JP2008267661A - ショートロータリーファーネス - Google Patents

Abstract

【課題】含銅ドロスを効率良く処理できる含銅ドロス処理装置（ショートロータリーファーネス）を提供する。
【解決手段】 鉛製錬時に生じる銅と鉛を主な成分とする含銅ドロス（２）を加熱熔解し、熔解状態の含銅ドロス（２）と、硫黄を主成分とする溶剤とを反応させて銅マットを生成し、含銅ドロス（２）から銅成分を分離する含銅ドロス（２）の処理において、横置き円筒型の炉（３）の炉尻に、炉（３）の内部に燃料の重油を噴射する重油バーナー（４）と、重油バーナー（４）の燃焼用空気の入口に設けられる旋回羽根（６）と、燃焼空気を排気する環集ダクト（７）とを具備し、重油バーナー（４）の燃焼用空気を旋回羽根（６）より旋回させながら炉内に供給する。
【選択図】図８

Description

本発明は、横置き円筒型の炉内で、鉛製錬時に生じる銅と鉛を主な成分とする含銅ドロスを加熱熔解し、熔解状態の含銅ドロスと、硫黄を主成分とする溶剤とを反応させて、銅マットを生成することによって、含銅ドロスから銅成分を分離するために利用される横置き円筒型のショートロータリーファーネスに関する。

鉛製錬時に生じる銅と鉛を主な成分とする含銅ドロスから銅成分を分離する含銅ドロスの処理は、含銅ドロス処理装置、すなわち電気炉もしくはショートロータリーファーネスにより含銅ドロスを加熱熔解し、熔解状態の含銅ドロスと硫黄を主成分とする溶剤とを反応させ、銅マットを生成することによって、含銅ドロスを粗鉛と銅成分とに分離することにより行う。当社で使用されているショートロータリーファーネスは、横置き円筒型の燃焼炉であり、燃焼炉は、その炉尻に重油バーナーと燃焼空気を排気するための環集ダクトを具備している。重油バーナーは、重油チップと、重油チップの周りの同心二重管部とから構成されており、重油チップの先端の穴から噴射される燃料の重油と、同心二重管部から送風される燃焼用空気とが炉内で混合され、燃焼する構造となっている。

このように、従来、ショートロータリーファーネスに含銅ドロスと溶剤を装荷し、ゆっくりと炉を回転させながら、重油の燃焼で高温となった燃焼空気によって含銅ドロスを熔解し、熔解状態の含銅ドロスと溶剤とを反応させ、銅マットを生成し、含銅ドロスを粗鉛と銅成分とに分離しているが、この重油バーナーによって炉内に形成される重油フレーム（火炎）は、炉内における炎の形成の安定性が芳しくなく、含銅ドロスへの熱供給が不均一となるために熱効率が悪く、１炉バッチで含銅ドロス８．５ｔを処理するのに平均１５時間を要し、しかもその処理時間に５時間程度のばらつきがあった。この熱効率の悪さの主な理由は、重油バーナーと環集ダクトが同じ炉尻に単純な構造として具備されているためと考えられていた。
特開平６−２５７６３号公報

本発明は、上記状況を鑑み、含銅ドロス処理装置として含銅ドロスを効率良く処理できるショートロータリーファーネスを提供することを目的する。

上記の目的を達成するために、発明者は、ショートロータリーファーネスの重油燃焼を考慮した数値シミュレーションを実施し、炉内の熱流体現象を再現する事で、重油バーナーと環集ダクトの配置を検討すると共に、安定した重油フレーム（火炎）を形成するための重油バーナーの燃焼用空気の供給方法についても検討した。その結果、ショートロータリーファーネスの炉尻に、炉内に燃料を噴射する重油バーナーと、重油バーナーの燃焼用空気の入口に設けられ燃焼用空気に旋回をかける旋回羽根と、燃焼空気を排気する環集ダクトとを設け、重油バーナーに対する燃焼用空気を、旋回羽根を通過させることにより、旋回させながら炉内に供給すると、含銅ドロスを効率良く処理できることが判った。

具体的に記載すると、請求項１は、横置き円筒型の炉（３）によって、鉛製錬時に生じる銅と鉛を主な成分とする含銅ドロス（２）を加熱熔解し、熔解状態の含銅ドロス（２）と、硫黄を主成分とする溶剤とを反応させて銅マットを生成し、含銅ドロス（２）から銅成分を分離する含銅ドロス（２）の処理において、横置き円筒型の炉（３）の炉尻に、炉（３）の内部に燃料の重油を噴射する重油バーナー（４）と、重油バーナー（４）の燃焼用空気の入口に設けられる旋回羽根（６）と、燃焼空気を排気する環集ダクト（７）とを具備し、重油バーナー（４）の燃焼用空気を、旋回羽根（６）を通過させることにより旋回させながら炉内に供給する構造としている。

請求項２は、上記横置き円筒型のショートロータリーファーネス（１）において、重油バーナー（４）と旋回羽根（６）とを炉尻に同心的に配置し、重油バーナー（４）の外周に旋回羽根（６）を設置している。

本発明によると、鉛製錬時に生じる銅と鉛を主な成分とする含銅ドロスを処理する装置としての横置き円筒型のショートロータリーファーネス（１）において、重油バーナー（４）と燃焼空気を排気する環集ダクト（７）を炉尻に具備し、重油バーナー（４）の燃焼用空気を旋回羽根（６）を通過させることにより旋回流として供給するから、燃料の重油と燃焼用空気がより良く混合し、着火が促進される。これにより、炉尻の重油バーナー直後に高温のフレーム（炎）が旋回流とともに高い指向性のもとに安定して形成されるから、含銅ドロスの表面が炉尻から炉前まで高温の燃焼空気で覆われる温度分布とすることができる。このため、含銅ドロスへの熱供給が増え、結果として環集ダクトから流出する空気温度が低下し、燃焼空気の含銅ドロスへの熱効率を改善することができ、含銅ドロスを効率よく処理することができる。

特に、上記横置き円筒型のショートロータリーファーネス（１）において、重油バーナー（４）と旋回羽根（６）とを炉尻に同心的に配置し、重油バーナー（４）の外周に旋回羽根（６）を設置している例によると、燃料の重油が旋回状態の燃焼用空気の中心位置にあって空気に包み込まれながら混合するから、燃料の重油と燃焼用空気が一層良く混合し、燃焼が促進され、しかもフレーム（炎）が旋回流とともに高い指向性のもとに炉尻から炉前まで安定に形成できる。

図１は、従来の一般的な含銅ドロス処理装置としてのショートロータリーファーネス１の概念図を示す。ショートロータリーファーネス１は、直径２．７ｍ、長さ４ｍの円筒形状をした横置きの燃焼用の炉３を有しており、炉３は、その炉尻の部分で、下側に重油バーナー４を、上側に環集ダクト７を具備している。重油バーナー４は、燃料の重油を供給する重油チップ５と、燃焼用空気を供給する空気管８とからなる二重管構造となっている。また、環集ダクト７は、炉内の燃焼空気を排気するために設けられている。

重油チップ５は、空気管８の中心位置で直径２８ｍｍ程度のパイプからなり、先端の８個の直径３ｍｍ孔から重油を噴射する構造をしている。また、空気管８は、重油チップ５の外側に位置しており、重油チップ５の管外壁と空気管８の内壁との間の空間を燃焼用空気の供給路としている。

銅成分の分離工程では、ショートロータリーファーネス１の炉３内に含銅ドロス２と溶剤を装荷し、炉３をゆっくりと回転させながら重油の燃焼で高温となった燃焼空気によって、含銅ドロス２を加熱熔解し、熔解状態の含銅ドロス２と、硫黄を主成分とする溶剤とを反応させて、銅マットを生成し、含銅ドロス２から銅成分を分離する。このとき、フレーム（炎）は、炉３の炉尻から炉前へ進み、炉前で方向を反転し、燃焼空気となって炉尻の環集ダクト７から炉外に排気される。

発明者は、本発明の課題を解決するにあたり、図１のようなショートロータリーファーネス１において、重油バーナー４と環集ダクト７の配置および重油バーナーの燃焼用空気の供給方法を変化させ、ショートロータリーファーネス１の重油燃焼を考慮した数値シミュレーションを実施して、炉内の熱流体現象を再現することによって、最も効率のよい重油バーナー４と環集ダクト７の配置を検討すると共に、安定した重油フレーム（炎）を形成するための重油バーナー４の燃焼用空気の供給方法についても検討した。具体的には、図１のショートロータリーファーネス１内の含銅ドロス２を除いた空間をシミュレーションの対象とし、重油燃焼を考慮した３次元熱流体シミュレーションを実施し、燃焼空気の流速ベクトルと炉内の温度分布を解析した。

図２は、図１のショートロータリーファーネス１において、図１と同様に、炉尻に重油バーナー４と環集ダクト７を配置した条件で、シミュレートを行った場合の空気の流速ベクトル図である。炉尻の重油バーナー４から流入した燃焼用空気は、重油と混合して着火し燃焼空気となり、含銅ドロス２の表面に沿って炉前へと向かい、炉前の内壁に衝突して反転上昇した後、炉３の天井に沿って流れ、環集ダクト７から流出する。燃焼空気の流速は、燃焼開始位置で大きいが、次第に低下し、反転上昇した後、低速となる。

図３は、同じ条件における空気の温度コンター図である。重油バーナー４から１ｍ程度炉前に向かったところから重油が激しく燃焼し始める高温領域が見られる。この条件下では、炉尻の温度よりも炉前の温度の方が高くなっている。

図２および図３の条件下で、燃焼空気の含銅ドロス２への熱効率が悪い原因は、重油バーナー４と環集ダクト７を同じ炉尻に具備しているためと考え、発明者は、図４のように炉前に重油バーナー４を、炉尻に環集ダクト７をそれぞれ配置し、上記と同様な熱流体シミュレーションを実施した。

図４は、上記条件の下での空気の流速ベクトル図である。炉前の重油バーナー４から流入し、燃焼した高温の燃焼空気は、含銅ドロス２の表面を通って、炉尻側に到達する。燃焼空気の一部は天井へと循環するものの、殆どの燃焼空気は環集ダクト７へ直接流出する流れとなっている。

図５は、図４での条件における空気の温度コンター図である。この場合、炉前の含銅ドロス２の表面付近の温度が低く、更に、炉尻へ向かって高温となった燃焼空気は、殆どがそのまま環集ダクト７へ流出している。即ち、重油燃焼による高温の燃焼空気が環集ダクト７へ吹き抜け、含銅ドロス２への熱供給が少なくなっている。したがって、重油バーナー４と環集ダクト７は、同じ炉尻に具備する方が含銅ドロス２への熱供給を多くでき、燃焼空気の含銅ドロス２への熱効率が良くなると言える。

次に、重油バーナー４と環集ダクト７を炉３の同じ炉尻に配置した条件で、重油バーナー４の燃焼用空気の入口に軸方向に対し６０°傾斜（仰角３０°）の旋回羽根６を配置し、旋回羽根６に燃焼用空気を通過させ、炉内に流入する燃焼用空気に旋回をかけた場合における熱流体シミュレーションを実施した。

図６は、燃焼用空気に旋回をかけるという条件の下での空気の流速ベクトル図である。炉３の炉尻から流入した燃焼用空気は、図２と同様に含銅ドロス２の表面に沿って炉前へと向かい、折り返して環集ダクト７から流出する流れとなるが、注目すべき点は、燃焼空気の流れ方向が含銅ドロス２の表面へと向かう下斜め方向となっている事である。

図７は、燃焼用空気に旋回をかけるという条件での空気の温度コンター図である。燃焼用空気を旋回させる事で燃料の重油と燃焼用空気がより混合し、これにより着火が促進され、炉尻の重油バーナー４の直後に高温のフレーム（炎）が安定して形成される。しかも、燃焼空気の流れ方向が含銅ドロス２の表面へと向かう下斜め方向となるため、含銅ドロス２の表面が炉尻から炉前まで高温の燃焼空気で覆われる温度分布とすることができる。そのため、含銅ドロス２への熱供給が増え、結果として環集ダクト７から流出する空気温度が低下し、高温の燃焼空気の含銅ドロス２に対する伝熱の効率を改善することができ、含銅ドロス２を効率よく処理することができる。

図８は、図６および図７のシミュレーション、すなわち旋回羽根６により燃焼用空気に旋回をかけた熱流体シミュレーションに基づく本発明の含銅ドロス処理装置としてのショートロータリーファーネス１の概念図である。本発明のショートロータリーファーネス１は、図１に示した従来のショートロータリーファーネス１において、重油バーナー４の燃焼用空気の入口に燃焼用空気に旋回をかける旋回羽根６を設け、重油バーナー４の燃焼用空気を旋回羽根６により旋回させながら炉内に供給する構造を特徴としている。

図９は、図８のショートロータリファーネス１での重油バーナー４の燃焼用空気入口部の拡大図である。重油バーナー４は、環状のケーシング９の中心位置で重油チップ５を具備しており、ケーシング９の内部で重油チップ５の部分を旋回中心とする旋回羽根６を具備している。なお、旋回羽根６はケーシング９に固定されており、燃焼用空気を、旋回羽根６に通過させて、旋回させながら炉内に供給する形式とした。

図１０は、実操業において、重油バーナー４と環集ダクト７を炉尻に配置し、燃焼用空気に旋回をかけない従来の場合（図２の条件）と、燃焼用空気に旋回をかけた本発明の場合（図６の条件) について、１炉バッチで含銅ドロス８．５ｔを処理するのに要した時間をプロットしたグラフである。そのグラフによると、１炉バッチあたりの平均の処理時間を１５時間から１２時間に短縮でき、更にはバッチ毎の処理時間のばらつきも低減されている。

また、図１１は、実操業の際の含銅ドロス５ｔあたりに使用した重油の量をプロットしたグラフである。含銅ドロス１ｔあたりの重油の平均の使用量が１３８Ｌから１１５Ｌに低減されている。

本発明は、銅を含むドロスの処理を対象として開発されたが、同様の形式で行う他金属を含むドロスの処理についても利用できる。

従来のショートロータリーファーネスの概念図である。 ショートロータリーファーネスの炉尻に重油バーナーと環集ダクトを配置した場合の空気の流速ベクトル図である。 ショートロータリーファーネスの炉尻に重油バーナーと環集ダクトを配置した場合の空気の温度コンター図である。 ショートロータリーファーネスの炉前に重油バーナー、炉尻に環集ダクトを配置した場合の空気の流速ベクトル図である。 ショートロータリーファーネスの炉前に重油バーナー、炉尻に環集ダクトを配置した場合の空気の温度コンター図である。 ショートロータリーファーネスの炉尻に重油バーナーと環集ダクトを配置し、燃焼用空気に旋回をかけた場合の空気の流速ベクトル図である。 ショートロータリーファーネスの炉尻に重油バーナーと環集ダクトを配置し、燃焼用空気に旋回をかけた場合の空気の温度コンター図である。 本発明のショートロータリーファーネスの概念図である。 重油バーナーの燃焼用空気入口部の拡大図である。 炉１バッチあたりの含銅ドロスの処理時間の推移を示すグラフである。 炉１バッチ毎の含銅ドロス１t あたりの重油使用量の推移を示すグラフである。

符号の説明

１ ショートロータリーファーネス
２ 含銅ドロス
３ 炉
４ 重油バーナー
５ 重油チップ
６ 旋回羽根
７ 環集ダクト
８ 空気管
９ ケーシング

Claims (2)

1. 横置き円筒型の炉（３）によって、鉛製錬時に生じる銅と鉛を主な成分とする含銅ドロス（２）を加熱熔解し、熔解状態の含銅ドロス（２）と、硫黄を主成分とする溶剤とを反応させて銅マットを生成し、含銅ドロス（２）から銅成分を分離する含銅ドロス（２）の処理において、
   横置き円筒型の炉（３）の炉尻に、炉（３）の内部に燃料の重油を噴射する重油バーナー（４）と、重油バーナー（４）の燃焼用空気の入口に設けられる旋回羽根（６）と、燃焼空気を排気する環集ダクト（７）とを具備し、重油バーナー（４）の燃焼用空気を旋回羽根（６）により旋回させながら炉内に供給する構造を特徴とするショートロータリーファーネス（１）。
2. 重油バーナー（４）と旋回羽根（６）とを炉尻に同心的に配置し、重油バーナー（４）の外周に旋回羽根（６）を設置することを特徴とする請求項１記載のショートロータリーファーネス（１）。