JP2017222901A - ランス - Google Patents

Abstract

【課題】微粉炭などの固体燃料の輸送管に支燃性ガスや易燃性ガスなどが衝突する合流部での溶損を抑制することが可能なランスを提供する。【解決手段】羽口を経て高炉内に熱風を送風する送風管に差し込まれて使用されるランス４であって、固体燃料を吹込む内側管６と支燃性ガス又は易燃性ガスを吹込む外側管７とを有し、内側管６及び外側管７は、管路の途中で内側管６の外側に外側管７が同心状に配されて合流する合流部を有し、内側管６は、少なくとも合流部及び該合流部から吹込み方向先方の部分が直管状に形成され、外側管７は、合流部及び該合流部から吹込み方向先方の部分に形成される直管状の直管部７ａと、合流部よりも吹込み方向の反対側の部分に形成される円弧状に湾曲する湾曲部７ｂとを有し、直管部７ａは、湾曲部７ｂに連続的に接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、微粉炭や粒状合成樹脂などの固体燃料と、酸素などの支燃性ガス又はＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）などの易燃性ガスとを個別に高炉送風管に吹込んで燃焼させるランスに関するものである。

高炉への微粉炭吹込みは、コークスとの価格差に基づくコストメリットが大きいことから、多くの高炉で採用され、経済性の向上に大きく寄与している。近年は、コークス炉の炉命延長の観点からも、その重要性が再認識され、ますます微粉炭の大量吹込みが指向されるようになった。しかし、高炉に吹込む微粉炭量を増してゆくと、微粉炭の燃焼率が低下して、レースウェイ内で微粉炭が燃焼しきれずに、未燃焼の未燃チャーとして炉内に放出される。この未燃チャーは、ソルーションロス反応により炉内で消費されるが、炉内消費量には自ずと限界値が存在するため、消費限界値以上に未燃チャーが発生すると、ダストとして炉頂から排出されて燃料費の上昇を招く。更に、未燃チャーが炉芯や溶融帯に蓄積すると、通気性や通液性が阻害され、炉況不安定や生産性低下の原因となる。

この問題を解決する手段として、微粉炭吹込み用ランスを多重管構造とし、例えば微粉炭と酸素との接触効率を向上させ、微粉炭を積極的に燃焼させる方法が多数提案されている。しかしながら、微粉炭や粒状合成樹脂などの粉体（固体燃料）と、酸素などの支燃性ガスとを個別に吹込むことにより、ランス先端部や支燃性ガスの輸送管での溶損が発生し、長期間の安定吹込みができなくなることも多い。そのため、ランス寿命の低下に伴う補修費の増大ばかりでなく、安価な微粉炭の吹込み量が減少することからコストアップの要因となっていた。このランス溶損対策として、例えば下記特許文献１では、同心状に配置された４本の管のうち、第３の管を第２の管及び第４の管より短くして、第２の管と第３の管との間、及び第３の管と第４の管との間を冷却水の折り返し水路とすると共に、第１の管と第２の管との間に螺旋状のフィンを設けている。そして、このような冷却水の流路を設けることで、大量の冷却水を管周方向で均一に流すことができ、冷却効果が向上してランスの熱負荷を大幅に低減することができるとしている。

特開２０００−１６０２１６号公報

しかしながら、微粉炭や粒状合成樹脂などの粉体（固体燃料）と、例えば酸素などの支燃性ガスとを個別に吹込むことによる溶損は、ランス先端部だけでなく、輸送管内の支燃性ガスが固体燃料吹込み管と衝突する合流部でも生じることが分かった。支燃性ガスは、断熱圧縮及び摩擦熱によって温度が上昇することがある。断熱圧縮は、主にバルブの急開き操作に起因して、圧力調整器、バルブ、配管などの閉空間に高圧ガスが急激に流入し、ガスの圧力とガスの温度が急上昇する現象である。また、摩擦熱は、狭い空隙を高圧ガスが流動するときの流体の流動摩擦によって発生する熱であり、この摩擦熱によってガスの温度と空隙を形成する部材の温度が上昇する。そして、これらの断熱圧縮や摩擦熱によって加熱された管が、酸素との接触に伴う自己酸化熱によって更に熱を発生する。特に、支燃性ガスの流れ方向が急激に変化する微粉炭輸送管との合流部では、ランスに高い動圧が生じるため、例えば微粉炭の輸送管外面に生じている酸化被膜が高い動圧で除去され、その後も自己酸化と酸化被膜の除去が繰り返されて溶損に至る可能性がある。微粉炭とＬＮＧなどの易燃性ガスを個別に吹込む場合、易燃性ガス合流部における微粉炭輸送管の自己酸化は生じないものの、断熱圧縮によって易燃性ガスの温度が上昇することに加え、合流部で高い動圧が生じることに変わりはないので、このような状態が長く続くと、やはり合流部において微粉炭輸送管に溶損が生じる可能性がある。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、微粉炭などの固体燃料の輸送管に支燃性ガスや易燃性ガスなどが衝突する合流部での溶損を抑制することが可能なランスを提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討を行い、その結果、外側管と内側管との合流部において、外側管の合流角度が重要であり、この角度を適切な範囲にすることで、上記溶損が抑制できることが判明した。すなわち、外側管の合流角度が垂直またはそれに近い角度では、断熱圧縮による温度上昇が大きく、また高い動圧が生じるために溶損が発生しやすくなるが、外側管の角度を適切にすると、支燃性ガスまたは易燃性ガスが斜め方向から合流部に流れることになる。その結果、断熱圧縮による温度上昇が小さくなり、さらに動圧も小さくなるので、ランスの溶損を抑制できると推測される。

（１）高炉内に熱風を送風する送風管に差し込まれて使用されるランスであって、固体燃料を吹込む内側管と支燃性ガス又は易燃性ガスを吹込む外側管とを有し、前記内側管及び前記外側管は、管路の途中で前記内側管の外側に前記外側管が同心状に配されて合流する合流部を有し、前記内側管は、少なくとも前記合流部及び該合流部から吹込み方向先方の部分が直管状に形成され、前記外側管は、前記合流部及び該合流部から吹込み方向先方の部分に形成される直管状の直管部と、前記合流部よりも吹込み方向の反対側の部分に形成される円弧状に湾曲する湾曲部とを有し、前記直管部は、前記湾曲部に連続的に接続されていることを特徴とすることを特徴とするランス。
（２）前記湾曲部における前記外側管の内側曲率半径は、２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であることを特徴とする上記（１）の構成に記載のランス。

本発明の固体燃料とは、例えば微粉炭が挙げられる。
また、本発明の支燃性ガスとは、少なくとも５０ｖｏｌ％以上の酸素濃度を有するガスと定義する。
また、本発明で用いる易燃性ガスとは、文字通り、微粉炭よりも燃焼性のよいガスであり、例えば水素を主要成分として含有する水素、都市ガス、ＬＮＧ、プロパンガスの他、製鉄所で発生する転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスなどが適用可能である。また、ＬＮＧと同様なガスとしてシェールガス（shale gas）も利用できる。シェールガスは頁岩（シェール）層から採取される天然ガスであり、従来のガス田ではない場所から生産されることから、非在来型天然ガス資源と呼ばれているものである。都市ガスなどの易燃性ガスは、着火・燃焼が非常に早く、水素含有量が多いものでは燃焼カロリーも高く、また易燃性ガスは、微粉炭と異なり、灰分を含んでいないことも高炉の通気性、熱バランスに対して有利である。

本発明のランスでは、外側管から吹込まれる支燃性ガス又は易燃性ガスが内側管に衝突する動圧が低減されるので、合流部での内側管の溶損を抑制することができる。

本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。 図１の送風管に差し込まれたランスの正面図である。 図２のランスで内側管に生じる動圧を考察するために設定した模式的なランスの正面図である。 図３のランスの斜視図である。 図３のランスにおける内側管の外表面と外側管の内表面を示す平面図である。 図３のランスにおける内側管の外表面に衝突するガス流れの側面図である。 図２のランスで外側管合流部の内側曲率半径を種々に変更したときの動圧評価指標の説明図である。

次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、この実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。熱風には、例えば大気を用いる。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウェイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で鉄鉱石の還元、即ち造銑が行われる。図では、図示左方の送風管２にのみランス４が挿入されているが、周知のように、炉壁に沿って円周状に配置された送風管２及び羽口３の何れにもランス４を挿入設定することは可能である。また、羽口当たりのランスの数も１本に限定されず、２本以上を挿入することが可能である。また、ランスの形態も、単管ランスをはじめ、二重管ランスや複数のランスを束ねたものも適用可能である。この実施形態では、送風管２の内部では二重管ランスとなるランス４を用いている。

例えば固体燃料として微粉炭をランス４から吹込む場合、微粉炭は、Ｎ_２などのキャリアガス（搬送ガス）と共に吹込まれる。ランス４から固体燃料として微粉炭だけを吹込む場合、ランス４から羽口３を通過してレースウェイ５内に吹込まれた微粉炭は、コークスと共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウェイ５から未燃チャーとして排出される。未燃チャーは炉内に蓄積され、炉内通気性を悪化させるため、レースウェイ５内で微粉炭をできるだけ燃焼させる、つまり微粉炭の燃焼性向上が求められる。羽口３の熱風送風方向先方における熱風速度は約２００ｍ／ｓｅｃであり、ランス４の先端からレースウェイ５内における酸素の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及び酸素との接触効率の改善が必要となる。

羽口３からレースウェイ５内に吹込まれた微粉炭は、まず送風からの対流伝熱によって加熱され、更にレースウェイ５内の火炎からの輻射伝熱、伝導伝熱によって急激に粒子温度が上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャーとなる。チャーは、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。このとき、ランス４から送風管２内に吹込まれる微粉炭の揮発分の増加により、微粉炭の着火が促進され、揮発分の燃焼量増加により微粉炭の昇温速度と最高温度が上昇し、微粉炭の分散性と温度の上昇によりチャーの反応速度が上昇する。即ち、揮発分の気化膨張に伴って微粉炭が分散し、揮発分が燃焼し、この燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられる。一方、ランス４から送風管２内に微粉炭と共に例えば易燃性ガスとしてＬＮＧを吹込む場合、ＬＮＧが送風中の酸素と接触してＬＮＧが燃焼し、その燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温されると考えられ、これにより微粉炭の着火が促進される。

この実施形態では、固体燃料と共に支燃性ガスをランス４から吹込む。固体燃料として微粉炭を、支燃性ガスとして酸素を用いた。なお、支燃性ガスの酸素濃度は、９５ｖｏｌ％以上とした。ランス４には、前述のように二重管ランスを用い、二重管ランスを構成する内側管６から微粉炭をキャリアガスと共に吹込み、外側管７（厳密には内側管６と外側管７の隙間）から酸素を吹込む。但し、この二重管ランスは、全長にわたって二重管であるわけではなく、図２に示すように、管路の途中で内側管６の外側に外側管７を同心状に合流させて形成されている。この二重管ランスでは、外側管７も内側管６も、図の右方から左方に向けて酸素や微粉炭を吹込む。このうち、微粉炭を吹込む内側管６は少なくとも外側管７との合流部を含めてその合流部よりも吹込み方向先方部分が直管状に形成されている。また、酸素を吹込む外側管７は、直管状の直管部７ａと、円弧形状に湾曲した湾曲部７ｂを有する。そして、内側管６との合流部から吹込み方向先方部分が直管部７ａとなり、内側管６との合流部から吹込み方向とは反対方向側の部分が湾曲部７ｂとなる。そして、内側管６と外側管７との合流部において、外側管７の直管部７ａと湾曲部７ｂとが連続的に接続される。そして、この実施形態では、湾曲部における外側管７の内側曲率半径Ｒを２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とする。

この湾曲部、つまり外側管７と内側管６の合流部における外側管７の内側曲率半径Ｒを設定するために、外側管７から吹込まれる酸素が内側管６に衝突する時の動圧を評価する。外側管７から吹込まれる酸素が内側管６に衝突する時、その動圧が最も大きいと考えられるのは、図３、図４に示すように、外側管７と内側管６の合流角度が垂直である場合である。そこで、外側管７から吹込まれる酸素が内側管６に衝突する時の動圧の最大値をＰvmaxとしたとき、この動圧最大値Ｐvmaxに影響を与える要因について考察する。この動圧最大値Ｐvmaxに影響を与える要因としては、図４に示すように、合流部入口レイノルズ数Ｒｅ、入口流速Ｖin、入口動圧Ｐvin、入口面積Ｓin（外側管７が内側管６に合流する直前の管の内面積）、合流部出口流速Ｖoutが挙げられる。この他、この実施形態では、外側管７から吹込まれる酸素が内側管６との衝突から逃れる逃げ面積Ｓescを考える。この逃げ面積Ｓescは、外側管７から吹込まれる酸素が内側管６と全く衝突しない無衝突面積Ｓnoと、外側管７から吹込まれる酸素が内側管６の外表面に沿うように流れる、つまり内側管６には接触しているものの動圧になりにくい流れ面積Ｓflowとの和と考える。即ち、逃げ面積Ｓescは、下記（１）式で示される。
Ｓesc＝Ｓno＋Ｓflow ・・・（１）
図５は、図３のランスの合流部における内側管６の外表面と外側管７の内表面を示す平面図である。図中の符号ｄは、内側管６の外径を、図中の符号Ｄは、外側管７の内径を示す。図５のハッチング部分の総面積が無衝突面積Ｓnoに相当する。図より、無衝突面積Ｓnoは、幾何学的に下記（２）式で与えられる。

図６は、図３のランスの合流部における内側管６の外表面に衝突するガス流れの側面図であり、図５の側面図に相当する。従って、図中の円は内側管６の外表面を示し、鉛直な矢印が、外側管７から吹込まれる酸素の流れを示している。この内側管６の外表面が描く上側半円弧の各点に衝突する酸素は、衝突後、主として、その点の接線方向に流れると考えられる。この衝突点と内側管６の中心点Ｏとを結ぶ線分が図６の横軸、例えば水平方向となす角度をψとし、更に、図５の平面視において、内側管６の軸線方向をｚ軸とする。また、図５において、内側管６の外表面と外側管７の内表面との交点と外側管７の中心点Ｑとを結ぶ線分が図の横軸となす角度、つまり内側管６の軸線方向ｚと垂直な方向となす角度をθ₀とすると、流れ面積Ｓflowは、下記（３）式で与えられる。

このうち、無衝突面積Ｓnoと流れ面積Ｓflowの和で与えられる逃げ面積Ｓescは、入口面積Ｓinに応じて変動する。同様に、出口流速Ｖoutは入口流速Ｖinに応じて変動する（正確には出口流速Ｖoutの二乗値は入口流速Ｖinの二乗値に比例する）。また、動圧最大値Ｐvmaxは入口動圧Ｐvinに応じて変動する。また、この実施形態の場合、外側管７の配管内いっぱいに酸素が流れるので、レイノルズ数Ｒｅは、合流部の形状、特に外側管７内における内側管６のレイアウトを反映する。そこで、合流部において外側管７から吹込まれる酸素の内側管外表面への衝突に伴う動圧の評価指標を下記（４）式で与えられるＡとする。この動圧評価指標Ａは、無次元化によって、入口動圧、レイノルズ数、内側管６と外側管７の直径比、ガスの合流前後の流速比の影響を除去して、合流部の形状のみに依存した動圧最大値を評価することができる。

そこで、この実施形態では、動圧評価指標Ａを小さくするために、前述のように、微粉炭を吹込む内側管６は、少なくとも外側管７との合流部を含めてその合流部よりも吹込み方向先方部分が直管状に形成される。そして、酸素を吹込む外側管７の内側管６との合流部から吹込み方向先方部分を直管状の直管部７ａとして形成し、吹込み方向とは反対側の部分を一方向に円弧形状に湾曲させた湾曲部７ｂとして形成し、緒管部７ａと湾曲部７ｂとを連続的に接続させる。ここでは、湾曲部７ｂ、つまり合流部における外側管７の内側曲率半径を規定するため、汎用流体ソフトを用いてコンピュータによる合流部の流体解析を行い、下記表１に示す４つのケースについて、外側管７の内側曲率半径を種々に変更しながら動圧評価指標Ａを求めた。

算出された無次元動圧評価指標Ａをグラフ化したのが図７である。同図では、外側管７の内側曲率半径Ｒ＝０ｍｍで動圧評価指標Ａは最大となり、Ｒ＝２０ｍｍまで急激に減少し、その以上の曲率半径ではほぼ一定となる。ここでは、動圧評価指標Ａが４０以下で動圧最大値Ｐvmaxが安定すると見なした。これは、合流部における外側管７の内側曲率半径Ｒによって流れの剥離が抑制されたことにより、内側管外表面に酸素が衝突するときの動圧が低下したことが原因と考えられる。従って、内側管外表面が何らかの原因で温度上昇し、自己酸化が生じたとしても、外側管７の内側曲率半径Ｒを２０ｍｍ以上とすることで、内側管外表面の動圧を低下させ、これにより内側管６の溶損を抑制することができると考えられる。なお、合流部における外側管７の内側曲率半径Ｒの最大値は１０００ｍｍとした。これは、合流部における外側管７の内側曲率半径Ｒを１０００ｍｍ超えとしても、特に外側管７の管壁と内側管６の管壁との接合が長大で面倒になり、加工精度も低下するだけであることから、外側管７の内側曲率半径Ｒの最大値１０００ｍｍは実質的な加工の限界値である。

なお、この実施形態では、二重管ランスの内側管６から微粉炭を吹込み、外側管７から酸素を吹込む場合について説明したが、内側管６と外側管７が合流する二重管ランスでは、内側管６から微粉炭を吹込み、外側管７からＬＮＧなどの易燃性ガスを吹込む場合でも同様の溶損問題が生じる可能性がある。外側管７の内側曲率半径Ｒを変更した場合の動圧評価指標Ａは、外側管７から吹込むガスが酸素、つまり支燃性ガスであっても、ＬＮＧなどの易燃性ガスであっても同様の結果であることから、本発明のランスは、内側管６から微粉炭などの固体燃料を吹込み、外側管７から易燃性ガスを吹込む場合でも同様に適用可能である。

このように、この実施形態のランスでは、羽口３を経て高炉１内に熱風を送風する送風管２に差し込まれて使用する場合に、管路の途中で内側管６の外側に外側管７を同心状に合流させて形成する。このうち、固体燃料を吹込む内側管６は少なくとも外側管７との合流部を含めてその合流部よりも吹込み方向先方部分が直管状に形成される。また、支燃性ガス又は易燃性ガスを吹込む外側管７を内側管６との合流部にあって一方向に円弧形状に湾曲させる。そして、外側管７に形成された湾曲円弧の端部で外側管７の中心軸を直管状の内側管６の中心軸と湾曲円弧の接線方向に合流させる。これにより、外側管７から吹込まれる支燃性ガス又は易燃性ガスの内側管外表面衝突時の動圧を低減することができ、内側管６の溶損を抑制することができる。
また、湾曲部における外側管７の内側曲率半径Ｒを２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とすることにより、外側管７から吹込まれる支燃性ガス又は易燃性ガスの内側管外表面衝突時の動圧をより一層低減することができ、内側管６の溶損を確実に抑制することができる。

１ 高炉
２ 送風管
３ 羽口
４ ランス
５ レースウェイ
６ 内側管
７ 外側管
７ａ 直管部
７ｂ 湾曲部

Claims (2)

1. 羽口を経て高炉内に熱風を送風する送風管に差し込まれて使用されるランスであって、
   固体燃料を吹込む内側管と
   支燃性ガス又は易燃性ガスを吹込む外側管と
   を有し、
   前記内側管及び前記外側管は、管路の途中で前記内側管の外側に前記外側管が同心状に配されて合流する合流部を有し、
   前記内側管は、少なくとも前記合流部及び該合流部から吹込み方向先方の部分が直管状に形成され、
   前記外側管は、前記合流部及び該合流部から吹込み方向先方の部分に形成される直管状の直管部と、前記合流部よりも吹込み方向の反対側の部分に形成される円弧状に湾曲する湾曲部とを有し、
   前記直管部は、前記湾曲部に連続的に接続されていることを特徴とすることを特徴とするランス。
2. 前記湾曲部における前記外側管の内側曲率半径は、２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のランス。

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