本発明は、自溶炉の操業方法に関する。

自溶炉の操業において、酸素や空気を強制的に炉内に供給することで、排熱ボイラの水管へのダストの付着を低減する技術が開示されている(例えば、特許文献1,2参照)。

特表2009−632583号公報

特開平10−089601号公報

しかしながら、上記の技術は、ダストの性状を改善することで排熱ボイラにおける水管へのダストの付着防止を目的とするものであり、自溶炉のアップテイクと排熱ボイラとの接続開口の凝固物の溶解を目的としたものではない。

本発明は上記の課題に鑑み、アップテイクと排熱ボイラとの接続開口の凝固物を効率よく溶解・除去することができる自溶炉の操業方法を提供することを目的とする。

本発明に係る自溶炉の操業方法は、自溶炉の操業中に、セットラまたはアップテイクに形成された空気取り入れ口から、前記自溶炉の排ガス全体の1.0%〜5.0%の体積の空気を導入することで、導入前と比較して、前記アップテイクと排熱ボイラとの接続開口の酸素濃度を高くすることにより、前記接続開口を通過する排ガスに含まれる未反応銅精鉱、前記排ガスに含まれるマット成分、および前記接続開口の凝固物のダスト成分の少なくともいずれかの酸化熱を利用して、前記接続開口の凝固物を溶解・除去することを特徴とする。

前記空気取り入れ口から、前記自溶炉の排ガス全体の2.0%〜5.0%の体積の空気を導入し、前記空気取り入れ口から取り入れる空気の流速を、14.6m/s以下としてもよい。前記空気取り入れ口は、前記セットラの天井において、反応シャフトよりもアップテイク寄りに形成されていてもよい。前記空気取り入れ口は前記アップテイクに形成されており、前記空気取り入れ口から取り入れる空気の流速を2.0m/s以下としてもよい。前記空気取り入れ口から前記空気を導入することで、前記接続開口における平均酸素濃度を0.3%〜0.7%としてもよい。

本発明に係る自溶炉の操業方法によれば、アップテイク部と排熱ボイラとの接続開口の凝固物を効率よく溶解・除去することができる。

自溶炉の概略図である。

(a)および(b)は自溶炉を用いた銅製錬工程図である。

自溶炉と排熱ボイラとの接続関係を例示する図である。

(a)および(b)は第1シミュレーションの結果を示す図である。

(a)および(b)は第2シミュレーションの結果を示す図である。

(a)および(b)は第3シミュレーションの結果を示す図である。

(a)および(b)は第4シミュレーションの結果を示す図である。

(a)および(b)は第5シミュレーションの結果を示す図である。

(a)および(b)は第6シミュレーションの結果を示す図である。

(a)および(b)は第7シミュレーションの結果を示す図である。

実施例の結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

(実施の形態) 図1は、自溶炉100の概略図である。図1に示すように、自溶炉100は、反応シャフト10、セットラ20およびアップテイク30が順に配置された構造を有する。反応シャフト10の上部には、精鉱バーナ40が設けられている。

図2(a)および図2(b)は、自溶炉100の操業を例示する図である。まず、図2(a)で例示するように精鉱バーナ40から銅精鉱等の銅製錬用原料、溶剤等(以下、これらの固体原料を出発原料と称する)とともに、酸素を含む反応ガスが反応シャフト10内に投入される。それにより、下記反応式(1)などにより銅製錬用原料が酸化反応を起こし、図2(b)で例示するように、反応シャフト10の底部でマット50およびスラグ60に分離する。なお、下記反応式(1)で、Cu₂S・FeSがマットの主成分に相当し、FeO・SiO₂がスラグの主成分に相当する。溶剤として、珪酸鉱が用いられている。 CuFeS₂+SiO₂+O₂→Cu₂S・FeS+2FeO・SiO₂+SO₂ + 反応熱 (1)

反応ガスとして、例えば酸素富化空気を用いることができる。酸素富化空気とは、自然の大気よりも高い酸素濃度を有する空気のことである。例えば、酸素富化空気は、60体積%〜90体積%の酸素濃度を有する。それにより、銅製錬用原料に十分な酸化反応を生じさせることができる。マット50は、アップテイク30から転炉へと導入される。スラグ60は、アップテイク30から錬カン炉へと導入される。

反応シャフト10には反応ガスが吹き込まれるため、自溶炉100において排ガスが発生する。排ガスは高温を有しているため、排ガスから排熱を回収するための排熱ボイラが設けられている。図3は、自溶炉100と排熱ボイラ200との接続関係を例示する図である。図3で例示するように、排熱ボイラ200は、アップテイク30の上部に接続されている。排ガスが有する熱量を排熱ボイラ200で回収することができるため、自溶炉100で生じた熱を効率よく回収することができる。

自溶炉100で発生する排ガスには、未反応銅精鉱やダストが含まれている。ダストには、マット成分の他に、CuO,SiO₂,Fe₃O₄,Al₂O₃・FeOなどが含まれている。マット成分には、Cu₂S,FeS,FeO,ZnS,PbSなどが含まれている。排ガスが排熱ボイラ200に回収される際に、アップテイク30と排熱ボイラ200との接続開口(アップテイク開口31)においてダストの一部が凝固する。この場合、アップテイク開口31の開口面積が小さくなるため、自溶炉100内の圧力と排熱ボイラ200内の圧力との間に差が生じるようになる。自溶炉100内の圧力と排熱ボイラ200内の圧力との差を小さくするためには、アップテイク開口31において凝固物を効率よく溶解・除去することが望まれる。例えば、発破や重油バーナなどで凝固物を溶解させることが考えられる。しかしながら、発破や重油バーナなどで凝固物を溶解させるためには、自溶炉の操業を停止する必要がある。

そこで、本実施形態においては、自溶炉の操業中に、セットラ20またはアップテイク30に設けられた空気取り入れ口からノズル等によって空気を導入することで、導入前と比較して、アップテイク開口31における酸素濃度を高くする。それにより、アップテイク開口31を通過する排ガスに含まれる未反応銅精鉱、当該排ガスに含まれるマット成分、およびアップテイク開口31の凝固物のダスト成分の少なくともいずれかを酸化させることができる。この場合に生じる酸化熱を利用して、アップテイク開口31の凝固物を効率よく溶解・除去することができる。例えば、上記のダスト成分やマット成分は、単独では高い融点を有するが、アップテイク開口31の凝固物においては化合物を形成することで比較的低い融点を有している。例えば、上記の未反応銅精鉱、マット成分、および凝固物のダスト成分の少なくともいずれかの酸化熱を利用してアップテイク開口31における温度を1200℃〜1300℃程度まで上昇させることで、凝固物を溶解させることができる。

空気の取り入れ量が少なすぎると、アップテイク開口31における酸素濃度を十分に高くすることが困難である。したがって、空気取り入れ量に下限を設ける。一方、必要以上に空気を取り入れると、アップテイク開口31の温度が低下して必要な温度が得られないおそれがある。また、排熱ボイラ200に流入する排ガス中の酸素濃度が高くなり、排熱ボイラ200の水冷チューブの腐食が促進するおそれがあり、排ガス中の主成分であるSO₂が排熱ボイラ200内でSO₃に転化しやすくなり、後段工程である硫酸工場での廃酸(濃度が低い製品規格外の硫酸)発生量増のおそれがある。したがって、空気取り入れ量に上限を設ける。本実施形態においては、自溶炉100の操業中において、アップテイク開口31から排出される排ガス全体の1.0%〜5.0%の体積の空気を取り入れる。この場合、アップテイク開口31の温度低下を抑制しつつ、酸素濃度を十分に高くすることができる。なお、アップテイク開口31における酸素濃度をより十分に高くする観点から、アップテイク開口31から排出される排ガス全体の2.0%以上の体積の空気を取り入れることが好ましい。一方、アップテイク開口31の温度低下を十分に抑制する観点から、アップテイク開口31から排出される排ガス全体の3.8%以下の体積の空気を取り入れることが好ましい。なお、空気取り入れ口21から空気を取り入れることで、アップテイク開口31における平均酸素濃度は、0.3%〜0.7%となることが好ましい。

例えば、セットラ20の天井に設けた開閉式の空気取り入れ口21を利用する。セットラ20の天井に新たに空気取り入れ口21を設けてもよいが、従来から設けられている空気取り入れ口(例えば、重油バーナ孔)を利用することができる。空気取り入れ口21から取り入れた空気は、セットラ20の内部を対流し、アップテイク30からアップテイク開口31を介して排熱ボイラ200内に流入する。

空気取り入れ口21から取り入れる空気は、自溶炉100の内部と外部との差圧によって自然に流入するフリーエアなどを用いることができる。取り入れ空気量が不足する場合には、送風機などによって空気量を補ってもよい。

空気取り入れ口21は、例えば、セットラ20の天井において、反応シャフト10よりもアップテイク30寄りに形成されていることが好ましい。または、空気取り入れ口21は、アップテイク30のペチコート部(セットラ20とアップテイク30との連結部)に形成されていることが好ましい。空気取り入れ口21がアップテイク開口31に近い位置に形成されることで、流入ガスの高酸素濃度が分散することが抑制され、アップテイク開口31の温度を効率よく局所的に高くすることができるからである。

以下、自溶炉100の操業中に空気取り入れ口21から空気を取り入れた場合の、アップテイク開口31における酸素濃度についてシミュレーションを行った結果について説明する。空気取り入れ量の、アップテイク開口31から排出される排ガス全体に対する体積%をパラメータとする。なお、空気取り入れ口21から取り入れる空気の流速を変化させると当該空気の対流の軌跡が変化し、アップテイク開口31において酸素濃度の分布に変化が生じる。そこで、以下のシミュレーションでは、空気取り入れ口21から取り入れる空気の流速もパラメータとした。

まず、空気取り入れ口21を閉じた場合には、空気取り入れ口21から空気は流入しなかった。この場合、アップテイク開口31における平均酸素濃度は、0.076%と低い値となった。この場合には、アップテイク開口31において上記の未反応銅精鉱、マット成分、および凝固物のダスト成分を十分に酸化させることは困難であると考えられる。

図4(a)および図4(b)は、第1シミュレーションの結果を示す図である。図5(a)および図5(b)は、第2シミュレーションの結果を示す図である。図6(a)および図6(b)は、第3シミュレーションの結果を示す図である。図7(a)および図7(b)は、第4シミュレーションの結果を示す図である。図8(a)および図8(b)は、第5シミュレーションの結果を示す図である。図9(a)および図9(b)は、第6シミュレーションの結果を示す図である。図10(a)および図10(b)は、第7シミュレーションの結果を示す図である。

図4(a)、図5(a)、図6(a)、図7(a)および図8(a)は、セットラ20の天井の空気取り入れ口21から取り入れた空気の軌跡のシミュレーション結果を示す図である。図9(a)および図10(a)は、アップテイク30のペチコート部に設けられた空気取り入れ口21から取り入れた空気の軌跡のシミュレーション結果を示す図である。また、図4(a)、図5(a)、図6(a)、図7(a)、図8(a)、図9(a)および図10(a)は、アップテイク開口31におけるフリーエアの集中流箇所を併せて示す。「L側」は排ガスがアップテイク開口31に流入する方向にアップテイク開口31を見た場合の左側であり、「R側」は右側であり、ハッチを付した円が集中流箇所を表す。図4(b)、図5(b)、図6(b)、図7(b)、図8(b)、図9(b)および図10(b)は、アップテイク開口31における酸素濃度分布のシミュレーション結果を示す図である。模様が濃いほど酸素濃度が高く、模様が薄いほど酸素濃度が低いことを表している。

第1シミュレーションでは、空気取り入れ口21からの取り入れ量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の2.0%とし、取り入れた空気の流速を55.1m/sとした。第2シミュレーションでは、空気取り入れ口21からの取り入れ量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の2.0%とし、取り入れた空気の流速を14.6m/sとした。第3シミュレーションでは、空気取り入れ口21からの取り入れ量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の2.0%とし、取り入れた空気の流速を6.6m/sとした。第4シミュレーションでは、空気取り入れ口21からの取り入れ量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の1.0%とし、取り入れた空気の流速を14.6m/sとした。第5シミュレーションでは、空気取り入れ口21からの取り入れ量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の5.0%とし、取り入れた空気の流速を14.6m/sとした。第6シミュレーションでは、空気取り入れ口21からの取り入れ量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の2.0%とし、取り入れた空気の流速を6.6m/sとした。第7シミュレーションでは、空気取り入れ口21からの取入量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の2.0%とし、取り入れた空気の流速を2.0m/sとした。

第1シミュレーションでは、アップテイク開口31における平均酸素濃度は0.50%と高くなった。第2シミュレーションでは、アップテイク開口31における平均酸素濃度は0.52%と高くなった。第3シミュレーションでは、アップテイク開口31における平均酸素濃度は0.53%と高くなった。第4シミュレーションでは、アップテイク開口31における平均酸素濃度は0.40%と高くなった。第5シミュレーションでは、アップテイク開口31における平均酸素濃度は1.11%と高くなった。第6シミュレーションでは、アップテイク開口31における平均濃度は0.55%と高くなった。第7シミュレーションでは、アップテイク開口31における平均酸素濃度は0.51%と高くなった。これらの結果から、空気取り入れ口21からの取り入れ量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の1.0%〜5.0%とすることで、酸素濃度を十分に高くすることができることがわかった。

ただし、図4(b)の結果と比較して、図5(b)、図6(b)および図8(b)の結果では、酸素濃度が高い領域がアップテイク開口31の中央部に位置するようになり、酸素濃度分布がより均一化された。したがって、空気取り入れ口21から取り入れる空気の流速に、最適範囲があることがわかった。図4(b)、図5(b)、図6(b)および図8(b)の結果から、空気取り入れ口21からの取り入れ量をアップテイク開口31から排出される排ガス全体の2.0%〜5.0%とした場合に、空気取り入れ口21から取り入れる空気の流速は、14.6m/s以下とすることが好ましい。

なお、図4(b)、図5(b)、図6(b)、図7(b)および図8(b)の結果と比較して、図9(b)では酸素濃度に偏りが生じている。これは、セットラ20よりもアップテイク開口31に近いペチコート部の取り入れ口から空気を取り入れたからであると考えられる。これに対して、図10(b)では、酸素濃度の偏りが抑制されている。これは、アップテイク30の空気取り入れ口21から空気を取り入れる場合に取り入れる空気の流速を低くしたからであると考えられる。以上の結果から、アップテイク30の空気取り入れ口21から空気を取り入れる場合には、取り入れる空気の流速を2.0m/s以下とすることが好ましい。

自溶炉100の操業中に空気取り入れ口21から空気を流入させた。実施例1では、ペチコート部からフリーエアを内部に流入させた。実施例2〜4では、セットラ20の天井から酸素富化空気を内部に流入させた。流入の前後において、アップテイク30内の圧力と、排熱ボイラ200の入口の圧力との差圧を測定した。図11に示すように、空気の流入により、差圧が小さくなった。これは、アップテイク開口31の凝固物が溶解・除去されて、アップテイク開口31の開口面積が大きくなった結果である。これは、自溶炉100の操業中において、アップテイク開口31から排出される排ガス全体の1.0%〜5.0%の体積の空気を取り入れたことで、アップテイク開口31の温度低下を抑制しつつ酸素濃度を十分に高くすることができたからであると考えられる。また、実施例2〜4の結果から、アップテイク開口31から排出される排ガス全体の2.0%〜5.0%の体積の空気を取り入れる場合において、流速を14.6m/s以下とすることで、アップテイク開口31における酸素濃度分布の偏りが抑制され、効率良く凝固物が溶解・除去されたものと考えられる。また、実施例1の結果から、アップテイク30から空気を取り入れる場合には、流速を2.0m/s以下とすることで、アップテイク開口31における酸素濃度分布の偏りが抑制され、効率良く凝固物が溶解・除去されたものと考えられる。なお、図11において、原料装入量は、反応シャフト10に投入される出発原料の装入量である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

10 反応シャフト 20 セットラ 21 空気取り入れ口 30 アップテイク 31 アップテイク開口 40 精鉱バーナ 50 マット 60 スラグ 100 自溶炉 200 排熱ボイラ