込みバーナー。
【請求項２】
前記微粉炭吹込みノズルの外側の同心円上に、前記酸素ガスノズルが複数個並べて設けられており、前記酸素ガスノズルの外側の同心円上に、前記羽口先温度調整ガスノズルが複数個並べて設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の微粉炭吹込みバーナー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微粉炭を酸素ガスで燃焼させるバーナーに関するものであり、微粉炭を高炉その他の広範囲の工業用反応炉ないし工業用反応容器、あるいは工業用加熱炉等において安価な燃料あるいは還元剤として、効率よく燃焼させるための微粉炭バーナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炉製錬において使用されるコークスは、高炉内での燃料及び鉄鉱石の還元剤として作用し、このコークスの原料は、高品質の粘結炭である。しかしながら、この粘結炭は高価であり、埋蔵量も多くない。そこで高炉コークス用の原料炭の使用量を節減するために、その代替として安価で埋蔵量も豊富な非粘結炭を微粉炭の形態で直接高炉に吹き込む、いわゆる微粉炭吹込み操業が各所で行なわれ、できるだけ多量の微粉炭を吹き込むための技術開発が行なわれている。
【０００３】
従来、微粉炭を高炉へ吹き込む方法として、高炉下部の羽口手前の送風支管の直管部にその外側から斜めにいわゆる微粉炭バーナーを差し込み、熱風中に微粉炭を吹込み、これを酸素ガスで燃焼させつつ炉内に吹き込む方法が知られている。
【０００４】
ところが微粉炭は粉状の固体燃料であるから、例えば、重油等の液体燃料と比べると燃焼性に劣る。そこで、その燃焼性改善のために、送風中の酸素濃度を高めたり、送風温度を高め、更にバーナーをできるだけ羽口から手前に離れた位置に設置することにより、羽口から炉内に流入するまでの間に微粉炭の燃焼を促進する等の対策がとられている。
【０００５】
しかしながら、微粉炭に含まれる灰分は、微粉炭の燃焼に伴う高温状態において溶融状態になり、羽口内面に付着して羽口口径を狭くしたり変形させたりして、羽口からの送風の制御性を損ない、そのために炉内の反応制御が困難になり、高炉操業の安定性を損なう。また、未燃微粉炭の炉内蓄積により炉内の通風性を低下させ、炉況の悪化を招く。
【０００６】
従って、微粉炭バーナーの設計とその適切な使用は、微粉炭の燃焼性を向上させて未燃微粉炭の発生を防止し、高炉操業の安定性を確保しつつ、微粉炭吹込量を増やすために極めて重要な課題である。
【０００７】
上記課題に対して、例えば、特開平７−２３４８９号公報には、微粉炭の燃焼性向上と羽口内面への灰分の付着防止を図りつつ微粉炭を大量に吹き込むことができる微粉炭バーナーの開発を目的として、バーナーの軸芯線を含む中央部から微粉炭を噴出させ、その周りを取り囲んで複数の孔から酸素ガスを噴出させ、微粉炭と酸素ガスの噴出軸芯線が当該バーナーのノズルの先端より前方で交わるようにして両者を混合し、燃焼させる微粉炭バーナーを提案し、この微粉炭バーナーを高炉下部羽口に連設する送風支管の直管部に、その外側から斜めに差し込み、熱風中に上記混合流体を噴射して燃焼させる技術を開示している（以下、「先行技術１」という）。
【０００８】
また、特開平１−２６８８９０号公報には、高酸素濃度送風ガスによる高炉操業において、微粉炭バーナーの軸芯部に炉内観察用の窓を設け、これより得られた情報を炉熱制御もしくは高炉の計算制御のために入力して、高炉の安定操業を図り、炉況を悪化させることなく、且つ羽口寿命を短くすることなく大量の微粉炭を吹き込むことを目的として、微粉炭バーナーに上記炉内観察用の管を設け、その外側に、順次、微粉炭吹込み管、羽口先の温度を調整するためのガスを吹き込む羽口先温度調整ガス管、及び酸素ガス管を同心円状にスリット形態のノズル管を配した微粉炭バーナーが開示されている。そして、微粉炭と各種ガスとの混合流体の進行方向を、羽口出口の手前の所定距離の位置よりも炉の内側に向けた構造に設計して燃焼性の向上を図っている（以下、「先行技術２」という）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
コークスの代替として高炉に微粉炭を吹き込む場合には、高炉の安定操業を確保しつつ、安価に微粉炭の吹込み量を増やすことができる微粉炭吹込み用バーナーの開発が重要である。そのために、微粉炭バーナーが備えるべき性能として、上述した微粉炭の燃焼特性を向上させることにより未燃微粉炭の発生を防止して炉内の通風性の悪化を防止すると共に、一定量の酸素ガスにより燃焼する微粉炭量（以下、「微粉炭酸素比」）を上げて酸素使用量を低減しつつ、且つ多量の微粉炭を吹き込むことができることが重要である。更に、羽口内面への微粉炭中灰分の融着・堆積による羽口断面形状・寸法の縮小変形を防止する設計が必要である。
【００１０】
上記課題に対して、先行技術１及び先行技術２ではいずれも十分な解決をすることができない。即ち、先行技術１では、羽口への灰分の融着・堆積なしに微粉炭吹込みが可能である微粉炭酸素比は十分満足すべきレベルに達していない。例えば、羽口への灰分の融着・堆積が発生しない条件下で微粉炭吹込み量が最大となったときの微粉炭酸素比を、同公報記載の実施例での数値を用いて算出すると、０．７０ｋｇ−微粉炭／Ｎｍ3−Ｏ2ガスとなる。先行技術２では、同心円状スリットノズルの均一加工が難しく、特に３００〜３５０ｍ／ｓ程度の高速で噴出する酸素ガス流は円周方向に不均一になり易い。このように、ガス流速を大きくすると噴出ガスに偏流が発生し、微粉炭と各ガスとの混合性が低下し、燃焼特性が低下する。従って、酸素ガスの流速を十分に大きくできないので、微粉炭吹込量増加にも限界がある。
【００１１】
この発明の目的は、上述した問題を解決して、燃焼性が良好で、大量の微粉炭吹込みができ、且つ微粉炭酸素比が大きく酸素ガス使用量を低減することができる、微粉炭吹込み燃焼用のバーナーを開発することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、上述した観点から鋭意研究を重ねた結果、微粉炭を円環状スリットノズルから円筒状流体で吹き込み、高速酸素ガスをノズル孔から吹き込んで混合流体を形成することにより、微粉炭の燃焼性を向上させることができ、更に羽口先温度調整用ガスを、上記混合流体の形成を乱さないように噴射させ、その燃焼状態を適切に設けられた炉内観察管を通して観察しつつ燃焼状態を制御すれば、微粉炭と純酸素ガスとの混合燃焼による高効率燃焼が行なわれることを知見した。更に、上記混合流体の形成領域を、バーナーの先端に取り付ける羽口よりも炉の内側方向に設定すれば、羽口に融着灰分が堆積して操業トラブルを起こすこともないことがわかった。
【００１３】
この発明は、上記知見に基づきなされたものであり、その要旨は、以下の通りである。
【００１４】
請求項１記載の微粉炭吹込みバーナーは、バーナーの軸芯線を含む中央部に炉内観察孔が設けられ、前記炉内観察孔の外側に同心円状に、微粉炭を吹き込むためのスリット形態の微粉炭吹込みノズルが設けられ、前記微粉炭吹込みノズルの外側の同心円上に、前記炉の羽口先の温度を調整するためのガスを噴出させるための羽口先温度調整ガスノズルが複数個並べて設けられ、前記羽口先温度調整ガスノズルの外側の同心円上に、酸素ガスを噴出させるための酸素ガスノズルが複数個並べて設けられ、前記羽口先温度調整ガスノズル及び前記酸素ガスノズルの少なくとも一方は、円管で構成され、そして、前記微粉炭吹込みノズル及び前記酸素ガスノズルは、前記微粉炭吹込みノズルから噴射される円筒状微粉炭流体の噴射方向と前記酸素ガスの噴射方向軸芯線との交点が、当該微粉炭バーナーの前方先端に設けられる前記羽口の内面先端位置よりも前記炉の内側方向に位置するように調整されていることに特徴を有するものである。
【００１５】
請求項２記載の微粉炭吹込みバーナーは、請求項１に記載の微粉炭吹込みバーナーにおいて、前記微粉炭吹込みノズルの外側の同心円上に、前記酸素ガスノズルが複数個並べて設けられており、前記酸素ガスノズルの外側の同心円上に、前記羽口先温度調整ガスノズルが複数個並べて設けられていることに特徴を有するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、この発明を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１〜図３は、本発明の微粉炭吹込みノズルの構造例を説明する図である。
【００２０】
図１は、本発明の微粉炭吹込みバーナーの一例の基部側の縦断面を示す図である。
【００２１】
図１において、右端側の炉内観察管１、微粉炭管２、羽口先温度調整ガス管３、酸素ガス管４及び冷却水管５は、すべてバーナー先端側のノズル部分まで延びている。微粉炭吹込みバーナー６の外周は水冷構造になっており、また基部には、冷却水入口７と出口８、微粉炭供給口９、羽口先温度調整ガス供給口１０、及び酸素ガス供給口１１が設けられている。炉内観察管１の基部には、その炉内観察管の先端への付着物を除去するパージガスの入口１２等の付帯設備が設けられている。パージガスとしては、例えば、空気を用いる。
【００２２】
図２は、図１の本発明の微粉炭吹込みバーナーの基部の他端側、即ち先端側のノズル部分及びこれに連設された羽口部分の縦断面拡大図である。
【００２３】
図２において、バーナーの軸芯線中央部には炉内観察管１が設けられ、この外側にバーナーの軸芯線を中心とする同心円状に微粉炭吹込みノズル２が設けられ、更にこの外側に内側から順次、羽口先温度調整ガスノズル３及び酸素ガスノズル４が設けられている。
【００２４】
各ノズル形態は、微粉炭吹込みノズル２は円環状のスリットノズルであるのに対して、羽口先温度調整ガスノズル３及び酸素ガスノズル４は、多孔ノズル、即ち、複数個のノズル孔が上記同心円上に配置されたものである。両ガスノズル３、４の横断面形状は所定直径の円形であるものが望ましい。円形であれば製作精度を容易に高水準に維持できる。図３は、図２の微粉炭吹込みバーナーの部分のＡ−Ａ線矢視図であり、バーナー部分の正面図に相当する。
【００２５】
各ノズル２、３、４先端部の形状・寸法は、それぞれ、微粉炭、羽口先温度調整ガス及び酸素ガスの流量及びノズル先端部での線速度を適切に決定すること、及び各流体の噴射方向にあわせて設計する。ここで、各流体の噴射方向は、この発明における重要事項であり、次の通りとする。
【００２６】
図４は、各流体がそれぞれのノズルから噴射された方向を説明する図である。微粉炭吹込みノズル２から吹き込まれる微粉炭の流体２ａは、微粉炭吹込みバーナー６の軸芯線Ｌを軸芯とした円筒状形態で進むが、羽口１５の内面に衝突しないようにして炉内側に向ける。
【００２７】
酸素ガスノズル４から噴射する酸素ガスジェットの軸芯線４ａは、バーナー６の軸芯線Ｌの方向に傾斜しており、微粉炭の流体２ａと点Ｑで交わらせる。点Ｑを中心にした領域で微粉炭と酸素ガスとを混合する。点Ｑの位置は、羽口１５の内面先端Ｐよりも炉内側にくるようにする。
【００２８】
羽口先温度調整ガスは、微粉炭の支燃性ガスとして純酸素ガスを用いるために羽口先温度が従来よりも高くなるので、これを調整するために吹き込むものであり、炉頂ガスの酸素ガス濃度が３０％程度以上の場合に必要なものである。そして、羽口先温度調整ノズル３から噴射する羽口先温度調整ガス流体３ａは、羽口先の炉内空間、高炉の場合にはレースウェイに向ける。
【００２９】
この際、羽口先温度調整ガス流体３ａの噴射方向は、微粉炭と酸素ガスとの上記混合領域の方向に向けないようにする。これは微粉炭をできるだけ高濃度の酸素ガスと混合させて燃焼性を高めるためである。
【００３０】
微粉炭吹込み用キャリアーガスは、酸素ガスが望ましいが、酸素ガスはハンドリングが面倒であるから、空気、酸素富化空気あるいはＣＯ2ガス等を用いるのがよい。また、羽口先温度調整ガスとしては、水蒸気、高炉ガス、コークス炉ガス、Ｎ2ガス、ＣＯ2ガス、その他当該ガスの分解反応が吸熱を伴なうようなガスであって、炉内反応、高炉の場合には鉄鉱石の還元に悪影響を及ぼさないものであればいずれでもよい。
【００３１】
微粉炭吹込みノズルを円管状のスリットノズルにする理由は、バーナーの軸芯線の同心円上に多数のノズル孔を設けた場合には、微粉炭によるノズル詰まりが生じやすいと共に、多量の微粉炭の吹込みが可能となるからである。また、微粉炭と酸素ガスとの混合流体が羽口内面に衝突すると、混合流体中の未燃微粉炭により羽口内面が著しく磨耗して羽口の寿命が著しく低下する。更に、混合流体の燃焼により微粉炭中灰分が溶融して羽口内面に付着・堆積すると、羽口の寿命が著しく低下し、コストがかかる以外に高炉の生産性が低下する。
【００３２】
羽口先温度調整ガスノズル３及び酸素ガスノズル４を多孔ノズルとしたのは、加工しやすく且つ均一吹込みが可能であるからである。なお、多孔ノズルに代えて円管としても良く、この場合には、各孔毎の流量制御が可能となる。
【００３３】
図５は、本発明の微粉炭吹込みバーナーの他の例のノズル部分及びこれに連設された羽口部分の縦断面拡大図である。バーナーの軸芯線中央部に設けられた炉内観察孔１’の外側に同心円状にスリットノズルからなる微粉炭吹込みノズル２を設け、その外側に同心円上に複数個の酸素ガスノズル４（多孔ノズル）を設け、そして、その外側に同心円上に複数個の羽口先温度調整ガスノズル３（多孔ノズル）を配置した微粉炭吹込みバーナー６’である。
【００３４】
この場合も、図１〜３に示した微粉炭吹込みバーナーと同じような性能を発揮する。そして、各ノズル孔の設計については、図１〜図３の場合と同様にそれらの形状・寸法、及び各流体の噴射方向を調整することが望ましい。
【００３５】
なお、羽口先温度調整ガスとして、水蒸気のように温度低下に伴い凝縮する性質のあるガスを用いた場合には、これが水冷管近傍の羽口の下部領域にたまり、微粉炭が堆積して羽口を閉塞するに至る。これを防止するためには、凝縮液体を他のガスで振り払って羽口先に当該液体を溜めないようにする必要がある。
【００３６】
従って、羽口先温度調整ガスとして上記凝縮性ガスを用いる場合であって、羽口先温度調整ガスノズルの位置よりも下方に、酸素ガスノズルを設けることにより、この凝縮液体を羽口先から除去するようにするのが効果的である。即ち、例えば、図３中で、酸素ガスノズル４０が羽口先温度調整ガスノズル３０の下方にあることにより問題は解決される。従って、酸素ガスノズル４の方が羽口先温度調整ガスノズル３よりもバーナーの外周側にあることが必要である。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、微粉炭を高炉その他の広範囲の工業用反応炉ないし工業用反応容器、あるいは工業用加熱炉等において安価な燃料あるいは還元剤として、効率よく燃焼させることができるといった工業上有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の微粉炭吹込みバーナーの一例の基部側の縦断面を示す図である。
【図２】図１の微粉炭吹込みバーナーの基部の他端側である先端部のノズル部分及びこれに連設された羽口部分の縦断面拡大図である。
【図３】図２の微粉炭吹込みバーナーの部分のＡＡ線矢視図である。
【図４】この発明の微粉炭吹込みバーナーの一例における各流体のノズルからの噴射方向を説明する図である。
【図５】この発明の微粉炭吹込みバーナーの他の例のノズル部分及びこれに連設された羽口部分の縦断面拡大図である。
【符号の説明】
１：炉内観察管
１’：炉内観察孔
２：微粉炭管
２ａ：微粉炭の流体
３：羽口先温度調整ガス管
３ａ：羽口先温度調整ガス流体
４：酸素ガス管
４ａ：酸素ガスジェットの軸芯線
５：冷却水管
６、６’：微粉炭吹込みバーナー
７：冷却水入口
８：冷却水排出口
９：微粉炭供給口
１０：羽口先温度調整ガス供給口
１１：酸素ガス供給口
１２：空気入口
１３：仕切弁
１４：覗窓
１５：羽口
３０：羽口先温度調整ガスノズル
４０：酸素ガスノズル
Ｌ：微粉炭吹込みバーナーの軸芯線
Ｐ：羽口内面の先端
Ｑ：微粉炭の流体と酸素ガスジェットの軸芯線とが交わる位置
【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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