粉末コークス注入システム (PCI): 鋼製造効率の向上
共有
Table Of Content
Table Of Content
定義と基本概念
粉砕石炭注入（PCI）システムは、熱風炉の運転において微細に粉砕された石炭を熱風に導入するために使用される高度な冶金プロセスです。これはコークスの代替または補完として機能し、コークス炉の出力への依存を減らすためのコスト効果的で効率的な手段を提供します。PCIシステムの主な目的は、高品質で制御された粉砕石炭の流れを直接熱風炉に供給し、生産性を向上させ、運用コストを削減し、環境排出を低下させることです。
全体の製鋼チェーンの中で、PCIシステムは主原料準備段階に位置し、特に熱風炉プロセスに統合されています。これは熱風システムと密接に相互作用し、粉砕石炭を炉の負荷ゾーンに供給し、化学還元反応に参加します。このシステムの役割は、熱風炉の熱的および化学的環境を最適化し、鉄の還元効率やスラグ形成に影響を与える上で重要です。
技術設計と運用
コア技術
PCIシステムの基本的な工学原理は、微細に粉砕された石炭を熱風炉のトイレゾーンに空気輸送することです。このプロセスは、高圧ブロワーとパイプラインを利用して、粉砕ミルから注入ポイントまで石炭を輸送します。このシステムは、石炭粒子の一貫した制御された流れを確保し、熱風と接触すると急速に燃焼し、還元プロセスに寄与します。
主要な技術コンポーネントには、原料石炭を通常75マイクロメートル未満の細かい粒子に粉砕する石炭粉砕ミルが含まれます。粉砕された石炭は、必要な輸送圧力を生成するブロワーまたはコンプレッサーを備えたパイプラインを介して輸送されます。注入ランスまたはノズルは、石炭を熱風流に導入するために炉のトイレ近くに設置されます。流れを調整し、システムの清浄さを維持するために、フィーダー、バルブ、集塵ユニットなどの補助システムが統合されています。
主要な運用メカニズムは、粉砕石炭を輸送パイプラインに連続的に供給することを含み、圧縮空気または不活性ガスによって推進されます。石炭粒子はキャリアガスに巻き込まれ、炉内への均一な分配と供給を確保します。一旦注入されると、石炭は急速に点火し燃焼し、鉄鋼製造に必要な熱と還元ガスを提供します。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、注入率、粒子サイズ分布、キャリアガス圧力、および温度が含まれます。典型的な注入率は、炉のサイズや運用戦略に応じて、100から250 kg/トンの熱金属の範囲です。粒子サイズは、急速な燃焼を確保し、未燃炭素損失を最小限に抑えるために75マイクロメートル未満に維持されます。
これらのパラメータと出力特性との関係は直接的です：より高い注入率は炉の生産性を向上させる可能性がありますが、完全燃焼を確保するために熱風パラメータの調整が必要になる場合があります。粒子サイズは燃焼効率に影響を与え、細かい粒子はより完全かつ迅速に燃焼し、炭素損失と排出を減少させます。キャリアガスの圧力と温度は、流れの安定性と霧化の質に影響を与えます。
制御システムは、圧力、流量、粒子サイズなどのパラメータを監視するためにリアルタイムセンサーと自動化を使用します。高度なプロセス制御アルゴリズムは、注入率を最適化し、安定した運用を維持し、一貫した炉の性能と排出遵守を確保します。
設備構成
典型的なPCI設置は、指定された細かさの粉砕石炭を生産できる一連の粉砕ミル（ボールミル、垂直ローラーミル、またはジェットミル）で構成されています。ミルは、炉のトイレ近くに位置する注入ランスまで延びる輸送パイプラインに接続されています。
物理的な構成は、炉のサイズやプラントのレイアウトによって異なります。現代のシステムは、スケーラビリティとメンテナンスの容易さを可能にするモジュラー設計を特徴としています。注入ランスは、熱風流内での石炭の均一な分配を確保するために複数のノズルを備えています。
補助システムには、微細な石炭粒子を捕集し、粉塵排出を防ぐための静電気集塵装置やバッグフィルターなどの集塵ユニットが含まれます。ガス清浄システムも統合されており、燃焼ガスを処理し、環境汚染を防ぎます。
時間の経過とともに、設計の進化はエネルギー効率の向上、摩耗の削減、制御精度の向上に焦点を当ててきました。革新には、高圧注入ランスの開発、改善された粉砕技術、およびプロセスの安定性のための高度な自動化が含まれます。
プロセス化学と冶金
化学反応
PCI運転中、粉砕石炭は熱風と接触すると急速に燃焼し、一連の発熱反応を開始します。主な化学反応には以下が含まれます：
-
炭素の燃焼：
C (s) + O₂ → CO₂ + 熱 -
CO生成に至る部分酸化：
C (s) + ½ O₂ → CO -
一酸化炭素と炭素による鉄酸化物の還元：
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO
熱力学的には、これらの反応は高温（> 1200°C）で好まれ、反応速度は粒子サイズと酸素の可用性によって影響を受けます。粉砕石炭の燃焼は、熱、CO、およびCO₂を生成し、負荷内の鉄酸化物の還元を促進します。
反応生成物にはCO₂、CO、灰、および硫黄化合物が含まれ、ガス清浄システムを通じて管理されます。石炭の灰分はスラグ形成に寄与し、炉の運転やスラグ化学に影響を与えます。
冶金的変化
粉砕石炭の注入は、熱風炉内の冶金的変化に影響を与えます。石炭粒子の急速な燃